JP2648302B2 - 改良されたエネルギー密度を有するホモポーラ発電機 - Google Patents

改良されたエネルギー密度を有するホモポーラ発電機

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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は発電機に関する。詳細には改良されたエネル
ギー密度を有するホモポーラ発電機に関する。
ホモポーラ発電機（HPG）は周知であり文献に記載さ
れている。例えば1974年11月のイタリヤ・トリノにおけ
るエネルギー蓄積、圧縮およびスイッチングに関する国
際会議で提出されたW.F.ウェルドン他による「５メガジ
ュールホモポーラ電動発電機の設計、製造および試験」
と題する文献はHPGを概説している。IEEEトランザクシ
ョン・オン・マグネチックス vol.MAG−18,No.1,1982
年１月号に提出されたJ.H.ガリによる「小型ホモポーラ
発電機」はHPG設計の改良を示している。
ホモポーラ発電機のこれらおよび他の最近の設計変更
は代表的な従来の設計を越えて達成可能なHPGのエネル
ギー密度に著しい改善をもたらしている。HPGは現在で
は実験室ではなくフィールドにおける電磁ランチャーお
よび他の応用に対する電源として考慮されている。従っ
て、エネルギー密度は現在重要な問題となっている。そ
のような改善された設計の一つは全鉄回路（Ａ−Ｉ−
Ｒ）ホモポーラ発電機として知られており、発電機の非
回転部分を出来るだけ除き、発電機の重量をエネルギー
蓄積部分（ロータ）に集中させるような設計思想を表わ
している。Ａ−Ｉ−Ｒ HPGのロータは3400ポンドであ
る発電機全重量のうち一般に約1600ポンドの重量、ある
いは全重量の約47％の重量となる。そのような発電機は
kg重量当り約４キロジュール（KJ）のエネルギーを蓄積
する。発電機重量の約10％を占める代表的な従来のホモ
ポーラ発電機のロータとこれを比較することが出来る。
そのような従来のHPGは1kj/kg（キロジュール／キログ
ラム）以下の特定のエネルギー密度につき約5MJ（メガ
ジュール）の総エネルギー容量を有する。
Ａ−Ｉ−Ｒホモポーラ発電機は現在ではその重量の殆
んど半分をエネルギー蓄積のために使用するからその比
エネルギー密度をステータ重量を減らす設計思想に従っ
て２倍以上に改善することは決して出来ない。発電機の
重量をロータ重量近くまで減少してしまうと、エネルギ
ー密度を増加するための方法はロータの回転速度を上げ
るしかない。いかなる発電機でも、ロータの回転速度
は、それに接続される流体モータまたは電動機により与
えられるような外部的な入力駆動力により制御されるも
のである。
発動機の回転速度を上げることにより発電機の比エネ
ルギー密度を大きくすることは理論的には可能である
が、そのような設計思想はロータ表面での集電器として
使用されるブラシの疲労率により制限される。これらブ
ラシは一般に焼結銅−黒鉛複合材で構成されそして熱伝
導体としては劣ったものであるからブラシ−スリップリ
ング界面で発生した摩擦熱を除くことが困難である。
電気的ブラシのこの表面発熱はクーロン摩擦熱とブラ
シ−スリップリング界面の電圧効果による発熱という二
つの現象として生じる。ブラシの表面温度がこの銅−黒
鉛焼結体のバインダの溶融温度に達すると、著しい疲労
が生じる。ブラシとスリップリング表面との界面に生じ
る物理現象により、ロータ表面速度は約220m/秒を越え
ることが出来ないことが一般的なHPGで見い出されてい
る。この表面発熱の除去により有効なブラシ材料を見い
出そうとする試みがなされているが、ブラシの疲労はHP
Gのロータ速度を制限する因子であり続けるものと予想
される。
ホモポーラ発電機の比エネルギー密度を増加させ続け
ることは望ましくまたブラシ疲労がロータ速度の増加
（エネルギー密度の増加に最も適した方法）を妨げるか
ら、許容しうるロータの表面速度からブラシ／スリップ
リング速度を切離せるとよい。
