(57)【要約】発電機用のステータは、内面および軸を有する略円筒形の環状構造を備えるバックアイアンを備える。複数の支持体が非磁性材料で作製され、各支持体は、環状構造の内面に沿って環状構造の軸と平行に延び、各支持体は、一次ベースおよび少なくとも２つの一次支持部材を備える。一次ベースは、バックアイアンの内面に略一致し、一次支持部材は、一次ベースから環状構造の軸に向かって半径方向内側に延びる。少なくとも２つの一次支持部材の間でかつ支持体の一次ベースと環状構造の軸の間には、ステータ巻線が位置している。
2010502171.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
発電機用のステータであって、
内面および軸を有する略円筒形の環状構造を備えるバックアイアンと、
非磁性材料で作製された複数の支持体であって、各支持体は、前記環状構造の内面に沿って前記環状構造の軸と平行に延び、各支持体は、一次ベースおよび少なくとも２つの一次支持部材を備え、前記一次ベースは、前記バックアイアンの内面に略一致し、前記一次支持部材は、前記一次ベースから前記環状構造の軸に向かって半径方向内側に延びることと、
前記少なくとも２つの一次支持部材の間であってかつ前記支持体の一次ベースと前記環状構造の軸の間に位置するステータ巻線と
を備えるステータ。
【請求項２】
各支持体は二次支持アセンブリをさらに備え、該二次支持アセンブリは、二次ベースおよび少なくとも２つの二次支持部材を備え、前記二次支持部材は、前記一次支持部材に係合して前記ステータ巻線を収容する空洞を画定する請求項１に記載のステータ。
【請求項３】
前記一次ベースおよび前記一次支持部材は、成形された繊維整列複合材を含む請求項２に記載のステータ。
【請求項４】
前記二次ベースおよび前記二次支持部材は、成形された繊維整列複合材を含む請求項２に記載のステータ。
【請求項５】
前記一次支持部材は、前記ステータ巻線の高さの約３５パーセントから約６５パーセントの距離だけ前記一次ベースから半径方向内側に延びる請求項２に記載のステータ。
【請求項６】
前記ステータ巻線に隣接して配置されるシート状のインサートをさらに備え、該インサートおよび前記ステータ巻線によって冷媒通路が画定される請求項２に記載のステータ。
【請求項７】
前記冷媒通路内の誘電冷却流体をさらに備える請求項６に記載のステータ。
【請求項８】
前記インサートは、非平坦面を備えた第１の幅広面を有するシート状の弾性部材を備える請求項６に記載のステータ。
【請求項９】
前記インサートは、前記二次支持アセンブリと前記ステータ巻線の間に配置される請求項８に記載のステータ。
【請求項１０】
前記ステータ巻線は第１の部分および第２の部分を備え、前記第１の部分は前記第２の部分よりも剛性が高く、前記インサートと前記ステータ巻線の間の接触は主に前記ステータ巻線の第１の部分の表面上に位置する請求項６に記載のステータ。
【請求項１１】
前記ステータ巻線の第１の部分は、前記ステータ巻線の対向する両側の間を延びる支持材料を含む請求項１０に記載のステータ。
【請求項１２】
前記支持材料は繊維ガラス複合材からなる請求項１１に記載のステータ。
【請求項１３】
前記ステータ巻線は、多重のワイヤ束を有するコイルを備え、該ワイヤ束は、前記支持材料によって互いに分離されている請求項１１に記載のステータ。
【請求項１４】
少なくとも３つの一次支持部材が一次支持体ベースから延びている請求項２に記載のステータ。
【請求項１５】
前記二次ベースは、前記バックアイアンと同軸に配置される略円筒形の環状ボアチューブと接触する請求項２に記載のステータ。
【請求項１６】
前記支持体は、前記一次ベースから延びるはめ合い面構造とバックアイアン内に画定されるスロットの間の係合を通してバックアイアン上に取り付けられる請求項２に記載のステータ。
【請求項１７】
前記支持体は繊維整列複合材からなり、前記一次ベースから延びる前記面構造は、ランダム配向繊維複合材からなる請求項１６に記載のステータ。
【請求項１８】
前記ステータ巻線は、スタック状に配置される複数のコイルを備え、そのスタックは、前記環状構造の軸に向かって半径方向内側に延びる請求項２に記載のステータ。
【請求項１９】
環状のバックアイアンを有する発電機のステータ巻線の少なくとも一部を支持するためのステータ巻線支持アセンブリであって、
非磁性材料で作製された一次ベースであって、環状のバックアイアンの内面に略一致するように構成された一次ベースと、
前記ベースから離れるように延びる２つの一次支持部材であって、該一次支持部材および前記一次ベースによって、前記ステータ巻線の少なくとも一部を収容して支持するように構成される凹部が画定されることと
を備える支持アセンブリ。
【請求項２０】
二次支持アセンブリをさらに備え、該二次支持アセンブリは、二次ベースおよび少なくとも２つの二次支持部材を備え、前記二次支持部材は、前記一次支持部材と係合して前記ステータ巻線の少なくとも一部を収容して支持するように構成される空洞を画定する請求項１９に記載のステータ巻線支持アセンブリ。
