(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
同期機械（１０）のためのロータであって、
ロータ軸線（２０）を有するロータ・コア（２２）と、
極低温冷却流体のための流路（３８）を含み、前記ロータ・コアに取り付けられた一対の超伝導コイル巻線（３４、１００）であって、該コイル巻線の各々が、前記ロータ軸線に対して平行かつ該ロータ軸線からオフセットしたそれぞれの平面内にある、前記一対の超伝導コイル巻線（３４、１００）と、
前記一対の超伝導コイル巻線（３４、１００）に接続され、コイル支持体及びコイル巻線の構造体を形成するコイル支持体とを備え、
該構造体が前記ロータ・コア（２２）から隔たっている、ことを特徴とするロータ。
【請求項２】
前記超伝導コイル（３４）がレーストラック形状を有し、
前記超伝導コイル（３４、１００）の各々が、前記ロータ軸線（２０）に対して平行である一対の対向した側部分（４０）を有す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（２２）が、鉄製コア本体であり、該ロータ・コアに沿って長さ方向に延びる凹状の表面（４４）と、前記コイル巻線を分離する隆起部（５０）を有し、該凹状の表面が、コイル巻線（３４、１００）を受けることを特徴とする、請求項１に記載のロータ。
【請求項４】
前記コイル巻線の間に延び、該コイル巻線を接合し、前記ロータ・コアの導管（５２）を貫通して延びるテンション・ロッド（７２）を更に含み、
該テンション・ロッドが、前記コイルの前記それぞれの平面に対して直交しており、
前記導管の直径は、前記ロータ・コアが前記テンション・ロッドに接触するのを回避するように、前記テンション・ロッドの直径よりも十分に大きいことを特徴とする、請求項１に記載のロータ。
【請求項５】
前記一対のコイル巻線の各々は、一対の対向した端部分（４２）を有し、
前記一対のコイル巻線の一対の端部分（４２）は、前記ロータ・コアの一対の端部の外側に隣接して配置され、
前記ロータは、前記一対のコイル巻線の一対の端部分（４２）を夫々保持する分割型クランプ（５４）を備えており、該分割型クランプは、前記一対のコイル巻線の一対の端部分（４２）を間に挟む非磁性材料で形成された一対のプレートを含む、請求項１に記載のロータ。
【請求項６】
前記各コイル（３４）の対向した側部分を跨いでこれらに接合されるテンション・ロッド（６２）と、前記コイル（３４）の両方を跨いでこれらに接合されるテンション・ロッド（７２）とを更に含むことを特徴とする、請求項１に記載のロータ。
【請求項７】
前記コイル巻線（３４、１００）が、前記ロータ軸線の両側にあり、前記コイル巻線の各々の平面と前記ロータ軸線が等距離だけ離れており、
前記コイル巻線（３４、１００）の各々の平面が互いに平行であり、前記ロータ軸線が前記平面の間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８】
同期機械（１０）のためのロータ（１４）であって、
ロータ軸線を有するロータ・コア（２２）を含み、該ロータ・コアが、該ロータ・コアに沿って長さ方向に延びる凹状の表面（４４）を有し、
夫々が極低温冷却流体のための流路（３８）を含む第１及び第２の超伝導コイル巻線（３４、１００）が、前記ロータ・コアに取り付けられ、前記コイル巻線の各々が、前記ロータ軸線に対して平行かつ該ロータ軸線からオフセットした平面内にあり、
複数の第１テンション・ロッド（６２）が、前記コイル巻線の各々の対向した側部分を跨いでこれらを接合し、
複数の第２テンション・ロッド（７２）が、前記コイル巻線の両方の間を跨いでこれらを接合し、
前記第１及び第２の超伝導コイル巻線（３４、１００）及び前記第１及び第２のテンション・ロッドが前記ロータ・コア（２２）から隔たっている、ことを特徴とするロータ。
【請求項９】
前記コイル巻線の前記側部分の一部を各々が支持し、前記第１テンション・ロッドの１つと前記第２テンション・ロッドの１つの端に各々が接合される複数の溝ハウジング（７０）を更に含むことを特徴とする、請求項８に記載のロータ。
【請求項１０】
前記溝ハウジング（７０）が、前記側部分の全体を被覆するハウジングを形成することを特徴とする、請求項９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体に関する。
【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し、それにより、電気機械の出力密度を増大させ、重量と寸法の著しい減少をもたらす。しかしながら、空コア超伝導ロータは、所要のコイル数より多い多量の超伝導線と、コイル支持体の複雑さと、コストとを必要とする。このような超伝導ロータは、それらの超伝導コイルを液体ヘリウムによって冷却し、冷却し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。極低温冷却に対する液体ヘリウムの使用は、戻された室温の気体ヘリウムの連続的な再液化を必要とし、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。
