特開 2023-171273 同期電気機械およびそのような機械を備える船舶

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023171273

(43)【公開日】2023-12-01

(54)【発明の名称】同期電気機械およびそのような機械を備える船舶

(51)【国際特許分類】

   H02K 1/18 20060101AFI20231124BHJP

   H02K 19/10 20060101ALI20231124BHJP

【ＦＩ】

H02K1/18 C

H02K19/10 Z

【審査請求】未請求

【請求項の数】15

【出願形態】ＯＬ

【外国語出願】

(21)【出願番号】P 2023072834

(22)【出願日】2023-04-27

(31)【優先権主張番号】22174105.1

(32)【優先日】2022-05-18

(33)【優先権主張国・地域又は機関】EP

(71)【出願人】

【識別番号】513132966

【氏名又は名称】ジーイー エナジー パワー コンバージョン テクノロジー リミテッド

【氏名又は名称原語表記】ＧＥ Ｅｎｅｒｇｙ Ｐｏｗｅｒ Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｌｔｄ．

【住所又は居所原語表記】Ｂｏｕｇｈｔｏｎ Ｒｏａｄ，Ｒｕｇｂｙ，Ｗａｒｗｉｃｋｓｈｉｒｅ ＣＶ２１ １ＢＵ，Ｕｎｉｔｅｄ Ｋｉｎｇｄｏｍ

(74)【代理人】

【識別番号】100105588

【弁理士】

【氏名又は名称】小倉 博

(74)【代理人】

【識別番号】100129779

【弁理士】

【氏名又は名称】黒川 俊久

(72)【発明者】

【氏名】ニコラ・ルブッフ

【テーマコード（参考）】

5H601

5H619

【Ｆターム（参考）】

5H601AA09

5H601AA16

5H601CC14

5H601DD01

5H601DD11

5H601GD02

5H601GD03

5H601GD07

5H601GD08

5H601GD22

5H601GE11

5H601GE19

5H619AA05

5H619AA11

5H619PP01

5H619PP02

5H619PP05

(57)【要約】

【課題】同期電気機械およびそのような機械を備える船舶を提供する。
【解決手段】同期電気機械８は、ステータ９と巻線ロータ１０とを備え、ステータは、複数の相を備え、各相は、互いに接続されたコイル１３と、ステータフレーム１１上に固定され、ステータ直径に沿って均等に分散されたステータ磁極コア１２とを備え、各コイルは、異なるステータ磁極コアの周りに巻回されてステータ磁極を形成し、各相は、同数のステータ磁極を備え、各相のステータ磁極は、ステータフレーム内に配置されて同心巻線ステータを形成する。ロータ１０は、ロータ１０及びロータコイル１４の周りに均等に分布した複数のロータ磁極コア１４を備え、各ロータコイルは、ロータ磁極を形成するために異なるロータ磁極コアの周りに巻き付けられる。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

ステータ（９）と巻線ロータ（１０）とを備える同期電気機械（８）であって、
前記ステータは複数の相を備え、各相は、互いに接続されたとを備えコイル（１３）と、ステータフレーム（１１）に固定され、ステータ直径に沿って均等に配置された複数の磁気ステータ磁極コア（１２）とを含み、各コイルは異なる磁気ステータ磁極コアの周りに巻かれて磁気ステータ磁極を形成し、各相が同数のステータ磁極を含み、各相の前記ステータ磁極が前記ステータフレーム内に配置されて同心巻線ステータを形成し、前記ロータ（１０）が、前記ロータ（１０）及び複数のロータコイル（１４）の周りに均等に分布した複数のロータ磁極コア（１４）を含み、各ロータコイルが異なるロータ磁極コアの周りに巻かれてロータ磁極を形成する、同期電気機械。

【請求項2】

前記複数のステータ磁極コア（１２）は前記ステータフレーム（１１）に第１の取り外し可能な固定手段で固定され、複前記数のロータ磁極コア（１４）はロータシャフト（１０ａ）に第２の取り外し可能な固定手段で固定される、請求項１に記載の同期電気機械。

【請求項3】

前記第１の取り外し可能な固定手段は、前記ステータフレーム（１１）の長手方向に均等に配置された穴（１８）を貫通する第１の複数のねじ（１７）と、各ステータ磁極コア（１２）に組み込まれたテーパ状保持手段（１９）とを備え、前記第１の複数のねじは、前記テーパ状保持手段に係合し、前記第２の取り外し可能な固定手段は、前記複数のロータ磁極コア（１４）の長手方向に均等に配置された複数の穴（２７）を貫通する第２の複数のねじ（２６）を備え、前記ロータシャフト（１０ａ）は、前記第２の複数のねじが係合する複数のテーパ状穴（２８）を備える、請求項２に記載の同期電気機械。

