JPS6328257A - 鉄なし回転円板電気機械 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は回転電気機械に関するものであり、さらに詳し
くいえば数千ボルトの持続時間が約＋ないし５秒の電力
パルスを発生できると共に連続的に動作できる回転電気
機械に関するものである。

〔従来の技術〕

電力の短いバーストは、従来コンデンサヲ用いて供給さ
れている。コンデンサは、数ジュールから数ギロジュー
ルの範囲の比較的少量の蓄積エネルギーを含む写真のフ
ラッシュ装置などの用途に適している。しかし、コンデ
ンサは、数メガジュールの蓄積エネルギーを含む用途に
は大き過ぎるし、高価すぎる。そのような用途は、エネ
ルギーを蓄積インダクタから引出すエネルギー供給源を
必要とする。メガジュールのパルス状電力を用いるもの
は、航空機のカタパルトや大砲などの型砂発射装置、衝
撃溶接機械、パルス磁界金属成形機械、パルスレーザ、
及びχ線やレーダー装置を含んでいる。蓄積インダクタ
は数秒でそのエネルギーを消散するので、インダクタは
コンデンサより非常に迅速に付勢されなけｆ７．ばなら
ず、とｆ″Ｌは大電力の短いバーストを送り出しできる
回転型発電機を必要とする。従来の発電機では電力出力
が鉄回路の磁気的飽和によって制限されるから、短いバ
ーストに対しても定格用カル上で：１ハξ狸に運転する
ことはできない。なお、利用できる体枯のうちの小さな
割合だけが導体に使用される。

大電力パルス責務のできる二つの形式の機械が現在存在
している。すなわち導電性円板寸たは円筒が固定磁界内
で回転する直流発電機である非同（１ｏ　） 期発電機またはファラデー円板発電機ともいわれる単極
発電機とコンパルセータである。単極発電機は、極く低
電圧及び極く大電流で動作し、その出力電流に接触ブラ
シを必要とする。この発電機には励起制御に対する応答
が遅いこと及び出力電流の制御にスイッチ要素を使用で
きないことの欠点がなおある。従って、この発電機の有
用性は極く低インピーダンスの負荷に限られる。コンパ
ルセータともいう補償パルス交流発電機は、高電圧で動
作できるが、１回転の１・なんの一部分、普通、数ミリ
秒続く非常に短いパルスの電力を発生する。

既存の発電機は、直流及び交流共最大効率で連続動作す
るように設計されており、励起電流を最小にするために
鉄磁気回路を備え、利用できる回転子及び固定子の体積
の非常に小さな割合（普通約１％）だけが導体によって
占められる。鉄を用いない発電機は、２．３の形式の超
電導発電機である。超電導は、抵抗損失をもっていない
ので、鉄を用いないで励起磁界を発生できる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

従って本発明の目的は、短い持続時間の高電圧のパルス
を発生できる回転電気機械を提供することである。

本発明のそのほかの目的は極く高電圧の局ないし５秒の
持続時間の出力パルスを発生できる回転電気機械を提供
することである。

本発明のそのほかの目的は事実上任意の所望の電圧の交
流の形の上記のような電力パルスを出力回路に集電ブラ
シを用いる必要なく提供することである。

本発明のそのほかの目的は、構成がモジュール式であり
、高い回転速度で動作できる軽量小型の回転電気機械を
提供することである。

本発明のそのほかの目的は軽量で小型の」二記のような
回転電気機械を提供することである。

本発明のなおそのほかの目的は固定子捷たは回転子のい
ずれにも全く鉄を用い々いで構成でき、従って機械内の
利用用能な体積の大部分を鋼重たはアルミニウムの電導
体によって占めることができるよってして、より小型な
機械を提供するかなりの遠心力応力に耐えることのでき
る回転要素を有する回転電気機械を提供することである
。

