(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
超伝導電気機械用のロータまたはステータであって、
半径方向に延びるタブまたはフランジを有し、前記電気機械の動作中、実質的に周囲温度に維持される取付け台と、
半径方向に延びるタブまたはフランジを有する磁場コイル支持構造体と、
前記電気機械の動作中、極低温に維持され、前記磁場コイル支持構造体によって支持される複数の超伝導磁場コイルと、
前記磁場コイル支持構造体のタブまたはフランジに取り付けられる第１の端部と、前記取付け台のタブまたはフランジに取り付けられる第２の端部とを有する複数の結合要素とを備えることを特徴とするロータまたはステータ。
【請求項２】
前記磁場コイルは高温超伝導コイルである請求項１に記載のロータまたはステータ。
【請求項３】
前記磁場コイル支持構造体は、前記取付け台のまわりに形成された実質的に円筒状のスリーブであり、第１軸端部と第２軸端部とを有する請求項１または請求項２に記載のロータまたはステータ。
【請求項４】
前記磁場コイルは、前記磁場コイル支持構造体の外側円筒表面のまわりに形成され、該外側円筒表面によって支持される請求項３に記載のロータまたはステータ。
【請求項５】
前記磁場コイル支持構造体は、前記取付け台の中に形成された実質的に円筒状のスリーブであり、第１軸端部と第２軸端部とを有する請求項１または請求項２に記載のロータまたはステータ。
【請求項６】
前記磁場コイルは、前記磁場コイル支持構造体の内側円筒表面のまわりに形成され、該内側円筒表面によって支持される請求項５に記載のロータまたはステータ。
【請求項７】
前記取付け台は実質的に管状である請求項３〜６のいずれかに記載のロータまたはステータ。
【請求項８】
前記取付け台は、前記磁場コイル支持構造体の前記第１軸端部および第２軸端部と同じ配向で形成された第１軸端部と第２軸端部とを有し、前記ロータまたはステータは、前記取付け台と磁場コイル支持構造体とをそれぞれの第１軸端部と第２軸端部とにおいて一緒に固定する複数の結合要素を備える請求項３〜７のいずれかに記載のロータまたはステータ。
【請求項９】
前記取付け台と磁場コイル支持構造体とは、それぞれの第１軸端部と第２軸端部との間のそれらの軸方向長さにわたって、真空ギャップによって互いに離隔されている、請求項８に記載のロータまたはステータ。
【請求項１０】
前記取付け台および前記磁場コイル支持構造体のうち半径方向において最も内側にあるものは、その第１軸端部およびその第２軸端部に形成され、半径方向外向きに延びる前記タブまたはフランジを有し、前記取付け台および前記磁場コイル支持構造体のうち半径方向において最も外側にあるものは、その第１軸端部およびその第２軸端部に形成され、半径方向内向きに延びる前記タブまたはフランジを有し、各結合要素が第１端部において前記取付け台のタブまたはフランジに取り付けられ、また、第２端部において前記磁場コイル支持構造体の協働するタブまたはフランジに取り付けられる請求項８または請求項９に記載のロータまたはステータ。
【請求項１１】
前記取付け台と前記磁場コイル支持構造体との両方が、それぞれの第１軸端部および第２軸端部の各々において形成された連続した半径方向フランジを有する請求項１０に記載のロータまたはステータ。
【請求項１２】
前記取付け台および前記磁場コイル支持構造体のうち半径方向において最も内側にあるものの前記半径方向フランジは、前記取付け台と前記磁場コイル支持構造体との間の前記半径方向離隔分よりも小さい距離だけ半径方向外向きに延びる請求項１１に記載のロータまたはステータ。
【請求項１３】
前記取付け台および前記磁場コイル支持構造体のうち半径方向において最も外側にあるものの前記フランジは、前記磁場コイル支持構造体と前記取付け台との間の前記半径方向離隔分よりも小さい距離だけ半径方向内向きに延びる請求項１１または請求項１２に記載のロータまたはステータ。
【請求項１４】
