JP4002784B2 - 鉄製コアロータによって支えられた高温超伝導コイル - Google Patents

Description

【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、超伝導コアと、コイル支持構造体と、電磁シェルとを有するロータに関する。
【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１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している。これらの高いエアギャップ磁界は、電気機械の出力密度の増大を生じさせ、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、大量の超伝導線を必要とする。大量のＳＣ線は、必要なコイル数と、コイル支持体の複雑さと、ＳＣコイル巻線及びロータのコストとを増大させる。
【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（Ｂｉ_xＳｒ_xＣａ_xＣｕ_xＯ_x）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、液体ヘリウムによって冷却されてきた。ロータの巻線を通過した後に、高温のヘリウムは、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、また大きな補助出力を必要とする。
【０００７】
従来のＳＣコイルの冷却技術は、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流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し、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。
【０００８】
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。
【０００９】
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。
【００１０】
大きな歪みは、ＨＴＳ超伝導線を破壊するおそれがある。大きな歪みに耐えるために、ＨＴＳ線は、これまで大きく複雑なコイル巻線とコイル支持構造体とによって保護されてきた。しかしながら、大きく複雑な超伝導巻線及び支持体は、特に高級技術水準の空コア電気機械においては高価である。更に、これらの大きな巻線は、極低温にまで冷却されなくてはならず、従って大きな冷却装置を必要とする。
【００１１】
コイル巻線はまた、高温のコイル支持体とロータから隔離される。コイル巻線を隔離するために、コイルをその支持システムから隔離すべく、これまで大きな断熱部材が使用されてきた。コイルとその支持システムとの間に断熱部材は位置するから、コイルに加わる大きな遠心荷重を支えることができるように、従来技術による断熱部材は大きな構造とされている。これらの大きな断熱部材は低温のコイルに接触しているから、断熱体はコイルに対して大きな熱源となる。断熱部材はコイルに対する熱伝導を最少にするように設計されていながら、断熱部材自体が大きな極低温熱負荷となり、高価な極低温冷却装置を必要とさせる。
【００１２】
ＨＴＳコイルのための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。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。
【００１３】
【発明の概要】
鉄のような中実の磁性材料で形成された２極コア本体を有する高温超伝導（ＨＴＳ）ロータが開発された。このロータコア本体は、ほぼ円筒形状であって、その全長に沿って長さ方向に機械加工された平らな表面を有する。ＨＴＳコイルは、これらの平らな表面の周りに組み立てられ、コイルはコアの周りに延びるレーストラック形状を有する。このレーストラック形コイルは、鉄製コア（鉄心）ロータ本体を貫通して延びるテンションコイル支持部材によって支持される。駆動シャフトとコレクタシャフトとが、ロータコアに対し機械的に固定される。円筒形シェルの電磁遮蔽体が、ＨＴＳコイルと鉄心ロータ本体とを取り囲む。
【００１４】
鉄心ロータは、空冷式ロータに比べて、界磁巻線アンペア回数と、超伝導体使用量と、コストとを著しく低減させる。単一のレーストラック形コイルが、典型的な複雑なサドル形コイル巻線と置き換えられる。テンションコイル支持体は、冷却中及び遠心荷重が加えられている間、コイルに加わる歪みが減少するように、ＨＴＳコイルに対して直接的な支持を与える。更に、コイル支持システムは、コイルと共に極低温になっている。
【００１５】
ＨＴＳロータは、元々ＳＣコイルを含むように設定された機械に実装することができる。これとは別に、ＨＴＳロータは、２極同期機械の従来のロータ界磁巻線を、単一のレーストラック形高温超伝導（ＨＴＳ）コイルで置き換えるように構成することもできる。ロータとそのＳＣコイルとは、発電機の場合に即して記述されているが、ここに記載するＨＴＳコイルロータ及びコイル支持体はまた、その他の同期機械における使用にも適している。
【００１６】
第１の実施形態において、本発明は、同期機械のためのロータであって、該ロータは、中実の円筒形磁性ロータコアと、ロータコアの周りに延びるレーストラック形超伝導コイル巻線と、コアを貫通して延び、コイル巻線の対向する長さ方向側部に取り付けられたコイル支持体と、コアから軸方向に延び、コアに取り付けられた１対の端シャフトとを含む。
【００１７】