〔間四点を解決するための手段〕

各々が励起電流を伝える複数の非出性の外方に伸びる回
転導体を有する一つ以上の回転要素と前記回転要素の間
に挾まれて外方に伸びる細長い非磁性電導体を含む一つ
以上の固定子要素を有する回転電気機械を特徴としてい
る。

好捷しい実施例においては、最初に機械の回転軸の方へ
近付き、次に回転軸から離れる励起電流路を定める半径
方向の長溝を有する直列に接続された回転円板が設けら
れている。固定子要素はそれぞれ第１及び第２の平面内
にある第１及び第２の組の導体を備え、かつスポーク状
の形のドーナツ型巻線をもっている。厚い銅またはアル
ミニウムの回転子円板は、抵抗が低く、熱容量が大きく
、非常に高い回転速度で回転できる。

好捷しい実施例は、高い回転動作速度での間でさえ、極
端な半径方向の遠心力応力を生ずるのを制限するために
周辺円板部分に付けた構造的たがを利用している、この
機械は発電機またはモータとして、しかもパルス責務ま
たは連続責務動作に対して使うことができる、連続責務
動作の場合、回転子円板は強制流冷却チャネルを備える
のが好捷しく、絶縁円板を介して重ね合わされている。

〔実施例〕

本発明を具体化する好ましい発電機は、それがその体積
の１％でなく約６０％を導体のために使用している点で
従来の発電機と異る。これは、従来の鉄磁気回路を取除
くことによって達成される。

鉄を取除くことは、与えられた強さの励起磁界を発生す
るのに必要な電力を増大するので、当業者は鉄を取除か
ない。しかし、鉄なしで動作することによって増大する
電力コストは、空間を利用する量が増大したことによっ
て相殺されるより多いので、鉄のない機械の認効率は、
従来の鉄のある機械の効率より非常に低いものではない
（従来の機械が約９９％であるのに比較して約９５％）
。

本発明による機械はまた最大エネルギー密度が最大効率
よりも重要である連続責務の用途に対して等しく有用で
ある。

第１図において駆動軸１にはそれにしつかり取付けた複
数の回転円板２とそれらの間に挾まれた固定子円板要素
３がある。入力＠１は、モータ（図示なし）によって駆
動され、縦軸４０周りに回転する。励起電流源６がリー
ド７及び８ならびに整流子リング１２と１４［接触する
ブラシ９と１１を介して回転子円板２に接続されている
。整流子リング１２は、リード１５を介して回転子円板
２のパイ形セグメント１６に電気的に接続され、一方、
整流子リング１４は、単一円板の機械においては、リー
ド１５を介して回転子円板２のパイ形セグメント１７に
接続されている。２回転子機械においては、セグメント
１７は、第２の回転子のセグメント１６に接続され、第
２の回転子のセグメント１７は、整流子リング１４に接
続されるので両方の回転子は直列に接続される。第２の
円板の直列に接続されていることは、軸１に取付けたり
一ド１０及び１０によって示されている。回転子円板の
パイ形セグメンｌｉｄ、すべて満月円板ローブの構成に
よって直列に接続されている。選択は自由であるが励起
電流を内蔵整流器を備えた個別の励起回転子を用いてブ
ラシ々して誘導的に供給されてもよく、整流器の出力は
同じ佃１に取付けた他の回転子を励起するのに用いられ
る。回転子円板には、第２図に非常に詳細に示されてお
り、絶縁部材２１がパイ形セグメント要素１６をパイ形
セグメント要素１７から電気的に絶縁するための一つの
例示的手段として示されている。鋼重たはアルミニウム
の回転子円板は、半径方向の長溝２２と２３を中に形成
されて、円板の周りの曲がりくねった電流路を構成する
一連の通電ローブが作られており、そのような電流通路
は矢印２４によって図解的に示されている。従って、電
流の方向が逆になっている周辺の円板部分２５と内側円
板部分を除いて、電流は各回転子円板要素の中を駆動軸
２の方へ向かって流れ、次に駆動＋ＩＩＩＩ＋から離れ
る方向に駆動軸の縦軸４にほぼ垂直に流れる。

