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JP2003204643A - 超伝導同期機械のためのロータ・ステータ間のテーパ状エアギャップ - Google Patents

超伝導同期機械のためのロータ・ステータ間のテーパ状エアギャップ

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JP2003204643A
JP2003204643A JP2002316921A JP2002316921A JP2003204643A JP 2003204643 A JP2003204643 A JP 2003204643A JP 2002316921 A JP2002316921 A JP 2002316921A JP 2002316921 A JP2002316921 A JP 2002316921A JP 2003204643 A JP2003204643 A JP 2003204643A
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rotor
stator
gap
cooling
air gap
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William Hunter Boardman
ウィリアム・ハンター・ボードマン
Ronald James Chila
ロナルド・ジェームズ・チラ
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General Electric Co
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 本発明は、そのステータを冷却するための流
体流通風システムを備えた同期機械に関する。 【解決手段】 ロータ冷却システムに結合されたロータ
と、該ロータの周りに設けられ、その長さに沿って変化
する厚さを有する、ロータとステータ内表面との間の環
状ギャップによりロータから隔てられたステータと、環
状ギャップを通して冷却ガスを強制的に流すようになっ
ている、ロータ冷却システムとは独立したステータ通風
システムとを含む同期機械が、開示される。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、そのステータを冷
却するための流体流通風システムを備えた超伝導同期電
気機械に関する。
【０００２】
【従来の技術】発電機は、発電の過程において熱を発生
するが、この熱は発電機から放散されなくてはならな
い。この熱は、発電機において、主として風損と摩擦、
電気の流れ、及び磁気構造体内で時間変化する磁界によ
って発生する。摩擦による発熱は、発電機内でロータが
高速で回転する時に生じる。同様に、ロータコイルとス
テータコイルが発電機の磁界内で互いに相対的に回転
し、これらのコイルを通して電気が流れる時にも発熱が
生じる。磁気回路における損失は、例えば同期発電機の
ステータコア及びロータ極におけるような透磁性材料内
で磁界が時間と共に変化する時に生じる。
【０００３】発電機には、従来からステータ及びロータ
から生じる熱を発電機から取り除いて移送するための冷
却システムが備えられている。超伝導材料を使用しない
発電機や電動機のような従来の同期機械においては、ガ
ス通風冷却システムが使用されてきた。これらのガス通
風システムは、ステータ冷却とロータ冷却とを緊密に結
合したものである。通風システムは、ロータ及びステー
タ内のガス通路を通して冷却ガスを強制的に流すことに
より、ロータ及びステータの双方を冷却する。従来の通
風システムは、ステータ及びロータを通過する冷却ガス
の順方向流と逆方向流とを採用している。
【０００４】順方向流通風方式（図１）においては、冷
却ガスはロータ区域とステータ区域とを直列的に通過し
て流れ、ロータの冷却システムとステータの冷却システ
ムとの間を緊密に結合している。逆方向流通風方式にお
いては、冷却ガスはステータとロータとを通って並列的
に流れ、その後機械のエアギャップ内で混合しており、
この場合もまたステータの冷却とロータの冷却とが結合
されることになる。
【０００５】従来の通風システムは、ロータ冷却とステ
ータ冷却とを結合しているため、ステータとロータの双
方を適切に冷却するように構成されてきた。従来の通風
システムにおいては、ロータを冷却するために、ステー