【請求項２１】
前記一次支持部材は、前記ステータ巻線の高さの約３５パーセントから約６５パーセントの距離だけ前記一次ベースから半径方向内側に延びる請求項２０に記載のステータ巻線支持アセンブリ。
【請求項２２】
前記空洞の壁に沿って延びるサイズに形成されたシート状のインサートをさらに備え、該インサートは、前記ステータ巻線の前記一部の外面に係合して少なくとも１つの冷媒用通路を画定するように構成されている請求項２０に記載のステータ巻線支持アセンブリ。
【請求項２３】
前記インサートは、非平坦面を備えた第１の幅広面を有するシート状の弾性部材を備える請求項２２に記載のステータ巻線支持アセンブリ。
【請求項２４】
少なくとも３つの一次支持部材が一次支持ベースから延びている請求項２０に記載のステータ巻線支持アセンブリ。
【請求項２５】
支持アセンブリの前記一次ベースから延びる面構造をさらに備え、該面構造は、バックアイアン内に画定されたスロットと係合してステータ巻線支持アセンブリをバックアイアンに取り付けるように構成されている請求項２０に記載のステータ巻線支持アセンブリ。
【請求項２６】
内面および軸を有する略円筒形の環状構造を備えるバックアイアンと、
非磁性材料で作製された巻線アセンブリであって、前記環状構造の内面に沿って前記環状構造の軸と平行に延びる巻線アセンブリと、
前記環状構造の内面と軸の間に配置されて前記巻線アセンブリによって支持されるステータ巻線と、
前記ステータ巻線に隣接して配置されるインサートであって、該インサートおよび前記ステータ巻線によって少なくとも１つの冷媒通路が画定されることと
を備える発電機用のステータ。
【請求項２７】
前記インサートは厚さが０．２５インチ（６．３５ミリメートル）未満である請求項２６に記載のステータ。
【請求項２８】
前記少なくとも１つの冷媒通路は、深さ対幅の比率が約１未満対５である請求項２６に記載のステータ。
【請求項２９】
前記少なくとも１つの冷媒通路は、深さが約０．１インチ（２．５ミリメートル）未満の主要部分を有する請求項２６に記載のステータ。
【請求項３０】
前記巻線アセンブリは、非磁性材料で作製された複数の支持体を備え、各支持体は、前記環状構造の内面に沿って前記環状構造の軸と平行に延び、各支持体は、一次ベースおよび少なくとも２つの一次支持部材を備え、前記一次ベースは、前記バックアイアンの内面に略一致し、前記一次支持部材は、前記一次ベースから前記環状構造の軸に向かって半径方向内側に延びる請求項２６に記載のステータ。
【請求項３１】
前記ステータ巻線は第１の部分および第２の部分を備え、前記第１の部分は前記第２の部分よりも剛性が高く、前記インサートと前記ステータ巻線の間の接触は主に前記ステータ巻線の第１の部分の表面上に位置する請求項２６に記載のステータ。
【請求項３２】
内面および軸を有する略円筒形の環状構造を備えるバックアイアンと、
前記環状構造の内面と軸の間に配置されるステータ巻線と、
前記ステータ巻線に隣接して画定される冷媒通路であって、深さ対幅の比率が約１未満対５である冷媒通路と
を備える発電機用のステータ。
【請求項３３】
非磁性材料で作製された巻線アセンブリをさらに備え、該巻線アセンブリは、前記環状構造の内面に沿って前記環状構造の軸と平行に延びる請求項３２に記載のステータ。
【請求項３４】
前記ステータ巻線に隣接して配置されるインサートをさらに備え、該インサートおよび前記ステータ巻線によって前記冷媒通路が画定される請求項３３に記載のステータ。
【請求項３５】
前記インサートは厚さが０．２５インチ（６．３５ミリメートル）未満である請求項３４に記載のステータ。
【請求項３６】
前記冷媒通路は、深さが約０．１インチ（２．５ミリメートル）未満の主要部分を有する請求項３２に記載のステータ。
【請求項３７】
内面および軸を有する略円筒形の環状構造を備えるバックアイアンと、
非磁性材料で作製された巻線アセンブリであって、前記環状構造の内面に沿って前記環状構造の軸と平行に延びる巻線アセンブリと、
前記環状構造の内面と軸の間に配置されるステータ巻線であって、該ステータ巻線は、前記巻線アセンブリによって支持され、かつ、第１の部分および第２の部分を備え、前記第１の部分は前記第２の部分よりも剛性が高いことと、
前記ステータ巻線に隣接して配置されるインサートであって、該インサートおよび前記ステータ巻線によって少なくとも１つの冷媒通路が画定されることと
を備える発電機用のステータであって、
前記インサートと前記ステータ巻線の間の接触は主に前記ステータ巻線の第１の部分の表面上に位置する発電機用のステータ。
【請求項３８】
前記インサートは厚さが０．２５インチ（６．３５ミリメートル）未満である請求項３７に記載のステータ。
【請求項３９】
前記ステータ巻線の第１の部分は絶縁材料からなる請求項３７に記載のステータ。
【請求項４０】
前記ステータ巻線の第１の部分は、前記ステータ巻線の対向する両側の間を延びる支持材料を含む請求項３７に記載のステータ。
【請求項４１】
