(57)【要約】モータ／ジェネレータ（２００、３００、４００、５００）内の拡張固定子コア（２２０、３２０、４２０、５０５）を、コア（２２０、３２０、４２０、５０５）の端部領域およびモータ／ジェネレータ（２００、３００、４００、５００）のフレームにおける損失を緩和するのに使用することができる。損失を緩和するために、固定子コア（２２０、３２０、４２０、５０５）を、回転子（２０５、３０５、４１０）内の磁気的有効部分(magnetically active portion)の長さとほぼ等価な長さにも、それを上回る長さにも拡張することができる。あるいは、モータ／ジェネレータ（２００、３００、４００、５００）における損失を緩和するように磁気的有効部分(magnetically active portion)が短縮された、従来の長さの固定子コアを使用することもできる。コア中で、固定子巻線によって引き起こされる損失を緩和するために、コア（２２０、３２０、４２０、５０５）を、固定子巻線（２１５、３１５、４１５）の長さとほぼ等価な長さにも、それを上回る長さにも拡張することができる。
2006518180.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁気的有効部分を有する回転子（２０５、３０５、４１０）と、
前記回転子（２０５、３０５、４１０）と相互作用して、前記回転子（２０５、３０５、４１０）の回転を促進する固定子巻線（２１５、３１５、４１５）と、
前記固定子巻線（２１５、３１５、４１５）に結合された、拡張固定子コア（２２０、３２０、４２０、５０５）であって、前記回転子（２０５、３０５、４１０）の前記磁気的有効部分とほぼ等価であるか、またはそれを上回る長さを有する拡張固定子コア（２２０、３２０、４２０、５０５）と、
を備えることを特徴とするモータ／ジェネレータ（２００、３００、４００、５００）。
【請求項２】
前記拡張固定子コア（２２０、３２０、４２０、５０５）の内径は、前記固定子巻線（２１５、３１５、４１５）の外側径に対応して増加する、ことを特徴とする請求項１に記載のモータ／ジェネレータ（２００、３００、４００、５００）。
【請求項３】
前記拡張固定子コア（２２０、３２０、４２０、５０５）は、可変外径を有する、ことを特徴とする請求項１に記載のモータ／ジェネレータ（２００、３００、４００、５００）。
【請求項４】
前記拡張固定子コア（２２０、３２０、４２０、５０５）は、強磁性体から製造された複数の積層物を含む、ことを特徴とする請求項１に記載のモータ／ジェネレータ（２００、３００、４００、５００）。
【請求項５】
前記拡張固定子コア（２２０、３２０、４２０、５０５）は、部分的または全体的に、フェライト材、鋼線フィラメント巻複合構造、鋼帯巻複合構造、編組鋼線複合構造の少なくとも１つから製造される、ことを特徴とする請求項１に記載のモータ／ジェネレータ（２００、３００、４００、５００）。
【請求項６】
超伝導同期モータ／ジェネレータである、ことを特徴とする請求項１に記載のモータ／ジェネレータ（２００、３００、４００、５００）。
【請求項７】
永久磁石機械である、ことを特徴とする請求項１に記載のモータ／ジェネレータ（２００、３００、４００、５００）。
【請求項８】
ドライブシャフトと、
前記ドライブシャフトに結合された回転子（２０５、３０５、４１０）であって、磁気的有効部分を有する回転子（２０５、３０５、４１０）と、
前記回転子（２０５、３０５、４１０）の回転を促進する固定子巻線（２１５、３１５、４１５）と、
前記固定子巻線（２１５、３１５、４１５）に結合された、拡張固定子コア（２２０、３２０、４２０、５０５）であって、前記回転子（２０５、３０５、４１０）の前記磁気的有効部分より長い拡張固定子コア（２２０、３２０、４２０、５０５）と、
を備えることを特徴とするモータ／ジェネレータ（２００、３００、４００、５００）。
【請求項９】
超伝導同期モータ／ジェネレータである、ことを特徴とする請求項８に記載のモータ／ジェネレータ（２００、３００、４００、５００）。
【請求項１０】
永久磁石機械である、ことを特徴とする請求項８に記載のモータ／ジェネレータ（２００、３００、４００、５００）。
【請求項１１】
前記拡張固定子コア（２２０、３２０、４２０、５０５）の前記長さは、前記回転子（２０５、３０５、４１０）の前記磁気的有効部分の長さと前記固定子巻線（２１５、３１５、４１５）の長さとの間である、ことを特徴とする請求項８に記載のモータ／ジェネレータ（２００、３００、４００、５００）。
【請求項１２】
前記磁気的有効部分は、高温超伝導体（ＨＴＳ）巻線（２２５、５２５）である、ことを特徴とする請求項８に記載のモータ／ジェネレータ（２００、３００、４００、５００）。
【請求項１３】
前記拡張固定子コア（２２０、３２０、４２０、５０５）は、可変外径を有する、ことを特徴とする請求項８に記載のモータ／ジェネレータ（２００、３００、４００、５００）。
【請求項１４】
前記拡張固定子コア（２２０、３２０、４２０、５０５）の長さは、前記固定子巻線（２１５、３１５、４１５）の長さとほぼ等価である、ことを特徴とする請求項８に記載のモータ／ジェネレータ（２００、３００、４００、５００）。
【請求項１５】
ドライブシャフトと、
前記ドライブシャフトに結合された回転子（２０５、３０５、４１０）であって、磁気的有効部分を有する回転子（２０５、３０５、４１０）と、
前記回転子（２０５、３０５、４１０）の回転を促進する固定子巻線（２１５、３１５、４１５）と、
