(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
超電導界磁巻線と、当該超電導界磁巻線にスリップリングや電流リード線を介して界磁電流を供給する励磁電源と、回転子外部に設置されて上記超電導界磁巻線と並列に接続され中間タップを有する保護抵抗と、上記超電導界磁巻線にクエンチが発生した場合に上記超電導界磁巻線及び保護抵抗の回路と上記励磁電源とを断路する遮断器を備えた超電導回転電機の回転子において、
上記超電導界磁巻線の極間位置と上記保護抵抗の中間タップ間を電気的に接続する中間リード線が設けられたことを特徴とする超電導回転電機の回転子。
【請求項２】
超電導界磁巻線を巻回する巻線取付軸の外周と内周を繋ぐ貫通穴を当該巻線取付軸の上記超電導界磁巻線の極間位置に設け、当該貫通穴に前記中間リード線を固定すると共に、上記巻線取付軸内周に取り出された中間リード線をスリップリングに接続する軸方向導体が設けられたことを特徴とする請求項１に記載の超電導回転電機の回転子。
【請求項３】
巻線取付軸に設けられた貫通穴に対して軸対称位置に当該貫通穴と同一形状の第２の貫通穴を設けて、当該第２の貫通穴に中間リード線と同一重量のダミーリード線が固定されたことを特徴とする請求項２に記載の超電導回転電機の回転子
【請求項４】
超電導界磁巻線と、当該超電導界磁巻線にスリップリングや電流リード線を介して界磁電流を供給する励磁電源と、回転子外部に設置されて上記超電導界磁巻線と並列に接続される保護抵抗と、上記超電導界磁巻線にクエンチが発生した場合に上記超電導界磁巻線及び保護抵抗の回路と上記励磁電源とを断路する遮断器を備えた超電導回転電機の回転子において、
上記超電導界磁巻線を自己インダクタンスが１／３になるように等分割した位置と抵抗値が同一である３つの上記保護抵抗の中間位置が２本の中間リード線で電気的に接続されたことを特徴とする超電導回転電機の回転子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超電導回転電機の回転子に関し、詳しくは、超電導回転電機の回転子を構成する超電導界磁巻線と、当該超電導界磁巻線にスリップリングや電流リード線を介して界磁電流を供給する励磁電源と、上記超電導界磁巻線と並列に接続され中間タップを有する保護抵抗と、上記超電導界磁巻線にクエンチが発生した場合に上記超電導界磁巻線及び保護抵抗の回路と上記励磁電源とを断路する遮断器を備えた超電導回転電機の回転子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図１０は、例えば特開昭５７−１６６８８８号公報に示された従来の超電導回転電機の回転子の構造を示す断面図である。図中の１は、中空のトルクチューブで、その両端の一方側は駆動側端部軸２のフランジ部２ａに、他方側は反駆動側端部軸３のフランジ部３ａに固定されている。４はこのトルクチューブ１の中央部に形成された中空の巻線取付軸であり、５はこの巻線取付軸４に巻回固定された超電導界磁巻線である。
上記巻線取付軸４の外周部にはヘリウム外筒６が配設され、巻線取付軸４の両側面部のそれぞれには端板としてのヘリウム端板７が配設されて、冷媒の液溜め部としての液体ヘリウムの液溜め部８が形成されている。
９は常温ダンパで、その両端の一方側は駆動側端部軸２のフランジ部２ａに、他方側は反駆動側端部軸３のフランジ部３ａに固着されており、上記トルクチューブ１と巻線取付軸４とを包囲して配設されている。
１０は上記巻線取付軸４と常温ダンパ９との間に配設された低温ダンパ、１１は駆動側端部軸２及び反駆動側端部軸３を軸支する軸受、１２はトルクチューブ１に形成あるいは配置された熱交換器、１３は巻線取付軸４の両側面部の外側のトルクチューブ１内に設けられた側部輻射シールド、１４は真空部である。
【０００３】
