JPS5822940B2 - カイテンデンキ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は超電導界磁巻線を使用している回転電機に関
するもので、特に同期態様および非同期態様の双方にお
いて交流電動機として効率よく作動できる超電導界磁巻
線を用いた回転電機に関するものである。

ここ１０年または１２年の間に、超電導として知られて
いる、ある材料が極低温において示す非常に低い電気抵
抗状態を回転電機に利用することが太いに注目されてい
る。

超電導効果の利用によって著しく強い磁界が得られるの
で、超電導機の分野における従来技術の努力は強磁性材
が使用されていない基本的に全空隙構造を利用すること
に向けられていた。

このような努力により同期交流電動機として適切に作動
する回転電機が作り出された。

しかしこれらの電機は、始動時または過渡状態がある場
合に遭遇するような非同期動作態様期間中は有効に作動
しない。

全空隙構造が交流電動機に使用された場合の問題の一つ
は非同期運転中に生ずるトルクが比較的小さいことであ
る。

これは始動中は電機は強さが従来と変らず時にはより小
さい交流磁界で誘導電動機として作動するからである。

磁界は超電導巻線によって生ずる磁束のどく一部分でし
かないので、強磁性通路が無いためζこ比較的小量の磁
束を非常に効率悪く使用することになる。

したがって、この動作態様の間に生ずるトルクは極めて
小である。

超電導交流電動機の非同期動作の間に起る他の問題は同
期速度から僅かにずれているときのように比較的低い周
波数の交番磁界が超電導巻線内に浸透することである。

超電導は本質的に直流現象であるから、交番磁界の導入
は比較的高いエネルギー損失を来たし、これは受入れ難
いことである。

損失が望ましくないはかりでなく、それらは「クエンチ
ング」すなわち超電導効果の喪失を来たしうる。

それ故従来技術の装置では米国特許第３．６７９，９２
０号に記載されているような別個の磁束シールドを含ま
なければならない。

このような困難を克服した回転電機は特願昭４９−１１
５５７号（特開昭４９−１０５１０１号）明細書に記載
されていて、この出願は同期状態および非同期状態の双
方において交流電動機として良好に作動する超電導界磁
巻線を用いた回転電機を提供している。

しかしこの電機には同期作動の際の望ましくない磁束損
失および冷却装置に関して欠点がある。

この発明の回転電機は上記出願の回転電機に改良を加え
たもので、その回転電機の利点を失うことなくその欠点
を除いたものである。

この発明の回転電機は適正な電機子巻線をその上に有す
る電機子を備えている。

特定の実施例では電機子は略略円筒状であり、その内周
に沿ってスロット内に設けられた電機子巻線を具えた固
定環状体である。

界磁装置は電機子環状体の内側に装架され、電機子に対
して相対運動するように配置されている。

界磁装置の導電体は電機子巻線の近くに位置し、空隙に
よってそれから分離されている。

導電体は回転電機が交流電動機として使用されるとき、
始動操作中に電機子巻線によって生ずる交番磁束に応動
するように配置されている。

それ故、始動中は回転電機は基本的に誘導電動機として
作動し、導電体はかご形巻線のバーまたは回転子巻線の
バーのどちらかでありうる。

ここに記載する特定の実施例において、導電体は強磁性
材料の第１鉄心の外周に沿って置かれている。

第１鉄心内の強磁性材料の第１部分は複数の磁極を与え
るように配置されている。

超電導巻線は磁極に磁束を与えるように前記第１部分の
まわりに巻かれている。

超電導巻線は単素線または多素線のいずれでも良く、強
磁性材料の第１部分の適当なもののまわりに巻かれた別
々のセグメントを持っている。

超電導巻線はジュワー瓶のような絶縁構造体によって磁
極および周囲状態の双方から絶縁されている。

超電導巻線は導電体から間隔を保っているので、第１鉄
心内の強磁性材料の第２部分が超電導巻線を導電体から
分離するようになっている。

これらの第２部分は第１鉄心の一体部分であって、相隣
る１対の磁極の間の磁束通路を呈する。

回転電機の始動期間中に、交流電動機として作動する時
、超電導巻線は超電導であってもそうでなくてもよいが
、超電導巻線には電流を流してない状態で起動し、これ
らの第２部分は比較的低周波数の交番磁束のための分路
を形成し、この磁束が超電導巻線内へ侵入するのを防止
する。

