(57)【要約】  長手方向軸線および第１の回転慣性を有する高温超伝導体（ＨＴＳ）回転機である。長手方向軸線を中心として配置された円筒状固定子アセンブリと、固定子アセンブリ内に配置された円筒状回転子アセンブリとが存在する。回転子アセンブリは、固定子アセンブリ内で長手方向軸線を中心として回転するように構成されている。回転子アセンブリは、動作中に固定子アセンブリを連結する磁束を生成する少なくとも１つのＨＴＳ巻線アセンブリを含む。第２の回転慣性を有する少なくとも１つのＨＴＳ巻線アセンブリを中心として配置された円筒状の電磁シールドが存在する。回転子アセンブリの少なくとも１つの超伝導巻線アセンブリを冷却するための極低温冷却システムが存在する。第２の回転慣性は、第１の回転慣性の少なくとも８０パーセント（８０％）である。
2020533930.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
長手方向軸線を有し、かつ第１の回転慣性を有する高温超伝導体（ＨＴＳ）回転機であって、
前記長手方向軸線を中心として配置された円筒状の固定子アセンブリと、
前記固定子アセンブリ内に配置され、前記固定子アセンブリ内で前記長手方向軸線を中心として回転するように構成された円筒状回転子アセンブリであって、
動作中に前記固定子アセンブリを連結する磁束を生成する少なくとも１つのＨＴＳ巻線アセンブリと、
前記少なくとも１つのＨＴＳ巻線アセンブリを中心として配置された円筒状電磁シールドであって、第２の回転慣性を有する円筒状電磁シールドと、
を含む円筒状回転子アセンブリと、
前記回転子アセンブリの前記少なくとも１つの超伝導巻線アセンブリを冷却するための極低温冷却システムと、
を備え、
前記第２の回転慣性は、前記第１の回転慣性の少なくとも８０パーセント（８０％）である、
高温超伝導体（ＨＴＳ）回転機。
【請求項２】
前記少なくとも１つのＨＴＳ巻線がＮ極対ｐ個を備える、請求項１に記載の高温超伝導体（ＨＴＳ）回転機。
【請求項３】
前記長手方向軸線から前記少なくとも１つのＨＴＳ巻線までの半径Ｒ１を含む、請求項２に記載の高温超伝導体（ＨＴＳ）回転機。
【請求項４】
前記円筒状電磁シールドが厚さｔを有し、厚さｔはＲ１／ｐの５０％より大きい、請求項３に記載の高温超伝導体（ＨＴＳ）回転機。
【請求項５】
前記円筒状電磁シールドが金属を含む、請求項４に記載の高温超伝導体（ＨＴＳ）回転機。
【請求項６】
前記金属が、銅、スチール、鉛、金、タングステン、および使用済みウランのうちの１つ以上を含むことができる、請求項５に記載の高温超伝導体（ＨＴＳ）回転機。
【請求項７】
タービンと、
第１の端部で前記タービンに相互接続されたシャフトと、
前記シャフトの第２の端部に接続され、かつ長手方向軸線および第１の回転慣性を有する高温超伝導体（ＨＴＳ）回転機とを備え、前記高温超伝導体（ＨＴＳ）回転機は、
前記長手方向軸線を中心として配置された円筒状の固定子アセンブリと、
前記固定子アセンブリ内に配置され、前記固定子アセンブリ内で前記長手方向軸線を中心として回転するように構成された円筒状回転子アセンブリであって、
動作中に前記固定子アセンブリを連結する磁束を生成する少なくとも１つのＨＴＳ巻線アセンブリと、
前記少なくとも１つのＨＴＳ巻線アセンブリを中心として配置された円筒状電磁シールドであって、第２の回転慣性を有する円筒状電磁シールドと、
を含む円筒状回転子アセンブリと、
前記回転子アセンブリの前記少なくとも１つの超伝導巻線アセンブリを冷却するための極低温冷却システムと、を備え、
前記第２の回転慣性は、前記第１の回転慣性の少なくとも８０パーセント（８０％）である、高温超伝導体（ＨＴＳ）回転機である
ターボ発電機。
【請求項８】
前記少なくとも１つのＨＴＳ巻線がＮ極対ｐ個を備える、請求項７に記載のターボ発電機。
【請求項９】
前記長手方向軸線から前記少なくとも１つのＨＴＳ巻線までの半径Ｒ１を含む、請求項８に記載のターボ発電機。
【請求項１０】
