JP6008696B2 - 超電導回転機の固定子冷却構造 - Google Patents
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Description
また、上述の超電導回転機の固定子冷却構造において、給気ティース流路及び排気ティース流路が、固定子と回転子との間のエアギャップに至るように延びている場合、給気ティース流路を流れる冷却媒体の一部はエアギャップを通って隣り合う排気ティース流路に流入する。従って、給気ティース流路及び排気ティース流路はエアギャップに連通していても構わない。しかし、前記構成によれば、給気ティース流路のエアギャップ側の開口部はウエッジによって閉鎖されているため、給気ティース流路内を流れる冷却媒体は、エアギャップへと排出されずに、ティースに形成された複数のティース穴へと導かれる。これにより、ティースの冷却効率をさらに向上することができる。
また、排気ティース流路のエアギャップ側の開口部についてもウエッジによって閉鎖されているので、給気ティース流路からティース穴を介して排気ティース流路に導かれた冷却媒体は、エアギャップに向けて排出されずに、この排気ティース流路と連結されている排気バックヨーク流路へと導かれる。これにより、エアギャップにおいて固定子から排出される冷却媒体と回転子から排出される冷却媒体とが衝突することがなくなり固定子の冷却効率を向上することができる。
但し、t1はバックヨーク流路幅、t2はティース流路幅、B1はバックヨーク流路における筐体の周方向の長さ、B2はティース流路における筐体の周方向の長さ、Ahはティース穴1個あたりの面積、αは0.9〜1.1の比例係数である。
図1は本発明の実施の形態1に係る超電導回転機の外観例とその内部構造例を示す図である。図2は本発明の実施の形態1に係る超電導回転機の構成例を模式的に示す断面図である。なお、図2に示す超電導回転機は6相(例えば、U相、V相、W相、X相、Y相、Z相)、6極(永久磁石界磁)、且つスロット数が72個の場合である。なお、超電導回転機の相数及び極数が任意であるのは言うまでもない。
図4は本発明の実施の形態に係る超電導回転機の固定子冷却構造の断面例を示す模式図である。図5は図4に示す超電導回転機の固定子冷却構造のA−A線断面図である。図6は図4に示す超電導回転機の固定子冷却構造のC−C線断面図である。図7は図4 に示す超電導回転機の固定子冷却構造のD−D線断面図である。
図8及び図9を用いて、バックヨーク流路31の入口開口部の軸方向の長さであるバックヨーク流路幅と、ティース流路37の入口開口部の軸方向の長さであるティース流路幅との間で成立すべき関係を説明する。なお、図8は、図4に示すバックヨーク流路31及びティース流路37それぞれの幅の決定方法を説明するための模式図である。図9は、図8に示すバックヨーク入口面積とティース入口面積とティース穴面積との関係を説明するためのグラフである。
2×At=2×B2×t2 ・・・(1−2)
つぎに、ティース流路入口面積(2×At)は、次式のとおり、バックヨーク流路入口面積Abとティース穴面積(4×Ah)とを平均した面積に比例係数α(=0.9〜1.1)を乗じたものとする。
以上の3つの式を整理すると次式が成立する。
={(B1×t1+4×Ah)÷(4×B2)}×α ・・・(3)
したがって、ティース流路幅t2及びバックヨーク流路幅t1は、上式が成立するように決定すればよい。これにより、バックヨーク流路31、ティース流路37、及びティース穴35をそれぞれ通過する際の冷却媒体の急激な変化を抑制することができ、この結果として、圧力損失を低減することができる。
従来の常電導回転機の固定子冷却構造は、一般的に、流路幅10mmの通風流路を固定子の軸方向に50mmの流路間隔で配置している。これに対し、超電導回転機10の固定子18の冷却構造は、超電導回転機特有の磁東密度の高さに伴う磁束の漏れを低減するために、バックヨーク32の軸方向におけるバックヨーク流路31の配置間隔(バックヨーク流路間隔)及びティース34のバックヨーク32の軸方向におけるティース流路37の配置間隔(ティース流路間隔)は、従来の常電導回転機の流路間隔50mmを2倍した100mmとする。さらに、バックヨーク流路31の矩形状の断面におけるバックヨーク32の軸方向の長さ(以下、バックヨーク流路幅という)を従来の常電導回転機の流路幅10mmの60%である6mm とする。
