JPS6155331B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は超電導状態あるいは極低温状態に冷却
される低温回転子を持つ極低温回転電機の改良に
関するものである。

例えば超電導コイルを回転界磁巻線に使用する
超電導同期発電機は、大幅は小形軽量化と効率向
上が期待でき非常に有効なものである。

第１図はこの超電導同期発電機の基本構造を示
すものであり、回転子は、主に回転子巻線である
超電導界磁巻線１、この超電導界磁巻線を支持
し、かつ駆動力を伝達する円筒構造のトルクチユ
ーブ２、電機子巻線（固定子側の巻線、３で示
す）からの交流磁界を電磁シールドするダンパシ
ールド４、それに前記トルクチユーブ２の両端を
支持するための軸端板５を有する軸６から構成さ
れる。前記超電導界磁巻線１は直流電源７からス
リツプリング８を介して直流電流で励磁される。
又超電導界磁巻線１ならびにトルクチユーブ２に
は、冷凍機９から冷媒導出入装置１０を介して冷
媒、例えば液体ヘリウムが供給され、超電導界磁
巻線１ならびにトルクチユーブ２の中央部が極低
温状態に維持される。一方、固定子は電機子巻線
３、固定子鉄心１１、フレーム１２から構成され
る。

ここでは冷媒が液体ヘリウムである超電導発電
機の場合について説明するが、冷媒が液体水素、
液体窒素、液化天然ガスを用いた低温発電機の場
合にも適用可能であることは云うまでもない。

超電導回転子には冷却に基づく熱応力、回転に
伴う遠心応力、過渡時の電磁応力等の各種応力が
発生するが、このうち熱応力の影響が特に大き
い。本発明はこの熱応力低減に関するものであ
る。

第２図はトルクチユーブ２の軸方向位置に対す
る径方向の変形量と、トルクチユーブに発生する
熱応力とを示したものである。トルクチユーブ２
は運転していない（超電導化されていない）静止
時には第２図に鎖線で示すように軸方向中央部２
ａ及び端部２ｂともに常温なので熱変形、熱応力
は発生せず特に問題はないのであるが、しかし、
発電機を運転するために超電導界磁巻線１を冷媒
により冷却した場合、この超電導界磁巻線１はト
ルクチユーブ２の軸方向中央（図中右側）に配さ
れていることから、トルクチユーブ２の軸方向中
央部は極低温状態になる。したがつてこのトルク
チユーブの軸方向中央部とトルクチユーブ２の軸
方向端部（図中左側）すなわち軸端板５との間に
温度差が生ずる。したがつてトルクチユーブ２の
中央部は第２図に実線で示すようにその端部に比
し熱収縮により小さくなる。すなわちトルクチユ
ーブとしては中央部がやせた形成（鼓状）に変形
する。この熱変形によつてトルクチユーブ２の端
部近傍の肉部には曲げが生じ、その結果この曲げ
られた部分には軸方向の応力が発生する。当然の
ことながらこの軸方向応力は曲げの大きな領域程
大きくなり、第２図σ_１〜σ_４で示した部分が大
きくなる。特にトルクチユーブ２の端部は軸端板
に固着されていることからその端部部分は最大の
応力となる。この応力はトルクチユーブの肉部の
径方向中央部を境にして正負に分布し、それぞれ
外表面と内表面において互いに反対方向の最大応
力となる。

この関係についてもう少し具体的に説明する
と、第３図はトルクチユーブ２の端部と軸端板５
の接続部の従来例を示す概略構造部分図であり、
これに軸方向距離を対応させて極低温冷却時のト
ルクチユーブ２の軸方向に沿つた温度分布を第４
図に示し、またこれにより発生する経方向変位
（極低温冷却のために縮む変化）ｌ_rの軸方向に沿
つた変化を第５図に、さらに軸方向応力の軸方向
に沿つた変化を第６図に示している。

第４図の曲線Ｔのようにトルクチユーブの温度
が軸端板側より超電導界磁巻線側の方が低い温度
分布となると、トルクチユーブはこの温度分布に
比例して熱収縮を生じ、トルクチユーブの径は温
度の低い側程小さくなる。すなわちトルクチユー
ブの径方向の収縮変位を示したのが第５図での曲
線Ｓであるが、この図からわかるようにトルクチ
ユーブの軸端板側は収縮変位はないが極低温の界
磁巻線側に向うにしたがいその変位は大きくな
り、やがて界磁巻線近傍になると、温度は一定と
なるのでその収縮変位も変化がなく一定となる。

