(57)【要約】磁場及びヌル磁場領域の生成のために平行に配置される第１の磁気アセンブリ及び第２の磁気アセンブリと、前記第１の磁気アセンブリと前記第２の磁気アセンブリの間に配置され、前記第１及び第２の磁気アセンブリを通って延びるドライブシャフトに連結されるロータと、前記ヌル磁場領域において前記ロータに連結される少なくとも１つの電流伝達機構と、前記シャフトに連結される少なくとも１つの電流伝達機構と、前記シャフトに取り付けられる駆動機構とを含み、前記ロータの一部が前記ヌル磁場領域に配置され、前記駆動機構の作動により前記磁場において前記ロータの回転を引き起こし、前記第１の電流伝達機構と前記第２の電流伝達機構の間に電気ポテンシャルを生み出す発電機。【選択図】図２３Ａ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
磁場及びヌル（ｎｕｌｌ）磁場領域を生み出すために平行に配置された第１の磁気アセンブリ及び第２の磁気アセンブリ；
前記第１の磁気アセンブリと前記第２の磁気アセンブリの間に置かれ、前記第１及び第２の磁気アセンブリを通って延びるドライブシャフトに連結されているロータ；
前記ヌル磁場領域において前記ロータに連結される少なくとも１つの電流伝達機構と、前記シャフトに連結される少なくとも１つの電流伝達機構；
前記シャフトに取り付けられる駆動機構；
を含む発電機であって、
前記ロータの一部が前記ヌル磁場領域に置かれ、
前記駆動機構の作動により、前記磁場において前記ロータの回転を引き起こし、前記第１の電流伝達機構と前記第２の電流伝達機構の間に電気ポテンシャル（ｅｌｅｃｔｒｉｃ  ｐｏｔｅｎｔｉａｌ）を生み出す発電機。
【請求項２】
前記磁気アセンブリのそれぞれが、極低温エンベロープ内に包含される、超伝導材料からなる１又はそれより多いコイルを含む、請求項１に記載の発電機。
【請求項３】
前記超伝導コイルは連結されてソレノイドを形成する、請求項２に記載の発電機。
【請求項４】
前記超伝導コイルは、前記磁気アセンブリの内部に、特定の幾何学的形状で配置される、請求項２に記載の発電機。
【請求項５】
前記コイルは、前記磁気アセンブリの内部に同心円状に配置される、請求項４に記載の発電機。
【請求項６】
前記コイルは同軸に配置される、請求項４に記載の発電機。
【請求項７】
各磁気アセンブリを形成する前記コイルは交互の極性（ａｌｔｅｒｎａｔｉｎｇ  ｐｏｌａｒｉｔｙ）をもつ、請求項２〜６のいずれかに記載の発電機。
【請求項８】
前記ロータは複数の導電層から構成される、請求項１〜７のいずれかに記載の発電機。
【請求項９】
前記ロータを通る直列回路を形成するために、隣り合う層が電気的に連結される、請求項８に記載の発電機。
【請求項１０】
前記電流伝達機構が液体金属ブラシの形をしている、請求項１〜９のいずれかに記載の発電機。
【請求項１１】
前記シャフトに連結される前記少なくとも１つの電流伝達機構が、前記第１の又は第２の磁気アセンブリの外側に配置される、請求項１〜１０のいずれかに記載の発電機。
【請求項１２】
前記少なくとも１つの電流伝達機構が、磁場の強さが０．２Ｔ未満である領域において前記シャフトに連結される、請求項１１に記載の発電機。
【請求項１３】
前記駆動機構は低速駆動である、請求項１〜１２のいずれかに記載の発電機。
【請求項１４】
前記生み出される電気ポテンシャルは低電圧及び大電流である、請求項１３に記載の発電機。
【請求項１５】
前記駆動機構は高速駆動である、請求項１〜１２のいずれかに記載の発電機。
【請求項１６】
前記生み出される電気ポテンシャルは高電圧及び小電流である、請求項１３に記載の発電機。
【請求項１７】
平行に配置され、前記第１及び第２の磁気アセンブリの内側に同心円状に置かれる第３及び第４の磁気アセンブリをさらに含む、請求項１〜１６のいずれかに記載の発電機。
【請求項１８】
第３及び第４の磁気アセンブリは、極低温エンベロープ内に包含される、超伝導材料からなる１又はそれより多いコイルを含む、請求項１７に記載の発電機。
【請求項１９】
ＤＣ−ＤＣ変換ステージを含む発電機であって、前記発電機は：
一次駆動場及びヌル磁場領域を生み出すために平行に配置される第１の磁気アセンブリ及び第２の磁気アセンブリ；
前記第１の磁気アセンブリと前記第２の磁気アセンブリの間に置かれ、ドライブシャフトに接続されるように構成されている第１のロータ；
前記第１のロータに電気的に連結される電気モータ；
前記第１の磁気アセンブリと前記第２の磁気アセンブリの間に前記第１のロータに隣り合って置かれる第２のロータ；及び
前記第１のロータに機械的に連結される駆動機構；
を含み、
前記第１のロータの一部が前記ヌル磁場領域に置かれ、
前記電気モータは、該モータ用の駆動場を生み出すために平行に配置される第３の磁気アセンブリと第４の磁気アセンブリの間に置かれ、前記第３及び第４の磁気アセンブリは、複数の二次ヌル磁場領域を生み出し、該モータの電気的連結は前記二次ヌル磁場領域と一緒に配置され；
前記第２のロータは、前記電気モータに機械的に連結されており、前記第２のロータの一部が前記ヌル磁場領域に置かれ、
前記駆動機構の作動により、前記一次駆動場において前記第１のロータの回転を引き起こし、前記電気モータを流れる大電流を生み出し、前記一次駆動場において前記第２のロータを駆動するためのトルクを生成し、小電流出力を生み出す発電機。
【請求項２０】
前記第１及び第２のロータが、内側及び外側電流伝達機構を含む、請求項１９に記載の発電機。
【請求項２１】
前記内側電流伝達機構は、前記第３及び第４の磁気アセンブリによって生み出される二次ヌル場領域の少なくとも１つの内部に置かれ、前記外側電流伝達機構は、前記第１及び第２の磁気アセンブリによって生み出されるヌル場領域の内部に置かれる、請求項２０に記載の発電機。
【請求項２２】
前記電気モータのための前記電気的連結が、内側及び外側電流伝達機構の形をしていてよい、請求項１９〜２１のいずれかに記載の発電機。
【請求項２３】
前記内側電流伝達機構は、前記二次ヌル場領域内の第１の領域内に置かれ、前記外側ブラシは、前記二次ヌル場領域内の第２の領域内に置かれる、請求項２２に記載の発電機。
【請求項２４】
前記磁気アセンブリのそれぞれが、極低温エンベロープ内に包含される、１又はそれより多い超伝導材料からなるコイルを含む、請求項１９〜２３のいずれかに記載の発電機。
【請求項２５】
前記超伝導コイルが前記磁気アセンブリ内部に特定の幾何学的形状で配置される、請求項２４に記載の発電機。
【請求項２６】
前記コイルは前記磁気アセンブリ内部に同心円状に配置される、請求項２５に記載の発電機。
【請求項２７】
前記コイルは同軸に配置される、請求項２５に記載の発電機。
【請求項２８】
各磁気アセンブリを形成する前記コイルが交互の極性を有する、請求項２４〜２７のいずれかに記載の発電機。
【請求項２９】
前記第１、第２、第３及び第４の磁気アセンブリが、重なる関係で配置されてよい、請求項１９〜２８のいずれかに記載の発電機。
【請求項３０】
前記第３及び第４の磁気アセンブリが、前記第１及び第２の磁気アセンブリの内部に同心円状に配置される、請求項２９に記載の発電機。
【請求項３１】
第５の磁気アセンブリと第６の磁気アセンブリの間に置かれる第３のロータをさらに含み、前記第３のロータの一部が、前記第５の磁気アセンブリと前記第６の磁気アセンブリの間に生み出されるヌル磁場領域の内部に置かれる、請求項１９〜３０のいずれかに記載の発電機。
【請求項３２】
前記第３のロータが、前記第１のロータに機械的及び電気的に連結される、請求項３１に記載の発電機。
【請求項３３】
前記第５及び第６の磁気アセンブリは、極低温エンベロープ内部に包含される、超伝導材料からなる１又はそれより多いコイルを含む、請求項３１又は３２に記載の発電機。
【請求項３４】
前記超伝導コイルは、前記磁気アセンブリの内部に特定の幾何学的形状で配置される、請求項３３に記載の発電機。
【請求項３５】
前記コイルは前記磁気アセンブリの内部に同心円状に配置される、請求項３４に記載の発電機。
【請求項３６】
前記第２のロータは前記電気モータから電気的に絶縁される、請求項１９〜３５のいずれかに記載の発電機。
【請求項３７】
ＤＣ−ＤＣ変換ステージを含む発電機であって、前記発電機は：
一次駆動場及びヌル磁場領域を生み出すために平行に配置される第１の磁気アセンブリ及び第２の磁気アセンブリ；
ドライブシャフトに接続されるように構成される第１のロータ；
前記第１のロータに電気的に連結される電気モータ；
前記第１のロータに隣り合って置かれる第２のロータ；及び
前記第１のロータに機械的に連結される駆動機構；
を含み、
前記ロータの一部が前記第１の磁気アセンブリと前記第２の磁気アセンブリの間に生み出される前記ヌル磁場領域に置かれ、
前記電気モータは、該モータ用の駆動場を生み出すために平行に配置される第３の磁気アセンブリと第４の磁気アセンブリの間に置かれ、前記第３及び第４の磁気アセンブリは複数の二次ヌル磁場領域を生み出し、前記モータの前記電気的連結は前記二次ヌル磁場領域の内部に置かれ、
前記第２のロータは、前記電気モータに機械的に連結されており、前記第２のロータの一部が前記第１の磁気アセンブリと前記第２の磁気アセンブリの間に生み出される前記ヌル場領域に置かれ、
前記駆動機構の作動により、前記一次駆動場内で前記第１のロータの回転を引き起こし、前記電気モータを流れる大電流を生み出し、前記一次場内で前記第２のロータを駆動するトルクを生成し、小電流出力を生み出す発電機。
【請求項３８】
一次磁気駆動場及びヌル磁場領域を生み出すために平行に配置される第１の磁気アセンブリ及び第２の磁気アセンブリ；
平行に配置され、前記第１の磁気アセンブリと前記第２の磁気アセンブリの内側に同心円状に置かれる第３及び第４の磁気アセンブリ；
前記磁気アセンブリの間に置かれ、ドライブシャフトに接続されるように構成されるロータ；
前記ロータに沿った不連続な点で（ａｔ  ｄｉｓｃｒｅｔｅ  ｐｏｉｎｔｓ）連結される複数の電流伝達機構；
前記ロータに取り付けられる駆動機構；
を含み、
各電流伝達機構が前記磁気アセンブリの間に生み出されるヌル磁場の領域内に置かれ、前記ロータは該ヌル磁場領域内にあり、第２の電流伝達機構は前記シャフトに連結され、
前記駆動機構の作動により、前記一次磁気駆動場において前記ロータの回転を引き起こし、前記電流伝達機構の間に電気ポテンシャルを生み出す発電機。
【請求項３９】
設けられる任意のロータは、多数のロータディスク要素を含む積層ロータであり、該ロータディスク要素のそれぞれは、対応する円筒形要素に取り付けられ、その周りを回転でき、前記円筒形要素は前記導電性シャフトを形成し、非導電性材料を、前記ロータディスク要素のそれぞれの間に挟んで、前記要素間の電気的絶縁を維持しながら、前記要素間の強力な機械的接続を作り出す、請求項１〜３８のいずれかに記載の発電機。
【請求項４０】
任意の磁気アセンブリが、常伝導材料、永久磁気材料又はバルク超伝導材料を用いて実現される、請求項１〜３９のいずれかに記載の発電機。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は電磁タービンに関する。特に、本発明は、発電のための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】
物理の基本原理の１つは、電気と磁気の関係である。この関係は、単純な棒状の導体を通り抜ける電流が、電流フローの方向に垂直な磁場を誘導することに気付いたとき、１８００年代半ばに初めて観察された。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は、磁場に比例して、導体上にトルクを生む。
【０００３】
上述の電場と磁場の間の基本的な相互作用は、電気モータと発電機の基盤となる基本的な科学原理である。発電機の最も単純な形の１つは、今日ファラデーの円盤として知られる装置を用いて、マイケル・ファラデーにより最初に実証された。ファラデーの装置は、永久磁石の極の間で回転される銅の円盤から成っていた。これは、回転速度に比例する電流を生み出す。ファラデーの円盤は実質的に初の単極発電機であった。しかしながら、ファラデーの発電機は、ピックアップ・ワイヤへの出力を制限する電流の逆流と、銅の円盤への寄生熱の影響のため、極めて効率が悪かった。
【０００４】
より具体的には、均一磁場Bにおいて回転スピードωで回転する円盤の中心と外径、つまりは半径Rの間に生み出される起電力は、
【数１】
2015528688.tif 000003
により与えられる。
【０００５】
これは、個々のステージ又はロータから得られる電圧が、発電機からの電流の抜き取りの効率に関して重要な決定要因であるため、単極発生にとってキーとなる公式の１つである。効率的に電流を生み出すために、この電圧は、ロータ、滑り接触及びそれに続く電流の相互接続及び／又は最終的な負荷の内部損失より大幅に高くなければならない。
【０００６】
一般的に、様々な構造を比較するために最も有益な要因の１つは、積分
【数２】
2015528688.tif 000004
である。この積分は、任意の場のプロファイルに対して容易に計算できる、V/rad/s単位での値を生み出す。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ファラデーの最初のデモ以来、構造や材料で様々な進歩があったものの、単極発電機は一般に、長い間、非常に効率が悪いと見なされてきた。にもかかわらず、単極発電機にはいくつかの特有の物理的特性があり、これらの特性が単極発電機を一定の用途にとって望ましくする。第１に、単極発電機は、真のＤＣ出力を生み出す唯一の発電機である。大抵の多極発電機では、ＤＣ出力を得るのに、整流又は選択的にＡＣ巻き線への切り替えが必要である。これに加えて、単極発電機は通常、低電圧、大電流を生み出す。
【０００８】
単極モータ／発電機の利益を考えると、性能を改良した単極発電機を提供することは有利である。また、先行技術の前述の欠陥のいくつかを改良する単極発電機を提供することも有利である。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
１つの形態において、本発明は発電機に属し、前記発電機は：
磁場及びヌル（ｎｕｌｌ）磁場領域を生み出すために平行に配置される第１の磁気アセンブリ及び第２の磁気アセンブリ；
前記第１の磁気アセンブリと第２の磁気アセンブリの間に置かれ、前記第１及び第２の磁気アセンブリを通って延びるドライブシャフトに連結されているロータ；
前記ヌル磁場領域において前記ロータに連結される第１の電流伝達機構と、前記シャフトに連結される第２の電流伝達機構；
前記シャフトに取り付けられる駆動機構；
を含み、
前記ロータの一部が前記ヌル磁場領域に置かれ、
前記駆動機構の作動が、前記磁場内において前記ロータの回転を引き起こし、前記第１の電流伝達機構と前記第２の電流伝達機構の間に電気ポテンシャル（ｅｌｅｃｔｒｉｃ  ｐｏｔｅｎｔｉａｌ）を生み出す。
【００１０】
好ましくは、前記第１及び第２の磁気アセンブリは、円筒構造である。好適には、これらのアセンブリのそれぞれは、極低温エンベロープ内に包含される、超伝導材料からなる１又はそれより多いコイルを含む。アセンブリが複数の超伝導コイルを含む場合は、コイルをつなげてソレノイドを形成してもよい。本発明のいくつかの実施形態では、超伝導コイルが特定の幾何学的形状に配置される。本発明のいくつかの実施形態では、コイルを同心円状に配置してよい。本発明のいくつかの実施形態では、コイルを同軸に配置してよい。本発明のいくつかの実施形態では、第１及び第２の磁気アセンブリ内の１又はそれより多いコイルが反対の極性（ｏｐｐｏｓｉｎｇ  ｐｏｌａｒｉｔｙ）であってよい。
【００１１】
超伝導コイルは、任意の適切な超伝導ワイヤから形成されてよい。好ましくは、超伝導ワイヤはNb3Sn超伝導ワイヤである。あるいは、コイルを、NbTi超伝導ワイヤから構成してよい。
【００１２】
好適には、ロータ及びシャフトは、適切な導電材料から形成される。本発明のいくつかの実施形態では、シャフトとロータは一体的に形成される。ロータは中空でない円盤であってよい。あるいは、ロータは、中央ハブと、このハブに外側リムを連結する１又はそれより多いアームを備えた従来のスポークホイールの形であってよい。本発明のいくつかの実施形態では、ロータのハブが中空であり、駆動機構からドライブシャフトの挿入が可能である。ロータは積層構造であってよく、１又はそれより多い導電層が互いに機械的に連結されてロータを形成する。このような場合、層のそれぞれは、駆動場でのロータの回転時、ロータを通る電流フローを確実にするため、直列接続は別として、隣り合うロータから電気的に絶縁されている。
【００１３】
電流伝達機構は、ロータ及びシャフトと直接接触するブラシの形であってよい。最も好ましくは、電流伝達機構は、液体金属ブラシの形である。このような場合、液体金属ブラシは、ロータリムを囲むステータ内に形成される路を用いて形成されてよく、ロータのリムを、電気接触をさらに強めるために相補的な溝を備えた形にしてよい。液体金属は、可変圧力下、容器からステータ内の路へと導入されてよい。液体金属への水分と酸素の悪影響を減らすために、密封中、路に気体を導入してもよい。
【００１４】
好適には、電流伝達機構は、第１又は第２の磁気アセンブリの外側に置かれる。好ましくは、電流伝達機構は、磁場の強さが０．２Ｔ未満の領域におかれる。
【００１５】
好適には、駆動機構は、低速駆動であってよい。このような場合、電流伝達機構を横切って作り出される結果として得られるポテンシャルは低電圧大電流である。駆動機構は高速駆動であってもよい。このような場合、電流伝達機構を横切って生み出されるポテンシャルは高電圧小電流である。駆動機構は、モータ又は風力タービン、蒸気タービン、水力駆動タービン等の任意の適切な駆動機構であってよい。
【００１６】
本発明の別の態様において、ＤＣ−ＤＣ変換ステージを含む発電機を提供し、前記発電機は：
一次駆動場及びヌル磁場領域を生み出すために平行に配置される第１の磁気アセンブリ及び第２の磁気アセンブリ；
前記第１の磁気アセンブリと前記第２の磁気アセンブリの間に置かれ、ドライブシャフトに接続されるように構成されている第１のロータ；
前記第１のロータに電気的に連結される電気モータ；
前記第１の磁気アセンブリと前記第２の磁気アセンブリの間に、前記第１のロータに隣り合って置かれる第２のロータ；
前記第１のロータに機械的に連結される駆動機構；
を含み、
前記第１のロータの一部が前記ヌル磁場領域に置かれ、
前記電気モータは、該モータ用の駆動場を生み出すために平行に配置される第３の磁気アセンブリと第４の磁気アセンブリの間に置かれ、前記第３及び第４の磁気アセンブリは、複数の二次ヌル場領域を生み出し、前記モータの電気的連結は前記二次ヌルとともに置かれ、
前記第２のロータは、前記電気モータに機械的に連結されており、前記第２のロータの一部が前記ヌル場領域に置かれ、
前記駆動機構の作動が、前記一次駆動場内で前記第１のロータの回転を引き起こし、前記電気モータを流れる大電流を生み出し、前記一次駆動場内で前記第２のロータを駆動するためのトルクを生成し、小電流出力を生み出す。
【００１７】
本発明のさらに別の態様において、ＤＣ−ＤＣ変換ステージを含む発電機を提供し、前記発電機は：
一次駆動場及びヌル磁場領域の生成のために平行に配置される第１の磁気アセンブリ及び第２の磁気アセンブリ；
ドライブシャフトに接続されるように構成される第１のロータ；
前記第１のロータに電気的に連結される電気モータ；
前記第１のロータに隣り合って置かれる第２のロータ；
前記第１のロータに機械的に連結される駆動機構；
を含み、
前記第１のロータの一部が前記第１の磁気アセンブリと前記第２の磁気アセンブリの間に生み出される前記ヌル磁場領域に置かれ、
前記電気モータは、前記モータ用の駆動場を生み出すために平行に配置される第３の磁気アセンブリと第４の磁気アセンブリの間に置かれ、前記第３及び第４の磁気アセンブリは、複数の二次ヌル場領域を生み出し、前記モータの電気的連結は前記二次ヌルとともに置かれ、
前記第２のロータは、前記電気モータに機械的に連結されており、前記第２のロータの一部が前記第１の磁気アセンブリと前記第２の磁気アセンブリの間に生み出される前記ヌル場領域に置かれ、
前記駆動機構の作動が、前記一次駆動場内で前記第１のロータの回転を引き起こし、前記電気モータを流れる大電流を生み出し、前記一次場内で前記第２のロータを駆動するトルクを生成し、小電流出力を生み出す。
【００１８】
好適には、第１及び第２のロータは、内側及び外側電流伝達機構を含む。好ましくは、内側電流伝達機構は、二次ヌル場領域の少なくとも１つの内部に置かれ、外側電流伝達機構は、ヌル場領域の内部に置かれる。電流伝達機構は、液体金属ブラシの形をしている。このような場合、液体金属ブラシは各ロータのリムを囲むステータ内に形成される路を用いて形成されてよく、このロータのリムを、電気接触をさらに強めるために相補的な溝を備えた形にしてよい。液体金属は、可変圧力下、容器からステータ内の路へと導入されてよい。液体金属への水分と酸素の悪影響を減らすために、路内に気体を導入してもよい。
【００１９】
電気モータ用の電気的連結は、内側及び外側電流伝達機構の形であってよい。好適には、内側電流伝達機構は、二次ヌル場内の第１の領域内に置かれ、外側ブラシは二次ヌル場領域内の第２の領域内に置かれる。
【００２０】
好ましくは、第１、第２、第３及び第４の磁気アセンブリは、円筒構造をしている。好適には、これらのアセンブリのそれぞれは、極低温エンベロープ内に包含される、超伝導材料からなる１又はそれより多いコイルを含む。本発明のいくつかの実施形態では、コイルを同心円状に配置してよい。本発明のいくつかの実施形態では、コイルを同軸上に配置してよい。本発明のいくつかの実施形態では、第１及び第２の磁気アセンブリ内の１又はそれより多いコイルが反対の極性であってよい。超伝導コイルは、任意の適切な超伝導ワイヤから形成されてよい。好ましくは、超伝導ワイヤはNb3Sn超伝導ワイヤである。あるいは、コイルを、NbTi超伝導ワイヤから構成してよい。
【００２１】
本発明のいくつかの実施形態では、第１、第２、第３及び第４の磁気アセンブリは、重なり合う関係で配置されてよい。好ましくは、第３及び第４の磁気アセンブリは、第１及び第２の磁気アセンブリと同心円状に配置される。
【００２２】
本発明のいくつかの実施形態では、第３のロータが設けられてよい。第３のロータは、第５の磁気アセンブリと第６の磁気アセンブリの間に置かれ、第３のロータの一部が、第５の磁気アセンブリと第６の磁気アセンブリの間に生み出されるヌル磁場領域内に置かれる。第３のロータは好ましくは第２のロータに機械的に連結されており、第２のロータから電気的に絶縁される。
【００２３】
第５及び第６の磁気アセンブリは、円筒構造であってよい。好適には、第５及び第６の磁気アセンブリは、極低温エンベロープ内に包含される、超伝導材料からなる１又はそれより多いコイルを含む。好ましくは、コイルは同心円状に配置される。
【００２４】
本発明のさらに別の態様では、
一次駆動場及びヌル磁場領域の領域を生み出すために平行に配置される第１の磁気アセンブリ及び第２の磁気アセンブリ；
平行に配置され、前記第１及び第２の磁気アセンブリ内に同心円状に置かれる第３及び第４の磁気アセンブリ；
前記磁気アセンブリの間に置かれ、ドライブシャフトに接続されるように構成されるロータ；
前記ロータに沿った不連続な点で（ａｔ  ｄｉｓｃｒｅｔｅ  ｐｏｉｎｔｓ）連結される複数の電流伝達機構；
前記ロータに取り付けられる駆動機構；
を含み、
各電流伝達機構は前記磁気アセンブリの間に生み出されるヌル場の領域内に置かれ、前記ロータはヌル場領域内にあり、第２の電流伝達機構が前記シャフトに連結され、
前記駆動機構の作動が、前記磁場において前記ロータの回転を引き起こし、前記電流伝達機構の間に電気ポテンシャルを生み出す発電機を提供する。
【００２５】
上記に代わるものとして、又は上記に加えて用いられてもよい重要な変形は、アクティブシールドの使用である。アクティブシールドの目的は、装置によって生み出される浮遊磁場の低減である。これは好ましくは、安全な運転又は法規制の順守のために、装置の周りに必要とされる空間を減らす。必要とされる空間は、一般的に、装置の周りのライン（実際には、３次元表面）によって表され、このラインを越えると、磁場強度が５ガウス未満（５ガウスライン）である。
【００２６】
通常、磁気シールド又は５ガウスラインの境界の縮小は、スチール又は他の高透磁率材料を多量に用いて達成される。高磁場を必要とする、重量に敏感な用途においては、多量のスチールの使用は不利益が著しい。この不利益を克服する１つの方法は、駆動場領域とヌル場領域を作り出す一次電磁コイルの外側に置かれた動力（アクティブ）電磁コイルの使用によるものである。
