(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
同期機械におけるロータであって、
ロータコアと、
該ロータコア上に取り付けられ、
前記ロータコアの円周方向外側に位置付けられかつ前記ロータコアの側部に沿って延びる側部を有する超伝導コイルと、
前記コイルの前記側部分のうちの少なくとも１つを跨ぐ真空ハウジングと、
該真空ハウジング及び前記コイルの側部分を覆って設けられた導電遮蔽体と、
を含み、
前記少なくとも１つの前記コイルの前記側部分が、３つの面において前記真空ハウジングに囲まれるように、前記真空ハウジングは、頂部プレートと、一対の対向する側壁を有しており、
前記一対の側壁と前記ロータコアの前記側部との間に気密シールを形成していることを特徴とするロータ。
【請求項２】
前記真空ハウジングが、前記ロータコアの前記側部に沿って長さ方向に延びるチャネル形ハウジングであり、前記ロータコアの前記側部は平坦であり、前記コイルの側部と前記真空ハウジングは、前記平坦な側部の半径方向外側におい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３】
カラーと該カラーのスロットとを有するロータ端シャフトを更に含み、前記真空ハウジングが前記スロットに対してシールされ、前記コイルの端部分が前記スロット内に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４】
前記ロータコアの側部は、前記ロータコアを横切って長さ方向に延びる平らな表面であり、前記真空ハウジング及び前記導電遮蔽体を支える複数のブレース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５】
軸線を有するロータコアと、
該コアの端部から軸線方向に延び、該コアの端部に隣接するスロットを有する端シャフトと、
前記コア軸線に対して平行で、前記ロータコアの半径方向外側において延びる少なくとも１つのコイル側部と、前記コア軸線と直交する少なくとも１つのコイル端部とを有する超伝導ロータコイルと、
前記コイル側部を覆って設けられ、前記スロットに対してシールされて、前記コイルの周りに真空領域を形成する真空ハウジングと、
を含み、
前記コイル端部が前記端シャフトの前記スロットを貫通して延び、
前記真空ハウジングが、矩形の断面形状を有し、
前記コイル側部が、複数の面において前記真空ハウジングに囲まれるように、前記真空ハウジングは、更に、頂部プレートと、一対の対向する側壁を有しており、
前記一対の側壁と前記ロータコアとの間に気密シールを形成していることを特徴とするロータ。
【請求項６】
前記コイル側部を覆って設けられた導電遮蔽体を更に含むことを特徴とする、請求項５に記載のロータ。
【請求項７】
軸線を有するロータコアと、
該コアの両端部から軸線方向に延び、前記コア端部に隣接するスロットを各々が有する一対の端シャフトと、
前記コア軸線に対して平行で前記コアの対向する側面に隣接し、前記ロータコアの半径方向外側において延びる少なくとも１つのコイル側部分を有する超伝導ロータコイルと、
を含み、
前記コイルが、前記コア軸線と直交し、前記コアの前記端部に隣接するコイル端部分を有し、該コイル端部分の各々が、前記端シャフトの前記スロットの１つを貫通して延び、
真空ハウジングが、前記各コイル側部分を覆って設けられ、前記スロットの１つに対して各々がシールされる端部を有し、
前記コイル側部が、複数の面において前記真空ハウジングに囲まれるように、前記真空ハウジングは、更に、頂部プレートと、一対の対向する側壁を有しており、
前記一対の側壁と前記ロータコアとの間に気密シールを形成し、
前記コイルの周りの真空領域が、前記対の端シャフトの前記スロット及び前記各コイル側部分を覆って設けられた真空ハウジングによって形成される、
ことを特徴とするロータ。
【請求項８】
前記コイル側部分を覆って設けられ、前記端シャフトと部分的に重なる導電遮蔽体を更に含み、
前記遮蔽体が、前記コアの周りの円筒体であることを特徴とする特徴とする、請求項７に記載のロータ。
【請求項９】
前記コイル側部分を覆って設けられ、前記端シャフトと部分的に重なる導電遮蔽体を更に含み、
前記遮蔽体が、前記コアの長さだけ延び、前記コアの円周の周りに部分的にのみ延びる弧状片であることを特徴とする、請求項７に記載のロータ。
【請求項１０】
同期機械のロータコアにおける超伝導コイル巻線の周りに真空を形成するための方法であって、
ａ．前記ロータコアと前記ロータコアの半径方向外側において延びるコイル側部分を有する前記コイル巻線を組み立てる段階と、
ｂ．端シャフトを前記コアに同軸に取り付ける段階と、
