JPS62501466A - 改良されたエネルギ−密度を有するホモポ−ラ発電機 - 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】 改ａされたエネルギー＝−密度を有するホモポーラ発電機 本発明は発電機に関する。詳細には本発明は（σ期間に負荷に慣性エネルギーを 与えるべく長期間にわたりそれを蓄積するようになった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１９７ ４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、ウェルトン他にょる「５メガジユ一ル 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）ランザクジョン・オン・マグネチックスＶ　０１．　ＭＡＧ　−１８ ，Ｎｏ、１．１９８２年１月号に提出されたＪ、Ｈ，ガンによる「小型ホモポー ラ発電機」はＨＰ　Ｇ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−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小便な問題となっている。

そのような改善された設λ１の−・つは全鉄回路（Ａ−１−Ｒ）ホモポーラ発電 機として知ｒ・れており、発電機の非回転部分を出来るたけ除き、発電機の質量 をエネルギー蓄積部分（ロータ）に集中させるような設：［思想を表わしている 。Ａ−１−ＲＨＰＧのロータは３４００ボンドである発電機全ｉｌ′１′量の他 に−ｅｔａ　ｒこ約１６００ボンドの重量、あるいは全質量の約４７８６の質量 となる。（のような発電機はｋｇ重量当り約４キロジユール（ＫＪ）のエネルギ ーを蓄積する。発電機質量の約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ＨＰ　Ｇはｌｋｊ／ 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５Ｍ Ｊ（、Ｊガジュール）の総ユ、ネルクー容瓜を有する。

Ａ−１−Ｒホモポーラ発電機は現在ではその小量の殆んど４′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−タ材料を減らず設；１思 想に従って２倍以上に敗訴することは決して出来ない。発電機の質量をロー＝り 質二近くまで減少してＬ５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」二げるしかない。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。これらプランは一般に焼結銅− 黒鉛１（合＋４で構成されそ１．て熱伝導体としては劣ったものであるからブラ シー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どブラシー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２２ ０ｍ／秒を越えることが出来ないことか一般的な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ＨＰＧ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〜ｎ８しうるロー・夕のチップ速度からブラシ／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−・Ｊ法を減らすかあるいはそれらを他の要素に組合せ るがすることである。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。ロータに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〜に変換さ１＋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ｉ１Ｊ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りに 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２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成出来る従来の表面 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 るためロータを通常の表面速度より高い速度で動作させねば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ＨＰ Ｇ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せる磁 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をし、これがスタータ 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 電性ブラシが設けである。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ー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、それによりブラシースリ 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。

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である。

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である。

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であ る。

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。

同様の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１６．１．７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〇第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 はこの質量は、ステータ界磁コイルに励磁電流か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瓜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電流集中機能はｍｍ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ｍの導 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ースリップリング界面でのロ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 の固釘エネルギー密度を大幅に増加し、シ、が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１１１１１８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、］３の半径ｒ１１７は１ｌ１１１ ８の半径１”　Ｒとは無関係に制御される。ホイール１２．１３はロータ軸〕８ と同一速攻で回転し、そし５て、ｒ　ｗはｒＩ？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ースリップリング界面２６てのス 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 での回転がら［７−タ質量のは＼゛ずべてを除去する。（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 て無視しうるち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５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がら所望の出力を得ることは出来ず、これは位置のエ ネルギー密度で可能である。

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］８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つる電力に変換１３、う るよ・うにするために、ステータコイル１６．１７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、本発明は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（図示ぜず）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（７）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塁をなくし つつ強磁性材料の２テスラ（２，ＯＴ）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、これらの特徴は自助空心 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（１，ＭＡ） での鉄心Ｉ−Ｉ　Ｐ　Ｇに影響するアーマチュアの反応の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１０ ００倍だけ増加する。これは成る種の自励空心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Ｅｌ、。ｒｅ−コイルの穴における磁気エネルギー、■−コイルの穴の体積 −ＲＬ　Ｂ−コイルｂｏｒｅ　ｂｏｒｅ　ｂｏｒｅ’ の穴における平均的自乗磁束密度、μ　−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 合誘導工ネルクーＥＩＮＤはコイルの穴の約２倍である。従って次ロータの直通 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ＥＩＮＥＲ−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、■−ロータの角速度、ｒ　＝ロータ半径＝０°９Ｒ、Ｌ　−ロータ全長− ０，９ｂｏｒｅ　ｒ ｂｏｒｅＳＳ−ロータ材料密度である。

