(57)【要約】電気的タービンの各種構成について述べる。１つの可能な配置では、タービンがラジアルドラム型タービン（１８００）であり、ドラム（１８０２）をその間に挟持する一対の向かい合う磁気アセンブリ（１８０１１，１８０１２）を有する。磁気アセンブリ（１８０１１，１８０１２）のそれぞれは、一対のコイル、外側コイル（１８０３１）と内側コイル１８０３２を有する。これらコイルは、ドラム（１８０２）の回転軸の周りに同軸に配置され、つまり、コイル（１８０３１，１８０３２）は、ドラム（１８０２）の回転軸と共軸である。ドラム（１８０２）は、ドラム（１８０２）を横切って電流を流す電流伝達メカニズム（１８０６）に連結される少なくとも１つの導電素子（１８０５）を有する。ドラム（１８０２）の導電層（１８０５）を電流が横切ると、ドラム（１８０２）上にトルクが生じる。このトルクは、ドラムと磁気素子を通り抜ける出力シャフト（１８０７）に伝えられる。【選択図】図１
2014513913.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
反発させて配置した一対の磁気素子と、
前記磁気素子間に配置されるドラムアセンブリと、を含むタービンであって、前記ドラムアセンブリは、ドラムの周りに配置される複数の導電素子を含み、前記導電素子が接続されて前記ドラムを通る電気回路を形成し、
前記電気回路を通って電流が流されると、前記ドラムの回転が引き起こされるタービン。
【請求項２】
隣り合う導電素子が互いから電気的に隔離及び絶縁される、請求項１に記載のタービン。
【請求項３】
隣り合う導電素子が、複数の非導電スペース素子により分離される、請求項２に記載のタービン。
【請求項４】
前記回転子を通る電気回路が、隣り合う導電素子を、前記ドラム周りに配置される複数の電流伝達素子を介して接続することにより形成される、請求項１〜３のいずれか１項に記載のタービン。
【請求項５】
前記電流伝達素子が互いと直列に接続される、請求項４に記載のタービン。
【請求項６】
前記電流伝達素子のそれぞれが、ブラシアセンブリとギアアセンブリを含む、請求項４又は５に記載のタービン。
【請求項７】
各ブラシアセンブリが、導電性ローラーに連結される連続金属繊維ブラシを含む、請求項６に記載のタービン。
【請求項８】
前記ギアアセンブリが、ギアとシャフトを含む、請求項６又は７に記載のタービン。
【請求項９】
前記ローラーは、前記ギアアセンブリのギアが前記ドラム上に配置される対応するギアと係合することにより、前記回転子と同じ速度で回転する、請求項８に記載のタービン。
【請求項１０】
前記ドラム上に配置されるギアが、前記導電素子から電気的に隔離される、請求項９に記載のタービン。
【請求項１１】
各電流伝達素子のローラーが、前記ドラムの一回転中に一度、各導電素子と接触する、請求項９又は１０に記載のタービン。
【請求項１２】
前記磁気素子が永久磁石である、請求項１〜１１のいずれか１項に記載のタービン。
【請求項１３】
前記永久磁石がＮ３５の軸方向に磁化された磁石である、請求項１２に記載のタービン。
【請求項１４】
前記磁気素子が電磁石である、請求項１〜１１のいずれか１項に記載のタービン。
【請求項１５】
前記電磁石が高温度超伝導テープのコイルから形成される、請求項１４に記載のタービン。
【請求項１６】
反発させて配置した一対の磁気素子と、
前記磁気素子間に配置される複数のドラムアセンブリと、を含むタービンであって、前記各ドラムアセンブリは、ドラムの周りに配置される複数の導電素子を含み、前記導電素子が接続されて各ドラムを通る電気回路を形成し、前記ドラムは共に電気的に連結されて前記タービンを通る電流経路を形成し、
前記電気経路を通って電流が流されると、前記ドラムアセンブリを一致して回転させるタービン。
【請求項１７】
隣り合う導電素子が互いから電気的に隔離及び絶縁される、請求項１６に記載のタービン。
【請求項１８】
隣り合う導電素子が、複数の非導電スペース素子により分離される、請求項１７に記載のタービン。
【請求項１９】
前記回転子を通る電気回路が、隣り合う導電素子を、前記ドラム周りに配置される複数の電流伝達素子を介して接続することにより形成される、請求項１６〜１８のいずれか１項に記載のタービン。
【請求項２０】
前記電流伝達素子が互いと直列に接続される、請求項１９に記載のタービン。
【請求項２１】
前記電流伝達素子のそれぞれが、ブラシアセンブリとギアアセンブリを含む、請求項１９又は２０に記載のタービン。
【請求項２２】
各ブラシアセンブリが、導電性ローラーに連結される連続金属繊維ブラシを含む、請求項２１に記載のタービン。
【請求項２３】
前記ギアアセンブリが、ギアとシャフトを含む、請求項２１又は２２に記載のタービン。
【請求項２４】
前記ローラーは、前記ギアアセンブリのギアが前記ドラム上に配置される対応するギアと係合することにより、前記回転子と同じ速度で回転する、請求項２３に記載のタービン。
【請求項２５】
前記ドラム上に配置されるギアが、前記導電素子から電気的に隔離される、請求項２４に記載のタービン。
【請求項２６】
各電流伝達素子のローラーが、前記ドラムの一回転中に一度、各導電素子と接触する、請求項２４又は２５に記載のタービン。
【請求項２７】
前記磁気素子が永久磁石である、請求項１６〜２６のいずれか１項に記載のタービン。
【請求項２８】
前記永久磁石がＮ３５の軸方向に磁化された磁石である、請求項２７に記載のタービン。
【請求項２９】
前記磁気素子が電磁石である、請求項１６〜１７のいずれか１項に記載のタービン。
【請求項３０】
前記電磁石が高温度超伝導テープのコイルから形成される、請求項２９に記載のタービン。
【請求項３１】
前記ドラムが中央シャフトの周りに同軸に配置される、請求項１７〜３０のいずれか１項に記載のタービン。
【請求項３２】
反発させて配置した一対の磁気素子と、
共通軸の周りの回転のために、前記磁気素子間に配置される少なくとも一対のドラムアセンブリと、を含むタービンであって、第１のドラムアセンブリは、ドラムの周りに配置される複数の導電素子を含み、第２のドラムは、前記軸から放射状に配置される複数の導電素子を含み、前記第２のドラムの導電素子が前記第１のドラムの導電素子より、前記磁気素子に近づけて配置され、
前記導電素子は接続されて前記ドラムを通る電気回路を形成し、前記ドラムは電気的に互いに連結されて前記タービンを通る電流経路を形成し、
前記電流経路を通って電流が流されると、前記ドラムアセンブリが回転されるタービン。
【請求項３３】
一対の磁気素子と、
前記磁気素子間に配置され、少なくとも１つの導電素子を含むドラムアセンブリと、
前記少なくとも１つの導電素子に連結される電流伝達機構と、を含むタービンであって、
前記磁気素子は、前記電流伝達機構を介して前記導電素子を通って電流が流されると、前記ドラムの回転が起こるように、前記ドラムアセンブリに垂直な、ほぼ均一の磁場の領域を提供するように配置されるタービン。
【請求項３４】
各磁気素子は一対の超伝導コイルを含む、請求項３３に記載のタービン。
【請求項３５】
各対の超伝導コイルが、ゼロ磁場の領域を生み出すように配置される、請求項３４に記載のタービン。
【請求項３６】
前記ゼロ磁場の領域は、ほぼ均一の磁場の領域の外側に配置される、請求項３５に記載されるタービン。
【請求項３７】
前記電流伝達機構の対向する端部は、前記ゼロ磁場の領域に配置される、請求項３５又は３６に記載のタービン。
【請求項３８】
前記対となる超伝導コイル又は各磁気素子が、同軸に間隔をあけて配置され、前記ゼロ磁場の領域が、各磁気素子内のコイルそれぞれの間のスペース内に生み出される、請求項３５〜３７のいずれか１項に記載のタービン。
【請求項３９】
前記対となる超伝導コイル又は各磁気素子が、横方向に間隔をあけて配置され、前記ゼロ磁場の領域が、各磁気素子内のコイルそれぞれの間のスペース内に生み出される、請求項３５〜３７のいずれか１項に記載のタービン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概して、電気機械作業を生み出すための装置に関する。特に、本発明は、電磁タービンに関するが、これに限定されない。
【背景技術】
【０００２】
電流が単純な棒状の導体を通り抜けるとき、電流の流れる方向と垂直な磁場が誘導されることは、電気測定論のよく理解された特徴である。誘導された磁場により、電流を構成する、動いている電荷のそれぞれが力を受ける。この動いている電荷のそれぞれに及ぶ力がトルクを生む。この原理が、電気モータ及び発電機等の装置の基礎となる。
【０００３】
大抵の典型的なＤＣモータは３つの主要構成要素、つまりは、固定子、電機子／回転子、及び整流子から成る。固定子は通常、電機子に誘導される磁場と相互作用する磁場を提供し、運動を生む。整流子は半回転毎に電機子に流れる電流を反転するように働き、これによって、電機子内の磁場を反転し、磁場内での電機子の回転を一方向に維持する。最も単純な形でのＤＣモータは、以下の３つの関係によって記述することができる。
【数１】
2014513913.tif 000003
ここで、ｅａは、逆起電力、Ｖはモータにかかる電圧、Ｔはトルク、Ｋはモータ定数、Φは磁束、ωはモータの回転速度、Ｒａは電機子抵抗、及びｉａは電機子電流である。
【０００４】
典型的なモータ内の磁場は定常磁場であり（固定子）、永久磁石又はコイルによって作られる。電機子／回転子に電流を流すとき、電機子内の各導体にかかる力は、Ｆ＝ｉａ×Ｂで与えられる。定常磁場を横切って回転する電機子内の導体による磁束変化の相対的割合に起因して、逆起電力が生まれる。従って、電機子の電圧ループには、逆起電力に巻線中の抵抗損失を足したものが含まれる。こうして、ＤＣモータの速度は、主に、電機子にかけられる電圧Ｖにより制御され、トルクは、磁束と電流の積に対応する。
【０００５】
従って、ＤＣモータ内のトルクを最大にするには、単に、磁場又は供給される電流のどちらかを増やせばよいと考えるであろう。しかしながら、実際には、限界がある。例えば、永久磁石を介して生み出すことのできる磁場の大きさは、多くの要因によって制限される。永久磁石からかなり大きな磁場を生み出すためには、磁石の物理的な寸法は比較的大きくなる（例えば、２３０ｍｍのＮ３５磁石は、数キロガウス（ｋＧ）の磁場を生み出すことができる）。複数の磁石を用いると、かなり大きな磁場を生み出すことができるが、システム全体の寸法及び重さに、磁石の寸法や数が重ねて加わることになる。モータの寸法及び重量の両方は、電気推進システム等の用途において形状を決定する上で考慮すべき重要な点である。標準的な針金コイルを使用することにより、より大きな磁場を生み出せるが、大きさ、重量及び加熱効果を考慮すると、標準的なコイルの使用は実現不可能である。
【０００６】
トルクに影響する考慮すべき別の要因は、電機子／回転子内に生み出される渦電流により引き起こされる抗力の生成である。渦電流は、磁場の時間的変化、導体による磁場の変化、又は、磁場の源と導電性材料の相対運動による変化がある場合に起こる。この渦電流は、レンツの法則により元の磁場の変化を妨害する磁場を誘導し、導体と磁石の間に反発力又は抗力を生む。均一の材料及び磁場を仮定し、表皮効果を無視した単純な導体の場合、渦電流によって引き起こされる電力損失（Ｐ）は、以下によって計算することができる。
