特開 2024-126998 超電導回転電機の回転子および超電導回転電機

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024126998

(43)【公開日】2024-09-20

(54)【発明の名称】超電導回転電機の回転子および超電導回転電機

(51)【国際特許分類】

   H02K 55/04 20060101AFI20240912BHJP

【ＦＩ】

H02K55/04

【審査請求】未請求

【請求項の数】7

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023035814

(22)【出願日】2023-03-08

(71)【出願人】

【識別番号】000003078

【氏名又は名称】株式会社東芝

(71)【出願人】

【識別番号】317015294

【氏名又は名称】東芝エネルギーシステムズ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110003708

【氏名又は名称】弁理士法人鈴榮特許綜合事務所

(72)【発明者】

【氏名】阿部 格

(72)【発明者】

【氏名】岩井 貞憲

(72)【発明者】

【氏名】小柳 圭

(57)【要約】

【課題】 超電導回転電機の出力密度を高められるようにすること。
【解決手段】 実施形態による超電導回転電機の回転子は、巻線取付軸の周囲に設けられ、各極において回転子軸方向に長尺な形状を有する超電導コイルと、各極の超電導コイルに備えられる電極と、各極の超電導コイル同士を、前記電極を介して電気的に直列接続するコイル間接続導体と具備し、前記コイル間接続導体は、各極の超電導コイルの回転子軸方向の両端部から内側の範囲内に収まるように配置されている。
【選択図】 図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

巻線取付軸の周囲に設けられ、各極において回転子軸方向に長尺な形状を有する超電導コイルと、
各極の超電導コイルに備えられる電極と、
各極の超電導コイル同士を、前記電極を介して電気的に直列接続するコイル間接続導体と、
を具備し、
前記コイル間接続導体は、
各極の超電導コイルの回転子軸方向の両端部から内側の範囲内に収まるように配置されている、
超電導回転電機の回転子。

【請求項2】

前記コイル間接続導体は、
各極の超電導コイルの前記電極に直接接続される接続部と、隣り合う超電導コイル間で前記接続部同士を接続する渡り部とを有し、
前記渡り部は、
当該回転子の回転子軸を中心とする各極の超電導コイルの最外接円よりも回転子内径側に配置されている、
請求項１に記載の超電導回転電機の回転子。

【請求項3】

前記コイル間接続導体は、少なくとも一部が、接着、もしくはボルト締結、もしくはその両方によって、前記巻線取付軸に固定されている、
請求項１に記載の超電導回転電機の回転子。

【請求項4】

前記超電導コイルは、回転子外周側から回転子径方向に見た形状が直線形状の側面と円弧形状の側面とを有し、
前記電極は、前記円弧形状の側面には取り付けられておらず、前記直線形状の側面に取り付けられている、
請求項１に記載の超電導回転電機の回転子。

【請求項5】

前記巻線取付軸は、溝部を備え、
前記コイル間接続導体の一部が前記溝部に嵌め込まれている、
請求項１に記載の超電導回転電機の回転子。

【請求項6】

前記コイル間接続導体の外径側表面の一部に取り付けられる取付部材と、
前記取付部材を介して前記コイル間接続導体に圧縮応力を与える締結部材と、
をさらに具備する、
請求項１に記載の超電導回転電機の回転子。

【請求項7】

請求項１乃至６のいずれか１項に記載の超電導回転電機の回転子を用いて構成される、超電導回転電機。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の実施形態は、超電導回転電機の回転子および超電導回転電機に関する。

【背景技術】

【0002】

超電導回転電機の回転子においては、巻線取付軸の各部に超電導コイルが設けられる。超電導コイルは、超電導状態となる運転温度に冷却されることで、界磁コイルとして機能する。この超電導コイルの構造としては、一方向に長尺形状をなす長円形状に巻き回されたものが知られている。この種の超電導回転電機の回転子の構造の一例を図１３に示す。

【0003】

図１３に示される超電導回転電機の回転子１は、巻線取付軸１０の各極に設けられる長円形状の超電導コイル１１と、超電導コイル１１の長手方向（回転子軸方向）に突出する２つの電極１２と、２つの電極１２間を絶縁する絶縁部材３０と、各極の電極１２同士を接続するコイル間接続導体２０とを備え、各極の超電導コイル１１が、電極１２およびコイル間接続導体２０を通じて各極間で電気的に直列接続される構造を有する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特許第６０５７２０４号公報

