JP4593963B2 - 超伝導多極電気機械 - Google Patents

Description

本発明は、総括的には電動機／発電機に関し、より具体的には超伝導多極電動機／発電機に関する。

普通、多極電動機／発電機は、大規模商用発電プラントにおける発電機及び小型電気車両における電動機を含む種々の用途で使用される。一例として、公知の発電機設計は、その上に複数の永久磁石を配置した多極ロータを含む。例えばディーゼルエンジンのような外部駆動源によって発電機内部でロータを回転させる。回転するロータは、運動する磁石によって発電機内部に交番磁場を生成する。

公知の発電機はまた、複数の導電性アーマチュア巻線がその上に巻かれたステータを含む。ステータは、回転ロータによる交番磁場を受けるため、ステータのアーマチュア巻線内に電流が発生する。この発生電流は取り出すことができ、従って電力源を形成する。

しかしながら、電動機／発電機の効率は、ロータ及び／又はステータ（特定の設計に応じて）の導電性巻線に使用する材料の能力によって制限される。例えば銅巻線は、それを通って大アンペア数の電流が流れるとき、大きな抵抗損失（電力損失＝電流²×抵抗）を生じる。従って、超伝導材料（抵抗がゼロ、すなわち銅、アルミニウム及び通常使用される他の導電材料よりも圧倒的に小さい抵抗を有する）を巻線材料として使用して、低損失の電動機／発電機を形成してきた。例えば、特許文献１及び特許文献２を参照されたく、これらの特許は両方ともその全体を参考文献として本明細書に組み入れる。
特開２００３−０６５４７７号 特開２００３−１４８８４４号 米国特許第 3942053号明細書 米国特許第 4060742号明細書 米国特許第 4278905号明細書 米国特許第 6169353号明細書 米国特許第 6313556号明細書 欧州特許第 1282220号明細書 イギリス特許第 2331860号明細書 米国特許第6605885 号明細書 米国特許第 3991333号明細書 米国特許第 4329602号明細書 米国特許第 6597082号明細書 米国特許第 4275320号明細書 米国特許第 5672921号明細書 米国特許第 4295068号明細書 米国特許第 5508613号明細書 米国特許第 6066906号明細書 米国特許第 6140719号明細書 米国特許第 6313556号明細書 米国特許第 6412289号明細書 米国特許第 6438969号明細書 米国特許第 6441521号明細書 米国特許第 6489701号明細書 米国特許第 6509819号明細書

しかしながら、公知の超伝導電動機／発電機には種々の問題点があり、それら問題点には、超伝導コイルを極低温度まで冷却すること、超伝導コイルを電動機／発電機内部で他の構造体から熱的に絶縁しながら該超伝導コイルを支持すること、並びに電動機／発電機のコスト、複雑さ、寸法及び重量を低減することが含まれる。

本発明の１つの実施形態によると、電動機／発電機用ロータが提供され、該ロータは、コイル型枠上に巻かれた少なくとも１つの極低温コイルを有し、コイル型枠が、ロータの磁極端部材に対する少なくとも１つの極低温コイルの熱収縮を吸収するような方法で該磁極端部材に固定されている。

本発明の別の実施形態によると、電動機／発電機用ステータが提供され、該ステータは、ステータヨークと、各々が１端でステータヨークにダブテール接合されて隣り合う２つがその間に巻線スロットを画成するようになった多数の仕切り板と、巻線スロット当たり少なくとも１つのアーマチュア巻線とを有する。

本発明の別の実施形態によると、ステータ及びロータを有する電動機／発電機が提供される。ステータは、多数の巻線スロットと、巻線スロット当たり少なくとも１つのアーマチュア巻線と、各々が少なくとも１つの冷却管と熱的に結合されるように配置された、巻線スロット当たり少なくとも１つの冷却管とを含む。

