特許 7570520 船舶用電力システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-10-10

(45)【発行日】2024-10-21

(54)【発明の名称】船舶用電力システム

(51)【国際特許分類】

   B63H 21/17 20060101AFI20241011BHJP

   B63J 3/02 20060101ALI20241011BHJP

   H02P 9/04 20060101ALI20241011BHJP

【ＦＩ】

B63H21/17

B63J3/02 A

H02P9/04 N

【請求項の数】 9

(21)【出願番号】P 2023533282

(86)(22)【出願日】2021-12-01

(65)【公表番号】

(43)【公表日】2023-12-15

(86)【国際出願番号】 US2021061342

(87)【国際公開番号】W WO2022140025

(87)【国際公開日】2022-06-30

【審査請求日】2023-07-18

(31)【優先権主張番号】17/108,480

(32)【優先日】2020-12-01

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(73)【特許権者】

【識別番号】519400139

【氏名又は名称】アメリカン スーパーコンダクター コーポレイション

(74)【代理人】

【識別番号】110000855

【氏名又は名称】弁理士法人浅村特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】ウリマン、ジョン エム．

(72)【発明者】

【氏名】マクドナルド、ティモシー

(72)【発明者】

【氏名】キャリス、スティーブン アイ．

【審査官】高瀬 智史

(56)【参考文献】

【文献】特開２００９－１６１１６７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１５－１１２８８３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０２０－５３３２１９（ＪＰ，Ａ）

【文献】欧州特許出願公開第０３６４８２９４（ＥＰ，Ａ１）

【文献】独国特許出願公開第１０１５８８０５（ＤＥ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｂ６３Ｈ ２１／１７

Ｂ６３Ｊ ３／０２

Ｈ０２Ｐ ９／０４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

可変周波数電力を第１の電気ネットワークに出力するための可変周波数モード、及び固定周波数電力を第２の電気ネットワークに出力するための固定周波数モードのうちの一方で動作するように構成された第１の発電装置と、
船舶用の推進力を提供するために前記第１の電気ネットワークに接続された第１の高温超伝導体（ＨＴＳ）モータを含む第１の電気負荷と、
前記第２の電気ネットワークに接続された第２の電気負荷と、
前記第１の発電装置を前記第１の電気ネットワークに選択的に接続して、前記第１のＨＴＳモータに給電するために可変周波数電力を出力するための可変周波数モードで前記第１の発電装置を動作させるように、及び、前記第１の発電装置を前記第２の電気ネットワークに選択的に接続して、前記第２の電気負荷に給電するために固定周波数電力を出力するための固定周波数モードで前記第１の発電装置を動作させるように構成されたコントローラと
を備える、船舶用の電力システム。

【請求項2】

前記第２の電気負荷が電気兵器システム及び船サービス・システムのうちの少なくとも１つを含む、請求項１に記載の電力システム。

【請求項3】

電気兵器システム及び船サービス・システムのうちの少なくとも１つを含む第３の負荷に相互接続された第３の電気ネットワークをさらに含み、前記コントローラが、前記第１の発電装置を、前記第１の電気ネットワーク、前記第２の電気ネットワーク、及び前記第３の電気ネットワークのうちの１つに選択的に接続するように構成される、請求項２に記載の電力システム。

【請求項4】

前記第１の発電装置が、少なくとも１つの高慣性ＨＴＳ発電機を含む、請求項１に記載の電力システム。

【請求項5】

前記第１の発電装置が、少なくとも１つの高慣性ＨＴＳ発電機に相互接続された少なくとも１つのガス・タービン、蒸気タービン、又はディーゼル・エンジン原動機を含む、請求項４に記載の電力システム。

【請求項6】

前記第１の電気ネットワーク、前記第２の電気ネットワーク、及び前記第３の電気ネットワークに選択的に給電するように構成された第２の発電装置をさらに含み、前記第２の発電装置が、少なくとも１つの高慣性ＨＴＳ発電機と、前記少なくとも１つの高慣性ＨＴＳ発電機に相互接続された少なくとも１つのガス・タービン、蒸気タービン、又はディーゼル・エンジン原動機を含む、請求項３に記載の電力システム。

【請求項7】

前記コントローラが、前記第１の発電装置を前記第１の電気ネットワークに接続して、可変周波数モードで前記第１の発電装置を動作させ、前記コントローラが、前記第２の発電装置を前記第２及び前記第３の電気ネットワークのうちの１つ又は両方に接続して、固定周波数モードで前記第２の発電装置を動作させる、請求項６に記載の電力システム。

【請求項8】

前記第１の電気ネットワークに接続された第４の電気負荷をさらに含み、前記第４の電気負荷が前記船舶用の推進力を提供するために、第２の高温超伝導体（ＨＴＳ）モータを含む、請求項７に記載の電力システム。

【請求項9】

前記船舶が船又は潜水艦のうちの１つである、請求項１に記載の電力システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本出願は、参照により本明細書に組み込まれる２０２０年１２月１日に出願された米国特許出願第１７／１０８，４８０号に対する優先権の利益を主張する。

【0002】

本発明は、船又は潜水艦などの船舶用電力システムに関し、より具体的には、大型のパワー・エレクトロニクス駆動システムを必要とせず、船舶の電気ネットワークを推進用の電力高温超伝導体（ＨＴＳ：ｈｉｇｈ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）モータ、電気兵器システム、及び船内のさまざまな電気負荷（照明負荷及びその他のホテル負荷）に通電するための固定及び可変速度モードの両方で動作する１つ又は複数のＨＴＳ発電機を利用する多機能統合電力システムに関する。

【背景技術】

【0003】

世界中の海運業及び海軍は、例えば、改善された燃料効率、より高い電気性能、及びより高度な船内システムを提供するために、高度な技術を使用して船舶（すなわち、船及び／又は潜水艦）をアップグレードすることに関心を持っている。船舶、船及び／又は潜水艦という用語は、本明細書全体にわたって同義で使用されてもよく、それぞれが、例えば、ボート、船、ホバークラフト及び潜水艦を含むあらゆる水上輸送船を包含するものと解釈される。推進及び発電システムのサイズ及び重量の低減によって、より多くの機器、貨物、及び／又は乗組員用のさらなる場所が提供され、燃費が向上し、生存性と柔軟性とが増大する。軍艦及び潜水艦の場合、新しい種類の電気兵器、高度なセンサ、及び統合型サポート・システムが、世界中の海軍の関心対象であり得る。このようなシステムは、特に厳しい電力需要をもたらす、電磁砲、及び高出力レーザ又はマイクロ波指向性エネルギー兵器を含み得る。例えば、それらは、非常に短期間に大量の電力を必要とする。

【0004】

典型的な推進及びエネルギー生成システムは、単一機能船舶用ガス・タービン及びディーゼル・エンジン技術を利用して、移動性のために主減速ギアを通してプロペラ・シャフトを駆動し、原動機によって生成された独立した専用電力が、船内電気システムに送電する送電網に給電する発電機を駆動するために使用される。ガス・タービン技術を使用して達成することができるサイズと重量の低減には物理的な限界が存在し、大幅な進歩は見込めない。さらに、電力を生成するために使用される船舶用ガス・タービン及びディーゼル・エンジン発電機技術は、典型的には、一定の負荷で効率的及び確実に動作するように設計される。したがって、これらは、船に適合しないものでさえあり得る大幅でコストの高い電気システムのアップグレードを伴わずに、電気兵器などの高度な電気システムに関連した上述の動的負荷をサポートすることはできない。例えば、従来のガス・タービン発電機システムでは、電気兵器に給電する一次エネルギー貯蔵器のパルス効果を無くすために、電池又はフライ・ホイールなどの追加のエネルギー貯蔵システムが必要とされ得る。