【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】
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。
【０００７】
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。
【０００８】
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荷重を受ける。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％の過速度作動及び作動時の極低温において時たま起こる過速度に耐えることができなければならない。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荷重をかなり増大させる。
【０００９】
電気機械のロータの界磁巻線として使用されるＨＴＳコイルは、それらが遠心荷重、トルク伝達及び過渡的損傷状件に曝されるので、冷却及び通常作動時に応力及び歪みを受ける。力、応力、歪み及び周期的荷重に耐えるため、ＨＴＳコイルは、ロータに適当に支持されなければならない。コイルをロータ内に保持するこれらの支持システム及び構造体は、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、これらの支持システム及び構造体は、ＨＴＳコイルを保護し、コイルにひびが入り、疲労し、或いは破壊しないことを保証しなければならない。
【００１０】
ＨＴＳコイルのための支持システムの開発は、ＳＣコイルを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ロータ用のＨＴＳ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。同期機械におけるＨＴＳコイル用のロータ及びコイル支持システムに対する積年の要請がある。その要請は、低コストで製造し易い構成部品で作られるＨＴＳコイル支持システムにある。
【００１１】
【発明の概略】
同期機械のロータ・コア上に２つのＨＴＳコイルを有するロータ。同様に、一対のＨＴＳコイルをロータに取り付けるための支持構造体が開示される。ロータは、ＨＴＳコイルを含むように独自に設計された同期機械のためのものとすることができる。別の構成では、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ＨＴＳ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コイルロータは又、他の同期機械に使用するのにも適している。
【００１２】
２極界磁巻線のための２重レーストラック形ＨＴＳコイル設計は、コイル設計及びコイル支持体設計における単純さを含む幾つかの利点を提供する。さらに、２重コイル設計は、単一コイルロータのコイル巻線の量をほぼ２倍にする。従って、２重コイル設計は、（コイルを発電機のロータに組み込むと）かなり大きな発電容量を有する。
【００１３】
第１の実施の形態では、本発明は、（ｉ）ロータ軸線を有するロータ・コアと、（ii）ロータ・コアに取り付けられ、各々が、ロータ軸線に対して平行でロータ軸線からオフセットしたそれぞれの平面内にある一対の超伝導コイル巻線とを含む同期機械のためのロータである。
【００１４】
別の実施の形態では、本発明は、（ｉ）ロータ軸線を有するロータ・コアを含み、ロータ・コアが、ロータ・コアに沿って長さ方向に延びる凹状の表面を有し、（ii）第１及び第２の超伝導コイル巻線が、ロータ・コアに取り付けられ、コイル巻線の各々が、ロータ軸線に対して平行でロータ軸線からオフセットした平面内にあり、（iii）複数の第１テンション・ロッドが、コイル巻線の各々の対向した側部分を跨いでこれらを接合し、（iv）複数の第２テンション・ロッドが、コイル巻線の両方の間を跨いでこれらを接合する、同期機械のためのロータである。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本明細書に関連する添付図面に、本発明の実施の形態を記載する。
【００１６】
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。（破線によって示される）ステータは、ステータの円筒形のロータキャビティ１６を取り囲む界磁巻線コイルを含む。ロータは、ステータのロータ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はステータを通って移動し、ステータのコイルの巻線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。
【００１７】
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、従って線の使用量を減少させる。例えば、ロータの鉄心は、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。
【００１８】