前記取付け台および前記磁場コイル支持構造体の両方は、それぞれの第１軸端部および第２軸端部の各々において円周方向に離隔して形成される複数のタブであって、前記取付け台および前記磁場コイル支持構造体それぞれは、前記取付け台を前記磁場コイル支持構造体に固定する結合要素の数と等しい数のタブを有し、それによって、個々の結合要素の各々が第１端部において前記取付け台のそれぞれのタブに取り付けられ、第２端部において前記磁場コイル支持構造体のそれぞれのタブに取り付けられる請求項１０に記載のロータまたはステータ。
【請求項１５】
前記結合要素は前記ロータまたはステータのまわりに実質的に円周方向に延びる請求項１０〜１４のいずれかに記載のロータまたはステータ。
【請求項１６】
前記結合要素は実質的に直線状のストラットである請求項１〜１５のいずれかに記載のロータまたはステータ。
【請求項１７】
前記結合要素は、強度が高くかつ熱伝導率が低い材料で形成される請求項１６に記載のロータまたはステータ。
【請求項１８】
前記結合要素は実質的に炭素繊維又はガラス繊維から成る請求項１７に記載のロータまたはステータ。
【請求項１９】
前記結合要素は、繊維層の主方向が前記結合要素の軸線と実質的に平行となるように形成されている請求項１８に記載のロータまたはステータ。
【請求項２０】
前記結合要素は、繊維層の主方向が、前記磁場コイルが極低温度に冷却される際の前記結合要素の熱収縮を最小限に抑える角度となるように形成されている請求項１８に記載のロータまたはステータ。
【請求項２１】
前記複数の結合要素には、前記ロータまたはステータの組み立て中に予備張力がかけられる請求項１６〜２０のいずれかに記載のロータまたはステータ。
【請求項２２】
前記結合要素の前記第１端部は、前記磁場コイル支持構造体に旋回可能に連結され、
前記結合要素の前記第２端部は、前記取付け台に旋回可能に連結されている、請求項１６〜２１のいずれかに記載のロータまたはステータ。
【請求項２３】
前記結合要素は、前記第１の端部に設けられた開口と、前記第２の端部に設けられた開口とを有し、
前記結合要素の前記第１端部は、前記磁場コイル支持構造体の前記タブまたはフランジにボルトによって旋回可能に連結され、前記結合要素の前記第２端部は、前記取付け台の前記タブまたはフランジにボルトによって旋回可能に連結されている請求項１６〜２１のいずれかに記載のロータまたはステータ。
【請求項２４】
前記取付け台の半径方向外側表面に取り付けられ、前記磁場コイル支持構造体から真空ギャップによって離隔されている鉄芯を備える請求項１〜２３のいずれかに記載のロータまたはステータ。
【請求項２５】
前記複数の超伝導磁場コイルと前記磁場コイル支持構造体とを冷却する冷却システムを備える請求項１〜２４のいずれかに記載のロータまたはステータ。
【請求項２６】
請求項１〜２５のいずれかに記載のロータを含む超伝導電気機械。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超伝導電気回転機械に関する。特に本発明は、高温超伝導電気機械に適したロータまたはステータを提供する。このロータまたはステータは強度が高く、また超伝導磁場コイルと磁場コイル支持構造体用の取付け台との間の熱伝導率が低い。
【背景技術】
【０００２】
電気機械は一般的に、協働するステータのまわりまたは中で回転するように取り付けられた円筒ロータを備える。即ち、電気機械は、外部ステータの中に取り付けられた実質的に円筒状の内部ロータ、または内部ステータのまわりに取り付けられた円筒状の外部ロータを有する場合がある。超伝導電気機械では、ステータおよび／またはロータは磁場コイル支持構造体上に取り付けられた超伝導磁場コイルを複数含む場合があり、これによってステータおよび／またはロータの表面を、ステータまたはロータの他方の表面に実質的に隣接しているがそこから離隔されるように形成することができる。
【０００３】
