(57)【要約】回転子アセンブリは略円柱状の支持構造体を含み、支持構造体は少なくとも１つの第１領域及び少なくとも１つの第２領域を有する。少なくとも１個の回転子コイルは略円柱状の支持構造体の第１領域内に配置される。回転子コイルは一対の末端部及び凸状中央部を含み、凸状中央部の平均機械的密度は末端部の平均機械的密度と略等しい。少なくとも１個の第１領域の平均機械的密度は少なくとも１個の第２領域の平均機械的密度と略等しい。
2006515501.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つの第１領域及び少なくとも１つの第２領域を有する略円柱状の支持構造体と、
略円柱状の前記支持構造体の第１領域内に配置される少なくとも１個の回転子コイルであって、該回転子コイルは一対の末端部及び凸状中央部を含むことと、を備え、
前記凸状中央部の平均機械的密度は前記末端部の平均機械的密度と略等しく、
前記少なくとも１つの第１領域の平均機械的密度は前記少なくとも１つの第２領域の平均機械的密度と略等しい
ことを特徴とする回転子アセンブリ。
【請求項２】
１個以上の回転子コイルは該回転子コイルの内部領域内に配置されるマンドレルを含むことを特徴とする請求項１に記載の回転子アセンブリ。
【請求項３】
前記マンドレルは、前記回転子コイルの内部領域の一部を占めるとともに、前記第１及び第２領域の平均機械的密度よりも高い機械的密度を有する材料から構成されることを特徴とする請求項２に記載の回転子アセンブリ。
【請求項４】
前記マンドレルは、前記回転子コイルの内部領域を占めるとともに、前記第１及び第２領域の平均機械的密度と略等しい機械的密度を有する材料から構成されることを特徴とする請求項２に記載の回転子アセンブリ。
【請求項５】
前記マンドレルは、ステンレス鋼、アルミニウム、フェノール樹脂及び銅から成るグループから選択された材料から構成されることを特徴とする請求項２に記載の回転子アセンブリ。
【請求項６】
前記マンドレルは、一対の凸状中央部によって離間させられる一対の末端部を含むことを特徴とする請求項２に記載の回転子アセンブリ。
【請求項７】
前記マンドレルの末端部周縁は第１半径により定められ、前記マンドレルの凸状中央部周縁は前記第１半径よりも大きい第２半径により定められることを特徴とする請求項６に記載の回転子アセンブリ。
【請求項８】
前記マンドレルは長円形状マンドレルであることを特徴とする請求項２に記載の回転子アセンブリ。
【請求項９】
１つ以上の第２領域は、該第２領域の一部を占めるとともに第１及び第２領域の平均機械的密度よりも高い機械的密度を有する部材を含むことを特徴とする請求項１に記載の回転子アセンブリ。
【請求項１０】
前記部材は、ステンレス鋼、アルミニウム、フェノール樹脂及び銅から成るグループから選択された材料から構成されることを特徴とする請求項９に記載の回転子アセンブリ。
【請求項１１】
１つ以上の第２領域は、該第２領域を占めるとともに第１及び第２領域の平均機械的密度と略等しい機械的密度を有する部材を含むことを特徴とする請求項１に記載の回転子アセンブリ。
【請求項１２】
前記部材は、ステンレス鋼、アルミニウム、フェノール樹脂及び銅から成るグループから選択された材料から構成されることを特徴とする請求項１１に記載の回転子アセンブリ。
【請求項１３】
前記回転子コイルはレーストラック型コイルであることを特徴とする請求項１に記載の回転子アセンブリ。
【請求項１４】
前記回転子コイルは鞍型コイルであることを特徴とする請求項１に記載の回転子アセンブリ。
【請求項１５】
前記鞍型コイルは、該鞍型コイルにより発生させられる磁束線が略円柱状の前記支持構造体の表面に直交するとともに回転子アセンブリの軸中心線へ向けて半径方向に整列させられるように構成されることを特徴とする請求項１４に記載の回転子アセンブリ。
【請求項１６】
前記回転子コイルは超電導回転子コイルであることを特徴とする請求項１に記載の回転子アセンブリ。
【請求項１７】
前記超電導回転子コイルは１個以上の高温超電導巻線を含むことを特徴とする請求項１６に記載の回転子アセンブリ。
【請求項１８】
前記少なくとも１個の回転子コイルは運転中に回転子アセンブリ内で磁路を発生し、且つ略円柱状の前記支持構造体は内容積を画定し、
回転子アセンブリは更に高飽和磁束密度を有する磁性材料を備え、該磁性材料は略円柱状の前記支持構造体の内容積中及び磁路の少なくとも一部中に配置されて、前記少なくとも１個の回転子コイルにより発生させられる磁路の総リラクタンスを減少させる
ことを特徴とする請求項１に記載の回転子アセンブリ。
【請求項１９】
内容積中の前記磁性材料は極低温に冷却されることを特徴とする請求項１８に記載の回転子アセンブリ。
【請求項２０】
内容積中の前記磁性材料は極低温に冷却されないことを特徴とする請求項１８に記載の回転子アセンブリ。