タの冷却については幾つかの妥協が必要であり、その逆
もまた同様であった。ロータとステータの双方を冷却し
なくてはならない通風システムを用いて、ステータとロ
ータのいずれか一方の冷却を最適化することは困難であ
る。それにも拘らず、従来は、通風システムにより、大
規模な工業用発電機におけるステータ及びロータの双方
の冷却を行ってきた。
【０００６】超伝導同期機械においては、ロータ界磁巻
線は、自己内蔵式の冷却回路を有する極低温冷却システ
ムによって極低温度で作動される。低温の極低温冷却媒
体は、移送継手を通してロータに供給される。極低温冷
却媒体は、ロータ上の冷却回路を通して循環して超伝導
巻線から熱を取り去り、加熱された冷却媒体としてロー
タと移送継手とを通って固定冷却システムへ戻る。極低
温冷却システムは、超伝導機械のロータを効率的に冷却
する。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】単一の通風システム内
でステータ冷却システムとロータ冷却システムとが結合
された従来の機械とは対照的に、極低温ロータの冷却シ
ステムとガス冷却されるステータとは完全に独立させる
ことができる。超伝導ロータのための極低温冷却システ
ムは、ステータを冷却しない。そのような超伝導同期機
械のステータは、別個のステータ冷却システムを有す
る。
【０００８】超伝導同期機械のためのステータ通風シス
テムが、開発された。超伝導同期機械のステータは、逆
方向流通風システムによって冷却される。空気又は水素
のような冷却ガスが、エアギャップから引き込まれ、デ
ィフューザと熱交換器を通して圧送され、ステータコア
を通ってエアギャップへ戻される。ステータへの通風流
量を最適化するために、エアギャップはその軸方向の長
さに沿ってテーパ状にされる。エアギャップをテーパ状
にすることは、円筒状ロータの外表面を成形することに
よって達成できる。
【０００９】更に、従来の同期機械に超伝導ロータを取
付けることが可能である。同様に、従来のステータ及び
ロータ通風システムは、本明細書に開示されるようなス
テータ専用の通風システムとして機能するように改造す
ることができる。ロータには、極低温冷却媒体システム
が結合される。ステータ通風は、順方向冷却ガス流を有
するものであってもよいし、又逆方向冷却ガス流を有す
るものであってもよい。本発明によって提案されるステ
ータ冷却システムは、超伝導ロータ構成の形式とは独立
しており、また鉄心超伝導ロータにも空心超伝導ロータ
にも等しく適用できる。
【００１０】
【課題を解決するための手段】１つの実施形態におい
て、本発明は、ロータ冷却システムに結合されたロータ
と、該ロータの周りに設けられ、その長さに沿って変化
する厚さを有する、ロータとステータ内表面との間の環
状ギャップによりロータから隔てられたステータと、環
状ギャップを通して冷却ガスを強制的に流すようになっ
ている、ロータ冷却システムとは独立したステータ通風
システムとを含む、同期機械である。
【００１１】別の実施形態において、本発明は、ロータ
冷却システムに結合されたロータと、該ロータの周りに
設けられ、その長さに沿って変化する厚さを有する、ロ
ータとステータ内表面との間の環状ギャップによりロー
タから隔てられたステータと、環状ギャップを通して冷
却ガスを強制的に流すようになっている、ロータ冷却シ
ステムとは独立したステータ通風システムとを含む、超
伝導電磁機械である。
【００１２】更に別の実施形態において、本発明は、極
低温冷却された超伝導ロータコイル巻線を有する中実コ
アロータと、該ロータと同軸に設けられ、超伝導ロータ
コイル巻線と磁気的に結合されたステータコイルを有す
るステータとを含み、ステータコイルが、ロータの周り
に配置され、ステータが、該ステータの内周面から外向
きに延びる冷却通路を有し、該内周面が、環状ロータギ
ャップによってロータから隔てられ、ロータギャップ
が、該ギャップの長さに沿ってテーパ状の厚さを有し、
ロータが、極低温冷却流体によって冷却されており、ス
テータの外周面とステータの通路とに冷却ガスを供給す
るステータ通風システムを更に含む、超伝導電磁機械で
ある。
【００１３】更に別の実施形態において、本発明は、同
期電磁機械におけるロータとステータとの間のギャップ
を成形する方法であり、該方法は、ロータを受入れるた
めの円筒状キャビティを有し、該キャビティに対して開
口した冷却ダクトを含むステータを形成する段階と、ギ
ャップの内側円筒状表面を形成する円筒状ロータ表面を