前記固定子巻線（２１５、３１５、４１５）に結合された、拡張固定子コア（２２０、３２０、４２０、５０５）であって、前記回転子（２０５、３０５、４１０）の前記磁気的有効部分とほぼ等価な長さを有する拡張固定子コア（２２０、３２０、４２０、５０５）と、
を備えることを特徴とするモータ／ジェネレータ（２００、３００、４００、５００）。
【請求項１６】
前記回転子（２０５、３０５、４１０）の前記磁気的有効部分は、超伝導巻線（２２５、５１５）を含む、ことを特徴とする請求項１５に記載のモータ／ジェネレータ（２００、３００、４００、５００）。
【請求項１７】
前記回転子（２０５、３０５、４１０）の前記磁気的有効部分は、少なくとも１つの永久磁石および強磁性体を含む、ことを特徴とする請求項１５に記載のモータ／ジェネレータ（２００、３００、４００、５００）。
【請求項１８】
ドライブシャフトと、
前記ドライブシャフトに結合された回転子（２０５、３０５、４１０）であって、磁気的有効部分を有する回転子（２０５、３０５、４１０）と、
前記回転子（２０５、３０５、４１０）の回転を促進する固定子巻線（２１５、３１５、４１５）と、
固定子コア（２２０、３２０、４２０、５０５）とを備え、
前記磁気的有効部分は、前記固定子コア（２２０、３２０、４２０、５０５）の長さとほぼ等価な長さである、ことを特徴とするモータ／ジェネレータ（２００、３００、４００、５００）。
【請求項１９】
ドライブシャフトと、
前記ドライブシャフトに結合された回転子（２０５、３０５、４１０）であって、超伝導巻線（２２５、５１５）を有する回転子（２０５、３０５、４１０）と、
前記回転子（２０５、３０５、４１０）の回転を促進する固定子巻線（２１５、３１５、４１５）と、
固定子コア（２２０、３２０、４２０、５０５）とを備え、
前記超伝導巻線（２２５、５１５）は、ゼロに近い値から、前記固定子コア（２２０、３２０、４２０、５０５）の内部半径の約５０パーセントに等価な値までの範囲の長さだけ、前記固定子コア（２２０、３２０、４２０、５０５）より長い、
ことを特徴とするモータ／ジェネレータ（２００、３００、４００、５００）。
【請求項２０】
前記超伝導巻線（２２５、５１５）の長さは、ゼロに近い値から、前記固定子コア（２２０、３２０、４２０、５０５）の内部半径の約４０パーセントに等価な値までの範囲の長さだけ、前記固定子コア（２２０、３２０、４２０、５０５）より長い、ことを特徴とする請求項１９に記載のモータ／ジェネレータ（２００、３００、４００、５００）。
【請求項２１】
前記超伝導巻線（２２５、５１５）の長さは、ゼロに近い値から、前記固定子コア（２２０、３２０、４２０、５０５）の内部半径の約３０パーセントに等価な値までの範囲の長さだけ、前記固定子コア（２２０、３２０、４２０、５０５）より長い、ことを特徴とする請求項１９に記載のモータ／ジェネレータ（２００、３００、４００、５００）。
【請求項２２】
前記超伝導巻線（２２５、５１５）の長さは、ゼロに近い値から、前記固定子コア（２２０、３２０、４２０、５０５）の内部半径の約２０パーセントに等価な値までの範囲の長さだけ、前記固定子コア（２２０、３２０、４２０、５０５）より長い、ことを特徴とする請求項１９に記載のモータ／ジェネレータ（２００、３００、４００、５００）。
【請求項２３】
前記超伝導巻線（２２５、５１５）の長さは、ゼロに近い値から、前記固定子コア（２２０、３２０、４２０、５０５）の内部半径の約１０パーセントに等価な値までの範囲の長さだけ、前記固定子コア（２２０、３２０、４２０、５０５）より長い、ことを特徴とする請求項１９に記載のモータ／ジェネレータ（２００、３００、４００、５００）。
【請求項２４】
モータ／ジェネレータ（２００、３００、４００、５００）を組み立てる方法であって、
ドライブシャフトを使用すること、
前記ドライブシャフトに、磁気的有効部分を備える回転子（２０５、３０５、４１０）を結合すること、
前記回転子（２０５、３０５、４１０）の回転を促進するのに、固定子巻線（２１５、３１５、４１５）を使用すること、
前記固定子コア（２２０、３２０、４２０、５０５）の長さが、前記磁気的有効部分の長さとほぼ等価であるか、またはそれよりも長くなるように、前記固定子巻線（２１５、３１５、４１５）に拡張固定子コア（２２０、３２０、４２０、５０５）を結合すること、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項２５】
前記固定子コア（２２０、３２０、４２０、５０５）の前記長さは、前記固定子巻線（２１５、３１５、４１５）の長さとほぼ等価である、ことを特徴とする請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
前記固定子コア（２２０、３２０、４２０、５０５）は可変外径を備える、ことを特徴とする請求項２４に記載の方法。
【請求項２７】
モータ／ジェネレータ（２００、３００、４００、５００）を組み立てる方法であって、
ドライブシャフトを使用すること、
前記ドライブシャフトに、超伝導巻線（２２５、５２５）を備えた回転子（２０５、３０５、４１０）を結合すること、
前記回転子（２０５、３０５、４１０）の回転を促進するために、固定子巻線（２１５、３１５、４１５）を使用すること、
固定子コア（２２０、３２０、４２０、５０５）を使用すること、
トルクの損失対前記モータ／ジェネレータ（２００、３００、４００、５００）の効率の釣合いをとることによって、前記超伝導巻線（２２５、５１５）の長さを決定することであって、前記長さは、ゼロに近い値から、前記固定子コア（２２０、３２０、４２０、５０５）の内部半径の約５０パーセントに等価な値までの範囲であること、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項２８】
