(57)【要約】【課題】同期機械のためのロータを開示する。【解決手段】該ロータは、ロータコアと、ロータの少なくとも一部分の周りに延び、ロータコアの側面に隣接する側部分を有する超伝導コイル巻線と、ロータコアの導管を貫通して延びる少なくとも１つのテンションロッドと、該テンションロッドに取り付けられ、コイル巻線の側部分に連結された、一対の側板を含むハウジングとを備える。【選択図】　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
同期機械（１０）において、ロータが、
ロータコア（２２）と、
前記ロータの少なくとも一部分の周りに延び、前記ロータコアの側面に隣接する側部分（４０）を有する超伝導コイル巻線（３４）と、
前記ロータコアの導管（４６）を貫通して延びる少なくとも１つのテンションロッド（４２）と、
該テンションロッドに取り付けられ、前記コイル巻線の側部分に連結された、一対の側板（１２４）を含むハウジング（４４）と、
を備えることを特徴とするロータ。
【請求項２】
前記側板（１２４）が、前記側部分（４０）の両面上に位置していることを特徴とする、請求項１に記載のロータ。
【請求項３】
前記ハウジング（４４）及びテンションロッド（４２）が、前記コイル巻線からの熱伝導によって冷却されることを特徴とする、請求項１に記載のロータ。
【請求項４】
前記ハウジングが、前記側板間を橋渡しし、前記コイル巻線の外面に当接するくさび（１２６）を備えることを特徴とする、請求項１に記載のロータ。
【請求項５】
前記テンションロッドが、前記コイルに当接し、前記側部分とほぼ同じ幅を有する平坦な面（８６）を有するボルト（４３）を含むことを特徴とする、請求項１に記載のロータ。
【請求項６】
前記テンションロッドが、複数の側板により形成される鋸歯状孔（１３４）に係合する鋸歯状端部を有することを特徴とする、請求項１に記載のロータ。
【請求項７】
２つの側板の組立体が、前記テンションロッド又はテンションボルトの端部に係合する孔を形成することを特徴とする、請求項１に記載のロータ。
【請求項８】
前記側板が、コイルに当接した一対の直交する面（１３２）を有することを特徴とする、請求項１に記載のロータ。
【請求項９】
前記ハウジング（４４）が、アルミニウム、インコネル及びチタニウム合金からなる群から選択された金属材料で形成されることを特徴とする、請求項１に記載のロータ。
【請求項１０】
前記テンションロッド（４２）が、非磁性金属合金で形成されることを特徴とする、請求項１に記載のロータ。
【請求項１１】
前記テンションロッド（４２）が、インコネル合金で形成されることを特徴とする、請求項１に記載のロータ。
【請求項１２】
超伝導コイル巻線（３４）を同期機械（１０）のロータコア（２２）に支持するための方法であって、
ａ．前記ロータコアの導管（４６）を貫通して延びるようにテンションロッド（４２）を配置する段階と、
ｂ．該テンションロッドが前記コイル巻線の側部分の間を跨ぐように、前記ロータコアの周りに前記コイル巻線を配置する段階と、
ｃ．前記コイル巻線の側部分の周りに少なくとも１つのハウジング（４４）の一対の側板（１２４）を組み立てる段階と、
ｄ．該側板を互いに固定する段階と、
ｅ．前記テンションロッドの第１の端部に前記ハウジングを取り付ける段階と、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項１３】
一対の側板（１２４）を組み立て、該側板を互いに固定し、前記テンションロッドの第１の端部に前記ハウジングを取り付ける前記各段階を繰り返す段階を更に含むことを特徴とする、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
一対の側板を組み立てる前記段階は、前記テンションロッドの端部のフランジ頭部（１２２）の回りに複数の側板を組み立てることによって行われることを特徴とする、請求項１２に記載の方法。
【請求項１５】
一対の側板を組み立てる前記段階は、複数の側板を組み立てて、鋸歯状孔（１３４）を形成し、前記テンションロッドの鋸歯状端部を該孔に係合することによって行われることを特徴とする、請求項１２に記載の方法。
【請求項１６】
幾つかのテンションロッド（４２）が、前記ロータコアの一連の導管（４６）に挿入され、前記コイル巻線に固定されることを特徴とする、請求項１２に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の背景】
本発明は、一般的に、同期回転機械における超伝導コイルに関する。より具体的には、本発明は、同期機械のロータにおける超伝導界磁巻線のための支持構造に関する。
【０００２】
【従来の技術】
