(57)【要約】  好ましい実施形態のモーター／発電機は、回転部（回転子）と、固定部（固定子）とを備える。開示されたデバイスにおいて、固定子の主要機能は、回転子が回転する高強度背景磁場を提供することである。回転子は、モーターの場合、背景場の磁場方向の相対的変化と協調して（すなわち、１つの磁極から次の磁極まで回転子が運動するときに）方向を変える電流で駆動することができる。発電機の場合、回転子の運動は、一般に、交流電圧及び電流の発生をもたらす。
2017518730.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つの導電素子を有する少なくとも１つの回転部と、前記少なくとも１つの回転部が回転する高強度背景磁場を提供するための少なくとも１つの固定部とを備え、前記少なくとも１つの回転部が、前記背景磁場の磁場方向の相対的変化と協調して方向を変える電流で駆動される、電磁モーター。
【請求項２】
少なくとも１つの回転部と、前記少なくとも１つの回転部が回転する高強度背景磁場を提供するための少なくとも１つの固定部と、を備え、前記背景磁場に対する前記少なくとも１つの回転部の運動が、交流電圧及び電流の発生をもたらす、電磁モーター。
【請求項３】
前記背景磁場が、少なくとも１つの超電導コイルを使用して生成される、請求項１又は請求項２に記載の電磁モーター。
【請求項４】
前記背景磁場が、永久場である、請求項１〜３のいずれか一項に記載の電磁モーター。
【請求項５】
少なくとも１つの導電コイルが、前記少なくとも１つの回転部を備える、請求項１〜４のいずれか一項に記載の電磁モーター。
【請求項６】
前記背景場が、永久場であり、前記背景磁場との相互作用を通して少なくとも１つの導電性素子を運動させるための原動力を提供するために、前記少なくとも１つの回転部が、変化場を生成する前記少なくとも１つの導電性素子を有する、請求項４又は請求項５に記載の電磁モーター。
【請求項７】
変化場が提供される場合に、該変化場が、物理的又は電子的に整流された直流電流の供給又は交流電流の供給を通して達成される、請求項１〜６のいずれか一項に記載の電磁モーター。
【請求項８】
前記回転子又は固定子において誘導される任意の磁場が、磁場発生器のタイプ、導電性素子のタイプ、又はこれらのいずれかの幾何学的形状に関係なく、前記背景磁場に実質的に等しい、請求項１〜７のいずれか一項に記載の電磁モーター。
【請求項９】
少なくとも１つの導電コイルが、前記少なくとも１つの回転部を備え、該少なくとも１つの導電コイルが、整合した場を発生させるために前記背景磁場を作り出すように用いられる任意のコイルと実質的に同じである、請求項１〜８のいずれか一項に記載の電磁モーター。
【請求項１０】
回転コイルが前記背景磁場と磁気的に整列されたときに、前記少なくとも１つの導電性素子における電流の流れを反転させることができる、電流送達システムを更に含む、請求項１〜９のいずれか一項に記載の電磁モーター。
【請求項１１】
前記背景磁場を２回以上使用するために、複数の経路が、前記少なくとも１つの導電によって前記背景磁場を通して描かれる、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の電磁モーター。
【請求項１２】
回転及び固定構成要素、又は回転及び逆回転構成要素、又は回転及び逆回転及び固定構成要素の組み合わせを含む、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の電磁モーター。
【請求項１３】
駆動又は発電経路を固定したままにし、一方で、前記背景磁場が回転する、請求項１〜１２のいずれか一項に記載の電磁モーター。
【請求項１４】
前記背景磁場が、少なくとも１つの通電導体が運動する１つ以上の作業領域の中へ前記磁場を方向付けるために、トロイド又はトロイドのセクションの形態で巻回されるいくつかの隣接する電磁コイルによって作り出される、請求項１〜１３のいずれか一項に記載の電磁モーター。
【請求項１５】
少なくとも１つの間隙領域が、前記通電導体の機械的配置及び動作を可能にするために、トロイド又はトロイダルセクション間に存在する、請求項１４に記載の電磁モーター。
【請求項１６】
前記トロイダル電磁コイルが、離散的サブコイルの配設を使用して、又はトロイド若しくはトロイダルセクターにおける導電性材料の連続巻回によって構築される、請求項１４又は１５に記載の電磁モーター。
【請求項１７】
磁束を空隙又は作業領域に方向付けるために、背景磁場巻線が使用される、請求項１〜１６のいずれか一項に記載の電磁モーター。
【請求項１８】
連続回転又は発電をもたらすような波形を有する交流電流が用いられ、このような波形が、前記モーター又は発電機の動力出力における最小限のリップルを生成するように成形される、請求項１〜１７のいずれか一項に記載の電磁モーター。
【請求項１９】
背景磁場を発生させるための少なくとも１つの磁場発生器と、運動のために前記背景磁場内に位置する少なくとも１つの導電性素子と、前記少なくとも１つの導電性素子に電流を送達するための電流送達システムと、を含む、電磁デバイスであって、前記導電性素子に対する大きい力を生成するために、前記少なくとも１つの導電性素子の周りに少なくとも前記背景磁場に対する強度以上の磁場を発生させるのに十分である電流が、前記少なくとも１つの導電性素子に供給される、電磁デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、往復運動素子又は回転素子を磁場の中で使用する電磁デバイスに関し、具体的には、磁場の中に配置される通電バー／巻線の変形例、及びこれらの通電バー／巻線を通した電流の印加に関する。
【背景技術】
【０００２】
物理学の基本的な原理の１つは、電気と磁気との関係である。この関係は、１８００年代中頃に最初に観察され、そのときに、単純な棒導体を通過する電流が、電流の流れの方向に対して垂直な磁場を誘導することに注目した。磁場が誘導された結果として、電流を構成する運動電荷の各々が力を受ける。運動電荷の各々に及ぼされた力は、磁場に比例して導体上にトルクを発生させる。
【０００３】
電流が単純な棒導体を通過するときに、電流の流れる方向に対して垂直な磁場を誘導することは、電気測定理論の十分理解されている側面である。磁場が誘導された結果として、電流を構成する運動電荷の各々が力を受ける。運動電荷の各々に及ぼされた力は、トルクを発生させる。電気モーター及び発電機などのデバイスの基礎となるのは、この原理である。
【０００４】
大部分の典型的なＤＣモーターは、３つの主構成要素、すなわち、固定子、電機子／回転子、及び整流子から成る。固定子は、典型的に、電機子に誘導される場と相互作用する磁場を提供して、運動を作り出す。整流子は、半回転毎に電機子を流れる電流を反転させるように作用し、それによって、電機子の場を反転させて、その場内での電機子の回転を一方向に維持する。その最も単純な形態のＤＣモーターは、以下の３つの関係によって説明することができる。
【数１】
2017518730.tif 000003
式中、ｅａは、逆起電力であり、Ｖは、モーターに印加される電圧であり、Ｔは、トルクであり、Ｋは、モーター定数であり、Φは、磁束であり、ωは、モーターの回転速度であり、Ｒａは、電機子抵抗であり、ｉａは、電機子電流である。
【０００５】
典型的なモーターの磁場は、（固定子上で）固定され、また、永久磁石によって、又はコイルによって作り出される。電流が電機子／回転子に印加されると、電機子の各導体に対する力は、Ｆ＝ｉａ×Ｂ×１によって与えられる。電機子内の導体が固定磁場を通って回転する結果としての磁束変化の相対速度により、逆起電力が発生する。したがって、電機子の電圧ループは、逆起電力と巻線における抵抗損失とを合わせたものを含む。したがって、ＤＣモーターの速度制御は、主として、電機子に印加される電圧Ｖを通して行われ、一方で、トルクは、磁束と電流との積に比例する。
【０００６】
したがって、ＤＣモーターのトルクを最大にするためには、単純に、磁場又は供給される電流のいずれかを増加させるだけのことだと推定されるであろう。しかしながら、実際には、制限がある。例えば、永久磁石を介して発生させることができる磁場のサイズは、いくつかの要因によって制限される。永久磁石から非常に大きい磁場を生成するためには、磁石の物理的サイズが比較的大きくなる（例えば、２３０ｍｍのＮ３５磁石は、数キロガウス（ｋＧ）の場を生成することができる）。重要なことに、複数の磁石を利用すればより大きい場を生成することができるが、磁石のサイズ及び数が、システムの全体的なサイズ及び重量を更に加える。モーターのサイズ及び重量はどちらも、電気推進システムなどの用途において、重要な設計上の考慮事項である。標準ワイヤコイルを利用すればより大きい磁場を発生させることが可能であるが、サイズ、重量、及び加熱効果が、標準的なコイルの使用を非実用的にする。
【０００７】
トルクに影響を及ぼす考慮が必要な別の要因は、電機子／回転子内で作り出される渦電流によって引き起こされる抗力の生成である。渦電流は、磁場に時間的変動、導体を通る磁場に変化、又は磁場の源と導電材料との相対運動による変化がある場合に起こる。渦電流は、レンツの法則によって元々の磁場の変化を妨げる磁場を誘導し、導体と磁石との間に反発力又は抗力を引き起こす。材料及び場が均一であると想定し、表皮効果を無視した単純な導体の場合に、渦電流によって引き起こされる動力損失（Ｐ）は、次式によって算出することができる。
【数２】
2017518730.tif 000004
式中、Ｂｐは、ピーク磁束密度であり、ｄは、ワイヤの太さ又は直径であり、ｐは、抵抗力であり、σは、電気伝導率であり、μは、透磁率であり、ｆは、周波数（場の変化）であり、Ｄは、侵入深さである。
【０００８】
上記の式から分かるように、磁場が増加するにつれて、渦電流のサイズ及び効果が増加し、すなわち、磁場が高くなるほど、渦電流の結果として生成される抗力が大きくなる。場の強度に加えて、電機子の導電性素子の抵抗率及び厚さも１つの要因である。電機子の導電性素子の材料の選択は、電機子に印加することができる電流の量に大幅に影響を及ぼし得る。
【０００９】
これらの基本的な特性及び機能は、より良好な効率を有する改善されたデバイスの研究における継続的な開発の焦点である。
【００１０】
従来技術の刊行物が本明細書に引用される場合、この引用は、同刊行物がオーストラリア又は任意の他の国の当技術分野における共通の一般知識の一部を形成するということを認めるものではないことが明確に理解されるであろう。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明は、上述した不利な点のうちの少なくとも１つを少なくとも部分的に解決することができる、又は有用な若しくは商業的な選択肢を消費者に提供することができる、磁場の中で往復運動又は回転素子を使用する電磁デバイスの改善を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
前述したことを考慮すると、本発明は、１つの形態において、背景磁場を発生させるための少なくとも１つの磁場発生器と、運動のために背景磁場内に位置する少なくとも１つの導電性素子と、少なくとも１つの導電性素子に電流を送達するための電流送達システムと、を含む、電磁デバイスに広く属し、導電性素子に対する大きい力を生成するために、少なくとも１つの導電性素子の周りに少なくとも背景磁場に対する強度以上の磁場を発生させるのに十分である電流が、少なくとも１つの導電性素子に供給される。
【００１３】
本明細書における「シール」という用語の使用は、少なくとも１つの導電性素子を物理的に密閉することに関するものではなく、代わりに、少なくとも１つの導電性素子を通って場が延在することを可能にするよりも、少なくとも１つの導電性素子の外周の周りの場を転換することに関するものであり、これは、大きい反発力をもたらす。
【００１４】
本発明の電磁デバイスは、通常、印加された電機入力が機械出力を生成する電磁モーター又は類似物の形態となる。典型的に、デバイス又はデバイスの構成要素は、使用される好ましい超電導コイルを冷却するために、極低温エンベロープ又はクライオスタット内に少なくとも部分的に囲まれる。
【００１５】
本発明のデバイスは、少なくなくとも１つの導電性素子が往復運動又は回転原理のいずれか（又は双方）に従って運動するように載置された、往復運動又は回転構成を有することができる。
【００１６】
本発明のデバイスは、背景磁場を発生させるために、少なくとも１つの磁場発生器を含む。好ましくは、背景磁場は、支配的に均一であるが、少なくとも１つの導電性素子が位置し、運動する領域において背景磁場が支配的に均一であることが最も好ましい。
【００１７】
背景磁場は、任意のデバイス（複数可）又はデバイス（複数可）の構成を使用して、任意の方法で発生させることができる。上で述べられるように、背景磁場は、少なくとも１つの超電導構造体及び特に少なくとも１つの超電導コイルを使用して生成されることが特に好ましい。好ましい超電導コイルは、超電導テープ又はワイヤを巻回してコイルを形成することによって形成される。臨界温度未満に冷却したときに電気抵抗がほぼゼロになるため、これらのタイプのコイルが特に好ましい。これらのコイルはまた、高い電流密度も可能にし、したがって、大きい（かつ高密度の）磁場を作り出すことを可能にする。
【００１８】
本発明の背景磁場は、永久磁場又は変化磁場とすることができる。典型的に、背景場は、永久場となり、背景磁場との相互作用を通して少なくとも１つの導電性素子を運動させるための原動力を提供するために、少なくとも１つの導電性素子の場が、変化場である。
【００１９】
通常、変化場が提供される場合、該変化場は、好ましくは、物理的又は電子的に整流された直流電流の供給又は交流電流の供給を通して達成される。
【００２０】
少なくとも１つの磁場発生器及び少なくとも１つの導電性素子の特性は、用途に従って決定されることを認識されたい。
【００２１】
往復運動構成では、背景磁場を作り出すために少なくとも１つのコイルを使用することができるが、好ましくは、一対の固定コイルが使用される。好ましい構成では、２つのコイルが、固定子素子として作用し、少なくとも１つの導電性素子が、好ましくは該コイルの間に位置する第３のコイルを含み、第３のコールが電流の交互極性を受ける。
【００２２】
背景磁場を作り出すために単一のコイルが使用される、あまり好ましくない構成では、少なくとも１つの導電性素子が、好ましくは第２のコイルを含み、電流の交互極性を受ける。
【００２３】
好ましいコイルは、任意の数の層で提供することができ、典型的には、多層が好ましい。電流は、現在のコイル製造技術のパラメータの範囲内に維持しながらコイルを形成するために使用される高温超電導ワイヤの所与の長さに対して必要とされる最大の場の強度を得るためには、４層が最適な層の数であるということを示している。
【００２４】
標準的な構成で２つ以上のコイルを使用することによって使用されるコイルの深さを増加させることで、好ましくは、コイルの表面に対して垂直に運動させたときに、より大きい背景磁場の投影をもたらす。これは、少なくとも１つの導電性素子に印加される力の変動をより少なくし、その結果、運動のストロークに沿った動力送達の平滑化につながる。
【００２５】
上で述べられるように、鍵となる考慮事項は、少なくとも１つの磁場発生器及び少なくとも１つの導電素子による寸法及び生成される磁場が、磁場発生器、導電性素子のタイプ、又はこれらのいずれかの幾何学的形状にかかわらず、コイルに関して等しいことである。実際には、少なくとも１つの磁場発生器コイル及び導電素子又はコイルが、基本的に、実質的に同じ割合及び物理的特性を有する同じタイプかつ構成のものである場合に生成される背景場に、少なくとも１つの導電性素子の磁場が少なくとも等しいものであることを確実にすることが、通常は、より単純になる。
【００２６】
したがって、少なくとも１つの導電素子も、その結果、好ましくは、整合した場を発生させるために、背景磁場を作り出すために用いられるコイルと実質的に同じコイルである。
【００２７】
好ましい実施形態において、コイルの各々は、典型的に環状であり、また、側部から見たときに通常は平面である。
【００２８】
したがって、好ましい往復運動の実施形態によれば、通常は、背景磁場を発生させる役割を果たす一対の固定コイルが存在し、運動導電素子が２つの固定コイル間に整合したコイルも含み、該固定コイル間を往復運動するか、又は代替的に、背景磁場を発生させるための１つの固定コイル、及び該固定コイルに対して往復運動する整合したコイルを含む、運動導電素子が存在する。
【００２９】
好ましいコイルの物理的レイアウトに関して、コイルは、一般に、同軸に配向され、少なくとも１つの運動導電性素子が、通常は、軸に沿って往復運動する。少なくとも１つの導電性素子は、好ましくは、いくつかの形態の機械的作業の取り出しデバイス、通常は、シャフト又は類似物、及び特に、往復運動を回転運動に変換するクランクシャフトに連結される。通常、少なくとも１つの導電性素子の運動は、シャフトによって制限される。少なくとも１つの導電性素子は、必要に応じて電流の反転を制御するために、通常は、整流子に連結される。また、トルク変換器及びブレーキアセンブリの組み合わせも提供することができる。
【００３０】
少なくとも１つの運動導電性素子に交流電流が印加される場合は、電気動力制御及び特に整流子が不要になり得るか、又は電気動力制御に対する必要性が少なくとも低減される。
【００３１】
往復運動配設は、従来の回転電気モーター装置とは大幅に異なるが、該往復運動配設は、回転構成に勝るいくつかの利点を維持する。該利点としては、ストロークにわたる場の強度の変動を小さく保ち、したがって、デバイスの動力を最大にする能力、円形の構成に適しているコイルの幾何学的形状を得るための専門のコイル巻回技法を開発する必要性の排除、及びコイルを収容し、コイルのサブ臨界温度への冷却を促進するために必要とされる容器の簡略化、が挙げられる。これらの理由のいずれも、往復運動配設の基本的な機能を模倣する円形の構成の開発を排除しないが、これらの理由は、往復運動構成が好ましくなり得る理由を概説する役割を果たす。
【００３２】
このような回転実施形態によれば、少なくとも１つの磁場発生器が、背景磁場を生成するために１組のコイルを含むことが好ましい。典型的に、少なくとも１つの導電性素子は、背景場の範囲内に位置し、また、通常は、背景磁場の支配的な方向に対して実質的に垂直な軸を中心に回転する。特に好ましい実施形態によれば、背景磁場発生器が、通常は、第１のクライオスタットに提供され、少なくとも１つの導電性素子が第２のクライオスタットに提供され、第２のクライオスタットが第１のクライオスタットに対して運動可能である。典型的には、第１のクライオスタットが固定され、第２のクライオスタットが第１のクライオスタットの少なくとも一部分の中を回転し、少なくとも１つの導電性素子が第２のクライオスタット内に固定される。
【００３３】
少なくとも１つの磁場発生器は、好ましくは、いくつかのコイルから形成される。特に好ましい実施形態によれば、背景磁場を形成するために少なくとも１つの一次コイルが使用され、また、背景磁場を成形して、少なくとも１つの回転導電性要素が位置する領域における背景磁場の均一性を高めるために、少なくとも１つの二次コイルが提供される。
【００３４】
好ましい実施形態によれば、少なくとも２つの一次コイルが提供される。この実施形態の一次コイルの各々は、矩形のソレノイドとして成形される。したがって、一次コイルの各々は、好ましくは、少なくとも１つの磁場発生器の半分を形成する。一次コイルの各々の形状は、好ましくは、環状であり、かつ実質的に矩形である。一次コイルは、典型的に、互いに離間配置され、一次コイルによって発生する背景磁場の中へ延在するように少なくとも１つの導電性素子を含む回転クライオスタットを、一次コイルの間に載置することを可能にする。
【００３５】
好ましい２つの一次コイルは、典型的に、互いに対して同軸に位置付けられる。一次コイルの各々は、好ましくは、回転クライオスタットがその回転中に全ての位置において背景磁場内に完全に位置するように背景磁場を画定するのに十分な幅のものである。
【００３６】
好ましい実施形態によれば、いくつかの二次コイルが提供され、好ましくは、二次コイルは、一次コイルに対して垂直に提供される。典型的に、一次コイルの各々の「長辺」の各々には少なくとも１つの二次コイルが提供され、最も好ましくは、一次コイル毎に、少なくとも１つの上部二次コイル及び少なくとも１つの下部二次コイルが提供される。
【００３７】
二次コイルの形状もまた、好ましくは、環状であり、かつ実質的に矩形である。各二次コイルの環状表面は、二次コイルが関連付けられる一次コイルの内周表面と実質的に同一平面上にあることが好ましい。
【００３８】
各二次コイルの内周表面は、好ましくは、二次コイルが位置付けられる一次コイルの外側縁部の横方向外側に位置する。
【００３９】
各一次コイルの「短辺」上には、追加的な二次コイルが位置し得る。これらの追加的な二次コイルは、一次コイルの「短辺」の長さが増加するにつれて、すなわち、一次コイルのアスペクト比が１：１に近づく状況において、ますます重要になり得る。
【００４０】
二次コイルの代替の構成は、少なくとも１つの導電性素子及び第２のクライオスタットが位置し、回転する一次コイルの中央領域における場の均一性を高めることを支援することができる。「ベッドステッド」二次コイルが特にこの目的に有用であることが分かっている。各ベッドステッド二次コイルは、同じ平面に位置する実質的に平行な上部分及び下部分と、該上部分及び下部分に対して垂直に２つの方向に配向される、該上部分及び下部分に接続する端部分とを含む。
【００４１】
ベッドステッド二次コイルが提供される場合、端部分は、典型的に、互いから離れて延在して配向される。好ましくは、ベッドステッド二次コイルの上部分及び下部分は、該部分が位置する部分に関連して一次コイルの部分と同一平面上にある。最も好ましい実施形態によれば、各ベッドステッドコイルの上部分及び下部分は、隣接して位置する一次コイルの間に位置する。
【００４２】
回転実施形態の少なくとも１つの導電性素子は、好ましくは、環状の矩形状を有する。少なくとも１つの導電性素子は、第１のクライオスタット内で回転するように載置される。通常、少なくとも１つの導電性素子は、第２のクライオスタットに固定され、第２のクライオスタットは、第１のクライオスタット内で回転する。
【００４３】
第１及び第２のクライオスタットを互いに対して載置するために、また、少なくとも１つの導電性素子の回転が機械的作業を出力することを可能にするために、通常、適切な軸受、シャフト、シールなどが提供される。
【００４４】
好ましくは、回転実施形態の少なくとも１つの導電素子は、電流送達システムに接続された超電導コイルである。第２のクライオスタットもまた、好ましくは、極低温送達システムに接続される。
