JP2020080628A - 回転機 - Google Patents
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Abstract
Description
超電導回転機の一般的な構成は、直流磁場を生成する界磁子と、交流電流を入力・出力する電機子と、を有する同期機である。超電導体に交流電流を通電する場合、交流損失による発熱が問題となるため、直流である界磁子のみを超電導化し、電機子は常電導(銅)で構成する場合が多い。但し、電機子を超電導化できれば、電機子における銅損がなくなり、また電流密度を高められるため、さらなる高出力密度化・高効率化が可能である。近年、超電導線材の交流損失低減の技術開発により、界磁子と電機子の双方を超電導化した全超電導回転機の開発も進みつつある。
超電導体の使用形態としては、線材とバルク(塊)がある。界磁子は、線材をレーストラック形状に巻線し、電磁石として使用する場合と、バルクに着磁して永久磁石として使用する場合がある。電機子は、線材をレーストラック形状に巻線し、電磁石として使用する。界磁子と電機子の位置関係について、一般的であるのは、それらを径方向に配置するラジアル型であるが、一部では軸方向に配置するアキシャル型も検討されている。また回転機には、回転界磁型と回転電機子型があるが、特に大電流が流れる大型機では、電機子を回転するのは技術的に困難であるため、回転界磁型が一般的である。
しかし、前者の方法では、所望する位置に回転子を安定して支持することは困難である。また、後者の方法では、技術的に支持は可能であるが、ギャップを検出してフィードバックするための複雑な制御システムが必要であり、また重量物を浮上させるためには、大きな電流を冷却容器内へ供給する必要があり、電力消費が大きくなるという問題がある。
この発明は上述した事情に鑑みてなされたものであり、電力消費を抑制しつつ回転子を安定して支持できる回転機を提供することを目的とする。
〈第1実施形態の構成および動作〉
以下、図を参照しながら本発明の第1実施形態による超電導回転機100(回転機)の構成を説明する。
超電導回転機には様々なタイプがあるが、本実施形態では最も一般的であるラジアル型・回転界磁型を例として説明する。また、本実施形態では、より高効率・高出力密度を実現可能できるように、界磁子および電機子を共に超電導化した全超電導回転機を例として説明する。
図1において、超電導回転機100は、真空容器1(第1の容器)と、冷却容器2(第2の容器)と、界磁子である回転子3と、シャフト4と、固定子5と、バックヨーク6と、冷却容器支持部材10と、磁性流体シール11と、軸受12と、支持部材13と、シャフト支持部材14(接触支持部材)と、超電導磁気軸受120と、を備えている。そして、超電導磁気軸受120は、シャフト7と、超電導バルク8と、永久磁石9(磁石)と、を備えている。
以上のように本実施形態の回転機(100)によれば、第1の容器(1)と、第2の容器(2)とが密閉された状態で、シャフト(4,7)の他端側が接触支持部材(14)に接触支持されている状態から、シャフト(4,7)の他端側が超電導磁気軸受(120)に非接触支持されている状態に切り替え可能に構成されている。
これにより、シャフト(4,7)の他端側が接触支持部材(14)に接触支持されている状態において、電力消費を抑制しつつ回転子(3)を安定して支持できる。例えば、室温における、接触支持部材(14)を用いた接触支持から、低温における、超電導磁気軸受(120)を用いた非接触支持に切り替えることが可能であり、機械的な損失を低減することで、回転機(100)の高効率化を実現できる。
これにより、電力消費を一層抑制しつつ回転子(3)を安定して支持できる。
これにより、接触支持部材(14)は、シャフト(4,7)の回転を抑制しつつ、シャフト(4,7)を安定して支持することができる。
これにより、シャフト(4,7)が超電導磁気軸受(120)に支持されている際、永久磁石15等を用いて、接触支持部材(14)をシャフト(4,7)から充分に離間させることができる。
〈第2実施形態の構成および動作〉
次に、本発明の第2実施形態による超電導回転機200(回転機)の構成を説明する。なお、以下の説明において、上述した第1実施形態の各部に対応する部分には同一の符号を付し、その説明を省略する場合がある。
上述した第1実施形態では、シャフト支持部材14(図1参照)が可動部となり、シャフト7の接触/非接触支持を切り替えていた。この構成では、シャフト7の接触/非接触支持の切替を簡易的な構造で実現できる。しかし、シャフト支持部材14が容器の外から視認できないため、シャフト7の接触/非接触支持の状態が外部から判別しにくい点があった。そこで、本実施形態では、シャフト7の接触/非接触支持を容易に判別可能にしている。
図4において、本実施形態におけるシャフト4,7および回転子3は、一体として、図中の左右方向にスライドさせることができる。図4の状態は、シャフト4,7および回転子3を、可動範囲の右端までスライドさせた状態を示している。図中の冷却容器2の右端部において、シャフト7に対向する位置には、円柱状のシャフト支持部材19(接触支持部材)がシャフト7に向かって突出している。また、シャフト7の右端部において、シャフト支持部材19に対向する位置には、略円柱状に凹んだ凹部7bが形成されている。