界磁コイル巻線を有する同期電気機械は、それに限定するわけではないが、回転発電機、回転モータ及びリニアモータを含む。これらの機械は、一般的に、電磁的に結合されたステータとロータとを備える。ロータは、多極ロータコアと、ロータコアに取り付けられた１つ又はそれ以上のコイル巻線とを含むことができる。ロータコアは、鉄製コア（鉄心）ロータのような、透磁性の中実材料を含むことができる。
【０００３】
従来の銅巻線が、同期電気機械のロータに一般に使用されている。しかしながら、銅巻線の電気抵抗は、（従来の尺度では小さいが）ロータの大きな加熱の一因となり、機械の出力効率を減少させる程である。近年、ロータのための超伝導（ＳＣ）コイル巻線が開発されてきた。ＳＣ巻線は、実効的には抵抗を持たず、非常に有利なロータのコイル巻線である。
【０００４】
鉄心ロータは、約２テスラの空隙磁界強度で飽和する。公知の超伝導ロータは、ロータ内に鉄がない空コア設計を利用して３テスラ又はそれ以上の空隙磁界を達成する。このような高い空隙磁界は、電気機械の出力密度を増大させ、機械の重量と寸法の著しい減少をもたらす。空コア超伝導ロータは、多量の超伝導線を必要とする。多量のＳＣ線は、所要コイル数を増加させ、コイル支持体を複雑にし、ＳＣコイル巻線及びロータのコストを増加させる。
【０００５】
高温ＳＣコイル界磁巻線は、脆性の超伝導材料で形成されており、超伝導を達成しこれを維持するためには、例えば２７°Ｋの臨界温度又はそれ以下の温度まで冷却しなければならない。ＳＣ巻線は、ＢＳＣＣＯ（ＢｉｘＳｒｘＣａｘＣｕｘＯｘ）ベースの導体のような、高温超伝導材料で形成することができる。
【０００６】
超伝導コイルは、液体ヘリウムによって冷却されてきた。ロータの巻線を通過して高温になった使用済みのヘリウムは、室温の気体ヘリウムとして戻される。極低温冷却に液体ヘリウムを使用するには、戻された室温の気体ヘリウムを連続的に再液化することが必要であり、このような再液化は、信頼性に関する大きな問題を提起し、大きな補助出力を必要とする。
【０００７】
従来のＳＣコイル冷却技術は、エポキシ含浸したＳＣコイルを極低温冷却機からの固体伝導路を介して冷却することを含む。別の手法では、ロータの冷却チューブが、液体及び／又は気体の極低温剤の流れに浸漬した多孔質のＳＣコイル巻線に、液体及び／又は気体の極低温剤流を送るようにすることができる。しかしながら、浸漬冷却は、界磁巻線及びロータ構造体全体を極低温にすることを必要とする。その結果、極低温における鉄の脆性性質のため、ロータの磁気回路に鉄を使用することができない。
【０００８】
必要とされるものは、例えば、公知の超伝導ロータの空コア液冷式超伝導界磁巻線集成体の欠点を有しない、電気機械のための超伝導界磁巻線集成体である。
【０００９】
更に、高温超伝導（ＨＴＳ）コイルは、大きな曲げ歪み及び引張歪みによる劣化に対して敏感である。これらのコイルは、コイル巻線に応力を加え歪みを与える大きな遠心力に耐えなければならない。電気機械の通常の作動は、数年にわたって何千回もの始動及び停止サイクルを伴い、その結果、ロータの低サイクル疲労負荷を生じる。更に、ＨＴＳロータ巻線は、周囲温度におけるロータの平衡時に２５％の過速度作動に耐えなければならず、また発電作動時の極低温において時たま起こる過速度状態にもやはり耐えなければならない。これらの過速度状態は、通常作動状態における巻線に作用する遠心力負荷をかなり増大させる。
【００１０】
電気機械のＨＴＳロータの界磁巻線として使用されるＳＣコイルは、冷却及び通常作動時に応力及び歪みを受ける。それらは、遠心荷重、トルク伝達及び過渡的欠陥状態に曝される。力、応力、歪み及び周期的荷重に耐えるため、ＳＣコイルは、コイル支持システムによってロータに適切に支持されなければならない。これらのコイル支持システムは、ＳＣコイルをＨＴＳロータ内に保持し、ロータの回転による非常に大きな遠心力に抗してコイルを固定しなければならない。更に、コイル支持システムは、ＳＣコイルを保護するものであり、コイルに早期に亀裂を生じたり、疲労その他の破壊を生じたりしないことを保証するものである。
【００１１】
ＨＴＳコイルのための支持システムの開発においては、ＳＣコイルをＨＴＳロータに適合させるのが難しい課題であった。以前に提案されているＨＴＳロータ用のコイル支持システムの例が、特許文献１ないし特許文献６に開示されている。
【００１２】
【特許文献１】米国特許第５，５４８，１６８号
【００１３】
【特許文献２】米国特許第５，５３２，６６３号
【００１４】
【特許文献３】米国特許第５，６７２，９２１号
【００１５】
【特許文献４】米国特許第５，７７７，４２０号
【００１６】
【特許文献５】米国特許第６，１６９，３５３号
