JPS648538B2 - - Google Patents

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JPS648538B2
JPS648538B2 JP55132448A JP13244880A JPS648538B2 JP S648538 B2 JPS648538 B2 JP S648538B2 JP 55132448 A JP55132448 A JP 55132448A JP 13244880 A JP13244880 A JP 13244880A JP S648538 B2 JPS648538 B2 JP S648538B2
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groove
superconductor
rotor
superconducting
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Uiriamu Etsukeruzu Fuiritsupu
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Westinghouse Electric Corp
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Westinghouse Electric Corp
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Application filed by Westinghouse Electric Corp filed Critical Westinghouse Electric Corp
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Publication of JPS648538B2 publication Critical patent/JPS648538B2/ja
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    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
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  • Electrical Discharge Machining, Electrochemical Machining, And Combined Machining (AREA)
  • Motor Or Generator Cooling System (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は超電導回転電機に関し、特に超電導発
電機のための低温で安定な回転子巻線に関するも
のである。
本発明は、低温安定性をもつて作動し得る超電
導ターボ発電機の設計に関する。「低温安定性」
とは、抵抗状態への短時間の遷移を経験した後に
発電機の巻線が全作動電流を搬送しつつ超電導作
動モードに戻る能力を意味する。
低温安定性を実現するために、発電機の製造及
び操作のための新しい設計がここに提案される。
この設計には、冷却系統、導体の形状及び絶縁方
式を含む、超電導発電機の回転子用溝組立体のい
くつかの特徴が含まれる。この設計において、新
規な改良された超電導回転子巻線の電流密度は、
今日の回転電機のものと比較できる値である。発
電機の信頼性は改善され、コストは低廉になり、
製造も容易である。
超電導発電機について簡単に説明する。
超電導体と呼ばれる或る種の材料が、絶対零度
に近い温度に冷却されると、電気抵抗を全く失う
ことはよく知られている。極低温での超電導材料
のこの零抵抗特性を実際に利用することは、回転
電機について最近行われるようになつた。本来安
定な多フイラメント超電導体の開発によつて、比
較的高い搬送電流密度をもつ安定な超電導巻線を
大電流の界磁に作り込み得るようになつた。
超電導直流界磁巻線の使用により、巻線により
発生する界磁の起磁力が相当増大し、発電機の作
用空隙においての磁束密度も非常に増大した。こ
のように磁束密度が増したため、電力密度が増
し、発電機の重畳及び容積がそれに伴つて減少し
た。更にフレームの大きさを過度に大きくしなく
とも、タービン発電機の定格を高くできる。
本発明がよりよく理解されるように、超電導現
象と、超電導体の関連特性とを考察することは有
用である。超電導は、ある種の材料が電流に対し
て抵抗を示さず、従つて普通の導体のように熱を