【請求項２１】
少なくとも１つの第１領域及び少なくとも１つの第２領域を有する略円柱状の支持構造体と、
略円柱状の前記支持構造体の第１領域内に配置される少なくとも１個の回転子コイルと、を備え、
前記少なくとも１つの第１領域の平均機械的密度は前記少なくとも１つの第２領域の平均機械的密度と略等しい
ことを特徴とする回転子アセンブリ。
【請求項２２】
１個以上の回転子コイルは該回転子コイルの内部領域内に配置されるマンドレルを含むことを特徴とする請求項２１に記載の回転子アセンブリ。
【請求項２３】
前記マンドレルは、前記回転子コイルの内部領域の一部を占めるとともに、前記第１及び第２領域の平均機械的密度よりも高い機械的密度を有する材料から構成されることを特徴とする請求項２２に記載の回転子アセンブリ。
【請求項２４】
前記マンドレルは、前記回転子コイルの内部領域を占めるとともに、前記第１及び第２領域の平均機械的密度と略等しい機械的密度を有する材料から構成されることを特徴とする請求項２２に記載の回転子アセンブリ。
【請求項２５】
前記マンドレルは、ステンレス鋼、アルミニウム、フェノール樹脂及び銅から成るグループから選択された材料から構成されることを特徴とする請求項２２に記載の回転子アセンブリ。
【請求項２６】
１つ以上の第２領域は、該第２領域の一部を占めるとともに第１及び第２領域の平均機械的密度よりも高い機械的密度を有する部材を含むことを特徴とする請求項２１に記載の回転子アセンブリ。
【請求項２７】
前記部材は、ステンレス鋼、アルミニウム、フェノール樹脂及び銅から成るグループから選択された材料から構成されることを特徴とする請求項２６に記載の回転子アセンブリ。
【請求項２８】
１つ以上の第２領域は、該第２領域を占めるとともに第１及び第２領域の平均機械的密度と略等しい機械的密度を有する部材を含むことを特徴とする請求項２１に記載の回転子アセンブリ。
【請求項２９】
前記部材は、ステンレス鋼、アルミニウム、フェノール樹脂及び銅から成るグループから選択された材料から構成されることを特徴とする請求項２８に記載の回転子アセンブリ。
【請求項３０】
前記回転子コイルはレーストラック型コイルであることを特徴とする請求項２１に記載の回転子アセンブリ。
【請求項３１】
前記回転子コイルは鞍型コイルであることを特徴とする請求項２１に記載の回転子アセンブリ。
【請求項３２】
前記鞍型コイルは、該鞍型コイルにより発生させられる磁束線が略円柱状の前記支持構造体の表面に直交するとともに回転子アセンブリの軸中心線へ向けて半径方向に整列させられるように構成されることを特徴とする請求項３１に記載の回転子アセンブリ。
【請求項３３】
前記回転子コイルは超電導回転子コイルであることを特徴とする請求項２１に記載の回転子アセンブリ。
【請求項３４】
前記超電導回転子コイルは１個以上の高温超電導巻線を含むことを特徴とする請求項３３に記載の回転子アセンブリ。
【請求項３５】
前記少なくとも１個の回転子コイルは運転中に回転子アセンブリ内で磁路を発生し、且つ略円柱状の前記支持構造体は内容積を画定し、
回転子アセンブリは更に高飽和磁束密度を有する磁性材料を備え、該磁性材料は略円柱状支持構造体の内容積中及び磁路の少なくとも一部中に配置されて、前記少なくとも１個の回転子コイルにより発生させられる磁路の総リラクタンスを減少させる
ことを特徴とする請求項２１に記載の回転子アセンブリ。
【請求項３６】
内容積中の前記磁性材料は極低温に冷却されることを特徴とする請求項３５に記載の回転子アセンブリ。
【請求項３７】
内容積中の前記磁性材料は極低温に冷却されないことを特徴とする請求項３５に記載の回転子アセンブリ。
【請求項３８】
一対の凸状中央部によって離間させられる一対の末端部を含むマンドレルと、
前記マンドレルに巻回される巻線アセンブリであって、該巻線アセンブリは一対の末端部及び凸状中央部を含むことと、を備え、
前記巻線アセンブリの凸状中央部及び末端部の平均機械的密度は略等しいことを特徴とする回転子コイル。
【請求項３９】
前記マンドレルの末端部周縁は第１半径により定められ、前記マンドレルの凸状中央部周縁は第１半径よりも大きい第２半径により定められることを特徴とする請求項３８に記載の回転子コイル。
【請求項４０】
前記マンドレルは長円形状マンドレルであることを特徴とする請求項３８に記載の回転子コイル。
【請求項４１】
前記回転子コイルはレーストラック型コイルであることを特徴とする請求項３８に記載の回転子コイル。
【請求項４２】
前記回転子コイルは鞍型コイルであることを特徴とする請求項３８に記載の回転子コイル。
【請求項４３】
前記鞍型コイルは、該鞍型コイルにより発生される磁束線が回転子アセンブリの軸中心線へ向けて半径方向に整列させられるように構成されることを特徴とする請求項４２に記載の回転子コイル。