【請求項4】

非磁性シム（２５）が各磁気ステータパッド磁極コア（１２）と前記ステータフレーム（１１）の間に介在される、請求項１乃至３のいずれかに記載の同期電気機械。

【請求項5】

前記ステータ（９）の長手方向に延在する各ステータ磁極コア（１２）は、前記ステータフレーム（１１）と接触する前記ステータ磁極コアの表面（３０）上に少なくとも１つの冷却溝（２９）を備え、前記少なくとも１つの冷却溝および前記ステータフレーム（１１）の接触面が冷却チャネル（３１）を形成するように、前記長手方向に沿って延在する、請求項１乃至４のいずれかに記載の同期電気機械。

【請求項6】

各ステータ磁極コア（１２）は、複数の磁気要素（３４）を備え、隣接する２つの磁気要素は、半径方向冷却ダクト（３６）を形成する空隙によって分離されている、請求項１乃至５のいずれかに記載の同期電気機械。

【請求項7】

前記ステータフレーム（１１）は、複数の冷却ダクト（３６）内を循環する冷却流体が前記ステータから複数の開口（３９）を通って逃げるように、前記ステータフレームの側面上に前記複数の開口（３９）を備える、請求項６に記載の同期電気機械。

【請求項8】

前記ステータフレーム（１１）は、前記複数の冷却ダクト（３６）内を循環する冷却流体が開口部を通ってステータから逃げるように、各端部に開口部（４０）を備える。請求項６に記載の同期電気機械。

【請求項9】

各ステータ磁極コア（１２）は、少なくとも１つのタイロッド（２３、２４）と、前記ステータ磁極コアの各端部にある１つのエンドプレート（３７、３８）とを備え、前記タイロッドは、前記ステータ磁極コアを貫通して、前記ステータフレームに固定された２つのエンドプレートを接続する、請求項５乃至８のいずれかに記載の同期電気機械。

【請求項10】

前記巻線ロータ（１０）は、前記ステータ（９）に収容されている、請求項１乃至９のいずれかに記載の同期電気機械。

【請求項11】

前記ステータ（４９）は、前記ロータ（５０）に収容されている、請求項１乃至９のいずれかに記載の同期電気機械。

【請求項12】

前記ロータ（１０）は、整流手段（４５）を備え、前記整流手段（４５）は、前記ステータの前記複数のコイルに一定の所定の周波数を有する供給信号が供給されたときに、前記ロータの回転速度を変化させるために、前記複数のロータコイル（１５）のすべてまたは前記複数のロータコイルの一部に供給するように構成される、請求項１乃至１１のいずれかに記載の同期電気機械。

【請求項13】

前記ロータ（１０）は、それぞれが異なる電位を有する第１のスリップリング（４１）および第２のスリップリング（４２）を備え、前記ステータは、２つのブラシ（４３、４４）を備え、各々のブラシは、異なるスリップリングと協働して前記整流手段に供給する、請求項１２に記載の同期電気機械。

【請求項14】

前記ロータ（１０）が３つのスリップ（４１、４２、４８）を含み、前記ステータ（９）が３つのブラシ（４３、４４、４７）を有し、各ブラシが異なるスリップリングと協働し、各スリップリングが異なる電位を有し、ロータコイル（１５）の第１のセットに第１及び第２のスリップリング（４１、４２）が供給され、ロータコイル（１５）の第２のセットに第１及び第３のスリップリング（４１、４８）が供給され、前記ロータコイルの第２のセットが補償極（Ｐ４、Ｐ８、Ｐ１２、Ｐ１６、Ｐ２０、Ｐ２４）を形成し、コイルの第１及び第２のセットの合計がロータ巻線の数に等しい、請求項１乃至１１のいずれかに記載の同期電気機械。

【請求項15】

請求項１乃至１４のいずれかに記載の同期電気機械を備える、船舶。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、電気回転機械に関し、より詳細には、巻線ロータ（wounded rotor）を備える同期電気機械に関する。本発明はまた、そのような同期電気機械を備える船舶に関する。

【背景技術】

【0002】

本明細書において、「船舶（ボート：boat）」は、航行（sail）するように設計された任意のタイプの電動浮体式船舶または乗り物（motorized floating vessel or vehicle）を意味するものとする。船舶は、ディーゼルエンジンと、基板ネットワーク（board network）に電力を供給する複数の発電機と、推進用の複数の電気モータとを備える主電気推進システムを備えることができる。タービンに推進力を加えるために、および／またはネットワークに電力を加えるために、推進用の主電気モータとプロペラの間に複数の追加の電気機械も使用される。複数の追加の電気機械は、５０～１００ｒｐｍで最大１０ＭＷに達することができる。追加の電気機械は、一般に、永久磁石ロータまたは巻線ロータのいずれかで作られた同期機械である。

【0003】

追加の電気機械が船舶に実装されると、各機械のために確保される空間は限られ、各機械のトルク質量比は、信頼性、サービスの継続性、および効率性と同様に重要な点である。永久磁石ロータの輸送、製造、組み立て又は修理は、非常に複雑であり、複数の非磁性ツールを必要とする。

