(57)【要約】  電気機械混合型船推進及び電力システムは、第１のシャフト５９を介して第１のプロペラ６１を駆動するように構成された第１の機械型発電所５８、６０を含む。第２のシャフト５５を介して第２のプロペラ５７を駆動するように構成された第２の電気型発電所２２、２４、２６が存在する。第２の電気型発電所が、ＨＴＳ発電機２５、２７と、第２のシャフトに相互接続された高温超伝導体ＨＴＳモーター３６とを含む。第２のシャフトを介して第２のプロペラを駆動するようにＨＴＳモーターにエネルギー供給するためにＨＴＳモーターが接続された第１の電気型ネットワークが存在する。
2020533219.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１のシャフトを介して第１のプロペラを排他的に駆動するように構成された第１の機械型発電所と、
第２のシャフトを介して第２のプロペラを排他的に駆動するように構成された第２の電気型発電所であって、前記第２の電気型発電所が、前記第２のシャフトに相互接続された高温超伝導体（ＨＴＳ）モーターを含む、第２の電気型発電所と、
前記第２のシャフトを介して前記第２のプロペラを駆動するように前記ＨＴＳモーターにエネルギー供給するために前記ＨＴＳモーターが接続された第１の電気型ネットワークと、
を備える、電気機械混合型船推進及び電力システム。
【請求項２】
前記第１の電気型ネットワークに相互接続された、及び前記第１の電気型ネットワークにより給電される、少なくとも１つの電気兵器システムをさらに含む、請求項１に記載の船推進及び電力システム。
【請求項３】
船サービス電気型システムに給電するように構成された第２の電気型ネットワークをさらに含み、前記第２の電気型ネットワークが、前記第１の電気型ネットワークにも接続された接続解除スイッチに接続され、前記接続解除スイッチが、第１の電力ネットワーク及び第２の電力ネットワークを接続及び接続解除するように構成された、請求項２に記載の船推進及び電力システム。
【請求項４】
前記第２の電気型発電所が、第１の開閉器を介して前記第１の電力ネットワークに接続された少なくとも１つのＨＴＳ発電機を含む、請求項３に記載の船推進及び電力システム。
【請求項５】
前記少なくとも１つのＨＴＳ発電機が、高慣性ＨＴＳ発電機である、請求項４に記載の船推進及び電力システム。
【請求項６】
前記第１の機械型発電所が、主減速ギアに相互接続された少なくとも１つのガス・タービン又はディーゼル・エンジン原動機を含み、前記主減速ギアが、前記第１のプロペラを駆動するように前記第１のシャフトに接続された、請求項５に記載の船推進及び電力システム。
【請求項７】
前記第２の電力ネットワークに相互接続された少なくとも１つの船サービス・ターボ発電機又はディーゼル発電機をさらに含む、請求項６に記載の船推進及び電力システム。
【請求項８】
前記第１の電気型ネットワークに少なくとも１つのパルス状電力負荷を接続する第２の開閉器をさらに含む、請求項７に記載の船推進及び電力システム。
【請求項９】
前記第１の機械型発電所が、船の第１のエンジン室に設置されるように構成され、前記第２の電気型発電所が、前記船における第２のエンジン室に設置されるように構成される、請求項８に記載の船推進及び電力システム。
【請求項１０】
前記船における前記第２のエンジン室に、第２の発電所の前記少なくとも１つのＨＴＳ発電機が含まれる、請求項９に記載の船推進及び電力システム。
【請求項１１】
前記ＨＴＳモーターが、前記少なくとも１つのＨＴＳ発電機より前記船の船殻内において低く前記第２のエンジン室に搭載された、請求項１０に記載の船推進及び電力システム。
【請求項１２】
前記第２のエンジン室における前記ＨＴＳモーターが、前記第１のエンジン室における前記主減速ギアより前記船の前記船殻内において低く搭載された、請求項１１に記載の船推進及び電力システム。
【請求項１３】
前記主減速ギアが、第１の角度で前記第１のシャフトに相互接続され、前記ＨＴＳモーターが、第２の角度で前記第２のシャフトに相互接続され、前記第１の角度が、前記第２の角度より大きい、請求項１２に記載の船推進及び電力システム。
【請求項１４】
少なくとも２つの動作モードにおいて前記船推進及び電力システムを動作させるように構成された制御装置をさらに含む、請求項１３に記載の船推進及び電力システム。
【請求項１５】
第１のモードにおいて、前記制御装置が、前記第１の開閉器及び前記第２の開閉器を介して、それぞれ、前記少なくとも１つのＨＴＳ発電機及び前記少なくとも１つのパルス状電力負荷を前記第１の電気型ネットワークに接続するように構成され、前記制御装置が、前記接続解除スイッチを開いて前記第１の電力ネットワークを前記第２の電力ネットワークから分離するように構成されることにより、前記第１の電気型ネットワークが前記第２のシャフトを介して前記第２のプロペラを駆動するように前記ＨＴＳモーターに給電することと、前記少なくとも１つのパルス状電力負荷に同時に給電することとを可能にする、請求項１４に記載の船推進及び電力システム。
【請求項１６】
前記第１のモードにおいて、前記制御装置が、前記第２のシャフトを介して前記第２のプロペラを駆動するように前記第１の機械型発電所を動作させるようにさらに構成される、請求項１５に記載の船推進及び電力システム。
【請求項１７】
第２のモードにおいて、前記制御装置が、前記第１の開閉器及び前記第２の開閉器を介して、それぞれ、前記少なくとも１つのＨＴＳ発電機を前記第１の電気型ネットワークに接続することと、前記少なくとも１つのパルス状電力負荷を前記第１の電気型ネットワークから接続解除することとをするように構成され、前記制御装置が、前記接続解除スイッチを閉じて前記第２の電力ネットワークに前記第１の電力ネットワークを接続することにより、前記第１の電気型ネットワークが前記第２の電力ネットワークに給電することと、同時に前記第２のシャフトを介して前記第２のプロペラを駆動するように前記ＨＴＳモーターに給電することとを可能にするように構成される、請求項１４に記載の船推進及び電力システム。
【請求項１８】
前記第２のモードにおいて、前記制御装置が、前記第２のシャフトを介して前記第２のプロペラを駆動するように前記第１の機械型発電所を動作させるようにさらに構成される、請求項１７に記載の船推進及び電力システム。
【請求項１９】
第３のモードにおいて、前記制御装置が、前記第１の開閉器及び前記第２の開閉器を介して、それぞれ前記第１の電気型ネットワークから前記少なくとも１つのＨＴＳ発電機及び前記少なくとも１つのパルス状電力負荷を接続解除するように構成され、前記制御装置が、前記接続解除スイッチを閉じて前記第２の電力ネットワークに前記第１の電力ネットワークを接続することにより、前記第２の電気型ネットワークが前記第１の電力ネットワークに給電することと、同時に前記第２のシャフトを介して前記第２のプロペラを駆動するように前記ＨＴＳモーターに給電することとを可能にするように構成される、請求項１４に記載の船推進及び電力システム。
【請求項２０】
前記第３のモードにおいて、前記制御装置が、前記第１の機械型発電所の動作を終了するように、及び、前記第２のプロペラが前記第２のシャフトを介してフェザーリングすることを可能にするようにさらに構成される、請求項１９に記載の船推進及び電力システム。
【請求項２１】
長軸をもつ、及び第１の回転慣性をもつ高温超伝導体（ＨＴＳ）回転機械であって、前記高温超伝導体（ＨＴＳ）回転機械が、
前記長軸の周りに位置するシリンダー状の固定子組立体と、
前記固定子組立体内に位置する、及び前記長軸の周りで前記固定子組立体内において回転するように構成された、シリンダー状の回転子組立体と、
を備え、前記回転子組立体が、
動作中、前記固定子組立体を結合する磁束を生成する少なくとも１つのＨＴＳ巻線組立体と、
前記少なくとも１つのＨＴＳ巻線組立体の周りに位置するシリンダー状の電磁遮蔽体であって、シリンダー状の前記電磁遮蔽体が、第２の回転慣性をもつ、シリンダー状の電磁遮蔽体と、
前記回転子組立体の前記少なくとも１つの超伝導巻線組立体を冷却するための低温冷却システムと、を備え、
前記第２の回転慣性が、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）回転機械。
【請求項２２】
少なくとも１つのＨＴＳ巻線が、ｐ個のＮ極ペアを備える、請求項２１に記載の高温超伝導体（ＨＴＳ）回転機械。
【請求項２３】
前記長軸から前記少なくとも１つのＨＴＳ巻線まで半径Ｒ１をもつ、請求項２２に記載の高温超伝導体（ＨＴＳ）回転機械。
【請求項２４】
シリンダー状の前記電磁遮蔽体が、厚さｔをもち、厚さｔ＞Ｒ１／ｐの５０％である、請求項２３に記載の高温超伝導体（ＨＴＳ）回転機械。
【請求項２５】