【００４５】
電流送達システムは、好ましくは、回転コイルと、一次コイルによって低減された場とが磁気的に整列されたときに、少なくとも１つの導電性素子の電流の流れを反転させることができる。好ましい実施形態の場合は、電流の反転が１８０°毎に起こり、また、少なくとも１つの導電性素子の連続回転をもたらすように調整される。しかしながら、この角度は、背景磁場を形成する一次コイルの数及び／又は構成に応じて変化させることができる。
【００４６】
電流は、方形波形にできる限り近い波形で印加されることが好ましい。また、これは、コイルの場の強度が、デバイスのトルク及び動力を最大にする背景場の強度未満である期間を低減させる。電流送達システムは、典型的に、できる限り即座に電流を印加し、次いで、電流の流れが反転されるスイッチ点まで、回転中に少なくとも１つの導電性素子を通る電流を維持する。
【００４７】
１つの重要な考慮事項は、場のレベルを確立し、素早く反転させることができるように、回転素子が、電流の迅速な増加及び電流の迅速な反転（低インダクタンス）に寄与する回路特性を有するように設計されることである。加えて、（モーターとして駆動されるときの）デバイスへの電源は、この迅速な確立及び電流の反転を生じさせるために、回転コイルのインダクタンスに対して十分に高い電圧のものであることが必要になる。好ましい波形は、完全反転ＤＣ信号（又は方形波ＡＣ電流信号）である。非反転方形波ＤＣ電流波形を使用することができるが、半サイクルのドエル時間中に駆動コイルが開回路であることを条件とする。
【００４８】
回転コイルアセンブリ内には、更に２つの重要なシステムがある。回転コイルへの電流は、通常、方形波電源から固定電流リードによって送達される。この電流送達は、好ましくは、１組の滑り電流接点を介して達成される。これらの滑り電流接点は、液体金属ブラシである。
【００４９】
このような事例において、液体金属ブラシは、相補的な溝を有するチャネルの使用によって形成することができ、液体金属は、可変圧力の下でリザーバからチャネルの中へ導入することができる。また、液体金属に対する水分及び酸素の悪影響を低減さするために、密閉中にガスをチャネルの中へ導入することもできる。
【００５０】
第２のシステムは、回転コイルを含む回転クライオスタットの動作に関する。クライオスタットの冷却は、好ましくは、固定チューブを介した、ヘリウムなどの液体寒剤の送達を介して達成される。液体寒剤は、典型的に、クライオスタットの回転によって作り出される遠心力を介して、コイルアセンブリの外側部品に送達される。加熱された極低温ガスを収集するために、二次固定外側パイプを使用することができ、該極低温ガスは、閉ループ極低温システムの一部として極低温ガスが回転クライオスタットを出て、再冷却されるように戻されるときに、電流送達チャネルに対して追加的な冷却を与えるために使用することができる。このシステムは、極低温流体の追加的なポンピングを必要としないように構成することができる。この好ましい実施形態によれば、固定境界と回転境界との間には、回転極低温シールが必要とされるある地点がある。
【００５１】
本発明の好ましい一実施形態では、液体金属ブラシと１つ以上の超電導素子との間に、１つ以上の断熱ステージを提供することができる。１つ以上の断熱ステージは、任意の適切な形態のものとすることができるが、１つ以上の断熱ステージの目的は、より低い温度の超電導素子からより高い温度の液体金属ブラシを分離することであり得る。液体金属ブラシは、互いに対して任意の適切な場所に位置させることができるが、本発明のいくつかの実施形態において、システムは、少なくとも１つの内側液体金属ブラシと、少なくとも１つの外側液体金属ブラシとを備えることができる。本発明のこの実施形態において、回転子は、電流入力に使用される外側液体金属ブラシと、システムから電流を取り出すために使用される内側液体金属ブラシとの間に、超電導電流伝送素子を備えることができる。
【００５２】
回転子は、任意の適切なサイズ、形状、又は構成のものとすることができる。しかしながら、好ましくは、回転子は、内側導電素子及び外側導電素子を含む、少なくとも一対の同心導電素子を備える。本発明の好ましい一実施形態において、内側導電素子及び外側導電素子は、実質的に環状である。いくつかの実施形態において、内側導電素子及び外側導電素子は、熱的に最適化された通常の導電素子、又は熱伝導性が制限された中間電流伝達ステージとしてのＨＴＳバルク若しくはワイヤのうちの１つ以上を使用して連結することができる。
【００５３】
回転子は、シャフトアセンブリに対して、及び好ましくは、実質的に中心のシャフトアセンブリに対して載置することができる。いくつかの実施形態では、シャフトアセンブリから内側導電素子まで放射状に広がるスポークとして、単一の駆動素子（一次ＨＴＳ駆動素子など）を構成することができる。好ましくは、駆動素子、及び駆動素子がシャフトアセンブリに載置される地点は、支持構造体内に封入することができる。好ましくは、支持構造体は、非導電性である。
【００５４】
本発明のいくつかの実施形態において、システムは、シャフトアセンブリと内側導電素子との間に放射状に広がる、１つ以上の追加的なスポークを備えることができる。本発明の好ましい一実施形態において、１つ以上の追加的なスポークは、非導電とすることができる。支持構造体が、非導電スポークによって提供される追加的なトルク伝達を含み得ることが想定される。これは、トルクの伝達に対して十分な剛性がない場合のある、単一の駆動素子を形成するために使用されるＨＴＳワイヤ又はテープの複数のストランドの好ましい構成として行うことができる。
【００５５】
本発明の代替の実施形態では、複数の駆動素子（ＨＴＳ駆動素子など）を、内側導電性素子と外側導電性素子との間に用いることができる。好ましい実施形態において、これらの駆動素子の各々は、背景磁場の強度以上の場の強度をコイルの周りに生成することができる。
【００５６】
いくつかの実施形態において、電気電流は、一対の液体金属ブラシを通してシステムに提供することができる。本発明の特定の一実施形態において、電流は、外側導電性素子と関連付けられるより大きい半径の液体金属ブラシから、内側導電素子まで流れることができる。好ましくは、電流は、より大きい半径の液体金属ブラシから、ＨＴＳバルクを通して、内側導電素子に流れる。内側導電素子から、電流は、一次駆動素子を通って流れ、電流戻り経路を通って流れ出ることができる。本発明の好ましい一実施形態において、電流戻り経路は、シャフトアセンブリに提供され、より小さい半径の液体金属ブラシ通って流れ出ることができる。
【００５７】
本発明の特定の一実施形態において、デバイスは、超電導ワイヤ及び／又はテープの複数のストランドで作製される単一の超電導電流リードを含むことができる。超電導電流リードは、駆動素子の少なくとも１つとして使用することができる。好ましくは、超電導電流リードは、回転子の回転をもたらす駆動素子を通る電流の流れに対して一次駆動場が垂直である領域において使用することができる。本発明のこの実施形態では、回転子が位置する背景場の強度よりも磁場の強度が高いことを確実にするために電流密度が十分に高い、単一の電流経路を使用することができることが想定される。
【００５８】
いくつかの実施形態では、二重壁の又は２ステージの回転クライオスタットによって回転子を封入することができることが想定される。この実施形態において、２つのステージのうちの第１のステージは、回転子と、作業電流を回転軸に沿って外に輸送する電流戻り経路とを含む、内側超電導ステージとすることができる。この内側超電導ステージは、好ましくは、内側回転クライオスタット内に含むことができる。
【００５９】
第２のステージは、内側ステージの比較的低い温度と、液体金属ブラシの比較的高い温度との間を移行する、断熱ステージとすることができる。この移行ステージは、銅などの導電材料で構成することができる。
【００６０】
別の広範囲の形態において、本発明は、いくつかの磁気素子を有する電磁機械に属し、各磁気素子は、導体が磁極及び／又は磁気素子の場と相互作用して電気電流又は機械的作業を生成するように、隣接する磁気素子と磁気素子に対して位置する少なくとも１つの導体素子との間に間入型磁極を作り出すために、互いに対して位置付けられるＮ磁極及び／又は場と、Ｓ磁極及び／又は場とを有する。
【００６１】
本発明の一態様によるデバイスの動作の基本的原理は、通電導体と背景磁場との間の相互作用である。この相互作用は、デバイスにおいて生じる出力トルク（モーターの場合）、又は発電機の場合には出力電圧及び電流をもたらす。好ましい実施形態の多くは、１つの静止又は固定磁場と、１つの交互場とを含む。
【００６２】
背景磁場は、基本的なレベルにおいて、電磁コイルによって、又は永久磁石によって作り出される磁極から成る。極は、Ｎ配向及びＳ配向の磁場を有する。
【００６３】
この文書において提示されるデバイスの１つの鍵となる進歩は、デバイスにおける磁場が２回以上使用される様式であり、すなわち、電気機械の動力密度を大幅に増加させるために、通電導体によって背景磁場を通して複数の経路が描かれる様式である。
【００６４】
好ましい実施形態の回転機械（モーター及び発電機）は、各々が以下を有する。
・回転及び固定構成要素、又は、
・回転及び逆回転構成要素、又は、
・回転及び逆回転及び固定構成要素の組み合わせ
【００６５】
好ましい実施形態では、駆動又は発電経路を固定したままにし、一方で、背景場電磁コイルが回転する。駆動又は発電巻線が運動し、背景場コイルが固定された逆のシナリオも実行可能であるが、好ましい実施形態の利点は、駆動又は発電コイルの極性を絶えず反転させているより高い電流を、滑り接点又はブラシを介して伝送する必要がなく、デバイスの電気損失を低減することである。
【００６６】
一方で、迅速な停止、始動、加速、及び減速を可能にするためにデバイスのスピン質量を減らすという用途要件がある場合は、背景場コイルの変わりに駆動又は発電経路をスピンさせる際に利点となるであろう。この場合、機械の設計は、背景場コイルにおけるより多い数の巻線、及び駆動又は発電経路の巻線の相応した低減が好ましくなる。
【００６７】
この文書において提示される機械の動作方向は、好ましくは、背景場コイル又は駆動／発電機経路の巻線における電流方向の反転によって反転させることができる。
【００６８】
この文書の画像及び説明は、回転電気機械に関する好ましい実施形態を提示しているが、当業者には、提示される原理をリニア機械並びに回転デバイスに適用することができること明らかになるであろう。
【００６９】
この文書において開示された発明及び変形例はまた、電気電圧及び電流の入力からの機械的作業の生成（モーター）、又は電気電圧の生成及び機械的作業（発電機）の印加（発電機）にも関する。開示されたデバイスに基づくモーター及び発電機は、総称的にトロイダル駆動として知られている。
【００７０】
好ましい実施形態のモーター／発電機は、回転部（回転子）と、固定部（固定子）とを備える。開示されたデバイスにおいて、固定子の主要機能は、回転子が回転する高強度背景磁場を提供することである。回転子は、モーターの場合、背景場の磁場方向の相対的変化と協調して（すなわち、１つの磁極から次の磁極まで回転子が運動するときに）方向を変える電流で駆動することができる。発電機の場合、回転子の運動は、一般に、交流電圧及び電流の発生をもたらす。
【００７１】
トロイダル駆動の基本要素は、形状が略トロイダルである１組の背景場巻線又は永久磁石、及び１組の回転子巻線である。このコイル／磁石の形状は、好ましいトロイド自体の断面内に磁場の大部分を含む。回転子巻線は、典型的に、トロイドの断面内部に配置され、この含まれた場の中で動作する。
【００７２】
本明細書で開示されたデバイスにおいて、電気エネルギーは、機械的作業に変換され、又は、背景磁場内で運動する通電導体のアクションを通して電気エネルギーを作り出すために、機械的作業が使用される。
【００７３】
いくつかの実施形態において、背景磁場は、一連の隣接する電磁コイルによって作り出すことができ、該電磁コイルは、通電導体が運動する作業領域又は一連の作業領域の中へ磁場を方向付けるために、トロイド又はトロイドのセクションの形態で巻回される。これらの好ましいトロイダルセクションはどちらも、通電導体／巻線における電流の流れの方向に対して実質的に垂直であり、かつ磁場の大部分をデバイス自体の中に含むように磁場を方向付ける。この様式で、鋼製又は強磁性磁束ガイドに対する必要性を制限又は排除する、高動力デバイスを構築することができる。
【００７４】
トロイダル巻線セクションの間には、通電導体の機械的配置及び動作を可能にするために、間隙領域を存在させることができる。
【００７５】
一般に、実施形態は、トロイダル巻線セクション及び配設が超電導ワイヤから構築され、通電導体が銅などの通常の導電材料から構築されることを示す。当業者には、デバイスのいずれかの部分を、超電導材料又は通常の導電材料のいずれかから容易に構築することができることが明らかになるであろう。
【００７６】
本開示に照らせば、重要な特徴としては（別々に、又は１つ以上の組み合わせで）以下が挙げられる。
・トロイダルコイルに依存する開示された技術のいずれかを、離散的なサブコイルの配設を使用して、又はトロイド若しくはトロイダルセクター（密閉した又は閉じた巻線／トロイド）における導電性材料の連続的な巻回によって、容易に構築することができる。
・磁束を空隙又は作業領域に方向付けるために背景磁場巻線が使用されている場合には、これらの巻線を、強磁性磁束ガイドの有無にかかわらず、同様な様式で磁束をこれらの領域に方向付ける永久磁気材料と置き換えることができる。
・デバイスの一部が「回転子」であり、別の部分が「固定子」であると考えることに帰属すると考えた場合、これらの指示は、単純に、２つの部分の間の相対的な回転を意味し、回転及び固定の役割又は指示は、以前の固定部が回転し、回転部が固定されるように、容易に逆にすることができる。
・１つのＤＣ又は固定（背景）磁場、及び１つの交流磁場を維持するという原則に基づいて動作するデバイスに関して、極性が交互する背景場及び以前に交流場を生成した通電巻線が固定場を生成することを等しく許容することができる
・交流電流が用いられる場合は、デバイスの連続回転又は発電がもたらされるように、その電流の波形を、適切に、任意の波形の形状とすることができ、またこのような波形は、モーター又は発電機の動力出力における最小限のリップルを生成するように成形することができる。
・デバイスが、電気エネルギーの印加に応じて機械的作業を生成するモーターとして説明されている場合は、機械的作業の印加に対して電気エネルギーを生成する発電機という逆のシナリオも主張される。
・デバイスが発電機として説明されている場合は、デバイスがモーターとして動作するという逆のシナリオも主張される。
【００７７】
本明細書で説明される特徴のいずれかは、本発明の範囲内で、本明細書で説明される他の特徴のうちの任意の１つ以上との任意の組み合わせで組み合わせることができる。
【００７８】
本明細書における任意の従来技術の参照は、従来技術が共通の全般的な知識の一部を形成するということの容認でも、任意の形態の示唆でもなく、また、そのようなものとしてとして受け取るべきではない。
【００７９】
本発明の好ましい特徴、実施形態、及び変形例は、本発明を行うのに十分な情報を当業者に提供する、以下の発明を実施するための形態から理解することができる。発明を実施するための形態は、いかなる形であれ、前述の発明の概要の範囲を限定するものとみなすべきではない。発明を実施するための形態は、以下のようないくつかの図面を参照する。
【図面の簡単な説明】
【００８０】
【図１】背景場が電圧を誘導する導体を通り抜けることを示す、１テスラの均一な背景場においていかなる通電も行わない導体の端面を伴う磁場プロットを示す図である。
【図２】導体がより小さい反発力を受ける１テスラの均一な背景場において２００アンペアの通電を行った、図１に類似する磁場プロットを示す図である。
【図３】導体が比較的小さい反発力を受ける１テスラの均一な背景場において約０．２テスラの導体周囲の磁場強度を有する、図１に類似する磁場プロットを示す図である。
【図４】導体が大きい反発力を受ける１テスラの均一な背景場において約１テスラの導体周囲の磁場強度を有する、図１に類似する磁場プロットを示す図である。
【図５】導体が非常に大きい反発力を受ける１テスラの均一な背景場において約２テスラの導体周囲の磁場強度を有する、図１に類似する磁場プロットを示す図である。
【図６】本発明の好ましい実施形態による、好ましい高温超電導パンケーキコイルの等角３次元画像を示す図である。
【図７】図６に例示されるパンケーキコイルの上面図である。
【図８】図６に例示されるパンケーキコイルの側面図である。
【図９】磁場線の観察面を例示する、図６の線Ａ−Ａに沿って例示されるパンケーキコイルの断面図である。
【図１０】図６に例示されるものに類似する単一のパンケーキコイルの軸対称磁場プロファイルを示す図である。
【図１１】本発明の好ましい実施形態による、コイルの冷却を向上させるための追加的な間隙を有する４つのパンケーキコイル層を組み込んだ、パンケーキコイルアセンブリの磁場プロファイルを示す図である。
【図１２】同じ入力動力を有する一対の同じパンケーキコイルの磁場プロファイルを示す図である。
【図１３】一対のステーショナリ外側コイル及び１つの運動中央コイルを示す、３パンケーキコイル配設の磁場プロファイルを示す図である。
【図１４】回転中央クライオスタットが固定クライオスタット内に位置し、各々が少なくとも１つのコイルを含む、本発明の好ましい実施形態によるクライオスタットアセンブリの等角図である。
【図１５】コイルの構成を示すために固定クライオスタットを取り外した、図１４において例示されるアセンブリの等角図である。
【図１６】図１５の線Ｂ−Ｂに沿って例示されるアセンブリの断面図である。
【図１７】駆動期間のできる限り多くにわたって回転ワイヤの周囲の場の強度が背景場以上であることを確実にするために、図１４に例示されるアセンブリとともに使用される好ましい電流波形を示す図である。
【図１８】電流送達システムのコイル内の電流経路だけを示す、図１４に例示されるアセンブリからの回転クライオスタットの断面図である。
【図１９】回転超電導コイルを冷却するために使用される冷却流体の送達経路及び戻り経路を示す、図１８に例示されるアセンブリの詳細断面図である。
【図２０】回転コイルの作業領域にわたる磁場強度を示すために、図１４に例示されるアセンブリの駆動コイルを部分的に切り取って示す、３次元磁場プロットの概略図である。
【図２１】回転コイルが水平に対して約４５°の角度に配置された、図２０の線Ｃ−Ｃに沿って例示される構成の断面図である。
【図２２】回転コイルが水平から９０°に配向された、背景場が０．５テスラで、回転コイルの巻線の周囲の磁場が１テスラである、図２０に例示される構成の磁場プロットを示す図である。
【図２３】回転コイルが水平から７５°に配向された、図２２に例示される構成の磁場プロットを示す図である。
【図２４】回転コイルが水平から４５°に配向された、図２３に例示される構成の磁場プロットを示す図である。
【図２５】回転コイルが水平から１５°に配向された、図２３に例示される構成の磁場プロットを示す図である。
【図２６】回転コイルが水平から０°に配向された、図２３に例示される構成の磁場プロットを示す図である。
【図２７】図１４に例示されるアセンブリにおいて使用することができる駆動コイルの代替の構成の等角図である。
【図２８】アセンブリの中央を通る磁場の均一性を示す、図２７に例示される構成の部分的に切り取った磁場プロットを示す図である。
【図２９】磁場プロットが場の方向及び均一性を示す、Ｚ平面における図２８に例示される構成の平面図である。
【図３０】本発明の好ましい実施形態による、更に別の代替の構成の軸測図である。
【図３１】本発明の好ましい実施形態による、二重壁のクライオスタットに封入された、図３０に例示される構成の断面図である。
【図３２】本発明の好ましい実施形態による背景場生成コイルシステムを有する、図３１に例示される構成の断面図である。
【図３３】矢印がコイルの周囲に作り出される磁場の方向を示す、単一の電磁コイルの等角図である。
【図３４】図３３に例示されるような電磁コイルが互いに隣接して配置されたときに作り出される、間入型Ｓ極の等角図である。
【図３５】コイルの完成した円形アレイを形成する、図３４に示される２つの隣接する電磁コイルの等角図である。
【図３６】完成した発電機又はモーターを形成するように背景場コイルが「ジグザグ」スタイルの巻線を有する、図３５の構成の等角図である。
【図３７】図３６のデバイスの磁場プロットを示す断面図である。
【図３８】背景場コイル及び外部のジグザグスタイルの駆動又は発電経路の双方を有する、完成した発電機又はモーターアセンブリの等角図である。
【図３９】図３８に例示される構成の正面図である。
【図４０】背景場コイルが示されるが、内部及び外部双方のジグザグスタイルの駆動又は発電経路が示される、別の完成した発電機又はモーターアセンブリの正面図である。
【図４１】内部及び外部双方のジグザグスタイルの駆動又は発電経路が二重反転動作に関して示される、図４０の発電機又はモーターアセンブリを示す図である。
【図４２】ジグザグスタイルの駆動／発電経路が分割及びオフセットされていて、混交した又は「編んだ」巻線をもたらす背景場コイルを示す、別の完成した発電機又はモーターアセンブリの正面図である。
【図４３】ジグザグスタイルの駆動／発電経路を一連の相互接続したレーストラックコイル巻線と置き換えた、発電機／モーターアセンブリの別の変形例の正面図である。
【図４４】異なる位相角で動作している３つのジグザグスタイルの駆動／発電経路を有する、別の発電機／モーターアセンブリの変形例の正面図である。
【図４５】背景場コイルの２つの同心円層がある、別の例示的なモーター／発電機の正面図である。
【図４６】内部及び外部双方の駆動／発電巻線を有する、両頭モーター／発電機の更に別の実施例を示す図である。
【図４７】二重反転両頭モーター／発電機の一実施例を示す図である。
【図４８】以前に示された実施形態の更なる変形例のうちの２つを示す図である。外側コイルは、レーストラックスタイルの巻線であり、また、順次的に交互極を形成するために分割される。
【図４９】図４８に例示される構成の連続するレーストラックコイルの間の電流の流れの相対的方向を強調表示する図である。
【図５０】図４７に示される実施形態に用いられるタイプの従来のレーストラックコイル、及び代替の二重同心レーストラックコイルの双方を示す図である。
【図５１】図４８の実施形態であるが、背景場コイルが同心レーストラックコイルから構築されることを示す図である。
【図５２】内側背景レーストラックコイルが同心状に分割された、図５１に示されるデバイスの背景場及び駆動／発電巻線を示す図である。