【特許文献2】特開２０１１－４０５６７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

近年、超電導回転電機は、小型軽量化が求められ、特に出力密度（出力／重量）を高めることが求められている。しかし、出力密度を高めることは容易なことではない。

【0006】

超電導回転電機の回転子に備えられるコイル間接続導体は、回転時に働く遠心力やトルク、振動等による破損を防止するため、巻線取付軸に対し機械的に固定することが必要とされ、また、超電導コイルの長手方向（回転子軸方向）に電極が延出する分だけ、巻線取付軸の回転子軸方向の寸法が大きくなる。よって、コイル間接続導体の固定用の部材の重量や、巻線取付軸の寸法を大きくした分の重量により、回転子の重量が増える。また、巻線取付軸の寸法を大きくした分だけ、固定子の寸法も大きくなり、固定子の重量も増える。

【0007】

このようにして超電導回転電機全体の重量が増えると、超電導回転電機の出力密度が減少してしまう。

【0008】

本発明が解決しようとする課題は、超電導回転電機の出力密度を高めることができる超電導回転電機の回転子および超電導回転電機を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0009】

実施形態による超電導回転電機の回転子は、巻線取付軸の周囲に設けられ、各極において回転子軸方向に長尺な形状を有する超電導コイルと、各極の超電導コイルに備えられる電極と、各極の超電導コイル同士を、前記電極を介して電気的に直列接続するコイル間接続導体と具備し、前記コイル間接続導体は、各極の超電導コイルの回転子軸方向の両端部から内側の範囲内に収まるように配置されている。

【発明の効果】

【0010】

本発明によれば、超電導回転電機の出力密度を高めることができる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】図１は、第１の実施形態に係る超電導回転電機の回転子の全体構成の例を示す概念図である。

【図2】図２は、図１に示される回転子のＡ－Ａ断面図である。

【図3】接続部２０ａの長さが回転子軸方向の位置によって異なることを説明するための図。

【図4】図４は、第２の実施形態に係る超電導回転電機の回転子の全体構成の例を示す概念図である。

【図5】図５は、図４に示される回転子のＢ－Ｂ断面図である。

【図6】図６は、第３の実施形態に係る超電導回転電機の回転子の断面形状の例（図５に示される構造の変形例）を示す断面図である。

【図7】図７は、第４の実施形態に係る超電導回転電機の回転子の全体構成の例を示す概念図である。

【図8】図８は、図７に示される回転子のＣ－Ｃ断面図である。

【図9】図９は、図７に示される回転子のＵ－Ｕ断面図である。

【図10】図１０は、第５の実施形態に係る超電導回転電機の回転子の全体構成の例を示す概念図である。

【図11】図１１は、図１０に示される回転子のＤ－Ｄ断面図である。

【図12】図１２は、図１０に示される構造のＶ－Ｖ断面図である。

【図13】図１３は、一般的な超電導回転電機の回転子の全体構成の例を示す概念図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

以下、図面を参照して、実施の形態について説明する。

【0013】

＜第１の実施形態＞
最初に、第１の実施形態について説明する。

【0014】

図１は、第１の実施形態に係る超電導回転電機の回転子の全体構成の例を示す概念図である。図２は、図１に示される回転子のＡ－Ａ断面図である。

【0015】

図１および図２に示される超電導回転電機の回転子１は、回転子軸またはロータコア２（以降、「回転子軸２」）、巻線取付軸１０、超電導コイル１１、電極１２、コイル間接続導体２０などを有する。

【0016】

なお、ここでは主要部の構造を理解しやすいものとするため、巻線取付軸１０や超電導コイル１１の周りにある絶縁部材、冷媒流路、フィーダ等の図示を省略するとともに、図示される各部の寸法の一部を実際のものよりも大きくし又は小さくしている。そのため、図示される各部の寸法の大小関係は、実際のものとは異なる。

【0017】

巻線取付軸１０は、超電導コイル１１を周方向に一定の間隔で取り付けるための構造物である。

【0018】

超電導コイル１１は、回転子１の軸中心に対して点対象となるように巻線取付軸１０の周囲の各極に配置される。各極の超電導コイル１１は、回転子外周側から回転子径方向に見た形状が長円形状であり、回転子軸方向に長尺となっている。