シリンダー状の前記電磁遮蔽体が、金属を含む、請求項２４に記載の高温超伝導体（ＨＴＳ）回転機械。
【請求項２６】
前記金属が、銅、鋼、鉛、金、タングステン、及び使用済みウランのうちの１つ又は複数を含んでよい、請求項２５に記載の高温超伝導体（ＨＴＳ）回転機械。
【請求項２７】
ターボ発電機であって、前記ターボ発電機が、
タービンと、
第１の端部において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の端部に接続された、及び長軸と第１の回転慣性とをもつ、高温超伝導体（ＨＴＳ）回転機械と、
を備え、前記ＨＴＳ回転機械が、
前記長軸の周りに位置するシリンダー状の固定子組立体と、
前記固定子組立体内に位置する、及び前記長軸の周りで前記固定子組立体内において回転するように構成された、シリンダー状の回転子組立体と、
を備え、前記回転子組立体が、
動作中、前記固定子組立体を結合する磁束を生成する少なくとも１つのＨＴＳ巻線組立体と、
前記少なくとも１つのＨＴＳ巻線組立体の周りに位置するシリンダー状の電磁遮蔽体であって、シリンダー状の前記電磁遮蔽体が、第２の回転慣性をもつ、シリンダー状の電磁遮蔽体と、
前記回転子組立体の前記少なくとも１つの超伝導巻線組立体を冷却するための低温冷却システムと、
を備え、
前記第２の回転慣性が、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、
ターボ発電機。
【請求項２８】
少なくとも１つのＨＴＳ巻線が、ｐ個のＮ極ペアを備える、請求項２７に記載のターボ発電機。
【請求項２９】
前記長軸から前記少なくとも１つのＨＴＳ巻線まで半径Ｒ１をもつ、請求項２８に記載のターボ発電機。
【請求項３０】
シリンダー状の前記電磁遮蔽体が、厚さｔをもち、厚さｔ＞Ｒ１／ｐの５０％である、請求項２９に記載のターボ発電機。
【請求項３１】
シリンダー状の前記電磁遮蔽体が、金属を含む、請求項３０に記載のターボ発電機。
【請求項３２】
前記金属が、銅、鋼、鉛、金、タングステン、及び使用済みウランのうちの１つ又は複数を含んでよい、請求項３１に記載のターボ発電機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、発明の名称を「ＨＹＢＲＩＤ  ＥＬＥＣＴＲＩＣＡＬ  ＡＮＤ  ＭＥＣＨＡＮＩＣＡＬ  ＰＲＯＰＵＬＳＩＯＮ  ＡＮＤ  ＥＮＥＲＧＹ  ＳＹＳＴＥＭ  ＦＯＲ  Ａ  ＳＨＩＰ」とする２０１７年１２月１１日に出願された米国特許出願第６２／５９７，１５０号の優先権を主張し、この出願は、発明の名称を「ＨＩＧＨ  ＴＥＭＰＥＲＡＴＵＲＥ  ＳＵＰＥＲＣＯＮＤＵＣＴＯＲ  ＧＥＮＥＲＡＴＯＲ  ＷＩＴＨ  ＩＮＣＲＥＡＳＥＤ  ＲＯＴＡＴＩＯＮＡＬ  ＩＮＥＲＴＩＡ」とする２０１７年９月７日に出願された係属中の米国特許出願第１５／６９７，５４９号に関連するとともに同出願に基づく優先権を主張し、両出願が参照により全体として本明細書に組み込まれる。
【０００２】
本発明は、船用電気機械混合型推進及びエネルギー・システムに関し、より詳細にはプロペラ・シャフトのうちの少なくとも１つに排他的に給電する高温超伝導体（ＨＴＳ：ｈｉｇｈ  ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ  ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）モーター及びＨＴＳ発電機と、少なくとも１つの他のプロペラ・シャフトに排他的に給電する機械型駆動部とを使用する電気機械混合型推進及びエネルギー・システムに関する。
【背景技術】
【０００３】
世界中の海運業及び海軍が例えば、改善された燃料効率、より高い電気型性能、及び、より高度な船内システムを提供するように、高度な技術を使用して船をアップグレードすることに興味がある。推進及び発電システムにおける寸法及び重量の低減は、より多くの機器、貨物及び／又は乗組員用のさらなる場所を提供し、及び、燃料の経済性を改善する。軍艦の場合、新しい様々な電気兵器、高度なセンサー、及び統合型サポート・システムが、世界中の海軍の関心対象であり得る。このようなシステムは、特に厳しい電力需要を生む、電磁砲、及び高出力レーザー又はマイクロ波指向性エネルギー兵器を含み得る。例えば、それらは非常に短時間に大量の電力を必要とする。
【０００４】
典型的な船推進及びエネルギー生成システムは、海用ガス・タービン及びディーゼル・エンジン技術を使用して、移動性のために主減速ギアを通して船のプロペラ・シャフトを駆動させ、原動機により生成された独立した専用電力が、船内電気型システムに送電する送電網に給電する発電機を駆動させるために使用される。ガス・タービン技術を使用して達成され得る寸法及び重量の低減には物理的限界が存在し、大幅な改善の可能性は低い。加えて、電力を生成するために使用される海用ガス・タービン及びディーゼル・エンジン発電機技術は、典型的には、一定の負荷において効率的に、及び信頼可能に動作するように設計される。したがって、海用ガス・タービン及びディーゼル・エンジン発電機技術は、船に適合しないものでさえあり得る大幅な、及び高コストな電気型システムのアップグレードを伴わずに、高度な電気型システム、例えば電気兵器に関連した上述の動的な負荷をサポートすることができない。例えば、従来のガス・タービン発電機システムを使用する場合、電気兵器に給電する一次エネルギー貯蔵器のパルス効果を無くすために、追加的なエネルギー貯蔵システム、例えば電池又はフライホイールが必要とされ得る。
【０００５】
例えば機械型、空気圧式、及び液圧式といった他の手段の代わりに、推進を含むすべての電力ニーズに対する電気型手段の使用を含み得るオール電化船の概念が本格化している。統合型電力システム（ＩＰＳ：ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  ｐｏｗｅｒ  ｓｙｓｔｅｍ）を含むこのようなオール電化船、特に、高温超伝導体モーター及び発電機を使用するものが、寸法及び重量の低減をもたらし、このことが、より多くの機器、貨物、兵器、及び／又は乗組員用のさらなる場所及び可搬重量、並びに、効率の改善及び燃料の経済性をもたらす。これらのシステムは、共通電気バスにわたってシームレスに電力をシェアして、プロペラに給電することから、戦闘システムにエネルギー供給すること、及びライティング負荷に送電することまで、船のすべての電気型な機能に対する電力の広いシェアを可能にすることを想定している。しかし、多くの現在の船の設計は、必要とされる追加的な電力の量をサポートするために利用可能な十分な空間も可搬重量もないようになっており、仮にあったとしても、電力システムは、「共通電気バス」アーキテクチャ設計が動作及び存続するための電気兵器の副産物である極端なパルス状電力ひずみを管理及び平滑化するほど十分に開発されていない。したがって、真のオール電化解決策は、現在、多くの空間及び重量に制約のある船にとって実行可能な選択肢ではない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
したがって、電力需要の厳しい新しい様々な兵器、高度なセンサー、及び統合型サポート・システムに給電することが可能な費用効果の高い船推進及びエネルギー・システム、及び、より多くの空間、及び、改善された燃料の経済性を実現するための寸法及び重量の低減を提供し得るようなシステムが必要とされる。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
一態様において、本発明は、第１のシャフトを介して第１のプロペラを排他的に駆動するように構成された第１の機械型発電所と、第２のシャフトを介して第２のプロペラを排他的に駆動するように構成された第２の電気型発電所とを含む電気機械混合型船推進及び電力システムを特徴とする。第２の電気型発電所は、第２のシャフトに相互接続された高温超伝導体（ＨＴＳ）モーターを含む。第１の電気型ネットワークが存在し、第２のシャフトを介して第２のプロペラを駆動するようにＨＴＳモーターにエネルギー供給するために、ＨＴＳモーターが第１の電気型ネットワークに接続されている。
【０００８】