本発明の別の実施形態によると、電動機／発電機が提供され、該電動機／発電機は、以下の（Ａ）、（Ｂ）及び（Ｃ）、すなわち（Ａ）コイル型枠上に巻かれた少なくとも１つの極低温コイルを含み、コイル型枠がロータの磁極端部材に対する少なくとも１つの極低温コイルの熱収縮を吸収するような方法で該磁極端部材に固定されているロータと、（Ｂ）ステータヨーク、各々が１端で該ステータヨークにダブテール接合されかつ隣り合う２つがその間に巻線スロットを画成した多数の巻線分割板、及び巻線スロット当たり少なくとも１つのアーマチュア巻線を備えたステータと、（Ｃ）該ステータ及びロータと共に各アーマチュア巻線がそれに対して熱的に結合されるように配置された、巻線スロット当たり少なくとも１つの冷却管とのうちの少なくとも１つを有する。電動機／発電機は、（Ａ）、（Ｂ）及び（Ｃ）のうちの１つ又は２つを含むことができるが、（Ａ）、（Ｂ）及び（Ｃ）の全てを含むのが好ましい。

次ぎに、本発明の実施形態について詳細に説明する。図面全体にわたって同一部品又は類似の部品を説明するのに、可能な限り同じ参照符号を使用する。

本発明の１つの実施形態による電動機／発電機１０を図１の斜視図に示し、その拡大した部分を図２に示す。この実施形態による電動機／発電機１０は、少なくともロータ１００と、ステータ２００と、ステータ冷却装置３００（図４参照）とを含む。ロータ１００、ステータ２００及びステータ冷却装置３００は、これらの構成要素が従来型の電動機／発電機内の対応する構成要素と個々に取り換えられるように使用することができるので、以下に個々に説明する。同様に、構成要素のうちの任意の２つ又は全てを使用して、従来型の電動機／発電機をさらに改良することができる。しかしながら、図１の斜視図に示すように、３つの構成要素全てを備えるのが好ましい。

本発明の１つの実施形態によるロータ１００は、本開示を読むと当業者には容易に分かると思われるが、多数の磁極１６４（図３）を備えた周囲温度磁性鉄製ハブ１１０と、ロータ磁極１６４の周りにある励磁を与えるための極低温高温超伝導（ＨＴＳ）コイル１３０（ロータ中心軸線の周りに配置された複数のコイル１２０を参照）と、ＨＴＳコイル１３０を格納する真空絶縁式極低温保持装置及びその支持体１６２と、ＨＴＳコイル１３０における交流（ＡＣ）磁場を減少させる非鉄金属製電磁シールド１５０（ＡＣ磁場は冷凍冷却器にとって好ましくない付加的な損失を引き起こす可能性がある）と、その他の構造的及び／又は熱絶縁的構成要素とを含む。

ＨＴＳコイル１３０は、ＢＳＣＣＯ（商標）-２２２３、ＹＢＣＯ又はＭｇＢ₂超伝導材料或いは同様な材料のいずれか１つを含むＨＴＳワイヤにより巻かれるのが好ましい。好ましいコイルの構成では、ＨＴＳワイヤテープが、層状に巻かれたエポキシ含浸モノシリック構造のレーストラック形コイルとして組み込まれる。ＨＴＳコイル１３０は、該ＨＴＳコイル１３０に強度と耐久性を与えるステンレス鋼製コイル型枠１６６上に巻かれかつエポキシ含浸されることができる。各コイル型枠１６６は、所定のＨＴＳコイル１３０に対する一連の構造支持ブラケット１６２（すなわち構造支持体の１つのタイプ）を支持するのに使用するサイドプレートを備えたホビン１６０（図３）を含むのが好ましい。

上述の構造支持ブラケット１６２は、高温鉄製磁極１６４からＨＴＳコイル１３０を絶縁しかつ該高温鉄製磁極１６４によってＨＴＳコイル１３０を支持する。構造支持ブラケット１６２は、繊維強化複合材（ＲＦＣ）又はチタン合金材料を含み、その応力、歪み及び伝導熱伝達を最小にしながら、遠心荷重、衝撃荷重、トルク荷重及びクールダウン熱荷重に耐えるように設計されるのが好ましい。図３に示すように、各コイル支持ブラケット１６２の一端は、コイル型枠のサイドプレートに固定されており、他端は、磁極端部材１７０（図２）に対するＨＴＳコイル１３０の熱収縮を吸収するように構成された精密すべり嵌めによって、該磁極端部材１７０に装着される。ブラケット１６２は、約９１０〜約２２７０Ｋｇ（約２０００〜約５０００ｌｂ）の範囲のコイル遠心荷重、少なくとも１００ｇ’ｓの衝撃荷重及び約１３６００〜約２０３００Ｎ・ｍ（約１００００〜約１５０００ｆｔ−ｌｂ）の範囲のトルク荷重に耐えるように構成にされるのが好ましい。