【0005】

オール電化船舶の概念は、船の形態で展開されており、機械式、空気圧式及び液圧式などの他の手段の代わりに、推進を含むすべての電力ニーズに対する電気的手段の使用を含んでいてもよく、本格化しつつある。統合型電力システム（ＩＰＳ：ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｐｏｗｅｒ ｓｙｓｔｅｍ）を有するこのようなオール電化船、特に高温超伝導体モータ及び発電機を使用するものは、サイズ及び重量の低減をもたらし、このことが、より多くの機器、貨物、兵器、及び／又は乗組員用のさらなる場所及び可搬重量、並びに、効率の改善及び燃料の節約をもたらす。これらのシステムは、共通電気バスにわたってシームレスに電力をシェアして、プロベラに給電することから、戦闘システムに通電すること、及び、照明負荷及び他のホテル負荷に送電することまで、船舶のすべての電気的な機能に対する電力を広くシェアすることを想定している。

【0006】

このようなオール電化船舶は、従来、推進ユニットを駆動するための１つ又は複数の電気駆動モータを含み、それぞれが船上の電力ネットワーク（すなわち、船の駆動部）によってそれぞれの電力変換器を介して送電される。電力ネットワークは、１つ又は複数のディーゼル、ガス又は蒸気タービン発電機によって送電される。この構成では、電力ネットワークの電圧は、例えば、６０Ｈｚの公称周波数で６．６ｋＶの公称電圧である中間電圧を有する固定された所定の振幅及び周波数である。適切な場合、変圧器は、変換器と電力ネットワークとの間に追加的に接続される。変換器は、電力ネットワーク電圧（必要に応じて降圧される）を、プロペラを駆動する電動モータの動作に必要な電圧に変換し、電動モータは、電力ネットワーク電圧とは異なる振幅及び周波数を有する。

【0007】

電力変換器システム又は駆動部は、非常に大型で複雑で高価なシステムである。知られている電気駆動解決策は、米国特許第９，６５０，１２０（Ｂ２）号（１２０号特許）に記載されており、それは、船の駆動部を使用せずに操縦し、代わりに、発電機と電気推進モータをそれらの間に変換器を接続せずに相互に連結することで動作する。電気推進モータは、可変速の１つ又は複数の発電機を使用することによって駆動され、電動モータは、発電機を駆動するための内燃機関の制御及び／又は調整によって、間接的に制御及び／又は調整される。この場合、電動モータは、固定された電気的結合で発電機に接続される。すなわち、発電機の回転速度の変化は、対応する比例した周波数変化をもたらし、それが、電気推進モータの回転速度を変化させる。したがって、機械シャフトの機能は、電気機械を使用して模倣される。この種の駆動部の解決策は、「電気シャフト」とも呼ばれる。

【0008】

１２０号特許は、電気シャフトからの電気エネルギーを利用し、電力変換器及び電力ネットワーク同期装置を使用して、可変振幅及び周波数を有する電圧を船内電力ネットワーク用の一定振幅及び一定周波数の電圧に変換する。１２０号特許に記載された電力変換器及び電力ネットワーク同期装置は、従来のオール電化船を用いて上述した船の駆動部ほど大きくも複雑でもないが、依然として大型で複雑なシステムである。

【0009】

したがって、電気推進モータ、電気兵器システム、及び照明負荷及びその他のホテル負荷などのさまざまな船内電気機器を含む、船の電気負荷のすべてに電力を供給するための、よりコンパクトで、あまり複雑ではない電力システムが必要とされている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0010】

【文献】米国特許第９，６５０，１２０（Ｂ２）号

【文献】米国特許第１０，６６９，００１号

【発明の概要】

【0011】

一態様では、本開示は、可変周波数電力を第１の電気ネットワークに出力するための可変周波数モード、及び固定周波数電力を第２の電気ネットワークに出力するための固定周波数モードのうちの１つで動作するように構成された第１の発電装置を含む、船舶用の電力システムを特徴とする。船舶に推進力を提供するための第１の電気ネットワークに接続された第１の高温超伝導体（ＨＴＳ）モータを含む第１の電気負荷と、第２の電気ネットワークに接続された第２の電気負荷とが存在する。第１の発電装置を第１の電気ネットワークに選択的に接続して、第１のＨＴＳモータに給電するために可変周波数電力を出力するための可変周波数モードで第１の発電装置を動作させ、第１の発電装置を第２の電気ネットワークに選択的に接続して、第２の電気負荷に給電するために固定周波数電力を出力するための固定周波数モードで第１の発電装置を動作させるように構成されたコントローラがある。

【0012】

本開示の他の態様では、以下の特徴のうちの１つ又は複数が含まれていてもよい。第２の電気負荷は、電気兵器システム及び船サービス・システムのうちの少なくとも１つを含む。さらに、電気兵器システム及び船サービス・システムのうちの少なくとも１つを含む第３の負荷に相互接続された第３の電気ネットワークを含むことができる。コントローラは、第１の発電装置を、第１の電気ネットワーク、第２の電気ネットワーク、及び第３の電気ネットワークのうちの１つに選択的に接続するように構成され得る。第１の発電装置は、少なくとも１つの高慣性ＨＴＳ発電機を含むことができる。第１の発電装置は、少なくとも１つの高慣性ＨＴＳ発電機を含むことができる。第１の発電装置は、少なくとも１つの高慣性ＨＴＳ発電機に相互接続された少なくとも１つのガス・タービン、蒸気タービン、又はディーゼル・エンジン原動機を含み得る。さらに、第１の電気ネットワーク、第２の電気ネットワーク、及び、第３の電気ネットワークに選択的に給電するように構成された第２の発電装置を含むことができる。第２の発電装置は、少なくとも１つの高慣性ＨＴＳ発電機を含むことができ、少なくとも１つのガス・タービン、蒸気タービン、又はディーゼル・エンジン原動機は、少なくとも１つの高慣性ＨＴＳ原動機に相互接続することができる。コントローラは、第１の発電装置を第１の電気ネットワークに接続して、可変周波数モードで第１の発電装置を動作させ、コントローラは、第２の発電装置を第２及び第３の電気ネットワークのうちの一方又は両方に接続して、固定周波数モードで第２の発電装置を動作させることができる。さらに、第１の電力ネットワークに接続された第４の電気負荷を含むことができ、第４の電気負荷は、船舶に推進力を提供するための第２の高温超伝導体（ＨＴＳ）モータを含むことができる。船舶は、船又は潜水艦のいずれであってもよい。

【0013】

本開示の実施例は、添付図面を参照しながら、実例としてのみ、以下で説明される

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】本開示の一態様による、多機能統合電力システムを備えた船の斜視図を示す。

【図2】本開示の一態様による、多機能電力システムとともに使用されるターボ発電機の部分切取側面図を示す。

【図3】ＨＴＳ船推進モータを駆動するための大型モータ駆動システムを利用する従来技術の統合電力システムの概略ブロック図を示す。

【図4】発電機回転速度、ひいては電力出力に対するパルス状電力負荷の影響を示す、経時的なターボ発電機回転速度のプロットを示す。

【図5】サイズ及び重量の低減のために最適化されるように設計された、発電機の長さに沿ったＨＴＳ発電機の断面図を示す。

【図6A】電磁遮蔽体の厚さ及び電磁ギャップを含む発電機の寸法を示すように、発電機の幅にわたる図５のＨＴＳ発電機のタイプの断面図を示す。

【図6B】電磁遮蔽体の厚さ及び電磁ギャップを含む発電機の寸法を示すように、発電機の幅にわたる、本開示の一態様による、増大した回転慣性を持つＨＴＳ発電機の断面図を示す。