本発明の他の態様に、以下の特徴のうちの１つ又は複数が含まれてよい。第１の電気型ネットワークに相互接続された、及び第１の電気型ネットワークにより給電される、少なくとも１つの電気兵器システムが含まれ得る。船サービス電気型システムに給電するように構成された第２の電気型ネットワークがさらに含まれ得、第２の電気型ネットワークが、第１の電気型ネットワークにも接続された接続解除スイッチに接続されており、接続解除スイッチが、第１の電力ネットワーク及び第２の電力ネットワークを接続及び接続解除するように構成される。第２の電気型発電所は、第１の開閉器を介して第１の電力ネットワークに接続された少なくとも１つのＨＴＳ発電機を含み得る。少なくとも１つのＨＴＳ発電機は、高慣性ＨＴＳ発電機であり得る。第１の機械型発電所は、主減速ギアに相互接続された少なくとも１つのガス・タービン又はディーゼル・エンジン原動機を含み得、本明細書において主減速ギアは第１のプロペラを駆動するように第１のシャフトに接続され得る。第２の電力ネットワークに相互接続された少なくとも１つの船サービス・ターボ発電機又はディーゼル発電機がさらに含まれ得る。少なくとも１つのパルス状電力負荷を第１の電気型ネットワークに接続する第２の開閉器がさらに含まれ得る。第１の機械型発電所は、船の第１のエンジン室に設置されるように構成され得、第２の電気型発電所は、船における第２のエンジン室に設置されるように構成され得る。船における第２のエンジン室に、第２の発電所の少なくとも１つのＨＴＳ発電機が含まれ得る。ＨＴＳモーターは、少なくとも１つのＨＴＳ発電機より船の船殻内において低く、第２のエンジン室に搭載され得る。第２のエンジン室におけるＨＴＳモーターは、第１のエンジン室における主減速ギアより船の船殻内において低く搭載され得る。主減速ギアは、第１の角度で第１のシャフトに相互接続され得、ＨＴＳモーターは、第２の角度で第２のシャフトに相互接続され得、第１の角度は第２の角度より大きい。
【０００９】
本発明の他の態様に、以下の特徴のうちの１つ又は複数が含まれてよい。少なくとも２つの動作モードにおいて船推進及び電力システムを動作させるように構成された制御装置が含まれ得る。第１のモードにおいて、制御装置は、第１の開閉器及び第２の開閉器を介して、それぞれ、少なくとも１つのＨＴＳ発電機及び少なくとも１つのパルス状電力負荷を第１の電気型ネットワークに接続するように構成され得、制御装置が接続解除スイッチを開いて、第１の電力ネットワークを第２の電力ネットワークから分離するように構成され得ることにより、第１の電気型ネットワークが、第２のシャフトを介して第２のプロペラを駆動するようにＨＴＳモーターに給電すること、及び、少なくとも１つのパルス状電力負荷に同時に給電することを可能にする。第１のモードにおいて、制御装置は、第２のシャフトを介して第２のプロペラを駆動するように第１の機械型発電所を動作させるようにさらに構成され得る。第２のモードにおいて、制御装置は、第１の開閉器及び第２の開閉器を介して、それぞれ、第１の電気型ネットワークに少なくとも１つのＨＴＳ発電機を接続するように、及び、第１の電気型ネットワークから少なくとも１つのパルス状電力負荷を接続解除するように構成され得、制御装置が、第２の電力ネットワークに第１の電力ネットワークを接続するように接続解除スイッチを閉じるように構成され得ることにより、第１の電気型ネットワークが第２の電力ネットワークに給電することと、同時に、第２のシャフトを介して第２のプロペラを駆動するようにＨＴＳモーターに給電することとを可能にする。第２のモードでは、制御装置は、第２のシャフトを介して第２のプロペラを駆動するように第１の機械型発電所を動作させるようにさらに構成され得る。第３のモードにおいて、制御装置は、第１の開閉器及び第２の開閉器を介して、それぞれ、第１の電気型ネットワークから少なくとも１つのＨＴＳ発電機及び少なくとも１つのパルス状電力負荷を接続解除するように構成され得、制御装置は、接続解除スイッチを閉じて第２の電力ネットワークに第１の電力ネットワークを接続するように構成され得ることにより、第２の電気型ネットワークが第１の電力ネットワークに給電することと、同時に、第２のシャフトを介して第２のプロペラを駆動するようにＨＴＳモーターに給電することとを可能にする。第３のモードでは、制御装置は、第１の機械型発電所の動作を終了するように、及び、第２のプロペラが第２のシャフトを介してフェザーリングすることを可能にするようにさらに構成され得る。
【００１０】
別の一態様において、本発明は、長軸をもつ、及び、第１の回転慣性をもつ高温超伝導体（ＨＴＳ）回転機械を特徴とする。回転機械は、長軸の周りに位置するシリンダー状の固定子組立体と、固定子組立体内に位置する、及び、長軸の周りで固定子組立体内において回転するように構成されたシリンダー状の回転子組立体とを含む。回転子組立体は、動作中に固定子組立体を結合する磁束を生成する少なくとも１つのＨＴＳ巻線組立体を備える。少なくとも１つのＨＴＳ巻線組立体の周りに位置するシリンダー状の電磁遮蔽体が存在し、シリンダー状の電磁遮蔽体は第２の回転慣性をもつ。回転子組立体の少なくとも１つの超伝導巻線組立体を冷却するための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。
【００１１】
本発明のさらに異なる他の態様において、以下の特徴のうちの１つ又は複数が含まれてよい。少なくとも１つのＨＴＳ巻線は、ｐ個のＮ極ペアを備え得る。回転機械は、長軸から少なくとも１つのＨＴＳ巻線までの半径Ｒ１をもち得る。シリンダー状の電磁遮蔽体は、厚さｔをもち得、厚さｔは、Ｒ１／ｐの５０％より大きいものであり得る。シリンダー状の電磁遮蔽体は、金属を含み得る。金属は、銅、鋼、鉛、金、タングステン、及び使用済みウランのうちの１つ又は複数を含んでよい。
【００１２】
本発明の追加的な態様は、タービンと、第１の端部においてタービンに相互接続されたシャフトとを含むターボ発電機を特徴とする。シャフトの第２の端部に接続された、及び、長軸と第１の回転慣性とをもつ高温超伝導体（ＨＴＳ）回転機械が存在する。ＨＴＳ回転機械は、長軸の周りに位置するシリンダー状の固定子組立体を含む。固定子組立体内に位置する、及び、長軸の周りで固定子組立体内において回転するように構成されたシリンダー状の回転子組立体が存在する。回転子組立体は、動作中に固定子組立体を結合する磁束を生成する少なくとも１つのＨＴＳ巻線組立体を含む。少なくとも１つのＨＴＳ巻線組立体の周りに位置するシリンダー状の電磁遮蔽体が存在する。シリンダー状の電磁遮蔽体は第２の回転慣性をもつ。回転子組立体の少なくとも１つの超伝導巻線組立体を冷却するための低温冷却システムが存在する。第２の回転慣性が、第１の回転慣性の少なくとも８０パーセント（８０％）である。
【００１３】
少なくとも１つのＨＴＳ巻線は、ｐ個のＮ極ペアを備え得る。回転機械は、長軸から少なくとも１つのＨＴＳ巻線までの半径Ｒ１をもち得る。シリンダー状の電磁遮蔽体は厚さｔをもち得、厚さｔは、Ｒ１／ｐの５０％より大きいものであり得る。シリンダー状の電磁遮蔽体は、金属を含み得る。金属は、銅、鋼、鉛、金、タングステン、及び使用済みウランのうちの１つ又は複数が挙げられ得る。
【００１４】
本発明のさらなる態様において、以下の特徴のうちの１つ又は複数が含まれてよい。
【００１５】
本開示の実施例が、添付図面を参照しながら実例としてのみ以下で説明される。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本開示の一態様による、電気兵器システム、及び電気機械混合型推進及びエネルギー・システムを含む船の斜視図である。
【図２】図１の電気機械混合型推進及びエネルギー・システムの概略図である。
【図３】発電機回転速度、ひいては電力出力に対するパルス状電力負荷の影響を示す、経時的なターボ発電機回転速度のプロットを示す図である。
【図４】寸法及び重量の低減のために最適化されるように設計された、発電機の長さ方向に沿って取得されたＨＴＳ発電機の断面図である。
【図５Ａ】電磁遮蔽体の厚さ及び電磁ギャップを含む発電機の寸法を示すように、発電機の幅にわたって取得された図４の種類のＨＴＳ発電機の断面図である。
【図５Ｂ】電磁遮蔽体の厚さ及び電磁ギャップを含む発電機の寸法を示すように、発電機の幅にわたって取得された、本発明の一態様による、より大きい回転慣性をもつＨＴＳ発電機の断面図である。
【図６Ａ】アクティブ化された電気型駆動部を使用したアクティブ電気兵器モードを示す図２の電気機械混合型推進及びエネルギー・システムの概略図である。
【図６Ｂ】アクティブ化された電気型駆動部及び船サービス電気型システム電力を伴う、非アクティブ電気兵器モードを示す図２の電気機械混合型推進及びエネルギー・システムの概略図である。
【図６Ｃ】船システム電力により給電される電気型駆動部、及び非アクティブ化された機械型駆動部を伴うエコノミー・モードを示す、図２の電気機械混合型推進及びエネルギー・システムの概略図である。
【図７】本開示による追加導入前のエンジン室１（ＥＲ１）示す、線Ａ−Ａに沿って船を横切るように、及び船の前端から取得された図１の船の断面図である。
【図８】本開示による追加導入後のエンジン室１（ＥＲ１）を示す、Ａ−Ａ線に沿って船を横切るように、及び船の前端から取得された図１の船の断面図である。