ｃ．前記コイル側部分を覆って真空ハウジングを跨がせ、前記コイル側部分が３つの面において前記真空ハウジングに囲まれ、前記コイル側部分の４番目の面が前記ロータコアに近接するように該真空ハウジングを前記ロータコアに対してシールする段階と、
ｄ．前記真空ハウジングを前記端シャフトに対してシールして、前記コイル巻線の周りに真空領域を形成する段階と、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項１１】
端シャフトの間の各接合部のところにスロットを形成し、該スロットが、前記コイル巻線の端部分を受け、前記真空ハウジングを前記スロットに対してシールすることを特徴とする、請求項１０に記載の方法。
【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ロータに関する。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電磁遮蔽体及び真空容器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
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（ＨＴＳ）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、例えば液体ヘリウムによって、極低温温度まで冷却されてきた。ロータの巻線を通過して温められた使用済みのヘリウムは、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】
さらに、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。
【０００８】
ＳＣコイルは、一般的に、超伝導特性を生じさせるために、真空によって熱的に隔離されなければならない。真空は、温かいロータコアからの熱が、ＳＣコイルに対流によって移送されるのを防止する。ＳＣ界磁コイルは、真空によって完全に包囲されなければならない。真空は、真空容器及び関連した気密シールをロータ上で維持することを必要とする。
【０００９】
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当に支持され、動的及び過渡的な磁界に抗して遮蔽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。
【００１０】
ＨＴＳコイルのための遮蔽体及びコイル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。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がある。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
ＨＴＳ界磁コイル巻線のための構造支持体は、ＳＣコイルをロータに組み込む主要な課題の１つであった。構造体は、大きな熱を巻線に伝えることなしにＳＣコイル巻線を支持しなければならない。開示した新規な概念では、コイル支持構造体は、ロータコアからの熱を冷却されたＳＣ巻線に伝える大きさを減少させるように、最小にされてきた。しかしながら、コイル支持体を最小にすることはまた、支持体が耐えることができる力の大きさを制限する。ロータに作用する力がコイル支持体の力支持能力を超える場合には、コイル支持体が破損し或いはコイル巻線が損傷する大きな危険性がある。
【００１２】
ロータに作用する力の潜在的な源は、グリッド故障によるトルクである。界磁巻線ＳＣコイルを有する高温超伝導（ＨＴＳ）発電機は、電気的なグリッド故障を受けやすい。グリッド故障は、機械のステータが結合される電力システムグリッドにおける電流スパイクである。グリッド故障状態の下では、過剰な電流がステータに流れる。この電流は、ステータ巻線に電気妨害を引き起こし、これが強力な磁束を誘起し、この磁束が、ロータ界磁巻線コイルに浸透する。
【００１３】
この潜在的な可能性のあるロータ界磁巻線コイル内への磁界の浸透は、ロータコイル巻線に大きなトルクを生じさせる。このトルクは、ＳＣコイル及び脆弱なコイル支持構造体を傷つけることがある。この機械的作用に加えて、ロータへの磁界浸透は、ロータ構造体、特にＨＴＳ線における交流（ＡＣ）損失を引き起こすことがある。誘起されるグリッド故障及び他の磁界によるロータの浸透を最少にするのが有利である。グリッド故障によるロータのトルクの減少は、コイル構造支持体を最小にするのを可能にする。ロータへの磁界浸透の最少化はまた、ＨＴＳロータにおけるＡＣ電流損失を減少させる。
【００１４】