【0004】

さらに、ロータの永久磁石のために、同期電気機械のステータ内のロータの組み立ては、時間のかかる特定の組み立て手順を必要とする。そのような機械は、ほとんどの場合、ステータを冷却するために軸冷却（axial cooling）を実施する。

【0005】

冷却流体は、ステータの隣接するコイル間のみを通過し、ステータ内にホットスポットを生成し、したがってトルク密度を制限する。

【0006】

巻線ロータ同期機械（wounded rotor synchronous machines）は、永久磁石同期機械よりも性能が低いことが知られている。巻線ロータ同期機械は、ロータ巻線内を循環する電流に起因して、より高い熱損失を生成する。したがって、従来技術による同期電気機械（synchronous electrical machines）に関する欠点を改善することが提案される。

【発明の概要】

【0007】

上記に鑑みて、本発明は、ステータと巻線ロータとを備える同期電気機械を提案する。ステータは、複数の相を備え、各相は、一緒に接続されたコイルと、ステータフレーム上に固定され、ステータ直径に沿って均等に分散されたステータ磁極コアとを備え、各コイルは、異なるステータ磁極コアの周りに巻回されてステータ磁極を形成し、各相は、同数のステータ磁極（a same number of magnetic stator poles）を備え、各相のステータ磁極は、ステータフレーム内に配置されて同心巻線ステータ（concentric winding stator）を形成する。

【0008】

ロータは、ロータおよびロータコイルの周りに均等に分散された複数の磁気ロータ磁極コアを備え、各ロータコイルは、異なる磁気ロータ磁極コアの周りに巻き付けられて、磁気ロータ磁極を形成する。

【0009】

有利なことに、ステータ磁極コアは第１の取り外し可能な固定手段（first removable fasting means）を用いてステータフレームに固定され、ロータ磁極コアは第２の取り外し可能な固定手段を用いてロータシャフトに固定される。

【0010】

好ましくは、第１の取り外し可能な固定手段は、ステータフレームの長手方向に均等に配置された孔を貫通する第１のねじと、ステータ磁極コアに組み込まれ、テーパ保持手段に係合されたテーパ保持手段とを備え、第２の取り外し可能な固定手段は、ロータ磁極コアの長手方向に均等に配置された孔を貫通する第２のねじを備え、ロータ軸は、第２のねじが係合するテーパ孔を備える。

【0011】

有利なことに、非磁性シム（non-magnetic shim）は、各磁気ステータ磁極（magnetic stator poles）とステータフレームの間に介在（interpose）することができる。非磁性シムは、フレーム内の渦誘起損失（Eddy-induced losses）を回避する。好ましくは、各磁気ステータ磁極コアは、ステータの長手方向に延び、各磁気ステータ磁極コアは、ステータフレームと接触する磁気ステータ磁極コアの表面上に、長手方向に沿って延びる少なくとも１つの冷却溝を含み、それにより、溝およびステータフレームの接触表面は冷却チャネルを形成する。

【0012】

冷却チャネルは、機械の冷却を改善し、また、フレームに生じる渦電流損失を低減することを可能にする。有利なことに、各ステータ磁極コアは、複数の磁気要素を備え、隣接する２つの磁気要素は、半径方向冷却ダクトを形成する空隙（air gap：エアギャップ）によって分離されている。

【0013】

好ましくは、ステータフレームは、冷却ダクト内を循環する冷却流体が開口部を通ってステータから逃げる（escapes from the stator）ように、ステータフレームの側面に開口部を備える。

【0014】

有利なことに、ステータフレームは、冷却ダクト内を循環する冷却流体が開口部を通ってステータから逃げるように、各端部に開口部を備える。

【0015】

有利なことに、各ステータ磁極コアは、少なくとも１つのタイロッド（tie rod）と、ステータ磁極コアの各端部にある１つのエンドプレート（end plate）とを備え、タイロッドは、ステータフレームに固定される２つのエンドプレートを接続するためにステータ磁極コアを貫通する。

【0016】

好ましくは、ティアロッド（tierods）およびエンドプレートは、追加の損失を回避するために非磁性鋼で作製される。ティロッドの数および形状は、磁極全体および磁気抵抗回路（magnetic reluctant circuit）の機械的剛性を最大化するように最適化することができる。

【0017】

有利なことに、巻き線ロータはステータに収容され、またはステータは巻線ロータに収容される。

【0018】

好ましくは、ロータは、整流手段（commutation means）を備え、整流手段は、ステータのコイルに一定の所定の周波数を有する供給信号（supply signal）が供給されたときにロータの回転速度を変化させるために、ロータコイルのすべてまたはロータコイルの一部に供給するように構成される。

【0019】

有利なことに、ロータは、それぞれ異なる電位を有する第１のスリップリングおよび第２のスリップリング（second slip ring）を備え、ステータは２つのブラシを備え、各ブラシは、整流手段に供給するために異なるスリップリングと協働（cooperating with a different slip ring）する。

