(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
同期機械において、ロータが、
ロータコアと、
該ロータコアの少なくとも一部分の周りに延び、該ロータコアの両側に一対の側部分を有する超伝導コイル巻線と、
該コイル巻線の前記一対の側部分の間を、前記ロータを貫通して延びる少なくとも一つのテンションロッドと、
該テンションロッドの両端の各々におけるコイルハウジングと、
を備え、
該コイルハウジングが、前記コイル巻線の周りを包み、前記テンションロッドに取り付けられる、
ことを特徴とするロータ。
【請求項２】
前記コイルハウジングが、Ｕ形の溝であることを特徴とする、請求項１に記載のロータ。
【請求項３】
前記ロータコアが、内部が真空であることを特徴とする、請求項１に記載のロータ。
【請求項４】
前記コイル巻線に冷却流体を供給する極低温継手を更に備え、前記ハウジングと前記テンションロッドが、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５】
前記ハウジングを前記テンションロッドに連結する止め具を更に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６】
前記テンションロッドが、前記ロータの長さ方向軸線を通って延びることを特徴とする、請求項１に記載のロータ。
【請求項７】
前記テンションロッドが、前記ロータコアの導管を貫通して延びることを特徴とする、請求項１に記載のロータ。
【請求項８】
同期機械のためのロータであって、
該ロータの長さ方向軸線に直交する導管を有するロータコアと、
前記ロータの長さ方向軸線に平行な、平面状のレーストラック形状のレーストラック形超伝導（ＳＣ）コイル巻線と、
前記コアの前記導管内のテンションロッドと、
該テンションロッドに前記コイル巻線を連結するハウジング継手と、
を備えることを特徴とするロータ。
【請求項９】
前記コイルの両端にクランプを更に備えることを特徴とする、請求項８に記載のロータ。
【請求項１０】
前記ロータコアの長さ方向軸線に直交し、前記ＳＣコイルによって定められる平面内にある複数の導管を更に備えることを特徴とする、請求項８に記載のロータ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
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】
【発明の背景】
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一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】
さらに、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。さらに、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損傷状態に曝される。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。さらに、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、米国特許第５，５４８，１６８号、同第５，５３２，６６３号、同第５，６７２，９２１号、同第５，７７７，４２０号、同第６，１６９，３５３号、及び、同第６，０６６，９０６号に開示されている。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。
【００１２】
【発明の概要】
ＳＣコイルをＨＴＳロータの真空空間内に取り付けるための、テンションロッド及びＵ形溝ハウジングを有するコイル支持構造体が開示される。テンションロッドは、コイルの両側を跨いでいる。溝ハウジングは、テンションロッドの両端に取り付けられ、コイルの側部分の周りを包む。コイルは、コイルに作用する遠心力及び他の力に対して、テンションロッド及び溝ハウジングによって支持される。
【００１３】
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。
【００１４】
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。さらに、コイル支持システムは、最終のロータ組み立ての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。
【００１５】
第１の実施形態において、本発明は、ロータコアと超伝導（ＳＣ）レーストラック形コイル巻線を備えるロータである。コイル支持システムは、コイル巻線と、コイル巻線を各々のテンションロッドの両端に固定する溝ハウジングとの間を跨ぐテンションロッドを備える。
【００１６】
