(57)【要約】【課題】  可搬式電源装置を提供する。【解決手段】  可搬式電源装置（６００）は、機械エネルギーを発生するタービンエンジン（６０１）を有する。単極電気機械（１０）は、このエネルギーを受け取る。単極電気機械（１０）は、磁界を発生するように構成された単一の固定超伝導界磁コイル（４０）を有する。単極回転子（１２）は、単極回転子（１２）により発生される回転パーミアンス波と単一の固定超伝導界磁コイル（４０）により発生される磁界との相互作用により、固定超伝導界磁コイル（４０）の中で回転磁界が生成されるように、磁界の内部で回転するように構成される。単極電気機械（１０）は発電機として構成され、可搬式電源装置（６００）に対して電力を発生する。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
可搬式電源装置（６００）において、
機械エネルギーを発生するように構成されたタービンエンジン（６０１）と、
前記機械エネルギーを受け取る単極電気機械（１０）とを具備し、
前記単極電気機械（１０）は、磁界を発生するように構成された単一の固定超伝導界磁コイル（４０）と、単極回転子（１２）とを備え、
前記単極回転子（１２）は、該単極回転子（１２）により発生される回転パーミアンス波と前記単一の固定超伝導界磁コイル（４０）により生成される前記磁界との相互作用により、前記固定超伝導界磁コイル（４０）の中に回転磁界が発生されるように、前記磁界の内部で回転するように構成されており、
前記単極電気機械（１０）は発電機（６０３）として構成され、
前記発電機（６０３）は前記可搬式電源装置（６００）に対して電力を発生する、可搬式電源装置（６００）。
【請求項２】
前記可搬式電源装置（６００）は陸上に設置される請求項１記載の可搬式電源装置（６００）。
【請求項３】
前記可搬式電源装置（６００）は航空機上に設置される請求項１記載の可搬式電源装置（６００）。
【請求項４】
前記可搬式電源装置（６００）は船舶上に設置される請求項１記載の可搬式電源装置（６００）。
【請求項５】
前記界磁コイル（４０）が冷却される請求項１記載の可搬式電源装置（６００）。
【請求項６】
前記界磁コイル（４０）は、所定の低温まで冷却される請求項５記載の可搬式電源装置（６００）。
【請求項７】
低温保持装置内部に配置された前記界磁コイル（４０）を更に具備する請求項６記載の可搬式電源装置（６００）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、電動機／発電機の適用に関し、特に、超伝導巻線を含む単極機械に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、多くの超伝導電気機械は、回転子に設けられた超伝導界磁コイルを含む。超伝導界磁コイルは、ヘリウム（Ｈｅ）等の低温流体を継続的に供給することにより、０Ｋに近い温度に維持される。尚、使用される流体はヘリウムに限定されない。界磁コイルを製造する際に高温超伝導体（ＨＴＳ）が使用された場合、超伝導温度を実現するために、窒素（Ｎ２）等の低温流体が使用されてもよい。通常、低温流体は、固定冷凍機から超伝導界磁コイルに回転子の一端部に結合された転送結合部を経て供給される。転送結合部は低温流体を固定部分から回転子の回転部分へ搬送する。その後、低温流体は、超伝導界磁コイルに熱結合された冷却ループを通って搬送され、転送結合部に戻り、更に固定冷凍機に戻される。
【０００３】
超伝導界磁コイルは、熱応力及び遠心力にさらされ、超伝導界磁コイルに給電するための回転子を介する電気接続部を具備する。従って、そのような回転子の設計、製造及び動作は困難である。例えば、超伝導コイル、特にＨＴＳコイルは、機械的ひずみの影響を受けやすい。特に、コイルは、回転子に結合されているために遠心力を受けやすい。遠心力はひずみを引き起こし、超伝導体の性能を劣化させる。加えて、コイルは低温に維持されているので、周囲温度におけるコイルと回転子の部品との熱絶縁の保全性を維持する一方で、遠心力に抗してコイルを所定位置に維持するために、精巧な支持装置が必要である。更に、このような機械の性能の関係上、機械の適用用途は制限される。