【請求項４４】
前記巻線アセンブリは前記マンドレルに巻回される１個以上の導体を含むことを特徴とする請求項３８に記載の回転子コイル。
【請求項４５】
前記１個以上の導体は超電導導体であることを特徴とする請求項４４に記載の回転子コイル。
【請求項４６】
前記超電導導体は高温超電導材料から構成されることを特徴とする請求項４５に記載の回転子コイル。
【請求項４７】
少なくとも１個の固定子巻線を含む固定子アセンブリと、
前記固定子アセンブリ内で回転するように構成される回転子アセンブリと、を備える回転機において、前記回転子アセンブリは、
少なくとも１つの第１領域及び少なくとも１つの第２領域を有する略円柱状の支持構造体と、
前記第１領域内に配置され、運転中に回転子アセンブリを連結する磁束線を発生する少なくとも１個の回転子コイルと、を含み、
前記少なくとも１つの第１領域の平均機械的密度は前記少なくとも１つの第２領域の平均機械的密度と略等しい
ことを特徴とする回転機。
【請求項４８】
少なくとも１個の固定子巻線を含む固定子アセンブリと、
前記固定子アセンブリ内で回転するように構成される回転子アセンブリと、を備える回転機において、前記回転子アセンブリは、
少なくとも１つの第１領域及び少なくとも１つの第２領域を有する略円柱状の支持構造体と、
前記第１領域内に配置され、運転中に回転子アセンブリを連結する磁束線を発生する少なくとも１個の回転子コイルと、を含み、該回転子コイルは一対の末端部及び凸状中央部を含み、
前記凸状中央部の平均機械的密度は前記末端部の平均機械的密度と略等しく、
前記少なくとも１つの第１領域の平均機械的密度は前記少なくとも１つの第２領域の平均機械的密度と略等しい
ことを特徴とする回転機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は回転機に関する。
【背景技術】
【０００２】
回転機は典型的には、静止した固定子アセンブリと、固定子アセンブリ内で回転する回転子アセンブリとを含む。回転子アセンブリは典型的には円筒形状であり、回転子コイルを含む。回転子コイルは運転中において、固定子アセンブリに組み込まれた電機子コイルと磁気的に結合される。運転中に固定子アセンブリは回転磁界を発生させて、回転子アセンブリを回転させる。或いは、回転子アセンブリが外部の装置により駆動された場合には、回転磁界アセンブリは静止した固定子アセンブリに電圧及び電流を発生させる。回転子アセンブリが回転すると、同回転子アセンブリには半径方向の遠心力が作用し、その遠心力によって回転子アセンブリは半径方向に歪む。
【発明の開示】
【０００３】
本発明の一態様において、回転子アセンブリは略円柱状の支持構造体を含む、支持構造体は少なくとも１つの第１領域及び少なくとも１つの第２領域を有する。回転子アセンブリは更に少なくとも１個の回転子コイルを含み、回転子コイルは略円柱状の支持構造体の第１領域内に配置される。回転子コイルは一対の末端部及び凸状中央部を含む。凸状中央部の平均機械的密度は末端部の平均機械的密度と略等しい。また、第１領域の平均機械的密度は第２領域の平均機械的密度と略等しい。
【０００４】
以下の特徴もまた含まれる。１個以上の回転子コイルは、該回転子コイルの内部領域内に配置されるマンドレルを含む。マンドレルは回転子コイルの内部領域の一部を占めるとともに、第１及び第２領域の平均機械的密度よりも高い機械的密度を有する材料（例えばステンレス鋼、銅、アルミニウム、フェノール樹脂等）から構成される。マンドレルは回転子コイルの内部領域を占めるとともに、第１及び第２領域の平均機械的密度と略等しい機械的密度を有する材料（例えばステンレス鋼、銅、アルミニウム、フェノール樹脂等）から構成される。
【０００５】
マンドレルは、一対の凸状中央部によって離間させられる一対の末端部を含む。マンドレルの末端部周縁は第１半径によって定められてもよく、マンドレルの凸状中央部周縁は第２半径によって定められてもよく、第２半径は第１半径よりも大きい。或いは、マンドレルは長円形状であってもよい。
【０００６】
１つ以上の第２領域は、該第２領域の一部を占めるとともに第１及び第２領域の平均機械的密度よりも高い機械的密度を有する部材を含んでもよい。或いは、１つ以上の第２領域は、該第２領域を占めるとともに第１及び第２領域の平均機械的密度と略等しい機械的密度を有する部材を含んでもよい。これらの部材は、ステンレス鋼、銅、アルミニウム、フェノール樹脂等から構成されてもよい。
【０００７】
