JP4308308B2 - 超伝導電気モータ - Google Patents
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Description
本発明は、超伝導電気モータを含む、超伝導電気機械の構造、及び操作に関する。
巻線を横断して電圧を印加することにより、放射状の回転磁界が形成される。ロータは、その周囲に沿った伝導性のストランド層を有する。ストランドは伝導性の閉ループを形成するべく一般に短絡されている。ステータにより生成された回転磁界は、ロータの伝導性のループに電流を誘導する。一旦電流が生じると、磁界は導体を通過する電流に作用する力を生じ、これがロータのトルクに帰着する。
V=nrf/p
の式により計算することが可能である。
ここで、pは軸の数量である。
rは空隙の半径である。
fは周波数である。
V=nrf/p
の式で計算される。
減される。
本発明は、動作の同期モードで作動するが、モータの超伝導部品がその超伝導特性を失った場合(例えば、冷却系、或いは他のハードウェアの故障による)には誘導モードで作動可能である超伝導モータに関する。
ロータアセンブリは、定常状態での動作の誘導モードを可能とするレベルの電流を流すために誘導構造を有する。誘導電流が誘導モードでロータアセンブリに生成されるため、この電流を維持するための構造が必要である。誘導構造は、超伝導モータが誘導モードの動作において定格されたトルクの少なくとも50%の起動トルクを生成することを可能とするような構造である。さらに、誘導構造は、超伝導モータが誘導モードの動作において定格されたトルクの少なくとも約2倍のピークトルク(破壊トルク)を生成することを可能とするような構造である。
本発明の他の実施形態においては、上記された種類の超伝導電気モータの作動方法は、次の工程からなる。超伝導巻線の温度が、(例えばセンサによって)モニタされる。超伝導モータは、超伝導巻線が超伝導特性を示す温度では同期モードで作動される。しかし、超伝導巻線が超伝導特性を示さない温度では、超伝導モータは、定常状態での誘導モードで動作する。
図1を参照する。超伝導同期モータ1は、低温保持装置12及び外側の電磁気遮蔽部材14により包囲された4軸位相を有するロータアセンブリ5からなる。これらの両方がアセンブリ5の低温ロータ部10から半径方向において真空層16により離隔されている。次に電磁気遮蔽部材14は、三相ステータ巻線2、及びここでは鉄から形成された薄層磁束シールド4によって包囲される。他の実施形態においては、鉄の磁束遮蔽部材4を非磁性材料(例えば、銅、又はアルミニウム)からなる固体金属遮蔽部材により置換可能である。電磁気遮蔽部材14は、好適には非磁性材料(例えば銅、アルミニウム、鋼等)から形成される。ロータ低温部10はさらに、高強度であり、かつ展性を有する材料(例えばアルミニウム)から形成された低温支持部材20を有する。以下により詳細に記載されるように、低温保持装置12、電磁気遮蔽部材14、及び低温支持部材20は、その典型的な機能に加え、同期モータ1が超伝導状態で動作しなくなったとき(例えば冷却の不具合)には、集合として付加的な目的を果たす。
た真空層31(図1)によって低温支持部材20から離隔される。この構造は、ロータアセンブリ及びモータの長さを減少させることを可能にしながら、巻線アセンブリが極低温に維持されることを保証する。
化銅セラミック超伝導材料であることが可能である。YBCO(或いはイットリウムが希土類元素で置換された超伝導体)、TBCCO(即ち、タリウム−バリウム−カルシウム−酸化銅系)、及びHgBCCO(即ち、水銀−バリウム−カルシウム−酸化銅系)を含む、他の高温超伝導体も、本発明の範囲内にある。ここで示されるように、二重パンケーキコイル44の1つ以上は、二重パンケーキのうちのそれに結合しているパンケーキコイルより小さな直径を有するパンケーキコイルからなるのでもよい。2個1組のコイルは連続した同一の長さの超伝導テープが巻回されている。この方法でコイルを形成するためのアプローチは、本発明の譲受人に譲渡され、参照によって本明細書に組込まれる米国特許第5,581,220号に記載されている。好適な実施形態は、好適には超伝導酸化セラミックを含み、最適には酸化銅系の高温超伝導組成物の磁気及び熱的特性に基づく。
れたトルクの30%を供給することですら、多数の用途において一般的に認容され得る。連続的な定常状態の動作を(例えば冷却の故障に対応されるまで)誘導モードで可能とするために、ステータ電流の定格値を超過しないことは重要である。定格値を超過しないことを保証するための1つのアプローチは、より低い定格された端子電圧(例えば定格電圧の50%)でモータを作動することである。この条件では、モータが、定格されたトルクの約30%を生成する。同一の結果を達成するための他のアプローチは、減少された端子電圧で定格周波数の30%の電流をステータ巻線に供給することである。例えば、ステータ巻線に供給される電流の信号は、60Hzから18Hzに減少される。この条件では、モータが、その定格回転速度の約30%で定格されたトルクの10%を生成する。低温保持装置12及び電磁気遮蔽部材14の適切なデザインにより、所望のトルク速度特性を最適化することが可能である。
Claims (20)
- 稼働中に、ロータアセンブリ(5)内に磁束通路を生成する、少なくとも1本の超伝導巻線(30)と、
前記少なくとも1本の超伝導巻線(30)を支持する支持部材(200)とを備えるロータアセンブリ(5)を有した超伝導電気モータにおいて、