【０００４】
エネルギー変換の電気機械的適用が要求される問題の多い領域は、陸上用、航空機用又は船舶用プラットフォームで使用される可搬形軍用補助電源である。このような電源においては、可搬形タービンが発電機を駆動する。高い電力密度が求められるため、頑丈な回転子を具備する高速機械が必要とされる。電気船舶駆動モータ及び発電機は、推進のための動力を供給し、高い電力密度及び高い効率を有し、直接駆動されるか又は歯車箱を介して駆動される。他の適用用途には、船舶用補助電源（高い電力密度及び高い効率が要求される）；水素発電機（高い効率が要求され、通常は低速である）；風力発電機（高い電力密度が要求され、非常に低速である）；周波数偏移器（変化するタービン速度に対して低周波数電力を発生するために、界磁巻線において制御された定周波数交流を伴う発電機）などがある。
【発明の開示】
【０００５】
１つの面においては、固定超伝導界磁コイル及び固定固定子巻線を使用して電気を発生する機械が提供される。装置は、界磁コイルによって磁界を発生することと、回転する回転子により発生される回転パーミアンス波と固定界磁コイルにより発生される磁界との相互作用によって、固定固定子巻線において回転磁界が発生されるように、磁界の中で単極回転子を回転させることとを含む。本発明の機械は、可搬形電源装置、電気船舶駆動モータ及び発電機並びに補助電源装置に電力を供給するが、それらの装置に限定されない。
【０００６】
以上説明した特徴及びその他の特徴は、添付の図面及び以下の詳細な説明により例示される。
【０００７】
図面を参照して本発明を説明するが、図中、同じ要素は、同一の図中符号により示される。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
図１は、単極電気機械１０の一実施形態を示した部分横断面側面図である。電気機械１０は、長手方向軸１６を有する軸１４を有する回転子１２を含む。回転子１２は長手方向軸１６に関して回転自在である。本実施形態においては、軸１４は第１の軸スタブ１７及び第２の軸スタブ１８が軸１４を形成するように分割される。回転子１２は磁極片構体２０を更に含む。磁極片構体２０は、複数の第２の磁極片２４から磁極片構体２０において軸方向に離間して配置された複数の第１の磁極片２２を含む。別の実施形態においては、回転子１２は、軸１４において軸方向に離間して配置され且つ軸１４に結合された第１の磁極片２２及び第２の磁極片２４を含む単一の一体構造として形成される。更に別の実施形態では、磁極片構体２０、第１の磁極片２２及び／又は第２の磁極片２４は、軸１４と一体的に形成されて一体構造の回転子を規定する。本実施形態においては、磁極片構体２０は１つしか示されていない。回転子１２を規定するために、任意の数の磁極片構体２０が縦列結合されてもよい。更に、軸１４が一体構造である実施形態の場合、回転子１２を規定するために、任意の数の磁極片群が軸１４に結合されてもよい。別の実施形態においては、動的性能を改善するために、単極磁極片２２及び２４の各磁極片群は複数の単極磁極片（図示せず）の列を更に含む。追加され且つ複数の磁極片から成る各列は、それぞれ対応する磁極片群２２、２４から軸１４に関して軸方向に位置をずらして配置される。
【０００９】
回転子１２はケーシング２６により回転自在に支持される。ケーシング２６は固定子鉄心２８及び固定子ヨーク３０を更に収納する。固定子鉄心２８の中に規定された軸方向溝に、複数の固定子巻線３２が配置される。ケーシング２６はほぼ円筒形であり、貫通する孔３４を含む。回転子１２の一部は孔３４の内部に配置される。
【００１０】
第１の磁極片２２と第２の磁極片２４との間の軸方向離間距離３６は、界磁コイル４０と第１の磁極片２２との間及び界磁コイル４０と第２の磁極片２４との間のエアギャップ３８を規定する。本実施形態においては、界磁コイル４０は、固定子鉄心２８に結合された低温保持装置（図示せず）の内部に配置される。界磁コイル４０は回転子１２から機械的に分離されており、本実施形態においては、固定コイル支持体（図示せず）により支持される。別の実施形態においては、界磁コイル４０は回転子１２に結合されてもよい。界磁コイル４０は、超伝導温度まで冷却されたとき、電流の流れに対してほぼ０の抵抗を示すように、超伝導材料から製造される。
