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発明の名称 分割式コイルハウジングを有する高温超伝導同期機械のロータコイル支持体及びその組み立て方法
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開2004−135361(P2004−135361A)
公開日 平成16年4月30日(2004.4.30)
出願番号 特願2002−205259(P2002−205259)
出願日 平成14年7月15日(2002.7.15)
代理人
発明者 ユー・ワン / ロバート・ジョン・ニーガード / エバンゲロス・トリフォン・ラスカリス / ジェームズ・ペレグリノ・アレクサンダー
要約 課題
同期機械のためのロータを開示する。

解決手段
該ロータは、ロータコアと、ロータの少なくとも一部分の周りに延び、ロータコアの側面に隣接する側部分を有する超伝導コイル巻線と、ロータコアの導管を貫通して延びる少なくとも1つのテンションロッドと、該テンションロッドに取り付けられ、コイル巻線の側部分に連結された、一対の側板を含むハウジングとを備える。
特許請求の範囲
【請求項1】
同期機械(10)において、ロータが、
ロータコア(22)と、
前記ロータの少なくとも一部分の周りに延び、前記ロータコアの側面に隣接する側部分(40)を有する超伝導コイル巻線(34)と、
前記ロータコアの導管(46)を貫通して延びる少なくとも1つのテンションロッド(42)と、
該テンションロッドに取り付けられ、前記コイル巻線の側部分に連結された、一対の側板(124)を含むハウジング(44)と、
を備えることを特徴とするロータ。
【請求項2】
前記側板(124)が、前記側部分(40)の両面上に位置していることを特徴とする、請求項1に記載のロータ。
【請求項3】
前記ハウジング(44)及びテンションロッド(42)が、前記コイル巻線からの熱伝導によって冷却されることを特徴とする、請求項1に記載のロータ。
【請求項4】
前記ハウジングが、前記側板間を橋渡しし、前記コイル巻線の外面に当接するくさび(126)を備えることを特徴とする、請求項1に記載のロータ。
【請求項5】
前記テンションロッドが、前記コイルに当接し、前記側部分とほぼ同じ幅を有する平坦な面(86)を有するボルト(43)を含むことを特徴とする、請求項1に記載のロータ。
【請求項6】
前記テンションロッドが、複数の側板により形成される鋸歯状孔(134)に係合する鋸歯状端部を有することを特徴とする、請求項1に記載のロータ。
【請求項7】
2つの側板の組立体が、前記テンションロッド又はテンションボルトの端部に係合する孔を形成することを特徴とする、請求項1に記載のロータ。
【請求項8】
前記側板が、コイルに当接した一対の直交する面(132)を有することを特徴とする、請求項1に記載のロータ。
【請求項9】
前記ハウジング(44)が、アルミニウム、インコネル及びチタニウム合金からなる群から選択された金属材料で形成されることを特徴とする、請求項1に記載のロータ。
【請求項10】
前記テンションロッド(42)が、非磁性金属合金で形成されることを特徴とする、請求項1に記載のロータ。
【請求項11】
前記テンションロッド(42)が、インコネル合金で形成されることを特徴とする、請求項1に記載のロータ。
【請求項12】
超伝導コイル巻線(34)を同期機械(10)のロータコア(22)に支持するための方法であって、
a.前記ロータコアの導管(46)を貫通して延びるようにテンションロッド(42)を配置する段階と、
b.該テンションロッドが前記コイル巻線の側部分の間を跨ぐように、前記ロータコアの周りに前記コイル巻線を配置する段階と、
c.前記コイル巻線の側部分の周りに少なくとも1つのハウジング(44)の一対の側板(124)を組み立てる段階と、
d.該側板を互いに固定する段階と、
e.前記テンションロッドの第1の端部に前記ハウジングを取り付ける段階と、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項13】
一対の側板(124)を組み立て、該側板を互いに固定し、前記テンションロッドの第1の端部に前記ハウジングを取り付ける前記各段階を繰り返す段階を更に含むことを特徴とする、請求項12に記載の方法。
【請求項14】
一対の側板を組み立てる前記段階は、前記テンションロッドの端部のフランジ頭部(122)の回りに複数の側板を組み立てることによって行われることを特徴とする、請求項12に記載の方法。
【請求項15】
一対の側板を組み立てる前記段階は、複数の側板を組み立てて、鋸歯状孔(134)を形成し、前記テンションロッドの鋸歯状端部を該孔に係合することによって行われることを特徴とする、請求項12に記載の方法。
【請求項16】
幾つかのテンションロッド(42)が、前記ロータコアの一連の導管(46)に挿入され、前記コイル巻線に固定されることを特徴とする、請求項12に記載の方法。
発明の詳細な説明
【0001】
【発明の背景】