ロータ上に形成する段階と、ギャップの長さに沿って該
ギャップの厚さがテーパ状になるように、ロータ表面を
成形する段階とを含む。
【００１４】
【発明の実施の形態】図１は従来の発電機８を示してお
り、該発電機は、冷却ガス（矢印１２）がロータ１４及
び／又はロータエアギャップ１６を通り、その後ステー
タ１８を通って流れる従来の順方向流通風システム１０
を有する。冷却ガスは、空気、水素、又はその他の冷却
ガスとすることができる。冷却ガスは、ロータ内の半径
方向ガス通路２０とステータ内の同様な半径方向ガスダ
クト２１とを通って直列に流れ、それによりロータの冷
却ガス流とステータの冷却ガス流とを緊密に結合する。
【００１５】従来の通風システム１０においては、冷却
ガスがロータを通って流れる時、ロータ内の熱はガスに
移される。冷却ガスの温度は、ロータコイルの温度に向
かって上昇する。加熱されたガスは、ロータから出てエ
アギャップ１６に入り、直接エアギャップ１６に入って
くる冷却ガスと混合される。この冷却ガス混合気は、エ
アギャップからステータダクト２１に入る。冷却ガスが
ステータを通って流れる時、高温のステータコイルから
の熱は冷却ガスに移されて、加熱されたガスがステータ
から出る時、ステータから除去される。
【００１６】従来の通風システムにおいては、ステータ
の外周面から出た加熱された冷却ガスは、ステータを取
り巻き、高温ガスを熱交換器２４へ導く環状ダクト２２
を通って流れる。高温ガスは、熱交換器２４内で冷却さ
れ、再循環ダクト２６を通って流れ、ファン２８により
圧送されロータとエアギャップへ戻される。冷却ガスは
また、ロータの遠心力によっても駆動され、ロータを通
ってギャップ１６内に送り込まれる。更に、ファン２８
から出る冷却ガスの一部分は、ステータコイル巻線の末
端巻線３０を冷却するように方向付けられる。
【００１７】従来の冷却システムにおいては、ファンに
よって送給される冷却ガス流の一部分（矢印１２）が、
ロータ通路２０を通過するガスに作用する遠心力によっ
て、ロータ内に引き込まれる。加熱されたロータガス
は、ロータ表面においてダクトから出て、ロータとステ
ータとの間のエアギャップ１６内に入る。更に、米国特
許第５，６３３，５４３号に示されたような逆方向流通
風システムにより、ステータとロータとに冷却ガスを供
給してきた。
【００１８】図２は、ステータ５２と超伝導ロータ５４
とを有する例示的な同期発電機械５０を示す。機械５０
は発電機として示されているが、電動機として構成して
もよい。発電機においては、ロータは、ステータの円筒
状のロータキャビティ５６内に嵌まる界磁巻線コイル６
６を含む。環状空隙５７が、ロータの外周面と、ロータ
コア６４を受ける円筒状キャビティ５６を形成するステ
ータの円筒状表面との間に形成されている。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
発生する磁界はステータを通って回転し、ステータコイ
ル巻線６０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。
【００１９】ロータ５４は、ほぼ長さ方向に延びる軸線
６２と、全体的に中実のロータコア６４とを有する。中
実のコア６４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。
【００２０】ロータ５４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６６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。Ｈ
ＴＳコイル巻線は、外部の冷却流体源７５からロータへ
供給される極低温流体により冷却される。ロータ５４と
そのＨＴＳコイル６６とのための冷却システム７５は、
ステータ５２のための通風システム８２（図３）のよう
な発電機５０のその他の構成要素のための冷却システム
とは独立しており、かつそれらから隔離されている。
【００２１】ロータは、ロータコア６４を支えるコレク
タ端シャフト６８及び駆動端シャフト７０を含み、これ
ら端シャフトは、軸受７２によって支持される。端シャ
フトは、外部装置に連結することができる。例えば、コ
レクタ端シャフト６８は、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源７５への極低温
剤移送継手７４を有する。例示的な極低温冷却流体源
は、本出願人所有の日本特許出願第２００２−１３８０