【図7】動力船、電気兵器船サービス・システムを提供するために３つの別個のネットワークに送電するように構成された多機能主タービン発電機の概略図を示す。

【図8A】１つの動作モードで構成された、本開示の一態様による、多機能統合電力システムの概略図を示す。

【図8B】第２の動作モードで構成された、図８Ａによる多機能統合電力システムについての概略図を示す。

【図8C】第３の動作モードで構成された、図８Ａによる多機能統合電力システムについての概略図を示す。

【発明を実施するための形態】

【0015】

本開示及びそのさまざまな特徴及び有利な詳細が、添付図面において説明される、及び／又は示される、並びに、以下の説明において詳細に述べられる非限定的な実施例及び実例を参照しながら、より完全に説明される。図面に示されている特徴が一定の縮尺で描かれるとは限らないこと、及び、一実施例の特徴が、本明細書に明示的に記載されていない場合でも、当業者であれば認識するように、他の実施例とともに使用されてよいことに留意されなければならない。よく知られたコンポーネント及び処理技術の説明は、本開示の実施例を不必要に不明瞭にしないために省略される場合がある。

【0016】

本明細書において使用される実例は、本システムが実施され得る方法の理解を促進すること、及び、さらに当業者が本開示の実施例を実施できるようにすることが意図されるにすぎない。したがって、本明細書の実例及び実施例は、本開示の範囲を限定するように解釈されてはならない。さらに、同様の参照符号が図面中の複数の図にわたり同様の部分を表すことに留意されたい。

【0017】

好ましい実施例が、船に組み込まれるものとして本明細書に記載されているが、本開示による多機能統合電力システムは、例えば、ボート、船、ホバークラフト、潜水艦、又は無人の船舶を含む他のタイプの船舶を含む任意のタイプの水上輸送船に組み込むことができるため、これは単なる例示的な用途にすぎない。

【0018】

図１を参照すると、船１０が示されており、軍艦、例えば駆逐艦であり得る。本開示の本発明の態様は特に軍艦に適用可能であるが、本開示は、軍艦に限定されず、例えば、海洋調査船及び巡航客船といった、大幅な／厳しい騒音及び電力要件を伴う、並びに、サイズ及び重量の低減を必要とする他のタイプの船に適用され得る。船１０は、オール電化推進及びエネルギー・システムの一部を一緒に形成する第１のオール電化駆動部１２及び第２のオール電化駆動部１４を含み得る。或いは、船１０は、米国特許第１０，６６９，００１号に記載及び特許請求されているように、ハイブリッド電気及び機械型推進及びエネルギー・システムを装備することができる。さらに、本開示は、２つの駆動部を有する船に限定されず、少なくとも１つのオール電化推進システムが存在することを条件として、より多数の駆動部に適用することができる。

【0019】

本開示による推進及びエネルギー・システムは、新しい船の設計に従って新たに構築された船に設置されてもよく、又は、より古い／既存の船／設計に対する追加導入部品として設置されてもよい。追加導入部品は、既に構築された船のものであってもよく、この場合、機械型駆動部がオール電化駆動部によって置換され、又は、追加導入部品は、既存の船の設計の追加導入部品であってもよく、この場合、船は、オール電化（又はハイブリッド）推進及びエネルギー・システムを用いて新たに構築される。

【0020】

船１０はまた、例えば、非常に短期間に大量の電力を必要とする電磁砲、及び、高出力レーザ又はマイクロ波指向性エネルギー兵器であり得る特定の電気兵器１６及び１８を含んでいてもよい。既存の船舶用ガス／蒸気タービン及びディーゼル・エンジン発電機技術を装備した典型的な船は、元々、船舶用ガス・タービン、蒸気タービン、及びディーゼル・エンジン発電機が一定の負荷において効率的及び確実に動作するように設計されたものであるので、このような高度な電気兵器をサポートすることができない。オール電化船は電気兵器システムをサポートするが、船内船システムに対する電力品質要件は、厳格（いわゆるタイプ１電力）であり、まだ完全には開発されていない高価な追加的な電力品質コンポーネント、例えば、直列インダクタンス又は他のエネルギー貯蔵手段を必要とする。この結果、船内でスペースを見つけることが困難な、及び、場合によっては見つけることが不可能な、コストの高い、大型のシステム・コンポートがより多くなる。

【0021】

本明細書に記載された電力システムにとっての利点の１つは、タイプ１電力（Ｍｉｌ Ｓｔｄ．１３９９）を必要とする高度な電気兵器システム及び他の電気船システムに給電することが可能なことであり、且つ、サイズ、重量及び技術的な複雑さを低減しながら、１つの共通の多機能電源を備えた船推進を手頃なコストで提供することが可能なことである。本開示の一態様では、船の動力は、図２のガス・タービン５２を有する１つ又は複数のターボ発電機５０を使用して製造することができ、ガス・タービン５２は、シャフト５６を介して高慣性ＨＴＳ発電機５４を駆動することができる。この実例では、高慣性ＨＴＳ発電機５４は、２９ＭＷ、３６００ｒｐｍの２極の発電機であり得る。しかしながら、本開示は、いずれの特定の原動機発電機又はガス・タービンの電力レベル、極数、又は構成に限定されず、さまざまなガス・タービン・システムに適用可能である。さらに、本開示は、ガス・タービンの代わりに蒸気タービンを原動機として使用することができるため、ガス・タービン・システムに限定されない。

【0022】

本開示の一態様では、ターボ発電機５０は、デュアル・モード、すなわち、固定周波数（例えば、６０Ｈｚ）／固定電圧（例えば、４１６０ＶＡＣ）モード、及び、可変周波数／可変電圧モードで動作するように構成され得る。ターボ発電機５０は、ガス・タービン５２と高慣性ＨＴＳ発電機５４とを備える。或いは、高慣性ＨＴＳ発電機は、サイズ及び重量を最小限に抑えるように設計されて回転慣性がより低い、より典型的なＨＴＳ発電機に置き換えられてもよい。固定周波数モードでは、１つ又は複数のターボ発電機の電力出力は、電気兵器システム及びホテル負荷のために使用され得る。このモードでの多機能ターボ発電機の動作は、図３を参照して以下に説明される。動作の可変周波数モードでは、１つ又は複数のターボ発電機は、専用の方法で、１つ又は複数の電動モータに直接接続することができる（すなわち、それらは、他の電気負荷にも接続されない）。可変周波数モードでは、発電機の動態は、電気船推進モータに典型的に必要とされる大電力の電子電動モータ駆動部を使用せずに電動モータ動態に直接連結される。すなわち、ターボ発電機の回転速度は、電動モータ／プロペラの回転速度、ひいては船の速度に直接影響を及ぼす。これは、本明細書においては、同期推進駆動部と呼ばれることがある。

【0023】

ターボ発電機５０のデュアル・モード動作は、典型的には、船のブリッジから操作されるマスタ・コントローラの制御下で係合されてもよい。加えて、以下でさらに説明するように、本開示は、船の電気推進、電気船システム（ホテル負荷）、及び電気兵器システムに給電するために別個の送電網を利用することができる。送電網は、専用の方法で使用されてもよいし、又は、マスタ・コントローラの制御下で相互接続されてもよい。１つ又は複数のターボ発電機を固定周波数モード又は可変周波数モードで要望どおり動作させ、１つ又は複数のターボ発電機を専用又は組み合わせた方法でさまざまな負荷に接続することを可能にする、さまざまな機能的構成が実施され得る。

【0024】

ターボ発電機動作のデュアル・モードを利用する統合電力システム・トポロジーを説明する前に、ＨＴＳ発電機及びモータを利用し、船の電気推進、電気船システム、及び電気兵器システムを動作させることができる従来技術のオール電化船構成が図３に示されている。しかしながら、この従来技術トポロジーでは、大型で複雑な電力電子駆動システムが必要であり、図３の船送電網構成１００に示されている。

【0025】

図３では、説明を容易にするために、１つの電動モータ（右舷側）及び２つのターボ発電機のみが示されている。しかしながら、当業者であれば、船の左舷側は、追加の電動モータ及び２つの追加のターボ発電機、並びに、関連する電気部品及び電気駆動部を含むことを理解するであろう。船送電網構成１００は、２つのターボ発電機１０２及び１０４を含み、これらは、図２に示されるタイプのものであってもよい。この実例における各発電機は、６０Ｈｚにおいて、４１６０Ｖ ＡＣにおける２９ＭＷの三相電力を出力し得る。この実例では、ターボ発電機１０２は、三相開閉器１０６を通して送電網に接続されているとともに、ターボ発電機１０４は、三相開閉器１０８を通して送電網に接続されている。