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、同期機械のロータにおける超伝導界磁巻線のための支持構造に関する。
【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(BiSrCaCu)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。
【0007】
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する。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】
更に、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。更に、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】
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切に支持されなければならない。これらのコイル支持システムは、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。更に、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。
【0011】
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、特許文献1ないし特許文献6に開示されている。
【0012】
【特許文献1】米国特許第5,548,168号
【0013】
【特許文献2】米国特許第5,532,663号
【0014】
【特許文献3】米国特許第5,672,921号
【0015】
【特許文献4】米国特許第5,777,420号
【0016】
【特許文献5】米国特許第6,169,353号
【0017】
【特許文献6】米国特許第6,066,906号
【0018】
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。
【0019】
【発明の概要】
電気機械の2極ロータ用のレーストラック形状高温超伝導(HTS)コイル巻線のためのコイル支持システムが開発された。このコイル支持システムは、ロータ作動中のコイル巻線への損傷を防ぎ、該コイル巻線を遠心力及び他の力に対して支持し、コイル巻線に対する保護遮蔽体を備えるものである。コイル支持システムは、ロータに対してコイル巻線を保持する。ロータが周囲温度であるのに対して、HTSコイル巻線及びコイル支持システムは、極低温である。
【0020】
分割式ハウジングコイル支持体は、低電力密度の高温超伝導(HTS)電気機械に特に有用である。このコイル支持体は、そうでなければSCコイルに作用することになる大きな遠心力及び接線方向の力に耐える。コイルハウジングは、コイルに作用する遠心力及び接線力を均等に分散するために、コイルの長い側部分に沿って端部から端部まで配置される。熱漏れを低減するために、ロータから支持体を通って低温のコイルへの熱伝導が低減されるようにコイル支持体の大きさは最小化されてきた。コイル支持体は、界磁巻線と同様に極低温に維持されている。
【0021】
コイル支持システムは、レーストラック形のコイル巻線の対向する側部の間を跨ぐ一連のコイル支持組立体を含む。各々のコイル支持組立体は、テンションロッド及び一対の分割式ハウジングを含む。テンションロッドは、ロータコアの、例えば孔のような導管を貫通してコイル巻線の対向する側部の間を延びる。テンションロッドの各々の端部における分割式コイルハウジングは、コイルに取り付けられる。このハウジングにより、遠心力はコイルからテンションロッドへ伝えられる。各々のコイル支持組立体は、ロータコアに対してコイル巻線を支える。一連のコイル支持組立体は、コイル巻線に対して、剛体の保護支持体を提供するものである。
【0022】
各々の分割式コイルハウジングは、一対の対向する側板を含み、該側板はSCコイルの回りに組み立てられ、テンションロッドの端部を把持する。この側板は、「C」形状の部材であり、一対の側板の間にコイルを内包するようにボルトにより互いに締結される。締付けボルトは、側板を互いに保持し、大きな遠心力及び接戦方向荷重によりコイルハウジングが分裂するのを防ぐ。
【0023】
HTSロータは、もともとSCコイルを含むように設計された同期機械のためのものであってもよい。或いは、HTSロータは、従来の発電機のような、既存の電気機械における銅コイルロータと置き換わるものでもよい。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コイルロータはまた、他の同期機械に使用するのにも適している。
【0024】
このコイル支持システムは、該コイル支持システムをコイル及びロータに組み込むのに有用である。更に、コイル支持システムは、最終のロータ組み立て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。
【0025】
