JP3892299B2

JP3892299B2 - Ｈｔｓ超伝導回転機械

Info

Publication number: JP3892299B2
Application number: JP2001552505A
Authority: JP
Inventors: ティ．ハワード、レイモンド; エス．カルサイ、スウォーン; エル．スニッチラー、グレゴリー; ビー．ガンブル、ブルース; ティ．サンド、ウィリアム; エム．ウィン、ピーター; ピー．ヴォッチオ、ジョン
Original assignee: American Superconductor Corp
Current assignee: American Superconductor Corp
Priority date: 2000-01-11
Filing date: 2000-11-09
Publication date: 2007-03-14
Anticipated expiration: 2020-11-09
Also published as: ATE306139T1; EP1247325B1; WO2001052393A1; JP2003533957A; DE60023038T3; EP1247325A1; EP1247325B2; DE60023038D1; DE60023038T2; AU2001230723A1

Description

【０００１】
本発明はその一部が、海軍研究事務所によって与えられた契約書第Ｎ０００１４−９９−Ｃ−０２９６号に準ずる研究から発生した。
【０００２】
本発明の技術分野
本発明は超伝導回転機械の構造及び動作に関する。より詳細には超伝導モータに使用されるトルク伝達アッセンブリに関する。
背景
超伝導空心の同期発電機は１９６０年代の初め以来開発されてきた。これらの機械に対する超伝導巻線の使用は、巻線によって生成された起磁力の著しい増加および機械中の増加した磁束密度に帰着した。初期の超伝導機械は、初期にはＮｂＺｒやＮｂＴｉ及び後にはＮｂ_３Ｓｎを伴う低温超伝導体（ＬＴＳ）が巻回された界磁巻線を有していた。界磁巻線は固定された液化装置からの液体ヘリウムで冷却された。液体ヘリウムは機械のロータへ輸送され、次に、巻線を冷却するために流体の潜熱及び顕熱の両方を使用すべく気化された。この方法は、非常に大型（例えば、５００ＭＷより大型）の同期モータ及びジェネレータには実行可能であることが判明した。１９８０年代の高温超伝導体（ＨＴＳ）の到来により、超伝導同期機械中のＨＴＳ巻線の実現可能性を決定すべく調査が次々に行われた。
【０００３】
要約
本発明は、比較的高い出力電力を供給する一方で比較的コンパクトなデザインを有した超伝導回転機械を特色とする。その構造は実際に、増加した出力密度特性を有した超伝導回転機械を提供する。
【０００４】
その超伝導機械は、ステータ・アッセンブリと、同ステータ・アッセンブリ内で回転し、ステータ・アッセンブリから一定の間隙により離間したロータ・アッセンブリとを有するタイプである。この構造は例えば、超伝導モータ又はジェネレータを生産するために使用可能である。
【０００５】
本発明の一実施態様において超伝導回転機械は、、駆動時にステータ・アッセンブリとロータ・アッセンブリを結合する磁束を生成する少なくとも１つのＨＴＳ超伝導巻線アッセンブリと、このロータ・アッセンブリの少なくとも１つの超伝導巻線を冷却するための低温冷却システムとを有する。超伝導回転機械は、５００ＲＰＭ以下において約７５Ｎ・ｍ／ｋｇ以上のトルク密度を有し、このトルク密度は、モータ・シャフト・トルクのモータの重量による商と等しい。高速モータがギアーケースの出力速度を減少させることを必要とする場合には低速での高トルク密度が有利である。ギアーケースは騒々しく、大型、かつ高価である。例えば、ギアーケースを使用せずに船プロペラを運転するために本発明を使用することにより船の有効なスペースを確保し、かつ全体的ノイズを縮小し得る。
【０００６】
間隙せん断応力は機械のトルク密度の有効な目安である。それは、ロータ・アッセンブリおよびステータ・アッセンブリの間の間隙の表面積を機械の性能と関連づける。より詳細には間隙せん断応力は、機械トルクの、間隙の面積及び半径による商と等価の数値である。ロータが間隙せん断応力と等しい表面せん断応力を受ける場合、設計トルクと等しいトルクが機械のシャフトに伝達される。約１０３．４〜５８９．５ｋＰａ（１５ｌｂｓ／ｉｎ^２（ｐｓｉ）〜１００ｐｓｉ）の範囲の間隙せん断応力特性を達成する一方で、５００ＲＰＭ以下において約７５Ｎ・ｍ／ｋｇ以上の好適なトルク密度を達成する。
【０００７】
本発明のこの実施態様は、次の特長の１つ以上を有していてもよい。実施形態では機械は、３００ＲＰＭ以下において約１５０Ｎ・ｍ／ｋｇのトルク密度、及び、約２０６．９ｋＰａ〜６８９．５ｋＰａ（３０ｌｂｓ／ｉｎ^２（ｐｓｉ）〜１００ｐｓｉ）の範囲のせん断応力特性を有する。
【０００８】
超伝導巻線アッセンブリは開口を画定する複数の同心上の回転を提供すべく同巻線アッセンブリの軸の周りに巻回され、この軸に沿った超伝導体テープを有した超伝導コイルを有する。超伝導体テープの各１周は、巻線アッセンブリの軸とほぼ平行に維持され幅広の表面を有する。
【０００９】
超伝導体テープは１組の対向する弓形の端部と１組の対向するほぼ直線の側部を画定するレーストラック形状に巻回されている。超伝導体テープは、マルチフィラメント複合超伝導体の長さ全体に亙り、マトリックス形成材料によって包囲された別個の超伝導フィラメントを有するマルチフィラメント複合超伝導体を含む。
【００１０】
超伝導体テープは異方性を有する高温超伝導体、例えばＢｉ_２Ｓｒ_２Ｃａ_２Ｃｕ_３Ｏを含有する。代替手段として、異方性を有する高温超伝導体は希土類−酸化銅系に属する。
【００１１】
特定の実施形態において、超伝導巻線アッセンブリは内部支持部材を有する。同内部支持部材は超伝導巻線と隣接し、及び交互の設けられて、超伝導巻線アッセンブリ内で生じる大きな曲げ応力の緩和を促進する。例えば、約１．０２ｍｍ（４０ミル）の厚さのステンレス・スチールを超伝導巻線と交互に設けることが可能である。内部支持部材及び超伝導巻線は積層構造を形成する。積層構造はシステムに機械的強度を与え、非円形の超伝導巻線がそれら自体を互いに押し離すことを防止する。例えば、レーストラック形状の超伝導体巻線は、ほぼ直線の側部を互いに押し出して、円形巻線に向かう傾向がある。内部支持部材は、ロータ本体内部にある低温冷却管に熱伝導経路を提供する熱伝導性の被覆で覆われる。例えば、内部支持部材を被覆するために銅を使用し得る。
【００１２】