前記円筒状電磁シールドが厚さｔを有し、厚さｔがＲ１／ｐの５０％を超える、請求項９に記載のターボ発電機。
【請求項１１】
前記円筒状電磁シールドが金属を含む、請求項１０に記載のターボ発電機。
【請求項１２】
前記金属が、銅、スチール、鉛、金、タングステン、および使用済みウランのうちの１つ以上を含むことができる、請求項１１に記載のターボ発電機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
この出願は、２０１７年９月７日に出願された米国特許出願第１５／６９７，５４９号明細書の優先権を主張し、その内容はその全体が参照によって本明細書に組み込まれる。
【０００２】
本発明は、高温超伝導体（ＨＴＳ）発電機に関し、より具体的には、増加した回転慣性を含む、そのようなＨＴＳ発電機に関する。
【背景技術】
【０００３】
機械式、空圧式、油圧式などの他の手段の代わりにすべての電力要求に対して電気的手段を使用することを含み得る全電気式船の概念は、米国および外国海軍の両方で本格化してきている。電力の利用可能性の多様性は、新規な種類の武器および船システムを可能にする。いくつかの提案された新規な武器は、特に厳しい電源要件を提示する。例えば、電熱、化学、および電磁銃および高出力レーザまたはマイクロ波指向エネルギー武器は、技術的に電磁銃に類似している電気鉄道航空機発射装置（電気カタパルト）と同様に、非常に短期間に大量の電力を必要とする。
【０００４】
海軍船の船内スペースおよび重量の要件を最小限に抑えることは非常に重要であり、その結果、コンパクトなガスターボ発電機は、船のすべてのシステムに電力を供給するために使用される船の送電網へのエネルギー供給に必要な電力を生成するための魅力的な選択肢である。魅力的な選択肢は、ターボ発電機を備える高温超伝導体（ＨＴＳ）発電機を利用して、船舶の送電網の電源のサイズおよび重量をさらに削減することである。しかしながら、ＨＴＳ発電機を備えるターボ発電機を使用すると、上記の武器システムの厳しい電力要件を適切に処理できない比較的低い回転慣性システムをもたらし、船舶の送電網上に破壊的な過渡電流が付与されることになる。
【０００５】
ターボ発電機の回転慣性が比較的低い場合、パルス負荷中に加えられるトルクは、より高い回転慣性のターボ発電機よりも回転速度の低下において大きな影響を及ぼす。回転速度が低下すると、それに比例してターボ発電機からの周波数、電圧、電力が低下する。これらの問題を解決するには、直列インダクタンスまたはその他のエネルギー貯蔵手段などの追加的な電力品質構成要素が、ＨＴＳ発電機を使用するシステムに追加され得る。しかしながら、それらはシステムコストを増加させ、追加のスペースを必要とする。別法として、長さおよび回転慣性を増加させた従来の発電機（非ＨＴＳ発電機）を使用して、一時的な問題を克服することができるが、従来の発電機の追加されたサイズおよび重量は、特に隔壁の間隔が制限されている船舶では確かに欠点となる。
【発明の概要】
【０００６】
一態様では、本発明は、長手方向軸線および第１の回転慣性を有する高温超伝導体（ＨＴＳ）回転機を特徴とする。回転機は、長手方向軸線を中心として配置された円筒状固定子アセンブリと、固定子アセンブリ内に配置され、長手方向軸線を中心として固定子アセンブリ内で回転するように構成された円筒状回転子アセンブリとを含む。回転子アセンブリは、動作中に固定子アセンブリを連結する磁束を生成する少なくとも１つのＨＴＳ巻線アセンブリを備える。少なくとも１つのＨＴＳ巻線アセンブリを中心として配置された円筒状の電磁シールドが存在し、円筒状電磁シールドは第２の回転慣性を有する。回転子アセンブリの少なくとも１つの超伝導巻線アセンブリを冷却するための極低温冷却システムが存在する。第２の回転慣性は、第１の回転慣性の少なくとも８０パーセント（８０％）である。
【０００７】