第1の実施形態において、本発明は、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、ロータコアの側面に隣接する側部分を有する超伝導コイル巻線と、ロータコアの導管を貫通して延びる少なくとも1つのテンションロッドと、テンションロッドに取り付けられ、コイル巻線の側部分に連結された、一対の側板を含むハウジングとを備える同期機械のためのロータである。
【0026】
別の実施形態において、本発明は、ロータコアの導管を貫通して延びるようにテンションロッドを配置する段階と、テンションロッド及びテンションボルトがコイル巻線の側部分の間を跨ぐように、ロータコアの周りにコイル巻線を配置する段階と、コイル巻線の側部分の周りに少なくとも1つのハウジングの一対の側板を組み立てる段階と、該側板を互いに固定する段階と、テンションロッドの第1の端部にハウジングを取り付ける段階とを含む、超伝導コイル巻線を同期機械のロータコアに支持するための方法である。
【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。
【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(MMF)を減少させる。MMFの減少により、コイル巻線に必要とされる超電導(SC)コイル線の量は最小となる。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、ロータコア22を支える一対の端シャフトを含む。コレクタ端シャフト24は、SCコイルに電気的に結合をもたらすための外部のコレクタリング78を有する。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用いられる極低温冷却流体の源への極低温剤移送継手26を含む。この極低温剤移送継手26は、極低温剤冷却流体の源に連結された固定セグメントと、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。反対側の端シャフトは、動力タービンに連結されることができる駆動シャフト30である。これらの端シャフトは、ロータ全体に対する支持を与えるベアリング25により支持される。
【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(BiSrCaCu)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。
【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、ロータコアの一端に入口流体ポート39及び出口流体ポート41を有する。これらの流体(気体)ポート39、41は、SCコイル上の冷却路38を、極低温剤移送継手26まで延びるロータ端シャフト24内の管路に接続する。
【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(HTS)コイル巻線のためのロータコア22とコイル支持システムの部分切欠図である。コイル支持システムは、ロータコアを通してHTSコイル巻線の対向する側部の間を跨ぐ一連のコイル支持組立体を含む。各々のコイル支持組立体は、ロータコアの導管46を貫通して延びるテンションロッド42と、該ロッドに固定され、コイル巻線を支える分割式コイルハウジング44とを含む。コイル支持システムは、コイル巻線をロータ内に保持するための構造的フレームを提供する。
【0038】
HTSコイル巻線34の主な荷重は、ロータ回転時の遠心加速度によるものである。コイル支持組立体は、コイルの遠心荷重と各々整合されて荷重がかかっているコイル巻線に効果的な構造的支持を与える。コイルの側部分を支持するために、各々のテンションロッド42は、分割式コイルハウジング44に取り付けられる。ハウジングは、コイルの対向した側部分を把持する。テンションロッド42は、ロータコアの一連の導管46を貫通して延びる。これらのロッドは、ロータコアの横軸と整合される。
【0039】
分割式コイルハウジング44は、遠心力及び接線方向のトルク力に対してコイル巻線34を支持する。遠心力は、ロータの回転により発生する。接線力は、ロータの加速と減速、及びトルク伝達から発生する。コイル巻線の長い側部40が、分割式ハウジング44及びテンションボルトの平坦な端部86によって包み込まれているので、該コイル巻線の側部は、ロータ内に完全に支持される。
【0040】
導管46は、ロータコア内のほぼ円筒形の通路であり、真っ直ぐな軸線を有する。導管の直径は、ほぼ一定である。しかしながら、導管の端部88は、絶縁チューブ52を収容するように、広い直径に拡大してもよい。このチューブは、ロッド42を導管内に整合させ、ロータコアと該ロッドとの間を熱的に絶縁する。
【0041】
各々のテンションロッドの端部において、絶縁チューブ52は、コイル支持構造体を高温のロータに固定し、かつその間の熱対流を防ぐ。また、絶縁チューブ52に連結されるロックナット84があり、該ロックナットはテンションロッドとに連結部を更に固定する。ロックナット84及びチューブ52は、高温のロータからハウジング構造体への熱伝達を最小にしながら、テンションロッド及び分割式ハウジングをロータコアへ固定する。