超伝導回転機械のロータ・アッセンブリは真空チェンバで包囲される。チェンバは周囲の部品から低温冷却超伝導巻線を分離する。ロータ・アッセンブリを貫通し、ロータ・アッセンブリから間隙により離間されたシャフトが取り付けられる。シャフトは接線バックル・アッセンブリを使用して取り付けられ、これはロータ・アッセンブリとシャフトとの間の回転力の伝達を可能にする。シャフトは接線のアッセンブリと連結された、軸方向バックル・アッセンブリを使用しても取り付けられる。軸方向バックル・アッセンブリは、ロータ・アッセンブリをシャフトに対して軸方向に固定する。接線バックル・アッセンブリ及び軸方向バックル・アッセンブリの両方は、ロータ・アッセンブリをシャフトから熱的に分離すべく断熱バンドを利用する。低温冷却超伝導巻線がより高温のシャフトから断熱されていない場合には、シャフトは、巨大なヒートシンクの役割を果たす。断熱バンドは、高い引張強さおよび低い熱伝導率を備えた任意の材料から製造できる。ある実施形態では、断熱バンドは、強化エポキシ樹脂（例えばパラ型アラミド及びエポキシの混合物）から形成される。パラ型アラミドはデラウェア州ウィルミントンのＥ．Ｉ．デュポン・ドゥ・ヌムールによってケブラー（登録商標）の商標で販売されている。
【００１３】
ステータ・アッセンブリは長菱形のステータコイルを利用して製造される。ステータ・アッセンブリは個々のステータコイル冷却を有していてもよい。各コイルは電気絶縁材料により包囲されるとともに、ステータコイルの片側に外部のソースからから冷却材を受けるための冷却コンジットが取り付けられる。電気絶縁材料は接地電位にある冷却コンジットをステータコイルに対して立て掛けることを可能にする。冷却コンジット及び電気的に絶縁されたステータコイルは伝熱材料によって包まれる。伝熱材料は、ステータコイルの冷却コンジットと隣接していない側からの冷却を促進することにより、電気絶縁材料内の温度勾配を減少させる。
【００１４】
外部の冷却コンジットを利用し、かつそれをステータコイルから電気的に絶縁することは、脱イオン化水の代わりに真水の使用を可能にし、ステータ・アッセンブリの空気冷却に依存する必要がないため、より小さく、より密集したステータコイルが可能である。ある実施形態では、システムにより良好な冷却特性を与えるべく対抗した平行の面に２つの冷却コンジットを取り付けることが可能である。さらに、多数の通路を有したコンジットが使用されてもよい。
【００１５】
ある実施形態において電気絶縁材料は、ステータ・アッセンブリの全体にわたって受ける電圧に比例して厚さが多様であり得る。個々の長菱形ステータコイルはステータ内での位置に依存して多様な電圧を受ける。電源電圧に最も近いステータコイルは最も厚い絶縁材料を必要とする。相の両端から電気的に中間に設けられたステータコイル上の絶縁体は、前のコイルにおける電圧降下のために、最も薄い絶縁を必要とする。従って、電気絶縁材料の厚さは、相の両端における最大値と、位相の両端間の電気的に中間に位置するコイルにおける、最大の厚さの約半分である最小値との間で段階的に減少する。電気絶縁材料の厚さを変えることは、それが必要でない場合にはより厚い絶縁が使用とされないため冷却を容易にすることを促進する。奇数個のコイルを有した相については、同様の原理だが絶縁材料の最小厚さに対して異なる絶対値が必要となる。
【００１６】
二層巻線中の１組のコイルを異なる絶縁材の厚さで適切な整合することによって、及び、同様の温度上昇のために各組のコイルのワイヤのサイズを変えることによって、本質的に減少した温度上昇或いは電圧故障に対する増加した抵抗を得ることが可能となる。
【００１７】
超伝導回転機械は、超伝導巻線を冷却するために低温冷却システムを有する。低温冷却システムは、複数個の低温冷却表面と、低温環境内にあり冷却表面とロータ・アッセンブリ内の超伝導巻線との間で低温流体を移動させる低温流体輸送装置とを有する。低温流体は、低温冷却表面と流体連通し、ロータ・アッセンブリとの熱的に伝達する閉鎖ループシステムによって輸送される。回転継手は、閉鎖ループシステムが回転する一方で、低温冷却表面と低温流体輸送装置とを静止している状態に維持することを可能とさせる。
【００１８】
一実施形態では、低温流体運搬装置は低温条件に適応可能なファンである。低温条件に適応可能なファンを使用することの利点は、低温流体が状態変化を経ないため、流体を周囲温度に加温することを必要としない点である。さらに、低温条件に適応可能なファンは、状態変化を必要とするコンプレッサ及び熱交換器を追加するよりもより小型、かつそれほど高価ではない。
【００１９】
ある実施形態では、低温冷却表面はギフォード・マクマフォン・コールドヘッドである。パルス・チューブ及び低温冷凍機も低温冷却表面として有用である。
本発明の他の利点及び特徴は以下の記載及びクレームから明白になる。
異なる図面において同一の参照符号は、類似の要素を示す。
発明の詳細な説明
図１，２を参照する。超伝導同期モータ１０は、ここではギフォード・マクマフォン（ＧＭ）冷却システムである低温冷却システム１００によって冷却されたロータ・アッセンブリ５０を有し、ステータ・アッセンブリ２０によって包囲される。ステータ・アッセンブリ２０及びロータ・アッセンブリ５０の両方は、部品及び超伝導モータ１０の全てのユーザを保護すべくハウジング１２内に搭載される。以下により詳細に記載されるように、これらの部品及びアッセンブリのそれぞれは、全体的性能向上及びモータ１０の外形寸法の縮小の両方に寄与する特徴を有する。より詳細には、超伝導同期モータ１０は５００ＲＰＭ以下において７５Ｎ・ｍ／Ｋｇ以上まで高いトルク密度を生成可能である。さらに、そのようなモータは約１０３．４〜５８９．５ｋＰａ（１５ｐｓｉ〜１００ｐｓｉ）の範囲の、大幅に改善された間隙せん断応力特性を提供することが予想される。
【００２０】
図１，３〜５を参照する。この実施形態においてステータ・アッセンブリ２０は、支持チューブ３４の周りに巻回された１０８個のステータコイル２２を有し、多相構造、ここでは９位相構造に配置されている。１相あたり１２個のステータコイル２２は１２ポール構造を提供する。上面鉄３６は、ステータコイル２２を磁気ワイヤで包むことにより形成される。ステータコイル２２は長菱形状に巻回され、１個のステータコイル２２の長菱形が１つのポールを表す。ステータコイル２２は、ステータコイル２２の同じ相にて隣接する側を重ね合わせて、支持チューブ３４の周りに配置される。
【００２１】
図６を参照する。冷却コンジット３０はステータ・アッセンブリ２０の冷却を促進すべく各ステータコイル２２との熱的に接触させて設けられる。各冷却コンジット３０は渦電流加熱を最小限にするために、薄い壁面の高電気抵抗合金から形成される。冷却コンジット３０の各冷却材通路は、隣接した冷却材通路からそれぞれ別個であり、電気的に分離される。冷却コンジット３０が一般に導電材料から形成されるため、ステータコイル２２を接地電位にある周囲の他の部品、特に冷却コンジット３０から電気的に分離すべく、ステータコイル２２を絶縁テープ２８により包囲する。より詳細には、電気絶縁テープ２８は冷却コンジット３０を接地電位に維持することにより、イオンを含有する真水の使用を可能にする。電気絶縁テープ２８は、導体回転２４の動作電圧及び同導体回転２４によって生成された熱に耐えることが可能である厚さを有した材料から形成されている。電気絶縁テープ２８の厚さは、材料の絶縁耐力（絶縁特性）及び動作電圧によって決定され、典型的には約０．０２５ｃｍ〜０．２５ｃｍ（約０．００１〜０．１００インチ）の間にある。電気絶縁テープ２８の材料の例にはエポキシ、マイカ、及びガラステープが含まれるが、これらに限定されない。