本発明の他の態様では、以下の特徴の１つ以上が含まれ得る。少なくとも１つのＨＴＳ巻線は、Ｎ極対ｐ個を備えることができる。回転機は、長手方向軸線から少なくとも１つのＨＴＳ巻線までの半径Ｒ１を有することができる。円筒状電磁シールドは厚さｔを有することができ、厚さｔはＲ１／ｐの５０％より大きくすることができる。円筒状電磁シールドは金属を含むことができる。金属は、銅、スチール、鉛、金、タングステン、および使用済みウランのうちの１つ以上を含むことができる。
【０００８】
本発明の別の態様は、タービンと、第１の端部でタービンに相互接続されたシャフトとを有するターボ発電機を特徴とする。シャフトの第２の端部に結合され、長手方向軸線および第１の回転慣性を有する高温超伝導体（ＨＴＳ）回転機が存在する。ＨＴＳ回転機は、長手方向軸線を中心として配置された円筒状固定子アセンブリを含む。固定子アセンブリ内に配置され、長手方向軸線を中心として固定子アセンブリ内で回転するように構成された円筒状回転子アセンブリが存在する。回転子アセンブリは、動作中に固定子アセンブリを連結する磁束を生成する少なくとも１つのＨＴＳ巻線アセンブリを含む。少なくとも１つのＨＴＳ巻線アセンブリを中心として配置された円筒状の電磁シールドが存在する。円筒状の電磁シールドは、第２の回転慣性を有する。回転子アセンブリの少なくとも１つの超伝導巻線アセンブリを冷却するための極低温冷却システムが存在する。第２の回転慣性は、第１の回転慣性の少なくとも８０パーセント（８０％）である。
【０００９】
本発明の他の態様では、以下の特徴の１つ以上が含まれ得る。少なくとも１つのＨＴＳ巻線は、Ｎ極対ｐ個を備えることができる。回転機は、長手方向軸線から少なくとも１つのＨＴＳ巻線までの半径Ｒ１を含むことができる。円筒状電磁シールドは厚さｔを有することができ、厚さｔはＲ１／ｐの５０％より大きくすることができる。円筒状電磁シールドは金属を備えることができる。金属は、銅、スチール、鉛、金、タングステン、および使用済みウランのうちの１つ以上を含むことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
次いで本開示の実施形態を、添付の図面を参照して、単に一例として説明する。
【図１】船舶の送電網用の電力を生成するためのＨＴＳ発電機を有する船舶用ターボ発電機の側面図である。
【図２】図１に示されるタイプの２つのターボ発電機を利用する船舶用送電網の概略図である。
【図３】発電機の回転速度、したがって電力出力に対するパルス電力負荷の影響を示す、時間に対するターボ発電機の回転速度のグラフである。
【図４】サイズおよび重量の低減のために最適化されるように設計された、発電機の長さに沿って取られたＨＴＳ発電機の断面図である。
【図５Ａ】電磁シールドの厚さおよび電磁ギャップを含む発電機の寸法を示すために発電機の幅に亘って取られた、図４のＨＴＳ発電機のタイプの断面図である。
【図５Ｂ】電磁シールドの厚さおよび電磁ギャップを含む発電機の寸法を示すために発電機の幅に亘って取られた、本発明の一態様による増加した回転慣性を含むＨＴＳ発電機の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本開示およびその様々な特徴および有利な詳細は、添付の図面に記載され、および／または図示され、以下の説明で詳述される非限定的な実施形態および実施例を参照して、より完全に説明される。図面に示される特徴は必ずしも縮尺通りに描かれているわけではなく、一実施形態の特徴は、本明細書で明示的に述べられていなくても、当業者が認識する他の実施形態で採用され得ることに留意されたい。
【００１２】
周知の構成要素および処理技術の説明は、本開示の実施形態を不必要に不明瞭にしないために省略される場合がある。本明細書で使用される例は、本開示を実施できる方法の理解を容易にし、さらに当業者が本開示の実施形態を実施できるようにすることのみを意図している。
【００１３】
したがって、本明細書の例および実施形態は、本開示の範囲を限定するものとして解釈されるべきではない。さらに、図面のいくつかの図を通して、同様の参照符号は同様の部品を表すことに留意されたい。
【００１４】