発生しない状態である。超電導温度での抵抗は単
に非常に低いだけでなく、正確に零である。超電
導は極低温のみにおいて生じ、この温度は材料ご
とに異なり、遷移温度は臨界温度Tcとして知ら
れる。絶対零度より数度高い遷移温度では、超電
導状態への熱力学的遷移が起こる。磁界がない場
合の遷移温度は、錫の場合3.7〓、鉛の場合7.3
〓、ニオブの場合８〓である。特性の詳細につい
ては、米国商務省発行、米国規格局テクニカルノ
ートNo.724、「選定された超電導材料の性質」を参
照されたい。
磁界の強さ及び形状も、温度の他に、超電導材
料に影響する。臨界磁界強度Hcとして知られる
値に到達した場合、強力な磁界内では（自己発生
磁界内でも）材料の超電導性が突然失われる。温
度と磁界との両方に依存する臨界電流密度Jcもあ
る。これら３つのパラメーターＴ、Ｈ、Ｊは第１
図に示すように、超電導領域と常電導領域（非超
電導領域）とを隔だてる３次元の面を形成する。
或る温度TOP（第１図に斜線で示す）について、
或る超電導コイルは、第１図に示す設計負荷線
と、普通の遷移が生ずる臨界点Ｐより少し低い値
に選んだ動作点P′とを有する。通常の状態へのこ
の復帰は普通クエンチングと呼ばれている。尚、
臨界曲線の形状は、一般に第１図に示すようにな
るが、各軸上の切片は、選定された材料の特性に
よつて定められる。
現在ではいくつかの材料がタービン発電機の界
磁巻線においての高界磁−高電流超電導体の応用
において候補とされている。これらの材料の内２
つはNbTiとNb3Snである。これらの材料は、超
電導性を示す適切な磁界強度、温度及び電流密度
の範囲を有する。もちろん超電導体の製造方法、
コイルの構成及び負荷線も、超電導体の選択に当
つて重要な役割をする。
高電流密度−高磁界強度の用途（形式又はか
たい導体と呼ばれる）に適した超電導体は、非常
にわずかな領域を除き臨界電流密度、臨界磁界強
度又は臨界温度を超過しなくとも作動条件のわず
かなじよう乱によりクエンチングが起こり得るよ
うな不安定性を示す。１つの超電導体の電流搬送
能力は、超電導体のどこかの個所においての最大
磁界により制限される。そのため超電導巻線の電
流定格は、巻線の非常にわずかな領域においてさ
えも、高度の磁束集中によつて著しく減少する。
一様でない磁界の状態等による尚早な常態化を
防止するいろいろの技術が当該技術において知ら
れており、その１つは高純度の銅のように電導性
及び熱伝導性の非常に高い材料中に埋めこんだ多
数の細いフイラメントから各々の超電導体ストラ
ンドを形成することである。全体の超電導体は、
うず電流損を減少させるため転位させた複数のこ
の種のストランドから通常形成される。銅は定常
状態化しそうなどんな小さい超電導体領域からも
熱を消散させ、ストランドが加熱されてコイル全
体に超電導状態の破壊がひき起こされないように
する。このような超電導体は、M.N.ウイルソン
その他の「フイラメント状超電導複合物の実験及
び理論研究」「物理学ジヤーナル」、1970年11
月、第３巻、第1517頁に記載されている。
この技術に用いられる銅の量は普通は超電導体
の量の１〜３倍である。銅の使用によつて作動安
定性は増大するが、特に銅対超電導体の割合を３
対１より大きい値にした場合には、全体的な電流
密度が大きく減少するという好ましくない効果が
現出される。そのため銅による放電にも実際上の
制限がある。
以上の説明からわかるように、重要なのは超電
導体においての常態化の問題である。この問題の
設計上の重要性は、低温安定性が本発明による回
転子を備えた超電導発電機の属性であることによ
つて、除去されないまでも、相当な程度まで緩和
される。
軸線の回りに回転自在な超電導回転子であつて
回転子軸の回りにこれと共に回転するように支持
リムが取り付けられ、この支持リムの外周に回転
子の長さ方向に沿つて複数の溝歯が設けられ、こ
れらの溝歯は複数の回転子溝の間に位置されてこ
れらの回転子溝を限定して溝セルを形成し、１つ
の前記溝セルには１個ずつ溝組立体が取り付けら
れ、前記溝組立体は、前記軸線に対し半径方向に
積み重ねられた複数の超電導体から成る複数個の
超電導体列を有し、各々の前記超電導体は、前記
溝歯に平行な表面及びこれらの表面と直角な他の
表面をもつて略々長方形断面を有し、前記他の表
面はその上に絶縁材を有し、前記溝組立体は更
に、各々の前記超電導体列の各々の半径方向側面
に１つずつ設けられかつ前記超電導体を冷却する
ための極低温冷媒である冷却材の複数の冷却材流
路を有する前記溝歯に平行な表面を有する複数の
分離絶縁体を備え、前記溝組立体の両側部には
各々側面絶縁パネルが設けられ、この各々の側面
絶縁パネルの表面及び裏面は少なくとも１つの冷