回転子コイル（例えばレーストラック型或いは鞍型コイル）は超電導コイルであってもよく、１個以上の高温超電導巻線を含む。これら回転子コイルは極低温に冷却されてもよく或いは冷却されなくともよく、運転中に回転子アセンブリ内で磁路を発生させる。略円柱状の支持構造体は、高飽和磁束密度を有する磁性材料を収容する内容積を画定していてもよく、磁性材料は磁路の少なくとも一部内に配置されて、回転子コイルにより発生させられる磁路の総リラクタンスを減少させる。内容積中のこの磁性材料は、極低温に冷却されてもよいし、或いは極低温に冷却されなくてもよい。マンドレルの凸状中央部付近で回転子コイルにより発生させられる磁束線が回転子アセンブリの軸中心へ向けて半径方向に殆ど整列させられるように、回転子コイル内の導体は巻回されてもよい。
【０００８】
鞍型コイルにより発生させられる磁束線が略円柱状の支持構造体の表面と直交し、且つ回転子アセンブリの軸中心線へ向けて半径方向に整列させられるように、鞍型コイルは構成されてもよい。
【０００９】
本発明の上記態様から１つ以上の効果が提供される。凸状或いは長円形状のマンドレルを使用することにより、均一な機械的密度を有する回転子コイルが得られる。また、マンドレルの平均機械的密度を回転子コイルの機械的密度と一致させることにより、回転子の性能が向上する。充填材の密度を回転子コイル／マンドレル結合物の密度と一致させることにより、回転子の性能を更に向上させることができる。回転子アセンブリの種々の構成要素の密度を一致させることにより、遠心力に起因する半径方向の歪みが減少するので、回転子の高速運転が促進される。また、回転子の円柱状支持構造体内に磁性コアを使用することにより、リラクタンスが減少して磁力性能が向上する。
【００１０】
本発明の一又は複数の実施形態の詳細は、添付の図面及び以下の説明において明らかにされる。本発明の他の構成、目的及び効果は説明及び図面から理解されるとともに、請求項から理解される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
図面中、同じ符号は同じ構成要素を表す。
図１を参照すると、回転機１０は固定子アセンブリ１２及び回転子アセンブリ１４を含む。回転子アセンブリ１４は本実施形態において４極のトポロジーを有する。回転子アセンブリ１４は固定子アセンブリ１２内で回転するとともに、本４極構成では４個の直径方向に対向する回転子コイル１６，１７，１８，１９(そのうちの２個のみを図示)を含む。回転子コイルは支持構造体２０に取り付けられており、支持構造体２０は略円柱状である。回転子コイル１６，１８は略等しい平均機械的密度を有しており、その構造及び構成については以下に詳述する。機械的密度が略等しくなるように設定することにより、円柱状支持構造体２０の半径方向の歪み（即ち楕円化）は減少する。
【００１２】
回転子アセンブリ１４は出力軸２４に取り付けられる支持部材２２を含み、出力軸２４は一対のベアリングプレート２６，２８により支持される。ベアリングプレート２６，２８はそれぞれ回転子アセンブリ１４の各端部に設けられる。支持部材２２は典型的には高強度延性非磁性材料（例えばステンレス鋼、銅、アルミニウム、フェノール樹脂等）から加工される。トルク管３０が支持部材２２を回転子アセンブリ１４の２個の端板３２，３４の一方に接続しており、それによって支持構造体２０及び出力軸２４の間にトルク経路が形成される。トルク管３０の一実施形態の詳細については、「超電導回転機に使用されるトルク伝達アセンブリ」と題する、２００１年７月１９日付けで出願された米国特許出願第０９／９０９，４１２号に記載されている（代理人整理番号０５７７０−１５４００１／ＡＭＳＣ−５３７）。
【００１３】
真空室スリーブ３６は回転子コイル１６，１８及び支持構造体２０を包囲する。真空室スリーブ３６の両端は端板３２，３４に接続される。典型的には、真空室スリーブ３６は比較的薄く（例えば４．８ミリメートル（３／１６インチ））、且つステンレス鋼から構成される。真空室スリーブ３６が端板に接続されると気密室が形成され、気密室は回転子コイル１６，１８を封入する。気密室は真空排気されて、室内に真空が形成されてもよい。これは、より冷たい回転子コイル１６，１８をより暖かい出力軸２４から断熱するのを補助する。
【００１４】
固定子アセンブリ１２は電機子巻線３８（例えば３相固定子巻線）を含み、電機子巻線３８は電磁シールド４０によって包囲される。電磁シールド４０は典型的には銅、アルミニウム、フェノール樹脂又はステンレス鋼等の非磁性材料から構成される。
【００１５】
同期電動機の場合には、回転機１０の運転中に電源（図示なし、例えば発電機、電力線等）は電圧を電機子巻線３８に供給する。磁界エネルギが回転子コイル１６，１８に与えられる。回転子アセンブリ１４及び固定子アセンブリ１２を結合するために必要な磁界（及び磁束）を発生させるべく、回転子コイル１６，１８は直流電流を必要とするので、磁界エネルギは典型的には直流電流である。しかしながら、回転子コイル１６，１８に与えられる磁界エネルギが交流電流である場合には、交流電流を直流電流に変換するために整流器／サイリスタ回路（図示なし）が利用される。
【００１６】