【0019】

なお、図１および図２では、回転子１の極数が４である場合を想定し、超電導コイル１１が４個配置された例を示しているが、超電導コイル１１の個数に限定はなく、２個以上の超電導コイル１１０が点対称となるように配置されるのであれば、個数に制限はない。

【0020】

各極の超電導コイル１１には、電極１２が取り付けられている。コイル間接続導体２０は、各極の超電導コイル１１同士を、電極１２を介して電気的に直列接続する。このような構造において、各極の超電導コイル１１は、超電導状態となる運転温度に冷却されることで、界磁コイルとして機能する。

【0021】

特に本実施形態では、コイル間接続導体２０は、各極の超電導コイル１１の回転子軸方向の両端部から内側の範囲内に収まるように配置されている。すなわち、コイル間接続導体２０は、図１中に示される範囲Ｌ内に収まるように配置されている。

【0022】

各極の超電導コイル１１は、回転子外周側から回転子径方向に見た形状が直線形状の側面と円弧形状の側面とを有する。直線形状の側面は、回転子軸方向中央部の所定の領域にある。円弧形状の側面は、直線形状の側面以外の領域（直線形状の側面よりも回転子軸方向両側の領域）にある。

【0023】

図１の例では、電極１２は、各極の超電導コイル１１の円弧形状の側面の一部と直線形状の側面の一部とが連続する所定の領域に取り付けられている。電極１２における超電導コイル１１との取付け部は、超電導コイル１１の側面形状と合うように形成された円弧形状の部分と直線形状の部分とを有する。また、図１の例では、コイル間接続導体２０は、その端部が電極１２の円弧形状の部分に取り付けられている。

【0024】

コイル間接続導体２０は、図２に示されるように、各極の超電導コイル１１の電極１２に直接接続される接続部２０ａと、隣り合う超電導コイル１１間で接続部２０ａ同士を接続する渡り部２０ｂとを有する。接続部２０ａおよび渡り部２０ｂは、別々の部材で構成されてもよいし、１つの部材で構成されてもよい。

【0025】

接続部２０ａの長さは、回転子軸方向の位置によって変わる。一方、渡り部２０ｂの長さは、回転子軸方向の位置によって変わらない。図１の例では、接続部２０ａの長さは、超電導コイル１１の回転子軸方向端部へ向かうほど長くなり、超電導コイル１１の回転子軸方向中央部へ向かうと短くなる。例えば、図１のＡ－Ａ断面の位置では、図２に示されるように接続部２０ａの長さは比較的長い。これに対し、図１のＡ－Ａ断面の位置よりも回転子軸方向中央部寄りのある位置では、図３に示されるように接続部２０ａの長さは比較的短い。

【0026】

また、コイル間接続導体２０は、少なくとも一部が巻線取付軸１０に直接もしくは間接的に固定されている。図２の例では、コイル間接続導体２０の接続部２０ａの端部が巻線取付軸１０に固定されている。固定方法として、コイル間接続導体２０は、巻線取付軸１０に接着されていてもよいし、ボルト締結されていてもよいし、その両方によって固定されていてもよい。

【0027】

なお、巻線取付軸１０が導電性の金属で形成される場合は、コイル間接続導体２０と巻線取付軸１０との界面に、絶縁部材が介在しているものとする。この場合、絶縁部材は、例えばガラス繊維強化プラスチック（ＧＦＲＰ）および炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）などにより形成されていてもよいし、巻線取付軸１０やコイル間接続導体２０の表面にポリイミド、ポリエステルポリウレタン、ポリアミド、ポリアミドイミドおよびポリビニルホルマールなどの絶縁フィルムを貼り付けることで形成されていてもよい。

【0028】

また、上記絶縁部材は、メラミン樹脂、ユリア樹脂、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、フェノール樹脂などの熱硬化性樹脂またはシリコーングリースなどの熱伝導性絶縁グリースを塗布することで形成されていてもよい。

【0029】

また、コイル間接続導体２０の表面のうち、巻線取付軸１０との固定部のみに絶縁部材が介在するように構成してもよいが、代わりに巻線取付軸１０の周囲に超電導コイル１１およびコイル間接続導体２０が含浸固定されるように構成してもよい。