却材流路を有し、前記超電導体列に隣接してその
半径方向外方に頂部絶縁ストリツプを設け、前記
超電導体列に隣接してその半径方向内方に底部絶
縁ストリツプを設け、これらの頂部絶縁ストリツ
プ及び底部絶縁ストリツプの各々の表面及び裏面
並びに両側部には前記分離絶縁体の前記流路と前
記冷却材が連通するように複数の冷却材流路が形
成されており、前記溝セルの上端には前記溝組立
体内部の各部材を溝組立体内に固定するための溝
ウエツジが設けられ、この溝ウエツジと前記頂部
絶縁ストリツプとの間にはウエツジ保護ストリツ
プが配置され、前記溝セル内面を覆つて溝絶縁ラ
イニングが設けられ、前記冷却材を前記溝組立体
内部の冷却材流路に導入するための冷却材供給手
段である冷却材入口を前記溝ウエツジ及びウエツ
ジ保護ストリツプを貫通して設け、前記溝組立体
の内部を循環した前記冷却材を溝組立体内部の冷
却材流路から排出するための冷却材除去手段であ
る冷却材出口を前記底部絶縁ストリツプ及び前記
溝絶縁ライニングを貫通して設けた超電導回転電
機に存する。
溝組立体は、以下に詳細に説明するようないく
つかの特徴を具備している。複数の溝壁は回転子
軸に関しほぼ半径方向に延長している。巻線は複
数の転電導体の列即ち積層体により形成される。
各々の列は回転子軸線に関しほぼ半径方向に重ね
合わせた複数の超電導体を有する。各々の超電導
体は、大体長方形の断面形状を有し、大体におい
て側部壁に平行な表面と、これらの表面と直角な
他の表面とを有し、後者の表面上には絶縁材料が
施されている。換言すれば、各々の超電導体は、
同一の積層体の隣接する超電導体に接した２つの
表面のみに絶縁を有する。複数の分離絶縁体は、
各々の超電導体列の各々の半径方向側面に１つず
つ設けられている。各々の分離絶縁体は、複数の
冷却材流路を形成した溝組立体の側部壁に平行な
表面を有する。溝組立体は冷却材流路に冷却材を
供給し又はこれから冷却材を除去する装置も備え
ている。
溝組立体は、超電導体列から半径方向外方の頂
部ストリツプと、超電導体列から半径方向内方の
底部ストリツプも備えている。これらの頂部及び
底部のストリツプは、大体絶縁材料製で、冷却材
流路を形成した側部壁と直角に複数の表面を有す
る。冷却材流路はこれらの側部壁に対してほぼ直
角に延長し、分離絶縁体の流路に整列即ち流体連
通されている。
次に図面を示した好ましい実施例について更に
詳述する。各図において同じ部材は同じ参照符号
により表わしてある。
第２図に超電導回転子界磁巻線を有する同期発
電機１０を示す。同期発電機１０は、ハウジング
４０内に収納された回転子（回転子組立体）２０
と固定子（固定子組立体）３０とを備えている。
ハウジング４０は一般に円筒形で、端板４１，４
２により閉ざされている。軸５０はハウジング４
０中に軸受５１，５２により取付けてある。軸受
５１，５２は普通のもので、図示しない原動機に
より回転連動するように回転子軸５０を支持する
ためハウジング４０の両端に位置されている。可
撓性の駆動継手は原動機の先端の遊びを回転子組
立体２０から遮断するために用いられる。回転子
組立体２０は、一例として非強磁性鉄心２６の回
りに巻いた回転子巻線（超電導直流界磁巻線）２
５を備えている。冷却材例えば液体ヘリウムは、
冷却材供給管２７を経て回転子組立体２０内に導
入される。固定子組立体３０は固定子巻線（非超
電導巻線）３５を支持している。固定子巻線であ
る非超電導巻線３５は多相交流電流出力に適合さ
れ、回転子巻線である超電導直流界磁巻線２５
は、発電機１０の励磁用の図示しない直流電源に
接続するようになつている。直流は適当なスリツ
プリング組立体６３，６４により界磁巻線２５に
供給される。
回転子２５の構成を第３図乃至第５図に示す。
界磁巻線２５は超電導材料例えばニオブ−チタ
ン（Nb−Ti）合金製の複合導体から成つてい
る。各々の複合導体は複数の細いフイラメントか
ら成り、各々のフイラメントの直径は一例として
約40μ又はそれ以下である。フイラメントは銅マ
トリツクス中に埋めこまれ、複合軸線の回りによ
じられている。複合体全体は薄い絶縁層で被われ
ている。
超電導巻線は、非強磁性の円筒状鉄心例えば支
持リムの回りに巻かれ、導体の運動による損失を
最小にするため楔止めしてある。冷却は界磁巻線
２５内に形成した通路を介して行われる。後述す
る冷却装置は低温液体の流れを、極領域を通り外
方に、また界磁巻線２５の周囲から半径方向内方
に、また中心部の方に半径方向内方に指し向け、
そこに低温液体を集める。
第３図に回転子を軸断面図により示す。回転子
の各々の構成部材を一般に第３図において最も外
側のものから順に最も内側のもの即ち図の中心位