ロータの遮蔽は、ステータの交番及び時間変動する磁界がロータに浸透するのを阻止する。ロータの界磁巻線コイルが十分に遮蔽されていない場合には、ステータからの磁束がロータに浸透し、磁気ロータ及びＳＣコイルにトルクを生じさせる。トルクを生じさせるこのようなステータの磁束が一般的には従来の延性の銅ロータコイルを傷つけないとしても、このようなトルクは、脆いＳＣコイルを傷つけることがある。ＳＣコイルを有するロータが適当に遮蔽されていない場合には、故障を引き起こすトルクに耐えるように、コイル支持体を補強しなければならない。しかしながら、コイル支持体を補強する欠点は、それが支持体の大きさを増大させ、冷たいＳＣコイルへの大きな熱伝達を伴う問題となり得ることである。
【００１５】
コイル支持体の大きさを増大させる代わりに、交番磁束がロータに浸透してコイルにトルクを生じさせるのを阻止する電磁（ＥＭ）遮蔽体を設けることが好ましい。ロータコア全体を被覆する円筒形のＥＭ遮蔽体及び真空容器は、その寸法故に、大きなＳＣ機械に対して製造するのが困難である。厳密な公差に合わせて銅又はアルミニウムの大きな円筒体を形成することには、円筒形のＥＭ遮蔽体及び真空容器を作る点で別の難しさがある。ＥＭ遮蔽体及び真空容器が、一方が他方の上を摺動する円筒体である場合には、真空を維持し交番磁束がロータに入るのを阻止するために、両方の円筒体を接合するのが好ましい。ステンレス鋼の真空容器と銅又はアルミニウムで形成されたＥＭ遮蔽体のような、異なる金属の接合は、問題がある。
【００１６】
円筒形のＥＭ遮蔽体と真空容器の組合せに伴う問題は、それらの物理的寸法のため大きな機械の場合に生じる。しかしながら、円筒形のＥＭ遮蔽体と容器は、ＥＭ円筒体と円筒形の真空容器を比較的容易に製造することができる程に小さいロータを有する小さな機械については適当である。
【００１７】
大きな機械については、ＥＭ遮蔽体又は真空容器に必要とされる所要の精度及び公差を備えた円筒形遮蔽体の大きな連続した片を製造し、組み立て、釣合わせることには大きな問題がある。円筒形電磁遮蔽包囲体が真空境界部としても使用される場合には、ロータ本体は、真空容器によって被覆されるものとなる。従って、ロータの表面は、一般的に接近不能であり、ロータの適切な釣合いをとるために該ロータに接近することができない。
【００１８】
ロータの釣合いをとることは、一般的に、ロータ本体にその軸線方向長さ全体に沿ったその周囲の周りの種々の個所において、釣合い重りを加えることを伴い、これらの理由のため、ロータ本体の表面全体への接近を必要とする。真空容器が鍛造品全体を被覆する場合には、容器をロータに取り付ける前にロータを釣合わさなければならない。しかしながら、真空容器及びＥＭ遮蔽体の組み立て前におけるロータの事前釣合わせは、製造サイクル時間と処理コストを増大させる。さらに、ロータの事前釣合わせは、周囲温度において行われることになるが、ロータは、極低温温度で作動する。ロータの釣合いは、ＳＣ巻線に必要とされる低温状態によって影響を及ぼされることがある。従って、冷たい極低温状態の下でロータを釣合わせるのが好ましい。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
新規なＥＭ遮蔽体及び真空容器の概念が、モータ又は発電機のような大型の超伝導機械に使用するために開発されてきた。この機械は、鉄製コアを有するロータと、超伝導ロータ界磁巻線コイルとを含む。コイルは、コイルを覆って嵌まる真空チャネル形ハウジングによって形成される真空により絶縁される。真空チャネルは、ロータコアの表面全体を被覆しない。従って、冷たいロータの釣合い作業時にロータに接近することができる。
【００２０】
ＳＣコイルはまた、電磁遮蔽体によっても保護される。遮蔽体は、真空容器とは別のものである。ＥＭ遮蔽体は、交番或いは時間変動する磁束のロータ内への浸透を阻止する。これらの磁界は、突然の短絡又はグリッド故障のような過渡現象によって、及び機械荷重の不釣合いによる負の連続磁界によって発生する。さらに、ＥＭ遮蔽体は、ステータ起磁力の空間と時間の調和によって発生される調和磁界を減衰させる。
【００２１】
ＨＴＳロータは、ＳＣ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の銅コイルロータと置き換えるものでもよい。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。
【００２２】
コイル支持システムは、コイルとロータが一体化されているのが好ましくい。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。
【００２３】