【0042】
絶縁チューブ52は、熱絶縁材料で形成される。チューブの一端には、導管の広い端部88の壁に当接する外リング(図示せず)を含むことができる。チューブの他端には、テンションロッドを該絶縁チューブに対して保持するロックナット84と係合する内リング(図示せず)を含む。ロータからの熱は、テンションロッドに到達する前に、絶縁チューブ52の長さとロックナット84を通じて伝達せざるを得ない。従って、該絶縁チューブは、テンションロッドをロータコアから熱的に絶縁する。
【0043】
導管46の数とロータコア上のそれらの位置は、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ジングの数によって決まる。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ある。更に、導管の軸線は、コイルの側部分に対して直角である。更に、ここに示される実施形態において、導管は、ロータの軸線と直角であり、かつ該ロータの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で決まることになる。
【0044】
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、支持構造は、冷却されたSC巻線から熱的に隔離されている。常温コイル支持体については、超伝導(SC)コイルの機械的荷重の大部分は、低温のコイルと常温の支持部材との間を跨ぐ構造部材によって支持される。
【0045】
低温の支持システムでは、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。低温の支持体では、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コイル支持構造部材によって支持される。
【0046】
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、ボルト43、及び関連した分割式ハウジング44が、極低温又はその付近に維持されるという点で、低温支持体である。コイル支持部材が低温であるので、これらの部材は、例えばロータコアを通る非接触型導管などによって、ロータコア及びロータの他の「高温の」部品から熱的に隔離される。
【0047】
HTSコイル巻線及び構造コイル支持部品は、全て極低温である。対照的に、ロータコアは、「高温の」周囲温度である。コイル支持体は、熱をロータコアからHTSコイルに到達させる熱伝導源となる可能性がある。作動中にロータコアは高温になる。コイル巻線は、極低温状態に保たれねばならないので、コアからコイルへの熱伝導は、回避されなければならない。
【0048】
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。更に、ロータコアから支持組立体を通ってコイル巻線内への熱伝導を減少させるために、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。
【0049】
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。一般的に、テンションロッドは、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。更に、テンションロッド42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。
【0050】
テンションロッドの平坦な面86になった頭部は、コイル巻線の側部の内面を支持する。テンションロッドの端部86を鋸歯状とし、2つのコイルハウジング側板124の組立体の環状隆起に係合するようにしてもよい(図5参照)。コイル巻線の側部40の他の3つの面は、分割式ハウジング44によって支持される。各々の分割式ハウジングは、コイルの周りに組み立てられ、ボルト頭部と協働してコイルのケーシングを形成する。このケーシングが、接線力及び遠心力に対してコイル巻線を支持する。ケーシングはまた、コイル巻線が長さ方向に延び縮みするのを可能にする。
【0051】
図4及び図5(及び図3)は、分割式ハウジング44の例示的な「C」形状の側板124の片半分を示す。一対の側板は、対向するコイル34の側部を支える。更に、側板はコイルの各々の側部に沿って端部から端部まで配置されて、コイル巻線34の側部分40に沿って連続したコイル支持体を形成する。各々の側板の内面は、くさびを受ける狭いスロット130とコイルの側部を受ける「L」形状の溝132を有する。コイルの側面及び内面は、側板の溝132の直交する面上に置かれる。対向する側板は、コイルの周りに組み立てられ、そのコイルの内面及びコイルの対向する側面を支持する。
【0052】
