JP4111744B2 - 高出力密度の超伝導電気機械 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般的に、超伝導コイルを高出力密度の同期回転機械に適用することに関する。より具体的には、本発明は、従来型のステータと、超伝導界コイルを有する磁気的に飽和された中実の鉄製コアロータとを備えた同期機械に関する。
【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】
鉄心超伝導ロータは工業界により大いに無視されてきたが、機械の空隙磁界と出力密度とを増大させるために磁界飽和状態において作動する時、鉄心ロータは空コアロータにない或る種の利点を発揮する。その利点というのは、機械の同じ高出力密度の利点を達成するために、空コアロータと比べて、磁気的に飽和された鉄心ロータでは、かなり少量の超伝導材料しか必要としないということである。
【０００６】
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。
【０００７】
これまで超伝導コイルは、同期機械のロータにおいて商業的に使用されることはなかった。高出力密度の発電機及び他のこの種の同期機械にＳＣコイルを組み込むための、数々の試みが為されてきた。高出力密度機械にＳＣコイルを適用することによって得られる利点は、機械を軽量小形化できるということである。これらの高出力密度機械は、一般的には、空コアロータと、ステータ鉄くし歯を持たない空隙（エアギャップ）型ステータとを含む。しかしながら、高出力密度機械は高価になりがちであって、これまでは商業的に実用的でなかった。
【０００８】
ＳＣコイル、それらのコイル支持体、及び関連する冷却システムは、高価かつ複雑であった。ＳＣコイルは、ＢＳＣＣＯのような高価な材料で作られる。又、これらの材料は脆弱である。ＳＣコイルのために必要なコイル支持体は、大型同期機械のロータに作用する巨大な力に耐えて、脆弱なコイルを保護しなくてはならない。更に、これらの支持システムは、極低温に冷却されたコイルに大きな熱を伝導してはならない。
【０００９】
更に、ヘリウムのような極低温冷却流体を供給する冷却システムは、複雑かつ高価である。従ってこれまで、同期機械にＳＣコイルを組み込むことは、複雑でありコスト高となっていた。ＳＣコイルが商業的に使用可能となるためには、それらに関連したコストが、ロータにおける従来型の銅コイルにＳＣコイルが取って代わることによって得られる利点より十分に低くなるまで低減されなければならない。
【００１０】
高温超伝導（ＨＴＳ）材料の開発により、ＳＣコイル使用に付随したコストは一層低減できるようになった。それらは例えば２７°Ｋといった比較的高い温度で超伝導状態（ゼロ抵抗を含む）を維持するから、より低温度まで冷却しなければならなかった先行技術によるＳＣのための冷却コストと比べて、ＨＴＳコイルを冷却するためのコストは著しく低減される。それでもなお一層廉価なＳＣコイル及びコイル支持システムに対する要請が存する。
【００１１】
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て高温になった使用済みのヘリウムは、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、大きな補助出力を必要とする。
【００１２】
従来のＳＣコイル冷却技術は、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。
【００１３】
必要とされるものは、先行技術によるＨＴＳ機械より相当に低価格で、現存の従来型の銅コイルを備えた機械と太刀打ちできる価格のＨＴＳ電気機械である。商業的に成功するためには、ＨＴＳ機械は従来型の銅コイルを備えた機械と価格競争できるようになる必要がある。価格を更に下げるための可能性を有する技術領域には、コイル支持システム、ロータ設計、及び現存機械にＨＴＳロータを装着することが含まれる。更に、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、電気機械のための改良されたロータ界磁巻線集成体に対する要請が存する。
【００１４】
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。
【００１５】
【発明の概要】
現存の銅コイルを備えた低出力密度機械と価格的に競争可能な、ＳＣコイル界磁巻線を有するロータを備えた高出力密度の超伝導機械が開発された。磁気的に飽和された中実コアロータと従来型のステータと最小限度のコイル支持構造体とを使用することによって、価格は低減できる。これらの技術を駆使して、ＳＣコイルの利点を有する実効的なＨＴＳ機械が開発された。更に、このようなＨＴＳ機械を組み立てるためのコストは、機械が経済性を持ったものになるように、十分低減することができる。
【００１６】
ＨＴＳ機械は、従来型のステータとＨＴＳロータとを含む。従来型のステータは、ＨＴＳロータによってもたらされる高度の空隙磁界に合わせて設計される。ロータは、鉄のような中実磁性材料で形成された２極コア本体を含む。ロータコア本体は、一般に円柱形であって、その全長に沿って長手方向に機械加工された平らな面を有する。ＨＴＳコイルは、これらの平らな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。ロータコイルのアンペア回数は、ロータコアを磁気的に飽和させて、高度の空隙磁界で機械を作動させるの程に十分に高い。
【００１７】
レーストラック形コイルは、鉄製コア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えられる。ロータコイルには、駆動シャフトとコレクタシャフトとが機械的に固定される。円筒形シェルの電磁遮蔽体が、ＨＴＳコイルと鉄製コアロータ本体とを取り囲む。
【００１８】
空コアロータと比べて、鉄製コアロータは、界磁巻線のアンペア回数と超伝導体の使用量と価格とを著しく低減する。単一のレーストラック形ＨＴＳコイルが、典型的な複雑なサドル形コイル巻線と置き換わる。テンション・コイル支持体は、ＨＴＳコイルに対する直接的な支えを提供して、冷却時及び遠心力負荷時にコイルに加わる応力を減少させる。更に、コイル支持システムは、コイルと同じに極低温度である。