【図５３】二重同心背景場コイルと駆動／発電コイルとの間の相互作用を示す、図５２に示されるデバイスの磁場プロットを示す図である。
【図５４】同心レーストラックコイルを使用して構築された背景場作成巻線及び駆動／発電巻線の双方を有するデバイスの更なる実施形態を例示する図である。
【図５５】二重同心レーストラック背景場コイルの幾何学形状及びベッドステッドスタイルの駆動／発電コイルの双方を用いた３相デバイスの一実施形態を示す図である。
【図５６】ベッドステッドスタイルの多相巻線の拡大詳細図を伴う、図５５の３相デバイスを示す図である。
【図５７】図５５に示されるタイプの３相スタイルのモーター／発電機の一実施形態のコイル配設を示す図である。
【図５８】図５５に示されるデバイスの磁場プロットを示す図である。
【図５９】本発明の一実施形態によるトロイダル駆動デバイスの回転子巻線の単純な一実施形態を示す図である。
【図６０】トロイダル駆動デバイスの回転子巻線の３相の一実施形態を示す図である。
【図６１】回転子本体及び動力伝送シャフトの支持構造体を有する、図６０の３相回転子巻線を示す図である。
【図６２】冷却チャネルを有する多相回転子アセンブリを示す図である。
【図６３】背景場固定子巻線の１組の正方形トロイダルを示す図である。
【図６４】固定子が円形トロイダル巻線から構築された、図６３に示される固定子巻線の変形例を示す図である。
【図６５】図６４に例示されるようなトロイダルスタイルの固定子によって生成される磁場プロットを示す図である。
【図６６】図６５に例示されるようなデバイスにおける２００ガウス及び５ガウスの場の制限を示す、場プロットを示す図である。
【図６７】正方形トロイダル固定子巻線、及びトロイダル固定子内に位置する４組の多相回転子巻線を組み込んだ、トロイダルデバイスの３／４断面図である。
【図６８】回転子アセンブリの各々がどのようにトロイダル固定子内に収容されるのかを示す、図６７に示されるデバイスの完成図である。
【図６９】プラネタリギヤのシステムを介した４つの個々の回転子アセンブリの中央動力入力／出力シャフトへの接続を示す、好ましい一実施形態のトロイダル駆動の断面図である。
【図７０】プラネタリ及び主シャフトの回転の相対的方向を強調表示する、図６９に示されるデバイスの代替図である。
【図７１】機械シャフトの一方の端部だけを介して回転子アセンブリとの間でトルクが伝送される、４回転子アセンブリを有するトロイダル駆動を示す図である。
【図７２】高強度背景磁場を作り出すために、超電導巻線から作製されたトロイダル固定子を組み込んだ一実施形態を示す図である。
【図７３】背景磁場を作り出すために、通常の導電銅製巻線から作製されたトロイダル固定子を組み込んだ一実施形態を示す図である。
【図７４】高強度背景磁場を作り出すために超電導巻線から、及びデバイスの動力／トルクを増加させるために超電導回転子巻線から作製されたトロイダル固定子を組み込んだ一実施形態を示す図である。
【図７５】背景磁場を作り出すために、通常の導電銅製巻線及び永久磁気材料の双方から作製されたハイブリッドトロイダル固定子を組み込んだ一実施形態を示す図である。
【図７６】トロイダル固定子が永久磁石のアセンブリで構築された、トロイダル駆動の変形例を示す図である。
【図７７】図７６に示されるデバイスの３／４断面図である。
【図７８】トロイドの連続する素子の磁化を示す、図７７に示されるデバイスの詳細図である。
【図７９】図７６に示されるデバイスの３／４断面図である。
【図８０】永久磁気材料から構築されたトロイダル固定子を利用する、トロイダル駆動の更なる一実施形態を例示する図である。
【図８１】図８０に示されるデバイスの側断面図である。
【図８２】図８０に示される永久磁石デバイスの実施形態の磁場プロットを示す図である。
【図８３】図８０に示される実施形態の代替の変形例を示す図である。
【図８４】図８３に示される単一回転子の永久磁石トロイダルの磁場プロットを示す図である。
【図８５】円形の又は丸みのあるトロイダル背景場固定子を伴う４回転子アセンブリを有するトロイダル駆動を示す図である。
【図８６】４回転子アセンブリを有し、円形の又は丸みのあるトロイダル背景場固定子を有する、図８５に示される実施形態の３／４断面図である。
【図８７】円形の又は丸みのあるトロイダル背景場固定子を伴う６回転子アセンブリを有するトロイダル駆動の一実施形態を示す図である。
【図８８】図８７に示される６回転子アセンブリを有する実施形態の２／３断面図である。
【図８９】図８７に示される６回転子アセンブリを有する実施形態の代替図である。
【図９０】円形トロイダル固定子及び６回転子アセンブリを有するトロイダル駆動モーター／発電機を示す図である。
【図９１】回転子アセンブリの多相巻線を特徴とする、図９０に示される実施形態の断面図である。
【図９２】円形トロイダル固定子及び４回転子アセンブリを有するトロイダル駆動モーター／発電機を示す図である。
【図９３】図９２に示される実施形態の断面図である。
【図９４】この時点でトロイダル背景固定子の中心軸に対して垂直であるように個々の回転子アセンブリの回転軸が変更された、以前に提示された実施形態に関する変形例を示す図である。
【図９５】図９４に示されるようなデバイスの３／４断面図である。
【図９６】本発明の一態様による、隣接する内部永久磁石材料を有する単一の回転子アセンブリの等角図である。
【図９７】図９６に示される磁石アセンブリの場プロットを示す図である。
【図９８】湾曲した外部の隣接する磁石を有する、図９６に例示されるものに類似する回転子アセンブリの等角図である。
【図９９】図９８に示される湾曲した磁石アセンブリの場プロットを示す図である。
【図１００】回転子のいずれかの側の外側磁気素子が回転軸を中心に半径方向に磁化された、永久磁石機械の場プロットを示す図である。
【図１０１】本発明の好ましい一実施形態による永久磁石モーターの等角図である。
【図１０２】図１０１に示されるデバイスの断面図である。
【図１０３】図は１０１及び図１０２に示されるデバイスの磁場プロットを示す図である。
【図１０４】図１０１のものに類似するが、内部磁石が内部孔を有する磁気材料のチューブである、永久磁石モーターの磁場プロットを示す図である。
【図１０５】以前に開示された単一回転子機械に類似するが、支持シャフトを収容するために修正された端部巻線を有する、永久磁石機械を示す図である。
【図１０６】個々のアセンブリと同じ速度でスピンする中央シャフトに接続された３つの磁石及び巻線アセンブリから成るデバイスを示す図である。
【図１０７】図１０６に示されるデバイスの磁場プロットを示す図である。
【図１０８】回転子アセンブリが中央シャフトよりも高い回転速度で動作する、図１０６に示されるデバイスの変形例を示す図である。
【図１０９】個々のアセンブリと同じ速度でスピンする中央シャフトに接続された４つの磁石及び巻線アセンブリから成るデバイスを示す図である。
【図１１０】図１０９に示されるデバイスの磁場プロットを示す図である。
【図１１１】回転子アセンブリが中央シャフトよりも高い回転速度で動作する、図１０９に示されるデバイスの変形例を示す図である。
【図１１２】個々のアセンブリとほぼ同じ速度でスピンする中央シャフトに接続された６つの磁石及び巻線アセンブリを含むデバイスを示す図である。
【図１１３】図１１２に示されるデバイスの磁場プロットを示す図である。
【図１１４】回転子アセンブリが中央シャフトよりも高い回転速度で動作する、図１１２に示されるデバイスの変形例を示す図である。
【図１１５】開示された実施形態による永久磁石の構築の２つの変形例の等角図である。
【図１１６】外側巻線の周囲に鋼製のシールド又はシュラウドを有する、２極永久磁石及び回転子アセンブリの等角図である。
【図１１７】巻線及び２極永久磁石を示すために鋼製シュラウド及び一部の巻線を切り取った、図１１６に示されるデバイスを示す図である。
【図１１８】個々の巻線を示すために鋼製シュラウドを切り取った、図１１６に示されるデバイスを示す図である。
【図１１９】デバイスの外側の周囲に鋼製シュラウドを有する、２極永久磁石及び個々の巻線アセンブリの磁場プロットを示す図である。
【図１２０】外側巻線の周囲に鋼製のシールド又はシュラウドを有する４極永久磁石及び回転子アセンブリの等角図である。
【図１２１】デバイスの外側の周囲に鋼製シュラウドを有する、４極永久磁石及び個々の巻線アセンブリの磁場プロットを示す図である。
【図１２２】図１２０に示されるものに類似するが、鋼製シールディング／シュラウドを伴わず、巻線のセクションを取り除いた、４極デバイスの等角図である。
【図１２３】図１２２に示されるデバイスの磁場プロットを示す図である。
【図１２４】デバイスの周囲に鋼製シュラウド／シールドを有する、図１２２の６アセンブリデバイスを示す図である。
【図１２５】鋼製シールドに起因する磁場の改善された閉じ込めを示す、図１２４に示されるデバイスの場プロットを示す図である。
【図１２６】分割平面に対して平行に磁化された２つの半部から構築される、４極永久磁石アセンブリの等角図である。
【図１２７】図１２６に示される４極磁石の更なる変形例を示す図である。
【図１２８】磁気極性が半径方向に交互に並ぶ一連の円弧セグメントから構築された、６極永久磁石アセンブリの等角図である。
【図１２９】アセンブリの分割平面に対して平行に磁化される磁石から構築された、６極磁気アセンブリの等角図である。
【図１３０】鋼製シュラウド内の４極永久磁石及び巻線アセンブリ、並びに磁気材料のセクターの間の小さい間隙による磁場プロットを示す図である。
【図１３１】鋼又は他の磁気透過性材料の多重積層体から構築された外部鋼製シールディングを有する、磁気材料のセクターの間に小さい間隙を組み込む４極永久磁石アセンブリを示す図である。
【図１３２】鋼又は他の磁気透過性材料の多重積層体から構築された外部鋼製シールディングを有する、永久磁石デバイスの変形例を示す図である。
【図１３３】鋼製シールディングが積層シールディング材料の１組の同心円層から作り出される、図１３２に示されるデバイスの更なる変形例を示す図である。
【図１３４】ケブラー、炭素繊維、チタニウム、又は他の高強度材料の外部ラップを有する、永久磁石を示す図である。
【図１３５】永久磁気材料が、同心円層の間にケブラー又は炭素繊維材料を有するいくつかの同心円層に分割される、永久磁石アセンブリの構造の変形例を示す図である。
【図１３６】中央アセンブリ上に載置された永久磁気材料の薄壁から成る永久磁石アセンブリを示す図である。
【図１３７】図１３６に示されるデバイスの２極バージョンの半径方向の磁場の強度の断面プロットを示す図である。
【図１３８】以前に開示されたアセンブリに類似する全厚さ２極永久磁石アセンブリによって生成される半径方向の磁場の強度の断面場プロットを示す図である。
【図１３９】励起された超電導バルク材料を介して駆動磁場が作り出される、単極スタイルの電磁タービンの等角図である。
【図１４０】バルク超電導材料が超電導材料の積層体を使用して作り出された、図１３９に示されるものに類似する単極電磁タービンを示す図である。
【図１４１】明確にするためにいくつかの巻線を取り外した、以前に開示されたデバイスのものに類似するアスペクト比を有する永久磁石デバイスの一実施形態を示す図である。
【図１４２】図１４１に示されるデバイスの磁場プロットを示す図である。
【図１４３】図１４１に示されるデバイスと同じ容積の磁気材料及び通電巻線を使用するが、直径がより小さく、それに応じて長さがより長い、永久磁石デバイスの一実施形態を示す図である。
【図１４４】図１４３に示されるデバイスの対応する磁場プロットを示す図である。
【図１４５】修正した６相巻線を組み込んだ、以前に開示された永久磁石デバイスの一実施形態を示す図である。
【図１４６】図１４５に例示される実施形態に描写される通電巻線の１つの相からの単一の層の詳細図である。
【図１４７】通電巻線を伴わない、図１４５のデバイスの等角図である。
【図１４８】螺旋冷却チャネルの開始を示す、図１４７に示されるデバイスの断面端面図である。
【図１４９】螺旋冷却チャネルの間の積層コイル支持構造体の追加的な詳細図を示す、図１４７の実施形態の代替図である。
【図１５０】デバイスの軸に沿って螺旋経路を形成する外側冷却チャネルを示すために外側カバーを取り外した、図１４５〜図１４９に示されるデバイスを示す図である。
【図１５１】寄生渦電流による損失を最小にするために、外側構造体が一連の積層板から成るデバイスを示す図である。
【図１５２】通電巻線が適所にある、図１５１に示されるデバイスを示す図である。
【図１５３】図１５２に示されるデバイスの異なる半断面図である。
【図１５４】図１５２に示されるものに類似するが、通電巻線が更に１２相に分割された一実施形態を例示する図である。
【図１５５】通電巻線の追加的な層が含まれている、永久磁石デバイスの一実施形態を示す図である。
【図１５６】通電巻線を取り外して巻線支持構造体の中の螺旋冷却チャネルの３つの層を示す、図１５５の実施形態の半断面図である。
【図１５７】３組の冷却チャネルを示す追加的な詳細図を有する、図１５６の実施形態を示す図である。
【図１５８】図１５５に示される多相通電巻線の半断面端面図である。
【図１５９】図１５８に示される２層のデバイスによって生成される磁場プロットを示す図である。
【図１６０】修正された端部巻線及び冷却チャネルを組み込んだ、単層永久磁石デバイスの４極の変形例を示す図である。
【図１６１】図１６０に例示される４極通電巻線の１つの相からの単一の層を示す図である。
【図１６２】支持構造体及び冷却構造体が適所にある、この文書に示されるタイプの永久磁石モーターを示す図である。
【図１６３】本発明の一態様による、多重回転子トロイダルスタイルのモーター／発電機を示す図である。
【図１６４】内部通電回転子巻線を示すために１つのトロイダルセグメントの半セクションを取り外した、図１６３の実施形態を示す図である。
【図１６５】内部回転子巻線を更に詳細に示す、図１６３の１／４断面図である。
【図１６６】示されるトロイドの隣接する巻線セグメントの間の間隙が示される、多重回転子トロイダル駆動システムの一実施形態を示す図である。
【図１６７】トロイダル巻線の連続するセグメントの間の間隙を示す、図１６６に示される実施形態の端面図である。
【図１６８】図１６７に示される、間隙のあるトロイダル巻線によって生成される磁場プロットを示す図である。
【図１６９】図１６３及び図１６５に示されるデバイスの内部回転子アセンブリの等角図である。
【図１７０】図１６８に示される多重回転子アセンブリの端面図である。
【図１７１】通電巻線を液体冷却するための修正した端部巻線及びチャネルを組み込む、３回転子トロイダル永久磁石モーター／発電機を示す図である。
【図１７２】通電巻線を液体冷却するための修正した端部巻線及びチャネルを組み込む、４回転子トロイダル永久磁石モーター／発電機を示す図である。
【図１７３】通電巻線を液体冷却するための修正した端部巻線及びチャネルを組み込む、６回転子トロイダル永久磁石モーター／発電機を示す図である。
【図１７４】提示された好ましい実施形態において意図される、デフォルトの方形波電流パターンのグラフ図である。
【図１７５】図１７４のタイミングに対して遅延させた電流反転のタイミングを有する方形波電流送達のグラフ図である。
【図１７６】図１７４のタイミングに対して進行させた電流反転のタイミングを有する方形波電流送達のグラフ図である。
【図１７７】いかなる電流も巻線に流れていない、電流反転中のドエル区間を有する方形波電流送達のグラフ図である。
【図１７８】方形波電流送達と、正弦波電流送達のための余弦波と同等の電流波形とを比較したグラフ図である。
【図１７９】ＡＣ源によってトロイダル背景巻線が駆動され、極性が交互する背景場をもたらす、トロイダル技術の一実施形態を例示する図である。回転子は、永久磁石材料から構築される。
【図１８０】図１７９に示されるデバイスの磁場プロットを示す図である。
【図１８１】永久磁石回転子が、トロイダル背景巻線からの磁場の接線方向に対して４５度回転させて示される、図１７９に示されるデバイスの磁場プロットを示す図である。
【図１８２】永久磁石回転子が、トロイダル背景巻線からの磁場の接線方向に対して９０度回転させて示される、図１７９に示されるデバイスの磁場プロットを示す図である。
【図１８３】２極、６相デバイスの必要とされる位相シフトを示す通電巻線の潜在的な正弦波電流波形のグラフ図である。
【図１８４】２極、６相デバイスの必要とされる位相シフトを示す通電巻線の潜在的な方形電流波形のグラフ図である。
【図１８５】巻線が方形波電流で動作するデバイスからの出力動力と、巻線が正弦波電流で動作するデバイスからの出力動力との差を示すグラフ図である。
【図１８６】３回転子システムの外部輪郭に従う積層鋼製シールドを有する、３回転子永久磁石トロイダル機械を示す図である。
【図１８７】機械の外部輪郭に従う追加的な鋼製シールディングを有する、図１８６に示される３回転子トロイダルデバイスの磁場プロットを示す図である。
【図１８８】機械の外部輪郭に従う追加的な鋼製シールディングを有する、４回転子トロイダルデバイスの磁場プロットを示す図である。
【図１８９】機械の外部輪郭に従う追加的な鋼製シールディングを有する、６回転子トロイダルデバイスの磁場プロットを示す図である。
【図１９０】図１８９に示されるが、磁場の閉じ込めを示すために示される２００ガウス及び５ガウスの磁場線境界を有する、６回転子トロイダルデバイスの磁場プロットを示す図である。
【図１９１】６つの回転子を有するブラシレス永久磁石クラスタアセンブリの等角図である。
【図１９２】矢印及び角度が、ある回転位置でのクラスタアセンブリ内の連続する永久磁石の相対的極性を示す、図１９１に示されるデバイスの端面図である。
【図１９３】単一回転子位置に関する、図１９１に示されるデバイスの磁場プロットを示す図である。
【図１９４】４つの回転子を有するブラシレス永久磁石クラスタアセンブリの等角図である。
【図１９５】ある回転位置でのクラスタアセンブリ内の連続する永久磁石の相対的極性を示す矢印及び角度を有する、図１９４に示されるデバイスの端面図である。
【図１９６】単一回転子位置に関する、図１９４に示されるデバイスの磁場プロットを示す図である。
【図１９７】３つの回転子を有するブラシレス永久磁石クラスタアセンブリの等角図である。
【図１９８】ある回転位置でのクラスタアセンブリ内の連続する永久磁石の相対的極性を示す矢印及び角度を有する、図１９７に示されるデバイスの端面図である。
【図１９９】単一回転子位置に関する、図１９７に示されるデバイスの磁場プロットを示す図である。
【図２００】液体金属材料のスプレー又は液体金属材料の加圧フィルムのいずれかに基づく、液体金属スイッチの２つの基本形態を示す図である。
【図２０１】固定カソードと回転アノードとの間のスプレーシステム液体金属スイッチ又は接点を例示する図である。
【図２０２】固定カソードと回転アノードとの間のブラシシステム液体金属スイッチ又は接点を例示する図である。
【図２０３】回転子がエネルギー貯蔵フライホイールでもある、単極デバイスの等角図である。
【図２０４】出力電気エネルギーパルスの最終制御が別個の固定液体金属スイッチによって行われる、図２０３のデバイスを組み込んだパルス動力システムの概略図である。
【図２０５】液体金属スイッチが単極発電機／フライホイールアセンブリに統合される、パルス動力システムの概略図である。
【図２０６】電気動力の順次的なパルスをリニアモーターの一連の固定子コイルに供給するための、ツインディスクパルス動力システムの概略図である。
【図２０７】積層鋼製磁束ガイド及び積層アルミニウム製巻線支持体の双方を含む永久磁石モーター／発電機の典型的な一実施形態の等角図である。
【図２０８】渦電流損失を低減させるための、巻線支持体及び鋼製磁束ガイドの円形及び半径方向に分離する切れ目の詳細を示す、図２０７の実施形態の端面図である。
【図２０９】アルミニウム製巻線支持構造体の端部で半径方向に分離する切れ目の詳細な吹き出しを伴う等角図である。
【図２１０】鋼製磁束ガイドに適用された円形及び半径方向の切れ目の詳細な吹き出しを伴う等角図である。
【図２１１】液体金属電流コレクタシステムの回転子及び固定子の半断面図である。
【図２１２】図２１１の実施形態の半側断面図である。
【図２１３】図２１１の実施形態の更なる断面の変形例を示す図である。
【図２１４】角度付き注入ポートが固定子の外側縁部上の個々のオリフィスに導かれる、代替の一実施形態を示す図である。
【図２１５】図２１４の実施形態の半側断面図である。
【図２１６】トロイダル巻線セクションの星形配設の概略端面図である。
【図２１７】作業領域の通電導体を通る磁場の配向を示す、図２１６の実施形態によって発生する磁場プロットを示す図である。
【図２１８】図２１６に示される実施形態の変形例を示す図である。
【図２１９】図２１８に示される変形例の磁場プロットを示す図である。
【図２２０】図２１６に例示される配設に対応する通電巻線の回転子アセンブリの等角図である。
【図２２１】図２２０に示される回転子アセンブリと組み合わせた図２１６のトロイダルセクターアセンブリから成る、星形トロイダルデバイスの完成した一実施形態の端面図である。
【図２２２】図２２１の完成した実施形態の等角図である。
【図２２３】一部を断面にした超電導星形トロイダルアセンブリの内側及び外側クライオスタット、並びに通電巻線を含む回転子アセンブリの支持構造体を示す、図２２１の実施形態を示す図である。
【図２２４】図２２３の完成したクライオスタット及び回転子アセンブリを示す図である。
【図２２５】内側及び外側星形トロイダルセクターが１つの接合されたクライオスタットに収容された実施形態の半断面図である。
【図２２６】内側及び外側星形トロイダルセクターの各々がモジュールスタイルの個々のクライオスタット収容される、完成した１８極の実施形態を示す図である。
【図２２７】モジュール式クライオスタット素子の概要が示される、図２２６に示される完成した１８極デバイスの等角図である。
【図２２８】図２２６の実施形態の外部の等角図を示す。
【図２２９】単一の１組の内側及び外側トロイドセクターの周囲に方向付けられる磁場によって各磁極対がこの時点で作り出されるように、内側トロイダルセクターを４５度回転させた、星形トロイダルデバイスの変形例を示す図である。
【図２３０】トロイダルセクター及び通電回転子巻線を有する、図２２９の実施形態を示す図である。
【図２３１】内部トロイダルセクターを、連続する外側トロイダルセクターの間に磁場を案内する鋼製又は強磁性材料のリングと置き換えた、図２２９に例示される実施形態の変形例を示す図である。
【図２３２】通電回転子巻線を加えた、図２３１の実施形態を示す図である。
【図２３３】連続するトロイダル素子の間に磁場を方向付けるために内部鋼製磁束ガイドが円形のセクターのように成形される、更なる変形例を例示する図である。
【図２３４】通電回転子巻線を加えた、図２３３の実施形態を示す図である。
