JP2015515847A - 高いｃ軸強度を有する幅広の電気伝導体 - Google Patents
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Abstract
回転機械は、ステータと、ステータ内で回転するように構成されたロータとを含む。ロータ巻線はロータ内で支持されるとともに、単層鞍型コイル構成における積層電気伝導体により形成されている。伝導体は、第１支持薄層、第２支持薄層、第1および第２支持薄層間に配置された高温超伝導体を含むインサートと、インサートを取り囲むとともに、第1支持薄層および第２支持薄層をそれぞれインサートに接合する充填材料とを含む。第１支持薄層と第２支持薄層との間でありインサートの位置に対応する位置において、インサートの各側部の充填材の幅寸法は、伝導体の幅の少なくとも１０％である。伝導体は、一巻きあたり少なくとも６００アンペアを搬送し、少なくとも２１ＭＰａのＣ軸引張り強度を有するように構成されている。
Description
この発明は、高いＣ軸強度を有する幅広の電気伝導体に関する。
発電は回転電気機械の重要な利用分野であり続けている。風力エネルギーは世界において最も急速に成長する電気の資源の一つであり、風力を使用可能な電力に変換するために、回転電気機械を有する風力タービンが使用されている。従来の風力タービンにはタービンブレードと、３〜５メガワットの電力を公益電力系統に供給可能な電気機械を駆動する出力軸とを有するタービンロータを備えるものがある。しかし、増大した電力需要は電力タービンに対する増大した電力要求につながっている。１０メガワット以上の電力を送電できる風力タービンを得るために、従来のギア付き伝動機構を単に大きくすることは、少なくとも大きさ、重さ、コスト及びこれら要望を満たすギアボックスに対する潜在的な信頼性欠如により現実的ではない。
高温超伝導（ＨＴＳ）コイル巻線が、超低速であり、かつ、１０メガワット（ＭＷ）以上のレベルで電力を生み出す風力タービンに用いる直接駆動発電機に使用するために提案されている。このレベルの電力生産を達成するために、コイル巻線の形成に使用される、改良されたＨＴＳ電気伝導体が必要とされる。
送電ケーブルに使用するＨＴＳ電気伝導体の設計及び製作においては、低損失であるとともに長距離に亘って高電流を送電するケーブルであり、かつ、柔軟性を有するケーブルを提供することに焦点が当てられてきた。ＨＴＳ電気伝導体を形成する設計技術及び製作技術は、発電用途の発電機コイル巻線に使用される電気伝導体を形成するためにも使用される。しかし、送電ケーブルに使用される電気伝導体の配置及び荷重条件は発電機コイル巻線における伝導体の配置及び荷重条件とかなり異なるため、コイル巻線に使用されるＨＴＳ電気伝導体が必要とされる。
この発明は、こうした実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、高いＣ軸強度を有する幅広の電気伝導体を提供することにある。
幾つかの態様において、積層電気伝導体は第１支持薄層と、第２支持薄層と、前記第１支持薄層と前記第２支持薄層との間に配置される高温超伝導体を含むインサートと、前記インサートを囲むとともに、前記インサートを前記第１支持薄層と前記第２支持薄層のそれぞれに接合する充填材とを含む。前記インサートの位置に対応する前記第１支持薄層と前記第２支持薄層との間の位置において、前記インサートの各側部における前記充填材の幅寸法は該積層電気伝導体の幅の少なくとも１０％である。
幾つかの態様において、積層電気伝導体は伝導体の長さに対応する方向に延びるＡ軸と、Ａ軸を横切るＢ軸とを有する。Ｂ軸は伝導体の幅に対応する方向に延びる。伝導体は前記Ａ軸及び前記Ｂ軸の両軸を横切るＣ軸を有し、Ｃ軸は伝導体の厚さに対応する方向に延びる。該積層電気伝導体は、該積層電気伝導体の幅に一致する幅を有する第１支持薄層と、第１支持薄層に対して前記Ｃ軸に沿って層状に配置される第２支持薄層と、前記第１支持薄層と前記第２支持薄層との間に配置される高温超伝導体を含むインサートと、前記インサートを囲むとともに前記インサートを前記第１支持薄層及び前記第２支持薄層のそれぞれに接合する充填材とを含む。前記インサートの位置に対応する前記第１支持薄層と前記第２支持薄層との間の位置において、前記インサートの各側部における前記充填材の幅寸法は該積層電気伝導体の幅の少なくとも１０％である。
積層電気伝導体は次の一つ以上の特徴を有していても良い。前記充填材はハンダである。前記第１支持薄層及び前記第２支持薄層の少なくとも一方は電気伝導性材料から形成されている。前記第１支持薄層は前記第２支持薄層とは異なる材料で形成されている。さらに、該積層電気伝導体は前記第１支持薄層と前記第２支持薄層との間に配置される高温超伝導体を有する第２インサートを含む。前記第１支持薄層と前記第２支持薄層との少なくとも一方は少なくとも１２ｍｍの幅を有し、かつ、前記インサートは少なくとも９ｍｍの幅を有する。前記第１支持薄層と前記第２支持薄層との少なくとも一方は少なくとも１６ｍｍの幅を有し、かつ、前記インサートは少なくとも１１．８ｍｍの幅を有する。前記第１支持薄層に垂直な軸に沿った該積層電気伝導体の引張り強度は確実に少なくとも２１ＭＰａであり、前記「確実に少なくとも２１ＭＰａ」という表現は、前記第１支持薄層に垂直な軸に沿った引張り試験データを有する伝導体において、９９．７パーセントの引張り試験データが引張り試験データの平均値の３標準偏差以内であり、かつ、引張り試験データの平均値と引張り試験データの平均値の３標準偏差との差が少なくとも２１ＭＰａであることを意味する。前記積層電気伝導体の前記Ｃ軸の引張り強度が確実に少なくとも２１ＭＰａであり、前記「確実に少なくとも２１ＭＰａ」という表現は、Ｃ軸引張り試験データを有する伝導体において、９９．７パーセントのＣ軸引張り試験データがＣ軸引張り試験データの平均値の３標準偏差以内であり、かつ、Ｃ軸引張り試験データの平均値とＣ軸引張り試験データの平均値の３標準偏差との差が少なくとも２１ＭＰａであることを意味する。