【００２２】
この実施形態では、ステータコイル２２は多数の導体回転２４のアレイから形成される。各導体回転２４は、絶縁体２６によって隣接した回転から電気的に分離される。絶縁体２６は電気絶縁テープ２８と同一の材料から形成され得るが、より薄い厚さ（例えば約０．０２５ｃｍ〜０．０７６ｃｍ（０．００１〜０．０３０インチ））を有する。
【００２３】
図６，６Ａを参照する。冷却コンジット３０は各ステータコイル２２を包囲する絶縁テープ２８に隣接し、かつ接触して取り付けられる。各冷却コンジット３０は、真水外部ソース２００から冷却材を受け取るべくその内部を貫通して伸びる多数の通路を有する。図３を参照すると、各冷却コンジット３０は各ステータコイル２２の末端領域に開口（図示せず）を有する。従って、外部ソース２００から各冷却コンジット３０へ流体を流入させるべく、１０８個の開口が、マニホールド・アッセンブリ（図示せず）と流体連通している。ステータコイル２２の反対側では、１０８個の開口が出口２０２と流体連通している。一実施形態においてマニホールドは、ステータ・アッセンブリ２０の正面及び後方端部の周囲に取り付けられたキャップ（図示せず）である。
【００２４】
ステータコイル２２全体の冷却を促進すべく、低い電気伝導率を有した多孔質銅製伝熱部材３２がステータコイル２２及び冷却コンジット３０の周囲に設けられる。他の実施形態では、ステータコイル２２の周囲に設けられたワイヤからこれを形成し得る。伝熱部材３２がない場合には、ステータコイル２２は冷却コンジット３０と電気絶縁テープ２８との間の接点のみで冷却される。この接点における冷却のために、電気絶縁材料２８内部に熱勾配が引き起こされる。この熱勾配は、冷却コンジット３０と電気絶縁テープ２８との間に熱ストレスを生成し、それはこの界面での電気的故障によりステータ・アッセンブリ２０における早期の故障を生じ得る。さらに、高出力密度の実施形態では、冷却コンジット３０は、必要とされる高いパッケージ密度により、ステータコイル２２の幅広い側に取り付け可能でない。ピーク温度を最小化するために、伝熱部材３２がステータコイル２２及び冷却コンジット３０の周囲に設けられて、ステータコイル２２の冷却コンジット３０と直接接触していない側部からの熱伝達を可能とする。
【００２５】
ある実施形態では、ステータ・アッセンブリ２０の冷却は、電気絶縁材料２８の厚さを変えることによりさらに増強される。個々の長菱形のステータコイル２２中の導体回転２４を接地された伝熱部材３２から分離する電気絶縁材料２８は、ステータコイル２２が直列に連結されたステータ・アッセンブリ２０のある位相内のコイルの電気的配置に依存して多様な誘電応力を受ける。位相の末端にある２つのステータコイル２２は、電源電圧に直接接続されて、それらの電気絶縁材料２８は導体回転２４と伝熱部材３２との間で最大の誘電応力を受ける。位相の両端間の電気的に中間に位置するコイルには、位相の末端と中間との間でのステータコイル２２における電圧降下のために約半分の誘電応力にさらされる。電気絶縁材料２８の厚さは電圧の変動に正比例して均一に段階的に変えられる。一実施形態では、電気絶縁材料２８の厚さの最小厚さは、関係式Ｔ_ｉｎｓ＝（０．５＋（１／Ｎ））によって計算される。ここでＴ_ｉｎｓは電源電圧に接続されたコイルにおける電気絶縁材料２８の最大厚さを表し、Ｎは各位相中でのステータコイル２２の偶数の個数を表わす。電気絶縁材料２８の厚さは、最大厚さ、Ｔ_ｉ _ｎｓ、及び最小厚さの間で均一な段階的に比例して異なる。電気絶縁材料２８の厚さを変えることは、それが必要でない場合にはより厚い電気絶縁材料２８が使用とされないため冷却を容易にすることを促進する。
【００２６】
別の実施形態では、ステータコイル２２が最も薄い、及び最も厚い電気絶縁材料２８を対にして備えた二層巻線の対に各位相中のステータコイル２２が配置され、接続され得る。その後、次に薄く、次に厚い電気絶縁材料２８を備えたステータコイル２２が対にされ、このプロセスは最後に２つの中央のステータコイル２２が組になるまで継続される。
【００２７】
他の実施形態では、電気絶縁材料２８の厚さを変える利点は、上記のステータコイル２２の組における２つのステータコイル２２のそれぞれの断面積を変えることにより増強し得る。ステータコイル２２内の薄い電気絶縁材料を備えた導体回転２４の断面積は、薄い電気絶縁材料２８の減少した熱抵抗によってより高電力を消費可能とするため減少可能である。これは、導体回転２４の断面積を増加させることによって厚い電気絶縁材料２８を備えたもう一方のコイルでの電力浪費を減少させるべく、同一の組のコイルにおいて空間を空ける。均一な絶縁厚さ、及び均一なワイヤ断面積を有した従来の技術を使用した結果と比較して典型的に、巻線の温度上昇は３０パーセント減少される。上記のコイルの組の各コイルで電気絶縁材料２８の厚さを増加させることにより、導体回転２４と隣接の伝熱部材３２との間において、従来技術で得られるものと同様な高温で従来技術と比較して電圧故障に対する向上した抵抗が得られ得る。
【００２８】
図７を参照する。その上に超伝導ロータコイル５２が接線バックル７０及び軸方向バックル６０によって出力シャフト８２上に取り付けて固定されるロータ・アッセンブリ５０はロータ本体５８を有する。以下に詳細に記載されるように、接線バックル７０及び軸方向バックル６０は、出力シャフト８２から低温冷却されたロータ本体５８を熱的に分離するとともに、ロータコイル５２により生成されたトルクと力とを出力シャフト８２に伝達する。以下に詳細に記載されるように、接線バックル７０及び軸方向バックル６０は、ロータ本体リブ５９と出力シャフトプレート８４との間に取り付けられる。真空チェンバ壁面８６は出力シャフト８２と一体的に取り付けられて、ロータ・アッセンブリ５０を包囲し、クリオスタットの役割を果たす。以下に詳細に記載されるように、ロータコイル５２から熱を発散し得るクライオクーラ１０４まで熱を伝導すべく低温冷却閉鎖ループ１１８（図２に示されている）が使用される。特定の実施形態では、真空チェンバ８６は以下に記載された理由のために電磁遮蔽８８としての役割を果たす外部円筒形壁面を有する。
【００２９】
図７，８を参照する。出力シャフト８２は、出力シャフト８２表面から径方向に外側へ伸びる多数のプレート８４を有する。多数のプレート８４には、出力シャフト８２の周囲に設けられた周辺拡張プレート８４Ａの第１の組と、出力シャフト８２に沿って設けられた長手方向拡張プレート８４Ｂの第２の組が含まれる。プレート８４の壁面はここでは３０個のほぼ長方形のポケットを出力シャフト８２表面の周囲になし、そこに接線バックル７０及び軸方向バックル６０が取り付けられる。プレート８４はさらに放射状のスロットを有する。より詳細には長手方向プレート８４Ｂは、出力シャフト８２の周囲に長手方向プレート８４Ｂがなす各長方形ポケットの壁面に接線バックル７０を取り付けるための径方向スロット８５Ｂを有する。同様に周辺プレート８４Ｂは、出力シャフト８２の周囲に周辺プレート８４Ｂがなす各長方形ポケットの壁面に軸方向バックル６０を取り付けるための径方向スロット８５Ｂを画定する。しかし、この実施形態では長方形ポケットのアレイの中間にある長方形ポケット内に置き換えられた３つの軸方向バックルのみを利用する。即ち、外部の周辺プレート８４Ａ上には径方向スロット８５Ａはない。
