(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
一次エネルギ貯蔵システムを形成する積分ロータイナーシャを有する発電電動機械であり、（ｉ）複数の電源から複数のＡＣ入力を受け入れるよう構成された複数の一次ステータ巻線と、（ｉｉ）異なる電力、周波数及び電圧レベルで複数の負荷へ電力を供給するよう構成された少なくとも２つの二次ステータ巻線とを備える前記発電電動機械と、
エネルギを蓄えるよう構成され且つ前記一次エネルギ貯蔵システムへ結合される二次エネルギ貯蔵システムであり、蓄えられたエネルギを電力へ変換するよう且つ電力を蓄えられるエネルギへ変換するよう構成される二次エネルギ貯蔵システムと
を有し、
前記発電電動機械は、前記二次エネルギ貯蔵システムを緩衝するよう且つ前記二次エネルギ貯蔵システムの１つ以上の充電又は放電レートの調整するよう構成される、マルチポート貯蔵システム。
【請求項２】
前記二次ステータ巻線の１つへ結合された逓昇変圧器
を更に有する請求項１に記載のマルチポート貯蔵システム。
【請求項３】
前記逓昇変圧器は、ハイドロフルオロエーテル（ＨＦＥ）の気体及び液体の流動を有する前記二次ステータ巻線間の内部冷却及び電気絶縁を備えた単相又は多相逓昇変圧器を有する、
請求項２に記載のマルチポート貯蔵システム。
【請求項４】
前記発電電動機械へ結合されたパワーエレクトロニクス周波数又は電圧レベルコンバータを更に有し、該コンバータは、ハイドロフルオロエーテル（ＨＦＥ）の気体及び液体の流動によって冷却及び絶縁される、
請求項３に記載のマルチポート貯蔵システム。
【請求項５】
前記発電電動機械の前記一次ステータ巻線及び前記二次ステータ巻線は、ハイドロフルオロエーテル（ＨＦＥ）の液体の流動によって冷却及び絶縁される、
請求項４に記載のマルチポート貯蔵システム。
【請求項６】
前記逓昇変圧器、前記パワーエレクトロニクス周波数又は電圧レベルコンバータ、及び前記発電電動機械の前記一次及び二次ステータ巻線は、共通の冷却ループにおいてハイドロフルオロエーテル（ＨＦＥ）の気体及び液体の流動によって冷却され、
前記ＨＦＥの流動は、使用の最後の段階において液体状態から気体状態へ変化するよう構成される、
請求項５に記載のマルチポート貯蔵システム。
【請求項７】
前記発電電動機械は複数の励磁巻線を備え、第１の前記励磁巻線は、１つ以上の定常状態負荷の通常の励磁のために構成され、第２の前記励磁巻線は、１つ以上の急変化する又は過渡的な負荷に給電するパルス励磁のために構成される、
請求項１に記載のマルチポート貯蔵システム。
【請求項８】
前記逓昇変圧器は、共通のセグメント化されたコアの周囲に配置された一次巻線及び複数の二次巻線を備え、
前記ＨＦＥの気体及び液体の流動は、前記セグメント化されたコアのセクション間に配置される、
請求項３に記載のマルチポート貯蔵システム。
【請求項９】
前記発電電動機械は、該発電電動機械によって供給される出力電力のための高速ランプレートを提供するよう構成された三次励磁ステータ巻線を更に含み、前記発電電動機械の前記三次励磁ステータ巻線は、ＤＣ源からパルス形成ネットワークの多相システムによって励磁されるよう構成される、
請求項１に記載のマルチポート貯蔵システム。
【請求項１０】
前記発電電動機械は、第１の慣性フライホイール及び第２の慣性フライホイールと、前記第１の慣性フライホイール及び前記第２の慣性フライホイールに夫々給電するよう構成された第１のドライブモータ及び第２のドライブモータとを有し、
前記第１のドライブモータ及び前記第２のドライブモータは、前記第１の慣性フライホイール及び前記第２の慣性フライホイールへ供給されるトルクを等しくするよう直列に電気的に接続される、
請求項１に記載のマルチポート貯蔵システム。
【請求項１１】
第１の周波数を第２のより高い周波数へ変換し、且つ、前記第１のドライブモータ及び前記第２のドライブモータに給電するよう構成される可変周波数ドライブ（ＶＦＤ）
を更に有する請求項１０に記載のマルチポート貯蔵システム。
【請求項１２】
前記第１のドライブモータ及び前記第２のドライブモータは、前記第１の慣性フライホイール及び前記第２の慣性フライホイールを夫々逆回転させ、且つ、該逆回転する慣性フライホイールの速さが同期したままであるように前記一次エネルギ貯蔵システムを運転するよう構成される、
請求項１０に記載のマルチポート貯蔵システム。
【請求項１３】
前記二次エネルギ貯蔵システムは、負荷エネルギを回復するよう構成される、
請求項１に記載のマルチポート貯蔵システム。
【請求項１４】
前記一次エネルギ貯蔵システムは、前記負荷エネルギの第１の部分を回復するよう構成され、
前記二次エネルギ貯蔵システムは、前記負荷エネルギの第２の部分を回復するよう構成され、
前記第１の部分は、前記負荷エネルギの大部分に相当する、
請求項１３に記載のマルチポート貯蔵システム。
【請求項１５】
前記ＨＦＥの気体及び液体の流動を処理するよう構成される熱交換器／液化装置
を更に有する請求項３に記載のマルチポート貯蔵システム。
【請求項１６】
異なる時定数及び異なるエネルギ供給／エネルギ回復率を有する２つ以上のエネルギ貯蔵デバイスと、
前記エネルギ貯蔵デバイスの夫々が出力するＡＣ電圧レベルを昇圧し、入力源からガルバニック絶縁されるＡＣ出力電圧を生成するよう構成されるコンバータと、
前記ＡＣ出力電圧をより高い電圧のＤＣ電圧へ整流するよう構成される整流器と、
複数の励磁システムを備え、前記複数の例示システムのうち少なくとも１つを、低速応答フィールド励磁器から高速応答フィールド励磁器へと変えるため、低応答モードから高応答モードへと制御を移すよう構成される制御システムと、
前記ＡＣ出力電圧における誘導故障エネルギを制限するよう構成されるリミッタと
を有するマルチポートエネルギ貯蔵システム。
【請求項１７】
前記励磁システムは、回転するＤＣフィールド巻線に給電するよう構成されたＤＣ低速応答フィールド励磁器と、パルス形成ネットワーク（ＰＦＮ）に応答するよう構成され、且つ、高速出力制御を支援するよう発電電動機械ステータに置かれた三次多相巻線に給電するよう構成された補助高速応答励磁器とを有する、
請求項１６に記載のマルチポートエネルギ貯蔵システム。
【請求項１８】
前記高速応答フィールド励磁器の励磁電力は、出力又は負荷エネルギから得られ、再生回路において使用されるよう構成される、
請求項１７に記載のマルチポートエネルギ貯蔵システム。
【請求項１９】
前記高速応答フィールド励磁器の前記励磁電力は、スイッチの順次ファイアリングによって形成される励磁の多相システムを有するＤＣ貯蔵源から得られるよう構成される、
請求項１８に記載のマルチポートエネルギ貯蔵システム。
【請求項２０】
前記発電電動機械の前記一次ステータ巻線は、前記複数の電源から前記複数のＡＣ入力を同時に受け入れるよう構成される、
請求項１に記載のマルチポート貯蔵システム。
【請求項２１】
前記一次ステータ巻線の異なるセグメントは、前記複数の電源から異なる位相の前記ＡＣ入力又は異なる電圧レベルを受け入れるよう構成される、
請求項１に記載のマルチポート貯蔵システム。
【請求項２２】
前記発電電動機械は、巻線界磁同期型電気機械を有する、
請求項１に記載のマルチポート貯蔵システム。
【請求項２３】
前記スイッチは、パワーエレクトロニクススイッチを有する、
請求項１９に記載のマルチポートエネルギ貯蔵システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、レーダーパワーシステムで使用されるもののような、メガワットレベルでのパルスパワーシステムに概して関係があり、レーダーパワーシステム及び大規模ＰＦＮ充電のための慣性エネルギ貯蔵システム及びハイドロフルオロエーテル電力変圧器スキームに特に関係がある。
【背景技術】
【０００２】
従来のパルス電力エネルギ貯蔵システムは、高電圧逓昇のために空気又はオイル冷却式変圧器を使用する。それらは、低い冷却効率又は低い誘電密度のいずれか一方に起因して、出力密度が制限される。
【０００３】
先行技術は、２相気体／液体による変圧器冷却のために、例えば、蒸気冷却による６０Ｈｚ定常状態変圧器のために、ＦＣ−７２及びＦＣ−７７のようなフルオロカーボン液体を含む。いくつかの冷媒は、システム内の蒸気圧がその環境温度に対応する圧力になるまで、密閉されたチャンバーにおいて蒸発する。それらの液体は、２０，０００Ｈｚと言った周波数で動作するものを含め、パルス電力メガワットレベルシステムについては適切でない。
【０００４】
ハイドロフルオロエーテル（ＨＦＥ）ケミストリーにおける進歩は、現在、ＨＦＥ液が、レーダーパルス電力又は電磁気パルス電力のためのような、高電圧メガワット定格の電力変圧器を絶縁し且つ冷却するために有利に使用されることを可能にする。ＨＦＥ絶縁／冷却変圧器と慣性エネルギ貯蔵デバイスとの組み合わせは、政府計画によって要求されている電力／エネルギ密度を有する再生システムを作り出し、且つ、高密度リチウムバッテリエネルギ貯蔵システムとの安全且つ効率的なインターフェイスを可能にする。
【０００５】
メガワットレベルでのパルス電力は、変圧器及び電気機械のための新しいトポロジとともに、部品臨界温度を下げ、寿命を延ばし、且つエフェクターのためのより高速な繰り返し率を可能にする強化された冷却を必要とする。慣性貯蔵モジュールのための新しい励磁スキームは、出力電圧及び電力の大いにより高速な立ち上がり速度（rate-of-rise）をもたらす。
【発明の概要】
【０００６】
先行技術の蒸気の欠点のうちの１つ以上に対処するよう、本願で記載される１つの実施形態は、レーダーパワーシステム及び大規模なパルス形成ネットワーク（ＰＦＮ；pulse  forming  network）充電のためのような、慣性エネルギ貯蔵システム及びハイドロフルオロエーテル電力伝達スキームを提供する。
【０００７】
本開示の一実施形態に従って、マルチポート貯蔵システムは、一次エネルギ貯蔵システムを形成する積分ロータイナーシャ（integral  rotor  inertia）を有する発電電動機械を含む。前記発電電動機械は、複数のＡＣ入力電源を受け入れるよう構成された複数のステータ巻線を備え、且つ、異なる電力、周波数及び電圧レベルで複数の負荷へ電力を供給するよう構成された少なくとも２つの二次ステータ巻線を備える。二次エネルギ貯蔵システムは、前記一次エネルギ貯蔵システムへ結合され、且つ、その蓄えられたエネルギを電力へと変換するよう構成される。前記発電電動機械は、前記二次エネルギ貯蔵システムを強化し且つ緩衝するよう構成され、且つ、電力への前記蓄えられたエネルギの変換を改善するよう構成される。