このようなロータとステータの構造には、克服しなければならないいくつかの問題がある。第一に、動作中、超伝導磁場コイルと磁場コイル支持構造体とを極低温度に保たなければならない。反対に、磁場コイル支持構造体が取り付けられた取付け台は、周囲温度で動作する他の機器または構成要素にロータまたはステータが結合できるように、可能な限り周囲温度に近い温度に保たれることが好ましい。したがって、ロータとステータの構造を改良し、磁場コイル支持構造体と磁場コイル支持構造体用の取付け台との間に極めて優れた熱障壁をもたらすことが求められている。
【０００４】
また、このようなロータとステータの構造が、磁場コイルからのトルクおよび他の応力を効率的に磁場コイル支持構造体用の取付け台に伝達することも必要である。ロータまたはステータが、電気機械の動作中に受ける可能性のある全ての力に耐えられなければならないことは容易に理解されよう。これには、振動性で、一般的に通常の定格トルクよりも何倍も大きい短絡トルクが含まれる。
【０００５】
ロータまたはステータはまた、周囲温度で構築された後に、磁場コイルをそれが動作する極低温まで冷却させることができなくてはならない。この冷却によって大きな収縮力が生じるが、ロータまたはステータはこれに耐えなければならない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
したがって、超伝導電気機械用のロータまたはステータであって、超伝導磁場コイルと磁場コイル支持構造体用の取付け台との間に充分な熱障壁をもたらし、構築中および動作中にそれが受ける機械的応力および熱応力に耐えることができる、超伝導電気機械用のロータまたはステータが求められている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、超伝導電気機械用のロータまたはステータであって、電気機械の動作中、実質的に周囲温度に維持される取付け台と、磁場コイル支持構造体と、電気機械の動作中、極低温に維持され、磁場コイル支持構造体によって支持される複数の超伝導磁場コイルと、磁場コイル支持構造体を取付け台に固定する少なくとも１つの結合要素とを備えるロータまたはステータを提供する。
【０００８】
磁場コイルは、当業者に知られた方法で形成される高温超伝導（ＨＴＳ）コイルであることが好ましい。しかし、磁場コイルは低温超伝導（ＬＴＳ）コイルであってもよい。
【０００９】
この磁場コイル支持構造体は、取付け台のまわりまたは中に形成され、第１軸端部と第２軸端部とを有する実質的に円筒状のスリーブであってもよい。本発明のロータまたはステータの一方が、同じ電気機械のロータまたはステータの他方の実質的に内側にあり、その中に取り付けられている場合、磁場コイルを磁場コイル支持構造体の半径方向外側円筒表面のまわりに形成し、磁場コイルはそれによって支持されてもよい。あるいは、本発明のロータまたはステータの一方が、同じ電気機械のロータまたはステータの他方の外側にあり、そのまわりに取り付けられている場合、磁場コイルを磁場コイル支持構造体の半径方向内側円筒表面のまわりに形成し、磁場コイルはそれによって支持されてもよい。
【００１０】
本発明のロータまたはステータが電気機械の半径方向内側部材である場合、取付け台は電気機械内の中央にあることになり、磁場コイル支持構造体の内側にあって、磁場コイル支持構造体に固定された、スリーブ形状のものであり実質的に円筒状のロッド、シャフト、または管であってもよいことは容易に理解されよう。このような中央取付け台は中実であってもよいが、その重量を最小限に抑えるために実質的に管状であることが好ましい。中央取付け台も、磁場コイル支持構造体と同じ配向で形成された第１軸端部と第２軸端部とを有する。
【００１１】
あるいは、本発明によるロータまたはステータが電気機械の半径方向外側部材である場合、取付け台は磁場コイル支持構造体の外側にあることになり、支持構造体のまわりにあって、支持構造体に固定されたスリーブ形状のものであり、実質的に円筒状の管であってもよい。本発明がステータである場合、それは使用中静止したままとなり、取付け台は実質的に円筒状の内側表面を有してもよいし、あるいは、任意の適切な形状に形成されてもよい。