置にある回転子軸５０まで説明する。
超電導臨界温度以上の温度で作動する暖気ダン
パーシールド１１は、３層の材料層から成り、過
渡的な磁界の透過を阻止するために用いられる。
ダンパーシールド１１のすぐ内側にある熱放射シ
ールド１２は、超電導臨界温度以下の温度で動作
し、巻線２５中の流れが更に圧縮されるのを防止
するように作用する。閉じこめ壁体１４は、ヘリ
ウムを閉じこめる容器壁として作用する。閉じこ
め壁体１４の内部には各々の溝組立体７０に冷却
材を分配するように作用する複数のヘリウム供給
入口１５がある。ヘリウムは、少くとも１個の分
配管１８を経て回転子中に入り、その内部にヘリ
ウムプール１７を形成する。回転子の溝セル
（各々参照数字７１により示す）は、一例として
複数の鉄心材硫リングから成る支持リム１６によ
り限定され、その内部に閉じこめられている。
本発明は第４図および第５図ならびに以下の詳
しい説明を参照することにより最も良く理解され
よう。
第３図に示すように、回転子は、各々参照数字
７０により示した複数の溝組立体を備えている。
溝組立体７０は回転子軸５０の回りに円周方向に
配向されている。第４図に１個の溝組立体７０の
詳細を示す。溝セル７１は支持リム１６から大体
半径方向に延長する回転子溝歯８６により限定さ
れる。溝セル７１の上端には、遠心力等により生
ずるほぼ半径方向の運動に対し回転子巻線２５を
固定する溝ウエツジ７５がある。
溝セル７１の内部に収納された構造は、第４図
の溝組立体７０の分解図である第５図により最も
よく理解されよう。
第４図および第５図を共に参照して、回転子２
５の溝組立体７０は、溝セル７１内部に収納され
た超電導体の積層体７２の複数個を備えている。
第４図および第５図に断面図により示した超電
導体６０は、行と列とのアレイを形成していると
見ることができる。列は積層体７２であり、大体
半径方向に延長している。行は列とほぼ直角の方
向に延長している。
超電導体６０は、図示したように、大体長方形
の断面をもち、広い方の表面がマトリツクスの列
に平行に延長するように配向されている。
本発明によればヘリウムは、溝冷却材入口８４
（一例として、溝ウエツジ７５に形成された通し
孔である）を通つて、溝セル７１の領域に入る。
冷却材は所定の冷却材通路又は回路に沿つて溝組
立体７０を通り循環される。ヘリウム冷却材は、
溝冷却材出口８５（一例として、各々の溝セル７
１の下方のところで支持リム１６を通り延長する
通し孔である）を経て溝セル７１の領域を去る。
冷却材出口８５は、溝組立体７０の領域から冷却
材を運び出すための冷却材除去系統に流体連結さ
れている。
本発明によれば、各々の積層体７２は、複数の
超電導体６０を備えている。各々の超電導体６０
は、同一の積層体７２中の隣接する超電導体６０
から絶縁層７４により隔だてられている。従つて
各々の超電導体６０は、２つの側面のみに絶縁を
もつことになる。これについては後に詳しく説明
する。
各々の積層体７２はその間に積層体ヘリウム流
路を形成するように相互から隔だてられている。
これは表面に流路を備えた分離絶縁体７３により
達成される。この構成により冷却材が各々の超電
導体６０の２つの表面と直接に接触させられる。
各々の超電導体６０の絶縁された表面は、冷却材
流路に並ぶように位置される。熱の除去は、超電
導体６０の湿つた表面の面積に依存するので、複
数の突条６２をこれらの各々の表面にその表面積
を大きくするために形成する。突条６２は15ミル
（0.38mm）の距離に亘り超電導体６０の内部に延
長し、超電導体６０の表面に沿つて150ミル（3.8
mm）の長さをもつていてもよい。これは第７図に
図示されている。
再び溝セル７１の幾何学的な全体形状につい
て、第４図および第５図からわかるように、溝セ
ル７１は、溝絶縁ライニング８３を備えている。
ライニング８３は大体Ｕ字形である。底部絶縁ス
トリツプ８０は、回転子軸５０に半径方向に最も
近い超電導体６０とライニング８３との間に大体
位置している。溝セル７１の上部には、頂部絶縁
ストリツプ７９があり、これは溝ウエツジ７５か
ら半径方向内方に位置したウエツジ保護ストリツ
プ８８と半径方向に最も遠隔の超電導体６０との
間に位置されている。以下に分離絶縁体７３と称
する別の絶縁体は、各々の積層体７２を互に隔だ
てている。分離絶縁体７３はその表面に、一例と
して超電導体６０と平行に延長する流路と、回転
子軸５０に対し半径方向に延長する別の流路とを
備えている。これらの流路は前述した積層体ヘリ
ウム流路である。
頂部及び底部の絶縁ストリツプ７９，８０もヘ
リウム流路を備えている。これらには、大体周方
向即ち回転子軸５０に対する円周方向に延びる流