【0026】

ターボ発電機のうちの１つの故障が発生した場合に、そのそれぞれの開閉器がバック・フィードされ、動作可能なターボ発電機により給電され得るように、開閉器１０６は、左舷／右舷ケーブル１１０によって開閉器１０８に接続されている。開閉器１０６及び１０８からのケーブル１１２及び１１４は、それぞれ、従来の電動モータ又はＨＴＳモータであり得る電気推進モータ１１６に給電する。この実例では、変速電動モータ１１６はＨＴＳモータであり、入力電圧は、２７００Ｖにおける９相ＡＣ（約３７ＭＷ）であり、したがって、開閉器１０６及び１０８からの電力は、適切な電力変換器システムにより変換及び調整されなければならない。

【0027】

開閉器１０６からの出力は、整流器１１８及びインバータ１２０を備えるモータ駆動部に接続され得る。開閉器１０６からの電力は、整流器１１８によりＤＣ電力に変換され得、次に、ＤＣがインバータ１２０により９相ＡＣに変換され得る。整流器１１８及びインバータ１２０が接続解除キャビネット１２２によりモータ１１６に接続されたとき、整流器１１８及びインバータ１２０は、モータ１１６への電流入力／モータ１１６の回転速度を制御するためのモータ駆動部を形成する。この実例におけるモータ駆動部の最大出力電力は、２０ＭＷである。開閉器１０８からの出力は、整流器１２４によりＤＣに変換され得、次に、ＤＣがインバータ１２６により９相ＡＣに変換され得る。整流器１２４及びインバータ１２６が接続解除キャビネット１２２によりモータ１１６に接続されたとき、整流器１２４及びインバータ１２６は、モータ１１６への電流入力／モータ１１６の回転速度を制御するためのモータ駆動部を形成する。この実例におけるモータ駆動部の最大出力電力も、２０ＭＷである。全出力（４０ＭＷ）が電動モータ１１６に必要な場合、両方のモータ駆動部は、接続解除キャビネット１２２を介してモータ１１６に接続される。

【0028】

引き続き図３を参照すると、船送電網構成１００はまた、開閉器１０６及び１０８にそれぞれ接続されたケーブル１２７及び１２９により給電されるエネルギー貯蔵開閉器１２８を介して、パルス状電力負荷（図示せず）に電力を供給するように構成されている。さらに、開閉器１０６に接続された変圧器１３０は、４１６０Ｖ ＡＣを４５０Ｖ ＡＣに変換し、それを配電用開閉器（図示せず）に送電し、より低い電圧の電力を船上のさまざまなシステムに伝送する。したがって、すべての負荷（推進、電気兵器、及びホテル負荷）は相互接続され、１つ又は複数のターボ発電機によって通電される共通の送電網によって給電され得る。

【0029】

パルス状電力負荷は、エネルギー貯蔵開閉器１２８を通した数秒（例えば５秒）の非常に高い消費電力（例えば１０ＭＷ以上）と、その後に続くエネルギー消費を伴わない中断（例えば１秒）により構成され得る。システム設計は、このサイクルが無限に繰り返されると想定する。上述のように、このようなパルス状負荷は、送電網１００の適切な動作に深刻な影響を与え得る。回転速度の低下は、ターボ発電機からの周波数、電圧、及び電力の比例した低下を結果的にもたらす。図４において、ＨＴＳ発電機を有するターボ発電機１０２／１０４におけるこのようなパルス状負荷の回転速度に対する影響が、（ターボ発電機のうちの１つのみが動作可能であると仮定して）複数のパルス周期にわたって示される。

【0030】

波形１４０により示されるように、ターボ発電機のｒｐｍは、１８ＭＷの初期パルス状負荷を伴う数秒間に３６００から約１４００に低下する。ターボ発電機の回転速度は、周期的な１８ＭＷのパルスが続く間に経時的に若干回復するが、回転速度は実質的に、ターボ発電機の初期の３６００ｒｐｍの回転速度未満に依然として留まる。この場合、２９ＭＶＡのターボ発電機のコストのために最適化されたＨＴＳ発電機の使用に基づいた、発電機の推定される回転慣性は、約７９０ｋｇ・ｍ^２である。この実例において、ＥＭ遮蔽体は、約１０ｃｍ（４インチ）の厚さを持ち、鋼及び銅から形成され得る。ＥＭ遮蔽体にアルミニウムを使用し得る重量的に最適化された設計では、回転慣性が、コスト的に最適化された設計における回転慣性より大幅に小さいものとなり得る。これは、パルス状負荷の悪影響が非常に大きくなることを意味する。

【0031】

ターボ発電機において比較的小さい慣性を持つ場合、ターボ発電機に対してパルス状負荷中に与えられるトルクは、回転速度を下げることに対して、より大幅な影響を持つ。波形１４０の実例では、これは、６０％近くの回転速度の低下、及び、送電網１００における相応の電圧、周波数、及び電力の低下と言い換えられる。さらに、ターボ発電機にこのレベルの周期的な負荷がかかる場合、タービンの耐用期間を短くすることは間違いなく、それにより、エンジンが停止することさえ起こり得る。

【0032】

本開示の一態様によると、ＨＴＳ発電機における回転慣性がより大きい場合、ターボ発電機に対するトルクの影響を低減することができ、したがって、電気兵器システムのようなパルス状電力負荷が、直列インダクタンス又は他のエネルギー貯蔵手段などの高価な追加の電力品質／貯蔵コンポーネントを必要とせずに、共通送電網電力タイプＩの負荷及び電気船推進モータによって給電されることが認識された。

【0033】

波形１４２は、１８ＭＷの周期的なパルス状負荷を伴う場合の、ターボ発電機の回転速度に対する影響（約３０％の初期低下）を示す。この場合、使用されるＨＴＳ発電機は、より大きい回転慣性を持ち、約１４９６ｋｇ・ｍ^２の全体的なターボ発電機の回転慣性を結果的にもたらす。ＥＭ遮蔽体は、約１８ｃｍ（７インチ）の厚さを持つ鋼から形成され得る。波形１４２から明らかなように、波形１４０と比較すると、１４９６ｋｇ・ｍ^２までターボ発電機の回転慣性を大きくすることは、ターボ発電機の回転速度に対する初期の、及び後続の周期的なパルス状負荷の影響、並びに、送電網１００における電圧、周波数及び電力に対する影響を大幅に減らす。ＥＭ遮蔽体にタングステン合金を追加することは、回転慣性を約１８１７ｋｇ・ｍ^２までさらに大きくする。

【0034】

図５を参照すると、最小のサイズ及び重量のために最適化されるように設計された従来技術のＨＴＳ発電機２００が示されている。図４における波形１４０を生成したより小さい回転慣性の発電機と同様に、この実例は、ターボ発電機の全体的な回転慣性も約７９０ｋｇ・ｍ^２となるような回転慣性を持ち得る。ＨＴＳ発電機２００は、固定子コイル組立体２０４ １－ｎを有する固定子組立体２０２を含む。当技術分野においてよく知られているように、固定子組立体２０２内に含まれる固定子コイル組立体２０４ １－ｎの特定の個数は、例えば機械が単相機械であるか多相機械であるかといった、さまざまな設計基準に応じて変わる。例えば、６０Ｈｚにおいて４５００Ｖ ＡＣを出力する、本明細書において説明されている、ある２９ＭＶＡの三相ＨＴＳ発電機では、固定子組立体２０２が、７２個の固定子コイル組立体２１４ １－ｎを含み得る。