第２の実施形態において、本発明は、同期機械の中実の鉄製ロータコア上にコイル巻線を有する高温超伝導ロータを組み立てるための方法であって、該方法は、ロータコアの長さ方向側面上の対向する平らな部分間に延びる導管を貫通させてテンションバーを延ばす段階と、コイルの部分の上にハウジングを挿入する段階と、テンションバーの一端部をハウジングに取り付ける段階と、ロータコアの対向する端部にロータ端シャフトを取り付ける段階とを含む。
【００１８】
別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って、該ロータは、その対向する側面上に、それに沿って長さ方向に延びる１対の平らな部分を有する円筒形のロータコアと、ロータコアの少なくとも一部の周りに延び、コアの平らな部分に隣接する１対の側部分を有する超伝導コイル巻線と、ロータコアの第１の端部から軸方向に延びる第1の端シャフトと、ロータコアの第２の端部から軸方向に延びる第２の端シャフトとを含む。
【００１９】
【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。
【００２０】
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真空キャビティ１６内に嵌まる界磁巻線コイルを含む。ロータは、ステータのロータ真空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。
【００２１】
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。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。
【００２２】
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。ここでは、単一のレーストラック形ＳＣコイル巻線のためのコイル支持システムが開示されている。このコイル支持システムは、複数のレーストラック形コイル構成のような、中実ロータコア上に取り付けられた単一のレーストラック形コイル以外のコイル構成に対しても適合させることができる。
【００２３】
ロータコアは、コアに取り付けられた端シャフトによって支持される。ロータは、軸受２５によって支持されたコレクタ端シャフト２４と駆動端シャフト３０とを含む。端シャフトは、外部装置に連結することができる。コレクタ端シャフト２４は、ＳＣコイルに外部電気接続を提供するコレクタリング７８を含む。コレクタ端シャフトはまた、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、極低温剤冷却流体の源に連結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。ロータの駆動端シャフト３０は、動力継手３２を介して発電タービンによって駆動されることができる。
【００２４】
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（Ｂｉ_xＳｒ_xＣａ_xＣｕ_xＯ_x）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。
【００２５】
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。
【００２６】
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、ロータコアの両端部において磁極を囲み、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１１４を有する。
【００２７】
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、ロータコアの一端に入口及び出口ポート１１２を有する。これらの流体（気体）ポート１１２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。
【００２８】
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。
【００２９】
図３は、高温超伝導コイルのためのロータコア２２及びコイル支持システムの分解図を示す。支持システムは、各ロッドの対向する両端部においてＵ形コイルハウジングに連結されたテンションロッド４２を備える。コイルハウジングは、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、１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、各ロッドの両端部にハウジングを備える一連のテンションロッドを含む。図３は単に図解のために、テンションロッドの１つの端部８６がコイルの側部分４０を越えて延びているように示しているが、実際には端部８６はコイルの内面に当接する。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。
【００３０】
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。
【００３１】
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、ロータコアとテンションロッドとの間に滑動可能な軸受面及び熱的絶縁を与える非熱導伝性の円筒形の断熱チューブ５２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。
【００３２】