０７号（又は米国特許出願第０９／８５４，９４３号）
に開示されている。
【００２２】極低温剤移送継手７４は、極低温剤冷却流
体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有する。コレクタ
端シャフト６８はまた、回転するＳＣコイル巻線に電気
的に接続するためのコレクタ７６を含む。ロータの駆動
端シャフト７０は、動力タービン継手７８によって駆動
されることができる。
【００２３】図３は、順方向流通風ステータ冷却システ
ム８２を有する発電機８０の１／４部分（ロータ軸中心
線６２を参照）の断面図を示す。冷却システムは、例え
ば周辺空気又は水素のよな冷却ガスをステータに供給す
る。ステータ冷却システムは、極低温剤冷却流体をロー
タに供給する極低温冷却システムとは独立しており、か
つそれから隔離されている。
【００２４】ステータ通風システム８２は、ロータの両
側の端シャフト６８、７０に固定された冷却ガスファン
８４を含む。ファン８４は、ロータと共に回転して、ロ
ータコア６４とステータ５２のキャビティ５６との間の
環状エアギャップ５７内へ冷却ガス（矢印８６）を導入
する。冷却ガスは、ファン８２によりエアギャップ５７
内に送り込まれる。ファンは、ガス通路８８から冷却ガ
スを引き込み、該ガス通路８８は、発電機ステータの周
りに延びるガスダクトプレナムチャンバ／ディフューザ
９０からガスを受けることができる。別の構成では（又
は上記に加えて）、ファンは発電機の外部から新しい空
気を引き込む。
【００２５】プレナムチャンバダクト９０は、１つ又は
それ以上の熱交換器９２から冷却されたガスを受ける。
熱交換器は、ステータダクト１００及びステータチャン
バ９４から出るガスから熱を取り去る。熱交換器は、ガ
スがステータを冷却するために再循環できるように、ガ
スを冷却する。ステータダクト１００からの高温ガス
は、ステータの外周面を取り巻くステータチャンバ９４
に入る。チャンバは、ステータを円周方向に取り巻き、
熱交換器への開口を有する円筒状外壁９５を有する。チ
ャンバはまた、ステータから半径方向外向きに延びる環
状バッフル９６を含むことができる。これらのバッフル
は、ステータダクト１００からの加熱された空気を熱交
換器９２に分配する。
【００２６】冷却ガスがステータ冷却ダクト１００を通
過する時、ステータコイル６０から熱が取り去られる。
ステータダクトは、ステータコイルの冷却を最適化する
ように、ステータ内に配置できる。例えば、ステータ軸
線に沿った冷却ダクトの密度及び／又はダクトの断面積
は、ステータの冷却が均等に分布されるように、又は他
の方法でステータの冷却が最適化されるように選ぶこと
ができる。
【００２７】通風システム８２は、その中において例え
ば水素又は空気のよな冷却ガスがステータ、熱交換器、
及びプレナムを循環してステータを冷却する密閉式ガス
システムとすることができる。冷却システムはまた、新
鮮な冷却空気がファン８４によって連続的にロータギャ
ップ及びステータ内に引き込まれる開放式システムとす
ることもできる。
【００２８】超伝導ロータを備えた機械のための閉ルー
プ通風システム８２においては、空気又は水素のような
冷却ガスは、ステータコイルから熱を取り去るために、
熱交換器９２からファン８４とエアギャップ５７とを通
ってステータ冷却ダクト通路１００内へ循環され、又熱
交換器へ戻される。ステータ専用の冷却システムは、ス
テータとロータとを通る２つの流路を有する従来の通風
システムと較べて、通風システムの複雑さが低減され
る。
【００２９】ステータ冷却システム８２はまた、従来の
ロータが超伝導ロータで置き換えられた、例えば発電機
や電動機のような同期機械にも適用できる。そのような
場合、元の機械のロータとステータの複合流通風システ
ムは、図３、図４、又は図５に示すようなテーパ状のエ
アギャップを備えたステータ専用の順方向流システム、
又はこれもまたテーパ状のロータギャップを含むステー
タ専用の逆方向流冷却システムに変換できる。
【００３０】超伝導ロータとステータコアとの間のエア
ギャップ５７は、ステータダクト１００に入る前にそれ
を通して冷却ガスが流れる円筒状の領域である。冷却ガ
スは、ステータコアとロータコアの各端部において、エ
アギャップの両側の末端部１０２からエアギャップ内に
入る。ガスは、ファン８４によりエアギャップ内に送り
込まれる。
【００３１】エアギャップ５７を通って流れる（従って
ステータダクト１００内に流入する）冷却ガス流は、エ