【数２】
2014513913.tif 000004
ここで、Ｂｐはピーク磁束密度、ｄはワイヤの太さ又は直径、ρは抵抗率、σは導電率、μは透磁率、ｆは周波数（場の変化）及びＤは浸透深さである。
【０００７】
上記式からわかるように、磁場の大きさが増加するにつれて、渦電流の影響は大きくなる、すなわち、磁場が大きくなればなるほど、渦電流の結果生じる抗力が大きくなる。磁場強度に加えて、電機子内の導体素子の抵抗率及び厚みもまた要因となる。電機子内の導体素子の材料の選択は、電機子に流すことのできる電流の量に大きな影響を与え得る。
【０００８】
以上を考慮すると、比較的高強度な磁場で操作でき、先行技術の前述の欠陥の少なくともいくつかを改良する、電気機械作業を生み出すための装置及びシステムを提供することは有益である。
【発明の概要】
【０００９】
本明細書を通して、タービンという用語は、ほぼ均一の場にさらされることに応答して機械的作業を生み出す、１以上の回転子を含む構造に言及するために用いられると理解されなければならない。
【００１０】
従って、本発明の１つの態様において、
反発させて配置される１対の磁気素子と、
前記磁気素子の間に配置されるドラムアセンブリと、を備えるタービンであって、
前記ドラムアセンブリは、ドラムの周りに配置される複数の導体素子を含み、前記導体素子は接続されてドラムを通る電気回路を形成し、及び
前記電気回路を通って電流が流されると前記ドラムの回転が引き起こされる、タービンが提供される。
【００１１】
本発明の別の態様では、
反発させて配置される１対の磁気素子と、
前記磁気素子の間に配置される複数のドラムアセンブリと、を備えるタービンであって、
前記ドラムアセンブリのそれぞれが、ドラムの周りに配置される複数の導体素子を含み、前記導体素子は接続されて各ドラムを通る電気回路を形成し、前記ドラムは電気的に互いに結合されて前記タービンを通る電流経路を形成し、及び
前記電流経路を通って電流が流されると、前記ドラムアセンブリを一致して回転させる、タービンが提供される。
【００１２】
好ましくは、前記ドラムは、磁気素子に隣接する支持部に対し取り付けられ、通常はこの支持部内に取り付けられる。適切には、ドラムは、シャフトを使用して支持部内に取り付けられる。シャフトは、ドラムの長手方向軸とほぼ同軸に延びるように、ドラム内に取り付けてもよい。
【００１３】
適切には、導電素子は、短絡又は並列電流フロー（ｐａｒａｌｌｅｌ  ｃｕｒｒｅｎｔ  ｆｌｏｗ）を防ぐために、それぞれから電気的に隔離及び絶縁される。導電素子同士の隔離は、複数の非導電のスペース素子によって提供することもできる。適切には、スペース素子は、外周にわたる各導電素子と環状ディスクの中央開口部の外縁との間に、配置される。
【００１４】
導電素子はほぼ「Ｉ」形であってもよい。「Ｉ」形の導電素子を、ドラムの外周に互いから電気的に隔離して配置してもよい。「Ｉ」形の導電素子は、好ましくは、キャップ部分とベース部分と細長い胴部を有する。キャップ部分とベース部分は通常弓形であり、各導電素子のキャップ部分とベース部分はほぼ円形のカラーを形成する。各導電素子の細長い胴部は、通常、回転軸に平行に延び、それによってドラムを形成する。
導電素子の長さは、回転軸に垂直に延びる磁場の一部と相互作用するのに十分な長さであることが重要である。
【００１５】
導電素子は任意の断面形状を有することができる。
【００１６】
ドラムを通る電気回路は、隣り合う導電素子をドラムの外縁の外周に配置される複数の電流伝達素子を介して接続することにより形成してもよい。電流伝達素子は、導電素子のそれぞれを流れる電流がドラム内の各導電素子に沿って一方向に流れることを保証するために、直列に互いに接続されてもよい。
【００１７】
電流伝達素子のそれぞれは、ギアアセンブリに連結されるブラシアセンブリを含んでもよい。適切には、ギアアセンブリは、対向するドラムの端部に配置される１以上のギアと協働する。適切には、ギアは導体素子から電気的に隔離されてもよい。ギアアセンブリは、ドラム上に配置されるギアの少なくとも１つとかみ合うギアを支えるシャフトを含んでもよい。このシャフトはまた、ローラーに接続されてもよく、ドラムが回転し始めると、ギアのかみ合いによって引き起こされる回転がシャフトを通してローラーに伝達されて、ローラーがドラムと一致して回転する。あるいは、ギアの運動が直接ローラーを駆動するように、ローラーとギアの両方をベアリングによってシャフト上で支えて、ギアをローラーに接続することもできる。
【００１８】
ブラシアセンブリは、各導電素子を通る電流が同じ方向に流れることを補償するために、通常ドラムの長さを越えて、電気回路内の前の電流伝達素子のブラシに連結する導電性ブラシを含んでもよい。このブラシは、３１０Ａ／ｃｍ２を超える連続電流密度を提供でき、２．５×１０９メートルのスライド路に対して摩擦長さ５ｃｍで、７０〜１００ｍ／ｓの速度にて運転できる、連続金属繊維ブラシであってもよい。
【００１９】
ブラシアセンブリはまた、ブラシと導電素子の間で接触する導電性ローラーを含んでもよい。このブラシアセンブリには、ブラシに固定した取り付けクリップを設け、このクリップを適当な取り付け構造部に取り付けて、回転子の稼働時、ブラシの位置を維持するようにしてもよい。
【００２０】
磁気素子は適切には永久磁石である。永久磁石は２３０ｍｍの直径を有してもよく、Ｎ３５から構成され、３〜５ＫＧのピーク磁場を生み出すことができる。磁石は、軸方向に磁化され、回転子アセンブリが磁石のＮ極に近接して取り付けられている。
【００２１】
あるいは、磁気素子は、高温超伝導（ＨＴＳ）テープからなるコイルから構成することができる。コイルは、１６０Ａから１７５Ａの供給電流に対し、１Ｔから２Ｔの磁場を生み出すことができる。適当には、コイルは、コイルの構造に応じて、１８０Ａから５００Ａの供給電流に対し、２Ｔから５．１Ｔの磁場を生み出すことができる。好ましくは、コイルは、１．３Ｔから５．１Ｔのピーク磁場を生み出す。コイルは、３００Ａから５００Ａの供給電流で、３Ｔから５Ｔの磁場を生み出すことができる。
【００２２】
磁気素子はいかなる構成であってもよく、ドラムの回転軸とほぼ平行、好ましくは同軸の極軸をもって配置される。この理由のために、磁気素子は好ましくは環状であり、取り付けシャフト（もしあれば）は、両方の磁気素子を通り抜けてタービンのどちらかの端部を出て延びることができるが、必ずしもこの構造が必要ではない。
【００２３】
本発明の別の態様では、
反発させて配置される一対の磁気素子と、
共通の軸の周りに回転するために、前記磁気素子の間に配置された少なくとも一対のドラムアセンブリと、を有するタービンであって、
第１のドラムアセンブリが、ドラムの周りに配置される複数の導電素子を含み、第２のドラムが、前記軸から放射状に広がって配置される複数の導電素子を含み、前記第２のドラムの導電素子は、前記第１のドラムの導電素子より前記磁気素子により近づけて配置されており、
前記導電素子は、接続されて前記ドラムを通る電気回路を形成し、且つ、前記ドラムは電気的に互いに連結されて前記タービンを通る電流経路を形成し、及び
前記電流経路を通って電流が流されると、ドラムアセンブリが回転されるタービンが提供される。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】図１は、一対の磁気素子の間の磁場の相互作用を描いた概略図である。
【図２】図２は、一対の磁気素子の間の磁場の相互作用と、導電素子の位置を描いた概略図である。
【図３】図３は、図１及び２の磁気素子により形成される磁場内での導体の位置を描いた概略図である。
【図４】図４は、本発明の１つの実施形態による、ドラムアセンブリの配置を描いた概略図である。
【図５】図５は、図４のドラムアセンブリの導体の配置を描いた概略図である。
【図６】図６は、電流伝達アセンブリをその場で取り付けたドラムセンブリの概略図である。
【図７】図７は、図６のドラムアセンブリ内の電流伝達経路を描いた概略図である。
【図８】図８は、本発明のさらなる実施形態によるドラムアセンブリの概略図である。
【図９】図９は、図８のドラムアセンブリの詳細な図である。
【図１０】図１０は、本発明の１つの実施形態によるタービンの概略図である。
【図１１】図１１は、図１０のタービンの詳細な図である。
【図１２】図１２は、本発明のさらなる実施形態によるタービンの概略図である。
【図１３】図１３は、本発明の一実施形態による一連のタービンの１つの配置を描いた概略図である。
【図１４】図１４は、異なる平行磁場に晒されるＨＴＳテープに対し、異なる温度でプロットした異なる換算比である。
【図１５】図１５は、異なる垂直磁場に晒されるＨＴＳテープに対し、異なる温度でプロットした異なる換算比である。
【図１６】図１６は、逆回転する２つのドラムの実施形態での、本発明の別の形状の等角図である。
【図１７】図１７は、図１６に示される実施形態のＡ−Ａ線に沿った断面図であり、ドラムを通る電流経路を示す。
【図１８】図１８は、図１６の実施形態の第２の又は外側ドラムの等角図である。
【図１９】図１９は、図１６の実施形態の第１の又は内側ドラムの等角図である。
【図２０】図２０は、固定ブラシ取り付け具を備えた、逆回転する２つのドラムの実施形態における、本発明の別の形状の等角図である。
【図２１】図２１は、図２０に示す実施形態のＢ−Ｂ線に沿った断面図である。
【図２２】図２２は、図２０に示した実施形態のＢ−Ｂ線に沿った断面図であり、ドラムを通る電流経路を示す。
【図２３】図２３は、別の構成での、固定ブラシ取り付け具を備えた、逆回転する２つのドラムの実施形態における、本発明の別の形状の等角図である。
【図２４】図２４は、図２３に示した実施形態のＣ−Ｃ線に沿った断面図である。
【図２５】図２５は、図１６に示した実施形態の展開図である。
【図２６】図２６は、素子間の磁場を最適化するための、タービンの磁気素子の１つの配置の断面図である。
【図２７】図２７は、図２６の磁気素子配置に対する磁場プロファイルのモデルである。
【図２８Ａ】図２８Ａは、タービンの各種パラメータに対し、磁場強度に及ぼす影響を描いたプロットである。
【図２８Ｂ】図２８Ｂは、タービンの各種パラメータに対し、磁場強度に及ぼす影響を描いたプロットである。
【図２８Ｃ】図２８Ｃは、タービンの各種パラメータに対し、磁場強度に及ぼす影響を描いたプロットである。
【図２８Ｄ】図２８Ｄは、タービンの各種パラメータに対し、磁場強度に及ぼす影響を描いたプロットである。
【図２８Ｅ】図２８Ｅは、タービンの各種パラメータに対し、磁場強度に及ぼす影響を描いたプロットである。
【図２８Ｆ】図２８Ｆは、タービンの各種パラメータに対し、磁場強度に及ぼす影響を描いたプロットである。
【図２９Ａ】図２９Ａは、一連のタービンパラメータに対し、磁場強度に及ぼす影響を描いたプロットである。
