(57)【要約】【課題】極低温静止励磁器（１０）を、提供すること。【解決手段】極低温静止励磁器（１０）は、界磁巻線（１２）を有する同期電気機械（１１）に接続される。同期電気機械（１１）は、冷凍機または液体窒素などの冷凍剤によって冷却される。静止励磁器（１０）は界磁巻線（１２）と連絡し、室温で動作する。静止励磁器（１０）は静止励磁器（１０）の選択された領域に、同期機に対して働くこともできる冷凍機または冷凍剤供給源からの冷却を受け、冷却が静止励磁器（１０）の選択された領域の動作温度を選択的に低下させる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
界磁巻線（１２）を有する同期電気機械（１１）と、
前記界磁巻線（１２）と連絡する静止励磁器（１０）とを含み、
前記静止励磁器（１０）は、室温で動作し、
前記静止励磁器（１０）は、選択された領域に冷却を受け、
前記冷却が、前記静止励磁器（１０）の選択的に冷却される領域の動作温度を低下させる、極低温静止励磁器（１０）のための装置。
【請求項２】
前記界磁巻線（１２）が静止型である、請求項１記載の極低温静止励磁器（１０）のための装置。
【請求項３】
前記界磁巻線（１２）が回転型である、請求項１記載の極低温静止励磁器（１０）のための装置。
【請求項４】
前記冷却が液体冷凍剤によるものである、請求項１記載の極低温静止励磁器（１０）のための装置。
【請求項５】
前記冷却が冷凍によるものである、請求項１記載の極低温静止励磁器（１０）のための装置。
【請求項６】
前記励磁器の選択された構成要素の動作温度が約３４０Ｋである、請求項１記載の極低温静止励磁器（１０）のための装置。
【請求項７】
前記同期電気機械（１１）が冷却された、請求項１記載の極低温静止励磁器（１０）のための装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は低温励磁器に関し、特に極低温静止励磁器（cryogenic static exciter)に関する。
【背景技術】
【０００２】
通常、同期機の励磁器は、回転子上に通常見られる界磁巻線への電気的接続を有して同期機の固定子の近くに取り付けられる。励磁器の機能は界磁巻線に電流を供給し、それによって機械の動作に必要な磁界を発生させる。これらの界磁励磁器は、機械の出力電圧を制御する役割を有した比較的大きな定格電流および帯域の直流（ＤＣ）制御増幅器と考えることができる。これらの増幅器は機械の励磁器巻線に給電するためのＤＣ電圧を発生させるために、他のパワーエレクトロニクスの中でも、送電線網に接続された３相トランスから直接、あるいは機械端子から直接給電されるサイリスタブリッジを用いることができる。発電用に使用される機械に給電するために用いられる場合は、ひとつにはその磁気構成要素の重量により、界磁励磁器は一般に寸法および重量が大きくなる。たとえば所要電力が大きい航空機は、発電機および付随する界磁励磁器の寸法、出力電力、および重量によって影響を受ける。航空機の所要電力が絶えず増大すれば、発電同期機の寸法および重量はより大きな問題となる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
過去における同期機の寸法および重量の問題を解決する試みは、ある点では成功し他の点では不成功であった。比較的最近の概念は、界磁励磁器を含む同期機の一部を極低温に冷却するもので、各部分を超電導としてもよい。一般に極低温冷却は、１００Ｋ（ケルビン）以下とされている。低温では多くの半導体デバイスの電流処理能力およびスイッチング速度は改善し、コイルおよび導体の抵抗は減少し、超電導体はＤＣでの抵抗がゼロとなり、それによってこれらの構成要素の寸法および重量は低減される。この手法により構成要素の寸法および重量は低減され性能は向上するが、冷却することでいくつかの構成要素の寸法および重量はあまり低減されず、あるいは冷却が高くつき過ぎるため、経済的でないものになり得る。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