図１を参照すると、高回転数（ｈｉｇｈ  ｒｐｍ）で回転し、シャフト１６を介してＨＴＳ発電機１４を駆動することができる、ガスタービン１２を有するターボ発電機１０が示されている。この例では、ＨＴＳ発電機１０は、６０Ｈｚで動作するように設計され、２９ＭＷの海洋ガスタービンで駆動されるように設計された２９ＭＷ３６００ｒｐｍ２極発電機とすることができる。しかしながら、本開示は、特定の発電機またはガスタービン出力レベル、極数または構成に限定されず、様々なガスタービンシステムに応用可能である。図１に示されたタイプのものであってもよい２つのターボ発電機２２および２４を含む、可能な船舶送電網構成２０が図２に示されている。この例の各発電機は、６０Ｈｚで４１６０ＶＡＣで２９ＭＷの３相電力を出力することができる。この例では、ターボ発電機２２は３相開閉装置２６を介して送電網２０に接続され、ターボ発電機２４は３相開閉装置２８を介して送電網２０に接続されている。
【００１５】
開閉装置２６は、左舷／右舷ケーブル３０によって開閉装置２８に接続されており、その結果、ターボ発電機の１つが故障した場合、各開閉装置は、運転中のターボ発電機によって逆給電および給電され得る。開閉装置２６および２８からのケーブル３２および３４は、それぞれ、従来の電気モータまたはＨＴＳモータであり得る電気推進モータ３６に電力を供給する。この例では、可変速電気モータ３６に入力される電圧レベルは、２７００Ｖで９相ＡＣであり、したがって、開閉装置２６および２８からの電力は、適切な電力変換器システム（図示せず）によって変換および調整されなければならない。
【００１６】
開閉装置２６からの出力は整流器３８に接続されてもよく、ＤＣはインバータ４０によって９相ＡＣに変換され得る。整流器３８およびインバータ４０は、それらが切断キャビネット４２によってモータ３６に接続される場合、モータ３６への電流入力／モータ３６の回転速度を制御するためのモータ駆動装置を形成する。開閉装置２８からの出力は整流器４４によってＤＣに変換されてもよく、次いでＤＣはインバータ４６によって９相ＡＣに変換され得る。整流器４４およびインバータ４６は、それらが切断キャビネット４２によってモータ３６に接続される場合、モータ３６への電流入力／モータ３６の回転速度を制御するためのモータ駆動装置を形成する。典型的には、一度に切断キャビネット４２を介してモータ３６に接続されるのはモータ駆動装置の一方のみであり、他方は、例えば故障または保守の場合のバックアップ電源として使用される。
【００１７】
送電網２０はまた、それぞれ開閉装置２６および２８に接続されたケーブル４７および４９によって電力供給されるエネルギー貯蔵開閉装置４８を介してパルス電力負荷（図示せず）に電力を供給するように構成される。加えて、開閉装置２６に接続された変圧器５０は、４１６０ＶＡＣを４５０ＶＡＣに変換し、それを配電開閉装置（図示せず）に供給して、船舶の様々なシステムに低電圧電力を供給する。
【００１８】
パルス電力負荷は、エネルギー貯蔵開閉装置４８を介して引き出される数秒間（５秒など）の非常に高い電力消費（１０ＭＷ以上）と、それに続くエネルギー引き出しがない一時停止（１秒など）で構成される。システム設計では、このサイクルが無期限に繰り返されるものと想定する。上記のように、このようなパルス負荷は送電網２０の適切な動作に重大な影響を与える可能性がある。回転速度が低下すると、それに比例してターボ発電機からの周波数、電圧、電力が低下する。図３では、ＨＴＳ発電機を備えるターボ発電機２２および２４のこのようなパルス負荷の回転速度への影響が、複数のパルス期間に亘って示されている（ターボ発電機の１つのみが動作していると仮定）。
【００１９】