【００１１】
動作中、電気機械１０は発電機又はモータとして動作する。軸１４に結合された原動機（図示せず）により回転子１２に加えられるねじり力により、回転子１２は長手方向軸１６に関して回転される。固定超伝導界磁コイル４０に電流が供給される。電流は界磁コイル４０を取り囲む磁界を発生する。強磁性の軸１４は、界磁コイル４０の軸を通るため、界磁コイル４０に磁気結合される。界磁コイル４０並びに第１の磁極片２２及び第２の磁極片２４の向きに応じて、界磁コイル４０の磁界と、回転する強磁性磁極片２２及び２４のパーミアンス波との間に、第１の磁極片２２が第１の極性、例えばＮ極性に磁化され、第２の磁極片２４が第２の極性、例えばＳ極性に磁化されるような相互作用が発生する。回転単極磁界は、固定子巻線３２に磁気結合される。
【００１２】
本実施形態においては、界磁コイル４０は回転子１２に関して静止しているため、回転子１２と界磁コイル４０により発生される磁界との回転速度の相対差は、回転子１２の回転速度である。
【００１３】
図２は、電気機械１０（図１に示される）と共に使用できる回転子１２の一例を示した斜視図である。回転子１２は、軸１４、第１の磁極片２２及び第２の磁極片２４を含む。磁極片２２及び２４は１つの磁極セットを規定する。複数の第１の磁極片２２に対して同一の磁気極性が生成され、複数の第２の磁極片２４に対しても同一の磁気極性が生成されるように、回転子構成は単極である。本実施形態においては、複数の第１の磁極片２２の各々は複数の第２の磁極片２４のうち１つに対応する。例えば図２では、回転子１２は、複数の第１の磁極片２２及び複数の第２の磁極片２４の各々が３つの磁極片のみを含むものとして示される。しかし、第１の磁極片２２の各々は、第２の磁極片２４のうち対応する１つの磁極片から、回転子１２の回転方向に約１磁極ピッチ分角度がずれるように配置されている。磁極片２２及び２４のこの角度ずれによって、固定子巻線３２に対して逆極性であり大きさが変化する回転磁界が規定される。これにより、電気機械１０から交番電気出力、例えば、正弦波を発生することが容易になる。
【００１４】
動作中、固定超伝導界磁コイル４０に電流が供給される。界磁コイル４０の超伝導導体を流れる電流は、界磁コイル４０を取り囲む磁界を発生する。第１の磁極片２２及び第２の磁極片２４は、界磁コイル４０に近接して回転し、界磁コイル４０に磁気結合される。界磁コイル４０により発生される磁界と回転子１２の回転する強磁性の磁極片２２及び２４のパーミアンス波との相互作用は、第１の磁極片２２が第１の磁気極性（例えば、Ｎ極性）に向き、第２の磁極片２４が第２の磁気極性（例えば、Ｓ極性）に向いた状態で、回転磁界を発生する。磁極片２２及び２４からの磁束線は、固定子巻線３２（図１に示される）を通過し、固定子巻線３２において電流の流れを発生する。
【００１５】
図３は、回転子１２の図１に示される線３‐３に沿った切り取り端面図である。角度３０２は、第１の磁極片２２と第２の磁極片２４との角度のずれを表す。本実施形態においては、角度３０２は約１磁極ピッチの角度ずれを表す。
【００１６】
図４は、電気機械１０（図１に示される）と共に使用できる回転子１２の別の例を示した斜視図である。本実施形態においては、第１の磁極片２２の各々は、それぞれ対応する第２の磁極片２４と整列している。界磁コイル４０は、各第１の磁極片２２及び各第２の磁極片２４と相互作用する磁界を発生する。その結果、各第１の磁極片２２において第１の極性の磁極が生成され、各第２の磁極片２４において第１の極性とは逆の第２の極性の磁極が生成される。本実施形態においては、固定子巻線３２で補助電流を発生するために、固定子巻線３２は、約１磁極ピッチだけ位置をずらして配置されている。例えば、固定子巻線３２が固定子鉄心２８においてほぼ軸方向に配置されているならば、第１の磁極片２２の磁界は、固定子巻線３２において第１の極性の電流を発生し、第２の磁極片２４は、固定子巻線３２の各巻線において第１の極性とは逆の第２の極性の電流を発生する。固定子巻線３２の各巻線に第１の極性とは逆向きの電流が流れると、実際には固定子巻線３２における電流がほぼ０になる結果となる。従って、第１の磁極片２２の各磁極片及びそれに対応する第２の磁極片の各磁極片は、約１磁極ピッチ分ずれており、これは、固定子巻線３２における互いに逆方向の電流の発生を排除するのに好都合である。