アギャップの形状によって影響を受ける。例えば、狭い
エアギャップはこれを通って流れる空気を減少させ、か
つギャップへのギャップ入口１０２におけるガス背圧を
増大させる。狭いエアギャップはまた、動圧をも減少さ
せ、従ってエアギャップの狭い区域に隣接するステータ
ダクトに入る流量を減少させるであろう。これと対照的
に、広いエアギャップは、より大量の流れを許して、ギ
ャップ入口１０２における背圧を低下させることができ
る。広いギャップは、動圧を増大させて、広いギャップ
区域に隣接するステータダクト内に入る流量を増加させ
ることができる。入口１０２と中央部分１０４との間に
おけるエアギャップの幅を変化させることは、各ステー
タダクト１００への開口における冷却ガスの量と動圧と
を制御する手段を提供する。
【００３２】例えば、ロータ中央部分１０４に向かって
エアギャップの比較的厚い（広い）部分が存在し、ロー
タコアの外側末端部１０２においてエアギャップの比較
的薄い（狭い）部分が存在するように又はその反対にな
るように、エアギャップ５７をテーパ状にする（傾斜面
１０５を参照）ことによって、エアギャップを通る冷却
ガスの圧力及び流量を制御することができる。例えば、
エアギャップ５７を通る空気流量は、冷却ガスがロータ
コアの端部１０２（又は両端部）からコア中央部分１０
４に向かってエアギャップ内を流れる時に生じる流量の
摩擦損失を補償するように制御することができる。エア
ギャップを適切なテーパ状１０５にすることによって、
ステータの全さに沿って配置されたステータダクト１０
０の各々に入る冷却ガスの流量は、各ステータダクトに
対して比較的均一にする（或いは、ステータダクトの入
口において、その他の望ましいガス流量特性を持たせ
る）ことができる。
【００３３】エアギャップ５７の全さに沿ったテーパ１
０５は、エアギャップの外側周面を形成するステータコ
アの円筒状内周面にテーパを付けることにより達成でき
る。別の構成では、超伝導ロータコア上の円筒状電磁
（ＥＭ）遮蔽体１０６（図６参照）の外表面を成形する
ことにより、エアギャップをテーパ状にすることもでき
る。ＥＭ遮蔽体は、ロータコアの外周面に設けられる。
更に、ステータコアの内周面とロータコアの外周面とを
組み合わせて成形することにより、エアギャップをテー
パ状にすることもできる。
【００３４】ステータコアの内周面５６にテーパを付け
ることは、各ステータコアセグメントの内周面を機械加
工又はパンチ加工して所望のテーパが付けられた形状を
形成しなくてはならないので、比較的複雑となる可能性
がある。ステータコアセグメントをステータコアへと組
立てる複雑さが増すことに加えて、各ステータコアセグ
メントが特有のエアギャップ表面を有することは、欠陥
のあるステータコアを現場で修理するために交換用ステ
ータコアセグメント又は複数種類のセグメントの各部品
を維持しておくことにおいて困難さがある。ステータコ
アの内周面にテーパを付けることは、テーパ状のエアギ
ャップを形成するのに利用可能な方法ではあるが、ロー
タコア上のＥＭ遮蔽体にテーパを付けるのが多くの用途
で好ましい。
【００３５】図４は、テーパを付けた外表面を有するＥ
Ｍ遮蔽体１０６を断面で示す。ステータダクトを通る均
一な冷却流量を得るために、テーパは区分けされる。区
分けしたテーパ設計は、ＥＭ遮蔽体の表面に沿ってテー
パを付けた傾斜面を有する。テーパの傾斜面は、ロータ
コアの両端部１０２からコアの中央部分１０４に向かっ
て延びる。
【００３６】ＳＣロータコア６４上のＥＭ遮蔽体１０６
は、ロータ外表面の周りを包む円筒状に形成された金属
シートである。一般にＥＭ遮蔽体は滑らかな外表面を有
する均一な厚さの円筒体であるが、本実施形態において
は、ＥＭ遮蔽体の外表面１０８は、テーパ状のエアギャ
ップ表面を形成するように成形される。遮蔽体は、ロー
タの長さに沿った適当な位置でＥＭ遮蔽体の厚さを増減
することによって成形できる。別の構成では、ＥＭ遮蔽
体は、ロータコアの周りにリングを付け加えることによ
り成形でき、これらのリングは、ロータコアの長さに沿
った適当な位置において遮蔽体の下方又は上方に固定さ
れる。
【００３７】ＥＭ遮蔽体のテーパ（従って、エアギャッ
プのテーパ）の傾斜面は、直線的（図３の符号１０５参
照）であってもよいし、或いはギャップの長さに沿って
変化してもよい（図４参照）。図４に示すように、ＥＭ
遮蔽体表面の傾斜面は、ギャップの長さの中央部分にお
いて比較的厚いエアギャップ１０８を形成するように、
ロータコアの中央部分１０４付近で広くなっている。ロ