【図９】本開示による追加導入後のエンジン室１（ＥＲ１）を示す、Ｂ−Ｂ線に沿って取得された図１の船の縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本開示及びその有益な様々な特徴及び詳細が、添付図面において説明される、及び／又は示される、及び、以下の説明において詳細に述べられる非限定的な実施例及び実例を参照しながら、より完全に説明される。図面に示されている特徴が一定の縮尺で描かれるとは限らないこと、及び、一実施例の特徴が、本明細書に明示的に記載されていない場合でも、当業者であれば認識するように、他の実施例とともに使用されてよいことに留意されなければならない。
【００１８】
よく知られたコンポーネント及び処理技術の説明は、本開示の実施例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。本明細書において使用される実例は、本開示が実施され得る手法の理解を促進すること、及び、さらに当業者が本開示の実施例を実施可能することができるようにすることが意図されるにすぎない。したがって、本明細書の実例及び実施例は、本開示の範囲を限定するように解釈されてはならない。さらに、同様の参照符号が図面中の複数の図にわたり同様の部分を表すことに留意されたい。
【００１９】
図１を参照すると、船１０が示されており、軍艦、例えば駆逐艦であり得る。本開示の本発明の態様は特に軍艦に適用可能であるが、本発明は軍艦に限定されず、例えば巡航船といった、大幅な／厳しい所要電力を伴う、及び寸法及び重量の低減を必要とする他の種類の船に適用され得る。船１０は、電気機械混合型推進及びエネルギー・システムの一部を一緒に形成する第１のオール電化駆動部１２及び第２の全機械型駆動部１４を含む。この実例において、オール電化駆動部１２は右舷駆動部であり、全機械型駆動部は左舷駆動部であるが、オール電化駆動部１２及び全機械型駆動部は、オール電化駆動部が船１０の左舷にあり、機械型駆動部が船１０の右舷にあるというように逆であってよい。さらに、本発明は、２つの駆動部を含む船に限定されず、少なくとも１つの機械型駆動部と少なくとも１つの電気型駆動部とが存在することを条件として、より多数の駆動部に適用され得る。
【００２０】
１つのプロペラ・シャフトが（燃料の経済性のための）小さい電動モーターとさらには、ガス・タービンからの直接的な機械型出力との組み合わせにより駆動される船の実例が存在することに留意されなければならない。これは、例えば、３，６００ＲＰＭにおいて回転する２５，０００ＨＰガス・タービン、及び、何らかの他の速度において回転する２ＭＷ電動モーターに対応し得る主減速ギアを使用してすべて実現される。これは「電気混合（ハイブリッド）型駆動部」とも呼ばれる。本明細書において説明されている混合型（ハイブリッド）システムの固有の特徴は、一方のシャフトが排他的に機械型に駆動されること、及び、他方のシャフトが排他的に電気型に駆動されることである。
【００２１】
本開示による電気機械混合型推進及びエネルギー・システムは、新しい船の設計により新たに構築された船に設置されてよく、又は、本開示による電気機械混合型推進及びエネルギー・システムは、より古い／既存の船／設計に対する追加導入部品として設置されてよい。追加導入部品は既に構築された船のものであってよく、この場合、機械型駆動部がオール電化駆動部により置換され、又は、追加導入部品は既存の船の設計の追加導入部品であってよく、この場合、電気機械混合型推進及びエネルギー・システムを含む船が新たに構築される。本明細書において提供される実例において説明されるものである追加導入部品の設計／船の場合、元の船の構成における左舷駆動部と右舷駆動部との両方が機械型駆動部である。したがって、第１の機械型駆動部がオール電化駆動部１２により置換され、第２の機械型駆動部１４は元の船の設計から変わらない。例えば、非常に短時間に多量の電力を必要とする電磁砲、及び、高出力レーザー、又は、マイクロ波指向性エネルギー兵器であってよい特定の電気兵器１６及び１８が船１０にさらに含まれる。
【００２２】
上述のように、海用ガス・タービン及びディーゼル・エンジン発電機は元々、一定の負荷において効率的に、及び信頼可能に動作するように設計されたものであるので、既存の海用ガス・タービン及びディーゼル・エンジン発電機技術を装備した船は、このような高度な電気型兵器をサポートすることができない。オール電化船は電気兵器システムをサポートするが、船内船システムに対する電力品質要求は、厳格（いわゆるタイプ１電力）であり、まだ完全には開発されていない高価な追加的な電力品質コンポーネント、例えば直列インダクタンス又は他のエネルギー貯蔵手段を必要とする。これは、船内に空間を見つけることが困難な、及び、場合によっては不可能でコストの高い、さらに多くの大きいシステム・コンポーネントにつながる。しかし、図２の電気機械混合型推進及びエネルギー・システム２０は、高度な電気兵器システム及び船内船システムに給電すること、並びに、手頃なコストで船推進を提供すること、及び、元の構成に比べて寸法を小さくし、重量を軽くし、及び技術的な複雑さを抑えることが可能である。
【００２３】
図２に示されるように、電気機械混合型推進及びエネルギー・システム２０は、２つのターボ発電機２２及び２４を含む。この実例における各ターボ発電機は、６０Ｈｚにおいて、４５００Ｖ  ＡＣ（又は、別の適切な電圧レベル、例えば６ＫＶ）における２９ＭＷの三相電力を出力し得る。示されるように、ターボ発電機２２が三相開閉器２６を通して第１の送電網２１に接続されているとともに、ターボ発電機２４は三相開閉器２８を通して第１の送電網２１に接続されている。ターボ発電機２２及び２４は、例えば、高ｒｐｍにおいて回転し得る、及び、それぞれ発電機２５及び２７を駆動し得る２９ＭＷガス・タービン（又はディーゼル・エンジン）原動機を含む。この実例において、発電機２５及び２７は、例えば６０Ｈｚにおいて各々が２９ＭＷを出力する２又は４極の３６００ｒｐｍのＨＴＳ発電機であり得る。しかし、本開示はいずれの特定の発電機又はガス・タービンの電力レベル、極数、又は構成にも限定されるわけではなく、様々なガス・タービン・システムに適用可能である。
【００２４】
ターボ発電機のうちの１つの故障が発生した場合に、そのそれぞれの開閉器がバック・フィードされ、動作可能なターボ発電機により給電され得るように、開閉器２６は左舷／右舷ケーブル３０により開閉器２８に接続されている。開閉器２６及び２８からのケーブル３２及び３４は、それぞれ、従来の電動モーター又はＨＴＳモーターであり得る電気推進モーター３６に給電する。この実例において、変速電動モーター３６に入力される電圧レベルは、２７００Ｖにおける９相ＡＣであり、したがって、開閉器２６及び２８からの電力は、後述の適切なモーター駆動システムにより変換及び調整されなければならない。
【００２５】
開閉器２６からの出力は、整流器３８に接続され得、次に、ＤＣがインバーター４０により９相ＡＣに変換され得る。整流器３８及びインバーター４０が接続解除キャビネット４２によりモーター３６に接続されたとき、整流器３８及びインバーター４０は、モーター３６への電流入力／モーター３６の回転速度を制御するためのモーター駆動部を形成する。開閉器２８からの出力は、整流器４４によりＤＣに変換され得、次に、ＤＣがインバーター４６により９相ＡＣに変換され得る。整流器４４及びインバーター４６が接続解除キャビネット４２によりモーター３６に接続されたとき、整流器４４及びインバーター４６は、モーター３６への電流入力／モーター３６の回転速度を制御するためのモーター駆動部を形成する。モーター駆動部の一方又は両方が、接続解除キャビネット４２を介して駆動モーター３６に接続され得る。したがって、第１の送電網２１はＨＴＳモーター３６に電力を提供するように構成される。
【００２６】
第１の送電網２１は、エネルギー貯蔵開閉器４８を通して適切なエネルギー貯蔵システム（図示されていない）を介してパルス状電力負荷（すなわち図示されていない電気型兵器）に電力を供給するようにさらに構成される。エネルギー貯蔵開閉器４８は電力ケーブル４７及び４９により送電され、電力ケーブル４７及び４９は電力ケーブル４７及び４９の他端部において、それぞれ開閉器２６及び２８に接続されている。加えて、開閉器２６に接続された変圧器５０は、第１の送電網２１からの４５００Ｖ  ＡＣを４５０Ｖ  ＡＣに変換し、それを、（特定の状況において）電力コンバーター５２を通して配電用開閉器（図示されていない）に送電し、より低い電圧の電力を第２の送電網５３に伝送し得る。第２の送電網５３における負荷の詳細は図示されていないが、様々な船内船システムを含むことが当業者により理解され、様々な船内船システムのうちのいくつかはクリーンなタイプ１電力を必要とする。