【図２３５】内側円形トロイドが位置付けられ、回転する背景場を生成するために星形トロイダルアセンブリを利用する、代替の実施形態を例示する図である。
【図２３６】図２３５のアセンブリから分離した内側トロイダル回転子アセンブリを示す図である。
【図２３７】内側トロイダル回転子の支持構造体、及び星形トロイダルアセンブリのクライオスタット構造体の範囲を示す、図２３５の実施形態を示す図である。
【図２３８】デバイスの作業外周の周囲の交互に並ぶ軸方向極性の背景場を生成するコイルの波状トロイダル配設を例示する図である。
【図２３９】通電導体／巻線が配置される２つの半部の間の間隙を示す、波状トロイダルコイルの側面図である。
【図２４０】図２３８及び図２３９に示されるコイルの作業間隙にわたって生成される磁場の断面プロットを示す図である。
【図２４１】図２３８に例示されるデバイスの外周の周囲の作業間隙の場所における磁場強度のプロットを示す図である。
【図２４２】図２３８に例示される波状トロイドから分離した通電巻線を示す図である。
【図２４３】完成したデバイスを形成するために、図２４２の回転子アセンブリと組み合わせた、図２３８の波状トロイダルコイルアセンブリを示す図である。
【図２４４】支持構造体を加え、波状トロイダルコイルを封入するクライオスタットの境界を概説する、図２４３の完成したデバイスを示す図である。
【図２４５】図２４４に示されるクライオスタット及び回転子アセンブリの外観図である。
【図２４６】Ｃ字形トロイダルデバイスの背景場コイルの正面図である。
【図２４７】図２４６に例示されるＣ字形トロイダルコイルの磁場プロットを示す図である。
【図２４８】図２４６のＣ字形トロイダルコイルの端面図である。
【図２４９】Ｃ字形トロイダルデバイスの１つのセクターにおける磁場のプロットを示す図である。
【図２５０】背景磁場を生成するＣ字形の楔形トロイダルコイル、及び波状トロイダルデバイスに用いられるものに類似する多相通電回転子アセンブリの双方によって完成した、Ｃ字形トロイダルデバイスを例示する図である。明確にするために、１つのＣ字形セグメントを取り外している。
【図２５１】分離して示される図２５０の多相回転子巻線を示す図である。
【図２５２】Ｃ字形コイル及び回転子支持体アセンブリのクライオスタットが適所に示される、図２５０の完成したデバイスを示す図である。
【図２５３】作業領域をＣ字形トロイドの外側へ移した、更なる一実施形態を示す図である。
【図２５４】Ｃ字形コイル及び回転子支持体アセンブリのクライオスタットが適所に示される、図２５３の実施形態を示す図である。
【図２５５】星形トロイダルセクションにおいて論じられたものに類似するが、２極デバイスとして動作するように適合させたデバイスを示す図である。
【図２５６】図２５５に例示される実施形態の２極固定子巻線の磁場プロファイルを示す図である。
【図２５７】図２５５に例示される２極トロイダルデバイスの完成したアセンブリから分離した多相回転子巻線を示す図である。
【図２５８】２つのトロイダルセクターを形成する回転子及び固定子巻線を有する、２極トロイダルデバイスを示す図である。
【図２５９】代替の２極トロイダルデバイス固定子のレイアウトを示す図である。
【図２６０】図２５９に例示されるデバイスの場プロットを示す図である。
【図２６１】クライオスタットを有する代替の２極トロイダルデバイスのレイアウトを示す図である。
【図２６２】レーストラックコイルの３トロイダルアセンブリを使用することによって形成されるトロイダル駆動を示す図である。
【図２６３】図２６２に例示されるトロイダル駆動の回転子コイルを示す図である。
【図２６４】３トロイダル層駆動の回転子コイル及び固定子コイルの双方を示す図である。
【図２６５】回転子支持構造体が示される、図２６４の完成したデバイスを示す図である。
【図２６６】固定外側トロイドのクライオスタットが示される、図２６４の完成したデバイスを示す図である。
【図２６７】大きいトロイダル磁場を発生させるための超電導レーストラックコイルの中央トロイド、及びより小さいレーストラックトロイドの上に置かれる「Ｕ字形」であるコイルで構成される外側トロイドを有する、デバイスの変形例を例示する図である。
【図２６８】内側固定子コイルを分離し、クライオスタットの境界を示す、図２６７のＵ字形トロイダル駆動を示す図である。
【図２６９】回転子トロイドが示される、図２６７のＵ字形トロイダル駆動を示す図である。
【図２７０】回転子の支持構造体が示される、図２６７のＵ字形トロイダル駆動を示す図である。
【図２７１】図２６７のＵ字形トロイダル駆動の完成した外部アセンブリを示す図である。
【図２７２】背景磁場を生成する永久磁石及び鋼アセンブリの単極素子の概略図である。
【図２７３】１２の磁極素子及び通電巻線の３つの電気相から成る、完成したＣ字形駆動アセンブリを示す図である。
【図２７４】通電巻線を示すために１つの極素子を取り外した、図２７３の完成したアセンブリを示す図である。
【図２７５】図２７４に例示されるデバイスの端面図である。
【図２７６】アセンブリの残部から分離した、図２７４の実施形態による多相通電巻線を示す図である。
【図２７７】同じ回転軸に載置された２つのＣ字形駆動モーター／発電機から成る実施形態を示す図である。
【図２７８】背景磁場を発生し、方向付ける電磁コイル及び鋼製磁束ガイド、並びに空気間隙を通して動作又は回転する通電巻線を特徴とする、完成した電磁Ｃ字形駆動の一実施形態を示す図である。
【図２７９】多層通電巻線の詳細を示すために電磁背景場アセンブリの１つを取り外した、図２７８の実施形態を示す図である。
【図２８０】背景場発生ソレノイドを示すために鋼製／フェライト系磁束ガイドの１つを取り外した、図２７８の実施形態を示す図である。
【図２８１】図２７８のデバイスの端面図である。
【図２８２】波状トロイダルセクターの代替の配設を示す図である。
【図２８３】代替のＣ字形トロイダルデバイスの実施形態の修正したＣ字形セクターの１つの端面図である。
【図２８４】Ｃ字形トロイダルデバイスの完成した代替の半径方向磁束バージョンを示す図である。
【図２８５】螺旋トロイダル駆動の半径方向磁束の実施形態を示す図である。
【図２８６】巻線がどのように円形経路の周囲を螺旋に進行するのかを示す、図２８５に描写される実施形態から背景場を作り出すコイルの単一の螺旋素子を示す図である。
【図２８７】図２８５の半径方向磁束の実施形態に関して描写される、通電巻線の分離した単一の相を示す図である。
【図２８８】図２８５に描写されるものに類似するが、デバイスのいずれかの端部に通電巻線を有する、螺旋トロイダル駆動の半径方向磁束の一実施形態を示す図である。
【図２８９】図２８８の半径方向磁束の実施形態に関して描写される、通電巻線の２組の分離した単一の相を示す図である。
【図２９０】軸方向磁束機械（垂直作業領域／間隙）として動作するように構成される、螺旋トロイドを示す図である。
【図２９１】デバイスの外側半径で一連の通電巻線と組み合わせられた、図２９０の螺旋トロイドを示す図である。
【図２９２】図２９１の軸方向磁束の実施形態に関して描写される、通電巻線の分離した単一の相を示す図である。
【図２９３】通電巻線が回転する、楕円形の永久磁石の円形アレイを示す図である。
【図２９４】間隙の位置付けを示す、図２９３に示される円形アレイからの個々の楕円形の永久磁石を示す図である。
【図２９５】３層の多相通電巻線がデバイスのいずれかの側の間隙に位置付けられた、完成した多重間隙の永久磁石デバイスを示す図である。
【図２９６】１組の回転通電巻線が配置される作業領域の中へ磁場を方向付ける、成形されたコイルの円形アレイから成るＤＣ駆動の一実施形態を示す図である。
【図２９７】分離して示される、図２８６の成形された背景場生成巻線の円形アレイを示す図である。
【図２９８】分離して示される、多相のレーストラックコイル巻線から成る、図２９６の通電回転子アセンブリを示す図である。
【図２９９】図２９６からの１組の成形されたコイルの端面図である。
【図３００】通電レーストラック巻線を示す、図２９９の成形されたコイルを示す図である。
【図３０１】背景場生成コイルがより楔状に成形され、より完全にインターロックする、図２９６の実施形態の変形例を示す図である。
【図３０２】通電巻線を示すために、この時点で、楔形背景場コイルの片側を取り外した、図３０１の実施形態を示す図である。
【図３０３】状況に関して楔形コイルの１つのセクターが示される、図３０１の通電巻線を示す図である。
【図３０４】背景場生成巻線及び通電回転子３０５の双方を示す、図３０３に提示される楔形の１つのセクターの変形例の断面を示す図である。
【図３０５】図２９６及び図３０１のデバイスの背景場生成コイルの位置付けにおける更なる変形例を示す図である。
【図３０６】図２９６及び図３０１のデバイスの背景場生成コイルの位置付けにおける更なる変形例を示す図である。
【図３０７】２つの外側トロイダル層のコイル素子の極性が交互し、内側回転子層がＡＣ電流で動作する、３トロイダル層デバイスの変形例を示す図である。
【図３０８】離散的な組の楔形「レーストラック」スタイルの巻線から構築された背景場コイルを特徴とする８０極デバイスである、Ｃ字形トロイダルデバイスの半径方向磁束の一実施形態を示す図である。
【図３０９】２組のベッドステッドスタイルの多相通電巻線の配設を示すために、１つを除く全ての背景場生成コイルを取り外した、図３０８のＣ字形トロイダルデバイスを示す図である。
【図３１０】図３０８に描写されるものに類似するが、背景場コイルの組が、離散的なサブコイルの配設ではなく、連続する楔形巻線として示される、半径方向磁束のＣ字形デバイスを示す図である。
【図３１１】巻線の配置を示すために極対の１つのセクターを示す、図３１０のデバイスの通電巻線を示す図である。
【図３１２】内部トロイダルセクターが回転する、星形トロイダルデバイスの代替の配設を示す図である。
【図３１３】図３１２に例示される星形トロイダルデバイスの端面図である。
【図３１４】３相内側トロイダル回転子を有する、星形トロイダルデバイスの代替の配設を示す図である。
【図３１５】図３１２に例示されるデバイスの内側トロイダル３相回転子巻線の３次元図である。
【図３１６】磁気力による機械的接触を伴わずに機械的トルクが入力と出力との間で伝達されるように極性を交互させる、入力シャフト及び出力シャフトに載置された永久磁石セグメントを利用する、磁気ギヤボックスを描写する図である。
【図３１７】セグメントに関する磁気極性を示す、図３１６に例示される磁気ギヤボックスの端面図である。
【図３１８】以前の永久磁気材料の直線状の楔形が、ここでは「Ｓ字形」である、すなわち、内側及び外側ギヤ要素の長さに沿った一連の屈曲を特徴とする、図３１６のデバイスの変形例を示す図である。
【図３１９】磁気ギヤシステムの軸方向スタイルの一実施形態を描写する図である。
【図３２０】相対的磁化の方向を示す、図３１９のデバイスの詳細を描写する図である。
【図３２１】図３１９のものに類似するが、楔形永久磁気素子を有する、軸方向スタイルの一実施形態を描写する図である。
【図３２２】永久磁気素子が「Ｓ字形」である、すなわち、デバイスの容積を低減させるための一連の屈曲を特徴とする、図３１９に示されるデバイスの更なる変形例を描写する図である。
【発明を実施するための形態】
【００８１】
本発明の特に好ましい実施形態によれば、往復運動素子又は回転素子を磁場の中で使用する電磁デバイスの改善が提供される。
【００８２】
図１〜図５は、（矢印によって示される強度及び方向の）駆動背景磁場における通電バー１０の一般的原理、及び通電バー１０での大きい力の生成の例示に関する。
【００８３】
通電している導電性バー１０は、殆ど均一な場の強度の背景磁場に配置される。バー１０の電流は、バー１０に対する力を生成し、該力は、バー１０が自由に運動するか、又はある地点を中心に枢動する場合の運動をもたらす。このバー１０の電流は、バー１０を通る通電経路の周囲に場を生成する。バー１０を取り囲む場の強度がその最外径を超えるか、又は縁部が背景場の強度を超えた場合、バーは、非常に大きい力を生成する。この力は、電気機械デバイスの動力及び効率を高めるために使用することができる。
【００８４】
図１は、１Ｔの均一な背景場においていかなる通電もない導体バー１０の端面を示す磁場プロットである。この実施例において、バー１０の周囲にいかなる場も存在せず、バー１０を通って存在する場の矢印によって示されるように背景場が導体バーを横断するので、バー１０は、より小さい反発力を生成する。
【００８５】
図２は、１Ｔの均一な背景場において２００Ａを通電する導体バー１０の端面を示す磁場プロットである。この実施例では、背景場において陰影を介して例示されるバーの周囲の場の強度が低いため、バー１０は、より小さい反発力を生成する。
【００８６】
図３は、１Ｔの均一な背景場において約０．２Ｔの導体の周囲の磁場強度を有する通電導体バーの端面を示す磁場プロットである。ここでも、この実施例では、バー１０の磁場がより顕著であるにもかかわらず、バー１０の周囲の場の強度が低いため、バー１０は、より小さい反発力を生成する。
【００８７】
図４は、１Ｔの均一な背景場において約１Ｔの導体バー１０の周囲の磁場強度を有する通電導体バー１０の端面を示す磁場プロットである。この実施例では、バー１０を通しではなくバー１０の周囲のバーの場によって偏向されていることが背景磁場の矢印によって示されるように、バー１０の周囲の場の強度が等しいため、バー１０は、大きい反発力を生成する。
【００８８】
図５は、１Ｔの均一な背景場において約２Ｔの導体バー１０の周囲の磁場強度を有する通電導体バー１０の端面を示す磁場プロットである。この実施例では、バー１０の周囲の場の強度が高いため、バー１０は、非常に大きい反発力を生成する。
【００８９】
図６〜図１３は、２コイル及び３コイルの往復運動システムに関する。
【００９０】
これらの図は、２つ又は３つのいずれかの超電導コイル１１で構成され、いずれか１つの往復運動コイルが、図１２に例示されるように１つの固定コイルに対して反発するか、又は図１３に例示されるように２つの固定コイルの間で反発する、往復運動スタイルのエンジンを例示する。アセンブリのコイルの各々が等しい場の強度を保有する場合は、固定コイル間の相対運動が大きい反発力を生成する。
【００９１】
モーターの基本的な構成要素は、超電導コイルの使用を含む。現在まで実験されてきたコイルは、１Ｇ  ＨＴＳ  ＢＳＣＣＯテープを使用する一連のパンケーキ巻回コイルで作製されていた。これらのコイルは、該コイルを使用する２つの主な特性を有する。具体的には、これらのコイルは、該コイルの臨界温度未満に冷却したときに、ほぼゼロの電気抵抗を示し、したがって、ほぼ完璧なインダクタとして振る舞い、そして、電流密度（したがって、達成可能な磁場）は、類似したサイズの従来の銅製コイルを使用して達成できる電流密度をはるかに超える。
【００９２】
この設計の別の重要な態様は、起電力又はＥＭＦの性質である。簡単に言えば、ＥＭＦは、磁場の変化に応じて導体に生じる電圧である。ＥＭＦの特性は、電圧を電磁コイルに誘導するために運動場源が使用される発電機において最も目立って使用される。電磁モーターでは、プロセスが逆になり、機械的仕事を発生させるために運動場が使用される。この運動の結果、電磁コイルにおける電流の流れの方向と反対のＥＭＦ、いわゆる逆ＥＭＦが生成される。
【００９３】
従来の電気モーターのように、永久磁石又はコイルのいずれかを通した永久場と、印加される一定の電流との相互作用に対する要件、及び運動コイルに印加される電流の方向の変化を通して達成される変化場に対する要件が残っている。この変化は、物理的又は電子的に整流された直流電流の供給又は交流電流の供給のいずれかを通して達成することができる。
【００９４】
主な試験は、２つのコイルが固定素子として作用し、第３のコイルが電流の交互極性を受ける、３つのＨＴＳコイル又は類似する形態から成るコイル構成を含んでいた。コイルは、設計に関して進化を示しており、最初は単層から成り、現在は４つの単一の層を連続的に接合してパンケーキコイルを形成するという最終形態に進歩している。この進歩は、実験を通して部分的にもたらされたものであり、最適な断面が（場の強度と、ワイヤの長さによる抵抗との関係に関して）正方形である従来の銅製コイルと対照的である。抵抗が問題にならないＨＴＳコイルにこのガイドラインを適用するかどうかに関していくつかの問題があった。より薄いコイルからより広い断面を有するコイルへ向かう傾向は、主に、現在のコイル製造技術のパラメータの範囲内でありながら、所与の長さのワイヤから最大の場の強度を得るためのものであった。
【００９５】
好ましいパンケーキコイルは、図６〜図８に、及び図９の断面に例示される。
【００９６】
図１０は、単一のパンケーキコイルの軸対称磁場プロファイルを示す。コイルの深さを増加させると、コイルの表面に対して垂直に運動させたときに、より大きい場の投影をもたらす。これは、より大きい場の投影が、運動コイルに印加される力の変動をより少なくすることから重要であり、その結果、試験装置を通じてストロークに沿ったより滑らかな動力送達をもたらす。したがって、図１１に例示されるようなパンケーキコイルが好ましい。その構成は、コイルの冷却を向上させるために、追加的な間隙を有する４つのＨＴＳパンケーキコイル層を含む。
【００９７】
使用した３つのパンケーキコイルは、各々が１７２〜１８０ｍｍの外径及び８０ｍｍの内径を有した。各パンケーキは、単一のパンケーキアセンブリを形成するために、４つのコイルから成る。各コイル層は、約４ｍｍの幅であり、より良好な冷却を促進するために内側の２つのコイルの間に約４ｍｍの間隙を有し、より良好な場の性能を提供する。これは全て、各パンケーキに関して２０ｍｍの総深さをもたらす。各パンケーキは、約１６９巻きのＨＴＳテープを有し、アセンブリ全体は、ニュージーランドのＨＴＳ−１１０によって巻回し、製作した。コイルが通常の導電状態に復帰する臨海電流（Ｉｃ）は、７７Ｋで約４４Ａである。これらの寸法は、実験の目的で用いられるコイルに典型的であるが、鍵となる考慮事項は、コイルによって生成される寸法及び場が、デバイスに用いられる全てのコイルの組に関して等しいことであることに留意されたい。この制約が遵守されるのであれば、任意の超伝導ワイヤ又はコイルの幾何学的形状を使用して同等の結果が予想される。
【００９８】
図１２は、同じ入力動力が与えられる２つの同じコイルを示す。例示されるように、場の線が整合し、その結果、隣接する場の線を中断することなく互いに離れて曲がる。場の線は、実際には、等しくかつ対向する。例示される構成は、２コイル配設の跳ね返しの事例を示す。
【００９９】
図１３に例示される構成に関して、基本構成は、３つの実質的に同じコイルが単一の運動線に沿って作用することを含む。コイルのうちの２つは、２つの固定子間を往復する第３の振動でストロークの端部における固定子を形成する。中間コイルの進行範囲は、クランクシャフトによって決定される。中間コイルの出力は、動力出力を測定するために、中間のコイルに対する１８０度毎の電流の反転を制御する整流子、及び組み合わせたトルク変換器及びブレーキアセンブリに送給される。
【０１００】
図１３はまた、外側コイルが固定コイルで、内側コイルが運動コイルである、３コイル配設の磁場の相互作用も示す。
【０１０１】
以前に説明されたデバイスの更なる変形例は、回転コイル又はワイヤが回転する背景場以上の場を生成する回転コイル又はワイヤの生成を含む。図１４〜図２９は、回転構成で等しい／より大きい場の使用に関する。本質的には、デバイスは、背景駆動場を生成する１組のコイルから成る。背景駆動場が存在するこの領域内には、別のコイルが配置され、背景場の支配的な方向に対して垂直な軸を中心に回転することを可能にする。
【０１０２】
図１４は、本発明によるデバイスの回転構成の好ましい実施形態の主要な構成要素を示し、磁場発生器又は背景場コイルを含む外側固定クライオスタット１２と、導電性素子又は回転コイル１４を含む回転クライオスタット１３とを含む。
【０１０３】
図１５は、一次背景場コイル１５、並びに回転コイル及びクライオスタットアセンブリがスピンする背景場を作り出す二次場均一性コイル１６の配設を示す。矢視１７は、固定磁場コイルに対する回転クライオスタット１３の回転方向を示す。一次コイル１５及び二次コイルの固定クライオスタットは、明確にするために残りの図には示されない。
【０１０４】
以前の実施例と同様に、単一のワイヤ又はリニアコイル配設の場合、コイルからより大きい力／トルクを生成するために、回転コイル１４の周囲の磁場強度は、背景磁場よりも大きくなければならない。
【０１０５】
回転コイル１４の外周の周囲に高い磁場強度を生成するために、コイル１４は、超電導ワイヤ又はバルクなどの非常に高い電流密度が可能な材料から構築される。回転コイル１４に対する超電導材料の使用は、コイルがその超電導状態を維持するために正しい温度に保たれることを確実にするために、回転クライオスタット１３を必要とする。
【０１０６】
一次背景場コイル１５及び二次背景場コイル１６は、超電導ワイヤを使用して構築される場合、固定クライオスタット１２も必要とする。
【０１０７】
回転クライオスタット１３、コイル１４及び（図１８において詳細に例示される）電流送達システムの構成要素は、渦電流の形成及び損失を最小にする様式で設計され、構築される。渦電流の損失を防止するための方策としては、以下が挙げられる。
・可能な場所（すなわち、支持構造体及びクライオスタット）での非導電性材料の使用
・渦電流経路の形成を最小にするための、導電素子（バスバー、冷却バルクなど）の積層
・回転コイルにおける小さいワイヤ断面の使用
【０１０８】
図１６は、回転コイル１４が回転クライオスタット１３のアセンブリ内に含まれて示される、好ましい実施形態の完全なアセンブリの中央を通る断面図である。また、回転寒剤及び電流システム１８も例示される。
【０１０９】
この例示される実施形態の回転コイル１４を駆動させたときに連続した回転を維持するために、回転コイル１４の電流の流れの方向を１８０度毎に反転させる。この電流の反転は、回転コイル１４が一次駆動コイル１５によって生成される場と磁気的に整列したとき（図１５において上で示される回転コイル１４の配向）と同時期に起こるように調整される。
【０１１０】
回転導電性コイル１４の周囲の磁場の強度が、一次コイル及び二次コイルによって生成される背景駆動磁場の強度よりも高くなることを確実にするために、回転コイルにおける電流波形は、できる限り方形波に近くなければならない。回転コイル１４に急速に充電し、回転中の回転コイルにおける電流を維持することによって、コイル場の強度は、好ましい習慣的な反転期間を除いて、回転中のいずれの時点においても背景場よりも弱くならない。
【０１１１】
図１７は、駆動期間のできる限り多くにわたって回転コイル１４の周囲の場の強度が背景場以上であることを確実にするための、回転コイル１４における好ましい電流波形（方形波）の概略図である。