【００１９】
ＨＴＳロータは、元々ＳＣコイルを含むように設計された同期機械に適用することができる。ロータとＳＣコイルとは、発電機の場合に即して説明するが、本明細書において開示するＨＴＳコイルロータとコイル支持体は、その他の同期機に使用するのにも適している。
【００２０】
第１の実施形態において、本発明は、高出力密度の同期機械であって、該機械は、円筒形真空キャビティの周りに環状に配設された従来型のステータコイルを有するステータと、磁気的に飽和された円筒形の中実ロータコアと、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い側部分に取り付けられたコイル支持体とを含む。
【００２１】
第２の実施形態において、本発明は、少なくとも１００ＭＶＡの回転能力を有する高出力密度の同期機械であって、該機械は、真空ロータキャビティを形成する環状に配設されたステータコイルを有する従来型のステータと、その両側面上に、その長手方向に沿って延びる１対の平らな部分を有する磁気的に飽和された円筒形ロータコアと、ロータコアの少なくとも一部分の周りに延び、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を含む。
【００２２】
【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。
【００２３】
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。ステータは、従来型のステータ巻線１９を含む。これらの巻線は、ロータ真空キャビティの周りに環状に配設される。巻線は、構造支持のために非金属くし歯で満たされた狭い空隙により、互いに隔てられる。従ってこのステータは、「エアギャップ型」ステータと呼ばれる。これとは別の構成では、ステータ巻線間のギャップは、ステータコイル巻線内の磁束集中度を改善するために、鉄くし歯で満たすことができる。エアギャップ型ステータ及び鉄くし歯を備えたステータは、当技術分野においてはよく知られている。
【００２４】
ロータ１４は、ステータのロータ真空キャビティ１６内に嵌まる。ロータがステータ内で回転すると、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。
【００２５】
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。高電力密度の超伝導機械では、ロータの鉄心（鉄製コア）は、起磁力（ＭＭＦ）を低下させるために磁気的に飽和された状態で使用され、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テスラ又はそれ以上の磁界強度で磁気的に飽和させることができる。
【００２６】
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を開示する。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状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。
【００２７】
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及び駆動端シャフト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。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、駆動継手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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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、ロータコアの対向する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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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、その両端において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３８の側部分３４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、その各々の両端にハウジングを備える一連のテンションロッドを含む。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。
【００３４】
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溝ハウジング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。図３は、単に図示する便宜上、ロッド４２がコイルを越えて延びているように示している。実際には、ロッドはコイルを越えて延びておらず、むしろコアに面するコイルの面に当接している。
【００３５】
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。ロックナット８４が、導管４６内でチューブを保持する。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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、及び該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。
【００４２】
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、溝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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