【００２７】
パルス状電力負荷は、エネルギー貯蔵開閉器４８を通した数秒（例えば５秒）の非常に高い消費電力（例えば１０ＭＷ以上）と、その後に続くエネルギー消費を伴わない中断（例えば１秒）により構成され得る。システム設計は、このサイクルが無限に繰り返されると想定する。上述のように、このようなパルス状負荷は、第１の送電網２１の適切な動作に深刻な影響を与え得る。パルス状電力負荷は、ターボ発電機２２及び２４の回転速度の低下をもたらし得、ターボ発電機からの周波数、電圧、及び電力出力の比例した低下を結果的にもたらす。図３において、典型的なＨＴＳ発電機設計を使用したターボ発電機２２／２４におけるこのようなパルス状負荷の回転速度に対する影響が、（ターボ発電機のうちの１つのみが動作可能であると仮定して）複数のパルス周期にわたって示される。
【００２８】
波形８０により示されるように、ターボ発電機のｒｐｍは、１８ＭＷの初期パルス状負荷を伴う数秒間に３６００から約１４００に低下する。ターボ発電機の回転速度は、周期的な１８ＭＷのパルスが続く間に経時的に若干回復するが、回転速度は実質的に、ターボ発電機の初期の３６００ｒｐｍの回転速度未満に依然として留まる。この場合、２９ＭＶＡのターボ発電機に対して低コスト化のために最適化されたＨＴＳ発電機の使用に基づいた、発電機の推定される回転慣性は約７９０ｋｇ・ｍ２である。この実例において、ＥＭ遮蔽体は、約１０ｃｍ（４インチ）の厚さをもち、鋼及び銅から形成され得る。ＥＭ遮蔽体にアルミニウムを使用し得る重量的に最適化された設計では、回転慣性が、コスト的に最適化された設計における回転慣性より大幅に小さいものとなり得る。これは、パルス状負荷の悪影響が非常に大きくなることを意味する。
【００２９】
ターボ発電機において比較的小さい慣性をもつ場合、ターボ発電機に対してパルス状負荷中に与えられるトルクは、回転速度を下げることに対して、より大幅な影響をもつ。波形８０の実例では、これは、６０％近くの回転速度の低下、及び、第１の送電網２１における相応の電圧、周波数、及び電力の低下と言い換えられる。さらに、ターボ発電機にこのレベルの周期的な負荷がかかる場合、タービンの耐用期間を短くすることは間違いなく、それは、エンジンが停止することをもたらしさえし得る。
【００３０】
本発明の一態様によると、ＨＴＳ発電機における回転慣性がより大きい場合、ターボ発電機に対するトルクの影響が小さくされ得ることが明らかとされた。したがって、本発明の一態様による電気機械混合型推進及びエネルギー・システムは、電気兵器が使用されるときに生成される動的な負荷のもとで電気型な性能を改善する。波形８２は、１８ＭＷの周期的なパルス状負荷を伴う場合の、ターボ発電機の回転速度に対する影響（約３０％の初期低下）を示す。この場合、使用されるＨＴＳ発電機は、より大きい回転慣性をもち、約１４９６ｋｇ・ｍ２の全体的なターボ発電機回転慣性を結果的にもたらす。ＥＭ遮蔽体は、約１８ｃｍ（７インチ）の厚さをもつ鋼から形成され得る。波形８２から明らかなように、波形８０と比較すると、１４９６ｋｇ・ｍ２までターボ発電機の回転慣性を大きくすることは、ターボ発電機の回転速度に対する初期の、及び後続の周期的なパルス状負荷の影響、及び、第１の送電網２１における電圧、周波数、及び電力に対する影響を大幅に減らす。ＥＭ遮蔽体にタングステン合金を追加することは、回転慣性を約１８１７ｋｇ・ｍ２までさらに大きくする。
【００３１】
図４を参照すると、最小の寸法及び重量の観点から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における波形８０を生成したより小さい回転慣性の発電機と同様に、この実例は、ターボ発電機の全体的な回転慣性がこの場合も約７９０ｋｇ・ｍ２となるような回転慣性をもち得る。ＨＴＳ発電機１００は、固定子コイル組立体１０４  １−ｎを含む固定子組立体１０２を含む。当技術分野においてよく知られているように、固定子組立体１０２内に含まれる固定子コイル組立体１０４  １−ｎの特定の個数は、例えば機械が単相機械であるか多相機械であるかといった、様々な設計基準に応じて変わる。例えば、６０Ｈｚにおいて４５００Ｖ  ＡＣを出力する、本明細書において説明されている、ある２９ＭＶＡの三相ＨＴＳ発電機では、固定子組立体１０２が、７２個の固定子コイル組立体１４  １−ｎを含み得る。
【００３２】
回転子組立体１０６は、固定子組立体１０２内において回転する。固定子組立体１０２と同様に、回転子組立体１０６は回転子巻線組立体１０８  １−ｎを含む。同じ２９ＭＶＡの三相ＨＴＳ発電機において、サドル・コイル構成であり得る（２極を形成する）２つの回転子巻線組立体が高ｒｐｍ発電機用途に非常に適しているので、回転子組立体１０６は、サドル・コイル構成であり得る（２極を形成する）２つの回転子巻線組立体を含み得る。例えば４極構成といった他の回転子構成が、同様に使用されてよい。これらの回転子巻線組立体は、動作中、回転子組立体１０６と固定子組立体１０２とを結合する磁束を生成する。この発電機は２極機械として設計されているが、様々な極数の機械が使用され得ること、及び、個々の設計が用途に依存することが当業者により理解される。発電機１００の動作中、三相電圧１１０が固定子コイル組立体１０４  １−ｎにおいて生成され、三相電圧１１０は続いて、例えば図２に示されるように船の送電網に出力される。固定子コイル組立体１０４  １−ｎにおける三相電圧は、ターボ発電機シャフト１１２により駆動されたときに回転子が回転するのに伴った、回転子組立体１０６と固定子組立体１０２とを結合する回転子コイル組立体１０８  １−ｎにより生成される回転子巻線磁束により生成される。
【００３３】
回転子巻線組立体１０８  １−ｎは、トルク・チューブ１１４からのトルクを伝達する第１のフランジ１０９に接続されたサポート構造物１０７の外面に搭載され得る。回転子巻線組立体１０８  １−ｎは、代替的に、内面サポート構造物１０７に搭載されてよいことに留意されなければならない。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及び１１３は、トルク・チューブ１１４に組み込まれてよく、又は、独立した組立体であってよい。もちろん、他のトルク・チューブ設計が、低温空間においてシャフト１１２から回転子組立体にトルクを伝達するために使用されてよい。
【００３４】
超伝導回転機械１００の動作中、例えばＤＣ電流源（図示されていない）からの場のエネルギー１１６が、スリップ・リング／回転ディスク組立体１１８を通して回転子巻線組立体１０８  １−ｎに印加され得る。回転子巻線組立体１０８  １−ｎは、回転子組立体１０６と固定子組立体１０２とを結合するために必要とされる磁場（及び磁束）を生成するためにＤＣ電流を必要とする。固定子コイル組立体１０４  １−ｎが例えば非超伝導銅コイル組立体から形成される一方で、回転子巻線組立体１０８  １−ｎはＨＴＳ巻線を組み込んだ超伝導組立体である。ＨＴＳ導体の実例として、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、水銀−バリウム−カルシウム−銅−酸化物、及びイットリウム−バリウム−銅−酸化物が挙げられる。
【００３５】
これらの超伝導導体は低温において動作するときにだけ超伝導導体の超伝導特性を達成するので、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、伝導体がそれらの超伝導特性を示すことを可能にする十分に低い動作温度に、回転子巻線組立体１０８  １−ｎの動作温度を維持する低温冷却器の形態をとる。回転子巻線組立体１０８  １−ｎは冷却システム１２０により低温に維持されなければならないので、トルク・チューブ１１４は、高強度の低熱伝導率金属材料（例えばＩｎｃｏｎｅｌ（商標）（インコネル））又は複合材料（例えばＧ−１０フェノール系又は織物ガラス・エポキシ）から構築され得る。
【００３６】
回転子組立体１０６は、固定子組立体１０２において生成される高調波からの非同期場を遮蔽又はフィルタ処理するために、固定子組立体１０２と回転子組立体１０６との間に位置する電磁遮蔽体１２２を含む。回転子組立体１０６は典型的にはシリンダー形であり、電磁遮蔽体１２２も典型的にはシリンダー形である。これらの非同期場から回転子組立体１０６の回転子巻線組立体１０８  １−ｎを遮蔽することが望ましい。したがって、回転子組立体１０６に適合した電磁遮蔽体１２２が、非同期場から回転子巻線組立体１０８  １−ｎをカバー（又は遮蔽）し、及び、非磁性材料（例えば銅、アルミニウムなど）から構築される。電磁遮蔽体１２２は、回転子巻線組立体１０８  １−ｎを完全にカバー及び遮蔽するのに十分な長さでなければならない。考慮される事例は現在のところＡＣ場を遮蔽するように、及び異常負荷に耐えるように選択された厚さをもつ、鋼と銅の薄い保護膜とである。アルミニウムは最も軽い解決策であるが、重量に対する関心がコストに対する関心より低い場合、鋼が選択され得る。遮蔽体はさらに真空閉じ込めを提供し、鋼は溶接を利用した、より単純な封止的解決策を提示する。