回転子円板は、励起電流を最小にするために、駆動軸１
の内部に取付けられたり一ド１０と１０′を介して直列
に接続されているのが好ましい。

固定子円板巻線は、一般的構成が自転車の車に似ている
のが好ましい。第１図に示したように、固定子円板３は
縦軸４にほぼ垂直になっている２枚の互いに排他的な平
面内にあるスポーク状導体をもっている。従って、第１
の平面にある導体２６は、第１の平面に対して５と１０
の間にある小さな鋭角を成す第２の平面にある導体２４
と交差する。スポーク状導体２４と２６の小さなセグメ
ントが第３図に図解的に示されており、スポーク状導体
２４は、周辺の点２８と２９でスポーク状の導体２６に
接続され、それによって一連のドーナツ型巻線または重
なりを形成している。これら二つのスポークの重なりの
各々は、その最も外のところで多層ラップ巻線を形成す
るようなやり方でその他方の端で集電子に接続されてい
る。第３図に図解的に示された接続は、例えば、３相Ｙ
接続重なりを形成している。しかし、４相以上を与える
こともできる。この接続パターンは、もちろん、各固定
子の周りにずつと繰返されて、交流発電機の高ＭＬ圧多
相交流出力を作る一絹のドーナツ型多相巻線となる。こ
の導体は、電線であってもよいし才たは小さな印刷回路
モータに用いられたものに幾何学的に似ているがずっと
大きい第４図に示された４６と４７のような打抜きバー
であってもよい。

それらの導体は必要な極ピッチの重なり巻線を形成する
ようにリベットまたはボルト４８によって電気的に一つ
に接続されている。非導電性分離円板５０も示されてい
る。

第１図に示しであるように、組立体連結ボルト３１が、
囲いを形成する固定子クランプリング３３の穴３２を通
り抜けて固定子円板３を一つに結合する。結果として生
じた多重円板構成は、励起磁界体積をよく利用できるよ
うにして、１早い銅とアルミニウムの回転子円板の高い
導電率と大きな熱容量とによって熱容量を増やすことと
４ｆｔ抗加熱を減らすことの両方によって熱的性能の限
界を大きくする。好捷しい回転子円板の形状は、外径が
約１２０ｃｎＬ、内径が２４Ｃｍそして板の厚ζが２．
５ｃＩｎである。従って６１０１−６のようなアルミニ
ウム合金で作るのが好捷しい厚い回転子円板の板が好ま
しい。この構造は、従来の円筒形機械の半径方向の極パ
ターンシこ対し、で、鉄のない構造において、より効率
的に発生される励起磁束の長い管状型を発生することが
分るはずである。厚い長溝付円板回転子を設けることに
よって得られるもう一つの有益な結果は、回転子が高い
回転速度で駆動されるとき、追加の補強構造を用いない
でかなりの半径方向の遠心力応力に耐えることができ、
従って高い電力出力を可能にすることである。第５図に
示された応力だが４２は、回転子にかかる半径方向の非
常に大きな遠心力に対して補強することによって、回転
子のさらに高い回転速度を可能にするように設けること
ができる。これは必要ならば単一円板の回転子にがっち
り取付けることのできるたがの結果として生じる引張り
伸びによって達成される。円板のさらに高い回転速度を
可能にするほかに、自由選択の応力だが４２はエネルギ
ー蓄量のための慣性モーメントを大きくする。

第５図において個々の回転子円板５１は、絶縁円板５２
によって分離された積層を形成する追加の慣性モーメン
トとさらに高い速度の運転をぢえる前述の応力だが４２
は寸だ前述の円板長溝５３及び５４と一緒に示されてい
る。積層［−ザンドイツチ」全体は、中の１本が５６に
図解的に示されているボルトによって一つにボルト締め
することができる。円板補強応力だかを非導電性４＋料
で作ることは重要である。本発明の説明した実施例すべ
てにおける回転子円板ｄ、′１Ｌ気的ＶＣｉｉ列に接続
されるのがり子ましく、それによってブラフをＪ巾して
供給されるのが好ましい必硬な励起電流を少なくする。