【図２９Ｂ】図２９Ｂは、一連のタービンパラメータに対し、磁場強度に及ぼす影響を描いたプロットである。
【図２９Ｃ】図２９Ｃは、一連のタービンパラメータに対し、磁場強度に及ぼす影響を描いたプロットである。
【図２９Ｄ】図２９Ｄは、一連のタービンパラメータに対し、磁場強度に及ぼす影響を描いたプロットである。
【図２９Ｅ】図２９Ｅは、一連のタービンパラメータに対し、磁場強度に及ぼす影響を描いたプロットである。
【図２９Ｆ】図２９Ｆは、一連のタービンパラメータに対し、磁場強度に及ぼす影響を描いたプロットである。
【図３０】図３０は、図２６のタービンの補償コイルを含めた磁気素子に対する磁場プロファイルのモデルである。
【図３１Ａ】図３１Ａは、タービンの各種パラメータに対し、磁場強度への影響を描いたプロットである。
【図３１Ｂ】図３１Ｂは、タービンの各種パラメータに対し、磁場強度への影響を描いたプロットである。
【図３１Ｃ】図３１Ｃは、タービンの各種パラメータに対し、磁場強度への影響を描いたプロットである。
【図３１Ｄ】図３１Ｄは、タービンの各種パラメータに対し、磁場強度への影響を描いたプロットである。
【図３２】図３２は、本発明の一実施形態によるタービンの磁気素子の１つの配置の断面図である。
【図３３】図３３は、図３２の配置に対する磁場プロファイルのモデルである。
【図３４】図３４は、本発明の一実施形態によるタービンの１つの配置の断面図である。
【図３５】図３５は、図３４の配置に対する磁場プロファイルのモデルである。
【図３６】図３６は、より詳しい、ゼロ磁場領域を示す図３５の磁場プロファイルのモデルである。
【図３７Ａ】図３７Ａは、タービンの各種パラメータに対し、ゼロ磁場領域への影響を描いたプロットである。
【図３７Ｂ】図３７Ｂは、タービンの各種パラメータに対し、ゼロ磁場領域への影響を描いたプロットである。
【図３８】図３８は、ブラシの配置を表す、図３４のタービンの断面図である。
【図３９】図３９は、本発明の一実施形態によるタービンの１つの配置の断面図である。
【図４０】図４０は、流体電流伝達メカニズムの構成を描いた、図３９のタービンの断面図である。
【図４１】図４１は、本発明の一実施形態によるタービンの１つの配置の断面図である。
【図４２】図４２は、逆回転用に構成された、図４１のタービンの断面図である。
【図４３】図４３は、ユニタリ回転用に構成された、図４１のタービンの断面図である。
【図４４】図４４は、本発明の一実施形態によるタービンの１つの配置の断面図である。
【図４５】図４５は、本発明の一実施形態によるタービンの１つの配置の断面図である。
【図４６】図４６は、図４４及び４５の配置に対する磁場プロファイルのモデルである。
【図４７】図４７は、本発明の一実施形態によるタービンの１つの配置の断面図である。
【図４８】図４８は、本発明の一実施形態によるタービンの１つの配置の断面図である。
【図４９】図４９は、図４７及び４８の配置に対する磁場プロファイルのモデルである。
【図５０】図５０は、本発明の一実施形態によるタービンの１つの配置の断面図である。
【図５１】図５１は、本発明の一実施形態によるタービンの１つの配置の断面図である。
【図５２】図５２は、図４４及び４５の配置に対する磁場プロファイルのモデルである。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
本発明をより簡単に理解し、実用的な効果を得られるようにするために、添付の図を参照して、本発明の好ましい実施形態について説明する。
【００２６】
２つのほぼ同一の磁場がともに反発状態におかれると、磁力線が圧縮され、互いに曲がって、磁力線の多くが磁気源の表面に平行となる。例えば、２つの磁気素子が並んで置かれて反発状態にあると、磁場は図１のようになる。
【００２７】
外部磁場が存在し、この外部磁場自身の力線が、反発する磁石からの磁力線に垂直であると、反応又は動きが生まれる。上述のように、電磁石／磁石の表面に平行又は主に平行に走る力線は、興味深い場の領域である。反応を最も簡単に得るには、導体棒を、磁石又は電磁石の間に、それらそれぞれの表面に垂直に置くことである。図２からわかるように、電流を運ぶ導体によって生じる磁場は垂直平面を有する。無数の磁束の平面が、電磁石／磁石の中心の周りに放射状に集まっていることを想像してみるとよい。ここでは、単独の二次元平面を示す。実際には、磁束は三次元である。我々が電磁石／磁石の表面の視点から、この平面を観察すると、この磁束の平面は電磁石／磁石の中心の周りに集まっているのがわかる。
【００２８】
図３は、磁気素子の表面に垂直に置かれた４つの導体棒を示す。この導体棒から生じる磁束の平面は、磁気素子によって生じる磁束の平面に垂直である。この場を利用して電気機械作業を生み出すために、出願人は、複数の導電性構造を考案した。これらの構造の例を図４から９に示し、以下により詳細に説明する。
【００２９】
図４を参照して、本発明の一実施形態による、タービンに使用するためのドラムアセンブリ１００の１つの可能な構造について説明する。図からわかるように、ドラム１００は端部プレート１０２の間に、ドラム１００の外周に配置された複数の導電性素子１０１を有する。ドラムにはまた、ドラムの中心軸と同軸のシャフト１０３が設けられる。本実施例では、端部プレートは、本発明の電流伝達アセンブリの１以上のギアと係合するためのヘリカルギア１０４を含むが、これについては以下で詳しく述べる。
【００３０】
この場合の導体棒は、短絡又は並列電流フローを防ぐために、互いから電気的に隔離及び絶縁されている。この特定の実施例では、導電性素子は、ほぼ「Ｉ」形で、Ｉのキャップ部分が端部プレート１０２と当接関係にある。各導体棒は、多数のＨＴＳテープの細長い片を平行に並べて作ることができる（Ｉ形の場合、このテープをＩの長手方向の胴部内にこん包することができる）。テープの表面は、タービンの反発する素子により生み出される磁場に平行であるように向けられなければならない。つまり、テープは、ドラムの回転軸から放射状に広がるように向けられる。このような構造を用いて、ＨＴＳテープを、適当に低い電気抵抗率を有する純銅又は合金からなる導電性の高いフレームの内部に含むことができる。
【００３１】
上で述べたように、導電性素子１０１は、互いから隔離及び絶縁されていなければならず、図示した実施例では、これは、エアーギャップ１０５が各素子の間に設けられることにより達成される。もちろん、この場合の素子間の分離が、ギャップを横切ってアーク放電が起こるのを阻止するほどに十分大きいことは、当業者であれば十分に理解されるであろう。この場合、エアーギャップが所望の隔離及び絶縁を付与するために利用されると同時に、絶縁材料が各素子の間に配置されてもよいことは、当業者であれば十分に理解されるであろう。
【００３２】
図５は、ドラム１００上の導電性素子１０１の配置をより詳しく示す。図からわかるように、導電性素子を形成するＩ形ビームのキャップ部のそれぞれは、エアーギャップ１０５を介して分離される。この場合のキャップ部は、ギア１０４に隣接する端部プレート１０２に結合される。この特定の実施形態でのＩの長手方向の胴部には、細長い片のＨＴＳテープが平行に配置されて詰め込まれる。
【００３３】
当業者であれば十分理解されるように、本発明による電磁タービンにて、図４及び５のドラムアセンブリを利用するためには、それらを接続して電気回路を形成し、タービンを通る電流経路が、タービンの磁気素子により生み出される磁場に反応してトルクを生み出すことができるようにしなければならない。図６は、ドラムアセンブリ１００を通る電気回路を形成するために、隣り合う導電性素子を電気的に連結するための１つの配置を示す。
【００３４】
導電性素子が、結果として生じるトルクによりドラムとともに回転するためには、可動又は摺動の電気接触が必要である。１つの可能な方法としては、導体棒の端部に、回転ギアの歯、又は滑らかな接触領域を通して、電流を供給することである。図６に示す配置では、後者を用いる。図からわかるように、複数の電流伝達アセンブリ１０６が端部プレート１０２の周辺に配置される。各電流伝達アセンブリは、端部プレート１０２のギア１０４と結合するギア１０７を含む。この場合の電流伝達アセンブリは、ギア１０７に接続されるローラー１０９に連結されるブラシ１０８をも含む。ブラシ１０８は、米国特許第６，２４５，４４０号に開示されるタイプの連続金属繊維ブラシであってよく、このようなブラシは、３１０Ａ／ｃｍ２を超える連続電流密度を提供することができ、２．５×１０９メートルのスライド路に対し摩擦長５ｃｍで７０ｍ／ｓの速度にて運転可能である。
【００３５】
電流アセンブリ１０６のそれぞれは、導電性素子を通して直接、あるいはケーブル１１０配線を通って、ドラムの反対側の端部の電流アセンブリに連結される。本実施例では、電流伝達アセンブリは、直列回路を形成するように接続される。電流が主要給電線１１０１を通って電流伝達アセンブリ１０６に流されると、電流は、導電性素子１０１を横切って、回路内の次の電流伝達部材１０６へと送られる。電流は、その後、電流伝達素子１０６から、ケーブル１１０を介して次の電流伝達素子１０６へと導かれる。対向する電流伝達素子１０６間のブリッジを経由してのこの連続的な電流伝達は、導電性素子１０１、戻りケーブル連結１１０及び引き出しケーブル１１０２により形成され、これによりドラム１００を通る直列回路を完成させる。
【００３６】
電流がローラー１０９を通って導電性部材１０１へ流されると、ドラムが回わってギア１０４を回転させ、ギア１０４の回転が、ギア１０７を通ってローラー１０９へと伝えられ、ローラー１０９が回転子と調和して回転することを保証する。
【００３７】
上述の説明では、ドラムを通る直列回路の使用について詳しく説明したが、もちろん、ドラムを通る回路が並列回路であってもよいことは、当業者には十分に理解されるであろう。このような配置は、電流伝達アセンブリの間のケーブル配線の再配置が必要となるだけである。
【００３８】
図７に、ドラム１００を通る電流伝達経路のより詳しい図を示す。ケーブル尾部１１１を通って第１の電流伝達アセンブリ１０６１に電流が流されると、電流はブラシ１０８１を横切ってローラー１０９１へ、そして目下接触している導電性素子１０１へと流れ、この電流が導電性素子１０１を横切って伝達アセンブリ１０６２のローラー１０９２へと流れる。ローラー１０９２からの電流は、ブラシ１０８２により拾われ、ケーブル尾部１１１を通ってケーブル１１０（図示せず）を横切り、電流伝達アセンブリ１０６３へと流れだし、ここでケーブル尾部１１１を介してブラシ１０８３へと渡される。今度は、ブラシ１０８３がこの電流をローラー１０９３へと渡し、ここで、目下電流伝達部材１０６４と接触する導電性素子１０１を横切って導かれる。このプロセスはその後、回路が完成するまで、回路内の残りの電流伝達アセンブリを横切って繰り返される。
【００３９】