ロータ１４は、一対のほぼ長さ方向に延びるレーストラック形の高温超伝導（ＨＴＳ）コイルを支持する（図３参照）。別の構成では、超伝導コイルは、サドル形にしてもよく、或いは、特定のロータ設計に適した幾つかの他の形状を有してもよい。ここに開示されるコイル支持システムは、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。
【００１９】
ロータは、コア２２を支える一対の端シャフト２４、３０を含み、該端シャフトは、軸受によって支持され、外部装置に結合することができる。コレクタ端シャフト２４は、コイル巻線３４のコイル３６の接続部７９に対して外部電気接続を行うコレクタリング７９を含む。さらに、コレクタ端シャフトは、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、極低温冷却流体の源に結合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。駆動端シャフト３０は、例えば駆動タービンへの動力継手３２を含む。
【００２０】
図２は、例示的なＨＴＳレーストラック形の界磁巻線コイル３４を示す。ロータのＳＣ界磁巻線コイル３４は、高温超伝導（ＨＴＳ）コイル３６を含む。各々のＨＴＳコイルは、固体状エポキシ含浸巻線複合材料として積層されたＢＳＣＣＯ（ＢｉxＳｒxＣａxＣｕxＯx）導線のような、高温超伝導導体を含む。例えば、一連のＢ2Ｓ2Ｃ2Ｃ3Ｏ線を、固体状エポキシ含浸コイル状に積層し、結束することができる。
【００２１】
ＨＴＳ線は、脆くて、傷つき易い。ＨＴＳコイルは、一般的に、ＨＴＳテープで巻かれた層であり、厳密な寸法公差を得るため、精密なコイル形態でエポキシ含浸されている。テープは螺旋状に巻かれ、レーストラック形ＳＣコイル３６を形成する。熱伝導によって冷却を行うため１つ又はそれ以上のコイル外表面に結合された冷却導管を含むレーストラック形巻線を形成するように、線が巻かれる。サドル形コイルの実施の形態では、ロータに対して半径方向に配向されるようにテープを配列することができる。
【００２２】
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コイルは、ロータ・コアの磁極を取り囲み、ロータ軸線に対して平行である。ＨＴＳコイル巻線は、レーストラックのまわりで連続している。コイルは、ロータ・コアのまわり及びコアの磁極の間に、無抵抗の電流路を形成する。
【００２３】
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の外縁部のまわりに延びることができる。流路は、極低温冷却流体を供給し、伝導熱伝達によってこれらの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・コアの一端に入口ポート３９と出口ポート４１とを有する。これらのポート３９、４１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。
【００２４】
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側部分４０と、ロータ軸線に対して直交する端部分４２とを有する。コイルの側部分は、これらの部分がロータ軸線から最も離れたコイルの部分であるので、最も大きな遠心応力を受ける。従って、コイルのこれらの側部分は、コイルの側部分を固定し、コイルの側部分に作用する遠心力を打ち消す（図３及び図４に示される）支持システムによって支持される。
【００２５】
図３は、２重ＨＴＳレーストラック形コイル巻線３４を備えたロータ・コア２２の概略図である。端シャフト２４、３０は、ロータ・コアの対向した端部から延びる。ロータ・コアは、高磁束透過性のような所望の磁気特性を有する鉄鍛造品とすることができる。ロータ・コアは、ロータ・コアの対向した端部のところに位置する２つの磁極を有することができる。ロータ・コアは、コイル巻線と電磁的に相互作用し、ロータとステータのまわりに電磁界を生成する。
【００２６】
ロータ・コアと端シャフトは、単一の鉄のシャフトから、例えば鍛造によって、一体に形成することができる。別の構成では、ロータ・コアと端シャフトは、互いに組み立てられる別個の構成部品とすることができる（コアさえも、多数片のコアとすることができる。）。ロータの組み立てを容易にするため、コアの鍛造品を３つの片にすることができる。しかしながら、ここに示す例では、ロータ・コアは、端シャフトと一体であり、コアとシャフトは、ロータの全長に沿って連続している。別の構成では、ロータの鉄心（鉄製ロータ・コア）は、シャフトの長さ方向に沿った多数の部分で形成することができる。
【００２７】
鉄製ロータ・コア２２は、ステータ１２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、ロータ・コアは、円筒形のコアの湾曲した表面に形成され、ロータ・コアを横切って長さ方向に延びる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４４を有する。コイル巻線３４は、これらの凹状の領域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延びる。ロータ上のこれらの凹状の表面４４は、コイル巻線を受けるようになっており、従って、窪みの形状は、コイル巻線に一致するように設計される。例えば、コイル巻線がサドル形状又は幾つ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。