路と、超電導体６０と平行に延びる流路とが含ま
れる。
溝セル７１の両側において、回転子２０の溝歯
８６の近くに、側面絶縁パネル７７がある。側面
絶縁パネル７７は、溝歯８６に沿つて延びるライ
ニング８３の部分と、溝歯８６に最も近い積層体
７２に隣接した分離絶縁体７３との間に位置され
ている。絶縁パネル７７は回転子軸５０に対し半
径方向に延長するヘリウム流路８２（ヘリウムリ
ザーバー）を収納している。
第４図および第５図の各々の超電導体６０はそ
の２面のみに絶縁を有し、他の２面は裸である。
これにより冷却材と超電導体６０との間の熱伝達
がよくなる。どの積層体７２の内部においても、
各々の超電導体６０の間には絶縁ストリツプがあ
り、この絶縁ストリツプ（絶縁層７４）があり、
その上面と下面には機械切削等により冷却材流路
が形成されている。この絶縁層７４は一例として
エポキシ−ガラス複合材料から出来ていてもよ
い。
絶縁層７４を更に完全にするため、この絶縁層
７４は単に平たんなストリツプではなく、裸の表
面の回りにわずかな距離に亘り延長している。例
として絶縁層７４は、第７図に示すように、長方
形の超電導体６０の丸味をつけた４隅の半分ない
し全部の範囲に亘るように延長させてもよい。こ
れは積層体７４中の隣接する超電導体６０の間の
電圧しや断として有用である。
絶縁層７４の流路に流れる冷却材の冷却効果を
最大にするため、これらの流路の寸法には制御が
付されている。超電導体６０の裸の側面の2/3の
部分は湿つた表面としなければならない。「湿つ
た表面」とは、ヘリウム流路として留保される超
電導体表面部分である。前記の２つの側面は絶縁
されていないので、ヘリウムは、これらの表面上
において超電導体６０に直接に接触して流れ、熱
除去効率を高くする。全体的に、この超電導体冷
却の組合わせにより、溝組立体７０の構造上及び
電気的な完全性が高くなると共に、冷却材系統に
よる超電導体６０の冷却能力が改善される。
次に超電導体６０の冷却について説明する。
本発明の一目的としての低温安定性は、回転子
２０の冷却系統の冷却能力を改善し向上すること
により実現される。これをより良く理解するに
は、従来技術による超電導体回転子の普通の冷却
系統について考察する必要がある。
従来の超電導発電機には、主要冷却技術として
の断熱安定性が組込まれている。従来技術による
典型的な積層体の構成を第６図に示す。従来技術
による各々の超電導体９６は、絶縁体９７により
完全に被われている。絶縁体９７は超電導体９６
の全部の表面上に設けられている。この絶縁体９
７は、電気的絶縁に役立つと共に、ヘリウムの冷
却効果を抑止する熱障壁にもなる。スペーサー９
８は超電導体配列に構造的な一体性を与え、各々
のスペーサー９８の間に所定数の超電導体９６が
用いられている。
この従来技術による超電導体の幾何学的形態
は、冷却系統の理解にとつて不可欠である。超電
導体９６は大体長方形の断面をもち、長い方の側
面が溝の壁に直角になるように回転子の溝中に配
向されている。第６図からわかるように、超電導
体９６も、丸味をつけた４隅を有し、断面でみた
時の、超電導体９６の寸法は一例として3.3mm×
2.23mmであり、４隅の丸味の半径は0.92mmであ
る。各々の超電導体９６の回りの絶縁厚さは0.08
mmである。
前述したように、超電導体９６は、冷却につい
て、断熱安定性に依存する。これは巻線中のある
要素又は部分が、超電導体９６内に発生した過剰
な不所望の熱を蓄積し得ることを意味する。断熱
安定性のため従来の構成に用いられた特徴は第６
図に参照番号９５により表わした領域であり、こ
こではヘリウム貯蔵域と称している。ヘリウム貯
蔵域９５は、周囲の超電導体９６の丸味をつけた
４隅により画定される。４隅の丸味の半径が大き
いほどヘリウム貯蔵域９５がそれだけ大きくな
る。ヘリウム貯蔵域９５は、これに冷却材を給排
する手段がないという点で一般に不作用流路であ
る。即ち各々のヘリウム貯蔵域９５中の冷却材
は、この貯蔵域９５に残され、溝組立体７０の他
の部分には循環されない。そのため発電機１０の
定常作動中に、ある領域のヘリウムは、その領域
のみに残留している。断熱安定性を実現するに
は、この貯蔵されたヘリウムのために積層体の容
積の例えば15％を留保しておかねばならない。こ
れはヘリウムのための積層体容積が５〜６％であ
る本発明による発電機１０とは非常に対照的と言
える。この差は、貯蔵される冷却材に比べて自然
対流により流れる冷却材により冷却効率が高くな
ることに基づくものである。
前述した従来技術による別の重要な差異は、超
電導体の内部から不所望の熱を除去するために巻
線から遠隔の場所から、従つて溝組立体７０か
ら、自然対流によつて、高加速フイールド内にお