波形６０に示すように、ターボ発電機の毎分回転数（ｒｐｍ）は、１８ＭＷの初期パルス負荷で数秒の間に３４００から約１４００に低下する。周期的な１８ＭＷパルスが続くと、ターボ発電機の回転速度は時間と共にやや回復するが、やはり初期の３６００ｒｐｍの回転速度を大幅に下回る状態である。この場合、発電機の推定回転慣性は約７９０ｋｇ−ｍ２で、これは２９ＭＶＡターボ発電機のコストに最適化されたＨＴＳ発電機の使用に基づくものである。この例では、ＥＭシールドは約１０ｃｍ（４インチ）の厚さのスチールおよび銅で形成され得る。ＥＭシールドにアルミニウムを使用する可能性のある重量最適化設計では、コスト最適化設計よりも回転慣性が大幅に低くなる可能性がある。
【００２０】
ターボ発電機の慣性が比較的低い場合、ターボ発電機上のパルス負荷中に加えられるトルクは、回転速度の低下においてより大きな影響を及ぼす。波形６０の例では、これは回転速度のほぼ６０％の低下、ならびに送電網２０の電圧、周波数、および電力の相応の低下に相当し、これにより船舶の電力システムの通常の動作を大幅に混乱させる可能性がある。さらに、ターボ発電機のこのレベルの周期的負荷により、タービンの寿命を短くすることが確実である。
【００２１】
回転慣性が大きくなると、トルクがターボ発電機に与える影響が減少する。波形６２は、１８ＭＷの周期的なパルス負荷でのターボ発電機の回転速度への影響（約３０％の初期低下）を示す。この場合、使用されるＨＴＳ発電機の回転慣性が大きくなり、その結果、ターボ発電機全体の回転慣性が約１４９６ｋｇ−ｍ２になる。ＥＭシールドは、約１８ｃｍ（７インチ）の厚さのスチールで形成され得る。波形６２から明らかなように、波形６０と比較して、ターボ発電機の回転慣性を１４９６ｋｇ−ｍ２に増加させると、ターボ発電機の回転速度に対する初期および後続の周期的なパルス負荷の影響、ならびに送電網２０での電圧、周波数、電力への影響が大幅に減少する。タングステン合金をＥＭシールドに追加すると、回転慣性が約１８１７ｋｇ−ｍ２にさらに増加する。図４を参照すると、最小サイズおよび重量に最適化されるように設計された従来技術のＨＴＳ発電機１００が示されている。図３の波形を生成した低い回転慣性発電機と同様に、この例は、ターボ発電機の全体の回転慣性もやはり約７９０ｋｇ−ｍ２になるような回転慣性を有することができる。
【００２２】
ＨＴＳ発電機１００は、固定子コイルアセンブリ１０４１〜ｎを有する固定子アセンブリ１０２を含む。当技術分野で周知のように、固定子アセンブリ１０２内に含まれる固定子コイルアセンブリ１０４１〜ｎの特定の数は、機械が単相機械であるか多相機械であるかなどの様々な設計基準に応じて変化する。例えば、６０Ｈｚで４１６０ＶＡＣを出力する本明細書に記載の１つの２９ＭＶＡ３相ＨＴＳ発電機では、固定子アセンブリ１０２は７２個の固定子コイルアセンブリ１４１〜ｎを含むことができる。
【００２３】
回転子アセンブリ１０６は、固定子アセンブリ１０２内で回転する。固定子アセンブリ１０２と同様に、回転子アセンブリ１０６は、回転子巻線アセンブリ１０８１〜ｎを含む。同じ２９ＭＶＡ３相ＨＴＳ発電機では、回転子アセンブリ１０６は、（２極を形成する）２つの回転子巻線アセンブリを含むことができ、それらは高速回転の発電機用途によく適する鞍型コイル構成であり得る。これらの回転子巻線アセンブリは、動作中に、回転子アセンブリ１０６と固定子アセンブリ１０２とを連結する磁束を生成する。この発電機は２極機として設計されているが、様々な極数の機械が使用可能であり、特定の設計は用途に依存することが当業者によって理解されるであろう。
【００２４】
発電機１００の動作中、３相電圧１１０が固定子コイルアセンブリ１０４１〜ｎで生成され、これは次いで、例えば図２に示されるように、船舶の送電網に出力される。固定子コイルアセンブリ１０４の中の３相電圧は、ターボ発電機シャフト１１２によって駆動される場合に回転子が回転するにつれて、回転子アセンブリ１０６および固定子アセンブリ１０２を連結する回転子巻線アセンブリ１０８１〜ｎによって生成される回転子巻線磁束によって生成される。
【００２５】