【００２７】
外部磁気アクティブシールドコイルは、所望する場のキャンセレーションの量、用いる超伝導ワイヤの種類及び量、そしてアクティブシールドされるべき装置の大きさへの外的制約に応じて、数、大きさ及び向きが様々である。好ましい装置は主に、高温及び低温超伝導材料を用いるが、銅ワイヤ等の普通の導電材料を用いることも考えられる。
【００２８】
好ましい装置は、通常、２つ又は４つのいずれかの付加的アクティブシールドコイルを用いる。付加的なアクティブシールドコイルは、好ましくは、好ましい主の駆動コイル及び二次のヌル場生成コイルと同軸上に置かれる。一般的には、２コイルのアクティブシールド配置は、４コイル構造よりトータルでのワイヤの使用がわずかに少ない。４コイル構造にすると、コイルの配置及び調整がより自由になり、その結果、通常、より効果的なシールドをもたらすことができる。
【００２９】
以下は、アクティブシールドシステムの創成のための出発点として用いられる一般的な規則又は原則である：
−２コイルシステムに対しては、好ましい出発点は、主のコイルアセンブリの中心線径の２倍の径をもつ一対のコイルである。これらのコイルの間の間隔は、好ましくは、アクティブシールドコイルの１つの径に等しい。これはおおよそヘルムホルツコイル配置である。
−４コイルシールドシステムは、シールドパラメータに関してより細かい制御を有するが、最終的に最適な解決法は、シールドされるべき軸方向及び半径方向の場の量に依存する。４コイル構造は、個々の場合に応じて、手動での最適化を多く必要とする傾向がある。概して、４コイル解決法は、装置の本体に近い、間隔をあけた大きな径の外側コイルの対と、さらに離れた、間隔をあけたより小さな径の内側コイルの対とを必要とする。調査したケースの大部分において、内側のキャンセルコイルの間の間隔は、外側のキャンセルコイルの直径とおおよそ同じである。４つのコイルのそれぞれの間の軸方向の間隔も、好ましくは等しい。
−主に長いソレノイドである主のコイルに対しては、２コイルシールドシステムが最適である傾向がある。主の駆動コイルのアスペクト比が、薄いパンケーキコイルに近づく傾向があるため、４コイル解決法はより良好なシールドを生み出す傾向がある。
【００３０】
重要なのは、これらは一般原則であり、シールドコイルのパラメータは普通、最適な解決法を得るためにさらに調整されなければならない点に留意することである。ワイヤの選択、電流密度、シールドコイルの幅及び巻き数、コイル組の直径及び軸方向の位置は全て、よりよいシールド、より低いコスト及び／又はより軽い装置を求めて最適化されるよう変えることができる。
【００３１】
使用するワイヤの種類及びアクティブシールドコイルの電流密度を、アクティブシールド解決法の費用、重量及び体積を最適化するように調整することができる点に留意することが重要である。一般的に、大きい電流密度はより高価な超伝導ワイヤを必要とするが、同時に、装置の全体の重量又は体積を減らす。小さい電流密度は、より安い超伝導ワイヤ又はより高い操作温度を用いることが可能であるが、装置の全重量が増えてしまう。
【００３２】
電磁タービンの好ましい実施形態における電流の効果的な伝達にとって好ましい機構は、各装置の回転部分と固定部分の間に効率的な液体金属ブラシを用いることである。
【００３３】
本発明のこの特定の態様、つまりは液体金属電流伝達ブラシの基本的な動作原理は、電流が、舌の形をした回転要素と溝付きの固定要素（又はその逆）の間で、その間に配置され固定要素の周囲に延びる導電性流体又は液体金属を介して伝達されることである。
【００３４】
より意義深い変形の１つは、液体金属材料をブラシの周りに分配し、好ましくは装置が働いていないときには集められるという方法へ変えることである。液体金属材料をブラシの周りに分配し、液体金属を回転体から離して収集するためにも用いられる、可変的に加圧される容器を備えた装置を提供することができる。
【００３５】
別の装置では、液体金属を最初に、内側及び外側液体金属ブラシアセンブリの外側周囲の周りの流体タップを介してアセンブリに導入してもよい。最初、及び回転していないときには、液体金属は、好ましくは固定の液体金属格納容器によって包含されるブラシ／ロータアセンブリの最下点に集まり、関連の流体が格納容器の壁と回転シャフト内の間をシールする。
【００３６】
運転を開始すると、液体金属は普通、摩擦と遠心力の組み合わせによって、外側の電流収集リングにより作られた溝内に、徐々に取り込まれる。運転中は、液体金属は、一般的に、ロータの舌部とブラシの固定要素の溝の間に拘束されるロータの外周の至るところに公平に分配されるであろう。
【００３７】
本装置のさらに付加的な好ましい特徴には、スチール又は他のフェライト系軸受により引き起こされる磁場への歪みを避けるためのセラミック軸受の使用と、ロータのシャフト（通常電流を伝導する）と装置の本体との間に電気的絶縁を提供するための非導電シャフト取り付け箇所を用いることが含まれる。
【００３８】
さらなる改良は、回転するシャフトの熱膨張を受け入れるために、わずかな遊合をもってＯ-リング上にセラミック軸受を取り付けることである。この改良がなければ、好ましいアルミニウムシャフトとセラミック軸受との間の異なる熱膨張率が、軸受の亀裂や破壊をもたらす恐れがある。
【００３９】
外側及び内側液体金属ブラシアセンブリは、アセンブリ内の補助器具及びブラシの性能にいくつかの改良を有する。液体金属ブラシアセンブリ用の導電性舌部を形成するロータの部分は、回転するディスク及びシャフトアセンブリに留めつけられ、材料構造物の違いを考慮できる。１つの実施形態では、ディスク／シャフトアセンブリをアルミニウムから作り、ロータ「舌部」を銅から作る。
【００４０】
ステータ「溝」は、ロータ舌部にかぶせての組み立てが可能な、銅のハーフ（ｈａｌｆ）部２つから作ることができる。ステータ溝アセンブリはさらに好ましくは、液体金属材料の充填及び排出を可能にするタップ又はドレインと、熱的及び他の付加的なセンサの取り付けを可能にするポートを含む。
【００４１】
好ましい電流運搬ディスクの断面形状は、装置が停止するとき液体金属材料の収集を助けるように、広がっていてよい。液体金属材料は、好ましくは溝付きの半径方向外側の路から流れ出し、そのあと、ロータ上の広がりを通って半径方向内側の収集溝へと向けることができる。最終的には、液体金属は装置の最も低い場所に集まる。
【００４２】
ロータ及びブラシアセンブリが先に述べた構造の超伝導磁石と一体化されると、完全なモータ又は発電機が形成される。
【００４３】
液体金属ブラシを組み込むモータ又は発電機装置のためのさらなる重要な検討事項は、長期運転に実用的な装置を作り出すことに関する。一般的に、液体金属材料の性能は、酸素及び／又は水分の存在により低下される。結果として、しばしば、液体金属ブラシアセンブリを不活性ガス環境（例えばアルゴンガス、好ましくは大気圧をわずかに超えた）に収納することが望まれる。さらなる改良は、ロータの回転及び固定要素と格納容器との間の磁性流体シールを組み込む密封格納容器の使用であるだろう。
【００４４】
磁性流体シールは、好ましくは、永久磁場により静止表面と回転表面との間に保持される磁性流体の使用により、ガスシールを達成する。磁性流体シールは通常、従来のシールに比べ、ずっと長い耐用年数とより低い摩擦を提供する。
【００４５】
格納容器は、回転ディスク、回転ディスクと回転シャフトアセンブリのかなりの部分、又は、ディスク、シャフト及びクライオスタット及び磁気コイルを封入することができる。
【００４６】
液体金属媒体を用いて回転面から電流を収集するために、固体の接触面の間のリング路は通常、液体金属によって完全に満たされている。この方法の利点は、ロータの周囲にわたる電流収集の均一性（そしてその結果ロータ内の電流フローが均一）、及び、従来の又は先進的な固体ブラシが用いられる場合には不可能又は実現困難である高い表面速度及び電流密度が達成可能なことである。中くらいの電流密度の場合、冷却のための液体金属の再循環が必要でなければ、「舌部と溝」接触として述べたリング路接触は、比較的単純な方法で構成することができる。
【００４７】
接触の優れた電気的特性を最大にするために、ロータとその接触先端部（舌部）及びステータとそのリング路（溝）の最適な幾何学的特性を選択することが重要である。これらのパラメータは、流体力学的摩擦からの機械損失が実質的に舌部の幅と液体金属ギャップの厚みに依存するため、重要である。一般的に、これら２つの相反する要求の間に、電気的及び機械的損失を最小にするための妥協点がある。先端部が幅広であるほど電流密度が低く、接触部で放たれる熱は小さいが、幅広の先端部は摩擦による機械的損失を実質的に増やす。従って、接触部の全体的な損失を最小にするためには、接触先端部の幅の最適化が必要とされる。
【００４８】
機械的摩擦損失を最小にするという観点から、接触表面の間の最適な隙間の厚みは以下の式から導かれる：
【数３】
2015528688.tif 000005
ここで、Ｃは理論分析から導き出した定数でその後実験的に修正したもの、Ｄtipは接触先端部の直径、Ｒｅは循環路液体流の流体力学レイノルズ数であり、接触先端部の直径により計算したものである。回転運動に対しては、Ｒｅは以下のよく知られた公式から導き出される：
【数４】
2015528688.tif 000006
ここで、νは動粘性率、ωはディスクの角速度である。機械的及び電気的損失の観点から、流体層が薄ければ薄いほど、電流コレクタのアクティブゾーンにおける電気的損失が小さくなるが、この層があまりにも薄くなりすぎると機械的な損失が急にきわめて高くなり、これは、最適な隙間を決める際に考慮すべき流体力学的視点を必要とする。
【００４９】
液体金属電流コレクタの最適な構造を得ることには、最小の全体損失と最高の性能を達成するために多くの相反する要求を満足させるような最適化プロセスが含まれる。これは特に、表面速度が２００ｍ／ｓを越える１００ｋＡクラスのコレクタに対処する場合である。
【００５０】
別の重要な論点は、液体金属接触の抵抗の典型的には２／３になり得る液体−固体界面での接触抵抗である。アクティブゾーンで起こる様々な化学的及び電気化学的プロセスにより、さまざまな層が固体表面に形成され、これが抵抗を上げ、その結果接触性能を下げ、長期運転にわたる安定性を下げる。実質的な接触抵抗の低減及び化学的安定の増加は、液体金属電流コレクタの固体表面に塗布される薄い表面コーティング材料の適切な選択によって達成することができる。例えば、ニッケルコーティングは、水銀接点と非常にうまくいくことが知られているし、裸銅はＮａＫ合金とうまくいく。
【００５１】
以下は、液体金属ブラシに関する実験的活動の一部を形成する液体金属ブラシアセンブリの様々な部分に対する候補材料のリストである。この実験的な活動は、機械的、電気的、流体力学的及びその他の損失を最小にするために、各種構成要素にとっての材料の最適な組み合わせを探し求める。
接触先端部及びステータ材料：
銅、アルミニウム、又は適当な機械的強さを有するその他の導電性材料。
コーティング材料：
ニッケル、クロム、ロジウム、コバルト、金及び他の貴金属。
液体媒体：
水銀、ガリウム、ガリウム−インジウム−スズ合金、ナトリウム−カリウム合金、ナトリウム又は液体状の他の導電性材料。
【００５２】
上記材料選択肢に加えて、液体金属ブラシアセンブリの効率及び性能に及ぼす表面仕上げの影響を考慮すべきである。
【００５３】
上記リストは、用いられる材料の種類を示したものであり、包括的ではない。当業者には、同様の電気的化学的特性を備える他の材料が、上記リストに挙げた部門のそれぞれにおいて置き換え得る又は利用され得ることは明らかである。
【００５４】
１つのさらなる変形には、回転及び固定アセンブリの一部分、特に液体金属ブラシの領域において、コーティングとしてのグラフェン材料の使用が含まれる。グラフェンは、炭素の結晶形態であり、炭素原子が、１原子の層厚である規則的な亀甲模様に配置される。
【００５５】
グラフェンでモータ／発電機をコーティングした部分は、機械的構造を強化し、同時に、モータ／発電機の異なる部分の電気伝導度と熱伝導度を高めることができる。グラフェンはまた、動かない部分及び動く部分と液体金属、すなわちナトリウムカリウム合金、リチウム金属、ナトリウム金属、ガリウム−インジウム−スズ共晶合金、ＧａＩｎＳｎ（ガリンスタン）及びガリウム金属との境界での摩擦を減らすことができる。電気的特性も、固体／液体金属界面で改良され得る。システムにグラフェンコーティングを組み込みことによるこのような改良により、機械的、流体力学的及び電気的損失を減らし、システム全体の重量が減る。
【００５６】
本明細書における先行技術への言及は、この先行技術が一般的知識の一部であることを認めたり、示唆するものではなく、またそのように見なされるべきではない。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１Ａ】図１Ａは、本発明の一実施形態による発電機として使用するためのタービンの断面図である。
【図１Ｂ】図１Ｂは、本発明の一実施形態による発電機として使用するためのタービンの断面図である。
【図２Ａ】図２Ａは、本発明の一実施形態による発電機として使用するためのタービンの断面図である。
【図２Ｂ】図２Ｂは、本発明の一実施形態による発電機として使用するためのタービンの断面図である。
【図３】図３は、本発明の一実施形態による発電機として使用するためのタービンの断面図である。
【図４Ａ】図４Ａは、本発明の一実施形態による発電機として使用するためのタービンの断面図である。
【図４Ｂ】図４Ｂは、本発明の一実施形態による発電機として使用するためのタービンの断面図である。
【図５Ａ】図５Ａは、本発明の一実施形態による液体金属ブラシを用いる発電機として使用するためのタービンの断面図である。
【図５Ｂ】図５Ｂは、図５Ａの発電機用の液体金属ブラシを用いるロータ及びステータの構造をより詳細に示したものである。
【図６Ａ】図６Ａは、本発明の一実施形態による発電機として使用するためのＤＣ−ＤＣ変換を採用するタービンの断面図である。
【図６Ｂ】図６Ｂは、本発明の一実施形態による発電機として使用するためのＤＣ−ＤＣ変換を採用するタービンの断面図である。
【図７Ａ】図７Ａは、特定のタイプの超伝導材料を用いる図６Ａ及び６Ｂのタービンによって生み出される磁場のプロットである。
【図７Ｂ】図７Ｂは、特定のタイプの超伝導材料を用いる図６Ａ及び６Ｂのタービンによって生み出される磁場のプロットである。
【図７Ｃ】図７Ｃは、特定のタイプの超伝導材料を用いる図６Ａ及び６Ｂのタービンによって生み出される磁場のプロットである。
【図８Ａ】図８Ａは、図６Ａ及び６Ｂのタービンのブラシの配置を示す。
【図８Ｂ】図８Ｂは、図６Ａ及び６Ｂのタービンのブラシの配置を示す。
【図９】図９は、タービン内の大電流回路及び小電流回路を示す図６Ａ及び６Ｂのタービンの断面図である。
【図１０】図１０は、特定のタイプの超伝導材料を用いた図６Ａ及び６Ｂのタービンによって生み出される磁場の場のプロットである。
【図１１】図１１は、本発明の一実施形態による発電機として使用するための、ＤＣ−ＤＣステップアップ変換を採用するタービンの断面図である。
【図１２】図１２は、タービン内の大電流回路及び小電流回路を示す図１１のタービンの断面図である。
【図１３Ａ】図１３Ａは、特定のタイプの超伝導材料を用いる図１１及び図１２のタービンによって生み出される磁場のプロットである。
【図１３Ｂ】図１３Ｂは、特定のタイプの超伝導材料を用いる図１１及び図１２のタービンによって生み出される磁場のプロットである。
【図１３Ｃ】図１３Ｃは、特定のタイプの超伝導材料を用いる図１１及び図１２のタービンによって生み出される磁場のプロットである。
【図１４】図１４は、特定のタイプの超伝導材料を用いる図１１及び図１２のタービンによって生み出される磁場のプロットである。
【図１５Ａ】図１５Ａは、本発明の一実施形態による発電機として使用するための、ＤＣ−ＤＣ変換を採用するタービンの断面図である。
【図１５Ｂ】図１５Ｂは、本発明の一実施形態による発電機として使用するための、ＤＣ−ＤＣ変換を採用するタービンの断面図である。
【図１６Ａ】図１６Ａは、特定のタイプの超伝導材料を用いる図１５Ａ及び図１５Ｂのタービンによって生み出される磁場のプロットである。
【図１６Ｂ】図１６Ｂは、特定のタイプの超伝導材料を用いる図１５Ａ及び図１５Ｂのタービンによって生み出される磁場のプロットである。
【図１６Ｃ】図１６Ｃは、特定のタイプの超伝導材料を用いる図１５Ａ及び図１５Ｂのタービンによって生み出される磁場のプロットである。
【図１７】図１７は、本発明の一実施形態による発電機として使用するための、ＤＣ−ＤＣステップアップ変換を採用するタービンの断面図である。
【図１８】図１８は、本発明の一実施形態による発電機として使用するための、ＤＣ−ＤＣステップアップ変換を採用するタービンの断面図である。
【図１９】図１９は、本発明の一実施形態による発電機として使用するための、ＤＣ−ＤＣステップアップ変換を採用するタービンの断面図である。
【図２０】図２０は、特定のタイプの超伝導材料を用いる図１９のタービンによって生み出される磁場のプロットである。
【図２１】図２１は、図２０の場のプロットの一部の詳細図である。
【図２２】図２２は、図２０の場のプロットの一部の詳細図である。
【図２３Ａ】図２３Ａは、本発明の一実施形態による発電機として使用するためのタービンの断面図である。
【図２３Ｂ】図２３Ｂは、本発明の一実施形態による発電機として使用するためのタービンの断面図である。
【図２４Ａ】図２４Ａは、異なるコイル構成に対する図２３Ａ及び２３Ｂのタービンによって生み出される磁場のプロットである。
【図２４Ｂ】図２４Ｂは、異なるコイル構成に対する図２３Ａ及び２３Ｂのタービンによって生み出される磁場のプロットである。
【図２５Ａ】図２５Ａは、本発明の一実施形態による発電機として使用するためのタービンの断面図である。
【図２５Ｂ】図２５Ｂは、本発明の一実施形態による発電機として使用するためのタービンの断面図である。
【図２６】図２６は、図２５Ａ及び２５Ｂのタービンによって生み出される磁場のプロットである。
【図２７Ａ】図２７Ａは、本発明の一実施形態による発電機として使用するためのタービンの断面図である。
【図２７Ｂ】図２７Ｂは、本発明の一実施形態による発電機として使用するためのタービンの断面図である。
【図２８】図２８は、図２７Ａ及び２７Ｂのタービンによって生み出される磁場のプロットである。
【図２９】図２９は、本発明の一実施形態による出力電圧を上げるために多数のタービンを連結するための１つの可能な配置を図示する断面図である。
【図３０】図３０は、別のロータ構成のための別の電流経路を示す２つのタービン発電機構成の場のプロットである。
【図３１】図３１は、本発明の一実施形態による発電機として使用するための、ＤＣ−ＤＣステップアップ変換を採用するタービンの断面図である。
【図３２Ａ】図３２Ａは、本発明の一実施形態によるモータ／発電機として使用するための、ＤＣ−ＤＣステップダウン変換を採用するタービンの断面図である。
【図３２Ｂ】図３２Ｂは、本発明の一実施形態によるモータ／発電機として使用するための、ＤＣ−ＤＣステップダウン変換を採用するタービンの断面図である。
【図３３Ａ】図３３Ａは、本発明の一実施形態によるデュアルロータモータ／発電機の断面図である。
【図３３Ｂ】図３３Ｂは、本発明の一実施形態によるデュアルロータモータ／発電機の断面図である。
【図３４Ａ】図３４Ａは、図３３Ａ及び３３Ｂに示したデュアルロータモータ／発電機の場のプロットである。
【図３４Ｂ】図３４Ｂは、図３３Ａ及び３３Ｂに示したデュアルロータモータ／発電機の場のプロットである。
【図３５Ａ】図３５Ａは、本発明の一実施形態による相互連結を短くしたデュアルロータモータ／発電機の断面図である。
【図３５Ｂ】図３５Ｂは、本発明の一実施形態による相互連結を短くしたデュアルロータモータ／発電機の断面図である。
【図３６Ａ】図３６Ａは、図３５Ａ及び３５Ｂに示したデュアルロータモータ／発電機の場のプロットである。
【図３６Ｂ】図３６Ｂは、図３５Ａ及び３５Ｂに示したデュアルロータモータ／発電機の場のプロットである。
【図３７Ａ】図３７Ａは、本発明の一実施形態による、ヌル場領域を作り出すためにキャンセルソレノイドを備えたデュアルステージ発電機の断面図である。
【図３７Ｂ】図３７Ｂは、本発明の一実施形態による、ヌル場領域を作り出すためにキャンセルソレノイドを備えたデュアルステージ発電機の断面図である。
【図３８Ａ】図３８Ａは、図３７Ａ及び３７Ｂに示したデュアルステージ発電機の場のプロットである。
【図３８Ｂ】図３８Ｂは、図３７Ａ及び３７Ｂに示したデュアルステージ発電機の場のプロットである。
【図３８Ｃ】図３８Ｃは、図３７Ａ及び３７Ｂに示したデュアルステージ発電機の場のプロットである。
【図３９Ａ】図３９Ａは、本発明の好ましい実施形態による、速度及び／又は電圧／電流のマルチステージステップアップ又はステップダウン装置の断面図である。
【図３９Ｂ】図３９Ｂは、本発明の好ましい実施形態による、速度及び／又は電圧／電流のマルチステージステップアップ又はステップダウン装置の断面図である。
【図４０】図４０は、図３９Ａ及び３９Ｂに示したマルチステージロータモータ／発電機の場のプロットである。
【図４０Ａ】図４０Ａは、図３９Ａ及び３９Ｂに示したマルチステージロータモータ／発電機の場のプロットである。
【図４０Ｂ】図４０Ｂは、図３９Ａ及び３９Ｂに示したマルチステージロータモータ／発電機の場のプロットである。
【図４１Ａ】図４１Ａは、本発明の一実施形態による、低速セクションと高速セクションの間を分離して直列に接続される積層の低速ロータ装置の断面図である。
【図４１Ｂ】図４１Ｂは、本発明の一実施形態による、低速セクションと高速セクションの間を分離して直列に接続される積層の低速ロータ装置の断面図である。
【図４２Ａ】図４２Ａは、機械的構成要素の組立分解等角図でありる。
【図４２Ｂ】図４２Ｂは本発明の一実施形態による、高電圧電気的ＤＣ出力装置への低速機械的入力の電流経路の組立分解等角図を示す。
【図４３Ａ】図４３Ａは、機械的構成要素の組立分解等角図である。
【図４３Ｂ】図４３Ｂは本発明の一実施形態による、低速機械的出力装置への高電圧ＤＣ入力装置の電流経路の組立分解等角図を示す。
【図４４Ａ】図４４Ａは、機械的構成要素の組立分解等角図である。
【図４４Ｂ】図４４Ｂは本発明の一実施形態による、ＡＣ発電機装置への低速機械的入力の電流経路の組立分解等角図を示す。
【図４５Ａ】図４５Ａは、機械的構成要素の組立分解等角図である。
【図４５Ｂ】図４５Ｂは本発明の一実施形態による、低速機械的出力装置へのＡＣモータの電流経路の組立分解等角図を示す。
【図４６Ａ】図４６Ａは、機械的構成要素の組立分解等角図である。
【図４６Ｂ】図４６Ｂは本発明の一実施形態による、単極電磁変速機（低速を高速へ）の電流経路の組立分解等角図を示す。
【図４７Ａ】図４７Ａは、機械的構成要素の組立分解等角図である。
【図４７Ｂ】図４７Ｂは本発明の一実施形態による、単極電磁変速機（高速を低速へ）の電流経路の組立分解等角図を示す。
【図４８】図４８は、好ましい実施形態による、低電圧ＤＣを高電圧ＤＣに変える電磁電力変換装置の断面等角図である。
【図４９】図４９は、好ましい実施形態による、高電圧ＤＣを低電圧ＤＣに変える電磁電力変換装置の断面等角図である。
【図５０】図５０は、好ましい実施形態による、ＤＣ入力をＡＣ出力に変える電磁電力変換装置の断面等角図である。
【図５１】図５１は、好ましい実施形態による、ＡＣ入力をＤＣ出力に変える電磁電力変換装置の断面等角図である。
【図５２】図５２は、本発明の好ましい実施形態による、好ましい液体金属ブラシシール配置の側断面図である。
【図５３】図５３は、エネルギー生成と貯蔵を考慮した、本発明の好ましい実施形態による、ＤＣ出力発電機の好ましい使用の概略図である。
【図５４】図５４は、修正キャンセルコイルを備える先に表した多段変形への変形の断面図である。
【図５５】図５５は、大電流経路及び小電流経路を表す図５４に示す変形の概略図である。
【図５６】図５６は、緑の自由線で囲まれた０．２Ｔ未満のヌル場領域をもつ、図５４のタービンの場のプロットである。
【図５７】図５７は、緑の自由線で囲まれた０．２Ｔ未満のヌル場領域をもつ、図５４のタービンの外側コイル領域の場のプロットである。
【図５８】図５８は、緑の自由線で囲まれた０．２Ｔ未満のヌル場領域をもつ、図５４のタービンの内側キャンセルコイル領域の場のプロットである。
