(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定子と２つの回転子環との間に電気接点を設けるように適合されている機器であって、前記機器は、
前記固定子上に搭載された少なくとも２つの電流運搬ブラシバネであって、各ブラシバネは、第１のブラシバネ表面、および前記第１のブラシバネ表面に向かい合う第２のブラシバネ表面を有する、ブラシバネと、
各ブラシバネ上に搭載された少なくとも１つの繊維質ブラシ組立体であって、各ブラシ組立体は、前記繊維の先端が前記固定子と関連する回転子環との間で電流を移送するために前記関連する回転子環に係合することになるように配列された繊維の束を有する、ブラシ組立体と、
を備え、
各ブラシバネは、前記第１のブラシバネ表面上に搭載された超伝導材料の第１のリボン、および前記第２のブラシバネ表面上に搭載された超伝導材料の第２のリボンを有し、
各ブラシバネの第１のリボンおよび第２のリボンは、前記固定子を前記ブラシバネ上に搭載された関連するブラシ組立体と連通させ、
各回転子環は、前記回転子環の内径上に搭載された超伝導材料の第３のリボンを有し、
前記機器は、前記超伝導材料の遷移温度より低い温度で極低温流体中に浸没され、それにより、前記機器の電気抵抗率は実質的にゼロに低減されることになり、前記機器の電流移送性能は増加されることになる、機器。
【請求項２】
前記極低温流体の誘電強度は、空気の誘電強度の２０倍である、請求項１に記載の機器。
【請求項３】
前記第１のリボン、前記第２のリボン、および前記第３のリボンは同じ超伝導材料を備える、請求項１に記載の機器。
【請求項４】
前記極低温流体は液体窒素である、請求項１に記載の機器。
【請求項５】
前記第１のリボンおよび前記第２のリボンは、各ブラシバネ上に固定して搭載される、請求項１に記載の機器。
【請求項６】
前記第１のリボンおよび前記第２のリボンは、各ブラシバネ上に半田付けされる、請求項５に記載の機器。
【請求項７】
各ブラシバネ上に搭載された第１のリボンおよび第２のリボンは、前記機器が前記極低温流体の温度に冷却されるときに、各ブラシバネにより関連するブラシ組立体に及ぼされる力がその上に搭載された第１のリボンおよび第２のリボンにより影響されることがないように構成および配列される、請求項６に記載の機器。
【請求項８】
各ブラシバネ上に搭載された第１のリボンおよび第２のリボンは寸法的に同じである、請求項７に記載の機器。
【請求項９】
各ブラシ組立体はブラシ管を含み、繊維の関連する束の１つの辺縁端部分は前記ブラシ管内に受け入れられる、請求項１に記載の機器。
【請求項１０】
各ブラシ組立体は、前記回転子が前記固定子に対して回転するときに、視準器管の下端が関連するブラシ管内に収容されている繊維の関連する束内の繊維の下部辺縁端部分の側方運動を制限するように適合されるように、前記関連するブラシ管の一部を包囲し、前記関連するブラシ管の一部を超えて延在する視準器管を含む、請求項９に記載の機器。
【請求項１１】
各視準器管は、関連するブラシ管上に調節可能に搭載される、請求項１０に記載の機器。
【請求項１２】
各ブラシ管より下にある繊維の中央部分は、各ブラシ管より下に延在する繊維が環形の形態にあるように除去されている、請求項１１に記載の機器。
【請求項１３】
前記機器は集電環である、請求項１に記載の機器。
【請求項１４】
前記機器は同極モータである、請求項１に記載の機器。
【請求項１５】
前記機器は同極発電機である、請求項１に記載の機器。
【請求項１６】
前記繊維の束内の繊維は０．００３インチの名目直径を有し、繊維一本当たりの最大電流密度は１７６９アンペア／平方インチである、請求項１に記載の機器。
【請求項１７】
回転子と、固定子上のブラシ組立体内に搭載された複数の金属繊維の先端との間に金上金の電気摺動接点を設ける方法であって、前記方法は、
前記回転子を設けるステップと、
前記回転子上に金環を設けるステップと、
向かい合う表面を有する電流運搬ブラシバネを設けるステップと、
超伝導材料のリボンを設けるステップと、
前記ブラシバネの向かい合う表面のそれぞれの上に前記超伝導材料のリボンを搭載するステップと、
前記固定子上に前記ブラシバネの近接端を搭載するステップと、
前記固定子が前記ブラシバネおよび前記リボンを通じて前記ブラシ組立体と連通するように、前記ブラシバネの遠位辺縁端部分上に前記ブラシ組立体を搭載するステップと、
前記ブラシ組立体に銀／銅金属繊維の束を設けるステップと、
前記金属繊維の先端が前記回転子上の金環に係合するように、前記ブラシバネ上に前記ブラシ組立体を搭載し、前記固定子上に前記ブラシバネを搭載するステップと、
極低温流体中に前記ブラシ組立体を浸没させるステップと、
金が前記回転子の金環から前記金属繊維の先端に移送されるように、前記回転子を前記金属繊維の先端に対して動かすステップと、
を含み、
それにより、前記回転子上の金環と前記金属繊維の先端との間に金上金の電気摺動接点を設ける、方法。
【請求項１８】
前記回転子は、ドラム型集電環、パンケーキ型集電環、円盤電機子型の同極モータまたは円盤電機子型の同極発電機の一部であり、前記回転子上の金環は、前記回転子の外表面上に設けられる、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記回転子の内径上に前記超伝導材料のリボンを搭載するステップをさらに含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項２０】
前記極低温流体は、前記超伝導材料の遷移温度より小さい温度にある、請求項１７に記載の方法。
【請求項２１】
前記回転子上の金環を前記金属繊維の先端に対して動かすステップは、前記回転子を前記金属繊維の先端に対して回転させるステップを含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項２２】
前記金属繊維の先端を前記回転子に対して２００グラムの力をもって付勢するステップをさらに含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項２３】
少なくとも２つの金環を有する回転子と、
固定子と、
少なくとも２つのバネ組立体であって、各バネ組立体は、前記固定子上に搭載された近位端を有し、かつ前記回転子の金環のうち関連するものに近接して配列された遠位端を有するバネ組立体であって、各バネ組立体は超伝導材料を含む、バネ組立体と、
各バネ組立体の遠位辺縁端部分上に搭載された少なくとも１つのブラシ組立体であって、各ブラシ組立体はブラシ保持器を有し、かつ束内で配列された複数の銀／銅金属繊維を有し、前記束の１つの辺縁端部分は関連するブラシ保持器内で配列され、前記束の反対端は前記回転子の関連する金環に係合する複数の繊維先端内で終端する、ブラシ組立体と、
を備える集電環であって、
前記集電環は極低温流体中に浸没され、それにより、前記超伝導材料の温度はその遷移温度より低く低減され、
前記銀／銅金属繊維の繊維先端は金で覆われ、
それにより、前記集電環は前記銀／銅金属繊維の繊維先端と前記回転子の金環との間に金上金の摺動接点を有することになる、集電環。
【請求項２４】
少なくとも１つの金環を有する回転子と、
固定子と、
少なくとも１つのバネ組立体であって、各バネ組立体は前記固定子上に搭載された近位端を有し、かつ前記回転子の関連する金環に近接して配列された遠位端を有し、各バネ組立体は超伝導材料を含む、バネ組立体と、
各バネ組立体の遠位辺縁端部分上に搭載された少なくとも１つのブラシ組立体であって、各ブラシ組立体は、ブラシ保持器を有し、かつ束内で配列された複数の銀／銅金属繊維を有し、前記束の１つの辺縁端部分は関連するブラシ保持器内で配列され、前記束の反対端は前記回転子の関連する金環に係合する複数の繊維先端内で終端する、ブラシ組立体と、
を備える同極モータであって、
前記同極モータは極低温流体中に浸没され、それにより、前記超伝導材料の温度はその遷移温度より低く低減され、
前記銀／銅金属繊維の繊維先端は金で覆われ、
それにより、前記同極モータは前記銀／銅金属繊維の繊維先端と前記回転子の金環との間に金上金の摺動接点を有することになる、同極モータ。
【請求項２５】
少なくとも１つの金環を有する回転子と、
固定子と、
少なくとも１つのバネ組立体であって、各バネ組立体は前記固定子上に搭載された近位端を有し、かつ前記回転子の関連する金環に近接して配列された遠位端を有し、各バネ組立体は超伝導材料を含む、バネ組立体と、
各バネ組立体の遠位辺縁端部分上に搭載された少なくとも１つのブラシ組立体であって、各ブラシ組立体は、ブラシ保持器を有し、かつ束内で配列された複数の銀／銅金属繊維を有し、前記束の１つの辺縁端部分は関連するブラシ保持器内で配列され、前記束の反対端は前記回転子の関連する金環に係合する複数の繊維先端内で終端する、ブラシ組立体と、
を備える同極発電機であって、
前記同極発電機は極低温流体中に浸没され、それにより、前記超伝導材料の温度はその遷移温度より低く低減され、
前記銀／銅金属繊維の繊維先端は金で覆われ、
それにより、前記同極発電機は前記銀／銅金属繊維の繊維先端と前記回転子の金環との間に金上金の摺動接点を有することになる、同極発電機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に２つの部材（例えば、回転子および固定子）の間で電力および／または電気信号を伝達するために用いられる、集電環、同極モータ／発電機などとともに用いる電気接点に関し、より具体的には、先端上繊維（「ＦＯＴ」）ブラシ技術を利用し、かつ、（一つまたは複数の）それらの遷移温度より低く冷却されるときに低減された（一つまたは複数の）電気抵抗率を有し、そのように冷却されるときに部材間で大いに増加されたレベルの電流を伝達することができる（一つまたは複数の）超伝導材料のリボンを有する改良された機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