第１の実施形態では、本発明は、ロータコアと、ロータコアの少なくとも一部の周りに延びる超伝導コイルとを含み、超伝導コイルが、ロータコアの対向する側面にコイル側部分を有し、真空ハウジングが、コイルの側部分のうち少なくとも１つを被覆し、導電遮蔽体が、真空ハウジング及びコイルの側部分を覆って設けられる、同期機械のためのロータである。
【００２４】
別の実施形態では、本発明は、コイル巻線とロータコアを組み立てる段階と、端シャフトをコアに同軸に取り付ける段階と、コイル巻線の側部分を覆って真空ハウジングを跨がせ、真空ハウジングをロータコアに対してシールする段階と、真空ハウジングを端シャフトに対してシールして、コイル巻線の周りに真空領域を形成する段階とを含む、同期機械のロータコアにおける超伝導コイル巻線の周りに真空を形成するための方法である。
【００２５】
本発明の別の実施形態は、軸線を有するロータコアと、コアの両端部から軸線方向に延び、コアの端部に隣接するスロットを各々が有する一対の端シャフトと、コア軸線に対して平行でコアの対向した側部に隣接するコイル側部を有する超伝導コイルとを含み、コイルが、コア軸線に対して直交し、コアの端部に隣接するコイル端部分を有し、コイル端部分の各々が、端シャフトのスロットの１つを貫通して延び、真空ハウジングが、各コイル側部分を覆って設けられ、スロットの１つに対して各々がシールされる端部を有し、コイルの周りの真空領域が、対の端シャフトのスロット及び各コイル側部分を覆って設けられた真空ハウジングによって形成される、ロータである。
【００２６】
本発明の更に別の実施形態は、軸線を有するロータコアと、コアの端部から軸線方向に延び、コア端部に隣接するスロットを有する端シャフトと、コア軸線に対して平行な少なくとも１つのコイル側部と、コア軸線と直交する少なくとも１つのコイル端部とを有する超伝導ロータコイルとを含み、コイル端部が端シャフトのスロットを貫通して延び、真空ハウジングが、コイル側部を覆って設けられ、スロットに対してシールされて、コイルの周りに真空領域を形成する、ロータである。
【００２７】
【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。
【００２８】
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、ステータのキャビティ１６内に嵌まる。ロータがステータ内で回転すると、磁界１８は、ステータを通って回転する。ロータとロータコイルによって発生する磁界線は、図１の断面に対して直交する平面内にあり（従って、図１に示すことができず）、ステータを通って移動し回転し、ステータコイル１９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。
【００２９】
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、起磁力を減少させ、従ってコイル巻線に必要とされる超電導（ＳＣ）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。
【００３０】
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。
【００３１】
ロータは、コレクタ端シャフト２４と、駆動端シャフト３０とを含む。これらの端シャフトは、ロータコアに取り付けられてこれを支持し、それら自体は、軸受２５によって支持される。コレクタ端シャフトは、ＳＣロータコイルに対して外部電気接続を行うコレクタリング７８を含むことができる。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含む。ロータの反対側の端シャフト３０は、動力タービン継手３２によって駆動させることができる。例示的な目的のため、図１は、十分なトルク伝達に適した寸法ではないコレクタ側の端シャフトを示しており、該端シャフトは、発電機が一方のシャフト端のみからタービンによって駆動される動力伝達形態を代表するものである。しかしながら、ここに開示される概念は、発電機の両端シャフトが大きなトルクを伝達する２つのタービンの間に取り付けられる発電機にも同様に適用できる。
【００３２】
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。
【００３３】
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。しかしながら、幾つかのパンケーキ状コイルによって、ＳＣパンケーキ状コイルを構成することもできる。
【００３４】
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。
【００３５】