【0030】

第１の実施形態によれば、電極１２およびコイル間接続導体２０が範囲Ｌ内に配置されるため、一般的な超電導回転電機の回転子に比べ、コイル間接続導体の固定用の部材を低減することができるとともに、巻線取付軸１０の回転子軸方向の寸法を小さくすることができる。よって、コイル間接続導体の固定用の部材の重量や、巻線取付軸の重量を減らすことができ、回転子の重量を減らすことができる。また、回転子軸方向の寸法を小さくすることができるため、固定子の寸法を小さくすることができ、固定子の重量を減らすことができる。これにより超電導回転電機全体の重量を減らすことができるため、超電導回転電機の出力密度を高めることができる。

【0031】

＜第２の実施形態＞
次に、第２の実施形態について説明する。以下では、第１の実施形態と共通する部分の説明を省略し、第１の実施形態と異なる部分を中心に説明する。

【0032】

図４は、第２の実施形態に係る超電導回転電機の回転子の全体構成の例を示す概念図である。図５は、図４に示される回転子のＢ－Ｂ断面図である。

【0033】

この第２の実施形態に係る回転子１が前述した第１の実施形態に係る回転子１と異なる点は、電極１２が、超電導コイル１１の円弧形状の側面には取り付けられておらず、超電導コイル１１の直線形状の側面に取り付けられていることである。

【0034】

図４の例では、電極１２が超電導コイル１１の回転子軸方向中央部に配置されている。これに伴い、コイル間接続導体２０も超電導コイル１１の回転子軸方向中央部に配置されている。

【0035】

電極１２における超電導コイル１１との取付け部には、円弧形状の部分はなく、直線形状の部分だけがある。そのため、電極１２全体が直線形状を成している。

【0036】

また、コイル間接続導体２０は、その端部が直線形状の電極１２に取り付けられている。そのため、コイル間接続導体２０の電極１２との取付け部には、円弧形状の部分はなく、直線形状の部分だけがある。

【0037】

接続部２０ａの長さは、図５に示されるように短く、図２に示されるような長い所がない。

【0038】

第２の実施形態によれば、各極の電極１２間の距離がさらに小さくなるため、コイル間接続導体２０の体積がさらに小さくなり、コイル間接続導体２０の重量がさらに小さくなり、超電導回転電機全体の重量がさらに小さくなる。また、コイル間接続導体２０は、超電導コイル１１の円弧形状の箇所ではなく、直線形状の箇所にて、電極１２を介して接続するため、コイル間接続導体２０の形状が単純になり、電極１２間の接続作業において作業性が向上する。よって、第２の実施形態によれば、超電導回転電機の出力密度を高めつつ、コイル間接続導体２０と電極１２との接続作業の作業性を向上させることができる。

【0039】

＜第３の実施形態＞
次に、第３の実施形態について説明する。以下では、第２の実施形態と共通する部分の説明を省略し、第２の実施形態と異なる部分を中心に説明する。

【0040】

図６は、第３の実施形態に係る超電導回転電機の回転子の断面形状の例（図５に示される構造の変形例）を示す断面図である。

【0041】

この第３の実施形態に係る回転子１が前述した第２の実施形態に係る回転子１と異なる点は、コイル間接続導体２０の渡り部２０ｂが、回転子１の回転子軸を中心とする各極の超電導コイル１１の最外接円よりも回転子内径側に配置されていることである。

【0042】

図６の例では、渡り部２０ｂは、巻線取付軸１０の表面に沿う形で回転子内径側に配置されている。この構造により回転子１の回転時の遠心力に対する強度が向上する。

【0043】

なお、超電導コイル１１は、コイル間接続導体２０に制限されることなく、回転子１の径方向において最外径側に配置することができる。そのようにした場合、界磁コイルと電機子コイル間の双方に鎖交する磁束の空間密度が向上し、超電導回転電機の回転子１の磁場効率が向上する。

【0044】

第３の実施形態によれば、第２の実施形態で得られる効果に加え、回転子１の回転時の遠心力に対する強度を向上させることができるとともに、超電導回転電機の回転子１の磁場効率を向上させることができる。