【００３０】
図２を再び参照する。上記されたように、真空チェンバ８６は、出力シャフト８２と一体的に取り付けられ、ロータ・アッセンブリ５０を包囲する。真空チェンバ８６は周辺プレート８４Ａ及び長手方向プレート８４Ｂを包囲し、ロータ本体５８及びロータコイル５２を出力シャフト８２に取り付け得る寸法を有する。出力シャフト８２は、真空チェンバ８６およびプレート８４の両端を越えて延伸する。出力シャフト８２はその一端において、モータ１０が駆動する外部負荷に接続するように延伸する。他端では出力シャフト８２は、ブラシレス励磁機の回転する方の部材１６に接続される。
【００３１】
図２に示されるブラシレス励磁機は、固定ディスク１４から離間した（例えば１〜４ｍｍ離間した）回転ディスク１６を有する。回転ディスク１６は、高い透磁性を有した粉末又は積相された材料（例えば鉄）から形成され、１組のコイル巻線が設けられる、同心の１組の溝を有する。固定ディスク１４は、高い透磁性を有した材料から形成され、１組のコイル巻線が設けられる、同心の１組の溝を有する。実質上この構造は、トランスの二次側と相対回転するトランスの一次側（或いはその逆）を提供する。この特定の構造での重要な特徴は、静止している場合に固定ディスク１４と回転ディスク１６とによって生成された鎖交磁束が、回転ディスクが回転する場合と同一である点である。この特徴は、回転ディスク１６を回転させる前（即ちモータ１０が作動する前）に、超伝導ロータコイル５２を帯電させることを有利に可能にする。
【００３２】
ロータ・アッセンブリは、好適には非磁性体（例えばアルミニウム、銅）から形成され、真空チェンバ８６を包囲する電磁遮蔽８８を有する。真空チェンバ８６がステンレス・スチールなど異なる材料から形成される実施形態では、電磁遮蔽８８は、真空チェンバ８６の外壁の周囲に機械的に設けることが可能である。電磁遮蔽８８は、さらに誘導体構造物（即ち、誘導電流を保持する）の役割を果たすため、多目的である。より詳細には電磁遮蔽８８は、ＡＣ磁界がロータ・アッセンブリ１２の超伝導巻線２６に影響を及ぼす前に、ステータからＡＣ磁界を遮断する。さらに、電磁遮蔽６０が誘導体構造物としての役割を果たすため、誘導モードでの起動時に同期超伝導モータ１０を駆動すべく使用可能である。電磁遮蔽８８は、超伝導モータ１０が起動時の誘導モータとして、或いは極低温システムの破滅的故障の場合におけるバックアップ・モードとしての連続的モードにおいて駆動することを可能とする。
【００３３】
図９を参照する。ロータ・アッセンブリ５０は、支持のためにステンレス・スチールロータ本体５８に取り付けられた超伝導ロータコイル５２をさらに有する。ロータ本体５８は、ロータコイル５２を冷却する低温冷却閉鎖ループ１１８を支持する。ロータ本体５８は、内面９０及び外面９２を備えた管状である。外面９２は、ほぼ円筒状の形状であってもよく、或いはロータコイル５２を受容すべき平坦機械加工部を有していてもよい。平坦機械加工部は例えば、外面９２にほぼ五角形、六角形、又は７辺形の形状を与え得る。本発明では、１２平面が１２個の平坦なロータコイル５２を受容すべく機械加工された。
【００３４】
ロータ本体５８は、出力シャフト８２と連結する接線バックル７０及び軸方向バックル６０を取り付けるためにロータ本体リブ５９を有する。ロータ本体リブ５９は、内面９０の円周上に固定され、ロータ本体５８の内面９０から径方向に内側を指向して伸びる。
【００３５】
この実施形態では、ロータコイル５２の超伝導体は、一般にＢＳＣＣＯ２２２３又はＢＳＣＣＯ（２．１）２２３と呼ばれるＢｉ_２Ｓｒ_２Ｃａ_２Ｃｕ_３Ｏｘ又は（ＢｉＰｂ）_２などの高温酸化銅セラミック超伝導材料である。ＹＢＣＯ（或いはイットリウムの代わりに希土類元素が使用される超伝導体）、ＴＢＣＣＯ（即ち、タリウム・バリウ・ムカルシウム酸化銅系）及びＨｇＢＣＣＯ（即ち水銀バリウム・カルシウム酸化銅系）を含む他の高温超伝導体も本発明の範囲内である。ロータコイル５２は、単層、又は二層のパンケーキコイルから形成されてもよい。ある実施形態では、１組が同一の長さの連続した超伝導テープにより巻回されている２つのコイルを備えた二層パンケーキコイルが使用されてもよい。この場合、パンケーキコイルは２層パンケーキに伴われるパンケーキコイルより小さな直径を有し得る。この方法を使用するための方法は米国特許第５，５８１，２２０号に記載されている。それは本発明の譲受人であるアメリカン・スーパーコンダクタに譲渡され、参照によって本明細書に組み込まれる。好適な実施形態は、好適には超伝導セラミック酸化物、最適には酸化銅系のものを含む、高温超伝導複合材料の磁気特性及び熱特性に基づく。
【００３６】
図１０を参照する。レーストラック形状が超伝導コイル・アッセンブリを分解するように押し出す強大な曲げ応力を生成するため、構造物の安定を促進すべく、上記のロータコイル５２は内部支持材５４を備えて形成される。この制限を克服するために、ロータコイル５２は、超伝導巻線１２６と内部支持材５４を交互にした内部コイル支持材５４との積層形状に形成されている。内部スペーサ１４０及び外部のスペーサ１４２などの外部支持材は、十分にレーストラック形状などの非円形・非線形の形状に伴われる内部応力を緩和しない。内部スペーサ１４０及び外部スペーサ１４２と組み合わされた内部コイル支持材５４の付加は、ロータコイル５２に機械強度を与えて、超伝導コイル１２６中の内部歪みを縮小する。ひとつにはピーク歪みが、超伝導コイル１２６の内径に位置して使用され得る全ての外部支持構造体から遠くに取り除かれるため、内部歪みは内部コイル支持材５４の使用により縮小される。
【００３７】
この実施形態では、内部コイル支持材５４は厚さ約１．０２ｍｍ（４０ミル）のステンレス・スチールである。しかし、様々な実施形態が性能を最適化すべく異なる厚さを必要とするであろうため、それらの意図された目的のために、様々な厚さ及び材料（銅または繊維ガラスの複合材料などの）がその役割を果たすことが認識され得る。ある実施形態では、熱伝導性のコーティングが、ロータ本体５８内に設けられた低温冷却管１１８に、より良好な熱伝導率を提供すべく内部コイル支持材５４に塗布され得る。例えば、内部コイル支持材は銅でコーティングされることが可能である。
【００３８】
内部コイル支持材５４を共に結合すべくファスナーが使用され得る。例えば、複数の層は、超伝導体巻線１２６によって形成された環状開口１３６内の箇所において内部コイル支持材５４を貫通して、１本、又は多数のボルトを渡すことにより機械的連結され得、ロータ本体５８にアッセンブリ及び上部キャップ１４４を固定する。ボルトは内部コイル支持材５４を一体化された構造体へと共に連結して、さらに大きな機械強度に帰着する。ロータコイル５２は積層構造をさらに互いに固定するためにファスナーを使用し、或いは使用せずにエポキシ樹脂で接着することが可能である。
【００３９】