回転子コイル１６，１８は非超電導巻線（例えば銅巻線）又はＨＴＳ（高温超電導体）巻線であってもよい。ＨＴＳ導体の例としては、タリウム―バリウム―カルシウム―酸化銅、ビスマス―ストロンチウム―カルシウム―酸化銅、水銀―バリウム―カルシウム―酸化銅、イットリウム―バリウム―酸化銅、及び２ホウ化マグネシウムがある。
【００１７】
超電導導体は低温（例えば摂氏−１７３．１５度（１００ケルビン）未満）で運転する時のみその超電導性を発揮するので、このような超電導導体が利用される場合には、回転機１０は極低温冷却器（図示なし）を含む。極低温冷却器は回転子コイル１６，１８の温度を、導体がその超電導性を示すことができる程度に低い作動温度に維持する。極低温冷却器（図示なし）の実施形態の詳細については、「ＨＴＳ機の冷却システム」と題された２００２年２月１９日付け発行の米国特許第６，３４７，５２２号（代理人整理番号０５７７０−１０８００１／ＡＭＳＣ−４５６）、「超電導体回転子冷却システム」と題された２００２年４月２３日付け発行の米国特許第６，３７６，９４３号（代理人整理番号０５７７０−０６２００１／ＡＭＳＣ−２８６）、「超電導体回転体冷却システム」と題された２００２年４月２３日付け出願の米国特許出願第１０／１２８，５３５号（代理人整理番号０５７７０−０６２００２／ＡＭＳＣ−２８６）に記載されている。
【００１８】
また図２を参照すると、典型的にはステンレス鋼から構成された回転子支持構造体２０が設けられる。回転子支持構造体２０上には、２つの領域を画定する回転子コイル及び充填材が設けられている。第１領域４２は回転子コイルを受け入れる領域であり（即ち「コイル」領域）、第２領域４４は回転子コイルを受け入れない領域である（即ち「充填材」領域）。回転子コイル及び充填材は回転子支持構造体の形状と一致する。４極の本実施形態に適するように、４個の回転子コイルが回転子アセンブリ１４に含まれる。従って、回転子支持構造体２０は８領域、即ち４つの「コイル」領域（各回転子コイルに対して１個づつ）と、４つのコイル領域間に配置される４つの「充填材」領域とに分割される。一般的には、「充填材」領域を形成する材料は、回転子コイル間の空間又は間隙を充填する時に充填材と呼ばれる。
【００１９】
また図３を参照すると、（回転子コイル１４に含まれる４個の回転子コイルのうち）２個の回転子コイル１６，１８は、各々一対の末端部４６，４８及び凸状中央部５０を含む。回転子コイル１６，１８（典型的には鞍型コイル）が構成される時には、（超電導或いは非超電導）導体５２がマンドレル（例えばマンドレル５４）に繰り返し巻回される。従って、マンドレル５４（典型的にはステンレス鋼、銅、アルミニウム、フェノール樹脂等から構成される）は回転子コイル、例えば回転子コイル１６の形状を決定する。
【００２０】
マンドレル５４は一対の末端部５６，５８（一つはマンドレル５４の上端を形成し、一つはマンドレル５４の下端を形成する）と、一対の凸状中央部６０，６１（マンドレル５４の各側面を形成する）とを含む。従って、導体５２がマンドレル５４に巻回される時には、回転子コイルの最終形状は導体５２が巻回されたマンドレル５４によって決定される。マンドレル５４の凸状中央部６０，６１は湾曲縁６２，６４を有する。湾曲縁６２，６４は相互に平行ではなく、実際は中央において膨らんでいる。そのため、凸状中央部の対の中間の幅寸法は、凸状中央部の対の上端又は下端（即ち、凸状中央部６０，６１の対が末端部５６，５８に接する部分）よりも大きい。凸状中央部６０，６１の対は、大きな曲率半径（例えば１２７センチメートル〜２５４センチメートル（５０〜１００インチ））を有しており、その曲率半径の大きさは導体の剛性、コイル寸法、及び／又は絶縁システムの機械的特性に基づいて選択される。マンドレルの寸法は機械の特定の用途及び構成に依存する。回転機１０の特定の実施形態では、マンドレルは長さが３１センチメートル（１２インチ）であり、幅が２０センチメートル（８インチ）である。マンドレルの凸状中央部に沿った幅寸法の変動は約２．５センチメートル（１インチ）である。
【００２１】
導体５２がマンドレル５４に繰り返し巻回された場合、導体５２がマンドレルに繰り返し巻き付けられることによって、回転子コイル１６，１８はそのいかなる部分の断面にも導体５２の多数の断面が含まれるように形成される。回転子コイル１６，１８を形成する場合、導体５２のマンドレル５４への巻回数は回転機１０の構成及び用途に応じて変化する。回転機１０の特定の実施形態では、導体５２はマンドレル５４に１８０回巻回される。
【００２２】