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、入口流体ポート３９と出口流体ポート４１を有する。これらの流体（気体）ポートは、ＳＣコイル上の冷却路３８を、極低温剤移送継手２８に接続する。
【００３６】
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。
【００３７】
図３は、高温超伝導コイルのためのロータコア２２とコイル支持システムの一部切欠図である。支持システムは、コイルハウジング４４に接合されるテンションロッド４２を備える。ハウジングは、ロータ内にコイル巻線３４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コイル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。さらに、図３は、例示の目的のため、コイルを超えて延びるテンションロッドの端部を示す。実用の用途では、テンションロッドの端部は、コアに面するコイルの表面に当接することになる。テンションロッド及びコイルハウジングは、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。
【００３８】
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コイルハウジング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。
【００３９】
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、断熱チューブ５２を受けるため、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。このチューブは、ロッド４２を導管内に整合させ、ロータコアとテンションロッドとの間の熱的絶縁を行う。
【００４０】
導管４６の数とロータコアにおけるそれらの位置は、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ングの数によって決まる。導管４６の軸線は、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、導管は、ここに示される実施形態では、ロータ軸線に対して直角で、これと交差している。
【００４１】
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及び関連するチャネル形ハウジング４４が極低温又はその付近に維持される、低温支持体である。コイル支持部材が低温なので、これらの部材は、例えば断熱チューブ５２によって、ロータコア及びロータの他の「高温」構成部品から熱的に隔離される。
【００４２】
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。ロータコアは、作動時に高温になる。コイル巻線を超冷却状態に保持しようとすると、コアからコイルへの熱伝導を回避しなければならない。
【００４３】
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るコイル巻線内への熱伝導を減少させるため、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。
【００４４】
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。テンションロッドは、一般的に、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。
【００４５】
テンションロッドの端部の平坦な面８６は、コイル巻線の側部の内面を支持する。コイルハウジング４４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】
複数のコイルハウジング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。コイルハウジングが互いに密接しているものとして示されているが、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熱による長さ方向の膨張及び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て向けられる。従って、コイルの側部分は、コイルハウジング及びテンションロッドに対して長さ方向に僅かに摺動する。
【００４８】