HPGをエネルギー源とするシステムの有効総合エネル
ギー密度を改善するための他の方法は補助要素の寸法を
減らすかあるいはそれらを他の要素に組合せるかするこ
とである。自励HPGの概念は発電機の出力電流をHPG自体
の励磁のために使用することによりこれを達成する。ロ
ータの慣性により蓄えるエネルギーは界磁コイルに磁気
的に蓄えられるエネルギーに変換される。場合によって
は強磁性のロータおよびステータ材料を除去し磁界の立
上りを強磁性発電機におけるよりも高速で、そしてより
高いレベルに上げることが可能になる。一方これは発電
機に、より高い出力電圧、従ってより大きい電力密度の
発生を可能にする。勿論、強磁性材料の排除は発電機の
重量の低減を可能にしエネルギー密度の改善を可能にす
る。
上記の構成はHPGが電磁レールガンを付勢するために
使用される場合のように中間誘導エネルギー蓄積装置を
装填するために用いられる場合には特に魅力的である。
この場合には、HPGの界磁コイルは、ロータに慣性的に
蓄積される全エネルギーが界磁コイル内に誘導的に蓄積
されるエネルギーに移され、そして負荷に移されるよう
に誘導的蓄積装置として作用する。これは別途設けられ
る励磁電源を不要にするばかりでなく、中間貯蓄インダ
クタを別途設ける必要性も不要にする。そのような発電
機はミラーによる米国特許第4503349号に示されてい
る。
自励についての問題は、このミラー特許に示されるよ
うな空心HPGにおいて励磁用に界磁コイルに必要なエネ
ルギーとロータに本来蓄積されているエネルギーのバラ
ンスである。空心（非磁性）励磁コイルにおいて達成可
能な高い磁束密度（従って高いHPG出力密度）の利点を
利用するために、必要とされるエネルギーは一般にコイ
ルの内側に配置されて現在のブラシ技術で達接出来る従
来の表面速度（約200m/s）で動作するロータに蓄えられ
るエネルギーを越えている。これは一般に界磁コイルの
励磁に必要な点までロータのエネルギー密度を上げるた
めロータの通常の表面速度より高い速度で動作させねら
ならないことを意味する。一方これはブラシをその能力
を越えて動作させねばならぬことによるHPGの寿命の問
題を解決しなければならない。
本発明はフライホイールの先端速度がブラシ速度の制
限から切離されるように電圧発生機能から慣性エネルギ
ー蓄積機能を切離すことにより上述のHPGエネルギー密
度の制限を考えるものである。更に空心自励界磁コイル
内部から慣性エネルギー蓄積要素を除くことによりロー
タのエネルギー蓄積能力が寸法、従って励磁コイルのエ
ネルギー要求を増大させることなく増加出来る。
本発明によれば、改善されたエネルギー密度のホモポ
ーラ発電機が開示される。このホモポーラ発電機は一対
の出力端子に電圧と電流を発生させるための回転駆動入
力に応答する。この発電機は内部領域内に磁界を発生す
るためのステータ組立体を含んでいる。ロータはこの駆
動入力とステータ組立体により発生される磁界とに応じ
て電圧と電流を発生する。
このロータは電流発生手段を含み、この手段が磁界内
のロータの回転に応じて電圧と電流を出力端子に集め
る。別のエネルギー蓄積手段がロータの回転速度に応じ
て慣性エネルギーを蓄積し、そしてこの手段のエネルギ
ー蓄積容量は電流発生手段による電圧と電流の集電とは
無関係に決定される。
この電流発生手段は誘導円筒またはカゴ形アーマチュ
アを有し、これがステータ組立内に配置されて回転す
る。このアーマチュアはその外面に一対のスリップリン
グを有し、これらが磁界内でのアーマチュアの回転に応
じて電圧と電流を集めるようになっている。夫々スリッ
プリングの１個と関連してそれに接触するように出力導
体に結合する２群の導電性ブラシが設けてある。これら
ブラシは集められた電流を励磁コイルに導く。アーマチ
ュアブラシ−スリップリングの半径は夫々のブラシの界
面における面速度を決定する。
ロータのエネルギー蓄積手段は一対のエネルギー蓄積
ホイールを有し、夫々がロータアーマチュアの端部に設
けられてそれと共に回転する。これらホイールの半径は