【００３７】
電磁遮蔽体１２２は、端部プレート１３０、１３２のペアを介してシャフト１１２に固く接続され得る。この固い接続は、溶接又は機械型留め具システム（例えばボルト、リベット、スプライン、キー溝など）の形態であり得る。遮蔽するために、電磁遮蔽体１２２の厚さはこの実例では６０ヘルツである三相ＡＣ電力１１０の周波数に対して反比例して変わる。少ない極数の設計の場合、異常中の過渡的な力に耐えるように厚さが選択され得る。この周波数に対して、典型的には、電磁遮蔽体１２２の厚さは１０ｃｍ（４インチ）以下の鋼及び銅となる。発電機の寸法及び重量を小さくするために、例えばこのような従来技術のシステムは、発電機が、発電機の重量及び寸法を最小化するために、非同期場をフィルタ処理すること、及び、遮蔽体に対する力を長円形化する異常をサポートすることに対して十分な厚さであるがより厚くはないという点まで、電磁遮蔽体１２２の厚さを最小化していた。
【００３８】
図４の発電機１００に示されていないが、内部強磁性コア（例えば鉄コア）が、回転子の磁気的なパーミアンスを大きくするために使用されてよく、結果として、所与の磁場を生成するために必要なＨＴＳ材料の量を減らすことを可能にし得る。それは、さらに、有意な手法により発電機の回転慣性を大きくする。図５ＡにＨＴＳ発電機２００の概略断面図が示されており、ＨＴＳ発電機２００は、図４に示されるＨＴＳ発電機の種類と同様である。断面図は発電機の幅にわたって描かれ、電磁遮蔽体の厚さ及び電磁ギャップを含む発電機の寸法を示す。この実例において、ＨＴＳ発電機１００ａは２極発電機として示されており、内部鉄コア２０４を含む回転子組立体２０２を含む。回転子巻線２０６ａ及び２０６ｂはサドル・コイル巻線の形態をとり、サドル・コイルを形成するように端部において連結された２つのアーク・セクションを含むことが各々に対して示されている。
【００３９】
ＨＴＳ発電機２００を設計することにおいて、ＨＴＳサドル・コイル２０６ａ／ｂに対する先端部速度に対する限界が考慮されなければならない。ＨＴＳコイルに対する遠心負荷は、超伝導体材料にひずみをもたらす。このひずみは、コイルの先端部速度の二乗に比例する。１５０ｍ／秒の先端部速度がこのようなコイルに対する許容可能な限界であることを、経験及び分析が示している。軍艦での使用のための発電機は、定格速度の最大１２５％の過速度試験を必要とし得る。３６００ｒｐｍの設計速度の場合、これは、図５ＡにおいてＲ１として説明されている、発電機の長軸からコイル２０６ａ／ｂの中央平面までの約０．３２ｍの半径をもつ界磁巻線を必要とする４，５００ｒｐｍにおける過速度試験に対応する。サドル・コイルは、コイル・サポート・シリンダー２０７によりサドル・コイルの外側においてサポートされる。
【００４０】
発電機２００の非回転部は半径Ｒ２から始まり、非回転部は発電機の長軸から固定子２０８の内側半径まで延びており、固定子２０８とバック鉄２１０とからなる。コイル・サポート・シリンダー２０７の外側にＥＭ遮蔽体２１２があり、ＥＭ遮蔽体２１２は回転子組立体２０２の最も外側の回転部材である。上述のように、ＥＭ遮蔽体２１２は、ＨＴＳコイルにおけるＡＣ損失を減らすために、回転と非同期の電磁場から回転子組立体２０２を遮蔽する。サドル・コイル２０６ａ／ｂにより生成される場の強度は、各コイルにおけるアンペア・ターンに比例するが、サドル・コイルと固定子との間の電磁（「ＥＭ」：ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ）ギャップ（Ｒ２−Ｒ１）に反比例する。したがって、ＥＭギャップを広げることは、アンペア・ターンの数を増やし、したがって、所与の電磁場を生成するために必要なＨＴＳワイヤの量を増やす。
【００４１】
ＥＭギャップ（Ｒ２−Ｒ１）の大部分は、ＥＭ遮蔽体２１２からなり、重量的に、又はコスト的に最適化された設計をもち、ＥＭ遮蔽体はその遮蔽機能を実現するために十分に厚く作られているだけであり、その重量／質量は遮蔽能力をもつ低密度材料を選択することにより最小化される。ＥＭ遮蔽体２１２の厚さｔはおおむねＲ１／ｐの４０％未満であり、ここで、ｐは設計における極ペアの数（２極発電機に対してｐ＝１）である。この設計の場合、厚さｔは約１０ｃｍ（４インチ）であり得、ＥＭ遮蔽体のために使用される材料は、中程度の密度の材料、例えば鋼であり得る。
【００４２】
ＥＭ遮蔽体２１２に対する回転慣性を決定するために、内半径Ｒｉ及び外半径Ｒｏ及び質量Ｍは次のように計算される。
Ｍ（Ｒｉ２＋Ｒｏ２）／２
この値は、本例の場合、約５６０ｋｇ・ｍ２である。ターボ発電機における他のシステム・コンポーネントの回転慣性に対するＥＭ遮蔽体の回転慣性は、次のとおりである。
回転慣性−コスト的に最適化された設計
ＥＭ遮蔽体  ５６０ｋｇ・ｍ２
内部鉄及びシャフト  １４３ｋｇ・ｍ２
場及びサポート  ８７ｋｇ・ｍ２
発電機回転子全体  ７９０ｋｇ・ｍ２
タービン  ９６ｋｇ・ｍ２
全体  ８８６ｋｇ・ｍ２
【００４３】
この実例の場合、発電機全体の回転慣性に対するＥＭ遮蔽体の回転慣性は、約７０パーセント（７０％）である。典型的なコスト的に／重量的に最適化された設計の場合、ＥＭ遮蔽体における回転慣性は、おおむね全体的なＨＴＳ発電機の回転慣性の７０％以下である（本明細書において「低慣性」ＨＴＳ発電機と呼ばれる）。
【００４４】
より大きい回転慣性をもつＨＴＳ発電機がＨＴＳ発電機２００’として図５Ｂに示されている。すべてのコンポーネントが図５ＡのＨＴＳ発電機２００と実質的に同じであるが、より厚いＥＭ遮蔽体２１２’を構築することにより、サドル・コイル２０６ａ’／ｂ’における追加的なアンペア・ターンという犠牲を伴って発電機の回転慣性が大きくされ得る。言い換えると、ＥＭ遮蔽体２１２’の厚さの増加に起因して、ＨＴＳ発電機２００’のＥＭギャップ（Ｒ２’−Ｒ１’）がＥＭギャップ（Ｒ２−Ｒ１）より大きいので、ＨＴＳ発電機２００の場合と同じ電磁場をＨＴＳ発電機２００’において生成するために、より多量のＨＴＳ材料が必要とされる。
【００４５】
ＨＴＳ発電機２００’のより大きい回転慣性の設計に対して、ＥＭ遮蔽体２１２’の厚さｔ’は、Ｒ１／ｐの５０％以上であり得る。この設計に対して、厚さｔ’は、約１８ｃｍ（７インチ）であり得る。ＥＭ遮蔽体の回転慣性を大きくするためにＥＭ遮蔽体の厚さを大きくすることに加えて、より高密度の材料が使用され得る。このような材料の実例として、銅（８．９６ｇ／ｃｍ３）、鋼（７．８４ｇ／ｃｍ３）、鉛（１１．３２ｇ／ｃｍ３）、金（１９．２８２ｇ／ｃｍ３）、タングステン（１９．２５ｇ／ｃｍ３）、及び使用済みウラン（１８．９５ｇ／ｃｍ３）が挙げられ得る。これらの材料のうちの１つ又は複数が、ＥＭ遮蔽体を構築するために使用され得る。
【００４６】
ＥＭ遮蔽体２１２’の適切な厚さ及び材料組成を選択することにより、特定のターボ発電機及びパルス状電力負荷の想定されるレベル及び周波数に対する所望の動作特性を取得するために、ＥＭ遮蔽体の追加的な回転慣性の大きさが調整され得る。
【００４７】
ＥＭ遮蔽体２１２’に対する回転慣性を決定するために、内半径Ｒｉ’及び外半径Ｒｏ’及び質量Ｍ’は（例えば鋼とタングステン合金との組み合わせを使用したとき）、次のように計算される。
Ｍ’（Ｒｉ’２＋Ｒｏ’２）／２
この値は約１，４７７ｋｇ・ｍ２である。ターボ発電機における他のシステム・コンポーネントの回転慣性に対するＥＭ遮蔽体の回転慣性は、次のとおりである。
回転慣性−回転慣性的に最適化された設計
ＥＭ遮蔽体  １，４７７ｋｇ・ｍ２
内部鉄及びシャフト  １５１ｋｇ・ｍ２
場及びサポート  ９２ｋｇ・ｍ２
発電機回転子全体  １，７２０ｋｇ・ｍ２
タービン  ９６ｋｇ・ｍ２
全体  １，８１６ｋｇ・ｍ２
【００４８】
この回転慣性的に最適化された実例に対して、発電機全体の回転慣性に対するＥＭ遮蔽体の回転慣性は約８５パーセント（８５％）である。典型的な回転慣性的に最適化された設計に対して、ＥＭ遮蔽体における回転慣性は、おおむね全体的なＨＴＳ発電機の回転慣性の８０％以上であり得る（本明細書において「高慣性」ＨＴＳ発電機と呼ばれる）。
【００４９】