導管４６の軸線は、ほぼレーストラック形コイルによって定められる平面内に位置する。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連結されるコイルの側部分に対して直交している。さらに、ここに示される実施形態においては、導管は、ロータ軸線と直交し、かつ該軸線と交差している。導管の数と導管の位置は、ＨＴＳコイルの位置及び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ジングの数で決まることになる。
【００３３】
テンションロッドがコイル巻線の両側部間をほぼ半径方向に延びるので、該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、該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。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コイル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、コイル組み立て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。
【００３４】
ＨＴＳコイル巻線及び構造支持体構成部品は、極低温状態にあり、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す熱伝導源となる可能性がある。ロータは、作動時に高温になる。コイルを極低温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。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。
【００３５】
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）「常温」支持体と（ii）「低温」支持体がある。常温支持体では、支持構造体は、冷却されたＳＣ巻線から熱的に隔離されている。常温支持体については、超伝導（ＳＣ）コイルの機械的荷重の大部分は、低温の部材から常温の部材に跨る構造部材によって支持される。
【００３６】
低温支持システムでは、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。低温支持体では、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コイル支持システムは、テンションロッド及び該テンションロッドをＳＣコイル巻線に連結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、低温支持体である。支持部材が低温なので、これらの部材は、例えばロータの他の「高温」構成部品からロータコアを通る非接触導管によって、熱的に隔離される。
【００３７】
個々の支持部材は、テンションロッド４２（バーと該バーの両端における一対のボルトとしてもよい）、１対のコイルハウジング４４、及び各ハウジングをテンションロッド端部に連結する止めピン８０によって構成される。各々のコイルハウジング４４は、テンションロッドに連結され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。一連のコイルハウジングを、コイル巻線の側部に沿って端から端まで配置することができる。コイルハウジングは、全体として、各々のコイルの側部分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。
【００３８】
コイルハウジング４４は、コイルの側部分４０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長さ方向の熱膨張及び収縮に対してコイルを拘束しない。特に、熱膨張は、主として側部分の長さに沿う方向に向いている。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わずかに摺動する。
【００３９】
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。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、又はチタン合金である。Ｕ形ハウジングの形状を最適にして、軽量及び高強度にすることができる。
【００４０】
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、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。端部に２つの平坦な面８６を有するように機械加工した拡径端部が、テンションロッドに設けられる。
【００４１】
これらの平坦な面の幅は、Ｕ字形ハウジングとコイルの幅に適合する。テンションロッドの平坦部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３４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。
【００４２】
コイルの長い側部４０のためのテンションロッド４２とコイルハウジング４４とからなるコイル支持システムと、コイル端部のための１対の分割型クランプ５８とを、ＨＴＳコイル巻線３４と共に組み立てて、両者をロータコア２２に取り付けることができる。テンションロッド、コイルハウジング、及びクランプは、コイル巻線を支持し、該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適正な剛構造体を構成する。
【００４３】