幾つかの態様では、回転機械は、少なくとも一つのステータ巻線を含むステータアセンブリと、前記ステータアセンブリ内において該回転機械の長手方向の軸線の周りを回転するように構成されるロータアセンブリと、を含んで提供される。前記ロータアセンブリは少なくとも一つのロータ巻線を含み、各ロータ巻線は単一の積層電気伝導体を含む。前記積層電気伝導体は、伝導体の幅に対応する方向に延びるＢ軸と、前記Ｂ軸に直交するとともに前記伝導体の厚さ方向に延びるＣ軸により定義される断面と、第１支持薄層と、第２支持薄層と、前記第１支持薄層と前記第２支持薄層との間に配置された高温超伝導体を含むインサートと、前記インサートを囲むとともに、前記インサートを前記第１支持薄層及び前記第２支持薄層のそれぞれに接合させる充填材とを含む。前記インサートの位置に対応する前記第１支持薄層と前記第２支持薄層との間の位置において、前記インサートの各側部における前記充填材の幅寸法は前記積層電気伝導体の幅寸法の少なくとも１０パーセントである。
該回転機械は次のうち一つ以上の特徴を有していてもよい。前記少なくとも一つのロータ巻線は前記伝導体のＢ軸が前記ロータアセンブリの半径と平行になるように前記ロータアセンブリ内に支持されている。各ロータ巻線の巻回軸線に沿った寸法は前記積層電気伝導体のＢ軸における寸法と実質的に同じである。前記積層電気伝導体は一巻きあたり少なくとも６００アンペアを送電するために構成されている。前記積層電気伝導体の前記Ｃ軸の引張り強度が確実に少なくとも２１ＭＰａであり、前記「確実に少なくとも２１ＭＰａ」という表現は、Ｃ軸引張り試験データを有する伝導体において、９９．７パーセントのＣ軸引張り試験データがＣ軸引張り試験データの平均値の３標準偏差以内であり、かつ、Ｃ軸引張り試験データの平均値とＣ軸引張り試験データの平均値の３標準偏差との差が少なくとも２１ＭＰａであることを意味する。
幾つかの態様では、コイル巻線は単一の積層電気伝導体を含む。前記積層電気伝導体は、伝導体の幅に対応する方向に延びるＢ軸と、前記Ｂ軸に直交するとともに前記伝導体の厚さ方向に延びるＣ軸により定義される断面を有する。前記積層電気伝導体は、第１支持薄層と、第２支持薄層と、前記第１支持薄層と前記第２支持薄層との間に配置された高温超伝導体を含むインサートと、前記インサートを囲むとともに、前記インサートを前記第１支持薄層及び前記第２支持薄層のそれぞれに接合させる充填材とを含む。前記インサートの位置に対応する前記第１支持薄層と前記第２支持薄層との間の位置において、前記インサートの各側部における前記充填材の幅寸法は前記積層電気伝導体の幅寸法の少なくとも１０パーセントである。
前記コイル巻線は次のうち一つ以上の特徴を有していてもよい。前記積層電気伝導体は前記Ｂ軸と実質的に平行な巻回軸線の周りに巻かれている。各ロータ巻線の巻回軸線に沿った寸法は前記積層電気伝導体のＢ軸における寸法と実質的に同じである。前記積層電気伝導体は一巻きあたり少なくとも６００アンペアを送電するために構成されている。前記積層電気伝導体の前記Ｃ軸の引張り強度が確実に少なくとも２１ＭＰａであり、前記「確実に少なくとも２１ＭＰａ」という表現は、Ｃ軸引張り試験データを有する伝導体において、９９．７パーセントのＣ軸引張り試験データがＣ軸引張り試験データの平均値の３標準偏差以内であり、かつ、Ｃ軸引張り試験データの平均値とＣ軸引張り試験データの平均値の３標準偏差との差が少なくとも２１ＭＰａであることを意味する。複数の巻きの前記積層電気伝導体を含み、前記積層電気伝導体の各巻きはエポキシ樹脂を用いて他の残りの巻きに固定される。前記積層電気伝導体の前記Ｃ軸の引張り強度が確実にエポキシ樹脂の引張り強度よりも大きく、前記「確実にエポキシ樹脂の引張り強度よりも大きく」という表現は、Ｃ軸引張り試験データを有する伝導体において、９９．７パーセントのＣ軸引張り試験データがＣ軸引張り試験データの平均値の３標準偏差以内であり、かつ、Ｃ軸引張り試験データの平均値とＣ軸引張り試験データの平均値の３標準偏差との差がエポキシ樹脂の引張り強度よりも大きいことを意味する。前記コイル巻線は鞍型コイル巻線で形成される。前記巻線はＣ軸方向に積層し、前記Ｂ軸方向に単一の厚さを有するように軸周りに巻かれた単一の伝導体から形成されている。
発電機コイル巻線の利用に際しては、Ｃ軸強度は重要な設計検討事項である。これは、発電機コイル巻線の利用時における負荷条件によるものである。より具体的には、これらの利用時には、積層伝導体は多重巻きの発電機コイル巻線を形成するためにマンドレルの周りに巻かれている。その巻線では、個々の伝導体は、各巻きの間のエポキシ樹脂層により、Ｃ軸に沿って積層されている。使用時には、発電機コイル巻線は超伝導性を可能にするため極低温に冷却される。しかし、エポキシ樹脂層は積層体を形成する金属よりはるかに収縮する傾向があるため、伝導体を層間剥離し得る高いＣ軸応力が積層体にかかる。特に、高いＣ軸応力はしばしば、ＨＴＳインサート内においてＨＴＳ層が金属基板層から剥がれるといった層間剥離が発生する原因となる。幅広のフィレット構造を有する積層電気伝導体を提供することにより、伝導体のＣ軸強度がエポキシ樹脂の強度よりも大きくなり、冷却による伝導体の層間剥離が回避される。特に、ＨＴＳインサートの各側部におけるフィレット幅の寸法が積層電気伝導体の幅の少なくとも１０％であることが、伝導体を冷却することによる層間剥離の回避に必要とされることがわかっている。これは、送電ケーブル内の伝導体は負荷条件が完全に異なるため、Ｃ軸強度が重要な設計検討事項ではない送電ケーブルアプリケーションとは対照的である。