【００１２】
適正に動作するために、複数の超伝導磁場コイルを適切な極低温に冷却しなければならない。磁場コイル支持構造体は、機械の動作中にも極低温に維持されなければならない。しかし、磁場コイル支持構造体は実質的に周囲温度で形成され、電気機械が動作していないときは、磁場コイルと磁場コイル支持構造体とを実質的に周囲温度に温めることができる。強度および強靭性などの、必要な物理的特性を保持するために、また周囲温度にある他の機器に接続することを可能にするために、本発明のロータまたはステータの取付け台は一般的に、実質的に動作周囲温度に維持される。
【００１３】
極低温に冷却されると、磁場コイル支持構造体は軸方向および半径方向の両方で収縮する。取付け台は冷却されず、より高い動作温度に維持されることから、磁場コイル支持構造体が取付け台の内部または外部のいずれにあるかによって、１つの結合要素または各結合要素に収縮応力または膨張応力がかかることになる。１つの結合要素または各結合要素はこの応力に耐え、より長い間にわたって適切に機能し続けることが必要である。収縮応力または膨張応力は、大径のロータまたはステータで特に激しくなり得る。応力は、一般的にはロータまたはステータの設計によって、具体的には結合要素の設計によって最小限に抑えられることが好ましい。
【００１４】
１つの結合要素または各結合要素はまた、電気機械の動作中に、取付け台から磁場コイル支持構造体への熱流量を最小限に抑えるように設計されていることが好ましい。これは、磁場コイル支持構造体および磁場コイルを極低温に維持するのに必要な冷却量を最小限に抑えるためである。
【００１５】
磁場コイル支持構造体および磁場コイルを極低温に維持するのに必要な冷却を最低限に抑えることは、超伝導電気機械にとって極めて重要な設計要素である。例えば現在の技術を使用して、３０Ｋに維持された構成要素から毎秒１ジュールの熱エネルギーを取り除くためには、１００ワットが必要である。冷却システムの改良によって、この必要動力は理論的最小値である９ワットに向かって低減されつつある。しかし、極低温に冷却された構成要素の不要な熱を低減することが、実際に常に求められることになる。この熱は内部で発生し、外部から伝導し、または極低温の構成要素内に放射される場合がある
したがって、磁場コイル支持構造体と取付け台との間の伝導による熱流量を最小限に抑えるために、これら２つの構成要素をそれぞれの軸方向長さにわたって真空ギャップによってしっかりと離隔してもよい。
【００１６】
さらに、取付け台を磁場コイル支持構造体に固定するための任意の結合要素が、取付け台と支持構造体との間の熱流量を最小限に抑えることも好ましい。したがって、１つの結合要素または各結合要素は、取付け台と磁場コイル支持構造体との両方の表面の小さな部分としか接触しなくてもよい。例えば、複数の結合要素があって、取付け台と磁場コイル支持構造体とがそれぞれの第１軸端部および第２軸端部においてのみ一緒に固定されることが好ましい場合がある。そして、取付け台と支持構造体とをそれらの軸方向長さの残りの部分にわたって真空ギャップによって互いに離隔してもよい。
【００１７】
磁場コイル支持構造体と取付け台との間の熱流量をさらに低減するために、本発明の１つの結合要素または各結合要素は、比較的熱伝導率の低い適切な材料で作られてもよい。例えば、１つの結合要素または各結合要素は、炭素繊維またはガラス繊維で作られてもよい。
【００１８】
取付け台と磁場コイル支持構造体とは、実質的にそれぞれの第１軸端部および第２軸端部においてのみ一緒に接合されることが好ましい。このことを可能にするために、取付け台および磁場コイル支持構造体は、それらが接合されている上記端部の各々に形成され、半径方向に延びる少なくとも１つのタブまたはフランジを有してもよい。結合要素を、取付け台または磁場コイル支持構造体のいずれかに形成され、半径方向に延びるタブまたはフランジに固定してもよい。
【００１９】