アーマチュアの半径とは無関係に選ぶことが出来、それ
によりブラシ−スリップリング界面でのアーマチュアの
面速度とは無関係に発電機のエネルギー蓄積容量を最適
化することが出来る。更に、ロータのエネルギー蓄積手
段は強磁性である必要はなくまた従来のHPGにおけるよ
うに電流を導く必要がないから、黒鉛フィラメントで補
強されたエポキシ組成物のようなそのエネルギー蓄積機
能を最適化するに適した材料で構成することがここに可
能となる。
本発明のホモポーラ発電機のステータ組立体はロータ
の電流発生手段の部分を囲む一対のコイルを有し、夫々
のコイルが関連するブラシとスリップリングの対に関連
づけられている。ステータコイル内の励起電流に応じて
内部領域に磁界が発生する。ステータ組立体には軸受組
立体が装着されてそこにアーマチュアを支持するように
受け入れている。
本発明の一つの観点によれば、これらステータコイル
は、発電機から必要な電力変換を与えるに必要な磁場強
度を発生出来るようにその抵抗を減少させるべく低温超
電導温度で動作させられる。本発明の他の観点において
は夫々のブラシにより集められた電流はそれに関連する
ステータコイルを介してその出力端子に導かれ自励ホモ
ポーラ発電機を得る。本発明の更に他の観点において
は、これらステータコイルは逆方向に励起される。
本発明の完全なる理解のために添付する図面に関した
次の詳細な説明が参照されるべきである。
同じ参照数字は全図について同様の部分を示してい
る。
図面、特に第１図にもどるが、本発明の好適な実施例
の原理により構成されたホモポーラ発電機の断面が示さ
れている。この発電機は基本的には２つの要素、すなわ
ちステータコイル16,17を原理的に有するステータ組立
体と、回転軸18と軸受24,25で支持される一対のエネル
ギー蓄積ホイール12,13からなるロータ組立体、で構成
されている。
ホモポーラ発電機では、２つの基本的機能が行われ
る。第１に、エネルギー蓄積機能がある。慣性エネルギ
ーは大きな回転質量の回転速度を安定的に増加すること
により比較的長期間にわたり蓄積される。代表的な従来
のホモポーラ発電機ではこの回転質量は、ステータ界磁
コイルに励磁電流が加えられたとき発生する磁界内で回
転するロータ組立体の質量である。結局ロータは所望の
動作速度に達し、その場合、その回転慣性が電流発生手
段により電圧と電流として負荷に与えられることの出来
る蓄積エネルギーの量を表わすことになるのであり、発
電機により第２の原理的機能が行われる。
ホモポーラ発電機の集電機能は一群の電気的ブラシに
より与えられるのであり、これらブラシは蓄積されたエ
ネルギーの放出時に、回転するロータ質量と導電要素の
一部であるスリップリングの表面に接触するように降さ
れる。ブラシとスリップリング表面間の接点26におい
て、著しい発熱と疲労が生じる。前述のようにこれら現
象はブラシ−スリップリング界面でのモータの面速度に
直接関係する。この速度は一方において界面26における
ロータの半径rRに直接に関係する。ブラシの疲労がロー
タ速度を制限するから、従来のホモポーラ発電機はその
固有エネルギー密度を大幅に増加ししかも許容寸法を維
持することは出来ない。
本発明によれば、ステータコイル内で回転するロータ
のエネルギー蓄積機能は電圧および電流発生機能から切
離されている。ロータの回転軸18の両端にはエネルギー
蓄積ホイール12,13が配置され、これらは軸18に固定さ
れて共に回転する。エネルギー蓄積ホイール12,13の半
径rWは軸18の半径rRとは無関係に制御される。ホイール
12,13はロータ軸18と同一速度で回転し、そして、rWはr
Rとは無関係に制御されるから、発電機内に蓄積される
エネルギーの量はブラシ−スリップリング界面26でのス
リップリングの面速度とは無関係である。
本発明によるエネルギー蓄積機能の切離しはステータ
コイル16,17の磁界内での回転からロータ質量のほゞす
べてを除去する。（ステータコイルの磁界内のロータの
いく分かの回転質量は常に存在するが、そのような質量
により与えられる慣性蓄積はホイール12,13により与え