【0035】

回転子組立体２０６は、固定子組立体２０２内において回転する。固定子組立体２０２と同様に、回転子組立体２０６は、回転子巻線組立体２０８ １－ｎを含む。同じ２９ＭＶＡの三相ＨＴＳ発電機において、サドル・コイル構成であり得る（２極を形成する）２つの回転子巻線組立体が高ｒｐｍ発電機用途に非常に適しているので、回転子組立体２０６は、サドル・コイル構成であり得る（２極を形成する）２つの回転子巻線組立体を含み得る。これらの回転子巻線組立体は、動作中、回転子組立体２０６と固定子組立体２０２とを結合する磁束を生成する。この発電機は２極機械として設計されているが、さまざまな極数の機械が使用され得ること、及び、個々の設計が用途に依存することが当業者により理解される。発電機２００の動作中、三相電圧２１０が固定子コイル組立体２０４ １－ｎにおいて生成され、三相電圧２１０は続いて、例えば図３に示されるように船の送電網に出力される。固定子コイル組立体２０４ １－ｎにおける三相電圧は、ターボ発電機シャフト２１２により駆動されたときに回転子が回転するのに伴った、回転子組立体２０６と固定子組立体２０２とを結合する回転子コイル組立体２０８ １－ｎにより生成される回転子巻線磁束により生成される。

【0036】

回転子巻線組立体２０８ １－ｎは、トルク・チューブ２１４からのトルクを伝達する第１のフランジ２０９に接続されたサポート構造物２０７の外面に搭載され得る。回転子巻線組立体２０８ １－ｎは、代替的に、内面サポート構造物２０７に搭載されてよいことに留意されなければならない。トルク・チューブ２１４は、ターボ発電機シャフト２１２に接続された第２のフランジ２１３に接続されている。フランジ２０９及び２１３は、トルク・チューブ２１４に組み込まれてよく、又は、独立した組立体であってよい。もちろん、他のトルク・チューブ設計が、低温空間においてシャフト２１２から回転子組立体にトルクを伝達するために使用されてもよい。

【0037】

超伝導回転機械２００の動作中、例えばＤＣ電流源（図示せず）からの場のエネルギー２１６が、スリップ・リング／回転ディスク組立体２１８を通して回転子巻線組立体２０８ １－ｎに印加され得る。回転子巻線組立体２０８_１－ｎは、回転子組立体２０６と固定子組立体２０２とを結合するために必要とされる磁場（及び磁束）を生成するためにＤＣ電流を必要とする。固定子コイル組立体２０４ １－ｎが例えば非超伝導銅コイル組立体から形成される一方で、回転子巻線組立体２０８ １－ｎはＨＴＳ巻線を組み込んだ超伝導組立体である。ＨＴＳ導体の実例は、タリウム－バリウム－カルシウム－銅－酸化物、ビスマス－ストロンチウム－カルシウム－銅－酸化物、水銀－バリウム－カルシウム－銅－酸化物、及びイットリウム－バリウム－銅－酸化物を含む。

【0038】

これらの超伝導導体は、低温において動作するときにだけ超伝導導体の超伝導特性を達成するので、ＨＴＳ発電機２００は冷却システム２２０を含む。冷却システム２２０は、典型的には、伝導体がそれらの超伝導特性を示すことを可能にする十分に低い動作温度に、回転子巻線組立体２０８ １－ｎの動作温度を維持する低温冷却器の形態をとる。回転子巻線組立体２０８ １－ｎは、冷却システム２２０により低温に維持されなければならないので、トルク・チューブ２１４は、高強度の低熱伝導率金属材料（例えばＩｎｃｏｎｅｌ（商標））又は複合材料（例えばＧ－１０フェノール系又は織物ガラス・エポキシ）から構築され得る。

【0039】

回転子組立体２０６は、固定子組立体２０２において生成される高調波からの非同期場を遮蔽又はフィルタ処理するために、固定子組立体２０２と回転子組立体２０６との間に位置する電磁遮蔽体２２２を含む。回転子組立体２０６が典型的にはシリンダー形であるように、電磁遮蔽体２２２も典型的にはシリンダー形である。これらの非同期場から回転子組立体２０６の回転子巻線組立体２０８ １－ｎを遮蔽することが望ましい。したがって、回転子組立体２０６に適合した電磁遮蔽体２２２が、非同期場から回転子巻線組立体２０８ １－ｎをカバー（又は遮蔽）し、及び、非磁性材料（例えば銅、アルミニウムなど）から構築される。電磁遮蔽体２２２は、回転子巻線組立体２０８ １－ｎを完全にカバー及び遮蔽するのに十分な長さでなければならない。典型的には、遮蔽体は、銅の薄い保護膜を備える、且つ、交流場を遮蔽して異常負荷に耐えるように選択された厚さを持つアルミニウムで形成され得る。アルミニウムは最も軽い解決策であるが、重量に対する関心がコストに対する関心より低い場合、鋼が選択され得る。遮蔽体はさらに真空閉じ込めを提供し、鋼は溶接を利用した、より単純な封止的解決策を提示する。

【0040】

電磁遮蔽体２２２は、端部プレート２３０、２３２のペアを介してシャフト２１２に固く接続され得る。この固い接続は、溶接又は機械型留め具システム（例えばボルト、リベット、スプライン、キー溝など）の形態であり得る。遮蔽するために、電磁遮蔽体２２２の厚さは、この実例では６０ヘルツである三相ＡＣ電力２１０の周波数に対して反比例して変わる。少ない極数の設計の場合、異常中の過渡的な力に耐えるように厚さが選択され得る。この周波数に対して、典型的には、電磁遮蔽体２２２の厚さは１０ｃｍ（４インチ）以下の鋼及び銅となる。発電機のサイズ及び重量を小さくするために、例えばこのような従来技術のシステムは、発電機が、発電機の重量及びサイズを最小化するために、非同期場をフィルタ処理すること、及び、遮蔽体に対する力を長円形化する異常をサポートすることに対して十分な厚さであるがより厚くはないという点まで、電磁遮蔽体１２２の厚さを最小化していた。

【0041】

図５の発電機２００に示されていないが、内部強磁性コア（例えば鉄コア）が、回転子の磁気的なパーミアンスを大きくするために使用されてもよく、結果として、所与の磁場を生成するために必要なＨＴＳ材料の量を減らすことを可能にし得る。それは、さらに、有意な手法により発電機の回転慣性を大きくする。図６ＡにＨＴＳ発電機３００の概略断面図が示されており、ＨＴＳ発電機３００は、図５に示されるＨＴＳ発電機のタイプと同様である。断面図は発電機の幅にわたって描かれ、電磁遮蔽体の厚さ及び電磁ギャップを含む発電機の寸法を示す。この実例において、ＨＴＳ発電機３００は２極発電機として示される内部鉄コア３０４を有する回転子組立体３０２を含む。回転子巻線３０６ａ及び３０６ｂはサドル・コイル巻線の形態をとり、サドル・コイルを形成するように端部において連結された２つの円弧部を備えて各々示されている。

【0042】

ＨＴＳ発電機３００を設計することにおいて、ＨＴＳサドル・コイル３０６ａ／ｂに対する先端部速度に対する限界が考慮されなければならない。ＨＴＳコイルに対する遠心負荷は、超伝導体材料にひずみをもたらす。このひずみは、コイルの先端部速度の二乗に比例する。１５０ｍ／秒の先端部速度がこのようなコイルに対する許容可能な限界であることを、経験及び分析が示している。軍艦での使用のための発電機は、定格速度の最大１２５％の過速度試験を必要とし得る。３６００ｒｐｍの設計速度の場合、これは、図６ＡにおいてＲ１として説明されている、発電機の長軸からコイル３０６ａ／ｂの中央平面までの約０．３２ｍの半径を持つ界磁巻線を必要とする４，５００ｒｐｍにおける過速度試験に対応する。サドル・コイルは、コイル・サポート・シリンダー３０７によりサドル・コイルの外側においてサポートされる。