【0020】

好ましくは、ロータは３つのスリップを含み、ステータは３つのブラシを含み、各ブラシは異なるスリップリングと協働し、各スリップリングは異なる電位（different electric potential）を有し、第１のセットのロータコイル（first set of rotor coils）に第１及び第２のスリップリングが供給され、第２のセットのロータコイル（second set of rotor coils）に第１及び第３のスリップリングが供給され、第２のセットのロータコイルは補償極（compensation poles）を形成し、第１及び第２のセットのコイルの合計はロータコイルの数に等しい。

【0021】

本発明の別の目的は、上記で規定した同期電気機械を備える船舶に関する。本発明の他の特徴および利点は、以下の本発明の実施形態の説明を読むことで明らかになるであろう。

【図面の簡単な説明】

【0022】

【図1】本発明による船舶の例を示す図である。

【図2】本発明による同期電気機械の例を示す図である。

【図3】本発明による同期電気機械の例を示す図である。

【図4】本発明による同期電気機械の例を示す図である。

【図5】本発明による同期電気機械のステータの一部の例を示す図である。

【図6】本発明による同期電気機械のロータの一部の例を示す図である。

【図7】本発明による同期電気機械のステータの一部の別の例を示す図である。

【図8】本発明による同期電気機械のステータの一部の第３の実施例を示す図である。

【図9】本発明による同期電気機械のステータフレームの例を示す図である。

【図10】本発明による同期電気機械のステータフレームの別の実施例を示す。

【図11】本発明によるロータの電気回路の第１の実施例を示す。

【図12】本発明によるロータの電気回路の第２の実施例を示す。

【図13】ロータとステータが逆になっている本発明による同期電気機械の別の実施例を示す。

【発明を実施するための形態】

【0023】

図１は、船舶１を推進するための推進ユニット（propulsion unit）２と、推進ユニット２に電力を供給する電力供給ネットワークＮＥＴとを備える船舶１の例を示す。推進ユニット２は、推進モータ３と、電力変換器（power converter）４と、推進モータ３によってシャフト６を介して駆動されるプロペラ５とを備える。

【0024】

電力コントローラ４は、交流電圧（alternative voltage）を供給する電力供給ネットワークＮＥＴから推進モータ３を供給する。推進ユニット２は、ブースタユニット（ booster unit：昇圧ユニット）７をさらに備える。ブースタユニット７は、ステータ９を備える同期電気機械８と、ロータシャフト１０ａを備えるロータ１０とを備え、ロータシャフト１０ａは、推進モータ３とプロペラ３の間でシャフト６に各端部で接続され、同期電気機械８に電力を供給する可逆電力変換器（reversible power converter）１１を備える。同期電気機械８は、モータモードまたは発電機モードで動作する。

【0025】

モータモードでは、可逆電力変換器１１によって供給される同期電気機械８は、推進モータ３を支援するためにシャフト６にトルクを生成する。発電機モードでは、同期電気機械８が可逆電力変換器１１に供給する電気エネルギーを生成するように、ロータ１０はシャフト６によって駆動される。電力変換器１１は、例えば、発電機モードで同期電気機械８によって生成された電気エネルギー電力を電力供給ネットワークＮＥＴに供給する。船舶１は、複数のネットワークＮＥＴを備えてもよい。電力変換器４および１１は、例えばダイオード、サイリスタ、またはパイロットインタラプタ（diodes, thyristors or piloted interrupters）などの半導体から作られる。

【0026】

図２及び図３は、同期電気機械８の実施例の斜視図および半径方向断面を示す。ステータ９は、ステータフレーム１１と、ステータフレーム１９に固定され、ステータの長手方向に沿って延びるステータ磁極コア（magnetic stator pole cores）１２と、コイル（coils）１３とを備える。ステータ磁極コア１２は、ステータ直径（stator diameter）に沿って均等に分布していることが好ましい。各コイル１３は、ステータ９とほぼ等しい長さを有する異なるステータ磁極コア（different magnetic stator pole core）１２に巻き付けられている。各ステータ磁極コア１２およびステータ磁極コアの周りに巻き付けられたコイル１３は、ステータ磁極（magnetic stator pole）を形成する。

【0027】

ステータ９は、例えば１８個のステータ磁極を備える。コイル１３は、ステータフレーム９内に配置され、互いに接続され、各相が同数のステータ磁極を含む複数の相を形成する。例えば、ステータ９は３つの相を含み、各相は６つのステータ磁極を含む。各相の複数の固定磁極は、ステータフレーム９内に配置され、同心円状の巻線ステータを形成する。同心巻線ステータ（concentric winding stator）は、それらのコイルのヘッドがより短いという事実により、分布巻線ステータと比較してジュール損失（Joule losses）を低減する。さらに、機械８は、分散巻線ステータ（distributed winding stator）を備える同期機械と比較して、より高いトルク密度を有する。

【0028】

ロータ１０は、ロータ１０の周囲に均等に配置され、ロータシャフト１０ａに固定された複数のロータ磁極コア１４と、ロータコイル１５とを備える。各ロータコイル１５は、ロータ磁極を形成する異なるロータ磁極コア１４の周りに巻き付けられ、ロータの磁極は同一である。ロータ１０は、ステータ９に収容され、中心軸線Ａ１まわりに回転する。

