(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、
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を有する超伝導コイル巻線と、
前記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の端部の間を延びる少なくとも１つのテンションボルトと、
該テンションボルトに取り付けられ、前記コイル巻線の側部分に連結されたハウジングと、
を備えることを特徴とするロータ。
【請求項２】
前記ハウジングが、前記側部分の対向する面上に一対の側板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３】
前記テンションロッドの第２の端部から延び、前記コイル巻線の第２の側部分に当接する第２のボルト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４】
前記ハウジングが、前記コイルの側部分を支える側板と、該側板の間にあって前記側部分の外面に当接するくさびとを備えることを特徴とする、請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載のロータ。
【請求項５】
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って、
ａ．前記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、
ｂ．該ロッドの端部に少なくとも１つのテンションボルトを挿入する段階と、
ｃ．前記コイル巻線の側部分の一方の周りに少なくとも１つのハウジングを組み立てる段階と、
ｄ．前記テンションロッド及びテンションボルトが、前記ハウジングを備える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該ハウジングを備えるコイル巻線を配置する段階と、
ｅ．前記ボルトを前記ハウジングの一つに固定する段階と、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項６】
第２のボルトを前記ロッドの第２の端部に挿入する段階と、該第２のボルトを前記コイル巻線の第２の側部分に取り付けられた第２ハウジングに固定する段階とを更に含むことを特徴とする、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
第２ハウジングを前記コイルの第２の側部分の上に挿入する段階と、該第２ハウジングを前記テンションロッドの端部の第２のボルトに取り付ける段階とを更に含み、前記テンションロッドが、前記ロータコアの回転軸線を通って延び、前記コイルの第１側部及び第２側部が、前記ロータの両側にあるようにすることを特徴とする、請求項５に記載の方法。
【請求項８】
同期機械のためのロータであって、
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対して平行な平面内にある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の各々の端部におけるテンションボルトと、
前記コイル巻線を各々のテンションボルトに連結するハウジングと、
を備えることを特徴とするロータ。
【請求項９】
前記ロータコアの前記長さ方向軸線に対して直角であり、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。
【請求項１０】
前記ハウジングが、前記コイル巻線の対向する面上にある一対の側板と、該側板に連結されたくさびと、該側板に連結され、前記ボルトに固定されたねじ込みインサートとを含むことを特徴とする、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】
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。
【００１３】
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、一対のテンションボルト、及び一対の溝ハウジングを含む。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。テンションボルトが、テンションロッドの両端に挿入される。テンションボルトにより、コイル形状のばらつきを補償するのに有効なコイル支持組立体の長さ調整がなされる。各々のボルトは、溝ハウジングの対の一つに固定される。各々のハウジングは、ＨＴＳコイルの周りに嵌まる。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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
第１の実施形態において、本発明は、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、テンションロッドの端部に挿入される少なくとも１つのテンションボルトと、テンションボルトに取り付けられ、コイル巻線の側部分を支えるハウジングとを備える同期機械のためのロータである。
【００１７】
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、ロッドの端部に少なくとも１つのテンションボルトを挿入する段階と、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一方の周りに少なくとも１つの溝ハウジングを組み立てる段階と、ボルトを溝ハウジングの一つに固定する段階とを含む、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。
【００１８】
本発明の更に別の実施形態は、ロータの長さ方向軸線に対して直角な導管を有するロータコアと、ロータの長さ方向軸線に対して平行である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、コアの導管内のテンションロッドと、テンションロッドの各々の端部におけるテンションボルトと、コイル巻線の対向する側部をテンションボルトに連結するハウジングとを備える、同期機械のためのロータである。
【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、双方がロータコア２２を支え、軸受２５によって支持される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、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リング７８を含む。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を有する。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。動力タービンによって、駆動継手３２を介して駆動端シャフト３０を駆動することができる。
【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（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、ロータコアを貫通して延びるテンションロッド４２と、該ロッドの端部に挿入されるテンションボルト４３と、該ボルトに固定され、コイル巻線を支える溝形コイルハウジング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。
【００３０】
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、テンションロッド４２とボルト４３の組立体（テンションロッド組立体）の各々は、コイルの間を跨ぎ、溝形コイルハウジング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。
【００３１】
溝形コイルハウジング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、溝ハウジング４４及びテンションボルトの端部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。
【００３２】