上で述べたように、電流伝達アセンブリのそれぞれは、端部プレート１０２上に設けられるギア１０４とかみ合うギア１０７を含む。この場合のギア１０７は、ギア１０７が連結されるローラー１０８を、操作時ドラムと同じ表面速度で確実に回転させるために設けられている。いかなる回転不一致も電流伝達効率を低下させる原因となるため、ローラー１０８の回転を、ドラム１００の回転に一致させることは重要である。さらに、ローラーとドラムの表面速度の一致は、システムのアンバランスにつながる一様でない摩耗の可能性をも低減する。
【００４０】
図８は、本発明の一実施形態によるタービンで用いるためのドラムアセンブリ１００の他の可能な構造を表す。この特定の実施例では、ドラムアセンブリは同軸に配置された複数のドラム８０１，８０２，８０３を含む。図のように、導電性部分８０１，８０２，８０３のそれぞれは、各導電性部分の周囲に間隔をあけて配置される複数の導電性素子１０１（黒点により示す）を有する。
【００４１】
図９は、図８のドラムアセンブリの構造をより詳細に表す。図のように、ドラム８０１，８０２，８０３は、端部プレート１０２の間に、シャフト１０３の周りに同軸に配置される。上述の図１のドラムの場合のように、ドラムのそれぞれが、端部プレート１０２の間に、ドラム１００の円周に配置される複数の導電性素子１０１を含む。導電性素子１０１のそれぞれは、各素子の間にエアーギャップ１０５を設けることによって、互いから隔離及び絶縁される。上述の実施例でのように、導電性素子は、多数のＨＴＳテープの細長い片を平行に並べて作成することもできる（Ｉ形の場合、テープは、Ｉの長手方向の胴部内部にこん包することができる）。テープの表面は、タービンの反発する素子により生み出される磁場に平行になるように、向けられなければならない。
【００４２】
導電性素子のそれぞれ及びドラムの間を横切る電流の移動は、この場合も、上述の電流アセンブリ１０６を用いることによって達成することができる。この場合、ドラム８０１，８０２，８０３間の電流の移動は、１つのドラム上の最後の電流伝達素子１０６を、次のドラムの最初の電流伝達素子に接続することにより達成できる。
【００４３】
図１０は、本発明の一実施形態によるタービンの配置を表す。図のように、タービンは、ドラム１００のための支持部１００１と磁気素子１００２を含む。磁気素子１００２を反発状態に配置することで、支持部を通って、力線１００３によって描かれるほぼ直線状の場が生じ、このような場は導電性素子１０１にほぼ垂直である。
【００４４】
図１１は、図１０のタービンの支持部、ドラム及び磁気素子の配置をより詳細に表す。図のように、ドラム１００は、支持部１００１内部、シャフト１０３上に、端部キャップ部１０２とギア１０４を支持部１００１の内側に隣接配置させて吊される。この場合、電流伝達アセンブリ１０６は支持部１００１に連結される。この場合、ローラー１０９は、支持部に固定されるシャフトにより、支持部に連結される。さらに、ブラシ１０８は、ブラシ１０８に取り付けられたクリップを用いて、支持部につながれる。
【００４５】
図１２は、本発明によるタービンのさらなる実施形態を表す。この場合のタービンの一般構成は、上述の図１０及び１１の構成に類似である。より具体的には、タービンは、磁気素子１００２の間の支持部１００１内部につるされたドラム１００を含む。タービンの配置における、図１２と、図１０及び１１との違いは、電流伝達素子がローラー及びギアを含まず、導電性素子１０１への電流伝達が直接ブラシ１０８と接触することにより行われることである。
【００４６】
上記配置の利点は、中央シャフト上でいくつでもつなぎ合わせることが出来る点である。これらの並べられたタービンは、全てを、電気的に直列に接続することもできるし、又は、各モータを電源に個別に接続することもできるし、１つの電源に並列に接続することさえ可能である。
【００４７】
モータを並べる場合、外部場は、各モータ内部の場が反発するように配置されなければならない。そのため、図１３に示すように、１つおきのモータの導体棒を流れる電流は、全てのモータが同じ方向にトルクを生み出すように、反転されなければならない。
【００４８】
上の各場合の磁気素子は、永久磁石又は電磁石であってよい。現在のところ、永久磁石の大きさの限界は、円筒形磁石では約２３０ｍｍである。しかしながら、複数の磁石を積み重ねることにより、大きな厚みを得ることができる。この寸法で、用いることのできる磁石材料の最も高いグレードはＮ３５である。将来的な生産力の向上により、この限界は時間と共に上回っていきそうである。一様でない径方向の場の分布を引き起こすため、複数の片を用いることは望ましくない。さらに、永久磁石は３から５キロガウスの有限ピーク磁場を有する。この実施例では、磁気素子は、ＨＴＳテープから形成される電磁石である。このような電磁石は、任意の寸法に構成することができ、極低温に冷却されると非常に大きな磁場を生み出すことが可能である。
【００４９】
これまでに用いてきたモデルの寸法は、例示の目的のためだけのものである。上述のように、永久磁石又は超伝導磁石を用いて、静的な外部磁場を生み出すことができる。装置が大きくなれば、電力密度もより大きくなると予想される。
【００５０】
電流容量は、用いられるＨＴＳ駆動棒の選択が好ましいかどうかに応じて、又は、これらが、銅から構成されるか、又は他の普通の導電性材料から構成されるかに応じて変化する。銅の場合、電流密度は、用いられる銅のグレードの導電率、利用可能領域の大きさ（銅の駆動ブスバーの断面積を決める）、及び抵抗損失の熱除去能力の組み合わせによって決められる。
【００５１】
ＨＴＳ駆動棒を用いる好ましい実施形態では、電流容量は、利用可能な空間への依存度は少ないが、使用するＨＴＳワイヤのグレード、操作温度（７７Ｋ以下）、及び、より不利益な（ｄｅｔｒｉｍｅｎｔａｌ）垂直磁場にワイヤを晒さないように、ＨＴＳワイヤを注意深く配向する能力に依存する。平行磁場及び垂直磁場の異なる効果は、ＨＴＳ電流のディレーティングの観点から、以下により詳しく説明する。図１４は、異なる平行磁場に晒されるＨＴＳテープに対し、異なる温度での異なる換算比をプロットしたものである。
【００５２】
１．４テスラの平行な自己磁場にさらされる場合、６４Ｋで１２ｍｍ幅のテープのＩｃを決めるには、このプロットを以下のように用いることができる。まず、０テスラの外部磁場、７７ＫでのＩｃを１００アンペアと仮定する。６４Ｋでの１．４テスラの磁場は、Ｙ軸上の換算比が約０．９であるから、０．９×１００＝９０アンペアとなる。これは４ｍｍ幅のテープに対する値であるから、１２ｍｍ幅のテープに対する臨界電流Ｉｃは、この３倍、つまり２７０アンペアとなる。これは、タービン体に最高２７０アンペアの電流を供給して、約１．４テスラをはるかに上回る磁場を生み出すことができることを示す。４２スタックタービン体であれば、１６０アンペアで、ピーク磁場がちょうど１．４５テスラを超える。
【００５３】
残念ながら、図１５に示すプロットから分かるように、ＨＴＳテープは、垂直磁場に晒された場合には、同じ性能を持たない。例えば、６４ケルビンで外部磁場又は自己磁場が垂直のとき、換算比０．９は、利用可能な自己磁場又は外部磁場を約０．２テスラ、すなわち１２ｍｍ幅のテープに対しては０．６テスラに制限する。
【００５４】
好ましい実施形態では、外部電磁石コイル、通電導体棒、及び、ギア、電流伝達表面及び中間電流接続部を含む補助的電流送達機構の多くは、その全体がＨＴＳ材料又はテープから構成されるか、又は、その構成の重要な部分として、ＨＴＳ材料を含む。ＨＴＳ成分は、７７Ｋ以下の（ｓｕｂ  ７７Ｋ）操作範囲までシステムを下げるための冷却システムが必要である。操作温度が１０〜７７Ｋの範囲内であることは、ＨＴＳテープの場での挙動に顕著な改善がみられる範囲であるものの、この操作温度を維持するにはより高効率の極低温システムの使用しなければならないことを表すと考えられる。
【００５５】
さらに、タービンを構成する部品の、全部とは言えなくともその大部分が、極低温エンベロープ内に包含されていることは、これらの部品の性能が、任意の通常の導電経路と同様に、低い温度環境では、改善するか、又は、性能の劣化を被らないと考えられる。
【００５６】
心配される損失の一領域は、タービンアセンブリの一部に渦電流が発生することによるものである。しかしながら、これらは、径方向磁場の分布を均一にすることで最小となることが期待される。
【００５７】
任意の渦電流の発生を弱める、３つの提案方法がある。１つ目は、浮上式トレインに用いられる電気力学的サスペンションのアイデアに似た作用によるものである。超伝導体は反磁性の性質をもつため、当然ながらそれ自体の内部から磁場を排除する。この性質は、浮上式トレインで利用され、コイル上に誘導される渦電流を打ち消そうとするコイル内の磁場の発生を利用して、渦発生のためにトレインの駆動メカニズムに付加される抗力を防止する。
【００５８】
２つ目の方法も、外側の遊星ギア接触面の周りに巻かれたＨＴＳワイヤに関係するが、この方法では、巻かれたコイルが閉ループではなく、電源に直列に接続される。これにより、巻線を通して電流が流れ、大部分又は全ての外部磁場を排除する強磁場を生み出すことができ、その結果、材料を通る渦電流を低減する。
【００５９】
３つ目の方法は、外部磁場を排除するためにコイル又は永久磁石を用いるのではなく、材料の選択によって渦電流を最小化することである。タービンドラムを構成するにはチタンの使用が推奨され、すなわち、フレーム、ハブ、及びギアを全てチタンで構成することが推奨される。優れた機械特性をもつチタンは、他の材料に比べて、より少ない材料で同様の機械的強度を達成することができる。
【００６０】
渦電流が生まれやすい領域に沿う材料の厚みを減らすことにより、渦電流の発生をさらに妨げる。チタンは銅の２５倍もの電気抵抗をもつ（チタンが４２０ｎオーム／メートルに対して銅は１６．７８ｎオーム／メートル）。このより高い抵抗が、渦電流の自由な流れをより困難にし、タービンドラムの表面内部により小さい渦電流を生み出す。この理想的な解決法には、通電駆動棒に超伝導材料を使用することが必要である。何故なら、超伝導材料は渦電流を追い出す反磁性特性を有するからである。
【００６１】
具体的には、ギア接触面又は他の電気機械接触面の間の伝導を助けるために、チタン要素を、銅又は銀等の導電性表面で被覆又はめっきする。チタンの他、適切な機械特性及び低導電率を有する任意の他の材料を用いることができる。
【００６２】
あるいは、より薄い部分を用いる又は材料を積層することにより、ｄ成分を低減して、渦電流が循環する路幅を減らす。さらに、通常電気を通さない部分を、より高い抵抗を有する材料から製造することもでき、付加的な抵抗により、循環する電流の発生を妨害することもできる。
【００６３】
超伝導部材に対しては、渦電流の問題は別の影響により左右される。超伝導体の興味深い特性は、これらが反磁性であるという事実である。すなわち、臨界温度以下に冷却されると、それまで物質を通り抜けることの出来た磁場が（中は通常導電状態）、物質の内部から排除される。磁場が磁場を通り抜けられないという事実は、超伝導試料で見られる浮遊挙動の原因となる。また、渦電流は超伝導物質内部に生じることができないことを意味する。
【００６４】