積層ＨＴＳ電気伝導体は確実に２１ＭＰａより大きなＣ軸強度を有して提供される。これは、伝導体の各側部のフィレット幅が伝導体の幅の少なくとも１０％である積層体を提供することで達成される。好都合にも、積層構造は巻線に成形され、超伝導性を可能にするために充分に冷却されるときに、伝導体の層間剥離を防止する。
積層ＨＴＳ電気伝導体は従来の積層高温超伝導電気伝導体に比べて高い送電容量を有して提供される。これは、伝導体の全体幅が１２ｍｍよりも大きな積層体を提供することで達成される。幾つかのケースでは、幅広の積層伝導体は、従来の積層伝導体が一巻きあたり２００アンペアに対し、一巻きあたり少なくとも６００アンペアを提供するように構成される。相対的に高い送電容量は、より少ない巻きで巻線を形成でき、製造時における労力及びコストを低減することができるため、有利である。さらに、超伝導コイル巻線において幅広の伝導体を使用することは、巻きの効率的な充填及びより少ない絶縁材の使用を可能にし、それにより、従来の成形の巻線に比べて電流密度（アンペア−巻き）が高くなる。
図１に示すように、風力タービン１０はハブ２４に結合された複数のタービンブレード２２を有するタービンロータ２０を含む。また、風力タービン１０は発電機３０を含む。発電機３０は、発電機３０とハブ２４との間に延びる駆動軸９０により駆動される。発電機３０は、ナセル２６の端部の開口部から突出するタービンロータ２０と共に示す部分的な切取り内部図に示されるように、ナセル２６に収容されている。詳細は後述するが、発電機３０は、低周波数の用途に使用するために構成され、タービンロータ２０と同じ周波数で回転する。例えば、記載されている実施形態では、発電機３０は１１ｒｐｍ程度で動き、１０メガワット以上を発電する。
図２に示すように、発電機３０は直接駆動であるとともに同位相であり、ＨＴＳ界磁巻線を有するロータアセンブリ６０と、銅製のステータ巻線などの非超伝導性ステータ巻線を有するステータアセンブリ４０とを含む回転超伝導性機械である。詳細は後述するが、ロータアセンブリとステータアセンブリとが駆動軸９０及び長手方向の軸線１５において同軸になるように、ロータアセンブリ６０はステータアセンブリ４０内に支持されている。
図３に示すように、ステータアセンブリ４０はステータコア４２と、ステータコア４２内に支持されるステータ巻線４６とを含む。ステータコア４２は、環状の強磁性体プレート４４を形成する積層円弧部の集合体として形成された中空の円筒体である。ステータ巻線４６は、伝導損失を低減するパターンを形成するために、個々の銅線伝導体（図示せず）がねじられたり織られたりした転置線ケーブル（図示せず）で形成されている。転置線ケーブルは、リッツ線、ラザフォード線、ロベル線、または任意の他の適切な転置線または直列巻線を含んでも良い。転置線ケーブルは、ダイヤモンドやクランク形状等の従来の形状を有する長尺状で多重巻きのステータ巻線４６を形成するために発電機３０の長手方向の軸線１５を横切る軸線の周りに巻かれる。ステータ巻線４６は従来の方法により冷却される。
図４及び図５に示すように、ロータアセンブリ６０は電磁シールド５０に囲まれるロータ巻線アセンブリ６２と、トルク伝達アセンブリ８０とを含む。電磁シールド５０は、ステータ電流により生成される非同期の界磁を減衰させることで、ロータ巻線アセンブリ６２内のロータ巻線６４を保護する伝導性であり非磁性の材料を含む。さらに、電磁シールド５０はロータ巻線アセンブリ６２をステータアセンブリ４０において発生する熱から保護する。
ロータ巻線アセンブリ６２は、各々がマンドレル６６にＨＴＳ伝導体１０２が巻かれて形成された、複数のロータ巻線６４を含む。他の構成も可能だが、以下にさらに説明するように、本実施形態のロータ巻線６４は鞍型コイルの形状である。ロータ巻線６４及びマンドレル６６は、円筒状のロータ巻線支持チューブ６８上に配置され、ロータ巻線６４、マンドレル６６、及びロータ巻線支持チューブ６８の全てはクライオスタット７０内に封入されている。
ロータ巻線６４はロータ支持チューブ６８を介して冷却される伝導体である。図示の実施形態では、同時係属の米国出願１２／０４５，９７３に記載されるとともにその内容が本明細書に参考として取り入れられている極低温冷却システムが、ロータ支持チューブ６８を冷却するために使用される。極低温冷却システムでは、クライオクーラは支持チューブ６８の周囲に分布している。それぞれのクライオクーラはロータ支持チューブ６８に接続されたコールドヘッドと、クライオクーラに繋げられる熱負荷に対して冷却剤を循環させるサーキュレータ（図示せず）とを含む。クライオクーラ及びサーキュレータはロータ支持チューブ６８と共に回転するように構成されている。
トルク伝達アセンブリ８０は、ロータ巻線アセンブリ６２に対して内部に放射状に配置されている。また、トルク伝達アセンブリ８０はステータアセンブリ４０内でロータアセンブリ６０を回転可能にかつ同軸上に支持している。さらに、トルク伝達アセンブリ８０はロータ巻線アセンブリ６２を支持し、ロータ巻線アセンブリ６２から生成された回転力を駆動軸９０に伝達する。
トルク伝達アセンブリ８０は、支持チューブ６８を支持するとともにステータアセンブリ４０に対する位置を定めるロータ本体８２と、駆動軸９０と、ロータ本体８２を駆動軸９０に接続するトルク制限カップリング１００とを含む。駆動軸９０の第１端９４はトルク制限カップリング１００を介してロータ本体８２に接続されている。駆動軸９０の第２端９２は支持軸受２８を介してナセル２６によって支持されている（図２を参照）。ロータ本体８２、トルク制限カップリング１００及び駆動軸９０は、クライオスタット７０により定義される低温空間の外側にあり、故に、雰囲気温度中で動作する。
