(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ステータの真空キャビティ内に配置される、同期機械におけるロータであって、
前記ロータの軸を中心として回転するロータコアと、
該ロータコアの少なくとも一部分の周りに延び、該ロータコアの端部に隣接するコイル端部分を有する超伝導コイル巻線と、
前記端部分に取り付けられかつ該端部分を支え、前記ロータコアから熱的に隔離された端部コイル支持体と、
を含み、
前記端部コイル支持体は前記コイルの端部分の少なくとも１つの側面に接し、該少なくとも１つの側面は、前記ロータの軸とほぼ平行な面であり、前記端部コイル支持体の幅は、前記コイルの端部分の幅よりも広く、前記端部分の前記幅の全体に接していることを特徴とするロータ。
【請求項２】
前記コイルの端部分の前記少なくとも１つの側面は、前記コイルの端部分の一対の側面であり、前記端部コイル支持体が、前記コイル端部分の一対の側面をそれらの間に挟む１対の対向面を備える分割型クランプであり、前記１対の対向面は、前記ロータの軸とほぼ平行であり、前記超伝導コイル巻線は、固体状エポキシ含浸巻線複合材料で積層されたＢＳＣＣＯ（ＢｉxＳｒxＣａxＣｕxＯx）導線を含み、前記超伝導コイル巻線の中心は、前記ロータの軸上に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】
前記コイルの端部分の前記少なくとも１つの側面は、前記コイルの端部分の一対の側面であり、前記端部コイル支持体が、前記コイル端部分をそれらの間に挟む１対の板を備え、前記１対の板の各々は、前記コイルの端部分の前記一対の側面の少なくとも１つに接する板面を備えており、前記板面は、前記ロータの軸とほぼ平行な面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】
ステータの真空キャビティ内に配置されるロータに含まれ、前記ロータの軸を中心として回転するロータコアであって、同期機械のロータコア上に超伝導コイル巻線を支持するための方法であって、
前記コイル巻線の端部分を端部コイル支持体で支える段階であって、前記端部コイル支持体は、前記ロータコアの軸にほぼ平行な面である前記コイル巻線の端部分の少なくとも１つの側面に接しており、前記端部コイル支持体の幅は、前記コイルの端部分の幅よりも広く、前記端部分の前記幅の全体に接している、前記端部コイル支持体で支える段階と、
前記コイル巻線と前記端部コイル支持体と前記ロータコアとを組み立てる段階と、
前記ロータコアにロータ端シャフトを取り付ける段階と、
前記コイル支持体を前記ロータコア及びシャフトから熱的に隔離する段階と、を含むことを特徴とする方法。
【請求項５】
前記コイルの端部分の前記少なくとも１つの側面は、前記コイルの端部分の一対の側面であり、前記端部コイル支持体が、前記コイル端部分の一対の側面をそれらの間に挟む１対の対向面を備える分割型クランプであり、前記１対の対向面は、前記ロータの軸とほぼ平行であることを特徴とする、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記組み立てる段階が、前記コイルの端部分と前記コイル支持体とを、前記ロータ端シャフトのスロット内へ挿入する段階を含むことを特徴とする、請求項４に記載の方法。
【請求項７】
前記コイルの端部分の前記少なくとも１つの側面は、前記コイルの端部分の一対の側面であり、前記端部コイル支持体が、前記コイル端部分をそれらの間に挟む１対の板を備え、前記支持する段階が、前記１対の板の各々を、前記コイルの端部分の前記一対の側面の少なくとも１つに当てる段階を含み、前記板面は、前記ロータの軸とほぼ平行な面であることを特徴とする、請求項４に記載の方法。
【請求項８】
前記コイルを極低温冷却する段階と、前記端部コイル支持体を前記コイルと該コイル支持体との間の熱伝達によって冷却する段階とを更に含むことを特徴とする、請求項４に記載の方法。
【請求項９】
ステータの真空キャビティ内に配置される、同期機械のためのロータであって、
該ロータの長手方向軸線に直交する少なくとも１つのロータコア端部を有し、前記ロータの軸を中心として回転するロータコアと、
前記ロータコア端部に取り付けられた少なくとも１つの端シャフトと、
前記ロータコアの周りに延び、前記ロータコア端部に隣接するコイル端部分を有するレーストラック形超伝導（ＳＣ）コイル巻線と、
前記コイル端部分に取り付けられ、前記ロータ及びロータ端シャフトから熱的に隔離されたコイル支持体と、を含み、
前記コイル支持体は、前記端部分の幅の全体に接しており、前記コイルの端部分の前記少なくとも１つの側面は、前記ロータの軸とほぼ平行であり、前記コイル支持体の幅は、前記コイルの端部分の幅よりも広く、前記端部分の前記幅の全体に接しており、前記コイル支持体は、前記コイルの端部分を覆っていることを特徴とするロータ。
【請求項１０】
前記コイル支持体が、分割型クランプであることを特徴とする、請求項１又は請求項９に記載のロータ。
【請求項１１】
前記コイル支持体が、前記コイル端部分をそれらの間に挟む１対の板を含むことを特徴とする、請求項１又は請求項９に記載のロータ。