いて冷却材が循環されることにある。一例として
従来技術では冷却材又は冷却材リザーバーの強制
流通方式が用いられていた。
断熱安定においては銅が超電導体の回りのマト
リツクスとして用いられる。銅マトリツクスは抵
抗率がかなり高く、巻線中のうず電流を最小にす
るため、巻線を安定化させる作用を示す。この項
の冒頭でも述べたように、超電導体における銅量
は、最大の安定効果を得るための電流密度により
設定される実用上の限度内で最大にされていた。
従来技術において過渡温度の間巻線を安定化する
ため超電導材料を包囲する銅マトリツクスの抵抗
比率（300〓での抵抗値を4.2〓での抵抗率で割算
して得た比）は約64であつた。
本発明の構成においては、うず電流の加熱効果
は、常態化がそれほど臨界的ではないため、発電
機の作動条件に対しそれほど有害ではない。その
ため銅の抵抗率を低くできる。一例として、抵抗
率比を、150に近い値とすることができる。この
改良は、本発明による冷却系統の熱除去能力の改
善によりもたらされる。
次に作動条件について説明する。
再び第１図を参照して、本発明の利用により、
超電導発電機の作動条件及びパラメーターにおい
て、或る利点が達成される。低温安定巻線におい
ては、臨界電流のより大きな分数値まで超電導体
を作動させ得る。即ち超電導体の設計に際して、
実際の超電導材料の量を少くできる。普通は超電
導材料は銅よりも高価であるため、コストがこれ
により低減される。また超電導体を安定化するた
め銅マトリツクスにより多量の銅が使用できるこ
とになる。
超電導発電機の作動パラメーターについてここ
で説明することが適当である。臨界電流密度は、
超電導体が電流に対し最初に抵抗を示すところの
電流密度である。これは磁界及び作動温度に依存
する。テスラ単位で測定される磁界は、作動中に
超電導体がそれに対し露呈されるところの磁界で
あり、界磁コイルにより発生される成分と、超電
導体自身の磁界即ち固有の磁界による成分とを含
む。
前述したように、負荷線は、特定の超電導体に
ついての実験により定められた点Ｐまで、第１図
のグラフの零から引いた直線である。従来から知
られていたように、動作電流霧度及び対応の他の
パラメーターは、どの特別の超電導材料について
も、零点と点Ｐとの間の距離の45％の点において
生ずる。第１図の点P′は、この45％の安全裕度を
具備した、特別の超電導発電機の動作点を表わし
ている。この安全裕度により超電導体は過渡期間
の間臨界温度以下にとどまることができる。不幸
なことに、所望の作動電流に対処するのに必要な
超電導材料の断面積は、この作動電流の密度によ
り定められる。そのため超電導材料が抵抗性をも
たないことを確保するために大きな安全裕度が必
要になるとすると、断面積を大きくすること、従
つてより多量の超電導材料を用いることが必要に
なる。本発明により達成される冷却能力のため、
負荷線の百分率のより大きな点で巻線を作動させ
得る。一例として、低温安定巻線においては、負
荷線のより高度の点即ち60〜65％の点P′により定
まる作動条件従つて超電導体の断面積をもつて超
電導発電機を作動させ得る。
このように、本発明による超電導発電機におい
ては、超電導体の常態化がそれほど臨界的ではな
いため、安全裕度は低くしてよい。
要約すると、従来技術では、超電導体が抵抗性
になることの重大性とそれによる損害のため、作
動条件の計算に大きな安全裕度を勘案する必要が
あつた。この大きな安全裕度のため、作動温度が
常に臨界温度以下になるように、電流を搬送する
超電導体の断面積をより大きな値にしなければな
らない。従来技術ではこのため超電導体の作動温
度に約６〓の温度裕度を取入れていた。この温度
裕度は低温安定性により減少できるため、超電導
体の大きさ及びコストが低減されることになる。
次に別の重要な作動条件である温度スパイク現
象について説明する。
本発明に従つて構成された超電導発電機におい
て、超電導体が、短時間の間臨界温度以上の作動
温度を経験した後、臨界温度以下の温度に戻るこ
とがある。短時間例えば１ミリ秒から20秒の間温
度が急激に上昇した後に、比較的低い温度に戻る
現象（温度スパイク現象）をもたらす過渡現象を
超電導体が経験し得ることが経験的に示された。
従来の超電導発電機の設計に当り、発電機内の超
電導体が或る時に臨界温度より高い温度を経験す
れば、全部の巻線が抵抗性になつて危険な状態に
なると考えられていた。一例として、暴走状態も
起こり得るとされていた。
この過渡現象の一例は、超電導体が受ける磁力
線の雪崩れ運動から起こる超電導体内部のマイス
ナー効果である。これにより、雪崩現象を受けた
超電導体は、数ミリ秒の間にほぼ10〓加熱され