【0029】

別の実施形態では、ステータ９はロータ１０に収容される。この例において、ロータ１０は、２４個の磁気ロータ磁極Ｐ１からＰ２４を備えている。ロータ極Ｐ１～Ｐ２４は、ロータ極Ｐｎ＋１がロータ極ＰｎとＰｎ＋２の間にあるようにロータ１０に配置され、ｎは１から２２の整数で、ロータ極Ｐ１とＰ２４は隣接している。

【0030】

ロータ１０は、ステータ９の２つのブラシ（図示せず）と協働する第１のスリップリング及び第２のスリップリング（図示せず）を更に備え、各ブラシは、以下に説明するように、ロータコイル１５に供給するために異なるスリップリング（different slip ring）と協働する。可逆電力変換器１１は、機械８のステータ９およびロータ１０にそれぞれ交流電圧および連続電圧（continuous voltage）を供給する。

【0031】

別の実施形態では、ブースタユニット７は、ロータ１０に供給するための連続電圧源と、ステータ９に供給するための交流電圧源とを備え、両方の電源は独立している。ロータコイル１５は、ブラシ及びスリップリングを介して供給される。あるいは、スリップリングにエキサイタ（exciter）を供給してもよい。

【0032】

図４は、磁気の第１の実施例を示す図であり、ステータ磁極コア１２と、機械８の空隙１６を画定する磁気ロータ磁極コア１４の例とを含む。

【0033】

磁気ロータ磁極コア１４の形状は、空隙磁束密度高調波（air gap flux density harmonics）、ならびに振動、騒音および損失（vibration, noise and losses）に対するそれらの影響を制限するように調整することができる。磁気ステータコア１２および磁気ロータ磁極コア１４は、磁極コアにおける渦電流損失を低減するために、例えば、磁気積層体（magnetic laminations）から作製される。

【0034】

磁気ステータコア１２は、長手方向に延びる２つの孔２１、２２をさらに備える。２つの孔２１、２２は、コア１２内を循環する磁束を最適化するように設計された異なる形状を有する。

【0035】

各孔２１、２２は、コア１２の磁気積層体の圧縮を維持（maintain compacted）するためにタイロッド（tie rod）２３、２４を収容する。好ましくは、タイロッド２３、２４は、フレーム１１内の渦電流損失を回避するために非磁性鋼（non-magnetic steel）で作られる。

【0036】

図５は、図４で例示した磁性固定子磁極コア１２の第１の実施例と回転子コイル１５とからなる固定子９の一部の径方向断面を示す図である。磁性ステータ磁極コア１２は、磁性ステータ磁極コア１２がフレーム１１に接触するように、第１の取り外し可能な固定手段（first removable fasting means）によりステータフレーム１１に固定される。

【0037】

第１の取り外し可能な固定手段は、例えばコイル１５が故障した場合に、ステータ磁極コア１２及びコイル１５を含むステータ磁極を容易に組み立て及び分解することを可能にする。第１の取り外し可能な固定手段は、ステータフレーム１１の長手方向に均等に配置された穴１８を貫通する第１のねじ１７と、ステータ磁極コア１２に組み込まれたテーパ状保持手段（tapered retaining means）とを含むことができる。

【0038】

貫通孔（passing through holes）１８および保持手段は、ステータ９内に配置され、それぞれの第１のねじ１７がテーパ状保持手段に係合して、ステータ磁極コア１２をステータフレーム１１上に固定する。

【0039】

テーパ状保持手段は、例えば、ステータ磁極コア１２の固定溝（fixing groove）２０に配置されたナット１９を備える。ステータ９の加温を制限するために、磁気ステータ磁極コア１２とステータフレーム１１の間に非磁性シム（non-magnetic shim）２５を介在させて（interpose：挿入して）、フレーム１１内の渦電流損失を低減することができる。

【0040】

非磁性シム２５は、例えば、フレームとの熱交換が必要な場合、ラミネート材料又はステンレス鋼（laminate material or stainless steel）で作られる。

【0041】

図６は、ロータ磁極コア１４及びロータコイル１５を含むロータ磁極Ｐ１の例を含むロータ１０の一部の半径方向断面を示す。ロータ磁極コア１４は、ロータ磁極コア１４がロータシャフト２５と接触するように、第２の取り外し可能な固定手段によってロータシャフト１０ａに固定されている。第２の取り外し可能な固定手段は、例えばロータコイル１５が故障した場合に、磁気ロータ磁極コア１４及び関連するロータコイル１５を含むロータセットを容易に組み立て及び分解することを可能にする。

【0042】

ロータ１０は巻かれ、永久磁石を含まないので、ロータ１０の製造及び修理は、永久磁石ロータと比較して非磁性ツールを必要としない。さらに、ステータへのロータの組立ては、輸送と同様に容易である。