【請求項１２】
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含み、前記コイル支持体が、前記コイル巻線からの伝導によって冷却されることを特徴とする、請求項１又は請求項９に記載のロータ。
【請求項１３】
前記ロータ端シャフトが、前記コイル端部分とコイル支持体とを受けるためのスロットを有し、前記ロータ端シャフトは、前記コイル支持体と接触せず、前記ロータコアと接続されていることを特徴とする、請求項９に記載のロータ。
【請求項１４】
前記コイル支持体が、前記コイル端部分の全長を被うことを特徴とする、請求項１又は請求項９に記載のロータ。
【請求項１５】
前記コイル支持体が、前記ロータコアの軸線と直交していることを特徴とする、請求項１又は請求項９に記載のロータ。
【請求項１６】
前記ロータコアの第２の端部に隣接する第２のコイル端部分と、該第２のコイル端部分に取り付けられた第２のコイル支持体とを更に含むことを特徴とする、請求項１又は請求項９に記載のロータ。
【請求項１７】
前記コイルの長い側部分に取り付けられたコイル側部支持体を更に含むことを特徴とする、請求項１又は請求項９に記載のロータ。
【請求項１８】
前記ロータコアを貫通して直角方向に延びる少なくとも１つのテンションロッドと、該テンションロッドの両端部に取り付けられたコイルハウジングとを更に含み、該コイルハウジングの各々が、前記コイルの対向する長い側部分に取り付けられることを特徴とする、請求項１７に記載のロータ。
【請求項１９】
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１８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及びその他の加速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、ロータに対する低サイクル疲労負荷となり、又ロータコイルを歪ませる曲げモーメントを与える。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、曲げモーメント、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及びその他の加速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】
高温超伝導（ＨＴＳ）電気機械の開発に対する課題は、超伝導界磁コイルの構造的一体性を維持することである。コイルが脆弱なため、ＢＳＣＣＯベースコイルの臨界電流は、コイルの機械的歪みの度合いに敏感である。従って、臨界電流の最適レベルを維持するために、ＳＣコイルの機械的歪みは最小にされなければならない。
【００１２】
同期機械のロータのためのＳＣコイルにおける機械的歪みを最小化するために、頑丈なコイル支持体が必要とされる。コイル支持体は、コイルの歪みを最小化することにより、コイルがその臨界電流能力を持ち続けることを保証する。コイルの歪みを最小化することに加えて、コイル支持体は、ロータから極低温コイルへ熱を伝導してはならない。
【００１３】
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。
【００１４】
【発明の概要】
レーストラック形ＳＣコイルの端部を把持する分割型クランプを有するコイル支持体が開発された。クランプは、コイルに剛度と剛性を与え、遠心加速時にコイルが曲がるのを防止する。コイルに剛性を持たせることにより、クランプはコイルの歪みを最小化し、それによってコイルの臨界電流能力を維持する。
【００１５】
分割型クランプはコイルに自由浮遊状態で取り付けられ、ロータには固定されない。従って、分割型クランプはコイルと共に極低温に保たれることができる。自由浮遊状態のクランプは、ロータコア及び端シャフトカラーのような高温の構造体から熱的に隔離（断熱）される。自由浮遊状態のクランプは、ロータからの熱がクランプを介してコイルへ伝導するのを防ぐための断熱構造を必要としない。
【００１６】
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。
【００１７】
分割型クランプを含むコイル支持システムは、該コイル支持システムをコイルとロータとに一体化させる上で有用である。更に、コイル支持システムは、最終的なロータの組み立てに先立っての、コイル支持システムとコイルとロータコアとの容易な事前組み立てを助ける。事前組み立ては、コイルとロータの組み立て時間を短縮し、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。
【００１８】
第１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って、該ロータは、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、ロータコアの端部に隣接するコイル端部分を有する超伝導コイル巻線と、端部分を支え、ロータコアから熱的に隔離されたコイル支持体とを含む。
【００１９】