１５は界磁電流供給用のスリップリングで、反駆動側端部軸３に設けられている。１６は電流リード線で、ヘリウム端板７を貫通し、超電導界磁巻線５とスリップリング１５とを電気的に接続している。１６ａはこの電流リード線１６を収納するパイプとしての電流リード線管である。１７は反駆動側端部軸３の軸端に取り付けられたヘリウム給排装置、１８は液体ヘリウムの液溜め部８とヘリウム給排装置１７とを連通する液体ヘリウム供給管、１９は液体ヘリウムの液溜め部８と熱交換器１２とを連通するヘリウム配管、２０は熱交換器１２とヘリウム給排装置１７とを連通するガスヘリウム排出管、２１は電流リード線管１６ａとヘリウム給排装置１７とを連通するガスヘリウム排出管である。尚、図１１は上記超電導界磁巻線５の展開図である。
【０００４】
図１２は、上記従来の超電導回転電機の回転子の励磁回路である。図中の５は超電導界磁巻線、１５はスリップリング、２２は励磁電源で、超電導界磁巻線５に直列に接続されスリップリング１５を介して超電導界磁巻線５に界磁電流を供給する。
２３は遮断器で、超電導界磁巻線５に直列に接続され、超電導界磁巻線５にクエンチが発生すると開放する。２４は保護抵抗で、超電導界磁巻線５に並列に接続され、超電導界磁巻線５にクエンチが発生すると投入される一定抵抗値Ｒを有する。
【０００５】
次に動作について説明する。
超電導界磁巻線５が超電導状態では、超電導界磁巻線５は遮断器２３を閉路して、スリップリング１５を介して励磁電源２２により励磁される。
超電導界磁巻線５にはクエンチと称される現象が存在する。ワイヤムーブメント等の微小振動による導体表面の発熱、或いは、外部磁界の変動による導体内部での発熱等が生じた場合には、超電導状態が部分的に常電導状態に転位する。この発熱が超電導界磁巻線５の冷却剤、例えば、液体ヘリウムの冷却能力より大きい場合には常電導部分が拡大し、伝播する。この間も電流は流れ続けており、ジュール損失により、超電導界磁巻線５の各部分の温度は更に上昇する。
超電導界磁巻線５のエネルギーが大きい場合には、超電導界磁巻線５は温度上昇により焼損する可能性がある。このため、超電導界磁巻線５のエネルギーを回転子外部に取り出し、クエンチが発生すると遮断器２３を開路して、保護抵抗２４に電流を流すことで、保護抵抗２４でエネルギーを消費させ、超電導界磁巻線５の温度上昇を抑制する。
但し、保護抵抗２４に電流が流れる瞬間、超電導界磁巻線５には電圧が発生する。超電導界磁巻線５の自己インダクタンスＬ、保護抵抗２４の抵抗値Ｒ、回路に流れる電流Ｉの場合には、界磁電流の減衰時定数Ｔ＝Ｌ／Ｒ、超電導界磁巻線５で発生する電圧はＩ×Ｒとなる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
超電導回転電機を大容量化する場合、容量増大に伴い超電導界磁巻線５のインダクタンスや界磁電流が何れも増大し、超電導界磁巻線５に蓄えられるエネルギーも小容量機と比較して増大する。蓄積エネルギーは、例えば６０万ｋＷ級発電機では２０万ｋＷ級発電機の約３倍に増大する。
従って放電抵抗値が小容量機と同一の場合には超電導界磁巻線５の温度上昇が大きくなり、回転子外部でのエネルギー消費量を増大するには、保護抵抗２４の抵抗値を大きくする必要がある。
しかし、保護抵抗が大きくなると、遮断器２３の投入時に、超電導界磁巻線５で発生する電圧（界磁電流Ｉと保護抵抗Ｒの積）が数ｋＶのレベルまで大きくなるため、大容量化すると超電導界磁巻線５の絶縁設計が困難になる。
本発明はこのような課題の解決を目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、超電導界磁巻線と、当該超電導界磁巻線にスリップリングや電流リード線を介して界磁電流を供給する励磁電源と、回転子外部に設置されて上記超電導界磁巻線と並列に接続され中間タップを有する保護抵抗と、上記超電導界磁巻線にクエンチが発生した場合に上記超電導界磁巻線及び保護抵抗の回路と上記励磁電源とを断路する遮断器を備えた超電導回転電機の回転子において、上記超電導界磁巻線の極間位置と上記保護抵抗の中間タップ間を電気的に接続する中間リード線が設けられたことを特徴とする。
【０００８】
請求項２の発明は、超電導界磁巻線を巻回する巻線取付軸の外周と内周を繋ぐ貫通穴を当該巻線取付軸の上記超電導界磁巻線の極間位置に設け、当該貫通穴に前記中間リード線を固定すると共に、上記巻線取付軸内周に取り出された中間リード線をスリップリングに接続する軸方向導体が設けられたことを特徴とする。
【０００９】