【0043】

発電機３００の非回転部は半径Ｒ２から始まり、非回転部は発電機の長軸から固定子３０８の内側半径まで延びており、固定子３０８とバック鉄３１０とからなる。コイル・サポート・シリンダー３０７の外側にＥＭ遮蔽体３１２があり、ＥＭ遮蔽体３１２は回転子組立体３０２の最も外側の回転部材である。上述のように、ＥＭ遮蔽体３１２は、ＨＴＳコイルにおけるＡＣ損失を減らすために、回転に対して非同期である電磁場から回転子組立体３０２を遮蔽する。サドル・コイル３０６ａ／ｂにより生成される場の強度は、各コイルにおけるアンペア・ターンに比例するが、サドル・コイルと固定子との間の電磁（「ＥＭ」：ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ）ギャップ（Ｒ２－Ｒ１）に反比例する。したがって、ＥＭギャップを広げることは、アンペア・ターンの数を増やし、したがって、所与の電磁場を生成するために必要なＨＴＳワイヤの量を増やす。

【0044】

ＥＭギャップ（Ｒ２－Ｒ１）の大部分は、ＥＭ遮蔽体３１２からなり、重量的に、又はコスト的に最適化された設計を持ち、ＥＭ遮蔽体はその遮蔽機能を実現するために十分に厚く作られているだけであり、その重量／質量は遮蔽能力を持つ低密度材料を選択することにより最小化される。ＥＭ遮蔽体３１２の厚さｔは、おおむねＲ１／ｐの４０％未満であり、ここで、ｐは設計における極ペアの数（２極発電機に対してｐ＝１）である。この設計の場合、厚さｔは約１０ｃｍ（４インチ）であり得、ＥＭ遮蔽体のために使用される材料は、中程度の密度の材料、例えば鋼であり得る。

【0045】

ＥＭ遮蔽体３１２に対する回転慣性を決定するために、内半径Ｒｉ及び外半径Ｒｏ及び質量Ｍは次のように計算される。
Ｍ（Ｒｉ^２＋Ｒｏ^２）／２
この値は、この場合、約５６０ｋｇ・ｍ^２である。ターボ発電機における他のシステム・コンポーネントの回転慣性に対するＥＭ遮蔽体の回転慣性は、次のとおりである。
回転慣性－コスト的に最適化された設計
ＥＭ遮蔽体 ５６０ｋｇ・ｍ^２
内部鉄及びシャフト １４３ｋｇ・ｍ^２
場及びサポート ８７ｋｇ・ｍ^２
発電機回転子全体 ７９０ｋｇ・ｍ^２
タービン ９６ｋｇ・ｍ^２
全体 ８８６ｋｇ・ｍ^２

【0046】

この実例の場合、発電機全体の回転慣性に対するＥＭ遮蔽体の回転慣性は、約７０パーセント（７０％）である。典型的なコスト的に／重量的に最適化された設計の場合、ＥＭ遮蔽体における回転慣性は、おおむね全体的なＨＴＳ発電機の回転慣性の７０％以下である（本明細書において「低慣性」ＨＴＳ発電機と呼ばれる）。

【0047】

より大きい回転慣性を持つＨＴＳ発電機がＨＴＳ発電機３００’として図６Ｂに示されている。すべてのコンポーネントが図６ＡのＨＴＳ発電機３００と実質的に同じであるが、より厚いＥＭ遮蔽体３１２’を構築することにより、サドル・コイル３０６ａ’／ｂ’における追加的なアンペア・ターンという犠牲を伴って発電機の回転慣性が大きくされ得る。言い換えると、ＥＭ遮蔽体３１２’の厚さの増加に起因して、ＨＴＳ発電機３００’のＥＭギャップ（Ｒ２’－Ｒ１’）がＥＭギャップ（Ｒ２－Ｒ１）より大きいので、ＨＴＳ発電機３００の場合と同じ電磁場をＨＴＳ発電機３００’において生成するために、より多量のＨＴＳ材料が必要とされる。

【0048】

ＨＴＳ発電機３００’のより大きい回転慣性の設計に対して、ＥＭ遮蔽体３１２’の厚さｔ’は、Ｒ１／ｐの５０％以上であり得る。この設計に対して、厚さｔ’は、約１８ｃｍ（７インチ）であり得る。ＥＭ遮蔽体の回転慣性を大きくするためにＥＭ遮蔽体の厚さを大きくすることに加えて、より高密度の材料が使用され得る。このような材料の実例は、銅（８．９６ｇ／ｃｍ^３）、鋼（７．８４ｇ／ｃｍ^３）、鉛（１１．３２ｇ／ｃｍ^３）、金（１９．２８２ｇ／ｃｍ^３）、タングステン（１９．２５ｇ／ｃｍ^３）、及び使用済みウラン（１８．９５ｇ／ｃｍ^３）を含み得る。これらの材料のうちの１つ又は複数が、ＥＭ遮蔽体を構築するために使用され得る。

【0049】

ＥＭ遮蔽体３１２’の適切な厚さ及び材料組成を選択することにより、特定のターボ発電機及びパルス状電力負荷の想定されるレベル及び周波数に対する所望の動作特性を取得するために、ＥＭ遮蔽体の追加的な回転慣性の大きさが調整され得る。

【0050】

ＥＭ遮蔽体３１２’に対する回転慣性を決定するために、内半径Ｒｉ’及び外半径Ｒｏ’及び質量Ｍ’は（例えば鋼とタングステン合金との組み合わせを使用したとき）、次のように計算される。
Ｍ’（Ｒｉ’^２＋Ｒｏ’^２）／２
この場合、この値は約１，４７７ｋｇ・ｍ^２である。ターボ発電機における他のシステム・コンポーネントの回転慣性に対するＥＭ遮蔽体の回転慣性は、次のとおりである。
回転慣性－回転慣性的に最適化された設計
ＥＭ遮蔽体 １，４７７ｋｇ・ｍ^２
内部鉄及びシャフト １５１ｋｇ・ｍ^２
場及びサポート ９２ｋｇ・ｍ^２
発電機回転子全体 １，７２０ｋｇ・ｍ^２
タービン ９６ｋｇ・ｍ^２
全体 １，８１６ｋｇ・ｍ^２

【0051】

この回転慣性的に最適化された実例に対して、発電機全体の回転慣性に対するＥＭ遮蔽体の回転慣性は約８５パーセント（８５％）である。典型的な回転慣性的に最適化された設計に対して、ＥＭ遮蔽体における回転慣性は、おおむね全体的なＨＴＳ発電機の回転慣性の８０％以上であり得る（本明細書において「高慣性」ＨＴＳ発電機と呼ばれる）。

【0052】

厚いＥＭ遮蔽体を含むこの設計がＥＭ遮蔽体にステンレス鋼だけを使用して構築された場合、発電機回転慣性は依然として１４９２ｋｇ・ｍ^２であり、この値は依然としてコスト的に、及び重量的に最適化された設計の回転慣性の１９０％近くである。本開示によるＨＴＳ発電機の設計は多くの重要な利点を持ち、すなわち、それは短い軸方向の長さの中に収まり、極めてパルス状の印加において極滑りを避ける低いリアクタンスを有し、大きい回転慣性を有する。

【0053】

上述のように、本開示の一態様は、船舶主タービン発電機（ＭＴＧ：ｍａｉｎ ｔｕｒｂｉｎｅ ｇｅｎｅｒａｔｏｒｓ）ターボ発電機用の２つのモード（すなわち、固定周波数モード及び可変周波数モード）で動作するように構成され得るＨＴＳ発電機（好ましくは、高慣性ＨＴＳ発電機）を利用する。各ＭＴＧは、いずれかのモードで構成及び動作することができ、船の電気推進システム（可変周波数モード）、電気船システム（固定周波数モード）、及び電気兵器システム（固定周波数モード）に選択的に給電するために使用され、さまざまな船システムに給電する優れた柔軟性を有する多機能統合電力システム（ＭＦ－ＩＰＳ：ｍｕｌｔｉ－ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｐｏｗｅｒ ｓｙｓｔｅｍ）を形成することができる。