【００１７】
【特許文献６】米国特許第６，０６６，９０６号
【００１８】
しかしながら、これらのコイル支持システムは、高価である、複雑である、甚だしい数の構成部品を必要とする等の種々の課題に苦慮している。ＳＣコイルのためのコイル支持システムを有するＨＴＳロータに対する積年の要請がある。低コストで製造し易い構成部品で作られるコイル支持システムへの要請もある。
【００１９】
【発明の概要】
電気機械の２極ロータ用のレーストラック形状高温超伝導（ＨＴＳ）コイル巻線のためのコイル支持システムが開発された。このコイル支持システムは、ロータ作動中のコイル巻線への損傷を防ぎ、該コイル巻線を遠心力及び他の力に対して支持し、コイル巻線に対する保護遮蔽体を備えるものである。コイル支持システムは、ロータに対してコイル巻線を保持する。ロータが周囲温度であるのに対して、ＨＴＳコイル巻線及びコイル支持システムは、極低温である。
【００２０】
分割式ハウジングコイル支持体は、低電力密度の高温超伝導（ＨＴＳ）電気機械に特に有用である。このコイル支持体は、そうでなければＳＣコイルに作用することになる大きな遠心力及び接線方向の力に耐える。コイルハウジングは、コイルに作用する遠心力及び接線力を均等に分散するために、コイルの長い側部分に沿って端部から端部まで配置される。熱漏れを低減するために、ロータから支持体を通って低温のコイルへの熱伝導が低減されるようにコイル支持体の大きさは最小化されてきた。コイル支持体は、界磁巻線と同様に極低温に維持されている。
【００２１】
コイル支持システムは、レーストラック形のコイル巻線の対向する側部の間を跨ぐ一連のコイル支持組立体を含む。各々のコイル支持組立体は、テンションロッド及び一対の分割式ハウジングを含む。テンションロッドは、ロータコアの、例えば孔のような導管を貫通してコイル巻線の対向する側部の間を延びる。テンションロッドの各々の端部における分割式コイルハウジングは、コイルに取り付けられる。このハウジングにより、遠心力はコイルからテンションロッドへ伝えられる。各々のコイル支持組立体は、ロータコアに対してコイル巻線を支える。一連のコイル支持組立体は、コイル巻線に対して、剛体の保護支持体を提供するものである。
【００２２】
各々の分割式コイルハウジングは、一対の対向する側板を含み、該側板はＳＣコイルの回りに組み立てられ、テンションロッドの端部を把持する。この側板は、「Ｃ」形状の部材であり、一対の側板の間にコイルを内包するようにボルトにより互いに締結される。締付けボルトは、側板を互いに保持し、大きな遠心力及び接戦方向荷重によりコイルハウジングが分裂するのを防ぐ。
【００２３】
ＨＴＳロータは、もともとＳＣコイルを含むように設計された同期機械のためのものであってもよい。或いは、ＨＴＳロータは、従来の発電機のような、既存の電気機械における銅コイルロータと置き換わるものでもよい。ロータ及びそのＳＣコイルは、ここでは発電機に関連して記載されているが、ＨＴＳコイルロータはまた、他の同期機械に使用するのにも適している。
【００２４】
このコイル支持システムは、該コイル支持システムをコイル及びロータに組み込むのに有用である。更に、コイル支持システムは、最終のロータ組み立て前の該コイル支持システムとコイルとロータとの事前組み立てを容易にする。事前組み立てにより、コイル及びロータの組み立て時間が減少され、コイル支持品質が向上し、コイル組立体のばらつきが減少される。
【００２５】
第１の実施形態において、本発明は、ロータコアと、ロータコアの少なくとも一部分の周りに延び、ロータコアの側面に隣接する側部分を有する超伝導コイル巻線と、ロータコアの導管を貫通して延びる少なくとも１つのテンションロッドと、テンションロッドに取り付けられ、コイル巻線の側部分に連結された、一対の側板を含むハウジングとを備える同期機械のためのロータである。
【００２６】
別の実施形態において、本発明は、ロータコアの導管を貫通して延びるようにテンションロッドを配置する段階と、テンションロッド及びテンションボルトがコイル巻線の側部分の間を跨ぐように、ロータコアの周りにコイル巻線を配置する段階と、コイル巻線の側部分の周りに少なくとも１つのハウジングの一対の側板を組み立てる段階と、該側板を互いに固定する段階と、テンションロッドの第１の端部にハウジングを取り付ける段階とを含む、超伝導コイル巻線を同期機械のロータコアに支持するための方法である。
【００２７】
【発明の実施の形態】
本明細書に関連する添付図面に、本発明の実施形態を記載する。
【００２８】