られるエネルギー蓄積と比較して無視しうるものであっ
て全エネルギー蓄積の１％を越えることはない。）これ
はロータの磁束を切る面積を減少させ、従ってステータ
の界磁コイルに対する一般的な励起電流について出力端
子に許容しうる電圧と電流を発生させるロータの能力を
減少させる。本発明は強磁性回路性能の限界で動作する
から、励磁電流を単に増加させても発電機から所望の出
力を得ることは出来ない。しかし上記所望の出力のエネ
ルギー密度は可能である。
本発明の場合にはこの問題はステータコイルにより発
生される磁力線を切るロータ18の導電材料の量が少ない
ため更に大きくなる。従って、本発明による発電機が蓄
積された慣性エネルギーを出力端において出力しうる電
力に変換しうるようにするために、ステータコイル16,1
7により発生される磁界を従来のものと比較して増加し
なければならない。
放電時に所要のエネルギー変換動作を許すようにする
に必要な磁界強度を増加するために、本発明の２つの方
法、すなわち、自励空心ホモポーラ発電機（第１図およ
び第３図）および極低温超電導コイル構成（第２図）を
提案する。更に他の構成としては超電導コイルと自励コ
イル（図示せず）の組合せである。そのような構成では
超電導コイルはロータ18に初期磁束をつくるが、超電導
磁気シールドの使用により自励空心コイルの過渡磁界か
ら分離される。
本発明の好適な実施例、すなわち自励空心ホモポーラ
構成を示す第１図を更にみるに、ブラシ28,29の夫々は
ロータ軸18上の、関連するスリップリング19,21に接触
している。この自励構造では、ブラシ28,29の夫々は集
められた電流を関連するステータ界磁コイル16,17を通
じて関連する出力端子30,31に導くようになっている。
このようにステータコイルの自励が得られる。
自励空心HPGは、本質的に自由な励起を達成しそして
鉄系材料の重量をなくしつつ強磁性材料の２テスラ（2.
0T）の飽和限界を避けているから原理的に常に従来の鉄
心HPGに対し有利である。しかしながら、これらの特徴
は自励空心コイルに構成をとる主たる理由ではない。自
励空心HPGの主たる利点は強磁性材料の飽和限界を大幅
に越えた磁束密度で動作しうる能力である。それに関連
した利点は非強磁性材料の線形磁気動作が高い出力電流
（1MA）での鉄心HPGに影響するアーマチュアの反応を現
象をなくすということである。
空心HPGについては界磁励起要求は鉄と空気の相対的
透磁率の差により約1000倍だけ増加する。これは或る種
の自励空心HPG要素の性能を厳しく圧迫する。これは空
心コイルの体積エネルギー密度とHPGのロータのそれと
を比較すれば容易にわかる。
空心蓄積インダクタ／界磁コイルの穴のエネルギー密
度は次のように表わされる。
但しEbore＝コイルの穴における磁気エネルギー、 Vbore＝コイルの穴の体積＝πR2 boreLbore,B＝コイルの
穴における平均的自乗磁束密度、μ０＝自由空間の透磁
率＝４π×10-7である。直径に対する長さの比が約0.5
であるソレノイドコイルについては、総合誘導エネルギ
ーEINDはコイルの穴の約２倍である。従って次のように
する。
ロータの直径がコイルの穴のそれの0.9であり、コイ
ルの長さの0.9の長さを有するとすればロータ内の慣性
エネルギー密度について次のような同様の関係となる。
但しEIND＝ロータに蓄積される慣性エネルギー、Ｊ＝
ロータの慣性モーメント、ω＝ロータの角速度、rr＝ロ
ータ半径＝0.9Rbore、Lr＝ロータ全長＝0.9Lbore、δ＝
ロータの材料密度である。
rrとLrを代入してそしてrrω＝ｖであることを考える
と、 慣性蓄積から誘導蓄積へのエネルギー転換効率を50％
とすると、次の関係が慣性エネルギー密度と磁気エネル
ギー密度の間に得られる。
Ｂを用いてこれを解くと次の関係がロータの先端速度
と最大可能なコアコイル磁束密度Ｂとの間に得られる。
Ｂ＝（0.091μ０δv2）1/2 自励空心HPG内の磁束は０から或るピーク値までであ