前記支持材料は繊維ガラス複合材からなる請求項４０に記載のステータ。
【請求項４２】
前記ステータ巻線は、多重のワイヤ束を有するコイルを備え、該ワイヤ束は、前記支持材料によって互いに分離されている請求項４０に記載のステータ。
【請求項４３】
前記巻線アセンブリは、非磁性材料で作製された複数の支持体を備え、各支持体は、前記環状構造の内面に沿って前記環状構造の軸と平行に延び、各支持体は、一次ベースおよび少なくとも２つの一次支持部材を備え、前記一次ベースは、前記バックアイアンの内面に略一致し、前記一次支持部材は、前記一次ベースから前記環状構造の軸に向かって半径方向内側に延びる請求項３７に記載のステータ。
【請求項４４】
発電機用のステータを組み立てる方法であって、
内面および軸を有する略円筒形の環状構造のようなバックアイアンを用意する工程と、
前記環状構造の内面に非磁性材料で作製された複数の支持体を取り付ける工程であって、前記支持体は、前記環状構造の内面に沿って前記環状構造の軸と平行に延び、各支持体は、前記一次ベースおよび少なくとも２つの一次支持部材を備え、前記一次ベースは、前記バックアイアンの内面に略一致し、前記一次支持部材は前記ベースから半径方向内側に延び、前記一次支持部材および前記一次ベースによって前記支持体内に凹部が画定されることと、
スタック状に配置される複数のコイルを支持体内の前記凹部に装着する工程であって、各スタックは、支持体の前記一次ベースから前記環状構造の軸に向かって半径方向内側に延びることと
を備える方法。
【請求項４５】
複数の二次支持アセンブリを組み付ける工程であって、各二次支持アセンブリは、二次ベースおよび少なくとも２つの二次支持部材を備え、前記二次支持部材は前記一次支持部材に係合することと、
各二次支持アセンブリを前記支持体のうちの対応する一つに取り付けることによって複数の組み合わされた支持アセンブリを形成する工程であって、前記組み合わされた支持アセンブリは、前記バックアイアンの環状構造内のコイルのスタックを支持することと
をさらに備える請求項４４に記載の方法。
【請求項４６】
コイルのスタックに隣接してシート状のインサートを組み付ける工程をさらに備え、前記インサートおよび前記コイルのスタックによって冷媒通路が画定される請求項４５に記載の方法。
【請求項４７】
各一次支持部材は、隣接するコイルのスタックのスタック高さの約３３％から７５％の長さだけ対応する一次ベースから延びている請求項４４に記載の方法。
【請求項４８】
各コイルは第１の部分および第２の部分を備え、前記第１の部分は前記第２の部分よりも剛性が高く、コイルのスタックに隣接してシート状のインサートを組み付ける工程は、前記インサートと前記ステータ巻線の間の接触が主に前記ステータ巻線の第１の部分の表面上に位置するように、シート状のインサートを組み付けることを含む請求項４４に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は超電導装置ステータに関する。
関連出願の相互参照
本出願は、２００６年９月７日出願の米国特許出願第１１／５１６，９７０号からの優先権を主張するものであり、この米国特許出願の内容は引用によってその全体が本明細書に組み入れられる。
【０００２】
本発明の一部は、米国海軍研究局によって与えられた契約番号Ｎ０００１４−０３−Ｃ−０２８４による研究から生じたものである。
【背景技術】
【０００３】
超伝導空芯同期発電機が１９６０代初期から開発されている。これらの装置で超伝導巻線が使用されている結果、巻線によって生じる起磁力が著しく増加し、装置内での磁束密度が増加している。これらの装置は、ステータコイル間の鉄製の歯がなしで動作する。なぜならば、磁束密度がこれらの部材中で大きく散逸（dissipation）するからである。従来の装置では、磁路として働く鉄製の積層スタックによってコイルは囲まれている。積層スタックは、磁路を提供しかつコイルを支持するためにコイル間に延びる歯を備えている。超伝導装置では、コイル上の大きな負荷を支持するためのシステムとして、大きな交流電流場において高い損失が生じないものが要求される。
【０００４】
一態様において、発電機用のステータは、内面および軸を有する略円筒形の環状構造を備えるバックアイアン（back iron）と；非磁性材料で作製された複数の支持体であって、各支持体は、環状構造の内面に沿って環状構造の軸と平行に延び、各支持体は、一次ベースおよび少なくとも２つの一次支持部材を備え、一次ベースは、バックアイアンの内面に略一致し、一次支持部材は、一次ベースから環状構造の軸に向かって半径方向内側に延びることと；少なくとも２つの一次支持部材の間であってかつ支持体の一次ベースと環状構造の軸の間に位置するステータ巻線とを備える。実施形態は、後述する特徴のうちの１つまたは複数を備えうる。
【０００５】