導体５２がマンドレル５４の末端部に巻回される時には、導体の輪は回転子コイル内における個々の導体の輪が共に圧縮されるように圧縮される。圧縮量はマンドレルの曲率半径と反比例する。マンドレル５４の末端部５６，５８の周縁は凸状中央部６０，６１の周縁よりも小さい半径によって定められるので、マンドレル５４の末端部５６，５８付近において導体に施される圧縮の程度は、凸状中央部６０，６１の付近において導体に施される圧縮の程度よりも大きい。回転子コイルの特定の実施形態において、（１２．７センチメートル（５インチ）の半径を有する末端部を備えたマンドレルに関する）末端部５６，５８の付近における導体の圧縮程度は、１３．８キロパスカル（２．０ｌｂ／ｉｎ２）という大きな値になる。一方、凸状中央部６０，６１付近における導体の圧縮程度は１．４キロパスカル（０．２ｌｂ／ｉｎ２）である。
【００２３】
この種のコイル／マンドレル構成によれば、本質的にコイル周りにおける平均巻回厚が均一になるので、回転子コイルの機械的性質が向上する。加えて、本コイル／マンドレル構成によれば導体の傾きの変動が最小化されて、コイル厚の反復性が向上する。更に、本構成ではコイルの製造時における垂直方向の固定の必要性が減少するとともに、低価格の成形装置を使用することができる。また本構成によれば、任意のコイル外被に適したコイルにより包囲される面積が増大し、コイル双極子モーメント（及び発生トルク）が増加する。要するに、本構成によればコイルがより迅速且つ安価に製造されるとともに、コイル性能が向上する。
【００２４】
平行側面を有する中央部とは対照的な凸状中央部６０，６１を使用することにより、マンドレルに巻回される導体の張力は、導体をマンドレル５４の中央へ向けて半径方向に圧縮する圧縮力に変換されるので、凸状中央部６０，６１の付近において導体に施される圧縮の程度が増大する。従って、凸状中央部６０，６１の使用によってマンドレルに巻き付けられる導体の圧縮変動は減少し、回転子コイルの末端部４６，４８及び凸状中央部５０は略等しい機械的密度を有することになる。回転子コイルの一実施形態では、平均機械的密度は（ガラス製導体絶縁材では）５．５グラム／立方センチメートル（０．２ポンド／立方インチ）であり、（紙製導体絶縁材では）６．１グラム／立方センチメートル（０．２２ポンド／立方インチ）である。
【００２５】
回転子コイル１６，１８の様々な部分の機械的密度を略等しくすることにより、回転子アセンブリ１４の回転は回転子コイルの全ての部分で等しく作用する。例えば、（発電機等のように）高回転４極６０ヘルツでの利用では、回転子アセンブリは３６００ｒｐｍで回転する。この回転子アセンブリ１４が回転すると、回転子アセンブリの様々な構成要素には、これら回転子アセンブリ構成要素の密度に基づいて変化する遠心力が作用する。従って、回転子コイル１６，１８の部分４６，４８，５０の密度を等しくすることにより、これらの部分に作用する遠心力も等しくなり、回転子アセンブリ１４のこれらの要素（即ち回転子コイル１６，１８）はバランスが保たれるとともに、回転子アセンブリ１４の不均一な半径方向の歪みが減少する。
【００２６】
回転子コイル１６，１８の機械的密度をマンドレル５４の機械的密度と一致させることにより、回転子アセンブリは更にバランスが保たれるとともに、その性能も更に向上する。即ち、マンドレルがその周囲を包囲する回転子コイルよりも高い密度を有する場合には、マンドレルには密度が低い回転子コイルよりも大きい遠心力が作用する。従って、マンドレルはそれを包囲する回転子コイルよりも大きい度合で回転子アセンブリの回転軸線から半径方向に離間するように引っ張られるので、不均一な半径方向の歪み（即ち楕円化）が生じる。
【００２７】
マンドレルの密度を回転子コイルの平均密度と一致させる方法は幾つかある。マンドレル５４は回転子コイルの平均密度と略等しい密度を有する材料から構成されてもよい。例えば、回転子コイルの平均機械的密度が５．５グラム／立方センチメートル（０．２ポンド／立方インチ）である場合には、マンドレルは略等しい機械的密度を有する材料から構成される。
【００２８】
このような材料を利用出来ない場合には、より密度が高い材料（例えばステンレス鋼、銅、アルミニウム、フェノール樹脂等）を使用してもよく、この場合には材料は平均機械的密度が低くなるように加工される。例えば、マンドレルが８．３グラム／立方センチメートル（０．３ポンド／立方インチ）の機械的密度を有するステンレス鋼から構成される場合には、マンドレルは平均してマンドレル材料の１／３が取り除かれるように加工される。これは、マンドレルに孔６６，６８，７０及び／又は長溝７２，７４を形成し、その結果マンドレル５４の表面積が適切な割合だけ減少させられることにより達成される。例えば、所望するマンドレルの密度が５．５グラム／立方センチメートル（０．２ポンド／立方インチ）であり、且つマンドレルの実際の密度が８．３グラム／立方センチメートル（０．３ポンド／立方インチ）である場合には、マンドレルの実際の密度は要求値よりも５０パーセント大きい。従って、マンドレルに孔及び／又は長溝を形成する場合には、孔及び／又は長溝はマンドレルの表面積の１／３を占めるべきである。これらの孔及び／又は長溝を形成する場合には、マンドレル全体の密度分布を均一化するために、それらの寸法は最小に維持されるとともに空間的な頻度は最大に維持されるべきである。この孔の寸法及び空間的な頻度の典型例では、５．１センチメートル（２インチ）の中心間距離を有するように配置される１．３センチメートル（１／２インチ）の直径の孔とされる。