開示の技術は、極低温静止励磁器である。極低温静止励磁器は、同期電気機械の界磁巻線に接続される。同期電気機械を冷凍剤または冷凍によって極低温に冷却してもよい。静止励磁器は界磁巻線に電気的に接続され、その一部は室温で動作してもよい。静止励磁器の選択された領域は、冷凍機または冷凍剤供給源から冷却を受け、それらは極低温同期機に供給してもよく、冷却により静止励磁器の動作温度を選択的に低下させる。
【０００５】
上記その他の特徴について、以下の図および詳細な説明により例示する。
【０００６】
次に図を参照する。図中では同様の要素には同様な番号が付けられている。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
図１で、開示の技術は、同期電気機械１１用の冷却された静止励磁器１０である。電気機械１１は、望むなら巻線型界磁または同極回転子を有してもよい。すなわち界磁巻線１２は、電気機械１１の回転子上または固定子上に取り付けることができる。電気機械１１は、望むなら各部分が１００Ｋ（ケルビン）以下に冷却されるという点において、極低温としてもよい。これの例は、界磁巻線を液体冷凍剤中に包み込むことによって、７７Ｋまで冷却した電気機械１１である。液体冷凍剤の例としては、液体窒素がある。電気機械１１の固定子巻線および界磁巻線は、望むなら銅、アルミニウム、または超電導材料から製造することができる。
【０００８】
図１の静止励磁器１０は、電気機械１１の極く近傍に配置される。静止励磁器１０は、比較的大きな定格電流の直流（ＤＣ）制御増幅器である。この増幅器は、電気機械１１の界磁巻線へ給電するＤＣ電圧を発生するために、送電線網に接続された３相トランスから直接給電されるサイリスタブリッジを用いることができる。電気機械１１が発電用に用いられる場合は、一般に寸法が大きく、その電磁構成要素および構造構成要素の重量によって重量が大きい。電気機械１１の寸法および重量を低減するために、極低温供給源１３によって極低温に冷却することができる。
【０００９】
冷却された電気機械１１はまた静止励磁器１０に冷却を供給することもでき、あるいは静止励磁器１０は、図１の極低温供給源１３および／または冷凍供給源６３から直接、冷却を受けることもできる。静止励磁器１０は、１３および／または６３からの冷却を、静止励磁器１０の電子回路へ選択的に導く。１３および／または６３からの冷却を選択的に印加することにより、倹約的かつ経済的に静止励磁器１０の寸法および重量を低減することが可能になる。静止励磁器１０のある領域を冷却する方が他の領域よりも経済的となり得る。冷却すべき領域には、半導体、導電体、フィルタ、コンデンサ、インダクタ、または電源トランスを含めることができる。
【００１０】
半導体デバイス：パワーＭＯＳＦＥＴや絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）などの半導体スイッチに対しては、低温で動作させるとオン抵抗による損失の大幅な低減が得られることが知られている。界磁励磁用に必要な比較的大電流による抵抗性損失の低減には大きな利益が見られる。デバイスはまた冷却されると、より高速でスイッチングすることができ、より高速でより小型な回路が可能になり、スイッチング損失の低減からも利益が得られる。
【００１１】
導電体：静止励磁器１０により必要とされる配線は、大電流を通さなければならず、システムの総電力損失および重量への寄与が大きい。高温超電導材料により配線を行うと、配線の損失、および寸法／重量が低減する。ただし高温超電導材料の使用が実際的でなければ、従来の銅またはアルミニウム配線を冷却してもその導電率および性能は改善する。
【００１２】