回転子巻線アセンブリ１０８１〜ｎは、トルクチューブ１１４からトルクを伝達する第１のフランジ１０９に接続された支持構造１０７の外面に取り付けられ得る。回転子巻線アセンブリ１０８１〜ｎは、代替的に、内面支持構造１０７に取り付けられてもよいことに留意されたい。トルクチューブ１１４は、ターボ発電機シャフト１１２に接続された第２のフランジ１１３に接続されている。フランジ１０９および１１３は、トルクチューブ１１４に組み込まれることができ、または別個のアセンブリとすることができる。もちろん、トルクを低温空間内のシャフト１１２から回転子アセンブリに伝達するために、他のトルクチューブ設計が使用され得る。
【００２６】
超伝導回転機１００の動作中、例えばＤＣ電流源（図示せず）からの界磁エネルギー１１６が、スリップリング／回転ディスクアセンブリ１１８を介して回転子巻線アセンブリ１０８１〜ｎに加えられ得る。回転子巻線アセンブリ１０８１〜ｎは、回転子アセンブリ１０６および固定子アセンブリ１０２を連結するために必要な磁場（および磁束）を生成するためにＤＣ電流を必要とする。
【００２７】
固定子コイルアセンブリ１０４１〜ｎは、例えば、非超伝導銅コイルアセンブリで形成され、一方、回転子巻線アセンブリ１０８１〜ｎは、ＨＴＳ巻線を組み込む超伝導アセンブリである。ＨＴＳ導体の例には、タリウム−バリウム−カルシウム−銅−酸化物、ビスマス−ストロンチウム−カルシウム−銅−酸化物、および水銀−バリウム−カルシウム−銅−酸化物およびイットリウム−バリウム−銅−酸化物が含まれる。
【００２８】
これらの超伝導導体は、低温で動作する場合にのみ超伝導特性を達成するため、ＨＴＳ発電機１００は冷却システム１２０を含む。冷却システム１２０は、典型的には、導体が超伝導特性を示すことができる十分低い動作温度で、回転子巻線アセンブリ１０８１〜ｎの動作温度を維持する極低温冷却器の形態である。回転子巻線アセンブリ１０８１〜ｎは、冷却システム１２０によって冷温に保たれなければならないので、トルクチューブ１１４は、高強度、低熱伝導性の金属材料（インコネル（登録商標）など）または複合材料（Ｇ−１０フェノールまたは織布ガラスエポキシなど）から構成され得る。
【００２９】
回転子アセンブリ１０６は、固定子アセンブリ１０２と回転子アセンブリ１０６との間に配置された電磁シールド１２２を含み、固定子アセンブリ１０２で生成される高調波から非同期磁場を遮蔽し、またはフィルタリングする。回転子アセンブリ１０６は典型的には円筒状であるため、電磁シールド１２２も典型的には円筒状である。これらの非同期磁場から回転子アセンブリ１０６の回転子巻線アセンブリ１０８を遮蔽することが望ましい。したがって、回転子アセンブリ１０６に嵌合された電磁シールド１２２は、非同期磁場から回転子巻線アセンブリ１０８１〜ｎを覆い（または遮蔽し）、非磁性材料（例えば、銅、アルミニウムなど）で構成される。電磁シールド１２２は、回転子巻線アセンブリ１０８１〜ｎを完全に覆い、遮蔽するのに十分な長さでなければならない。これまでに検討された事例は、ＡＣ磁界を遮蔽し、故障負荷に耐えるように厚さが選択されたスチールおよび薄銅被膜である。アルミニウムは最軽量の解決策であるが、コストよりも重量が重要でない場合はスチールが選択され得る。シールドはまた、真空封じ込めを提供し、スチールは溶接によるより簡単なシーリング解決策を提供する。
【００３０】
電磁シールド１２２は、１対のエンドプレート１３０、１３２を介してシャフト１１２に強固に接続され得る。この強固な接続は、溶接または機械的締結システム（ボルト、リベット、スプライン、キー溝など）の形態にすることができる。遮蔽のために、電磁シールド１２２の厚さは、この例では６０ヘルツである３相ＡＣ電力１１０の周波数に対して逆比例する。極数の少ない設計では、故障中の過渡的な力に耐えるように厚さを選択することができる。この周波数では、典型的には、電磁シールド１２２の厚さは１０ｃｍ（４インチ）以下のスチールおよび銅である。発電機のサイズおよび重量を減らすために、このような従来のシステムは、電磁シールド１２２の厚さは、非同期磁場にフィルタをかけ、磁界に対する故障の楕円化力を支持するのに十分な厚さになる点まで最小化したが、しかし発電機の重量およびサイズを最小限に抑えるために、シールドはそれより厚くされることはない。