請求項３の発明は、巻線取付軸に設けられた貫通穴に対して軸対称位置に当該貫通穴と同一形状の第２の貫通穴を設け、当該第２の貫通穴に中間リード線と同一重量のダミーリード線が固定されたことを特徴とする。
【００１０】
請求項４の発明は、超電導界磁巻線と、当該超電導界磁巻線にスリップリングや電流リード線を介して界磁電流を供給する励磁電源と、回転子外部に設置されて上記超電導界磁巻線と並列に接続される保護抵抗と、上記超電導界磁巻線にクエンチが発生した場合に上記超電導界磁巻線及び保護抵抗の回路と上記励磁電源とを断路する遮断器を備えた超電導回転電機の回転子において、上記超電導界磁巻線を自己インダクタンスが１／３になるように等分割した位置と抵抗値が同一である３つの上記保護抵抗の中間位置が２本の中間リード線で電気的に接続されたことを特徴とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
実施の形態１は、超電導界磁巻線の極間位置と保護抵抗の中間タップ間を電気的に接続する中間リード線を設けた構成としたものである。以下、図１に基づいて説明する。図は、２極の超電導回転電機の回転子における励磁回路の構成図を示す。尚、図示以外の箇所は従来例と同じである。
図中の５ａ、５ｂはそれぞれ超電導回転電機回転子のＮ極、Ｓ極の磁界を発生する超電導界磁巻線、５ｃはＮ極とＳ極の中間位置を示し、１５はスリップリング、２２は励磁電源、２４ａ、２４ｂは超電導界磁巻線５ａ、５ｂに並列接続されそれぞれ抵抗値Ｒを有する保護抵抗であり、２３は超電導界磁巻線５ａ，５ｂにクエンチが発生すると励磁回路を開放する遮断器である。
又、２４ｃは保護抵抗２４ａ、２４ｂの中間位置であり、２５は極間位置５ｃと保護抵抗２４ａ、２４ｂの中間位置２４ｃとを電気的に接続した中間リード線である。
【００１２】
次に動作について説明する。
超電導界磁巻線５ａ、５ｂが超電導状態で抵抗が零の場合には、超電導界磁巻線５ａ、５ｂは遮断器２３を閉路してスリップリング１５を介して励磁電源２２により励磁されることは従来技術で説明した通りである。
本実施の形態１においては、超電導界磁巻線５ａ、５ｂが外部からの擾乱等何らかの理由によりクエンチした場合、遮断器２３にて励磁電源２２の回路を切り離し、保護抵抗２４ａ、２４ｂに電流が流れることで、超電導界磁巻線５ａ、５ｂ、保護抵抗２４ａ、２４ｂ、極間位置５ｃと中間位置２４ｃとの間を電気的に接続するように設けられた中間リード線２５にて、２つの閉回路が形成されるので、超電導界磁巻線５ａ、５ｂに流れる界磁電流により蓄えられたエネルギーが保護抵抗２４ａ、２４ｂで消費される。
【００１３】
超電導界磁巻線５ａ若しくは５ｂにクエンチが発生した場合、中間リード線２５で２つの閉回路が形成されるため、自己インダクタンスＬが中間リード線２５を設けない場合の１／２に減少し、超電導界磁巻線５ａ、５ｂに流れる界磁電流の減衰時定数が１／２に減少する。
このことは、一方では外部抵抗でのエネルギー消費量が増加していることに対応しており、超電導界磁巻線５ａ、５ｂの温度上昇が抑制される。
又、保護抵抗２４ａ、２４ｂの抵抗値Ｒを、例えば、それぞれＲ／２にした場合は、界磁電流の減衰時定数は変化しないが、遮断器２３の投入時に超電導界磁巻線５で発生する電圧は中間リード線２５がない場合の１／２に減少することができ、超電導界磁巻線５の絶縁部材（図示なし）を損傷する可能性が低減される。
保護抵抗２４ａ、２４ｂの抵抗値を調整することで、超電導界磁巻線５に流れる界磁電流の減衰時定数と超電導界磁巻線５に発生する電圧を調整することが可能となるため、大容量超電導回転電機の界磁巻線の設計裕度が向上する。
【００１４】
尚、中間リード線２５には、超電導界磁巻線５ａ若しくは５ｂにクエンチが発生しない限り、電流は流れず、又、クエンチが発生した場合についても、流れる電流は数秒間と極めて短時間であり、ジュール損失による発熱が小さいため、可能な限り細いリード線の適用が可能となる。
【００１５】
実施の形態２．