【０１１２】
別の重要な考慮事項は、場のレベルを確立し、素早く反転させることができるように、回転素子が、電流の迅速な増加及び電流の迅速な反転（低インダクタンス）に寄与する回路特性を有するように設計されることである。加えて、（モーターとして駆動されるときの）デバイスへの電源は、この迅速な確立及び電流の反転を生じさせるために、回転コイル１４のインダクタンスに対して十分に高い電圧のものであることが必要になる。上の波形は、完全反転ＤＣ信号（又は方形波ＡＣ電流信号）である。非反転方形波ＤＣ電流波形を使用することができるが、半サイクルのドエル時間中に駆動コイルが開回路であることを条件とする。
【０１１３】
背景場が何らかの理由で脈動又は変化している場合、ピーク背景場強度は、コイルから最大動力を生成するために、回転コイル１４の周囲の場の強度未満の状態を維持しなければならない。
【０１１４】
図１８は、回転コイル１４内の電流経路及び好ましい電流送達システムを示す、回転コイル１４及びクライオスタットアセンブリ１３の断面図である。回転を維持するために、電流の方向は、１８０度毎に反転される。
【０１１５】
例示される実施形態において、回転コイル１４への電流は、方形波電源からの固定電流リードから送達される。この電流送達は、回転コイル１４に接続される、電流入力スリーブ１９及び同心の電流出力スリーブ２０に提供される、１組の滑り電流接点を介して達成される。電流入力スリーブ１９及び電流出力スリーブ２０は、絶縁スリーブ２１を使用して、互いから、及びクライオスタット自体から絶縁される。好ましい実施形態の滑り電流接点はそれぞれ、環状液体金属ブラシである。したがって、電流入力ブラシ２２及び電流出力ブラシ２３は、図１９に例示される。
【０１１６】
図１９はまた、回転超電導コイル１４を冷却するために使用される液体寒剤の固定送達経路、並びに膨張ガスとしての寒剤の戻り経路を示す、回転クライオスタット１３のアセンブリの詳細な半断面図も示す。
【０１１７】
クライオスタットの冷却は、固定送達チューブ２４を介した、ヘリウムなどの液体寒剤の送達を介して達成される。液体寒剤は、クライオスタット１３の回転によって作り出される遠心力を介して、コイルアセンブリの外側部品に送達される。加熱された極低温ガスを収集するために、二次固定外側パイプ２５が使用され、該極低温ガスは、閉ループ極低温システムの一部として極低温ガスが回転クライオスタット１３を出て、再冷却されるように戻されるときに、電流入力スリーブ１９及び電流出力スリーブ２０に対して追加的な冷却を与えるために使用される。このシステムは、極低温流体の追加的なポンピングを必要としないように構成することができる。固定境界と回転境界との間には、回転極低温シール２６が必要とされるある地点がある。
【０１１８】
図２０は、回転コイル１４の作業領域にわたる磁場強度をより良く示すために、一次駆動コイル１５及び二次駆動コイル１６を部分的に切り取って示す、３Ｄ場プロット画像である。
【０１１９】
図２０はまた、好ましい実施形態の作業領域の中心にわたる磁場の相対的強度も示す。背景場は、単純な分割した矩形ソレノイドの使用によって、単純に作り出すことができる。ソレノイドの半部の間の間隙は、単純に、電流及び寒剤送達構成要素、並びに任意のシャフトマウンティング及び軸受を収容するのに十分大きくなければならない。
【０１２０】
図２０に例示される好ましい実施形態は、矩形の一次コイル１５の長辺に沿った背景場の均一性を向上させる、二次超電導コイル１６を含む。これらの二次コイル１６がなければ、矩形の一次コイル１５の長辺の中間付近で、磁場の強度の大幅な低下が起こる。
【０１２１】
図２１は、一次駆動コイル１５及び二次駆動コイル１６、並びに回転コイル１４の完成したアセンブリの半断面図を示す場プロットである。回転コイル１４は、水平に対して４５度の角度で変位する。
【０１２２】
論じられた以前の実施形態と同様に、このデバイスの特徴は、回転コイル１４のコイル巻線の周囲の場が、コイル１４が回転している背景場以上の状態を維持することである。
【０１２３】
図２２〜図２６の画像配列は、様々な回転角での、回転コイル１４の巻線の周囲の場の拡大詳細図を示す。
【０１２４】
図１４〜図２６に示される例示的な回転デバイスの全ては、１８０度毎に極性を切り替える単一の回転コイルだけを示している。この単一の巻線は、共通軸を中心に回転する複数の等間隔のコイルに容易に拡張することができる。これらの巻線に供給される電流の反転は、多重コイル回転子アセンブリの連続回転をもたらすように、順次的に調整される。複数の共回転コイルの利点は、出力トルクのより滑らかな送達である。
【０１２５】
図２７〜図２９は、２つの二次コイル１６がベッドステッドスタイルの戻り経路を有する変形例を例示し、該戻り経路は、極低温及び電流送達システムが側部間隙を通過することを可能にするが、それでも矩形の一次コイル１５の中央領域における場の均一性を高める。より少ない総数の二次コイル１６は、４つの二次コイル１６を有した以前の実施形態と比較したときに、より少ない超電導ワイヤの使用及びより小さい全体寸法に役立つ。しかしながら、この実施形態のベッドステッド形状の二次コイルは、以前の実施形態で使用される標準的なレーストラックコイルよりも作製が困難になる。
【０１２６】
図３０は、室温の液体金属ブラシと低温の超電導素子との間に好ましい中間断熱ステージを含む、超電導回転子の主要な構成要素を示す。この形態の回転子は、電流入力に使用される外側液体金属ブラシと、システムから電流を取り出すために使用される内側液体金属ブラシとの間に、超電導電流伝送素子を有する。
【０１２７】
図３０に例示される回転子３０１は、内側導電素子３０２及び外側導電性素子３０３を含む、一対の同心の環状導電素子を含む。内側導電性素子３０２及び外側導電性素子３０３は、熱的に最適化された通常の導電素子、又は制限された熱伝導率を有する中間電流伝達ステージとしてのＨＴＳバルク若しくはワイヤ３０４を使用して連結される。
【０１２８】
回転子３０１は、中央シャフトアセンブリ３０５に対して載置される。好ましい実施形態において、単一の一次ＨＴＳ駆動素子３０６は、中央シャフトアセンブリ３０５から内側導電素子３０２まで放射状に広がる、放射スポークとして構成される。一次ＨＴＳ駆動素子３０６を形成するために使用されるＨＴＳワイヤ又はテープの多重ストランドの適切な構成が、通常は、トルクを伝達するのに十分剛性ではないので、一次ＨＴＳ駆動素子３０６及び中央マウンティング点が非導電性支持構造体内に封入され、追加的なトルク伝達が非導電放射スポーク３０７によって提供される。
【０１２９】
図３０に例示される本発明の実施形態の代替形態では、内側超電導素子３０５と外側導電性素子３０２との間に多重ＨＴＳ駆動素子３０６が用いられる。好ましい実施形態において、これらのＨＴＳ駆動素子の各々は、背景磁場の強度以上のコイルの周囲の場の強度を生成する。
【０１３０】
電気電流は、一対の液体金属ブラシ３０８を通して、図３０に例示される構成に提供され、好ましい電流の流れの方向は、外側導電性素子３０３を取り囲むより大きい半径の金属ブラシから、ＨＴＳバルク３０４を通って内側導電素子３０２に入り、一次ＨＴＳ駆動素子３０６を通り、中央シャフトアセンブリ３０５に提供されるＨＴＳ電流戻り経路３０９を通って外へ出て、そして、より小さい半径液体金属ブラシを通って外に出る。
【０１３１】
このデバイスの１つの重要な実現形態は、超電導ワイヤ／テープの多重ストランドで作製される単一の超電導電流リードが、回転子３０１の回転をもたらす一次ＨＴＳ駆動素子３０６を通る電流の流れに対して一次駆動場が垂直である領域において、一次ＨＴＳ駆動素子３０６の各々として使用される形態である。背景場に単一のバーを含む以前の実施形態を踏まえて、この構成は、回転子３０１が位置する背景場の強度よりも磁場の強度が高いことを確実にするのに電流密度が十分に高い、単一の電流経路を使用する。
【０１３２】
一実施例として、０．５Ｔの背景場は、約１８０〜２００Ａ／ｍｍ２の電流密度を有する１０ｍｍ×１０ｍｍの正方形を形成する、一次ＨＴＳ駆動素子３０６によって対応することができる。結果として生じる電流経路は、一次ＨＴＳ駆動素子３０６の１０ｍｍ×１０ｍｍ断面の外端部の周囲に０．５Ｔの場を作り出す。
【０１３３】
図３１に例示されるように、二重壁の又は２ステージの回転クライオスタットによって回転子３０１を封入することができることが想定される。２つのステージのうちの第１のステージは、回転子３０１と、作業電流を回転軸に沿って外に輸送する電流戻り経路３０９とを含む、内側超電導ステージである。この内側超電導ステージは、好ましくは、内側回転クライオスタット３１０内に含まれる。
【０１３４】
第２のステージは、内側ステージ（約４０〜６０Ｋ）の温度と、室温の液体金属ブラシとの間を移行する、断熱ステージである。この移行ステージは、銅などの導電材料で構成することができ、その経路長さは、高温超電導ワイヤ若しくはバルクにより、又は２つのいくつかの組み合わせにより、電流伝送及び熱損失の双方に関して最適化されている。図３１に例示されるように、外側クライオスタットは、２つの部分、すなわち、回転子自体を取り囲む１つの部分３１１’と、電流戻り経路３０９を取り囲むより小さい直径部分３１１’’とを有する。より小さい直径部分３１１’’において、戻り経路の断熱には、熱的に最適化された通常の導電素子、ＨＴＳバルク、又はワイヤ３１２が使用される。ここでも、この構成において、電流は、より大きい直径の液体金属ブラシ３１３を通り、電流戻り経路３０９から回転子アセンブリを通り、そして、より小さい直径の液体金属ブラシ３１４を通る。
【０１３５】
超電導回転子の更なる利点は、出力電流が一次ＨＴＳ駆動素子３０６を通って電流出力ブラシ３１４に方向付けられるという事実に起因する。従来の回転子の配設において、電流は、デバイスの電流レベル（約２０ｋＡ）に適応するのに十分な直径のものでなければならない、通常の導電出力シャフトを通って流れる。出力シャフトの直径が増加するにつれて、回転子の駆動素子の有効長さが減少し、デバイスの出力トルクを減少させる。一次ＨＴＳ駆動素子３０６（好ましい実施形態は、１０ｍｍ×１０ｍｍのリードを使用する）を通して電流をチャネリングすることによって、駆動素子の有効長さが増加する。この効果は、より小さいサイズのデバイスに特に顕著である−超電導回転子の開発の成功は、より小さいスケールのデバイスの実現可能性を大幅に増加させる。
【０１３６】
図３２は、背景場生成コイルシステム内に統合された、図３１に例示される回転子の構成を示す。例示されるように、一次場超電導コイル３１５は、図３１の回転子の考慮事項が位置する一次場を発生させるために使用される。好ましい一次場超電導コイル３１５の特定の場所は、回転子３０１が位置する対象の場所において有効な駆動場を生成する。この場は、二次場超電導コイル３１６の提供によって更に制御され、成形される。
【０１３７】
図３３に例示されるデバイスの動作の基本的原理は、通電導体と背景磁場との間の相互作用である。この相互作用は、デバイスにおいて生じる出力トルク（モーターの場合）、又は発電機の場合には出力電圧及び電流をもたらす。
【０１３８】
背景磁場は、基本的なレベルにおいて、電磁コイルによって、又は永久磁石によって作り出される磁極から成る。極は、Ｎ配向及びＳ配向の磁場を有する。全極機械の背景場が構築されるこの基本ユニットは、図３３に示される。
【０１３９】
この文書において提示されるデバイスの、及び以前の特許出願において策定され、示される全てのデバイスの１つの鍵となる進歩は、デバイスにおける磁場が２回以上使用される様式である。すなわち、電気機械の動力密度を大幅に増加させるために、通電導体によって背景磁場を通して複数の経路が描かれる様式である。
【０１４０】
背景場の基本的な構築ブロックが電磁コイルから成る場合には、角形電磁コイルを互いに隣接して配置し、一方で、コイルの周囲の電流の流れの方向を同一に保つことで（したがって、双方のコイルにおいて磁場の方向が同一であることを確実にすることで）、２つのコイルの間の磁場の戻り経路の圧縮をもたらす。この現象は、図３４に例示される。
【０１４１】
通電導体が、電磁石において作り出される一次磁極に対して垂直な、導体の頂部を横断する経路を描く場合、通電導体は、効果的に以下の４つの磁極に遭遇する。
・第１に、第１の電磁石によって作り出されるＮ極
・第２に、２つの電磁石の間の戻り経路の圧縮によって作り出されるＳ極
・第３に、第２の電磁石によって作り出されるＮ極
・第４に、及び最後に、第２の電磁石を出るときの最終的なＳ極
【０１４２】
この文書の全体を通して、示された実施形態は、背景磁場を生成するために、角形「レーストラック」スタイルの電磁コイルを使用することに留意されたい。当業者には、間入型極が２つの電磁石の間に作り出されるように電磁コイルを直線状に又は円弧の周りに隣接して配置することを可能にする任意のコイルの幾何学的形状を、この文書において説明されるデバイスに用いることができることが明らかになるであろう。
【０１４３】
隣接する電磁石という概念が、場又は回転電気機械の最大限の論理的応用に拡張された場合は、結果として、あるピッチ円直径の周囲に円形に配列された一連の隣接する電磁コイルとなる。角形電磁石のこの円形アレイの完全な展開は、図３５に例示される。
【０１４４】
図３４に示される２つの隣接する電磁コイルは、コイルの完成した円形アレイを形成するように、上の画像において拡張されている。この円形アレイは、全ての極機械において使用される背景磁場を作り出す。
【０１４５】
上のレーストラックスタイルの電磁石の円形アレイにおいて、隣接するが背景場コイル配設されるピッチ円直径から外方又は内方にオフセットされた円形経路を横断する通電導体は、背景場コイルの数の２倍に等しいいくつかの磁極を通って進行する。これは、コイルが、隣接するコイルの間の磁場の戻り経路の圧縮のため、コイルの中央の１つの一次極及び１つの間入型極を形成するからである。通電導体が遭遇する極は、その後に配向が順次的に逆になる。
【０１４６】
図３６は、次のセクションにおいてより詳細に説明されるタイプの発電経路／巻線とともに、レーストラックコイルの完成した円形アセンブリを示す。上で示される発電機は、発電機経路巻線の出力端子から交流電圧及び電流を生成する。電流及び電圧の反転の頻度は、デバイスの磁極の数及び発電機の回転速度に比例する。
【０１４７】
図３７は、図３６のデバイスの磁場プロットを示す断面図である。上記において、場プロット電流は、外部ジグザグ巻線を通過し、背景場コイルと相互作用し、そして、トルクをもたらす。
【０１４８】
デバイスに電流が供給され、モーターとして駆動されたとき、という逆のシナリオにおいて、デバイスには、駆動経路が（背景場コイルに対して）極の間を運動するときに反転する交流電流（ＡＣ−好ましくは、方形波ＡＣ）が供給されなければならない。モーターの実現形態の場プロットは、図３７に示される。
【０１４９】
駆動又は発電経路
この文書において説明される機械の第２の基本的な構築ブロックは、駆動又は発電経路である。この経路は、基本的に、その一次駆動又は発電素子が、背景場コイルがその周囲に配列される軸に対して平行に位置付けられるいくつかの通電導体の配設及び相互接続部から成る。これらの通電導体は、背景コイルの周囲で、以前に開示された様式で場を横断する。
【０１５０】
好ましい実施形態では、背景場によって作り出される極の数に等しいいくつかの導体が、以前のパラグラフにおいて説明されたように位置付けられる。連続する極の場の方向が反転されるときには、バーの電流の方向も、デバイスの直径の周囲で連続して反転させることが必要である。この電流方向の反転を達成するために、通電導体は、デバイスの各端部において交互に接続され、一連の接続された「ジグザグ」スタイルの駆動又は発電経路を背景場生成コイルの周囲に形成する。この一連のジグザグ接続はまた、デバイスが発電機として動作している場合には、通電導体の各々で発生する電圧の一連の追加ももたらす。ジグザクスタイルの駆動又は発電経路を有するデバイスの一実施例は、図３８に示される。
【０１５１】
上の実施形態において、駆動又は発電経路は、背景場コイルの外部に位置付けられる。全般に、動力密度は、作業半径が増加するため、駆動又は発電経路の外部への配置によって増加し、モーターとして給電されるときには、トルクの増加をもたらし、又は発電機として機能するときには、通電バーの表面速度の増加をもたらす（その結果、出力電圧を増加させる）。
【０１５２】
この実施形態の更なる変形例は、背景場コイルの内部に駆動又は発電経路を配置することである。この変形例は、サイズの制約がある場合に、又は入力若しくは出力機械シャフトによって課される制約により駆動又は発電経路の内部の位置付けが左右される場合に適している。この変形例は、図３９に示される。
【０１５３】
上の実施形態の更に別の変形例は、背景場コイルを中心に外部及び内部の双方に駆動又は発電経路を配置することを含む。２つのジグザグ経路は、直列に接続することができ、又はモーター動作の場合には並列に接続することができ、又は発電するときには電圧を増加させるために直列に接続することができる。この変形例は、駆動又は発電経路の電流が、内側経路及び外側経路に分割することを可能にし−潜在的に、駆動又は発電経路の巻線において生じるピーク場を低下させる。場の低減がワイヤの通電容量の増加及び使用される超電導ワイヤの総量の低減をもたらすので、この場の低下は、超電導巻線が用いられる場合に特に好都合である。
【０１５４】
代替的に、外部及び内部双方の駆動又は発電経路は、これらの経路の総電流容量の増加を可能にすることができ、それによって、デバイスの動力定格及び動力密度の増加をもたらす。デバイスの動作モード（モーター又は発電）、及び駆動又は発電経路が接続される様式は、経路の間で負荷をバランスさせるために、又は内側経路によって送達されるトルク及び電圧の全般的な低下を補うために、外部経路に対する内部経路の巻線の数の差を必要とし得る。この実施形態は、図４０に例示される。
【０１５５】
外部電流経路及び内部電流経路はまた、二重反転モーター又は発電機として機能するように、逆に接続することもできる。この実施形態において、図４１に示されるように、内部巻線の回転方向は、外部巻線の回転方向に対して逆になる。
【０１５６】
図４１は、図４０の発電機又はモーターアセンブリを示し、内部及び外部双方のジグザグスタイルの駆動又は発電経路が示される。上の実施形態において、外部及び内部の経路／巻線は、モーター又は発電機として二重反転動作を行うように構成される。
【０１５７】
駆動又は発電巻線の基本的なジグザク配設に関する更なる変形例は、これらの巻線がここでも分割され、混交されるものである。この変形例は、「編んだ」又は混交した巻線として知られている。
【０１５８】
この巻線の変形例を説明する最も単純な方法は、標準的なジグザグスタイルの巻線を半分に分割し、巻線の半分を機械の極の間の角度に等しい角度だけ回転させた場合である。この第２の半部の巻線における電流の方向は、経路の新しく隣接する軸方向の構成要素が、同じ方向に電流を輸送するか、又は電圧を発生するように反転される。端部接続部は、この時点で、１つの極によって変位する２つの半部に効果的に分割される。この駆動又は発電経路／巻線の変形例は、図４２に最も良く示される。
【０１５９】
駆動又は発電巻線の別の変形例は、ジグザグスタイルの一連の相互接続した巻線から、円形ループ又はコイルの使用への移行を含む。この実施形態では、隣接する通電バー／巻線の２つが各端部で接合される。これらの端部巻線は、２つのバーの間で電流を輸送し、該バーの間の相互接続及び電流の流れの正しい方向を確実にする。一連の巻線においてこの接続が行われたときに、駆動又は発電経路は、小さい電流経路によって順次的に接続される（又は代替的に、並列接続された電源によって給電される）一連の電磁コイルに類似する。超電導巻線を使用するときに、このワイヤの相互接続は、駆動又は発電経路のコイル部に使用される多数の巻線に対して非常に少なくすることができる。この実施形態は、図４３に例示される。
【０１６０】
別の変形例において、駆動又は発電経路の巻線は、いくつかの別個の相を形成する１組の等間隔の巻線に分割することができる。モーター及び発電機の３相動作は、よく見られるものであり、この３相又は多相動作は、この文書によって説明されるデバイス及び巻線まで拡張することができる。図４４は、このような多相の実施形態を示す。
【０１６１】
駆動又は発電経路の多相巻線には、以下のいくつかの利点がある。
・デバイスの定格動力及び動力密度を増加させるために、追加的な巻線を容易に追加することができる
・多相にわたって巻線を分割することで、巻線が遭遇するピーク磁場密度を低下させることができ、超電導である場合に、巻線の通電容量の増加につながる。これは、所与の動力密度に使用される超電導ワイヤの量の減少につながる
・多相巻線は、モーターのときに所与の出力レベルに対してより滑らかなトルク送達を有する
・多相巻線は、発電機のときに生じるピーク電圧及び電流を減少させる傾向があり、その結果、駆動又は発電経路巻線が経験するＡＣ損失を減少させる
・モーターとして動作するときに、多相巻線が始動するときに潜在的なトルク「不感帯」の影響を受けない
【０１６２】
以前の実施形態の更なる拡張
提示される実施形態は、多重で同心の背景場生成電磁コイルを含むように更に拡張することができる。多重同心背景コイルの使用は、駆動又は発電巻線が横断することができる一連の同心経路を作り出す。以前に説明された二重内部及び外部経路と同様に、この多重同心ステージの使用は、デバイスの定格動力又は動力密度を増加させることができ、また代替的に、モーター又は発電機としての二重反転動作をもたらすように構成することができる。図４５は、多重同心ステージで構成されるデバイスの一実施例を示す。
【０１６３】
図４５は、図４６に示されるように同じ方向に回転するように構成することができる、又は図４７に示されるように二重反転するように構成することができる、両頭デバイスの２つの同心層がある、例示的なモーター／発電機を示す。
【０１６４】
コイルの幾何学的形状及び巻線に関する更なる考察
背景場コイルは、いくつかの巻線から成るレーストラックスタイルの電磁コイルとして示されている。場の強度及び極間の均一性に関して同じ又はより良い結果を達成するために、類似するコイルの幾何学形状を使用することができることに留意されたい。許容可能な代替の幾何学的形状としては、角度付き直線セクション、及び螺旋状又は一定の外周湾曲端部を有するコイルが挙げられる。
【０１６５】
駆動又は通電バーは、最も好ましくは、単一の固体バーではなくいくつかの巻線から成る。ジグザグ又はコイルの幾何学的形状の幅がその厚さよりも幾らか広い巻線の幾何学的形状が、巻線が経験する低減されたピーク場に関して好都合であることが証明されているが、これらの巻線がこの幾何学的形状によって例示されるという事実は、駆動又は通電巻線における他のアスペクト比の使用を除外するべきではない。