これらの平坦な面の幅は、Ｕ形ハウジング及びコイルの幅と一致する。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。
【００４６】
テンションロッド４２と、コイルの長い側部分４０のためのコイルハウジング４４と、コイル端部分のための１対の分割型クランプ５８とからなるコイル支持システムを、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。
【００４７】
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。導管４６及びテンションロッド４２の数と、それらのロータコア上及び相互間の配置とは、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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。ロータとステータとの間隙における磁界は、ロータコイル巻線をステータ巻線と電磁的に結合して、機械の出力密度に直接影響を与える。
【００５１】
機械１０の出力密度は、鉄製コアロータをより高いロータコイル起磁力（ＭＭＦ）で磁気飽和させることによって、増大できる。例えば、長さが丁度６５インチのＨＴＳロータが、３１４，０００アンペア回数のロータコイルＭＭＦを使用した１００ＭＶＡ定格発電機のために設計されたが、同程度の出力レベルの発電機は、２０４，０００アンペア回数のコイルＭＭＦを有する長さ１２８インチの従来型の銅ロータを必要とする。更に、機械の長さが５０％短縮される結果、機械の寸法が３５％減少する。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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の端部に接続したカラー６２を含む。カラーは、ロータ端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。
【００５５】
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。
【００５６】
ロータコアを金属の円筒形遮蔽体（図示せず）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。
【００５７】
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】 高温超伝導（ＨＴＳ）ロータの構成部品の分解図。
【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
２５ 軸受
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 (14)

1. 円筒形真空キャビティ（１６）の周りに環状に配設されたステータコイル（１９）を有するステータ（１２）と、
   円筒形の磁性中実ロータコア（２２）と、
   該ロータコア上に取り付けられ、ロータコアの軸線（２０）に平行な対向する長い側部分（４０）を備える超伝導コイル巻線（３４）と、
   前記コアを貫通して延び、前記コイル巻線（３４）の対向する長い側部分（４０）に取り付けられたコイル支持体（４２）と、を含み、
   前記コイル支持体が前記ロータコアと接触せず、これにより前記コイル巻線が熱的に該ロータコアから隔離される
   ことを特徴とする同期機械（１０）。
2. 前記ステータが従来型のステータであり、前記中実ロータコアが磁気的に飽和されていることを特徴とする、請求項１に記載の同期機械。
3. 前記ステータがエアギャップ型ステータであり、前記中実ロータコアが磁気的に飽和されていることを特徴とする、請求項１に記載の同期機械。
4. 前記ロータコアに対して軸方向に取り付けられたロータ端シャフトを更に含むことを特徴とする、請求項１に記載の同期機械。
5. 前記ステータコイルと前記ロータとの間の空隙が、ステータの空気冷却のために十分な最小限度の大きさであることを特徴とする、請求項１に記載の同期機械。
6. 少なくとも１００ＭＶＡの回転能力を有する同期機械（１０）であって、
   真空ロータキャビティ（１６）を形成する環状に配設されたステータコイル（１９）を有するステータ（１２）と、
   その両側面上に、その長手方向に沿って延びる１対の平らな部分（４８）を有する円筒形の磁性中実ロータコア（２２）と、
   該ロータコアの少なくとも一部分の周りに延び、該コアの平らな部分に隣接する１対の側部分（４０）を有する超伝導コイル巻線（３４）と、
   前記コアを貫通して延び、前記コイル巻線（３４）の対向する長い側部分（４０）に取り付けられたコイル支持体（４２）と、を含み、
   前記コイル支持体が前記ロータコアと接触せず、これにより前記コイル巻線が熱的に該ロータコアから隔離される
   ことを特徴とする同期機械（１０）。
7. 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、
   を更に含むことを特徴とする、請求項６に記載の同期機械。
8. 前記端シャフトが非磁性金属であることを特徴とする、請求項４又は７に記載の同期機械。
9. 前記端シャフトがステンレス鋼であることを特徴とする、請求項４又は７に記載の同期機械。
10. 前記ロータコアが、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６に記載の同期機械。
11. 前記コイルがレーストラック形状を有することを特徴とする、請求項６に記載の同期機械。
12. 前記端シャフトのうちの一方が、コレクタリングと極低温流体継手とを有するコレクタ端シャフトであることを特徴とする、請求項４又は７に記載の同期機械。
13. 前記ロータコアが磁気的に飽和されていることを特徴とする、請求項６に記載の同期機械。
14. 前記ロータコアと前記コイルとの周りに導電性の遮蔽体を更に含むことを特徴とする、請求項６に記載の同期機械。

Images