ｒ　とＬ　を代えそしてｒ　ω−Ｖであることを考えｒ　「　「 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フィル磁 束密度Ｂとの間に得られる。

自励空心ＨＰＧ内の磁束は０から成るピーク値までであり一方比肩しつる鉄心Ｈ ＰＧ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ユワ−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Ｋｉ　Ｈ；ｊ−、イー ル１２，１Ｂ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。

第１表 材　料　最大面速度　エネルギー密度 （ｍ／ｓ）　（ｋＪ／ｋｇ） 平らな鋼製円板　５５０　１５ 成形鋼円板　６７０　２１ ファイバーガラス ／エポキシ円板　７６０　４１ ケブラ／エポキシ 円板　９６０　６５ 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それらを２０． ００Ｏｒｐｍ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；１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の最大可能要領は、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５．０ＯＯＦ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−（（２ＸＥ）／Ｃ）　１１２−　（（２Ｘ９０Ｘ１０６）１５０００）”’ ■−φω／２πまたはφ−２π■／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に弔均磁界強度１２．７Ｔが必要と なる。

発電機容量を本発明ではｉ”ｒＪ能な１００ＯＯＦに増加すると所°との磁場強 度が９Ｔに減少する。

超電導コイル１６，１．７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１００　ｋ　Ｊ　 ／　ｋ　ｇ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−１−ＲＨＰ　Ｇ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１（ＰＧ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、これか不充分な 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を固体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、周辺方向には抵抗性を大 きくすることか出来るから、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２かもインダクタが放 出するときの磁束トラップ短絡在回とし、では作用Ｌ７ない。

界磁コ・イル１６，１７は逆ブＪ向に巻かれており、アーマチュアに逆り向の磁 界を発生ずる。逆（逆巻回）の界磁コイル１６，１．７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（ステータ磁界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て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か設けられ（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Ｃは（１）高出力タービンにより駆動される自励連続デユー 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ＨＰ　Ｇは夫々１２００ｍ／ｓ　（２３，００Ｏ ｒｐｍ）で動作して１１３ＭＪを蓄積する直径１１．０ｍ１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ＨＰ　Ｇ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どすると、この発電機は半速において４ ５０Ｖを発生する。

界磁コイルはグラスファイバまたはゲブラの外波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ｃ　Ｌ　Ｎ　２　）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１０，０００ｖ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／ｉｎ　のスリップリング電流密度で 動作する強制冷却鋼フィンガブラシ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４彼をもつ部材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　タフイル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ＩＪなる。

この）１．　Ｐ　Ｇは］、１ｍＸ１．１ｍｘ１．５ｍ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 をりえ、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ＨＰ　Ｇの重量は２５００ｋｇである。第３図のＨＰＧの動作バラメー夕 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。

全重量　２５００ｋｇ 慣性エネルギー蓄積量　２３０ＭＪ　（９２ＫＪ／ｋｇ）誘導エネルギー蓄積量 　１３６ＭＪ　（５４ＫＪ／ｋｇ）ピーク電流　３．２ＭＡ ピークＨＰ０７１圧　４５０Ｖ ピークインダクタ電圧　１０．ｏｏｏｖピークＨＰＧ出力　１．４ＧＷ　（５６ ０ＫＷ／ｋｇ）ピーク出力　３２ＧＷ　（１３ＭＷ／ｋ　ｇ）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。