【０１６６】
この文書に示されるデバイスの好ましい実施形態において、背景場コイル及び駆動又は発電経路は、超電導ワイヤのいくつかの巻線から成る。このワイヤは、ＮｂＴｉ、Ｎｂ３Ｓｎ、又はＭｇＢ２などの低温超電導（ＬＴＳ）類、又はＢＳＣＣＯ若しくはＹＢＣＯなどの高温超電導（ＨＴＳ）ワイヤとすることができる。当業者には、これらの巻線のいずれか又は双方を、銅又はアルミニウムなどの通常の導電材料から容易に作製することができることも容易に明らかになるであろう。
【０１６７】
実例に示された巻線の矩形又は正方形の形状に加えて、巻線の形状は、容易に、ケーブルのような円形とするか、又は任意の他の所望の形状とすることができること、及びこのような形状が以下のような改善を提供することができることも留意されたい。
・連続する極の場の強度の均一性の向上
・いずれかの組の巻線が遭遇するピーク場の低減、それによる、使用される超電導ワイヤの量の低減
・巻線のパッキングファクタの向上
【０１６８】
様々な実施形態の実例は、８つの背景場コイルを使用し、合計で１６の極を作り出す。コイルの数は、単に例示の目的で示されているものとみなすべきである。この技術の実用的な応用において、背景場コイル及び極の数は、以下のようないくつかの要因に依存する。
・デバイスのサイズ−より大きいデバイス（風力タービン発電機、船舶用モーター）は、より多数の背景場コイルにより適している（１０コイルが典型的である）。より小さいデバイスは、多数の隣接する背景コイルを阻む、幾何学的形状の制約を有する
・ワイヤが経験する磁場を与えられるコイルの最適な数。ワイヤ使用量の観点から、コイルにおいてより低いピーク磁場を動作させるより多い数のコイルは、より高い場を動作させるより少ない数のコイルよりも、より効率的であることが分かっている
・必要とされる出力又は入力の周波数−より多い数の背景コイルは、所与のＲＰＭに関してより高い動作周波数をもたらす。この動作周波数は、超電導又は通常の電導巻線のＡＣ損失を低減させるために、駆動回路又は負荷の要件と、動作周波数を低減させるという要望との間の最適化訓練である
【０１６９】
始動の考慮事項
磁場を低減させた領域において回転構成要素を始動する、始動中の潜在的なトルクの「不感帯」を緩和するために、いくつかの手法をとることができる。そうした手法としては、以下が挙げられる。
・始動中にデバイスから負荷を切り離し、外部スターターモーターを係合するクラッチ
・駆動又は発電経路に対する多相巻線の使用
・固定子及び回転子の極の数の不整合を作り出すための、始動手順中の背景場コイルに対する段階的スイッチング
【０１７０】
回転及び固定構成要素に関する考察
説明される回転機械（モーター及び発電機）は、以下を有する。
・回転及び固定構成要素、又は、
・回転及び逆回転構成要素、又は、
・回転及び逆回転及び固定構成要素の組み合わせ
【０１７１】
好ましい実施形態では、駆動又は発電経路を固定したままにし、一方で、背景場電磁コイルが回転する。駆動又は発電巻線が運動し、背景場コイルが固定されたる逆のシナリオも完璧に許容可能であるが、好ましい実施形態の利点は、駆動又は発電コイルの極性を絶えず反転させているより高い電流を、滑り接点又はブラシを介して伝送する必要がなく、デバイスの電気損失を低減することである。
【０１７２】
一方で、迅速な停止、始動、加速、及び減速を可能にするためにデバイスのスピン質量を低減するという用途要件がある場合は、背景場コイルの変わりに駆動又は発電経路をスピンさせる際に利点となるであろう。この場合、機械の設計は、背景場コイルにおけるより多い数の巻線、及び駆動又は発電経路の巻線の相応した低減が好ましくなる。
【０１７３】
この文書において提示される機械の動作方向は、背景場コイル又は駆動／発電機経路の巻線における電流方向の反転によって反転させることができる。
【０１７４】
この文書の画像及び説明は、回転電気機械に関する設計を提示しているが、当業者には、提示される原理をリニア機械並びに回転デバイスに適用することができることが明らかになるであろう。
【０１７５】
ジグザグの外側巻線とレーストラックスタイルのコイル巻線との置き換え
以前の実施形態では、外側駆動／発電経路が一連のジグザクの巻線として示されている。これらの実施形態の変形例において、ジグザクの巻線は、発電又はモーターの目的で直列又は並列に接続される、レーストラックスタイルのコイルと置き換えられる。
【０１７６】
鍵となる観察は、機械の回転軸と整列され、一次駆動又は発電素子である、レーストラックコイル又はジグザグ巻線の直線セクションである。デバイスのいずれかの端部での相互接続巻線は、その後の駆動／発電素子へ正しい方向に電流を伝送する任意の様式で作製することができる。理想的には、この相互接続部は、巻線が経験するピーク場を最小にし、それによって、所与の動力レベルに対する、デバイスによって使用されるワイヤの長さを最小にするように作製されるべきである。
【０１７７】
レーストラック巻線の分割
この変形例では、デバイスのレーストラック巻線（以前に説明された背景場レーストラックコイル及び新しい駆動／発電レーストラックの変形例の双方）を、反対の極性の２つのコイルに分割することができる。これは、以前は１つの直接極及び１つの間入型極を作り出す１つのコイルが存在したが、ここではそれぞれが１つの極を作り出す反対の電流極性の２つのコイルが存在することを意味する。これらの極は、巻線の表面の周囲で半径方向の経路を横断するときに、極性が順次的に反対になる。
【０１７８】
レーストラックコイルを分割することの第１の利点は、巻線の周囲を横断する通電バーが経験する場の変動（したがって、デバイスの出力トルク又は発生動力の変動）を低減させることである。コイルを分割することによって、横断部材が経験する場は、１つの極から次の極まで等しい。この同一性は、モーターであっても発電であっても出力動力のより滑らかな送達を生成し、その結果、所与の動力レベルに必要とされるワイヤの量を低減させる。
【０１７９】
第２の利点は、超電導ワイヤの通電容量の場依存に関係する。超電導巻線を使用しているときに、巻線の通電容量は、これらの巻線が経験するピーク磁場によって制限される。以前に説明された単一のコイルの実施形態において、ピーク場は、通常、作業長さの端部に向かって、巻線の隅部に見出されていた。巻線を２つのレーストラックコイルに分割することによって、１つの作業長さから次の作業長さへの電流の伝達は、作業長さの２つの端部の間で分割され、巻線のより低いピーク場をもたらす。このより低いピーク場は、超電導ワイヤのより高い電流容量をもたらし、所与の出力レベルに必要とされるワイヤの総量を低減させる。
【０１８０】
図４８は、以前に例示された実施形態の２つの更なる変形例を示す。外側駆動／発電巻線は、レーストラックコイルとして示される。このバージョンはまた、いずれかの巻線組のコイル数が各コイルが磁場を順次的に反転させる極の数に等しくなるように、分割されたコイル配設も組み込む。
【０１８１】
図４９は、連続するレーストラックコイルの間の電流の流れの相対的方向を強調表示する。外側巻線の方向は、これらの巻線が交流電流（ＡＣ）を受けるものとして示されていることに留意されたい。
【０１８２】
同心レーストラックコイルの幾何学的形状
以下は、以前に開示された実施形態の変形例を説明する。この変形例は、同心レーストラックの間に間隙を伴ってレーストラックが同心状に配設されるように、レーストラックコイルの更なる分割を含む。
【０１８３】
図５０は、図４８に示される実施形態に用いられるタイプの従来のレーストラックコイル、及び二重同心レーストラックコイルを示す。二重同心レーストラックコイルの幾何学的形状は、所与の出力レベルに必要とされるワイヤ長を１０〜１５％低減させることができる。
【０１８４】
以下のリストは、この変形例を使用する潜在的な実施形態を説明する。
・同心状に分割した背景場レーストラック巻線（好ましい）
・同心状に分割した駆動／発電レーストラック巻線
・同心状に分割した背景場及び駆動／発電レーストラック巻線の双方
【０１８５】
レーストラック巻線を一連の同心レーストラック巻線に分割することは、所与の動力レベルに関して、巻線のより低いピーク磁場、及び超電導ワイヤのより少ない使用量をもたらす。これらの同心レーストラック巻線は、同じ電圧及び電流位相で動作する。電流の流れの方向は、同心巻線の全てのコイルについて同じである。ワイヤ使用量の最も大きい低減は、駆動／発電巻線を同心状に分割することなく、背景場巻線を同心状に分割した実施形態に認められた。この好ましい実施形態は、使用される超電導ワイヤの長さを１０〜１５％低減させることができる。
【０１８６】
図５１は、図４８の実施形態であるが、背景場コイルが同心レーストラックコイルから構築されることを示す。以前に示されたジグザグ巻線とは対照的に、外側駆動／発電コイルもレーストラックコイルである。
【０１８７】
図５２は、内側背景レーストラックコイルが同心状に分割された、図５１に示されるデバイスの背景場及び駆動／発電巻線を示す。
【０１８８】
図５３は、二重同心背景場コイルと駆動／発電コイルとの間の相互作用を示す、図５１に示されるデバイスの磁場プロットを示す図である。
【０１８９】
図５４は、同心レーストラックコイルを使用して構築された背景場作成巻線及び駆動／発電巻線の双方を有するデバイスの更なる実施形態を例示する。
【０１９０】
更なる改善：
直径と長さとが等しい正方形構成と、及びデバイスの長さが直径よりも長い構成とを比較して、直径を増加させ、長さを低減させたデバイスを構築することには、いくつかの利点がある。好ましいタイプのオーバースクエアデバイスは、所与の出力動力に関して、低減したワイヤ使用量をもたらすことができる。この好ましい実施形態は、傾向を示すものとみなすべきではないこと、及び保護が求められるデバイスのタイプを限定しないことに留意されたい。
【０１９１】
３相及び多相の実施形態の更なる変形例：
以前に開示された技術の３相の実施形態の構築に関する１つの更なる変形例は、駆動／発電巻線に対するベッドステッド形状のコイルの使用を含む。これらのコイルは、駆動／発電巻線の作業長さが同じピッチ円径上に位置するように保つために、該コイルの「作業長さ」の終端で、すなわち、デバイスのいずれかの端部で隆起する。駆動／発生コイルのこの隆起した端部、すなわち、ベッドステッドは、コイル上のピーク磁場を最小にするように設計され、したがって、所与の出力レベルに対して使用される超電導ワイヤの量を低減させる。
【０１９２】
この文書に提示される追加的な３相の実施形態は、分割したレーストラックコイルの使用、及び１組の同心レーストラックコイルとしての背景場コイルの構築などの、以前に説明された変形例及び改善のいくつかを含む。
【０１９３】
図５５は、二重同心レーストラック背景場コイルの幾何学形状及びベッドステッドスタイルの駆動／発電コイルの双方を用いた３相デバイスの一実施形態を示す。
【０１９４】
図５６は、ベッドステッドスタイルの多相巻線の拡大詳細図を伴う、図５５の３相デバイスを示す。
【０１９５】
図５７は、図５５に示されるタイプの３相スタイルのモーター／発電機の一実施形態のコイル配設を示す。内側背景場巻線は、二重同心レーストラックコイルである。外側駆動／発電巻線のセクションだけが示される（明確にするため強調表示される）。これらの外側巻線は、ベッドステッドスタイルのコイルから形成される。
【０１９６】
図５８は、図５５に示されるデバイスの磁場プロットである。場プロットは、背景場コイル及び３相駆動／発電巻線によって作り出される磁場の相互作用を示す。
【０１９７】
以前に示されたデバイスの更なる変形例では、全極駆動のバージョンを構築することが可能であり、該バージョンにおいて、駆動巻線の外部の周囲の磁場の強度は、背景場巻線によって生成される背景場の強度以上である。このデバイスにおいて、駆動巻線は、通電巻線上に大きい力を生成し、それによって、デバイスの動力及び／又は効率を増加させる。
【０１９８】
この文書において開示された発明及び変形例はまた、電気電圧及び電流の入力からの機械的作業の生成（モーター）、又は電気電圧の生成及び機械的作業（発電機）の印加（発電機）にも関する。開示されたデバイスに基づくモーター及び発電機は、総称的にＧｕｉｎａのトロイダル駆動として知られている。
【０１９９】
モーター／発電機は、回転部（回転子）及び固定部（固定子）から成る。開示されたデバイスにおいて、固定子の主要機能は、回転子が回転する高強度背景磁場を提供することである。回転子は、モーターの場合、背景場の磁場方向の相対的変化と協調して（すなわち、１つの磁極から次の磁極まで回転子が運動するときに）方向を変える電流で駆動することができる。発電機の場合、回転子の運動は、交流電圧及び電流の発生をもたらす。
【０２００】
トロイダル駆動の基本要素は、トロイド形状である１組の背景場巻線又は永久磁石、及び１組の回転子巻線である。このコイル／磁石の形状は、トロイド自体の断面内に磁場の大部分を含む。回転子巻線は、トロイドの断面内部に配置され、この含まれた場の中で動作する。
【０２０１】
回転子巻線の最も単純な実施形態は、超電導又は通常の導電材料の多重巻線から成る単一のレーストラックスタイルのコイルから成る。巻線は、トロイダル固定子内に位置し、一対の入力及び出力スリップリングを介して動力が巻線に送達されるか、又は巻線から取り出される。巻線は、巻線の回転を可能にする機械的シャフトの軸受に載置される。シャフト及び動力送達／抽出接続部は、固定子の側部巻線に間隙を必要とする。この単一相回転子の最も単純な実施形態は、図５９に示される。
【０２０２】
トロイダル巻線／磁石は、磁場を作り出し、磁場では、正方形の又は正方形にしたトロイドの場合、丸みのあるトロイドの作業半径を中心に同心状に、又は巻線の壁に対して平行に場線が実質的に流れる。回転子巻線は、一般に、１回転あたり２つの磁極を経験する。これは、回転子巻線自体の１組の動力スリップリングを有する独立した回転子巻線から成る多相巻線を用いることによって、トルク及び動力の送達をはるかに一貫させることができることを意味する。巻線リードの各々の交流電流は、巻線の間の分離角度と比例して、他の巻線を先行又は遅行させる。３つの独立した相から成る実施形態は、図６０に示される。
【０２０３】
巻線あたりの個々の相は、動作電圧及び電流の所望の組み合わせを生成するように、直列又は並列に巻回することができる。
【０２０４】
回転子巻線は、トルクを経験するので、機械的支持体、並びにそれを中心に回転子が回転し、かつそれを通して動力が送達される接続シャフトも有しなければ成らない（図６１を参照されたい）。
【０２０５】
図６１は、回転子本体及び動力伝送シャフトの支持構造体を有する、３相回転子巻線を示す。巻線は、シャフトの端部を中心に変位されて示される。
【０２０６】
巻線は、銅など通常の導電材料から、又は超電導材料から作製することができる。回転子巻線における超電導材料の使用は、巻線材料の温度を超電導状態が達成される点まで下げるために、回転クライオスタットを必要とする。
【０２０７】
通常の銅製巻線が使用される場合、デバイスの動力密度は、より高い銅の電流密度及び強制空冷又は水冷／油冷の使用を通して増加させることができる。冷却液をポンピングすることができる冷却チャネルを組み込む回転子アセンブリの一実施例は、図６２に示される。冷却チャネルは、回転子巻線の液体冷却、及びそれに応じたより高い電流密度を可能にする。
【０２０８】
いくつかの個々の、多相回転子アセンブリを１つのトロイダル固定子内に収めることが可能である。これは、デバイスの動力密度を、所与の量の回転子巻線／磁石材料に対して大幅に増加させることを可能にする。好ましい実施形態において、回転子は、トロイダル固定子の中心軸を中心にピッチ円直径上に配列される。
【０２０９】
この好ましい実施形態において、背景磁場は、この中心軸を中心に横断し、大部分がトロイダル固定子内に含まれる。単一の場線は、トロイドの周囲で連続して回転子アセンブリの各々を通って進行すると想定することができる。この様式で、磁場は、発電又は動力の送達において２回以上用いられ、磁場は、大体がモーター／発電デバイス内に含まれる。
【０２１０】
図６３は、固定子巻線の正方形トロイダルの一実施形態を示す。巻線は、回転子の機械出力及び電気出力に適応するように、いずれかの側部に間隙を有する。
【０２１１】
代替的に、固定子巻線／アセンブリは、丸みのある、又は円形トロイドとして構築することができる。図６４は、固定子が円形トロイダル巻線から構築された、図６３に示される固定子巻線の変形例を示す図である。全般に、真円形巻線は、トロイドの外側に生成する浮遊磁場が少ない。
【０２１２】
正方形トロイド、及び僅かにより大きい範囲の円形トロイドは、トロイド巻線の内部の周囲を進行する磁場を生成する。場は、大部分がトロイダル固定子巻線に含まれる。図６５は、参照のために６回転子アセンブリ巻線が含まれる、円形トロイダル巻線からの場プロットを示す。磁場は、固定子アセンブリの内部の周囲を横断し、固定子内に含まれる。
【０２１３】
図６６に例示される場プロットは、２００ガウス（桃色）、５ガウス（青色）制限の場の境界を示す。完全性のために、回転子巻線の場の寄与が含まれている。
【０２１４】
固定子及び回転子アセンブリは、トロイダル駆動モーター及び発電機を生成するように組み合わせられる。トロイダル固定子及び多重回転子の一実施形態は、図６７に示され、正方形トロイダル固定子巻線及びトロイダル固定子内に位置する４組の多相回転子巻線を組み込む。
【０２１５】
図６７は、正方形トロイド配設の矩形コイル巻線として固定子素子を示しているが、以下に留意することが重要である。
・コイルの配設は、正方形トロイドではなく丸みのあるトロイドとすることができる
・コイルは、類似するトロイダル場プロファイルを生成するように配列された永久磁石と置き換えることができる
・コイルの断面は、必ずしも矩形とする必要はなく、回転子巻線のための十分な隙間が残るのであれば、円形断面を有するコイルも用いることができる
【０２１６】
図６８は、回転子アセンブリの各々がどのようにトロイダル固定子内に収容されるのかを示す、図６７に示されるデバイスの完成図である。
【０２１７】
好ましい実施形態において、多重回転子アセンブリは、中央回転シャフトへのプラネタリギヤの接続を通して、単一の機械的入力又は出力に組み合わせられる。このプラネタリギヤ接続の一実施例は、以下の図６９及び図７０に示される。これらの図に示されるギヤ比は１：１であるが、所望の回転子速度又は最終駆動速度を与えるために、ステップアップ又はセットダウンしたギヤ比を用いることができる。最終ギヤ比は、ギヤトレイン、インラインプラネタリギヤボックス、又はこれらのギヤボックス配設の組み合わせの使用を通して、中央ギヤ及びピニオンの配設によって直接生成することができる。
【０２１８】
図６９は、プラネタリギヤのシステムを介した４つの個々の回転子アセンブリの中央動力入力／出力シャフトへの接続を示す、Ｇｕｉｎａのトロイダル駆動の断面図を示す。
【０２１９】
図７０は、プラネタリ及び主シャフトの回転の相対的方向を強調表示する、図６９に示されるデバイスの代替図である。
【０２２０】
図６９及び図７０において以前に示されたデバイスは、シャフトの２つの端部の間で生じるトルクを分配するために、個々の回転子アセンブリの機械的シャフトの両端部に載置されるギヤを有する。代替の実施形態において、図７１に示されるように、トルクは、回転子シャフトの一方の端部だけを介して伝送される。
【０２２１】
以下の図は、背景場生成トロイダル固定子及び回転子に関して異なる構築材料を組み込む、トロイダル駆動の異なる実施形態を示す。これらの実施形態は、単に示したものであり、また、モーター／発電機を作り出すために使用することができる超電導材料、通常の導電材料、及び永久磁気材料の物理的配設又は組み合わせに関して限定するものとみなすべきではない。
【０２２２】
図７２は、高強度背景磁場を作り出すために、超電導巻線から作製されたトロイダル固定子を組み込んだ一実施形態を示す。回転子巻線は、銅製のワイヤから作製される。
【０２２３】
図７３は、背景磁場を作り出すために、通常の導電銅製巻線から作製されたトロイダル固定子を組み込む、一実施形態を示す。回転子巻線は、同様に、銅製のワイヤから作製される。
【０２２４】
図７４は、高強度背景磁場を作り出すために超電導巻線から作製されたトロイダル固定子を組み込んだ一実施形態を示す図である。回転子巻線は、同様に、超電導ワイヤ又はテープから作製される。
【０２２５】
等しくかつ反対の場
以前に示されたデバイスの更なる変形例では、トロイダル駆動のバージョンを構築することが可能であり、該バージョンにおいて、回転子巻線の外部の周囲の磁場の強度は、固定子によって生成される背景場の強度以上である。このデバイスにおいて、回転子巻線は、大きい反発力を経験し、デバイスの動力及び／又は効率を増加させる。
【０２２６】
図７５は、背景磁場を作り出すために、通常の導電銅製巻線及び永久磁気材料の双方から作製されたハイブリッドトロイダル固定子を組み込んだ一実施形態を示す。回転子巻線は、同様に、銅製のワイヤから作製される。
【０２２７】
永久磁気材料及び追加的な銅製の巻線を使用するハイブリッド固定子の構築を示す上記の図７５に加えて、永久磁気材料だけを使用した、又は永久磁気材料と鉄若しくは鋼などの磁気透過性材料との組み合わせを使用したトロイダル固定子を構築することが可能である。
【０２２８】
図７６は、トロイダル固定子が永久磁石のアセンブリで構築された、トロイダル駆動の変形例を示す。
【０２２９】
図７７において、トロイダル固定子は、永久磁気材料から構築される。磁場の追加的な案内は、固定子トロイドの隅部セクションにおけるより小さい間入型永久磁石の配置を介して達成される。これらのより小さい間入型磁石は、以下の図７８により明確に示される。
【０２３０】
図７７には、図７６に示されるデバイスの３／４の断面図が提供される。この実現形態において、固定子トロイドは、永久磁石の最も薄い寸法を通して磁化される一連のプレートスタイルの永久磁石から成る。より小さい間入型磁石は、磁束を回転子アセンブリへ案内するのを支援するために、隅部に用いられる。回転子アセンブリを取り囲む磁石は、物理的に回転子を収容するように切り取られる。
【０２３１】
図７８は、図７７に示されるデバイスの詳細図である。この図は、磁化の方向、及び回転子アセンブリを収容するために永久磁気材料が除去された領域を示す。
【０２３２】
図７９は、図７５に示されるデバイスの３／４の断面図を示す。この図は、回転子アセンブリを収容するために永久磁気材料が除去された領域を示す。
【０２３３】
更なる調査は、回転子アセンブリの近くの磁石材料の除去をできる限り少なくし、回転子巻線の近くに高強度磁場を保存することを可能にすることで、かなりの利点があったことを示した。加えて、磁石材料に回転子アセンブリを完全に封入させない方が良いことが見出された。回転子半径の外側の、及び回転子のいずれかの端部の追加的な材料は、磁場の大部分を回転子巻線から離れるように方向付け、それによって、デバイスの動力を低減させる傾向があった。