第２の実施形態において、本発明は、同期機械のロータコア上に超伝導コイル巻線を支持するための方法であって、該方法は、コイル巻線の端部分を端部コイル支持体によって支える段階と、コイル巻線と端部コイル支持体とロータコアとを組み立てる段階と、ロータコアにロータ端シャフトを取り付ける段階と、コイル支持体をロータコア及びシャフトから熱的に隔離する段階とを含む。
【００２０】
第３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って、該ロータは、ロータの長手方向軸線と直交する少なくとも１つのロータコア端部を有するロータコアと、ロータコア端部に取り付けられた少なくとも１つの端シャフトと、ロータコアの周りに延び、ロータコア端部に隣接するコイル端部分を有するレーストラック形超伝導（ＳＣ）コイル巻線と、コイル端部分に取り付けられ、ロータコア及びロータ端シャフトから熱的に隔離されたコイル支持体とを含む。
【００２１】
【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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
ロータは、軸受２５によって支持されたコレクタ端シャフト２４及び駆動端シャフト３０を含む。コレクタ端シャフトは、コレクタリング７８を含み、該コレクタリング７８は、コイル接点７９を通してのＳＣコイルに対する外部電気接点となる。コレクタ端シャフト２４はまた、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。ロータの駆動端シャフト３０は、駆動継手３２を介して発電タービンによって駆動されることができる。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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及び出口ポート４１を有する。これらの流体（ガス）ポート３９、４１は、ＳＣコイル上の冷却通路３８を低温剤移送継手２６につながる通路に接続する。
【００３０】
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。
【００３１】
機械の作動中にロータが加速及び減速される時、コイル巻線の端部分５４は大きな曲げモーメントを受ける。コイル端部分５４は、ロータ端部５６を横切って半径方向に延びる。端部分が半径方向に延びているので、コイル端部分の加速度はその長さに沿って変化する。従って、ロータの加速及び減速中に、コイル端部分には曲げモーメントが作用する。端部分に作用する曲げモーメントは、コイルの側部分４０に作用するどんな曲げモーメントよりも一層顕著に現れる。
【００３２】
ＳＣコイルの曲がりは、脆弱なＳＣコイルに機械的な歪みを与える。ＳＣコイルにおける過度な歪みは、超伝導状態において臨界電流を処理するコイルの能力を低下させるおそれがある。従って、コイルの過度な曲がり及び歪みを防止するコイル支持体が、コイルの端部分５４のために必要とされる。分割型クランプ５８（図３）がコイル端部分に適用される。分割型クランプはコイル端部分に剛性を与え、それによってコイル端部分５４における過度な曲がりと歪みを防止する。
【００３３】
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。コイル支持システムは、コイルの端部分５４を挟む１対の板６０で形成された分割型クランプ５８を含む。更に、コイル支持システムは、コイルの長い側部分４０のための支持体を含む。これらコイル側部４０の支持体は、溝ハウジングに連結されたテンションロッド４２を含む。ハウジングは、コイル巻線３４の側部分４０をロータ内に保持し支持する。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部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。
【００３４】
鉄製コアロータにおけるＨＴＳコイル巻線３４の主な荷重は、ロータ回転時における遠心加速と、停止及び始動時におけるロータの加速及び減速とによるものである。効果的なコイル構造支持体が、ロータに作用する力を打ち消すために必要とされる。
【００３５】
コイル巻線３４の端部分５４は、ロータコアの対向する端部５６に隣接する。分割型クランプ５８は、コイル端部分が一層よく曲げモーメントに耐えることができるように、各コイル端部分を支える。各端部分５４における分割型クランプは１対の対向する板６０を含み、それらの間にコイル巻線３４の端部分５４が挟まれる。各クランプ板の表面は、コイル巻線３４と巻線に対する冷却流体及び電気接続部３９、４１、７９とを受けるための溝１１６、１１８（図６）を含む。
【００３６】