前記ロータアセンブリは、前記モータを定常状態での誘導モードで駆動するために十分なトルクを提供すべく、誘導電流を流す誘導構造(12,14)を備え、
前記ロータアセンブリ(5)は、超伝導巻線(30)が超伝導特性を示す温度では同期モードで動作し、超伝導巻線(30)が超伝導特性を示さない温度では定常状態での誘導モードで動作し、
前記支持部材は積層された支持部材であり、
前記誘導構造(12,14)の少なくとも一部は、前記少なくとも1本の超伝導巻線(30)から熱分離真空領域(16)によって離隔し、前記誘導構造の少なくとも一部は電磁気遮蔽部材(14)を備える、超伝導電気モータ。 - 前記誘導構造(12,14)は、定常状態で誘導モードの動作を可能とさせるために十分な電流量を流すために十分な質量を有する、請求項1に記載の超伝導電気モータ。
- 前記ロータアセンブリ(5)は、前記誘導モードにおいて定格されたトルクの少なくとも50%の起動トルクを生成することを可能とする構造である誘導構造(12,14)を有する請求項1に記載の超伝導電気モータ。
- 前記ロータアセンブリ(5)は、誘導モードにおいて定格されたトルクの少なくとも2倍のピークトルクを生成することを可能とする構造である誘導構造(12,14)を有する請求項3に記載の超伝導電気モータ。
- 前記熱分離真空領域(16)と前記電磁気遮蔽部材(14)との間に設けられた低温保持装置(12)を有する請求項1に記載の超伝導電気モータ。
- 前記電磁気遮蔽部材(14)が導電性、及び非磁性を有する材料からなる請求項1に記載の超伝導電気モータ。
- 前記誘導構造(12,14)が、前記少なくとも1つの超伝導巻線(30)を支持する支持部材(200)からなる請求項4に記載の超伝導電気モータ。
- 前記誘導構造(12,14)が、前記少なくとも1本の超伝導巻線(30)から熱分離真空領域(16)によって離隔されている電磁気遮蔽部材(14)を有する請求項7に記載の超伝導電気モータ。
- 前記支持部材(24)が複数の薄層(200a)からなり、それぞれの薄層は、前記超伝導電気モータの動作中に薄層(200a)を貫通する磁界の磁束線と平行な平面上にある請求項8に記載の超伝導電気モータ。
- 前記ロータアセンブリ(5)に電磁結合されたステータアセンブリ(2,4)と、
前記ステータアセンブリに電気信号を出力する可変速度ドライブとをさらに有する請求項1に記載の超伝導電気モータ。 - 前記可変速度ドライブは超伝導モータを同期モードの動作で起動させるべくステータアセンブリ(2,4)に第1の周波数の信号を出力し、定常状態の誘導モードでは、ステータ
アセンブリに前記第1の周波数より小さい第2の周波数の信号を出力する請求項10に記載の超伝導電気モータ。 - 前記超伝導巻線(30)が高温超伝導体からなる請求項1に記載の超伝導電気モータ。
- 前記超伝導巻線(30)がレーストラック形の巻線である請求項1に記載の超伝導電気モータ。
- 前記支持部材(200)がアルミニウムから形成される請求項1に記載の超伝導電気モータ。
- 前記少なくとも1本の超伝導巻線(30)を極低温に保持すべく、前記ロータアセンブリ(5)を包囲する低温保持装置(12)と、前記低温支持装置(12)及び前記少なくとも1本の超伝導巻線(30)を包囲する電磁気遮蔽部材(14)をさらに備える、請求項2に記載の超伝導電気モータ。
- 前記ロータアセンブリ(5)に電磁結合されたステータアセンブリ(2,4)と、
前記ステータアセンブリに電気信号を出力する可変速度ドライブとを有する請求項15に記載の超伝導電気モータ。 - 前記可変速度ドライブは超伝導モータを同期モードで起動させるべくステータに第1の周波数の信号を出力し、定常状態の誘導モードでは、ステータアセンブリ(2,4)に前記第1の周波数より小さい第2の周波数の信号を出力する前記請求項16に記載の超伝導電気モータ。
- 前記支持部材(200)が複数の薄層(200a)からなり、それぞれの薄層は、前記超伝導電気モータの動作中に薄層(200a)を貫通する磁界の磁束線と平行な平面上にある請求項15に記載の超伝導電気モータ。
- 少なくとも1つの超伝導巻線からなるロータアセンブリ(5)と、動作中にロータアセンブリ内に磁束を生成することと、前記少なくとも1つの超伝導巻線(30)を支持する支持部材(24)と、前記モータを定常状態での誘導モードで駆動するために十分なトルクを提供すべく、誘導電流を流す誘導構造(12,14)と、前記誘導構造(12,14)の少なくとも一部は、前記少なくとも1本の超伝導巻線(30)から熱分離真空領域(16)によって離隔し、前記誘導構造の少なくとも一部は電磁気遮蔽部材(14)を備えることとからなる種類の超伝導電気モータの動作方法において、該動作方法は、
前記超伝導巻線(30)の温度をモニタする工程と、
前記超伝導巻線(30)が超伝導特性を示す温度では前記超伝導モータを同期モードで作動する工程と、
前記超伝導巻線(30)が超伝導特性を示さない温度では定常状態の誘導モードで超伝導モータを作動する工程とからなる超伝導電気モータの動作方法。 - 前記超伝導モータを同期モードで作動する工程は、前記ロータアセンブリ(5)に電磁接続されたステータアセンブリ(2,4)に電気信号を出力する工程を含み、前記信号は第1の周波数を有し、
前記超伝導モータを定常状態の誘導モードで動作する工程は、前記ステータアセンブリ(2,4)に前記第1の周波数より小さい第2の周波数の信号を出力する工程を含む請求項19に記載の方法。
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