一態様において、環状のバックアイアンを有する発電機のステータ巻線の少なくとも一部を支持するためのステータ巻線支持アセンブリは、非磁性材料で作製された一次ベースであって、環状のバックアイアンの内面に略一致するように構成された一次ベースと；ベースから離れるように延びる２つの一次支持部材であって、一次支持部材および一次ベースによって、ステータ巻線の少なくとも一部を収容して支持するように構成される凹部が画定されることとを備える。実施形態は、後述する特徴のうちの１つまたは複数を備えうる。
【０００６】
一態様において、発電機用のステータは、内面および軸を有する略円筒形の環状構造を備えるバックアイアンと；非磁性材料で作製された巻線アセンブリであって、環状構造の内面に沿って環状構造の軸と平行に延びる巻線アセンブリと；環状構造の内面と軸の間に配置されて巻線アセンブリによって支持されるステータ巻線と；巻線に隣接して配置されるインサートであって、インサートおよび巻線によって少なくとも１つの冷媒通路が画定されることとを備える。実施形態は、後述する特徴のうちの１つまたは複数を備えうる。
【０００７】
一態様において、発電機用のステータは、内面および軸を有する略円筒形の環状構造を備えるバックアイアンと；環状構造の内面と軸の間に配置されるステータ巻線と；ステータ巻線に隣接して画定される冷媒通路であって、深さ対幅の比率が約１未満対５である冷媒通路とを備える。実施形態は、後述する特徴のうちの１つまたは複数を備えうる。
【０００８】
一態様において、発電機用のステータは、内面および軸を有する略円筒形の環状構造を備えるバックアイアンと；非磁性材料で作製された巻線アセンブリであって、環状構造の内面に沿って環状構造の軸と平行に延びる巻線アセンブリと；環状構造の内面と軸の間に配置されるステータ巻線であって、ステータ巻線は、巻線アセンブリによって支持され、かつ、第１の部分および第２の部分を備え、第１の部分は第２の部分よりも剛性が高いことと；ステータ巻線に隣接して配置されるインサートであって、インサートおよびステータ巻線によって少なくとも１つの冷媒通路が画定されることとを備える。インサートと巻線の間の接触は主に巻線の第１の部分の表面上に位置する。実施形態は、後述する特徴のうちの１つまたは複数を備えうる。
【０００９】
いくつかの実施形態では、各支持体は二次支持アセンブリをさらに備え、二次支持アセンブリは、二次ベースおよび少なくとも２つの二次支持部材を備え、二次支持部材は、一次支持部材に係合してステータ巻線を収容する空洞を画定する。
【００１０】
場合によっては、一次ベースおよび一次支持部材は、成形された繊維整列複合材を含む。場合によっては、二次ベースおよび二次支持部材は、成形された繊維整列複合材を含む。
【００１１】
いくつかの実施形態では、一次支持部材は、ステータ巻線の高さの約３５パーセントから約６５パーセントの距離だけ一次ベースから半径方向内側に延びる。
いくつかの実施形態ではまた、巻線に隣接して配置されるシート状のインサートをさらに備え、インサートおよび巻線によって冷媒通路が画定される。インサートは、非平坦面を備えた第１の幅広面を有するシート状の弾性部材を備えうる。インサートは、二次支持アセンブリと巻線の間に配置されうる。場合によっては、インサートは厚さが０．２５インチ（６．３５ミリメートル）未満でありうる。
【００１２】
いくつかの実施形態では、少なくとも３つの一次支持部材が一次支持ベースから延びている。
いくつかの実施形態では、二次ベースは、バックアイアンと同軸に配置される略円筒形の環状ボアチューブと接触する。
【００１３】
いくつかの実施形態では、支持体は、一次ベースから延びるはめ合い面構造とバックアイアン内に画定されるスロットの間の係合を通してバックアイアン上に取り付けられる。支持体は繊維整列複合材を含みうるとともに、一次ベースから延びる面構造は、ランダム配向繊維複合材物からなる。
【００１４】
いくつかの実施形態では、ステータ巻線は、スタック状に配置される複数のコイルを備え、そのスタックは、環状構造の軸に向かって半径方向内側に延びる。
いくつかの実施形態では、冷媒通路は、深さ対幅の比率が約１未満対５である。場合によっては、冷媒通路は、深さが約０．１インチ（２．５ミリメートル）未満の主要部分を有する。
【００１５】
いくつかの実施形態では、非磁性材料で作製された複数の支持体を備え、各支持体は、環状構造の内面に沿って環状構造の軸と平行に延び、各支持体は、一次ベースおよび少なくとも２つの一次支持部材を備え、一次ベースは、バックアイアンの内面に略一致し、一次支持部材は、一次ベースから環状構造の軸に向かって半径方向内側に延びる。
【００１６】
いくつかの実施形態では、巻線の第１の部分には支持材料が含まれる。場合によっては、支持材料は、巻線の対向する両側の間を延びる。支持材料は、繊維ガラス複合材（例えば、グレードｇ１０の繊維ガラス複合材）を含みうる。
【００１７】
いくつかの実施形態では、巻線は、多重のワイヤ束を有するコイルを備え、ワイヤ束は、支持材料によって互いに分離されている。場合によっては、支持材料は、コイルの一方の側からコイルの対向する側まで延びる。場合によっては、支持材料は繊維ガラス複合材を含む。
【００１８】