【００２９】
マンドレルの密度を減少させる別の方法としては、マンドレルの厚みを必要な量だけ減少させる方法がある。従って、マンドレルの厚みを１／３減少させれば、マンドレルの平均密度を１／３減少させたのと同じ最終結果が得られる。
【００３０】
上述したように、回転子支持構造体２０は２種類の領域、即ち「コイル」領域４２及び「充填材」領域４４に分割されており、「コイル」領域４２は１個以上の回転子コイルを受け入れるとともに、「充填材」領域４４は回転子コイル（即ち「コイル」領域４２）間の空間又は間隙を充填する充填材（例えばステンレス鋼、銅、アルミニウム、フェノール樹脂等）を受け入れる。また図４を参照すると、充填材７６は典型的には略砂時計形状のステンレス鋼片であり、ステンレス鋼片は回転子コイル及び支持構造体の形状に適応すべく、回転子支持構造体２０の適切な半径となるように湾曲させられる。
【００３１】
充填材７６（即ち「充填材」領域）の機械的密度を回転子コイル１６，１８及びマンドレル５４の機械的密度と一致させることにより、回転子アセンブリ１４は更にバランスが保たれるとともに、性能が更に向上する。先に説明したように、充填材７６がコイル／マンドレル結合物よりも高い機械的密度を有する場合には、運転中に充填材７６には密度が低い回転子コイル／マンドレル結合物よりも大きい遠心力が作用する。それ故、充填材７６は回転子コイル／マンドレル結合物よりも大きい度合で回転子アセンブリ１４の回転軸線から半径方向に離間するように引っ張られるので、不均一な半径方向の歪み（即ち楕円化）が生じる。マンドレル５４の場合と同様に、充填材の機械的密度を回転子コイル／マンドレル結合物の平均機械的密度と一致させる方法は幾つかある。
【００３２】
充填材７６は回転子コイル／マンドレル結合物の平均密度と略等しい密度を有する材料から構成されてもよい。或いは、ステンレス鋼、銅、アルミニウム、フェノール樹脂等の、より高密度の材料を使用してもよい。この場合には、材料は平均機械的密度が低くなるように加工される。先に説明したように、これは例えば充填材７６に孔７８，８０，８２及び／又は長溝８４，８６を形成して、充填材の表面積を適切な割合だけ減少させることにより達成される。これらの孔／及び長溝を形成する場合には、充填材全体の密度分布を均一化するために、その寸法が最小に維持されるとともに空間的な頻度が最大に維持されるべきである。これら孔の寸法及び空間的な頻度の典型例では、５．１センチメートル（２インチ）の中心間距離を有するように配置される１．３センチメートル（１／２インチ）の直径の孔とされる。
【００３３】
充填材７６の密度を減少させる別の方法では、その厚みを必要量だけ減少させる。それ故、充填材の密度を１／３だけ減少させる必要がある場合には、充填材７６の厚みを１／３だけ減少させて、必要な機械的密度の減少を達成すればよい。
【００３４】
電機子巻線３８は３相電機子巻線として前述したが、その他の構成も可能である。例えば、電機子巻線３８は単相電機子巻線であってもよい。
マンドレル５４は第１の半径を有する一対の末端部５６，５８と、第２の半径を有する一対の凸状中央部６０，６１とを含むとして前述したが、その他の構成も可能である。例えば、マンドレル５４は長円形状（楕円形状）であってもよく、従って連続して変化する半径を有してもよい。
【００３５】
支持部材２２は非磁性材料（例えばアルミニウム）から加工されるとして前述したが、支持部材２２は磁性材料（例えば鉄）から加工されてもよい。図５を参照すると、代替の実施形態において、支持部材は一連の積層体から形成される鉄芯２２’である。積層体は極低温冷却器で冷却されてもよいし或いは冷却されなくともよく、円柱状支持構造体２０の内容積中に配置される。次にトルク管３０が積層体のまわりで収縮して積層体が圧縮状態でトルク管に収容されるように、トルク管３０が冷却される。トルク管３０はまた、鉄芯周りでトルク管に予荷重をかけるために収縮溶着されてもよい。
【００３６】
中実の鉄芯が使用されてもよいが、積層集合体であれば積層体の一層にクラックが生じたら、クラックはその層において孤立するとともに隣接する層に伝播されないので好ましい。非延性鉄芯が回転子コイル１６，１７，１８，１９と共に極低温冷却される場合には、鉄芯にクラックが生じることは重大な問題である。極低温では鉄の脆性が増大する。半径方向における積層構造体の延性強度を増加させるために、補強層（例えばガラス繊維又はステンレス鋼）が層間に配置されてもよい。積層体及び補強層には次に例えばエポキシ樹脂が含浸される。