別の実施形態において、本発明は、同期機械のためのロータであり、該ロータは、内部が真空であるロータと、該ロータの少なくとも一部分の周りに延び、該ロータの両側に一対の側部分を有する超伝導コイル巻線と、コイル巻線の一対の側部分の間を、ロータの導管を貫通して延びる少なくとも一つのテンションロッドと、テンションロッドの両端の各々におけるコイルハウジングとを備え、コイルハウジングが、コイル巻線の周りを包み、テンションロッドに取り付けられる。
【００１７】
本発明の別の実施形態は、同期機械のロータにおいて超伝導コイルを支持するための方法であり、該方法は、ロータの導管を貫通して延びるようにテンションバーを配置する段階と、コイルの一部分の上にブラケットハウジングを挿入する段階と、ブラケットハウジングにテンションバーの端部を取り付ける段階とを含む。
【００１８】
本発明の更に別の実施形態は、同期機械のためのロータであり、該ロータは、その長さ方向軸線に直交し、ＨＴＳコイルによって定められる平面に平行な導管を有するロータコアと、ロータコアの長さ方向軸線に平行な、平面状のレーストラック形超伝導（ＳＣ）コイルと、導管の孔内に嵌められたテンションロッドと、ＨＴＳコイルの曲げ歪み、引張歪み、又は曲げ及び引張歪みを最小にするためのコイルハウジングとを備える。
【００１９】
【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。
【００２０】
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。
【００２１】
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、従ってコイル巻線に必要とされる超電導（ＳＣ）コイル線の量を最小にする。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。
【００２２】
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。
【００２３】
ロータは、ロータコア２２を支えるコレクタ端シャフト２４及び駆動端シャフト３０を含み、該端シャフトは、軸受２５によって支持される。端シャフトは、外部装置に連結することができる。例えば、コレクタ端シャフト２４は、ロータのＳＣコイル巻線を冷却するのに使用される極低温冷却流体の源への極低温剤移送継手２６を有する。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る固定セグメントと、ＨＴＳコイルに冷却流体を供給する回転セグメントとを有する。コレクタ端シャフト２４はまた、回転するＳＣコイル巻線に電気的に接続するためのコレクタ７８を含む。ロータの駆動端シャフト３０は、動力タービン継手３２によって駆動されることができる。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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１１４を有する。
【００２７】
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及び出口ポート１１２を有する。これらの流体（気体）ポート１１２は、ＳＣコイル上の冷却路３８を、極低温剤移送継手２６に接続する。
【００２８】
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。
【００２９】
図３は、高温超伝導コイルのためのロータコア２２及びコイル支持システムの分解図を示す。支持システムは、Ｕ形溝ハウジングに連結されたテンションロッド４２を備える。ハウジングは、ロータ内にコイル巻線３８の側部分４０を保持し、支持する。図３において、一つのテンションロッド及び溝ハウジングが示されているが、一般的に、コイル支持システムは、一連のテンションロッドを含み、その各々が該ロッドの両端にコイル支持ハウジングを有する。テンションロッド及び溝ハウジングは、ロータ作動中のコイル巻線の損傷を防ぎ、遠心力及び他の力に対してコイル巻線を支持し、該コイル巻線に防護のための遮蔽を与える。
【００３０】
鉄製コアロータにおけるＨＴＳコイル巻線３４の主な荷重は、ロータの回転時の遠心加速度によるものである。効果的なコイル構造支持体が、遠心力を打ち消すために必要とされる。コイル支持体は、最も大きな遠心加速度を受けるコイルの側部分４０に沿うことがとりわけ必要とされる。コイルの側部分を支持するため、テンションロッド４２は、コイルの側部分の間を跨ぎ、コイルの対向した側部分を把持する溝ハウジング４４に取り付けられる。テンションロッドは、ロータコアの導管４６、例えば孔を貫通して延び、該ロッドは、同一コイルの側部分の間、又は隣接するコイルの間を跨ぐことができる。
【００３１】
導管４６は、真っ直ぐな軸線を有する、ロータコア内のほぼ円筒形の通路である。導管の直径は、ロータの凹状の表面付近における導管端部を除いて、ほぼ一定である。導管は、ロータコアとテンションロッドとの間に滑動可能な軸受面及び熱的絶縁を与える非熱導伝性の円筒形スリーブ（断熱チューブ）５２を受け入れるため、それらの端部のところで大きな直径に拡張することができる。