【０００８】
いくつかの実施形態において、当該システムは、前記二次ステータ巻線の１つへ応答可能なように結合された逓昇変圧器を有する。前記逓昇変圧器は、ハイドロフルオロエーテル（ＨＦＥ）の気体及び液体を有する前記二次巻線間の内部冷却及び電気絶縁を備えた単相又は多相逓昇変圧器を有してよい。いくつかの実施形態において、当該システムは、ハイドロフルオロエーテル（ＨＦＥ）の気体及び液体によって冷却及び絶縁される前記発電電動機械へ結合されたパワーエレクトロニクス周波数又は電圧レベルコンバータを有する。いくつかの実施形態において、前記発電電動機械の前記一次ステータ巻線及び前記二次ステータ巻線は、ハイドロフルオロエーテル（ＨＦＥ）の液体によって冷却及び絶縁される。いくつかの実施形態において、前記逓昇変圧器、前記パワーエレクトロニクスコンバータ、及び前記発電電動機械の前記ステータ巻線は、共通の冷却ループにおいてハイドロフルオロエーテル（ＨＦＥ）の気体及び液体によって冷却され、前記ＨＦＥの液体は、使用の最後の段階において液体状態から気体状態へ変化するよう構成される。いくつかの実施形態において、前記発電電動機械は、複数の一次巻線を備える。
【０００９】
いくつかの実施形態において、前記逓昇変圧器は、共通のセグメント化されたコアの周囲に配置された一次巻線及び複数の二次巻線を備え、前記ＨＦＥの気体及び液体は、前記セグメント化されたコアのセクション間に配置される。前記発電電動機械は、該発電電動機械によって供給される出力電力のための高速ランプレートを提供するよう構成された三次巻線を更に含んでよい。
【００１０】
いくつかの実施形態において、前記発電電動機械は、直列に接続された第１のドライブモータ及び第２のドライブモータと、慣性フライホイールとを有し、前記第１及び第２のドライブモータは、前記慣性フライホイールに給電するよう構成される。当該システムは、第１の周波数を第２のより高い周波数へ変換し、且つ、前記第１及び第２のドライブモータに給電するよう構成される可変周波数ドライブ（ＶＦＤ；variable  frequency  drive）を有してよい。前記第１及び第２のドライブモータは、逆回転するよう構成されてよい。当該システムは、前記ＨＦＥの気体及び液体を処理するよう構成される熱交換器／液化装置（condenser）を有してよい。
【００１１】
当該システムは、負荷エネルギを回復するよう構成されてよい。
【００１２】
具体的な利点が先に列挙されているが、様々な実施形態は、列挙されている利点の一部若しくは全てを含んでよく、あるいは、それらの利点を全く含まなくてよい。加えて、他の技術的利点は、次の図面及び記載のレビュー後に当業者に容易に明らかになり得る。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
本開示及びその利点のより完全な理解のために、これより、添付の図面とともに理解される以下の記載が参照される。図面において、同じ参照番号は同じ部分を表す。
【００１４】
【図１】複数の出力周波数を可能にする慣性エネルギ貯蔵のための手段を備えた巻線界磁同期型電気機械によるマルチポート多相電力調整の一般化されたシステムを示す。
【００１５】
【図２】逓昇又は逓降変圧器の使用によらない船舶レーダー電力システムに適用される複合エネルギ貯蔵システムを示す
【００１６】
【図３】入力源がより高い電圧レベルであるところの図２の変形例を示す。
【００１７】
【図４】入力電圧、出力電圧及び電気機械磁場設計を最大限にするレベルを選択することにおいて最大のフレキシビリティを提供する３つの電力変圧器（１つは単相、２つは多相）のシステムを表す。
【００１８】
【図５】ＨＦＥ絶縁液体相及び水冷却器への内部ＨＦＥの提供を有して作られた単相共振高電圧変圧器を示す。
【００１９】
【図６】二次エネルギ貯蔵システムの慣性貯蔵及びレギュレーション並びにパルス電力負荷への双方向のエネルギ移動を提供する同期変調器システムを示す。
【００２０】
【図７】慣性貯蔵、同期変調器、及びＮｏｖｅｃ（登録商標）／ＨＦＥ絶縁型高周波逓昇変圧器を含む複合エネルギ貯蔵システムを示す。
【００２１】
【図８】従来のデルタにおける１つの一次巻線及び二重ポリゴン配置において接続された２つの二次巻線として配置された高電力Ｎｏｖｅｃ／ＨＦＥ変圧器のための好適な実施形態を示す。
【００２２】
【図９】包括的なエネルギ貯蔵ユニット及びガルバニック絶縁体として使用される１２相双方向同期又は誘導型電気機械のレイアウトを示す。
【００２３】
【図１０】出力電力の高速ランプレートを可能にするよう従来のロータ磁界励磁に加えて３相入力電力、高電圧パルス電力負荷のための１つの出力３相巻線、及びパルスＤＣ励磁からステータ三次巻線への３相入力を備えた９相同期変調器／フライホイール貯蔵デバイスのレイアウトを示す。
【００２４】
【図１１】出力電力の高速ランプレートを可能にするよう従来の回転子磁界励磁に加えて２つの３相入力電力モータ又は再生巻線、高電圧パルス電力負荷のための１つの３相出力、及びパルスＤＣ励磁からステータ三次巻線への３相入力を備えた１２相同期変調器／慣性貯蔵デバイスのレイアウトを示す。
【００２５】
【図１２】ゆっくりと変動する負荷及び従来のパルス負荷を伴った同期変調器／慣性エネルギ貯蔵、バッテリエネルギ貯蔵、複合電気ドライブを備えた船舶に適用される複合エネルギ貯蔵システム（ＨＥＳＳ；hybrid  energy  storage  system）を示す。
【００２６】
【図１３】バッテリ又はウルトラキャパシタからのレギュレートされていないＤＣソース電力を受け入れ、負荷又は中間貯蔵デバイスへの供給のためにレギュレートされた電流及び電力出力へ変換するＤＣ−ＤＣ電力コンバータ／チョッパを有する詳細な回路を表す。
【００２７】
【図１４】慣性貯蔵、パルス励磁供給、及び３つの出力ポートを備え、出力ポートのうちの２つが中間電圧ＡＣ出力のために使用され、第３の出力が整流され、昇圧され、高速な立ち上がり時間の電磁エフェクター負荷のためにパルス形成ネットワークを作動させる一般化された同期機械のシステムレイアウトを示す。
【００２８】
【図１５】電気機械における直接液冷式ステータ巻線と共通のフレームにおいて複合フライホイールを用いる高速慣性貯蔵デバイスと組み合わされる同期変調器電気機械の３Ｄビューを示す。
【００２９】
【図１６】定常状態負荷及びパルス負荷の両方のための複合エネルギ貯蔵システムを示す。
【００３０】
【図１７】共通の冷却ループが２相及び単相冷却の複合システムを備えた３つのメインサブシステムのために用いられる完全系のための統合されたＮｏｖｅｃ／ＨＦＥ冷却スキームを示す。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
例となる実施形態が以下で説明されるが、本発明は、現在知られていようとなかろうと、ありとあらゆる技術を用いて実装されてよいことが最初に理解されるべきである。本発明は、以下で説明される実施の例、図面、及び技術に決して制限されるべきではない。加えて、図面は、必ずしも実寸通りに描かれていない。
【００３２】
本開示は、メイン電力装置のためのいくつかの新しい磁界配位を提供する。更に、本開示は、逓昇変圧器、整流器、電機、及び他のサブシステムと慣性貯蔵システムとのいくつかの独自の組み合わせであって、共通のサーマルループにおける高度なＨＦＥ（Ｎｏｖｅｃ）冷却から恩恵を受けるものを提供する。高度な冷却は、コンポーネント臨界温度を下げ、寿命を延ばし、電磁エフェクターのためのより高速な繰り返し率（rep-rates）を可能にする。
【００３３】
システムは全体として最初に記載され、パルス電力のためのコンパクト且つ効率の高い電力変換／調整のための高度な冷却を最終的に必要とする高電圧変換の必要性を説明する。
【００３４】
図１は、複数の出力周波数を可能にする慣性エネルギ貯蔵のための手段を備えた巻線界磁同期型電気機械によるマルチポート多相電力調整の一般化されたシステムを示す。電力入力多相フィルタは１０、２０及び３０で示されている。入力電力電子スイッチは１１、２１及び３１で示されている。電力電子出力スイッチは４１、５１及び６１で示されている。出力多相ＬＣ電力フィルタは４０、５０及び６０で示されている。ロータ磁界ＤＣ電源は７０で示されており、電気機械（ＥＭ；electrical  machine）と一体化された慣性エネルギ貯蔵（ＩＥＳ；inertial  energy  storage）デバイスは８０で示されている。電気機械への全ての入力及び出力は、ガルバニック絶縁される。
【００３５】
本開示は、行われた多数の革新的な設計変更により、更に詳細に、上記のサブシステムのうちの４つを記載する。
【００３６】
本開示は、反復的なパルス負荷による電力又はエネルギ需要における大振幅に適応することができない既存のタービン発電機の制限に端を発する産業問題に対する解決法を含む。従来のタービン発電機は、初期過渡リアクタンス、過渡リアクタンス、及び同期リアクタンスを有し、同期リアクタンスは、負荷電流がどれくらい速く適用されるかに従って変化する。高速な負荷が適用される場合に、発電機は、最も高い利用可能な電流をもたらすが電力システム全体においてＡＣライン電圧の深刻な変動も生じさせ、通信及び制御機器に悪影響を及ぼし得る、それらの一連のリアクタンスの中で最も下位にある初期過渡リアクタンスを示す。有効なパッシブ（ＲＣ又はＬＣ）フィルタが高周波負荷変動のために利用可能であるが、低周波電力変動は、濾過することが困難であり且つ非効率的である。然るに、本開示は、ＩＥＳ８０の使用によって低周波電力変動を除去する解決法を提供する。
【００３７】
ＩＥＳ８０は、Ｅ１の上位エネルギを保持するよう、且つ、所定の期間にわたって固定量のエネルギＥ２を供給して、負荷エネルギの変化がソースへ伝わらないようにするよう、設計される。高密度システムのために、ＩＥＳ８０は、多相出力を有する高速同期発電機へ直接に結合される高速フライホイールであってよい。好適な実施形態では、発電機及びＩＥＳ８０は、同じシャフト上で直接整列する（direct  in-line）。なお、代替の実施形態では、ＩＥＳ８０は、高速発電機とは異なる速さで回転し、異なる動作速度を扱うようそれら２つのサブシステム間で低減された速度又は増大された速度を有してよい。ＩＥＳ８０は、２つの主たる端速度を有し、Ｓ１は、最低動作点でのラジアンシャフト速度であり、Ｓ２は、最も高い動作速度でのラジアンシャフト速度である。特定の放電期間においてＩＥＳ８０から取り出されるエネルギＥ２は、次のように計算される。