モータ／ジェネレータ（２００、３００、４００、５００）の端部領域における損失を緩和する、拡張固定子コア（２２０、３２０、４２０、５０５）手段を備える、ことを特徴とする超伝導同期モータ／ジェネレータ（２００、３００、４００、５００）。
【請求項２９】
モータ／ジェネレータ（２００、３００、４００、５００）の端部領域における損失の緩和を促進するように、固定子コア（２２０、３２０、４２０、５０５）を拡張する手段を備える、ことを特徴とする超伝導同期モータ／ジェネレータ（２００、３００、４００、５００）。
【請求項３０】
固定子コア（２２０、３２０、４２０、５０５）を、回転子（２０５、３０５、４１０）の磁気的有効部分とほぼ等しいか、またはそれを上回る長さに拡張する手段を備え、前記固定子コア（２２０、３２０、４２０、５０５）は、前記回転子（２０５、３０５、４１０）と相互作用する固定子巻線（２１５、３１５、４１５）に結合されている、ことを特徴とする超伝導同期モータ／ジェネレータ（２００、３００、４００、５００）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
以下に記載する本発明は概して、超伝導同期機、永久磁石機械、および他の大型空芯機械に関し、より詳細には、コアを軸方向に拡張させて、このような大型空芯機械における損失を緩和するシステムおよび方法に関する。
【０００２】
政府のライセンス権
本発明は、米国エネルギー省によって授与された共同契約第ＤＥ−ＦＣ３６−９３ＣＨ１０５８０号のもと、政府の支援によりなされた。米国政府は、本発明において一定の権利を有する。
【背景技術】
【０００３】
超伝導の最近の進歩により、同期ＡＣモータを含む大型電気発電機および大型電気モータなどの超伝導電気機械回転（ＳＥＲ）装置の開発および商品化への興味が増している。このような装置は通常、真空ジャケットを有する超伝導回転子と、回転子を同軸方向に囲む固定子とを含む。１個の巻線支持構造上の真空ジャケットの内側には、超伝導巻線が何本か配置される。巻線支持構造および巻線は、極低温に冷やされる。このような装置の１つが、高温超伝導（ＨＴＳ）電気機械装置であり、この装置は、低温超伝導巻線ではなく装置の回転子内のＨＴＳ巻線を使う。同期ＡＣモータの場合、一般的なＳＥＲ装置の固定子および回転子は、回転する固定子の磁界と同期して回転子が回転されるように構成される。
【０００４】
超伝導同期モータは概して、空芯構造を有し、磁気磁束のかなりの部分が、非強磁性体を通過することになる。これは、固定子コアには歯がなく、回転子には、強磁性の磁極片もなく、強磁性体が全く含まれない、などの理由からであろう。このような機械には大きなエアーギャップがあり、通常よりはるかに高い漏れ磁界に起因する、コイル端およびコア端部領域の渦電流損に関連する問題を有している。回転子および固定子コイル端の中を流れる電流によって引き起こされる軸方向の磁束は、固定子コアの各端部での積層中、コア固定板およびモータのフレーム内で大幅な渦電流を誘発するのに十分なほど大きい。周辺／放射渦電流は、モータ内に高い損失を生じさせる。
【０００５】
コア端部領域内で渦電流損を最小限にするのに用いられる様々な方法には、以下のものがある。（１）コアエンドプレート上の導電スクリーンを、磁束分流加減器として作用するように導く。（２）コアの端部を形作る。たとえば、回転子／固定子の間隙の磁気抵抗を局部的に増加させる。（３）積層の分割。（４）回転子の歯の中のナロースリット、すなわち「ｐｉｓｔｏｙｅスロット」を使って、渦電流がとる経路を長くし、そうすることによって経路の電気抵抗を増加させ、電流／損失を減少させる。および（５）積層上に、絶縁塗料からなる特殊コーティングを用いる。したがって、コア端部領域の設計が、渦電流損を少なく保ちながらも、妥当な磁気的、熱的、および機械的性質を依然として維持するための折衷物として、従来通り使用される。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
以下では、本発明のいくつかの態様の基本的な理解をもたらすために、本発明の簡略な要約を提示する。この要約は、本発明の包括的な概要ではない。本発明の主要な／重大な要素を明らかにすることも、本発明の範囲を詳述することも意図していない。後で提示するより詳細な説明の前置きとして、本発明のいくつかの概念を簡略な形で提示することだけを目的としている。
【０００７】
本発明は、回転超伝導同期機および永久磁石機械において、損失を緩和し、効率を向上させるシステムおよび方法を提供する。コアおよび／またはフレームの端部領域における損失は一般に、このようなモータおよび／または発電機内では非常に高い。したがって、モータ／ジェネレータの端部領域における磁束の漏れを緩和するように長さが拡張された固定子コアを含むモータ／ジェネレータが提供される。具体的には、固定子コアの長さは、モータ／ジェネレータの回転子の磁気的有効部分(magnetically active portion)とほぼ同じ長さになるように拡張してもよく、固定子コアは、回転子の磁気的有効部分の長さを上回る長さに拡張してもよい。
【０００８】
超伝導同期機において、回転子の磁気的有効部分は、エンドターンを含む超伝導巻線の全長を含む。永久磁石機械において、回転子の磁気的有効部分(magnetically active portion)は、永久磁石およびこうした永久磁石を囲むどの強磁性体も含む。
【０００９】