【００１７】
図５は、図４に示される回転子１２の実施形態を使用する場合に、電気機械１０において使用できる１対の巻線５００の一例を示した部分切り取り斜視図である。第１の巻線５０２は、Ｎ極の磁極５０４が、巻線５０２の第１の部分５０６に近接して、方向５０５に通る構成として示される。第１の巻線５０２においては、回転するＮ磁極５０４と巻線５０２との相互作用から電流５０８が発生される。第１の巻線５０２は、第１の部分５０６から、第２の磁極片２４間の空間に近接して配置された部分５１０まで、約１磁極ピッチ離間するように伸びる。部分５１０に近接する磁極片は存在しないため、部分５１０において発生される電流は、ほぼ０である。従って、電流は巻線５０２を通って流れる。同様に、第２の巻線５１２は、Ｓ極の磁極５１４が第１の部分５１６に近接して、方向５０５に通る構成として示される。第２の巻線５１２においては、回転する磁極５１４と巻線５１２との相互作用から、電流５１８が発生される。第２の巻線５１２は、第１の部分５１６から、第１の磁極片２２間の空間に近接して配置された部分５２０まで、約１磁極ピッチ離間するように方向付けられる。部分５２０に近接する磁極片は存在しないため、部分５２０において発生される電流は、ほぼ０である。従って、電流は巻線５１２を通って流れる。
【００１８】
以上説明した方法及び装置は、固定界磁コイル及び単極回転子を使用して電気を発生する費用効率及び信頼性に優れた手段を提供する。特に、上述の方法及び装置は、電気機械の回転子に関して静止している超伝導界磁コイルの利用を容易にする。その結果、本明細書において説明される方法及び装置は、費用効率及び信頼性に優れた方法により電力を発生するのに好都合である。
【００１９】
更に、界磁コイル４０を回転子１２から機械的に離間して配置し且つコイル４０を静止した状態に維持する構成により、単純且つ信頼性に優れた電気機械１０の製造を含め、数多くの利点が得られる。例えば、固定界磁コイルは、回転界磁コイルにおいて発生されるような相対的に大きな遠心力を受けないので、簡単なコイル支持構体を利用できる。界磁コイルの支持構造に課される条件が緩和されることにより、固定界磁コイルと周囲温度との間の熱絶縁をより簡単に製造できる。界磁コイルに作用する相対的に大きな力が存在しなければ、その結果、超伝導コイルにおけるひずみは小さくなるため、ＨＴＳコイルの信頼性を向上できる。固定界磁コイルが回転子を取り囲んでいるので、複雑な「レーストラック」形コイルより単純なソレノイドコイルとして界磁コイルを設計できる。固定界磁コイルを冷却する低温保持装置も静止しているため、低温保持装置の設計も簡単になる。例えば、回転冷却回路の中へ冷却媒体を誘導するための複雑な転送結合部は不要になり、単純な直接冷却接続を使用できる。すなわち、すでに確立されている信頼性の高い冷却方法の１つ、例えば伝導冷却により、コイルを冷却できる。熱絶縁に望ましい真空を静止させることができるので、製造及び組み立てがより単純になり、信頼性も向上する。同様に、絶縁装置の他の部分も、相対的に大きな遠心力を考慮する必要なく、より信頼性の高い構造にすることができる。固定励磁装置から界磁コイルへ電流を伝達するために、スリップリング構体を設ける必要はない。その結果、コイルの電圧を予測しやすくなり、信頼性に優れた固定保護回路によってコイルを検出し、急冷し、保護することが容易になる。更に、回転ブラシレス励磁装置を考慮する必要はない。
【００２０】
図６は、図１から図５に示される単極電気機械１０の実施形態の適用の一例を示した概略ブロック図である。特に、電源装置６００は、例えば、陸上（陸軍）、船舶上及び航空機上のプラットフォームにおいて見られるような可搬式電源装置を示す。図示されるように、電源装置６００は、発電機６０３として構成された単極電気機械１０と１列に接続されたタービンエンジン６０１を含む。発電機の一例は、３，６００ｒｐｍ以上のシステムにおいて２〜４０ＭＷの電力を発生するマルチメガワット発電機である。