図６に示すように、鞍型ロータ巻線６４は単一の電気伝導体１０２で形成されている。電気伝導体１０２は一般には矩形の断面形状を有し、かつ、寸法において長さが幅又は厚さよりも大きい高温超伝導（ＨＴＳ）テープである。この説明を目的として、伝導体１０２は、電流の送電方向に対応するとともに伝導体の長さ方向に対応する方向に延びるＡ軸を含む。また、伝導体１０２はＡ軸を横切るＢ軸を含む。Ｂ軸は伝導体の幅ｗｃに対応する方向に延びる。また、伝導体１０２はＡ軸及びＢ軸の両軸を横切るＣ軸を含む。Ｃ軸は伝導体の厚さｔｃに対応する方向に延びる。なお、この基準フレームは伝導体１０２全体としての基準として設けられ、伝導体１０２に設けられた伝導材料の結晶学的な座標とは分離されることは理解されるであろう。
伝導体１０２は、第１支持薄層１０８と、第２支持薄層１１０と、第１及び第２支持薄層１０８，１１０との間に積層状に配置される少なくとも一つのＨＴＳインサート１１２と、ＨＴＳインサート１１２を封入するとともにＨＴＳインサート１１２を第１支持薄層１０８及び第２支持薄層１１０のそれぞれに接合し、かつ、後にさらに説明されるフィレット１２６を形成するハンダの充填材１２４とを含む積層体である。伝導体１０２は絶縁性のエポキシ樹脂被覆（図示せず）で覆われている。単一のＨＴＳインサートを含む、図６に示される積層伝導体アセンブリは「３層」伝導体と呼ばれる。
第１及び第２支持薄層１０８，１１０は金属などの電気伝導性材料から形成され、伝導体１０２を強化するために用いられる。例えば、第１及び第２支持薄層１０８，１１０は、銅、銅合金、ステンレス鋼、真鍮またはそれら複合材から形成される。図示の実施形態では、第１支持薄層１０８は第２支持薄層１１０の材料と同じ材料で形成されている。
伝導体１０２内において、充填材１２４はインサート１１２を完全に取り囲んでいる。一般的に、充填材１２４は第１支持薄層１０８と第２支持薄層１１０との間の有用な空間に充填されるが、製造時の表面張力により浅いメニスカスが形成される充填材１２４の側縁部にフィレット１２６が形成される。充填材１２４は全ての構成部品を機械的に接合する。多くの異なるハンダを充填材１２４として使用することができ、使用される特定のハンダは、個々の用途の要件（熱的、電気的及び機械的）に基づいて選択される。例えば、充填材１２４はＰｂ−Ｓｎハンダ、Ｓｎハンダ、又は、その他のハンダから選択することができる。
図７に示すように、ＨＴＳインサート１１２もまた積層構造であり、金属基板１２０を含む。幾つかの実施形態では、金属基板１２０は強磁性材料から形成されている。例えば、金属基板１２０はＮｉＷから形成されてもよい。金属基板１２０における少なくとも一つの表面は、一つ以上の緩衝層１１８及びＨＴＳ層１１６のための結晶型板を提供するために、二軸テクスチャ化されている。緩衝層１１８は金属基板１２０上に積層されている。緩衝層１１８として導電性材料を用いることは可能ではあるが、幾つかの実施形態では、緩衝層１１８は電気絶縁性材料から構成されている。緩衝層１１８は例えば不活性金属、金属又は希土類元素の酸化物、ジルコン酸塩、チタン酸塩、ニオブ酸塩、窒化物、タンタル酸塩、アルミン酸塩、銅酸塩、マンガン酸塩又あるいはルテニウム酸塩（例えば、Ａｌ２Ｏ３、ＣｅＯ２、Ｙ２Ｏ３、ＭｇＯ、Ｇｄ２Ｏ３、チタン酸ストロンチウム、ジルコン酸ガドリニウム、イットリア安定化ジルコニア、ＡｌＮ、Ｓｉ３Ｎ４、ＬａＭｎＯ４、Ｌａ２Ｚｒ２Ｏ７又はＬａ２−ｘＣｅｘＺｒ２Ｏ７）から構成される。ＨＴＳ結晶を成長させるのに適したテクスチャを提供する任意の材料または複数の材料の組み合わせを用いることができる。ＨＴＳ層１１６は緩衝層１１８に積層され、任意のＨＴＳ材料でよい。幾つかの実施形態では、ＨＴＳ層はＹＢＣＯ等の希土類−アルカリ土類−銅酸化物を含む。キャップ層１１４はＨＴＳ層１１６上に積層され、化学的及び機械的劣化からＨＴＳ層を保護する。キャップ層１１４は、Ａｇ又は他の不活性金属でスパッタリングされてもよい。ＨＴＳインサート１１２は、複数のワイヤを単一で４〜１０ｃｍの幅広から所望の幅で生産できる広幅ストリップ製造プロセスを用いて作られる。従って、単一のワイヤでより高い電流を許容できる比較的に幅広の伝導体が形成される。
図８に示すように、鞍型ロータ巻線６４において伝導体１０２は、マンドレル６６の周囲において発電機３０の長手方向の軸線１５を横切るＴ軸線の周りに巻かれている。マンドレル６６は一般的に長尺状の楕円形状であるため、ロータ巻線６４は、マンドレル６６の長側面に沿った直線部６４ａと、マンドレル６６において相対的に短く丸みを帯びた端部に沿った湾曲部６４ｂとを含む。さらに具体的には、鞍型ロータ巻線６４において、伝導体１０２は、直線部６４ａの内部において伝導体のＢ軸がロータアセンブリ６０の半径Ｒと平行であり、かつ、支持チューブ６８の外面に対して垂直であるようにマンドレル６６の周りに巻かれている。半径ＲとＴ軸線とがマンドレル６６の中心に同軸であり、さらに半径Ｒはマンドレル６６の外周に隣接する位置においてＴ軸線に相対して僅かに角度ずれを有すことが理解される。
幾つかの実施形態では、伝導体１０２はＴ軸線の周りに少なくとも３００〜４００巻きは巻かれている。その結果、図６に示す断面図でコイル巻線６４を見たとき、伝導体１０２の複数の層が伝導体のＣ軸に沿って配置されている。但し、伝導体１０２の断面図は、ロータ巻線６４内の伝導体の層の方向を可視化するために、図８の縮尺で描かれていない。さらに、伝導体１０２は、半径Ｒに沿ったロータ巻線６４の寸法が伝導体１０２のＢ軸における寸法（例えば伝導体の幅ｗｃ）と同じになるように、単層内に配置されている。比較的大きな幅（ｗｃ）のため、単層においてコイル巻線６４を形成することは可能である。単層の鞍型ロータ巻線構成は、円弧部を形成する複数のパンケーキスタックなどの他の構成に比べて比較的単純であるとともに機械的により強固であり、かつ、有効な空間に伝導体を極めて効率的に充填ができるため有利である。当業者は大径の鞍型巻線はパンケーキ巻線とほぼ同じであることを理解するであろう。しかし、鞍型巻線の一つの利点はチューブの表面に合うことである。