一対のドラムの別の配置を図１６から２５に示す。これらは、一対の逆回転ドラムを備えるタービンである。先に記載した実施形態と同様に、タービンには、反発させて配置される一対の磁気素子１６０１が含まれる。この実施形態は、導電素子１６０３、非導電素子１６０４及び導電ブラシ１６０５を利用して、電流インリード１６０６からタービンを通って電流アウトリード１６０７への電流経路を形成する。各ドラムはシャフト１６０８の周りを回転する。
【００６５】
タービンはまた、共通の軸の周りに回転するために、磁気素子の間に配置される一対のドラムアセンブリを含む。図１９に最もよく図解されている、第１のドラムアセンブリ（内側ドラム）は、ドラムの周りに配置された複数の導電素子１６０２を有する。この導電素子１６０２は、ドラムの回転軸にほぼ平行に配置され、タービンの中央領域に設けられる。このドラムの導電素子１６０２は、非導電性の回転子体１６０９にいずれかの端部で取り付けられ、この回転子体は、環状外側部分１６１０と、環状取り付けカラー１６１１と、環状取り付けカラー１６１１と環状外側部分１６１０の間に放射状に伸びる複数のアーム１６１２とを含み、これらは全て非導電性である。
【００６６】
導電素子１６０２のそれぞれは、環状外側部分１６１０の内面（へりではなく）に取り付けられる。通常導電ブラシ１６０５等の導電部分は、導電素子１６０２のいずれかの端部と導電接触して、環状外側部分の外面に設けられる。各導電素子の導電部分は互いから距離をおいて配置される。
【００６７】
内側ドラムは、好ましくは、回転のために、第１のシャフト１６１３に取り付けられる。
【００６８】
図１８に示す第２のドラムは、軸から放射状に伸びて配置される複数の導電素子を含み、この第２のドラムの導電素子は、第１のドラムの導電素子より磁気素子に近づけて配置される。
【００６９】
第２のドラムの導電素子は、通常、それぞれ、回転子体１６１４として構成され、環状外側部分１６１５と、環状取り付けカラー１６１６と、環状取り付けカラー１６１６と環状外側部分１６１５との間に放射状に伸びる複数のアーム１６１７とを含む。これらの部分のそれぞれは、好ましくは導電性である。
【００７０】
通常、一対の導電性回転子体１６１４は、タービンのいずれかの長手方向端部に１つずつ、各磁気素子１６０１から距離をおいて、内側ドラムより磁気素子１６０１に近づけて設けられる。
【００７１】
非導電性環状リム１６１９は、通常、第２のドラムの回転子体１６１４のそれぞれの環状外側部分１６１５の半径方向外側に設けられる。回転子１６１４のそれぞれに付随する、非導電性リム１６１９は、通常、非導電性環状リム１６１９の内面（へりではなく）に取り付けられた１以上の細長い非導電性アーム１６２０を用いて互いに連結される。通常、複数の、これら細長い非導電性アーム１６２０は、第２のドラム周りに間隔をあけて設けられ、両回転子を共に回転させる。
【００７２】
外側ドラムは、好ましくは、回転のために、第２のシャフト１６１８に取り付けられる。第２のシャフトは、好ましくは中空シャフトであり、第１のシャフト１６１３の周りを同軸に回転する。通常、タービンを流れる電流は、第２のシャフトのみを通って流れる。第２のシャフトは通常一対のシャフト部分であり、１つずつ、導電性回転子体のそれぞれの環状取り付けカラーに取り付けられ、第２のドラムから外側へと延びる。
【００７３】
導電素子は接続されて、ドラムを通る電気回路を形成し、その際、ドラム同士互いに電気的に連結されて、タービンを通る電流経路を形成し、この電流経路に電流を流すと、ドラムアセンブリが回される。
【００７４】
好ましくは、タービンには、第２のシャフトのシャフト部分の１つの導電接続を通って、電流が誘導される。その後、電流は、導電性回転子体の放射状に延びるアームを通って、環状の外側部分へと進む。第２のドラムの各回転子の環状外側部分は、第１のドラムの外面に取り付けられた導電性部分に接触するように取り付けられる。これにより、第１のドラムの導電素子への電流経路が提供される。この電流は、第１のドラムの導電素子の長さを横切り、上に説明した経路の逆を通って、第１のドラムを出て、第２のドラムのもう一方の回転子を抜ける。この経路を図１７に具体的に示す。
【００７５】
第１のドラムと第２のドラムの間の速度差を最小にするために、図２０に示すように、固定ブラシを取り付ける。この実施形態では、第１のドラムの、導電素子１６１２が取り付けられるいずれかの端部に、導電性リム１６２１が設けられる。第１のドラムの導電性リム１６２１と第２のドラムの導電性回転子体１６１４の間には、固定環状ハブ１６２２が設けられ、その両面に、一般的には導電性ブラシの形の、複数の導電性部分が間隔を開けて取り付けられており、片側で第２のドラムの導電性回転子体１６１４に接触し、もう一方の側で第１のドラムの導電性リム１６２１に接触する。
【００７６】
間に導電路を挟んだブラシをいずれかの側に取り付けてもよいし、あるいは、単独のブラシを、ハブを通して取り付けて、いずれかの端部をそれぞれの導電路部品に接触させてもよい。
【００７７】
本実施形態によると、固定環状ハブ１６２２は、好ましくは、タービンの第1のシャフトと第２のシャフトの間に受け入れられる中空シャフト１６２３に対し取り付けられる。通常、一対のシャフト部分が、１つずつ、タービンのいずれかの端部上に設けられる。
【００７８】
あるいは、ハブを、図２３に示すように、中空シャフト構造を用いるのではなく、外側で固定してもよい。
【００７９】
当業者には十分理解されているように、タービンの磁気素子間の磁場強度を最大にすることによりトルクを上昇させることができる。さらにトルクを高めるために、磁気素子を出来るだけ小さく軽量に保ちながら、磁場を最大にすることが望ましい。磁場強度の最適化に影響を及ぼす要因はたくさんあり、例えば、２つの素子の分離距離、コイルの径や巻数、各コイルアセンブリのコイルスタック数である。
【００８０】
２つの磁気素子間の磁場を最適化するための1つの配置１７００を図２６に示す。図のように、この場合の磁気素子１７０１１，１７０１２は、ＨＴＳテープの少なくとも６個のコイル１７０２１，１７０２２，１７０２３，１７０２４，１７０２５，１７０２６から構成される。各コイルは、内半径１５０ｍｍで、ＨＴＳテープ１００巻からなる。外部スチール磁束ガイド１７０３は、明確にするために、その半分だけを示す。スチールの磁束ガイドを付加することにより、磁場の局所的な強化が可能となる。しかしながら、スチールの付加は、ある時点まで有利なだけであり、その後は、スチールの飽和状態を超えるため、さらなる利点はない。さらに、より軽量なモータが望ましいので、使用されるスチールは出来る限り少ないことが望ましい。
【００８１】
この特定の実施例では、磁束ガイドに加えて、補償コイル１７０４１，１７０４２が使用され、磁場の強度をさらに高める。図のように、補償コイルは、磁気素子１７０１１，１７０１２の対向する両端部に取り付けられる。補償コイルに流れる電流は、コイルアセンブリ１７０１１，１７０１２の電流と反対方向である。この効果は、平行磁場（Ｚ軸、つまり中心軸に沿った）を減らし、ＢＹ（つまり垂直な）磁場が増えるように、場をコントロールすることである。理想的には、等しい磁場方向特性を持つＨＴＳテープ（ＭＧＢ２ワイヤ等）にとっては、垂直磁場と平行磁場の値が同じであることが望ましい。異なる磁場方向依存性をもつＨＴＳテープは、平行磁場又は垂直磁場が超過される（ｅｘｃｅｅｄｅｄ）とすぐに正常化する（ｎｏｒｍａｌｉｚｅ）。
【００８２】
図２７は、２つの磁気素子の間の磁場のベクトルプロットである。磁場の方向は矢印によって示し、その大きさと周囲の色により強度を示す。図より分かるように、ピーク垂直磁場強度とピーク平行磁場強度は非常に近い。
【００８３】
図２８Ａから２８Ｆは、タービンアセンブリの各種物理パラメータに対する磁場強度を描くプロットである。図２８Ａは、磁束ガイドの厚みに対する磁場強度を示す。図２８Ａから分かるように、磁場は磁束ガイドの厚みの上昇にともない増加する。上側２つの曲線はコイル内部の垂直及び平行磁場の強度を示す。一方、下側２つの曲線は、回転子が配置される領域（つまり動作領域）の磁場の強度を示す。
【００８４】
図２８Ｂは、回転子アセンブリの内側ドラムの大きさに対する磁場強度を示す。ここでもまた、上側の曲線はコイル内部の垂直及び平行磁場の強度を示し、下側の曲線は、動作領域の磁場の強度を示す。図２８Ｂから分かるように、内側ドラムの半径を増やすことはある程度有効である。つまり、わずかに磁場は増えるという利得があるものの、回転子アセンブリ全重量が増すことによりこの利得は相殺される。
【００８５】
図２８Ｃに示すプロットは、２つの磁気素子が離されると磁場強度がどのように変化するかを示す。下側の曲線は、磁気素子がさらに離されるにつれて、回転子周りの平均磁場が急速に落ち込む様子を示す。上側の直線は、２つの物体が離されるにつれて、コイル内の最大磁場はあまり変化しないことを示す。
【００８６】
図２８Ｄは、回転子棒により生み出される潜在的トルクを示す。これは、コイルを離し、導体回転子棒の長さを増やすことにより、トルクが少し上昇することを示す。しかしながら、この曲線は、いずれは横ばいとなり、さらなる利得を示さない。
【００８７】
図２８Ｅに示すプロットは、磁気素子間の分離距離４００ｍｍに対する導体回転子棒の長さの割合に対し、磁場の強度を示したものである。下側の曲線は、棒の長さが４００ｍｍの距離の８０％又は９５％のときでさえ、全長にわたる磁場強度の差は非常に小さいことを示唆する。これは意外であるが、棒の長さが短いと、ブラシと磁気素子を包囲する極低温システムのための空間ができるため、都合がよい。上側の曲線はここでもまた、コイル内部の最大磁場を示す。
【００８８】
図２８Ｆは、ソレノイド体の間の分離距離４００ｍｍに対する導体回転子棒の長さの割合に対し、潜在的トルクを示したものである。これは、分離距離に近いローター棒長さを有することが、より大きなトルクにつながることを示す。言い換えると、ローター棒が長ければ長いほど、より大きなトルクが生み出される。先の段落で述べたように、いくらかの長さは、ブラシの空間や極低温膜のために犠牲にされなければならないだろう。
【００８９】
図２９Ａは、ソレノイド体の間の分離距離２００ｍｍに対する導体回転子棒の長さの割合に対し、磁場の強度を示したものである。赤線は、全長にわたる磁場強度の差が、先に述べた４００ｍｍの距離に対するものより、なお一層小さいことを示唆する。例えば、導体棒の長さが２００ｍｍの距離の７０％又は９０％であるときでさえ、磁場強度は非常に似ている。今度の場合も、このことは意外であるが、棒の長さが短いと、ブラシと、ソレノイドを包囲する極低温システムのための空間ができるため、都合がよい。
【００９０】
図２９Ｂに示したプロットは、ソレノイド体の間の分離距離２００ｍｍに対する導体回転子棒の長さの割合に対し、潜在的トルクを示したものである。回転子棒長さが分離距離に近ければ、トルクはより大きくなることが分かる。言い換えれば、回転子棒が長ければ長いほど、生み出されるトルクは大きい。上述のように、いくらかの長さは、ブラシの空間や極低温膜のために犠牲にされなければならない。