拡張固定子コアの内径は概して、固定子巻線の外側径に対応するように増加する。さらに、拡張固定子コアは、可変外径を含み、固定子コアの製造に関わる質量および材料費を減少させることができる。
【００１０】
本発明の別の態様によると、超伝導同期および／または永久磁石モータ／ジェネレータの端部領域(end region)における損失を緩和するように、回転子の磁気的有効部分(magnetically active portion)の長さを削減するシステムおよび方法が提供される。回転子の磁気的有効部分(magnetically active portion)の長さは、固定子コアの長さとほぼ等価でも、またはそれより短くてもよい。あるいは、回転子の磁気的有効部分(magnetically active portion)は、ゼロに近い値から、固定子コアの内部半径の約５０パーセントに等価な値までの範囲の長さだけ、固定子コアより長くてもよい。
【００１１】
上記の目的および関連する目的を達成するために、本明細書において、以下の記述および添付の図面に関連して、本発明の例示的な態様を説明する。ただし、こうした態様は本発明の原理を使用することができる様々な方法のごくわずかを示すに過ぎず、本発明は、このようなすべての態様およびその等価物を含むことを意図する。本発明の他の利点および新規の特徴は、本発明の以下の詳細な説明を図面と併せ読むことにより、明らかになるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明は、渦電流損を緩和するための、拡張固定子コアを含む超伝導同期および／または永久磁石モータ／ジェネレータのためのシステムおよび方法、に関する。以下、図面を参照して本発明を説明するが、全体を通して同じ要素を指すには、同じ参照番号を使用している。以下の記述では、説明の目的で、具体的な多くの詳細を、本発明の完全な理解をもたらすために述べる。ただし、こうした具体的な詳細なしでも本発明を実施できることが明らかであろう。他の例では、本発明を説明しやすくするために、公知の構造およびデバイスをブロック図の形で示す。
【００１３】
図１は、モータ／ジェネレータ１００などの一般的な空芯機械を示す。モータ／ジェネレータ１００は、フレーム１１０および円筒形状の固定子コア１１５を含む固定子組立て部品を含み、コア１１５は、その中に穴を画定する内面を有する。フレーム１１０の内部リブの間に固定子コア１１５を固定するなど、適切などの手段によっても、フレーム１１０内の固定位置にコア１１５が取り付けられる。固定子コア１１５は、固定子巻線１３５から外に向かって、放射状に置かれる。非磁気および非電気伝導（たとえば、プラスチック）支持構造（図示せず）も、固定子巻線１３５を支えるようにモータ／ジェネレータ１００内に含めることができる。
【００１４】
固定子コア１１５は、電炉鋼などの強磁性体からなる複数の積層板（「固定子積層」）から構成される。積層板は、固定子コア１１５内で、固定子コア１１５の過熱を防ぐために、その中の渦電流を制御するのに使われる。
【００１５】
回転子１５０の軸が穴の軸と一致するように、回転子１５０が穴の中心に置かれる。回転子１５０と固定子コア１１５の間のエアーギャップ１５５が、回転子１５０の外面および固定子コア１１５の内面によって画定される。回転子１５０は、軸受（図示せず）によって支えられるシャフト１６０を用いて、軸方向に適切に取り付けられる。回転子１５０は、好ましくは複数の永久磁石または超伝導巻線１６５を備える磁気的有効部分(magnetically active portion)を有する。超伝導同期機において、回転子の磁気的有効部分(magnetically active portion)は、超伝導巻線である。定義により、回転子の有効長は、エンドターンを含む超伝導巻線の全長である。永久磁石機械において、回転子の磁気的有効部分(magnetically active portion)は、永久磁石およびこうした永久磁石を囲むどの強磁性体も含む。この場合、定義により、回転子の有効長(rotor active length)は、磁気的有効部分(magnetically active portion)全体の長さである。概して、超伝導機械の場合、回転子の有効長は、固定子コア１１５の長さより長い。
【００１６】
モータ／ジェネレータ１００の動作中、電流が固定子巻線１３５を通過させられ、そうすることによって、固定子コア１１５内の強磁性体によって強められる磁界が、穴の中に生じる。この磁界は、回転子１５０によって発生された磁界と反応して、回転子１５０を回すトルクを生じさせる。
【００１７】
モータ／ジェネレータ１００の中心部分で、磁束１７０が、固定子コア積層の面１７５にほぼ並行な方向で、固定子積層１１５の中へ移動する。磁束１７０は次いで、固定子コア１１５の周囲を回転する。しかし、コイル端部分１４０では、磁束１８０が、固定子コア積層１１５の面１７５にほぼ垂直な方向で、固定子コア１１５の中へ引き込まれる。この垂直な磁束は、渦電流を生じ、モータ／ジェネレータ１００内の温度を大幅に上昇させる。
【００１８】