【００３８】
Ｅ２＝０．５０×（Ｓ２−Ｓ１）×Ｊ２
【００３９】
Ｊは、このシステムの慣性モーメントであり、Ｓ１及びＳ２は、ラジアン／秒の単位をとる。
【００４０】
最低限でも、エネルギＥ２は、１周期ごとの負荷エネルギ変動を超えるべきである。いくつかの場合に、エネルギＥ２は、周期ごとのエネルギ変動の１００倍よりも大きくなければならない。後者の場合は、ＩＥＳ８０が、フライホイールを継続的に期待通りの調子にする入力モータ駆動源を備える。そのために、この駆動モータの定格は、システムの連続出力定格に近い。１つの好適な実施形態（図１４）では、ＩＥＳ８０は、周縁で主慣性を有してドラムアセンブリにおいて配置された炭素繊維複合体又はＳグラスフライホイールから成る。ベアリングは、先行技術で更に記載されるように、制御可能なダンピングを有する磁気４軸自動調芯ベアリングである。
【００４１】
好適な実施形態では、Ｓ１からＳ２までの動作範囲は、フライホイール発電機セットの１つ以上の臨界速度を場合により通過し得る大幅な速度脱線を最小限にするように、明確な範囲内に保たれる。例えば、第１の臨界機械速度がＳ２の６０％である場合には、Ｓ１の最低値はＳ２の約７０％であるべきであり、安全動作範囲は繰り返し７０％から１００％までの速さで画定される。この例では、第２の臨界速度は、たいがい基本速度の１２０％を上回り、実際には決して到達されない。更に、平均故障間隔（ＭＴＢＦ；mean  time  between  failure）を改善し且つ時期尚早のベアリング故障を回避するために、１０〜１００％よりもむしろ、７０〜１００％といった単位に制限された動作速度範囲を好む機械的な制限によって、制約が課される。
【００４２】
ＩＥＳ８０のＥＭは、永久磁場を有する同期型電気機械でもあってよく、回転エネルギＥｒによる慣性貯蔵のための手段がそれに機械的に取り付けられている。ＥＭは、慣性質量において保持されるのに必要なエネルギのレベルに応じて、入力周波数調整によって可変速度モードにおいて動作する。ロータ（rotor）は、風損を減らすよう真空チャンバーにおいて動作し、フライホイールロータと同じ真空チャンバーの部分である。ＥＭに動力を供給する可変速度ドライブ（ＶＳＤ；variable  speed  drive）は、機械が実際の電力を供給すること又は実際の電力を吸収すること、更には、入力源から無効電力を供給又は吸収することを可能にする。ＶＳＤは、周期ごとに入力電力の力率調整を提供する。エネルギを供給又は吸収するＥＭの応答時間は、数周期（通常は２周期）であり、これは、例えば、４００Ｈｚで５ミリ秒であり、エネルギを吸収（再充電）することにおいて電気化学電池よりも本質的にずっと速い。
【００４３】
ＥＭの入力側は、マルチポート多相接続を有する。図示されるように、３つの独立したタービン発電機又は３つの別個のパワーバスからやって来る３つの入力電源が存在することができる。それにより、１つ以上のバスが外部設備故障によりエネルギを与えられない場合に、ＥＭは、１つのソース入力において依然として動作し、再充電又は放電モードにおいてＩＥＳ８０に動力を与えることができる。ブロック１１、２１及び３１は夫々、ＥＭの複数の一次巻線に夫々給電する多相出力を備える可変速度ドライブである。図示されるサンプルシステムでは、ＶＳＤは、１８，０００ｒｐｍの最大速度に至るまで４極同期機械に動力を与えるために０〜６００Ｈｚを出力する。
【００４４】
本開示におけるＥＭは、二次巻線と称されるステータ巻線の第２の組を備える点で特別である。二次巻線は、一次巻線から電気的に絶縁されるが、ロータ動作及び少量のステータ漏えい磁束によって一次巻線へ磁気的に結合される。それらのステータ二次巻線はＡ２、Ｂ２及びＣ２として示され、それらだけで多相巻線であり、夫々が別個の出力電力スイッチ４１、５１、６１へ接続されてｍ相多相システムを形成する。それらのスイッチは、周波数変換を実施しないが、障害の分離のため、安全性の制御のため、及びどの負荷が何らかの所与のモードで給電されるべきかを選択するために使用される。相の入力数“ｎ”は、相の出力数“ｍ”とは別個であって異なる。また、出力相の電圧レベルは、入力電圧レベルと全く無関係である。夫々の出力相は、４０、５０及び６０で示されているπフィルタ誘導−容量ネットワークを有する。ＥＭの出力周波数は、好適な実施形態では、入力源よりも高い周波数であり、ＶＳＤの出力周波数よりも高くても高くなくてもよい。以下では、１８，０００ｒｐｍのＥＭ出力周波数が、一次巻線での４極及び二次巻線での８極を有することによって、６００Ｈｚの入力周波数について１２００Ｈｚであるよう選択されるサンプルパラメータが示される。
【００４５】
２つの入力ポート、３つの出力ポート慣性エネルギ貯蔵、電気機械電力変換、及び高速な立ち上がり時間出力パルスデューティのための変換システムのサンプル特性：
【００４６】
電気機械
【００４７】
永久磁石ロータ、同期モータ／発電機
入力巻線での極の数：４
出力巻線での極の数：８
磁界配位：ラジアルフラックス（radial  flux）
永久磁石タイプ：ネオジムボロン鉄（neodymium  boron  iron）
動作速度範囲：１２７２６〜１８０００ｒｐｍ
入力ポート：位相が６０度シフトされた等しい定格の２つの３相巻線
入力電圧：４１６０ボルト，６０Ｈｚ
出力ポート：位相が４５度シフトされた等しい定格の３つの３相巻線
出力電圧：夫々の巻線においてラインごとに６．６ｋＶ
出力周波数：１２００Ｈｚ
いずれかの入力巻線からいずれかの出力巻線までのガルバニック絶縁電圧：７５ｋＶ
電力レベル：マルチメガワット（multi-megawatt）
【００４８】
入力可変速度ドライブ
入力周波数：６０Ｈｚ
出力周波数：０〜６００Ｈｚ
電力レベル：マルチメガワット
【００４９】
慣性エネルギ貯蔵フライホイール
ピーク回転エネルギ：１８０００ｒｐｍで１００ＭＪ
１２７２６ｒｐｍでの回転エネルギ：５０ＭＪ
ロータ材料：複合材料又はＳグラス
ベアリング：アクティブサスペンションを備えた４葉磁気ベアリング
第１臨界速度：１０，０００ｒｐｍ未満
第２臨界速度：２０，０００ｒｐｍ超
電気機械へ直接結合
真空チャンバーでロータ動作
【００５０】
出力逓昇変圧器
タイプ：３相巻線、同心巻線、可変周波数、ハイドロフルオロエーテル絶縁
入力電圧：夫々の巻線セットにおいてラインごとに３×６６００ボルト
出力電圧：整流器システムへの入力のためにラインごとに３×２０ｋＶ
冷却システム：ＨＦＥ又はフロオロケトン冷却液の液体及び気体相による２相フロー
入力から出力巻線までのガルバニック絶縁電圧：１２０ｋＶ
入力インピーダンス：夫々の巻線において３．５％
磁性コア材料：アモルファス金属／ナノ結晶
最大入力周波数：１２００Ｈｚ
電力レベル：マルチメガワット
【００５１】
同期機械における２つの別個の波長（又は巻線極ピッチ）に基づくスキームは、通常は２：１又はそれ以上だけ入力周波数よりも高い出力周波数ｆ２を二次巻線が有することを提供し、それによって、出力フィルタリングがより高い周波数でより効率よく且つコンパクトであることを可能にする。本開示の更なる利点は、ＥＭに対する好ましい負荷が逓昇又は逓降変圧器であり、そのために、より高い周波数での励磁が、より高い電力密度を可能にし且つ低周波数変圧器と比較して磁性コア材料を減らすために設計上必須である点である。コア強磁性材料の質量及び容積は、印加される周波数に反比例して減らされ、よって、１２００Ｈｚ励磁が６０Ｈｚ励磁の代わりに使用される場合に、基本コア材料は後者の場合の２０分の１である。これは、実際のシステムにとってたいてい有意な費用、重量及びサイズの削減である。更に、ＥＭの強磁性コア材料は、永久磁石ロータ機械においてより高い周波数のステータ励磁を有することによっても削減される。第３の利点は、出力整流器フィルタリングが、６、１２又はより高いパルス数の整流器がＤＣバスのための静電容量出力フィルタとともにより高い周波数で使用される場合に、更に効率がよい点である。このＤＣバスは、高周波変換から恩恵を受けるよう低電圧又は高電圧のいずれか一方であってよく、パルス形成ネットワーク（ＰＦＮ）のアレイのような、レーダーシステム又は同様のパルス負荷に動力を与えてよい。
【００５２】
好適な実施形態では、ＥＭは、２つの個別の一次（入力）及び二次（出力）巻線を有するが、当業者に当然ながら、このＥＭは完全に双方向であり、一次巻線は、二次巻線が電力を再生モードでＩＥＳから入力源へ戻すためにモータリングモードで使用される場合に、発電機能のために使用され得る。この再生モードは、フライホイールの速度がエネルギ平衡状態にとって高すぎる場合、セットをシャットダウンすることが望まれる場合、又は電気機械によって生成される出力電圧が意図された負荷にとって高すぎる場合に、必要であり得る。
【００５３】
ＥＭは、出力巻線が、相の数（ｍ）にかかわらず、変圧器入力インピーダンスとインピーダンスにおいて電気的に整合するように設計される。これは、それらの２つのサブシステム間の最大電力伝達を構成する。更に、電圧出力及び特にＥＭのボルト／ヘルツ比を変圧器電圧入力及びボルト／ヘルツ設計比と整合させることの利点が存在する。これにより、変圧器コアにおける一巻きごとの磁束レベルが設定される。
【００５４】
好適な実施形態では、変圧器コアは、高い動作周波数での低いヒステリシス損失及び低い渦電流の必要性により、アモルファス金属又はナノ結晶コアである。本願で記載されるものは、本開示のなくてはならない部分であって、この技術が従来の電力変圧器の実施をはるかに超えて電力密度及び性能において勝ることを可能にする新規な絶縁及び冷却技術である。
【００５５】