一態様において、発電機用のステータを組み立てる方法は、内面および軸を有する略円筒形の環状構造のようなバックアイアンを用意する工程と；環状構造の内面に非磁性材料で作製された複数の支持体を取り付ける工程であって、支持体は、環状構造の内面に沿って環状構造の軸と平行に延び、各支持体は、一次ベースおよび少なくとも２つの一次支持部材を備え、一次ベースは、バックアイアンの内面に略一致し、一次支持部材はベースから半径方向内側に延び、一次支持部材および一次ベースによって支持体内に凹部が画定されることと；スタック状に配置される複数のコイルを支持体内の凹部に装着する工程であって、各スタックは、支持体の一次ベースから環状構造の軸に向かって半径方向内側に延びることとを備える。実施形態は、後述する特徴のうちの１つまたは複数を備えうる。
【００１９】
一態様において、発電機用のステータを組み立てる方法は、内面および軸を有する略円筒形の環状構造のようなバックアイアンを用意する工程と；環状構造の内面に非磁性材料で作製された複数の支持体を取り付ける工程であって、支持体は、環状構造の内面に沿って環状構造の軸と平行に延び、各支持体は、一次ベースおよび少なくとも２つの一次支持部材を備え、一次ベースは、バックアイアンの内面に略一致し、一次支持部材はベースから半径方向内側に延び、一次支持部材および一次ベースによって支持体内に凹部が画定されることと；スタック状に配置される複数のコイルを支持体内の凹部に装着する工程であって、各スタックは、支持体の一次ベースから環状構造の軸に向かって半径方向内側に延び、各コイルは第１の部分および第２の部分を備え、第１の部分は第２の部分よりも剛性が高いことと；コイルのスタックに隣接してシート状のインサートを組み付ける工程であって、インサートおよびコイルのスタックによって冷媒通路が画定され、インサートと巻線の間の接触が主に巻線の第１の部分の表面上に位置することとを備える。実施形態は、以下の特徴のうちの１つまたは複数を備えうる。
【００２０】
いくつかの実施形態では、複数の二次支持アセンブリを組み付ける工程であって、各二次支持アセンブリは二次ベースおよび少なくとも２つの二次支持部材を備え、二次支持部材は一次支持部材に係合すること；および、各二次支持アセンブリを支持体のうち対応する一つに取り付けることによって複数の組み合わされた支持体アセンブリを形成する工程であって、組み合わされた支持アセンブリは、バックアイアンの環状構造内のコイルのスタックを支持することともまた備える。場合によっては、方法は、コイルのスタックに隣接してシート状のインサートを組み付ける工程をさらに備え、インサートおよびコイルのスタックによって冷媒通路が画定される。
【００２１】
いくつかの実施形態では、各一次支持部材は、隣接するコイルのスタックのスタック高さの約３３％から７５％の長さだけ対応する一次ベースから延びる。
本発明の一以上の実施形態の詳細を、添付図面および以下の記載において述べる。この記載および図面ならびに請求項から本発明の他の特徴、目的および利点が明らかとなるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】超伝導モータの部分断面斜視図。
【図１Ａ】図１の超伝導モータの一部を示す断面図。
【図２】図１Ａに示す線分２−２に沿って見たステータアセンブリの断面図。
【図２Ａ】図２のステータアセンブリの一部を示す断面図。
【図３】ステータ支持体の分解斜視図。
【図４Ａ】ステータ支持体のインサートの斜視図。
【図４Ｂ】ステータ支持体のインサートの斜視図。
【図４Ｃ】ステータ支持体のインサートの斜視図。
【図５】ステータアセンブリの一部を示す断面図であって、最悪時の障害状態の間に生じるステータアセンブリへの応力負荷を有限要素解析することによって予測される歪みの分布を定性的に表わす図。
【図６】代替のステータ支持体の断面図。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
それぞれの図面における同様の参照符号は同様の要素を示す。
図１および図１Ａを参照すると、回転超伝導装置１０は、ステータアセンブリ１４の内部に組み付けられたロータアセンブリ１２を備える。ロータアセンブリ１２は、高温超伝導体（ＨＴＳ）で形成されたロータコイル１６、トルク伝達システム（図示せず）、および電磁（ＥＭ）シールド１８を備える。この場合、ロータコイル１６は、長円形に形成された複数のＨＴＳサブコイルを備えているが、他の構成も可能である。引用によってその内容全体が本明細書に組み入れられる米国特許第６，５０９，８１９号は、典型的なロータコイルの構成を詳細に説明している。電磁シールド１８は伝導性の非磁性材料からなり、この材料は、ステータ電流によって生成する非同期性の電磁場を減衰させることにより、ロータコイル１６をシールドする。ブラシレス励磁機２０（ロータコイル１６用の電流源）は、ロータコイル用のパワーを調整および制御するための変圧器および付随する電子回路からなる。ロータコイル１６は、ガス状ヘリウムを用いてロータ支持構造を通じて伝導冷却される。ガス状ヘリウムは、装置１０の内部を循環してＨＴＳロータコイルを冷却する。ロータアセンブリ１２に対するガス状ヘリウムの内向きおよび外向きの流れは、同軸のヘリウム移送カップリング２２を通って固定部から回転ユニオンへ進む。ベアリング２４はステータアセンブリ１４内のロータアセンブリ１２を支持する。