電気接点は、回転子と固定子との間で電力および／または（一つまたは複数の）電気信号を移送するために用いられる。これらの機器は、太陽電池配列駆動機構、航空機およびミサイルの案内プラットフォーム、風力エネルギーシステム、コンピュータ断層撮影（「ＣＴ走査」）システム、および同種のもの等の、多くの異なる軍事的および商業的な用途において用いられる。いくつかの用途において、集電環は、トルクモータ、レゾルバおよびエンコーダ等の、他の構成要素と併せて用いられる。電気式の集電環は、プラットフォームの回転軸上に位置するように設計されるか、または電気接点を軸外に配置する開いた穿孔をもって設計されなければならない。それ故、「軸上」および「軸外」の集電環という指定がそれぞれある。
【０００３】
集電環の直径は、ほんの一インチから数フィートに及び、回転子と固定子との間の相対角速度（ω）は、一日当たり１回転と小さいものから一分当たり２０，０００回転（「ｒｐｍ」）と大きいものに変動し得る。これらの様々な用途において、回転子と固定子との間の電気接点は、（１）高い相対表面速度での中断を伴わずに電力および／または（一つまたは複数の）信号を移送することができ、（２）長い摩耗寿命を有し、（３）低い電気雑音を有し、かつ（４）多数の回路を最小の容積内で包装することを可能にする物理的大きさのものであるべきである。
【０００４】
固定子搭載のブラシ組立体と回転子との間における電気的および機械的な接点の物理的特性の適当な管理により、厳しい要件を満たすことが可能になる。例えば、もしその用途が、ＣＴ走査構台内のｘ線管が患者の体の周りで回転することを可能にする軸外の集電環であれば、その電気接点は、一秒当たりおよそ１５メートル（「ｍ／秒」）の表面速度で動作し、１億回転の間において持続し、構台内の最小の容積を占めるように、（可能性のある何百アンペアもの急上昇を伴う）約１００〜２００アンペアを運搬するように設計されなければならない。直径において約６フィート［１．８２８８メートル（「ｍ」）］である機器について１億回転の要件を満たすためには、ブラシ力（すなわち、ブラシの先端が回転子に対して圧せられる力）は、摩擦加熱を最小化するために低く、なおかつ、要求される電流密度を実現するためにブラシと回転子環との間において多数の接点を維持しなければならない。
【０００５】
ＦＯＴブラシ組立体を使用する先行技術の集電環の様々な配列および構成が、ＵＳ  ７，１０５，９８３  Ｂ２（米国特許第７，１０５，９８３号）、ＵＳ  ７，３３９，３０２  Ｂ２（米国特許第７，３３９，３０２号）、ＵＳ  ７，４２３，３５９  Ｂ２（米国特許第７，４２３，３５９号）、ＵＳ  ７，４９５，３６６  Ｂ２（米国特許第７，４９５，３６６号）、ＵＳ  ７，５４５，０７３  Ｂ２（米国特許第７，５４５，０７３号）において、かつＵＳ  ２０１４／００４５３４８  Ａ１（米国特許出願公開第２０１４／００４５３４８号）（２０１２年３月１３日に出願されたＰＣＴ／ＵＳ２０１２／００１３７（国際出願第ＰＣＴ／ＵＳ２０１２／００１３７号））において代表的に図示および記載されている。これらの先行技術の参考文献は本出願の譲受人に譲渡されており、参照により本明細書によって組み込まれている。
【０００６】
近年において、繊維質金属ブラシの使用への関心が再び起こっている。金属繊維ブラシは、より高い電流密度を扱い、より低い電気雑音を有し、かつより高い表面速度で動作しつつより長い寿命を有する性能を有する。これらのパラメータのそれぞれは、ブラシと回転子環との間の従来技術による複合材料のブラシより多い接点に、繊維一本当たりのより小さい力に、かつより小さい摩擦加熱に関係している。繊維先端と回転子環との間の実際の接触領域は、「界面の」接触領域として知られている。複合ブラシの面と回転子との間の実際の接触領域は、その投影された幾何学的領域の外形より遥かに小さいことが知られている。それ故、ブラシを、いくつかの場合において、個々の小径の繊維である要素に細分する理由がある。例えば、ＦＯＴ接点は、典型的な軍事的および産業上の用途のためにおよそ２０００〜３０００アンペア／平方インチの電流密度を運搬することができるのに対して、複合材料のブラシは、こうした用途のために約２００〜６００アンペア／平方インチの電流密度を運搬することに限定される。ＦＯＴブラシは、その束の直径、ひいては、その束内の繊維の数を増加させることによって、より高い電流密度を満たすように設計することができる。
【０００７】
また、最中央の繊維が除去されている状態で設計されたブラシ束が、より小さい摩擦熱を生成することになることが示されてきた。下記の表１は、ＵＳ  ２０１４／００４５３４８  Ａ１（米国特許出願公開第２０１４／００４５３４８号）（上記参照）における表２からのデータを包含しており、先行技術の（すなわち、最中央の繊維が除去されていない状態の）ＦＯＴブラシに対する改良された（すなわち、最中央の繊維が除去されている状態の）ＦＯＴブラシの改良点をさらに示している。この表は、改良されたＦＯＴブラシが先行技術のブラシより８２乃至８６倍の倍数だけ小さい摩擦加熱を生成することを示している。摩擦および電気試験が組み合わされるときに、その倍数は電流の平方に比例して減少する。２２ｘおよび６．１ｘという改良倍数は、束内の繊維の数を増加させることによりさらに改良することができる。これに加えて、ブラシの数を高電流の要件を満たすように設計することができる。
【表１】
0006531169.tif 000002
【０００８】
一つの論文（ルイス，ノリス・Ｅ．、リード，チャールズ・Ｗ．、ウィザースプーン，バリー・Ｋ．；「潤滑量：金の摺動接点の摩耗特性および原位置での汚染形成に対する影響の観察」；成分、混成物、および製造技術に関するＩＥＥＥ議事録、第ＣＨＭＴ−２巻、第１号、１９７９年３月（Lewis, Norris E., Reed, Charles W., Witherspoon, Barry K.; "Lubrication Quantity: Observation of the Effects on Gold Sliding Contact Wear Character and In Situ Contamination Formation"; IEEE Transactions on Components, Hybrids, and Manufacturing Technology, Vol. CHMT-2, No. 1, March 1979.））は、以下のことを報告している：
「特定の集電環組立体について、その摩耗特性が潤滑剤の量を変動させることにより変更されることが観察されてきた。こうした観察は、厳密に制御された実験室条件の下で試験された金合金の摺動接点について、および現場設備から取り出された同様の接点について行われた。薄い皮膜の境界潤滑について、その摩耗過程はアントラー（Antler）により明示された粘着および研磨形態に従う。しかしながら、浸された境界潤滑については、その浸された状態が存在する限り、その摩耗過程は粘着形態に留まるように思われる。
＊＊＊
行われてきた観察は、以下のとおりである：
１）用いられる潤滑剤とは無関係に、薄い皮膜で潤滑された金の摺動接点は、微細に分かれた黒い外見の摩耗粒子を生成した。・・・・
２）用いられる潤滑剤とは無関係に、ブラシおよび環の接触区域が浸没される程度に潤滑剤で浸された摺動接点は、外見においては金である、薄い皮膜で潤滑された接点より遥かに大きい摩耗粒子を生成する。・・・
３）潤滑剤で浸されている摺動接点は、薄い皮膜で潤滑されたものよりも、電気雑音を結果的にもたらす接触区域内の汚染物質の皮膜を形成しにくい。これは、接点組立体が多重化学環境に曝されるときには特に正しい。」
【０００９】
接触界面が浸没されるように潤滑剤レベルが増加されるときに、摩耗形態は研磨性から粘着性に変化する。研究は、粘着性摩耗が起こるときに、回転子材料が回転子（環）から固定子（ブラシ）に転移することになることを示してきた。摺動が続くにつれ、環材料は加工硬化されるようになり、接点寿命が増加される。銀／銅（「Ａｇ／Ｃｕ」）のＦＯＴブラシが、液体窒素中に浸没されつつ、電着された金の回転子環上で作動されるときに、回転子環からの金は繊維先端に転移し、そのため、より不活性な金上金（gold-on-gold）の接触界面を与える。（図１Ａ〜１Ｄ、および図４Ａ〜４ＤでのＳＥＭ／ＥＤＡＸの結果を参照されたい。）
【００１０】
これに加えて、金合金繊維と対比して、転移された金の先端を有する銀／銅合金繊維を用いることによる著しい費用低減がある。下記の表２で示されているように、および、１６のブラシを有する、図７で例解されているパンケーキ型集電環を用いる場合、金合金繊維対転移された金の先端を有する銀／銅繊維についての費用比較の一例としては、その差は、４０００の繊維／ブラシに基づいて、１６のブラシについて＄２，５２１．６０（すなわち、＄２，５６０．００−＄３８．４０＝＄２，５２１．６０）である。
【表２】
0006531169.tif 000003
【００１１】
別の論文［ライヒナー，Ｐおよびドーシ，Ｖ．Ｂ．；「新たな高電流ブラシの実証のための同極モータ」；電流収集における進歩：Ｉ．Ｒ．マクナブ・ニューヨーク；エルゼビア／ノース・ホーランド社；（１９８２年）、６９〜７１ページにて（Reichner, P. and Doshi, V. B.; "A Homopolar Motor for the Demonstration of New High Current Brushes"; /Advances in Electrical Current Collection: Ed. I.R. McNab. New York: Elsevier/North-Holland Inc.; (1982), at pp. 69-71）］は、以下のことを報告している：