図１は、ステータ１２とロータ１４とを有する例示的な同期発電機械１０を示す。ロータは、ステータの円筒形のロータ真空キャビティ１６内に嵌まる界磁巻線コイルを含む。ロータは、ステータのロータ真空キャビティ内に嵌まる。ロータがステータ内で回転すると、ロータとロータコイルによって発生する磁界１８（点線で示される）はステータを通って移動／回転し、ステータのコイル巻線１９に電流を生じさせる。この電流は、発電機によって電力として出力される。
【００２９】
ロータ１４は、ほぼ長さ方向に延びる軸線２０と、全体的に中実のロータコア２２とを有する。中実のコア２２は、大きな透磁率を有し、鉄のような強磁性材料で形成するのが普通である。低電力密度の超伝導機械では、ロータの鉄心を使用して、起磁力（ＭＭＦ）を減少させる。ＭＭＦの減少により、コイル巻線に必要とされる超電導（ＳＣ）コイル線の量は最小となる。例えば、中実の鉄製ロータコアは、約２テスラの空隙磁界強度で磁気的に飽和させることができる。
【００３０】
ロータ１４は、少なくとも１つの長さ方向に延びるレーストラック形の高温超伝導（ＨＴＳ）コイル巻線３４（図２参照）を支持する。別の構成では、ＨＴＳコイル巻線は、サドル形にしてもよく、或いは、特定のＨＴＳロータ設計に適した幾つかの他の形状を有してもよい。レーストラック形ＳＣコイル巻線のためのコイル支持システムがここに開示される。このコイル支持システムは、中実のロータコアに取り付けられたレーストラック形コイル以外のコイル形態に適合させることができる。
【００３１】
ロータは、ロータコア２２を支える一対の端シャフトを含む。コレクタ端シャフト２４は、ＳＣコイルに電気的に結合をもたらすための外部のコレクタリング７８を有する。コレクタ端シャフトはまた、ロータのＳＣコイル巻線を冷却するのに用いられる極低温冷却流体の源への極低温剤移送継手２６を含む。この極低温剤移送継手２６は、極低温剤冷却流体の源に連結された固定セグメントと、ＨＴＳコイルに冷却流体を供給する回転セグメントとを含む。反対側の端シャフトは、動力タービンに連結されることができる駆動シャフト３０である。これらの端シャフトは、ロータ全体に対する支持を与えるベアリング２５により支持される。
【００３２】
図２は、例示的なＨＴＳレーストラック形の界磁コイル巻線３４を示す。ロータのＳＣ界磁巻線３４は、高温超伝導（ＳＣ）コイル３６を含む。各々のＳＣコイルは、固体状エポキシ含浸巻線複合材料で積層されたＢＳＣＣＯ（ＢｉｘＳｒｘＣａｘＣｕｘＯｘ）導線のような、高温超伝導導体を含む。例えば、一連のＢＳＣＣＯ２２２３線を、積層し、互いに接着し、巻いて中実のエポキシ含浸コイルとすることができる。
【００３３】
ＳＣ線は、脆くて、傷つき易い。ＳＣコイルは、一般的に、エポキシ含浸されたＳＣテープが巻かれた層である。ＳＣテープは、厳密な寸法公差を得るために、精密なコイル形態に巻かれている。テープは螺旋に巻かれ、レーストラック形ＳＣコイル３６を形成する。
【００３４】
レーストラック形コイルの寸法は、ロータコアの寸法で決まる。一般的に、各々のレーストラック形ＳＣコイルは、ロータコアの磁極を囲み、ロータ軸線に対して平行である。コイル巻線は、レーストラックの周りで連続している。ＳＣコイルは、ロータコアの周り及び該コアの磁極の間に、無抵抗の電流路を形成する。コイルは、該コイルをコレクタ７８に電気的に接続する電気接点７９を有する。
【００３５】
極低温冷却流体のための流路３８が、コイル巻線３４に含まれる。これらの流路は、ＳＣコイル３６の外縁部の周りに延びることができる。流路は、コイルに極低温冷却流体を供給し、該コイルから熱を除去する。冷却流体は、ＳＣコイル巻線において、該コイルに電気抵抗がない場合を含む超伝導状態をもたらすのに必要とされる低温、例えば２７°Ｋを維持する。冷却路は、ロータコアの一端に入口流体ポート３９及び出口流体ポート４１を有する。これらの流体（気体）ポート３９、４１は、ＳＣコイル上の冷却路３８を、極低温剤移送継手２６まで延びるロータ端シャフト２４内の管路に接続する。
【００３６】
各々のＨＴＳレーストラック形コイル巻線３４は、ロータ軸線２０に対して平行でほぼ真っ直ぐな一対の側部分４０と、該ロータ軸線に直交する一対の端部分５４とを有する。コイルの側部分は、最も大きな遠心応力に曝される。従って、その側部分は、コイルに作用する遠心力を打ち消すコイル支持システムによって支持される。
【００３７】
図３は、高温超伝導（ＨＴＳ）コイル巻線のためのロータコア２２とコイル支持システムの部分切欠図である。コイル支持システムは、ロータコアを通してＨＴＳコイル巻線の対向する側部の間を跨ぐ一連のコイル支持組立体を含む。各々のコイル支持組立体は、ロータコアの導管４６を貫通して延びるテンションロッド４２と、該ロッドに固定され、コイル巻線を支える分割式コイルハウジング４４とを含む。コイル支持システムは、コイル巻線をロータ内に保持するための構造的フレームを提供する。