しかし、本発明によるロータまたはステータの結合要素を、取付け台および磁場コイル支持構造体の隣接する円筒表面に直接取り付けてもよいことを理解されたい。例えば、結合要素を、第１端部において取付け台および磁場コイル支持構造体のうち半径方向において最も内側にあるものの外側円筒表面に取り付けて、また第２端部において取付け台および磁場コイル支持構造体の半径方向において最も外側にあるものの内側円筒表面に取り付けてもよい。また、各結合要素は、第１端部において取付け台または磁場コイル支持構造体の円筒表面に直接取り付けられるが、第２端部では取付け台または磁場コイル支持構造体の半径方向に延びるタブまたはフランジに取り付けられることも可能である。これらの方法のいずれかで取付け台および磁場コイル支持構造体に固定される結合要素は、相当な長さを有して（即ち実質的に細長くて）もよく、取付け台および磁場コイル支持構造体のまわりで実質的に円周方向に延びてもよい。あるいは、結合要素は実質的に半径方向に取付け台から磁場コイル支持構造体へと延びてもよい。
【００２０】
取付け台および磁場コイル支持構造体の、半径方向において最も内側に形成されたタブまたはフランジは、半径方向外向きに延びてもよく、取付け台および磁場コイル支持構造体の、半径方向において最も外側に形成されたタブまたはフランジは、半径方向内向きに延びてもよい。そして、１つの結合要素または各結合要素を第１端部において取付け台のタブまたはフランジに、第２端部において磁場コイル支持構造体のタブまたはフランジに固定してもよい。
【００２１】
取付け台および磁場コイル支持構造体の両方が、それぞれの第１端部と第２端部のまわりに形成され、半径方向に延びる連続したフランジを有することが好ましい。取付け台および磁場コイル支持構造体のうち半径方向において最も内側にあるものの各フランジは、取付け台と磁場コイル支持構造体との離隔分よりも小さい距離だけ半径方向外向きに延びてもよい。同様に、磁場コイル支持構造体および取付け台のうち半径方向において最も外側にあるものの各フランジは、取付け台と磁場コイル支持構造体との離隔分よりも小さい距離だけ半径方向内向きに延びてもよい。あるいは、取付け台および磁場コイル支持構造体の各々に複数のタブを形成し、それぞれのタブの数は、２つの構成部品を一緒に固定するための結合要素の数と等しくてもよい。この方法で、各結合要素をそれらの各端部において取付け台および磁場コイル支持構造体の各々のまわりの、個々のタブに接合してもよい。
【００２２】
複数の結合要素を使用し、それぞれの第１軸端部と第２軸端部との両方において、取付け台を磁場コイル支持構造体に固定することが好ましい。各結合要素は相当な長さのストラットであってもよく、それらがロータまたはステータのまわりで実質的に円周方向に延びるように、第１端部において取付け台のフランジまたはタブに、第２端部において磁場コイル支持構造体のフランジまたはタブに固定されてもよい。これらのストラットは湾曲されていても実質的に真直ぐでもよいが、剛性であることが好ましい。
【００２３】
あるいは、結合要素は取付け台から磁場コイル支持構造体に実質的に半径方向に延びてもよい。さらなる代替案として、各結合要素が、第１端部において取付け台のタブまたはフランジに固定され、取付け台および磁場コイル支持構造体の軸線と実質的に平行に第２端部へと延び、そこで各結合要素が磁場コイル支持構造体のタブまたはフランジに固定されるような相対的な軸方向位置に、磁場コイル支持構造体および取付け台の任意のフランジまたはタブを形成してもよい。
【００２４】
取付け台と磁場コイル支持構造体との相対的な熱膨張または熱収縮が発生している間に部分的な回転運動および／または滑り運動が起こることを可能にするために、結合要素を取付け台および／または磁場コイル支持構造体に滑動可能または旋回可能に固定することが有利である。これによって、結合要素が、過剰に応力を受けることなく、磁場コイル支持構造体の半径方向および軸方向の熱膨張と熱収縮とに対応することが可能になる。
【００２５】