内部コイル支持部材５４はさらに、隣接した超伝導体巻線間の電気接続を容易にする多様な開口（図示せず）を有する。ロータコイル５２内の各超伝導コイルアッセンブリは電気接続される必要がある。内部支持部材５４が各ロータコイル５２間に設けられるため、各ロータコイル５２間の電気接続を可能とするために開口が設けられる必要がある。
【００４０】
図１１及び１３Ｂを参照する。ロータ本体５８と出力シャフト８２との間の軸方向移動を防止すべく、軸方向バックル６０がロータ・アッセンブリ５０に組み込まれている。軸方向バックル６０は、連結部材６２，６４間の断熱連結バンド６６の使用により、低温冷却ロータ本体５８を出力シャフト８２からさらに断熱する。
【００４１】
ほぼＵ字型の連結部材６２は、ロータ本体リブ５９上に開口端を摺動させることにより、ロータ本体５８に取り付けられる。ロータ本体リブ５９は軸方向へＵ字型連結部材６２を拘束する。２つの小型連結部材６４は、小型連結部材６４の１つの面上の幅が狭い肩６５によって、円周状出力シャフトプレート８４Ａの中の対向する径方向スロット８５Ａに取り付けられる。小型連結部材６４の残りの部分の幅が径方向スロット８５Ａより広い場合には、幅が狭い肩６５は径方向スロット８５Ａ内に摺動することにより、小型連結部材６４がスロット８５Ａを越えて移動することを防止する。２つの小型連結部材６４は、断熱連結バンド６６によりＵ字型連結部材６２に機械的に連結される。断熱連結バンド６６はパラアラミド／エポキシの帯である。連結バンド６６がＵ字型連結部材６２と小型連結部材６４との間の唯一の直接的接続であるため、断熱連結バンド６６の使用によって、出力シャフト８２及びロータ本体５８は互いに断熱される。この断熱は、出力シャフト８２が熱シンクの役割を果たすことの防止を促進する。
【００４２】
連結バンド６６は、Ｕ字型連結部材６２及び小型連結部材６４に取り付けられた球状ボール・エンド継手６９の周囲を包囲する。小型連結部材のうちの１つの中の球状ボール・エンド継手６９はカム６８であり、連結バンド６６をプレロードするために使用される。円筒状ピン７２及びカム６８を包囲している物は球状ボール・エンド６９である。球状ボール・エンド継手６９は連結バンド６６を支持し、ずれの調整を提供する。球状ボール・エンド継手６９は連結バンド６６に対する均一な荷重を維持する。連結バンド６６は、張力を変化させるべくカム６８を回転することによりプレロードされている。連結バンド６６は１８０°離れており、１つのカムが両方の連結バンド６６を同時に引っ張り、両方の連結バンド６６を一軸張力をもって設けることを可能とする。この構造は、ロータ本体５８及び出力シャフト８２を軸の両方向に制限する。
【００４３】
図１２Ａ，１３Ａを参照する。ロータ本体５８と出力シャフト８２との間の回転力を伝達すべく、ロータ・アッセンブリ５０には接線バックル７０が組み入れられる。軸方向バックル６０は、連結部材７２，７４間の断熱連結バンド６６の使用により、低温冷却ロータ本体５８を出力シャフト８２からさらに断熱する。
【００４４】
Ｘ型連結部材７４は、Ｘ型連結部材７４の対向する脚に設けられた２つの陥没スライド取り付け領域７８によって出力シャフト８２に取り付けられる。これらの陥没スライド取り付け領域７８は、Ｘ型連結部材７４が出力シャフト８２の軸と平行に取り付けられるように設けられている。陥没スライド取り付け領域７８は、Ｘ型連結部材７４を円周方向及び軸方向に制限する長手方向プレート８４Ｂの径方向スロット８５Ｂ内へと滑降する。２つの球状ボール・エンド継手６９が、ロータ本体リブ５９および球状ボール・エンド継手６９によって円筒状ピン７２を押しながら、ロータ本体リブ５９の間に取り付けられる。球状ボール・エンド継手６９は、断熱連結バンド６６によってＸ型連結部材７４に機械的に連結される。上記されたように、断熱連結バンドはパラ型アラミド／エポキシ樹脂の帯であり、出力シャフト８２からロータ本体５８を断熱する。
【００４５】
図１２Ａ，１２Ｂを参照する。連結バンド６６は、Ｘ型連結部材７４の陥没スライド取り付け領域７８を画定しない２つの脚の間に取り付けられた球状ボール・エンド継手６９の周囲と、ロータ本体リブ５９内に取り付けられた球状ボール・エンド継手６９周囲とを包囲する。連結バンド６６は１８０°離れて取り付けられており、両方の連結バンド６６を一軸張力をもって設けることを可能とする。
【００４６】
Ｘ型連結部材７４はスプリング９６を収容する寸法を有し、両方のバンドを一軸張力にプレロードする開口８０を内部を貫通して画定する。開口８０は、Ｘ型連結部材７４が出力シャフト８２に取り付けられる場合には出力シャフト８２の軸に対して垂直にであるように画定されて、スプリング９６がＸ型連結部材７４を径方向に外側へ押し出すことを可能にする。スプリング９６は、接線バックル７０がスプリング９６の圧縮によりプレロードされることを可能にする。接線バックル７０がロータ・アッセンブリ５０内に組み入れられる場合、スプリング９６はさらに幾分かコンプライアンスを可能にする。圧縮したスプリング９６は、各接線バックル７０が任意の製作公差、例えば連結バンド６６内に調節されることによりより迅速にプレロードされることを可能にし、それによりロータ・アッセンブリ５０のより迅速な組立時間を促進する。プレロードの機能はさらに純粋な張力にて連結バンド６６を取り付けることを促進する。純粋な張力に連結バンド６６を取り付けることによって、アッセンブリは、ロータ本体５８と出力シャフト８２との間の非常に大きなトルクを伝達できる。
【００４７】
高度に誤った取り付けの状況ですることにより連結バンド６６が破損することを防止すべく、長手方向の出力シャフトプレート８４Ｂはロータ本体５８内で軸方向スロット（図１３Ａ）の範囲内の寸法に形成される。突然の衝撃荷重がモータ１０に適用される場合、金属接触が生じる。そのようなショック・システムを設計することに対する利点は、連結バンド６６を実用性を減少させる誤り及び衝撃荷重のための寸法に連結バンド６６を形成する必要がない点である。
【００４８】
図２，１４，１５を参照する。低温冷却システム１００は、低温流体を極低温に維持し、かつ低温流体を、ロータコイル５２と隣接して、かつ熱伝達するように設けられた低温冷却ループ１１８との間で移動させるために使用される。低温流体は低温条件に適応可能なファン１１４によって低温冷却ループ１１８を通って移動される。適切かつ効率的に駆動させるために超伝導ロータコイル５２を低温（即ち−７９０℃未満）に維持する必要があるため、このシステムはロータコイル５２を低温に維持することを促進する。低温冷却システム１００は、クライオクーラ・アッセンブリ１０４、取付フランジ１０６及び低温条件に適応可能なファン１１４に取り付けられた複数の低温冷却表面１０２、ここではギフォード・マクマフォン・コールドヘッドを有する。低温冷却システム１００は、効率とメンテナンスの容易さのため、閉鎖ループシステムを利用する。
【００４９】