【図５９】図５９は、トルク等化システムとともに使用される好ましい実施形態のタービン発電機の概略図である。
【図６０】図６０は、図５９の配置の切り取り側面図である。
【図６１】図６１は、図５９のトルク等化システムの詳細図である。
【図６２】図６２は、２つの独立部分を備える逆回転タービン発電機の断面３Ｄ図であり、入力トルクの反対方向を示す。
【図６３】図６３は、図６２のタービン発電機の断面図である。
【図６４】図６４は、図６２のタービン発電機の独立した逆回転ステージを通る、大電流経路及び小電流経路の図である。
【図６５】図６５は、図６２のタービン発電機で用いられるコイルシステムの概観の場のプロットであり、自由線で囲まれた領域は場の強さが０．２Ｔ未満の領域である。
【図６６】図６６は、磁場を示す、図６２のタービン発電機で用いられるコイルアセンブリの、半分の断面の場のプロットである。
【図６７】図６７は、図６２のタービン発電機の外側コイルアセンブリの詳細な断面の場のプロット図である。
【図６８】図６８は、図６２のタービン発電機の内側コイルアセンブリの詳細な断面の場のプロット図である。
【図６９】本発明の好ましい実施形態による、マルチ−ＭＷダイレクトドライブ風力タービン発電機の立断面図である。
【図７０】図７０は、図６９の風力タービン発電機を通る大電流経路及び小電流経路の図である。
【図７１】図７１は、図６９の風力タービン発電機の磁場の概観である。
【図７２】図７２は、図６９の風力タービン発電機の半分の断面の場のプロットである。
【図７３】図７３は、図６９の風力タービン発電機の外側コイルアセンブリの詳細な場のプロットであり、自由線で囲まれた領域は０．２Ｔ未満の領域である。
【図７４】図７４は、図６９の風力タービン発電機の内側キャンセルコイルアセンブリの詳細な場のプロットであり、自由線で囲まれた領域は０．２Ｔ未満の領域である。
【図７５】図７５は、本発明の好ましい実施形態によるマルチ−ＭＷ風力タービン発電機の立断面図である。
【図７６】図７６は、図７５の風力タービン発電機を通る大電流経路及び小電流経路の図である。
【図７７】図７７は、磁場ベクトルを表す、図７５の風力タービン発電機に対する場のプロットであり、自由線で囲まれた領域は場の強さが０．２Ｔ未満である。
【図７８】図７８は、図７５の風力タービン発電機の変形の立断面図であり、中間ステージトルク／ｒｐｍ等化器が加わっている。
【図７９】図７９は、図７８の風力タービン発電機の断面等角図である。
【図８０】図８０は、図７９の風力タービン発電機の中央部分の詳細な断面等角図であり、付与された入力トルクの相対方向を示す。
【図８１】図８１は、図７８の風力タービン発電機を通る大電流経路及び小電流経路の図である。
【図８２】図８２は、本発明の好ましい実施形態による、最終の高電圧出力を提供するための、ドラム型電磁電力変換機を組み込んだドラム形状風力タービン発電機である。
【図８３】図８３は、図８２の風力タービン発電機を通る大電流経路及び小電流経路の図である。
【図８４】図８４は、図８２のドラム型発電機の超伝導コイル配置の概観の場のプロットであり、自由線により囲まれる内側ヌル場領域を生み出す内側キャンセルコイルを備える。
【図８５】図８５は、ヌル場領域を示す図８２の発電機の外側駆動コイルの中央のヌル場領域の詳細図である。
【図８６】図８６は、図８２の実施形態のドラム要素に沿って外側ソレノイドにより生み出される主の駆動場の磁場ベクトルを表す概略図である。
【図８７】図８７は、図８２の発電機の内側キャンセルコイルと高速モータセクションの周りの領域における場のベクトルの概略図である。
【図８８】図８８は、好ましい実施形態による、ラジアル要素電磁電力変換機を備えるドラム型風力タービン発電機の断面概略図である。
【図８９】図８９は、図８８の実施形態における、大電流経路及び小電流経路と接続の図である。
【図９０】図９０は、ドラム型電磁電力変換機を含む、図８２及び８８のドラム型風力タービン発電機の３コイルアセンブリ変形である。
【図９１】図９１は、図９０の変形発電機を通る大電流経路及び小電流経路の図である。
【図９２】図９２は、図９０の変形の発電機のための駆動コイル及びキャンセルコイルを図示する概観の場のプロットである。
【図９３Ａ】図９３Ａは、本発明の好ましい実施形態による、世代１の高速タービンの概略図である。
【図９３Ｂ】図９３Ｂは、本発明の好ましい実施形態による、世代２の高速タービンの概略図であり、図９３Ａの世代１のタービンに比べたときの可能な構造変形を示す。
【図９４】図９４は、図９３Ｂの世代２のタービンの一部分の詳細な図である。
【図９５】図９５は、図９３Ｂの世代２のタービンに対する、通常のコイルのレイアウトとヌル場領域の場のプロットである。
【図９６】図９６は、外側キャンセルコイルが取り除かれた図９３Ｂの世代２のタービンのより径の小さい変形の場のプロットである。
【図９７】図９７は、好ましい実施形態による、第２世代の電磁変換機の基本的なレイアウトの概略図である。
【図９８】図９８は、図９７の変換機における場のプロットであり、ヌル場領域を自由線で囲んで示す。
【図９９】図９９は、好ましい実施形態による、別のコイル構造をもつ、ドラム／ラジアルハイブリッド型モータ／電磁変換機の概略図である。
【図１００】図１００は、図９９の実施形態における場のプロットであり、ヌル場領域を自由線で囲んで示す。
【図１０１】図１０１は、好ましい実施形態による、世代２の高速タービンのさらなる実施形態の断面概略図である。
【図１０２】図１０２は、図１０１の実施形態における場のプロットであり、自由線で囲んだヌル場領域と駆動場を示す。
【図１０３】図１０３は、好ましい実施形態による、世代２の高速タービンのさらなる実施形態の断面概略図である。
【図１０４】図１０４は、図１０３の実施形態における場のプロットであり、自由線で囲んだヌル場領域と駆動場を示す。
【図１０５】図１０５は、好ましい実施形態による、世代２の高速タービンのさらなる実施形態の断面概略図である。
【図１０６】図１０６は、好ましい実施形態による、別のロータ形状、位置及びクライオスタットレイアウトを備えた世代２の高速タービンのさらなる実施形態の断面概略図である。
【図１０７】図１０７は、好ましい実施形態による、別のロータ形状、位置及びクライオスタットレイアウトを備えた世代２の高速タービンのさらなる実施形態の断面概略図である。
【図１０８】図１０８は、三次キャンセルコイルを除いた図２３Ａ及び２３Ｂに示したものと同様のラジアル型ディスク装置の磁場分布画像である。
【図１０９】図１０９は、２つのシールドコイルを用いるアクティブシールドを採用する、図２３Ａ及び２３Ｂの装置の磁場分布画像である。
【図１１０】図１１０は、図２３Ａ及び２３Ｂの装置の磁場分布画像であるが、シールドドコイルを４つ用いるアクティブシールドを採用するように改良されている。
【図１１１】図１１１は、図２３Ａ及び２３Ｂの装置の断面図であるが、ディスク型ラジアル装置に４つの付加的なアクティブキャンセルコイルを備える。
【図１１２】図１１２は、アクティブキャンセルコイルを用いない図８２のものと同様のドラム型アキシャル装置の５ガウス及び２００ガウスラインを示す磁場分布画像である。
【図１１３】図１１３は、２つのアクティブキャンセルコイルを用いる図８２のものと同様のドラム型アキシャル装置の５ガウス及び２００ガウスラインを示す磁場分布画像である。
【図１１４】図１１４は、２つの付加的なアクティブキャンセルコイルの配置を示す、図１１３に示した場を生み出す装置の断面図である。
【図１１５】図１１５は、４つのアクティブキャンセルコイルを含むように修正された図８２のものと同様のドラム型アキシャル装置の５ガウス及び２００ガウスラインを示す。
【図１１６】図１１６は、４つの付加的なアクティブキャンセルコイルの配置を示す、図１１５に示した場を生み出す装置の断面図である。
【図１１７】図１１７は、アクティブシールドのない図６９に示したものと同様のマルチステージラジアル型ディスク装置の５ガウス及び２００ガウスラインを示す。
【図１１８】図１１８は、２つのシールドコイルを用いたアクティブシールドを備える図６９に示したものと同様のマルチステージラジアル型ディスク装置の５ガウス及び２００ガウスラインを示す。
【図１１９】図１１９は、２つの付加的なシールドコイルの配置を示す、図１１８に示した場を生み出す装置の断面図である。
【図１２０】図１２０は、好ましい実施形態による、液体金属ブラシアセンブリの半分を形成する舌状の外側リングを備えた主の回転ディスクとシャフトアセンブリの等角図である。
【図１２１】図１２１は、液体金属材料のための格納壁を含む好ましい実施形態によるロータ全部と内側及び外側両方の液体金属ブラシアセンブリの断面等角図である。
【図１２２】図１２２は、図１２１の構成の正面断面図である。
【図１２３】図１２３は、図１２１の外側液体金属ブラシアセンブリの詳細な断面図である。
【図１２４】図１２４は、図１２２の内側液体金属ブラシアセンブリの詳細な断面図である。
【図１２５】図１２５は、広がったディスク部分を示す回転ディスク／シャフトアセンブリの好ましい実施形態の断面図である。
【図１２６】図１２６は、本発明の好ましい実施形態による、駆動磁石及びクライオスタットの境界を備えた完全なロータ及びブラシアセンブリの断面図である。
【図１２７】図１２７は、１つの可能な実施を示し、低摩耗磁性流体シールを用いてシールした最終出力シャフトを備えるロータ及びクライオスタットアセンブリの周囲に、シールされた不活性ガス環境が生み出される。
【発明を実施するための形態】
【００５８】
本発明をより簡単に理解し、実用化するために、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。
【００５９】
図１Ａを参照して、本発明の一実施形態による発電機１００として用いるための電磁タービンの１つの可能な構成を説明する。基本的な発電機のレイアウトは、磁場内で回転する導電性ディスク１０１からなり、この磁場はディスクの回転軸の方向に向いている。基本レイアウトでの磁場は、ＤＣ電流を同じ方向に循環させる、隙間１０３により分離された２つの超伝導ソレノイド１０２１，１０２２によって作り出される。液体金属ブラシ１０４２を置くために作り出されたヌル場領域を利用するために、ロータ１０１はこの隙間１０３の中央に置かれる。ディスク１０１が外部動力源によって回転されると、内側液体金属電流コレクタ１０４１と外側液体金属電流コレクタ１０４２の間に電圧が生じる。この装置を適当な電気的負荷につなげれば、ディスクから負荷へと電流が流れる。こうして、機械的入力エネルギーが電気的エネルギーへと変換される。
【００６０】
タービンの構造のより詳細な図を図１Ｂに示す。図のように、超伝導ソレノイド１０２１，１０２２は、一連の超伝導コイル１０５から構成される。電流は、外側液体金属ブラシ１０４２から流れ、ロータ要素の外半径から内半径へ、その後導電シャフト１０６の軸に沿って、内側液体金属ブラシアセンブリ１０４１を通り抜けて流れ出る。
【００６１】
この例でのソレノイド１０２１，１０２２の間の隙間１０３により、場のキャンセレーション又は電磁場ヌルの領域を生み出すことができる。当業者には、金属繊維及び液体金属ブラシの両方の稼働は高／強磁場に晒されることによって悪影響を受けると分かるように、各場合において、そのような大きな磁場への暴露は、通電容量を大幅に減らす可能性がある。ヌル場の生成は、液体金属ブラシを、通電容量を低下させずに効果的に動作するように置くことのできる領域を提供する。本実施例では、場の密度が低い（理想的には０．２Ｔ未満）領域に置かれるように、外側液体金属ブラシ１０４２アセンブリを隙間１０３の内部に置き、一方、内側液体金属ブラシ１０４１アセンブリをソレノイドによって生み出される場の外側に配置する。
【００６２】
図２Ａ及び２Ｂは、本発明の一実施形態による発電機２００として用いるための電磁タービンの１つの可能な構成を表す。図のように、タービンは図１Ａ及び１Ｂのものと同様の構造であり、この場合も２つの超伝導ソレノイド２０２１，２０２２を隙間２０３により離して、その間にロータ２０１を配置する。この例でのロータ２０１は、積層構造である。積層ロータ２０１は、対応する円筒要素２０６１，２０６２，２０６３，２０６４，２０６５，２０６６に取り付けられたディスク要素２０１１，２０１２，２０１３，２０１４，２０１５，２０１６を含む複数のラミネート層からなり、前記円筒要素がタービンの導電性出力シャフト２０６を形成する。ロータ２０１の個々の層のそれぞれの間には、導電層の間の電気的絶縁を保ちながら、ラミネート間に強力な機械的接続を生み出すように非導電性材料が配置されている。
【００６３】
ロータ構造２０１の積層部分は、この実施例では、液体金属電流コレクタ２０４を通じて、直列に接続される。ロータ部分の間の相互接続のより詳細な図を図２Ｂに示す。図から分かるように、各ラミネート層は液体金属ブラシ２０４の入力及び出力のセットを有する。ブラシ２０４はともに連結されて、電流戻り相互接続２０５を介して直列回路を形成し、これにより電流を外側ブラシ２０４２から隣接するラミネート層の内側ブラシ２０４１へと戻すことができる。
【００６４】
図１Ａ及び１Ｂのタービンの場合のように、外側ブラシ２０４２は、ギャップ２０３内に生成されるヌル場領域の内部に置かれる。内側ブラシ２０４１はやはり、場の密度が低い（理想的には０．２Ｔ未満）領域にあるソレノイドの外側に置かれる。
【００６５】
積層状に設計する目的は、その最終負荷（つまり、パワーエレクトロニクス、系統連系（ｇｒｉｄ  ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ）、モータサプライ等）により適した最終出力電圧を作るために、個々のロータ積層部に生み出される電圧を、一緒に直列に加えられるようにすることである。さらに、このように直列にラミネート層を接続することにより、発電機の出力電圧を高め、同じパワーエンベロープ内でより小さい作動電流が可能となる。
【００６６】
図３は、積層ロータ３０１を採用する発電機３００として使用するための電磁タービンの別の構造を表す。図２Ａ及び２Ｂの場合と同じく、積層ロータ３０１は、対応する円筒要素３０６１，３０６２，３０６３，３０６４，３０６５，３０６６に取り付けられたディスク要素３０１１，３０１２，３０１３，３０１４，３０１５，３０１６を含む複数のラミネート層からなり、前記円筒要素がタービンの導電性出力シャフト３０６を形成する。ロータ３０１の個々の層のそれぞれの間には、導電層の間の電気的絶縁を保ちながら、ラミネート間に強力な機械的接続を生み出すように非導電性材料が配置されている。
【００６７】
この場合も、ロータ３０１は超伝導ソレノイド３０２１，３０２２の間に配置される隙間３０３の内部に配置され、隙間３０３の内部に生み出されるヌル場領域内に外側ブラシ３０４２を配置できる。しかしながら、この実施例では、積層ロータ３０１の全長が、キャンセルコイル３０７の付加により減らされる。キャンセルコイル３０７は、内側電流コレクタ３０４１を置くための付加的なヌル場領域を作り出す。これらのキャンセルコイル３０７は、超伝導ワイヤ巻き線か又はバルク超伝導材料であってよい。バルク超伝導体を用いる場合、外側ソレノイド３０２１，３０２２を用いて、内側バルク材料が運転温度まで冷却されるとき、定格電流で（逆方向に）操作することにより、バルク超伝導体場を生み出すことができる。この考えは、バルク超伝導材料の完全反磁性を生かすことである。外部源電流を取り除くと（すなわち、外側超伝導コイルを放電する）、永続的な場がバルク超伝導体に残る。この永続的な場は、超伝導コイルを通常の電流方向に充電するとキャンセル場になる。
【００６８】
図４Ａは、発電機として使用するための電磁タービンの１つの可能な構造を表す。この実施例では、発電機は、直列にともに接続された多数の発電機要素４００１，４００２，４００３，４００４から構成される。上の実施例と同じく、各発電機要素は、ロータが回転される一次磁場を生み出すために利用される一次ソレノイド４０２１，４０２２，４０２３，４０２４，４０２５の間に設けられる隙間４０３１，４０３２，４０３３，４０３４の内部に配置されるロータ４０１１，４０１２，４０１３，４０１４を含む。ロータ４０１１，４０１２，４０１３，４０１４は、ステータ４０５１，４０５２，４０５３，４０５４を用いることにより直列に接続される。電流は、一連の滑り金属接触を介してロータ間及びステータを横切って伝達される。
【００６９】
一連のキャンセルコイル４０７１，４０７２，４０７３，４０７４，４０７５が、一次ソレノイド４０２１，４０２２，４０２３，４０２４，４０２５の内側に配置される。これらの内側コイルは、作動半径内部の磁場の密度及び均一性を高め、キャンセルコイルの内径内部に一連の場ヌルを作り出し、ここに液体金属ブラシを適切に配置することができるであろう。
【００７０】
ロータを、ロータから電気的に絶縁されるシャフト４０６上で機械的に回転させると、ロータ−ステータの対合を通って、電流フローが誘導される。図４Ｂに、発電機を流れる電流経路の詳細な図を示す。多数のロータを直列につなぐことの利点は、最終的に生み出される出力電圧の増加である。一般的に、より高い電圧は、生成された電力の取り出しを効率的にし、及び下流のパワーエレクトロニクスへの連結をより直接的にする。
【００７１】
上に記載したように、多くの発電機構造は、電流伝達機構として液体金属ブラシを利用する。図５Ａ及び５Ｂは、液体金属ブラシを用いるロータ及び発電機の構造を、より詳細に示す。図５Ａに示すように、発電機５００は、シャフト５０６に取り付けたロータ５０１を含む。ロータ５０１はやはり、ソレノイド５０２１，５０２２の間の隙間５０３の内部に設けられたヌル場領域内に配置される。この場合のロータは、外側液体金属ブラシ５０４２を収納するステータフレーム５０８２の内部に入れられている。この特定の実施例では、キャンセルコイル５０７が用いられており、キャンセルコイルが、ソレノイド５０２１の端部に隣接し、内側液体金属ブラシ５０４１の周りに置かれている。内側液体金属ブラシ５０４１は、キャンセルコイル５０７の内部でシャフト５０６の端部の周りに置かれるステータフレーム５０８１の内部に収容される。
【００７２】
液体金属ブラシ５０４１，５０４２の使用に応えるために、ロータ５０１と、外側ブラシに係合するシャフトの一部とを、図５Ｂに示すように、溝付きスリップリング５０９を用いて形成する。ステータリング５０８２は、対応する溝５１０を有し、そこにある液体金属５１１用の小さな路を形成する。その際、液体金属は、ステータリングとロータの間に電気的接続を形成し、これを通って電流が流れることが可能となる。
【００７３】
通常、液体金属は、空気中の水分や酸素とよく反応し、不活性ガス環境内に封入する必要がある。上記溝５０９，５１０及びシールシステムに沿った路は、回転時遠心力を受ける液体金属を包含するように設計される。図５Ａから分かるように、ステータ５０８２内の溝５１０を満たす液体金属５１１は、液体金属を注入したり回収したりするために用いられる可変圧力下で貯蔵庫５１２から供給される。この貯蔵庫５１２内の液体はまた、外部熱交換機を用いて冷却され、液体は、接続路５１０を通ってポンプシステムを用いて再循環される。このようにして、冷却システムは、ロータ及びステータシステムから熱を取り除くこともできる。通常の電流収集システムは、水、又はステータリングの周りを循環される他の冷却流体のための路をも備え、ステータ、液体金属及びロータが安定した運転温度に保持されることを保証する。
【００７４】
上の実施例では、生じた電流は、負荷又は下流のパワーエレクトロニクス等へ直接取り出される。高速での発電機は高電圧及び小電流を生むので、生成された電流及び電圧の利用は、発電機が高速で動かされる（すなわち、ドライブシャフトが高速で機械的に駆動される）場合は、比較的簡単な手順である。電流及び電圧の生成は、一次磁場強度Ｂ等の多くの因子に依存する。上に述べたタイプの発電機の電流構成は、高回転速度で、１ｋＶ以上程度の電圧と約５００Ａの電流を生み出すことが可能である。
【００７５】
しかしながら、発電機が比較的低速で駆動される場合、生成される電圧は、２０Ｖ〜６０Ｖ程度と比較的低く、電流は０．５ＭＡ程度である。このような場合、有益な電力を生み出すのに必要なパワーエレクトロニクスは、比較的複雑で、嵩高く、高価である。図６Ａは、低速直接駆動用途で使用するための本発明の一実施形態による発電機として用いるためのタービン６００の１つの可能な構成を表す。図より、この場合のタービン６００は、一次磁場を生成するための一対の超伝導駆動コイル６０４１，６０４２を含む。駆動コイル６０４１，６０４２の間には、低速駆動に接続することのできる低速発電機ステージ６０１（すなわち、通常駆動速度５−２０ｒｐｍ）と、高速発電機ステージ６０３（すなわち、通常駆動速度３００−６００ｒｐｍ）が配置される。
【００７６】
低速ステージ６０１は低電圧及び大電流を作り、これは、通常、送電網に送り込まれるためには大きなパワーエレクトロニクスを必要とする。電圧及び電流を送電網に有効なレベルに変換するために、低速発電機ステージにより生成される低電圧大電流は、高速発電機ステージ６０３を直接駆動する高速モータの形をした中間ステージ６０２を駆動するために用いられる。高速発電機ステージ６０３は、送電網がより容易に用いることのできる高電圧小電流ＤＣ電力を生み出す。この場合の高速モータは、出願人の先の国際出願ＰＣＴ／ＡＵ２０１２／０００３４５及びＰＣＴ／ＡＵ２０１２／０００３４６で述べたタイプのものであり、これらは本明細書にその全体を参考として組み込まれる。
【００７７】
上記考察から明らかなように、低速ステージ６０１及び高速ステージ６０３は機械的には接続されておらず、互いに独立して回転できる。高速モータステージと高速発電機ステージは機械的に連結されているが、電気的には互いから絶縁されている。低速発電機の出力端子は高速モータ中間ステージの入力端子に接続されている。配線構成に応じて、低速ステージと高速ステージは同じ方向又は逆方向に回転できる。
【００７８】
上に記したように、回転ディスクの中央及び外径の間に生成されるＥＭＦは、半径Ｒ、回転速度ω、均一磁場Ｂとして、
【数５】
2015528688.tif 000007
で与えられる。
【００７９】
低速発電機に対するパラメータは以下のとおり：
Ｒlsg＝低速発電機の半径
Ｂlsg＝低速発電機の磁場（この場合均一と仮定して）
ωlsg＝低速発電機の角速度
εlsg＝低速発電機により発生するＥＭＦ＝０．５＊Ｒ1sg２＊Ｂ1sg＊ω1sg
Ｐlsg＝低速発電機への入力パワー
Ｉlsg＝損失を無視した、低速発電機から集められる電流
【００８０】
上に述べたように、低速発電機の電気的出力は、以下のパラメータを有する高速モータへと供給される：
Ｒhsm＝高速モータの半径
Ｂhsm＝高速モータの磁場（この場合均一と仮定して）
Ｐhsm＝高速モータへのパワー＝Ｐlsg（損失を無視）
Ｉhsm＝高速モータへ入力される電流＝Ilsg（損失を無視）
εhsm＝高速モータへのＥＭＦ＝ω1sg
ωhsm＝高速モータの角速度＝２＊εlsg／（Ｒhsm＊Ｂhsm）
【００８１】
上から分かるように、高速モータの角速度は、高速モータ中間ステージの半径及び磁場の関数である。この関係を前提とすると、低速発電機ステージに対する高速モータ中間ステージの半径及び／又は付与される磁場を減らすことにより、低速発電機ステージに対する高速モータ中間ステージの回転速度を増やすことができる。
【００８２】
１つの事例として、Ｒhsm＝Ｒlsg／１０且つＢlsg＝Ｂhsmであれば、
εhsm＝εlsg＝０．５＊Ｒlsg２＊Ｂlsg＊ωlsg＝０．５＊Ｒhsm２＊Ｂhsm＊ωhsm
【００８３】
打ち消して、Ｒlsg２＊ωlsg＝Ｒhsm２＊ωhsm、そして、Ｒhsm＝Ｒlsg／１０を代入すると、
Ｒlsg２＊ωlsg＝（Ｒlsg／１０）２＊ωhsm
ωhsm＝１００＊ωlsg
となる。
【００８４】
この実施例では半径の大きさに１０倍の違いがあるため、低速発電機の入力速度は、高速モータにおいて１００倍に増える。同様に、高速モータ中間ステージの速度を操作するために磁場を利用することもできる。
【００８５】
高速モータ中間ステージは高速発電機ステージに機械的に連結されている（電気的には絶縁されている）ため、ωhsm＝ωhsgである。よって、高速発電機により生じるＥＭＦは：
εhsg＝高速発電機によって生じるＥＭＦ＝０．５＊Ｒhsg２＊Ｂhsg＊ωhsg
で与えられる。
【００８６】
ここで、
Ｒhsg＝高速発電機の半径
Ｂhsg＝高速発電機の磁場（この場合均一と仮定して）
ωhsg＝高速発電機の角速度
Ｐhsg＝高速発電機への入力パワー