結合要素が相当な長さを有し、実質的にロータまたはステータのまわりで円周方向に延びる場合、結合要素は、電気機械の動作中に受ける熱収縮応力に、より充分に耐えることが可能となる。一般的に、結合要素が長いほど、それらの収縮応力に対する抵抗力が大きくなる。これは、磁場コイル支持構造体の熱収縮の結果生じる円周方向の結合要素の湾曲の度合が、結合要素の長さが増すほど低減されるからである。
【００２６】
結合要素の長さはまた、取付け台と磁場コイル支持構造体との間の熱流量を低減することを助ける。結合要素の長さが長いほど、取付け台と磁場コイル支持構造体との間の熱流量は小さくなる。同様に、熱の流れの方向に垂直な方向における結合要素の総断面積が縮小されると、熱流量も低減される。したがって、本発明によるロータまたはステータの結合要素の長さは最大限にされ、結合要素の総断面積は最小限に抑えられることが好ましい。しかし、電気機械の動作中に取付け台と磁場コイル支持構造体との間のトルクを効果的に伝達できるほど、結合要素が充分に強いことが重要である。結合要素は、それらが受けるその他のすべての応力、例えば大きくかつ振動性である場合がある短絡トルクにも耐えられなければならない。
【００２７】
当業者によって理解されるように、本発明によるロータまたはステータに存在する結合要素の数は、個々のロータまたはステータの大きさ、設計、および使用目的に依存する。結合要素の設計および数は、結合要素が受ける応力、ならびに取付け台と磁場コイル支持構造体との間の熱流量に依存する。
【００２８】
結合要素は、炭素繊維またはガラス繊維で作られた実質的に直線状のストラットであることが好ましい。炭素繊維またはガラス繊維は、熱伝導率が比較的小さく、軽量であり、一方向にまたは場合によっては二方向にも特に強くなるように形成することができることから、特に適切である。直線ストラットが炭素繊維で作られる場合、ストラットの軸方向に沿って最も強くなるように形成される（即ち繊維層の主方向が実質的にストラットの軸線に沿っている）ことが好ましい場合がある。あるいは、この直線ストラットは、繊維層の主方向が電気機械の使用中における熱膨張と熱収縮を最小限に抑えるように形成されることが好ましい場合がある。
【００２９】
ストラットが正のトルクと負のトルクとの両方を磁場コイル支持構造体から取付け台に伝達する場合があるため、結合要素を直線ストラットとして形成することは、特に好ましい。直線ストラットはまた、取付け台と磁場コイル支持構造体との間に長い低熱伝導路をもたらす。直線ストラットはまた、それらがロータまたはステータのまわりに実質的に円周方向に取り付けられ、偏向応力を最小限にする充分な長さがある場合には、磁場コイル支持構造体の冷却に起因する半径方向および軸方向の応力を最小限に抑えることができる。
【００３０】
引張応力下にあるとき、直線ストラットとして形成された結合要素は、タイ・ロッドと実質的に同様に作用する。圧縮応力下にあるとき、結合要素は筋かいとして作用する。筋かいとして作用し、圧縮力に耐える結合要素の能力を向上させるために、結合要素に予備張力をかけてもよい。当業者によって理解されるように、ロータを周囲温度で組み立てる間にも、磁場コイル支持構造体を極低温に冷却する間にも、予備張力を結合要素にかけることができる。
【００３１】
好ましい構成では、各ロータまたはステータは、取付け台と磁場コイル支持構造体とをそれぞれの第１軸端部および第２軸端部において一緒に固定するために、８つの実質的に直線状のストラットを有することができる。そして、取付け台と磁場コイル支持構造体とを真空ギャップによって離隔してもよい。
【００３２】
本発明のさらなる特徴および利点が、以下の図面を参照してここに論じる本発明の特定の実施形態から明らかになるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３３】
本発明によるロータ１の切欠き図を図１に示している。ロータ１は実質的に、取付け台２と、磁場コイル支持構造体３と、複数の磁場コイル４と、複数の結合要素５とから成る。ロータ１は、当業者に明らかな方法で電気機械（図示せず）の一部を形成することもできる。