コイル巻線のアプリケーションに伝導体１０２を用いる場合には、例えば伝導体１０２がコイル巻線の巻きを形成するためにＣ軸方向に沿って層状に配置されていることや、伝導体１０２を囲むエポキシ樹脂及び伝導体１０２を形成する金属の不均一な熱収縮特性に起因する伝導体の層間剥離を防ぐために、Ｃ軸の強度が２１ＭＰａより大きいことが重要であるとわかっている。伝導体１０２において要求されるＣ軸強度は、インサート１１２の各側部の充填材１２４の幅寸法を、インサート１１２の位置に対応する第１支持薄層１０８と第２支持薄層１１０との間の位置において幅方向（例えば、Ｂ軸に沿って）に測定したときに、伝導体１０２の幅の少なくとも１０％となるように、伝導体１０２を形成することで達成される。３層の伝導体１０２においては、この位置は一般的に伝導体１０２の中間の厚さ（例えば、Ｃ軸における中間点）に対応する。
必要なフィレットの厚さを得るために、ＨＴＳ層１１６を含むインサート１１２は、伝導体の幅ｗｃよりも小さいインサートの幅ｗｉを有して形成される。特に、従来は超伝導材で充填される伝導体１０２内の領域には充填材１２４が充填され、故に、ロータ巻線６４に必要とされるＣ軸強度特性を達成するために、電流が引き換えになる。
図示の実施形態では、伝導体１０２は第１及び第２支持薄層１０８，１１０の幅の１２．０ｍｍに一致する伝導体の幅ｗｃを有し、厚さは０．０５０ｍｍである。さらに、インサート１１２の幅ｗｉは９．０ｍｍである。特に、インサート幅ｗｉは、インサート１１２の各側部の最小のフィレット幅が伝導体の幅ｗｃの１０％より大きくなるように決められている。インサート１１２の位置に対応する第１支持薄層と第２支持薄層との間の高さの位置で測定される、合計のフィレット幅（例えば、インサート１１２の両側から）の伝導体の幅に対するパーセンテージは（（ｗｃ−ｗｉ）／ｗｃ）×１００に相当する。従って、インサート１１２の各側部のフィレット幅の伝導体の幅に対するパーセンテージは（（ｗｃ−ｗｉ）／（２ｗｃ））×１００に相当し、少なくとも１０％が必要である。これらのパーセンテージはフィレット１２６の凹面を無視しているが、伝導体１０２の全体の厚さは小さく、故に凹面が非常に僅かであるため、これらのパーセンテージは許容される。従って、伝導体の幅ｗｃが１２．０ｍｍであり、インサートの幅ｗｉが９．０ｍｍの伝導体は、インサート１１２の各側部の充填材１２４の幅寸法は１２．５パーセントである。
伝導体の寸法は、上述の１２ｍｍ−９ｍｍである構成に限定されるものではない。より高電流を必要とするアプリケーションの場合、伝導体１０２はより大きなインサート幅を用いて形成することができる。例えば、伝導体１０２は伝導体の幅ｗｃが１６．０ｍｍであるように形成することができる。対応するインサート１１２は１１．８ｍｍの幅ｗｉを有して形成される。この例では、インサート１１２の各側における充填材１２４の幅寸法は１３パーセントである。
図９に示すように、代替的な実施形態の伝導体２０２は、二つのＨＴＳインサート１１２，１１２’を含み、４層の伝導体と呼ばれることを除いて、３層の伝導体１０２と同一である。二つのインサート１１２，１１２’を有する伝導体２０２を提供することにより、単一のインサート１１２を有する伝導体１０２に比べ、より高い送電容量を得られる。
ＨＴＳインサート１１２，１１２’は構造的に同一であり、第１のＨＴＳインサート１１２の層の順序が、伝導体の厚さにおける中央を通り、かつ、Ｂ軸に平行な軸を挟んで見たときに、第２のＨＴＳインサート１１２’の層の順序と重なるように薄層の間に配置されている。具体的には、ＨＴＳインサート１１２，１１２’は層の順序が一般的にキャップ層１１４／ＨＴＳ層１１６／緩衝層１１８（複数可）／金属基板１２０／金属基板１２０’／緩衝層１１８’（複数可）／ＨＴＳ層１１６’／キャップ層１１４’となるように配置されている。言い換えれば、ＨＴＳインサート１１２，１１２’は、ＨＴＳ層１１６，１１６’が金属基板１２０，１２０’のそれぞれに対して外側に位置するように配置されている。この配置により、それぞれのＨＴＳ層１１６，１１６’は金属基板１２０，１２０’及び軸を挟んで重なるのではなくインサート１１２の順序が繰り返されたＨＴＳテープ構成に対してＡＣ損失を低下させる構成を電気的に保護する。
上述のように、広いフィレット幅を含む伝導体構造は、伝導体を層間剥離しうる高いＣ軸応力が、エポキシ樹脂の冷却により積層板に対し加わるコイル巻線故障モードに対処する。具体的には、層間剥離は、伝導体のＣ軸引張強度がエポキシ樹脂の張力緩和点より大きい伝導体を形成することにより回避される。図示の実施形態では、張力緩和点が１４ＭＰａのエポキシ樹脂であり、安全係数１．５を含み、伝導体の最小Ｃ軸強度は２１ＭＰａである。
伝導体２０２において、必要なＣ軸強度は充填材１２４の幅寸法が、ＨＴＳインサート１１２，１１２’の位置に対応する第１支持薄層１０８と第２支持薄層１１０との間の位置において幅方向に測定したとき（例えば、Ｂ軸に沿って）、伝導体２０２の幅寸法の少なくとも１０パーセントとなる伝導体２０２を形成することで達成される。４層の伝導体２０２において、この位置は一般的に伝導体２０２の中間の厚さ（例えば、Ｃ軸方向の中間点）に対応する。
インサートの片側又は両側のフィレット幅が１０パーセント未満の伝導体１０２，２０２は、必要なＣ軸強度（例えば、２１ＭＰａより大きい）を確実に提供することはなく、図１０及び図１１を参照して以下に説明するように、ロータ巻線６４に用いるのに適していないことが、実験的にわかっている。