従って、極低温部分に低周波磁束により生ずるジュール
損失は少なく、超電導状態が保たれる。

しかし同期作動期間中には強磁性材料のこれらの第２部
分は飽和され、これらを通って分路される磁束は、超電
導巻線によって発生される全磁束の比較的小さい部分だ
けとなる。

強磁性材料の第３部分は相隣る磁極から互に他に向って
延長する第１鉄心のセグメントを含んでいる。

空隙のような非強磁性区域が互に間隔を保っているセグ
メントの端の間に位置している。

回転電機の非同期作動期間中は、セグメント間の空隙は
磁束が通るのを妨げるので、磁束は強磁性材料の第２部
分によって形成される通路を通る。

第２部分が同期運転中に飽和すると、主磁束は延長する
セグメントを通る通路に戻る。

主磁束通路または強磁性の区分を含み得（これは第３の
部分内に含まれる）これは空隙のような非強磁性区域に
よって磁極内のセグメントから分離されている。

これらの区分は第２の略々円筒状の強磁性材料の環状体
によって与えられ第２鉄心を形成する。

成る場合には、もしセグメントが省略されており、また
はそれらの間の空隙が充分に大きいと、これらの区分で
主磁束の唯一の戻り通路を形成することもできる。

特定の１実施例においては、ジュワー瓶は一群の軸方向
スポークの形をとりうる。

ヘッダリングがスポークによって形成される構造体の各
端に置かれて、スポークの相応する端を互に連結する。

この構造体は次いで熱損失を最小にするような適正な配
置を含む適正な態様で第１鉄心内へ組込まれつる。

ここに記載した配置によれば、ジュワー瓶は超電導巻線
だけを収納しているので装置の冷凍能力に対する要求は
減少される。

その上、ジュワー瓶の絶縁構造体を通って通過する主界
磁磁束によって引起される磁束損失は著しく減少され、
同期運転のために使用できる磁束が相当に増加する。

この発明の以上の目的および他の目的、第１」点および
特色は、添附図面に示される実施例の以下の説明から明
かになる。

第１Ａ図には、この発明の望ましい実施例が略図的に示
されている。

回転電機１１はその縦軸に直角な面で切断した断面図で
示されている。

この発明は多くの異った型の構造に適用可能であるが、
この実施例は円筒状の回転電機である。

そしてまたこの発明は発電機、同期進相機等の他の用途
にも適用可能であるが、ここでは回転電機１１を同期運
転および非同期運転を行う交流電動機として取扱う。

電機子すなわち固定子１３は鉄のような強磁性材料で作
られ、大体円筒形の環状体の形である。

多くのスロット１５が環状の固定子１３の内周に形成さ
れ、固定子巻線１７がこれらのスロット１５内に置かれ
ている。

固定子１３の内側にこれと同心に置かれた強磁性材料の
略々円筒形の環状体があって、これが第１鉄心１９を形
成している。

第１鉄心１９は固定子１３から離間してその間に空隙２
１を形成している。

導電体２３または２５（第１Ａ図および第１Ｂ図）が第
１鉄心１９内にその外周をめぐって配置されている。

これらの導電体は回転電機の始動の際の非同期運転中に
使用される誘導電動機巻線を形成する。

２つの異った型の導電体２３．２５を。使用した２つの
実施例が図示されている。

導電体２３はかご形回転子巻線のバーであり、導電体２
５は巻線回転子構造のスロット２７内に置かれたバーで
ある。

かご形巻線の利点は経費の少いことであり、他方巻線回
転子構造の利点は超電導磁界が失われた場合に補助界磁
巻線として利用できることである。

利用される誘導巻線の特定の型は与えられた条件に応じ
て定めるものである。

第１鉄心１９の半径方向の長さのほぼ中間に多数のジュ
ワー瓶２９が配置されている。

ジュワー瓶２９は外側壁３１と内側壁３３と輻射シール
ド３５とを有している。

熱障壁を与えるように外側壁３１および内側壁３３間が
真空にさイ１、他方輻射シールド３５は周囲の温度状態
からジュワー瓶２９内を断熱するのを助ける。

ジュワー瓶２９の内部は勿論第１鉄心１９からも断熱さ