【００２８】
ロータ・コアの凹状の表面４４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４６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。
【００２９】
ロータ包絡面とステータキャビティ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。
【００３０】
２重ＨＴＳコイル巻線装置では、ロータ・コア２２は、２つのコイルのための２対の凹状の表面４４を有する。これらの４つの凹状の表面は、回転時に釣り合うように、ロータ・コアの周囲のまわりに対称的に配列される。これらの表面４４の各々は、ロータ・コア内に、ロータ・コアの長さにわたって延び、ほぼ直角三角形の横断面を有する容積４８を定める。この三角形横断面の斜辺は、ロータ・コアの表面４６の弧となる。各々の容積４８は、２つのＨＴＳコイル巻線３４のうち一方の側部分４０を受ける。温かい鉄製コア２２は、テンション・バーがロータを貫通して延びるのを可能にするため、導管孔５２の列を有する。
【００３１】
一対のロータ・コアの隆起部５０が、ロータに沿って長さ方向にロータの両方の側に延びる。一対の隆起部は、ロータの回転によって形成される包絡面まで、ロータ上を半径方向外方に延びる。各々のコア隆起部は、２つのコイル３４と、コイルが取り付けられる凹状の表面４４との間にある。隆起部は、ロータ・コアと一体であり、ロータ・コアの他の部分と同じ透磁性材料で形成される。隆起部は、ロータの回転毎に２度生じる振動を減少させるため、ポール軸線のまわりにおけるロータの曲げ剛性を必要なだけ高めるように設計される。
【００３２】
鉄製コア・ロータにおけるＨＴＳコイルの主な荷重は、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（図４参照）は、コイルの間を跨ぎ、コイルの対向した側部分を把持する。テンション・ロッドは又、一対のコイルの間に延びて、２つのコイルの間において支持を与えることもできる。テンション・ロッドは、ロータ・コアにおける導管５２、例えば孔を貫通して延び、同じコイルの側部分の間、又は隣接するコイルの間においてテンション・ロッドを跨ぐことができる。
【００３３】
導管５２は、真っ直ぐな軸線を有する、ロータにおけるほぼ円筒形の通路である。導管の直径は、ロータがテンション・ロッドに接触するのを回避し、従って、ロータとテンション・ロッドとの間における熱伝導による熱伝達を回避するように、テンション・ロッドの直径よりも十分に大きくすることができる。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、テンション・ロッドのための円筒形スリーブ（図４参照）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。
【００３４】
導管５２は、ロータ・コアを貫通して延び、テンション・ロッドのための通路を形成する開口、即ち孔である。導管は、ほぼ円形の直径と、ロータを通る真っ直ぐな軸線とを有する。導管の軸線は、該導管が対応するレーストラック形コイルによって定められる平面内にほぼ位置する。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・ロッドが接続されるコイルの側部分に対して直交している。さらに、ロータの導管の直径は、テンション・ロッドがロータに接触することのないように、十分に大きい。テンション・ロッドとロータ・コアとの間における接触を回避することは、ロータ・コアからテンション・ロッドを経て冷却されたＳＣコイル巻線に至る熱伝導を最小にする。
【００３５】
導管５２は、コイルの側部分４０に対して垂直にすることができる。同じコイルの対向した側部分の間を跨ぐこれらのテンション・ロッドに対して、対応する導管は、該コイルと同じ平面内にある。２重コイルの間に延びるこれらのテンション・ロッドに対して、対応する導管は、両方のコイルの平面に対して直交し、ロータ・コアの隆起部５０を貫通して延びることができる。導管の数と導管の位置は、コイルの側部分を支持するのに必要とされるＨＴＳコイルの位置及びコイル・ハウジング（図４参照）の数で決まることになる。
【００３６】
図４に示されるように、一対のコイル巻線３４の各々の端部分４２は、ロータ・コアの対向した端部に隣接している。分割型クランプ５４（図４）が、コイル巻線の端部分を保持する。分割型クランプは、コイルの端部分を間に挟む一対のプレートを含む。分割型クランプは、インコネルＸ７１８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・ロッド及び支持システムの他の部分を形成することができる。キュリー転移温度以下の温度では強磁性材料が脆くなって荷重支持構造体として使用することができないので、支持システムは、極低温温度で延性を保持するため、非磁性体であるのが好ましい。
【００３７】