り一方比肩しうる鉄心HPGでは一定であるから、自励空
心HPGは比肩しうる性能を得るためには鉄心発電機のそ
れの約２倍のピーク磁束密度、すなわち約4Tを達成しな
ければならない。自励空心HPGの主たる利点、すなわち
鉄心形よりも高い磁束密度で動作する能力を実現するた
めにはそのような発電機は4Tよりかなり高いピーク磁束
密度で動作すべきである。
本発明の改善されたエネルギー密度の概念はエネルギ
ー蓄積と電圧発生の両機能の切離しである。現在のブラ
シ速度能力はロータのエネルギー密度を制限するから、
このような両機能の分離によりエネルギーを蓄積するロ
ータが最大エネルギー密度についてピーク先端速度で動
作しうるようになり、一方発電機の発電部分はブラシで
きまる面速度で動作する。
更に第１図をみるに、本発明はいくつかの方向で設計
の自由度を与えるものである。エネルギー蓄積フライホ
イール12,13は導電体として作用しなくてもよいから、
金属よりもかなり高いエネルギー密度でエネルギーを蓄
積することの出来るファイバ補強エポキシ樹脂組成体で
形成することが出来る。黒鉛ファイバ補強のエポキシ製
フライホイールは1200m/sの生産ベースで動作するとき
アルミニウムのフライホイールの12倍以上のエネルギー
密度を達成する。
超電導HPGの実施例を示す第２図をみるに、界磁コイ
ル16,17を超電導温度にするために各コイルは適当な低
温とされた構造的なデュワー容器内に配置されてコイル
に超電導動作条件をつくっている。回転軸を支持するた
めに一対の軸受24が軸18の両端に配置されてステータ組
立体の磁界内に軸を回転支持する。（図に示す各実施例
はステータ磁界内でロータを回転的に支持するためのあ
る種の軸受手段を含んでいる。）回転軸18は高強度高導
電性材料で構成されてスリップリングの面19間の１巻回
ステータコイルとして機能する。第２図のHPGの他の実
施例はそこに示すような固体軸18の代りに第３図で示す
カゴ形アーマチュアを用いたるためのものである。
更にエネルギー蓄積と発電機能の分離は、いずれか一
方の面で改良がなされれば他の機能により制限されるこ
となくそれらをHPGに組込むことが出来ることを意味す
る。すなわち、ブラシの速度とロータ先端速度は本発明
では永久に分離されそしてエネルギー蓄積ロータと発電
ロータの相対的直径を調整することだけで将来の能力が
要求するように互いに相対的に調整することが出来る。
第１表は最大可能面速度と異った材料からなるエネル
ギー蓄積ホイール12,13について得ることの出来る結果
としてのエネルギー密度の比較を示している。
本発明によれば、直径36インチ、厚さ12インチのケブ
ラ／エポキシフライホイールを厚さ６インチの２枚のエ
ネルギー蓄積ホイールに分割してそれらを20,000rpmで
動作させた場合、ホモポーラ発電機は代表的な従来のＡ
−Ｉ−Ｒ HPGとほぼ同じ寸法であるにも拘ずＡ−Ｉ−
Ｒ設計について可能な最大6.2MJよりも大きい90MJを蓄
積することが出来る。
従来のHPGの最大可能容量は、本発明によるホモポー
ラ発電機では更に高い値が可能であるが、5,000F（ファ
ラッド）近辺とされている。しかしながら、容量を5,00
0Fとすると発電機の電圧Ｖは次の計算から190ボルトと
なる。
Ｖ＝（（２×Ｅ）/C）1/2 ＝（（２×90×106）/5000）1/2 ＝190V Ｖ＝φω/2πまたはφ＝２πV/ω＝0.57Wb（ウェー
バ）であるから、0.57Wbの磁界をつくるには回転軸18に
平均磁界強度12.7Tが必要となる。発電機容量を本発明
では可能な10000Fに増加すると所要の磁場強度が9Tに減
少する。
超電導コイル16,17の場合には、9Tの磁界密度をつく
るにはコイルの重量は約1100ポンドとなる。これは、本
発明の発電機が2000ポンドを越えない重量で約100kJ/kg
の固有エネルギー密度を達成することを意味しており、
この値は従来のＡ−Ｉ−Ｒ HPGの原理によれば、理論
的に可能な6.2kJ/kgの固有エネルギー密度より大幅に大
きい値である。
第３図は第１図の発電機と同様の自励空心ホモポーラ