Ｉhsg＝損失を無視した、高速発電機から集められる電流
【００８７】
もし、Ｂhsg＝Ｂlsg且つＲhsg＝Ｒlsmであれば、
εhsm＝０．５＊Ｒhsg２＊Ｂhsg＊ωhsg＝０．５＊Ｒhsg２＊Ｂhsg＊１００＊ωlsg
εhsg＝１００＊[０．５＊Ｒ(hsg)２＊Ｂ(hsg)＊ω(lsg)]
ε(hsg)＝１００＊ε(lsg)
【００８８】
高速発電機の出力電圧は低速発電機の１００倍の大きさであり、高速発電機の出力電流は、損失を無視した低速発電機の１００分の１の大きさである。
【００８９】
低速発電機６０１、高速モータ６０２及び高速発電機６０３から成るこの３ステージシステムと、上述の与えられた適当な半径及び磁場の比率を用いて、低速回転入力により生み出される低電圧大電流を、使用可能な高電圧小電流により簡単に変えることができる。また、この装置は、モータ／発電機／モータステージとして同様に稼働させて、最終駆動速度をステップアップ又はステップダウンして最終的な駆動要件に適するようにできる点に留意することも大切である。このように、電磁ＤＣ−ＤＣ変換ステージは、より正確には単極変速機（Ｈｏｍｏｐｏｌａｒ  Ｇｅａｒｂｏｘ）と呼ばれるであろう。
【００９０】
上記実施例は、簡単のため、均一磁場と仮定した。不均一磁場の場合、積分形式が使用されなければならない。
【数６】
2015528688.tif 000008
【００９１】
積分∫Ｂ(r)r.drの値を求めると、V/rad/sでの値を任意の場のプロフィールに対して計算できる。この方法を用いて、積分の比率を、低速発電機ステージと高速モータステージ／高速発電機ステージとの間の速度比率を計算するのに用いることができる。さらに、低速発電機ステージと高速発電機ステージとの間の最終的な電圧比率を以下のように計算できる。V/rad/sでの積分∫Ｂ(r)r.drはまた、amp当たりに生み出されるトルク（Nm/A）と等しい。
【００９２】
∫Ｂ(r)r.dr(lsg)＊ωlsg＝∫Ｂ(r)r.dr(hsm)＊ωhsm
【００９３】
ωhsm＝ωlsg＊∫Ｂ(r)r.dr(lsg)／∫Ｂ(r)r.dr(hsm)
【００９４】
εhsg＝ωhsm＊∫Ｂ(r)r.dr(hsg)
【００９５】
εhsg＝[ωlsg＊∫Ｂ(r)r.dr(lsg)／∫Ｂ(r)r.dr(hsm)]＊∫Ｂ(r)r.dr(hsg)
【００９６】
図６Ｂは、図６Ａのロータ構造のより詳細な断面図である。図より、タービン６００では、低速発電機ステージ６０１と高速発電機ステージ６０３が、クライオスタット６０５に収容される一対の一次駆動コイル６０４１，６０４２の間に置かれる。上記実施例と同じく、一次駆動コイル６０４１，６０４２は間隔をあけておかれ、液体金属電流伝達アセンブリ６０６を置くためのヌル場領域を生み出す。図に示すように、一次駆動コイルは、超伝導材料の２つの同心コイル６２０から構成される。
【００９７】
この一次駆動コイルに加え、一対の内側キャンセルコイル６０７１，６０７２が設けられる。内側キャンセルコイル６０７１，６０７２は、一次駆動コイル６０４１，６０４２の内側に同心円状に配置される。図より、内側キャンセルコイル６０７１，６０７２は、クライオスタット６０５内に収容される一連の３つの同心コイルから成る。最も内側及び最も外側のコイル６２１は、外側駆動コイル６０４１，６０４２と逆向きの電流方向を有する。これらキャンセルコイルの間にあるコイル６２２は、正の電流方向、つまり外側駆動コイルと同じ向きを有する。この場合、内側キャンセルコイル６０７１，６０７２は、高速モータステージ６０２に駆動電流を付与するための液体金属ブラシを置くための、さらなるヌルを生み出す。さらに、キャンセルコイル６０７１，６０７２は、電気モータステージ６０２のための駆動場をも提供する。
【００９８】
図７Ａには、タービン６００内に生成される場のプロットを示し、この場合、駆動コイルとキャンセルコイルは、Ｎｂ３Ｓｎ超伝導ワイヤから構成される。図７Ａから分かるように、駆動コイル６０４１，６０４２は、コイル対の間にヌル場領域７０１を生み出し、この領域は、コイル対を形成する同心コイルの間に設けられる空間６０８の周りに集まる（ｃｅｎｔｅｒｅｄ  ａｂｏｕｔ）。図７Ｂは、一次駆動コイル６０４１，６０４２の間に生成されるヌル場領域のより詳細な図を提供する。２つのコイル６０４１，６０４２の間の隙間は、ヌル場の領域を作り出す。この領域は、コイルの巻き半径に小さいギャップ６０８を導入することによって、強化及び拡大される。上記画像中の囲まれた領域７０４は、場の強度が０．２Ｔ未満の領域を表す。
【００９９】
キャンセルコイルは、中央のヌル場領域７０３を提供する。キャンセルコイル６０７１，６０７２の間にも付加的なヌル場領域７０２が設けられる。この領域は、キャンセルコイルを形成する一組の同心コイル中の最も外側のコイルと二番目のコイルとの間に設けられる空間６０９の周りに集まる。内側キャンセルコイルにより生み出されるヌル場のより詳細な図を、図７Ｃに示す。取り囲まれた領域７０５は、０．２Ｔ未満の領域を表す。３つの付加的な内側コイルセットの配置は、ブラシ相互接続用のヌル場を生み出すだけでなく、電磁ＤＣ−ＤＣ変換機モータ発電機組み合わせのモータステージを駆動するのに用いられる高軸方向磁場の領域７０６をも提供する。
【０１００】
ブラシの配置の詳細図を図８Ａ及び８Ｂに示す。図８Ａは、低速及び高速発電機ステージ６０１，６０３用の外側ブラシの配置を示す。図より、低速発電機ステージ６０１用のロータ６１０は駆動コイル６０４２に近接して置かれ、外側ブラシ６０６１，２を駆動コイル６０４２内部のギャップ６０８に近接して配置する。高速発電機６０３用のロータ６１１は駆動コイル６０４１に近接して置かれ、外側ブラシ６０６３，２は、駆動コイル６０４１内部のギャップ６０８に近接して置かれる。両方の場合において、ブラシ６０６１，２，６０６３，２は、コイル６０４１，６０４２の間に生成されるヌル場領域７０１に置かれる。
【０１０１】
図８Ｂは、低速及び高速発電機ステージ６０１，６０３用の内側ブラシ６０６１，１，６０６３，１の配置を表す。高速モータステージ６０２と高速発電機ステージ６０３との間の相互接続もさらに詳しく示す。図より、内側ブラシ６０６１，１，６０６３，１は、クライオスタット６０５の穴の中に配置されるそれぞれのロータ６１０，６１１のハブに接触する。低速発電機６０１用の内側ブラシ６０６１，１は、キャンセルコイル６０７２を形成する最も内側の同心コイルに近接して配置される。高速発電機用の内側ブラシ６０６３，１はキャンセルコイル６０７１のクライオスタット６０５の穴の中に配置され、ヌル場領域７０３に置かれる高速モータ６０２の内側ブラシ６０６２，１に近接して配置される。この場合、低速６０１及び高速６０３発電機用の内側ブラシ６０６１，１，６０６３，１は、キャンセルコイルにより生み出されるヌル場領域７０３に置かれる。
【０１０２】
この例では、高速モータ６０２の外側ブラシ６０６２，２は、キャンセルコイル６０７１の最も外側のコイルに近接して置かれ、ヌル場領域７０２と一緒に配置される。こうした外側ブラシ６０６２，２の配置は、モータのロータ６１２が高軸方向磁場と一緒に配置されることをも意味する。上で述べたように、高速モータ６０２は、高速発電機６０３に機械的に連結される。図８Ｂに見られるように、モータ６０２は適当な絶縁材料６１３を介して高速発電機６０３に接続され、モータ６０２と高速発電機６０３の間の電気的絶縁を保持する。
【０１０３】
図９は、タービン６００を通る電流フローを表し、この場合、タービンには低速発電機ステージ６０１と高速モータ６０２により形成される大電流回路が含まれる。この場合の小電流回路は、高速発電機６０３により形成される。図から分かるように、低速発電機のロータ６１０は外部駆動機構を介して回転され、一次磁場内の導電性ロータの動きにより電流が発生する。低速発電機６０１から生まれる大電流は電流経路９０１により示されるように、高速モータ６０２へと流れる。電流がモータ６０２のロータ６１２を通り抜けるとき、キャンセルコイル６０７１，６０７２により生成される高軸方向磁場のためにトルクが生み出される。このトルクは、高速発電機６０３のロータ６１１へと伝達される。高速発電機６０３のロータ６１１の回転は電流を誘導し、電流経路９０２により示されるように、主に、負荷／送電網へと取り出される。
【０１０４】
上記実施例では、超伝導コイルはNb3Sn超伝導ワイヤから構成される。あるいは、超伝導コイルを、NbTi超伝導ワイヤから組み立ててもよく、これは、現在、Nb3Snより値段的にいくらか有利であり、超伝導コイルの組立やすさに関してもいくらか有利である。この低コストで容易な代替物に対する代償は、外側パンケーキ型コイルの直径の増加、高速及び低速ロータの直径の対応する増加、そして、結果的に、完成した発電機のワイヤ及びロータ重量の増加として現れる。図６Ａ及び６Ｂの発電機配置に対し生み出される場のプロットを図１０に示す。図より分かるように、結果的に得られるヌル場領域は、Nb3Snワイヤの場合と類似の構成であり、領域の幾何学がわずかに変更されている。
【０１０５】
ＤＣ−ＤＣ変換を備えるタービンのさらなる実施形態を、図１１に示す。この場合も、タービンは、発電機の低速ステージにより生み出される低電圧大電流を、高電圧小電流出力に変えるように設計される。タービンは、図６Ａ及び６Ｂのタービンと類似の構造である第１のステージ８００を含み、クライオスタット６０５内に収容される一対の一次駆動コイル６０４１，６０４２の間に配置される一次低速発電機ステージ６０１と高速発電機ステージ６０３を含む。一次駆動コイル６０４１，６０４２は離れておかれ、液体金属電流伝達アセンブリ６０６の配置のためのヌル場領域を作り出す。やはり、一次駆動コイルは、超伝導材料の２つの円心コイルから構成される。
【０１０６】
一次駆動コイルに加えて、一対の内側キャンセルコイル６０７１，６０７２が設けられる。この内側キャンセルコイル６０７１，６０７２は、一次駆動コイル６０４１，６０４２の内側に同心円状に置かれている。図より、内側キャンセルコイル６０７１，６０７２は、クライオスタット６０５内に収容される一連の３つの同心コイルからなる。
【０１０７】
二次低速ステージ８０１は、第２の低速発電機ステージを含み、この場合、これは、一対の超伝導要素８０３１，８０３２の間に置かれたロータ８０２を含む。二次低速発電機は、導電性シャフト８０４を介して、一次低速発電機６０１に連結される。二次駆動コイル８０３１，８０３２は、一次駆動コイル６０４１，６０４２と反対の磁極性で配置される。逆の場の極性は、第１の低速デュアルロータアセンブリにおける回転方向との一致を保証する。つまり、電流フローは、第１のロータ６１０内において外半径から内半径へ延び、シャフト８０４に沿って、その後第２のロータ８０２の内半径から外半径へと延びる。
【０１０８】
シングルロータの場合と同じく、低速発電機セクションは、高速モータに電力を供給するために利用される。この例では、二次低速発電機はモータ６０２のブラシの１つに連結され、一方、一次ステージ６０１の低速発電機は、モータ６０２のブラシの残りのブラシに連結される。
【０１０９】
デュアルロータ設計の主要な利点は、外側駆動コイルの全径（それゆえ発電機の全径）の減少である。実際には、第１の低速ロータ内に発生する電圧は、滑り接触相互接続を必要とすることなく、２つの物理的ロータを横切って発生される。発電機ステージで生じる電圧は外側コイルの半径と強い相関があるため、プレート当たりに求められる電圧を半減させることができると、プレート当たりのターゲット電圧を低くするように外側コイルの径を減らすことができる。
【０１１０】
図１２は、タービン内部のＤＣ−ＤＣ変換のための大電流回路及び小電流回路を表す。図より、低速セクション８０１，６０１内に生成される大電流は、電流経路８０５により示されるように、高速モータ６０２に通される。モータ６０２により生み出される、結果的に得られるトルクは、高速発電機６０３ステージへ伝えられる。高速発電機セクション６０３のロータの回転は電流を誘導し、この電流が電流経路８０６により示されるように送電網へと引き出される。
【０１１１】
図１２に見られるように、外側ブラシ６０６１，２，６０６３，２は、一次駆動コイル６０４１，６０４２の間のギャップ６０８に近接して置かれ、すなわち、ブラシ６０６１，２，６０６３，２の配置は、コイル６０４１，６０４２の間に生み出されるヌル場領域に置かれる。高速発電機及びモータステージ６０２，６０３のための内側ブラシ６０６２，１，６０６３，１は、クライオスタット６０５の穴の中に置かれる。高速発電機用の内側ブラシ６０６３，１は、キャンセルコイル６０７１のクライオスタット６０５の穴の中に、高速モータ６０２の内側ブラシ６０６２，１に近接して置かれる。高速発電機６０３及びモータ６０２のための内側ブラシ６０６２，１，６０６３，１は、キャンセルコイルにより生み出される中央のヌル場に置かれる。この例での高速モータ６０２の外側ブラシ６０６２，２は、キャンセルコイル６０７１の最も外側のコイルに近接しておかれ、キャンセルコイルにより生み出される外側のヌル場領域と一緒に置かれる。
【０１１２】
二次低速発電機セクションの外側ブラシ８０６１，２は、二次駆動コイル８０３１，８０３２の間の隙間の内側に置かれ、一次駆動コイルの場合と同様に、二次駆動コイル８０３１，８０３２は、間にギャップ８０７を挟んだ一対の同心コイルから構成される。ここでも、このギャップは、ヌル場領域を拡大する。
【０１１３】
駆動及びキャンセルコイルの組み合わせにより生み出される磁場のプロットを図１３Ａに示す。この場合の場のプロットは、Nb3Snワイヤを用いてモデル化した。デュアルロータ配置により、発電機全体での外径を減らすことができ、同時に、第１の低速発電機ステージからの動力を効率的に取り出すのに十分に高い出力電圧を維持する。
【０１１４】
場のプロットは明らかに、左側に、一組の外側駆動コイルから成る第１のロータステージを示す。右側の混成ステージは、低速発電機／高速最終発電機ステージの後半部のための外側駆動コイルと、内側キャンセルコイルとを包含する。これらのキャンセルコイルは、液体金属接触を配置するのに適した場ヌルを生み出し、中間の高速モータステージのための駆動場を生み出す。
【０１１５】
図１３Ｂは、一次駆動コイル６０４１，６０４２において生み出される場の詳細な図である。自由線で囲まれた領域９０２は、場の強度が０．２Ｔ未満の領域（すなわち、液体金属ブラシを性能の低下無しに置くことのできる領域）を示す。
【０１１６】
先のシングルロータの実施例で示したように、場ヌルは、まず、駆動コイル８０３１，８０３２の間の分離を用いて構築される。上で述べたように、駆動コイルのそれぞれは、間にギャップを形成した一組の同心コイルから形成される。この場合、空隙の使用は、さらに、ヌル場領域の大きさを高める。
【０１１７】
図１３Ｃは、タービンアセンブリの一次モータステージ８００に生み出される場を描く。上の実施例と同じく、一連の付加的なコイルは、ヌル場９０３の領域を作り出し、ここに、発電機／モータ／発電機ステージの間で電流を運ぶ液体金属ブラシが配置される。これらのコイルの第２の機能は、場ヌルの下に、装置の高速中間モータステージを駆動する、有効な軸方向磁場の領域を作り出すことである。
【０１１８】
図１４は、NbTi超伝導ワイヤに対してモデル化される駆動及びキャンセルコイルの組み合わせにより生み出された磁場の場のプロットである。異なるワイヤはやはり結果として大きな直径及び最終的には重たい機械につながる。
【０１１９】
ＤＣ−ＤＣ変換を用いるタービンの別の配置を図１５Ａ及び１５Ｂに示す。この実施例では、多数の層からなる外側コイルを、図１Ａから５に関連して述べたようなソレノイド型コイルに置き換えた。同心の外側コイルの間の隙間を増やすことにより、低速及び高速発電機セクションを形成するロータのサイドエントリーが容易になる。このオプションにより、外側コイルの支持構造が構造的に輪状の要素を組み込むことを可能とし、今度はこれにより発電機の総重量を減らすことができる。
【０１２０】
上の実施例と同じく、タービンは、クライオスタット１００５内に収容される一組の駆動コイル１０００１，１０００２を含む。この場合のコイルは同心円状に配置され、低速発電機１００１と高速発電機１００３用のロータの一部がコイルの間の領域内へと延びる。上の実施例と同じく、駆動コイルの間の隙間の導入は、ヌル場領域の生成を可能とし、この領域へ発電機ステージのための外側液体金属ブラシ１００６１，２，１００６３，２が置かれる。ヌル領域をさらに拡大するために、キャンセルコイル１００８１，１００８２を、各駆動コイル１０００１，１０００２に近接してクライオスタットとともに配置してもよい。キャンセルコイル１００８１，１００８２の配置は、図１５Ｂからより詳しく分かる。
【０１２１】
上の実施例と同様に、サイドエントリー構造は、やはり、一組のキャンセルコイル１００７１，１００７２を用いる。この場合に見られるように、キャンセルコイル１００７１，１００７２は、やはり、同心関係に配置される３つの超伝導コイルの組から構成される。キャンセルコイル１００７１，１００７２は、低速、高速発電機セクション用の内側ブラシ１００６１，１，１００６３，１を配置するためのヌル場領域を提供する。キャンセルコイル１００７１，１００７２はまた、電気モータステージ１００２のための駆動ブラシ１００６２，１，１００６２，２を置くためのヌル場領域、並びに、モータ１００２のための一次駆動場として働く高軸方向磁場の領域を提供する。
【０１２２】
図１５Ｂはタービンの様々な大電流及び小電流ステージの間の電流の通り道を示す。図より、低速発電機セクション１００１は、駆動コイル１０００１とキャンセルコイル１００８１に近接して外側ブラシ１００６１，２を取り付けた高速発電機セクション１００３を包み込む。内側ブラシ１００６１，１は、キャンセルコイル１００７２の最も内側のコイルに近接して取り付けられる。発電機１００１の低速回転を介して生成される大電流は、電流経路１００９により示されるように、高速モータ１００２へと通される。ロータは、キャンセルコイル１００７１の最も外側のコイルに近接して置かれるモータの外側ブラシ１００６２，２と、キャンセルコイル１００７１の最も内側のコイルに近接して置かれる内側ブラシ１００６２，１との間の電流結合を提供する。モータに電流が流れると、電流と、キャンセルコイルにより生成される高軸方向磁場との相互作用により、トルクが生み出される。
【０１２３】
モータによって生成されるトルクは、高速発電機１００３のロータへと直接伝達される。結果として生じる高速発電機セクションのロータの回転は、小電流出力を生み出し、これは、電流経路１０１０によって示されるように、駆動コイル１０００２とキャンセルコイル１００８２に近接して配置される外側ブラシ１００６３，２と、キャンセルコイル１００７１のクライオスタット内に配置される内側ブラシ１００６３，１を介して引き出される。
【０１２４】
図１６Ａは、図１５Ａ及び１５Ｂのタービン配置に対する場のプロットである。図より分かるように、キャンセルコイル１００７１，１００７２が、駆動コイル１０００１，１０００２に近接して配置され、キャンセルコイル１００７１，１００７２の最も内側のコイルの間の中央領域にヌル１１０１が生み出され、キャンセルコイル１００７１，１００７２の最も外側のコイルと中間のコイルとの間にヌル１１０２が生み出される。駆動コイル１０００１，１０００２の間の領域にもヌル場１１０３が生成される。外側コイルのヌル場は、外側コイルの水平な隙間内の、付加的なより小さな場のキャンセルコイル１００８１，１００８２の組により増加され拡大される。
【０１２５】
図１６Ｂは駆動コイル１０００１，１０００２の間に生成されるヌル場１１０３をより詳しく示す。内側及び外側駆動コイル１０００１，１０００２の間の隙間内部の一連のより小さなキャンセルコイル１００８１，１００８２は、場ヌルを増やすために、逆向きの電流フローを有する。取り囲んだ領域１１０４は場の密度が０．２Ｔ未満である領域を表す。
【０１２６】
図１６Ｃは、キャンセルコイル１００７１，１００７２により生成されるヌル場領域を示す。図より分かるように、キャンセルコイル１００７１，１００７２の配置が、大きな中央のヌル１１０１と、外側コイルと中間コイルの間の領域の一組の小さなヌル１１０２を生み出す。最も内側のコイルと真ん中のコイルの間に、高軸方向磁場が生成される。
【０１２７】
所望の出力電圧と電力レベルに応じて、発電機ステージ（低及び高速）を、直列接続した積層ロータアセンブリを用いて作ることができる。電流の向きは、ロータの積層を接続する対応の固定の戻りバスを通して、積層内で維持される。図１７は、積層低速発電機ステージを採用するサイドエントリー型用に構成されたタービンを表す。駆動コイル１０００１，１０００２とキャンセルコイル１００７１，１００７２の構成は、図１５Ａ及び１５Ｂに関連して上で述べたものと同じである。
【０１２８】
この実施例では、二次低速発電機１２０１２が、一次低速発電機１２０１１の上に積み重ねられる。２つの発電機は絶縁層１２００を介して機械的に連結される。この場合に見られるように、低速ステージのロータはモータステージ１２０２とともに直列に接続される（電流経路１２０９によって分かるように）。低速発電機セクションが回転されると、一次ロータ１２０１１に生じた電流が、二次ロータの端部に近接して配置される外側ブラシ１２０６１，２から、二次発電機１２０１２の内側ブラシ１２０６１，３へと移動される。二次低速発電機ステージからの電流は、駆動コイル１０００１とキャンセルコイル１００８１に近接して配置される外側ブラシ１２０６１，４から、モータ１２０２の外側ブラシ１２０６２，２へ、そしてロータを横切って、内側ブラシ１２０６１，１に連結される内側ブラシ１２０６２，１へと供給され、モータ１２０２用の電力回路を完成させる。
【０１２９】
上の実施例にように、モータはやはり、適当な絶縁層１２００を介して高速発電機ステージ１２０３に機械的に接続される。低速ステージからの電流がモータを流れると、結果として生まれたトルクが、高速発電機のロータへと伝達され、電流を誘導する。小電流出力は、電流経路１２１０によって示されるように、駆動コイル１０００２とキャンセルコイル１２０８２に近接して配置される外側ブラシ１２０６３，２と、キャンセルコイル１００７１のクライオスタット内に配置される内側ブラシ１２０６３，１とを介して取り出される。
【０１３０】
図１８は、積層低速及び高速発電機ステージを用いる、サイドエントリー用に構成されたタービンの場合を表す。駆動コイル１０００１とキャンセルコイル１００７１，１００７２の構成は、図１５Ａ及び１５Ｂに関連して上記で述べたものと同じである。
【０１３１】
図１７の構成の場合と同じく、低速ステージには、適当な絶縁層を介して機械的に連結される２つの低速発電機が含まれる。ここでも、二次低速発電機１２０１２は、一次低速発電機１２０１１の上に積み重ねられる。電流経路１２０９により示されるように、電流は、低速発電機の各種ステージの間を通って、モータ１２０２へと流れる。より具体的には、低速発電機セクションが回転されると、一次ロータ１２０１１内に生じた電流が、二次ロータの端部に近接して配置される外側ブラシ１２０６１，２から、二次発電機１２０１２の内側ブラシ１２０６１，３へと移動される。二次低速発電機ステージからの電流は、駆動コイル１０００１とキャンセルコイル１００８１に近接して配置される外側ブラシ１２０６１，４から、モータ１２０２の外側ブラシ１２０６２，２へ、ロータを横切って、内側ブラシ１２０６１，１に連結される内側ブラシ１２０６２，１へと供給され、モータ１２０２用の電力回路を完成させる。
【０１３２】
上の実施例のように、モータはやはり、高速発電機ステージに機械的に接続される。しかしながら、この場合、高速発電機ステージは、一次高速ステージ１２０３１を含み、モータ１２０２と一次ステージ１２０３１との間に二次高速ステージ１２０３２が積み重ねられている。モータ１２０２は、適当な絶縁層１２００を介して二次ステージ１２０３２に機械的に連結され、同様に二次ステージ１２０３２は適当な絶縁層１２００を介して一次ステージに連結される。低速ステージからの電流がモータを流れると、結果として生まれたトルクが、高速ステージ１２０３１，１２０３２へと伝達される。
【０１３３】
これに続く高速ステージ１２０３１，１２０３２の回転は、小電流出力を生み出す。ここで見られるように、外側ブラシ１２０６３，２は、二次ロータの内側ブラシ１２０６３，３に連結され、電流経路１２１０で示すように、二次高速発電機１２０３２の外側ブラシ１２０６３，４と一次高速発電機１２０３１の内側ブラシ１２０６３，１を横切って、電流が取り出される。
【０１３４】