【0054】

本開示の一態様による多機能主タービン発電機（ＭＦ－ＭＴＧ：ｍｕｌｔｉ－ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｍａｉｎ ｔｕｒｂｉｎｅ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ）３５０の簡略化された概略図が図７に示されている。ＭＦ－ＭＴＧ３５０は、３つの主要な船システムに接続された船上送電網に選択的に給電するために使用されてもよい。船システムは、電力ネットワーク３５１を介して接続された３７ＭＷのＨＴＳ電動モータを含み得る同期推進駆動システム３５２を含む。ＭＦ－ＭＴＧ３５０は、電力ネットワーク３５１に接続されると、ＨＴＳ電動モータを駆動するために可変周波数電力モード（可変周波数及び可変電圧）で動作するように構成され得る。タイプ１の船サービス電力システム３５４は、電力ネットワーク３５３によってＭＦ－ＭＴＧ３５０に接続され得る。この構成では、電力ネットワーク３５４は、固定周波数電力モード（固定電圧、例えば、固定電圧４１６０ＶＡＣ、及び固定周波数、例えば６０Ｈｚ）で動作するＭＦ－ＭＴＧ３５０によって給電され得る。そして、別の構成では、電力ネットワーク３５５に接続された電気兵器システム３５６は、固定周波数（例えば６０Ｈｚ）及び固定電圧で動作するＭＦ－ＭＴＧ３５０によって給電され得る。この単純な実例では、単一のＭＦ－ＭＴＧ３５０が使用される。しかしながら、典型的な用途では、システム負荷に応じていずれかのモードで動作する複数のＭＦ－ＭＴＧが、さまざまな船内システムに給電するために使用することができる。図８Ａ～図８Ｃに関して以下に説明する実例では、４つのＭＦ－ＭＴＧが使用されるが、任意の適切な数を使用することができる。

【0055】

すべての要求された負荷への分配のために固定電圧（例えば、４１６０ＶＡＣ）及び固定周波数（例えば、６０Ｈｚ）で動作する単一のバス上にすべての電力を組み込む従来技術のＩＰＳシステムとは異なり、本開示の多機能統合電力システムは、複数の別個のバスを使用する。別個のバスは、特定の要求された負荷タイプに給電するために、専用又は相互接続された方法で使用することができる。これにより、単一のバス動作に必要な安定性とタイプ１に近い品質能力を維持するために必要な複雑さ、リスク、及びそれに伴う大量のパワー・エレクトロニクス及び計算能力が最小限に抑えられる。これは、電気推進モータに典型的に必要とされる大型で複雑なパワー・エレクトロニクス・モータ駆動部を排除し、大型で高価な中間エネルギー貯蔵装置及びフィルタを介して接続するのではなく、高慣性ＨＴＳ発電機を利用して電気兵器に直接接続する。

【0056】

固定周波数モードでは、ターボ発電機の電力出力は、電気兵器システム及び／又はタイプ１の船サービス負荷のために使用することができる。動作の可変周波数モードでは、ターボ発電機は、専用の方法で１つ又は複数の電動モータに直接接続される（すなわち、それらは、他の電気負荷にも接続されない）。可変周波数モードでは、発電機の動態は、電気船推進モータに典型的に必要とされる大電力の電子電動モータ駆動部を使用せずに電動モータ動態に直接連結される。言い換えると、ターボ発電機の回転速度は、電動モータ／プロペラの回転速度、ひいては船の速度に直接影響を及ぼす。これは、本明細書では、同期推進駆動部と呼ばれることがある。

【0057】

図８Ａ～図８Ｃでは、本開示の一態様による多機能統合電力システム４００のトポロジーが示されている。図８Ａ～図８Ｃではまた、ＭＦ－ＩＰＳ４００の３つの機能的構成が例示的な構成としてのみ示されている。他の構成が可能であり、本開示の範囲内であることに留意されたい。後述するように、特定の構成では、ターボ発電機は、固定周波数／固定電圧モードで動作し、他の構成では、可変周波数モード／可変電圧モードで動作して、さまざまな船システムに給電する。図では、より太い線で描かれているケーブルは通電されており、細い線として描かれるケーブルは通電されていない。べた一色で描かれたターボ発電機はオンライン且つ動作可能で、べた一色で描かれていないターボ発電機は、オフライン且つ動作可能ではない。

【0058】

図８Ａを参照すると、この実例で説明される船には、２つの主機関室、ＥＲ１ ４０２及びＥＲ２ ４０４がある。ＥＲ１ ４０２には、ケーブル４０７を介して三相開閉器４０８に接続されたターボ発電機４０６がある。また、ＥＲ１ ４０２には、三相開閉器４１２に接続されたターボ発電機４１０がある。ターボ発電機は、図２に示すように２９ＭＶ、３６００ｒｐｍの２極発電機であってもよく、図４～図６に関して上述したように、高慣性ＨＴＳ発電機を含んでいてもよい。図８Ａは、本明細書に記載のＭＦ－ＩＰＳシステム用の標準的な構成を示す。図８Ｂ及び図８Ｃには、２つの代替的な動作構成が示されている。

【0059】

まず、ＥＲ１ ４０２について説明する。この構成では、ターボ発電機４０６は、ケーブル４０９に相互接続された開閉器４０８によって送電される接続解除スイッチ４２０を介して、この場合は３７ＭＶのＨＴＳモータであり得る電気推進モータ４１４に接続され、それに給電する。ターボ発電機４０６は、周波数、ひいてはターボ発電機の回転、次にＨＴＳモータの回転を調整することによってモータ／船の速度を変化させて、可変周波数／電圧モードで動作する。電気推進モータ４１４は、右舷シャフト（図示せず）に接続され、右舷プロペラ４１６を駆動する。右舷プロペラ４１６は、制御可能なピッチ・コントローラ４１８を使用して、制御可能なピッチ・プロペラとして動作し、例えば、操船及びドッキングに必要なときに、船の動きをより細かく制御する。

【0060】

開閉器４０８はまた、必要に応じて、開閉器４２２に給電するために、相互接続ケーブル４２３によって開閉器４２２に接続される。開閉器４０８はまた、ＥＲ１ ４０２からの補助電力がＥＲ２ ４０４によって必要とされる場合、又はその逆の場合に、相互接続ケーブル４２５を介してＥＲ２ ４０４に接続される。開閉器４２２は、通常、開閉器４１２を介してターボ発電機４１０に接続され、ターボ発電機４１０によって給電される。代替的な構成では、開閉器４２２は、ケーブル４２７を介して（ターボ発電機４１０が可変周波数／可変電圧モードで動作している状態で）、電気推進モータ４１４に給電するように使用してもよく、又は、相互接続ケーブル４２９を介してＥＲ２ ４０４に補助電力を提供するように使用してもよい。図示の電流構成では、ターボ発電機４１０は、開閉器４１２を通して、それぞれケーブル４３２ａ及び４３２ｂを介して、電気兵器開閉器ユニット４３０ａ、４３０ｂに接続される。電気兵器開閉器ユニット４３０ａ及び４３０ｂは、それぞれ電気兵器４３４ａ及び４３４ｂに接続される。ターボ発電機４１０は、固定電圧／固定周波数モード（例えば、４１６０ＶＡＣ及び６０Ｈｚ）で動作する。

【0061】

ＥＲ１ ４０２におけるさまざまなコンポーネントの動作は、船のブリッジから制御信号を受信するマスタ・コントローラ（図示せず）と通信するＥＲ１マシン・コントローラ４４０の制御下にある。マスタ・コントローラ、ＥＲ１マシン・コントローラ４４０、及びＥＲ２マシン・コントローラ（以下で説明する）を通して、多機能統合電力システム４００のさまざまな機能的構成は、図８Ａ～図８Ｃに関して説明したように実施することができる。