【００３２】
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位置する。さらに、導管の軸線は、該導管を貫通して延びるテンションロッドが連結されるコイルの側部分に対して直交している。さらに、ここに示される実施形態においては、導管は、ロータ軸線と直交し、かつ該軸線と交差している。導管の数と導管の位置は、ＨＴＳコイルの位置及び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（図１０参照）で決まることになる。
【００３３】
テンションロッドがコイル巻線の両側部間をほぼ半径方向に延びるので、該テンションロッドは、遠心力に対して特に良好にコイルを支持する。各テンションロッドは、該ロッドの長さ方向に沿って連続し、レーストラック形コイルの平面内にあるシャフトである。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、ロータに動的利点をもたらす。さらに、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コイル支持体と共に組み立てることができる。コイルと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、コイル支持体の品質を向上させ、コイル組み立てのばらつきを減少させる。レーストラック形コイルは、コイルの長い側を跨ぐテンション部材の列によって支持される。テンションロッドを備えるコイル支持部材は、コイルに予め組み立てられる。
【００３４】
ＨＴＳコイル巻線及び構造支持体構成部品は、極低温状態にあり、これに対して、ロータコアは、周囲の「高」温度状態にある。コイル支持体は、熱がロータコアからＨＴＳコイルに到達するのを許す熱伝導源となる可能性がある。ロータは、作動時に高温になる。コイルを極低温状態に保持しようとすると、コイルへの熱伝導を回避しなければならない。ロッドは、ロータの孔、例えば導管を貫通して延びるが、ロータと接触しない。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。
【００３５】
コイルからの熱の漏れを減少させるため、コイル支持体を最小にして、ロータコアのような熱源から支持体を通る熱伝導を減少させる。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、支持構造体は、冷却されたＳＣ巻線から熱的に隔離されている。常温支持体については、超伝導（ＳＣ）コイルの機械的荷重の大部分は、低温の部材から常温の部材に跨る構造部材によって支持される。
【００３６】
低温支持システムでは、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構造部材によって支持される。ここに開示される例示的なコイル支持システムは、テンションロッド及び該テンションロッドをＳＣコイル巻線に連結する関連するハウジングが、極低温又はその付近に維持されるので、低温支持体である。支持部材が低温なので、これらの部材は、例えばロータの他の「高温」構成部品からロータコアを通る非接触導管によって、熱的に隔離される。
【００３７】
個々の支持部材は、テンションロッド４２（バーと該バーの両端における一対のボルトとしてもよい）、溝ハウジング４４、及び該ハウジングをテンションロッド端部に連結する止めピン８０によって構成される。各々の溝ハウジング４４は、テンションロッドに連結される脚部とコイル巻線３４を受ける溝とを有するＵ形ブラケットである。Ｕ形溝ハウジングは、コイルのための支持システムの精密で便利な組み立てを可能にする。一連の溝ハウジングを、コイル巻線の側部に沿って端から端まで配置することができる。溝ハウジングは、全体として、各々のコイルの側部分４０のほぼ全体にわたってコイルに作用する力、例えば遠心力を分散させる。
【００３８】
溝ハウジング４４は、コイルの側部分４０を、遠心力による過剰な撓みと曲げから防ぐ。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収縮に対してコイルを拘束しない。特に、熱膨張は、主として側部分の長さに沿う方向に向いている。従って、コイルの側部分は、溝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。
【００３９】
コイル構造体から支持ロッドへの遠心力の伝達は、コイルの外表面及び側部直線部分の周りに嵌まり、テンションロッドの拡径端に、ピン８０によって止められる溝ハウジングによる。Ｕ形溝ハウジングは、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。溝ハウジングのための一般的な材料は、非磁性体であるアルミニウム、インコネル、又はチタン合金である。Ｕ形ハウジングの形状を最適にして、軽量及び高強度にすることができる。