図２は、逓昇又は逓降変圧器の使用によらない船舶レーダー電力システムに適用される複合エネルギ貯蔵システムを示す。ＴＧで表されているソース発電は、中間電圧レベルにあり、標準のライン周波数（例えば、６０Ｈｚ）を有する。ソース発電ＴＧは可変周波数ドライブ（ＶＦＤ）に動力を与える。ＶＦＤは、中間電圧レベルで周波数Ｆ１を周波数Ｆ２へ変換し、慣性フライホイール（ＦＷ）貯蔵セットの給電のために直列に接続されている駆動モータＭ１及びＭ２に動力を与える。フライホイールは、ＦＷ１及びＦＷ２と表されており、逆方向に回転する。機械Ｍ１及びＭ２は、逆方向に回転し、同じシャフト速度を有し、永久磁石同期モータとして作られる。慣性貯蔵ＦＷは、高速ＡＣ多相発電機Ｇ１及びＧ２の組と直接に整列される。発電機Ｇ１及びＧ２は、モータＭ１及びＭ２よりも多い極のために巻かれている。結果として、Ｇ１及びＧ２の出力は、モータＭ１及びＭ２の入力周波数よりも高い。例えば、モータＭ１及びＭ２は、１８，０００ｒｐｍのシャフト速度のために６００Ｈｚで動力を供給される４極機械であることができ、発電機Ｇ１及びＧ２は夫々、１２００Ｈｚの出力周波数を有する８極ユニットとして巻かれ得る。更に、発電機Ｇ１及びＧ２は、望ましくは、３よりも高い位相数及び、例えば、出力整流器システムでの有利な使用のために別個のワイデルタ（wye  and  delta）出力を可能にするより高い電圧レベルを有して、巻かれている。本開示の目的は、大いにフィルタリング及びレギュレートされた出力電力を有する非常にコンパクトな電力システムをもたらすことである。好適な実施形態は、１５度だけ互いから位相がシフトされているワイデルタ出力を有する夫々の発電機Ｇ１及びＧ２を有し、従って、１２相システムが図２では示されており、整流は２４パルスシステムである。
【００５６】
ワイデルタ出力の夫々は、２４パルスシステムにおいて高電圧ＤＣ出力を形成するよう直列に接続されている整流器サブシステムＲ１及びＲ２に一緒に動力を与える。同じ概念は、４つの発電機を使用する４８パルスシステム、又は簡単且つより効率が悪い１２パルス整流器システムのためにも構成され得る。整流器Ｒ１及びＲ２は、入力電圧と出力電圧との間で固定比を有するダイオードブリッジ又は位相制御ブリッジであってよい。そのようなブリッジは、出力電圧及び電流の変調が負荷又はシャフト速度及び保持エネルギの変化に適応することを可能にする。ＤＣ出力はブロックＯＦでフィルタリングされ、負荷に適用される。負荷はＰＦＮ又は電気機械エフェクターを構成してよい。記載されるシステムは、高電力システムのための非常に速い応答時間を有し、そして、例となる１２相システムでは、最小限の容量フィルタリングしか必要とされないので、結果として、完全に容量性であるシステムに関連する時定数は存在せず、高速な出力電圧及び電流応答を可能にする。記載される構成は、機械的及び電気的にバランスのとれたシステムを形成する。これは、ＥＭが同期し、ＶＦＤから等しい周波数を供給されて、等しいシャフト及びフライホイール速度、従って、夫々の慣性サブシステムからの等しいエネルギ貯蔵応答をもたらすからである。好ましいＶＦＤは、２つのＥＭモータ間で等しく分けられる３相の中間ＡＣ電圧（例えば、４１６０ボルトＡＣ入力及び２４００ボルトＡＣ出力）である。ＡＣリンクドライブは、ソース端子での力率１、再生電力機能、並び総高調波歪みが１．５％に満たないそのソース接続での実質的に正弦波の電圧及び電流を提供する。４１６０／２４００、すなわち１．７３２の入力対出力の電圧比は、積分逓降変圧器を有することなしにＡＣ共振リンクドライブにおいて得られ、このことは、設計を簡単にし且つ電力密度を強化する。
【００５７】
本開示の１つの意図される使用は、等しい精度及び効率を有して高速パルシング負荷及びゆっくりと変化する負荷の両方を平滑化することができる点で唯一である。
【００５８】
図３は、入力源がより高い電圧レベル（例えば、１３．８ｋＶ、３相、６０Ｈｚ）であるところの図２の変形例を示す。電気機械の磁場設計を最適化することを目的として、エネルギ貯蔵システムのためのモータステータにおける入力ステータ電圧を２４００ボルトといった相当により低い電圧に制限することが望ましい。これは、共振キャパシタ変圧器のためのブロックＲＣＴとして示されているメイン共振キャパシタの負荷側においてＡＣリンクインバータのフレーム内での逓降変圧器の包含を必要とする。ＲＣＴは、ＶＦＤフロントエンドスイッチングネットワーク（ＶＦＤ−ＦＥ）とＶＦＤバックエンドスイッチングネットワーク（ＶＦＤ−ＢＥ）との間に電気的に位置付けられており、入力周波数Ｆ１又は出力周波数Ｆ２のいずれよりも相当に高い周波数ＦＲで動作する。優れた高調波除去を維持するよう、ＦＥは、入力周波数の最低５０倍且つ出力周波数の最低２０倍であることができる。出力周波数は、通常は、入力周波数よりも高い。図３は、高電力電気機械エフェクターの船舶利用のための、逆回転する機械を備えた共振変圧器結合型ＡＣリンクエネルギ貯蔵システムを示す。出力は、ＤＣ負荷又はパルス形成ネットワーク（ＰＦＮ）である。パルス形成ネットワークは、時間の関数として抵抗及びインダクタンスが変化する負荷への本質的に矩形波である出力を生成する能力を備える。
【００５９】
この回路は、ＲＣＴブロック内の変圧器が、入力電圧源レベルに応じて逓昇又は逓降のいずれかであることを可能にする。ＲＣＴ変圧器コンポーネントは、多相である入力及び出力ラインにかかわらず、単相ユニットである。以下の表は、マルチメガワット駆動のための３つの標準入力電圧並びにサンプル変圧器レベル及び周波数の例を示す。
【００６０】
【表１】
0006335327.tif 000002
【００６１】
図４は、逆回転する電気機械を備えた高電力エフェクターに給電する変圧器結合型ＡＣリンクドライブと、整流及び出力フィルタリングが後に続く高電圧逓昇変圧器のＤＣ負荷への直列接続とを有する変圧器結合型ＡＣリンクドライブのための詳細な電気回路を示す。
【００６２】
発電機Ｇ１及びＧ２は、特定の負荷に従って出力電圧レベルに適応するよう巻かれている。夫々の機械は、夫々の対応する整流器Ｒ１又はＲ２への入力のために１２パルスシステムを形成するデルタワイ（delta-wye）グループとして配置された６相出力を備える。全体として、これは２４パルス整流器システムであるが、４８パルスといった明らかにより高いパルス数が、より高い相の発電機とともに利用可能である。高電圧負荷のために、次の電圧分布が、出力変圧器の設置なしで、パルス形成ネットワークのような負荷のために適用される。
【００６３】
【表２】
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【００６４】
このような電圧レベル及び電圧に関連したストレスの分布は、夫々の発電機Ｇ１及びＧ２が標準の絶縁レベル（例えば、機械ごとに４．６２５ｋＶＡＣ）で動作することを可能にする。これは、今日の絶縁材料及び実施と一致する。４．６２５ｋＶ定格を有する機械ステータは、２０ｋＶ以上での基本インパルスレベル（ＢＩＬ；basic  impulse  level）の保証を受けることが理解される。約２５ｋＶＤＣを超える定常状態出力電圧は出力変圧器の使用を必要とする。そのような出力変圧器は、本願で論じられており、システムの部分を形成する
【００６５】
図４は、同期発電機Ｇ１及びＧ２から高周波数で１２相システムを一緒に構成する出力変圧器ＯＴ１及びＯＴ２の付加によって、図３と相違する。夫々の発電機は、その出力部で、絶縁されたワイデルタグループを有する。発電機Ｇ１は、そのロータ設計によって１５度だけ発電機Ｇ２から位相をシフトされており、従って、ｎ＝２４のベクトルのシステムが作られる。夫々のベクトルは、隣接するベクトルから１５度だけ間隔をあけられており、２ｎ−１及び２ｎ＋１での主高調波、すなわち、４７次及び４９次の高調波を伴う２４パルス整流を可能にする。好適な実施形態では、出力周波数Ｆ３は、モータ入力周波数Ｆ２よりも少なくとも２倍高い。これは、効率のよい電力変換を可能にし、４７次のような高調波は、最小限の装置重量及びサイズを用いてフィルタリングされる。コンパクトな小直径の発電機フレームが好まれる場合に、２０００〜３０００ＶＡＣの範囲で発電機ステータ電圧を保つことが有利である。出力変圧器は、出力電圧が発電機の好ましい動作電圧Ｖ３ａ及びＶ３ｂを上回る場合及び下回る場合を可能にする。
【００６６】
例１：高電圧出力負荷＝５４ｋＶｄｃ
Ｖ３ａ＝Ｖ３ｂ＝２．４ｋＶａｃ（ラインごと）  ＯＴ１，ＯＴ２は１２００Ｈｚで動作
Ｖ４ａ＝Ｖ４ｂ＝２０ｋａｃ  Ｖ５＝２×２７ｋＶｄｃ
【００６７】
例２：低電圧出力負荷＝１０００Ｖｄｃ
Ｖ３ａ＝Ｖ３ｂ＝２．４ｋＶａｃ（ラインごと）  ＯＴ１，ＯＴ２は１２００Ｈｚで動作
Ｖ４ａ＝Ｖ４ｂ＝３７３ａｃ  Ｖ５＝２×５００Ｖｄｃ
【００６８】
図４は、入力電圧、出力電圧及び電気機械磁場設計を最大にするレベルを選択する際に最大のフレキシビリティを提供する３つの電力変圧器（１つは単相、２つは多相）のシステムを表す。重要な特徴は、先端的な誘電性流体及び先端的な磁性材料を用いて高周波で動作するＲＣＴ変圧器の能力である。この設計は、詳述されるようにマルチメガワット出力電力のために有効であり、メインの高電圧変圧器の内部でハイドロフルオロエーテル（ＨＦＥ）絶縁及び冷却液を使用する。絶縁流体の絶縁耐力特性が高ければ高いほど、且つ、磁性コア材料がより良いほど、本願の重要な目標である電力密度はますます高い。ＨＦＥは、通常、高い誘電率（例えば、ｋ＝６．４）を有する。このことは有利であり、変圧器の巻線キャパシタンスを増大させる。本願の設計の有意な電気的利点は、より高い周波数での変圧器の漏れインダクタンスの低減であり、これは、磁気回路経路の低減及びＨＦＥ流体の使用によって提供される。ＨＦＥ変圧器は本願で記載される。
【００６９】
ハイドロフルオロエーテル変圧器
【００７０】
本開示は、ハイドロフルオロエーテル（ＨＦＥ）として知られており且つ商標名Ｎｏｖｅｃ（３Ｍの登録商標）としても知られている先端の不燃性不活性液体を、もし使用されるならばＲＣＴリンク変圧器及び最終段の出力多相変圧器の両方のための記載されている高周波数、高電力変圧器における主たる誘電性流体として使用する。商業生産における典型的なＨＦＥ液体は、３Ｍ社の“Ｎｏｖｅｃ７３００”である。これは、沸点が９８℃である化学成分Ｃ６−Ｆ１３−Ｏ−ＣＨ３を有する。先行技術の高電圧変圧器は、Ｍｉｄｅｌ７１３１のような鉱油又は合成潤滑油において通常は巻かれて浸される。鉱油及び合成潤滑はいずれも、可燃性であり且つ引火点が低いという主な欠点を伴う。ＨＦＥ液体は、引火点が３００℃である不燃性の合成液体であり、従来の鉱油と同等の絶縁耐力を有し、従来の油よりもずっと高い熱安定性を提供する。ＦＣ−７２又はＦＣ−７７として知られているより古い誘電性流体は、ハイドロフルオロエーテルといくつかの特性が同じようである過フッ化炭化水素であるが、より多くの制限を伴う。ＨＦＥ液体は、半導体産業によって且つパワーエレクトロニクスデバイスを冷却するために現在使用されているが、今日まで、高電圧電源変圧器のための主たる絶縁及び冷却液としては使用されてこなかった。記載されている開示は、単相及び２相の液体冷却の組み合わせを使用するマルチメガワットＨＦＥ絶縁変圧器ユニットの設計及び適用をカバーする。