フィルタ：大電流とその制御には、高周波での半導体スイッチングの使用が必要となる。ケーブル布線、トランス、およびその他の構成要素から放出される電磁干渉の量を低減するために、これらのデバイスの出力は遮蔽するだけでなく、インダクタを用いてフィルタリングする必要があり、そのインダクタは高温超電導巻線または冷却された通常の導電体により組み立てることができ、それによって損失、重量、および寸法が低減される。また電磁干渉遮蔽材料も、さらに寸法を小さくし導電率を高めそれによって遮蔽能力を向上させるために、高温超電導または冷却された導電体により作製することができる。励磁器のＤＣ出力を円滑化させるためにフィルタも用いられる。フィルタは一般にコンデンサ、およびダイオードを含み、それらも冷却により利益を得る。
【００１３】
電源トランス：界磁巻線１５のインダクタンスの値が大きいことと、電気機械１１の厳密な電圧調節のために必要な制御帯域とにより、出力電圧が高い（約１ＫＶまでの）電流増幅器を用いる必要がある。この電圧レベルは、高い高度で起こることがあるコロナ効果により、航空機などのいくつかの用途では、より低い値（最大２７０Ｖ）に制限され得る。これらの電圧により電源トランスを用いることが必要になり、電源トランスは、寸法、重量、および電力損失を低減するために高温超電導または冷却された従来の巻線を用いることによって利益が得られる。
【００１４】
静止励磁器１４の一実施例を図２に示す。静止励磁器１４は、電気機械すなわちモータまたは発電機の、界磁巻線コイル１５への電流を制御する。静止励磁器１４は、冷却の候補となる上記の選択されたいくつかの構成要素を含む。選択された構成要素に対する静止励磁器１４の冷却はその約３４０Ｋの室温動作温度から、冷凍剤冷却については１００Ｋ未満へ、冷凍冷却については１００Ｋを超えるものとなる。静止励磁器１４は、ブーストコンバータ１６と、バックコンバータ１７を含む。ブーストコンバータ１６は、低いＤＣ電圧を高いＤＣ電圧に変換するように構成される。低電圧のＤＣ電力は低電圧ＤＣバス１８に供給され、高電圧のＤＣ電力は高電圧ＤＣバス６１に出力される。
【００１５】
図２のブーストコンバータ１６は、インダクタ１９と、ＩＧＢＴスイッチ２０を含む。ＩＧＢＴスイッチ２０はＤＣバスの両端に結合され、たとえばパルス幅変調方式では下記で論じるように低電圧バス１８からの電力を、高電圧バス６１に印加される、より高い電圧に変換するためにスイッチングさせることができる。コンデンサ２１はＩＧＢＴスイッチ２０と並列に結合され、より高い電圧を蓄える。ダイオード２２は、高電圧ＤＣバス６１からブーストコンバータ１６への電流の逆流を防ぐ。
【００１６】
図２のバックコンバータ１７は、第１のバックコンバータＩＧＢＴスイッチ２３、第２のバックコンバータＩＧＢＴスイッチ２４、ならびにＩＧＢＴスイッチ２３および２４の周りに結合された１対のフライバックダイオード２５、２６を含む。第１および第２のバックコンバータＩＧＢＴスイッチ２３、２４のスイッチングに応じて、コイルが充電または放電される。当業者には理解されるように図示の実施形態ではバックコンバータは２象現コンバータであり、第１および第２のバックコンバータスイッチは、電流が反転されず極性が反転される形でスイッチングされることを意味する。
【００１７】
通常の動作中は図２のブーストコンバータ１６は、ＤＣ電源２７に結合される。図中にはＤＣ電源２７は電池として示されているが、任意の低電圧源でよい。図に示すようにコントローラ２８は、制御信号を与えるためにブーストコンバータ１６のＩＧＢＴスイッチ２０のゲートに電気的に接続され、界磁巻線コイル１５を励磁するために必要な電圧を供給するためにバックコンバータ１７のＩＧＢＴスイッチ２３および２４に接続される。具体的には、コントローラ２８によるブーストＩＧＢＴスイッチ２０のパルス幅変調（ＰＷＭ）は、高電圧ＤＣバス６１用に、コンデンサ２１に所望の高電圧を蓄積する。界磁巻線コイル１５を充電するとき、コンデンサ２１は放電してバックコンバータ１７に電圧を供給する。