ＨＴＳコイル１３０をさらに支持するために、ＨＴＳコイル１３０のほぼ直線状セクションは、一連の低温横ストラット１９０によって支持することができ、該ストラット１９０は、ホビン１６０の内面に溶接されかつ鉄製磁極１６４の対応する溝内に間隙をあけて嵌合されるのが好ましい。横ストラット１９０の中央部は、必要に応じて支持ブラケット１６３によって高温鉄性磁極１６４又は磁極端部材１７０に固定することができる（図３）。上述のように、ストラット１９０は、トルク伝達及び遠心力荷重に対するＨＴＳコイル１３０の構造的剛性を強化し、ＨＴＳコイル１３０に対して熱絶縁をもたらす。

ＨＴＳコイル１３０は、約２０°Ｋ〜約３０°Ｋの温度で作動するように設計され、従って極低温媒体（例えば、ヘリウム、ネオン、水素など）によって冷却されるのが好ましく、該極低温媒体は、ロータ移送継手を介して流入し、好ましくは各ＨＴＳコイル１３０の外面上に接着接合された熱伝導フォイルに接合された冷却管熱交換器１９５（図２）内で該ＨＴＳコイル１３０の周りを循環し、それによってＨＴＳコイル１３０を所望の作動温度範囲に冷却する。極低温媒体は、液体としてロータ１００に流入し、冷却管熱交換器１９５を通って循環するときに沸騰熱伝達によってＨＴＳコイル１３０を冷却し、移送継手を介してガスとして極低温冷凍装置に戻って再凝縮されるのが好ましい。別の実施形態では、極低温媒体は、冷却管熱交換器１９５を通って循環するときに強制対流熱伝達によってＨＴＳコイル１３０を冷却するガスであってもよい。

この構造は、支持構造が単純になること、それに対応して寸法が小さくなること及び重量が軽減することにより、３６００ｒｐｍ以下（好ましくは５００ｒｐｍ以下）の回転速度で作動する低速電動機及び小型流体発電機に特に好適である。さらに、本発明者は、電気的トルク荷重をＨＴＳコイル１３０ではなく鉄製磁極１６４内に集中させることによって生じる、より大型のコイル支持構造と比較して熱損失が減少するという効果に一部起因して、この構造が公知の電動機／発電機よりも一層大きな熱効率をもつことを見出した。熱効率を向上させるのに必要な冷却要件が低下するため、より小型かつより低容量の極低温冷凍装置の使用（又は同一極低温冷凍装置の低出力での使用）が可能となることによって、熱損失の減少により効率がさらに改善される。

ロータ１００に対する付加的な利点としては、鉄製磁極１６４は磁気回路長が短縮するので、高価なＨＴＳワイヤの量が減少（例えば、公知の空心超伝導電動機／発電機と比較して約３倍〜約５倍の全容積の減少）するため公知の空心超伝導電動機／発電機設計よりも製造コストが低減することが含まれる。さらに、ロータ１００に作用するトルクは、ＨＴＳコイル１３０自体にではなく鉄製磁極１６４に集中し、そのことによって歪みに敏感な傾向をもつＨＴＳコイル１３０に対する歪みが減少する。さらに、ＨＴＳコイル１３０を通るステータ誘起磁場高長波のレベルが、磁極遮蔽効果により低下し、非鉄金属製磁束遮蔽作用をさらに高める。従って、ロータ１００は、公知の電動機／発電機に優る多くの利点をもたらす。

本発明の別の実施形態によるステータ２００もまた、図１の斜視図に示し、その拡大した部分を図２及び図４に示す。図２に示すように、ステータ２００は、鉄製ヨーク積層板２３０にダブテール接合された複数の非金属複合材製歯２２０を含むのが好ましい。複合材製歯２２０はまた、隣り合う複合材製歯２２０がその間に巻線スロット２２２を画成するので、巻線分割板として知られている。

図４に示すように、各巻線スロット２２２は、巻線スロット２２２当たり少なくとも２つのアーマチュア巻線バー２２４を含み、各アーマチュア巻線バー２２４はその中に少なくとも１５個の巻線ターン２２９を有するのが好ましい。アーマチュア巻線バー２２４及び複合材製歯２２０は、減圧含浸（ＶＰＩ）法によってエポキシ含浸されて、歯の振動又はノイズを受けずに高いトルクを伝達可能な中実構造を形成することができる。次ぎに銅ＡＣ導体２１０などを備えた空心アーマチュア巻線を、図４に示すように巻線スロット２２２内に巻くことができる。