上記実施の形態１では、極間位置５ｃと中間位置２４ｃとの間に設けられた中間リード線２５にて２つの閉回路を形成することで、超電導界磁巻線５の温度上昇、絶縁部材（図示なし）の損傷可能性が低減されることを、電気回路による機能上の説明により示したが、ここでは、実施の形態２として、これを実現する具体的構造を図２乃至図５について説明する。尚、図２は回転子の構造を示す断面図で、図３は図２のＡ−Ａ断面図、図４は図２のＢ−Ｂ断面図、図５は超電導界磁巻線の展開図である。
この図２乃至図５に示す例では、超電導界磁巻線５を巻回する巻線取付軸４に巻線取付軸４の外周と内周とを繋ぐ貫通穴２７（以下、第１の貫通穴ともいう）を設け、この第１の貫通穴２７に中間リード線２５を固定すると共に、巻線取付軸４の内周に取り出された中間リード線２５をスリップリング１５に接続する軸方向導体２８を設ける構成としてある。
従来の超電導界磁巻線５の電流リード線１６では、磁極部分４ａに設けた貫通穴２９に通していたが、極間部分４ｂに設けられた貫通穴２７から中間リード線２５を取り出すことで、巻線取付軸４の外径側表面から渡す必要がなくなり、簡素で信頼性の高い構造を提供できる。
又、図５では一例として貫通穴２７の軸方向位置を超電導界磁巻線５の中心に設けているが、貫通穴２７は軸方向の任意の位置に設けても問題はない。
【００１６】
実施の形態３．
上記実施の形態２では、超電導界磁巻線５を巻回する巻線取付軸４に巻線取付軸４の外周と内周を繋ぐ貫通穴２７を設けることで、当該貫通穴２７を介して中間リード線２５を巻線取付軸４の外径側から内径側に通すことが構造上可能になる場合について述べたが、この実施の形態３では、図７に示すように、巻線取付軸４に設けた第１の貫通穴２７の軸対称位置に、新たに当該第１の貫通穴２７と同一形状の第２の貫通穴３０を設け、当該第２の貫通穴３０に前記中間リード線２５と同一重量のダミーリード線３１を配線、この例では固定した構成とした。
このように構成すると、超電導回転電機の回転子が回転する際に発生するアンバランスを解消することが可能となり、軸振動特性の向上につながる。
【００１７】
実施の形態４．
上記実施の形態１では、極間位置５ｃと中間位置２４ｃとを電気的に接続するように設けられた中間リード線２５にて２つの閉回路を形成することで、超電導界磁巻線５の温度上昇、絶縁部材（図示なし）の損傷可能性が低減される場合について説明したが、この実施の形態４では、図９に示すように、超電導界磁巻線５を自己インダクタンスが１／３になるように５ａ、５ｂ、５ｃと等分割した位置５ｄ、５ｅと抵抗値が同一である保護抵抗２４ａ、２４ｂ、２４ｃの中間位置２４ｄ、２４ｅに中間リード線２５ａ、２５ｂを電気的に接続する構成とした。このように構成すると、超電導界磁巻線５ａ、５ｂ、５ｃの何れかにクエンチが発生した場合、中間リード線２５ａ、２５ｂにより３つの閉回路が形成されるため、自己インダクタンスＬが中間リード線２５がない場合の１／３に減少し、超電導界磁巻線５ａ、５ｂ、５ｃに流れる界磁電流の減衰時定数が小さくなり、超電導界磁巻線５ａ、５ｂ、５ｃの温度上昇を抑制させる。
又、保護抵抗２４ａ、２４ｂ、２４ｃの抵抗値Ｒを、例えば、それぞれＲ／３にした場合、遮断器２３の投入時に超電導界磁巻線５に発生する電圧は、中間リード線がない場合の１／３に減少し、超電導界磁巻線５の絶縁部材（図示なし）を損傷する可能性が低減される。
以上のように、この実施の形態４によれば、大容量化に対する超電導界磁巻線設計の裕度が上記実施の形態１の場合より向上する。
又、上記実施の形態３を適用して、巻線取付軸４に設けた貫通穴２７の軸対称位置に、新たに貫通穴２７と同一形状の第２の貫通穴３０を設けた場合には、中間リード線が２５ａ、２５ｂと２本存在することになるため、ダミーリード線３１を採用することなく、超電導回転電機の回転子が回転する際に発生するアンバランスを解消することが可能となり、軸振動特性の向上につながる。
【００１８】
【発明の効果】
請求項１の発明によれば、超電導界磁巻線がクエンチした場合、保護抵抗に電流が流れることで、中間リード線にて、２つの閉回路が形成されるので、超電導界磁巻線に流れる界磁電流により蓄えられたエネルギーを保護抵抗で消費させることができる。
又、中間リード線にて２つの閉回路が形成されるため、自己インダクタンスＬが大幅に減少し、超電導界磁巻線に流れる界磁電流の減衰時定数を大幅に減少させることができ、従って又、超電導界磁巻線の温度上昇を大幅に抑制することができる。