発電機を示している。第３図のHPGは本発明の更に他の
特徴を示している。自励HPGの問題の一つは誘導蓄積の
放出中にロータの導電材料に捕獲された磁束であり、こ
れが不充分なエネルギー変換をもたらす。本発明におけ
るエネルギー蓄積機能と集電機能の分離により、回転軸
18を固定ではなくカゴ形アーマチュア構造とすることが
出来る。カゴ形アーマチュアは軸方向に導電性を大きく
し、周辺方向には抵抗製を大きくすることが出来るか
ら、アーマチュアを形成するアーマチュア棒23は最大電
圧発生のために界磁コイルに接近させることが出来、し
かもインダクタが放出するときの磁束トラップ短絡巻回
としては作用しない。
界磁コイル16,17は逆方向に巻かれており、アーマチ
ュアに逆方向の磁界を発生する。逆（逆巻回）の界磁コ
イル16,17はエネルギー蓄積の観点からは最適ではない
が、そのような構成はピーク磁束密度（インダクタの構
造の強度により制限される）に対する有効磁束密度（ロ
ータアーマチュアにより切られる磁束）の比を最大とす
る。フライホイールの慣性エネルギーのインダクタから
の分離（ステータ磁束の外側に蓄積ホイールを配置する
ことによる）により従来のHPGでは不可能ないくつかの
動作モードが可能となる。代表的な自励空心HPGではロ
ータは速度を得、励磁の初期の磁束源が設けられ（一般
にピーク磁束の10％）、そしてロータの慣性エネルギー
が直列となった界磁コイル内の誘導エネルギーに移され
るのであり、界磁コイルの磁束は発電機電流と共に増加
する。界磁コイルの電流がピークとなると回路のスイッ
チが開きインダクタに蓄積されたエネルギーを負荷に移
す。
しかしながら、フライホイールのエネルギーが界磁コ
イルの励磁に必要なところを大幅に越えて増加する（こ
れはフライホイールの軸方向厚みを増すだけでよい）場
合には、異った動作モードが可能である。エネルギー放
出は界磁コイルの電流がピークとなるまで従来通りに進
行する。この時点でロータにはかなりの慣性エネルギー
が残っているから、界磁コイルは短絡されエネルギーが
高電圧HPGとしてロータから抽出される。界磁コイル電
流はインダクタのL/R時定数をもって減少するが、この
時間はHPGのエネルギー放出時間と比較して長くするこ
とが出来る。この動作モードの一つの極めて魅力的な点
は、それがインダクタの電流を中断することの出来る開
放スイッチを必要としないということである。
他の動作モードとしては（１）高出力タービンにより
駆動される自励連続デューティ発電機としての動作、
（２）自励界磁コイルを超電導コイル群と置き換えるこ
と（第２図）、（３）初期磁束を与えるための自励コイ
ルの補助として超電導コイルを使用すること、が含まれ
る。
更に第３図において、自励空心HPGは夫々1200m/s（2
3,000rpm）で動作して113MJを蓄積する直径1.0m、厚さ
0.2mの黒鉛ファイバ補強エポキシフライホイールを２個
使用する。
カゴ形HPGアーマチュア18は直径0.2mで活性長さ0.45m
である。アーマチュアの平均磁束密度を6.7Tとすると、
この発電機は半速において450Vを発生する。
界磁コイルはグラスファイバまたはケブラの外被また
は内部ボロンフィラメントで補強された、２個の多導体
４巻回液体窒素（LN2）冷却アルミニウムインダクタ16,
17からなる。これらは電流3.2MAで約20Tのピーク磁束密
度をもって動作する（第４図）。これらコイルは10,000
vの動作電圧については絶縁される。
カゴ形アーマチュア導体23の両端は高抵抗の金属スペ
ーサ43に周辺的に接合し、300M/Sの速度、20,000a/in2
のスリップリング電流密度で動作する強制冷却銅フィン
ガブラシ28,29に対し連続したスリップリング表面を与
える。この高抵抗スペーサ43はアーマチュア導体23がイ
ンダクタのエネルギー放出中界磁コイル磁束を捕獲しな
いようにする。アーマチュア棒23はグラスファイバーの
エポキシ外被をもつ部材41によりロータ軸18を形成する
材料から絶縁される。従って棒23のみがステータコイル