【００７１】
４０ｋＶ／０．１０インチでのＨＦＥの高い絶縁耐性は、ＨＦＥに浸される場合に、変圧器の電気回路のより小さい高電圧クリアランス寸法を可能にする。７３００及び７６００のような特定のＮｏｖｅｃ液体の特別な特徴は、ｋ＝６．４〜７．０の高い誘電率を示し、従来の変圧器オイルが約ｋ＝３．２の誘電率しか有さないことから、高周波にとって更なる利点を有する。好適な実施形態における変圧器コアは、それらの電力レベルで関心のある主たる帯域であるｋＨｚ〜３０ｋＨｚの範囲にある周波数で低いヒステリシス損失及び高い透磁率を有するアモルファス金属コアである。高い透磁率及び高い誘電率の組み合わせは、コンパクト且つ密な電源変圧器の構成を可能にする２つの重要な属性である。
【００７２】
３Ｍ社によって製造されている代わりの市販のフロオロケトン（fluoroketones）及びフロリナート（fluorinerts）に加えて、磁気コア材料は、アモルファス金属コアよりも高い周波数での効率のよい動作及び関心のある特定の高周波数でのより低い熱放射を可能にするナノ結晶テープ巻線コアである。表１は、好ましい液体のいくつかについて１Ｅ＋１１から１Ｅ＋１４の高い体積抵抗率を示す、記載される電源変圧器に適用可能である広範囲のＮｏｖｅｃ／ＨＦＥ液体を示す。Ｎｏｖｅｃ６４９も、１．０のその地球温暖化係数及び１Ｅ＋１２の高い体積抵抗率により変圧器絶縁のための候補液体である。
【００７３】
【表３】
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【００７４】
表１。
【００７５】
ＨＦＥ液体は、様々なコア磁気構造の間を循環し、且つ、一次及び二次両方の変圧器巻線の全ての巻線の間を循環する。変圧器の全体の構造はＨＦＥ液体に浸され、容器は密閉される。ＨＦＥ液体は、最も熱い変圧器巻線の通常動作温度を上回る沸点を有しながら、変圧器の熱的過負荷が存在する場合に液体から気体への２相変化を可能にする沸点を有するものが選択される。これは、通常一定の２相フローにあり且つ対象のＨＦＥ液体よりも沸点が低いＦＣ−７２又はＦＣ−７７のようなフルオロケトン液体を記載する先行技術のアプローチとは異なる。例えば、本開示では、一次及び二次変圧器巻線は、１００℃の最大ホットスポット温度を有するように設計され、１３０℃の沸点が特定のＨＦＥ液体のために選択される。従って、ＨＦＥ液体は、変圧器容器内でＨＦＥの多量の沸騰及び液化を示す持続した熱的過負荷が存在するような時点まで液体状態にある。これは容認可能な動作シナリオであり、そのために、ＨＦＥ液体は、気相状態においてさえ素晴らしい誘電絶縁体のままである。
【００７６】
表２は、高性能の磁性材料を示し、そのうちのＭｅｔｇｌａｓ（登録商標）２６０５Ｓ−２は、１．５６Ｔの飽和磁束密度、６０Ｈｚで１９３，３９７の最大比透磁率、及び１．３７マイクロ−オーム−メートルの体積抵抗率を有して本開示に最も良く適している。
【表４】
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【００７７】
表２
【００７８】
図５は、ＨＦＥ絶縁液体相及び水冷却器への内部ＨＦＥの提供を有して作られた単相共振高電圧変圧器１００を示す。Ｎｏｖｅｃ絶縁型変圧器は、水冷却器及び４つの強磁性内部コアに対するＮｏｖｅｃの位置を示しながら、２つ以上の二次巻線を可能にするセグメント化された二次コア及び３層一次コアを有して示されている。
【００７９】
一次巻線１０２は一次リード１０３を備え、二次巻線１０４は二次リード１０５を備える。一次巻線１０２及び二次巻線１０４によって発生した熱は、連続的に循環しているＨＦＥ液体１０６に伝えられる。それから、ＨＦＥ液体１０６は、変圧器容器１１０内に収容されている水冷却器１０８を通って循環する。磁気ギャップ分離プレート１１２は、グレードＧ−１０のようなエポキシ−ファイバガラス板であり、そのうちの５つが図５では示されている。磁気コア１１４は非飽和タイプであって、Ｍｅｔｇｌａｓ又は同様の高透磁率材料及び少なくとも１．５テスラの飽和磁束密度を維持する能力の４つのテープ巻線コアから成る。容器１１０の上下及び両側にある強磁性リターンプレート１１６は、外側磁気構造を形成するが、Ｎｏｍｅｘ（登録商標）又はＧ−１０から場合により作られる２つ以上の非磁性の同心環１１８を更に含む。環１１８は、外側磁気構造において磁気エアギャップを提供して、飽和を制限し且つ電圧出力対磁化アンペア−ターンのより線形な特性を提供するのに役立つ。強磁性リターンプレート１１６は、積層鋼板又はアモルファス金属構造から理想的には作られる。しかし、低磁束変圧器では、強磁性リターンプレート１１６は固体電気鋼板であってよい。外側格納構造１１１０は、アルミニウム又はアルミニウム６１０１−Ｔ６４グレードのような高い電機伝送性を持つ材料であって、磁気変圧器構造の全体を囲み、軸方向及び放射方向の磁場を減衰させる。これは、複数の磁気エアギャップを備えた内部構造が少量の漂遊磁界を可能にするからである。この外側格納構造１１０はまた、セグメント化された強磁性プレート１１６を構造的にまとめ、リード及び冷却管アクセスポートを可能にする貫通を備える。
【００８０】
示されている巻線設計は、巻線ごとに複数の巻数を有する同心電機コイルである。コイルは区間に分けられており、全ての巻線１０２及び１０４の至る所のＨＦＥ液体１０６の自由なフローを可能にする。導電巻線１０２及び１０４を巻く第１段階の絶縁材は、マイラー、カプトン又はガラスマイカテープである。このテープ絶縁は、次いで、全ての導体及び近くにある構造部材に対する誘電コーティング、構造コーティング及び含浸を提供する真空含浸（ＶＰＩ；vacuum  pressure  impregnation）として知られるものにおいて処理される。一次垂直構造支持体１２０は、Ｎｏｍｅｘ４１０又は同様の高絶縁耐力硬材から製造されており、一次巻線から二次巻線の主たる絶縁及びラジアル分離を形成し、一方で、しかしながら、垂直支持体１２０の周りのＨＦＥ液体１０６の自由なフローを許す。ＨＦＥ液体循環を用いる本開示の重要な態様は、一次巻線１０２から二次巻線１０４の高い誘電分離であり、このことは、ＡＮＳＩ／ＩＥＥＥ  Ｃ５７標準に従う高いＢＩＬ又はインパルス電圧定格も可能にする。
【００８１】
図５は、構造全体にわたるＨＦＥ液体１０６の強制フローを確かにするよう変圧器容器の底にある非金属ポンプ筐体１２４内のＨＦＥ貯蔵容器及びポンプ１２２を更に示す。ＨＦＥ液体移送管１２６は、ＨＦＥ液体１０６を冷却器１０８へ運ぶよう構成される。このレイアウトは、一次巻線と二次巻線との間の内部導電シールドを示していない。この設計は、有利なことに、巻線温度の上昇を、ＨＦＥ液体１０６を沸騰させないレベルに制限し、よって、熱的過負荷が存在しない限りはＨＦＥ液体１０６を単相フローに保つ。熱的過負荷が起こる場合に、ＨＦＥ液体１０６は、例えば１３０℃の温度で沸騰して、気化の潜熱が熱伝達の割合を制御する二相フローに入るよう選択され得る。この設計の明らかな利点は、単相フローから二相フローへの遷移が、ＨＦＥ液体１０６の沸点を上限とする巻線での最大温度である点である。この沸点は、通常は１８０〜２２０℃である巻線雑円材料の最大動作温度を十分に下回る。
【００８２】
図５は、一次側又は二次側のいずれかで発生した高周波調和磁界を減衰させることを目的として、一次巻線１０２と二次変圧器巻線１０４との間に静電導電シールド１２８を更に示す。このシールド１２８は、銅又はステンレス鋼のような導電材料の細かいメッシュからなり、渦巡回電流を制限する１つのエアギャップを除く周囲で電気的導通を有する同心スクリーンとして巻き付けられている。シールド１２８は、より高い調波を吸収する働きをし、そうする際に、一次巻線を二次巻線へ結合する磁束の大きさに応じて熱を分散する。変圧器構造内の熱は利点ではなく、適切な手段が、４つの主たるコンポーネントで発生した熱、すなわち、一次巻線のジュール損失、二次巻線のジュール損失、シールドのジュール損失、並びに渦電流及びヒステリシスに起因した磁気コアでの損失を取り除くよう設けられる。本開示の一態様は、メインの巻線よりも高い電流密度及び高い表面温度で動作するシールド（誘導）電流を有し、ＨＦＥ液体１０６が導電シールド表面で沸騰するが、一次又は二次巻線導体のいずれかと接する場合に沸騰しないようにすることを提供する。よって、本開示の好適な実施形態は、一次又は二次巻線のいずれかに入る波形の調波レベルに応じてＨＦＥフローの混合相を提供する。
【００８３】
図６は、コンバータ１４０及び二次巻線Ｓ２を介するバッテリバンクＢ１のような、二次エネルギ貯蔵システムの慣性貯蔵及びレギュレーションを提供する同期変調器システム１３８を示す。巻線Ｓ１からのメイン機械出力はコンバータ１４２に動力を与え、出力周波数Ｆ５はＦ３よりも高くても低くてもよく、次いで、変圧器Ｔ５によってレベルが変換され、パルス電力負荷１５２に到達する前にパルス形成ネットワーク（ＰＦＮ）モジュール１４６、スイッチングアレイ１４８及び誘導故障リミッタ１５０の前にある制御整流器ブリッジ１４４によって整流される。変圧器Ｔ５は、好適な実施形態において、高電圧Ｎｏｖｅｃ絶縁型多相変圧器１００である。
【００８４】
図６は、別個の出力整流器１４４及び１６４又は図７におけるシステム図で更に示される別個の出力負荷に分けられた単一電気位相二次巻線アセンブリ１３８を示す。ＨＦＥ液体は、定常状態及びインパルスデューティの両方のためにＳ１とＳ２との間で４０ｋＶ／ｍｉｌといった高い誘電分離を提供する。一次巻線へのＳ１又はＳ２のいずれの磁気結合も同じであり、これは、ほとんどの負荷条件下で２つの巻線Ｓ１及びＳ２の等しい電圧出力を確かにする。好適な実施形態では、二次巻線は、一次巻線よりも多い巻数を有してよい。しかしながら、当業者に当然ながら、二次巻線よりも巻数が多い一次巻線を備えた構造も同様に有効であり、ＨＦＥ液体特性を同様に適切に使用する。