ティース流路37とラジアルエアギャップ39との間を非連通とするようにティース流路37の径方向内側の出口開口部が固定子巻線40のウエッジ38によって閉鎖されなくてもよい。この場合であっても、給気ティース流路37a内を流れる冷却媒体の一部が、ティース34に形成された複数のティース穴35の入口開口部へと導かれるので、ティース34及び固定子巻線40を効率よく冷却することが可能である。
本発明の実施の形態2は、バックヨーク流路31の出口開口部から排出される冷却媒体をティース流路37に向けてスムーズに流れ込ませるための整流体に関するものである。以下では、図10、図11、図12A、図12Bを用いて本実施の形態2における整流体を説明する。なお、図10は、本発明の実施の形態2における整流体を設置したことによる給気バックヨーク流路から給気ティース流路に向かう冷却媒体の流れを表す模式図である。図11は、本発明の実施の形態2における整流体を設置しない場合の給気バックヨーク流路から給気ティース流路に向かう冷却媒体の流れを表す模式図である。図12Aは、本発明の実施の形態2における整流体の一例を示す模式図である。図12Bは、本発明の実施の形態2における整流体のその他の例を示す模式図である。
12・・・筐体
14・・・中心軸
16・・・回転子
18・・・固定子
20・・・ロータシャフト
22・・・ロータコア
24・・・ケーシング
28・・・超電導コイル
31・・・バックヨーク流路
31a・・・給気バックヨーク流路
31b・・・排気バックヨーク流路
32・・・バックヨーク
34・・・ティース
35・・・ティース穴
36・・・スロット
37・・・ティース流路
37a・・・給気ティース流路
37b・・・排気ティース流路
38・・・ウエッジ
39・・・ラジアルエアギャップ
40・・・固定子巻線
41・・・絶縁導体素線
50・・・給気口
51・・・排気口
52・・・給気通風カバー
53・・・排気通風カバー
54・・・間隔片
55・・・給気流路
56・・・排気流路
60a・・・径方向内側領域
60b・・・径方向内側領域
62a・・・径方向外側領域
62b・・・径方向外側領域
90, 92・・・整流体
Ab・・・バックヨーク流路入口面積
At・・・ティース流路の入口開口部の面積の2分の1
Ah・・・ティース穴1個あたりの面積
t1・・・バックヨーク流路幅
t2・・・ティース流路幅
B1・・・バックヨーク流路の周方向の長さ
B2・・・ティース流路の周方向の長さ
α・・・0.9〜1.1 の比例係数
Claims (5)
- 超電導線材を用いた複数の界磁巻線が周方向に配置された回転子の周囲を取り囲むように配置されている超電導回転機の固定子の冷却構造であって、
前記固定子は、
全体として筒状に形成され、その軸方向において複数の分割片に分割されたバックヨークと、
前記バックヨークの各分割片の内周面に該バックヨークの中心軸に向けて延びるように該バックヨークの周方向に間隔を有して配設された複数のティースと、
前記バックヨークの各分割片の内周面において隣り合う前記ティースの間に配置された固定子巻線と、
を備え、
前記冷却構造は、
前記バックヨークの外周に、該バックヨークの軸方向に延在するように該バックヨークの周方向に交互に形成された複数の給気流路及び複数の排気流路と、
前記バックヨークの隣り合う分割片の間に該バックヨークを貫通し且つそれぞれの一端がその対応する前記給気流路にそれぞれ接続されるように、該バックヨークの周方向に配置された複数の給気バックヨーク流路と、
前記バックヨークの隣り合う分割片の間に該バックヨークを貫通し且つそれぞれの一端がその対応する前記排気流路にそれぞれ接続されるように、該バックヨークの周方向に配置された複数の排気バックヨーク流路と、
前記バックヨークの隣り合う分割片にそれぞれ配設された2群のティースの間に該ティースの基端から先端に向けて延び且つそれぞれの基端がその対応する前記給気バックヨーク流路にそれぞれ接続されるように、該バックヨークの周方向に配置された複数の給気ティース流路と、
前記バックヨークの隣り合う分割片にそれぞれ配設された2群のティースの間に該ティースの基端から先端に向けて延び且つそれぞれの基端がその対応する前記排気バックヨーク流路にそれぞれ接続されるように、該バックヨークの周方向に配置された複数の排気ティース流路と、