１つ以上の低温冷却表面１０２の利点は効率、及びメンテナンスの容易さである。第１に、直列の１つ以上の低温冷却表面１０２は、各低温冷却表面１０２が低温流体の温度を低下させるべく低度に稼動することを可能とする。さらに、低温冷却表面１０２の１つが機能不全である場合にも、システムの冗長性はロスを克服することが可能である。さらに、低温冷却表面１０２の１つが機能不全となった場合、機能不全の低温冷却表面１０２は適切なバルブ制御によりシステムから分離可能であり、システムをシャットダウンせず、かつ、システムへ汚染物質を導入せずにメンテナンスがなされる。
【００５０】
クライオクーラ・アッセンブリ１０４は、ハウジング１２に固定された取付フランジ１０６を介して超伝導モータ１０の外側に取り付けられる。固定クライオクーラ・アッセンブリ１０４は、低温冷却ループ１１８との流体連通にある。ロータコイル５２などの回転する熱負荷を備えた実施形態においてクライオクーラ・アッセンブリ１０４は、ここでは磁性流体ロータリシールであるロータリシール１０８と接続することにより回転低温冷却ループ１１８と接続される。ロータリシール１０８は、低温冷却ループ１１８がロータ・アッセンブリ５０と回転する一方で、クライオクーラ・アッセンブリ１０４が固定された状態に維持されることを許容する。クライオクーラ・アッセンブリ１０４は、それが回転した場合にクライオクーラ・アッセンブリ１０４内部に観察される不適当な高い重力熱伝達のために、回転するのではなく静止状態に維持される。低温冷却ループ１１８はロータコイル５２と熱伝達しており、ロータコイル５２を極低温に維持する。
【００５１】
クライオクーラ・アッセンブリ１０４は、ロータ・アッセンブリ５０の真空室８６に対して開放している。クライオクーラ・アッセンブリ１０４の内部領域を真空に維持することは、クライオクーラ・アッセンブリ１０４内にある低温冷却ループ１１８の部分を外温から分離することを促進する。真空断熱はさらに、低温冷却表面１０２の効率改善を促進する。
【００５２】
低温流体、この実施形態ではヘリウムは、低温流体ソース１１６からシステムへ導入される。低温冷却システムは閉じた系であるが、万一、任意のリークが生じたときのために低温流体は周期的に添加される必要がある。水素、ネオン或いは酸素なども他の低温流体も使用されてもよい。
【００５３】
低温流体は、クライオクーラ１０４からロータ本体５８内にある、低温冷却ループ１１８の部分に移動される必要がある。低温流体を物理的に移動させるために低温条件に適応可能なファン１１４が使用される。ファンの利点は、ファンが周囲のコンプレッサの温度へ流体を加温するための熱交換器に要求しない点であり、かつそれは安価であり、比較的小さい。これと比較して、熱交換器と連携される先行技術の室温コンプレッサはより高価で、はるかに大型である。
【００５４】
上記の実施形態においてロータ・アッセンブリは、両方ともワンピースのデザインであるロータ本体５８及び出力シャフト８２を有していた。他の実施形態では、出力シャフトのロータ本体及び外部シャフトの部分は、より小型の、同一、かつより扱いやすいセグメントから構築可能であり、これによりアッセンブリを容易にする。
【００５５】
図１６を参照する。例えば、分割されたロータ・アッセンブリ４００が電磁遮蔽及び超伝導コイルなしで示されている。この実施形態では、ロータ・アッセンブリ４００は、４つの六角形のロータ本体セグメント３００から構成される。他の実施形態では、ロータ・アッセンブリはより少数、或いはより多数のロータ本体セグメントを有していてもよく、他の多角形の形状であってもよい。各ロータ本体セグメント３００は、ハブ３１０を包囲する支持構造体３０２を有する。各支持本体３０２は、相互連結する一方の側に陥没面３２０と、反対側に相補する突出面３２３とを有して、アッセンブリの間にロータ本体セグメント３００の重なりを可能とする。ハブは集合として、超伝導モータ１０の出力シャフト８２を収容し、これと嵌合する中空を形成する。より詳細には、出力シャフト８２の外面はハブ３１０の相補型非円筒形状部と係合するためのスプライン構造３１５を有する。アッセンブリの間に、非円筒状スプライン構造３１５の表面はハブ３１０の対応する表面に適合すべく軸方向にロックし、その結果、駆動時にハブ３１０は、超伝導コイル５２によって生成されたトルクを出力シャフト８２へ伝達する。
【００５６】
同様に図１７を参照する。各ロータ本体セグメント支持構造体３０２は、図７に関連させて上記されたものと同一の接線バックル７０及び軸方向バックル６０をもって対応するハブ３１０と機械的に連結される。図７の実施形態の場合と同様に、接線バックル７０及び軸方向バックル６０は、低温冷却ロータ本体を出力シャフト８２から断熱する一方で、超伝導コイル５２によって生成されたトルク及び力を伝達する。この実施形態では、バックル・アッセンブリは、支持構造体３０２をハブ３１０から断熱する一方で、超伝導コイル５２によって生成されたトルクと力を支持構造体３０２からハブ３１０まで伝達する。ハブ３１０は順次、スプライン構造によって機械的に連結された出力シャフト８２にトルクと力を伝達する。
【００５７】
図１７に最も明白に示されるように、接線バックル７０及び軸方向バックル６０、並びに（それらに接続される）セグメント支持構造体３０２及びハブ３１０の取り扱い容易性及び到達は、この実施形態のセグメントからなる構造によって容易にされる。個々のロータ本体セグメントがより小さく、事実上同一であるため、セグメントから成るロータ・アッセンブリ４００及びその構成部分で作業すること（即ちアッセンブリ、メンテナンス、及び交換）は、ワンピース・デザインのロータ・アッセンブリで作業するよりはるかに容易である。より詳細には、内部バックル・アッセンブリへの到達の問題（即ち両端でアクセス可能でないもの）が最小限にされる。個々のロータ本体セグメント支持構造体、ハブ、及びバックル・アッセンブリが、１ユニットへと組み立てられると、図１６に以下に記載されて示されるように、それらは完全なロータ・アッセンブリへと順次組み立てることが可能である。
【００５８】
各ロータ本体セグメント支持構造体３０２は、中空部３４０を有した少なくとも２つの外面を有する。４つのロータ本体セグメントを組み立てるためには、中空部が位置合わせされ長尺のウェッジ・キー（図示せず）が各中空部３００内で固定されるように、各セグメントはロータ・アッセンブリの長手方向軸３０５に沿って設けられる。このようにして、接線方向ロックが分割されたロータ・アッセンブリ４００に亙って提供され、超伝導コイル５２によって生成されたトルクは、ロータ本体セグメント３００全体に亙り均等に分配される。各ロータ本体セグメント支持構造体３０２は、隣接したロータ本体セグメント３００を固定すべくボルト・スクリュー（図示せず）を収容するための穴３３０をさらに有する。１つの実施形態では、ボルト・スクリューはセグメントの全部に亙って延伸することに十分な長さを有し得る。別の実施形態では、ボルト・スクリューを固定すべく穴３３０の一端が切られ得る。
【００５９】
図１７を参照する。ロータ本体セグメント支持構造体３０２の各外面は、高くした表面３５０を有し、これは他のロータ本体セグメントと一体に組み立てられた時に、超伝導コイル５２を収容するための上昇面３５１を形成する。多数の用途において上昇面３５１は、載置された超伝導ロータコイル５２上で最小のストレス及び歪みが生じるように平坦性を確保すべくアッセンブリの前に組み合わされたセットとして機械加工される。