【００２４】
ステータアセンブリ１４は、ステータコイル２６、バックアイアン２８、およびハウジング３０を備えている。ステータ支持チューブまたはボアチューブ３２とバックアイアン２８の間には、ステータコイル２６のスタックが取り付けられており、これについては後でさらに詳細に説明する。バックアイアン２８によってステータコイル２６が囲まれることで、磁界に対する低リラクタンス経路が提供され、周囲領域に対する磁束シールドの機能を果たしている。バックアイアン２８は通常、鋼鉄（例えば、低炭素鋼）で形成されるが、他の材料（例えば、軽量の複合材料）で形成することもできる。ステータハウジング３０は、ロータシャフトをステータの方に向けるベアリング２４をステータの構成要素とともに支持している。回転超伝導装置１０がモータとして動作されると、ロータコイル１６およびステータコイル２６に供給される電流により、ロータアセンブリ１２をステータアセンブリ１４にリンクする磁束が生じ、ロータアセンブリの回転が起こる。引用によってその内容全体が本明細書に組み入れられる米国特許第６，４８９，７０１号は、類似のモータに関連して上記の特徴の構造および動作を詳細に説明している。
【００２５】
図１、図１Ａ、図２、図２Ａ、および図３を参照すると、回転超伝導装置１０のステータアセンブリ１４は、ステータコイル２６を支持するための非磁性の支持体３４を備えている。従来の装置において通常に見られる鉄製スロットではなくて、非磁性の支持体３４を用いるのは、超伝導体コイル１６が生成する磁束密度が高いからである。支持体３４は、非磁性であることに加えて、過剰な渦電流損失を防止するために低電導率であることが好ましい。非磁性の支持体３４は、ステータアセンブリ１４の軸３８と平行に延びるバックアイアン２８の内面３６上に取り付けられている。各支持体３４は、一次ベース４０および少なくとも２つの一次支持部材４２を備え、バックアイアン２８の内面３６によって画定されるスロット５０と係合するために一次ベース４０から延びる蟻継ぎ（dovetail）様の部材４１が面構造として形成されている。一次支持部材４２は、一次ベースからステータアセンブリ１４の軸３８に向かって半径方向内側に延びる。後に詳細に説明するように、一次支持部材４２が一次ベース４０から半径方向内側に延びる距離は、ステータコイル２６の全高Ｈの約３５パーセントから約６５パーセントである第１の高さｈである。支持体３４は、ステータコイル２６を収容するように構成されており、このことはステータアセンブリ１４の製造を容易にしている。
【００２６】
本実施形態では、各支持体３４は、繊維整列複合材から構成される二次支持アセンブリ４４もまた備えている。繊維整列複合材は、二次ベース４６および２つの二次支持部材４８を構成する。二次支持部材４８は、一次支持部材４２に係合し、一次支持部材４２の間および一次ベース４０とステータアセンブリ１４の軸３８の間にステータコイル２６を収容する空洞を画定する。二次ベース４０は、バックアイアン２８と同軸に配置されるボアチューブ３２に接触して支持されている。
【００２７】
図２を再び参照し、さらに図４Ａ、図４Ｂ、および図４Ｃも参照すると、ステータアセンブリ１４は、シート状のインサート５２ａ，５２ｂもまた備えている。シート状のインサート５２ａ，５２ｂは、ステータコイル２６に隣接して配置され、ステータコイルおよびインサートの間に冷媒通路５４を画定するように構成されている。構造安定性を提供する比較的堅い支持体、およびステータコイルとの摩擦係合を提供する弾性インサートの組み合わせを可能とすることにより、インサート５２ａ，５２ｂから分離した支持体３４を有することでステータコイル２６に対する支持が改善されている。インサート５２ａ，５２ｂは、例えば繊維ガラスプラスチック積層体のような弾性材料で形成され、摩擦圧入の際にステータコイル２６の外面にインサートが係合するサイズに形成されている。このようなインサートは、他のステータアセンブリ（例えば、個々の一次支持部材がバックアイアンに直接に取り付けられているステータアセンブリ）とともに用いることもできる。
【００２８】