ここで、図２に移ると、本発明は、固定子の磁束漏れおよび渦電流損を緩和するためのモータ／ジェネレータ２００を提供する。電動ジェネレータ２００は、回転子２０５および固定子２１０を備える。固定子２１０は、回転子２０５と同軸に並べられ、固定子巻線２１５を備える。回転子２０５および固定子２１０の構成および／または動作に関するこれ以上の詳細は、モータ／ジェネレータ１００を参照して説明したので、ここでは簡潔にするために最小限にとどめる。ただし、従来のモータ／ジェネレータ１００とは異なり、従来の固定子コアの長さを超えて拡張された固定子コア２２０が提供される。具体的には、固定子コア２２０は、モータ／ジェネレータ１００の回転子の有効長とほぼ等価な長さである。たとえば、超伝導モータ／ジェネレータにおいて、固定子コア２２０は、回転子２０５内に置かれた超伝導巻線２２５の全体的な外側の長さとほぼ等価な長さである。超伝導巻線２２５は、高温超伝導体（ＨＴＳ）巻線でよい。永久磁石機械において、固定子コア２２０は、永久磁石およびどの強磁性体も含む回転子の一部分の長さとほぼ等価な長さである。固定子コア２２０を磁気的有効部分(magnetically active portion)の長さ一杯に拡張することにより、磁束２３０を、固定子コア２２０の面２３５にほぼ並行な方向で固定子コア２２０の中に移動させ、固定子コア２２０の周囲を回転させることができる。したがって、通常、超伝導同期および／または永久磁石モータ／ジェネレータの端部領域において見られる渦電流損が抑制される。
【００１９】
通常、固定子巻線２１５の外側径は、コイル端部分に向かって外側に進むと増加する。これに相応して、拡張固定子コア２２０の内径も増加する。拡張固定子コア２２０の内径は、コア２２０と巻線２１５の間に生じる間隙が小さくなるように、可能な限り固定子巻線２１５に接近して定めることができる。ただし、間隙は、適切などの大きさおよび／または形でもよく、本発明の範囲内であることを企図していることを理解されたい。
【００２０】
回転子２０５は、周囲の環境から超伝導巻線２２５および支持構造(support structure)２４０を断熱するための、巻線支持構造２４０を囲む真空ジャケット（図示せず）を含むことができる。モータ／ジェネレータ２００は、回転子２０５の超伝導巻線２２５を冷やす極低温冷却システム（図示せず）に結合することができる。
【００２１】
ここで図３に移ると、モータ／ジェネレータ３００の別の例を、本発明の態様に従って示してある。電動ジェネレータ３００は、回転子３０５および固定子３１０を備える。固定子３１０は、固定子巻線３１５および固定子コア３２０を備える。固定子コア３２０は、モータ／ジェネレータ３００の固定子巻線３１５の長さとほぼ等価であるか、またはそれよりも長い長さに拡張される。拡張コア３２０の長さを増すと、固定子巻線３１５内の電流に起因する損失がそれだけ減少される。上述したように、固定子コア３２０の長さが拡張されると、固定子巻線３１５のコイル端部分の中の磁束が、渦電流損を緩和するように動作する、拡張固定子コア３２０の面３３０とほぼ並列に、拡張固定子コア３２０を通過させられる。
【００２２】
図４は、本発明の態様によるモータ／ジェネレータ４００のさらに別の例を示す。モータ／ジェネレータ４００は、回転子４１０と同軸に配列された固定子４０５を含む。固定子４０５は、固定子巻線４１５および固定子コア４２０を備える。固定子コア４２０は、本明細書において説明するように、モータ／ジェネレータ４００の端部領域における損失を減少させる、適切などの長さにも拡張される。たとえば、固定子コア４２０の長さは、回転子４１０内の有効長とほぼ等価でも、それより長くてもよい。たとえば、超伝導モータにおいて、磁気的有効部分(magnetically active portion)は、回転子４１０内に置かれた、エンドターンを含む超伝導巻線４２５である。永久磁石機械において、磁気的有効部分(magnetically active portion)は、永久磁石ならびにどの強磁性体も含む。具体的には、固定子コア４２０の長さは、固定子巻線４１５の長さとほぼ等価でよい。さらに、拡張固定子コア４２０は、可変外径（ＯＤ）を含み得る。固定子コア４２０に可変外径（ＯＤ）があることによって、固定子コアの質量の減少が促進され、したがって、モータ／ジェネレータ４００全体に対する質量の減少が促進される。さらに、可変外径（ＯＤ）を使用することにより、固定子コア４２０の製造中に使用される材料の量の減少が促進される。
【００２３】
本明細書において、拡張コアを含むものとして本発明を例示したが、モータ／ジェネレータの端部領域における損失は、図５に示すように、回転子の磁気的有効部分(magnetically active portion)を短くすることによって緩和することもできる。モータ／ジェネレータ５００は、従来の長さの固定子コア５０５を含む。したがって、回転子５１５の磁気的有効部分(magnetically active portion)は、固定子コア５０５の全長とほぼ等価な長さでよい。ただし、磁気的有効部分(magnetically active portion)５１５をあまりにも短くし過ぎると、モータ／ジェネレータ５００のトルクを損失させる結果となる。したがって、本発明は、トルク結合、材料の使用、およびモータ／ジェネレータ５００の効率の釣合いをとることができる。たとえば、磁気的有効部分(magnetically active portion)５１５の長さは、モータ／ジェネレータ５００内で生じるトルクが損なわれないように、固定子コア５０５に対して最適化することができる。したがって、磁気的有効部分(magnetically active portion)５１５は、設計上の優先事項に基づいて、様々な長さであってよい。たとえば、一態様によると、磁気的有効部分(magnetically active portion)５１５の長さは、固定子コア５０５の長さとほぼ等価になる。
【００２４】