【００４０】
止めピン８０は、溝ハウジング及びテンションロッドの孔を貫通して延びる。重さを軽くするために、止めピンは中空としてもよい。ロックナット（図示せず）を、止めピンの両端にねじ込み、又は取り付けて、Ｕ形ハウジングを固定し、該ハウジングの両側面が、荷重を受けて別々に広がるのを防ぐ。止めピンは、高強度のインコネル又はチタン合金で作ることができる。Ｕ形ハウジング及びコイル幅に適合させるように、端部に２つの平坦部８６を有するように機械加工した拡径端部８２が、テンションロッドに設けられる。テンションロッドの平坦部８６は、ロッド、コイル及びハウジングが互いに組み立てられるとき、ＨＴＳコイルの内面に当接する。この組立体は、止め具を受けるテンションロッドの孔における応力集中を減少させる。
【００４１】
テンションロッド４２、溝ハウジング４４及び分割型クランプ５８からなるコイル支持システムを、ＨＴＳコイル巻線３４と共に組み立てて、両者をロータコア２２に取り付けることができる。テンションロッド、溝ハウジング、及びクランプは、コイル巻線を支持し、該コイル巻線をロータコアに対して適所に保持するための適正な剛構造体を構成する。
【００４２】
各々のテンションロッド４２は、ロータコアを貫通して延びるが、ロータ軸線２０を通って直交して延びてもよい。ロータコアを貫通する導管４６は、テンションロッドが貫通して延びる通路を形成する。導管の直径は、十分に大きいので、導管の高温のロータ壁が低温のテンションロッドと接触するのを回避することができる。接触を回避することにより、テンションロッドとロータコアとの間の熱的隔離が向上する。
【００４３】
ロータ端シャフトは、一般的には、ステンレス鋼のような非磁性材料で作られるが、ロータコア２２は、一般的に、鉄のような磁性材料で作られる。一般的に、ロータコア及び端シャフトは、組み立てられ、かつボルト止め又は溶接のいずれかによって互いに固定的に接合されている別々の構成部品である。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。さらに、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。
【００４７】
コイル巻線３４の端部分５４は、ロータコアの対向した端部５６に隣接している。分割型クランプ５８は、コイル巻線の端部分の各々をロータ内に保持する。各々のコイル端部５４における分割型クランプは、コイル巻線３４を間に挟む一対の対向するプレートを含む。クランププレートの表面は、コイル巻線及び該巻線への接続部１１２、１１４を受けるための溝１１６、１１８（図１１）を備える。
【００４８】
分割型クランプ５８は、アルミニウム又はインコネル合金のような非磁性材料で形成することができる。同じ又は同様の非磁性材料を使用して、テンションロッド、溝ハウジング、及びコイル支持システムの他の部分を形成することができる。強磁性材料は、キュリー転移温度以下の温度では脆性になり、荷重支持構造体として使用することができないので、コイル支持システムは、極低温で延性を保持するために非磁性体であるのが好ましい。
【００４９】
分割型クランプ５８は、カラー６２に囲まれているが、該カラーと接触していない。図３には１つのカラーだけが示されているが、ロータコア２２の各々の端部にカラー６２が取り付けられる。カラーは、ロータのシャフトを形成する材料と同じ又は類似のステンレス鋼のような非磁性材料の厚いディスクである。実際には、カラーはロータシャフトの一部である。カラーは、ロータ軸線と直交し、分割型クランプ５８を受け、かつ通過させるのに十分広いスロット６４を有する。スロット付きカラーの高温の側壁６６は、低温の分割型クランプから間隔を置いて配置され、それらは互いに接触状態になることはない。
【００５０】
カラー６２は、ロータコアの隆起したディスク領域７０（対向するカラー内に挿入される隆起したディスク領域については、ロータコアの反対側を参照）を受けるために凹状のディスク領域６８（スロット６４によって二分されている）を含むことができる。ロータコアの端部５６の隆起したディスク領域を凹状のディスク６８に挿入することにより、カラー内にロータコアが支持され、ロータコアとカラーとの位置合わせが容易になる。さらに、カラーは、該カラーを貫通し、該カラーのリムの周りを長さ方向に延びる円形配列のボルト孔７２を有することができる。これらのボルト孔は、ロータコア中に部分的に延びるねじを切られた適合するボルト孔７４に対応する。ねじを切られたボルト孔７５（図５参照）が、これらの長さ方向のボルト孔７２、７４を貫通して延び、カラーをロータコアに固定する。
【００５１】
図４は、ロータコア及びカラーの第１の断面図である。図５は、第１の断面図に直交する方向の、ロータ及びカラーの第２の断面図である。電線用及び冷却流体用の導管は、コイル端部分５４の一つからロータ軸線に沿って、カラー６２を通って延びる薄壁チューブ７６によって遮蔽される。チューブ７６内の冷却導管は、極低温移送継手２６に通じるコイル巻線の冷却通路３８の入口及び出口ポート１１２に連結される。コイルへの電気継手１１４が、冷却継手２６と同じコイルの端部分に設けられる。