図１０は次の異なる３つの構成の４層の伝導体のサンプルにおいて、Ｃ軸の破壊応力を測定したグラフである。第１例の伝導体は、伝導体の幅ｗｃが１６．０ｍｍであり、かつ、インサートの幅ｗｉが１１．８ｍｍである。第２例の伝導体は、伝導体の幅ｗｃが１２．０ｍｍであり、かつ、インサートの幅ｗｉが９．０ｍｍである。第３例の伝導体は、伝導体の幅ｗｃが１２ｍｍであり、かつ、インサートの幅ｗｉが１０ｍｍである。第１及び第２例の伝導体は、伝導体の幅に対するインサートの各側部のフィレット幅がそれぞれ１３．１パーセント及び１２．５パーセントであるフィレット幅を有す。第３例の伝導体においては、伝導体の幅に対するインサートの各側部のフィレット幅は僅か８．３パーセントである。このグラフは、一般的にフィレット幅が増加するとＣ軸引張り破壊強度が増加することを示している。
従来の知識では、フィレット幅を増加しても、インサート１１２がフィレット領域１２６の外側の面から遠すぎるため、強度はほとんど改善しない。さらに、電気伝導体技術、特に巻線アプリケーションに使用される電気伝導体に関する技術は、送電容量を増加する要求によって活性化されている。このように、フィレット幅を増加することはインサート幅を減少させることになるため、当業者はインサートのサイズを減少させるよりもインサートのサイズを増加することに解決策を見出し、フィレット幅を増加することは考えないであろう。予想外にも、フィレット幅を増加させることで、Ｃ軸引張り強度に革新的な改善があった。これは、伝導体の縁部が伝導体１０２，２０２の製造中に発生したスリット形式プロセスによる亀裂核形成場所であるという事実によるものである。より広いフィレット１２６は亀裂核形成場所において、より高い引張り強度を提供する。
図１０に示された各例は、Ｃ軸引張り強度が２１ＭＰａを超えていることを示す。しかし、後述するように第３例の伝導体は少なくとも２１ＭＰａのＣ軸引張り強度であることを確実に示しているのではない。従って、フィレット幅が１０パーセント未満である図１０の第３例の伝導体は、ロータ巻線６４に使用するのに適していない。
フィレット幅（伝導体の幅に対するパーセントとして表示されている）とＣ軸方向における破壊応力との関係を示す図１１を参照すると、伝導体の全幅に対するフィレット幅のパーセントがより大きい伝導体において、より高い破壊強度を得られることがわかる。さらに、インサート１１２の各側部のフィレット幅が伝導体の幅に対して１０パーセントよりも大きな伝導体１０２，２０２は確実に２１ＭＰａよりも大きな機械的強度を有することを示している。本明細書で使用されるように、伝導体１０２，２０２は、９９．７パーセントのＣ軸引張り強度のテストデータが、テストデータの平均値の３標準偏差以内にあれば、信頼できると考えられている。この場合、伝導体１０２，２０２において、伝導体のＣ軸引張り強度の平均と伝導体のＣ軸引張り強度の平均の３標準偏差との差は、最低でも２１ＭＰａでなければならない。この基準を満たす伝導体は信頼性が非常に高い可能性を有しており、発電機３０内に一度組み付けられると欠陥のあるコイル巻線６４を取り替えることは困難であるとともに費用がかかるため、信頼性はコイル巻線にとって重要な特徴である。図１１では、インサートの各側部のフィレット幅が伝導体の幅の１０パーセント未満、例えば４パーセント及び８．３パーセントの伝導体が信頼性の基準を満たさず、そのため、ロータ巻線６４での使用には適していない。
図１２は薄層幅が１６ｍｍであり、かつ、インサート幅が１１．８ｍｍである４層の伝導体２０２の２４０メートルに沿って間隔を置いて測定した臨界電流Ｉｃのグラフである。好都合にも、伝導体２０２は高い送電容量（例えば、臨界電流Ｉｃは約６００アンペア）を示しており、それにより、伝導体２０２を形成する単一の伝導体の巻線６４もまた同様の高い送電容量を備えるであろう。このように、並列に複数のコイルを有する発電機巻線を回避することができる。さらに、臨界電流Ｉｃは伝導体の長さに沿って変化がほとんどない。
コイル巻線の特徴の組み合わせにより、上述のように、コイル巻線６４から必要とされる性能（例えば、一巻きあたり６００アンペアかそれ以上を送電する能力）を達成することが可能である。特に、コイル巻線は４層のＨＴＳ伝導体２０２から形成されており、伝導体２０２は、以下でさらに述べるように、幅が例えば１２ｍｍ、１６ｍｍ又はそれ以上というように大きな幅ｗｃを有して形成されている。各ポールセットはθ＝１８０度の円弧部を磁極対の数で割ったものを占めるように巻かれている。伝導体の大きな幅ｗｃは、円弧部（図８参照）内で使用できるように伝導体２０２の単層配置を可能にし、そのことが伝導体２０２の円弧（例えば利用可能な空間）において非常に効率的かつ高密度の充填に寄与する。改良された充填は必要とされる絶縁体が少なくなるため、結果としてより高い電流密度、すなわち、より高いアンペア−巻きになる。さらに、たった一つの伝導体の層が各巻線６４に巻かれているため、複数の層が使用されている構成に比べ、製造において必要とされる労力が少なくなる。また、伝導体の高い充填密度は、送電容量において３０パーセントの利益となる電流再分配を促進する構成である。このことは、非常に幅広の単層の巻線が、一般的にポールセットにおいて放射方向外側及び内側の縁部において、伝導体２０２のＣ軸に平行であり、かつ、円弧の中央付近において伝導体２０２のＢ軸に平行な束密度における勾配にさらされるために生じる。テクスチャＹＢＣＯ及びＢＳＣＣＯ伝導体は、付与された束密度が伝導体のＣ軸に平行であるときに、より大きな電流を送電する。このように、幅広の伝導体２０２は、円弧の縁部から円弧の中央への電流再配分を開示する。