れている。

ジュワー瓶２９の内側に超電導巻線３７（この実施例で
は１対の超電導巻線３７が各ジュワー瓶内に配置されて
いる）が位置している。

超電導巻線３７はこの性質を持った任意適宜な巻線で、
単素線または多素線型のどちらでもよく、連続的巻線ま
たは分離セグメントのどちらでもよい。

例えはニオブ−チタニウムのような任意適宜な超電導材
料が使用できる。

超電導巻線は強磁性材料の複数の第１部分３９のまわり
に巻かれている。

第１部分３９は磁極であって、これに対して超電導巻線
３７が磁束を与える。

第１部分３９は第１鉄心１９の一体の部分として図示し
であるが、勿論強磁性材料の分離して装架された部分と
することもできる。

強磁性材料の第２部分４１は相隣る１対の磁極即ち第１
部分３９を連結し、磁極間の第１の磁束通路を与えてい
る。

第２部分４１は超電導巻線３Ｔと誘導電動機巻線すなわ
ち導電体２３．２５との間に位置している。

第２部分４１は第１鉄心１９の一体部分として示されて
いるが、勿論これらの部分は磁極の間に磁束通路を形成
するものであれば超電導巻線３７および誘導巻線２３．
２５の双方とは別体のものにできる。

この第１の磁束通路は非同期運転の間に生ずる比較的低
周波数の交番磁界のための分路として役立つ。

このようにして、交番磁界は超電導巻線３１内に侵入し
て、その内部に望ましくない損失を超すことを防止され
ている。

これらの交番磁界は電力損失の他に、「クエンチング」
すなわち超電導効果の喪失を起しうるものである。

相隣る１対の磁極すなわち第１部分３９間の第２の磁束
通路が強磁性材料の第３部分４３，４５゜４７によって
形成されている。

第３部分すなわちセグメント４３，４５は第１鉄心１９
の一体部分であって、相隣る磁極から互に他に向って延
長している。

セグメン１−４３．４５の内端は互に他から間隔を保っ
て位置し、その間に空隙４９が形成されている。

空隙４９はセグメン）４３，４５によって与えられる第
２の磁束通路内に非磁極性区域を形成しでいる。

部分４７は相隣る１対の磁極の間に延長しかつ固定子１
３および第１鉄心１９と同心の略々円筒形の環状体の形
を取る合成体に形成されている。

この環状体は強磁性材料の第２鉄心５１を形成している
。

第２鉄心５１の部分４７は第１部分３９すなわち磁極お
よびセグメント４３．４５から離間していて、間に空隙
５３を形成している。

空隙５３は部分４７を含む第２の磁束通路内に非強磁性
区域を形成している。

部分４７は強磁性材料である必璧なく、この場合は第２
の磁束通路はセグメント４３，４５および空隙４９を通
る通路に限定される。

そしてまたジュワー瓶２９を第１鉄心１９の最も内側の
円周上に置いてセグメント４３．４５を省略することも
でき、この場合は第２の磁束通路は部分４７および空隙
５３だけを含むものである。

第２鉄心５１は第１鉄心１９と共に回転するように互い
に固着されている。

第１鉄心１９と第２鉄心５１とを固定的に連結するため
の任意の適当な手段が使用され、それは非強磁性材料の
スパイダまたは適当な端連結片のような装置である。

勿４論これらの鉄心はまた漏洩磁束通路を形成せぬよう
に回転電機の磁気的機能部分外に配置させた内部連結部
により一体的に形成することもできる。

動力は軸５５によって回転電機から取出される。

軸５５は適当な装置によって第１鉄心１９、第２゜鉄心
５１に固定的に連結され、かつ適当な軸受（図示せず）
によって外函（図示せず）内に装架されている。

回転電機１１を交流電動機として運転するとき、適正な
交流電流が始動期間中固定子巻線１７に与えられる。

固定子巻線によって作られる磁束は誘導電動機導電体２
３または２５と相互作用して、始動トルクを発生する。

固定子巻線によって生ずる交番磁束、特に、回転子が同
期速度に達するまでに生ずる比較的低周波数の磁束は、
第２部分４１によって与えられる分路によって超電導巻
線内に侵入するのを防止される。