【００８５】
図６は、Ｎｏｖｅｃ絶縁型高電圧変圧器１００が、一時貯蔵装置であってもなくてもよいバッテリバンクＢ１とともにＥＭの使用を通じて高い繰り返し率の高電圧パルス電力を提供することが可能なパルス電力システムにおいて適用され得る例を示す。電力コンバータ１５４及び１５６は、好適な実施形態ではサイリスタスイッチを用いる共振リンク双方向電力コンバータである。それらは、入力又はライン周波数Ｆ１並びに出力周波数Ｆ１１及びＦ２２を夫々有する。理想的には、Ｆ１１及びＦ２２は、Ｆ１よりも周波数が高く、高効率変換及びコンパクトな出力フィルタリングを提供する。コンバータ１５４及び１５６は、全ての通常負荷条件下で１であるよう入力力率を調整する内部回路を備える。ベースラインケースでは、電力出力Ｐ１及びＰ２は同じであり、どれくらい速くシステムコントローラが電気機械を充電して慣性貯蔵の速度を加速又は減速させると決定するかに従って大きさを操作される。
【００８６】
バキュームブレーカＶＢは、故障又はメンテナンスの場合に夫々のコンバータ１５４及び１５６を絶縁するために含まれており、動作の基本原理にとっては必須ではない。入力供給が起動モードにおいて機械に給電している場合に、全ての入力エネルギＥｓは機械加速力“Ｐａ”へ転換され、これが起きている場合に、出力周波数Ｆ３及びＦ４は一定の変化状態にあり、ゼロから最大周波数Ｆ３ｍ及びＦ４ｍへ増大している。機械巻線Ｓ１はＡＣ／ＡＣコンバータ１４２への経路を提供し、機械巻線Ｓ２は、ＡＣ／ＤＣコンバータ１４０を通じてバッテリバンクＢ１を充電する経路を提供する。ＡＣ／ＤＣコンバータ１４０は、Ｆ４で可変周波数入力電力を受け入れ、これをＰ１２としてレギュレートされたＤＣ出力に変換することができる。ＤＣ出力Ｐ１２は、通常はより低い電圧であり、バッテリバンクＢ１に直接に印加される。なお、バッテリバンクＢ１に対する充電率は、バッテリの過熱及び潜在的な電池故障を防ぐよう制限されるべきである。この充電率は、例えば、慣性貯蔵の充電率の１０分の１（Ｃ／１０）であってよい。ＥＭは、バッテリ充電レギュレータの機能を実施し、負荷回路１４６、１４８、１５０、１５２からの再生エネルギを吸収／制限して、負荷エネルギ貯蔵バンクがミッション頓挫時にアンロードされるべき場合にバッテリを過充電することを回避する。
【００８７】
図７は、バッテリ貯蔵バンクＢ１から直接にエネルギを（図６からの別個の経路を通じて）分配してＤＣ／ＤＣコンバータ１６２を充電することによりＰＦＮモジュール１４６を直接に充電する機能を備えた慣性貯蔵、同期変調器、及びＮｏｖｅｃ／ＨＦＥ絶縁型高周波逓昇変圧器１００（Ｔ５を含む複合エネルギ貯蔵システム１６０を示す。このスキームにおいて、バッテリＢ１は、ＨＦＥ変圧器１００及びフォワード整流器ブリッジ１６４を通じて提供する定電力のより高い電圧による充電サイクルが後に続く定電流充電サイクルを提供する。いずれのサイクルも、最低限の時間におけるＰＦＮモジュール１４６の高速な充電を実現するために必要である。従って、追加のバッテリモードは、ユニット１６２からＰ１３、ユニット１４６、電力Ｐ８、ユニット１６４、電力Ｐ７、ユニット１００、電力Ｐ５、ユニット１４２、及び電力Ｐ３を通って動作する。変圧器１００は、最低限の重量により高周波での動作を増強するようナノ結晶磁気コアを含んでよい。
【００８８】
図８は、従来のデルタにおける１つの一次巻線１７２、及び二次巻線１７４ごとに６つの個別の巻線グループの二重ポリゴン配置において接続された２つの二次巻線１７４として配置された変圧器１７１を備える高電力Ｎｏｖｅｃ／ＨＦＥシステム１７０のための好適な実施形態を示す。二次巻線１７４の夫々のポリゴン配置の３相出力は、完全な高電圧ＤＣ電源を形成するよう直列に接続された２つの６パルスブリッジ整流器１７６によって最初に整流される。整流器１７６は、サイリスタ又は絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）のような、ダイオード又は位相制御デバイスのいずれかであることができる。
共通の一次コア及び一次巻線に対して作用する２つの同じ定格ユニットのポリゴン配置によって導入される１５度位相シフトは、従来のデルタワイ１２パルス回路よりも優れている非常に低い入力高調波電流成分をもたらす。ＨＦＥ絶縁型変圧器１７１は、ポリゴン二次巻線１７４のリアクタンスが従来ユニットよりも低く設計され得、結果として、このシステム１７０のレギュレーションが先行技術よりも優れている点で、他に比較すべきものがない。好適な実施形態では、ポリゴン二次巻線１７４は２種類の巻線グループを有し、高インピーダンス又はメイン巻線は、１．４１４対０．５１７（すなわち、２．７３５：１）の比において“シフタ（shifter）”巻線よりも巻数が多い。
【００８９】
上側及び下側のポリゴン巻線１７４は両方とも巻数が同じであるが、ポリゴンが図８で示されるように出力についてタップされている点で相違する。入力電流はＩａ＝１．１１５Ｉ１＋０．２９９Ｉ２である。Ｉ１及びＩ２は、３相整流器の２つの位相に対する出力である。このポリゴン配置のライン側での高調波フィルタリングは、従来のワイデルタ出力スキームよりも重量及び体積が小さい。
【００９０】
電気化学バッテリ貯蔵によらないエネルギ貯蔵システム
【００９１】
図９は、入力電力のための３つの位相（巻線１）、高電圧パルス電力システムへの整流のための３つの出力位相（巻線２）、レーダーシステムのような従来の中間電圧（４１６０ボルト）パルス負荷への３相出力（巻線３）、及び出力電力のための非常に高速なランプレート（ramp  rates）を可能にする、パルス励磁システムからステータ三次励磁巻線への３相入力を備えた１２相同期変調器／フライホイール貯蔵デバイス１８０のレイアウトを示す。
【００９２】
図９は、中間電圧ＡＣ入力及び高電圧ＡＣ又はＤＣ出力の必要性を伴うシステムのために包括的なエネルギ貯蔵ユニット及びガルバニック絶縁体として使用される１２相双方向同期又は誘導型電気機械のレイアウトを示す。ＡＣ入力は、ライン周波数６０Ｈｚ又は２４０Ｈｚといったより高い周波数のいずれかで、４１６０ボルト又は１３．８ｋＶといった３相の中間電圧であってよい。ＡＣ出力は、好適な実施形態は、３０ｋＶ以上のレベルにある高電圧ＤＣを必要とし得るＰＦＮ又は同様の装置の充電を可能にするよう、２２ｋＶｒｍｓといった高い電圧である。図９における巻線２は、６．６ｋＶＤＣに整流される４８９０Ｖｒｍｓの３相出力、及びＩＤＣと符号を付された出力電流を示す。貯蔵デバイス１８０は、入力における複数のＡＣリンク電力コンバータ及び出力における複数の同様のＡＣ電力コンバータの使用によって、負荷からソースへの電気エネルギの１００％の再生を有する。貯蔵デバイス１８０は、電気機械の中心線に関して電気的に対称であると見なされ得る。ＡＣリンク出力コンバータは、夫々の機械のデルタ接続された出力巻線から正弦波電圧及び電流を供給し、そうする際に、電気機械において調和磁界（harmonic  field）を最小限にし、更には、負荷への素晴らしい電力品質をもたらす。
【００９３】
機械の入力及び出力巻線をｎ倍の３相グループに分ける理由はいくつかある。第１の３相グループは、１つのグループが機能しなくなるはずである場合の余分であり、残りのｎ−１個のグループは、実質的なシステム機能を実施することができる。第２に、複数の入力及び出力コンバータの使用は、夫々のＡＣ入力又は出力電流の位相オフセットを可能にし、従って、高調波品質は改善される。図９に従って構成される電気機械は、入力側から出力側に対して約７５ｋＶの高いガルバニック絶縁を有することができる。このような絶縁は、ＰＦＮ負荷によって引き起こされる高エネルギ過渡からのメイン電力システムの保護が起こり得る場合に必要である。入力モータリング巻線は、モータードライブとして働く可変周波数ＡＣリンクコンバータを通じて並列なデルタにおいて接続されるものとして図７で示されており、２つの機械出力又は発電巻線も、異なるＤＣバスに動力を供給する別個のＡＣリンクコンバータを通じて並列なデルタにおいて示されている。明らかに、この配置は、ＡＣリンクコンバータ１及び２が入力ラインへの再生（機械減速モード又はＰＦＮエネルギの回復）のために使用され得、且つ、ＡＣリンクコンバータ３及び４が複数種類の負荷エネルギを吸収しこれを同期機械へ戻すために使用され得るために、双方向である。
【００９４】
図９における電気機械は、内部又は外部の慣性貯蔵デバイス１８２を取り付けられている。デバイス１８２は、機械が入力供給ラインの中断を“ライドスルー（ride  through）”することを可能にし、更には、これは、機械が、ＰＦＮの高エネルギバーストの間にそれ自身をラインから完全に切り離すことを可能にする。この後者の機能は好適な実施形態である。入力コンバータは、電気機械を１００％の速さまで持って行くために使用され、１００％の速さから７０％の速さまでの放電の間、入力コンバータは、望ましくはオフされ、エネルギは完全に機械慣性によって供給される。電気機械は、より高いエネルギの高速なパルスをその出力巻線においてもたらすように、低い初期過渡リアクタンス及び低い過渡リアクタンスを有するよう特別に設計される。ステータ電圧レベルにかかわらず、機械出力リアクタンスは低くてよい。例えば、２２ｋＶ出力によれば、初期過渡リアクタンスは４．５％であることができ、過渡リアクタンスは１２％であることができる。ラインごとに２２ｋＶｒｍｓでの５ＭＶＡ定格機械出力については、ピーク出力電流は２９１６アンペアｒｍｓであり、短絡回路皮相電力は１１１ＭＶＡである。典型的な完全にオフセットされた出力波によれば、ピーク電流は４８１１アンペアである。負荷ＰＦＮは、ＤＣ整流を用いてさえ、機械出力巻線に作用しうる約３０ｋＨｚでの高周波調波を有する。しかし、図９に示されているスキームによれば、そのような高周波過渡は、機械ガルバニック及び磁気絶縁により一次巻線に悪影響を及ぼさない。
【００９５】