【００５２】
レーストラック形コイル巻線３４の側部分４０は、ロータコアの導管４６を貫通して延びる一連のテンションロッド４２によって支持される。テンションロッドは、同一のコイルの対向する側部分の間、又は２つのコイルの側部分の間を延びる、非磁性の真っ直ぐなバーである。テンションロッドは、インコネルＸ７１８のような高強度の非磁性合金で形成することができる。テンションロッドは、コイル巻線の側部の周りを包み、それを保持する溝ハウジング４４との継手を各端部に有する。溝ハウジング４４とテンションロッド４２は、コイル巻線の側部分に加えられる張力の調整を行うことができる。例えば、テンションロッドは、ロータコアを貫通して延び、テンションボルトを受けるようにねじを切られた開口部を各端部に有するテンションバーにより形成することができる。テンションボルトは、各々がコイル巻線に当接する平坦な面８６を有することができる。
【００５３】
コイル巻線３４は、コイルの対向する側部分４０を跨ぐテンションロッド４２（そのうちの１つだけが図４に示される）によって支持される。溝ハウジング４４は、止めピン８０によってテンションロッドの端部に連結される。例示目的のために、図６の左側は、溝ハウジングなしのテンションロッドを示す。同様に、図４の上側は、溝ハウジングなしのテンションロッド４２を示し、一方、下側には、テンションロッドに取り付けられた溝ハウジングを示す。テンションロッド４２は、ロータコア２２の導管４６を貫通して延びる。これらの導管は、それぞれの端部８８において直径が増大されている。これらの拡大端部８８は、テンションロッドのスリーブとして形成される断熱チューブ５２を受ける。断熱チューブは、テンションロッド４２を高温のロータコア２２から熱的に遮蔽する。
【００５４】
図５に示されるように、導管４６は、ロータ軸線を通って垂直に延び、コアの全長に沿って対称に配置される。導管４６の数と、ロータコア上における導管の配列及び該導管相互間の配列は、設計上の選択事項である。
【００５５】
ロータコアを金属の円筒形遮蔽体９０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。
【００５６】
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。図７は、ロータ軸線に対して垂直に切った、ロータコア２２、テンションロッド４２、コイル巻線３４及び関連する構造体の拡大部分を示す断面図である。テンションロッドの平坦な端部８６は、コイル巻線３４の内面に当接する。テンションロッドの対向する端部（図７に図示せず）は、コイル巻線の対向する側部の同様の内面に当接する。従って、テンションロッドは、コイル巻線の間を跨ぎ、コイル巻線を支持する固定面８６を提供する。
【００５７】
各々のテンションロッド４２は、典型的にはその全長に沿った円筒形であるが、平坦な端部８６を有し、それにより、コイル巻線及びＵ形溝ハウジング４４へ緊密に取り付けることが可能となる。各々のテンションロッドは、止めピン８０によって溝ハウジング４４に連結され、該ハウジングがテンションロッドから半径方向外向きに摺動するのを防ぐ。溝ハウジングは、ロータ回転時に遠心力によってコイルが曲がり、又は歪むのを防ぐ。ロックナット（図示せず）は、止めピン８０の端部にねじ込まれ、荷重を受けて押し広がらないようにハウジング４４の側脚部１０６を固定する。止めピンは、高強度のインコネル又はチタン合金で作ることができる。各々のテンションロッド４２は、テンションロッドが意図的にロータコアに接触しないように非接触型の導管４６内部に嵌められる。各々のテンションロッドの端部において、コイル支持構造体を高温のロータに固定し、かつその間の伝導による熱伝達を減少させる断熱チューブ５２を設けてもよい。さらに、テンションロッド４２にねじ込まれ、断熱チューブ５２に連結されたロックナット８４を設けてもよく、該ロックナット８４を用いて、導管４６内においてロッド４２の位置を固定し、調整することができる。ロックナット８４及びチューブ５２は、テンションロッド及び溝ハウジングをロータコアに固定し、高温のロータからハウジング構造への熱伝達を最小にする。
【００５８】
断熱チューブは、熱絶縁材料で形成される。チューブの一端は、導管８８の壁に当接する外リング１２０を含むことができる。チューブの他端は、テンションロッドを保持するロックナット８４に係合する内リング１２２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、断熱チューブ５２の全長及びロックナット８４を通って伝導されなくてはならない。すなわち、断熱チューブは、ロータコアからテンションロッドを熱的に隔離する。
【００５９】