厚いＥＭ遮蔽体を含むこの設計がＥＭ遮蔽体にステンレス鋼だけを使用して構築された場合、発電機回転慣性は依然として１４９２ｋｇ・ｍ２であり、この値は依然としてコスト的に、及び重量的に最適化された設計の回転慣性の１９０％近くである。本発明によるＨＴＳ発電機の設計は多くの重要な利点をもち、すなわち、それは短い軸方向の長さの中に収まり、極めてパルス状の印加において極滑りを避ける低いリアクタンスをもち、大きい回転慣性をもつ。
【００５０】
再度図２を参照して、電気機械混合型推進及びエネルギー・システム２０の残部が説明される。この特定の船では、２つの主エンジン室ＥＲ１  ５４及びＥＲ２  ５６が存在する。ＥＲ１  ５４には、上述のように、三相開閉器２６に接続されたターボ発電機２２と三相開閉器２８に接続されたターボ発電機２４とが含まれる。加えて、この場合、ＨＴＳモーターである電気推進モーター３６もＥＲ１  ５４に設置されている。ＨＴＳモーター３６は右舷プロペラ５７を駆動する右舷シャフト５５に接続されている。エンジン室ＥＲ２  ５６には、主減速ギア６２に接続された駆動シャフトを各々が含む２つのガス・タービン原動機又はエンジン５８及び６０（例えばＬＭＲ２５００）が含まれる。左舷シャフト５９は、左舷プロペラ６１を一緒に駆動する主減速ギア６２に相互接続されている。元の設計において、船に電気機械混合型推進及びエネルギー・システムを追加導入する前に、ＥＲ１  ５４に２つのガス・タービン原動機又はエンジン（例えばＬＭＲ２５００）が装備されており、２つのガス・タービン原動機又はエンジンの各々が、シャフト５５及びプロペラ５７を駆動する主減速ギアに接続された駆動シャフトを含む。
【００５１】
約３．９ＭＷの電力を各々が出力する（船サービス・ガス・タービン発電機又は「ＳＳＧＴＧ」（ｓｈｉｐ  ｓｅｒｖｉｃｅ  ｇａｓ  ｔｕｒｂｉｎｅ  ｇｅｎｅｒａｔｏｒ）と呼ばれる軍艦における）２つの追加的な小さいターボ発電機６４及び６６が、第２の送電網５３に接続され、それぞれ、ＥＲ２  ５６及び発電機室６８に含まれる。通常の動作状態のもとで、これらのターボ発電機は、船内船システム用の４５０Ｖの配電用電力ネットワークである第２の送電網５３用の主電源である。元の船の設計において、ＥＲ１  ５４に組み込まれている追加的な３．９ＭＷのＳＳＧＴＧ（図示せず）とともに２つの小さいターボ発電機６４及び６６が、第２の送電網５３に十分な給電能力を一緒に提供する。図２に示される追加導入の設計では、第１の送電網２１を介してターボ発電機２２／２４により提供される追加的な給電能力に起因して、第３のターボ発電機は必要とされない。
【００５２】
（開閉器ユニット２４及び２６、左舷／右舷ケーブル３０、及びエネルギー貯蔵開閉器４８以外の）第１の送電網２１用のコンポーネントの残部は、第１の補助機械室、例えばＡＭＲ１  ５８に含まれる。もちろん、本発明の一態様による電気機械混合型推進及びエネルギー・システムの設計を完成させるために、これらのコンポーネントが追加導入により追加されることが必要である。第２の補助機械室ＡＭＲ２  ７０は、電気機械混合型推進及びエネルギー・システム２０におけるコンポーネントの設置に必要とされない。本明細書において説明されている電気機械混合型推進及びエネルギー・システムのコンポーネントは、船１０内において様々な位置及び配置をとって設置されてよく、この実例において説明されている室及び位置に設置される必要はないことに留意されなければならない。
【００５３】
本明細書において説明されているトポロジーは、純粋なＩＰＳシステムの利点のうちの大部分を組み込みながら、しかし、現在利用可能な既存の低リスクの電気型な、及び制御的な技術を使用して、レールガン及びレーザーなどの高パルス負荷システムを組み込むために、必要とされるステップ状に変化する電力上昇を提供する。このトポロジー及び設計は、船の既存の配置に対する影響を最小化して、船の全長を延ばすことなく、本解決策を現時点で可能にする。特に、本明細書において説明される実例を使用すると、船の寸法（長さ）を大きくすることなく、利用可能な電力において約１２ＭＷ（３×３．９ＭＷのターボ発電機）から６０ＭＷ（２×２９ＭＷのＨＴＳ発電機及び２×３．９ＭＷのターボ発電機）より大きい合計値までの電力の増加が達成され得る。
【００５４】
このシステム・アーキテクチャは、純粋なＩＰＳシステムと同様に、共通バスにおいて電力をシェアする利点を最大化するために、しかし、パルス負荷が生成されているとき、共通バスを２つの独立した船のバスに分けるクリティカルな設計の特徴を伴って、船の電気負荷機能を選択的に組み合わせる、又は接続解除するように設計されている。したがって、軍艦の実例の場合、非戦闘状態での船の走行中、システムは電力が船の推進システムと（高エネルギー兵器を除く）すべての他の船の電気負荷との間においてシェアされる１つの共通バスに構成され、さらに、戦闘動作中、兵器の影響から船の主電気型バスを保護するために、船の主電気型バスと高エネルギー兵器及び推進のために機能するバスとの間における回路遮断器が開かれる。共通バスから、独立した原動機及び負荷に機能提供する２つの孤立したバスにスイッチングすることができるシステム・レベルの設計を使用することにより、（柔軟性、生存性、及び移動燃料削減のために船の電力をシェアする）真のオール電化船の利点の大部分が達成され、船は、高エネルギー兵器を動作させることと、推進システムに同時に給電することとの両方のために利用可能な電力の大幅な増加の恩恵を受ける。
【００５５】
上述の特徴に加えて、船の燃料の経済性が著しく改善され得る。非戦闘動作中に共通バスが使用される場合、このことは、非常に経済的なモードにおける比較的遅い船速度（例えば１／２の速度）を提供するために、電気推進モーターが（典型的には非推進用の船の電気負荷にのみ利用可能な）ＳＳＧＴＧから給電されることを可能にする。これは燃料のコストを削減するだけでなく、さらに配置についている船の範囲及び期間を大幅に拡大する。
【００５６】
上述のように、本システムは、兵器動作中に分割バス配置（すなわち、第１の送電網２１と第２の送電網５３との間の分離）をとるように設計されており、１つのバスにおいて大電力パルス兵器及びセンサー負荷を船推進と一緒にして組み合わせると同時に、船の他の動作している機能のためにクリーンな電力バス（すなわちタイプＩ電力）を必要とする船の戦闘用電力を分離する。本システムは、非戦闘期間中に１つのシェアされたバス（船推進及び船の電力）へと分割バスを組み合わせるようにさらに設計されている。これは、船の機動性及び経済性に拡縮可能性及び柔軟性を追加する。主ガス・タービンのすべては停止され得、船は、右舷シャフト用のＨＴＳ電気推進モーターに給電するために、２つの船のサービス・ガス・タービン発電機（ＳＳＧＴＧ）ユニットのうちの１つを使用することにより、高燃料エコノミー・モードにおいて動作し得る。代替的に、船の２つのＳＳＧＴＧが停止され得、船電力システム網５３及び主推進３６は、１つのターボ発電機２２又は２４により給電され得る。船の電力の柔軟性及び生存性を追加するＳＳＧＴＧとターボ発電機との多くの他の組み合わせが存在する。
【００５７】
図２のシステム・アーキテクチャのトポロジーが可能にする上述の動作モード、図６Ａ〜図６Ｃに関連して、より詳細に説明される。図２及び図６Ａ〜図６Ｃに示されるように、システム制御装置、例えば機械制御システム（ＭＣＳ：ｍａｃｈｉｎｅｒｙ  ｃｏｎｔｒｏｌ  ｓｙｓｔｅｍ）７２は、後述の動作モードにおいて説明されるように、ＥＲ１  ５４、ＥＲ２  ５６、ＡＭＲ１  ６８、及びＥＭＲＧ６９におけるすべての発電、推進、及び電気型コンポーネントを制御する／動作させるように提供され得る。システム制御装置は船のブリッジから指揮を執り、それを推進からレールガンに給電することまですべての負荷需要に変換する。
【００５８】
第１の動作モードが図６Ａに示され、図６Ａは、アクティブ化された電気型駆動部を使用したアクティブ電気兵器モードにおける図２の電気機械混合型推進及びエネルギー・システムを示す。遮断器５０は「開」位置に置かれ、それにより、第１の送電網２１を第２の送電網５３から分離し、第１の送電網２１がエネルギー貯蔵開閉器４８を通して適切なエネルギー貯蔵システム（図示されていない）を介して、パルス状電力負荷（すなわち図示されていない電気型兵器）により必要とされる電力のすべてを供給することをもたらす。エネルギー貯蔵開閉器４８への電力の流れは、矢印２５０及び２５１により示され、この電力は、それぞれ開閉器ユニット２６及び２８から供給される。第１の送電網２１は、矢印２５２及び２５３により示される、ＨＴＳモーター３６を駆動するために必要とされる電力のすべてを提供するようにさらに構成され、この電力もそれぞれ開閉器ユニット２６及び２８から供給される。ターボ発電機２２／２４により生成された電力レベルを使用すると、機械型駆動部と組み合わされたとき、（この第１のモードにおいて動作可能な）その最高巡航速度付近において船１０を推進させる十分な電力を使用して、それらが（それぞれ矢印２５４及び２５５により示されるように）プロペラ５７及び６１を一緒に駆動するように、送電網２１がＨＴＳモーター３６に十分な電力を送達し得ると同時に、パルス状電力負荷を動作させることができる。