図１９はサイドエントリー型タービンのさらに別の構成を表す。この場合、低速ステージと高速ステージは、図１８に関して述べたように構成される。この場合、タービンは先に述べた構成とは異なる駆動コイル構成を用いる。図１５Ａ、１５Ｂ、１７及び１８に表した構造の場合、駆動コイル１０００１，１０００２とキャンセルコイル１００８１，１００８２の同心配置を利用する。図１９の実施例の場合、同軸配置を採用する。
【０１３５】
図１９から分かるように、各駆動コイルアセンブリ１３０１１，１３０１２には、３コイル、つまり、一対の駆動コイル１３０２１，１３０２２及びキャンセルコイル１３０３１，１３０１２からなるセットが含まれる。上の実施例と同じように、駆動コイルアセンブリ１３０１１，１３０１２は、一次及び二次低速発電機１２０１１，１２０１２と、一次及び二次高速発電機１２０３１，１２０３２の一部及びそれぞれのブラシを受け入れるための隙間を間に挟んで、それぞれに対し同心円状に配置される。駆動コイル１３０２１，１３０２２及びキャンセルコイル１３０３は、コイルアセンブリ１３０１１，１３０１２内に同軸に配置される。
【０１３６】
図２０は、図１９のコイル配置により生み出される合成磁場（ｒｅｓｕｌｔａｎｔ  ｍａｇｎｅｔｉｃ  ｆｉｅｌｄ）のプロットを示す。ここでも、駆動コイルアセンブリ１３０１１，１３０１２の間の隙間内部にヌル場領域１３０４が生み出される。キャンセルコイル１２０７１，１２０７２により生み出されるヌル１１０１，１１０２は、図２１に示す場のプロットから分かるように、駆動コイルアセンブリ１３０１１，１３０１２の内部のコイルの構成の変化により影響を受けない。
【０１３７】
図２２は、コイルアセンブリ１３０１１，１３０１２の間に生み出されるヌル場領域１３０４の詳細な図である。上の場合のように、キャンセルコイルを駆動コイル配置に導入することは、自由線１３０５で囲んだような、ブラシを配置できるヌル場領域の大きさを増加するという効果がある。
【０１３８】
電磁ＤＣ−ＤＣ変換機ステージを組み込むタービンの全ては、発電機として逆に動作させることができ（高速発電機からの電圧を下げるために）、又は、いずれかの方向で（低電圧低速→高電圧高速最終駆動、又は、高電圧高速→低電圧低速最終駆動）モータとして動作させることができる点に留意することが重要である。さらに、風力タービン使用の場合、最終高速ＤＣ発電機ステージを取り除いて、高速モータステージを外部ＡＣ発電機に連結することもできる。やはり、この実現は、より正確には、単極変速機と記載することができるであろう。
【０１３９】
上に述べた実施例は、直接駆動型風力タービンを備えたような発電機用の入力、又は、モータ用の最終出力ドライブシャフトといった、低回転速度に対処する必要性があることに起因する。これらのシナリオに存在する低速及び対応する高トルクは、多量の基礎構造及び支持機構を必要とする。これらの限界には、この種の負荷（ｌｏａｄｉｎｇ）で運転しなければならない全てのモータ及び発電機構造が直面する。
【０１４０】
仮に運転速度を実質的に上げることができれば、発電機及びモータの大きさを概して大幅に減らすことができる。機械的な側では、より大きな運転速度は、同じパワーエンベロープに対して、ドライブ／ドリブンシャフトにかかるトルクがより少ないことを意味する。これは、より小さい、より軽いシャフト及びロータを用いられることを意味する。さらに、発電機／モータの方程式での電圧項がＲＰＭの一次関数（ｄｉｒｅｃｔ  ｆｕｎｃｔｉｏｎ）となるから、運転速度が高いことは、運転電圧がより高く、対応して電流が低いことを意味する。これは、ロータ及び電流運搬相互接続部の必要な大きさを減らし、さらに装置全体の大きさ及び重量を減らす。
【０１４１】
図２３Ａは、高速モータ／発電機として用いるためのタービン１４００の１つの可能な構成を表す。図より、タービンには、一対の磁気アセンブリ１４０１１，１４０１２が含まれる。この磁気アセンブリは複数の超伝導コイルを有し、いくらかのコイルが一次磁気駆動場の生成のために構成され、いくらかのコイルが場ヌルの生成のため、及び必要な遮蔽基準を満たすように浮遊磁場プロファイルを減らす（すなわち、タービンの５ガウスラインを形成する）ために、キャンセルコイルとして構成される。図２３Ａから分かるように、タービンには、磁気アセンブリ１４０１１，１４０２１の間に配置されるシングルロータ１４０２が含まれる。この場合ロータ１４０２は磁気アセンブリ１４０１１，１４０２１に設けられる穴１４０４１，１４０４２を通って延びるドライブシャフト１４０３と一体に形成される。
【０１４２】
図２３Ｂは、ロータ１４０２とドライブシャフト１４０３に対する磁気アセンブリ１４０１１，１４０１２の配置を示す。図より、ロータ１４０２は磁気アセンブリ１４０１１，１４０１２の間に設けられた隙間１４０５の内部に配置される。上の実施例と同じく、隙間は主にロータ１４０２を収容するために設けられるが、駆動コイル１４０６１と１４０６２の間の相互作用により与えられるヌル場領域の生成にも役立つ。
【０１４３】
図から分かるように、駆動コイル１４０６１及び１４０６２は、この場合、同軸配置される超伝導コイル３つから構成される。一組のキャンセルコイル１４０７１，１４０７２が、駆動コイル１４０６１及び１４０６２に対して重なった同心配置にて置かれる。図より、キャンセルコイルは同軸に配置される超伝導コイル２つから構成される。上の場合と同様、キャンセルコイル１４０７１，１４０７２は、ヌル場領域の大きさを増やすために利用され、この領域へロータ用の液体金属ブラシ１４０８を、ブラシ１４０８の効率の良い操作を確保するために置くことができる。
【０１４４】
キャンセルコイル１４０７１，１４０７２に加えて、磁気アセンブリは、シャフト１４０３の端部に近接して配置されるキャンセルコイル１４０９１，１４０９２の外側の組を含む。この外側キャンセルコイル１４０９１，１４０９２は、シャフト１４０３の液体金属ブラシ１４１０１，１４１０２の配置のためのヌル場領域を作り出す。
【０１４５】
内側キャンセルコイル１４０７１，１４０７２及び外側キャンセルコイル１４０９１，１４０９２に加えて、磁気アセンブリ１４０１１，１４０１２はまた、三次セットのキャンセルコイル１４１１１，１４１１２を含み、これらコイルは、内側キャンセルコイル１４０７１，１４０７２及び外側キャンセルコイル１４０９１，１４０９２及び駆動コイル１４０６１及び１４０６２より直径が大幅に大きい。この三次コイルは、この場合、タービンの浮遊磁場プロファイルを減らすために設けられる。これらのコイルの付加は、タービンのための５ガウスラインがタービンの数１００ｍｍ内にあることを意味する。
【０１４６】
図２４Ａは三次キャンセルコイルを用いない、図２３のタービンに対する場のプロットを示す。図から分かるように、ヌル場領域１４１２が、一次駆動コイル１４０６１及び１４０６２と内側キャンセルコイルに近接する領域（すなわち、磁気アセンブリ１４０１１，１４０１２の間の隙間の内部）に生み出される。また、外側キャンセルコイルによってタービンの対向する端部にヌル場１４１３が生成される。この場合のライン１５０１は、０．２Ｔカットオフを示し、すなわち、このラインの外側では、場の強度が０．２Ｔ未満に落ちる。同様に、ライン１５０２は、場の強度が０．１５Ｔ未満に落ち始める領域を示し、ライン１５０３は、場の強度が０．１Ｔから落ち始める領域を示す。
【０１４７】
図２４Ｂは、三次コイルを利用したときの場に及ぼす影響を示す。図から分かるように、磁気アセンブリの間の隙間を用いて生成されるゼロ場は実質的に変化しない。タービンの端部に生み出されるヌル場領域１４１３がいくらか作り変えられている。図から分かるように、三次コイルは装置の本体近くに５ガウスラインをもたらし、アクティブに浮遊磁場を封じ込める。この場合、０．２Ｔライン１５０１は、０．１５Ｔライン１５０２と同様に、装置の数十ミリメートル内にある。０．１Ｔラインは装置の約１００ｍｍ内にある。この場合ライン１５０４は、場の強さが５００Ｇ未満に落ち始めるカットオフ領域を示す。
【０１４８】
図２５Ａ及び２５Ｂは、本発明の一実施形態による高速発電機／モータとして使用するためのタービン１６００のさらなる可能な配置を示す。この構造は、外側駆動コイルの直径が十分に大きい場合に可能である。内側キャンセルコイルは、主の外側駆動ソレノイドの内側に包含することができる。これは、発電機／モータアセンブリの全長を大幅に縮める。
【０１４９】
タービン１６００には、シャフト１６０２と一体的に形成したシングルロータ１６０１が含まれる。このロータは、一対の駆動コイルアセンブリ１６０３１，１６０３２の間に挟まれる。駆動コイルアセンブリ１６０３１，１６０３２は、同心に配置された一対の超伝導コイルから構成される。図から分かるように、駆動コイルアセンブリ１６０３１，１６０３２のコイルのそれぞれの間にギャップが設けられる。先に述べたように、このギャップの導入は、外側液体金属ブラシ１６０６１の配置用の、コイルアセンブリ１６０３１，１６０３２の間に生み出されるヌル場領域の大きさを高める。
【０１５０】
キャンセルコイル１６０４１，１６０４２は、関連の駆動コイルアセンブリ１６０３１，１６０３２に関して同心円状に配置される。図２５Ｂから分かるように、内側キャンセルコイルにより、内側ブラシ１６０６２，１，１６０６２，２をタービンアセンブリ全体の内部穴１６０５近くに配置することができる。内側シャフトの電流運搬長さが結果として減少することにより、機械の総重量が減る。図２５Ｂはまた、タービンがモータ又は発電機構成にある時の電流経路を示す。図から分かるように、電流は、外側ブラシ１６０６１からロータ１６０１を通ってシャフト１６０２へ流れ、ブラシ１６０６２，１，１６０６２，２から出る。
【０１５１】
図２６は、駆動コイルアセンブリ１６０３１，１６０３２とキャンセルコイル１６０４１，１６０４２により生み出される合成磁場のプロットである。図から分かるように、ここでは、穴１６０５の領域の内部にキャンセルコイルにより中央のヌル領域１６０７が提供される。駆動コイルアセンブリの間にはヌル場領域１６０８も提供され、コイルアセンブリのそれぞれを形成する内側コイル及び外側コイルの間に設けられるギャップの周りに集まる。
【０１５２】
図２７Ａ及び２７Ｂは、高速モータ／発電機として使用するためのタービンのさらなる配置を示す。この配置では、シャフト１７０２と一体的に形成されるシングルロータ１７０１が、磁気アセンブリ１７０３１，１７０３２の間に配置される。この場合の磁気アセンブリ１７０３１，１７０３２は、同心円状に配置される多数の超伝導コイル１７０４から構成される。このコイル配置は、３つのヌル場領域を生み出すことにより、外側及び内側作動半径上での電流入力ブラシの配置と、半径方向中間点での中央コレクタブラシ位置を可能にすることによって、２つの同心ロータ作動長さ上に２つの作動場の領域を作り出す。
【０１５３】
図２７Ｂは、この構造のための電流経路を示す。磁場の方向が半径の真ん中で変わるため、モータとして稼働する際の回転の正確な向きを保証するために、電流は、内側半径方向ブラシ１７０６１，１，１７０６１，２及び外側半径方向ブラシ１７０６２から供給され、半径方向中間のブラシ１７０６３，１，１７０６３，２により収集さなければならない。発電機として装置を稼働させる際には、電流の正確な発生を保証するために、同様の接続習慣（ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎ）を用いなければならない。
【０１５４】
図２８は、図２７Ａ及び２７Ｂのタービンに対する場のプロファイルのプロットである。図からわかるように、コイルの構成は、中央の穴１７０５内部でコイルアセンブリ１７０３１，１７０３２の周囲の近くに、ヌル場領域を生み出す。磁気コイルアセンブリの間の中間点に、さらなるヌル場領域が生成される。図の場ヌル領域は小さいが、先に述べたのと同様の方法で、外側パンケーキコイルに巻き線ギャップを導入することによって広げることもできる点に留意すべきである。
【０１５５】
図２９は、電圧出力を上げるための２つのタービンの相互接続に対する1つの可能な構成を示す。図より、第１のタービン１８００は、上記図６Ａ及び６Ｂに関連して上に述べたものと同じ構造である。図には、第1のタービン１８００、低速発電機ステージ１８０１、及びその間に置かれる高速発電機ステージ１８０３が見られる。上記例と同じく、一次駆動コイル１８０４１，１８０４２は、液体金属電流伝達アセンブリ１８０６を配置するためのヌル場領域を生成するために、間隔をあけて配置される。図より、一次駆動コイルは、超伝導材料の同心コイル２つから構成される。
【０１５６】
一次駆動コイルに加えて、一対の内側キャンセルコイル１８０７１，１８０７２が設けられる。内側キャンセルコイル１８０７１，１８０７２は、一次駆動コイル１８０４１，１８０４２の内側に同心円状に配置される。図より、内側キャンセルコイル１８０７１，１８０７２は、クライオスタットに収容される一連の３つの同心コイルからなる。最も内側のコイルと最も外側のコイルは、外側駆動コイル１８０４１，１８０４２と電流の向きが逆である。これらのキャンセルコイルの間にあるコイルは、電流の向きが正で、外側駆動コイルと同じである。この場合、内側キャンセルコイル１８０７１，１８０７２は、高速モータステージ１８０２に駆動電流を付加するために、液体金属ブラシを置くための付加的なヌル磁場領域を生み出す。さらに、キャンセルコイル１８０７１，１８０７２は、電気モータステージ１８０２のための駆動場も提供する。
【０１５７】
駆動場内部での低速ステージ１８０１の回転は、高速モータ１８０２に流される電流を生成し、これが高速ロータステージ１８０３を直接的に駆動するために用いられるトルクを生み出す。高速ロータステージ１８０３の回転は、この実施例では、第２のタービン１８０８内部に包含される二次モータステージ１８０９及び発電機ステージ１８１０を動かすために使用される電流を生み出す。
【０１５８】
図より、第２タービンは、一対の一次駆動コイル１８１１１，１８１１２と、この一次駆動コイル１８１１１，１８１１２に関して同心円状に配置される一対の内側キャンセルコイル１８１２１，１８１２２を含む。ここでも、キャンセルコイル１８１２１，１８１２２は、電気モータステージ１８０９のための一次駆動場を提供する。電流経路１８１４によって示されるように、高速発電機ステージ１８０３からの電流がモータ１８０９を流れると、トルクが生まれる。このトルクは、モータと発電機の間の機械的連結を介して、高速発電機１８１０に直接伝達される。
【０１５９】
高速発電機１８１０のロータが、駆動コイル１８１１１，１８１１２によって生み出される磁場の内部で、モータ１８０９と一致して回転されると、電流が生み出される。電流経路１８１３により示される、結果として得られる出力は、発電機ステージ１８０３で生み出される出力より、高電圧で小電流である。
【０１６０】
図３０は、図１１及び１２に関連して述べたものと同様の構造の２つのタービン配置に対する場のプロットである。より具体的には、この配置は、２つの低速発電機ステージを含む。第１の発電機ステージは、一次駆動コイル（プロットの右側に配置されたコイル配置）に配置され、第２の低速発電機ステージは二次駆動コイル（プロットの左側のコイル配置）に配置される。図１１及び１２の場合と同様、路１９０１を介して２つの低速発電機に沿って電流が流れる。しかしながら、駆動コイルによって生成される２つの外側ヌル場領域の間に何らかの経路を形成するロータに沿って、電流を流すこともできるであろう。この実施例は、電流経路１９０２又は経路１９０３によって示される。
【０１６１】
図３１に、電流経路１９０２を用いる発電機として使用するためのタービンの一配置を示す。図より、装置は、図６Ａ及び６Ｂのタービンと同様の構造である第１のステージ２０００を含み、クライオスタット２００５に収容される一対の一次駆動コイル２００４１，２００４２の間に置かれる高速発電機ステージ２００３を含む。一次駆動コイル２００４１，２００４２は間隔をあけて配置され、液体金属電流伝達アセンブリ２００６を置くためのヌル場領域を生み出す。ここでも、一次駆動コイルは、超伝導材料の同心コイル２つから構成される。
【０１６２】
一次駆動コイルに加え、一対の内側キャンセルコイル２００７１，２００７２が設けられる。この内側キャンセルコイル２００７１，２００７２は、一次駆動コイル２００４１，２００４２の内側に同心円状に配置される。図より、内側キャンセルコイル２００７１，２００７２は、クライオスタット２００５に収容される一連の３つの同心コイルからなる。これらキャンセルコイルは、高速モータステージ２００２の電流伝達ブラシと、高速発電機ステージ２００３の内側ブラシに必要なヌル場領域を生成する。
【０１６３】
低速発電機は、導電性ドラム２００１によって形成され、このドラムは、二次駆動コイル２０１１１の間の隙間を通り抜け、一次駆動コイル２００４１の隙間を通り抜ける。駆動コイルの極性は、低速発電機ステージに沿って、適した電流方向を保証できるように配置される。
【０１６４】
図３２Ａ及び３２Ｂは、ＤＣ−ＤＣ変換を採用するタービンを表す。この場合、タービンは、小電流入力を付与することで、低速大電流モータとして動くように構成される。この場合の構造は、一組の一次駆動コイル２１０１１，２１０１２の間に配置される３つのステージを含むという点では、図６Ａ及び６Ｂのタービンの構造と大した違いはない。上の場合と同様、一次コイルは、タービンの関連のステージの間での電流伝達のためのブラシ２１０６を配置するためのヌル場領域を生み出す。
【０１６５】
図より、タービンは、一組のキャンセルコイル２１０５１，２１０５２の間に配置される中間高速発電機ステージ２１０３に機械的に連結される高速モータステージ２１０２を含む。上の場合と同様、キャンセルコイルは、関連のあるステージの間での電流伝達のためのブラシ２１０６の配置のための磁場ヌルを生み出す。さらに、キャンセルコイルは、高速発電機ステージ２１０３のための一次駆動場を提供する。高速発電機２１０３に生成される電流は、低速モータステージ２１０４へと流される。
【０１６６】
高速発電機によって生み出される出力は、大電流低電圧である。この大電流低電圧は、モータに電力を供給するために用いられ、低速高トルク出力をもたらす。図３２Ｂは、タービン内部の大電流及び小電流回路を示す。図より分かるように、小電流は、電流経路２１０７によって示される高速モータを通り抜ける。モータ２１０２によって発生するトルクは、発電機２１０３に大電流出力を生み出させ、これが２１０８によって示されるように低速モータ２１０４へと流される。
【０１６７】
図より分かるように、２ステージＤＣ−ＤＣ変換配置を用いると、タービンを単極変換機として機能させることができる、つまり、電磁気装置と電流経路を用いて入力シャフトと出力シャフトの間に速度差を生み出す。当業者であれば、伝動比（単極変速機に対する）又は電圧比（電磁ＤＣ−ＤＣ変換機に対する）は、超伝導コイルの電流密度、すなわちロータに作用する磁場の強度を変えることによって変えることができることを理解するであろう。このようにして、可変比率システムを作り出すことができるだろう。
【０１６８】
変換機配置の上記説明は、主に直接ＤＣ−ＤＣ変換に焦点を当てているが、もちろん、当業者であれば、この変換機がＤＣ入力をＡＣ出力に、及びその反対に変換するために用いることができると理解するであろう。例えば、変換機の発電機ステージは、ＡＣモータにより駆動できるし、又は変換機からの出力をＡＣモータ／発電機を駆動するために用いることもできるだろう。
【０１６９】
図３３Ａは、発電のためのタービン２２００の別の可能な配置を示す。この場合の構造は、上記図１１に関連して述べたものと同様である。タービンは、導電性シャフト２２０２を介して連結される第１の発電機ステージ２２０１１と第２の発電機ステージ２２０１２を含む。図より、第１の発電機ステージ２２０１１は、磁気駆動場を提供するための一対の超伝導要素２２０４１，２２０４２の間に配置されるロータ２２０３を含む。同様に、第２の発電機ステージ２２０１２は、磁気駆動場を提供するための一対の超伝導要素２２０６１，２２０６２の間に配置されるロータ２２０５を含む。超伝導要素２２０４１，２２０４２，２２０６１，２２０６２のそれぞれは、同心円状に配置された一対の超伝導コイルを含む。上に述べたように、一対の超伝導要素の間の間隔とコイルの配置は、適切な駆動場を提供し、並びに、液体金属ブラシ２２０７を置くためのヌル場領域を超伝導要素の間に形成することを可能とする。
【０１７０】
図３３Ｂは、タービン２２００を横切る電流フローを示す。図から分かるように、電流フローは、第１のロータ２２０３の外半径から内半径へ延び、シャフト２２０２を横切り、ロータ２２０５を通って延びる。当業者には認識されるように、超伝導要素２２０４１，２２０４２は、一次駆動コイル２２０６１，２２０６２とは逆の磁気極性で配置される。逆の場の極性は、第１及び第２のロータの一致した回転方向を保証する。
【０１７１】
図３４Ａは、図３３Ａ及び３３Ｂのタービン配置に対する場のプロットである。図から分かるように、この場合、コイル配置２２０４１，２２０４２及び２２０６１，２２０６２のそれぞれは、ロータが吊るされる作動場領域を生み出す。さらに、コイル配置のそれぞれはヌル場領域２２０８を生成する。これらヌル場領域の配置のより詳細な図を図３４Ｂに示す。図から分かるように、ヌル場領域２２０８は、一対の超伝導要素の間の隙間に形成され、超伝導要素の同心コイル配置の間に設けられるスペースの周りに集まる。
【０１７２】
図３５Ａは、本発明の一実施形態によるタービン２３００のさらなる可能な配置を表す。この場合の構造は、上の図３３Ａ及び３３Ｂに関連して述べたものと同様である。タービンは、導電性シャフト２３０２を介して連結される第１の発電機ステージ２３０１１と第２の発電機ステージ２３０１２を含む。図より、第１の発電機ステージ２３０１１は、磁気駆動場を提供するための一対の超伝導要素２３０４１，２３０４２の間に置かれるロータ２３０３を含む。同様に、二次発電機ステージ２３０１２は、磁気駆動場を提供するための一対の超伝導要素２３０６１，２３０６２の間に配置されるロータ２３０５を含む。
【０１７３】
タービン２３００を通る電流フローを図３５Ｂに示す。図より分かるように、電流フローは、第１のロータ２３０３の外半径から内半径へ延び、シャフト２３０２を横切り、ロータ２３０５を通って延びる。当業者には認識されるように、超伝導要素２３０４１，２３０４２は、一次駆動コイル２３０６１，２３０６２と反対の磁気極性で配置される。逆の場の極性は、第１及び第２のロータの一致した回転方向を保証する。
【０１７４】
図３５Ａ及び３５Ｂのタービンの構造の、図３３Ａ及び３３Ｂのタービンの構造との違いは、シャフト２３０２の長さが大幅に短いことである。その結果として、駆動コイル対２３０４１，２３０４２及び２３０６１，２３０６２は、互いにより近づけて配置される。駆動コイル対２３０４１，２３０４２及び２３０６１，２３０６２は、ヌル場に使用可能な領域を保つために、駆動コイルの形状になんらかの修正を行って、軸方向に互いに近づけて配置してもよい。これらの修正には、駆動コイルの最も内側の対向する対の超伝導ワイヤの巻き数を付加すること、及び、最も外側の主のコイルの直径を少し減らすことを含む。以下の実施例では、最も外側の主の駆動コイルの内径は、最も内側の駆動コイルの直径の９８．５％である。
【０１７５】
軸方向の隙間がこのように減ることにより反発力が大幅に増加することに留意しなければならない。この距離が２．５倍減少すると、反発力が１０倍に増加する。これを考慮して、装置の軸方向の長さを重んじる場合にのみこの技術が用いられる傾向にある。
【０１７６】
図３６Ａは、図３５Ａ及び３５Ｂのタービン配置に対する場のプロットである。この場合、図から分かるように、コイル配置のそれぞれ２３０４１，２３０４２及び２３０６１，２３０６２は、ロータが吊るされる作動場領域を生む。さらに、コイル配置のそれぞれは駆動コイル対の間にヌル場領域２３０８を生成する。これらヌル場領域の配置のより詳細な図を図３７Ｂに示す。図から分かるように、ヌル場領域２３０８は、一対の超伝導要素の間の隙間に形成され、超伝導要素の同心コイル配置の間に設けられるスペースの周りに集まる。
【０１７７】
図３７Ａは、本発明の一実施形態によるタービン２４００のさらなる可能な配置を表す。この場合の構造は、上の図３３Ａ及び３３Ｂに関連して述べたものと同様である。タービンは、導電性シャフト２４０２を介して連結される第１の発電機ステージ２４０１１と第２の発電機ステージ２４０１２を含む。図より、第１の発電機ステージ２４０１１は、磁気駆動場を提供するための一対の超伝導要素２４０４１，２４０４２の間に配置されるロータ２４０３を含む。同様に、第２の発電機ステージ２４０１２は、磁気駆動場を提供するための一対の超伝導要素２４０６１，２４０６２の間に配置されるロータ２４０５を含む。