【００９１】
図２９Ｃは、回転子の半径が増加するときの、最大コイル磁場と平均の導体回転子棒磁場とを比較したもので、ソレノイド体は２００ｍｍ離れている。ここで、黒い斜線領域の右手側は、コイルソレノイド体の外半径に対応し、３５０ｍｍである。ピーク平均回転子磁場は、回転子の半径が実際、コイルソレノイド体の外半径を下回るときに起こり、３２０ｍｍのところである。
【００９２】
図２９Ｄに示すプロットは、ソレノイド体がやはり２００ｍｍ離れている場合、導体回転子棒が配置される半径が３００から３６５ｍｍへと増加する際に生み出される潜在的トルクを表す。プロットから、最大トルクが生み出されるのは、回転子が３２０から３４０ｍｍの半径に配置されるときであることが分かる。全体として、半径が変化する際のトルクの変化は非常に小さい。
【００９３】
図２９Ｅは、回転子の半径が増加するときの、最大コイル磁場と平均の導体回転子棒磁場とを比較したもので、ソレノイド体は３００ｍｍ離れている。ここで、黒い斜線領域の右手側は、コイルソレノイド体の外半径に対応し、３５０ｍｍである。ピーク平均回転子磁場は、回転子の半径が実際、コイルソレノイド体の外半径を下回るときに起こり、この場合、２９０ｍｍを下回るところである。磁場は、ソレノイド体同士が２００ｍｍしか離れていない先の場合より強いことにも留意しなければならない。
【００９４】
図２９Ｆに示すプロットは、ソレノイド体がやはり３００ｍｍ離れている場合、導体回転子棒が配置される半径が２８０から３８０ｍｍへと増加する際に生み出される潜在的トルクを表す。プロットから、最大トルクが生み出されるのは、回転子が２８０から２９０ｍｍの半径に配置されるときであることが分かる。全体として、分離距離がたった２００ｍｍの先の場合とは対照的に、ソレノイド体同士が３００ｍｍ離されている場合、半径が変化する際のトルクの変化はより大きい。
【００９５】
図３０は、補償コイルを含む２つの磁気素子の間の磁場のベクトルプロットである。磁場の方向を矢印によって表し、大きさと周囲の色により強度を示す。図から分かるように、ピーク垂直磁場強度とピーク平行磁場強度は近い。
【００９６】
図３１Ａから３１Ｄは、異なるコイル形状を利用するコイル内部の磁場強度のプロットである。図３１Ａは、主コイルの半径に対する平均磁場を表す。図３１Ｂは、各補償コイル内の巻数の関数として、磁場を表す。図３１Ｃは、各補償コイル内部の磁場強度のプロットであり、図３１Ｄは、各補償コイル内の巻数の関数として磁場強度をプロットした。
【００９７】
各種プロットから、補償コイルを用いることにより最大平行磁場強度を減らすことが可能であることがわかる。主コイルの内半径における磁場強度の大幅な減少には、動作半径の領域における平均磁場強度のかなり大きな低下がともなう。
【００９８】
補償コイルとスチール性の磁束ガイドの両方を組み合わせて用いる方法の効果は、有益な結果として、動作領域における垂直磁場の強さを全般的に増加させるが、特に内側ドラムの半径を増やすと、コイル内の最大磁場は減少する。先に認められた傾向はこの場合も維持され、最適な分離距離を超えると利得が認められなくなる。
【００９９】
図３２は、図２６の、磁束ガイド−補償コイルのハイブリッド構造を拡張したバージョンを表す。図のように、図３２の構造は、１２ｍｍ幅のＨＴＳテープからなる複数のコイルから構成される３つの磁石１７０１１，１７０１２，１７０１３を含む。各コイルは、内半径１５０ｍｍ、ＨＴＳテープ１００巻きからなる。外部スチール磁束ガイド１７０３は、明確にするため、その片側半分だけを示す。このスチール磁束ガイドの付加により、磁場の局所的強化が可能となる。しかしながら、スチールの付加は、ある点までしか有利とはならず、その後は、スチールの飽和を超えるため、さらなる利点とはならない。
【０１００】
この特定の実施形態では、磁束ガイドに加えて、補償コイル１７０４１，１７０４２を使用して、磁場の強度をさらに高める。図より、これらのコイルは、磁気素子１７０１１，１７０１２，１７０１３の対向する端部に取り付けられる。補償コイルに流される電流は、コイルアセンブリ１７０１１，１７０１２，１７０１３と反対方向である。この効果は、平行磁場（Ｘ軸、つまり中心軸に沿った）を減らし、ＢＹ（つまり垂直な）磁場が増えるように、磁場をコントロールすることである。理想的には、等しい磁場方向特性を持つＨＴＳテープ（ＭＧＢ２ワイヤ等）にとっては、垂直磁場と平行磁場の値が同じであることが望ましい。異なる磁場方向依存性をもつＨＴＳテープは、平行磁場又は垂直磁場が超過される（ｅｘｃｅｅｄｅｄ）とすぐに正常化する（ｎｏｒｍａｌｉｚｅ）。
【０１０１】
このバージョンは、真ん中のコイルが２つのエンジンのために効果的に用いられるため、出力に対する超伝導コイルワイヤの長さの割合が半分だけ増える。図３３は、図３２の構造によって生じる磁場のプロットである。この場合もまた、各磁気素子のピーク垂直磁場強度とピーク平行磁場強度が非常に近いことが分かる。
【０１０２】
これらの利得にもかかわらず、図２６の組み合わせ構造には複数の課題が残る。まず、これらの利得は、最終製品の重量を大幅に増加させ、構造内で増えたスチール量のコストにつながる。スチールのこの限られた効果のため、２Ｔを超えるより高い操作磁場は得ることができない。最後に、これらの構造の磁場プロットは、補償コイルとかなりの量の遮蔽をもってさえも、電磁タービンの物理的構造内の、ブラシが存在しなければならない磁束ガイドの外側には、かなりの量の磁場がなおも残る。もし、ブラシの領域の磁場が一方向に均一なら、金属繊維ブラシに与える影響を最小化できる。残念ながら、この磁場のモデリングは、金属繊維ブラシの性能に悪影響を及ぼす磁場の成分が、ブラシの任意の実際の方向において、０．５Ｔの実用的な許容限界を超えるだろうことを示す。
【０１０３】
実用的なラジアル電磁タービンを開発するという望みが、上述の図２６及び３２の構造の高い磁場において確実に作動するという、金属繊維ブラシの能力又は任意の摺動接触に関する懸念と結びついて、以下の配置の開発につながった。
【０１０４】
図３４は、本発明の一実施形態による、ラジアルドラム型タービン１８００の１つの可能な配置を示す。図より、タービン１８００は、一対の対向する磁気アセンブリ１８０１１，１８０１２を有し、これらの間にドラム１８０２が配置される。磁気アセンブリ１８０１１，１８０１２のそれぞれは、一対のコイル、すなわち外側コイル１８０３１と内側コイル１８０３２を含む。これらのコイルは、ドラム１８０２の回転軸の周りに同軸に配置され、すなわちコイル１８０３１，１８０３２は、ドラム１８０２の回転軸と同軸である。図より、コイル１８０３１，１８０３２のそれぞれは、極低温エンベロープ１８０４で包まれ、この極低温エンベロープが極低温冷却システムに連結される。
【０１０５】
この実施例に見られるように、ドラム１８０２は、外側導電層１８０５を含むソリッド（ｓｏｌｉｄ）構造である。この導電層の一部がコイル１８０３１，１８０３２の間の隙間内を延び、ブラシ１８０６と接触し、このブラシがドラム１８０２を横切る電流を流す。本実施例ではドラムはソリッド構造として示されているが、もちろん、当業者には十分理解されるように、ドラムはソリッド構造である必要はなく、セグメンテッド棒等を用いて形成することもできる。
【０１０６】
電流がブラシ１８０６を横切ってドラムの導電層へと流れると、ドラム上にトルクが生まれる。このトルクは、ドラム及び磁気素子を通り抜ける出力シャフト１８０７へと伝えられる。このシャフトは、一対のベアリング１８０８に回転可能に取り付けられる。
【０１０７】
図３５に、磁気アセンブリによって生じる磁場のプロットを示す。この図から分かるように、超伝導コイルのこのような配置は、内側と外側のソレノイドの間の空間に、磁場ゼロ、又は磁場が打ち消される領域を生み出す。ゼロ領域のより詳しい図を図３６に示す。この図は、さらに詳しく、コイル１８０３１，１８０３２の配置を表す。
【０１０８】
図３７Ａ及び３７Ｂは、内側コイル１８０３１と外側コイル１８０３２の間の異なる形状に基づく磁場強度の影響を表すプロットである。図３７Ａは、低磁場領域の位置及び全領域に及ぼす、内側コイルの巻数と外側コイルの巻数の比の影響を示す。図３７Ｂは、低磁場領域に及ぼす、ソレノイドのコイル数又は全長の増加の影響を示す。この領域の範囲では、磁場強度が、金属繊維ブラシの実用的な操作を可能とするのに十分に低い（０．５Ｔ未満）。このコイル形状は、向かい合う一対のコイルの間に真っ直ぐな駆動磁場を生み出し、超伝導コイルの周りにクライオスタットのための空間を用意できるように最適化される。
【０１０９】
図３８は、ラジアルタービンのドラム内の電流フローに照らして、ブラシの位置決めを表す。電流経路に垂直な駆動Ｂ場を、青の矢印で示す。上記コンセプトのさらなる改良点には、内側コイルの内半径の磁場強度と動作半径での磁場強度の比を高めるために、キャンセリングコイルの付加が含まれる。ゼロゾーンにおける磁場を低減又は打ち消すことにより、液体ブラシの使用も可能となる。液体ブラシに用いられる導電性流体が、流体を通る電流経路とブラシが浸される磁場との相互作用に起因する流体の動きに対する固有抵抗を持たないように、非常に低い磁場環境で液体ブラシが確実に作動することが重要である。
【０１１０】
このデュアルコイルラジアル電磁タービン構造の利点はたくさんあり、内側と外側のコイルの間にブラシの稼働のための低い又はゼロの磁場領域があることが挙げられる。さらに、内側と外側のソレノイドの間にブラシを位置付けることにより、パンケーキ構造に比べて、全ソレノイド磁束のより多くをタービンの駆動に用いることができる。パンケーキ構造のクライオスタットは、動作棒がコイルにより生み出される磁束の多くを用いることを妨げた。今や、クライオスタットがコイルの間のブラシ用の空間からなくなることにより、磁束のほとんど全てを、動作棒により捕獲することができる。最適化されたコイルの形状は、動作棒上に大きな放射状の磁場を生み出すことができる。最終的に、ゼロ磁場領域は、液体ブラシに理想的であった。
【０１１１】
図３９は、金属繊維ブラシの代わりに、液体ブラシを用いることのできる、１つの可能なレイアウトを表す。図より、タービンは、上の図３４のものと類似の構造である。ここでもまた、タービンは、一対の対向する磁気アセンブリ１９０１１，１９０１２を有し、これらの間にドラム１９０２が配置される。磁気アセンブリ１９０１１，１９０１２のそれぞれは、一対のコイル、すなわち外側コイル１９０３１と内側コイル１９０３２を有する。これらのコイルは、ドラム１９０２の回転軸の周りに同軸に配置される、すなわちコイル１９０３１，１９０３２は、ドラム１９０２の回転軸と同軸である。図より、コイル１９０３１，１９０３２のそれぞれは、極低温エンベロープ１９０４に入れられ、この極低温エンベロープが極低温冷却システムに連結される。
【０１１２】
この実施例に見られるように、ドラム１９０２は、外側導電層１９０５を含むソリッド構造である。この導電層の一部がコイル１９０３１，１９０３２の間の隙間内へと延びる。この場合の導電層は、突出部１９０６を有し、この突出部が導電性リング１９０７内部の溝と係合する。図より、この導電性リングは、ドラムの導電層へ電流を伝達する流体を有する。