又、保護抵抗の抵抗値Ｒを、例えば、それぞれＲ／２にした場合は、界磁電流の減衰時定数は変化しないが、遮断器投入時に超電導界磁巻線で発生する電圧は中間リード線がない場合の１／２に減少することができ、超電導界磁巻線の絶縁部材を損傷する可能性が著しく低減される。
又、保護抵抗の抵抗値を調整することで、超電導界磁巻線に流れる界磁電流の減衰時定数と超電導界磁巻線に発生する電圧を調整することが可能となるため、大容量超電導回転電機の界磁巻線の設計裕度が著しく向上する。
又、中間リード線には、超電導界磁巻線にクエンチが発生しない限り、電流は流れず、又、クエンチが発生した場合についても、流れる電流は数秒間と極めて短時間でありジュール損失による発熱が小さいため、可能な限り細いリード線の適用が可能となる。
【００１９】
請求項２の発明によれば、極間位置に設けられた貫通穴から中間リード線を取り出すことで、巻線取付軸の外径側表面から渡す必要がなくなり、簡素で信頼性の高い構造を提供することができる。
【００２０】
請求項３の発明によれば、超電導回転電機の回転子が回転する際に発生するアンバランスを解消することが可能となり、軸振動特性を著しく向上させることができる。
【００２１】
請求項４の発明によれば、超電導界磁巻線の何れかにクエンチが発生した場合、中間リード線により３つの閉回路が形成されるため、自己インダクタンスＬが大幅に減少し、超電導界磁巻線に流れる界磁電流の減衰時定数が小さくなり、超電導界磁巻線の温度上昇を抑制させることができる。
又、保護抵抗の抵抗値Ｒを、例えば、それぞれＲ／３にした場合、遮断器投入時に超電導界磁巻線に発生する電圧が、中間リード線がない場合の１／３に減少し、超電導界磁巻線の絶縁部材を損傷させる可能性が著しく低減される。
従って又、この実施の形態４によれば、大容量化に対する超電導界磁巻線設計の裕度をより一段と向上させることができる。
更に又、巻線取付軸に設けた貫通穴の軸対称位置に、新たに貫通穴と同一形状の第２の貫通穴を設けた場合には、中間リード線が２本存在することになるため、ダミーリード線を採用することなく、超電導回転電機の回転子が回転する際に発生するアンバランスを解消することが可能となり、軸振動特性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  実施の形態１を示す超電導回転電機の回転子の励磁回路を示す説明図である。
【図２】  実施の形態２を示す超電導回転電機の回転子の構造を示す断面図である。
【図３】  図２のＡ−Ａ断面図である。
【図４】  図２のＢ−Ｂ断面図である。
【図５】  実施の形態２を示す超電導回転電機の超電導界磁巻線の展開図である。
【図６】  実施の形態３を示す超電導回転電機の回転子の構造を示す断面図である。
【図７】  図６のＡ−Ａ断面図である。
【図８】  図６のＢ−Ｂ断面図である。
【図９】  実施の形態４を示す超電導回転電機の回転子の励磁回路を示す説明図である。
【図１０】  従来の超電導回転電機の回転子の構造を示す断面図である。
【図１１】  従来の超電導回転電機の超電導界磁巻線の展開図である。
【図１２】  従来の超電導回転電機の回転子の励磁回路を示す説明図である
【符号の説明】
４  巻線取付軸、５  超電導界磁巻線、１５  スリップリング、１６  電流リード線、２２  励磁電源、２３  遮断器、２４  保護抵抗、２５  中間リード線、２７  貫通穴、２８  軸方向導体、２９  貫通穴、３１  ダミーリード線。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
0003788702.tif 000008
【図８】
0003788702.tif 000009
【図９】
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【図１０】
0003788702.tif 000011
【図１１】
0003788702.tif 000012
【図１２】
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