図5に示すように、冷却後には、支持部材17が伸びた状態になり、シャフト4,7が冷却容器2から離れて非接触支持状態になる。伸縮可能な支持部材17には機械的な強度は期待できない場合が多い。そのため、本実施形態においては、機械的に強い伸縮可能なリニアブッシュ等の支持部材18で、軸受12を支持している。また、シャフト4,7を駆動していない定常時には、シャフト4,7の軸方向位置を固定しておくことが好ましい。そこで、本実施形態においては、上述の第1実施形態と同様に、長さが固定された支持部材13も設けられている。
以上のように本実施形態の回転機(200)によれば、シャフト(4,7)は、第1の容器(1)と、第2の容器(2)とが密閉された状態で、軸方向にスライド可能であり、接触支持部材(19)は第2の容器(2)に形成され、シャフト(4,7)の他端には接触支持部材(19)と嵌合する嵌合部(7b)が形成されている。
これにより、接触支持部材(19)と嵌合部(7b)とを嵌合させることによって、接触支持部材(19)はシャフト(4,7)を安定して支持することができる。
さらに、本実施形態によれば、超電導磁気軸受(120)は、第1の容器(1)と第2の容器(2)とが密閉された状態で、軸方向にスライド可能な磁石(9)を備える。これにより、超電導磁気軸受(120)から加わる力を抑制しつつ、スムーズにシャフト(4,7)をスライドさせることができる。
本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。上述した実施形態は本発明を理解しやすく説明するために例示したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について削除し、もしくは他の構成の追加・置換をすることが可能である。上記実施形態に対して可能な変形は、例えば以下のようなものである。
2 冷却容器(第2の容器)
3 回転子
4,7 シャフト
7a 凹部(嵌合部)
7b 凹部
9 永久磁石(磁石)
14,19 シャフト支持部材(接触支持部材)
14a 凸部
100,200 超電導回転機(回転機)
120 超電導磁気軸受
Claims (7)
- 内部を気密状態に保つ第1の容器と、
前記第1の容器の内部に収納され、内部を気密状態に保つ第2の容器と、
前記第2の容器の内部に収納され、超電導体を含む回転子と、
前記回転子に装着され、一端が前記第1の容器の外側で支持され他端が前記第2の容器の内部で支持されたシャフトと、
前記シャフトの他端側を非接触支持する超電導磁気軸受と、
前記シャフトの他端側を接触支持する接触支持部材と、
を備え、
前記第1の容器と、前記第2の容器とが密閉された状態で、前記シャフトの他端側が前記接触支持部材に接触支持されている状態から、前記シャフトの他端側が前記超電導磁気軸受に非接触支持されている状態に切り替え可能に構成されている
ことを特徴とする回転機。 - 前記第1の容器と、前記第2の容器とが密閉された状態で、前記シャフトの他端側が前記超電導磁気軸受に非接触支持されている状態から、前記シャフトの他端側が前記接触支持部材に接触支持されている状態に切り替え可能に構成されている
ことを特徴とする請求項1に記載の回転機。 - 前記接触支持部材または前記シャフトの一方に形成され、雄ネジを有する凸部と、
前記接触支持部材または前記シャフトの他方に形成され、前記凸部に螺合する雌ネジを有する凹部と、
をさらに有し、
前記接触支持部材は、前記シャフトの周方向の動きが規制され、前記シャフトの軸方向に可動である状態で前記第2の容器に収納されている
ことを特徴とする請求項1または2に記載の回転機。 - 前記接触支持部材は、少なくとも一部に磁性体を有する
ことを特徴とする請求項3に記載の回転機。 - 前記シャフトは、前記第1の容器と、前記第2の容器とが密閉された状態で、軸方向にスライド可能であり、
前記接触支持部材は前記第2の容器に形成され、
前記シャフトの他端には前記接触支持部材と嵌合する嵌合部が形成されている
ことを特徴とする請求項1または2に記載の回転機。 - 前記接触支持部材または前記嵌合部がテーパ状に形成されている
ことを特徴とする請求項5に記載の回転機。 - 前記超電導磁気軸受は、前記第1の容器と前記第2の容器とが密閉された状態で、軸方向にスライド可能な磁石を備える
ことを特徴とする請求項5または6に記載の回転機。
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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CN114524075A (zh) * | 2022-02-22 | 2022-05-24 | 中国船舶重工集团公司第七一九研究所 | 推力轴承及船舶推进器 |
WO2023156177A1 (en) | 2022-02-21 | 2023-08-24 | Blowin' In The Wind, S.L. | Electric power generator |
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-
2018
- 2018-11-14 JP JP2018213625A patent/JP7237537B2/ja active Active
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