【0043】

第２の取り外し可能な固定手段は、磁気ロータ磁極コア１４の長手方向に均等に配置された穴２７を貫通する第２のねじ２６と、ロータシャフト１０ａに配置され、ロータシャフト１０ａに配置されたテーパ穴２８とを備え、各第２のねじ２６が異なるテーパ穴（different tapered hole）２８に係合することができる。

【0044】

ロータ磁極Ｐ１～Ｐ２４は、既存のロータシャフト設計上に配置するのが容易なモジュール式磁極（modular poles）である。空隙内の面を含むそれらの形状は、性能を最大化するように最適化することができる。組み立ては、ダブテールおよびキーバー（dove tails and keys bars）を使用して行うこともできる。

【0045】

図７は、ステータ磁極コア１２の第２の実施例を含むステータ９の一部の半径方向断面を示す。ステータ磁極コア１２は、ステータフレーム１１と接触するステータ磁極コア１２の表面３０に３つの冷却溝２９を備える。テータ磁極コア１２は３つより多い冷却溝２９を含むことができる。冷却溝２９は、ステータ９の長手方向に沿って延び、冷却溝２９と、ステータ磁極コア１２の表面３０と接触するステータフレーム１１の表面とが冷却チャネル３１を形成する。

【0046】

冷却チャネル３１およびチャネル内を流れる冷却流体は、双方向冷却スキーム（bilateral cooling scheme）を形成することができる。

【0047】

ステータ９は、ステータフレーム１１上に固定された磁気ステータ磁極コア１２であって、タイロッド２１、２４によって接続された磁気ステータ磁極コア１２の各端部にある１つのエンドプレートをさらに備える。

【0048】

エンドプレートに係合されたタイロッド２１、２４は、以下の図９および図１０に示すように、開放または閉鎖フレームが使用される場合、冷却チャネル３４を妨害し、または妨害することなく、フレーム１１内にステータ磁極コア１２を固定する。

【0049】

ステータ磁極コア１２は、ステータ磁極コア１２をステータ９内に維持するために第１のステータ磁極コアのラグ３３が第２のステータ磁極コアの溝３２に係合するように、周方向の一方の側に溝３２を、周方向の他方の側にラグ３３をさらに備える。

【0050】

図５に示すステータ磁極コア１２の第１の実施例も、溝３２およびラグ３３を備えることができる。

【0051】

図８は、磁性ステータ磁極コア１２の第３の実施例と磁性ロータ磁極コア１４の実施例を示す図である。磁性ステータ磁極コア１２は、ステータ９の長手方向に沿って配置され、かつ図７に示す磁性ステータ磁極コア１２の第２の実施例の半径方向断面と同一の半径方向断面を有する複数の磁気要素（magnetic elements）３４を備える。

【0052】

各要素３４は、上記で説明したように冷却チャネルを画定するためにステータフレーム１１と協働する冷却溝３５を備える。各磁気素子３４は、例えば、磁気積層体のスタック（stack of magnetic laminations）を含む。２つの隣接する磁気素子３４は、半径方向冷却ダクト（radial cooling duct）３６を形成する空隙によって分離されている。

【0053】

磁気素子３４は、磁気素子３４を貫通するタイロッド２３、２４によってステータ９に固定され、ステータ磁極コア１２のエンドプレート３７、３８に接続される。スペーサまたはピン（Spacers or pins）は、半径方向冷却ダクト３６から隣接する２つの磁気要素３４の間に挿入され得る。磁気要素３４および半径方向冷却ダクト３６の長手方向長さは複数の磁気要素３４およびダクト３６の長さがステータ９の長さに等しくなるように決定される。

【0054】

冷却流体は、矢印Ｆ１、Ｆ２で表されるように、ステータ磁極コア１２の両端に設けられた磁気ロータ磁極コア１４と磁気素子３４との間に規定される空隙内を流れ、エアダクト３６内を流れ（矢印Ｆ３）、冷却溝３５とステータフレーム１１とで規定される冷却路を流れ（矢印Ｆ４）、ステータ９から逃げる。冷却流体が磁極コア１２内を流れると、半径方向冷却ダクト３６を備えるステータ磁極コア１２間の交換面（exchange surface）が増加し、ステータセットの冷却が強化され、トルク密度が著しく増加する。

【0055】

このように、双方向冷却（bilateral cooling：両側冷却）を得ることができる。機械８のサイズは冷却設計能力に密接に関連するので、前述の双方向冷却は、従来技術で知られている機械と比較してはるかに高いトルク密度に達することを可能にする。

【0056】

図９は、ステータフレーム１１の第１の実施例を示す。ステータフレーム９は、冷却ダクト３６内を循環する冷却流体が開口部（openings）３９を通ってステータ９から逃げるように、フレーム１１の側面に開口部３９を備える。

【0057】

図１０は、ステータフレーム１１の第２の実施例を示す。ステータフレーム１１は、冷却ダクト３６内を循環する冷却流体が開口部（openings）４０を通ってステータから逃げるように、ステータフレームの各端部に開口部４０を備える。