16,17の磁界を通るその回転の結果としての電流を通す
ことになる。
このHPGは1.1m×1.1m×1.5mの寸法をもつグラスファ
イバで補強されたエポキシ構造体42内に配置される。こ
の容器は構造的な支持を与え、そしてLN2コイル冷却剤
用の低温保持装置である真空容器（高速ロータに必要）
として作用し、更に発電機の動作に必要な補助的要素を
内蔵する。第３図のHPGの重量は2500kgである。第３図
のHPGの動作パラメータは次の第２表に、そしてそのエ
ネルギー放出性能を第４図に示す。
本発明の特定の実施例が説明され図示されたが、本発
明の多くの変更が可能でありそして当業者には明らかで
あるから本発明はその実施例に限られるものではない。
図面の簡単な説明 第１図は自励空心ステータコイルをロータ組立体内に磁
界を発生するために用いるようになった本発明による改
善されたエネルギー密度をもつホモポーラ発電機の一実
施例の断面図、第２図はステータ界磁コイルが超電導コ
イルを得るべく低温で動作するごとくなった本発明によ
るホモポーラ発電機の他の実施例の断面図、第３図はロ
ータ組立体が発電機の電流発生手段としてカゴ形アーマ
チュアを含むごとくなった第１図の原理により構成され
たホモポーラ発電機の詳細断面図、第４図は第３図のホ
モポーラ発電機の期待される性能の図式図である。
12,13……エネルギー蓄積ホイール、16,17……ステータ
界磁コイル、18……ロータ、19,21……スリップリン
グ、23……カゴ形アーマチュア導体、28,29……ブラ
シ、30,31……出力端子、43……高抵抗スペーサ。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭49−103106（ＪＰ，Ａ) 実開 昭56−73169（ＪＰ，Ｕ) 特公 昭33−6358（ＪＰ，Ｂ１) 米国特許3229133（ＵＳ，Ａ) 英国特許1501087（ＧＢ，Ａ)

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】内部領域に磁場を発生するとともに、前記
    発生された磁場に寄与する集電した電流を負荷に供給す
    るための２組の界磁コイル組立体と、 前記内部領域に位置し、前記電流を発生するために回転
    駆動入力および前記磁場に応答するロータと、 前記界磁コイル組立体と前記ロータとを接続し、前記磁
    場内の前記ロータの回転に応答して誘起された電流を前
    記界磁コイル組立体に伝導して集電させる接触手段と、 前記ロータに結合して共に回転し、前記ロータの半径と
    は無関係に得られるエネルギー蓄積容量を有し、慣性エ
    ネルギーを蓄積するエネルギー蓄積手段と、 を備え、前記回転駆動入力に応答して前記負荷への前記
    電流を発生する自励空心ホモポーラ発電機において、 前記ロータは、回転軸と、この回転軸の外周部に設けら
    れ、その外面に沿って軸方向に伸びる複数の導電性回路
    バーおよび各々のバーと隣接するバーとを分離する絶縁
    層を含むアーマチュアと、各々前記アーマチュア上の外
    周の両端に配置された一対の間隔をもったスリップリン
    グとを備え、 前記接触手段は前記界磁コイル組立体に結合された一対
    の導電性ブラシ組立体を有し、この導電性ブラシ組立体
    の各々は前記スリップリングの表面の１つと接触し、前
    記導電性ブラシ組立体のブラシが動作可能となる前記ロ
    ータの最大表面速度を前記スリップリング表面で得られ
    るような半径を前記アーマチュアは有し、 前記エネルギー蓄積手段は、前記ロータの半径よりも大
    きな半径を有する、ファイバ補強エポキシ樹脂組成体か
    らなる一対のエネルギー蓄積ホイールを含み、これらの
    ホイールは前記ロータの両端に配置されて前記ロータと
    共に回転することを特徴とする自励空心ホモポーラ発電
    機。
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