【0045】

＜第４の実施形態＞
次に、第４の実施形態について説明する。以下では、第３の実施形態と共通する部分の説明を省略し、第３の実施形態と異なる部分を中心に説明する。

【0046】

図７は、第４の実施形態に係る超電導回転電機の回転子の全体構成の例を示す概念図である。図８は、図７に示される回転子のＣ－Ｃ断面図である。図９は、図７に示される回転子のＵ－Ｕ断面図である。

【0047】

この第４の実施形態に係る回転子１が前述した第３の実施形態に係る回転子１と異なる点は、巻線取付軸１０が、コイル間接続導体２０の長手方向に沿った凹状の溝部１０ａを備え、コイル間接続導体２０の一部が凹状の溝部１０ａに嵌め込まれていることである。巻線取付軸１０の溝部１０ａとコイル間接続導体２０との間には、絶縁部材が介在していてもよい。

【0048】

第４の実施形態によれば、巻線取付軸１０の溝部１０ａに、絶縁部材またはコイル間接続導体２０の一部が嵌め込まれているため、コイル間接続導体２０と巻線取付軸１０が構造体として一体化し、回転子１の機械的な強度が向上する。よって、第４の実施形態によれば、第３の実施形態で得られる効果に加え、回転子１の機械的な強度を向上させることができる。

【0049】

＜第５の実施形態＞
次に、第５の実施形態について説明する。以下では、第３もしくは第４の実施形態と共通する部分の説明を省略し、第３もしくは第４の実施形態と異なる部分を中心に説明する。

【0050】

図１０は、第５の実施形態に係る超電導回転電機の回転子の全体構成の例を示す概念図である。図１１は、図１０に示される回転子のＤ－Ｄ断面図である。図１２は、図１０に示される回転子のＶ－Ｖ断面図である。

【0051】

この第５の実施形態に係る回転子１が前述した第３もしくは第４の実施形態に係る回転子１と異なる点は、コイル間接続導体２０の外径側表面の一部に取り付けられる取付部材５０と、取付部材５０を介してコイル間接続導体２０に圧縮応力を与える締結部材４０とをさらに備えていることである。

【0052】

具体的には、コイル間接続導体２０の接続部２０ａと巻線取付軸１０とが、取付部材５０を介して締結部材４０により機械的に締め付け固定される。これにより、締結部材４０は、コイル間接続導体２０の接続部２０ａに対し、巻線取付軸１０および取付部材５０を介して圧縮応力を付与する。

【0053】

締結部材４０は、図１０～図１２の例に示されるように、巻線取付軸１０に配置されるヘリサートやネジ穴と締付用のボルトなどで構成されていてもよい。

【0054】

取付部材５０は、たとえばガラス繊維強化プラスチック（ＧＦＲＰ）および炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）などにより形成されていてもよく、金属の表面にポリイミド、ポリエステルポリウレタン、ポリアミド、ポリアミドイミドおよびポリビニルホルマールなどの絶縁フィルムを貼り付けたりして構成した複合体で形成されていてもよい。

【0055】

なお、図１０～図１２の例では、コイル間接続導体２０の１か所に１つの締結部材４０および取付部材５０を設けた例を示したが、コイル間接続導体２０の一部に少なくとも１つの締結部材４０および取付部材５０が設けられていればよく、複数個の締結部材４０および取付部材５０が設けてられていてもよい。

【0056】

第５の実施形態によれば、コイル間接続導体２０の接続部２０ａと巻線取付軸１０とが取付部材５０を介して締結部材４０により機械的に固定されることで、コイル間接続導体２０を機械的に強固に支持することができるため、回転時に超電導コイル１１に対して過大な機械的負荷が加わったり、大きな相対的変位が加わったりすることを防ぐことができる。よって、第５の実施形態によれば、第３もしくは第４の実施形態で得られる効果に加え、回転子１の機械的な強度をさらに向上させることができる。

【0057】

以上詳述したように、実施形態によれば、超電導回転電機の出力密度を高めることができる。

【0058】

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更、組み合わせを行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

【符号の説明】

【0059】

１…回転子、２…回転子軸（またはロータコア）、１０…巻線取付軸、１０ａ…溝部、１１…超電導コイル、１２…電極、２０…コイル間接続導体、２０ａ…接続部、２０ｂ…渡り部、３０…絶縁部材、４０…締結部材、５０…取付部材。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】