【０２３４】
最終的に、デバイスの動力の大幅な増加は、回転子巻線の内部に位置する円筒形の永久磁石を導入することによって達成された。この内部磁気質量は、図７８に示される磁石と同一線上で分極され、回転子に対して固定したままである。これらの進歩の各々は、図８０に示され、具現化される。この時点で、回転子アセンブリを取り囲む磁石材料は、回転子アセンブリの外部輪郭に密に従い、デバイスの動力を増加させる。個々の回転子の間に固定子トロイドの相互接続を形成する磁石材料は、デバイスの重量を低減させるために中空にされている。
【０２３５】
内部固定永久磁気質量は、同心シャフトの配設を必要とし、該配設において、機械的動力伝送は、外部スリーブ付きシャフトを介して起こり、内部シャフトが内部磁気質量に対する静的支持体を提供する。
【０２３６】
図８１は、図８０に示されるデバイスの側断面図である。切り取りは、回転子巻線がどのように磁石材料の別の円筒質量を収容するのかを示す。この追加的な磁気質量は、固定されており、また、回転子巻線に対して垂直であるように磁場を案内するのを補助し、したがって、デバイスの動力を増加させる。
【０２３７】
追加的な磁気質量の主な効果は、回転子アセンブリのいずれかの側の磁気質量からの、又は該磁気質量への場の引力に由来する。この引力は、回転子巻線に対して磁場を強化し、直線にし、デバイスの動力の大幅な増加をもたらす。図８１のデバイスの磁場プロットは、以下の図８２に示される。
【０２３８】
図８０に示される４回転子デバイスの更なる変形例は、単一の回転子アセンブリ及び低減させたトロイドスタイルの戻り経路を組み込む。この変形例の一実施形態は、図８３に示される。示されるデバイスは、背景磁場を含み、戻すために長方形場の永久磁石アセンブリを有する単一の回転子アセンブリの周囲を基礎とする。
【０２３９】
この単一の回転子の変形例は、最終動力伝送シャフトへのギヤリングシステムを必要としない、という利点を有する。デバイスの背景磁場を含むために、低減したトロイダル戻り経路が使用される。
【０２４０】
図８４は、図８３に示される単一回転子の永久磁石トロイダル駆動の磁場プロットを示す。
【０２４１】
本明細書で示されたデバイスの回転子巻線は、構築を容易にするために通常の導電巻線として、又は動力密度を増加させるために超電導巻線として、容易に構築することができることに留意することが重要である。
【０２４２】
示された実施形態は、永久磁気材料から完全に構築された固定子セクションを有するが、トロイドのセクションは、鋼又は鉄などの磁気透過性材料から容易に構築することができる。磁気透過性材料から構築するための候補としては、回転子アセンブリを相互接続するトロイドの隅部、及び回転子アセンブリの内部に配置される材料が挙げられる。鍵となる構成要素と磁気透過性材料との置き換えは、動力レベル及び重量の双方にペナルティを有する場合があるが、永久磁気材料の専属的使用に勝る幾らかのコスト節減になり得る。
【０２４３】
以前に示された実施形態において使用される正方形トロイド背景場固定子に加えて、背景場固定子コイルはまた、図８５に示されるように、円形の又は丸みのあるトロイダル形状で容易に構築することもできる。一般的な意味において、正方形トロイダル固定子の使用は、丸みのあるトロイダル固定子と比較して、磁場のより多くの「漏れ」を犠牲にして、所与の量の固定子材料に対して僅かにより高い動力出力を生成する。丸みのあるトロイダル固定子の改善された閉じ込めは、デバイスの周囲の５ガウス及び２００ガウスの磁場境界線の低減において認められる。
【０２４４】
図８５〜図９３は、背景場固定子が円形の又は丸みのあるトロイドとして構築されているトロイダル駆動の実施形態を示す。
【０２４５】
図８５は、円形の又は丸みのあるトロイダル背景場固定子を伴う４回転子アセンブリを有するトロイダル駆動を示す。
【０２４６】
図８６は、４回転子アセンブリを有し、円形の又は丸みのあるトロイダル背景場固定子を有する、図８５に示される実施形態の３／４断面図を示す。
【０２４７】
背景場固定子の周囲に配置することができる回転子アセンブリの数は、主に、個々の回転子アセンブリの機械的制限及び隙間の制限によって制限される。以前に示された正方形トロイダル背景場の場合、背景場の直線状側部の数は、回転子アセンブリの数の増加とともに増加する。
【０２４８】
図８７は、円形の又は丸みのあるトロイダル背景場固定子を伴う６回転子アセンブリを有するトロイダル駆動の一実施形態を示す。
【０２４９】
図８８は、図８７に示される６回転子アセンブリを有する実施形態の２／３断面図を示す。ここでも、円形の又は丸みのあるトロイダル背景場固定子が用いられている。
【０２５０】
図８９は、図８７に示される６回転子アセンブリを有する実施形態の代替図である。主シャフト及び個々の回転子シャフトの回転の相対的方向が矢印によって示されている。
【０２５１】
図９０は、円形トロイダル固定子及び６回転子アセンブリを有するトロイダル駆動モーター／発電機を示す。このデバイスは、高速動作用に設計され、また、超電導固定子巻線及び銅製回転子巻線を組み込む。
【０２５２】
図９０に示される実施形態は、６回転子アセンブリを、超電導材料から巻回される円形トロイドスタイルの固定子に組み込む。このデバイスは、トロイダル駆動モーター／発電機の高速、高動力密度の一実現形態である。動力伝送シャフトのいずれかの側を変形させる巻線は、所与の量の超電導材料に対して超電導巻線が経験するピーク場を低減させ、かつデバイスの動力密度を増加させるために、超電導トロイダル巻線の大部分の面からある距離オフセットされる。
【０２５３】
図９１は、回転子アセンブリの多相巻線を特徴とする、図９０に示される実施形態の断面図である。
【０２５４】
高速トロイダル駆動デバイスの回転子巻線は、銅から作製され、また、出力動力のリップルの量を低減させるために多相である。超電導回転子巻線の使用が可能であるが、高速の動作は、超電導巻線におけるＡＣ損失を最小にするために慎重な設計が必要であることを意味する。
【０２５５】
図９２には、以前の実施形態の更なる変形例が示される。この実施形態は、直接駆動式風力タービン発電機としての用途に適している低速発電機として動作するように設計される。このデバイスは、風力タービン発電機としての使用を含む、低速動作用に設計され、超電導固定子巻線及び超電導回転子巻線を組み込む。
【０２５６】
低速の動作は、低周波数の動作をもたらし、その結果、回転子巻線におけるＡＣ損失の低減をもたらす。この結果、固定子巻線及び回転子巻線は、超電導材料から構築される。
【０２５７】
このデバイスは、直接駆動（１：１）構成又はステップアップ（１：２５以上）構成のいずれかとして、以前の実施形態に示されるプラネタリギヤ構成によって使用される。ステップステップアップ構成は、より高い動作周波数をもたらすが、比例的により少ない量の超電導材料を使用する。最終結果は、回転子巻線におけるＡＣ損失がほぼ同じ状態を維持する。
【０２５８】
図９３は、図９２に示される実施形態の３／４の断面図を示す。超電導回転子巻線は、ＡＣ損失を低減するように最適化されている。
【０２５９】
超電導回転子巻線におけるＡＣ損失を最小にする必要性は、極低温度での熱による損失を除去するときに起こる大きいペナルティ要因に由来する。熱損失を除去するために必要とされるエネルギーは、動作温度及び使用される超電導材料に応じて、実際のエネルギー損失よりも１０〜１０００倍高くなり得る。
【０２６０】
以前に開示された実施形態の更なる変形例は、個々の回転子アセンブリの回転軸を変更することを含む。以前は、トロイダル回転子が巻回／構築される軸に対して平行である軸上で、回転子アセンブリを回転させたが、以下の実施形態において、この回転軸は、この時点で、トロイドの軸に対して垂直である。次いで、個々の回転子アセンブリの動力伝送を、ベベルギヤアセンブリを使用して組み合わせることができる。この変形例の実施例は、図９４及び図９５に示される。
【０２６１】
図９４は、この時点でトロイダル背景固定子の中心軸に対して垂直であるように個々の回転子アセンブリの回転軸が変更された、以前に提示された実施形態に関する変形例を示す。
【０２６２】
図９５は、図９４に示されるようなデバイスの３／４断面図である。個々の回転子アセンブリにおける相の数が、動力送達／発電を滑らかにするために、２４相に増加されていることに留意されたい。
【０２６３】
図９０〜図１００は、回転子素子、及び回転子アセンブリを取り囲みその中に含まれるすぐ隣の永久磁気材料を示す。これらの変形例は、トロイダル駆動の基本駆動又は発電素子を表すが、トロイダル場の戻り素子がない。
【０２６４】
図９６は、隣接する内部永久磁石材料を有する単一の回転子アセンブリを示す。図９７は、図９６に示される磁石アセンブリの場プロットを示す。
【０２６５】
図９６に示される基本アセンブリの更なる変形例は、図９８に示されるように、回転子アセンブリの外部に隣接する磁石質量の湾曲部を含む。内側磁石アセンブリは、以前に示されたように中実円筒とすることができ、又は図９９の場プロットにおいて強調表示されるように内部孔を有するチューブ状とすることができる。
【０２６６】
磁気材料の磁化方向は、示されるデバイスの場プロットにおいて一方向である。また、湾曲した外部磁気材料を、デバイスの回転軸を中心に半径方向に分極することも可能である。
【０２６７】
以前に述べたように、永久磁気材料は、アセンブリの内側部分及び外側部分の磁石アセンブリを通って一直線に、又は機械の軸を中心に半径方向に磁化させることができる。１つの有益な変形例は、回転子巻線の外側の磁石アセンブリを半径方向に磁化させるものである。図１００の場プロットは、回転子のいずれかの側の外側磁気素子が回転軸を中心に半径方向に磁化された磁場に対する、この半径方向の磁化の効果を示す。
【０２６８】
更なる変形例は、外側磁石アセンブリの取り外しを含む。この変形例において、通電巻線は、内部永久磁気材料に反発する。この反発は、モーターの場合はトルクを生成し、発電機の場合は電流を生成する。
【０２６９】
以下の変形例では、以前の回転巻線が固定され、内部永久磁石が回転する。回転子と固定子とを逆にする利点としては、通電巻線のためのスリップリング又は回転電気接点に対する必要性を除去すること、及び液体のポンピング又は強制空気による固定巻線の冷却がより容易であるという事実が挙げられる。
【０２７０】
図１０１は、以前に開示された変形例に類似するが、外側磁気材料を取り外した、永久磁石モーターを示す。回転子巻線は、この時点で、固定された状態に保たれ、ブラシレスＤＣ（方形波）又はＡＣ巻線として動作する。内部磁石がデバイスの回転素子になる。
【０２７１】
図１０２は、図１０１に示されるデバイスの断面図である。外側巻線が固定巻型の周囲に形成される。巻線内部に載置された永久磁石回転子は、機械的動力伝送のためのシャフトに載置される。
【０２７２】
これらのデバイスは、固定子巻線及び永久磁石回転子とともに示されるが、回転巻線及び固定内部磁気アセンブリの逆の配設も可能であり、また、場合によっては望ましくなり得る。
【０２７３】
図１０３は、図１０１及び図１０２に示されるデバイスの磁場のプロットである。永久磁石回転子は、材料の１つの中実円筒として示される。
【０２７４】
図１０４は、図１０３のものに類似する、永久磁石モーターの場プロットである。内部磁石は、中実円筒ではなく、内部孔を有する磁気材料のチューブである。
【０２７５】
以下の資料は、以前に開示された永久磁石機械の更なる変形例を詳述する。
【０２７６】
図１０５に描写される第１の変形例は、内部永久磁石及び１組の外部多相巻線を有する、単一回転子の永久磁石機械である。以前に開示された実施例と比較したときの主な変化は、端部の巻線である。この巻線は、磁石アセンブリのための支持シャフトが通ることを可能にするために、中空孔の周囲に順次的に配設されている。この図は、以前に開示された単一回転子機械に類似するが、支持シャフトを収容するために修正された端部巻線を有する、永久磁石機械を示す。
【０２７７】
開示されたデバイスの鍵となる利点の１つは、磁気巻線の中間にある大きい永久磁気質量が、磁気質量の外側半径からある距離をおいて、かなりの量の磁場を生成することである。磁場のこの大きい「投影距離」は、多数の導電性巻線を磁気質量の周囲に配置することを可能にする。巻線の高い電流密度及びこれらの巻線の有効な能動的冷却と組み合わせたときに磁場の中で動作するこの多数の巻線は、デバイスの優れた動力密度をもたらす。代替的に、より低い電流密度が供給されるより多数の巻線は、より高いデバイス効率につながり得る。
【０２７８】
図１０５に示されるデバイスの更なる変形例は、個々の巻線を有する単一の永久磁石を、中心軸の周りに配列された複数の磁石及び回転子アセンブリから成る単一のデバイスに組み込む。
【０２７９】
代替的に、これらの変形例は、個々の回転子アセンブリの位置付けが密にされ、相互接続（又は磁束ガイド）する磁気材料を除去した、以前に開示された永久磁石トロイダル駆動の変形例とみなすことができる。相互接続材料の除去は、デバイスの重量の大幅な節減を表し、浮遊場境界の小さい変化だけをもたらす。
【０２８０】
図１０６に描写される第２の変形例は、中央シャフト及びギヤに接続された３つの永久磁石及び巻線アセンブリを有するデバイスを示す。この変形例において、中央シャフト及び外側回転素子の回転速度は同じである。
【０２８１】
図１０６に示されるデバイスの更なる変形例において、磁石及び巻線アセンブリの動作速度は、中央接続シャフトの動作速度からステップアップ又はダウンさせることができる。これは、外側アセンブリが、はるかに高い速度で動作することを可能にし、その結果、より高いシステムの動力密度をもたらすが、それでも、所望の入力又は出力に適している動力及びトルクレベルを送達する。
【０２８２】
図１０７は、図１０６に示されるデバイスの磁場プロットを示す。磁石と巻回アセンブリとの近接は、アセンブリの外側境界内に大部分が含まれる磁場プロファイルをもたらす。
【０２８３】
図１０８は、図１０６に示されるものに類似するデバイスを示す。この変形例において、回転子アセンブリは、中央シャフトよりも高い回転速度で動作する。
【０２８４】
図１０６に示されるデバイスは、任意の数の磁石及び巻線アセンブリにあてはめることができる。図１０９〜図１１４は、以下のいずれかである４つ及び６つのアセンブリの変形例を包括的に示す。
・中央シャフト及び個々のアセンブリシャフトの速度が同程度である、又は
・外側アセンブリシャフトの回転速度が中央シャフトに対してステップアップされている
【０２８５】
図１０９は、個々のアセンブリと同じ速度でスピンする中央シャフトに接続された４つの磁石及び巻線アセンブリから成るデバイスを示す。
【０２８６】
図１１０は、図１０９に示されるデバイスの磁場プロットである。
【０２８７】
図１１１は、図１０９に示されものに類似するデバイスを示す。この変形例において、回転子アセンブリは、中央シャフトよりも高い回転速度で動作する。
【０２８８】
図１１２は、個々のアセンブリとほぼ同じ速度でスピンする中央シャフトに接続された６つの磁石及び巻線アセンブリから成るデバイスを示す。
【０２８９】
図１１３は、図１１２に示されるデバイスの磁場プロットである。
【０２９０】
図１１４は、図１１２に示されるものに類似するデバイスを示す。この変形例において、回転子アセンブリは、中央シャフトよりも高い回転速度で動作する。
【０２９１】
図１０９及び図１１２に示されるデバイスの更なる変形例は、トロイダルスタイルのアセンブリの中間に（中心軸に沿って）、追加的な永久磁石及び巻線アセンブリを有する。これは、完成したデバイスを形成する、合計で５つ及び７つの個々のアセンブリをもたらす。
【０２９２】
中央シャフトの周囲に配列される個々のアセンブリの近傍は、磁石が固定された状態に保たれ、巻線が回転するときに、デバイス全体のトルク／動力を増加させる。この構成において、個々のアセンブリの間の距離が増加するにつれて、システムのトルク／動力レベルは、自由空間において同じサイズにした個々のアセンブリと同じ動力／トルクレベルを個々のアセンブリが示す時点まで減少する。
【０２９３】
中心軸の周りにおける個々のアセンブリの互いに対する近さは、デバイスの物理的境界を超える浮遊磁場の閉じ込めの改善と相関する。
【０２９４】
本明細書で提示される設計のブラシレスの変形例は、永久磁石構成要素を回転させ、巻線を固定した状態に保つことによって達成することができる。この変形例において、磁気アセンブリの位置付けは、該磁気アセンブリが回転するときに互いに影響を及ぼし、トルクリップルを低減させ、かつ回転子巻線によって印加されるトルクが連続する永久磁石の間の力に打ち勝つことができることを確実にするために、該磁気アセンブリの間の距離を増加させることを望ましくする。スピン磁石を有する個々のアセンブリからの結果として生じるトルク及び動力は、自由空間において単一の永久磁石及び巻線アセンブリから成るデバイスに関するものと同じである。
【０２９５】
個々の巻線がデバイスの回転素子を形成し、磁石を固定した状態に保つ場合、動力は、回転巻線に送達するか、又は該回転巻線から取り出さなければならない。これは、スリップリング又はブラシ機構を介して達成することができる。代替的に、動力は、固定構成要素と回転構成要素との間の電気動力の伝達を可能にするＤＣ励磁機又は回転変圧器を介して、巻線に及び巻線から供給することができる。
【０２９６】
更なる単一モーターの変形例
以前に開示された単一の永久磁石デバイスの更なる変形例は、磁極が回転軸の周囲を３６０度横断するときに２つを超える該磁極が導体と遭遇するように磁化された巻線内に位置する、永久磁石を有する。磁石の周囲の巻線は、極数を増加させることによって、該巻線の極性をより頻繁に変化させることを必要とする。例えば、以前に示された２極デバイスは、個々の巻線を１８０度毎に切り替えることを必要とし、極数を４つに増加させることは、極性の反転が９０度毎に生じなければならないことを意味する。
【０２９７】
図１１５は、開示された実施形態による永久磁石の構築の２つの変形例を示す。背景の磁石は、「一直線に」磁化し、２極デバイスをもたらす。前景の磁石は、４つの磁化されたセクションから作製され、４極デバイスをもたらす。
【０２９８】
磁極の数を変化させることに加えて、更なる変形例は、示されるデバイスの単一又は複数のアセンブリの実施形態双方の周囲での鋼製のシールド又はシュラウドの使用を含む。鋼又はフェライトシュラウドの使用は、デバイスの動力／トルクレベルを増加させることができる、一方で、任意の浮遊磁場も含む。
【０２９９】
図１１６は、外側巻線の周囲に鋼製のシールド／シュラウドを有する、２極永久磁石及び回転子アセンブリを示す。
【０３００】
図１１７は、巻線及び２極永久磁石を示すために鋼製シュラウド及び一部の巻線を切り取った、図１１６に示されるデバイスを示す。
【０３０１】
図１１８は、個々の巻線を示すために鋼製シュラウドを切り取った、図１６に示されるデバイスを示す図である。
【０３０２】
図１１９は、デバイスの外側の周囲に鋼製シュラウドを有する、２極永久磁石及び個々の巻線アセンブリの磁場プロットである。シュラウドは、浮遊磁場を含み、デバイスの動力を増加させるのを補助する。
【０３０３】
図１２０は、外側巻線の周囲に鋼製シールドを有する４極永久磁石及び回転子アセンブリを示す。残りの巻線及び２極永久磁石を示すために、鋼製シュラウド及びいくつかの巻線が切り取られている。
【０３０４】
図１２１は、デバイスの外側の周囲に鋼製シュラウドを有する、４極永久磁石及び個々の巻線アセンブリの磁場プロットである。シュラウドは、浮遊磁場を含み、デバイスの動力を増加させるのを補助する。
【０３０５】
極の数は、示された実施形態に限定されるものとみなすべきではない。極の数を増加させることは、鋼製シュラウド／シールディングの効果を増加させ、より低いデバイス重量をもたらす。
【０３０６】
図１２２は、図１２０に示されるものに類似するが、鋼製シールディング／シュラウドを伴わない、４極デバイスを示す。図１２３は、図１２２に示されるデバイスの磁場プロットである。
【０３０７】
鋼製のシュラウド又はシールディングはまた、多重モーターアセンブリにも用いることができる。図１２４及び図１２５は、外部の周囲に単層の鋼製シュラウドを有する、図１１２による６モーター／発電機アセンブリを示す。
【０３０８】
これらのシールディングシュラウドは、高い磁気透過性を有するフェライト材料又は他の材料を使用して作製することができる。単一の層から構築されているように描写されているが、シールディングはまた、層の間の間隙の有無にかかわらず、多層の材料を使用して構築することもできる。
【０３０９】
シールディング材料はまた、渦電流及びヒステリシス損を最小にするために、薄シートから積層することもできる。図１２５は、鋼製シールド／シュラウドに起因する磁場の改善された閉じ込めを示す、図１２４に示されるデバイスの場プロットである。
【０３１０】
多極磁石の物理的構築は、交互する磁気極性を有する一連の角度セグメントとして以前に示されている。以下の画像は、多極永久磁石を物理的に構築するための異なる手法を示す。
【０３１１】
図１２６は、分割平面に対して平行な方向に磁化された２つの半部から構築される、４極永久磁石アセンブリを示す。
【０３１２】
図１２７は、図１２６に示される４極磁石の更なる変形例を示す。この変形例では、アセンブリの分割平面に対して平行な方向に磁化される一連の磁石を組み立てることによって、４つの磁極が作り出される。
【０３１３】
図１２８は、磁気極性が半径方向に交互に並ぶ一連の円弧セグメントから構築された、６極永久磁石アセンブリを示す。構築の様式は、図１２０の４極磁石に使用されたものに類似する。
【０３１４】
図１２９は、アセンブリの分割平面に対して平行に磁化される磁石から構築された、６極磁気アセンブリを示す。磁石は、組み立ての目的で更に細分化することができるが、画像に示される磁化の方向が保存されることを条件とする。
【０３１５】
図１３０は、４極永久磁石アセンブリの構築の変形例に関する磁場プロットを示す。図１３０のプロットにおいて、永久磁石アセンブリは、永久磁気材料のセクターの間に間隙を伴って構築される。これらの間隙は、永久磁石自体の中に磁場のより高い均一性をもたらす。これらの間隙は、以前に開示された他の磁石アセンブリのいずれにも容易に適用することができる。
【０３１６】
図１３１は、磁気材料のセクターの間に小さい間隙を組み込む４極永久磁石アセンブリを示す。各セクターを通る磁化の方向は、それぞれのセクターの端面上の矢印によって示される。磁化のこの方向は、図１３０に見られる磁場を生成する。
【０３１７】