【００３１】
図４の発電機１００には示されていないが、内側強磁性コア（例えば鉄コア）を使用して回転子の磁気パーミアンスを増加させることができ、したがって、所与の磁場を生成するのに必要なＨＴＳ材料の量を減らすことができる。また、それにより発電機の回転慣性も大幅に増加する。図５Ａには、ＨＴＳ発電機２００の概略断面図が示されており、これは、図４に示されるＨＴＳ発電機のタイプに類似している。断面図は、電磁シールドの厚さおよび電磁ギャップを含む発電機の寸法を示すために、発電機の幅に亘って取られている。この例では、ＨＴＳ発電機１００ａは、２極発電機として描かれた内側鉄心２０４を有する回転子アセンブリ２０２を含む。回転子巻線２０６ａおよび２０６ｂは、鞍型コイル巻線の形態であり、それぞれが、鞍型コイルを形成するように端部で接合される２つの弓形部分を備えて示されている。
【００３２】
ＨＴＳ発電機２００を設計する際、ＨＴＳ鞍型コイル２０６ａ／ｂの先端速度の制限を考慮しなければならない。ＨＴＳコイルへの遠心載荷により、超伝導体材料に歪みが生じる。この歪みは、コイルの先端速度の２乗に比例する。経験および分析により、１５０ｍ／秒の先端速度がこのようなコイルの許容限度であることが示されている。海軍用の発電機では、定格速度の１２５％までの過速度試験が必要になる場合がある。設計速度が３６００ｒｐｍの場合、これは、図５ＡのＲ１として描かれる、発電機の長手方向軸線からコイル２０６ａ／ｂの中央面まで半径が約０．３２ｍの界磁巻線を必要とする４５００ｒｐｍでの過速度試験に対応する。鞍型コイルは、コイル支持シリンダ２０７によって外側で支持されている。
【００３３】
発電機２００の非回転部分は、発電機の長手方向軸線から固定子２０８の内側半径まで延在する半径Ｒ２で始まり、固定子２０８および裏鉄２１０からなる。コイル支持シリンダ２０７の外側にはＥＭシールド２１２があり、これは回転子アセンブリ２０２の最も外側の回転部材である。上述のように、それは、回転に対して同期しない電磁場から回転子アセンブリ２０２を遮蔽して、ＨＴＳコイルのＡＣ損失を低減する。鞍型コイル２０６ａ／ｂによって生成される場の強さは、各コイルのアンペア回数に比例するが、しかし鞍型コイルと固定子との間の電磁（「ＥＭ」）ギャップ（Ｒ２−Ｒ１）に反比例する。したがって、ＥＭギャップを大きくすると、アンペア回数の数が増え、それにより所与の電磁場を生成するために必要なＨＴＳワイヤの量が増える。
【００３４】
ＥＭギャップ（Ｒ２−Ｒ１）の大部分はＥＭシールド２１２で構成されており、重量またはコスト最適化設計において、ＥＭシールドは遮蔽機能を実行するためだけに十分な厚さに作られており、その重量／質量は遮蔽機能を含む低密度材料によって最小にされる。
【００３５】
ＥＭシールド２１２の厚さｔは、概ねＲ１／ｐの４０％未満であり、ここで、ｐは設計内の極対の数である（２極発電機の場合はｐ＝１）。この設計では、厚さｔは１０ｃｍ（４インチ）であってもよく、ＥＭシールドに使用される材料はスチールなどの中密度の材料であり得る。
【００３６】
ＥＭシールド２１２の回転慣性を決定するために、内側半径Ｒｉおよび外側半径Ｒｏ、ならびに質量Ｍは次のように計算される。
Ｍ（Ｒｉ２＋Ｒｏ２）／２
この場合、約５６０ｋｇ−ｍ２になる。ターボ発電機内の他のシステム構成要素の回転慣性に対するＥＭシールドの回転慣性は、次のとおりである。
回転慣性−コスト最適化設計
ＥＭシールド５６０ｋｇ−ｍ２
内側鉄およびシャフト１４３ｋｇ−ｍ２
磁場および支持部８７ｋｇ−ｍ２
発電機全体の回転子７９０ｋｇ−ｍ２
タービン９６ｋｇ−ｍ２
合計８８６ｋｇ−ｍ２
【００３７】
この例では、発電機全体の回転慣性に対するＥＭシールドの回転慣性は約７０パーセント（７０％）である。一般的なコスト／重量最適化設計では、ＥＭシールドの回転慣性は通常、ＨＴＳ発電機全体の回転慣性の約７０％未満である。
【００３８】