例えば自励ステータコイルを用いる代りに、コイルを外部的電源で励磁してブラ シからの電流を出力端子に直接導くようにしてもよい。

国際調査報告 ｌｍａｍ＋Ｎ＊−＋ｌ＾０ａｋｌ＋＝−Ｎ６．ＰＣＴ／ＵＳ８６１０００１５Ａ ｈｌＮＦ、、Ｘ　’ｒｅ　τ！（Ｉ：　ＩＮＴＥＲ，ＮＡ’１４ＣＮ、ＡＬ　Ｓ Ｅ、’ＲＣｊ（ＲＥＰＯＲＴ　ＣＮ

Claims (22)

【特許請求の範囲】
1. １．内部領域に磁界を発生するためのステータ組立体と回転駆動入力および上記 磁界に応じて電圧と電流を発生するためのロータを有し、上記回転駆動入力に応 じて一対の出力端子に上記電圧と電流を発生するためのホモポーラ発電機であっ て、上記ロータは（イ）上記磁界内での上記ロータの回転に応じて上記電圧と電 流を上記出力端子に集めるための電流発生手段、および （ロ）上記ロータの回転速度に応じて慣性エネルギーを蓄積し、且つ上記電流発 生手段による上記電圧と電流の集電とは無関係に得られるエネルギー蓄積容量を 有するエネルギー蓄積手段、 を有するごとくなったホモポーラ発電機。
2. ２．前記ロータの前記電流発生手段は （イ）１つの半径を有し前記ステータ組立体内に配置されてそれと共に回転し、 且つ前記磁界内でのその回転に応じて前記電圧と電流を集めるための一対のスリ ップリングをその外表面に配置してなる導電性円筒形手段、および （ロ）夫々上記スリップリングの１個と関連してそのスリップリングとの界面に おいてそれに接触するように前記出力導体に結合し、前記出力端子に集めた電圧 と電流を導くための一対の導電性ブラシ、から成り、上記導電性円筒形手段の上 記半径がブラシ−スリップリング界面での上記ブラシの面速度を決定するごとく なった請求の範囲第１項記載の発電機。
3. ３．前記ロータの前記エネルギー蓄積手段は夫々前記ロータの導電手段の各端部 に接近配置されてそれと共に回転する一対のエネルギー蓄積ホイールから成り、 これらホイールの半径は上記導体手段の半径とは無関係に選ぶことが出来、それ により前記ブラシ−スリップリング界面での上記導体手段の面速度とは無関係に 前記発電機のエネルギー蓄積容量を最適化しうるごとくなった、請求の範囲第２ 項記載の発電機。
4. ４．前記ステータ組立体は （イ）夫々前記関連するブラシとスリップリングの１個に関連すると共にその励 磁電流に応じて前記磁界を発生するようになった、前記ロータの前記電流発生手 段を囲む一対のコイル、および （ロ）上記ステータ組立体に装着されて前記導電手段をそこに受け入れて支持す る軸受組立体、を含むごとくなった請求の範囲第１項または第３項記載の発電機 。
5. ５．前記コイルは超電導温度で動作するごとくなった請求の範囲第４項記載の発 電機。
6. ６．前記コイルは逆方向に励起されるごとくなった請求の範囲第４項記載の発電 機。
7. ７．前記出力端子の夫々は関連する前記ブラシに関連する前記ステータコイルを 通じて接続しそれにより自励ホモポーラ発電機を達成するごとくなった請求の範 囲第４項記載の発電機。
8. ８．前記コイルの夫々は逆方向に励磁され、そして前記出力端子の夫々は関連す る前記ステータコイルを通じて関連する前記ブラシに接続し自励ホモポーラ発電 機を構成するごとくなった請求の範囲第５項記載の発電機。
9. ９．前記ステータ組立体は低温で動作するコイルを含み、励磁電流に応じて超電 導コイルから前記磁界を発生するごとくなった請求の範囲第１項記載の発電機。
10. １０．前記ステータ組立体は低温動作する第２コイルを有し、前記磁界が一対の 超電導コイルにより発生されるごとくなった請求の範囲第９項記載の発電機。
11. １１．前記導体手段はカゴ形アーマチュアからなる請求の範囲第２項記載の発電 機。