コイル巻線の各端部における分割型クランプ５４は、コイルの端部分４２を間に挟む一対の対向したプレート５６を含む。クランプ・プレート５６の表面は、コイル巻線の端部分を受けるため、溝５８を含む。分割型クランプは、該クランプをロータ・コアに保持してクランプがＨＴＳコイルの端部分を支持するのを可能にするカラー（図示せず）又は他の構造装置によって支持することができる。
【００３８】
コイルへの電気及び冷却流体継手（電気継手のみが図３及び図４に示されている）は、コイルの端部分４２のところにある。コイルへの電気継手は、ロータの回転コイルに電気接続するためのコレクタ（図示せず）を有する端シャフトに最も近い端部分に設けられる。極低温冷却流体がコイルに流れ、コイルから冷却システムに循環される冷却流体によってコイルから熱を取り除くことができるように、冷却流体継手は、各コイル巻線の対向した端部分のところに設けられる。
【００３９】
レーストラック形のＨＴＳコイル３４の側部分４０は、ロータ・コア本体における導管５２を貫通して延びる一連のテンション・ロッド６２によって支持される。テンション・ロッドは、同じコイルの対向した側部分の間、又は、２つのコイルの側部分の間に延びる、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、各端のところに、コイル巻線を保持する溝ハウジング６４を持つ継手を有する。溝ハウジングとテンション・ロッドは、コイル巻線の側部分に加えられる張力の調整を行う。
【００４０】
コイル巻線支持体は、コイル巻線をロータ上に保持し、ロータの回転及び電気機械の作動によって生ずる遠心力及び振動に抗してコイル巻線を支持する。コイル巻線支持体は、ロータを貫通して延びるテンション・ロッドを含み、テンション・ロッドは、その両端のところでコイル巻線上にクランプされる。テンション・ロッドがコイル巻線までほぼ半径方向に延びるので、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、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。
【００４１】
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、コイルの組立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。
【００４２】
ＨＴＳコイル及び構造支持体構成要素は、極低温状態にある。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容する潜在的な熱伝導源である。ロータは、作動時に熱くなる。コイルを超冷却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。テンション・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。
【００４３】
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）「温間」支持体と（ii）「冷間」支持体がある。温間支持体では、支持構造体は、冷却されたＳＣ巻線から熱的に隔絶されている。温間支持体については、超伝導（ＳＣ）コイルの機械的荷重の大部分は、冷たい部材から温かい部材に跨がる構造部材によって支持される。
【００４４】
冷間支持システムでは、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。冷間支持体では、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支持システムは、テンション・ロッド及びテンション・ロッドをＳＣコイル巻線に結合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、冷間支持体である。支持部材が冷たいので、これらの部材は、例えばロータの他の「熱い」構成要素からロータ・コアを通る非接触導管によって、熱的に隔絶される。
【００４５】
個々の支持部材は、テンション・ロッド６２と、溝ハウジング６４と、溝ハウジングをテンション・ロッドの端に接合する止めピン６６とによって構成される。各々の溝ハウジング６４は、テンション・ロッドに接合する脚部と、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。溝ハウジングは、全体として、各コイルの側部分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。
【００４６】
溝ハウジング６４は、集合されて、ＨＴＳコイル３４の側部分４０の各々の長さに沿って延びる。溝ハウジングは、コイルの側部分を、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熱による膨張収縮からコイルを拘束しない。特に、熱膨張は、側部分の長さを増減させ、従って、支持システムに対して長さ方向に摺動させる。
【００４７】
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まわりに嵌まり、テンション・ロッドの拡径端６８に止め６６られるＵ形ハウジングによるものである。Ｕ形ハウジングは、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にすることができる。