「適当な条件下においては、極めて高い電流を摺動電気接点の全域に移送することができる。これは、固体および繊維ブラシならびに液体金属の電流収集システムを用いた近年の調査実験において実証されてきた。この調査の究極の目的は、高電力密度および高効率の実用的な電気機械の開発である。液体金属の電流移送システムは、集電環の本質的に１００％の領域の被覆という利点を有するが、特に、慣性閉じ込め技術を全動作速度範囲の全体にわたり適用することができないモータにとって、液体の包含という問題をもたらしている。一般に用いられる液体金属は、化学的な安定性および適合性の問題、より厳重な絶縁要件およびさらには安全上の危険をも有する。固体および繊維ブラシを用いた近年の実験結果は、良好なブラシの寿命を伴う効率的な収集器の動作を約束している。
同極（つまり単極）モータまたは発電機等の低電圧高電流の機械において、従来の電流密度での電流収集器は機械の大きさ、重量および電力損失における主たる要因である。これは、螺旋状に溝を付けられた収集器の相対的な大きさおよび初期の機械における有効長さにおいて見られる。・・・ここでは、有効長さは回転子の長さの１０％より小さい。
実験用高電流ブラシの概念の実用的な機械の適用への置き換えには、いくつかの要因、主に、温度および雰囲気と関連するものの考慮および制御が必要とされる。例えば、増加された集電環の被覆の３つの潜在的な影響は以下のとおりである：
（１）十分な冷却技術が使用されない限り過剰な温度を結果的にもたらすことになる、電力散逸の集中がある。
（２）軌道面の周囲雰囲気への低減されたアクセス時間は、吸着または化学吸着された表面層の形態にある潤滑皮膜の有効性に影響し得、より高い摩擦および摩耗を結果的にもたらし得るだろう。
（３）摩耗屑の増加された集中は、除去のための低減された領域を伴って、ブラシ接点の親密性に、およびことによるとブラシ運動の自由に干渉し得るだろう。
加えて、ブラシの電流密度が大いに増加されるとき、ブラシと固定子導体との間にある、分岐器の導線の断面積は増加しなければならない。分岐器の長さは、可撓性を維持するように増加させることもできる。分岐器およびブラシ保持器は、電流収集システム設計における主たる要素になる。慣性効果も、乗り物の駆動等のいくつかの用途において考慮しなければならない。」
【００１２】
下記の表３で要約されているように、上記に列挙されている集電環および同極モータに関する電気接点の問題は、液体窒素中に浸没された超伝導リボンおよびＦＯＴブラシの適用により取り除くことができる。
【表３】
0006531169.tif 000004
【００１３】
超伝導同極モータを開発することに努力が向けられてきた。これは、舶用推進システムにおいて特に有利であることになるだろう。１つの出典［パテル，マクンド・Ｒ．；舶用推進、電力電子工学、および海洋エネルギー；ＣＲＣ出版、ボカラトン、フロリダ（２０１２年）（２１９〜２２０ページにて）（Patel, Makund R.; Shipboard Propulsion, Power Electronics, and Ocean Energy; CRC Press, Boca Raton, Florida (2012) (at pp. 219-220)）］は、同極モータを用いることによる従来の銅モータに対する重量および体積の低減の可能性を認識している。例えば、１５０ｒｐｍで回転する心棒を有する２１メガワット４キロボルトの銅モータが約１８３メートルトン（すなわち、１メートルトン＝１０００キログラムつまり２２０４．６ポンド）の重さであるのに対し、約１２０ｒｐｍで回転する心棒を有する３６．５メガワット６．６キロボルトの高温超伝導モータは７５メートルトンより小さい重さであるだろう。同極機械内においては、整流子は全く必要とされない。同極モータはＤＣ電流のみを用いるため、それにより、そのモータ駆動が他のモータ駆動より簡素かつ安価であることが可能になる。しかしながら、数十メガワット定格を有する高出力同極モータは、莫大な電流を運搬しなければならない。これは、電流収集、ブラシの腐食および火花発生において設計上の難題をもたらしている。超伝導同極モータは、永久磁石モータより電力密度が高く、より静かに作動し、かつよりエネルギー効率が良くあり得るものの、この論文は、数十メガワットを有する同極モータに必要とされる大きい電流の首尾の良い収集がまだ実証されていないことを述べている。［合意、スーペルチンスキー，ジュニア、マイケル・Ｊ．；「高温超伝導体界磁巻線を有する同極モータ」；超伝導性の応用に関するＩＥＥＥ議事録、第７巻、第２号（１９９７年６月）（Accord, Superczynski, Jr., Michael J.; "Homopolar Motor with High Temperature Superconductor Field Windings"; IEEE Transactions on Applied Superconductivity, Vol. 7, No. 2 (June 1997)）。］
【００１４】
別の出典［カルシ，スワン・シン；「高温超伝導体の電力設備への応用」；ＩＥＥＥ、ジョン・ワイリー＆サンズ社、ホーボーケン、ニュージャージー（２０１１年）（１３５ページにて）（Kalsi, Swann Singh; "Applications of High Temperature Superconductors to Electric Power Equipment"; IEEE, John Wiley & Sons, Inc., Hoboken, New Jersey (201 1 ) (at p. 135)）］は、超伝導同極モータの開発を概観し、ブラシがＤＣ同極機械の開発に対する最大の難題であると結論付けた。この論文は、固体炭素および金属−黒鉛ブラシがそれらの低い電流密度性能および過剰な摩耗に起因して不十分であることがわかっていると列記している。伝えられるところによれば、液体金属ブラシも試されたが、材料および寿命の制限に起因して不適切であるとみなされた。この論文は、加湿二酸化炭素（「ＣＯ２」）環境内で動作する銅繊維ブラシが考慮されており、電流運搬性能と長期間の摩耗との折衷を提供するように思われると報告している：
「ブラシは、ＤＣ同極機械にとって最大の難題である。ブラシは、モータの固定された部分（固定子）内に位置しており、通常は伝導性で液体冷却される回転子に電気的接続を提供する。固体炭素または金属−黒鉛ブラシは、それらの低い電流密度性能および過剰な摩耗に起因して不十分であることがわかった。黒鉛繊維ブラシは、初期の超伝導同極モータにおけるいくらかの成功をもって用いられた。液体金属ブラシも、１９８０年代にわたり開発されて同極機械に適用されたが、材料および寿命の制限に起因して多くの用途に適切ではなかった。現在、濡れた加湿ＣＯ２環境内で動作する銅繊維ブラシが考慮されており、これは電流運搬性能と長期間の摩耗との折衷を提供する。そのようなブラシは、５年の動作寿命を提供すると予想される。典型的な動作輪郭に関して、これは６．５×１０７ｍ／年というモータの集電環の移動に等しい。著しい難題は、ブラシの損失をそれらの最大動作温度を制限するように制御することである。この理由のために、回転子および固定子のブラシ負荷および液体冷却のための複雑な手段が必要である。」
【００１５】
下記の表４は、ＵＳ  ２０１４／００４５３４８  Ａ１（米国特許出願公開第２０１４／００４５３４８号）（上記参照）の表３から引用され、片持ち梁および否定素子バネを用いた、４．２２×１０９および５．５×１０９インチの環の移動についてそれぞれ首尾良く試験された、改良された（すなわち、最中央の繊維が除去されている状態の）ＦＯＴブラシについて編集された摩耗データを包含している。ブラシの状態に基づいて、試験結果を別の５０〜１００億インチの環の移動について投影することができると結論付けられた。こうした試験は、潤滑剤の非常に薄い皮膜を用いて大気温度で行われた。液体窒素中に浸没されて作動するときに、等しいかまたはより良好な寿命が実現されることになるだろうということが予想されることになるだろう。ブラシの自由長さは、試験の始まりにおいて０．４インチであった。この試験の結果に基づいて、上記で参照されている６．５×１０７ｍ／年（２．５６×１０９インチ／年）という要件を、２倍上回るはずである。
【表４】
0006531169.tif 000005
【００１６】
改良された（すなわち、最中央の繊維が除去されている状態の）ＦＯＴブラシの利点が、表５で要約されている。
【表５】
0006531169.tif 000006
【００１７】
多くの場合において、上記で、および下記の表６でも参照されているもののような超伝導体が用いられてきた。［出典：シーヘン，トーマス・Ｐ．；高温超伝導性入門；プレナム出版、ニューヨーク；（１９９４年）、第１章、４ページ（Sheahen, Thomas P.; Introduction to High-Temperature Superconductivity; Plenum Press, New York; (1994), Chapter 1, p. 4）］：
「１００Ｋ近くで超伝導性であり続ける、酸化銅を基礎とする陶材がある。例えば、イットリウム・バリウム・銅酸化物（ＹＢＣＯ）という化合物は、９２Ｋまで超伝導性であることが発見されている。これは、ほとんどの人々にとって『高い』温度のようには思われないかもしれないが、冷凍剤の費用を計算する技術者にとって、それは十分に高い：液体窒素は、ＹＢＣＯをその超伝導の範囲に冷却するのに十分である。」
【００１８】
超伝導性は、特定の材料により、それらの各自の遷移温度より低く冷却されるときに呈される現象である。こうした遷移温度より下においては、超伝導材料は実質的にゼロの電気抵抗を呈する。この点における初期の努力は、様々な材料を超伝導状態に遷移させるのに必要とされる温度により制限された。例えば、ヘリウムは約４．２°Ｋで液体になり、ネオンは約２８°Ｋで液体になり、窒素は約７７°Ｋで液体になり、酸素は約９０°Ｋで液体になる。しかしながら、酸素は可燃性である。窒素を液化するのは、ヘリウムおよびネオンを液化するより容易で遥かに費用がかからない。同時に、それより下においては超伝導性になるより高い遷移温度を有する、より新たな材料が開発されてきた。これらは、高温超伝導（「ＨＴＳＣ」）材料として知られている。そのようなＨＴＳＣ材料の例は、表６で明示されている。