前述したステータ構成の１つの利点は、複合材製歯２２０が従来型のステータ鉄製歯に置き換わるので、従来型のステータ鉄製歯が無いことである。従来型のステータ歯を排除することにより、アーマチュア巻線が鉄製歯の飽和磁束密度よりも高い磁束密度で作動可能となりかつステータ歯誘導ゴグ（ｃｏｇｇｉｎｇ）トルクの排除によって電動機/発電機を一層静粛に作動させるこが保証されるので、従来型の電動機／発電機で可能であったよりも一層高い電流負荷、従って一層高い電力密度が可能となる。

前述したステータ構成の他の利点は、従来型の電動機／発電機に優って磁束密度が改善されることである。より具体的には、本発明者は、エアギャップ磁束密度はもはやステータ鉄製歯の飽和磁束密度によって制限されないので、このステータ構成のエアギャップ磁束密度が従来型の電動機／発電機と較べて約１．５倍〜約２倍高くなることを見出した。従って、電動機／発電機１０の電力密度は、従来型の電動機／発電機の電力密度の約４倍〜約５倍も増大させることができる。従って、ステータ２００は、公知の電動機／発電機に優る多くの利点をもたらす。

さらに、本発明の別の実施形態によるステータ冷却装置３００を図４に示す。この実施形態によると、巻線スロット２２２当たり少なくとも１つの冷却管３１０が設けられ、この少なくとも１つの冷却管３１０は、各アーマチュア巻線が該少なくとも１つの冷却管３１０に対して熱的に結合するように配置される。図示するように、各ターン２２９は少なくとも１７個の中実ストランド（プラス１つのクロスオーバ空間）と少なくとも１つの冷却管３１０とを含むことができる。中実ストランドは、所望の磁気回路特性のために３６０度Ｒｏｅｂｅｌ巻線構成で置き換えることができるが、冷却管３１０は、ターン２２９内の各中実ストランドが置き換えプロセスの理由でアーマチュアバーの長さを少なくとも一旦超えて、そのターンの対応する冷却管３１０と密に接触するようになることを単に保障するために置き換えられることは好ましくない。

アーマチュア巻線を冷却するために、冷却媒体（例えば、脱イオン冷却水）は好ましくは約２５℃以下の温度で冷却ストランドに入り、種々のターン２２９を通って循環し、それによってアーマチュア巻線を冷却し、好ましくは約９０℃以下の温度で排出される。入口冷却媒体は入口マニホールドなどから並列に全てのアーマチュア巻線に供給されることができ、出口マニホールドなどから並列に排出されることができる。

前述のステータ冷却装置３００は、従来の冷却技術に較べてよりコンパクトであり、電動機／発電機１０の寸法を全体として縮小し重量を軽減することが可能になる。さらに、ステータ冷却装置３００は、従来の冷却技術に較べて構造が複雑でなく、従って製造及び／又は維持コストが廉価になる。ステータ冷却装置３００は前述の電動機／発電機１０に対して特に有利であるが、このステータ冷却装置３００は、超伝導電動機／発電機と非超伝導電動機／発電機との両方に適用可能であることを理解されたい。

本発明の実施形態に関する以上の記述は、図示及び説明の目的で行ってきた。本発明を開示した形態そのものだけにする又はそれに限定する意図はなく、上記の教示に照らして改良及び変更を加えることが可能であり、或いは本発明の実施により改良及び変更を思い付くことができる。なお、特許請求の範囲に記載された符号は、理解容易のためであってなんら発明の技術的範囲を実施例に限縮するものではない。

本発明の実施形態による電動機／発電機の斜視図。 図１に示す電動機／発電機の一部の拡大図。（Ａ）はブラケットの拡大図。 本発明の実施形態によるロータ磁極の軸方向長さに沿って切断した断面図。 本発明の実施形態による、２つのバーを有するスロットの斜視図。