【００３８】
ＨＴＳコイル巻線３４の主な荷重は、ロータ回転時の遠心加速度によるものである。コイル支持組立体は、コイルの遠心荷重と各々整合されて荷重がかかっているコイル巻線に効果的な構造的支持を与える。コイルの側部分を支持するために、各々のテンションロッド４２は、分割式コイルハウジング４４に取り付けられる。ハウジングは、コイルの対向した側部分を把持する。テンションロッド４２は、ロータコアの一連の導管４６を貫通して延びる。これらのロッドは、ロータコアの横軸と整合される。
【００３９】
分割式コイルハウジング４４は、遠心力及び接線方向のトルク力に対してコイル巻線３４を支持する。遠心力は、ロータの回転により発生する。接線力は、ロータの加速と減速、及びトルク伝達から発生する。コイル巻線の長い側部４０が、分割式ハウジング４４及びテンションボルトの平坦な端部８６によって包み込まれているので、該コイル巻線の側部は、ロータ内に完全に支持される。
【００４０】
導管４６は、ロータコア内のほぼ円筒形の通路であり、真っ直ぐな軸線を有する。導管の直径は、ほぼ一定である。しかしながら、導管の端部８８は、絶縁チューブ５２を収容するように、広い直径に拡大してもよい。このチューブは、ロッド４２を導管内に整合させ、ロータコアと該ロッドとの間を熱的に絶縁する。
【００４１】
各々のテンションロッドの端部において、絶縁チューブ５２は、コイル支持構造体を高温のロータに固定し、かつその間の熱対流を防ぐ。また、絶縁チューブ５２に連結されるロックナット８４があり、該ロックナットはテンションロッドとに連結部を更に固定する。ロックナット８４及びチューブ５２は、高温のロータからハウジング構造体への熱伝達を最小にしながら、テンションロッド及び分割式ハウジングをロータコアへ固定する。
【００４２】
絶縁チューブ５２は、熱絶縁材料で形成される。チューブの一端には、導管の広い端部８８の壁に当接する外リング（図示せず）を含むことができる。チューブの他端には、テンションロッドを該絶縁チューブに対して保持するロックナット８４と係合する内リング（図示せず）を含む。ロータからの熱は、テンションロッドに到達する前に、絶縁チューブ５２の長さとロックナット８４を通じて伝達せざるを得ない。従って、該絶縁チューブは、テンションロッドをロータコアから熱的に絶縁する。
【００４３】
導管４６の数とロータコア上のそれらの位置は、ＨＴＳコイルの位置とコイルの側部分を支持するのに必要とされるコイルハウジジングの数によって決まる。導管４６の軸線は、ほぼレーストラック形コイルによって定められる平面内にある。更に、導管の軸線は、コイルの側部分に対して直角である。更に、ここに示される実施形態において、導管は、ロータの軸線と直角であり、かつ該ロータの軸線と交差している。導管の数と導管の位置は、ＨＴＳコイルの位置とコイルの側部分を支持するのに必要とされるコイルハウジングの数で決まることになる。
【００４４】
一般的に、超伝導巻線のための支持体については２つのカテゴリー、即ち（ｉ）「常温」支持体と（ｉｉ）「低温」支持体がある。常温支持体では、支持構造は、冷却されたＳＣ巻線から熱的に隔離されている。常温コイル支持体については、超伝導（ＳＣ）コイルの機械的荷重の大部分は、低温のコイルと常温の支持部材との間を跨ぐ構造部材によって支持される。
【００４５】
低温の支持システムでは、支持システムは、ＳＣコイルの冷たい極低温又はその付近にある。低温の支持体では、ＳＣコイルの機械的荷重の大部分は、極低温又はその付近にあるコイル支持構造部材によって支持される。
【００４６】
ここに開示される例示的なコイル支持システムは、テンションロッド４２、ボルト４３、及び関連した分割式ハウジング４４が、極低温又はその付近に維持されるという点で、低温支持体である。コイル支持部材が低温であるので、これらの部材は、例えばロータコアを通る非接触型導管などによって、ロータコア及びロータの他の「高温の」部品から熱的に隔離される。
【００４７】
ＨＴＳコイル巻線及び構造コイル支持部品は、全て極低温である。対照的に、ロータコアは、「高温の」周囲温度である。コイル支持体は、熱をロータコアからＨＴＳコイルに到達させる熱伝導源となる可能性がある。作動中にロータコアは高温になる。コイル巻線は、極低温状態に保たれねばならないので、コアからコイルへの熱伝導は、回避されなければならない。
【００４８】
コイル支持システムは、ロータコアから熱的に隔離される。例えば、テンションロッド及びボルトは、ロータと直接接触しない。このように接触しないことにより、ロータからテンションロッド及びコイルへの熱伝導が回避される。更に、ロータコアから支持組立体を通ってコイル巻線内への熱伝導を減少させるために、コイル支持システム構造体の大きさは最小にされてきた。