【表６】
0006531169.tif 000007
【００１９】
従って、回転子と固定子との間で電力および／または（一つまたは複数の）電気信号を移送するための改良された電気接点を提供することが非常に望ましいことになるだろう。
【００２０】
集電環および同極モータおよび発電機における使用のための改良された繊維ブラシ組立体を提供することも非常に望ましいことになるだろう。
【００２１】
（一つまたは複数の）超伝導材料の（一つまたは複数の）遷移温度より低く冷却されるときに、ブラシバネおよび環の組み合わせの電流運搬性能を著しく増加させるために、ＦＯＴブラシバネ上に、回転子環の内径上に、および同極モータの円盤電機子上に戦略的に位置する超伝導リボンと組み合わされたＦＯＴブラシ技術を使用する集電環および同極モータ／発電機を提供することも非常に望ましいことになるだろう。超伝導リボンは、環（集電環）の内径および円盤電機子（同極モータ）の上に位置しており、それにより、ＦＯＴブラシが銅層を通じてリボン上で摩耗することはない。この場合において、ブラシおよび環の組み合わせの温度を７７°Ｋに低減する液体窒素も、接触界面用の潤滑剤であることになる。
【００２２】
これらおよび他の目的および利点は、先のおよび進行中の明細書、図面、および添付の請求の範囲から明白になることになる。
【発明の概要】
【００２３】
発明の開示
例解の目的のためのみであって限定のつもりではなく、（一つまたは複数の）開示されている実施形態の対応する箇所、部分または表面を挿入句的に参照して、本発明は、固定子と回転子との間に電気接点を設けるように適合されている改良された機器を提供する。
【００２４】
１つの態様において、改良された機器（４０）は、固定子と２つの回転子環（４１Ａ，４１Ｂ、・・・）との間に電気接点を設けるように適合されており、固定子上に搭載された少なくとも２つの電流運搬ブラシバネ（３４、３４）であって、各ブラシバネは２つの向かい合う表面を有する、ブラシバネと、各ブラシバネ上に搭載された少なくとも１つの繊維質ブラシ組立体（３５）であって、各ブラシ組立体は、繊維の先端が固定子と関連する回転子環との間で電流を移送するために関連する回転子環に係合することになるように配列された繊維（３６）の束を有する、ブラシ組立体と、各ブラシバネの向かい合う表面上に搭載され、固定子を関連するブラシバネ上に搭載された各ブラシ組立体と連通させる超伝導材料のリボン（３２、３３）と、回転子環の内径上に搭載された超伝導材料の別のリボン（２９）と、を広範に含み、本機器は、超伝導材料の遷移温度より低い温度で極低温流体中に浸没され、それにより、本機器の電気抵抗率は実質的にゼロに低減されることになり、本機器の電流移送性能は増加されることになる。
【００２５】
極低温流体の誘電強度は、空気の誘電強度の約２０倍であり得る。
【００２６】
超伝導材料（２９、３２、３３）は、同じものであり得る。
【００２７】
極低温流体は、液体窒素であり得る。
【００２８】
各ブラシバネ上に搭載されたリボンは、ブラシバネに半田付けされることによるようにそこに固定される。
【００２９】
各ブラシバネ（３１）上に搭載されたリボン（３２、３３）は、本機器が極低温流体の温度に冷却されるときに、各ブラシバネにより関連するブラシ組立体に及ぼされる力がその上に搭載された超伝導リボンにより影響されることがないように構成および配列され得る。
【００３０】
各ブラシバネ上に搭載されたリボン（３２、３３）は、寸法的に同じであり得る。
【００３１】
各ブラシ組立体はブラシ管（３７）を含み得、関連する繊維束の１つの辺縁端部分はブラシ管内に受け入れられ得る。
【００３２】
本機器は、回転子が固定子に対して回転するときに、視準器管の下端が関連する束内の繊維の下部辺縁端部分の側方運動を制限するように適合されるように、各ブラシ管の一部を包囲し、そこを超えて延在する視準器管をさらに含み得る。
【００３３】
各視準器管は、関連するブラシ管上に調節可能に搭載され得る。
【００３４】
各ブラシ管より下にある繊維の中央部分は、各ブラシ管より下に延在する繊維が環形の形態にあるように除去され得る。
【００３５】
本機器は、集電環（４０）、同極モータ（８０）、同極発電機（８０）、または何らかの他の種類の機器であり得る。
【００３６】
束内の繊維は約０．００３インチの名目直径を有し、繊維一本当たりの最大電流密度は約１７６９アンペア／平方インチであり得る。
【００３７】
別の態様において、本発明は、回転子（４１）を設けるステップと、回転子上に金環を設けるステップと、銀／銅繊維（３６）の束を有するブラシ組立体（３５）を設けるステップと、金属繊維の先端が回転子環に係合するように固定子上に各ブラシ組立体を搭載するステップと、極低温流体中にブラシ組立体を浸没させるステップと、金が回転子環から繊維の先端に移送されるように回転子を繊維先端に対して動かし、、それにより、回転子環と繊維の先端との間に金上金の電気摺動接点を設けるステップと、を含む、回転子環（４１）と、固定子上のブラシ組立体（３５）内に搭載された複数の金属繊維（３６）の先端との間に金上金の電気摺動接点を設ける改良された方法を提供する。
【００３８】
回転子は、ドラム型集電環（例えば、図５を参照されたい）、パンケーキ型集電環（例えば、図７を参照されたい）、円盤電機子型の同極モータまたは円盤電機子型の同極発電機（例えば、図９を参照されたい）の一部であり得る。回転子環は、回転子の外表面上に設けられ得る。
【００３９】
本方法は、追加のステップ：向かい合う表面を有する電流運搬ブラシバネ（３１）を設けるステップと、超伝導材料のリボン（３２、３３）を設けるステップと、ブラシバネの向かい合う表面のそれぞれの上に超伝導材料のリボンを搭載するステップと、固定子上にブラシバネの近接端を搭載するステップと、固定子がブラシバネおよびリボンを通じてブラシ組立体と連通するように、ブラシバネの遠位辺縁端部分上に各ブラシ組立体（３５）を搭載するステップと、を含み得る。
【００４０】
本方法は、追加のステップ：超伝導材料の別のリボン（２９）を設けるステップと、回転子環（４１）の内径上にそのような他のリボンを搭載するステップと、をさらに含み得る。
【００４１】
極低温流体は、好ましくは、超伝導材料、および他の超伝導材料の遷移温度より小さい温度にある。
【００４２】
回転子環を繊維先端に対して動かすステップは、回転子環を繊維先端に対して回転させるステップを含み得る。
【００４３】
本方法は、追加のステップ：金属繊維の先端を回転子環に対して約２００グラムの力をもって付勢するステップをさらに含み得る。
【００４４】
別の態様において、本発明は、少なくとも２つの金環を有する回転子（４１ａ、４１Ｂ、・・・）と、固定子と、固定子上に搭載された近位端を有し、かつ回転子環のうち関連するものに近接して配列された遠位端を有するバネ組立体（３１、３１）であって、各バネ組立体は超伝導材料（３２、３２）を含む、バネ組立体と、各バネ組立体の遠位辺縁端部分上に搭載された少なくとも１つのブラシ組立体（３５）であって、各ブラシ組立体はブラシ保持器（３７）を有し、かつ束内で配列された複数の銀／銅金属繊維（３６）を有し、束の１つの辺縁端部分は関連するブラシ保持器内で配列され、束の反対端はそのような関連する回転子環に係合する複数の繊維先端内で終端する、ブラシ組立体と、を含む改良された集電環（４０）を提供し、本集電環は極低温流体中に浸没され、それにより、超伝導材料の温度はその遷移温度より低く低減され、銀／銅繊維の先端は金で覆われ、それにより、本集電環は繊維の先端と回転子環との間に金上金の摺動接点を有することになる。
【００４５】
別の態様において、本発明は、少なくとも１つの金環（８８）を有する回転子（８３）と、固定子と、少なくとも１つのバネ組立体（８２）であって、各バネ組立体は固定子上に搭載されたその近位端を有し、かつ関連する回転子環に近接して配列されたその遠位端を有し、各バネ組立体は超伝導材料（８５）を含む、バネ組立体と、各バネ組立体の遠位辺縁端部分上に搭載された少なくとも１つのブラシ組立体（６９）であって、ブラシ組立体のそれぞれはブラシ保持器（７２）を有し、かつ束内で配列された複数の銀／銅金属繊維（７１）を有し、束の１つの辺縁端部分は関連するブラシ保持器内で配列され、束の反対端は関連する回転子環に係合する複数の繊維先端内で終端する、ブラシ組立体と、を含む改良された同極モータ（８０）を提供し、本同極モータは極低温流体中に浸没され、それにより、超伝導材料の温度はその遷移温度より低く低減され、銀／銅繊維の先端は金で覆われ、それにより、本同極モータは繊維の先端と回転子環との間に金上金の摺動接点を有することになる。
【００４６】
なお別の態様において、本発明は、少なくとも１つの金環（８８）を有する回転子（８３）と、固定子と、少なくとも１つのバネ組立体（８２）であって、各バネ組立体は固定子上に搭載されたその近位端を有し、かつ関連する回転子環に近接して配列されたその遠位端を有し、各バネ組立体は超伝導材料（８５）を含む、バネ組立体と、各バネ組立体の遠位辺縁端部分上に搭載された少なくとも１つのブラシ組立体（６９）であって、ブラシ組立体のそれぞれはブラシ保持器（７２）を有し、かつ束内で配列された複数の銀／銅金属繊維（７１）を有し、束の１つの辺縁端部分は関連するブラシ保持器内で配列され、束の反対端は関連する回転子環に係合する複数の繊維先端内で終端する、ブラシ組立体と、を含む改良された同極発電機（８０）を提供し、本同極モータは極低温流体中に浸没され、それにより、超伝導材料の温度はその遷移温度より低く低減され、銀／銅繊維の先端は金で覆われ、それにより、本同極発電機は繊維の先端と回転子環との間に金上金の摺動接点を有することになる。