る。従来の発電機は、超電導体がこの臨界温度を
超過することなく、この加熱に耐えるように設計
されていた。この加熱に耐えるために、超電導体
の断面積に大きな安全裕度を見込んでいた。本発
明により改善された冷却を用いると、臨界温度に
より近い温度範囲即ち点Ｐにより近い負荷線上の
温度範囲において超電導体が定常作動するように
構成できる。本発明による低温安定化された巻線
は、このスパイク現象とそれによる加熱を経験で
き、超電導体は、スパイク現象の持続時間の間臨
界温度を超過し、その後に磁界温度以下の定常作
動に戻ることになる。
本発明により有利な値となり得る別の作動パラ
メーターは設計温度である。超電導体の回転子の
作動中は、ヘリウム浴の温度は、近接した超電導
体の温度よりもわずかに低い値になつている。一
例として、隣接する超電導体の温度は約4.2〓、
ヘリウム浴の温度は3.6〓になり得る。従来の構
成においては、点Ｐに対応する温度、即ち前述し
たように電流密度従つて超電導体の断面積に影響
する温度が超電導体温度と考えられていた。本発
明を具体化した発電機は、流れるヘリウムにより
冷却能力が増大したため、ヘリウム浴温度の近辺
において設計できる。このように設計温度が変わ
つたことにより、或る作動電流について使用する
超電導体の量を少くできる。一例として、設計温
度を超電導体温度でなくヘリウム浴温度とした場
合、10〜20％の超電導材料を節約できる。
以上の説明からわかるように、本発明を具現し
た発電機に使用する超電導材料の量は、同じ定格
の従来の発電機に比べて節約される。節約源は、
(a)負荷線に組込まれた安全裕度の減少、(b)超電導
体温度でなく流れる冷却材の温度について設計で
きることによる融通性、並びに(c)各超電導体の４
隅の丸味半径の減少、である。
この(c)による節約源、即ち４隅の丸味半径のの
減少は、従来技術に用いられたヘリウム貯蔵域依
存性の減少に基づくものである。実際に、４隅の
丸味半径は巻線の冷却需要によつてはもはや定め
られない。本発明によれば４隅の丸味半径は大き
く減少させ得る。またヘリウム貯蔵に従来用いら
れた領域は、今や絶縁層による電圧しや断の目的
に今や使用可能になる。
次に他の設計パラメーターについて説明する。
全部の絶縁層及び分離絶縁体の冷却流路は加熱
された冷却材の横向き混合を阻止するほど広くし
てはならない。ヘリウムの流れは液体の密度差に
基づく。この密度差は熱が対流により超電導体か
ら冷却材に伝達される時に経験される温度勾配に
よつて生ずる。超電導体が臨界温度以上に加熱さ
れた後の短い時間は実質的に等熱になるように流
路を充分狭くする。流路が広すぎると熱サイフオ
ン効果が乱流により制限される。換言すると、液
の流路即ち密度差により生じた速度のベクトルは
流路の下流側に向けられない。角学的には、これ
らの速度に対応するベクトルは実質的に整列され
ないので、過度に加熱された超電導体のところか
ら熱が搬出されない。任意の時に任意の室中にあ
るヘリウムの量がこの過度に加熱された超電導体
を冷却させるのに不足するため、ヘリウム交換が
必要になる。
別の設計上の制限は、側面絶縁パネルの半径方
向に延びる流路をテーパー状とし、これらが回転
子軸の近辺で一般により狭くなるようにすること
である。これは温度制御に重要な関連をもつてい
る。これらの流路を大体ウエツジ状としたので、
回転子軸に対する半径の大きな個所でより多くの
冷却材を流路中に収容し得る。ヘリウムの静液圧
は、ヘリウムが回転子内の半径の大きな部分の方
に流れるにつれて、発電機の作動の間、遠心力の
ため増大する。ヘリウムが中心線の方に内向きに
流れる際に最大の熱伝達が起こる。何故ならば、
ヘリウムが流れる間に、ヘリウムの温度が、局所
的な膨張又は減圧により低下するからである。そ
のため大部分のヘリウムはどの時点においても回
転子内のより大きな半径の部分に閉じこめられて
いる。そのためヘリウムは、超電導体を通つて回
転子の中心線の方に流れるので、その最も有効な
冷却能力が充分に利用される。
尚、本発明による低温安定性は、発電機の構造
上のいかなる変更の産物でもなく、本発明による
変更の結合或いは相加によりもたらされるもので
ある。発電機の作動パラメーターは、低温安定性
が達成されたことにより、超電導の連続的な商業
上の適用によつて一層経済的に有利な値とするこ
とができる。
【図面の簡単な説明】
第１図は電流密度、磁界及び温度の関数として
の超電導発電機の負荷線を示す線図、第２図は超
電導回転電機の断面図、第３図は超電導回転子の
横断面図、第４図は超電導回転子の溝組立体の詳
細図、第５図は第４図の溝組立体の分解図、第６
図は従来技術による典型的な超電導回転電機の超