ータコア中央部分における厚いエアギャップは、エアギ
ャップへの入口における冷却ガスの背圧を低下させて、
より多くの冷却ガスがエアギャップの中央部分に開口す
るステータダクトへ流れることを許す。
【００３８】図５は、様々なエアギャップテーパ形状に
対するステータダクト１２８を通る冷却流量１２６のグ
ラフ１２０である。幾つかのテーパ状のエアギャップ設
計が、２次元的コンピュータ流体力学（ＣＦＤ）解析を
用いて評価された。これらの設計の検討には、空気流が
ファンによってエアギャップ内に導入され、このエアギ
ャップからステータコア内に流入する貫流式順方向流ス
テータ通風方式を使用した。ステータコアの半径方向ダ
クト１００は、ロータコアの軸線に沿って均等な間隔を
おいて配置されているものと仮定した（ダクト番号１２
８を参照）。これらのパラメータはＣＦＤ解析のために
設定されたが、実際の適用においては、ステータを通る
均一な冷却流量又はステータを通るその他の所望の流量
特性を促進するために、ステータの半径方向ダクト１０
０は、ロータコアの軸線に沿って均等でない間隔で配置
してもよいし、或いは、均等でない断面積を有するよう
にしてもよい。更に、冷却ガスが通風システムを通って
循環する通風方式が、テーパ状のエアギャップと共に使
用される場合もある。
【００３９】図５のグラフ１２０に示すように、区分け
されたテーパ状のエアギャップ１２２（エアギャップの
中央部分がロータコア端部付近のギャップ部分よりも厚
い）は、全てのステータダクトを通る空気流量が比較的
均一であった。基準線エアギャップ輪郭１２４は、ギャ
ップ５７の長さに沿って均一な厚さを有する。
【００４０】ステータダクトの冷却流量グラフ１２０に
示すように、空気流量１２６は、ステータコアの長さに
沿ったステータダクト１２８の位置に応じて大きく変わ
る。基準線エアギャップ１２４において、ロータコアの
各端部におけるダクト１００（ダクト番号１乃至１０及
びダクト番号４１乃至４９）と中央部分におけるダクト
１００（ダクト番号２４乃至２６）とは、冷却流量が比
較的低かった。これとは対照的に、中間のステータダク
ト（ダクト番号１０乃至２０及びダクト番号３０乃至３
５）は、基準線ギャップについては、冷却ガス流量が比
較的高かった。ダクト内の冷却ガス流量が均等でないた
めに、基準線エアギャップを備えたステータは、均一な
ステータ冷却を行なうことができない。
【００４１】ステータダクトを通る所望の冷却ガス流量
を達成するために、その他のテーパ状のエアギャップ形
状を設計することができる。直線テーパ状のエアギャッ
プによる冷却流量が、３０％減少１３０及び６０％減少
１３４によって表されている。これらの直線テーパ状の
ギャップは、ロータコアの各端部において厚く、ロータ
コアの中央部分において最も薄い。直線テーパ状のエア
ギャップ１０８は、図３に概略的に示されている。パー
センテージ減少（３０％、６０％）は、ロータコアの各
端部１０２におけるエアギャップの厚さと較べた中央部
分１０４におけるエアギャップの相対的厚さを表してい
る。
【００４２】グラフ１２０に示すように、３０％と６０
％の直線テーパ状のエアギャップは、ギャップ中央の厚
さが減少したことにより、ギャップ入口における冷却ガ
スの背圧が上昇する。しかしながら、ギャップの直線的
傾斜面が０％から、３０％、６０％へと増大すると、ス
テータダクト間での冷却流量のばらつきが次第に減少し
た。
【００４３】現在最も実用的で好ましいと考えられる実
施形態に関連して本発明を説明してきたが、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及び技術的範囲内に含まれる様々
な変更及び等価な構成を保護することを意図しているこ
とを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【図１】 従来の順方向流冷却システムを示す、発電機
の１／４部分の概略断面図。
【図２】 超伝導ロータを有する同期電磁機械の概略
図。
【図３】 テーパ付き外表面を備えた中実ロータとステ
ータ用の密閉式通風システムとを有する超伝導発電機の
１／４部分の概略図。
【図４】 セグメント化されたステータとテーパ付き表
面を有するロータとの半部分の側面図。
【図５】 様々な冷却構成について、ステータダクト位
置に対するステータ通風流量を比較したグラフ。
【符号の説明】