各々のテンションロッド４２は、ロータコアを貫通して延びるが、ロータ軸線２０を通って直交して延びてもよい。ロータコアを貫通する導管４６は、テンションロッドが貫通して延びる通路を形成する。導管４６は、ロータ軸線に対して垂直に延び、コアの全長に沿って対称的に配置される。通路４６とテンションロッド４２の数、及びそれらのロータコア上における配置、また相互間の配置は、設計上の選択事項である。導管の直径は、十分に大きいので、導管の高温のロータ壁が低温のテンションロッドと接触するのを回避することができる。接触を回避することにより、テンションロッドとロータコアとの間の熱的隔離が向上する。
【００４４】
図５及び図６に示すように、ロータ１４は、ステンレス鋼製の駆動端シャフト３０と、鉄製のロータコア２２と、非磁性ステンレス鋼製のコレクタ端シャフト２４という３つの主要な構造的構成部品を含む。ロータコアと端シャフトとは一般的には別個の構成部品であって、それらは互いに組み立てられて、ボルト又は溶接により互いに固く結合される。駆動端シャフトとコレクタ端シャフトとは、鉄製ロータコアにラベットとボルトとで結合される。鉄製ロータコアは、円筒形の鍛造品であって、高温超伝導テープ３６で巻かれたレーストラック形コイル３４を受けるために、コアの４つの象限軸にわたって機械加工された平らな表面４８を有する。
【００４５】
銅又はアルミニウム合金で作られた高い導電性を有する円筒形のシェル９０が、ロータコア上に被せられる。シェル９０は、ロータ巻線のための電磁遮蔽体として働き、かつ低温のロータコイル巻線３４を取り囲む真空空間のための真空囲いを形成することができる。電磁遮蔽体の両端部は、遮蔽体９０の組み立ての部品としてのステンレス鋼製の移行リング１３０に結合される。遮蔽体サブアセンブリは、コイル巻線の周りに真空密閉アセンブリを作り出すために、駆動端シャフトとコレクタ端シャフトとに溶接される。
【００４６】
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５０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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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、コイル巻線及び該巻線への接続部１１２、１１４を受けるための溝を備える。
【００５０】
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、溝形のハウジング、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。
【００５１】
分割型クランプ５８は、カラー６２に囲まれているが、該カラーと接触していない。端シャフト２４、３０は、ロータコア２２の端部に接続されるカラー６２を含む。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。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。
【００５２】
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（図５参照）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。
【００５３】
ロータコアを金属の円筒形遮蔽体９０に入れることが可能であり、この遮蔽体は、ロータを取り巻く渦電流及び他の電流から超電導コイル巻線３４を保護し、ロータの極低温構成部品の周りに強力な真空を維持するために必要とされる真空包体を構成するものである。円筒形の遮蔽体９０は、銅合金又はアルミニウムのような高導電性材料で形成することができる。ＳＣコイル巻線３４は、真空状態に維持される。この真空を遮蔽体９０によって形成することができ、該遮蔽体は、コイル及びロータコア周りに真空の容器を形成するステンレス鋼の円筒形層を含むことができる。
【００５４】
図６、図７及び図８は、コレクタ端シャフト２４のクローズアップ断面図である。特にこれらの図は、冷却流体チューブと電線のための通路を提供する、シャフトを貫通した導管チューブ７６を示している。図７及び図８は、コレクタ端シャフトの導管７６と、これに関係したロータコア近くにおけるシャフト構造とを示している。図７に示した断面図は、図８に示した断面図と直交する。図６は、冷却継手２６の近くにおけるコレクタ端シャフト２４の端部の断面図を示す。
【００５５】
コイル巻線３４からの電気接続部１１４は電線１３２に接続される。これらの電線は、コレクタリング７８に向かってコレクタ端シャフト２４の全長にわたって延びる。電線１３２は導管７６を貫通して延びる。電線１３２の冷たい側の端部は、熱を遮断する断熱チューブ１４０内で支えられる。電気接点１３４は、端シャフトの内部からの電線１３２を、端シャフトの外部をコレクタ継手リング１３８まで延びるリード線１３６に接続する。
【００５６】
コイルからの冷却流体入口及び出口ポート１１２は、端シャフトの全長にわたって延びる入口及び出口冷却チューブ９４に接続される。これらのチューブは同軸になっている。入口チューブ１４２は出口チューブ１５０の中心にある。入口チューブ１４２は、ロータ軸線と同軸のコイル継手１１２の入口ポート１４４まで延びている。コイル継手１１２の冷却ガス出口ポート１４６は、ロータ軸線からオフセットしている。出口ポートは、コイルから環状出口チューブ１５０へと冷却流体を向けるガス移送ハウジング１４８に連結される。出口チューブ１５０は、入口チューブ１４２と同軸であって、入口チューブの外側にある。
【００５７】