【００４９】
各々のテンションロッド４２は、レーストラック形コイルの平面内においてロッドの長さ方向に沿って連続したシャフトである。一般的に、テンションロッドは、チタニウム、アルミニウム又はインコネル合金のような、高強度の非磁性合金で作られる。テンションロッドの長さ方向の連続性は、コイルに対して横剛性を与え、これは、ロータに動的利点をもたらす。更に、テンションロッド４２の横剛性は、コイル支持体をコイルと一体にするのを可能にし、ロータの最終的な組み立ての前にコイルをロータコア上にコイル支持体と共に組み立てることができる。
【００５０】
テンションロッドの平坦な面８６になった頭部は、コイル巻線の側部の内面を支持する。テンションロッドの端部８６を鋸歯状とし、２つのコイルハウジング側板１２４の組立体の環状隆起に係合するようにしてもよい（図５参照）。コイル巻線の側部４０の他の３つの面は、分割式ハウジング４４によって支持される。各々の分割式ハウジングは、コイルの周りに組み立てられ、ボルト頭部と協働してコイルのケーシングを形成する。このケーシングが、接線力及び遠心力に対してコイル巻線を支持する。ケーシングはまた、コイル巻線が長さ方向に延び縮みするのを可能にする。
【００５１】
図４及び図５（及び図３）は、分割式ハウジング４４の例示的な「Ｃ」形状の側板１２４の片半分を示す。一対の側板は、対向するコイル３４の側部を支える。更に、側板はコイルの各々の側部に沿って端部から端部まで配置されて、コイル巻線３４の側部分４０に沿って連続したコイル支持体を形成する。各々の側板の内面は、くさびを受ける狭いスロット１３０とコイルの側部を受ける「Ｌ」形状の溝１３２を有する。コイルの側面及び内面は、側板の溝１３２の直交する面上に置かれる。対向する側板は、コイルの周りに組み立てられ、そのコイルの内面及びコイルの対向する側面を支持する。
【００５２】
コイルの外面は、コイルの両側に位置する側板間を延びるくさび１２６により支持される。個々のくさびは、分割され（図４及び図５に示すように）、コイルを横切って途中まで延びて、そこで他方の分割されたくさびと当接することができる。くさび１２６は、側板の狭いスロット１３０に嵌合する。くさびは、コイルの外面上の冷却通路３８を受けるための溝１２７を含む。更に、くさびは、側板の上端の孔１３３と整合する一連の孔１３１を備えることができる。これらの孔１３１、１３３の各々の対は、対向する側板及びくさびを貫通して延び、側板及びくさびの上端を互いに固定する止めピン１３６（図３）を受ける。
【００５３】
図４に示すように、くさびは、側板と一体化され、コイルの幅の半分まで延びるることができる。若しくは、くさびは、側板と組み立てられる別個の構成部品とし、コイルの幅を横切って半分まで延びるようにしてもよいし、又は反対側の側板までコイルの幅を横切る全体の距離を延びるようにしてもよい。更に、くさび１２６は、側板と同一の広がりを有する必要はない。くさびは、側板の長さを越えて延びて、隣接する側板の溝１３０（図４に示すように）に係合させてもよい。若しくは、図５に示すように、くさびは、側板と同一の広がりを有してもよい。
【００５４】
側板１２４は、コイルの内面が置かれる下部フランジ１３５を有する。下部フランジのボルト孔１４２によって、締付けボルトはハウジング４４の下部分を互いに保持することができる。また、下部フランジはまた、テンションロッド４２又はテンションボルト４３（中実のテンションロッドが使用されるか又はテンションロッド及びボルト組立体が使用されているかによる）に係合する。
【００５５】
各々の側板（片半分を図４及び図５に示す）は、テンションロッド又はテンションボルトに係合する孔の片側部分１３４を有する。図４及び図５に示す側板は、テンションロッド４２（図５）の鋸歯状端部又はテンションボルト４３の頭部（図４）に係合する孔（２対の側板が組み立てられた時）を形成する片側部分１３４を有する。図４に示す側板により形成される孔は、滑らかな内径とボルト４３の頭部に係合するための環状棚１３７を有する。若しくは、図５に示す側板の片側部分１３４により形成される孔は、鋸歯状であり、テンションロッドの鋸歯状端部に係合する。従って、分割式ハウジング４４は、テンションロッド及びボルト組立体、又はボルトを使用しないテンションロッドのどちらにでも使用することができる。更に、ロックナット１３８（図６参照）が、ねじ付き孔１３４に挿入されてもよく、またロックナットには、テンションボルト頭部４３を確実に保持するために内部孔及び棚を設けてもよい。
【００５６】
テンションボルト又はテンションロッドが、側板の下部フランジ１３５に取り付けられる様態に関係なく、ボルト又はロッドの端部は、コイルの内面に当接するように固定される。このようにして、テンションボルト又はロッドの端部は、コイルを直接支持する。