Ｕ形のコイルハウジング４４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。コイル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ニウム合金である。Ｕ形ハウジングの形状を最適にして軽量かつ高強度にすることができる。
【００４９】
止めピン８０は、コイル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。テンションロッドの平坦な端部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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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３４及び該巻線への接続部３９、４１及び７９を受けるための溝５９（図１０）を備える。溝５９は、コレクタ端シャフトを貫通して延びる薄肉チューブ７６の端部に隣接するプレート６０の側部に開口を形成する。コレクタリング７８とコイル接続部７９との間で冷却流路及び電気接点が、チューブ７６を貫通して延びる。
【００５５】
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。
【００５６】
分割型クランプ５８は、端シャフトのカラー６２に囲まれている。しかしながら、分割型クランプ及びコイルは、カラー６２と物理的に接触しない。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ギャップによって離間して配置され、それらは互いに接触状態になることはない。コイルのスロット６６の側壁とクランプ５８及び端部分５４との間のギャップは、真空に維持される。従って、ロータカラーと分割型クランプとの間の真空ギャップは、カラーと分割型クランプ及びＳＣコイルとの間の熱伝達を阻止する断熱体となる。
【００５７】
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。
【００５８】
図４は、ロータコア、コイル支持体及びコイルの第１の概略断面図である。さらに、この図は、真空ハウジング１００及び電磁（ＥＭ）遮蔽体１０２の第１の実施形態の横断面を示す。真空ハウジングは、コイル巻線の長い側部４０を覆って嵌まり、ロータの長さだけ延びるチャネルである。真空ハウジングは、ステンレス鋼のような、非磁性金属で形成することができる。コイル３４の各々の長い側部分４０は、真空チャネル形ハウジング１００を有し、コイルの当該部分を覆って絶縁真空を形成する。
【００５９】
ハウジング１００は、一対の側壁１０４を有し、該側壁の各々は、ロータコアの平らな表面４８の長さだけ延びるスロット１０６内に嵌まるダブテール脚部を有する。コイル巻線とコイル支持体の両側にスロット１０６が設けられる。側壁のダブテールとロータコアの表面４８上のスロット１０６との間の係合は、気密シールを形成する。
【００６０】
図４に示される実施形態では、ＥＭ遮蔽体１０２が、真空容器、コイル及びコイル支持構造体を覆って形成される。遮蔽体は導体であり、アルミニウムで形成することができ、構造支持体にもなる。遮蔽体は、ロータコア上の平らな表面４８の一方の側から平らな表面の反対側まで延びる弧を形成する。遮蔽体の弧は、真空容器を覆って延びる。真空容器の頂部プレート１０８は、湾曲した表面を有し、ＥＭ遮蔽体に対して支持を与える。別の構成では、真空容器の頂部プレートは、ロータの他の部分を被覆するＥＭ遮蔽体セグメントに取り付けるＥＭ遮蔽体の一部を形成することもできる。
【００６１】
ＥＭ遮蔽体はまた、ＥＭ遮蔽体の下面に及びコア表面４８とチャネル形ハウジングの側壁とによって形成される隅部に嵌まる三角形ブレース１１０によっても支持される。ブレースは、ＥＭ遮蔽体及び真空チャネルのための構造支持体を形成するリブ１１２を有することができる。さらに、ブレースは、その質量を減少させるため、開放中央領域１１４を有することができる。ブレースは、真空チャネルの両側にあり、コアの長さに沿って間隔を置いて配置される。ブレースの数は、遮蔽体に作用する可能性がある大きな力に抗して遮蔽体を支持するように選定される。
【００６２】
ロータ表面４８及びチャネル形ハウジングの側壁１０４に当接するブレースの側部は、リップ１１６を有し、ロータ表面及びチャネルの側壁上の合致するリップに係合することができる。これらのリップの間の係合は、チャネル形ハウジングをブレース及びロータ表面のスロット１０６に固定するのを助ける。さらに、テンションボルト１１６は、ブレースを貫通してロータコア内に延び、ブレースをロータコアに取り付ける。真空ハウジングはまた、側壁と一体であり、ＳＣコイル３４及びコイル支持体を覆って延びる頂部プレート１０８を含む。真空チャネルの端部は、開放しており、コア２２の両端部のところでカラー６２のスロット６６に対してシールされる。