本発明を、現在最も実用的で好ましい実施形態であると思わ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、むしろ特許請求の範囲の技術思想内にあ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。
【００５８】
特許請求の範囲に示した参照符号は、本発明の技術的範囲を制限することを意図したものではなく、その理解を容易にすることを意図するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 超伝導ロータとステータと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】 高温超伝導（ＨＴＳ）ロータの構成部品の分解図。
【図４】 図３に示すＨＴＳロータの概略断面図。
【図５】 図３に示すＨＴＳロータの概略断面図。
【図６】 図３に示すＨＴＳロータの概略断面図。
【図７】 図３に示すＨＴＳロータの概略断面図。
【図８】 図３に示すＨＴＳロータの概略断面図。
【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 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

Claims (13)

1. ステータの真空キャビティ内に配置される、同期機械のためのロータであって、
   前記ロータの軸を中心として回転する中実の磁性ロータコア（２２）であって、該ロータコア（２２）は、該ロータコア（２２）を貫通して前記軸と垂直に延びる少なくとも１つの導管（４６）を含むロータコア（２２）と、
   前記少なくとも１つの導管（４６）と同一平面に位置し、前記ロータコアの周りに延びるレーストラック形超伝導コイル巻線（３４）と、
   前記コアの前記少なくとも１つの導管（４６）を貫通して延び、前記コイル巻線の対向する長さ方向側部に取り付けられたコイル支持体（４２、４４）と、
   前記コアから軸方向に延び、該コアに取り付けられた１対の端シャフト（２４、３０）と、を含み、
   前記コイル支持体（４２、４４）と前記導管（４６）の隔たりが、前記コイル支持体（４２、４４）と前記導管（４６）との間を熱的に隔離することを特徴とするロータ。
2. 前記ロータコアが、該ロータコアの対向する長さ方向側面上に形成された１対の平らな表面（４８）を含み、前記コイル巻線の前記長さ方向側部（４０）が、前記平らな表面に隣接し、前記少なくとも１つの導管（４６）は、前記平らな表面の各々において開口を有していることを特徴とする、請求項１に記載のロータ。
3. ステータの真空キャビティ内に配置される、同期機械（１０）におけるロータであって、
   その対向する側面上に、それに沿って長さ方向に延びる１対の平らな部分（４８）を有すし、前記ロータの軸を中心として回転するロータコア（２２）であって、該ロータコア（２２）は、該ロータコア（２２）を貫通して延び、前記平らな部分（４８）の各々に開口を有する少なくとも１つの導管（４６）を含むロータコア（２２）、
   該ロータコアの少なくとも一部の周りに延び、前記コアの平らな部分に隣接する１対の側部分（４０）を有し、前記側部分（４０）が前記少なくとも１つの導管（４６）の前記開口に位置付けられている超伝導コイル巻線（３４）と、
   前記コアの前記少なくとも１つの導管（４６）を貫通して延び、前記コイル巻線の側部分（４０）に取り付けられ、前記ロータコア（２２）と熱的に隔離されたコイル支持体（４２、４４）と、
   前記ロータコアの第１の端部から軸方向に延びる第１の端シャフトと、
   前記ロータコアの第２の端部から軸方向に延びる第２の端シャフトと、を含むことを特徴とするロータ。
4. 前記第1の端シャフトが、前記コイル巻線に冷却流体を供給するための極低温継手（２６）を含むことを特徴とする、請求項３に記載のロータ。
5. 少なくとも１つのテンションロッド（４２）を含むコイル支持体を更に含み、前記少なくとも１つのテンションロッドが、前記コアを貫通して延び、その両端部においてコイルハウジング（４４）に取り付けられ、該コイルハウジングの各々が、前記コイルの側部分のうちの１つの周りを包み込むことを特徴とする、請求項３に記載のロータ。
6. 前記コイル支持体及び前記コイルが極低温であり、前記コイル支持体が前記ロータコアから断熱されていることを特徴とする、請求項１又は請求項５に記載のロータ。
7. 前記ロータコア内に挿入された断熱チューブ（５２）が、前記テンションロッドを前記コアから隔離することを特徴とする、請求項６に記載のロータ。
8. 前記端シャフト（２４、３０）が非磁性金属であることを特徴とする、請求項１又は請求項３に記載のロータ。
9. 前記端シャフト（２４、３０）がステンレス鋼であることを特徴とする、請求項８に記載のロータ。
10. 前記ロータコア（２２）が中実の磁性鉄鍛造品であることを特徴とする、請求項１又は請求項３に記載のロータ。
11. 前記コイル（３４）がレーストラック形状を有し、固体状エポキシ含浸巻線複合材料で積層されたＢＳＣＣＯ（Ｂｉ x Ｓｒ x Ｃａ x Ｃｕ x Ｏ x ）導線を含み、前記コイルの中心は、前記ロータの軸上にあることを特徴とする、請求項１又は請求項３に記載のロータ。
12. 前記ロータコア及びコイルの周りに導電性遮蔽体（９０）を更に含むことを特徴とする、請求項１又は請求項３に記載のロータ。
13. 前記端シャフトのうちの一方が、コレクタリング（７８）と極低温流体継手（２６）とを有するコレクタ端シャフト（２４）であることを特徴とする、請求項１又は請求項３に記載のロータ。

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