【００４７】
従って、本発明の全般の目的は、回転子および固定子等の、２つの相対的移動部材間に電気接点を設けるための改良された超伝導機器を提供することである。
【００４８】
別の目的は、集電環、同極モータ、同極発電機、または同種のものとしての使用のための改良された超伝導機器を提供することである。
【００４９】
これらおよび他の利点は、先のおよび進行中の明細書、図面、および添付の請求の範囲から明白になることになる。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】図１Ａは、先行技術の繊維ブラシの先端を見ているＳＥＭ写真である。図１Ｂは、銀および銅に加えて、繊維先端上の金の存在に注目している、図１Ａ中の示されている囲み部分内で取られた繊維の先端のＥＤＡＸ解析である。図１Ｃは、繊維がＡｇ／Ｃｕ合金で作られることを確証している、図１Ｄで示されている繊維のＥＤＡＸ解析である。図１Ｄは、参照材料としてのＡｇ／Ｃｕ繊維のＳＥＭ写真である。
【図２】銀メッキされた回転子環上のＡｇ／ＣｕのＦＯＴブラシについて、および金メッキされた回転子環上のＡｇ／ＣｕのＦＯＴブラシについての、静的接触抵抗対電流の図表である。
【図３】ブラシおよび環が液体窒素の溜まり（図示せず）中に浸没されている状態で、ＦＯＴの静的抵抗の測定を行うための小振幅回転子発振性能を有する試験装置の概略的等角図である。
【図４】図４Ａは、高順応性のＡｇ／ＣｕのＦＯＴブラシの先端を見ているＳＥＭ写真である。図４Ｂは、銀および銅に加えて、繊維先端上の金の存在に注目している、図４Ａ中で示されている囲み部分内で取られた繊維の先端のＥＤＡＸ解析である。図４Ｃは、繊維がＡｇ／Ｃｕ合金で作られることを確証している、図４Ｄで示されている繊維のＥＤＡＸ解析である。図４Ｄは、参照材料としてのＡｇ／Ｃｕ繊維のＳＥＭ写真である。
【図５】本発明の原理を使用するドラム型多重経路超伝導集電環の概略的等角図である。
【図６】液体窒素中に浸没されるときに３０ｒｐｍで回転する高順応性のＦＯＴブラシを伴い、かつ０〜１８０Ａに及ぶ電流についての、電圧降下対電流および接触抵抗対電流の図表である。
【図７】本発明の原理を使用するパンケーキ型多重経路超伝導集電環の概略的上平面図である。
【図８】片持ち梁ブラシバネおよび回転子の内径に取り付けられた超伝導リボンを有する、改良されたドラム型集電環の概略図である。
【図９】ＦＯＴブラシおよび超伝導片持ち梁バネを設けられた、改良された円盤電機子同極モータ／発電機の概略図である。
【図１０】片持ち梁ブラシバネおよび追加の電流容量のための追加のＦＯＴブラシ組立体を有する、改良された超伝導ドラム型集電環の概略図である。
【図１１】図１１Ａは、否定素子バネおよびＦＯＴブラシ組立体を有する超伝導ドラム型集電環の概略図である。図１１Ｂは、金属ブラシ保持器の中心内で超伝導リボンと連通している導線上の超伝導リボンを示す詳細図である。
【図１２】図１２Ａは、片持ち梁付きバネの遠位端上に搭載された否定素子バネおよびＦＯＴブラシ組立体を有する、改良された超伝導ドラム型集電環の概略図である。図１２Ｂは、金属ブラシ保持器の中心内で超伝導リボンと連通している導線上の超伝導リボンを示す詳細図である。
【発明を実施するための形態】
【００５１】
好適な実施形態の記載
初めに、同じ構造上の要素、部分または表面は、中でもこの詳細な記載が不可欠な部分である明細書全体によりさらに記載または説明されることがあるために、同種の参照数字は、そのような要素、部分または表面を識別するように意図されていることを明確に理解されたい。他に示されていない限り、図面は明細書と共に一読される（例えば、斜交平行線模様、部品の配列、割合、度合など）ように意図されており、この発明の記載全体の一部と考えられるものである。以下の記載において用いられている際に、「水平」、「垂直」、「左」、「右」、「上」および「下」という用語、ならびにその形容詞および副詞の派生語（例えば、「水平に」、「右方に」、「上方に」など）は、特定の図面の図が読者に向いているために、例解されている構造の配向に単に言及しているのみである。同様に、「内方に」および「外方に」という用語は、必要に応じて、その伸長軸、または回転軸に対する表面の配向に概して言及している。
【００５２】
実験用超伝導集電環（図１Ａ〜１Ｄ）内における回転子環から繊維先端への金の移送
ここで図面に、より具体的にはその図１Ａ〜１Ｄに言及すると、これらの４つの図面の図は、図１Ａで示されている先行技術のブラシ束の走査型電子顕微鏡（「ＳＥＭ」）／エネルギー分散型Ｘ線（「ＥＤＡＸ」）解析を描写している。
【００５３】
束内の個々の繊維は、銀／銅（「Ａｇ／Ｃｕ」）合金で形成される。繊維は、固定子上に搭載され、液体窒素中に浸没され、繊維の先端が回転子上の金の電着層に摺動可能に係合するように配列された。図１Ａは、束内の繊維の遠位端のＳＥＭ写真であり、円形のＦＯＴ構成を有するものとして（すなわち、最中央の繊維が除去されていない状態で）束を示している。図１Ｂは、図１Ａ中の示されている囲み部分内で取られた繊維先端のＥＤＡＸ解析である。図１Ｂは、銀および銅に加えて、繊維先端上の金の存在を示している。金の唯一の源は、回転子上の金の電着層であるため、図１Ｂは、電着された回転子環からの金が回転子環から実験用超伝導集電環内の束内の繊維の先端に移送されたことを示している。
【００５４】
図１Ｃは、参照材料としてのＡｇ／Ｃｕ繊維の中間部分のＥＤＡＸ解析である。図１Ｄは、図１Ｄで示されている繊維の中間部分のＳＥＭ写真である。銀／銅繊維（図１Ａ〜１Ｂ）の先端上の金の存在は、金が回転子環から繊維の先端に移送されたことを確証している。
【００５５】
電気接触抵抗対電流（図２）
図２は、液体窒素の溜まり（図示せず）中に浸没されるときの、図１Ａ〜１Ｄで部分的に示されている、固定子搭載の超伝導ブラシバネおよび回転子環についての静的なＦＯＴ接触抵抗（縦座標）対電流（横座標）の図表である。接触抵抗はミリオームで表示されており、電流はアンペアで表示されている。正方形およびダイヤモンド形状のデータ点を接続する２つの曲線は、銀メッキされた回転子環上に乗っているＡｇ／ＣｕのＦＯＴブラシについて得られた値を描写している。三角形のデータ点を接続する曲線は、金メッキされた回転子環上に乗っているＡｇ／ＣｕのＦＯＴブラシについて得られた値を描写している。
【００５６】
これらの曲線は、銀メッキされた環上に乗っているＡｇ／ＣｕのＦＯＴブラシの接触抵抗が０〜３０アンペア間の増加する電流と共に急激に減少し、その後３０〜７０アンペア間で横這い状態になり始める（すなわち、より緩慢に下降し始める）ことを示している。他方、金メッキされた回転子環上に乗っているＡｇ／ＣｕのＦＯＴブラシの接触抵抗は、０〜７０アンペア間の電流範囲全体において実質的に一定である。これは、金環上で摺動する金の先端を有するＡｇ／Ｃｕ繊維の不活性さを確証している。
【００５７】
ドラム型単一経路試験装置（図３）
図３は、ブラシおよび環が液体窒素の溜まり（図示せず）中に浸没されている状態で、図２で示されている静的なＦＯＴ接触抵抗の測定を行うための試験装置の概略図である。この装置は、小振幅発振を受けるが回転はしないように設計された単一経路ドラム型集電環である。
【００５８】
概して２０で示されているこの装置は、弓形の線２２上の両方向の矢印により示されているように、中央の垂直な円筒形の心棒２３の軸（ｙ−ｙ）の周りで、どちらかの角度方向に小さい振幅で発振されるように配列された上方に向いている杯形状の回転子２１を有する。回転子は、その内径２６に取り付けられた超伝導リボン２９を有するものとして示されており、導線３０を有する。回転子は、心棒に接続された環状の水平な基部２４を有する。環２５は、心棒２３の軸の周りで生成される、内方および外方に向いている円筒形の表面２６、２８をそれぞれ有する。
【００５９】
固定子搭載の電流運搬ブラシバネ３１は１つの超伝導リボン３２を有し、このように形成された組立体は概して３４で示されている。導体３１は、長方形の横断面を有する水平に伸長された棒状の部材であるものとして示されている。超伝導リボン３２は、また長方形の横断面を有する水平に伸長された棒状の部材であるものとして示されている。リボン３２は、半田付けまたは同種のことによるように、導体３１の対向表面に適切に固定することができる。リボンおよび導体の小組立体３４の近位辺縁端部分は、固定子（図示せず）上に搭載される。リボン３２は、導線３８を介して接続される。適切な電圧源（±ΔＶ）は、源から集電環を通じて源に戻るように電流を流すように導線３０、３８間で印加される。
【００６０】
繊維質ブラシ組立体３５は、リボンおよび導体の組立体３４の遠位辺縁端部分上に搭載される。ブラシ組立体は、複数の金属繊維３６を備え、ブラシ管３７内に搭載された繊維質ブラシ３６を含む。
【００６１】
装置２０全体が、液体窒素等の、適切な極低温液体の溜まり（図示せず）中に浸没される。リボン３２は、室温でいくらかの電気抵抗を有するものの、（液体窒素中に浸没されるときのように）遷移温度より低く冷却されると、それは実質的にゼロの電気抵抗を有する。電流は、最も小さい電気抵抗の進路を通じてリボンおよび導体の小組立体３４に沿って固定子からブラシ組立体３５に搬送されるため、浸没されたリボンおよび導体の組立体３４は、実質的にゼロの電気抵抗で超伝導リボン３２に沿って固定子とブラシ組立体との間で高電流を運搬することができる。回転子の半径方向の厚さを通過した後に、そのような移送された電流は、回転子環の内部上の超伝導リボン２９により搬送し、その源に戻すことができる。
【００６２】
高順応性の改良されたＦＯＴブラシを用いる超伝導集電環内での回転子環から繊維先端への金の移送（図４Ａ〜４Ｄ）
図４Ａ〜４Ｄは、高順応性の（すなわち、最中央の繊維が除去されている状態の）ブラシ束を用いる超伝導集電環のＳＥＭ／ＥＤＡＸ解析を描写している。