積層回転子の利点は、長溝付円板をひい違いに並べて単
一の長溝付円板の磁界の非対称性をなくすことである。

長溝付円板を駅い違いに並べることは、連続運転に有用
な本発明のもう一つの積層回転子の実施例を示している
第６図に明瞭に示されており、液体窒素などの冷却口が
そのような連続運転をｊｊｌ能にするように楯層回転子
要素に強制的に流きれる。

５３のような半径方向に伸びる回転子円板の長溝は、励
起電流路の輪郭を描くと共に冷却材を分配する働きをす
る。冷却口ポンプ６１が、例えば、圧力を加えて内側管
状部材６２に液体窒素を送り、６３のような多数のダク
トが多数の半径方向の長溝５３の各々に冷却利を送るよ
うに設けられている。絶縁円板５２は、６６のような複
数の溝が中に形成されており、その溝は、６７のような
もう一つの複数の送シダクトを介して冷却材供給管６２
の内部に結合されている。冷却材を溝６６の中を循環さ
せることによって円板要素５１の表面を直接冷却する。

冷却板の戻り流路は、回転子ローブの間の長溝５４を通
って内側送り管６２の外側表面と外側管状駆動軸部材６
８の間の空間に戻る。

液体窒素は、かなりの熱を吸収してし捷うので、それは
一般に主に気体状態となって中空の駆動軸部１６８から
外に出る。溝付円板を互い違いに配列することはまた冷
却効果をより均一にするのに役立つことを付は加えるこ
とができる。第６図の実施例において、応力だかは、４
２の部分に描かれた細長い円筒形要素の形をとることが
できょう。

本発明を実施する現在企図されている最良の態様は、第
５図及び第６図の教示に従う交流発電機を構成すること
である。積層実施例は、励起電流を最小にするために直
列に接続された比較的薄い導電性回転子円板を用いるこ
とができる。第６図に明瞭に示されている円板を互い違
いに配置することはまた励起磁界の回転対称性をよくす
るので、周辺回路は単一円板におけるように交互に開か
れるのでなく、閉じている。第６図は電気機械の内部体
積の少なくとも半分が導電性回転子要素で占められてい
ることを明らかに示している。

２７　Ｍ　Ｗの５秒定格と１３６ＭＷの１秒定格とをも
ったパルス責務機械に対する代表的励起電流は、６３７
Ｖで４０ｋＡであり、２５３　ｋＷになるであろう。こ
れはすべてのローブが直列に接続されている単一の回転
子円板を仮定している。必要なブラシ面積は、電流に比
例し、電圧とは無関係なので、電流を減らしてこの同じ
励起電力レベルでの電圧を大きくすることが望ましく、
回転子を直列に接ｉ−奇さ）１、た幾つかのより薄い円
板で積層することは好捷しい方法である。