分割型クランプ５８は、コイルの端部分の曲がりが最小になるように、コイルの端部分に剛性を与える。分割型クランプは、コイルの端部分の曲がりを減らすことにより、コイルの歪みを減少させる。分割型クランプは、アルミニウム、インコネル合金、又はステンレス鋼で形成することができる。これらの材料はまた、貼り合わせられたＢＳＣＣＯ２２２３超伝導線と同様の熱膨張係数を有する。従ってクランプは、コイルと同様な熱膨張及び熱収縮特性を有する。分割型クランプの板６０は、それらの間にコイル端部分を挟んだ状態で互いに結合することができる。これとは別に、これらの板は、板と板との間にコイルのための小さな隙間が保持されるように、互いにボルトで組み立ててもよい。
【００３７】
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、分割型クランプを含む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。
【００３８】
分割型クランプ５８は、ロータ端シャフト２４、３０のカラー６２によって取り囲まれるが、カラー６２と接触しない。各々の端シャフトのカラー６２は、ロータコア２２の端部５６に結合される。図３には１つのカラーだけしか図示していないが、カラーは両方の端シャフト上に設けられ、コアの両端部に取り付けられるのが普通である。カラー６２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。分割型クランプは、カラーの側壁６６から真空によって隔てられる。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離間して配置され、それらは互いに接触状態になることはない。
【００３９】
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（図示せず）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。
【００４０】
側部コイル支持体が、遠心加速度を最も強く受けるコイルの側部分４０に沿って必要とされる。コイルの側部分４０を支持するために、テンションロッド４２がコイルの両側部分の間を跨ぎ、コイルの対向する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。
【００４１】
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。チューブは、ロックナット８４によって、コア内に保持される。
【００４２】
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ングの数で決まることになる。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
止めピン８０が、溝ハウジング４４をテンションロッドの端部に連結する。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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
ロータコアを金属の円筒形遮蔽体（図示せず）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。
【００５８】
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。
【００５９】
図４、図５、及び図６は、ロータにおけるコイル支持構造体とコイル巻線のための組み立て工程を概略的に示す。図４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。
【００６０】
図５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。
【００６１】
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を含む。
【００６２】
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、及び過渡的欠陥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。
【００６３】
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。
【００６４】
図６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３９、４１と、コイルへの入力及び出力電流用接続部７９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。
【００６５】
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ロータのための組み立て工程を示す斜視図。
【図５】  図３に示すＨＴＳロータのための組み立て工程を示す斜視図。
【図６】  図３に示すＨＴＳロータのため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
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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