１８０で示されている、デュアルモード励磁を備えた１２相同期変調器／慣性貯蔵デバイスのレイアウトは、負荷（例えば、通常の船舶サービス負荷、ＨＶＡＣ及びコンプレッサ）をゆっくりと充電するためのユニット１８４による通常の励磁（ロータ磁界２５０ＶＤＣ回路又は“定常ＤＣ励磁”）及び三次ステータ巻線によって達成されるユニット１８６による高速励磁回路（例えば、レールガン、レーダー又はレーザ兵器負荷）を提供する。入力３相電力は、従来のＡＣ分配バス又はタービン発電機から巻線１に適用され、巻線２は、高電圧パルス電力システムへの整流のための３つの出力位相を有し、巻線３は、レーダーシステムのような従来の中間電圧（例えば、４１６０ボルト）パルス負荷への３相出力を有し、巻線４は、高速な立ち上がり速度のパルスＤＣ励磁システム１８６から、出力電力のための高速なランプレートを生じるステータ三次励磁巻線への３段階入力を有する。パルスＤＣ及び定常状態ＤＣ励磁モードは、同時に使用されるべきではなく、それらは、大きく異なった時定数を有する。時定数は、設計により２桁のオーダーで異なり得る。全ての４つのステータ巻線が共通のステータ磁気コア上に構成されることは明らかであるが、最も一般的な場合には、夫々は異なる印加又は生成電圧、異なる電流レベル及び異なる時定数を有する。図９は、低速充電及び高速充電の両方の負荷エネルギ要件に適応することができる多目的同期変調器ＩＥＳのための励磁スキームを構成する。
【００９６】
図１０は、出力電力の高速及び低速ランプレートを夫々可能にするよう、１９６からの従来のロータ磁界励磁に加えて、ＡＣリンクコンバータ１からの３相入力電力、高電圧パルス電力負荷のための１つの出力３相巻線、及びパルスＤＣ励磁１９４からステータ三次巻線への３相入力を備えた９相同期変調器／フライホイール貯蔵デバイスのレイアウトを１９０で示す。
【００９７】
重要なことには、この配置は、電気機械の進行波励磁（ステータへの注入）を使用し、これによって、１９２からの３つの三次入力電流Ｉ３は容量放電パルス形成ネットワーク（ＰＦＮ）１９４によって駆動される。ＰＦＮ１９４は、時定数が遅いロータ磁界を有して今日使用されている従来のＤＣ励磁スキームと比較して、非常に速い速度で電流をスルー（slew）する能力がある。本開示は、高電圧逓昇変圧器をＡＣリンクコンバータ２又は同様の周波数コンバータの出力に加える。図１０は、６．６ｋＶＤＣ出力電圧に適した回路を示し、当業者に明らかなように、コンバータ２の出力は４１６０ボルトＡＣの出力レベルから７５ｋＶに変換され得、これによって、整流は、負荷回路へ供給されるべき１００ｋＶＤＣをもたらす。図１０のこの回路は、約１．０〜１０マイクロ秒のシステム応答時間を可能にする。
【００９８】
図１１は、出力電力の高速ランプレートを可能にするよう、ロータ磁界巻線８１０を介した従来のロータ磁界ＤＣ励磁８２６に加えて、２つの３相入力電力モータ又は再生巻線８１２及び８１４、高電圧パルス電力負荷のための、バキュームブレーカ８１６を備えた１つの３相ステータ二次巻線、及びパルスＤＣ励磁コントローラ８３０からステータ三次巻線８１８への３相入力とともに慣性貯蔵８０８を備えた１２相同期変調器／慣性貯蔵デバイス８０２のレイアウトを８００で示す。ＡＣリンクコンバータ８２０及び８２２は両方とも、電力及びエネルギフローにおいて双方向であり、出力電力が、パルス形成ネットワーク又はＤＣ負荷に動力を与えるための整流より前に、入力周波数よりも高い周波数で生成されることを可能にする。より高い周波数は、同期変調器（ＳＭ）８０２及び電力調整電力密度を増強する。三次巻線８１８のためのＰＦＮ励磁コントローラ８３０は新規であり、３つの励磁相の夫々は、出力電流Ｉ３における高速ＡＣパルスのシステムを形成する３段階Ｌ−Ｃ  ＰＦＮを有する。ＡＣパルスは、電気機械に印加される場合に１２０度の間隔をあけられる。サイリスタ又は同様の固体状態スイッチは、夫々のＰＦＮ回路のタイミングを次に対して制御するために夫々のＰＦＮ励磁回路に含まれており、遮断スイッチとして働く。ＰＦＮはＤＣ供給８２８により充電されるが、ＰＦＮ回路は、機械巻線インダクタンスとともに共振回路であり、出力パルスは、通常は、指数関数的に小さくなる振幅とともに極性が交互し、よって、励磁起磁力（ＭＭＦ；magneto-motive  force）の進行波を持続する点に留意されたい。最も一般的な場合において、“ｎ”段のＰＦＮ励磁回路が存在し、出力パルスは、位相において３６０／ｎ度間隔をあけられている。図１１に示されるようなシステムは、５０マイクロ秒以下の立ち上がり時間を有し、機械全体のＭＭＦを、従来のロータＤＣ励磁よりも１桁は速い１ミリ秒未満内で全強まで増大させることができる。回転機械の励磁を直ちに立ち上げるこの方法は、２０ＭＷ／ｓといった電力スルーレートによる高速なエネルギ調整及び回復の必要により、高エネルギパルス調整のための単一のバッテリバンクより前に同期モジュレータを更に進める。
【００９９】
図１２は、ゆっくりと変動する負荷及びレーダーのような従来のパルス負荷を伴った同期変調器／慣性エネルギ貯蔵、バッテリエネルギ貯蔵、複合電気ドライブを備えた船舶に適用される複合エネルギ貯蔵システム（ＨＥＳＳ）を２１０で示す。同期変調器及びバッテリ回路逓降変圧器ＳＴ１及びＳＴ２の両方を通じて、パルス負荷と船舶電力システムとの間には７５ｋＶＢＩＬ絶縁が存在する。
【０１００】
当然に、図１２におけるバッテリ誘導貯蔵モジュール（ＢＩＳＭ；battery  inductive  storage  module）は、ウルトラキャパシタの同様のエネルギ貯蔵デバイスによって置換され得る。エネルギ貯蔵デバイスは、本質的に、電池の直列な列から成る低電圧デバイスである。より大規模なシステムの設計では、どれくらい多くのウルトラキャパシタが安全に直列接続され得るかに対する特定の制限により、記載される全体のシステムは、回転機械のような、本質的により大きい電圧であるデバイスと、本質的により低い電圧であるデバイスとを技術的に容認する。従って、変圧器ＳＴ１及びＳＴ２の使用はまた、ウルトラキャパシタへの電流及び電力フローを制御することにおいて同期変調器にとって必要である。ウルトラキャパシタは、低電力モードにおいて最も良く使用され、電気機械は、低電力モードにおいて最も良く使用される。変圧器ＳＴ１及びＳＴ２は両方とも、プラントの全体のボリュームを低減するようＮｏｖｅｃ絶縁型／Ｎｏｖｅｃ冷却型であってよい。変圧器ＳＴ２は、好適な実施形態では、中間周波数変圧器であるよう意図される。これは、ウルトラキャパシタ出力回路からのＤＣ／ＡＣコンバータが、最も有利に、中間周波数コンバータであるからであり、電気機械は、図１２で示されるように、４００〜６１６Ｈｚといった中間周波数を受け入れることができる。図１２において、ＤＣ／ＡＣコンバータの出力は、異なるシャフト速度での同期変調器の周波数範囲に対応するよう同期されレギュレートされる。
【０１０１】
ＨＥＳＳ２１０は、４つのメイン電力コンバータを有し、そのうちの３つは、ＡＣリンクコンバータのために双方向であり、残り１つは、複合（hybrid）電気ドライブコンバータである。その１つの単方向コンバータは、サイリスタ位相遅延整流器（ＰＤＲ；phase  delay  rectifier）であり、メイン分配バス電圧をレギュレートされたバッテリレベル電圧へと逓降変圧器ＳＴ１を通じて変換し、バッテリ充電回路として働く。ＨＥＳＳは、制動モードにおいて複合電気ドライブによって（Ｐ１１経路を通って）生み出される再生エネルギであってタービン発電機へ安全に戻され得ないエネルギを吸収することができるが、代わりに、このエネルギは、メイン分配バスを介してＰ１経路を通って慣性貯蔵システムへ向けられることが、本開示の更なる実施形態である。
【０１０２】
コンポーネントＰＤ１及びＰＤ２は、バッテリ出力モード（Ｉ８を通る定電流）から同期変調器出力モード（Ｉ９経路を通る低電力）を分離する固体状態パルス導波器（director）である。電力経路Ｐ５は、同期変調器とバッテリバンクとの間のエネルギ交換のための経路である。これは双方向であり、多相逓降変圧器及び関連するＡＣ／ＤＣコンバータを含むことができる。これは、Ｉ５電流出力が、通常は、バッテリバンクよりも高い電圧レベルであるからである。出力電流Ｉ１０を生成する最終段のＡＣリンクコンバータ８３０は、慣性共振回路からＡＣ又はＤＣいずれかの入力を受け入れ、高電圧ＤＣを電力Ｐ１０としてＰＦＮへ出力する能力を備える。
【０１０３】
更に、ＢＩＳＭ出力電力Ｐ８及び電流Ｉ８は、電流Ｉ１１でパルス電力負荷のためのメインパルス形成ネットワークを充電するために、Ｉ１０及びＰ１０経路内にＡＣリンクインバータシステムによって処理され得る。経路Ｐ８は、パルス負荷ＰＦＮバンク又は同期変調器とバッテリエネルギ貯蔵システムとの間で双方向の電力フローを提供して、循環又は電力散逸のための製造者の使用を超えない制御可能なレート（例えば、４Ｃ）でバッテリの充電又はバッテリの放電のいずれかを行う。好適な実施形態では、過度のＰＦＮ電荷は、２０ＭＷ／ｓといった積極的なレートで最初に慣性貯蔵ユニットへ送り返され、残りの期間が指定され、次いで、この慣性運動（kinetic）エネルギの一部は、電気化学システムにおいて貯蔵されるよう、２ＭＷ／ｓといったより低いレートでバッテリバンクへ分配される。これは、より高い信頼性を提供し、突発事故の機会を減らし、且つ、バッテリ寿命を延ばす。同期変調器の動作は、二次エネルギ貯蔵デバイス（ＢＩＳＭ）を緩衝することと、その電力密度（ｋＷ／ｍ３）が慣性貯蔵デバイスよりも低いので、バッテリ温度循環、ピーク電力ドロー（draw）及び再生能力を制限しながら、基本エネルギ密度（ｋＷ−ｓｅｃ／ｍ３）におけるその高い能力を利用することとである。
【０１０４】
同期変調器ステータ巻線絶縁並びにバッテリ回路逓降変圧器ＳＴ１及びＳＴ２の両方を通じた、非常に高いサージ電圧を発生し得るパルス負荷と、船舶電力システムとの間の７５ｋＶ電気絶縁が存在する。よって、多重巻線電気機械の使用は、負荷により生成された過渡的な電気波形からの電力システムの高いガルバニック絶縁を提供し、更には、電力需要における大きな負荷変動に給電するためのＩＥＳ貯蔵エネルギの使用によって入力源のタービン発電機でのトルク脈動を低減する。
【０１０５】
図１３は、バッテリ又はウルトラキャパシタからのレギュレートされていないＤＣソース電力を受け入れ、負荷又は中間貯蔵デバイスへの供給のためにレギュレートされた電流及び電力出力へ変換するＤＣ−ＤＣ電力コンバータ／チョッパを有する詳細な回路２２０を表す。
【０１０６】