【図面の簡単な説明】

第１図は好捷しい実施例の構成要素の組立図、第２図は
一つの回転子円板の詳細図、 第３図は固定子巻線がドーナツ型巻線形状を形成するよ
うに相互接続された様子の略図、第４図は固定子円板の
第２の形の部分軸側投影図、 第５図は複合積層回転子要素の部分軸側投影図、第６図
は冷却きれた積層回転子要素の部分軸側投影図を示す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、長さ方向の回転軸を有する駆動軸と、 前記駆動軸にそれの長さ方向の軸にほぼ垂直に取付けら
   れており、各々が一連の通電ローブを形成する半径方向
   の長溝を備えている高導電率の非磁性円板を備え、前記
   ローブが前記円板の周りに曲がりくねつた電流路を構成
   している一つ以上の要素と、 前記駆動軸の長さ方向の軸に対して直角な平面内で前記
   円板内の前記曲がりくねつた電流路に沿つて励起電流を
   発生する手段と、 前記回転子要素に隣接１、前記駆動軸の長さ方向の回転
   軸に対して直角に第１及び第２の平面内にそれぞれ向い
   ている第１及び第２の組のほぼ半径方向に伸びる細長い
   導電体を備えた複数の固定子要素とを備えて成る回転電
   気機械。 ２、前記固定子要素の前記半径方向に伸びる細長い導電
   体がドーナツ形巻線から成る特許請求の範囲第１項に記
   載の回転電気機械。 ３、前記第１及び第２の平面が５°と１０°との間の角
   度で交差する特許請求の範囲第２項に記載の回転電気機
   械。 ４、前記円板が大きな熱容量を有する厚い中実の一体部
   材から成り、前記円板が冷却材を中を通して導くチャネ
   ルを備えている特許請求の範囲第１項に記載の回転電気
   機械。 ５、前記円板が大きな熱容量を有する厚い中実の一体の
   部材から成り、前記円板が冷却材を中を通して伝えるチ
   ャネルを備えている特許請求の範囲第２項に記載の回転
   電気機械。 ６、前記円板が大きな熱容量を有する厚い中実の一体の
   部材から成り、前記円板が冷却材を中を通して導くチャ
   ネルを備えている特許請求の範囲第３項に記載の回転電
   気機械。 ７、前記円板を電気的に直列に接続する手段をさらに備
   えた特許請求の範囲第１項に記載の回転電気機械。 ８、前記円板を電気的に直列に接続する手段をさらに備
   えた特許請求の範囲第２項に記載の回転電気機械。 ９、前記円板を電気的に直列に接続する手段をさらに含
   む特許請求の範囲第４項に記載の回転電気機械。 １０、前記回転子要素の周辺部分に取付けられて前記回
   転子要素の高速度回転による半径方向の応力を減らす応
   力減少たがをさらに備えた特許請求の範囲第１項に記載
   の回転電気機械。 １１、前記回転子要素周辺部分に取付けられて前記回転
   子要素の高速度回転による半径方向の応力を減少する応
   力減少たがをさらに備えた特許請求の範囲第２項に記載
   の回転電気機械。 １２、前記回転子要素の周辺部分に取付けられて前記回
   転子要素の高速度回転による半径方向の応力を減少する
   応力減少たがをさらに備えた特許請求の範囲第４項に記
   載の回転電気機械。 １３、前記回転子要素の周辺部分に取付けられて前記回
   転子要素の高速度回転による半径方向の応力を減少する
   応力減少たがをさらに備えた特許請求の範囲第５項に記
   載の回転電気機械。 １４、長さ方向の回転軸を有する駆動軸と、前記駆動軸
   の長さ方向の軸に対して直角に 前記駆動軸に取付けられ各々が前記長さ方向の軸に対し
   て直角な平面内で半径方向に伸びかつ端子部分で電気的
   に一つに接続された複数の非磁性回転子導体を備えてい
   る一つ以上の回転子要素と、 前記回転子導体を通して励起電流を発生する手段と、 前記回転子要素の間に挾まれ、前記駆動軸の長さ方向の
   軸に対して直角な平面内で半径方向に伸びる第１及び第
   ２の組の細長いスポーク状の非磁性導電体を備えた一つ
   以上の固定子要素とを備えて成る事実上鉄なしの回転電
   気機械。 １５、前記回転子要素の前記細長いスポーク状導体が第