【０１７８】
第２の発電機ステージ２４０１２は、高速モータステージ２４０８に液体金属ブラシ２４０７を介して電気的に接続され、高速モータステージ２４０８は、第２の発電機ステージ２４０１２のロータ２４０５に隣り合って、一対の超伝導要素２４０６１，２４０６２の間に取り付けられる高速発電機ステージ２４０９に機械的に連結される。
【０１７９】
タービン２４００を通る電流フローを図３７Ｂに示す。この場合、２つの電流回路、つまり２４１１で示される小電流回路と２４１０で示される大電流回路とがある。図から分かるように、大電流回路２４１０は、第１のロータ２４０３の外半径から内半径へと延び、シャフト２４０２を横切り、ロータ２４０５を通ってブラシ２４０７２へと延びる。ブラシ２４０７２はその後、高速モータ２４０８の入力ブラシ２４１６２に連結される。電流は、その後、モータ２４０８を横切って、ブラシ２４１６１を出て、ブラシ２４０７１を介して、ロータ２４０３へ戻り、直流回路を完成させる。電流がモータ２４０８を流れると、トルクが生まれ、このトルクはその後高速発電機２４０９へと伝達される。場で発電機２４０９が回転すると電流２４１１が生まれ、この電流はブラシ２４１７１，２４１７２を介して取り出される。
【０１８０】
図より分かるように、図３７Ａ及び３７Ｂのタービン２４００は、超伝導要素２４０６１，２４０６２と同心円状に配置されるキャンセルコイル２４１２も含む。先に述べた構造とは違い、内側キャンセルコイルの幅は、液体金属ブラシアセンブリの好ましい配置によりよく適するヌル場領域を生成するために、増加された。幅の増加に加え、内側キャンセルコイルは軸方向にずれており（ｏｆｆｓｅｔ）、巻き数がわずかに増えている。それゆえ、共キャンセルコイル（ｃｏ−ｃａｎｃｅｌ  ｃｏｉｌ）より外径が大きい。内側キャンセルコイルの両方は、ロータアセンブリの側方外側に配置される。
【０１８１】
図３８Ａは、図３７Ａ及び３７Ｂのタービンのコイル配置によって生み出されるヌル場領域の配置を描く場のプロットであり、より詳しい図を図３８Ｂと３８Ｃに示す。図３８Ｂは、特に、超伝導要素２４０４１，２４０４２，２４０６１，２４０６２の各対の間に生み出されるヌル場領域２４１３を描く。上の実施例より、ヌル場領域は、超伝導要素の対の間の隙間に生み出され、超伝導要素の同心コイル配置の間に設けられるスペースの周りに集まる。図３８Ｃは、キャンセルコイル２４１２によって生み出されるヌル場領域を表す。図から分かるように、ヌル場領域２４１４は外側キャンセルコイルの間に形成される。さらに、ヌル２４１５はキャンセルコイルの外側の組の間に設けられる空間に生み出される。
【０１８２】
本発明によるタービン２５００のさらなる可能な構成を図３９Ａに描く。この構造では、内側ヌルを生み出すために用いられるキャンセルコイルアセンブリ２５１２を、駆動コイルアセンブリ２５０１の外側にずらした。上の実施例と同じく、主の駆動コイルアセンブリ２５０１は一対の超伝導要素２５０１１，２５０１２を含み、各要素は一対の同心円状に配置される超伝導コイルを含む。超伝導要素２５０１１，２５０１２の間に、低速モータステージ２５０２と高速モータステージ２５０３が挟まっており、これらは互いから電気的及び機械的に分離される。
【０１８３】
上で述べたように、この実施例でのキャンセルコイルは、主の駆動コイル２５０１アセンブリの外側に置かれる。図から分かるように、この場合、キャンセルコイル２５１２は、主の駆動コイルアセンブリ２５０１と同軸に配置される。キャンセルコイルアセンブリ２５１２は、この場合、ほぼ同心円状に配置される３組のコイルを含む。最も内側のコイル組２５１２１は平行に配置される一対のコイルを含み、これらはコイルアセンブリ２５１２の中間コイル２５１２２と同心である。最も外側のコイル２５１２３は、最も内側のコイル及び中間コイルと重なる同心配置にて配置される。高速発電機２５０４は、発電機の一部が最も外側のキャンセルコイル２５１２３と中間コイル２５１２２との間に挟まれ、一部が最も内側のコイル２５１２１と中間コイル２５１２２の間に挟まれるように配置される。従って、高速発電機ステージ２５０４は、ほぼＣ字形であり、発電機の一部が超伝導要素２５０１１の穴の中に延びる。発電機２５０４は、高速モータステージ２５０３に機械的には連結されるが、電気的には絶縁される。
【０１８４】
図３９Ｂは、３９Ａのタービンを通る電流フローを表す。この場合もやはり、大電流回路２５１０及び小電流回路２５１１がある。高速モータステージ２５０３を横切って電流が加えられる２５１１とトルクが生じ、このトルクはその後発電機２５０４に直接伝達され、低速モータステージ２５０２のための駆動電流２５１０を生み出す。低速モータを電流が流れると、トルクが生まれる。図から分かるように、この場合、配置は、電子機器を修正することなく、高速回転エネルギーを低速回転エネルギーに変えることができる。
【０１８５】
図４０，４０Ａ及び４０Ｂは、図３９Ａ及び３９Ｂのタービンのコイル配置の場のプロットである。図４０Ａに図示するように、ここでも、ヌル場領域２５１３は超伝導要素の対の間の隙間に生み出され、超伝導要素の同心コイル配置の間に設けられるスペースの周りに集まる。図４０Ｂに図示するこの例におけるキャンセルコイル装置は、２組のヌル場領域２５１４，２５１５を生成し、ヌル２５１４は、最も外側のコイルと中間のコイルの間に生み出され、ヌル２５１５は最も内側のコイルの内部に生み出される。２つの最も内側のソレノイドは、巻き数に関して同じではない。外側駆動コイルの軸方向の隙間に最も近い最も内側のソレノイドはより大きな巻き数を有し、キャンセルされるべきより大きな場の強さを相殺する。
【０１８６】
図４１Ａは、本発明の一実施形態によるタービン２６００のさらなる可能な配置を表す。この構成は、図６Ａのものと同様であるが、低速セクションと高速セクションの間を分離して直列に連結した積層低速ロータアセンブリを備える。
【０１８７】
図より、この場合のタービン２６００は、積層低速発電機ステージ２６０６の周りに一次磁場を生成するための一対の超伝導駆動コイル２６０４１，２６０４２と、高速発電機ロータ２６０７と高速モータ２６０８の周りに一次磁場を生成するための第２の対の超伝導駆動コイル２６０５１，２６０５２とを含む。低速ロータは、一連の３つのロータ部分２６０６からなり、それぞれディスク部分とシャフト部分を有する。
【０１８８】
キャンセルコイルは、対となる超伝導駆動コイルのそれぞれと同軸に設けられる。超伝導駆動コイル２６０４１，２６０４２に対して設けられるキャンセルコイル２６１２は、図４Ａに関連して図示し説明したものと同様の場所に設けられる。超伝導コイル２６０５１及び２６０５２に対して設けられるキャンセルコイル２６１３は、図３７Ａの二次発電機ステージ２４０１２に図示した実施形態に関連して図示し説明したものと同様の場所に配置される。
【０１８９】
図４１Ｂは、図４１Ａのタービンを通る電流フローを表す。ここでも、大電流回路２６１０及び小電流回路２６１１がある。低速発電機ステージのそれぞれの積層ロータを通り、高速モータステージ２６０８を横切って大電流が流れるとトルクが生じ、このトルクはその後発電機２６０７に直接伝達され、小電流２６１１発電機出力を生み出す。
【０１９０】
図４２Ａから５１は、本発明の多くの基本構成を示す。これら基本構成のそれぞれは、要求される結果を得るためにユニット工程を１つ又はそれより多く組み合わせて１つのユニット工程と考えることもできる。本発明の変形は、図４６Ａ〜図５１に示す基本となる２ステージユニット工程上の拡張として生成することができる点に留意することが重要である。これらの図の全ては、構成要素の分解図を示す。電流経路図は、断面での構成要素を示す。
【０１９１】
さらに、「低、小、弱」及び「高、大、強」等の記述を上にあげた実施例に適用したが、これらは可能な実施を決して制限するものとして見られるべきではない。これらは電圧、電流及び／又は速度の値の相対的な「増加」又は「減少」を与えるための容量を表すという目的のためにのみ提供される。
【０１９２】
電流及びトルク値の矢印の方向は、単に表示する目的のために示される。十分な技術をもつものには容易に分かるであろうが、異なる電気的及び機械的接続は、分離されたセクションの共回転又は逆回転を可能とするためになされる。
【０１９３】
以下の基本の構成は明白であり、それぞれ、本発明の別の態様を形成することができる。
３ステージ構成
【０１９４】
図４２Ａ及び４２Ｂに、低速機械的入力〜高電圧電気的ＤＣ出力を図示する。この構成は、二対の固定の超伝導コイル４２００、外側環状コイルの第1の対と、外側環状コイル内側に同心円状に間隔をあけて置かれた内側環状コイルの第２の対とを含む。この構成は、図４２Ａに示すように、低速セクションと高速セクションに分けられる。
【０１９５】
低速セクションは、低速機械的入力シャフト４２０２に取り付けられる低速発電機ロータ４２０１を含む。低速発電機ロータ４２０１のために液体金属ブラシ４２０３が設けられる。
【０１９６】
高速セクションは、関連の液体金属ブラシ４２０５を備えた高速発電機ロータ４２０４を含む。高速アセンブリシャフト４２０７には高速モータロータ４２０６が取り付けられ、このシャフトは高速発電機ロータ４２０４をも搭載する。高速モータロータ４２０６にも電流伝達用の液体金属ブラシ４２０８が設けられる。高速モータロータ４２０６と高速発電機ロータ４２０４は機械的には接続されるが、電気絶縁カラー４２０９を設けることによって電気的に絶縁される。
【０１９７】
図４２Ａに示す構成における電流経路を図４２Ｂに示す。これは、高電圧小電流出力を含む。低速発電機ロータ４２０１上の液体金属ブラシ４２０３と高速モータロータ４２０６上の液体金属ブラシ４２０８との間の低電圧大電流経路をも示す。
【０１９８】
この構成の操作は図６Ａ及び６Ｂに関連して記載したとおりであるが、基本的に、低速トルク入力の高電圧小電流ＤＣ電気的出力への変換を目的とする。
【０１９９】
図４３Ａ及び４３Ｂには、高電圧ＤＣ入力〜低速機械的出力を図示する。この構成も二対の固定の超伝導コイル４３００、外側環状コイルの第１の対と、外側環状コイルの内側に同心円状に間隔をあけて置かれる内側環状コイルの第２の対とを含む。この構成は、図４３Ａに示すように、低速セクションと高速セクションに分けられる。
【０２００】
しかしながら、この構成は、基本的に、図４２Ａ及び４２Ｂに示したものと逆の構成である。この構成では、高速セクションが、関連の液体金属ブラシ４３０５を備える高速発電機ロータを含む。高速モータロータ４３０６は、高速アセンブリシャフト４３０７上に取り付けられ、このシャフトはまた高速発電機ロータ４３０４を搭載する。また、高速モータロータ４３０６には電流伝達用の液体金属ブラシ４３０８が設けられる。高速モータロータ４３０６と高速発電機ロータ４３０４は機械的に接続されるが、電気絶縁カラー４３０９を設けることによって電気的には絶縁される。
【０２０１】
低速セクションは、低速機械的出力シャフト４３０２に取り付けた低速モータロータ４３０１を含む。液体金属ブラシ４３０３が低速モータロータ４３０１のために設けられる。
【０２０２】
図４３Ａに図示される構成における電流経路を図４３Ｂに示す。これは、高電圧小電流入力を含む。低速度モータロータ４３０１上の液体金属ブラシ４３０３と高速発電機ロータ４３０４上の液体金属ブラシ４３０５との間の低電圧大電流経路をも示す。
【０２０３】
上で述べたように、この構成は、基本的に、図４２Ａ及び４２Ｂに示す構成の逆であり、高電圧小電流ＤＣ電気的入力の低速高トルク機械的出力への変換を目的とする。
【０２０４】
図４４Ａ及び４４Ｂには、低速機械的入力〜ＡＣ発電機を図示する。２つの先の構成と同様に、この構成もまた、二対の固定の超伝導コイル４４００、外側環状コイルの第１の対と、外側環状コイルの内側に同心円状に間隔をあけて置かれる内側環状コイルの第２の対とを含む。この構成は、図４４Ａに示すように、低速セクションと高速セクションに分けられる。
【０２０５】
低速セクションは、低速機械的入力シャフト４４０２に取り付けられた低速発電機ロータ４４０１を含む。低速発電機ロータ４４０１のために液体金属ブラシ４４０３が設けられる。
【０２０６】
高速セクションは、高速アセンブリシャフト４４０７に取り付けられる高速モータロータ４４０６を含み、高速モータロータ４４０６には、電流伝達のための液体金属ブラシ４４０８を設ける。高速アセンブリシャフトはその後、ＡＣ電気的出力を生み出すために直接、高速ＡＣ発電機４４０９に出力を供給する。
【０２０７】
電流経路を図４４Ｂに示す。この構成では、低電圧大電流経路が低速発電機ロータ４４０１上の液体金属ブラシ４４０３と高速モータロータ４４０６上の液体金属ブラシ４４０８の間に設けられる。
【０２０８】
図４５Ａ及び４５Ｂに、ＡＣモータ〜低速機械的出力を図示する。上で述べたように、この構成は、基本的に、図４４Ａ及び４４Ｂに示す構成の逆である。
【０２０９】
この構成もまた、二対の固定の超伝導コイル４５００、外側環状コイルの第１の対と、外側環状コイルの内側に同心円状に間隔をあけて置かれる内側環状コイルの第２の対とを含む。この構成は、図４５Ａに示すように、低速セクションと高速セクションに分けられる。
【０２１０】
低速セクションは、低速機械的出力シャフト４５０２に取り付けられた低速モータロータ４５０１を含む。低速モータロータ４５０１には液体金属ブラシ４５０３が設けられる。
【０２１１】
高速セクションは、高速アセンブリシャフト４５０７に取り付けられる高速発電機ロータ４５０６を含み、高速発電機ロータ４５０６には、電流伝達のための液体金属ブラシ４５０８が設けられる。高速アセンブリシャフト４５０７は、ＡＣ電気的入力を低速高トルク出力に変換するために、直接入力される高速ＡＣ発電機４５０９により駆動される。
【０２１２】
電流経路を図４５Ｂに示す。この構成では、低電圧大電流経路が低速モータロータ４５０１上の液体金属ブラシ４５０３と高速発電機ロータ４５０６上の液体金属ブラシ４５０８の間に設けられる。
２ステージ構成：
【０２１３】
低速機械的入力の高速機械的出力への変換のための単極電磁変速機を図４６Ａ及び４６Ｂに示す。この構成もまた、二対の固定の超伝導コイル４６００、外側環状コイルの第１の対と、外側環状コイルの内側に同心円状に間隔をあけて置かれる内側環状コイルの第２の対とを含む。この構成は、図４６Ａに示すように、低速セクションと高速セクションに分けられる。
【０２１４】
低速機械的入力シャフト４６０１は、低速発電機ロータ４６０２を搭載し、固定の超伝導コイル４６００の間に液体金属ブラシ４６０３が置かれる。高速モータロータ４６０４は高速機械的出力シャフト４６０５に取り付けられる。高速モータロータ４６０４には液体金属ブラシ４６０６が設けられ、高速モータロータ４６０４上の液体金属ブラシ４６０６と低速発電機ロータ４６０２上の液体金属ブラシ４６０３との間に低電圧大電流経路を生成する。この電流経路を、図４６Ｂにより具体的に図示する。
【０２１５】
高速機械的入力を低速機械的出力に変換するための単極電磁変速機を、図４７Ａ及び４７Ｂに示す。この構成もまた、二対の固定超伝導コイル４７００、外側環状コイルの第１の対と、外側環状コイルの内側に同心円状に間隔をあけて置かれる内側環状コイルの第２の対とを含む。この構成は、図４７Ａに示すように、低速セクションと高速セクションに分けられる。
【０２１６】
低速機械的出力シャフト４７０１は、低速モータロータ４７０２を搭載し、固定の超伝導コイル４７００の間に液体金属ブラシ４７０３が置かれる。高速発電機ロータ４７０４は高速機械的入力シャフト４７０５に取り付けられる。高速発電機ロータ４７０４には液体金属ブラシ４７０６が設けられ、高速発電機ロータ４７０４上の液体金属ブラシ４７０６と低速モータロータ４７０２上の液体金属ブラシ４７０３との間に低電圧大電流経路を生成する。この電流経路を、図４７Ｂにより具体的に図示する。
【０２１７】
低電圧ＤＣ電気的入力を高電圧ＤＣ電気的出力に変換するための電磁的電力変換機を図４８に示す。この構成は、二対の固定の超伝導コイル４８００、外側環状コイルの第１の対と、外側環状コイルの内側に同心円状に間隔をあけて置かれる内側環状コイルの第２の対とを含む。直径の小さいモータロータ４８０１をシャフト４８０２に取り付け、このシャフトは共通で、より大きな直径の発電機ロータ４８０３をも搭載する。小さい直径のモータ４８０１とより大きい直径の発電機４８０３は、絶縁カラー４８０４を設けることにより電気的に絶縁される。絶縁カラーはまた、大きい直径の発電機４８０３の取り付けカラーの内部をシャフト４８０２に沿って部分的に延びる。従って、直径の小さいモータ４８０１と直径の大きい発電機４８０３は、シャフトに機械的に接続されるが、電気的にはシャフトからも互いからも絶縁される。
【０２１８】
図４８には２つの電流通路、つまり、直径の小さいモータ４８０１の液体金属ブラシを通る低電圧大電流入力経路と、直径の大きい発電機４８０３と関連する液体金属ブラシを通る高電圧小電流出力経路を示す。
【０２１９】
高電圧ＤＣ電気的入力を低電圧ＤＣ電気的出力に変換するための電磁的電力変換機を図４９に示す。この構成は、基本的に図４８の構成の逆である。この変換機は、二対の固定の超伝導コイル４９００、外側環状コイルの第１の対と、外側環状コイルの内側に同心円状に間隔をあけて置かれる内側環状コイルの第２の対とを含む。直径の小さい発電機ロータ４９０１をシャフト４９０２に取り付け、このシャフトは共通で、より大きな直径のモータロータ４９０３をも搭載する。小さい直径の発電機モータ４９０１とより大きい直径のモータ４９０３は、絶縁カラー４９０４を設けることにより電気的に絶縁される。この絶縁カラーはまた、大きい直径のモータ４９０３の取り付けカラーの内部のシャフト４９０２に沿って部分的に延びる。従って、直径の小さい発電機４９０１と直径の大きいモータ４９０３は、シャフトに機械的に接続されるが、電気的にはシャフトからも互いからも絶縁される。
【０２２０】
図４９には２つの電流通路、つまり、直径の大きいモータ４９０３の液体金属ブラシを通る低電圧大電流入力経路と、直径の小さい発電機４９０１と関連する液体金属ブラシを通る高電圧小電流出力経路を示す。
【０２２１】
ＡＣ電気的入力をＤＣ電気的出力に変換するための電磁的電力変換機を図５０に示す。この構成は、図２３Ａのタービン１４００（三次浮遊磁場キャンセルコイルを除く）を利用して、タービン１４００のシャフトに連結されるＡＣ発電機５０００を用いることにより、ＤＣ電気的入力をＡＣ電気的出力へと変換する。
【０２２２】
ＡＣ電気的入力をＤＣ電気的出力に変換するための電磁的電力変換機を図５１に示す。この構成も、図２３Ａのタービン１４００を利用して、タービン１４００のシャフトに連結されるＡＣモータ５１００を通して提供されるＡＣ電気的入力をＤＣ電気的出力へと変換する。
【０２２３】
図５２は本発明との使用を見出すことのできる特に好ましい液体金属ブラシシーリング配置の図である。液体金属ブラシ電流運搬システムのために用いることのできる多くの液体金属は、不活性ガス及び水分がないといった調整済みの環境が必要である。液体金属ブラシに用いられる材料は、大部分の場合、酸素及び／又は水分にさらされると、性能が低下するか、あるいは化学反応する。
【０２２４】
図５２に考えられるシーリング配置を示す。ここでは、タービン／発電機５２００の全体が、液体金属ブラシ５２１０の動作に最適な環境を含む適切にシールされた格納容器５２０１内にシールされる。このとき、磁気結合部５２０２を用いて、タービン／発電機５２００の出力トルクを、シールされた格納容器５２０１の外部に、出力シャフト５２０３を備える格納容器５２０１の壁を通して伝達する。磁気結合部５２０２の領域の壁は、渦電流の形成を取り除くために、非導電性材料でなければならない。このレイアウトでの重要な利点は、経時的に漏れたり、劣化したりする恐れのある回転シャフトへのシールの必要性を除去できることである。
【０２２５】
適当な冷却システムをこの格納容器５２０１に取り付けることもでき、ファンによる強制冷却、再循環液体冷却システム又はタービン／発電機５２００を適した温度に保つための他の技術を含んでもよい。
【０２２６】
格納容器５２０１は、アセンブリ全体を正圧の不活性ガス環境内部にシールして、液体金属材料の劣化又は化学反応を防ぐことができる。不活性ガスはＮ２（窒素）、アルゴン又は他の適当な不活性ガスでよい。シールしたチャンバへの侵入は、固定の電流リードと、液体又は気体再循環冷却システム用の任意の汎用接続部のみである。これらの侵入は、出力シャフトをシールするために従来用いられていた回転シールではなくて固定シールを必要とするだけであろう。
【０２２７】
この実施形態のロータは、タービン／発電機５２００の損失及び保守要求をさらに減らすために磁気軸受によって支持されてもよい。
【０２２８】
図５３には、本発明の発電機５３００の1つの可能な実施の概略図を示す。発電機５３００の電力変換機能性を利用して、風力ロータ５３０１からの入力をＤＣ電気出力に変換する。このＤＣ電気出力は、ＤＣ／ＡＣコンバータ５３０３を通り抜けた後、図中では多くの家５３０２によって表される各電力負荷に送ることが可能である。電力負荷に供給される電力に代えて、又は電力負荷に供給される電力と組み合わせて、発電機５３００からのＤＣ電気出力のいくらか又は全てを、水から水素ガスを電気分解して生成する等のプロセスにおいて用いることもできる。ユニット５３０４によって概略的に示すこのプロセスは、最適な性能のために大電流及び低電圧を必要とするエネルギー集約型のプロセスである。生成される水素はいずれも水素貯蔵タンク５３０５に貯蔵することができる。一度作り出されると、貯蔵タンク５３０３内に貯められた水素は、その後、風力ロータ５３０１が電力負荷５３０２に供給するための電力を全く又は十分に作り出さない弱風状態の場合等、必要に応じて利用することができる。
【０２２９】
図５４及び５５は、図３９Ａ及び３９Ｂに示す修正キャンセルコイルを備える、先に挙げたマルチステージ変形への変形を図示する。この実施形態は、中央シャフト５４０１と、それぞれの端部に一対のロータ５４０２１，５４０２２を配置した低速モータステージ５４００を含む。ロータの片方５４０２１は、正の電流を有する一対の外側駆動超伝導コイル５４０４１の間の隙間５４０３１の内部に配置され、ロータの他方５４０２２は、負の電流を有する一対の外側駆動超伝導コイル５４０４２の間の隙間５４０３２の内部に配置され、各ロータの外側ブラシ５４０６１，５４０６２を隙間５４０３１，５４０３２内に生成されるヌル場領域内に置くことができる。
【０２３０】
高速モータステージ５４０７は、ロータ５４０２１に隣り合って設けられる。高速中間発電機ステージ５４０８は高速モータステージ５４０７に隣り合って設けられ、それに機械的に接続されるが電気的にはそれから絶縁される。
【０２３１】
図５４及び５５に示す変形では、図３７Ａ及び３７Ｂの実施形態で設けられた低速ロータ相互接続シャフトの周りのキャンセルコイルの最も内側の組は取り除いた。内側キャンセルコイルは、必要なヌル場領域を生成するように変えた。図に示すように、３つの組のキャンセルコイルのうち中間のキャンセルコイル５４０９（正の電流コイル）は、内側キャンセルコイルの組５４１０及び外側キャンセルコイルの組５４１１（負の電流コイル）から軸方向にずれている。内側の負の電流キャンセルコイル５４１０は、ヌル場領域を広げるために、間にギャップを挿入して広げた。高速中間発電機ステージ５４０８に最も近い内側キャンセルソレノイド（５４１０の）は、この領域で打ち消されなければならないより大きな磁場を相殺するために、巻き数と厚みを増やした。
【０２３２】
前述同様に、超伝導コイルのそれぞれは、極低温エンベロープ５４１４内に設けられる。
【０２３３】
電流経路を図５５に示す。これは、ロータドラム及び高速中間発電機ステージ５４０８を通り抜ける低電圧／大電流経路５４１６と、高速モータステージ５４０７を通り抜ける高電圧／小電流経路５４１７とを含む。
【０２３４】
図５６〜５８は、０．２Ｔ未満のヌル場領域内部の変化の場のプロットのアウトラインである。内側キャンセルコイルの変化により生成される拡張したヌル場領域が、図５８に特にはっきりと示されている。
【０２３５】
大電流低電圧の電力供給が特に有益な様々な他の状況、例えば電気めっき、電解採取、アルミニウム精錬、水素燃料の製造、ＡＣ／ＤＣ変換、電磁変速機、風力タービンや、レールガン又は運動エネルギー利用兵器等の防衛用途である。
【０２３６】