ＨＥＳＳ２１０の変形が存在し、これにより、バッテリ貯蔵バンク又はウルトラキャパシタバンクのいずれか一方からのＤＣエネルギ貯蔵は、ＤＣパルス負荷に直接に動力を与え、ＡＣへの変換を回避するために必要とされてよい。図１３は、バッテリ又はウルトラキャパシタソースからレギュレートされていないＤＣソース電力を受け入れ、ＤＣ負荷又は中間貯蔵デバイスへの供給のためにレギュレートされた電流及び電力出力へ変換するＤＣ−ＤＣパルス電力コンバータ／チョッパの詳細な回路を２２０で示す。メインスイッチング素子はサイリスタＱ１であり、システム要件に合うように直列に又は並列に複数のデバイスとして構成されてよい。整流スイッチング素子はサイリスタＱ２及び整流ダイオードＤ２であり、システム要件に合うように直列に又は並列に複数のデバイスとして構成されてよい。ダイオードＤ２は、環流（free-wheeling）電力ダイオードであり、負荷が誘導性である場合に必要である。好適な実施形態は、サイリスタ技術によって成し遂げられるより高い電力及び電流レベルのために、ＩＧＢＴよりもむしろサイリスタを使用する。より小規模な用途では、素子Ｑ１及びＱ２のためにＩＧＢＴスイッチングデバイスを使用することが許容可能である。回路２２０は、出力に対する入力のガルバニック絶縁を有さないが、高速な応答時間を伴った大いにコンパクトなメガワット定格電力コンバータを提供する。回路２２０は、整流回路がコンポーネント故障を有する場合に追加の安全機能を提供する従来の高速サイリスタ又はゲートターンオフサイリスタを使用することができる。この高電圧ＤＣコンバータのための適切な市販のゲートターンオフ（ＧＴＯ；Gate  Turn  Off）サイリスタはＡＢＢデバイス番号５ＳＧＡ−４０Ｌ４５０１である。これは、１０００アンペア連続での４５００ボルト定格及び８．３ｍｓ幅パルスについての２６ｋＡサージ電流を有する。
【０１０７】
図１４は、慣性貯蔵９１０、パルス励磁供給９２０、及び３つの出力ポート９１２、９１４、９１６を備え、出力ポートのうちの２つが中間電圧ＡＣ出力のために使用され、第３の出力が整流され、昇圧され、高速な立ち上がり時間の電磁エフェクター負荷のためにパルス形成ネットワーク９９０を作動させる一般化された同期機械のシステムレイアウトを２３０で示す。複数の周波数コンバータユニット９３０、９４０が設けられており、機械可変周波数Ｆ３を一定の周波数Ｆ４に変換する。周波数Ｆ４はユニット９６０、９７０によってフィルタをかけられ、次いで、ＡＣ負荷への中間電圧多相出力を有する誘導故障リミッタ及びコンバイナ９９６へ向けられる。同期変調器ユニットの詳細は図７で示される。パルスＤＣ励磁供給は、最新の機械において存在しない新規の特徴であり、電力システム又は機械の速度から独立した高速な出力パルスを生成するよう同期変調器を励磁する手段を提供する。このパルスＤＣ励磁を利用する特定のステータ巻線は、内部インダクタンスが低い３相、６相又はそれよりも高い“ＡＣ”巻線であり、高スルーレートのパルスＭＭＦにより夫々の機械の極を磁化するように同期変調器のステータコアの周囲に一様に間隔をあけられ得る。パルス励磁供給は、ＤＣレベルに充電される一連のエネルギ貯蔵キャパシタから成るが、放電においては、電流ベクトルの回転システム及び結果として得られる回転磁界を構成するよう時間において同期されるＡＣ多相波形を生成することができる。
【０１０８】
システムレイアウト２３０はまた、電気機械が、入力電力コンバータ９００の使用によって、ライン周波数Ｆ１よりも高い入力周波数Ｆ２で動作することを可能にする。これは、回転機械のエネルギ密度が、固定数の極について、入力周波数と直接に比例する点で、特異的な利点を有する。出力電力は、２つの別個の異なる出力周波数Ｆ３及びＦ５で取得され得る。これらの周波数は、機械入力周波数Ｆ２よりも一般的に高い。このことは、最低限でも、非常に効率がよい電圧逓昇変圧器を提供する。出力反転は、用途に応じて、機械出力よりも低い又は高い周波数を生成する。サイリスタ・サイクロコンバータが好ましい非常に高い電力用途のために、機械出力周波数は３６０Ｈｚのように高くてよく、コンバータ出力波、ＡＣ／ＤＣ整流システムに動力を与える１２０Ｈｚといったメイン電力バス又はより高い周波数で動作するために６０Ｈｚであることができる。これは、整流器入力のための６０Ｈｚよりも高い周波数の使用によってコンパクトなＤＣフィルタリングにおいて利点を有する。この機械の出力に対する入力の高インピーダンス電圧絶縁も存在し、この特徴は、従来のシステムの典型的な接地ループ又は地絡を回避する。
【０１０９】
図１５は、電気機械における直接液冷式ステータ巻線と共通のフレームにおいて複合フライホイールを用いる高速慣性貯蔵デバイスと組み合わされる同期変調器電気機械の３Ｄビューを２４０で示す。
【０１１０】
図１６は、定常状態負荷及びパルス負荷の両方のための、４１６０ボルト入力電力システム及び１．０ｋＶＤＣ、１４０ＶＤＣ及び４５０ＶＡＣ出力に適するよう示された電圧を有する複合エネルギ貯蔵システムのレイアウトを２５０で示す。システムレイアウト２５０は、デュアル同期変調器複合エネルギ貯蔵システムの船舶又は飛行機のための好適な実施形態を示し、これにより、逆回転する電気機械（同機変調器１及び２）の組は、コンバータ１Ａ及び１ＢによってＡＣ電源から個々に給電される。電気機械は、６，２００ｒｐｍ〜１４，０００ｒｐｍの典型的な速度範囲にわたって動作する。これは、５．０９：１の比におけるシステムエネルギの取り出し及び再生を可能にする。同機変調器は、定格及び速度において整合し、調和して動作するが、アプリケーションプラットフォームにおけるトルクモーメントを減らす逆回転する。２つのＤＣロータ電流磁界コントローラＦＣＣ１及びＦＣＣ２は、ロータの励磁のために供給される。好適な実施形態は、永久磁石機械よりもむしろ、巻線ロータ磁界（wound-rotor-field）同機機械を使用する。また、ＡＣラインは、バッテリエネルギ貯蔵バンクに共振ＡＣ−ＤＣコンバータ２を通じて給電する。機械出力は、共通の１２パルスコンバータ（整流器／インバータ）によって整流され、その後にコンバータ３に動力を与える。コンバータ３は、出力へのＡＣ又はＤＣいずれかの出力を生成する能力を備える。バッテリエネルギ貯蔵バンク又は同様のウルトラキャパシタバンクは、コンバータ３への追加供給であって、定電流出力のために通常は使用される低電圧ＤＣ出力を有する。コンバータ３は、制御された再充電モードのために同期変調器からバッテリ貯蔵システムに直接に給電する能力を備える。負荷が、バッテリによって許容されないほど速いレート（例えば、１５Ｃレート）で瞬く間にエネルギを戻すべき場合において、このエネルギは、最初に電気機械／フライホイールへ回され、次いで、化学電池の過熱／過剰なストレスを回避するよう、長い期間にわたって、１．０又は２．０Ｃでバッテリバンクへゆっくりと解放される。
【０１１１】
図１７は、以下のように、共通の冷却ループが２相及び単相冷却の複合システムを備えた３つのメインサブシステムのために用いられる完全系のための好適な実施形態である統合されたＮｏｖｅｃ／ＨＦＥ冷却スキームを２６０で示す：
１．Ｎｏｖｅｃのための２０℃の初期入口温度は、パワーエレクトロニクスコンバータ（サブシステム１）を液相において浸漬冷却するために使用される。これは、メインサブシステムの最大の温度臨界が存在し、サイリスタ又はＩＧＢＴ半導体接合を１００℃未満に保つことが目的であるからである。パワーエレクトロニクスシステムは２５℃の上昇を許され、出口温度は４５℃である。  
２．サブシステム１から、Ｎｏｖｅｃ液体は、その後に、同期変調器／回転機械（サブシステム２）のステータ巻線に至らされ、入口温度４５℃で内部冷却され、３０度の上昇を許され、出口では７５℃である。全体を通して、Ｎｏｖｅｃは液体状態に保たれる。ステータ巻線は、サブシステム１よりも熱に敏感ではなく、出口で７５度又はわずかにそれより高い温度を許容することができる。ステータ巻線は、例えば、図６、７、９、１０又は１１で示されたように、機械ごとに１２個の個別的な巻線を有してよく、共通の冷却液ループにおいて動作する複数の機械が存在してよい。なお、この実施形態では、機械巻線を気相において動作させることは望ましくなく、よって、サブシステム２の出口温度は、使用されるＮｏｖｅｃ／ＨＦＥ液体の沸点を明らかに下回るべきである。  
３．サブシステム２から、Ｎｏｖｅｃ液体は、入口温度７５℃で、本願で記載される逓昇高電圧変圧器又は複数のユニット（サブシステム３）に注入されるが、気化温度が９８℃であるＮｏｖｅｃを使用することによって、温度上昇が２３℃に達する場合に、変圧器巻線のジュール損を取り除くよう気化することが許される。蒸気冷却される変圧器は単相又は多相であることができる。ＨＦＥ冷却液の使用は、電気巻線のサイズ及び重量を減らすことによって電力密度を高め、更には、磁気コアの重量が最小限にされることを可能にする。３Ｍ製品Ｎｏｖｅｃ７３００は、この９８℃沸点のために設計されており、５．９ｋＰＡの適度な蒸気圧を有し、電気抵抗は１Ｅ＋１１オーム−ｃｍで非常に高く、記載される高電圧設備による使用に優れていることを示す。
【０１１２】
このように、好適な実施形態は、電気機器の個々の電気特性に最も良く合い且つ高密度のシステムを得るよう、２相及び単相冷却経路の組み合わせを使用する。
【０１１３】
変更、追加、又は削除は、本発明の適用範囲から逸脱することなしに、本願で記載されるシステム、装置、及び方法に対して行われてよい。システム及び装置のコンポーネントは、一体化されても、又は分離されてもよい。更には、システム及び装置の動作は、より多い、より少ない、又は他のコンポーネントによって実行されてよい。方法は、より多い、より少ない、又は他のステップを含んでよい。加えて、ステップは、如何なる適切な順序でも実行されてよい。本願で使用されるように、「夫々（each）」は、組の各構成要素又は組の中のサブセットの各構成要素をさす。
【０１１４】
添付の特許請求の範囲を解釈することにおいて、特許庁、及び本願において発行されたあらゆる特許のあらゆる読者の助けとなるよう、本出願人は、語「〜する手段（means  for）」又は「〜するステップ（step  for）」が特定の請求項で明示的に使用されない限りは、その出願日に存在するものとして、３５ＵＳＣ１１２条の第６項を行使するよう添付の特許請求の範囲又は請求項のいずれも意図しないことに留意することを望む。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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