【００６３】
図１Ａで示されている先行技術のブラシ束と同様に、図４Ａで示されている高順応性のブラシ束内の個々の繊維は、やはり銀／銅合金で形成される。ブラシ束は、固定子上に搭載され、液体窒素中に浸没され、繊維の先端が回転子上の金の電着層に摺動可能に係合するように配列された。図４Ａは、束内の繊維の遠位端のＳＥＭ写真であり、改良された高順応性のＦＯＴ構成を有するものとして（すなわち、最中央の繊維が除去されている状態で）束を示している。図４Ｂは、図４Ａ中の示されている囲み部分内で取られた繊維先端のＥＤＡＸ解析である。図４Ｂは、銀および銅に加えて、繊維先端上の金の存在を示している。回転子上の金の電着層であるため、これは、電着された回転子環からの金が回転子環（すなわち、金の唯一の源）から束内の銀／銅繊維の先端に移送されたことを確証している。
【００６４】
図４Ｃは、参照材料としてのＡｇ／Ｃｕ繊維の中間部分のＥＤＡＸ解析である。図４Ｄは、繊維の中間部分のＳＥＭ写真である。銀／銅繊維（図４Ａ〜４Ｂ）の先端上の金の存在は、金が回転子環から繊維の先端に移送されたことを確証している。
【００６５】
ドラム型多重経路超伝導集電環（図５）
図５において、概して４０で示されているドラム型多重経路超伝導集電環が、各側面上に環を支持する肩部を有する中間の誘電障壁により分離された、複数の垂直に積み重ねられた環４１を有するものとして示されている。様々な環が４１で別々に示されており、それぞれ、「Ａ」、「Ｂ」、「Ｃ」および「Ｄ」という文字により個々に識別されている。そのため、最上部の環は４１Ａで示されており、すぐ下の環は４１Ｂで示されており、３番目に下の機器は４１Ｃで示されており、最下部の環は４１Ｄで示されている。
【００６６】
各機器について１つの、複数の垂直に離間されている固定子搭載の積層されたリボン−導体−リボン小組立体３４がある。個々の小組立体３４は、それぞれ、「Ａ」、「Ｂ」、「Ｃ」および「Ｄ」という文字により個々に識別されている。小組立体３４Ａは最上部の環４１Ａと関連し、すぐ下の小組立体３４Ｂは環４１Ｂと関連し、すぐ下の組立体３４Ｃは環４１Ｃと関連し、最下部の組立体３４Ｄは最下部の環４１Ｄと関連する。これらの小組立体は先に記載されているとおりであるものの、そこから出ている導線は交流ＤＣ電圧源に接続される。そのため、最上部の導線は正電圧源に接続され、２番目に下の導線は負電圧源に接続され、３番目に下の導線は正電圧源に接続され、４番目に下の導線は負電圧源に接続される。隣接するリボン−導体−リボン小組立体３４間で垂直に空間を空けることにより、それぞれがそのすぐ側の隣接物から電気的に絶縁されることが確実になる。
【００６７】
そのため、図５におけるドラム型多重経路集電環４０は、４つの環４１Ａ、４１Ｂ、４１Ｃおよび４１Ｄをもって示されている。誘電障壁は、４つの環のそれぞれを（一つまたは複数の）その隣接する隣接物から電気的に絶縁するために環間の空間内に配置される。同様に、様々なリボン−導体−リボン組立体３４が互いから垂直に離間されており、これらは交流ＤＣ電圧源に接続される。
【００６８】
装置４０全体が、（一つまたは複数の）超伝導材料の温度を（一つまたは複数の）それらの各自の遷移温度より低く下げるために、液体窒素等の適切な極低温流体中に浸没される。そのため、この機器は、ドラム型多重経路集電環に、それぞれ、各回転子４１Ａ、４１Ｂ、４１Ｃ、４１Ｄおよびその関連するリボン−導体−リボンブラシバネ組立体３４Ａ、３４Ｂ、３４Ｃ、３４Ｄ間の電気的接続を提供し、他のものから絶縁される別個の経路を提供する。導体３１は、長方形の横断面を有する水平に伸長された棒状の部材であるものとして示されている。超伝導リボン３２、３３は、長方形の横断面を有する水平に伸長された棒状の部材であるものとして示されている。リボンは、好ましくは、同じ超伝導材料で形成され、かつ寸法的に同じであり、それにより、機器が極低温流体中に浸没されるときに、リボンおよび導体のバネ組立体により回転子に及ぼされる力が超伝導リボンの存在により影響されることはない。
【００６９】
電圧降下および接触抵抗対電流（図６）
図６は、高順応性のＦＯＴブラシを用いる、図５で示されているような機器についての電圧降下（左縦座標）および接触抵抗（右縦座標）対電流（横座標）の図表である。電圧降下はボルトで表現されており、接触抵抗はミリオームで表現されており、電流はアンペアで表現されている。繊維の先端は、回転子環の外表面上で環に係合するように１５０グラムの力をもって圧せられた。
【００７０】
電圧降下対電流は、正方形形状のデータ点を通じて引かれた直線であるものとして示されている。この線は、０．２２ボルトおよび２０アンペアでの一方の極点と、０．５０ボルトおよび１８０アンペアでの他方の極点との間に延在するものとして示されている。そのため、電圧降下は増加する電流と共に実質的に直線的に上昇する。
【００７１】
接触抵抗対電流は、三角形のデータ点を接続する曲線により示されている。この曲線は、電流が２０アンペアで５．６ミリオームから約７０アンペアで約２ミリオームに急激に下降し、その後、１８０アンペアで約１．４ミリオームという最終値に到達するまで、７０〜１８０アンペアの範囲内で横這い状態になる（すなわち、より緩慢に下降する）ものとして見られる。そのため、電流が２０から１８０アンペアに増加する際に電圧降下が実質的に直線的に増加するのに対し、接触抵抗は同じ電流の増加する範囲にわたり（最初は急激に、その後はより緩慢に）減少する。
【００７２】
図６（３０ｒｐｍでの測定）は、ＦＯＴブラシの接触抵抗がミリオームの範囲内にあり、電流が増加されるにつれて減少することを示している。そのため、全体の所有費用は、より少ない接点、ひいてはより高い接触抵抗を有するブラシより小さい。こうした測定を行うための装置が図５で示されている。
【００７３】
パンケーキ型多重経路超伝導集電環（図７）
図７は、パンケーキ型多重経路集電環において本発明の原理をどのように実施することができるのかを示している。
【００７４】
図７において、概して５０で示されている改良された機器が、垂直軸５２の周りで回転されるように適合されている回転子５１を含むものとして示されている。図７は集電環の上平面図であるため、軸５２は紙の平面に対して直角であり、点標識により表されている。回転子は、上平面で見られるときには円形または環状の部材であり、複数の同心の環を有する。これらの環は別々に５３で示されており、軸５２からの半径方向で外方の前進において、それぞれ、「Ａ」、「Ｂ」、「Ｃ」および「Ｄ」という文字により個々に識別されている。以前に特筆されたように、各環は回転子軸５２の周りで生成される。
【００７５】
別々に５８で示されている環状の誘電障壁は、各環を（一つまたは複数の）その隣接する隣接物から電気的に絶縁し、それらの間における交差結合を防ぐために、隣接する環間にある回転子の壁内に位置付けられる。より具体的には、環５３Ａ、５３Ｂ間にある壁内の第１の誘電障壁、環５３Ｂ、５３Ｃ間にある壁内の第２の誘電障壁、および環５３Ｃ、５３Ｄ間にある壁内の第３の誘電障壁がある。
【００７６】
別々に５９で示されており、かつ実質的に以前に記載されたように、複数の片持ち梁搭載のバネ組立体は、様々な環上に乗るように配列される。こうしたバネのそれぞれは、上記で記載されているように、固定子上に搭載されたそれらの近位辺縁端部分を有するリボン−導体−リボン積層物である。
【００７７】
やはり別々に３５で示されているブラシ組立体は、バネ５９の遠位辺縁端部分上に搭載される。各ブラシ組立体は、関連する環の表面に係合するように配列される複数のＦＯＴ搭載ブラシ繊維を有する。環一つ当たり２つの片持ち梁搭載のバネがあり、これらは回転子上の１２：００時および６：００時の位置に近接して配列される。環５３Ａと関連するバネは５９Ａ、５９Ａで示されており、環５３Ｂと関連するものは５９Ｂ、５９Ｂで示されており、環５３Ｃと関連するものは５９Ｃ、５９Ｃで示されており、環５３Ｄと関連するものは５９Ｄ、５９Ｄで示されている。
【００７８】
各バネ上に搭載された多数のブラシ組立体を有し得るドラム型の実施形態のように（例えば、図１０を参照されたい）、パンケーキ型の実施形態は、繊維先端と様々な環の底表面との間で十分でかつ連続的な電気接触を保証するために、バネの遠位辺縁端部分上に搭載された多数のブラシ組立体を有し得る。また、環状の超伝導リボンが各環の外径および内径上に位置することに留意されたい。
【００７９】
片持ち梁搭載のブラシバネの向かい合う側面および回転子の内径に取り付けられた超伝導リボンを有するドラム型集電環（図８）
図８は、固定子６１と回転子６２との間で電力および／または（一つまたは複数の）電気信号を伝達するように動作可能に配列される、概して６０で示されている改良されたドラム型集電環の概略図である。
【００８０】
概して６３で示されている片持ち梁搭載のバネ組立体は、固定子６１上に搭載されたその左つまり近位端を有し、回転子に近接して配列されたその右つまり遠位端を有する。このバネ組立体は、中央の水平に伸長された電流運搬ブラシバネ６４を有し、中心導体の上部および下部の表面上に搭載された超伝導材料のリボン６５、６５を有する。中心導体は、ベリリウム銅（ＢｅＣｕ）等の適切な材料で形成され得、概して長方形の横断面を有する。そのため、中心導体は、それぞれ、水平に伸長された平面状で長方形の上部および下部の表面、６６、６８を有する。中心導体は、（１）その近位および遠位端の間で電流を運搬する超伝導リボンを支持し、（２）繊維質ブラシ組立体６９の先端を回転子の外表面上に電着された金環７０に対して圧するように、その近位および遠位端の間で屈曲バネとして作用する、２つの主な機能を有する。超伝導リボン６５、６５は、中心導体の上部および下部の表面上に搭載される。これらの２つのリボンは水平に伸長され、好ましくは同じ超伝導材料で形成され、同一の長方形の横断面を有する。リボンは、半田付けまたは同種のことによるように、中心導体の上部および下部の表面に適切に固定される。超伝導リボン６５、６５の主な機能は、（１）リボン６５、６５が形成される材料の温度をその遷移温度より低く下げるために装置全体が極低温流体中に浸没されるときに、電流の流れに固定子からブラシ組立体まで実質的にゼロの抵抗の進路を提供し、（２）装置が極低温流体中に浸没されるときに（二金属細片のように）上方にまたは下方に丸まるバネ組立体の性質を打ち消すように二重である。