非同期運転の間に存在する磁束の殆んどすべてはこの通
路内に限定されるが、これは空隙４９．５３のために交
番磁束がセグメン１−４３，４５および部分４７を含む
第２の磁束通路すなわち主磁束通路を通らないからであ
る。

定常状態すなわち同期運転中には、超電導巻線が使用さ
れるので強磁性材料の第２部分４１が強い磁束によって
飽和する。

超電導巻線によって生ずる磁界は非常に強いので、第２
部分４１が飽和に達するまでは第２部分４１を通って分
路される磁束は発生磁束の約２０係だけであろう。

それ数発生される磁束の約８０％がセグメント４３゜４
５および部分４１を通る第２の磁束通路内を流れる。

このようにしてこの第２の磁束通路すなわち主磁束通路
内を通る磁束は同期運転中に使用できる。

以上に説明した構成の結果、始動のために比較的大きな
非同期トルクを発生し、そしてなお同期運転のために超
電導巻線によって生ずる強い磁界の大部分を保持する電
動機が得られる。

そしてまたこの構成によれば、ジュワー瓶は超電導巻線
を超低温度に維持するためだけに必要であって、他のす
べての部材は周囲温度で作動する。

これは勿論、所要冷凍容量を減じ、回転電機の全効率を
増大させる。

その上、回転電機の同期運転のために機能する通路から
ジュワー瓶の壁構造体を取除くことにより、同期運転の
ために利用できる磁束の量が著しく増加する。

それ数回転電機の効率かさらに増大する。

第２図はジュワー瓶２９の形を例示している。

この実施例では、ジュワー瓶２９は、複数の軸方向スポ
ーク５７と、これらの軸方向スポークの各端に位置しか
つ各スポークの端に連結されているヘッダリング５９．
６１とで形成されている。

超電導巻線３７は容器内にあり、最小の熱損失で容器内
に極低温の流体を導入するための適正な連結部か設けら
れている。

最小の熱の漏洩でジュワー瓶２９を鉄心１９上に装架す
るように適当な装架装置を設けることができる。

【図面の簡単な説明】

第１Ａ図はこの発明の回転電機の１実施例をその縦軸に
垂直な而に沿って画いた概略横断面図、第１Ｂ図は第２
の実施例を示す部分横断面図、第２図は第１Ａ図、第１
Ｂ図に示す回転電機内に使用される絶縁装置の一部を破
断して示した斜視図である。 １１・・・・・・回転電機、１３・・・・・・電機子、
１５・・・・・・スロット、１７・・・・・・固定子巻
線、１９・・・・・・第１鉄心、２１・・・・・・空隙
、２３．２５・・・・・・導電体、２７・・・・・・ス
ロット、２９・・・−・・ジュワー瓶、３１・・・・・
・外側壁、３３・・・・・・内側壁、３５・・・・・・
輻射シールド、３Ｔ・・・・・・超電導巻線、３９・・
・・・・第１部分（磁極）、４１・・・・・・第２部分
、４３，４５．４７・・・・・・第３部分（４３，４５
・・・・・・セグメント、４７・・・・・・部分）、４
９・・・・・・空隙、５１・・・・・・第２鉄心、５３
・・・・・・空隙、５５・・・・・軸、５７・・・・・
・軸方向スポーク、５９゜６１・・・・・・ヘッダリン
グ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 固定子巻線を有し、円形孔を有する固定子と、この
   固定子の円形孔内に同心に回転可能に設けられ、上記固
   定子から離間して間に空隙を有する略々中空円筒形の強
   磁性体の鉄心であって、略々径方向に延びた複数の第１
   部分、この第１部分の隣接外端に磁気的に結合されて上
   記鉄心の外周を形成するように周方向に延びる複数の第
   ２部分、および上記第１部分の各隣接内端に磁気的に結
   合されて七記鉄尼・の内周を形成するように周方向に延
   び、その周方向先端間に空隙を有する第３部分を有する
   鉄心と、 上記第１部分上に巻かれた超電導巻線と、−上記超電導
   巻線を囲んで上記鉄心および周囲環境から断熱する断熱
   装置と、 上記固定子との間の上記空隙に近い部分で上記鉄心の上
   記第２部分に設けられ、上記固定子巻線と対応した起動
   トルク発生用短絡巻線を構成する導電体とを備えた回転
   電機。