(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
同期機械（１０）におけるロータであって、
コイル巻線（３４）と該巻線の対向する側部間に延びる少なくとも１つの巻線支持体（３５）とを有する超伝導界磁巻線組立体（３３）を備え、
前記巻線支持体の対向する端部は前記コイル巻線に取り付けられており、
前記ロータは更に、
その各々が前記巻線支持体を受けるためのスロット（５６）を有する複数のロータコアセクション（４２、４４）から形成されたロータコア（２２）とを備え、
前記ロータコアセクションは前記コアの回転軸線に沿って配置され、
前記巻線保持体は、隣接するコアセクションの対向するスロット（５３）間を延び、該巻線支持体と対向するスロットが離間している
ことを特徴とする同期機械（１０）におけるロータ。
【請求項２】
前記複数のロータコアセクションが、軸方向に整合して並んでいることを特徴とする、請求項１に記載のロータ。
【請求項３】
前記ロータコアセクションが、両側のエンドコアセクションと少なくとも１つのミドルコアセクションと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４】
前記エンドコアセクションが、ほぼＬ字形の断面を有し、前記少なくとも１つのミドルコアセクションが、ほぼＴ字形の断面を有することを特徴とする、請求項３に記載のロータ。
【請求項５】
前記少なくとも１つのミドルコアセクションが、幅の狭い頭部を備えた断面形状を有し、該頭部が前記巻線支持体の一対のバーの間に嵌合されることを特徴とする、請求項３に記載のロータ。
【請求項６】
前記ロータが、前記界磁コイル巻線上に真空ハウジング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７】
超伝導界磁コイル巻線組立体の周りにロータコアを組み立てるための方法であって、
（ａ）該ロータコアの組立てに先立って、コイル支持体の対向する端部をコイル巻線に取り付けて界磁コイル巻線とコイル支持体とを組み立てることにより前記界磁コイル巻線組立体を製作する段階と、
（ｂ） 該コイル巻線組立体を部分的に通して、複数のロータコアセクションの各々の一部分を挿入する段階と、
（ｃ） 前記コイル支持体の周りに前記複数のロータコアセクションを組み立てて、隣接するコアセクションの対向するスロット（５３）により形成される孔（５５）内に前記コイル支持体を前記スロットから離間させて配置し、前記ロータコアセクションを前記コアの回転軸線に沿って配置する段階と、
（ｄ） 前記ロータコアセクションの組立体を固定する段階と、を含むことを特徴とする方法。
【請求項８】
複数のロータコアセクションの各々の一部分を挿入する前記段階が、前記コイル支持体の隣接するバーの間へ前記ロータコアセクションの１つの幅の狭い頭部を挿入する段階を含むこと特徴とする、請求項７に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術の分野】
本発明は、一般的に、同期回転機械における超伝導界磁コイル巻線に関する。より具体的には、本発明は、同期機械における超伝導界磁巻線組立体を支持するロータコアに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ロータ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１つ又はそれ以上の界磁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）界磁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ロータコイル界磁巻線は、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】
【発明が解決しようとする課題】
高温超伝導（ＨＴＳ）コイル巻線は、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ロータコイル巻線は、周囲温度におけるロータの平衡時に２５％の過速度作動と、発電作動時の極低温において時たま起こる過速度状態とに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ロータコイル巻線に作用する遠心力負荷をかなり増大させる。
【０００７】
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。これらのコイルは、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。これらのコイル支持システムは、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。
【０００８】
ＨＴＳコイルのためのコイル支持システムの開発においては、ＳＣコイル巻線を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。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
超伝導同期機械のための組立て式ロータコアが開発されてきた。ロータコアは、ロータ軸線２０を横切る通路を含んでいる。超伝導コイル巻線に連結されるコイル支持バーはこれらの通路を通って延びている。コイル巻線は、ロータコアの周りに延び、ほぼロータ軸線を含む平面内に位置する。ロータコアは、コイル巻線の長い側部に隣接する平坦な側面を有する。
【００１０】