   １及び第２の平面内にあつて前記駆動軸に向かったり離
   れたり前後に流れる電流を発生するドーナツ型巻線から
   成る特許請求の範囲第１４項に記載の回転電気機械。 １６、前記第１及び第２の平面が５°と１０°との間の
   角度で交差する特許請求の範囲第１５項に記載の回転電
   気機械。 １７、前記回転子導体が前記長さ方向の軸に近付いたり
   離れたり交互に前記励起電流を導く厚い導電性バーから
   成り前記回転子要素を電気的に直列に接続する手段をさ
   らに備えた特許請求の範囲第１４項に記載の回転電気機
   械。 １８、前記回転子導体が前記長さ方向の軸に近付いたり
   離れたり交互に前記励起電流を導く厚い導電性バーから
   成り前記回転子要素を電気的に直列に接続する手段をさ
   らに備えた特許請求の範囲第１５項に記載の回転電気機
   械。 １９、前記回転子導体が前記長さ方向の軸に近付いたり
   離れたり交互に前記励起電流を導く厚い導電性バーから
   成り前記回転子要素を電気的に直列に接続する手段をさ
   らに備えた特許請求の範囲第１６項に記載の回転電気機
   械。 ２０、前記回転子導体が長溝付き回転子円板の部分を形
   成している特許請求の範囲第１７項に記載の回転電気機
   械。 ２１、前記回転子要素の周辺部分に取付けられて、前記
   回転子要素の高速度回転による半径方向の応力を減少さ
   せる応力減少たがをさらに備えた特許請求の範囲第１４
   項に記載の回転電気機械。 ２２、前記回転子要素の周辺部分に取付けられて前記回
   転子要素の高速度回転による半径方向の応力を減らす応
   力減少たがをさらに備えた特許請求の範囲第１６項に記
   載の回転電気機械。 ２３、前記回転子要素の周囲部分に取付けられて前記回
   転子要素の高速度回転による半径方向の応力を減少する
   応力減少たがをさらに備えた特許請求の範囲第１１項に
   記載の回転電気機械。 ２４、前記回転子要素の周辺部分に取付けられて前記回
   転子要素の高速度回転による半径方向の応力を減少する
   応力減少たがをさらに備えた特許請求の範囲第１８項に
   記載の回転電気機械。 ２５、前記回転子要素の周辺部分に取付けられて前記回
   転子要素の高速度回転による半径方向の応力を減少する
   応力減少たがをさらに備えた特許請求の範囲第２０項に
   記載の回転電気機械。 ２６、長さ方向の回転軸を有する駆動軸と、前記駆動軸
   の長さ方向の軸に対して直角に 前記駆動軸に取付けられ、各々が前記長さ方向の軸に対
   して直角な平面内で半径方向に伸びかつ端子部分で電気
   的に一つに接続された複数の非磁性回転子導体を備えて
   いる一つ以上の回転子要素と、 前記回転子導体を通して励起電流を発生する手段と、 前記回転子要素の間に挾まれて、前記駆動軸の長さ方向
   の軸に対して直角な平面内で半径方向に伸びる細長い非
   磁性の固定子導体を備えた一つ以上の固定子要素と、 を備えてなるあらかじめ定めた内部容積を有する事実上
   鉄のない回転電気機械。 ２７、前記回転子導体と前記固定子導体との結合体積が
   前記回転電気機械の内部容積の少なくとも半分を占める
   特許請求の範囲第２６項に記載の回転電気機械。 ２８、前記回転子要素が長溝付円板から成り、前記長溝
   が励起電流路を定めている特許請求の範囲第２７項に記
   載の回転電気機械。 ２９、前記円板を電気的に直列に接続する手段をさらに
   備えた特許請求の範囲第２８項に記載の回転電気機械。 ３０、前記長溝付円盤が積層回転子要素を形成するよう
   に前記長溝付円板に積重ねられた非導電性円板を間に挿
   入されている特許請求の範囲第２９項に記載の回転電気
   機械。 ３１、前記長溝付円板の長溝を通して冷却材を強制的に
   流す手段を備えた特許請求の範囲第３０項に記載の回転
   電気機械。 ３２、隣接する円板の対応する長溝が互いに対して角度
   的にずらされている特許請求の範囲第３０項に記載の回
   転電気機械。 ３３、隣接の円の対応する長溝が互いに対して角度的に
   ずらされている特許請求の範囲第３１項に記載の回転電
   気機械。