コイル巻線はまた、溝ハウジング４４（図８参照）によっても支持される。溝ハウジングは、遠心力（図７の矢印１００）及び接線方向のトルク力（矢印１０２）に対してコイル巻線を支持する。溝ハウジングは、アルミニウム、インコネル、及びチタニウム合金のような非磁性の金属材料で形成することができる。溝ハウジングは、テンションロッド端部の孔１０４を貫通して延びる止め具８０によってテンションロッド上の適所に保持される。溝ハウジングの脚部１０６を、厚くしてもよく、また止め具を受ける孔１０８の周りに構造的支持を与えるリブを有してもよい。遠心力は、ロータの回転により発生する。トルク伝達に加え、ロータの加速及び減速により接線方向力が発生することがある。コイル巻線の側部４０は、溝ハウジング４４、及びテンションバーの端部８６により包み込まれているので、コイル巻線の側部はロータ内に完全に支持される。
【００６０】
テンションロッド及び溝ハウジングが、グリッド損傷状態が発生した際に生じる可能性のある半径方向の大きな力に耐えるのを助けるために、支持ブラケット１２４が設けられる。半径方向の支持体は、コイル巻線の側部４０の周りに嵌まり、分割型クランプ５８を越えて延びる矩形の箱とすることができる。支持ブラケットは、凹状の表面のスロット中にダブテール部を用いて接合された一対の側壁を含む。側壁は、ロータコアの表面４８からシェル９０まで延び、該シェルに構造的強度を与える。
【００６１】
図９から図１１は、ロータにおけるコイル支持構造体及びコイル巻線のための組み立て工程を概略的に示す。図９に示すように、ロータコアがカラー及び他のロータの構成部品と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ける断熱チューブ５２は、導管４６の各々の端部にある拡大端部８８に配置される。チューブ５２は、リテーナロックナット８４によって適所に固定される。テンションロッドがロータコア２２内に組み立てられると、コイル巻線をコア上に挿入することが可能になる。
【００６２】
図１０に示されるように、テンションロッド４２の平坦な端部８６がＳＣコイルの側部分４０の内面に当接するように、ＳＣコイル３６がロータコア上に挿入される。巻線がテンションバーの端部上に挿入された後に、溝ハウジング４４がＳＣコイルを覆って挿入される。溝ハウジングは、止め具８０をそれぞれテンションロッド及び溝ハウジング１０４、１０８内の孔を通して挿入することによって、テンションバーの端部に固定される。
【００６３】
溝ハウジング４４は、冷却導管３８を受け、コイル３６に対して該導管を保持する上部内面に沿ったスロット１１０を含む。
【００６４】
複数の溝ハウジングが、遠心力による影響なしに、適所にコイルを効果的に保持する。溝ハウジングは、互いに近接した状態で示されているが、遠心荷重、トルク伝達、及び過渡的損傷状態の間に大きな曲げ及び引張歪みによって引き起こされるコイルの劣化を防ぐために必要なだけ近接していればよい。
【００６５】
ロータコア及びコイルがカラー及びロータの他の部品と組み立てられる前に、溝ハウジング及びテンションロッドをコイル巻線と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一つの装置として組み立てることができる。
【００６６】
図１１は、クランププレート６０によって形成される分割型クランプ５８の組立体を示す。クランププレート６０は、コイル巻線の端部分５４をそれらの間に挟む。分割型クランプは、コイル巻線３４の端部に対する構造的支持体を構成する。分割型クランプのプレート６０は、その内面にコイル巻線を受けるチャネル１１６を含む。同様に、プレートは、気体の入口／出口ライン１１２と、コイルへの入力及び出力電流用接続部１１４とのための溝１１８を含む。コイル支持体、コイル、及びロータコアが組み立てられると、このユニットはいつでもロータ及び同期機械内に組み立てることができる。
【００６７】
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。
【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）ロータの構成部品の分解図。
【図４】  図３に示すＨＴＳロータの概略断面図。
【図５】  図３に示すＨＴＳロータの概略断面図。
【図６】  図３に示すＨＴＳロータの概略断面図。
【図７】  図３に示すＨＴＳロータのためのコイル支持構造の一部の拡大断面図。
【図８】  溝ハウジングの斜視図。
【図９】  図３に示すＨＴＳロータの組み立て工程を示す斜視図。
【図１０】  図３に示すＨＴＳロータの組み立て工程を示す斜視図。
【図１１】  図３に示すＨＴＳロータの組み立て工程を示す斜視図。
【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
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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