【００３７】
鉄芯２２’をトルク管内に配置することにより、回転機１０の運転において顕著な効果が得られる。鉄芯２２’を配置する場合には、回転子コイルは鉄芯２２’の半径方向に近接して配置されるべきである。これらの効果を理解するために、回転子コイル超電導巻線の各々により発生される磁路を単純に説明したものが図示されている。四分円の左上に対応する４つの磁路の１つは鉄芯２２’の地点８８から出発し、低インピーダンス路を提供する後方鉄部材９４と接近するまで軸９２と略平行に延在する経路９０を延びる。この地点では、磁路は後方鉄部材中を反時計周り方向に延び、次にループを形成するために軸９８と平行な経路９６に沿って地点８８へ向かって戻る。四分円の残りの磁路は同様に、鉄芯から離間するように延び、後方鉄部材を通ってから鉄芯へ戻る。
【００３８】
図５から理解できるように、磁路の大部分は支持構造体２０の内容積中に配置される鉄芯２２’を通過する。鉄は高飽和磁束密度材料（即ち約２．０テスラ）であるので、磁路の総リラクタンスを減少させるとともに巻線の任意のアンペア回数に対して発生する磁束量を増加させるべく、ある程度磁性短絡回路として作用する。従って、損失が少ない磁性回路が提供され、より高効率のモータが得られる。
【００３９】
また図６を参照すると、回転子アセンブリ１４内の磁界分布を示す図は、鉄芯２２’を流れる磁束の増加を示している。
回転子コイル１６，１８は凸状中央部５０を含むとして前述したが、その他の構成も可能である。例えば、中央部は平行な側縁を有しており、従って中央部は凸状ではなく矩形形状とされてもよい。
【００４０】
回転子コイル１６，１８は鞍型コイルとして前述したが、図７に図示するようなレーストラック型回転子コイル構造１００等のその他の構成も可能である。レーストラック型コイル１００は典型的には、相互に積み重ねられる複数のコイル巻線（例えば巻線１０２，１０４，１０６）から構成される。
【００４１】
また図８を参照すると、回転子コイル１６’の代替実施形態の断面図が示されており、回転子コイルを巻くために使用される導体５２はマンドレル５４’に巻回されており、マンドレル５４’の凸状中央部６０’，６１’の周縁は回転子支持構造体２０の表面１０８と直交する。従って、マンドレル５４’の凸状中央部６０’，６１’に近接して配置される個々の導体は回転子支持構造体２０の表面１０８と直交する。導体５２は矩形断面形状を有するので、導体５２の幅広面も回転子支持構造体２０の面１０８と直交するように配置される。従って、マンドレル５４’に巻回される個々の導体により発生させられる磁束線（例えば磁束線１１０，１１２，１１４）は導体５２の幅広面と平行であるので、本回転子コイル構成は、磁束線を半径方向に（即ち、回転子アセンブリの軸中心線に向けて）整列させる。磁束線が鉄芯２２に直交方向に当たるように磁束線は半径方向に整列させられることにより、磁気効率が向上する。また、本コイル構成によれば凸状外表面１１６を有する回転子コイルが製造されるので、回転子コイルは回転子支持構造体と密接して配置され得る。更に、本回転子コイル構成の凹状内表面１１８は鉄芯２２と近接して配置させられる。
【００４２】
本発明の幾つかの実施形態について詳述してきた。しかし当然のことながら、本発明の精神及び範囲から逸脱することなく様々な変更が行われてもよい。従って、その他の実施形態は以下の請求項の範囲内にある。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】回転機の断面図。
【図２】図１の回転機において、回転子アセンブリの一部を示す等角投影図。
【図３】図１の回転機において、回転子コイル及びマンドレルを示す等角投影図。
【図４】図１の回転機の充填材を示す平面図。
【図５】図１の回転機の磁路を示す概略図。
【図６】図１の回転機において、回転子アセンブリ内の磁界分布を示すプロット図。
【図７】図１の回転機において、回転子コイルの別の実施形態を示す図。
【図８】図３の回転子コイル及びマンドレルの別の実施形態を示す断面図。
【図１】
2006515501.tif 000003
【図２】
2006515501.tif 000004
【図３】
2006515501.tif 000005
【図４】
2006515501.tif 000006
【図７】
2006515501.tif 000007
【図５】
2006515501.tif 000008
【図６】
2006515501.tif 000009
【図８】
2006515501.tif 000010
【国際調査報告】
2006515501.tif 000011
2006515501.tif 000012
2006515501.tif 000013