【００６０】
各ロータ本体セグメント支持構造体３０２は支持構造体の周囲に設けられ、これに貫通して低温冷却管ループ１１８が配置される少なくとも１つのチャネル３２５を有する。低温チューブは超伝導コイル５２を冷却するために外部ソースから冷却材を受容する。冷却材は入り、次にチャネル３２５を横断し、次に、閉鎖低温冷却ループによって外部ソースへと放出される。ハブ３１０の内径は、出力シャフト８２の非円筒状スプライン構造３１５と連結する、相補型非円筒状スプライン構造３１７を有する。これは出力シャフト８２がそれ以上の接続機構を必要とせずにハブ内へと圧入されることを可能にする。ハブ３１０の断熱は、ハブ３１０と出力シャフト８２との間の温度差に帰着しない。従って、冷却材によって生成された温度降下は、超伝導モータ１０の出力シャフト８２に出現しない。
【００６１】
図１８を参照する。流入マニホルド３６０及び流出マニホルド３７０は、両方が分割されたロータ・ボデー４００の片端の出力シャフト８２上に周辺に取り付けられて示される。マニホルド３６０，３７０は、互いに断熱され、超伝導コイル５２を冷却するために、ロータ本体セグメント３００内に冷却材を分配する。より詳細には流入マニホルド３６０は、外部ソースから流入する冷却材を各ロータ本体セグメント支持構造体体３０２に設けられた各閉鎖低温冷却ループ１１８に案内する。流体フィードライン３６５は各閉鎖低温冷却ループ１１８の入口を流入マニホルド３６０に接続する。相応して、流体フィードライン３７５は各閉鎖低温冷却ループ１１８の出口を、外部ソースによる冷却材の収集用の流出マニホルド３７０に接続する。
【００６２】
図１９を参照する。別の実施形態では、分割されたロータ・アッセンブリ４００は取り付けられた超伝導ロータコイル５２を包囲する電磁遮蔽８８を有するように示される。この実施形態では、４つのロータ本体セグメント３００を一体化したものが分割されたロータ・アッセンブリ４００を形成する。隣接したロータ本体セグメント３００間の各接合は対応する支持構造体３０２にハブ３１０を連結するために軸方向圧縮装置５００（単純化のために、１つの軸方向圧縮装置のみが図１９の鎖線内に示される）を有する。図１７，１８と関連して上記された実施形態と異なり、図７に示されるタイプの軸方向バックル６０の代わりに軸方向圧縮装置５００が使用される。軸方向圧縮装置５００は、低温冷却支持構造体と高温のハブとの間の断熱を提供する一方で、分割されたロータ・アッセンブリ４００及び出力シャフト８２の軸方向移動を防止すべく、軸方向バックル６０によって提供される張力の代わりに圧縮を使用する。
【００６３】
図２０を参照する。個々の軸方向圧縮装置５００は１組の圧縮ブロック５１０、ほぼＵ字型の支持部材５３０、及び十字型支持部材５７０を有する。Ｕ字型支持部材５３０は圧縮ブロック５１０をハブ３１０に連結し、十字型支持部材５７０は複合材料ブロック５１０を支持本体３０２に連結している。Ｕ字型支持部材５３０及び十字型支持部材５７０は、機械的に強い材料（例えばスチール又はステンレス・スチール）から典型的に形成される。圧縮ブロック５１０は、ガラス強化エポキシ（例えばＧ−１０）など、機械的に剛性を有する断熱材から形成される。
【００６４】
ほぼＵ字型の支持部材５３０は、１組の隣接したハブ３１０の交点に形成されたカットアウト５４０に収容される。ボルト５５０は、Ｕ字型支持部材５３０をハブ３１０の各々へ固定する。Ｕ字型支持部材５３０は、１組の延伸するアーム５５２によって画定された開口５５１を有する。開口５５１は、２つの圧縮ブロック５１０の間に設けられた十字型支持部材５７０の下部アーム５６０を収容する。十字型支持部材５７０の２つの水平方向アーム５８０は、１組の対応する隣接した支持構造体３０２に取り付けられている。ボルト５９０は、隣接した支持構造体３０２の交点に形成されたカットアウト６０１へ、十字型支持部材５７０の上部アーム６００を固定する。
【００６５】
１つの特定の実施形態では、任意の軸の方向へのブロックの熱膨張、及び、圧縮及び減圧を可能にすべく複合材料ブロック５１０はＵ字型支持部材５３０内に緩く係合されている。ある実施形態では、ブロックは共に（例えばファスナー、エポキシ樹脂により）接合され、その結果、ブロックは断熱を提供する一方で高負荷圧縮に耐性を有する。
【００６６】
１つの特定の実施形態では、軸方向圧縮装置５００は隣接したロータ本体セグメント３００の接合点の周辺に１２０°毎に設けられる。この場合、各接合点の円周に３つの軸方向圧縮装置５００が設けられる。別の実施形態では、軸方向圧縮装置は隣接したロータ本体セグメント３００の接合点の周辺に６０°毎に設けられる。この構造では、各接合点の円周に６つの軸方向圧縮装置５００が設けられる高負荷圧縮に対する耐性は、複合材料ブロック５１０中に編組されたガラス材料が利用されることを可能にする。低い熱伝導率により、編組されたガラス材料は、分割された低温冷却ロータ・アッセンブリ４００と出力シャフト８２との間の断熱をも提供可能である。
【００６７】
本発明の多くの実施形態が記載された。しかし、本発明の精神及び範囲から逸脱することなく多様な変形がなされ得ることが理解される。例えば、記載された構成要素が超伝導ジェンテレ−他などの他の超伝導回転機械を生産するために適応され得る。従って、他の実施形態はクレームの範囲内にある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による超伝導をモータの断面斜視図。
【図２】図１の超伝導モータの概略を示す概念図。
【図３】図１の超伝導モータのステータ・アッセンブリの斜視図。
【図４】図３のステータ・アッセンブリのステータコイルの単相の斜視図。
【図５】図３のステータ・アッセンブリの支持チューブ上に取り付けられたステータコイルの単相の斜視図。
【図６】図３のステータ・アッセンブリのステータコイル部の断面を示す斜視図。
【図６Ａ】２つのステータコイル及びこれに関連させたループの概略を示す断面図。
【図７】図１の超伝導モータのロータ・アッセンブリの断面を示す斜視図。
【図８】図７のロータ・アッセンブリの出力シャフト及び真空チェンバの断面を示す斜視図。
【図９】図７のロータ・アッセンブリのロータ本体に取り付けられたロータコイルの斜視図。
【図１０】図９のロータコイルの内部支持部材を備えたロータコイル・スタックの断面図。
【図１１】図７のロータ・アッセンブリの軸方向バックルの斜視図。
【図１２Ａ】図７のロータ・アッセンブリの接線バックルの斜視図。
【図１２Ｂ】バネを備えた図１２の接線方向バックルの斜視図。
【図１３Ａ】図７のロータ・アッセンブリ内に取り付けられた接線バックルの断面を示す斜視図。
【図１３Ｂ】図７のロータ・アッセンブリ内に取り付けられた軸方向バックルの断面を示す斜視図。
【図１４】図１の超伝導モータの低温冷却システム及び取付フランジの斜視図。
【図１５】図１の超伝導モータの低温冷却システムのブロック図。
【図１６】ロータ・アッセンブリの別の実施形態の一部の断面を示す斜視図。