【００６３】
図４に示される実施形態では、ブレースとＥＭ遮蔽体は一体である。ＥＭ遮蔽体１０２とブレースは、チャネル形ハウジング１００上に嵌まり、ロータ表面４８にボルト１１８で止められる単一の機械加工したアルミニウム構成部品で形成される。別の実施形態では、ＥＭ遮蔽体は、部分的に、真空容器の頂部プレート１０８によって形成することができる。ＥＭ遮蔽体はまた、ブレースを被覆し、頂部プレートの両側にある弧状片を含むようにすることがでできる。ＥＭ遮蔽体の弧状表面は、ロータコアの弧状表面５０によって形成される円筒形表面に連続する。ＥＭ遮蔽体は、ロータコアの弧状表面５０上には延びない。両方のＥＭ遮蔽体１０２がロータコアに取り付けられるとき、ロータコア及び両方のＥＭ遮蔽体によって完全な円筒形表面が形成される。図４には１つのＥＭ遮蔽体１０２のみが示されているが、ＥＭ遮蔽体の実施にあたっては、コイルの両方の側部４０を覆って遮蔽体を設けることになる。
【００６４】
電磁（ＥＭ）遮蔽体は、真空境界部として機能することには関係ない。内部真空境界部、例えばチャネル形真空ハウジングが、超伝導コイルを取り囲むように構成される。シャフトの接続シームのところで、真空ハウジングは、シール片を使用して端シャフトのカラーのスロットにシールされる。これらのスロットは、分割型クランプ５８及びコイルハウジングの端部分を収納する。ＥＭ遮蔽体及び遮蔽体支持体は、真空チャネル形ハウジングに隣接して或いは真空チャネル形ハウジング上に組み立てられる。遮蔽体は、ＥＭ保護を行うように電気的に接続される単一の又は多数の円筒形部分で形成される。
【００６５】
図５は、ブレース１２２から分離したＥＭ遮蔽体１２０の第２の実施形態を示す。図５に示されるチャネル形ハウジング１００は、図４に示されるハウジング１００と同じである。この実施形態では、ＥＭ遮蔽体１２０は、ロータコア上に嵌まり、コアの弧状表面５０及び平らな表面４８を被覆する円筒体である。ブレース１２２は、ロータの表面４８にボルト１１８で止められた個々の三角形のアルミニウム片である。ブレースは、チャネル形ハウジングをロータコア上のスロット１０６に固定し、ハウジングの側壁１０４を支持する。さらに、ブレースは、ＥＭ遮蔽体１２０を支持する。ブレース１２２の数及び各真空ハウジングの両側に沿ったブレースの間隔は、設計上の選択事項である。内側ブレース１２２は、主として、構造的支持のためのものであり、アルミニウム又は非導電性材料で形成することができる。ＥＭ遮蔽体は、ＥＭ遮蔽体１２０の穴を介して釣合い用の鋼鍛造品への接近を可能にし、ＥＭ遮蔽体１２０に対するロータへの直接的な接近を可能にする。
【００６６】
図６は、部分的に組み立てられたロータコア２２と端シャフト２４との概略図である。ロータコア、巻線、真空ハウジング及び他の構成部品の寸法は、図６においては例示的な目的のため誇張されている。ロータコア２２は、コイル巻線３４（真空ハウジング１００によって部分的に隠れている）がカラーのスロット６４（図３参照）内に嵌まるように、端シャフトのカラー６２に取り付けられる。シール１２４は、カラーとロータコアとの間に気密接合部を与える。シール１２４は、図７において横断面で示されている。シールは、真空チャネル形ハウジング１００の端部とカラーとの間から空気が漏れないことを保証する。チャネル形ハウジングがロータコアの周りに延びる時コイル３４の周りに真空が形成されることができるように、チャネル形ハウジングの端部は、カラーのスロット６４の縁部にシールされる。
【００６７】
図８、図９、図１０及び図１１は、コイル支持構造体とコイル巻線のロータ内への組み立て過程を概略的に示す。図９に示されるように、ロータコアがロータの端シャフト及びロータの他の構成部品と組み立てられる時、ロータコアを貫通して延びる導管４６の各々に、テンションロッド４２が挿入される。各テンションロッドの各端部における断熱チューブ５２は、導管４６の各端部のところの拡張端部８８に置かれる。チューブ５２は、保持用ロックナット８４によって適所に固定される。ボルト４３は、ロータコアの導管内にテンションロッドを挿入する前或いは挿入した後に挿入することができる。
【００６８】
図９に示されるように、ＳＣコイル３４は、テンションロッド４２の平らな端部８６がＳＣコイルの側部分４０の内面に当接するように、ロータコア上に挿入される。コイル巻線がテンションバーの端部上に挿入されると、コイルハウジング４４が、ＳＣコイルを覆って挿入される。テンションロッドとコイルハウジングのそれぞれの孔へ止めピン８０を挿入することによって、コイルハウジングをテンションバーの端部に固定する。