【0058】

図１１は、ロータ１０の電気回路の第１の実施例を示す。この例において、ロータシャフト１０ａは第１のスリップリング４１及び第２のスリップリング４２を含み、ロータフレーム１１は第１のスリップリング４１に接触する第１のブラシ４３及び第２のスリップリング４２に接触する第２のブラシ４４を含み、第１のブラシ４３及び第２のブラシ４４はそれぞれコンバータ１１の２つの異なる電位（two different electric potentials）によって供給される。

【0059】

ロータ１０は、さらに、スリップリング４１、４２に接続され、ロータ極Ｐ１～Ｐ２４のロータコイル１５の全部または一部に給電してロータ１０の回転速度を変化させる整流手段４５をさらに備える。

【0060】

整流手段４５は、機械８に供給するためにコンバータ１１によって生成される供給信号の周波数を変更することなく、かつステータコイル１２を変更することなく、ロータ１０の速度変化を可能にする。ロータ１０の回転方向は、変換器１１によって生成される供給信号の制御を変更することによって容易に調整される。

【0061】

各ロータコイル１５は第１の端部１５ａおよび第２の端部１５ｂを含む。整流手段４５は、５つのスイッチＫ１，Ｋ２，Ｋ３，Ｋ４，Ｋ５及び、５つのスイッチＫ１，Ｋ２，Ｋ３，Ｋ４，Ｋ５を制御する制御回路４６を備えることができる。制御回路４６は、ロータ１０上に配置され、スイッチＫ１、Ｋ２、Ｋ３、Ｋ４、Ｋ５と通信する処理ユニットを備えることができる。

【0062】

第１のスイッチＫ１の第１の端部（first extremity）、第５のスイッチＫ５の第１の端部、極Ｐ１，Ｐ５，Ｐ９，Ｐ１５，Ｐのコイルの第１の端部１５ａ、及び極Ｐ２，Ｐ４，Ｐ６，Ｐ８，Ｐ１５，Ｐ１２，Ｐ１４，Ｐ１６，Ｐ１８，Ｐ２０，Ｐ２２，Ｐ２４の巻線の第２の端部（second extremity）１５ｂが第１のスリップリング４１に接続されている。第１のスイッチＫ１の第２の端部、第２のスイッチＫ２の第１の端部、および極Ｐ３，Ｐ７，Ｐ，Ｐ，Ｐ２３のコイル１５の第１の端部１５ａは、互いに接続されている。第２のスイッチＫ２の第２の端部、第３のスイッチＫ３の第１の端部、および極Ｐ１，Ｐ５，Ｐ９，Ｐ１５のコイルの第２の端部１５ｂは、それぞれ第２のスリップリング４０に接続されている。第５のスイッチＫ５の第２の端部、第３のスイッチＫ３の第２の端部、第４のスイッチＫ４の第１の端部、及び極Ｐ１５の第２の端部１５ｂは、互いに接続されている。第４のスイッチＫ４の第２の端部と、コイル１５の第１の端部１５ａとは接続されている。

【0063】

以下において、閉スイッチは、電流が流れるスイッチとして理解され、開スイッチは、電流が流れないスイッチとして理解される。制御回路４６によって第１のスイッチＫ１、第３のスイッチＫ３および第４のスイッチＫ４が閉じられ、第２のスイッチＫ２および第５のスイッチＫ５が開かれると、ロータ１０の極Ｐ１からＰ２４に、コンバータ１１によって供給される電流が供給される。

【0064】

第１のスイッチＫ１、第３のスイッチＫ３及び第４のスイッチＫ４が開いており、第２のスイッチＫ２及び第５のスイッチＫ５が制御回路４６によって閉じられているとき、一方の両極がコンバータ１１によって供給され、すなわち、極Ｐ１，Ｐ３，Ｐ５，Ｐ７，Ｐ９，Ｐ１１，Ｐ１３，１５，Ｐ１７，Ｐ１９，Ｐ２１及びＰ１１によって供給される電流が供給される。

【0065】

ロータ１０の回転速度は、供給される磁極の数Ｐ１～Ｐ２４、磁極Ｐ１～Ｐ２４の配置、および電力変換器１１の供給周波数によって決定されるので、整流手段は、電力変換器１１によって供給される供給信号の周波数を変更することなく、またはステータコイルを変更することなく、機械８のロータ１０の回転速度を容易に変更することを可能にする。
ロータ１０の回転方向は、変換器１１によって生成される供給信号の制御を変更することによって容易に調整することができる。

【0066】

５つのスイッチＫ１～Ｋ５を備えるスイッチング手段は、変換器１１によって全ての極Ｐ１～Ｐ２４が供給されるときの第１の回転速度と、変換器１１によって２つの極Ｐ１～Ｐ２４のうちの一方が供給されるときの第２の回転速度の間でロータ速度を選択することを可能にし、供給信号の周波数が一定の所定値に等しいときの第１の速度は第２の速度の半分である。