【００４８】
Ｕ形ハウジング及びテンション・ロッドを通る止めピン６６を中空にして軽量にすることができる。係止ナット又はピンを止めピンの端にねじ込み又は取り付けて、荷重を受けた時に別々に広がらないようにＵ形ハウジングの側部を固定する。止めピンは、高強度のインコネル又はチタン合金で形成することができる。Ｕ形ハウジング及びコイル幅に嵌まるように端部に２つの平坦部７０を持つ機械加工した拡径端部６８が、テンション・ロッドに設けられる。テンション・ロッドの平らな端部７０は、ロッド、コイル及びハウジングが互いに接合されるとき、ＨＴＳコイルの内表面に当接する。この構成は、止めピンを受け入れるテンション・ロッドの穴の領域における応力集中を減少させる。
【００４９】
隣接するコイル間に延びるテンション・ロッド７２はまた、Ｕ形溝ハウジング６４にも取り付けられる。これらのテンション・ロッドは、２重コイルを互いに支持する骨組となる。テンション・ロッド７２は、各溝ハウジングの側部の雌型接合具７４に挿入される。ロック用止めピン７４を使用して、テンション・ロッド７６を溝ハウジングの側部に固定することができる。
【００５０】
ＨＴＳコイル巻線３４をロータ・コア２２に取り付ける時に、テンション・ロッド６２、溝ハウジング６４及び分割型クランプ５４のコイル支持システムを組み立てることができる。実際には、コイル支持システムは、主に、ＨＴＳコイル巻線をロータ・コアに取り付ける手段である。テンション・ロッド及び溝ハウジングのフレームは、コイル巻線を支持し、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相応に隆起した構造体を与える。
【００５１】
コイル巻線３４は、ロータ・コアのまわりの導電円筒体によってステータに誘導される磁束から遮蔽することができる。さらに、コイル巻線を真空中に置き、コイル巻線をロータの熱から隔絶することができる。真空は、ロータ・コアのまわりの円筒形真空容器によって形成することができる。
【００５２】
図５は、ロータ２０に取り付けられる２重サドル形コイル１００の概略図である。サドル形コイルの各々は、各コイルが巻き付けられたＳＣコイル３６で形成され、コイルを極低温に維持する冷却通路３８を有する点で、図２に示されるレーストラック形巻線と同様な構造を有する。サドル形コイルは、ロータ・コアの長さ方向スロット１０２に嵌め込まれる長い側部分１４０を有する。スロットは、コア２２の長さにわたって延び、各々が、コアの両方の側にある。サドル形コイルは、ロータ・コアの端部５６に隣接する端部分１５４を有する。従って、サドル形コイルの各々は、コアの一対のスロットを通して延び、コアの端部に巻き付けられる。遮蔽体９０は、コイルを被覆し、コイルに真空を与え、ステータからの電磁界が敏感なコイルに浸入しないように導電性である。
【００５３】
図６は、２重サドル形コイル１００のコイル・ハウジング１４４の概略図である。コイル・ハウジングは、サドル形ハウジング１４４が一対の巻線の上に嵌まることを除いて、レーストラック形コイル巻線のためのハウジング４４と同様である。サドル形ハウジングは、止めピン１８０を受け入れる孔１５２を各々が持つ一対の脚部１５０を有する。止めピンは、コアの導管を貫通して延びるテンション・ロッド１４２にハウジングを接合する。テンション・ロッドの端部１８６は、平らであり、コアに面するサドル形コイルの側部に対して支持表面を形成する。
【００５４】
最も実用的かつ好ましい実施形態であると現在見なされるものに関連して、本発明を説明してきたが、本発明は、開示した実施形態に限定されるものではなく、むしろ、本体及び平らな表面に隣接した側部分を有するコイル巻線を包含することを意図していることを理解すべきである。
【００５５】
特許請求の範囲に示される参照符号は、本発明の範囲を制限することを意図するものではなく、本発明の範囲を容易に理解することを意図するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】  ステータ内に示される超伝導（ＳＣ）ロータの概略側面図。
【図２】  図１に示されるＳＣロータに使用するのに適した高温超伝導（ＨＴＳ）レーストラック形コイルの概略斜視図。
【図３】  （コイル支持システムを備えない状態での）２重ＨＴＳレーストラック形コイルを有する例示的なＳＣロータの概略斜視図。
【図４】  （コイル支持システムを備えた状態での）２重ＨＴＳレーストラック形コイルを有する例示的なＳＣロータの概略斜視図。
【図５】  （コイル支持システムを備えない状態での）２重サドル形コイルを有する例示的なＳＣロータの概略斜視図。
【図６】  ２重サドル形コイルのためのコイル・ハウジングの概略図。
【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
１８  磁界
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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