【００６９】
複数のコイルハウジングは、遠心力による影響を受けることなしに、コイルを適所に効果的に保持する。コイルハウジングが互いに密接しているものとして示されているが、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に近接させるのみでよい。
【００７０】
ロータコアとコイルをカラー及びロータの他の構成部品と組み立てる前に、コイル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構成部材の組み立て前に、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。
【００７１】
図１０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、それらの間に、コイル巻線の端部分５４を挟む。分割型クランプは、コイル巻線３４の端部に対して構造的支持を与える。分割型クランプのプレート６０は、それらの内表面に、コイル巻線を受ける溝を含む。同様に、プレートは、ガスの入口／出口冷却ライン３９、４９、及び、コイルとの電気的接続部７９のための溝５９を含む。これらのライン及び接続部は、コレクタ端シャフト３４内に設けられるチューブ７６（図３）を貫通して延びる。
【００７２】
図１１は、コイルの側部分４０を覆って組み立てられた真空チャネル形ハウジング１００を示す。ブレース１１８は、ハウジングの両側に置かれ、ロータコアの表面４８にボルト止めされる。コイルの端部と真空ハウジングがカラーのスロット６４と整合するように、カラーは、ロータコアにボルト７５で止められる。カラーとロータコア及び真空ハウジングとの間の接合部のところにシール１２４（図６参照）が配置される。コイル支持体、コイル、カラー及びロータコアが組み立てられると、側部分４０及び端部分５６を含むコイル３４の周りに真空を形成することができる。真空は、コアの両側における一対の真空チャネル形ハウジング、カラー６２のスロット６４、及びカラーと真空ハウジングの端部との間のシール１２４によって形成される。組み立てられると、ロータは、低温コイル状態の下で釣合いを行うことができる状態になる。
【００７３】
図４の形態では、ＥＭ遮蔽体は、極片２２を被覆せず、従って、釣合い重りの配置のためロータ鍛造品への無制限の接近を与える。図５の形態では、ＥＭ遮蔽体は、ロータの全周囲の周りに延びる。ＥＭ遮蔽体が真空包囲体の機能を果たさないので、釣合い重りの配置のためロータ鍛造品２２に接近する幾つかの穴をＥＭ遮蔽体に形成することができる。従って、図４及び図５の両方の遮蔽体の概念では、ＥＭ遮蔽体は、釣合いの目的のためにロータへの無制限の接近を与える。その結果、極低温状態の下でロータを釣合わせることができる。
【００７４】
本発明を、現在最も実用的かつ好ましい実施形態である考えられるものに関連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、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することを意図してい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】  鉄製コアを備える高温超伝導（ＨＴＳ）ロータの構成部品の分解図。
【図４】  真空チャネル及びＥＭ遮蔽体の第１の実施形態を示すロータの横断面の概略図。
【図５】  真空チャネル及びＥＭ遮蔽体の第２の実施形態を示すロータの横断面の概略図。
【図６】  真空チャネルを備えるロータの概略斜視図。
【図７】  ロータコアと端シャフトのカラーとの間のシールの概略拡大図。
【図８】  図３に示すＨＴＳロータの組み立て過程を示す斜視図。
【図９】  図３に示すＨＴＳロータの組み立て過程を示す斜視図。
【図１０】  図３に示すＨＴＳロータの組み立て過程を示す斜視図。
【図１１】  図３に示すＨＴＳロータの組み立て過程を示す斜視図。
【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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【図７】
0004041693.tif 000008
【図８】
0004041693.tif 000009
【図９】
0004041693.tif 000010
【図１０】
0004041693.tif 000011
【図１１】
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