先に述べたような装置は、図５９〜６１に示したもの等のトルク等化システムと一緒に用いることができる。図５９には、インラインの速度低減又は増加を可能にするトルク等化システムを、一対の逆回転タービンに適用した図２３Ａ及び２４Ａに示す本発明の実施形態と併用して用いたものが示される。
【０２３７】
トルク等化システムは、具体的には図６０に示される。この図では、トルク等化システム６０００は、入力ベベルギア６００１、一連のデュアルピニオンギア６００２及び出力ベベルギア６００３を含む。入力ベベルギア６００１とデュアルピニオンギア６００２の外側ピニオンギア６００４はともに、第１のギア比でかみ合い、デュアルピニオンギア６００２の内側ピニオンギア６００５は、第１のギア比とは異なる第２のギア比で、出力ベベルギア６００３とかみ合う。入力ベベルギア６００１と出力ベベルギア６００３の間で全体の回転速度を変える、つまりシャフト速度を増やす又は減らすために、それぞれのギア比を操作することができる。速度を低減するために、マルチ分配ピニオントルクコンバータ（ｍｕｌｔｉ  ｒａｔｉｏｎ  ｐｉｎｉｏｎ  ｔｏｒｑｕｅ  ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）６００６を、トルク等化システムとともに設ける。変換機６００６とトルク等化器６０００は同様の原理で動き、同様の構成要素を用いる。
【０２３８】
図６２及び６３は、本発明のタービン技術に基づく、逆回転発電機の構造及び構成要素を示す。この発電機は、一対の逆回転風力タービンブレードを用いる風力タービンで使用されるように構成される。
【０２３９】
逆回転タービンブレードを用いると、風力タービンに、既定の受風面積内でより効率的に風から電力を引き出させることができる。このような構成において、逆回転発電機の各側（それぞれステージＡ６２０１、ステージＢ６２０２と名付ける）は、独立して稼働及び発電する。この構造は、マルチ−ＭＷステージＡセクション６２０１をマルチ−ＭＷステージＢセクション６２０２と組み合わせる。
【０２４０】
図６２に示すタービン発電機は、図のような入力トルクの逆方向が可能な、２つの独立した発電機セクションを含む。ステージＡの入力トルク方向６２０３は、ステージＢの入力トルク方向６２０４と逆である。図６３は、図６２に示す逆回転風力タービン発電機のキーとなる構成要素を示す。回転ステージ及び逆回転ステージを「Ａ」及び「Ｂ」と名付ける。
【０２４１】
先の実施例と同様、図６３に具体的に示されるように、各ステージは一対の外側超伝導コイル６３０１を含み、この間に低速発電機ロータ６３０２Ａ，６３０２Ｂの一部が配置される。各ステージはまた、高速発電機ロータ６３０３Ａ，６３０３Ｂと、高速モータセクション６３０４Ａ，６３０４Ｂ、並びに、ロータの一部が内部に置かれるヌル場領域を生成するための一連の内側キャンセルコイル６３０５Ａ，６３０５Ｂを含む。それぞれのステージの高速発電機６３０３Ａ，６３０３Ｂ及び高速モータステージ６３０４Ａ，６３０４Ｂは機械的に連結されるが、図６４に最もよく示される絶縁体６３０６Ａ，６３０６Ｂを設けることにより、互いから電気的に絶縁される。
【０２４２】
この構成に含まれる別の変形は、高速モータステージの最も外側のブラシと一致するように、高速発電機ステージの最も内側のブラシの半径方向の位置を変えることである。このブラシ位置の変化は、高速ステージによって生じる電圧に及ぼす影響が最小であり、同時に、最も内側の大電流ブラシ相互接続のための付加的な空間を作り出す。このレイアウトの変形は、先に開示した実施形態の多くにも適用することができる。
【０２４３】
外側超伝導駆動コイルの間の機械的及び／又は熱的接続は、ステージＡとステージＢの間の隙間に作ることができる。
【０２４４】
独立した逆回転ステージ内部の好ましい大小電流経路を、図６４に示す。
【０２４５】
必要であれば、低速発電機ロータステージ６３０２Ａ，６３０２Ｂを、高速発電機ロータステージ６３０３Ａ，６３０３Ｂの外側を経由させることにより、内側キャンセルコイル６３０５Ａ，６３０５Ｂを回り込んで（ｅｎｃａｐｓｕｌａｔｅ）、内側コイルの組に図６４に示すのと反対の側から入ることもできるであろう。これは、トルク入力要素へのより容易な接続を提供できる。
【０２４６】
図６５〜６８は、ベクトル・フィールド・オペラ（Ｖｅｃｏｒ  Ｆｉｅｌｄｓ  Ｏｐｅｒａ）３ｄのソフトウェアで生成される一連の場のプロットを表し、高及び低磁場強度の領域を示す。図６７に最もよく示されているように、外側コイルの内側対６７０２Ａ，６７０２Ｂが外側コイルの外側対６７０１Ａ，６７０１Ｂより断面が幅広いので、最も外側のコイルの形状が先の形状と異なる。これらのコイル幅の比は、大幅に異なる形状が用いられる場合には調整する必要があるかもしれないが、約４：１である。コイルの形状のこの変化は、コイルの内側及び外側対の間に大きくて使用可能なヌル場領域６５００を保ちながら、駆動ソレノイドの穴を通るより大きい場の強さを生み出すことを助ける。別の副次的効果は、先の薄いソレノイド型の外側コイル形状と比べると、内側コイル力の大きさが減少することである。このコイル構造の変形は、マリン・ポッド・システム（ｍａｒｉｎｅ  ｐｏｄ  ｓｙｓｔｅｍ）で用いるもの等、先に開示の実施形態の多くにも適用できる。
【０２４７】
図６５は、図６２のタービン発電機で用いられるコイルシステムの概観である。薄緑の自由線で囲まれた領域は、場の強さが０．２Ｔ未満の領域である（ヌル場領域、６５００）。図６６は、タービンで用いたコイルアセンブリの半分の断面図である。場のベクトルは、この画像において磁場の方向を表すように示されている。図６７は、図６５及び６６で示される外側コイルアセンブリの断面図であり、外側コイルの内側対６７０２Ａ，６７０２Ｂと外側コイル組の外側対６７０１Ａ，６７０１Ｂとの間の異なるアスペクト比をはっきりと表している。図６８は、図６５〜６７の内側コイルアセンブリ６３０５Ｂの詳細な断面図であり、高速モータステージ（下側領域）と高速ロータステージ（上側領域）のブラシを包含するための、外側半径方向のゼロ場領域６５００１がわずかにずれていることを表す。
【０２４８】
変形を図６９に示す。図の構造は、単一の回転風力タービンブレードのためのマルチ−ＭＷ定格構造である。基本的な構成要素は、具体的には図６２をもってはじまる先に述べた風力タービン構造と非常によく似ている。極めて重要な違いとしては、修正外側コイルアスペクト比を用いること、並びに、キャンセルコイルがモータ及び発電機ステージの片方の側面に配置されるように二次モータ及び発電機ステージの構造を変えることが挙げられる。これにより、風力タービンシャフトの接続のための低速ロータへのアクセスを大きくすることができる。外側コイルのよりよい機械的支持が可能なように、高速ロータ及び低速ロータともに外側コイルアセンブリの側面から出る。
【０２４９】
やはり、この実施形態は、一組の外側超伝導コイル６９０１を含み、この間に、高速発電機ロータ６９０２の一部と低速発電機ロータ６９０３の一部が配置される。高速モータセクション６９０４と、ブラシ接触部が内部に配置されるヌル場領域６９０６を生成するための一連の内側キャンセルコイル６９０５が設けられる。図７０に大小電流経路を図示する。同じく、高速発電機ロータ６９０３は高速モータセクション６９０４に機械的に連結されるが、絶縁スリーブ６９０７により電気的にはそれから絶縁される。
【０２５０】
図７１は、図６９の変形に対する場のプロットの概観を示す。図７２は、場の方向を示すために加えられている場のベクトルを備えた、直接駆動装置の場のプロットの半分の断面図である。直接駆動変形の外側コイルアセンブリ６９０１の場のプロットを図７３に示す。自由線によって囲まれた領域は０．２Ｔ未満の領域である（ヌル場領域６９０６）。図７４の場のプロットは、直接駆動装置の内側キャンセルコイルアセンブリ６９０５のものであり、自由線によって囲まれた領域が０．２Ｔ未満の領域である（ヌル場領域６９０６）。
【０２５１】
図７５の異形の構造は、マルチ−ＭＷ風力タービン発電機の変形を表し、低速発電機ロータステージ７５０２が、コイル配置の対向する隙間を通って出る経路を辿る（ｒｏｕｔｅｄ  ｏｕｔ）。これは、低速ロータに対する代替的な経路として表される。一般的に（そして先に説明したように）、２つのヌル場領域の間でロータがとりうるすべての経路は有効であり、同一でなければ同様の、電圧経路積分／ｒａｄ／ｓをもたらす。外側超伝導駆動コイルの間の機械的及び／又は熱的接続は、低速発電機ロータ及び高速発電機ロータの間の隙間で行うことができる。
【０２５２】
やはり、この実施形態には、間に高速発電機ロータ７５０３の一部と低速発電機ロータ７５０２の一部が配置される一組の外側超伝導コイル７５０１が含まれる。高速モータセクション７５０４と、モータの一部がその内部に配置されるヌル場領域を生成するための一連の内側キャンセルコイル７５０５が設けられる。同じく、高速発電機ロータ７５０３は高速モータセクション７５０４に機械的に連結されるが、絶縁スリーブ７５０６により電気的にはそれから絶縁される。図７６に大小電流経路を図示する。
【０２５３】
図７７は、マルチ−ＭＷ風力タービン発電機構造の異形のための場のプロファイルを示す。場のベクトルは、磁場の方向を示すために表示される。自由線で囲まれた領域は、場の強度が０．２Ｔ未満であるところ（ヌル場領域７５０７）を示す。
【０２５４】
図７８に示すさらなる変形は、逆回転構造を示し、最初の低速ステージを直列につなぎ、単一の高速モータ／ロータ組み合わせへと送り込まれる。次には、これは単一の高電圧出力をもたらす。逆回転低速発電機ロータにより伝えられるＲＰＭとトルクを同期させるために、トルク等化器７８０１がこの構造には含まれる。この同期は、正確な発電機性能を保証するために望ましい。
【０２５５】
図７８の変形は、ロータを直列につないだものであるが、当業者には、ロータを容易に並列につなぐことができることは明らかである。
【０２５６】
ここでも、この構成には、ステージＡ低速発電機ロータ７８０３の一部とステージＢ低速発電機ロータ７８０４の一部が間に配置される一組の外側超伝導駆動コイル７８０２が含まれる。高速発電機ロータ７８０５と高速モータ７８０６が、内部に液体金属ブラシが配置されるヌル場領域を生成するための一連の高速キャンセルコイル７８０７と一組の低速中間ステージキャンセルコイル７８０８と同じく設けられる。
【０２５７】
図８０は、図７９の断面図のクローズアップであり、トルク／ＲＰＭ等化器の詳細と、ステージＡ８００１とステージＢ８００２に対して付与された入力トルクの相対方向を表す。やはり、高速発電機ロータ７８０５は、高速モータセクション７８０６に機械的に連結されるが、絶縁スリーブ７８１０により電気的にはそれから絶縁される。図８１にこの実施形態に対する大小電流経路を図示する。
【０２５８】
風力タービン発電機は、ドラム型タービンとして構成されてもよい。図８２に示すドラム型構造の一つ目は、低速発電機８２０１より小さい半径上に位置されるドラム型高速モータ要素８２０２に電気的に接続されるドラム型低速発電機要素８２０１を組み込む。モータ要素８２０２は最終的な高電圧ＤＣ出力を提供する高速発電機セクション８２０３に機械的に連結される。超伝導コイルの内側キャンセル組８２０４は、高速モータ要素８２０２のブラシが必要とするヌル場領域を生成する。ここでも、外側超伝導駆動コイル８２０５は、ドラム型構成において回転を付与するために設けられる。この実施形態に対する大小電流経路を図８３に示す。高速発電機要素８２０３は、高速モータ要素８２０２に機械的に連結されるが、絶縁アセンブリ８２０６によって電気的には絶縁される。
【０２５９】
当業者には明らかであるが、ドラム型電力変換ステージもまた、ラジアル型電力変換ステージを分けて独立に用いることができるのと同様に、他の電力変換要件のために低速ロータと別個に用いることも容易にできるであろう。
【０２６０】
図８４は、図８２に示す変形に対する場のプロットの概観を示す。ヌル場領域８２０７を生み出す内側キャンセルコイル８２０４の配置を、この画像上に表す。
【０２６１】
図８５は図８２のドラム型実施形態での、外側駆動コイル８２０５の中央のヌル場領域８６０１を表す。ハイライトの領域は、液体金属ブラシを置くことを可能とするのに十分低い場の強さを有する。
【０２６２】
図８６は、ドラム要素に沿って、外側駆動コイル８２０５によって生み出される主の駆動場のベクトルを示し、図８７は、内側キャンセルコイル８２０４と高速モータセクション８２０２の周りの領域における場のベクトルを示す。
【０２６３】
ドラム型タービンはまた、ラジアル型電力変換機を用いて組み立てることもできる。図８８の構造変形は、このラジアル型電磁電力変換機を含み、発電機の最終的な電力出力を提供する。この実施形態は、ドラム型低速発電機要素８８０１と高速発電機ロータ８８０２を合体する。低速発電機要素８８０１を駆動するために、外側超伝導駆動コイル８８０４が設けられる。高速モータ要素８８０３は、高速発電機ロータ８８０２に機械的に連結されるが、絶縁スリーブ８８０６によってこれから電気的には絶縁される。高速発電機ロータ８８０２と高速モータ要素８８０３の電流伝達ブラシを中に配置するヌル場領域を形成するために、一組の超伝導キャンセルコイル８８０５が設けられる。この実施形態に対する大小電流経路を図８９に示す。
【０２６４】
上述の２コイル構造を、３コイル構造に拡張することもできる。この構造は、同軸の一対の低速発電機ロータ９００１，９００２を設けることにより、必要な超伝導ワイヤの長さを２倍にせずに、低速発電機の長さを２倍にする（よって、発生する電圧／パワーが増加する）という利点をもつ。
【０２６５】
図９０に示す構造では、低速発電機セクションのロータ９００１及び９００２は、機械的に互いに連結され同方向に回りながら、電気的には直列に接続される。当業者には明らかであるが、これらの要素を貫通接続して（ｔｈｒｏｕｇｈ  ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ）逆回転させることもできる（発電機を同期させるためにトルク／ＲＰＭ等化器を付け足すが）。あるいは、ロータ９００１，９００２を、並列につなげて、発生した電流を一方の端部にて取り出し、中間点にて結合させたブラシから取り出してもよい。
【０２６６】
この実施例を、図８２に関して述べたドラム型電磁的電力変換機を組み込んで表す。図９０の実施形態では、高速発電機要素９００３が、低速発電機ロータ９００２の内側に同心円状に配置される。高速モータステージ９００４は高速発電機要素９００３に機械的に連結されるが、絶縁アセンブリ９００５により電気的にそれから絶縁される。電流伝達ブラシを中に配置するためのヌル場領域を形成するために、内側超伝導キャンセルコイル９００６が設けられる。低速発電機ロータ９００１，９００２を駆動するために、多数の外側超伝導駆動コイル９００７が設けられる。
【０２６７】
この実施形態に対する大小電流経路を図９１に示す。この構成の低速ロータ９００１，９００２は直列に接続され共回転であるが、逆回転及び並列接続も可能である。
【０２６８】
全般的な場のプロットを図９２に示す。自由線で囲んだ領域は、中に（又はそれを越えて）液体金属又は他の電流運搬ブラシが置かれ最適に機能できる領域を表す。
【０２６９】
本明細書で述べた構成のいずれも、固定のクライオスタット及び通常記載されるコイルではなく、回転式クライオスタット及び超伝導コイルを用いて機能することもできる。ファラデーのパラドックスの本質は、記載の発電機又はモータが、場のコイルが固定又はロータと共に回転のいずれかである場合に機能することを意味する。極めて重要な必要条件は、ロータと外部定常電気回路の間の相対的な動きに対するものである。
【０２７０】
上に述べたタービンのさらなる発展形も作られた。この発展形の主要な違いは、片側電流通路である。オリジナルのデザインでは、電流は、中央の大きな直径の液体金属ブラシへ、又はブラシから装置のそれぞれの側に配置される二つの電流コレクタへと流れた。この発展形では、電流は、装置の一方の端部にある１つの電流収集位置に流れる。他の端部では、キャンセルコイルが取り除かれ、その空間はトルク入力／出力のために用いられる。キャンセルコイルをモータ／発電機の片側から取り除くことにより、軽重量の入力／出力シャフトを用いることができる。液体金属ブラシ接触の領域にヌル場領域を生み出すために必要とされる残りのシャフトキャンセルコイルは、１又はそれより多いキャンセルコイルを用いて形成することができる。オリジナルのタービンの実施例を図９３Ａに表し、発展形を図９３Ｂに示す。
【０２７１】
本実施形態に組み込まれる他の修正は：
ａ）主要駆動コイル９４０１の間の距離を増やす。これは、コイル間の力を大幅に減らす。
ｂ）元の構造に比べて接触幅を広げ厚みを増したロータ９４０２を、効果的には２ロータ用いて、作動電流を２倍にする。作動電流を増やすと、同じ電力に対する全体の直径も減らすことができ、必要な超伝導ワイヤの長さを減らすこともできる。
ｃ）許容可能であれば、片側だけに設けるのと同様に、シャフトキャンセルコイル９４０３をずらして装置の中央に近づけ全長を減らすことができる。
ｄ）ロータ９４０２用の入力／出力シャフト（図示せず）を片側だけに設けた。
ｅ）電流伝達ブラシ９４０５の幅を広げることにより、ロータを通って流れる電流を増やすことができる。
【０２７２】
図９５の場のプロットは、発展形のタービンのための典型的なコイルレイアウトとヌル場領域を示す。図９６の場のプロットに示すように、外側キャンセルコイルを完全に取り除くことができるため、より小さな直径の構造も実現可能である。
【０２７３】
図６２及び関連の図を参照して説明した別の配置の多くは、電磁変換機／低速モータ構造にも適用できる。主の駆動コイル及び外側キャンセルコイルのアスペクト比の修正により、図９７に示す電磁変換機に対しより小さい全径をもたらし得る。基本のレイアウトは、高速モータセクション９７０２に機械的に連結されるが絶縁シム９７０５により絶縁される高速発電機９７０１を含む。高速発電機９７０１は低速モータセクション９７０３に電気的に関連している。出力シャフト９７０４も設けられる。超伝導駆動コイルアセンブリ９７０６の主の駆動コイルは、他の実施形態で用いられるパンケーキ形状より（上で詳しく述べたような）ソレノイド外観に似ている。
【０２７４】
この実施形態に対する半分の場のプロットを図９８に示す。ヌル場領域９８０１（０．２Ｔ未満）を自由線で囲む。
【０２７５】
この代替のコイル構造は、図１００に関連の場のプロットを示す、図９９のドラム／ラジアルハイブリッド型モータ／電磁変換構造を含む多くの他の構造にも適用できる。この実施形態は、低速ドラム型モータ９９００、出力シャフト９９０１、及び、高速ラジアル型発電機９９０３に機械的には連結されるが、電気的には絶縁シム９９０４によって絶縁される高速ラジアルモータ９９０２を含む。
【０２７６】
この実施形態に対する半分の場のプロットを図１００に示す。ヌル場領域１００１（０．２Ｔ未満）を自由線で囲む。
【０２７７】
さらに、図１０１に示すさらなる変形は、効果的に、２つのロータ１０１００を、ともに動かした主の駆動コイル１０１０１の外側に配置する。こうすると、場が効果的に二倍使用される。主のコイル１０１０１を図のように、主のコイルの間の隙間をなくして設ける。ロータ１０１００は主の駆動コイルの外側に置かれる。ロータは、互いに機械的に連結されるが、絶縁コネクタ１０１０２を用いて互いから電気的に絶縁される。また、付加的なキャンセルコイル１０１０３を図のように加えて、好ましい液体金属ブラシ接触のために必要なヌル場領域を生成した。この実施形態に対する場のプロットを図１０２に示し、ヌル場領域１０１０４を表す。
【０２７８】
別の変形を図１０３に示す。この場合、２つのロータまたはダブルロータ１０３００を、３組の主の駆動コイル１０３０１の間に配置し、共通のシャフトに平行に接続して、一端（図示した）で、又は、付加的なキャンセルコイルを他端に加えた場合は両端で電流を収集する。この実施形態に対する場のプロットを図１０４に示し、ヌル場領域１０３０２を表す。
【０２７９】
片側発展構造の別の変形は、図１０５に示すように、２つのロータ１０５００と２組のシャフトキャンセルコイル１０５０１とを備えた両側構造である。ロータは機械的に連結されるが電気的には互いから絶縁される。
【０２８０】
片側構造の他の変形は、図１０６及び１０７に示すような、別のロータの形状、配置及びクライオスタットのレイアウトである。
【０２８１】
図１０８は、三次キャンセルコイルがない、図２３Ａ及び２３Ｂに示したものと同様のラジアル型ディスク装置の磁場分布画像である。外側のラインは、装置の５ガウスラインで、より強い場の領域とより弱い場の領域との境界を指し示す。内側のラインは、このスケールでは目に見えない液体金属ブラシのためのヌル場領域を除いて、内側の場が２００ガウスを越える領域の境界線である。この場の分布を生み出す装置はアクティブシールドを用いない。
【０２８２】
図１０９は、２つの（三次）シールドコイルを用いたアクティブシールドを含む、図２３Ａ及び２３Ｂの装置の磁場分布画像である。やはり、外側ラインは装置の５ガウスラインで、より強い場の領域とより弱い場の領域との境界を指し示す。内側のラインは、このスケールでは目に見えない液体金属ブラシのためのヌル場領域を除いて、内側の場が２００ガウスを越える領域の境界線である。ここで留意すべきは、図１０８のものと比べて、５ガウスラインの軸方向及び半径方向の中心からのずれ（ｏｆｆｓｅｔ）がかなり縮小していることである。
【０２８３】
図１１０は、図２３Ａ及び２３Ｂの装置の磁場分布画像であるが、４つのシールドコイルを用いたアクティブシールドを用いるように変更されている。外側ラインは装置の５ガウスラインで、より強い場の領域とより弱い場の領域との境界を指し示す。内側のラインは、このスケールでは目に見えない液体金属ブラシのためのヌル場領域を除いて、内側の場が２００ガウスを越える領域の境界線である。ここで留意すべきは、図１０８のものと比べて、５ガウスラインの軸方向及び半径方向の中心からのずれがかなり縮小していることである。
【０２８４】
図１１１は、図２３Ａ及び２３Ｂの装置の断面図であるが、図１１０の磁場分布画像を生むディスク型ラジアル装置において全部で４つのアクティブキャンセルコイルを用いるように変更されている。この装置において、一対の内側浮遊磁場アクティブキャンセルコイル１１１２と同様に、一対の外側浮遊磁場アクティブキャンセルコイル１１１１が設けられる。
【０２８５】
図１１２は、アクティブキャンセルコイルを用いない図８２の装置と類似のドラム型アキシャル装置の５ガウス及び２００ガウスラインを示す、磁場分布画像である。
【０２８６】
図１１３は、２つのアクティブキャンセルコイルを用いる図８２の装置と類似のドラム型アキシャル装置の５ガウス及び２００ガウスラインを示す、磁場分布画像である。この図は、図１１２に比べて、５及び２００ガウス境界の大幅な縮小を示す。
【０２８７】
図１１４は、２つの付加的なアクティブキャンセルコイル１１４１の位置づけを示す図１１３の場を生み出す装置の断面図である。
【０２８８】
図１１５は、４つのアクティブキャンセルコイルを含むように変更した、図８２の装置と類似のドラム型アキシャル装置の５ガウス及び２００ガウスラインを示す。やはり、この図は図１１２に比べ、５及び２００ガウス境界の大幅な縮小を示す。
【０２８９】
図１１６は、４つの付加的なアクティブキャンセルコイルの位置づけを示す図１１５の場を生み出す装置の断面図である。この装置では、一対のより径の大きいアクティブ浮遊磁場キャンセルコイル１１６１が、一対のより径の小さいアクティブ浮遊磁場キャンセルコイル１１６２と同じく設けられる。
【０２９０】
図１１７は、アクティブシールドのない、図６９に示したものと類似のマルチステージラジアル型ディスク装置の５ガウス及び２００ガウスラインを示す。外側のラインは、装置の５ガウスラインで、より強い場を有する領域とより弱い場を有する領域との境界を指し示す。内側のラインは、このスケールでは目に見えない液体金属ブラシのためのヌル場領域を除いて、内側の場が２００ガウスを越える領域の境界線である。上記装置はアクティブシールドを用いない。
【０２９１】
図１１８は、２つのシールドコイル１１８１を用いたアクティブシールドを備える、図６９で示した装置と類似のマルチステージラジアル型ディスク装置の５ガウス及び２００ガウスラインを示す。先の図と同様、外側ラインは装置の５ガウスラインで、より強い場を有する領域とより弱い場を有する領域との境界を指し示す。内側のラインは、このスケールでは目に見えない液体金属ブラシのためのヌル場領域を除いて、内側の場が２００ガウスを越える領域の境界線である。上記装置は、２つのシールドコイルを用いるアクティブシールドを用い、５ガウスラインの軸方向及び半径方向の中心からのずれがかなり縮小していることを容易に見ることができる。