トルクチユーブにこのような変位が生ずると、
トルクチユーブの端部は軸端板に固着されている
ことからその付根部分は急激な曲りを生ずること
になり、第６図に示すようにその付根部分の応力
が最も高くなり極低温状態においてはこの付根部
分すなわち接続部分が最も弱体となる。

尚図中はＯ曲線はトルクチユーブ外表面の応力
を示し、Ｉ曲線は内表面の応力を示している。又
図中のσ_１〜σ_４は第２図中のσ_１〜σ_４と対応
している。

尚実用上におけるこれらの値は概略次のように
なる。例えば外径700mm程度の円筒構造トルクチ
ユーブの外径部は極低温冷却により0.25％熱収縮
するので0.9mm程度（700／２×0.25×10^-2≒0.9）
の径方向縮みｌ_rがトルクチユーブ中央部に発生
する。又この径方向縮みによつてトルクチユーブ
２の横断面に生ずる最も大きな応力は、一般に応
力計算に用いられている有限要素法を用いて計算
してみると、30Kg/mm²にも達する。このように、
従来例ではトルクチユーブ２と軸端板５との接続
部には過大な熱応力（σ_２，σ_４）が発生し、ト
ルクチユーブ２の許容機械強度である0.2％耐力
（約20Kg/mm²）を超えて材料が降伏する恐れがあ
る。勿論材料が降伏すればトルクチユーブ２に破
損あるいは変形が生ずることになり、回転子は正
常に回転することができなくなる。

本発明はこれにかんがみなされたものでその目
的とするところはトルクチユーブに発生する熱応
力を減少させて、機械強度の大きい低温回転子を
持つ極低温回転電機を提供するにある。

すなわち本発明はトルクチユーブとトルクチユ
ーブの軸方向端に配されている軸端板との取付け
部のトルクチユーブ側に、トルクチユーブの材質
より熱電導のよい材質よりなる良熱伝導体を設
け、トルクチユーブの取付端（軸端板との接続
部）の温度を前記軸端板の温度とほぼ同じように
し、所期の目的を達成するようにしたものであ
る。

以下図示した実施例に基づいて本発明を詳細に
説明する。

第７図は本発明の１実施例を示す極低温回転子
の概略構造部分図を示すもので、トルクチユーブ
２と軸端板５との接続部付近に銅、アルミ等から
成る熱良導体１３が配置されている。尚この場合
この熱良導体１３はトルクチユーブ２に熱的伝導
がよいように配置し、固着するようにする。

この構成であると軸端板５とトルクチユーブ２
の接続部近傍においては、この熱良導体によりト
ルクチユーブの軸方向温度勾配は解消されるの
で、最も弱体となりがちな接続部分ではトルクチ
ユーブの曲り（収縮による）はなく接続部に大き
な応力がかかることはなくなるのである。このこ
とを図を用いて説明すると、図面第７図〜第１０
図は、前述した第３図〜第１０図に対応するもの
であるが、第８図の曲線T₀に現われているよう
に、トルクチユーブの軸端板に近い部分ではトル
クチユーブの軸方向温度分布はほぼ一定となり、
ある所定距離軸方向へ進んだ（界磁巻線側へ）部
分より温度勾配がはじまる形となる。

したがつて、温度に比例するトルクチユーブの
軸方向端部の径方向変位（収縮）ｌ_rも軸端で急
激に変化することがなくなり、なめらかに変化す
ることになる。第９図の曲線S₀はその変位を示し
たものであるが、従来の第５図と比較すると明ら
かになろう。この結果、径方向変位にほぼ比例し
て大きくなる軸方向の曲げ応力は第１０図に示す
ように軸端部のピークがなくなり、著しく減少す
る。この場合トルクチユーブの途中から曲げが生
ずるので、その曲げ部分の応力が大きくなるよう
に思われるが、トルクチユーブ途中での曲げは、
その部分から急激に折れるように曲がるのではな
く、ある程度なだらかな曲がりとなり応力的には
必常に小さくなるのである。この軸方向の熱曲げ
応力は実験結果では９Kg/mm²程度となり、従来の
ものに比べて約1/3に減少する。したがつて非磁
性鋼から成るトルクチユーブ２に発生する応力は
遠心力等他の応力を加えても降伏点以下となり、
本発明により各種機械強度に耐える低温回転子を
得ることができる。