コイルの外面は、コイルの両側に位置する側板間を延びるくさび126により支持される。個々のくさびは、分割され(図4及び図5に示すように)、コイルを横切って途中まで延びて、そこで他方の分割されたくさびと当接することができる。くさび126は、側板の狭いスロット130に嵌合する。くさびは、コイルの外面上の冷却通路38を受けるための溝127を含む。更に、くさびは、側板の上端の孔133と整合する一連の孔131を備えることができる。これらの孔131、133の各々の対は、対向する側板及びくさびを貫通して延び、側板及びくさびの上端を互いに固定する止めピン136(図3)を受ける。
【0053】
図4に示すように、くさびは、側板と一体化され、コイルの幅の半分まで延びるることができる。若しくは、くさびは、側板と組み立てられる別個の構成部品とし、コイルの幅を横切って半分まで延びるようにしてもよいし、又は反対側の側板までコイルの幅を横切る全体の距離を延びるようにしてもよい。更に、くさび126は、側板と同一の広がりを有する必要はない。くさびは、側板の長さを越えて延びて、隣接する側板の溝130(図4に示すように)に係合させてもよい。若しくは、図5に示すように、くさびは、側板と同一の広がりを有してもよい。
【0054】
側板124は、コイルの内面が置かれる下部フランジ135を有する。下部フランジのボルト孔142によって、締付けボルトはハウジング44の下部分を互いに保持することができる。また、下部フランジはまた、テンションロッド42又はテンションボルト43(中実のテンションロッドが使用されるか又はテンションロッド及びボルト組立体が使用されているかによる)に係合する。
【0055】
各々の側板(片半分を図4及び図5に示す)は、テンションロッド又はテンションボルトに係合する孔の片側部分134を有する。図4及び図5に示す側板は、テンションロッド42(図5)の鋸歯状端部又はテンションボルト43の頭部(図4)に係合する孔(2対の側板が組み立てられた時)を形成する片側部分134を有する。図4に示す側板により形成される孔は、滑らかな内径とボルト43の頭部に係合するための環状棚137を有する。若しくは、図5に示す側板の片側部分134により形成される孔は、鋸歯状であり、テンションロッドの鋸歯状端部に係合する。従って、分割式ハウジング44は、テンションロッド及びボルト組立体、又はボルトを使用しないテンションロッドのどちらにでも使用することができる。更に、ロックナット138(図6参照)が、ねじ付き孔134に挿入されてもよく、またロックナットには、テンションボルト頭部43を確実に保持するために内部孔及び棚を設けてもよい。
【0056】
テンションボルト又はテンションロッドが、側板の下部フランジ135に取り付けられる様態に関係なく、ボルト又はロッドの端部は、コイルの内面に当接するように固定される。このようにして、テンションボルト又はロッドの端部は、コイルを直接支持する。
【0057】
分割式ハウジングは、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。分割式ハウジングのための一般的な材料は、アルミニウム、チタン、及びインコネル合金である。分割式ハウジングの形状は、重量を軽くするために最適化されてきた。
【0058】
図6に示すように、一連の分割式コイルハウジング44(及び関連したテンションボルト43とロッド42)は、コイル巻線の側部40に沿って配置することができる。テンションボルト43は、テンションロッドの端部のねじ孔(図示せず)にねじ込まれるようになっている。ボルトをロッド内にねじ込む深さは、調節可能である。テンションロッドとボルトとの組立体(この組立体は、コイルの側部の間を跨ぐ)の全長は、ボルトの1つ又は両方をテンションロッドの孔に回転させて入れることによって、或いは該テンションロッドの孔から回転させて出すことによって、変えることができる。ボルトの頭部又はテンションロッドの端部は、平坦な面を有するフランジを備える。フランジは、図4に示す分割式ハウジングの縁に係合する。ボルト又はロッドの平坦な頭部86は、コイル巻線34の内面に当接する。
【0059】
ハウジングは、コイルの側部分40の長さに沿って端部から端部まで配置される。分割式ハウジングは、全体として、コイルの側部分40のほぼ全体にわたり、遠心力のような該コイルに作用する力を分散させる。分割式ハウジング44は、コイルの側部分40を、遠心力による過度な撓みと曲げから防ぐ。
【0060】
複数の分割式ハウジング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。分割式ハウジングは、互いに密接しているものとして示されているが、これらハウジングは、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。
【0061】
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熱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た方向に向いている。従って、コイルの側部分は、分割式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。