別の態様によると、回転子の磁気的有効部分(magnetically active portion)は、ゼロに近い値から、固定子コア５０５の内部半径の約５０パーセントに等価な値までの範囲の長さだけ、固定子コア５０５の長さより長くてよい。図６のグラフ６００に示すように、超伝導モータ／ジェネレータ内の損失は、超伝導巻線および固定子コアの相対的長さに依存する。図６において、（グラフの水平軸に対して）選ばれた測定値は、固定子コアの内部半径に対する、超伝導巻線５１５の長さと固定子コア５０５の長さの間の差の比である。たとえば、この比が、ゼロに近いか、または負のとき、損失はゼロに近い値である。この比が増加すると、損失は、モータ／ジェネレータの設計パラメータの現実的などの範囲内でも急激に増大する。
【００２５】
複数の固定子コア形状を本明細書において説明したが、モータ／ジェネレータ内で、モータ／ジェネレータの端部領域における損失の緩和に使用される拡張固定子コアは、適切などの形状でもよく、したがって、本発明の範囲内であることを企図していることを理解されたい。好ましくは、固定子コアは、磁束を最適化するように形作ることができる。たとえば、コアの形状は、超伝導巻線の設計に応じて変わり得る。さらに、固定子コアを、本明細書では強磁性体からなる積層板を備えるものとして説明したが、固定子コアは、部分的または全体的に、たとえば、フェライト材、鋼線フィラメント巻複合構造、鋼帯巻複合構造、編組鋼線複合構造の少なくとも１つから作ることもできる。
【００２６】
さらに、本発明によるモータ／ジェネレータは、本明細書では、ほとんどの場合、超伝導巻線および永久磁石機械を有する超伝導モータ／ジェネレータとして説明したが、従来の巻線および／または他のどの大型空芯機械を有する同期機も使用することができることを理解されたい。
【００２７】
上述した上記の構造上および機能的特徴を鑑みて、本発明の様々な態様による方法が、図７および図８を参照してよりよく理解されよう。説明を簡単にするために、図７および図８の方法を、連続して実行されるものとして示し説明するが、本発明は図に示す順序に限定されるわけではないことを理解されたい。というのは、いくつかの態様は、本発明に従って異なる順序で起こってもよく、かつ／または本明細書において示し説明する他の態様と同時に起こってもよいからである。さらに、図に示す全て特徴が、本発明の態様による方法の実施に必要となるわけではない。
【００２８】
ここで図７に移ると、モータ／ジェネレータを組み立てる方法７００を示してある。方法７００は、７１０で始まり、ここで、モータ／ジェネレータ用の非磁気および非電気伝導（たとえば、プラスチック）固定子巻線サポート(stator winding support)が使用される。７２０において、拡張固定子コアが、プラスチック製の固定子巻線サポートに結合される。拡張固定子コアの長さは、モータ／ジェネレータの回転子内の磁気的有効部分(magnetically active portion)とほぼ等価でも、それより長くてもよい。拡張固定子コアは、部分的または全体的に、たとえば、フェライト材、鋼線フィラメント巻複合構造、鋼帯巻複合構造、編組鋼線複合構造の少なくとも１つから製造することができる。７３０において、固定子巻線が、拡張固定子コアの内側に置かれた非磁気固定子巻線サポートの中へ配置される。７４０において、ドライブシャフトが使用され、７５０において、ドライブシャフトに回転子が結合される。
【００２９】
図８は、本発明の態様による、モータ／ジェネレータを組み立てる別の方法８００を示す。８１０において、固定子および固定子コアの組立て部品が、モータ／ジェネレータとともに使用される。次いで、８２０において、モータ／ジェネレータ用にドライブシャフトが使用され、８３０において、本明細書において説明したように、短縮された磁気的有効部分(magnetically active portion)を有する回転子が、ドライブシャフトに結合される。磁気的有効部分(magnetically active portion)は、固定子コアの長さとほぼ等価な長さでよい。あるいは、超伝導モータでは、超伝導巻線の長さは、ゼロに近い値から、固定子コアの内部半径の約５０パーセントに等価な値までの範囲内の長さだけ、固定子コアより長くてもよい。ただし、最適な磁束と超伝導巻線の設計との釣合いをとっている限り、超伝導巻線は、固定子コアに対して、適切などの長さでもよいことを理解されたい。
【００３０】
当然ながら、本発明を説明するために構成要素または方法のあらゆる組み合せを説明することはできないが、本発明のさらに多くの組み合せおよび入れ替えが可能であることが当業者には理解されよう。したがって、本発明は、特許請求の範囲の精神および範囲内であるこのようなすべての変更形態、修正形態および変形形態を包含することを意図している。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】従来の空芯モータ／ジェネレータを示す断面図である。
【図２】本発明の態様による拡張固定子コアを有する例示的なモータ／ジェネレータを示す断面図である。
【図３】本発明の態様による拡張固定子コアを有する例示的なモータ／ジェネレータを示す断面図である。
【図４】本発明の態様による、外径が可変な拡張固定子コアを有する、例示的なモータ／ジェネレータを示す断面図である。
【図５】本発明の態様による、回転子内の磁気的有効部分を短縮した例示的なモータ／ジェネレータを示す断面図である。
【図６】固定子コアの長さに対する超伝導モータの有効長へのコア損失依存を示す図である。
【図７】本発明の態様によるモータ／ジェネレータを組み立てる方法を示すフローチャートである。