【００８１】
ブラシ組立体６９は、バネ組立体の遠位辺縁端部分上に搭載される。このブラシ組立体は、その中に金属の繊維質ブラシの束７１を含む。この束内の個々の繊維は、銀／銅合金で形成されることがある。このブラシ束の上部辺縁端部分は、ブラシ管７２内に受け入れられて保持される。このブラシ束内の個々の繊維の下端は、回転子の外表面上で環７０に摺動可能に係合する先端内で終端する。
【００８２】
回転子６２は、軸７４の周りにおける回転のために搭載された環状の部材であるものとして示されている。この軸は図８において紙から出てくるため、それは点標識により表されている。回転子は、その円筒形の外表面７５上に電着された金の薄い環状の環７０を有し、円筒形の内表面７６を有する。環状の超伝導リボン７７は、回転子の内表面７６上に搭載される。より具体的には、リボン７７は、半田付けによるように、回転子の内表面７６に適切に固定されたその円筒形の外表面７８を有し、円筒形の内表面７９を有する。
【００８３】
電流が固定子から回転子に流されることになるように、バネ組立体の近位端と回転子との間で適切な導線（図示せず）により電圧を選択的に印加することができる。
【００８４】
装置全体が、超伝導リボン６５、６５、７７の温度をそれらの各自の遷移温度より低く下げるために、液体窒素等の適切な極低温液体中に浸没され、それにより、これらのリボンは、そこを通じる電流の通過に対して実質的にゼロの抵抗を有することになる。
【００８５】
そのため、装置が極低温流体中に浸没されるときに、電流は固定子からバネ組立体６３の長さに沿ってブラシ組立体６９に流れることになる。リボン６５、６５はそれらの遷移温度より低くあることになり、かつ実質的にゼロの抵抗を有することになるため、これらのリボンは、固定子とブラシ組立体との間における電流の通過に対する最も小さい抵抗の進路であることになる。ブラシ管を通過した後に、電流はブラシ束の長さに沿って下方に通過することになり、繊維の先端から回転子環７０に移送されることになる。回転子を通過した後に、電流は、また実質的にゼロの抵抗にあるリボン７７により、回転子の他の部分（図示せず）に搬送されることになる。
【００８６】
そのため、この実施形態においては、超伝導リボン６５、６５、７７は、集電環が（一つまたは複数の）超伝導材料の遷移温度より低い極低温流体中に浸没されるときに、固定子から回転子への電流の通過に対する最も小さい電気抵抗の進路を提供する。
【００８７】
ＦＯＴブラシおよび超伝導片持ち梁付きバネを有する円盤電機子同極モータ（図９）
図９は、改良された円盤電機子型の同極モータまたは発電機の等角図である。
【００８８】
概して８０で示されている改良されたモータは、固定子（図示せず）上に搭載された第１および第２の片持ち梁搭載のバネ組立体８１、８２を有する。各バネ組立体は、固定子上に搭載された近位端を有し、概して８３で示されている回転子に近接して配列された遠位端を有する。各バネ組立体は、半田付けまたは同種のことによるように、超伝導材料のリボン８５がそこに固定されている状態で、上部および下部の平面状の水平な表面を有する中央の電流運搬ブラシバネ８４を有する水平に伸長され挟持された構造であるものとして示されている。そのため、一方のリボン８５は中心導体の上部表面に固定され、他方のリボン８５はその下部表面に固定される。中心導体は、ベリリウム銅または同種のもので形成され得、長方形の横断面を有するものとして示されている。リボン８５、８５も、長方形の横断面を有するものとして示されている。バネの両側上のリボンの目的は、電流容量を倍加することである。こうしたリボンの寸法は、好ましくは、リボンが作られる超伝導材料の（一つまたは複数の）遷移温度より低い極低温流体中に浸没されるときに、二金属細片のように丸まるバネ組立体のいかなる性質も打ち消すように同一である。図９において、２つのバネ組立体８１、８２は実質的に同一であるものとして示されている。しかしながら、それらは必ずしもそうである必要はない。
【００８９】
図９におけるバネ組立体８１、８２は、各バネ組立体の遠位辺縁端部分上に搭載された２つのブラシ組立体６９があるという点で、図８におけるバネ組立体６３とは異なる。以前に記載されたように、各ブラシ組立体はブラシ管７２および繊維束７１を含む。繊維束は、適切な銀／銅合金で作られた複数の個々の繊維を包含する。各繊維束の上部辺縁端部分は、ＵＳ  ７，１０５，９８３  Ｂ２（米国特許第７，１０５，９８３号）に記載されているように、関連するブラシ管内に受け入れられて保持される。各束内の繊維は、以下に記載されているように、回転子の部分に摺動可能に係合する最下部の先端内で終端する。各バネ組立体上の２つのブラシ組立体の主な理由は、電流容量を倍加することである。
【００９０】
回転子８３は、水平軸ｘ−ｘの周りにおける回転のために軸連接された、水平に伸長され特別に構成された部材であるものとして示されている。軸ｘ−ｘは、バネ組立体８１、８２の伸長軸に直交して配列される。回転子は、ネジ山係止具を有するネジ山等の、半田付けまたは他の許容可能な方法により円盤に接続される心棒を有する大径の円盤を有する。複数の円周方向に離間されて半径方向に延在する超伝導リボンが、円盤の両側上に位置している。こうしたリボンは、円盤内に設けられた半径方向に延在する溝穴内に受け入れられる。円盤の厚さはリボンの幅により規定されることになり、例えば、もしリボンが１／４インチ幅であれば、円盤の両側上の溝穴内にリボンを挿入することができるように、円盤は１／２インチより厚くある必要があることになる。金の薄い環状または円筒形の環８８は、円盤８８の外表面上に電着され、第２のバネ組立体８２のブラシにより摺動可能に係合される。
【００９１】
回転子は、大径部分の円盤に連結される小径の心棒８９も有し、そこから左方にかつ軸方向に延在する。金の薄肉で環状の環９０は、小径の心棒８９の左辺縁端部分上に電着され、第１のバネ組立体８１内のブラシの先端により摺動可能に係合される。別々に９１で示されている、超伝導材料の複数の円周方向に離間されて縦方向に延在するリボンは、いくつかのスポークの内端を環９０と接続する。
【００９２】
使用中に、電圧（±ΔＶ）はバネ組立体８１、８２の近位端間で印加され、矢印８４、８４により表されている磁場は回転子を縦方向に通過する。回転子は、片持ち梁搭載のバネ組立体８１、８２に対して軸ｘ−ｘの周りで回転し、各自のブラシ組立体内の繊維の先端は、それぞれ、回転子環９０、８８に摺動可能に係合する。
【００９３】
バネ組立体８１に沿って外方に、その遠位端にあるブラシ組立体を通って下る、回転子環９０への電流の流れは、回転子の小径の心棒８９に沿って半径方向にリボン９１によりハブスポークに搬送され、スポークに沿って外方に大径の回転子の部分の超伝導リボン８６に搬送され、環８８を通じてバネ組立体８２のブラシに搬送され、バネ組立体８２を通じて固定子に戻るように搬送される。
【００９４】
装置全体が、その中の（一つまたは複数の）様々な超伝導材料の（一つまたは複数の）遷移温度よりずっと低く装置を冷却するために、液体窒素等の適切な極低温流体中に浸没される。そのように冷却されるときに、（一つまたは複数の）こうした様々な超伝導材料は実質的にゼロの電気抵抗を有し、電流は一方のバネ組立体の近位部分から他方のバネ組立体の近位部分に通過する際に最も小さい抵抗の進路を取る。
【００９５】
電流の流れの方向は、バネ組立体７１、７２の近位端部分に印加される電圧（±ΔＶ）の極性の関数である。
【００９６】
片持ち梁搭載のブラシバネおよび追加の電流容量のための追加のＦＯＴブラシ組立体を有する超伝導ドラム型集電環（図１０）
図１０は、概して９３で示されている、ドラム型超伝導集電環の別の実施形態の概略図である。
【００９７】
図１０で示されている集電環は、別々に６９’で示されている３つのブラシ組立体が、以前に記載されたように、リボン−導体−リボンバネ組立体を提供するために、中心導体６４の上部および下部の表面に固定された超伝導リボン６５、６５を有する挟持されたバネ組立体６３の遠位辺縁端部分上に搭載されることを除いては、概して図８で示されているものと同様である。
【００９８】
その上、図８で示されている実施形態がバネ組立体６３の遠位辺縁端部分上に搭載された１つのバネ組立体６９を有したのに対し、図１０においては、３つのブラシ組立体６９’、６９’、６９’がある。これらのブラシ組立体６９’は、別々に９４で示されている超伝導材料のリボンが、ブラシ束の上部辺縁端部分を包囲するようにブラシ管７２’の外側上に搭載されるという点で、以前に記載されたものとは異なる。ブラシ管の直径に応じて、超伝導リボンは、最大の曲げ半径が超過されないように狭くありかつ垂直に搭載される必要があり得る。その上、ブラシ管より下にある各ブラシ束内の繊維の中心核は、関連するブラシ管より下に下方に延在する各束の部分が環状であるように取り除かれている。この種類のブラシ束、およびそれに起因する利点は、本願の譲受人に譲渡されておりかつ参照により本明細書に組み込まれている、ＵＳ  ２０１４／００４５３４８  Ａ１（米国特許出願公開第２０１４／００４５３４８号）で開示および特許請求されている。そのような環状のブラシ束の使用は、集電環に大いに向上された寿命を与える。
【００９９】
先のとおり、図１０で示されている集電環全体は、様々な超伝導材料の温度をそれらの遷移温度より低く低減するために、液体窒素等の極低温流体中に浸没されるように適合されている。
【０１００】
否定素子バネおよびＦＯＴブラシ組立体を有する超伝導集電環（図１１Ａ〜１１Ｂ）