前記給気ティース流路と、前記排気ティース流路とを連通するように、前記ティースを前記バックヨークの軸方向に貫通するティース穴と、
を備えて成り、
前記固定子は、隣り合う前記ティースの間に前記固定子巻線を保持するように隣り合う前記ティースの間に架設されたウエッジをさらに備え、
前記給気ティース流路及び前記排気ティース流路は、前記固定子と前記回転子との間のエアギャップに至るように延びており、該エアギャップと前記ティース流路との間が非連通となるように、前記給気ティース流路及び前記排気ティース流路が前記ウエッジによって閉鎖されている、超電導回転機の固定子冷却構造。 - 前記給気バックヨーク流路及び前記排気バックヨーク流路における前記バックヨークの軸方向の長さであるバックヨーク流路幅と、前記給気ティース流路及び前記排気ティース流路における前記バックヨークの軸方向の長さであるティース流路幅とは、次式が成立するように決定される、請求項1に記載の超電導回転機の固定子冷却構造。
t2={(B1×t1+4×Ah)÷(4×B2)}×α
但し、t1はバックヨーク流路幅、t2はティース流路幅、B1はバックヨーク流路における筐体の周方向の長さ、B2はティース流路における筐体の周方向の長さ、Ahはティース穴1個あたりの面積、αは0.9〜1.1の比例係数である。 - 前記バックヨーク流路幅は6mm 、
前記ティース流路幅は12mm 、
前記バックヨークの軸方向における前記給気バックヨーク流路及び前記排気バックヨーク流路の配置間隔、及び前記バックヨークの軸方向における前記給気ティース流路及び前記排気ティース流路の配置間隔はともに100mm である、
請求項2に記載の超電導回転機の固定子冷却構造。 - 超電導線材を用いた複数の界磁巻線が周方向に配置された回転子の周囲を取り囲むように配置されている超電導回転機の固定子の冷却構造であって、
前記固定子は、
全体として筒状に形成され、その軸方向において複数の分割片に分割されたバックヨークと、
前記バックヨークの各分割片の内周面に該バックヨークの中心軸に向けて延びるように該バックヨークの周方向に間隔を有して配設された複数のティースと、
前記バックヨークの各分割片の内周面において隣り合う前記ティースの間に配置された固定子巻線と、
を備え、
前記冷却構造は、
前記バックヨークの外周に、該バックヨークの軸方向に延在するように該バックヨークの周方向に交互に形成された複数の給気流路及び複数の排気流路と、
前記バックヨークの隣り合う分割片の間に該バックヨークを貫通し且つそれぞれの一端がその対応する前記給気流路にそれぞれ接続されるように、該バックヨークの周方向に配置された複数の給気バックヨーク流路と、
前記バックヨークの隣り合う分割片の間に該バックヨークを貫通し且つそれぞれの一端がその対応する前記排気流路にそれぞれ接続されるように、該バックヨークの周方向に配置された複数の排気バックヨーク流路と、
前記バックヨークの隣り合う分割片にそれぞれ配設された2群のティースの間に該ティースの基端から先端に向けて延び且つそれぞれの基端がその対応する前記給気バックヨーク流路にそれぞれ接続されるように、該バックヨークの周方向に配置された複数の給気ティース流路と、
前記バックヨークの隣り合う分割片にそれぞれ配設された2群のティースの間に該ティースの基端から先端に向けて延び且つそれぞれの基端がその対応する前記排気バックヨーク流路にそれぞれ接続されるように、該バックヨークの周方向に配置された複数の排気ティース流路と、
前記給気ティース流路と、前記排気ティース流路とを連通するように、前記ティースを前記バックヨークの軸方向に貫通するティース穴と、
を備えて成り、
前記給気バックヨーク流路及び排気バックヨーク流路に位置する前記固定子巻線の径方向外側の面には、前記バックヨークの軸方向に延在し、且つ該径方向外側に出っ張った断面形状を有する整流体が配置されている、超電導回転機の固定子冷却構造。 - 1つのバックヨークの分割片に配設された1群のティースを挟む前記給気ティース流路及び前記排気ティース流路は、各前記ティースの両側に前記給気ティース流路及び前記排気ティース流路の2種類の流路の中で互いに異なる種類の流路がそれぞれ位置するように配置され、該互いに異なる種類の流路が前記ティース孔によってそれぞれ連通している、請求項1乃至4のいずれか1項に記載の超電導回転機の固定子冷却構造。
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