【００１８】
図２のブーストコンバータ１６およびバックコンバータ１７は、望むならその全体を冷却してもよい。コンデンサ２１も冷却することができるが得られる利益は限定される。ブーストコンバータ１６およびバックコンバータ１７の冷却の経済的価値は考慮すべきものになり得る。冷却のコストによっては、ブーストコンバータ１６およびバックコンバータ１７全体を冷却する代わりに選択された数の構成要素を冷却してもよい。たとえばブーストコンバータ１６およびバックコンバータ１７のすべての構成要素を冷却する代わりに、ＩＧＢＴスイッチ２０、２３、および２４を冷却する。３５０Ｋから７７Ｋに冷却されると、ＩＧＢＴスイッチ２０、２３、および２４の電流処理特性は２倍を超える。静止励磁器１４のコイル以外の構成要素では、ＩＧＢＴスイッチ２０、２３、および２４が冷却によって最も利益を得る。
【００１９】
別の実施例は図３の多層型静止励磁器２９であり、低電圧から高電圧に変換するのにＤＣ−ＤＣコンバータ３０を使用する。ＤＣ−ＤＣコンバータ３０は、低電圧バス３１と高電圧バス３２の間に結合される。積層型ブリッジは、高電圧バスコンバータ３３および低電圧バスコンバータ３４のバックコンバータで、それぞれ１対のＩＧＢＴスイッチ３５、３６および４４、３７を有する。各スイッチのゲートは、コントローラ６０に結合される。見やすいように、コントローラ６０を各ゲートに接続する線は省かれている。前述のように、界磁巻線コイル１５に必要な電圧を供給するために、各スイッチはコントローラ６０によってＰＷＭスイッチングされる。たとえば、界磁巻線コイル１５に高電圧バスからの最大限の高電圧を供給するためには、コントローラ６０はすべてのＩＧＢＴスイッチを導通状態にする。コンデンサ３８に放電させるためには、コントローラ６０は、第１の低電圧バスＩＧＢＴスイッチ４４と第２の低電圧バスＩＧＢＴスイッチ３７を導通状態にするとともに、第１の高電圧バスＩＧＢＴスイッチ３６と第２の高電圧バスＩＧＢＴスイッチ３５の両方を非導通状態にする。電流は、界磁巻線コイル１５から、両方の低電圧バスコンバータスイッチと低電圧バスフライバックダイオード４３を通り、第１の高電圧バスフライバックダイオード３９を通って、ＤＣリンクコンデンサ３８へ流れる。
【００２０】
この構成は、先に述べた回路と同じ多くの利点をもたらす。たとえばＤＣ−ＤＣコンバータ３０が双方向性であれば、システムバスを再生するように使用することもできる。さらに低電圧源／バスから高電圧を得ることができ、そのときの必要に応じて一定範囲の電圧をコイルに供給することができる。
【００２１】
図３のバックコンバータ３３、３４は、望むならその全体を冷却してもよい。コンデンサ３８、ダイオード３９、４１、４２、および４３を冷却してもよいが冷却によって得られる利益は限定される。先に論じたように、バックコンバータ３３および３４を冷却することは可能であるが、多層型静止励磁器２９の選択された領域を冷却するのが、より経済的に報われ得る。たとえばＤＣ−ＤＣコンバータ３０では、電源トランスが冷却により直接利益を得る。ＤＣ−ＤＣコンバータ３０の温度を３５０Ｋから７７Ｋすなわち１／５に低下させれば、ＤＣ−ＤＣコンバータ３０の抵抗は約１／５に減少する。
【００２２】