本実施形態では、ステータアセンブリは、外部インサート５２ａおよび内部インサート５２ｂの両方を備える。各外部インサート５２ａは、隣接する支持体３４とステータコイル２６の間に配置され、第１の幅広面５６および第２の幅広面５８を伴って形成されている。第１の幅広面５６は非平坦面を有し、第２の幅広面５８は、一次および二次支持部材４２，４８の表面と一致するように略平坦である。各内部インサート５２ｂは、隣接するステータコイル２６の間に配置され、対向する幅広面はどちらも非平坦面を有する。ステータコイル２６と係合することにより、インサート５２の横方向に延びる部分６２は、冷媒通路５４内への冷媒の流れを実質的に限定する。ステータアセンブリ１４の他の実施形態には他のインサート、例えばリップルバネ５３などが含まれる。リップルバネ５３は、ステータコイル２６と支持体３４の間に配置された整合する正弦波形状の表面を有する対向面を備える。いくつかの実施形態では、インサート５２ａの代わりにリップルバネを用いることができる（例えば、支持体３４とコイル２６の間に配置され、正弦波形状の表面に付随した溝が支持軸５９と略平行に向けられることにより冷媒通路を形成する）。いくつかの実施形態では、インサート５２ａに加えてリップルバネを用いることができる（例えば、支持体３４とインサート５２ａの間に配置され、正弦波形状の表面に付随した溝が冷媒通路５４と略垂直に向けられることにより、支持体に対してインサートの位置を固定することが容易になるとともに、支持体とインサートの間の冷媒の流れが限定される）。
【００２９】
図２を参照すると、本実施形態では、各ステータコイル２６は多重のリッツ線（Litz wire）束５５を備え、支持材料５７（例えば、Ｇ１０繊維ガラス複合材）によって、コイルの全体的な構造的骨格が提供されるとともに個々のワイヤ束が分離されている。説明を明瞭にするために、図２では、単一の典型的なステータコイル２６の内部構造のみを示している。ワイヤ束５５の間を延びる支持材料５７は、ワイヤ束が存在するコイル２６の隣接部分よりも剛性が高い。したがって、支持材料５７（例えば、適切な構造安定性を有する絶縁材）はブリッジとして機能して、個々のコイル２６の構造安定性を高める。インサート５２ａ，５２ｂは、インサートの横方向に延びる部分６２をワイヤ束５５の間のブリッジ５７に整合させるように構成されている。この整合によってインサート５２は支持され、冷媒通路５４の維持がされている。
【００３０】
図２および図２Ａを参照すると、支持体３４は、一次ベース４０、一次支持部材４２、二次ベース４６、および二次支持部材４８によって形成され、相間絶縁および対地間絶縁を提供する。いくつかの実施形態では、Ｕ状ピース７５（例えば、マイカ充填されたＵ状ピース）がコイルの間に配置されて、スロットの最上部および最下部における相間の長い追従経路を提供する。ステータアセンブリ１４の内部ステータ空間（例えば、冷媒通路５４および／またはステータアセンブリ１４内の他の空隙）を通過する誘電流体は、支持体３４、インサート５２ａ，５２ｂおよびＵ状ピース７５とともに、対地間および相間絶縁システムを構成するとともに、冷却液として用いられる。この一体型システムによって、厚い接地壁絶縁材を用いることなく、誘電流体はステータコイル２６の近くを流れることができ、また通路内を流れる誘電流体と伝導性のワイヤ束５５の間の熱伝達を大きく向上させることができる。
【００３１】
図３を参照すると、いくつかの実施形態では、支持体３４，４４は、付加的な構造安定性を提供するために繊維整列複合材で製造される。例えば、場合によっては、一次ベース４０および一次支持部材４２を形成する複合材は、支持軸５９を横断する平面内でほぼ整列した（例えば、一次ベースおよび一次支持部材のＵ形状の断面内で実質的に延びる）繊維７７を含む。一次ベース４０および一次支持部材４２は、支持軸５９と略平行に整列した（例えば、断面平面内に延びる）繊維もまた含みうる。一次ベース４０から延びる部材４１は、ランダム配向繊維を含みうる。同様に整列した繊維を二次支持アセンブリ４４が含むこともできる。
【００３２】
冷媒通路５４は、ステータコイル２６に隣接して延びるとともに、ステータアセンブリ１４の軸３８と略平行に延びており、液体冷媒とステータコイル２６の間の直接的な接触を提供する。超伝導装置１０の物理的寸法は、冷却用の面積の小さい同じ定格の従来の装置の物理的寸法よりも小さいため、熱伝達に関係する効率は重要である。この場合、冷媒通路５４は、主要部分６０の深さｄが約０．１インチ（２．５ミリメートル）未満となるように構成されている。冷媒通路５４が浅いため、インサート５２の厚さｔは０．２５インチ（６．３５ミリメートル）未満とすることができる。同様に、少なくとも一部の冷媒通路について深さ対幅の比率を約１未満対５にして、良好な熱伝達効率を得ることができる（例えば、深さが０．０７５インチ（約１．９ミリメートル）で幅が０．５インチ（１２．７ミリメートル）の冷媒通路）。
【００３３】
ステータアセンブリ１４を組み立てるためには、内面および軸を有する略円筒形の環状構造のようにバックアイアン２８が設けられる。一次ベース４０および一次支持部材４２を含む支持体３４の第１の部分は、バックアイアンの内面３６によって画定されるスロット５０が一次ベースから延びる面構造４１と係合することにより、バックアイアン２８に取り付けられている。エポキシを用いて、一次ベース４０、一次支持部材４２およびバックアイアン２８の間に局所的な接合が形成される。いくつかの実施形態では、エポキシは室温で硬化される。いくつかの実施形態では、これらの局所的な接合は、ステータアセンブリ１４の部分をヒーターで加熱してエポキシを硬化させることによって形成されうる。この接合動作はステータコイルの組み付け前に行われるため、コイルの組み付け前に接合の検査を行なうことができる。