５０ 同期発電機械 ５２ ステータ ５４ 超伝導ロータ ５７ エアギャップ ６０ ステータコイル ６４ ロータコア ８２ ステータ通風システム ８４ 冷却ガスファン ８８ ガス通路 ９０ プレナムチャンバダクト ９２ 熱交換器 ９４ ステータチャンバ ９５ ステータ外壁 １００ ステータダクト １０６ ＥＭ遮蔽体
フロントページの続き (72)発明者 ロナルド・ジェームズ・チラ アメリカ合衆国、ニューヨーク州、グレン ビル、ラルマー・ドライブ、25番 Ｆターム(参考） 5H002 AA10 AD04 AD05 AD09 5H609 BB03 BB07 BB19 BB23 PP02 PP06 PP07 PP08 PP09 QQ02 QQ03 QQ06 QQ10 QQ12 QQ13 QQ14 RR01 RR02 RR26 RR32 RR42 RR43 RR46 RR55 5H655 AA00 BB01 BB04 BB09 CC01 DD02 DD22 EE03

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 極低温冷却された超伝導ロータコイル巻
    線を有する中実コアロータと、 該ロータと同軸に設けられ、前記超伝導ロータコイル巻
    線と磁気的に結合されたステータコイルを有するステー
    タと、を含み、 前記ステータコイルが、前記ロータの周りに配置され、
    前記ステータが、該ステータの内周面から外向きに延び
    る冷却通路を有し、前記内周面が、環状ロータギャップ
    によって前記ロータから隔てられ、前記ロータギャップ
    が、該ギャップの長さに沿ってテーパ状の厚さを有し、 前記ロータが、極低温冷却流体によって冷却されてお
    り、 前記環状ロータギャップと前記ステータの通路とに冷却
    ガスを供給するステータ通風システムを更に含む、こと
    を特徴とする超伝導電磁機械。
  2. 【請求項２】 前記環状ギャップが、該ギャップの長さ
    の中央部分において最も厚いことを特徴とする、請求項
    １に記載の同期機械。
  3. 【請求項３】 前記環状ギャップが、該ギャップの末端
    部分におけるよりも該ギャップの長さの中央部分におい
    てより厚いことを特徴とする、請求項１に記載の同期機
    械。
  4. 【請求項４】 前記環状ギャップの前記厚さが、該ギャ
    ップの末端部分から該ギャップの中央部分に向かって次
    第に増大することを特徴とする、請求項１に記載の同期
    機械。
  5. 【請求項５】 前記環状ギャップが、前記ロータのロー
    タコア区域上の遮蔽体によって定められた傾斜した内側
    円筒状表面を有することを特徴とする、請求項１に記載
    の同期機械。
  6. 【請求項６】 前記遮蔽体が、前記ギャップの内側円筒
    状表面を形成するテーパ付き表面を有することを特徴と
    する、請求項５に記載の同期機械。
  7. 【請求項７】 前記環状ギャップが、前記ステータによ
    って定められた傾斜した外側円筒状表面を有することを
    特徴とする、請求項１に記載の同期機械。
  8. 【請求項８】 超伝導ロータコイル巻線を含むロータコ
    アと、ステータコアと、ステータ通風システムとを有す
    る超伝導電磁機械を冷却するための方法であって、 （ａ）前記ロータコイル巻線を極低温冷却する段階と、 （ｂ）前記ロータと前記ステータとの間の、その長さに
    沿ってテーパ状になった環状ギャップ内に冷却ガスを移
    動させる段階と、 （ｃ）前記ギャップから前記ステータのダクト内に冷却
    ガスを流入させる段階と、を含むことを特徴とする方
    法。
  9. 【請求項９】 前記環状ギャップが、該ギャップの長さ
    に沿った中央部分において最も厚いことを特徴とする、
    請求項８に記載の方法。
  10. 【請求項１０】 同期電磁機械におけるロータとステー
    タとの間のギャップを成形する方法であって、 （ａ）前記ロータを受入れるための円筒状キャビティを
    有し、該キャビティに対して開口した冷却ダクトを含む
    前記ステータを形成する段階と、 （ｂ）前記ギャップの内側円筒状表面を形成する円筒状
    ロータ表面を前記ロータ上に形成する段階と、 （ｃ）前記ギャップの長さに沿って該ギャップの厚さが
    テーパ状になるように、前記ロータ表面を成形する段階
    と、を含むことを特徴とする方法。
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