図１１Ａは、以前に記載されたように、概して９５で示されており、回転子６２と動作可能に関連する、改造されたブラシ保持器を有する改良された超伝導集電環の概略図である。
【０１０１】
図１１Ａにおいて、片持ち梁付きバネが、ＵＳ  ２０１４／００４５３４８  Ａ１（米国特許出願公開第２０１４／００４５３４８号）の図１２Ａで示されているブラシ保持器と同様である、改造されたブラシ保持器９５と取って代わられている。この目的のために、ブラシ保持器は固定子（図示せず）上に搭載されるように適合されており、同様に、管９９に対する垂直な摺動運動のために搭載されるブラシブロック９８と連通している導線９６を有する。ブラシブロックは、ブラシブロックと管との間で作用する否定素子バネ１００により下方に動くように付勢される。
【０１０２】
別々に１０１で示されている複数の繊維質ブラシ組立体は、それを伴う運動のためにブラシブロック上に搭載される。各ブラシ組立体は繊維束を含む。この束の上部辺縁端部分はブラシ管内に受け入れられて保持され、束の下部辺縁端部分はブラシ管の下に下方に延在する。束内の各繊維は、回転子上の環に摺動可能に係合する先端内のその最下端で終端する。否定素子バネの主な機能は、摩耗を補償するように実質的に一定の力をもって下方に動くようにブラシ保持器を圧することである。
【０１０３】
図１１Ａで示されているブラシ保持器は、超伝導リボン１０２が導線９６と並列に配列され、ブラシブロックがその中心内に超伝導リボン１０３を設けられるという点で、ＵＳ  ２０１４／００４５３４８  Ａ１（米国特許出願公開第２０１４／００４５３４８号）で示されているものとは異なる。図１１Ｂで最良に示されているように、リボン１０２はリボン１０３と連通している。
【０１０４】
先のとおり、集電環全体は、超伝導リボンをそれらの各自の遷移温度より低くなるまで冷却するために、適切な極低温流体中に浸没されるように適合されている。
【０１０５】
図１１Ａにおいて、各束内の繊維は適切な銀／銅合金で形成され得、様々な束の下部辺縁端部分はＵＳ  ２０１４／００４５３４８  Ａ１（米国特許出願公開第２０１４／００４５３４８号）により教示されているように環状であり得る。
【０１０６】
片持ち梁付きバネの遠位端上に搭載された否定素子バネおよびＦＯＴブラシ組立体を有する改良された集電環（図１２）
図１２Ａは、概して１０５で示されている集電環組立体の別の形態の概略図である。
【０１０７】
図１２Ａにおいて、図１１で示されている導線９６は取り除かれている。むしろ、ブラシ保持器が、以前に記載されたように、バネ組立体６３の遠位端部分上に搭載されているものとして示されている。図１２Ｂは、下部リボン６５がブラシ保持器上の超伝導リボン１０３と連通していることを示している。
【０１０８】
ここでやはり、装置全体は、様々な超伝導材料をそれらの各自の遷移温度より低くなるまで冷却するために、適切な極低温流体中に浸没されるように適合されている。
【０１０９】
改造
本発明は、多くの変更および改造を行うことができることを熟慮している。
【０１１０】
本明細書で特筆されているように、本発明の原理は、パンケーキまたはドラム型のどちらの集電環にも、かつ同極モータまたは発電機に適用することができる。ブラシ束は、先行技術でのように圧縮されても、ＵＳ  ２０１４／００４５３４８  Ａ１（米国特許出願公開第２０１４／００４５３４８号）により教示されているように環状であってもよい。繊維の先端は、片持ち梁搭載のバネ組立体によるか、または否定素子バネによるか、または何らかの他の手段により回転子環に対して圧することができる。
【０１１１】
本発明の本質は、改良されたＦＯＴ接点を回転子環に提供することであり、そこで、装置の特定の部分は超伝導材料で作られ、それにより、超伝導材料をそれらの各自の遷移温度より低く冷却するために、装置全体を液体窒素等の適切な極低温流体中に浸没させることができる。これが起こるときに、超伝導材料は実質的にゼロの電気抵抗を有することになる。
【０１１２】
そのため、本発明は、摺動接触界面におよびそこから電流をもたらすための超伝導リボンの使用を伴う。それらの高い電流密度性能のために、ＦＯＴブラシは、低い接触抵抗を有する超伝導リボン内で流れる電流を伝導するように構成することができる。低い接触抵抗は、超伝導集電環および同極モータにとって極めて重要な要因である。接触抵抗が低くなるほど、より少ない液体窒素が消費される。
【０１１３】
超伝導リボンは１／２インチ幅であり、３０７アンペアの臨界電流ｌＣを有し得る。臨界電流ｌＣは、自己場が超伝導状態を崩壊させる電流レベルである。［出典：２０１４年２月１３日に公開されたＵＳ  ２０１４／００４５３４８  Ａ１（米国特許出願公開第２０１４／００４５３４８号）］：
「［０１０６］片持ち梁バネは、機械的な不安定性のために共に機能させるのが困難であり得ることが知られている。［例えば、ショーバート，アール；炭素ブラシ：摺動接点の物理学および化学；第４章、図４．７、「ブラシおよび収集器における機械的考察」；（１９６５年）；８７ページにて（Shobert, Erle; Carbon Brushes: The Physics and Chemistry of Sliding Contacts; Chapter 4, FIG. 4.7, "Mechanical Considerations in Brushes and Collectors"; (1965); at p. 87.）を参照されたい。］［０１０７］もしブラシがある方向に動く際にバネ力を解放し、他の方向ではそれを増加させるようにバネが振動し得れば、びびりが片持ち梁バネブラシ上で起こり得る。＊＊＊このびびりは、（１）可能な限りブラシを短く保つこと、（２）荷重下にあるときに実際に真っ直ぐであるようにバネを設計すること、および（３）図４：７ｂで示されているようにバネを先細にすることにより最小化することができる。先細にすることにより、自然周期が共鳴振動に利用可能である可能性が減少される。
［０１０８］加えて、片持ち梁バネは、ブラシ力（Ｆ）がブラシ摩耗（ｘ）と共に減少するという問題を有し、究極的には、ブラシの寿命は、全ての電気的要件を満たすことを必要とされる最小の法線力により制限される。もし十分なブラシ力がなければ、信号ブラシは許容可能な電気雑音レベルで動作することはなく、電力ブラシはアーク放電を受け得る。これは、何十億インチもの環の移動が可能であるブラシの主たる要因である。否定素子バネは、ブラシの寿命の全体にわたり所与の変位範囲にわたって実質的に一定の力を維持し、従って、ブラシの寿命はブラシ摩耗によって減少する力により制限されない。また、否定素子バネは固有の減衰機構を提供し、従って、ブラシバネの「びびり」は取り除かれる。」
【０１１４】
本発明は、集電環およびドラム型電機子同極モータ用の全ての構成要素（すなわち、ブラシバネの両側、および環の内径）への超伝導リボンの取り付けを含む。超伝導リボンをブラシバネの各側面に取り付けることは、電流容量を増加させ、ならびにブラシバネの運動を安定させ、ひいては、室温から液体窒素の温度になるときにブラシ力の変化を最小化させる。否定素子バネの設計が図１１Ａ〜１１Ｂおよび図１２Ａ〜１２Ｂで示されているとおりに用いられるときには、ブラシ保持器および否定素子バネが広範な温度範囲にわたり自由に動くように公差を割り当てなければならない。否定素子バネは、ブラシ摩耗の広範な範囲にわたりブラシに一定の力を印加するという利点を有する。リボンは、円盤電機子同極モータの両面に取り付けることができる。リボンが超伝導状態に遷移をするときに、その中の電気抵抗はゼロに降下し、電流は臨界電流が超過されるまで抵抗なしで流れる。リボンをブラシ内の繊維に取り付けるのは実用的ではない。
【０１１５】
近年の研究は、ＦＯＴブラシおよび超伝導集電環を用いて行われてきた。ドラム型集電環は、入力正ブラシおよび環ならびに出力負ブラシおよび環を用いて構成された（図５を参照されたい）。各束内の繊維は約０．００３インチの名目直径を有し、繊維一本当たりの最大電流密度は約１７６９アンペア／平方インチである。２１，２３０アンペア／平方インチの電流密度が、１２００の０．００３インチ径の繊維を有する単一のＦＯＴブラシを用いて測定された（図６を参照されたい）。追加のブラシおよび環対は、比例する最大電流密度を運搬するように構成することができる（表７を参照されたい）。
【表７】
0006531169.tif 000008
繊維の数がブラシ束内で増加するにつれて、所望のブラシの順応性を実現するために、ブラシの中心内の開口部の直径を増加させ、ならびに繊維の自由長さを調節するように注意しなければならない。
【０１１６】
パンケーキ型集電環が図７で例解されている。この幾可学的形状により、超伝導リボンを各環の内径および外径上に配置し、そのため、ドラム型集電環と比較して電流容量を倍加することが可能になる。追加のブラシが各バネに追加されており、これにより、ここで、各環上の追加のリボンを補償するブラシの電流容量が増加される。図６で提示されているデータに基づいて、環一つ当たり２つのブラシおよびバネについての電流容量はほぼ３６０アンペア程度であることになり、環一つ当たり４つのブラシではおよそ７２０アンペアであることになる。各環の内径および外径上のリボンは、６１４アンペアの組み合わされた電流容量を有することになる。そのため、この構成についての制限要因はブラシではない。
【０１１７】
従って、改良された機器のいくつかの形態および実施形態が示されかつ記載され、それらに対するいくつかの改造が具体的に論じられてきたが、当業者は、以下の請求の範囲により定義および区別されているように、本発明の精神から逸脱することなく様々な追加の変更および改造を行うことができることを容易く分かることになる。
【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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