【００３４】
次に、スタック状に配置されるステータコイル２６は、支持体３４の一次ベースからステータアセンブリ１４の軸３８に向かって半径方向内側に各スタックが延びる状態で、一次ベース４０および一次支持部材４２によって画定される凹部に装着される。この場合、ステータコイル２６はダイアモンドコイルであって、一部が２つの別々の支持体３４内にあり、各コイルの一部が別のコイルの一部と支持凹部を共有して重なる配置をとっている。ステータコイル２６の最初の投入部分（throw）は、ステータアセンブリ１４内に組み付けられ、支持体３４に仮に突き当てられる。ステータコイル２６の残りを組み付けたときに、最終的な仕上げの突き当てが行われ、ステータコイルは所定の位置に保持される。組み合わせたコイルの全高Ｈの約３５パーセントから６５パーセントの高さｈを有するという一次支持部材４２の構成により、最終の投入部分を組み付けるために最初の投入部分を持ち上げることが容易になっている。巻線プロセスが進む間、コイルの最上部および最下部の脚（leg）を所定の位置に配置して保持するための専用の工具が用いられる。
【００３５】
次に、二次支持アセンブリ４４は、二次支持部材４８が一次支持部材４２と係合する状態で組み付けられる。この結果、ステータコイル２６のスタックをバックアイアン２８の環状構造内に実質的に包囲して支持する支持体３４が形成される。この場合、ステータコイルおよび支持体３４に対する特定のインサートの位置に応じて、このプロセスの間、複数回にわたり、ステータコイル２６のスタックに隣接してシート状のインサート５２が組み付けられる。
【００３６】
この組み立て方法によってステータアセンブリ１４に二重のＵ状支持体３４が与えられる結果、良好な冷却および機械的支持が得られる。高弾性によって曲げ剛性が得られるため、一例においては、支持体３４は、高弾性の繊維整列複合材で作製される。これら高剛性の複合材は、航空機構造で用いられるものと同様の技術を適用して、高張力繊維ガラス布の混合物を用いて形成される。複合材は、手で重ねられて、真空で袋詰めされ、オートクレーブ硬化させられる。その結果、約３４５００ＭＰａ（５Ｍｐｓｉ）の係数（modulus）の複合材が得られる。剛性が付加されることで、動作中の歪みが減少する。加えて、複合材の支持体を用いることで、界磁巻線を通してより高い磁束密度を用いることができ、したがって、より高いギャップせん断応力（例えば、１０ポンド／平方インチ超）を用いることができる。
【００３７】
図５を参照すると、応力負荷に対する前述したようなステータアセンブリの応答の有限要素解析（数値シミュレーション）によって、ステータアセンブリ１４の内面に沿って与えた点において９５ＭＰａのピーク値が得られた。その事象の条件は、９相障害の間に生じるであろう（すなわち、９相システムの９本のリード線すべてが同時に短絡するという最悪時のシナリオが起きたときの）予想負荷を表わしている。図５は、複数の組み合わされた支持体３４を備えるステータアセンブリの一部を示す。陰影は、この解析によって予測されるステータアセンブリの異なる部品における歪みの分布を定性的に示している。その範囲は、最大の予測歪としてボアチューブに沿って（図示せず、内周に沿って）約０．６ミリメートルから、バックアイアンに沿って（図示せず、外周に沿って）約０．０６ミリメートル未満までである。隣接する支持体３４の間に係合があることによって、付加応力が分散されると予測される。その結果、最大点の歪みが低くなり、結果として、構造的欠陥が生じる可能性が低くなる。
【００３８】
本発明の多くの実施形態について説明してきた。しかし当然のことながら、本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく種々の変更を行なっても良い。例えば、図６を参照すると、各支持体は、一次支持ベース４０から延びる３つ以上の一次支持部材４２を備えうる。したがって、他の実施形態も以下の請求項の範囲内である。
【図１】
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【図１Ａ】
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【図２】
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【図２Ａ】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図５】
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【図６】
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【国際調査報告】
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