電導体の配列を示す詳細図、第７図は本発明によ
る超電導体の幾何学的形状を示す部分的な斜視図
である。 １０……同期発電機（回転電機）、２０……回
転子、５０……回転子軸、６０……超電導体、７
０……溝組立体、７２……積層体（超電導体列）、
７３……分離絶縁体、７４……絶縁層（絶縁体）、
８４……冷却材入口（供給装置）、８５……冷却
材出口（除去装置）。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １ 軸線の回りに回転自在な超電導回転子であつ
    て回転子軸の回りにこれと共に回転するように支
    持リムが取り付けられ、この支持リムの外周に回
    転子の長さ方向に沿つて複数の溝歯が設けられ、
    これらの溝歯は複数の回転子溝の間に位置されて
    これらの回転子溝を限定して溝セルを形成し、１
    つの前記溝セルには１個ずつ溝組立体が取り付け
    られ、前記溝組立体は、前記軸線に対し半径方向
    に積み重ねられた複数の超電導体から成る複数個
    の超電導体列を有し、各々の前記超電導体は、前
    記溝歯に平行な表面及びこれらの表面と直角な他
    の表面をもつて略々長方形断面を有し、前記他の
    表面はその上に絶縁材を有し、前記溝組立体は更
    に、各々の前記超電導体列の各々の半径方向側面
    に１つずつ設けられかつ前記超電導体を冷却する
    ための極低温冷媒である冷却材の複数の冷却材流
    路を有する前記溝歯に平行な表面を有する複数の
    分離絶縁体を備え、前記溝組立体の両側部には
    各々側面絶縁パネルが設けられ、この各々の側面
    絶縁パネルの表面及び裏面は少なくとも１つの冷
    却材流路を有し、前記超電導体列に隣接してその
    半径方向外方に頂部絶縁ストリツプを設け、前記
    超電導体列に隣接してその半径方向内方に底部絶
    縁ストリツプを設け、これらの頂部絶縁ストリツ
    プ及び底部絶縁ストリツプの各々の表面及び裏面
    並びに両側部には前記分離絶縁体の前記流路と前
    記冷却材が連通するように複数の冷却材流路が形
    成されており、前記溝セルの上端には前記溝組立
    体内部の各部材を溝組立体内に固定するための溝
    ウエツジが設けられ、この溝ウエツジと前記頂部
    絶縁ストリツプとの間にはウエツジ保護ストリツ
    プが配置され、前記溝セル内面を覆つて溝絶縁ラ
    イニングが設けられ、前記冷却材を前記溝組立体
    内部の冷却材流路に導入するための冷却材供給手
    段である冷却材入口を前記溝ウエツジ及びウエツ
    ジ保護ストリツプを貫通して設け、前記溝組立体
    の内部を循環した前記冷却材を溝組立体内部の冷
    却材流路から排出するための冷却材除去手段であ
    る冷却材出口を前記底部絶縁ストリツプ及び前記
    溝絶縁ライニングを貫通して設けた超電導回転電
    機。 ２ 前記頂部絶縁ストリツプと底部絶縁ストリツ
    プ、分離絶縁体並びに側面絶縁パネルのそれぞれ
    の冷却材流路を整列させて冷却材がそれらの流路
    を通つて流れるようにした特許請求の範囲第１項
    記載の超電導回転電機。 ３ フレームと、該フレーム内の固定子と、該固
    定子内の回転子とを有し、該回転子は前記固定子
    に関して回転するように取付けた中心軸を有する
    特許請求の範囲第１項又は第２項記載の超電導回
    転電機。 ４ 溝ウエツジが冷却材入口としての通し孔をも
    ち、この通し孔により冷却材供給系が前記の整列
    された流路に連結されて冷却材が前記溝組立体中
    に導かれ、前記支持リムは整列された流路を冷却
    材除去系に連結する冷却材出口としての通し孔を
    有する特許請求の範囲第１項記載の超電導回転電
    機。 ５ 溝組立体中の超電導体は、その広い側面が超
    電導体列と平行となるように積み重ねられた特許
    請求の範囲第１項記載の超電導回転電機。 ６ 超電導体の広い側面は突条を有する特許請求
    の範囲第５項記載の超電導回転電機。
JP13244880A 1979-09-25 1980-09-25 Rotary electric machine Granted JPS5656168A (en)

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JPS5656168A JPS5656168A (en) 1981-05-18
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