【００２１】
更に、図７の電源装置６０４は船舶推進装置を示す。電源装置６０４は、船舶の駆動システムに対して電力を供給する。タービンエンジン６０１は、発電機６０８に機械出力を供給し、発電機６０８は、モータ６０５として構成された単極電気機械１０に電力を供給する。必要に応じて、発電機６０８は、発電機として構成された単極電気機械１０であってもよい。先に説明された単極電気機械１０は、船舶を推進するための動力源を構成する。
【００２２】
更に別の適用例においては、電源装置６０６は、発電モジュール６０７として構成された単極電気機械１０に接続されたタービンエンジン６０１を含む補助電源装置（例えば、船舶上、車両又は航空機環境で見られるような装置）を示す。必要に応じて、発電モジュールは数ＭＷの出力を有してもよい。電源装置６０６は、環状配電三相交流システム又は他の種類の電力調整モジュールに給電するように設計される。同一のリングから、適切な変圧器及び／又は電力電子変換器を介して、交流供給負荷及び直流供給負荷が給電されてもよい。
【００２３】
以上、発電装置の実施形態を詳細に説明した。装置は、本明細書において説明された特定の実施形態に限定されず、各装置の構成要素は、本明細書中で説明された他の構成要素から独立して別個に利用されてもよい。装置の各構成要素は、他の装置構成要素と組み合わせて使用できる。
【００２４】
高速単極電気機械１０の主な利点の１つは、接続される変圧器の磁気回路に高周波数が供給されていることである。これは、装置の小型化及び軽量化を可能にするという効果を有する。必要に応じて、高周波数交流は直流に変換されてもよい。高周波数の電気は、最新の高出力レーダー及び直接エネルギー兵器には好適なエネルギー源である。
【００２５】
一実施形態を参照しつつ本発明を開示したが、開示の範囲から逸脱せずに、種々の変更を実施でき、また、要素を等価の要素と置き換えても差し支えないことは当業者には理解されるであろう。更に、開示の本質的範囲から逸脱せずに、特定の状況又は材料を開示の教示に適応させるために、数多くの変形を実施できる。従って、開示は、本開示を実施するために最良であると考えられる態様として開示された特定の実施形態に限定されず、本開示は、添付の特許請求の範囲の範囲内に入るあらゆる実施形態を含むことが意図される。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】単極電気機械の一実施形態を示した部分横断面側面図である。
【図２】図１に示される電気機械と共に使用できる回転子の一例を示した斜視図である。
【図３】図２に示される回転子の図１に示される線３‐３に沿った切り取り端面図である。
【図４】図１に示される電気機械と共に使用できる回転子の別の例を示した斜視図である。
【図５】図４に示される回転子の別の実施形態を使用する場合に、電気機械において使用できる１対の巻線の一例を示した部分切り取り斜視図である。
【図６】可搬式電源装置として説明される単極電気機械の適用の一例を示したトップレベルブロック図である。
【図７】電気船舶駆動装置として説明される単極電気機械の適用の一例を示したトップレベルブロック図である。
【図８】補助電源装置として説明される単極電気機械の適用の一例を示したトップレベルブロック図である。
【符号の説明】
【００２７】
１０…単極電気機械、１２…回転子、１４…軸、２２…第１の磁極片、２４…第２の磁極片、３２…固定子巻線、４０…界磁コイル、６００…可搬式電源装置、６０１…タービンエンジン、６０３…発電機
【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】
2007116895.tif 000009
【図８】
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【外国語明細書】
2007116895000001.pdf