【0062】
テンションロッド42、ボルト43、及び分割式ハウジング44からなるコイル支持システムは、ロータコア22に取り付ける際に、HTSコイル巻線34と共に組み立てることができる。テンションロッド及び分割式ハウジングは、コイル巻線を支持し、ロータコアに対して該コイル巻線の長い側部を適所に保持するための適正な剛構造体を提供する。コイルの端部は、ロータコア22の軸方向の端部において(しかし、ロータコアと接触せずに)、分割型クランプ(図示せず)によって支持することができる。
【0063】
ロータコア及び端シャフトは、互い組み立てられる別々の構成部品であってもよい。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50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。
【0064】
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。
【0065】
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。更に、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。
【0066】
ロータコア、コイル巻線、及びコイル支持組立体は、事前組み立てされる。コイル及び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、コイル支持品質を向上させ、コイル組立体のばらつきを減少させる。ロータコアがロータ端シャフト及びロータの他の構成部品と共に組み立てられる前に、テンションロッド42が、ロータコアを貫通して延びる導管46の各々に挿入される。各テンションロッドの各々の端部において絶縁チューブ52が、導管46の各々の端部における拡大端部88に配置される。チューブ52は、保持ロックナット84によって適所に固定される。ボルト43を使用する場合には、テンションロッドがロータコアの導管内に挿入される前又は挿入された後に、ボルト43を挿入することができる。
【0067】
テンションボルト使用時には、次にロッキングナット138が各々のボルト上に配置され、次いでボルトを分割式ハウジングに対して固定するために使用される。ボルトをテンションロッドにねじ込む深さは、テンションロッドの1つのボルトの端部から、対向するボルトの端部までの長さが、コイル巻線の長い側部間の距離であるように、選択される。テンションロッドとボルトがロータコア22内に組み立てられると、コイル巻線をコア内に挿入することが可能になる。
【0068】
コイル巻線34は、テンションロッド42又はボルト43の平坦な端部86が巻線の側部分40の内面に当接するようにロータコア上に挿入される。巻線がロッド42又はボルト43の端部上に挿入されると、分割式ハウジング44は、巻線を覆って組み立てられる。各々のハウジングを組み立てるために、側板がコイルの両側に配置され、くさびが側板の狭いスロット130に滑入される。くさびと側板を互いに保持するために、止めピンが挿入される。ロックナット138を用いて、ボルトに対して側板を固定する。
【0069】
ロータコアを金属の円筒形遮蔽体90(点線で示される)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。
【0070】
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。
【0071】
ロータコア及びコイルがカラー及びロータの他の構成部品と共に組み立てられる前に、分割式コイルハウジング、テンションロッド、及びボルト(コイル支持組立体)をコイル巻線と共に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品を組み立てる前に、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。
【0072】
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。
【0073】
特許請求の範囲で表されている参照番号は、本発明の範囲を限定するものではなく、容易に理解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)ロータのためのロータコア、コイル巻線、及びコイル支持システムの部分切欠図。
【図4】コイルを備えていない状態の分割式コイルハウジングの斜視図。
【図5】コイルを備えた状態の分割式コイルハウジングの斜視図。
【図6】高温超伝導(HTS)ロータのためのロータコア、コイル巻線、及びコイル支持システムの斜視図。
【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




 

 


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