別の実施例は、図４の静止励磁器４５である。静止励磁器４５は、コンデンサ４８に接続された３相ダイオード整流ブリッジ６２に給電する電源トランス４６を備える。回路のこの部分はＡＣ電圧をＤＣ電圧に変換し、次いでＤＣ−ＤＣコンバータ４９に給電し、ローパスフィルタ５０によってフィルタリングする。フィルタ５０は、電気機械すなわちモータまたは発電機の界磁巻線コイル１５に接続される。回路構成要素間の接続は、大電流伝送用のバスバーを通して行われる。このタイプの静止励磁器の冷却により主として利益を受ける構成要素は、フィルタ５０のコイル、電源トランス４６、およびそれらの間のバスバー接続である。先に論じたように冷却により、電源トランス、フィルタコイル、およびバスバーが直接利益を得る。上記の構成要素の温度を３５０Ｋから７７Ｋすなわち１／５に低下させれば、上記の構成要素の抵抗は１／５に減少する。これらの構成要素は、静止励磁器４５の寸法および重量に大きな割合を占める。したがって冷却による寸法および重量の低減について最大の利益が得られるのは、電源トランス、フィルタコイル、およびバスバーである。
【００２３】
図４の静止励磁器４５において、冷却により利益が得られる他の構成要素がある。それらはダイオード４７、コンバータ４９中の半導体スイッチおよびダイオード、ならびにコンデンサ４８であるが、経済的利益は限定される。すなわち経済的利益は、電源トランス、コイル、およびバスバーほど劇的ではないことがあり得る。１００Ｋより上での冷却は、選択された構成要素の冷却の経済的利益を最大にし得る。経済的な問題は、具体的な温度への冷却による利益と、冷却のコストを最適化することである。望むなら１００Ｋより上での冷却は、より低温度の冷却のように、冷凍供給源６３によって得られる。たとえば冷凍供給源６３によってダイオード４７およびコンデンサ４８を温度１７０Ｋまで冷却することにより、経済的利益が最大になり、さらなる冷却による追加費用は生じない。望むなら同じ静止励磁器に対して冷却温度の組合せを用いてもよい。たとえば静止励磁器４５は、電源トランス、コイル、バスバーに加えられた低温度冷却と、ダイオード、スイッチ、およびコンデンサに加えられた高温度冷却を用いてもよい。
【００２４】
以上、本発明を例示的実施形態に関して説明してきたが、開示された技術の範囲から逸脱することなく様々な変更を行うことができ、その構成要素について等価物と置き換えることができることが当業者には理解されよう。さらにその基本的な範囲から逸脱することなく、具体的な状況または材料を適合させるように開示された技術の教示に対して多くの修正を行うことができる。したがって開示された技術は、本発明を実施するために考えられた最良の形態として開示された具体的な実施形態に限定されるものではなく、本発明は添付の特許請求の範囲に含まれるすべての実施形態を含むものとする。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】極低温静止励磁器の例示的実施形態の最上位レベルのブロック図である。
【図２】同期機用の界磁励磁器の概略図である。
【図３】図２に対する代替実施形態の概略図である。
【図４】図２に対する第２の代替実施形態の概略図である。
【符号の説明】
【００２６】
１０  静止励磁器
１１  同期電気機械
１２  界磁巻線
１３  極低温供給源
１４  静止励磁器
１５  界磁巻線
１６  ブーストコンバータ
１７  バックコンバータ
１８  ＤＣバス
１９  インダクタ
２０  ＩＧＢＴスイッチ
２１  コンデンサ
２２  ダイオード
２３、２４  ＩＧＢＴスイッチ
２５、２６  フライバックダイオード
２７  電源
２８  コントローラ
２９  静止励磁器
３０  ＤＣ−ＤＣコンバータ
３１  低電圧バス
３２  高電圧バス
３３  高電圧バスコンバータ
３４  低電圧バスコンバータ
３５、３６、３７  ＩＧＢＴスイッチ
３８  コンデンサ
３９  フライバックダイオード
４１、４２、４３  ダイオード
４４  ＩＧＢＴスイッチ
４５  静止励磁器
４６  電源トランス
４７  ダイオード
４８  コンデンサ
４９  コンバータ
５０  ローパスフィルタ
６０  コントローラ
６１  高電圧ＤＣバス
６２  ダイオード整流ブリッジ
６３  冷凍供給源
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
2007151382.tif 000006