第１１図乃至第１２図は本発明の他の実施例を
示す。第１１図はリング状の熱良導体１３をトル
クチユーブ２と軸端板５との間にそう入した場合
であり、トルクチユーブ２と軸端板５との接続部
付近（つまり熱良導体の部分に相当する）の温度
勾配を非常に小さくできる効果がある。第１２図
は断面Ｌ字状のリング形熱良導体１３をトルクチ
ユーブ２と軸端板５にわたつてボルト等の支持手
段１４により支持することにより並列接続した場
合であり、熱良導体１３の取付けが簡単となる効
果がある。尚熱良導体１３をトルクチユーブ２と
軸端板付近に取付ける手段としては焼ばめ、爆
接、冷しばめ等により接合してもよい。

これにより熱良導体１３をトルクチユーブ２と
の接合が比較的密接になり温度勾配が比較的に小
さくなる効果が得られる。

本発明によれば、トルクチユーブと軸端部との
接続部付近の温度勾配を非常に小さくすることが
できるので、軸方向の熱曲げ応力を著しく減少さ
せ得て機械的強度の大きい極低温回転電機が得ら
れる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、超電導発電機の基本構造を概略的に
示す断面図、第２図は、トルクチユーブに発生す
る熱応力の説明図、第３図は、トルクチユーブと
端板との取付部分の従来例を示す断面図、第４図
は、同上の温度分布図、第５図は同上の径方向変
位図、第６図は同上の軸方向熱応力特性図を示
す。第７図は、本発明の１実施例におけるトルク
チユーブと端板との取付部分の構成を示す断面
図、第８図は、同上の温度分布図、第９図は、同
上の径方向変位図、第１０図は、同上の軸方向熱
応力特性図、第１１図乃至第１２図は、本発明の
各異る他の実施例におけるトルクチユーブと端板
との取付部分の構成を示す断面図である。 １……回転子巻線、２……トルクチユーブ、５
……端板、６……回転軸、１３……リング。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 固定子鉄心および固定子巻線を有する固定子
   と、この固定子内に同心的に配置され、かつ固定
   子内で回転する回転子とを備え、前記回転子が、
   軸方向両端に配された回転軸、この両者回転軸上
   に夫々設けられた軸端板、この両者軸端板に跨つ
   て取付けられたトルクチユーブ、このトルクチユ
   ーブに保持された回転子巻線、この回転子巻線を
   極低温状態に維持する冷却装置、前記トルクチユ
   ーブと同心的に配置され、かつ前記回転子巻線を
   包囲しているダンパーシールドから構成されたも
   のにおいて、前記トルクチユーブと軸端板との取
   付け部の近傍で、かつトルクチユーブ側に、トル
   クチユーブの材質より熱伝導のよい材質よりなる
   良熱伝導体を設け、トルクチユーブの取付端の温
   度を軸端板の温度とほぼ同じようにしたことを特
   徴とする極低温回転電機。 ２ 特許請求の範囲第１項において、上記トルク
   チユーブ、軸端板はステンレス鋼にて形成され、
   前記良熱伝達体は、銅、銅合金、アルミ、アルミ
   合金のいずれかにてリング状に形成され、このリ
   ング状の良熱伝達体を、前記トルクチユーブが前
   記軸端板に取付けられる位置に嵌合固着したこと
   を特徴とする極低温回転電機。 ３ 特許請求の範囲第２項において、前記リング
   状の良熱伝達体を、前記トルクチユーブの内周側
   に嵌合したことを特徴とする極低温回転電機。 ４ 特許請求の範囲第３項において、前記リング
   状の良熱伝達体を、断面Ｌ字状に形成するととも
   に、その軸方向端面にて前記軸端板に保持させた
   ことを特徴とする極低温回転電機。 ５ 特許請求の範囲第１項において、前記トルク
   チユーブ及び軸端板をステンレス鋼にて形成し、
   前記良熱伝導体を、銅、銅合金、アルミ、アルミ
   合金のいずれかにてリング状に形成し、前記トル
   クチユーブと前記軸端板とを、このリング状の良
   熱伝達体を介在させて一体に結合するようにした
   ことを特徴とする極低温回転電機。