回転慣性が増加したＨＴＳ発電機をＨＴＳ発電機２００’として図５Ｂに示す。すべての構成要素は、図５ＡのＨＴＳ発電機２００と本質的に同じであるが、より厚いＥＭシールド２１２’を構成することにより、鞍型コイル２０６ａ７ｂ’の追加のアンペア回数を犠牲にして発電機の回転慣性を増加させることができる。言い換えれば、ＨＴＳ発電機２００’のＥＭギャップ（Ｒ２’−Ｒ１’）は、ＥＭシールド２１２’の厚さの増加によりＥＭギャップ（Ｒ２−Ｒ１）よりも大きいため、ＨＴＳ発電機２００内と同じ電磁場をＨＴＳ発電機２００’に生成するには、より多くの量のＨＴＳ材料が必要になる。
【００３９】
ＨＴＳ発電機２００の増加した回転慣性設計では、ＥＭシールド２１２’の厚さｔ’は、Ｒ１／ｐの＞５０％であり得る。この設計では、厚さｔ’は約１８ｃｍ（７インチ）になり得る。回転慣性を増加させるためにＥＭシールドの厚さを厚くすることに加えて、より高密度の材料が使用され得る。そのような材料の例は、銅（８．９６ｇ／ｃｍ３）、スチール（７．８４ｇ／ｃｍ３）、鉛（１１．３２ｇ／ｃｍ３）、金（１９．２８２ｇ／ｃｍ３）、タングステン（１９．２５ｇ／ｃｍ３）、および使用済みウラン（１８．９５ｇ／ｃｍ３）を含むことができる。ＥＭシールドを構成するために、これらの材料の１つ以上を使用することができる。
【００４０】
ＥＭシールド２１２’の適切な厚さおよび材料組成を選択することにより、ＥＭシールドの追加の回転慣性の量を調整して、特定のターボ発電機用の所望の動作特性と、パルス電力負荷の予想レベルおよび予想周波数を得ることができる。
【００４１】
ＥＭシールド２１２’の回転慣性を決定するために、内側半径Ｒｉ’および外側半径Ｒｏ’、ならびに質量Ｍ’は（例えば、スチールおよびタングステン合金の組み合わせを使用して）次のように計算される。
Ｍ（Ｒｉ’２＋Ｒｏ’２）／２
この場合、約１，４７７ｋｇ−ｍ２になる。ターボ発電機内の他のシステム構成要素の回転慣性に対するＥＭシールドの回転慣性は、次のとおりである。
回転慣性−回転慣性最適化設計
ＥＭシールド１，４７７ｋｇ−ｍ２
内側の鉄およびシャフト１５１ｋｇ−ｍ２
磁場および支持部９２ｋｇ−ｍ２
発電機全体の回転子１，７２０ｋｇ−ｍ２
タービン９６ｋｇ−ｍ２
合計１，８１６ｋｇ−ｍ２
【００４２】
この回転慣性が最適化された例では、発電機全体の回転慣性に対するＥＭシールドの回転慣性は約８５パーセント（８５％）である。一般的な回転慣性が最適化された設計では、ＥＭシールドの回転慣性は通常、ＨＴＳ発電機全体の回転慣性の約８０％を超える可能性がある。
【００４３】
厚いＥＭシールドを備えたこの設計がＥＭシールド内にステンレス鋼のみで構成された場合、やはり発電機の回転慣性は１４９２ｋｇ−ｍ２になり、コストおよび重量最適化設計の回転慣性のほぼ１９０％になる。
【００４４】
本発明によるＨＴＳ発電機の設計には多くの重要な利点があり、具体的には、短い軸長内に嵌合し、リアクタンスが低いために、高度にパルス化された用途で極がスリップするのが防止され、高い回転慣性を有することである。
【００４５】
本開示を例示的な実施形態に関して説明してきたが、当業者は、本開示が添付の特許請求の範囲の趣旨および範囲内における修正を伴って実施できることを認識するであろう。これらの例は単に例示的なものであり、本開示のすべての可能な設計、実施形態、応用、または修正の網羅的な列挙であることを意図するものではない。特に、高回転慣性ＥＭシールドを可能にするために、強力なＨＴＳ巻線を使用することは、極数が２を超える場合に効果的である。ＨＴＳ界磁巻線は、機械の長さを短くして、制約された軸長の範囲内でフライホイールを追加可能にする上でも効果的である。
【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５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【国際調査報告】
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