【図１７】図１６のロータ・アッセンブリのロータ本体部分の斜視図。
【図１８】図１６に部分的に示されたロータ・アッセンブリに取り付けられたクーラント・マニホルドの斜視図。
【図１９】軸の圧縮装置を有したロータ本体アッセンブリの別の実施形態を示す斜視図。
【図２０】図１９に示される軸の圧縮装置を部分的に示す斜視図。

Claims

ステータ・アセンブリと、
前記ステータ・アッセンブリ内で回転し、同ステータ・アッセンブリから一定の間隙をおいて離間するように形成されたロータ・アッセンブリと、
前記ロータ・アッセンブリは、
駆動時に前記ステータ・アッセンブリを結合させる磁束を生成する少なくとも１つの高温超伝導巻線アッセンブリ、及び、
前記ロータ・アッセンブリの少なくとも１つの超伝導巻線を冷却するための低温冷却システムを有することと、
前記少なくとも１つの超伝導巻線アッセンブリは、同巻線アッセンブリの第１の末端から第２の末端まで及ぶ軸を有することと、この巻線アッセンブリは開口を画定するように前記巻線アッセンブリの軸の周りに巻回されることによって、同心上に複数回周回されているとともに、この軸に沿って超伝導体テープを有する超伝導コイルを有することと、前記超伝導体テープを巻回したものは、巻線アッセンブリの軸とほぼ平行に維持され幅が広い表面を有することと、
超伝導回転機械は、約１０３．４〜５８９．５ｋＰａ（約１５ｐｓｉ〜１００ｐｓｉ）の範囲の間隙せん断応力を有することとからなる超伝導回転機械。
５００ＲＰＭ以下では約０．２Ｍ〜２０ＭＮｍの範囲内のトルク出力を有する請求項１に記載の超伝導回転機械。
ほぼ毎分５００回転以下において約７５Ｎ・ｍ／ｋｇ以上のトルク密度を有する請求項１に記載の超伝導回転機械。
前記超伝導体テープは対向する１組の弓形の端部と対向する１組のほぼ直線の側部を画定するレーストラック形状に巻回されている請求項１に記載の超伝導回転機械。
前記超伝導体テープは、マルチフィラメント複合超伝導体の長さ全体に亙り、マトリックス形成材料によって包囲された別個の超伝導フィラメントを有する前記マルチフィラメント複合超伝導体を含む請求項１に記載の超伝導回転機械。
前記超伝導体テープは異方性を有する高温超伝導体を含有する請求項１に記載の超伝導回転機械。
前記異方性を有する高温超伝導体はＢｉ_２Ｓｒ_２Ｃａ_２Ｃｕ_３Ｏである請求項６に記載の超伝導回転機械。
前記異方性を有する高温超伝導体は希土類−酸化銅系に属する請求項６に記載の超伝導回転機械。
少なくとも１つの超伝導巻線アッセンブリは、複数の超伝導コイルと、複数の超伝導巻線のうちの隣接するものの間に設けられた少なくとも１つの内部支持部材とからなり、
前記少なくとも１つの内部支持部材は前記複数の超伝導コイルのうちの少なくとも１つの幅広の表面に隣接して、内部支持部材と超伝導コイルとを交互に有した積層スタックを形成する前記請求項１に記載の超伝導回転機械。
前記超伝導巻線アッセンブリは、複数の超伝導コイルと、複数の内部支持部材と、超伝導コイル及び内部支持部材を交互に設けて積層スタックが形成されることとからなる請求項９に記載の超伝導回転機械。
前記少なくとも１つの内部支持部材は、０．０１３ｃｍ〜０．２５ｃｍ（０．００５インチ〜０．１インチ）の範囲の厚さを有するステンレス・スチールである請求項９に記載の超伝導回転機械。
前記ロータ・アッセンブリの周りに設けられた真空領域からなる請求項１に記載の超伝導回転機械。
前記ロータ・アッセンブリに沿って同ロータ・アッセンブリを貫通して設けられ、ロータ・アッセンブリから間隙により離間されたシャフトと、複数の接線バックル・アッセンブリとからなり、前記複数の接線バックル・アッセンブリは、前記ロータ・アッセンブリと前記シャフトとの間で回転力が伝達することを可能とすべくロータ・アッセンブリをシャフトに取り付ける請求項１に記載の超伝導回転機械。
前記接線バックル・アッセンブリは、前記ロータ・アッセンブリを前記シャフトから熱的に分離するための断熱バンドからなる請求項１３に記載の超伝導回転機械。
前記断熱バンドは強化エポキシを含有する材料から形成される請求項１４に記載の超伝導回転機械。
複数の軸方向バックル・アッセンブリと、同複数の軸方向バックル・アッセンブリは前記ロータ・アッセンブリを前記シャフトに軸方向に固定するように前記ロータ・アッセンブリを前記シャフトに取り付けることとからなる請求項１３に記載の超伝導回転機械。
前記軸方向バックル・アッセンブリは、前記ロータ・アッセンブリを前記シャフトから断熱するための断熱バンドからなる請求項１３に記載の超伝導回転機械。
前記断熱バンドはパラ型アラミド／エポキシ樹脂の帯である請求項１７に記載の超伝導回転機械。
前記ステータ・アッセンブリは複数の長菱形のコイルからなる請求項１に記載の超伝導回転機械。
前記ステータ・アッセンブリは、
少なくとも１つの導電性巻線を有するステータコイルと、
前記ステータコイルの周りに設けられた電気絶縁材料と
外部ソースから冷却材を受容するための少なくとも１つの冷却コンジットと、前記少なくとも１つの冷却コンジットは前記ステータコイル外面の第１部分に隣接して設けられたことと、
少なくとも１つの冷却コンジット及びステータコイル外面の第２部分の周りに設けられた熱導電部材と、該部材は、前記第２部分から前記少なくとも１つの冷却コンジットへと熱を伝導することにより前記電気絶縁材料における温度勾配を減少させるべく設けられたこととからなる請求項１に記載の超伝導回転機械。
前記電気絶縁材料は各ステータコイルに多様な厚さで設けられ、この厚さは前記ステータ・アッセンブリ内の各ステータコイルの電圧差に比例し、最大の厚さは電源電圧を受けるステータコイル上にある請求項２０に記載の超伝導回転機械。
前記少なくとも１つの冷却コンジットは、その内部を貫通する複数の通路からなる請求項２０に記載の超伝導回転機械。
前記低温冷却システムは、
低温冷却表面を有し、低温環境を規定するクリオスタットと、
低温環境内に設けられた低温流体輸送装置とからなり、
前記クリオスタットは遠隔の熱負荷と流体連通し、前記低温流体輸送装置は低温流体を前記クリオスタットと遠隔の熱負荷との間で移動させて、前記低温冷却表面が同遠隔の熱負荷において収集された低温流体中の熱を除去することを可能にする請求項１に記載の超伝導回転機械。
前記低温冷却表面と流体連通するとともに、前記遠隔の熱負荷と熱伝達を行っている閉鎖冷却ループからなる請求項２３に記載の超伝導回転機械。
前記遠隔の熱負荷はロータ・アッセンブリである請求項２４に記載の超伝導回転機械。
回転継手からなり、同回転継手は、前記閉鎖冷却ループがロータ・アッセンブリと回転している一方で、前記クリオスタットが静止状態に維持されることを可能にする請求項２５に記載の超伝導回転機械。
前記低温流体輸送装置は低温流体中の状態変化を必要としない請求項２３に記載の超伝導回転機械。
前記低温流体運搬装置は低温条件に適応可能なファンである請求項２７に記載の超伝導回転機械。
前記複数の低温冷却表面はギフォード・マクマフォン・コールドヘッドである請求項２３に記載の超伝導回転機械。
前記複数の低温冷却表面はパルス・チューブ・コールドヘッドである請求項２３に記載の超伝導回転機械。