【０１１３】
電流がドラムの導電層を横切って流れると、ドラム上にトルクが生まれる。このトルクは、ドラム及び磁気素子を通り抜ける出力シャフト１９０８へと伝えられる。シャフトは、一対のベアリング１９０９に回転可能に取り付けられる。
【０１１４】
図４０は、導電性リング１９０７とドラムの導電層１９０５の相互接続をさらに詳しく示す。図より、突起部１９０６は導電層１９０５の端面から外側に伸びる。突起部１９０６は、導電リング１９０７の溝１９１０に挿入される。図から分かるように、この突起部は、溝１９１０へとシール部１９１１を通り越えて挿入され、それにより流体密封が生まれる。もちろん、当業者であれば、図３９及び４０の流体電流伝達機構の構成を考えると、突起部１９０６が溝１９１０内にあってシール部１９１１と係合されたら、流体が流体路１９１０へと導入されてもよいことは十分に理解されるであろう。このような場合、導電性ディスク１９０７は、流体路１９１０への流体の注入を可能とするためにシール可能な流体ポートを含んでもよい。当業者であれば、この導電性流体が硫酸、塩酸又は他の適当な酸、水酸化ナトリウム、塩化ナトリウム、硝酸銀、水酸化カリウム又は他の適当なイオン性又は電解性流体等の、任意の適当な安定した導電性流体であってよいことも、十分に理解されるであろう。場合によっては、この流体は、水銀等の液状の金属、ウッド合金、ローズ合金、フィールド合金（Ｆｉｅｌｄ‘ｓ  ｍｅｔａｌ）、Ｂｉ−Ｐｂ−Ｓｎ−Ｃｄ−Ｉｎ−Ｔｌ、ガリウム、ＮａＫ、ＧａＩｎＳｎであってもよい。
【０１１５】
図４１は、本発明の一実施形態によるタービンのさらなる可能な配置を表す。この実施例では、付加的な磁気アセンブリ１９０１３が利用される。この場合も、磁気アセンブリ１９０１１，１９０１２及び１９０１３のそれぞれは、一対のコイル、外側コイル１９０３１と内側コイル１９０３２を含む。各タービンは、この場合もまた、外側導電層１９０５を有するソリッドドラム１９０２を含む。導体層の一部は、コイル１９０３１，１９０３２の間の隙間へと延びる。この場合の導体層は、導電性リング１９０７内部の溝に係合する突起部１９０６を含む。図より、導電性リングは、ドラムの導体層へと電流を伝達する流体を含む。
【０１１６】
ドラムの導体層を電流が横切ると、ドラム上にトルクが生じる。このトルクは、ドラムと磁気素子を通り抜ける出力シャフト１９０８へ伝達される。シャフトは、一対のベアリング１９０９上に回転可能に取り付けられる。回転子内の電流方向に応じて、２つの回転子シャフトは同じ方向か、又は反対方向に回転することができる。図４２は、反対回転構成のためのブラシ／流体伝達アセンブリの極性を表し、図４３は、ユニタリ回転のためのブラシ／液体伝達アセンブリの極性を表す。図４２のタービンの場合、２つの分離したシャフトが利用され、図４３のタービンでは、単一のユニタリシャフトが利用される。
【０１１７】
付加的な磁気素子を用いることにより、モータからの出力が増加し、反対回転するシャフトというオプションが提供される。このレイアウトへの別の利点は、使用する超伝導ワイヤの量を必ずしも倍にすることなく、出力を２倍に高めることができるため、超伝導ワイヤをより効率的に利用できることでもある。
【０１１８】
上の実施例から分かるように、ゼロ磁場の領域を作ることにより、金属繊維ストランド上への逆負荷による、ブラシ材料の過度の変形を被ることなく、金属繊維ブラシの操作が可能となる。また、液体金属ブラシの使用を可能とする。金属繊維ブラシと同じく、液体金属ブラシは同様の負荷を有する。高磁場環境で稼働する液体金属ブラシの電流経路上に存在するローレンツ力は、液体金属に渦形成をもたらす。これらの渦の形成は、高磁場環境で稼働するプロトタイプのブラシに見られる電流運搬能力の減少と一致する。
【０１１９】
それゆえに、ゼロ磁場の生成及び最適化は、液体金属ブラシを正確に機能させるようにするために重要である。出願人は、ブラシが稼働できるゼロ又は非常に小さな磁場の領域を生み出すため、及び、ドラムトルク要素の動作長さに沿う磁場の強度を高めるために、超伝導コイルの様々な配置を数多く考案した。
【０１２０】
図４４は、一対の磁気アセンブリ２００１１，２００１２を利用するタービン２０００の1つの実施形態を表す。ここでも、磁気アセンブリ２００１１，２００１２のそれぞれは、一対のコイル、外側コイル２００２１と内側コイル２００２２を含む。タービンは、シャフト２００４上に取り付けられた回転子アセンブリ２００３を含み、このローターアセンブリ２００３は外側導電層２００５を有する。導電層２００５の一部は、コイル２００２１，２００２２の間の隙間へと延びる。この場合の導電層は、コイル２００２１，２００２２の間の隙間内に配置される導電性リング２００７の内部の溝２００９と係合する突起部２００６を有する。
【０１２１】
導電性素子の配置のより詳細な図を図４５に示す。この実施例から分かるように、導電性リング２００７は、ドラム２００５の導電層に電流を伝える流体を含む。導電層と外側のソレノイドの間にはベアリング２００８が設けられ、ローターアセンブリ２００３がシャフト２００４上で回転するとき、ドラム２００５の導電層が適当に調整された滑らかな回転を行うことを保証する。もちろん、当業者であれば、この場合のベアリング２００８が、それらが大きい磁場の近くにあることを考えると、非磁性であることは十分に理解されるであろう。
【０１２２】
図４４及び４５に表したタービンの両コイル２００２１，２００２２中の電流は同じ方向に流れる。これは、内側コイルと外側コイルの間に、磁場を打ち消す領域を生み出す。図より分かるように、この特定の実施形態は、極低温エンベロープに十分なスペースを持つとともにドラム要素の動作長さを最大化しながら、金属繊維又は液体金属型ブラシのブラシ配置を容易に可能とする。
【０１２３】
図４４及び４５のタービンの磁気アセンブリによって生み出される磁場のプロットを図４６に示す。図から分かるように、超伝導コイルのこの配置は、内側ソレノイドと外側ソレノイドの間の空間に、磁場ゼロ又は磁場を打ち消す領域を生み出す。
【０１２４】
図４７は、本発明の一実施例によるタービン２１００の他の可能な配置を表す。この特定の実施形態では、磁気アセンブリ２１０１１，２１０１２は、並んで配置させた２つの超伝導コイル２１０２１，２１０２２から構成され、コイルの間に磁場ゼロを生み出す。この場合のコイル２１０２１，２１０２２は、極低温体２１０８により包み込まれる。図より分かるように、この場合の回転子アセンブリ２１０３は、磁気アセンブリ２１０１１，２１０１２の最も内側のコイル２１０２２の間に、シャフト２１０４上に配置される。回転子アセンブリ２１０３は、コイル２１０２１，２１０２２の間の隙間内部に配置される導電性リング２１０７内の溝２１０９に係合する突起部２１０６を含む外側導電層２１０５を含む。
【０１２５】
図４８から分かるように、導電層２１０５は、内側コイル２１０２２の極低温体２１０８を越えて延びるように形成される。突起部２１０６は、その際、導電性リング２１０７内の溝２１０９と係合する。図より、溝２１０９は、この場合も、回転子アセンブリ２１０３の導電層を横切って電流を伝達する流体で満たされる。
【０１２６】
図４７及び４８のタービンの磁気アセンブリにより生み出された磁場のプロットを、図４９に示す。図より分かるように、超伝導コイルのこの配置は、コイル２１０２１，２１０２２の間の空間に、磁場ゼロ又は磁場を打ち消す領域を生み出す。
【０１２７】
本発明の一実施形態によるタービン２２００のさらなる可能な配置を、図５０及び５１に示す。図５０から分かるように、このタービンは、一対の磁気アセンブリ２２０１１，２２０１２を含み、これらの間に挟持されるシャフト２２０３上に回転子アセンブリ２２０２が配置される。この場合の磁気アセンブリ２２０１１，２２０１２は、それぞれ、並べて配置された内側コイル２２０４１と外側コイル２２０４２のペアから構成される。各コイルペア２２０４１，２２０４２のコイル２２０５１及び２２０５２は、それらの間に隙間を挟んだ状態で同軸に配置される。
【０１２８】
この場合もまた、回転子アセンブリ２２０２は、内側コイル２２０４１と外側コイル２２０４２のペアの間の隙間に挟持される導電リング２２０９内の溝２２０８と係合する突起部２２０７を含む外側導電層２２０６を有する。図５１から分かるように、導電層２２０６は、突起部２２０７が導電性リング２２０９の溝２２０８内に配置されるように、内側コイルペア２２０４２のコイル２２０５１と２２０５２の間に配置される隙間を通って延びる。上の実施例のように、溝２２０８は、この場合も、回転子アセンブリ２２０６の導電層を横切って電流を伝達する流体で満たされる。
【０１２９】
図５０及び５１のタービンの磁気アセンブリにより生み出される磁場のプロットを、図５２に示す。図より分かるように、超伝導コイルのこの配置は、内側２２０４１と外側２２０４２のコイルペアの間の領域に、一対のゼロ領域を生み出す。この配置により、ブラシの数を倍にでき、従って、回転子アセンブリ２２０２に運ばれる電流を倍にできる。しかしながら、コイルの複雑な配置を考えると、求められる極低温システムの複雑さもまた大幅に増大する。
【０１３０】
上述の実施形態は、本発明の例示の目的によるだけのために提供され、当業者には明らかなように、それについてのさらなる修正及び改良は、本明細書に記載した広い範囲の本発明に入ると見なされる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８Ａ】
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【図２８Ｂ】
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【図２８Ｃ】
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【図２８Ｄ】
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【図２８Ｅ】
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【図２８Ｆ】
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【図２９Ａ】
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【図２９Ｂ】
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【図２９Ｃ】
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【図２９Ｄ】
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【図２９Ｅ】