【0062】

ＥＲ２ ４０４には、三相開閉器４４２に接続されたターボ発電機４４０と、三相開閉器４４６に接続されたターボ発電機４４４とが含まれている。これらのターボ発電機は、図２に示すように構成されてもよく、図４～図６に関して上述したような高慣性ＨＴＳ発電機を含んでいてもよい。この構成では、この場合、３７ＭＷのＨＴＳモータである電気推進モータ４４８は、ターボ発電機４４０によって給電される。ターボ発電機４４０は、ケーブル４４５に相互接続された開閉器４４２によって送電される接続解除スイッチ４４３を介して、電気推進モータ４４８に接続され、電気推進モータ４４８に給電する。ターボ発電機４４０は、上述のように、可変周波数／電圧モードで動作する。

【0063】

ＨＴＳモータ４４８は、左舷プロペラ４５０を駆動する左舷シャフトに接続される。左舷プロペラ４５０は、制御可能なピッチ・コントローラ４５２を使用して、制御可能なピッチ・プロペラとして動作し、例えば、操船及びドッキングに必要なときに、船の動きをより細かく制御する。

【0064】

三相開閉器４４６に接続されたターボ発電機４４４は、この構成では、それぞれケーブル４４７ａ及び４４７ｂを介して、電気兵器開閉器ユニット４３０ａ、４３０ｂに（上述のように、ターボ発電機４１０と合わせて、又はそれの代わりに）給電するために主に使用される。ターボ発電機４４４は、固定電圧／固定周波数モード（例えば、４１６０ＶＡＣ及び６０Ｈｚ）で動作する。電気兵器開閉器ユニット４３０ａ及び４３０ｂは、それぞれ電気兵器４３４ａ及び４３４ｂに接続される。開閉器４４６はまた、必要に応じて、開閉器４４２にバック・フィードするために、相互接続ケーブル４５５によって開閉器４４２に接続される。開閉器４５６は、開閉器４４６に接続され、さらに、ＥＲ２ ４０４からの補助電力がＥＲ１ ４０２によって必要とされる場合、又はその逆の場合に、相互接続ケーブル４２５を介してＥＲ１ ４０２において開閉器４０８に接続される。開閉器４５６はまた、ケーブル４５７によって送電される接続解除スイッチ４４３を介して、電気推進モータ４４８に接続される。代替的な構成では、ターボ発電機４４４は、その動作モードを可変周波数／電圧モードに変化させることによって、電気推進モータ４４８に給電するために使用してもよい。

【0065】

ＥＲ２ ４０４におけるさまざまなコンポーネントの動作は、船のブリッジから制御信号を受信するマスタ・コントローラ（図示せず）と通信するＥＲ２マシン・コントローラ４６２の制御下にある。マスタ・コントローラ、ＥＲ１マシン・コントローラ４４０、及びＥＲ２マシン・コントローラ４６２を通して、多機能統合電力システム４００のさまざまな機能的構成は、実施することができる。

【0066】

４つの主要なターボ発電機４０６、４１０、４４０、及び４４４に加えて、１つ又は複数の小型ターボ発電機（軍艦では、船サービス・ガス・タービン発電機又は「ＳＳＧＴＧｓ」（ｓｈｉｐ ｓｅｒｖｉｃｅ ｇａｓ ｔｕｒｂｉｎｅ ｇｅｎｅｒａｔｏｒｓ）と呼ばれる）が含まれていてもよく、それぞれが、補機室（ＡＭＲ１：ａｕｘｉｌｉａｒｙ ｍａｃｈｉｎｅｒｙ ｒｏｏｍ １）４８０及び発電機室４９０内にそれぞれ配置されたＳＳＴＧ４７０及び４７２など、約３．９ＭＷを出力する。これらのＳＳＧＴＧは、船サービス・ネットワークに電力を供給することができる。ＳＳＧＴＧ Ｎｏ．１ ４７０は、船サービス用開閉器４７３を介して船サービス用変圧器Ａ ４７１に接続することができる。同様に、ＳＳＧＴＧ Ｎｏ．２ ４７２は、船サービス用開閉器４７７を介して船サービス用変圧器Ｂ ４７５に直接接続することができる。

【0067】

船サービス用開閉器４７３はまた、ケーブル４８２を介して発電機室４９０内の船サービス用開閉器４７７に相互接続されてもよい。また、ケーブル４８４を介してＥＲ２ ４０４内の第３の船サービス用開閉器４９２に接続されてもよく、ケーブル４８６を介して開閉器４０８に接続されてもよい。ケーブル４８７は、船サービス用開閉器４７２をセンサ・システムに接続してもよい。船サービス用開閉器４７７はまた、ケーブル４９４を介してＥＲ２ ４０４内のサービス用開閉器４９２に相互接続されてもよく、ケーブル４９６を介してＥＲ２ ４０４内の開閉器４４２に相互接続されてもよい。開閉器４４７は、ケーブル４９８を介してセンサ・システムにさらに接続することができる。

【0068】

図８Ａを参照すると、ＭＦ－ＩＰＳ４００の動作の標準モードが上述されている。動作の標準モードでは、ターボ発電機４０６及び４４０は、電気推進モータ４１４及び４４８をそれぞれ駆動するために、可変周波数／可変電圧モード動作で動作する。兵器システム４３４ａ及び４３４ｂは、ターボ発電機４１０又はターボ発電機４４４のいずれかによって個別に又は組み合わせて給電され、両方のターボ発電機は、固定周波数／固定電圧モードで動作する。

【0069】

第２の動作モードは図８Ｂに示されており、これは、電気兵器システムが通電されることなく、より遅い速度（例えば２０ノット）での燃料の効率的な輸送を可能にする。この構成では、ＥＲ２ ４０４のターボ発電機４４０は、オンラインであり、可変周波数モードでＨＴＳモータ４１４及び４４８の両方に給電している。ターボ発電機４０６、４１０及び４４４は、オフラインである。ＳＳＴＧ４７０及び４７２は、オンラインであり、船サービス用変圧器Ａ ４７１及び船サービス用変圧器Ｂ ４７５に通電して、船サービス・ネットワークにすべての電力を供給する。

【0070】

図８Ｃに示す第３の動作モード（完全武装）では、ターボ発電機４０６、４４０及び４４４は、オンラインであり、船が３２ノットで移動することを可能にするＨＴＳモータ４１４及び４４８に給電するために可変周波数／可変電圧モードで動作している。ターボ発電機４１０は、オンラインであり、電気兵器システム４３４ａ及び４３４ｂに給電するために固定周波数／固定電圧モードで動作している。さらに、ＳＳＴＧ４７０及び４７２の両方は、オンラインであり、船サービス用変圧器Ａ ４７１及び船サービス用変圧器Ｂ ４７５に通電して、船サービス・ネットワークにすべての電力を供給する。

【0071】

図８Ａ～図８Ｃに示すＭＦ－ＩＰＳ４００の３つの機能的構成は、例示的な構成のみであり、他の構成も可能であり、本開示の範囲内に包含される。本開示の多機能統合電力システムは、複数の別個のバスを使用し、ターボ発電機の負荷タイプに応じて、ターボ発電機は、固定周波数／固定電圧モード又は可変周波数／可変電圧モードのいずれかで、独自に動作する。これにより、単一のバス動作に必要な安定性とタイプ１に近い品質能力とを維持するために必要な複雑さ、リスク、及びそれに伴う大量のパワー・エレクトロニクス及び計算能力が最小限に抑えられる。これは、電気推進モータに典型的に必要とされる大型で複雑なパワー・エレクトロニクス・モータ駆動部を排除し、大型で高価な中間エネルギー貯蔵装置及びフィルタを介して接続するのではなく、高慣性ＨＴＳ発電機を利用して電気兵器に直接接続する。

【0072】

本開示は、例示的な実施例に関して説明されてきたが、当業者は、本開示が添付の特許請求の範囲の趣旨及び範囲において修正を伴って実施され得ることを認識するであろう。これらの実例は例示にすぎず、本開示のすべての可能な設計、実施例、用途、又は修正の網羅的なリストであることを意味するわけではない。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6A】

【図6B】

【図7】

【図8A-1】

【図8A-2】

【図8B-1】

【図8B-2】

【図8C-1】

【図8C-2】