【００５９】
図３に関連してここまでに説明されているように、パルス状電力負荷は送電網２１を妨害するが、ＨＴＳ発電機２５及び２７は、パルス状電力負荷によりもたらされる妨害を制限するために、高慣性ＨＴＳ発電機を含んで構成され得る。加えて、ＨＴＳモーター３６は整流器（３８／４４）及びインバーター（４０／４６）を備えるモーター駆動部により駆動されるので、駆動部は、ＨＴＳモーター３６への伝送前に十分に電力を調整するように構成され得る。パルス状電力負荷のアクティブ化中の第１の送電網２１における妨害のレベルは、（タイプ１を要求する）第２の送電網５３に送電するには過度に大きい可能性があるので、第１の送電網２１を第２の送電網５３から分離するために、遮断器５０が上述のように「開」位置に置かれる。この第１のモードにおいて、第２の送電網５３はターボ発電機６４及び６６により給電される。
【００６０】
第２の動作モードでは、図６Ｂに示されるように、電気機械混合型推進及びエネルギー・システムはアクティブ化された電気型駆動部を使用した非アクティブ電気兵器モードにおいて構成される。遮断器５０が「閉」位置に置かれ、それにより、第１の送電網２１を第２の送電網５３に接続し、第１の送電網２１が、矢印２６０により示されるように第２の送電網５３により必要とされる電力のすべてを供給することをもたらす。このモードにおいて、ターボ発電機６４及び６６は、非アクティブ化され得、したがって、ターボ発電機に給電するために通常必要とされる燃料が削減され得る。代替的に、送電網２１は、送電網５３からの電力需要に応じて、ターボ発電機６４及び／又は６６と一緒に動作して送電網５３への電力を補完し得る。開閉器が開位置に置かれ、パルス状負荷が非アクティブ化されるので、このモードではエネルギー貯蔵開閉器４８への電力の流れがない。このモードでは、第１のモードと同様に、第１の送電網２１が、矢印２５２及び２５３により示されるＨＴＳモーター３６を駆動するために必要とされる電力のすべてを提供するように構成され、この電力もそれぞれ開閉器ユニット２６及び２８から供給される。ターボ発電機２２／２４により生成された電力レベルを使用することにより、送電網２１がＨＴＳモーター３６に十分な電力を送達し得、したがって、（この第２のモードにおいて動作可能な）機械型駆動部と組み合わされたとき、その最高巡航速度において船１０を推進するための十分な電力を使用して、（それぞれ矢印２５４及び２５５により示されるように）それらがプロペラ５７及び６１を駆動することができると同時に、電力需要に応じて第２の送電網５３に単に給電すること、又は、電力を追加することができる。
【００６１】
さらに、図６Ｃに示されるように第３の動作モードにおいて、図２の電気機械混合型推進及びエネルギー・システムは、第２の送電網５３からの船システム電力により給電される電気型駆動部を使用して、及び、非アクティブ化された機械型駆動部を使用して、エコノミー・モードにおいて動作するように構成される。遮断器５０は「閉」位置に置かれ、それにより、第１の送電網２１を第２の送電網５３に接続する。しかし、このモードにおいて、第２の送電網５３からの電力は、矢印２６０’により示されるように第１の送電網２１に流れる。このモードにおいて、ターボ発電機６４又は６６の一方又は両方が負荷要求及び所望の船速度に応じて、それぞれ、第１の送電網２１と第２の送電網５３との両方に電力を提供するようにアクティブ化される。ターボ発電機２２及び２４は無効化され、開閉器ユニット２６及び２８における遮断器が開かれる。矢印２６０’により示されるように第２の送電網５３からの電力は、開閉器２６を通り、矢印２５２により示されるように整流器３８及びインバーター４０に流れ、ＨＴＳモーター３６に給電する。ＨＴＳモーター３６は矢印２５４’により示されるようにプロペラ５７を駆動する。このモードでは、ガス・タービン５８及び６０が非アクティブ化され、プロペラ６１がフェザーリングを可能にされる。したがって、船１０は、約１／２の速度において船を推進させるために、より低い電力レベルにおいて動作するＨＴＳモーター３６のみにより推進される。
【００６２】
図７において、Ａ−Ａ線に沿って船を横切るように、及び船の前端から取得された図１の船１０の断面図が、本開示による追加導入前のエンジン室１（ＥＲ１）を示す。したがって、ＥＲ２  ５６に示される主減速ギア６２と同様の主減速ギア６２’がＥＲ１  ５４に示される。減速ギアの寸法、及び、（図２に示される）ガス・タービン５８及び６０に対する必要とされる相互接続に起因して、主減速ギア６２’は、船殻３００から高さＨ１においてＥＲ１  ５４に搭載される。シャフト（図２のすなわちシャフト５５）が、点６２’’において主減速ギア６２’に相互接続し、点６２’’は高さＨ１が測定される点である。
【００６３】
図８及び図９を参照すると機械型駆動部が２つのターボ発電機２２及び２４及びＨＴＳモーター３６と置換されたときの、本開示による追加導入後のＥＲ１  ５４が示される。ターボ発電機２２及び２４は、既存の吸入導管及び排出導管の接続点（タービン２２及び２４における３０２ａ／３０２ｂ、３０４ａ／３０４ｂ、３０６ａ／３０６ｂ、及び、船における３０８ａ／３０８ｂ、３１０ａ／３１０ｂ、３１２ａ／３３１２ｂ）を維持するために、ＥＲ１  ５４の上部に向かって持ち上げられ得る。比較的小型の寸法のＨＴＳモーター３６が与えられたとき、ＨＴＳモーター３６は、シャフト（すなわち図２のシャフト５５）がＨＴＳモーター３６に相互接続する点である点３６’に対して測定された高さＨ２においてタービン２２及び２４の下方に搭載され得る。この図において、Ｈ１とＨ２との間の高さの差を示すために、以前に設置された主減速ギア６２’の接続点６２’’が破線で示される。図９においてさらに容易に見てわかるとおり、Ｈ１がＨ２より大きいので、プロペラ５７を主減速ギア６２’に接続するシャフト５５の角度Θ’は、プロペラ５７をＨＴＳモーター３６に接続するシャフト５５の角度Θより大きい。この角度はレイク角と呼ばれ、小さく（この実例において約５度から２度）された場合、それは船の燃料の経済性をさらに改善する。
【００６４】
要約すると、本開示による電気機械混合型推進及びエネルギー・システムの次の特徴が提供される。
・既存の船殻に５８ＭＷの新しく導入された電力を提供するために、ＥＲ＃１及びＡＭＲ＃１に別の目的を振り向け、この電力は、最高速度まで船に給電するために、及び、兵器用の１６ＭＷの電力をさらに提供するために同時に使用され得る。
・船の長さを延ばさずに船に５８ＭＷの導入された電力を追加する。
・本システムは兵器動作中に分割バス配置をとる（パルス電力兵器負荷を船推進と一緒に１つのバスに組み合わせるが、クリーンな電力バスを必要とする船の戦闘用電力を分離する）ように、及び、船の他の動作している機能用のクリーンなタイプＩ電力を分離するように設計されている。
・本システムは、非戦闘期間中に１つのシェアされたバス（船推進＋船の電力）へと分割バスを組み合わせるようにさらに設計される。
・船の機動性及び経済性に新しい柔軟性を追加する。主ガス・タービンのすべてが停止され得、船は、ＳＴＢＤ  ＨＴＳ電気推進モーターに給電するために、２つの船のＳＳＴＧＴＧユニットのうちの１つを使用することにより、高燃料エコノミー・モードにおいて動作し得る。
・船の電気システムに柔軟性及び生存性を追加する。船の主電気バスに給電する（３）３．９ＭＷのＳＳＧＴＧの代わりに、ここでは、そのバスに給電することができる４つの独立した発電源である（２）３．９ＭＷのＳＳＧＴＧと（２）２８．７ＭＷのＭＴＧが存在する。
【００６５】
本開示は実例的な実施例の観点から説明されているが、当業者は、本開示が添付の請求項の趣旨及び範囲において修正を伴って実施され得ることを認識する。これらの実例は例示にすぎず、本開示のすべての可能な設計、実施例、用途、又は修正網羅的なリストであることを意味するわけではない。
【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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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【国際調査報告】
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