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【図２９Ｆ】
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【図３０】
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【図３１Ａ】
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【図３１Ｂ】
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【図３１Ｃ】
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【図３１Ｄ】
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【図３２】
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【図３３】
2014513913.tif 000050
【図３４】
2014513913.tif 000051
【図３５】
2014513913.tif 000052
【図３６】
2014513913.tif 000053
【図３７Ａ】
2014513913.tif 000054
【図３７Ｂ】
2014513913.tif 000055
【図３８】
2014513913.tif 000056
【図３９】
2014513913.tif 000057
【図４０】
2014513913.tif 000058
【図４１】
2014513913.tif 000059
【図４２】
2014513913.tif 000060
【図４３】
2014513913.tif 000061
【図４４】
2014513913.tif 000062
【図４５】
2014513913.tif 000063
【図４６】
2014513913.tif 000064
【図４７】
2014513913.tif 000065
【図４８】
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【図４９】
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【図５０】
2014513913.tif 000068
【図５１】
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【図５２】
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【手続補正書】
【提出日】平成25年3月15日(2013.3.15)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
間に少なくとも1つの磁場を生み出すために、反発させて配置した一対の磁気素子と、
前記磁気素子間に配置されるドラムアセンブリと、を含むタービンであって、前記ドラムアセンブリは、ドラムの周りに配置される複数の導電素子を含み、前記導電素子が接続されて前記ドラムを通る電気回路を形成し、
前記電気回路を通って電流が流されると、回転軸の周りの前記ドラムの回転が引き起こされ、
前記ドラムアセンブリの導電素子はそれぞれ、前記磁気素子の少なくとも１つから間隔を開けて配置される少なくとも1つの第１の部分を持ち、この第１の部分は前記回転軸にほぼ平行な前記磁場の一部分に配置され、及び、前記磁気素子の少なくとも１つから間隔を開けて配置される少なくとも１つの第２の部分を持ち、この第２の部分は前記回転軸にほぼ垂直な前記磁場の一部分に配置される、タービン。
【請求項２】
隣り合う導電素子が互いから電気的に隔離及び絶縁される、請求項１に記載のタービン。
【請求項３】
隣り合う導電素子が、複数の非導電スペース素子により分離される、請求項２に記載のタービン。
【請求項４】
前記回転子を通る電気回路が、隣り合う導電素子を、前記ドラム周りに配置される複数の電流伝達素子を介して接続することにより形成される、請求項１〜３のいずれか１項に記載のタービン。
【請求項５】
前記電流伝達素子が互いと直列に接続される、請求項４に記載のタービン。
【請求項６】
前記通電素子のそれぞれが、ブラシアセンブリとギアアセンブリを含む、請求項４又は５に記載のタービン。
【請求項７】
各ブラシアセンブリが、導電性ローラーに連結される連続金属繊維ブラシを含む、請求項６に記載のタービン。
【請求項８】
前記ギアアセンブリが、ギアとシャフトを含む、請求項６又は７に記載のタービン。
【請求項９】
前記ローラーは、前記ギアアセンブリのギアが前記ドラム上に配置される対応するギアと係合することにより、前記回転子と同じ速度で回転する、請求項８に記載のタービン。
【請求項１０】
前記ドラム上に配置されるギアが、前記導電素子から電気的に隔離される、請求項９に記載のタービン。
【請求項１１】
各電流伝達素子のローラーが、前記ドラムの一回転中に一度、各導電素子と接触する、請求項９又は１０に記載のタービン。
【請求項１２】
前記磁気素子が永久磁石である、請求項１〜１１のいずれか１項に記載のタービン。
【請求項１３】
前記永久磁石がＮ３５の軸方向に磁化された磁石である、請求項１２に記載のタービン。
【請求項１４】
前記磁気素子が電磁石である、請求項１〜１１のいずれか１項に記載のタービン。
【請求項１５】
前記電磁石が高温度超伝導テープのコイルから形成される、請求項１４に記載のタービン。
【請求項１６】
間に少なくとも1つの磁場を生み出すために、反発させて配置した一対の磁気素子と、
前記磁気素子間に配置される複数のドラムアセンブリと、を含むタービンであって、前記各ドラムアセンブリは、ドラムの周りに配置される複数の導電素子を含み、前記導電素子が接続されて各ドラムを通る電気回路を形成し、前記ドラムは共に電気的に連結されて前記タービンを通る電流経路を形成し、
前記電気経路を通って電流が流されると、回転軸の周りに前記ドラムアセンブリを一致して回転させ、
第１のドラムアセンブリの導電素子はそれぞれ、前記磁気素子の少なくとも１つから間隔を開けて配置される少なくとも１つの部分を持ち、この部分は前記回転軸にほぼ平行な前記磁場の一部分に配置され、及び、第２のドラムアセンブリの導電素子はそれぞれ、前記磁気素子の少なくとも１つから間隔を開けて配置される少なくとも１つの部分を持ち、この第２の部分は前記回転軸にほぼ垂直な前記磁場の一部分に配置される、タービン。
【請求項１７】
隣り合う導電素子が互いから電気的に隔離及び絶縁される、請求項１６に記載のタービン。
【請求項１８】
隣り合う導電素子が、複数の非導電スペース素子により分離される、請求項１７に記載のタービン。
【請求項１９】
前記回転子を通る電気回路が、隣り合う導電素子を、前記ドラム周りに配置される複数の電流伝達素子を介して接続することにより形成される、請求項１６〜１８のいずれか１項に記載のタービン。
【請求項２０】
前記電流伝達素子が互いと直列に接続される、請求項１９に記載のタービン。
【請求項２１】
前記電流伝達素子のそれぞれが、ブラシアセンブリとギアアセンブリを含む、請求項１９又は２０に記載のタービン。
【請求項２２】
各ブラシアセンブリが、導電性ローラーに連結される連続金属繊維ブラシを含む、請求項２１に記載のタービン。
【請求項２３】
前記ギアアセンブリが、ギアとシャフトを含む、請求項２１又は２２に記載のタービン。
【請求項２４】
前記ローラーは、前記ギアアセンブリのギアが前記ドラム上に配置される対応するギアと係合することにより、前記回転子と同じ速度で回転する、請求項２３に記載のタービン。
【請求項２５】
前記ドラム上に配置されるギアが、前記導電素子から電気的に隔離される、請求項２４に記載のタービン。
【請求項２６】
各電流伝達素子のローラーが、前記ドラムの一回転中に一度、各導電素子と接触する、請求項２４又は２５に記載のタービン。
【請求項２７】
前記磁気素子が永久磁石である、請求項１６〜２６のいずれか１項に記載のタービン。
【請求項２８】
前記永久磁石がＮ３５の軸方向に磁化された磁石である、請求項２７に記載のタービン。
【請求項２９】
前記磁気素子が電磁石である、請求項１６〜１７のいずれか１項に記載のタービン。
【請求項３０】
前記電磁石が高温度超伝導テープのコイルから形成される、請求項２９に記載のタービン。
【請求項３１】
前記ドラムが中央シャフトの周りに同軸に配置される、請求項１７〜３０のいずれか１項に記載のタービン。
【請求項３２】
間に少なくとも1つの磁場を生み出すために、反発させて配置した一対の磁気素子と、
共通軸の周りの回転のために、前記磁気素子間に配置される少なくとも一対のドラムアセンブリと、を含むタービンであって、第１のドラムアセンブリは、ドラムの周りに配置される複数の導電素子を含み、第２のドラムは、前記軸から放射状に配置される複数の導電素子を含み、前記第２のドラムの導電素子が前記第１のドラムの導電素子より、前記磁気素子に近づけて配置され、
前記導電素子は接続されて前記ドラムを通る電気回路を形成し、前記ドラムは電気的に互いに連結されて前記タービンを通る電流経路を形成し、
前記電流経路を通って電流が流されると、回転軸の周りに前記ドラムアセンブリが回転され、
前記第１のドラムアセンブリの導電素子は、前記回転軸にほぼ垂直な磁場の一部分に配置され、及び前記第２のドラムアセンブリの導電素子は、前記回転軸にほぼ平行な磁場の一部分に配置されるタービン。
【請求項３３】
一対の磁気素子と、
前記磁気素子間に配置され、少なくとも１つの導電素子を含むドラムアセンブリと、
前記少なくとも１つの導電素子に連結される電流伝達機構と、を含むタービンであって、
前記磁気素子は、前記電流伝達機構を介して前記導電素子を通って電流が流されると、前記ドラムの回転が起こるように、前記ドラムアセンブリに垂直な、ほぼ均一の磁場の領域を提供するように配置されるタービン。
【請求項３４】
各磁気素子は一対の超伝導コイルを含む、請求項３３に記載のタービン。
【請求項３５】
各対の超伝導コイルが、ゼロ磁場の領域を生み出すように配置される、請求項３４に記載のタービン。
【請求項３６】
前記ゼロ磁場の領域は、ほぼ均一の磁場の領域の外側に配置される、請求項３５に記載されるタービン。
【請求項３７】
前記電流伝達機構の対向する端部は、前記ゼロ磁場の領域に配置される、請求項３５又は３６に記載のタービン。
【請求項３８】
前記対となる超伝導コイル又は各磁気素子が、同軸に間隔をあけて配置され、前記ゼロ磁場の領域が、各磁気素子内のコイルそれぞれの間のスペース内に生み出される、請求項３５〜３７のいずれか１項に記載のタービン。
【請求項３９】
前記対となる超伝導コイル又は各磁気素子が、横方向に間隔をあけて配置され、前記ゼロ磁場の領域が、各磁気素子内のコイルそれぞれの間のスペース内に生み出される、請求項３５〜３７のいずれか１項に記載のタービン。
【国際調査報告】
2014513913.tif 000071
2014513913.tif 000072
2014513913.tif 000073