【０２９２】
図１１９は、２つの付加的なシールドコイル１１８１の配置を示す図１１８の場を生み出す装置の断面図である。
【０２９３】
図１２０は、好ましい実施形態による液体金属ブラシアセンブリの片側半分を形成する舌状の外側リングを備える、主の回転ディスク及びシャフトアセンブリの等角図である。主の導電性出力シャフト１２０Ａは、軸受け取付架１２０Ｂの周りに回転するように取り付けられる。シャフト１２０Ａは、シャフト１２０Ａと一緒に回転するように主のロータディスク１２０Ｃを搭載する。好ましい液体金属ブラシアセンブリの内側の導電性表面を形成する主のロータディスク１２０Ｃの外側部分１２０Ｄは、ロータディスク１２０Ｃと異なる材料、この場合銅で提供される。また、半径方向に延びる舌部として形成される。
【０２９４】
図１２１は、好ましい実施形態による、全ロータと液体金属材料のための格納壁を含む内側及び外側両方の液体金属ブラシアセンブリの断面等角図である。この構成によると、回転シャフト１２１Ａは、一対の電気的に絶縁されたシャフト取付箇所１２１Ｂの間に取り付けられる。回転シャフト１２１Ａは、固定の液体金属格納容器１２１Ｄ内部に包含される回転ディスク１２１Ｃを搭載する。回転ディスク１２１Ｃに隣接して、外側電流受け渡し／取り出しリング１２１Ｅが設けられ、回転シャフト１２１Ａの片側の側方端部には、内側電流受け渡し／取り出しリング１２１Ｆが配置される。これら電流受け渡し／取り出しリングの両方は、電流受け渡し／取り出しのための液体金属アセンブリを含む。内側電流受け渡し／取り出しリング１２１Ｆもまた、固定の液体金属格納容器１２１Ｇの内部に配置される。
【０２９５】
図１２２は、図１２１の構成の正面図である。この図は、熱膨張を受け入れるために、Ｏリング上に取り付けられたセラミックベアリング１２２Ａを明確に示す。やはり、回転シャフト１２１Ａは、電流受け渡し／取り出しのために設けられる外側液体金属ブラシアセンブリ１２２Ｂを有する回転ディスクアセンブリ１２１Ｃを搭載する。回転シャフト１２１Ａはまた、その片方の側方端部に内側液体金属ブラシアセンブリ１２２Ｃを搭載し、これが、回転シャフト１２１Ａと回転ディスクアセンブリ１２１Ｃを通る電流フローを可能にする。
【０２９６】
図１２３は、図１２２の外側液体金属ブラシアセンブリの詳細な図である。この構成では、回転ディスク１２３Ａはアルミニウムから製造され、回転ディスクの外側リング（これはまた、液体金属ブラシアセンブリの回転内側リング１２３Ｂを形成する）は、細長の舌部１２３Ｃを備えた銅のアタッチメントとして構成される。回転内側リング１２３Ｂは、複数の留め具１２３Ｄを用いて回転ディスク１２３Ａに取り付けられる。液体金属ブラシアセンブリの固定の外側リング１２３Ｅは、２つの部品からなるリングであり、回転内側リング１２３Ｂの上の固定の外側リング１２３Ｅのアセンブリが、その間のほぼＵ字形の溝を画定して、電流伝達用の液体金属１２３Ｇが入れるようにする。液体金属１２３ＧをほぼＵ字形の溝に注入できるように、充填栓及びセンサポート１２３Ｆが設けられる。装置が作動していないときの液体金属１２３Ｇの損失を防ぐために、アセンブリ全体を、液体金属格納容器壁１２３Ｈの内側に入れる。
【０２９７】
図１２４は、図１２２の内側液体金属ブラシアセンブリの詳細な図である。この構成は、図１２３の構成に多くの点で似ている。やはり、回転シャフト１２４Ｄは電気的に絶縁されたシャフト取付箇所１２４Ｈと、熱膨張に応じるために、Ｏリング上に取り付けられたセラミック軸受１２４Ｉを用いて、回転できるように取り付けられる。シャフト１２４Ｄの外側部分は、液体金属ブラシアセンブリの内側リング１２４Ｃ用の取付部を提供する。内側リング１２４Ｃは銅から製造され、１以上の留め具１２４Ｅを用いて好ましくはアルミニウムの回転シャフト１２４Ｄに取り付けられる。やはり、２つの部品からなる固定の外側リング１２４Ａが設けられ、内側リング１２４Ｃに対して取り付けられ、液体金属を受け入れるためのほぼＵ字形の溝を画定して、接触部１２４Ｂを形成する。液体金属格納容器１２４Ｆは液体金属ブラシアセンブリを包含し、環状の流体シール１２４Ｇを設けて、装置が動いていないときの液体金属１２４Ｂの損失を防ぐ。
【０２９８】
図１２５は、広がったディスク部分を示す回転ディスク／シャフトアセンブリの好ましい実施形態の断面図である。この構成では、回転ディスク１２５Ａに、ディスク１２５Ａの根元に向かって広がったディスク部分１２５Ｂが設けられ、この根元はディスク１２５Ａが回転シャフト１２５Ｃに取り付けられるところである。装置が作動していないときに液体金属ブラシアセンブリから流れ出る液体金属を収集するために、一対の液体金属収集溝１２５Ｄが、回転ディスク１２５Ａの各側方端部に１つずつ設けられる。流体収集を改善するために、代わりに、広がったディスク部分１２５Ｂの下を切り取ってもよいだろう。流体金属の損失を防ぐために、格納アセンブリ壁１２５Ｆと回転シャフト１２５Ｃの間に、流体シール１２５Ｅも設けられる。
【０２９９】
図１２６は、本発明の好ましい実施形態によって示される駆動磁石とクライオスタットの境界を備える完全なロータとブラシアセンブリの断面図である。
【０３００】
図１２７は、１つの可能な実施を示し、低摩耗磁性流体シール１２７Ｃを用いてシールされた最終出力シャフト１２７Ｂを備えるロータ及びクライオスタットアセンブリの周りに、外側境界壁１２７Ａにより画定されるシールされた不活性環境が作り出される。
【０３０１】
上述の実施形態は、本発明の例示の目的によるためだけに提供され、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本発明の広い範囲に入ると見なされると理解されるべきである。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２Ａ】
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【図３】
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【図５Ｂ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１３Ｃ】
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【図１４】
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【図１５Ａ】
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【図１６Ａ】
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【図１６Ｂ】
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【図１６Ｃ】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３Ａ】
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【図２４Ａ】
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【図２４Ｂ】
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【図２５Ａ】
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【図２６】
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【図２７Ａ】
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【図２８】
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【図３４Ａ】
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【図３４Ｂ】
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【図３６Ａ】
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【図３６Ｂ】
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【図３８Ａ】
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【図３８Ｂ】
2015528688.tif 000046
【図３８Ｃ】
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【図４０】
2015528688.tif 000048
【図４０Ａ】
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【図４０Ｂ】
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【図４１Ａ】
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【図５２】
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【図５４】
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【図５６】
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【図５７】
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【図５８】
2015528688.tif 000056
【図５９】
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【図６０】
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【図６２】
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【図６３】
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【図６５】
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【図６６】
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【図６７】
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【図６８】
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【図６９】
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【図７１】
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【図７２】
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【図７３】
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【図７４】
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【図７５】
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【図７７】
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【図７８】
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【図７９】
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【図８０】
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【図８２】
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【図８４】
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【図８５】
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【図８６】
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【図８７】
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【図８８】
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【図９０】
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【図９２】
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【図９３Ａ】
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【図９３Ｂ】
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【図９４】
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【図９５】
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【図９６】
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【図９７】
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【図９８】
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【図９９】
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【図１００】
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【図１０１】
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【図１０２】
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【図１０３】
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【図１０４】
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【図１０５】
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【図１０６】
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【図１０７】
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【図１０８】
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【図１０９】
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【図１１０】
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【図１１１】
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【図１１２】
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【図１１３】
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【図１１４】
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【図１１５】
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【図１１６】
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【図１１７】
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【図１１８】
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【図１１９】
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【図１２０】
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【図１２１】
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【図１２２】
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【図１２３】
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【図１２４】
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【図１２５】
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【図１２６】
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【図１２７】
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【図２Ｂ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５Ａ】
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【図９】
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【図１２】
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【図１５Ｂ】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２３Ｂ】
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【図２５Ｂ】
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【図２７Ｂ】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２Ａ】
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【図３２Ｂ】
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【図３３Ａ】
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【図３３Ｂ】
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【図３５Ａ】
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【図３５Ｂ】
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【図３７Ａ】
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【図３７Ｂ】
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【図３９Ａ】
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【図３９Ｂ】
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【図４１Ｂ】
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【図４２Ａ】
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【図４２Ｂ】
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【図４３Ａ】
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【図４３Ｂ】
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【図４４Ａ】
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【図４４Ｂ】
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【図４５Ａ】
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【図４５Ｂ】
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【図４６Ａ】
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【図４６Ｂ】
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【図４７Ａ】
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【図４７Ｂ】
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【図４８】
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【図４９】
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【図５０】
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【図５１】
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【図５３】
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【図５５】
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【図６１】
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【図６４】
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【図７０】
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【図７６】
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【図８１】
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【図８３】
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【図８９】
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【図９１】
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【国際調査報告】
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