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。絶縁チューブは、ロータの導管４６の広径端部８８の壁と係合する下側の外リング１２３を有する。絶縁チューブ５２の円筒形の側壁１２１は、外リング１２３から上方に延びており、導管の壁とは接触しない。チューブの上端部は、該チューブをテンションロッド４２に連結するロックナット８４と係合する。従って、絶縁チューブとロックナットは、ロータコアの導管４６内にあるテンションロッドに対して、非熱伝導性の取り付けを行うものである。
【００３３】
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３４によって定められる平面内にある。さらに、導管の軸線は、コイルの側部分に対して直角である。さらに、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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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、及び関連した溝ハウジング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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。さらに、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。
【００３９】
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。さらに、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。
【００４０】
テンションボルト４３は、テンションロッドの端部のねじ穴１２０にねじ込むようになっている。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の全長（この組立体は、コイルの側部の間を跨ぐ）は、一つ又は両方のボルト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。このテンションロッドとボルトとの組立体の長さ調整は、この組立体をコイル巻線の側部の間に嵌める際に有用である。テンションロッド端部のねじ穴の深さは、テンションロッドとボルトとの組立体の長さを適切に調整するのに十分な程である。
【００４１】
ボルトの頭部１２２は、平坦な外面８６を有するフランジを含む。ボルトの平坦な頭部８６は、コイル巻線３４の内面に当接し、よって、コイル巻線にかかるテンションロッドに対して平行な荷重を支持する。
【００４２】
ボルト頭部の平坦な面８６は、コイル巻線の側部の内面を支持する。コイル巻線の側部４０の他の３つの面は、溝ハウジング４４によって支持される。各々のコイル溝ハウジングは、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。
【００４３】
各々の溝ハウジング４４は、一対の側板１２４、くさび１２６、及びねじ込みインサートスリーブ１２８を有する。側板は、コイルの対向する面を支える。各々の側板の内面は、くさびを受ける狭いスロット１３０、及びコイル巻線の側面を受ける「Ｌ」形状の面１３２を有する。各々の側板の内面はまた、コイル巻線の角部に係合するＬ形面１３２のリップ１３５を含むねじ付きフランジ１３４を有する。フランジのねじ部分は、対向する側板１２４のフランジ部分１３４の間に嵌まるねじ込みインサート１２８に係合する。インサートは、テンションボルト４３を受ける、リムを備えた孔１３７を有する。ロックナット１３８が、インサート１２８をボルト頭部４３に対して堅く保持する。
【００４４】
くさび１２６は、各々の側板の狭いスロット１３０内に嵌まり、側板の間を跨ぐものである。このくさびは、コイルの外面に当接し、コイルの外面上にある冷却通路３８を受けるチャネル１３６を有する。ロックねじ１４０が、側板をくさびに保持する。側板は、くさびによって互いに保持され、ボルト頭部に固定されたねじ込みインサートを把持する。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作ることができる。一般的な溝ハウジングの材料は、アルミニウム及びチタニウム合金である。溝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。
【００４５】
図４に示すように、一連の溝形コイルハウジング４４（及び関連したテンションボルト４３とロッド４２）を、コイル巻線の側部４０に沿って配置することができる。溝ハウジングは、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。溝ハウジング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。
【００４６】
複数の溝ハウジング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。溝ハウジングは、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。
【００４７】
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、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。
【００４８】
テンションロッド４２、ボルト４３、及び溝ハウジング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溝ハウジングは、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５８によって支持することができる。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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、その間の熱対流伝達を阻止する絶縁チューブ５２を設けてもよい。さらに、絶縁チューブ５２に連結され、テンションロッドとハウジングとの間の接続を更に容易にする絶縁ロックナット８４を設けてもよい。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への熱伝達を最小にしながら、テンションロッドと溝ハウジングをロータコアに固定する。
【００５３】
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。
【００５４】
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。ボルトがテンションロッド内に配置される前に、ねじ込みインサート１２８及びロックナット１３８が、ボルト４３上に配置される。しかしながら、溝ハウジング４４を組み立てるまで、ロックナットはインサートに固定されない。
【００５５】
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４０上の溝ハウジングの組立体間の距離にわたるように、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。
【００５６】
溝ハウジング４４は、コイル巻線３４を覆って組み立てられる。ロックねじが、くさびと側板を互いに保持するように挿入される。次いで、コイル巻線と溝ハウジングの部分組立体が、テンションロッド４２の両端の上でロータコアに挿入される。ボルト頭部の平坦な端部が巻線の側部分４０の内面に当接するように、円筒形のねじ込みインサート１２８が、側板の間にねじ込まれるか、さもなければ挿入される。ロックナット１３８は、ボルトに対してねじ込みインサートを固定するために用いられる。
【００５７】
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。
【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。
【００５９】
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、コイル溝ハウジング、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。
【００６０】
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】  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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