ロータコアは、幾つかのロータコアのセクションから組み立てられる。これらのセクション４４は、ほぼ円盤状の形状で、Ｔ字形の断面を有する。ロータコアセクションは、隣接するロータコアセクションのスロット５３にかみ合う連結ボスを有する。コアセクションは、予め製作された超伝導巻線とコイル支持体との周りに組み立てられる。ロータコアセクションの組立体は、コア軸線を通って延びる支持バー通路を除いては中実のコアを形成する。コアセクションは、セクションの組立体を貫通して延びるタイロッド５８により互いに保持される。このロッドはロータコア軸線に平行であり、コアの長さだけ延びている。
【００１１】
ロータコイルの側部の間に延びるテンションバー３５は、コイルがロータの遠心力に耐えるように支持を与えることができる。コイルの対向する側部を支持するために、テンションバーは、ロータコアを貫通して延びる。テンションバーとコイル巻線がロータコアに取り付けられる前に、両者を組み立てることに対する願望がある。しかしながら、中実のロータコアでは、コイルとテンション部材を事前組立てすることができない。従って、組み立てられたコイル及びテンション部材を、中実のロータコアに取り付けることを可能にするロータコア及び組立て技術に対する要請がある。
【００１２】
ロータコアセクションの組立ては、ロータコアをコイル巻線組立体の周りに組み立てることを可能にする。巻線支持体と共にコイル巻線組立体を組み立てて、ロータコアの組立てに先立ってコイル巻線組立体を予め形成できる。界磁コイルと巻線支持体の事前組立ては、ロータコイルの製造サイクルを短縮し、コイル支持品質を改善し、コイル組立体のばらつきを低減させることになる。
【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】
第１の実施形態において、本発明は、同期機械におけるロータであり、該ロータは、コイル巻線と該巻線の対向する側部の間に延びる少なくとも１つの巻線支持体とを有す超伝導界磁巻線組立体と、その各々が前記巻線支持体を受けるためのスロットを有する複数のロータコアセクションから形成されたロータコアとを備える。
【００１５】
別の実施形態において、本発明は、ロータコアと巻線との組立体であり、該組立体は、前記ロータコアを形成するように巻線組立体の周りに組み立てられ、該ロータコアと軸方向に整合した分離可能なロータコアセクションを備え、前記巻線組立体が、事前組立てされた超伝導界磁巻線と中央の巻線支持体とを備える。
【００１６】
本発明の別の実施形態は、超伝導界磁コイル巻線組立体の周りにロータコアを組み立てるための方法であり、該方法は、ロータコアの組立てに先立って、界磁コイル巻線とコイル支持体とを組み立てることにより前記界磁コイル巻線組立体を製作する段階と、該コイル巻線組立体を部分的に通して、複数のロータコアセクションの各々の一部分を挿入する段階と、前記コイル支持体の周りに複数のロータコアセクションを組み立てる段階と、ロータコアセクションの組立体を固定する段階とを含む。
【００１７】
【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。
【００１８】
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。
【００１９】
ロータ１４は、ほぼ長さ方向に延びる軸線２０と、多部品からなる全体的に中実のロータコア２２とを有する。ロータコアは、軸方向に整合して並んだエンドコアセクション４４とミドルコアセクション４６からなる組立体である。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。
【００２０】
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）巻線を有するＨＴＳ界磁巻線組立体３３（図２参照）を支持する。別の構成では、ＨＴＳ界磁コイル巻線は、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界磁巻線のためのロータ界磁組立体及びコイル支持体がここに開示される。このロータコア組立体及びコイル支持体は、中実のロータコアに取り付けられたレーストラック形界磁巻線以外の巻線形態に適合させることができる。
【００２１】
ロータは、軸受２５によって支持される一対の端シャフト２４、３０を含む。端シャフトは、外部装置に連結することができる。例えば、一方の端シャフト２４は、ロータのＳＣ界磁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巻線に冷却流体を供給する回転セグメントとを有する。このロータ端２４はまた、回転するＳＣ界磁巻線に電気的に接続するためのコレクタ３１を含むことができる。ロータの他方の端シャフト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。
【００２２】
図２は、界磁コイル巻線３４と、巻線の対向する側部の間に延びる一連のテンションバー３５（コイル支持体）とを含む例示的なＨＴＳレーストラック形の界磁巻線組立体３３を示す。巻線組立体３３は、この組立体３３がロータコアへ挿入される前に、界磁巻線３４とテンションバー３５とで製作される。テンションバーは、作動中のロータの回転に伴って巻線に作用する遠心力に対して、界磁コイル巻線を支持する。従って、テンションバーは、巻線ハウジング３６により巻線に取り付けられる（図８に示すように）。ハウジングとテンションバーは、さもなければテンションバー３５と共に生じるであろう界磁コイル巻線３４の拡張を抑制する。
【００２３】
ロータのＳＣ界磁巻線３４は、高温超伝導（ＳＣ）巻線３４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巻線とすることができる。
【００２４】
ＳＣ線は、脆くて、傷つき易い。ＳＣ巻線は、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、精密な巻線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巻線３４を形成する。