【0067】

以下に説明するように、ステータ９および巻線ロータ１０に同心巻線トポロジー（concentric winding topology）を備える同期機械８は、コンバータ１１によって生成される供給信号を修正することなく、かつステータコイル配置を修正することなく、ロータ１０の速度変動を達成することを可能にする。

【0068】

別の実施形態では、スイッチング手段は、２極のうちの１極未満、例えば４極のうちの１極を供給することによって、３以上の異なる回転速度の間で選択するように設計される。

【0069】

図１２は、ロータ１０の電気回路の第２の実施例を示す。この例において、ロータシャフト１０Ａは、第１のスリップリング４１、第２のスリップリング４２、第３のスリップリング４８を含み、ロータフレーム１１は、第１のスリップリング４１に接触する第１のブラシ４３、第２のスリップリング４２に接触する第２のブラシ４４、第３のスリップリング４８に接触する第３のブラシ４７を含み、第１のブラシ４３、第２のブラシ４４及び第３のブラシ４７はそれぞれコンバータ１１の異なる３つの電位（three different electric potentials）によって供給される。

【0070】

極Ｐ１，Ｐ３，Ｐ４，Ｐ６，Ｐ８，Ｐ９，Ｐ１１，Ｐ１２，Ｐ１４，Ｐ１５，Ｐ１７，Ｐ１９，Ｐ２０，Ｐ２２，Ｐ２４のロータコイル１５の第１の端部１５ａと、極Ｐ２，Ｐ５，Ｐ７，Ｐ１０，Ｐ１３，Ｐ１５，Ｐ１８，Ｐ２１，Ｐ２３の第２の端部１５ｂが第１のスリップリング４１に接続されている。極Ｐ２、Ｐ５、Ｐ７、Ｐ１０、Ｐ１３、Ｐ１５、Ｐ１８、Ｐ２１、Ｐ２３のコイル１５の第１の端部１５ａと、極Ｐ１、Ｐ３、Ｐ６、Ｐ９、Ｐ１１、Ｐ１４、Ｐ１７、Ｐ１９、Ｐ２２のコイル１５の第２の端部１５ｂ は、第２のスリップリング４２に接続されている。極Ｐ４、Ｐ８、Ｐ１２、Ｐ１６、Ｐ２０、Ｐ２４のコイル１５の第２の端部１５ｂは、第３のスリップリング４８に接続されている。

【0071】

極Ｐ１、Ｐ２、Ｐ３、Ｐ５、Ｐ６、Ｐ７、Ｐ９、Ｐ１０、Ｐ１１、Ｐ１３、Ｐ１４、Ｐ１５、Ｐ１７、Ｐ１８、Ｐ１９、Ｐ２１、Ｐ２２、Ｐ２３のロータコイル１５の第１のセットは、 第１および第２のスリップリング４１、４２により、極Ｐ４、Ｐ８、Ｐ１２、Ｐ１６、Ｐ２０、Ｐ２４のロータコイル１５の第２のセット、第１および第３のスリップリング４１、４８により供給される。

【0072】

第１及び第２のコイルセット１５の合計は、ロータコイル１５の数に等しい。ロータコイル１５の第２のセットは、ロータ１０の補償極（compensation poles）を形成して、空隙１６内の磁束の歪みを低減し、損失、リップル、振動、又はノイズ（losses, ripples, vibrations, or noise）を少なくする。さらに、これは、提案された機械のトルク-速度能力を向上させるのにも役立ち得る。

【0073】

図１３は、同期電気機械８の別の実施例を示す。機械８は、巻線ロータ５０に収容されたステータ４９を備え、ステータ４９およびロータ５０は、５のステータ９およびロータ１０と同じ構造（same architecture）を有する。

【符号の説明】

【0074】

１：船舶 ２：推進ユニット ３：推進モータ ４：電力変換器 ５：プロペラ ６：シャフト ７：ブースタユニット ８：同期電気機械 ９：ステータ １０：ロータ １０ａ：ロータシャフト １１:可逆電力変換器／ステータフレーム １２：磁極コア １３：コイル １４：ロータ磁極コア １５：ロータコイル １５ａ：第１の端部 １５ｂ：第２の端部 １６：空隙 １７：第１のねじ １８：穴 １９：テーパ状保持手段 ２０：固定溝 ２１、２２：孔 ２３、２４：タイロッド ２５：非磁性シム ２６：第２のねじ ２７：均等に配置された穴 ２８：テーパ孔 ２９：冷却溝 ３０：表面 ３１：冷却流路 ３２：溝 ３３：ラグ ３４：磁気要素 ３５：冷却溝 ３６：冷却ダクト ３７、３８：エンドプレート ３９、４０：開口部 ４１、４２、４８：スリップ ４３、４４、４７：ブラシ ４５：整流手段 ４６：制御回路 ４９：ステータ ５０：ロータ Ａ１：中心軸 Ｋ１，Ｋ２，Ｋ３，Ｋ４，Ｋ５：スイッチ ＮＥＴ：電力供給ネットワーク Ｐ１－Ｐ２４：ロータ極

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【外国語明細書】