【図８】本発明の態様によるモータ／ジェネレータを組み立てる方法を示すフローチャートである。
【図１】
2006518180.tif 000003
【図２】
2006518180.tif 000004
【図３】
2006518180.tif 000005
【図４】
2006518180.tif 000006
【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
2006518180.tif 000010
【手続補正書】
【提出日】平成18年4月4日(2006.4.4)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ドライブシャフトと、
前記ドライブシャフトに結合された回転子（２０５、３０５、４１０）であって、超伝導巻線（２２５、５１５）を有する回転子（２０５、３０５、４１０）と、
前記回転子（２０５、３０５、４１０）の回転を促進する固定子巻線（２１５、３１５、４１５）と、
固定子コア（２２０、３２０、４２０、５０５）とを備え、
前記超伝導巻線（２２５、５１５）は、ゼロに近い値から、前記固定子コア（２２０、３２０、４２０、５０５）の内部半径の約５０パーセントに等価な値までの範囲の長さだけ、前記固定子コア（２２０、３２０、４２０、５０５）より長いことを特徴とするモータ／ジェネレータ（２００、３００、４００、５００）。
【請求項２】
前記超伝導巻線（２２５、５１５）の長さは、ゼロに近い値から、前記固定子コア（２２０、３２０、４２０、５０５）の内部半径の約４０パーセントに等価な値までの範囲の長さだけ、前記固定子コア（２２０、３２０、４２０、５０５）より長いことを特徴とする請求項１に記載のモータ／ジェネレータ（２００、３００、４００、５００）。
【請求項３】
前記超伝導巻線（２２５、５１５）の長さは、ゼロに近い値から、前記固定子コア（２２０、３２０、４２０、５０５）の内部半径の約３０パーセントに等価な値までの範囲の長さだけ、前記固定子コア（２２０、３２０、４２０、５０５）より長いことを特徴とする請求項１に記載のモータ／ジェネレータ（２００、３００、４００、５００）。
【請求項４】
前記超伝導巻線（２２５、５１５）の長さは、ゼロに近い値から、前記固定子コア（２２０、３２０、４２０、５０５）の内部半径の約２０パーセントに等価な値までの範囲の長さだけ、前記固定子コア（２２０、３２０、４２０、５０５）より長いことを特徴とする請求項１に記載のモータ／ジェネレータ（２００、３００、４００、５００）。
【請求項５】
前記超伝導巻線（２２５、５１５）の長さは、ゼロに近い値から、前記固定子コア（２２０、３２０、４２０、５０５）の内部半径の約１０パーセントに等価な値までの範囲の長さだけ、前記固定子コア（２２０、３２０、４２０、５０５）より長いことを特徴とする請求項１に記載のモータ／ジェネレータ（２００、３００、４００、５００）。
【請求項６】
モータ／ジェネレータ（２００、３００、４００、５００）を組み立てる方法であって、
ドライブシャフトを使用すること、
前記ドライブシャフトに、超伝導巻線（２２５、５２５）を備える回転子（２０５、３０５、４１０）を結合すること、
前記回転子（２０５、３０５、４１０）の回転を促進するのに、固定子巻線（２１５、３１５、４１５）を使用すること、
固定子コア（２２０、３２０、４２０、５０５）を使用すること、および
トルクの損失対前記モータ／ジェネレータ（２００、３００、４００、５００）の効率の釣合いをとることによって、前記超伝導巻線（２２５、５１５）の長さを決定することであって、前記長さは、ゼロに近い値から、前記固定子コア（２２０、３２０、４２０、５０５）の内部半径の約５０パーセントに等価な値までの範囲であることを含むことを特徴とする方法。
【請求項７】
前記超伝導巻線は、高温超伝導体（ＨＴＳ）巻線であることを特徴とする請求項１に記載のモータ／ジェネレータ（２００、３００、４００、５００）。
【請求項８】
損失は、前記超伝導巻線（２２５、５１５）および前記固定子コア（２２０、３２０、４２０、５０５）の相対的長さに依存することを特徴とする請求項１に記載のモータ／ジェネレータ（２００、３００、４００、５００）。
【請求項９】
超伝導同期モータ／ジェネレータ（２００、３００、４００、５００）であることを特徴とする請求項１に記載のモータ／ジェネレータ（２００、３００、４００、５００）。
【請求項１０】
前記超伝導巻線（２２５、５１５）の長さは、トルクの損失対前記モータ／ジェネレータ（２００、３００、４００、５００）の効率の釣合いをとる関数であることを特徴とする請求項１に記載のモータ／ジェネレータ（２００、３００、４００、５００）。
【請求項１１】
前記固定子コアは、強磁性体から製造された複数の積層物を含むことを特徴とする請求項１に記載のモータ／ジェネレータ（２００、３００、４００、５００）。
【請求項１２】
前記固定子コア（２２０、３２０、４２０、５０５）は、部分的または全体的に、フェライト材、鋼線フィラメント巻複合構造、鋼帯巻複合構造、および編組鋼線複合構造の少なくとも１つから製造されることを特徴とする請求項１に記載のモータ／ジェネレータ（２００、３００、４００、５００）。
【請求項１３】
前記超伝導巻線（２２５、５１５）の長さは、ゼロに近い値から、前記固定子コア（２２０、３２０、４２０、５０５）の内部半径の約４０パーセントに等価な値までの範囲の長さだけ、前記固定子コア（２２０、３２０、４２０、５０５）より長いことを特徴とする請求項６に記載の方法。
【請求項１４】