符号の説明

１０ 電動機／発電機
１００ 超伝導ロータ
１１０ 磁性鉄製ハブ
１３０ 極低温コイル
１６２ ブラケット
１６６ コイル型枠
１７０ 磁極端部材
１９５ 冷却管
２００ ステータ
２２０ 巻線分割板
２２２ 巻線スロット
２２９ アーマチュア巻線
２３０ ステータヨーク

Claims (9)

1. コイル型枠（１６６）上に巻かれた少なくとも１つの極低温コイル（１３０）を含み、
   前記コイル型枠が、ロータの磁極端部材（１７０）に対する前記少なくとも１つの極低温コイルの熱収縮を吸収するような方法で該磁極端部材に固定されているように構成された電動機／発電機（１０）用ロータ（１００）であって、
   前記コイル型枠（１６６）が、前記ロータの磁極端部材（１７０）に滑動可能に装着された少なくとも１つのブラケット（１６２）によって、該磁極端部材に固定されていることを特徴とする電動機／発電機（１０）用ロータ（１００）。
2. 前記少なくとも１つのブラケット（１６２）が、繊維強化複合材料及びチタン合金材料の１つを含む、請求項１記載のロータ（１００）。
3. 前記少なくとも１つのブラケット（１６２）が、９１０〜２２７０Ｋｇ（２０００〜５０００ｌｂ）の範囲のコイル遠心荷重、少なくとも１００ｇ’ｓの衝撃荷重及び１３６００〜２０３００Ｎ・ｍ（１００００〜１５０００ｆｔ−ｌｂ）の範囲のトルク荷重に耐えるように構成されている、請求項１記載のロータ（１００）。
4. 前記コイル型枠（１６６）内の複数の磁極片（１６４）と、
   そのうちの少なくとも１つが隣り合う磁極片の間を通っている、前記コイル型枠内の複数のストラット（１９０）とをさらに含む、請求項１記載のロータ（１００）。
5. コイル型枠（１６６）上に巻かれた少なくとも１つの極低温コイル（１３０）を含むロータ（１００）であって、前記コイル型枠がロータの磁極端部材（１７０）に対する前記少なくとも１つの極低温コイルの熱収縮を吸収するような方法で該磁極端部材に固定されていると共に、前記コイル型枠（１６６）が、前記ロータの磁極端部材（１７０）に滑動可能に装着された少なくとも１つのブラケット（１６２）によって、該磁極端部材に固定された構造のロータ（１００）と、
   ステータヨーク（２３０）と、各々が１端で前記ステータヨークにダブテール接合されかつ隣り合う２つがその間に巻線スロット（２２２）を画成した複数の巻線分割板（２２０）と、前記巻線スロット当たり少なくとも１つのアーマチュア巻線（２２９）を備えたステータ（２００）と、
   を含む電動機／発電機（１０）。
6. 前記ステータ（２００）が、巻線スロット（２２２）当たり少なくとも１つの冷却管（３１０）をさらに含み、前記少なくとも１つの冷却管は、各アーマチュア巻線（２２９）が該少なくとも１つの冷却管（３１０）に熱的に結合されるように配置されている、請求項５記載の電動機／発電機（１０）。
7. 前記ロータ（１００）が、前記少なくとも１つの極低温コイル（１３０）の外面上に配置された少なくとも１つの冷却管（１９５）をさらに含み、前記少なくとも１つの冷却管が、冷凍冷却媒体を冷却する冷凍冷却器に連結されている、請求項５記載の電動機／発電機（１０）。
8. ステータヨーク（２３０）と、
   各々が１端で前記ステータヨークにダブテール接合されかつ隣り合う２つがその間に巻線スロット（２２２）を画成した複数の仕切り板（２２０）と、
   前記巻線スロット当たり少なくとも１つのアーマチュア巻線（２２９）と、
   各巻線スロット（２２２）あたり少なくとも２つのバー（２２４）とを、具備する電動機／発電機（１０）用ステータ（２００）であって、
   前記各々のバーが少なくとも１５個のアーマチュア巻き線ターン（２２９）と冷却チューブとを有し、且つ、前記アーマチュア巻き線と冷却用チューブとが、各々の巻き線が少なくとも１つの冷却チューブに熱的に結合されるように配置されている、
   ことを特徴とする電動機／発電機（１０）用ステータ（２００）。
9. 前記複数の巻線分割板（２２０）が、非金属材料及び複合材料の少なくとも１つを含む、請求項８記載のステータ（２００）。

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