【００５７】
分割式ハウジングは、極低温において延性である軽量の高強度材料で形成される。分割式ハウジングのための一般的な材料は、アルミニウム、チタン、及びインコネル合金である。分割式ハウジングの形状は、重量を軽くするために最適化されてきた。
【００５８】
図６に示すように、一連の分割式コイルハウジング４４（及び関連したテンションボルト４３とロッド４２）は、コイル巻線の側部４０に沿って配置することができる。テンションボルト４３は、テンションロッドの端部のねじ孔（図示せず）にねじ込まれるようになっている。ボルトをロッド内にねじ込む深さは、調節可能である。テンションロッドとボルトとの組立体（この組立体は、コイルの側部の間を跨ぐ）の全長は、ボルトの１つ又は両方をテンションロッドの孔に回転させて入れることによって、或いは該テンションロッドの孔から回転させて出すことによって、変えることができる。ボルトの頭部又はテンションロッドの端部は、平坦な面を有するフランジを備える。フランジは、図４に示す分割式ハウジングの縁に係合する。ボルト又はロッドの平坦な頭部８６は、コイル巻線３４の内面に当接する。
【００５９】
ハウジングは、コイルの側部分４０の長さに沿って端部から端部まで配置される。分割式ハウジングは、全体として、コイルの側部分４０のほぼ全体にわたり、遠心力のような該コイルに作用する力を分散させる。分割式ハウジング４４は、コイルの側部分４０を、遠心力による過度な撓みと曲げから防ぐ。
【００６０】
複数の分割式ハウジング４４は、遠心力による影響なしにコイルを適所に効果的に保持する。分割式ハウジングは、互いに密接しているものとして示されているが、これらハウジングは、遠心荷重、トルク伝達及び過渡的な欠陥状態の際の大きな曲げ歪みと引張歪みによって引き起こされるコイルの劣化を防ぐのに必要とされる程度に近接させるだけでよい。
【００６１】
コイル支持体は、ガスタービンの通常の始動／停止作動時に生ずる長さ方向の熱膨張及び熱収縮に対してコイルを拘束しない。具体的には、熱膨張は、主として側部分の長さに沿った方向に向いている。従って、コイルの側部分は、分割式ハウジング及びテンションロッドに対して長さ方向にわずかに摺動する。
【００６２】
テンションロッド４２、ボルト４３、及び分割式ハウジング４４からなるコイル支持システムは、ロータコア２２に取り付ける際に、ＨＴＳコイル巻線３４と共に組み立てることができる。テンションロッド及び分割式ハウジングは、コイル巻線を支持し、ロータコアに対して該コイル巻線の長い側部を適所に保持するための適正な剛構造体を提供する。コイルの端部は、ロータコア２２の軸方向の端部において（しかし、ロータコアと接触せずに）、分割型クランプ（図示せず）によって支持することができる。
【００６３】
ロータコア及び端シャフトは、互い組み立てられる別々の構成部品であってもよい。鉄製ロータコア２２は、ステータ１２のロータキャビティ１６内で回転するのに適したほぼ円筒形状５０を有する。コイル巻線を受けるために、ロータコアは平らな又は三角形の領域又はスロットのような凹状の表面４８を有する。これらの表面４８は、円筒形のコアの湾曲した表面５０に形成され、ロータコアを横切って長さ方向に延びる。コイル巻線３４は、凹状の領域４８に隣接してロータに取り付けられる。コイルは、一般的に、凹状の領域の外表面に沿って長さ方向に、かつロータコアの両端の周りに延びる。ロータコアの凹状の表面４８は、コイル巻線を受ける。凹状の領域の形状は、コイル巻線に一致している。例えば、コイル巻線が、サドル形状又は何らかの他の形状を有する場合には、ロータコアの凹みは、巻線の形状を受けるように構成されることになる。
【００６４】
凹状の表面４８は、コイル巻線の外表面がロータの回転によって定められる包絡面まで実質的に延びるように、コイルを受ける。ロータコアの湾曲した外表面５０は、回転時に、円筒形の包絡面を定める。ロータのこの回転包絡面は、ステータにおけるロータキャビティ１６（図１参照）とほぼ同じ直径を有する。
【００６５】
ロータ包絡面とステータキャビティ１６との間のギャップは、ロータが通風冷却を必要としないので、ステータのみの強制流通風冷却に必要とされるような比較的小さい隙間である。ロータのコイル巻線とステータの巻線との間における電磁的結合を増大させるため、ロータとステータとの間の隙間を最小にするのが望ましい。更に、ロータによって形成される包絡面まで延びて、ロータとステータとの間の隙間ギャップのみによってステータから離されるように、ロータのコイル巻線を配置するのが好ましい。
【００６６】