【００３４】
取付け台２は実質的に中空かつ管状であり、円筒形の外側表面６を有している。取付け台２は電気機械１の中央シャフトを形成している。電気機械の動作中、強度およびトルク抵抗などの必要な物理的特性を維持するために、取付け台２は実質的に周囲温度に維持される。
【００３５】
取付け台２の円筒形の外側表面６上に、円周方向に連続して半径方向外向きに延びる一対のフランジ７が形成されている。各フランジ７は、取付け台２の外側表面６と磁場コイル支持構造体３の半径方向内側表面との半径方向の離隔分よりも小さい距離だけ取付け台２から半径方向外向きに延びている。これは図２において最も明確に見ることができる。
【００３６】
磁場コイル支持構造体３は実質的に円筒状で、取付け台２の周りに設けられるスリーブ形状のものであり、それによって、その外周が取付け台２の外側表面６から一定距離半径方向に離隔した状態となる。複数の磁場コイル４が、磁場コイル支持構造体３の半径方向外側表面のまわりに形成され、それによって支持されている。磁場コイル４は高温の超伝導磁場コイルであり、任意の適切な高温超伝導材料から、当業者に明らかな任意の方法で形成されることができる。
【００３７】
ロータが実質的に周囲温度である間に、磁場コイル支持構造体３と磁場コイル４とが構築されて、取付け台２に固定される。しかし、電気機械の動作中、磁場コイル４と磁場コイル支持構造体３とは、当業者に非常に明らかな方法で冷却システム（図示せず）によって適切な極低温に維持される。ロータ１が待機状態（ｉｄｌｅ）にあるとき、磁場コイル４と磁場コイル支持構造体３とを温めることができる。極低温から温める間、および極低温に冷却する間に、磁場コイル４と磁場コイル支持構造体３とは大きな熱膨張し、熱収縮する。これによって結合要素５に半径方向応力と軸方向応力とがかかる。
【００３８】
磁場コイル支持構造体３は、その半径方向内側表面上に形成され、円周方向に連続して半径方向内向きに延びる一対のフランジ８を有する。各フランジ８は、取付け台２の外側表面６と磁場コイル支持構造体３の半径方向内側表面との半径方向の離隔分よりも小さい距離だけ磁場コイル支持構造体３から半径方向内向きに延びている。これも図２において最も明確に見ることができる。
【００３９】
複数の結合要素５の各々は実質的に同じである。個々の結合要素を図４で示している。各結合要素５は実質的に直線状のストラットとして形成され、第１端部９と第２端部１０とを有している。第１端部９と第２端部１０の両方に、結合要素５が磁場コイル支持構造体３のフランジ８または取付け台２のフランジ７に取り付けられるのを可能にするように、穴または開口１１が存在する。結合要素５は炭素繊維で作られ、繊維層の主方向が結合要素の軸線に沿って第１端部９から第２端部１０へと延びるようになっている。このようにすると、各結合要素５はそれらの軸線にそって最も強くなり、電気機械の動作中にそれらが受ける力に耐えることができる。
【００４０】
図２および３において最も明確に分かるように、フランジ７、８および結合要素５は、磁場コイル支持構造体３を取付け台２に固定する働きをする。各結合要素５の第１端部は、磁場コイル支持構造体３のフランジ８にボルト１２によって旋回可能に連結されている。同様に、各結合要素５の第２端部は、取付け台２の協働するフランジ７にボルト１２によって旋回可能に連結されている。結合要素５は、ロータ１のまわりで実質的に円周方向に延び、磁場コイル支持構造体３の熱膨張と熱収縮の間にロータ１の残りの部分に対して僅かに回転することができる。本発明のこの実施形態では、協働するフランジ７、８の各対のまわりに８つの結合要素５が固定されている。
【００４１】
図３で示しているように、結合要素５を、協働するフランジ７、８から軸方向に離隔してもよい。
【００４２】
取付け台２と磁場コイル支持構造体３との間に円筒状の鉄芯１３が設けられている。ロータ１の動作中、鉄芯１３は周囲温度に維持される。鉄芯１３は取付け台２の半径方向外側表面に取り付けられ、磁場コイル支持構造体３から真空ギャップによって離隔されている。