４層の伝導体２０２を含む単層の巻線６４を用いたＨＴＳ機械は従来の機械に対し、相対的により小型でかつ軽量であり、その上、６００アンペアの動作電流を提供する。このことは、例えば、エアギャップ束密度が１．５Ｔより大きく、ロータアイアンとステータバックアイアンとの間の効果的なエアギャップが約２００ｍｍであり、かつ、円弧部の絶縁された巻きの厚さ４００ミクロンに対し単層の巻線のターン数が４００巻きよりも大きいときに達成される。
発電機３０に使用するためのトルク制限カップリング１００において選択された例示的な実施形態の詳細を説明した。本発明の実施例について上述したが、本発明は上記の実施例に限定されるものではなく、種々の設計変更は、特許請求の範囲に記載の本発明から逸脱することなく行うことができる。
伝導体１０２，２０２は二つの支持薄層１０８，１１０を含むものとして本明細書に記載されているが、伝導体は二つ以上の薄層を有して形成してもよい。さらに、第１支持薄層１０８は必ずしも第２支持薄層１１０と同じ材料で形成される必要はない。代わりに、伝導体１０２，２０２は異種の材料から形成された薄層を含んでもよい。支持薄層１０８，１１０は厚さ０．０５０ｍｍを有するものとして記載されているが、支持薄層は０．０５０ｍｍ以外の厚さを有するように形成してもよい。
伝導体１０２，２０２は、一つまたは二つのインサートを有するものとして本明細書に記載されているが、伝導体はこの数のインサートに限定されるものではない。いくつかの実施形態では、伝導体は、二つ以上のインサートを有するように形成してもよい。また、通常の金属がそれぞれのインサートの間に配置されてもよい。
図示の実施形態では、ロータ巻線６４は、極低温冷却システムを使用してロータ支持チューブ６８を介して冷却される伝導体であるが、ロータ巻線の伝導冷却は、他の技術を使用して達成することできる。例えば、他の実施形態では、冷却チューブは、ロータ巻線６４を仲介するロータ支持チューブ６８の外側面に溶接される。さらに他の実施形態では、冷却チューブは、マンドレル６６及び巻線６４の少なくとも一方に配置されてもよい。あるいは、ロータ巻線６４を冷却するための他の方法が、冷却チューブの配置の代わりに用いられてもよい。例えば、いくつかの実施形態において、ロータ巻線６４を冷却するためにヘリウムガスがクライオスタット７０の内部を循環している。ヘリウムガスのロータ巻線アセンブリ６２に対して内側に向かう流れと外側に向かう流れとを可能にするクーラント供給ライン（図示せず）が静止-回転結合管である同軸のヘリウム移送カップリング（図示せず）を介して通されている。
また、本発明を明確にするために必要と考えられる構造のみが、本明細書に記載されていることを理解されるべきである。他の従来の構造や、システムの付属的及び補助的な構成要素は、当業者には理解されているものとする。
Claims (30)
- 第１支持薄層と、第２支持薄層と、前記第１支持薄層と前記第２支持薄層との間に配置された高温超伝導体を含むインサートと、前記インサートを囲むとともに、前記インサートを前記第１支持薄層及び前記第２支持薄層のそれぞれに接合する充填材と、を備える積層電気伝導体であり、
前記インサートの位置に対応する前記第１支持薄層と前記第２支持薄層との間の位置において、前記インサートの各側部における前記充填材の幅寸法は該積層電気伝導体の幅寸法の少なくとも１０パーセントである積層電気伝導体。 - 前記充填材はハンダである請求項１に記載の積層電気伝導体。
- 前記第１支持薄層及び前記第２支持薄層の少なくとも一方は電気伝導性材料から形成される請求項１に記載の積層電気伝導体。
- 前記第１支持薄層は前記第２支持薄層とは異なる材料で形成される請求項１に記載の積層電気伝導体。
- 前記第１支持薄層と前記第２支持薄層との間に配置される高温超伝導体を含む第２インサートを備える請求項１に記載の積層電気伝導体。
- 前記第１支持薄層及び前記第２支持薄層の少なくとも一方は少なくとも１２ｍｍの幅を有し、かつ、前記インサートは少なくとも９ｍｍの幅を有する請求項１に記載の積層電気伝導体。
- 前記第１支持薄層及び前記第２支持薄層の少なくとも一方は少なくとも１６ｍｍの幅を有し、かつ、前記インサートは少なくとも１１．８ｍｍの幅を有する請求項１に記載の積層電気伝導体。
- 前記第１支持薄層に垂直な軸に沿った該積層電気伝導体の引張り強度が確実に少なくとも２１ＭＰａであり、
前記「確実に少なくとも２１ＭＰａ」という表現は、前記第１支持薄層に垂直な軸に沿った引張り試験データを有する伝導体において、９９．７パーセントの引張り試験データが引張り試験データの平均値の３標準偏差以内であり、かつ、引張り試験データの平均値と引張り試験データの平均値の３標準偏差との差が少なくとも２１ＭＰａであることを意味する請求項１に記載の積層電気伝導体。 - 伝導体の長さに対応する方向に延びるＡ軸と、前記Ａ軸を横切るとともに、伝導体の幅に対応する方向に延びるＢ軸と、前記Ａ軸及び前記Ｂ軸の両軸を横切るとともに、伝導体の厚さに対応する方向に延びるＣ軸とを有する積層電気伝導体であり、
前記積層電気伝導体は、
前記積層電気伝導体の幅と一致する幅を有する第１支持薄層と、
前記第１支持薄層に相対して前記Ｃ軸に沿って積層状に配置される第２支持薄層と、
前記第１支持薄層と前記第２支持薄層との間に配置される高温超伝導体を含むインサートと、
前記インサートを囲むとともに、前記インサートを前記第１支持薄層及び前記第２支持薄層のそれぞれに接合させる充填材と、を備え、
前記インサートの位置に対応する前記第１支持薄層と前記第２支持薄層との間の位置において、前記インサートの各側部における前記充填材の幅寸法は前記積層電気伝導体の幅寸法の少なくとも１０パーセントである積層電気伝導体。 - 前記充填材はハンダである請求項９に記載の積層電気伝導体。
- 前記第１支持薄層及び前記第２支持薄層の少なくとも一方は電気伝導性材料から形成される請求項９に記載の積層電気伝導体。
- 前記第１支持薄層は前記第２支持薄層とは異なる材料で形成される請求項９に記載の積層電気伝導体。