前記超伝導巻線（２２５、５１５）の長さは、ゼロに近い値から、前記固定子コア（２２０、３２０、４２０、５０５）の内部半径の約３０パーセントに等価な値までの範囲の長さだけ、前記固定子コア（２２０、３２０、４２０、５０５）より長いことを特徴とする請求項６に記載の方法。
【請求項１５】
前記超伝導巻線（２２５、５１５）の長さは、ゼロに近い値から、前記固定子コア（２２０、３２０、４２０、５０５）の内部半径の約２０パーセントに等価な値までの範囲の長さだけ、前記固定子コア（２２０、３２０、４２０、５０５）より長いことを特徴とする請求項６に記載の方法。
【請求項１６】
前記超伝導巻線（２２５、５１５）の長さは、ゼロに近い値から、前記固定子コア（２２０、３２０、４２０、５０５）の内部半径の約１０パーセントに等価な値までの範囲の長さだけ、前記固定子コア（２２０、３２０、４２０、５０５）より長いことを特徴とする請求項６に記載の方法。
【請求項１７】
前記固定子コア（２２０、３２０、４２０、５０５）は、部分的または全体的に、フェライト材、鋼線フィラメント巻複合構造、鋼帯巻複合構造、および編組鋼線複合構造の少なくとも１つから製造されることを特徴とする請求項６に記載の方法。
【請求項１８】
前記固定子コア（２２０、３２０、４２０、５０５）は、強磁性体から製造された複数の積層物を含むことを特徴とする請求項６に記載の方法。
【請求項１９】
前記超伝導巻線は、高温超伝導体（ＨＴＳ）巻線であることを特徴とする請求項６に記載の方法。
【請求項２０】
固定子コア（２２０、３２０、４２０、５０５）と、
ゼロに近い値から、前記固定子コア（２２０、３２０、４２０、５０５）の内部半径の約５０パーセントまでの範囲の長さだけ、前記固定子コア（２２０、３２０、４２０、５０５）より長い磁気的有効部分を有する回転子（２０５、３０５、４１０）とを備えることを特徴とする超伝導同期モータ／ジェネレータ（２００、３００、４００、５００）。
【請求項２１】
前記固定子（２０５、３０５、４１０）の前記磁気的有効部分の前記長さは、トルクの損失対前記モータ／ジェネレータ（２００、３００、４００、５００）の効率の釣合いをとる関数であることを特徴とする請求項２０に記載の超伝導同期モータ／ジェネレータ（２００、３００、４００、５００）。
【請求項２２】
損失は、前記回転子（２０５、３０５、４１０）の前記磁気的有効部分(magnetically active portion)および前記固定子コア（２２０、３２０、４２０、５０５）の相対的長さに依存することを特徴とする請求項２０に記載の超伝導同期モータ／ジェネレータ（２００、３００、４００、５００）。
【請求項２３】
前記回転子（２０５、３０５、４１０）の前記磁気的有効部分(magnetically active portion)は、超伝導巻線（２２５、５１５）であることを特徴とする請求項２０に記載の超伝導同期モータ／ジェネレータ（２００、３００、４００、５００）。
【請求項２４】
前記超伝導巻線（２２５、５１５）は、高温超伝導体（ＨＴＳ）巻線であることを特徴とする請求項２３に記載の超伝導同期モータ／ジェネレータ（２００、３００、４００、５００）。
【請求項２５】
前記固定子コア（２２０、３２０、４２０、５０５）は、強磁性体から製造された複数の積層物を含むことを特徴とする請求項２０に記載の超伝導同期モータ／ジェネレータ（２００、３００、４００、５００）。
【請求項２６】
前記固定子コア（２２０、３２０、４２０、５０５）は、部分的または全体的に、フェライト材、鋼線フィラメント巻複合構造、鋼帯巻複合構造、および編組鋼線複合構造の少なくとも１つから製造されることを特徴とする請求項２０に記載の超伝導同期モータ／ジェネレータ（２００、３００、４００、５００）。
【請求項２７】
前記回転子（２０５、３０５、４１０）の前記磁気的有効部分(magnetically active portion)は、ゼロに近い値から、前記固定子コア（２２０、３２０、４２０、５０５）の内部半径の約４０パーセントまでの範囲の長さだけ、前記固定子コア（２２０、３２０、４２０、５０５）より長いことを特徴とする請求項２０に記載の超伝導同期モータ／ジェネレータ（２００、３００、４００、５００）。
【請求項２８】
前記回転子（２０５、３０５、４１０）の前記磁気的有効部分(magnetically active portion)は、ゼロに近い値から、前記固定子コア（２２０、３２０、４２０、５０５）の内部半径の約３０パーセントまでの範囲の長さだけ、前記固定子コア（２２０、３２０、４２０、５０５）より長いことを特徴とする請求項２０に記載の超伝導同期モータ／ジェネレータ（２００、３００、４００、５００）。
【請求項２９】
前記回転子（２０５、３０５、４１０）の前記磁気的有効部分(magnetically active portion)は、ゼロに近い値から、前記固定子コア（２２０、３２０、４２０、５０５）の内部半径の約２０パーセントまでの範囲の長さだけ、前記固定子コア（２２０、３２０、４２０、５０５）より長いことを特徴とする請求項２２に記載の超伝導同期モータ／ジェネレータ（２００、３００、４００、５００）。
【請求項３０】
前記回転子（２０５、３０５、４１０）の前記磁気的有効部分(magnetically active portion)は、ゼロに近い値から、前記固定子コア（２２０、３２０、４２０、５０５）の内部半径の約１０パーセントまでの範囲の長さだけ、前記固定子コア（２２０、３２０、４２０、５０５）より長いことを特徴とする請求項２２に記載の超伝導同期モータ／ジェネレータ（２００、３００、４００、５００）。
【国際調査報告】
2006518180.tif 000011