ロータコア、コイル巻線、及びコイル支持組立体は、事前組み立てされる。コイル及びコイル支持体の事前組み立ては、製造サイクルを減少させ、コイル支持品質を向上させ、コイル組立体のばらつきを減少させる。ロータコアがロータ端シャフト及びロータの他の構成部品と共に組み立てられる前に、テンションロッド４２が、ロータコアを貫通して延びる導管４６の各々に挿入される。各テンションロッドの各々の端部において絶縁チューブ５２が、導管４６の各々の端部における拡大端部８８に配置される。チューブ５２は、保持ロックナット８４によって適所に固定される。ボルト４３を使用する場合には、テンションロッドがロータコアの導管内に挿入される前又は挿入された後に、ボルト４３を挿入することができる。
【００６７】
テンションボルト使用時には、次にロッキングナット１３８が各々のボルト上に配置され、次いでボルトを分割式ハウジングに対して固定するために使用される。ボルトをテンションロッドにねじ込む深さは、テンションロッドの１つのボルトの端部から、対向するボルトの端部までの長さが、コイル巻線の長い側部間の距離であるように、選択される。テンションロッドとボルトがロータコア２２内に組み立てられると、コイル巻線をコア内に挿入することが可能になる。
【００６８】
コイル巻線３４は、テンションロッド４２又はボルト４３の平坦な端部８６が巻線の側部分４０の内面に当接するようにロータコア上に挿入される。巻線がロッド４２又はボルト４３の端部上に挿入されると、分割式ハウジング４４は、巻線を覆って組み立てられる。各々のハウジングを組み立てるために、側板がコイルの両側に配置され、くさびが側板の狭いスロット１３０に滑入される。くさびと側板を互いに保持するために、止めピンが挿入される。ロックナット１３８を用いて、ボルトに対して側板を固定する。
【００６９】
ロータコアを金属の円筒形遮蔽体９０（点線で示される）に入れることが可能であり、この遮蔽体は、ロータを取り巻く渦電流及び他の電流から超電導コイル巻線３４を保護し、ロータの極低温構成部品の周りに強力な真空を維持するために必要とされる真空包体を構成するものである。円筒形の遮蔽体９０は、銅合金又はアルミニウムのような高導電性材料で形成することができる。
【００７０】
ＳＣコイル巻線３４は、真空状態に維持される。この真空を遮蔽体９０によって形成することができ、該遮蔽体は、コイル及びロータコア周りに真空の容器を形成するステンレス鋼の円筒形層を含むことができる。
【００７１】
ロータコア及びコイルがカラー及びロータの他の構成部品と共に組み立てられる前に、分割式コイルハウジング、テンションロッド、及びボルト（コイル支持組立体）をコイル巻線と共に組み立てることができる。従って、ロータ及び同期機械の他の構成部品を組み立てる前に、ロータコア、コイル巻線、及びコイル支持システムを１つのユニットとして組み立てることができる。
【００７２】
本発明を、現在最も実用的で好ましい実施形態と考えられるものに関して説明してきたが、本発明は、開示した実施形態に限定されるものではなく、それとは逆に、特許請求の範囲の技術思想に含まれる全ての実施形態を保護しようとするものであることを理解されたい。
【００７３】
特許請求の範囲で表されている参照番号は、本発明の範囲を限定するものではなく、容易に理解することを意図するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】超伝導ロータ及びステータを有する同期電気機械の概略側面図。
【図２】例示的なレーストラック形超伝導コイル巻線の斜視図。
【図３】高温超伝導（ＨＴＳ）ロータのためのロータコア、コイル巻線、及びコイル支持システムの部分切欠図。
【図４】コイルを備えていない状態の分割式コイルハウジングの斜視図。
【図５】コイルを備えた状態の分割式コイルハウジングの斜視図。
【図６】高温超伝導（ＨＴＳ）ロータのためのロータコア、コイル巻線、及びコイル支持システムの斜視図。
【符号の説明】
１０　同期発電機械
１２　ステータ
１４　ロータ
１６　ロータキャビティ
１９　ステータのコイル巻線
２０　ロータ軸線
２２　ロータコア
２４　コレクタ端シャフト
２６　極低温剤移送継手
３０　駆動端シャフト
３２　動力継手
３４　超伝導コイル巻線
７８　コレクタリング
【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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【図６】
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【外国語明細書】
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