- 前記第１支持薄層と前記第２支持薄層との間に配置される高温超伝導体を含む第２インサートを備える請求項９に記載の積層電気伝導体。
- 前記第１支持薄層及び前記第２支持薄層の少なくとも一方は少なくとも１２ｍｍの幅を有し、かつ、前記インサートは少なくとも９ｍｍの幅を有する請求項９に記載の積層電気伝導体。
- 前記第１支持薄層及び前記第２支持薄層の少なくとも一方は少なくとも１６ｍｍの幅を有し、かつ、前記インサートは少なくとも１１．８ｍｍの幅を有する請求項９に記載の積層電気伝導体。
- 前記積層電気伝導体の前記Ｃ軸の引張り強度が確実に少なくとも２１ＭＰａであり、
前記「確実に少なくとも２１ＭＰａ」という表現は、Ｃ軸引張り試験データを有する伝導体において、９９．７パーセントのＣ軸引張り試験データがＣ軸引張り試験データの平均値の３標準偏差以内であり、かつ、Ｃ軸引張り試験データの平均値とＣ軸引張り試験データの平均値の３標準偏差との差が少なくとも２１ＭＰａであることを意味する請求項９に記載の積層電気伝導体。 - 回転機械であって、該回転機械は、
少なくとも一つのステータ巻線を含むステータアセンブリと、
前記ステータアセンブリ内において該回転機械の長手方向の軸線の周りを回転するように構成されるロータアセンブリと、を備える回転機械であり、
前記ロータアセンブリは少なくとも一つのロータ巻線を備え、各ロータ巻線は単一の積層電気伝導体を含み、
前記積層電気伝導体は、
伝導体の幅に対応する方向に延びるＢ軸と、前記Ｂ軸に直交するとともに前記伝導体の厚さ方向に延びるＣ軸により定義される断面と、第１支持薄層と、第２支持薄層と、
前記第１支持薄層と前記第２支持薄層との間に配置された高温超伝導体を含むインサートと、
前記インサートを囲むとともに、前記インサートを前記第１支持薄層及び前記第２支持薄層のそれぞれに接合させる充填材と、を備え、
前記インサートの位置に対応する前記第１支持薄層と前記第２支持薄層との間の位置において、前記インサートの各側部における前記充填材の幅寸法が前記積層電気伝導体の幅寸法の少なくとも１０パーセントである回転機械。 - 前記少なくとも一つのロータ巻線は前記伝導体のＢ軸が前記ロータアセンブリの半径と平行になるように前記ロータアセンブリ内に支持されている請求項１７に記載の回転機械。
- 各ロータ巻線の巻回軸線に沿った寸法は前記積層電気伝導体のＢ軸における寸法と実質的に同じである請求項１７に記載の回転機械。
- 前記積層電気伝導体は一巻きあたり少なくとも６００アンペアを送電するために構成されている請求項１７に記載の回転機械。
- 前記積層電気伝導体の前記Ｃ軸の引張り強度が確実に少なくとも２１ＭＰａであり、
前記「確実に少なくとも２１ＭＰａ」という表現は、Ｃ軸引張り試験データを有する伝導体において、９９．７パーセントのＣ軸引張り試験データがＣ軸引張り試験データの平均値の３標準偏差以内であり、かつ、Ｃ軸引張り試験データの平均値とＣ軸引張り試験データの平均値の３標準偏差との差が少なくとも２１ＭＰａであることを意味する請求項１７に記載の回転機械。 - 単一の積層電気伝導体を備えるコイル巻線であって、
前記積層電気伝導体は、
伝導体の幅に対応する方向に延びるＢ軸と、前記Ｂ軸に直交するとともに前記伝導体の厚さ方向に延びるＣ軸により定義される断面と、第１支持薄層と、第２支持薄層と、
前記第１支持薄層と前記第２支持薄層との間に配置された高温超伝導体を含むインサートと、
前記インサートを囲むとともに、前記インサートを前記第１支持薄層及び前記第２支持薄層のそれぞれに接合させる充填材と、を備え、
前記インサートの位置に対応する前記第１支持薄層と前記第２支持薄層との間の位置において、前記インサートの各側部における前記充填材の幅寸法は前記積層電気伝導体の幅寸法の少なくとも１０パーセントであるコイル巻線。 - 前記積層電気伝導体は前記Ｂ軸と実質的に平行な巻回軸線の軸周りに巻かれている請求項２２に記載のコイル巻線。
- 各ロータ巻線の巻回軸線に沿った寸法は前記積層電気伝導体のＢ軸における寸法と実質的に同じである請求項２２に記載のコイル巻線。
- 前記積層電気伝導体は一巻きあたり少なくとも６００アンペアを送電するために構成されている請求項２２に記載のコイル巻線。
- 前記積層電気伝導体の前記Ｃ軸の引張り強度が確実に少なくとも２１ＭＰａであり、
前記「確実に少なくとも２１ＭＰａ」という表現は、Ｃ軸引張り試験データを有する伝導体において、９９．７パーセントのＣ軸引張り試験データがＣ軸引張り試験データの平均値の３標準偏差以内であり、かつ、Ｃ軸引張り試験データの平均値とＣ軸引張り試験データの平均値の３標準偏差との差が少なくとも２１ＭＰａであることを意味する請求項２２に記載のコイル巻線。 - 複数の巻きの前記積層電気伝導体を備え、前記積層電気伝導体の各巻きはエポキシ樹脂を用いて他の残りの巻きに固定される請求項２２に記載のコイル巻線。
- 前記積層電気伝導体の前記Ｃ軸の引張り強度が確実にエポキシ樹脂の引張り強度よりも大きく、
前記「確実にエポキシ樹脂の引張り強度よりも大きく」という表現は、Ｃ軸引張り試験データを有する伝導体において、９９．７パーセントのＣ軸引張り試験データがＣ軸引張り試験データの平均値の３標準偏差以内であり、かつ、Ｃ軸引張り試験データの平均値とＣ軸引張り試験データの平均値の３標準偏差との差がエポキシ樹脂の引張り強度よりも大きいことを意味する
請求項２７に記載のコイル巻線。 - 前記コイル巻線は鞍型コイル巻線で形成される請求項３２に記載のコイル巻線。
- 前記巻線は前記Ｃ軸方向に積層し、前記Ｂ軸方向に単一の厚さを有するように軸周りに巻かれた単一の伝導体から形成されている請求項３２に記載のコイル巻線。
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