【００４３】
図１から４に示しているロータ１の構造によれば、従来技術に対していくつかの利点が得られる。第一に、取付け台２と磁場コイル支持構造体３とはそれらの協働するフランジ７、８で結合要素５によってのみ一緒に固定されている。このことによって、それら２つの構成要素間の熱的経路の総断面積が最小限に抑えられる。この熱的経路をさらに縮小するため、各結合要素５の第１端部９と第２端部１０との間の断面積は、比較的小さい。さらに、結合要素５は相当な長さであって、比較的熱伝導率が小さい炭素繊維で作られている。これらの要因もまた、磁場コイル支持構造体３と取付け台２との間の熱流量を最小限に抑える働きをする。
【００４４】
結合要素５は、軸方向剛性および半径方向剛性、ならびに充分な圧縮能力をもたらす。このことによって、追加の軸方向支持体または半径方向支持体を設ける必要がなくなる。
【００４５】
結合要素５およびフランジ７、８は、磁場コイル支持構造体３と取付け台２との間でトルクを効果的に伝達する働きをし、ロータ１の動作中にそれらが受ける可能性のある全ての力に耐えることができる。特に、短絡トルクによって生じる強い振動力などの引張力および圧縮力の両方に耐えることができる。引張応力下では、結合要素５はタイ・ロッドとして作用し、圧縮応力下では、結合要素は筋かいとして作用する。筋かいとして作用する能力を上げて、圧縮力に耐えるために、結合要素５には予備張力がかけられる。予備張力は、ロータを周囲温度で組み立てる間に加えられる。
【００４６】
結合要素５の長さと、それらをロータ１のまわりでの実質的に円周方向に取り付けることとによって、磁場コイル支持構造体３の熱膨張と熱収縮の結果として結合要素５が受ける軸方向応力と半径方向応力が最小限に抑えられる。
【００４７】
２つの代替的な結合要素５ａ、５ｂを図５に示している。結合要素５ａは、第１端部９ａにおいて取付け台の円筒表面を直接通って、また第２端部１０ａにおいて磁場コイル支持構造体の円筒表面を通ってボルト締めされて半径方向のストラットとして使用するのに適している。あるいは、実質的に軸方向に延びるストラットとして結合要素５ａを使用してもよい。結合要素５ａを、第１端部９ａにおいて取付け台のフランジまたはタブに固定し、第２端部１０ａにおいて磁場コイル支持構造体のフランジまたはタブに固定し、それによって、結合要素５ａが磁場コイル支持構造体、および取付け台の軸線と実質的に平行の方向に延びるように固定してもよい。
【００４８】
結合要素５ｂは、図４の結合要素５の第１端部９または第２端部１０と同じ第１端部９ｂを有し、したがって結合要素５について上述した方法で磁場コイル支持構造体または取付け台のいずれかに取り付けることができる。結合要素５ｂは、結合要素５ａの第１端部９ａまたは第２端部１０ａと同じ第２端部１０ｂを有し、したがって結合要素５ａについて上述した方法で磁場コイル支持構造体または取付け台のいずれかに取り付けることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明によるロータの切欠き図である。
【図２】図１のロータの部分的断面図である。
【図３】図１および２のロータの、取付け台のフランジと磁場コイルのフランジとを連結する結合要素の平面図である。
【図４】図１から３のロータで使用される単一結合要素を示す図である。
【図５】２つの代替的な結合要素を示す図である。
【符号の説明】
【００５０】
１  ロータ
２  取付け台
３  磁場コイル支持構造体
４  磁場コイル
５、５ａ、５ｂ  結合要素
６  外側円筒表面
７、８  フランジ
９、９ａ、９ｂ  第１端部   
１０、１０ａ、１０ｂ  第２端部
１２  ボルト
１３  鉄芯    
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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