12. １２．回転駆動入力に応じて一対の出力端に接続する負荷への電力を発生する、 （イ）励磁電流により磁界の発生される内部領域を有する一対のコイルから成る ステータ組立体、および（ロ）ロータ組立体であって （ｉ）上記内部領域内に配置されそしてその外面に電流を集めるための夫々上記 コイルの１つに関連する一対のスリップリングを配置して有する、一つの半径を 有する導電性カゴ形アーマチュア、 （ｉｉ）夫々上記アーマチュアの両端に配置されてそれと共に回転する第１およ び第２エネルギー蓄積ホイール、 （ｉｉｉ）夫々上記スリップリングとの界面においてスリップリングの表面の一 つに接触して上記スリップリングから電流を集めるための一対の導電性ブラシ、 からなる、ロータ組立体、 （ハ）上記ブラシ−スリップリング界面において上記駆動入力の回転速度に応じ 上記ブラシにおけるアーマチュアの面速度を決定する上記アーマチュアの半径、 およびこの半径とは無関係に選ばれて上記ブラシ−スリップリング界面での上記 軸の面速度とは無関係に発電機により蓄積されるエネルギーの量を決定しうるに なった前記エネルギー蓄積ホイールの夫々の半径、からなるホモポーラ発電機。
13. １３．前記出力端子の夫々は関連する前記ステータコイルを通じて関連する前記 ブラシに電気的に接続しそれにより自励ホモポーラ発電機を得るようになってい ると共に、前記ステータ組立体に結合してそこに前記アーマチュアを受け入れて 支持する軸受手段を更に含む、請求の範囲第１２項記載の発電機。
14. １４．前記ステータコイルは超電導温度で動作するごとくなった請求の範囲第１ ２項記載の発電機。
15. １５．回転駆動入力に応じ一対の出力端子に接続する負荷への電力を発生する、 （イ）励磁電流に応じて磁界の発生する内部領域を有する一対のコイルからなる ステータ組立体、（ロ）ロータ組立体であって （ｉ）上記内部領域内に配置されそしてその外面に電流を集めるための夫々上記 コイルの１個に関連する一対のスリップリングを配置して有する導電性円筒形軸 、（ｉｉ）夫々上記アーマチュアの両端に配置されてそれと共に回転する、上記 磁界の外に配置された第１および第２エネルギ蓄積ホイール、 （ｉｉｉ）夫々上記コイルの１個および上記出力端子の１個に関連し、上記スリ ップリングとの界面においてスリップリングの表面の１つに接触して上記スリッ プリングから電流を集めるための一対の導電性ブラシ、からなるロータ組立体、 （ハ）上記ブラシ−スリップリング界面において上記駆動入力の回転速度に応じ 上記軸の面速度を決定する上記軸の半径、およびこの半径とは無関係に選ばれて 上記ブラシ−スリップリング界面での上記軸の面速度とは無関係に発電機により 蓄積されるエネルギーの量を決定しうるようになった上記エネルギー蓄積ホイー ルの半径、からなるホモポーラ発電機。
16. １６．前記コイルは超電導コイルを得るため低温で動作するごとくなった請求の 範囲第１５項記載の発電機。
17. １７．前記コイルは前記集められた電流により逆方向に励磁されるようになった 請求の範囲第１５項または第１６項記載の発電機。
18. １８．前記エネルギー蓄積ホイールは前記ステータにより発生される前記磁界の 外側に配置されるごとくなった請求の範囲第３項記載の発電機。
19. １９．前記エネルギー蓄積ホイールは電流に対し非導通である請求の範囲第３項 記載の発電機。
20. ２０．前記エネルギー蓄積ホイールはファイバで補強されたエポキシ樹脂組成体 で構成されている請求の範囲第１９項記載の発電機。
21. ２１．前記組成体はケルバー／エポキシである請求の範囲第２０項記載の発電機 。
22. ２２．前記組成体はグラスファイバ／エポキシである請求の範囲第２０項記載の 発電機。