【００２５】
レーストラック形巻線の寸法は、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巻線は、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。界磁巻線は、レーストラックの周りで連続している。ＳＣ巻線は、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。巻線は、該巻線をコレクタ３１に電気的に接続する電気接点４１を有する。
【００２６】
極低温冷却流体のための流路３８が、界磁巻線３４に含まれる。これらの流路は、ＳＣ巻線３４の外縁部の周りに延びることができる。流路は、多孔質の巻線に極低温冷却流体を供給し、該巻線から熱を除去する。冷却流体は、ＳＣ界磁巻線において、該巻線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３９を有する。これらの流体（気体）ポート３９は、ＳＣ巻線上の冷却路３８を、極低温剤移送継手２６に接続する。
【００２７】
各々のＨＴＳレーストラック形界磁巻線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４２とを有する。界磁コイル巻線の側部分は、最も大きな遠心応力に曝される。従って、その側部分は、テンションバーとハウジングによって支持される。これらのバーとハウジングは、巻線に作用する遠心力を打ち消す巻線支持システムを形成する。
【００２８】
図３は、レーストラック形超伝導コイル界磁巻線３４及びテンションバー３５を含む巻線組立体３３を備える、多部品からなる組立て式ロータコア２２の概略図である。鉄製のコアは、複数のコアセクションから成り、該コアセクションは一般に、幾つかのミドルセクション４４と一対のエンドセクション４６である。各々のコアセクションは、対向する一対の平坦な側面５０と対向する一対の円弧形の側面５２を備える弧状矩形 (semi-rectangular) の形状（図７参照）を有している。
【００２９】
組み立てられた時、コアセクションの平坦な側面５０は、互いに整合しおり、また、同様に円弧形の側面も整合している。２つのエンドセクションを除いて、ミドルコアセクション４４は、ほぼＴ字形の断面形状を有している（エンドセクション４６を示す図５とミドルコアセクション４４を示す図６を比較のこと）。エンドセクション４６は、ほぼＬ字形の断面形状を有している。
【００３０】
ロータコアのセクションは、巻線組立体３３の周りに組み立てられる。コアの組立て中、各ミドルセクションの幅の狭い頭部４５を、巻線組立体の隣接する支持バー３５の間に滑らせる。エンドロータコアセクション４６の幅の狭い頭部を、テンションバー３５とコイル巻線３４の端部分４２との間に滑らせる。各々のコアセクションは、少なくとも１つのテンションロッド用スロット５３（ミドルセクション４４は対向する一対のスロットを有する）を有し、該テンションロッド用スロット５３は、対向するコアのスロットと組み合わされた時に、テンションバー３５のための孔５５を形成する。ロータコアセクションの組立ては、完全に組み立てられた巻線組立体３３（例えば、界磁巻線３４とテンションバー３５とを含む）をロータコアへ一体に組み込むことを可能にする。
【００３１】
コアセクション４４、４６は、鍛造の鉄製コアであってもよい。ロータコアセクションは、同心にかつ整合させるためのラビット嵌合によって組み立てられる。各コアセクションは、隣接するコアセクションのスロット５６に嵌合する少なくとも１つのボス５４（ミドルセクションは対向する一対のボスを有する）を有する。このコアセクション間のボスとスロットとの嵌合は、ロータコア内のコアセクションを整合させる。幾つかのタイロッド５８が、ロータコアの長さに沿ってロッド孔６０を貫通して紙面上横方向（ロータコアの軸線方向）に延びる。タイロッドは、各端部にナット又は他の留め具を有し、コアセクションを一体に押圧して保持する。
【００３２】
ロータコアセクションが巻線組立体の周りに組み立てられると、真空ハウジング６４を、界磁巻線３４上に形成することができる。巻線の周りの真空は、巻線の超伝導特性を助長する。真空ハウジングが、レーストラック形のコイル巻線上全体に真空状態をもたらす。
【００３３】
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い。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】  コイル巻線を備える、組み立てられたロータコアの断面図。
【図４】  図３の線４−４に沿った、組み立てられたロータコアの断面図。
【図５】  ロータコアのエンドセクションの斜視図。
【図６】  ロータコアのセクションの断面図。
【図７】  図３の線７−７に沿った、ロータコアの断面面。
【図８】  コイル巻線、テンションバー及びコイルハウジングの一部分の断面図。
【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、３０  端シャフト
２６  極低温剤移送継手
３１  コレクタ
３２  動力タービン継手
３４  超伝導コイル巻線
４４  ミドルコアセクション
４６  エンドコアセクション
【図１】
0004197415.tif 000002
【図２】
0004197415.tif 000003
【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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