磁場の局所的変動による磁気シールディング又は支持構造体における渦電流の形成による寄生エネルギー損失は、一連の積層シートの外にシールディング又は支持構造体を構築することによって緩和することができる。
【０３１８】
以前に開示された永久磁石デバイスの変形例において、図１３２のデバイスは、鋼又は他の磁気透過性若しくは強磁性材料の多重積層体から構築された外部鋼製シールディングを示す。
【０３１９】
構築に使用される各シートは、隣接するシートから電気的に絶縁され、それによって、シールディング又は支持構造体の大きい渦電流の形成を阻止する。フェライトシールディングが用いられない場合、支持構造体は、大部分を非導電性材料から構築することができ、更に寄生損失を低減させる。
【０３２０】
別の変形例において、鋼製シールディングは、非磁性材料の間隙を含む一連の同心積層アセンブリから構築することができる。この構築方法は、シールディング材料の容積の大幅な低減を可能にし、磁気シールディングの有効性及びデバイスの出力動力の低減を最小にする。
【０３２１】
鋼製シールディングが積層シールディング材料の１組の同心円層から作り出される、図１３２に示されるデバイスの更なる変形例を示す。中間空気間隙を有する多重層の使用は、必要とされるシールディング材料の質量の低減を可能にし、場の閉じ込め及びデバイスの動力出力への影響が最小である。
【０３２２】
以前に開示されたブラシレスの実施形態において、永久磁石アセンブリの高い回転速度での回転は、アセンブリ材料にかなりの遠心力負荷をかける。以下の変形例は、この力を含み、高速での永久磁気材料の構造的完全性を保存するために、高強度材料（ケブラー又は炭素繊維など）の外部層又はラップを使用する。
【０３２３】
図１３４は、ケブラー、炭素繊維、又はチタニウムなどの他の高強度で低電気伝導率の材料の外部ラップを有する、永久磁石を示す。外部材料は、高い回転速度での磁気材料への遠心力を含む。
【０３２４】
図１０２に示されるアセンブリの別の変形例において、アセンブリの永久磁石材料は、一群の同心リングに更に細分化される。高強度材料は、磁気材料に及ぼされる遠心力に対する追加的な支持体のいくつかの層を提供するために、これらの環状間隙の中に位置する。図１３５には、外部支持体層及び追加的な内部支持体層を有する変形例が示される。
【０３２５】
永久磁石アセンブリの構築に関するこの変形例は、永久磁気材料が、同心円層の間にケブラー又は炭素繊維材料を有するいくつかの同心円層に分割されるものである。層の間のこの追加的な材料は、高い回転速度での遠心力を抑えるように設計され、永久磁石アセンブリの構造的完全性を確実にする。
【０３２６】
この文書において提示される実施形態とモーター及び発電機の設計のための従来の手法との鍵となる差は、永久磁気材料から支配的に構築される円筒磁気アセンブリの使用に関する。これは、磁気材料が永久磁石アセンブリの半径方向の端部に配置されたより薄い材料層から成る永久磁石を使用したモーター／発電機の設計のためのより従来的な手法とは対照的である。この配置は、図１３６に示され、結果として生じる半径方向の場の強度のプロットは、図１３７に示される。
【０３２７】
モーターの場合には、この半径方向の磁場と、出力トルクを生成する永久磁石を中心に円形に配列される導体を流れる電流との相互作用であるので、半径方向の場の強度が重要である。同じ様式において、発電機の場合には、半径方向の磁場と、印加されたトルクに対応する電流を導体に発生させる運動導体との相互作用である。
【０３２８】
永久磁気材料でその全体が構成される（すなわち、「完全に満たされた」）円筒磁石に関する半径方向の磁場の強度は、図１３８に示される。第１の観察は、半径方向の磁場の強度が、デバイスの半径の周りにより均一分布することである。これは、実際には、３６０度の回転にわたって単一の相からのより均一なトルクの送達／動力の発生をもたらす。
【０３２９】
第２の観察は、磁気材料の容積の増加が、半径方向の磁場の強度を増加させることである。実際には、デバイスの動力出力は、その構築において用いられる磁気材料の容積に比例する。所与の容積内で最も高い動力を得るために、デバイスの内部アセンブリのできる限り多くを、永久磁気材料から作製しなければならず、場所的又は機械的支持の目的でだけ、この材料の幾らかの低減を伴う。
【０３３０】
磁気材料の所与の容積に対するデバイスの動力出力は、磁極の数の増加とともに減少し、すなわち、４極デバイスが２極デバイスよりも低い出力を有する、などである。
【０３３１】
図１３８は、以前に開示されたアセンブリに類似する全厚さ２極永久磁石アセンブリによって生成される半径方向の磁場の強度の断面場プロットを示す。半径方向の高い場の強度の領域は、図１３７のものと比較したときに、デバイスの外周の周りでより均等に広がる。
【０３３２】
この開示は、単極スタイルのタービンモーター及び発電機の開発に関する。具体的には、駆動磁場（単極回転子が動作する）を提供する電磁コイル又は磁気材料と、バルク超電導材料を、又は持続的な磁場を生成する超電導材料の積層体と置き換える、タービンの構築に関する。
【０３３３】
バルク超電導材料を使用した磁場の生成は、外部磁場又は励磁磁場の存在下で材料が冷却されたときに起こる。この外部の場が除去されると、超電導材料の反磁性の性質が、超電導体内の持続的な循環電流を作り出す結果となる。これらの持続的な循環電流は、外部磁場を効果的に作り出し、材料が超電導状態の範囲内に保たれている間はその場の生成能力を保持する、永久超電導磁石をもたらす。
【０３３４】
図１３９の第１の実施形態は、２つのバルク超電導磁石の間の単極回転子アセンブリを示す。超電導磁石への、及び該超電導磁石からの通電リードの除去は、超電導状態を維持するために必要とされる冷却能を大幅に低減させる。簡素化されたクライオスタットは、随意に、回転子に固定して、回転することを可能にすることができる。デバイスは、それでも、ファラデーパラドックスの結果として動作する。
【０３３５】
図１３９は、励起された超電導バルク材料を介して駆動磁場が作り出される、単極スタイルの電磁タービンを示す。バルク材料は、それがあるタイプの超電導永久磁石を形成するように誘導される、持続的な磁場を有する。
【０３３６】
図１４０の第２の実施形態において、バルク超電導磁石は、超電導材料の積層体から構築される。これらの積層体は、所望の磁場プロファイルを作り出すために必要とされる方向に循環電流を形成し、流すことを可能にするように整列される。図１４０は、図１３９に示されるものに類似する単極電磁タービンを示す。バルク超電導材料は、超電導材料の積層体を使用して作り出されている。
【０３３７】
以前に開示された実施形態において、通電巻線は、固定のオフセット又は隙間によって永久磁石アセンブリを取り囲む。このオフセットのため、デバイスの幅の広いアスペクト比は、主に、永久磁気アセンブリのアスペクト比によって決定される。このアスペクト比、すなわち永久磁石の長さとその直径との関係は、所与の容積の磁気及び通電材料に利用できる出力電力への影響を有する。
【０３３８】
デバイスの出力動力（デバイスアスペクト比の関数として）は、以下の２つの考慮事項に従う。
【０３３９】
第１に、特定の幾何学的形状から得ることができる動力は、デバイスの回転速度、すなわちＲＰＭとともに増加する。実際には、ピークの回転速度は、回転材料に対する遠心負荷によって課される物理的限度を受け、その結果、材料の外側半径での表面速度に依存する。これは、より小さい回転子直径を有するデバイスの幾何学的形状が、高い速度で回転することができ、動力の増加をもたらすことを意味する。
【０３４０】
第２に、磁気アセンブリの長さは、通電巻線上に結果として生じるトルクの大部分を作り出し、（モーターとして動作するときに）ほんの僅かなトルクが、端部巻線によって「取り込まれた」磁場から生じる。デバイスがそれらの直径に対してより長くなるにつれて、端部巻線からのトルク寄与が低減する。発電機の場合、端部巻線から生成された電圧への寄与は低減する。
【０３４１】
図１４１〜図１４４は、同じ量の磁気材料及び通電巻線を使用するが、デバイスの直径とデバイスの長さとの比率が異なる、２つの実施形態を示す。
【０３４２】
図１４１は、以前に開示されたデバイスのものに類似するアスペクト比を有する永久磁石デバイスの一実施形態を示す。明確にするため、いくつかの巻線が隠されている。
【０３４３】
図１４２は、図１４１に示されるデバイスの磁場プロットである。場は、永久磁石アセンブリの磁化の方向に対して平行に整列される、デバイスの水平断面を通してプロットされる。
【０３４４】
図１４３は、図１４１に示されるデバイスと同じ容積の磁気材料及び通電巻線を使用するが、直径がより小さく、それに応じて長さがより長い、永久磁石デバイスの一実施形態を示す。明確にするため、いくつかの巻線が隠されている。
【０３４５】
図１４４は、図１４３に示されるデバイスの対応する磁場プロットを示す。場は、永久磁石アセンブリの磁化の方向に対して平行に整列される、デバイスの水平断面を通してプロットされる。
【０３４６】
図１４１に示されるデバイスの図１４３の磁場プロットにおいて、磁場を示すベクトルは、デバイス（「Ｓ」極）に進入し、磁気材料の磁化の方向に沿って出る（「Ｎ」極）。中間点のいずれかの側の磁石の長さのかなりの部分に関して、磁場は、永久磁石を出て、「面内」の最も近い反対の極に戻る。したがって、場は、この文書において以前に示された断面場プロットと同様に振舞う。
【０３４７】
磁石のいずれかの端部において、磁場は、「面内」の円筒磁石の外周の周囲に戻らないが、デバイスの端部の周囲で曲がり、最も近い反対の極への最も短い磁束戻り経路をとる。
【０３４８】
比較として、図１４４は、図１４１の実施形態に対してより小さいデバイスの直径及びそれに応じてより長い長さを有する、図１４３に示される実施形態の磁場プロットを示す。デバイスの長さの延長は、より大きい割合のデバイス長さをもたらし、場の戻りがデバイスの外周の周囲の面内にあり、端部の周囲での磁場の曲がりの相対的寄与を減弱させる。
【０３４９】
同じ容積の材料の場合、より小さい直径及びより長い作業長さを有するデバイスは、回転構成要素の同じ外面速度であれば、より多くの動力を生成することができる。
【０３５０】
以下の実施形態は、以前に開示された技術の変形例を示す。以下の変形例は、通電巻線の一次トルク素子が単一の巻線相又は束を形成するように相互接続される方法の修正を組み込む。一次トルク素子は、永久磁石の軸方向長さを横断し、また、永久磁石の半径を中心に配置される、通電巻線のセクションである。これらの一次トルク素子を永久磁石のいずれかの端部において接続する巻線は、「端部巻線」と称される。
【０３５１】
以前の実施形態において、端部巻線は、永久磁石の端部の周囲で曲げることによって一次トルク素子に相互接続し、一方で、磁石の中心の低減した障害物のない内孔がトルク伝送シャフトを収容することを可能にする。
【０３５２】
以下の実施形態において、一次トルク巻線の単一の層は、２つの層に更に細分化されている。端部巻線は、特定の相の外側層と、同じ相の対応する戻り素子の内側層とを接続する。極の数に対応してデバイスを中心にある角度だけ変位させた（２極デバイスの場合は、１８０°、４極の場合は、９０°、など）別の層が、単一の相の巻線を完成する。
【０３５３】
図１４５は、修正した６相巻線を組み込んだ、以前に開示された永久磁石デバイスの一実施形態を示す。通電巻線は、デバイスのいずれかの端部の戻り巻線が、この時点で、一次トルク素子と同じ円筒プロファイル内に閉じ込められるよう修正されている。
【０３５４】
巻線を細分化することは、内側層と外側層との間の分離角度の半分にわたって一次トルク素子の端部から螺旋形に巻線を捻り、中間点で巻線自体の上に巻線背面を折り返し、そして、反対側の一次トルク巻線の内側層を再度螺旋状に横断させることによって、端部巻線を形成することができることを意味する。これは、一次トルク素子を拘束する内側半径及び外側半径の外側で巻線を下方に曲げることを必要とすることなく達成することができ、永久磁石アセンブリを組み立てることができる障害物のない内孔が残る。
【０３５５】
図１４６は、示された実施形態に描写される通電巻線の１つの相からの単一の層を示す。一次トルク素子は、それ自体の上に折り返される螺旋経路から成る端部巻線によって接続されることに留意されたい。
【０３５６】
新しい巻線によってもたらされるデバイスの内孔の追加的な隙間はまた、巻線の周りの冷却チャネル及び巻線の支持構造体の提供も支援する。
【０３５７】
図１４７は、通電巻線を伴わない、図１４５のデバイスを示す。外側構造体は、１組の積層巻線支持体又は巻型から成る。これらの支持体は、支持体における寄生渦電流の発生を低減させるために積層される。巻線支持体を封入するのは、巻線において発生する熱を除去するために冷却液が通される内側及び外側螺旋経路又はチャネルである。外側構造体は、巻線において発生する熱を除去するために冷却液が通される内側及び外側螺旋チャネルから成る。また、積層巻線支持体も示される。
【０３５８】
図１４８は、螺旋冷却チャネルの開始を示す、図１４７に示されるデバイスの断面端面図である。
【０３５９】
図１４９は、螺旋冷却チャネルの間の積層コイル支持構造体の追加的な詳細図を有する、図１４７の実施形態を示す。
【０３６０】
図１５０は、デバイスの軸に沿って螺旋経路を形成する外側冷却チャネルを示すために外側カバーを取り外した、図１４５〜図１４７に示されるデバイスを示す図である。
【０３６１】
通電巻線の冷却に関する更なる変形例は、図１５１に示される。この変形例において、外側支持構造体は、一連の積層体から構築される。積層体の各々は、積層体の周囲のピッチ円直径上に位置付けられる一連の切り欠きを有する。連続する積層体の中へ角度スキューを導入して積層体が組み立てられると、積み重ねた積層体内に１組の螺旋チャネルが形成される。図１５１は、寄生渦電流による損失を最小にするために、外側構造体が一連の積層板から成るデバイスを示す図である。多重螺旋チャネルは、積層体にスタンプ加工された切り欠きを段階的に捻ることによって形成される。
【０３６２】
図１５２は、通電巻線が適所にある、図１５１のデバイスを示す。図１５３は、図１５２に示されるデバイスの異なる半断面図である。
【０３６３】
以前に示された実施形態に類似する様式で、通電巻線を任意の数の電気相に分割することができる。図１５４は、通電巻線が更に１２相に分割された、図１５３のデバイスを示す。
【０３６４】
当業者は、図１５４に示される１２電気相の巻線を、１２束の通電巻線とみなすことができること、また、相電流が多重巻線束にわたって共有される３相又は６相のデバイスとして動作させることができることを認識するであろう。
【０３６５】
多層永久磁石モーター／発電機：
以前に提示された実施形態の更なる変形例では、通電導電性巻線の追加的な層をデバイスに加えることができる。巻線の追加的な層は、永久磁石によって生成される磁場と相互作用し、モーター又は発電機であるときにデバイスからより多くの動力を生成する。巻線の追加的な層の増加した作業半径のため、個々の巻線束の幅を増加させることができ、ここでも、デバイスの動力レベルを増加させる。
【０３６６】
図１５５は、通電巻線の追加的な層が含まれている、永久磁石デバイスの一実施形態を示す図である。追加的な層は、デバイスの動力レベルを増加させる。また、３層の冷却チャネルも存在し、１つの層が通電巻線の上側にあり、１つの層が通電巻線の下側にあり、第３の層が巻線層の間にある。
【０３６７】
１つの大きい層の代わりに多層の巻線を使用することは、巻線に発生する熱をより効果的に除去するために、該巻線層の間を通して冷却液をポンピングすることができるチャネルを、巻線層の間に作り出すことを可能にする。
【０３６８】
巻線の層の間の間隙の寸法は、より大きい冷却容量を可能にするために増加させることができる。間隙を増加させることによって得られる追加の冷却容量と、永久磁石に対して巻線の半径を増加させたときに起こる、結果として生じる磁場の減少との間で最適化を行わなければならない。追加の冷却容量は、巻線のより大きい電流密度を可能にし、したがって、所与の巻線領域におけるより大きい総電流を可能にする。したがって、間隙の距離は、間隙の増加によって利用できる増加した電流容量と、間隙の増加によって利用できる減少した磁場強度との間の最適化の問題である。
【０３６９】
図１５６は、通電巻線を取り外して巻線支持構造体の中の螺旋冷却チャネルの３つの層を示す、図１５５の実施形態の半断面図である。
【０３７０】
図１５７は、３組の冷却チャネルを示す追加的な詳細図を有する、図１５６の実施形態を示す図である。以前に示された内側チャネル及び外側チャネルは、通電巻線の内側層と外側層との間に位置する第３のチャネルによって拡張される。
【０３７１】
図１５８は、図１５５に示される多相通電巻線の半断面端面図を示す。図１５９は、図１５８に示される２層のデバイスによって生成される磁場プロットである。
【０３７２】
詳述された変形例を、多極の変形例を含む−以前に提示された他の実施形態に容易に適用することができることが当業者に明らかになるであろう。
【０３７３】
図１６０は、修正された端部巻線及び冷却チャネルを組み込んだ、単層永久磁石デバイスの４極の変形例を示す。
【０３７４】
図１６１は、４極通電巻線の１つの相からの単一の層を示す。４極機械の端部巻線は、２極デバイスと比較したときに、永久磁石の端部を大幅に超えて延在しない。
【０３７５】
図１６２は、支持構造体及び冷却構造体が適所にある、この文書に示されるタイプの永久磁石モーターを示す。これらの構造体は、巻線を環境から密閉し、一方で、巻線への又は該巻線からの電流の送達、及び巻線からの熱の除去に対する要求を満たす。
【０３７６】
多重回転子超電導トロイダル技術の改善及び変形例
以下の材料は、背景磁場又は「駆動」磁場、及び外側トロイド内に位置する複数の通常の導電通電巻線を作り出すために超電導外部トロイダル巻線を利用する、以前に説明されたトロイダルモーター及び発電機の変形例及び改善を詳述するものである。以下の実施形態は、超電導トロイダル巻線及び通常の導電回転子巻線とともに示されるが、当業者には、巻線のいずれか又は全てを、超電導材料又は通常の導電材料のいずれかから容易に構築することができることが明らかになるであろう。
【０３７７】
図１６３は、多重回転子トロイダルスタイルのモーター／発電機を示す。外側トロイダル巻線は、内部回転子巻線の周囲でのトロイドの構築を容易にするために、別個のクライオスタット内に含まれるセクションに分割される。
【０３７８】
主な変形例の１つは、駆動場生成トロイドのセグメントへの分割である。各セグメントは、セグメントの各々を内部回転子巻線の周囲に組み立てることを可能にする、それ自体のクライオスタットを有する。
【０３７９】
図１６３の巻線は、各セグメント内で連続的である−以前に開示されたトロイダルスタイルの駆動デバイスの実施形態と比較して、際立った特徴である。セグメントの巻線の連続的な性質は、磁場のトロイドの本体内への改善された閉じ込めにつながり、より多くの動力及びデバイス外部のより少ない浮遊磁場を生成する。
【０３８０】
例示されるデバイスには、中央シャフトと多重回転子駆動シャフトとの間でトルクを伝送するための螺旋ギヤも示される。
【０３８１】
図１６４は、内部通電回転子巻線を示すために１つのトロイダルセグメントの半セクションを取り外した、図１６３の実施形態を示す。図１６５は、内部回転子巻線を更に詳細に示す、図１６３の１／４断面図を示す。
【０３８２】
図１６３に示される実施形態の説明は、外側トロイドを構成するセグメント化された巻線及びクライオスタットの物理的構築に関する。外側トロイドを個々のクライオスタットにセグメント化することによって、クライオスタット内に含まれる超電導巻線とクライオスタット自体の外面との間に必要とされる隙間は、個々のトロイドセグメントを互いに機械的に締め付ける、巻線の間の間隙を必要とする。
【０３８３】
図１６６は、示されるトロイドの隣接する巻線セグメントの間の間隙が示される、多重回転子トロイダル駆動システムの一実施形態を示す。これらの間隙は、超電導巻線とクライオスタットの外壁との間に必要とされる隙間に起因する。
【０３８４】
図１６７は、トロイダル巻線の連続するセグメントの間の間隙を示す、図１６６に示される実施形態の端面図を示す。
【０３８５】
図１６８は、図１６６に示される、間隙のあるトロイダル巻線によって生成される磁場プロットである。
【０３８６】
図１６９は、図１６３及び図１６５に示されるデバイスの内部回転子アセンブリを示す。６つの回転子が、螺旋ギヤを介して中央駆動シャフトに接続されて示される。以前に開示されたように、回転子駆動シャフトは、中央シャフトとほぼ同じ速度でスピンさせるか、又は、中央シャフトに対する回転速度をステップダウン又はステップアップ（図示）することができる。
【０３８７】
図１７０は、図１６９に示される多重回転子アセンブリの端面図である。
【０３８８】
多重回転子永久磁石トロイダル技術：
単一の永久磁石の実施形態に関してこの文書で開示された変形例は、多重回転子アセンブリを組み込むトロイダル永久磁石技術に容易に適用することができる。適用可能な変形例としては、障害物のない内孔を生成する、すなわち、流体を介して、又は層間液体冷却チャネルを有する多層巻線の使用を介して、デバイスにおいて発生する熱を除去するために、デバイスを通る追加的な冷却チャネルを生成する、修正された端部巻線が挙げられる。
【０３８９】
図１７１は、通電巻線を液体冷却するための修正した端部巻線及びチャネルを組み込む、３回転子トロイダル永久磁石モーター／発電機を示す。
【０３９０】
図１７２は、通電巻線を液体冷却するための修正した端部巻線及びチャネルを組み込む、４回転子トロイダル永久磁石モーター／発電機を示す。
【０３９１】
図１７３は、通電巻線を液体冷却するための修正した端部巻線及びチャネルを組み込む、６回転子トロイダル永久磁石モーター／発電機を示す。
【０３９２】
通電巻線への電流送達のタイミング変形例
以前に開示された実施形態では、通電巻線の電流が、方形波の形状をとり、電流の極性反転が、連続する磁極の間の角度中間点において起こると想定されている。例えば、永久磁石のＮ極が０°であり、Ｓ極が１８０°である場合、巻線の電流の反転は、９０°において起こる。以下の実例は、２極デバイスの通電巻線の単一の相に関する。多極デバイスへの適用は、スイッチ点の間の角度を減少させることを含む。
【０３９３】
図１７４は、提示された実施形態において意図される、デフォルトの方形波電流パターンを示す。永久磁石の極は、０°及び３６０°を通して整列する。
【０３９４】
永久磁石の周囲の通電巻線の数（したがって、電流の総量）が増加するにつれて、巻線によって生成される磁場は、永久磁石によって生成される磁場を歪ませる。この場の歪みは、デバイスの極をシフトさせ、よって、厳密な方形波電流プロファイルの適用が、意図するトルク又は電流の生成方向とは逆のトルク及び電流を生成する通電巻線の素子をもたらす。
【０３９５】
この場の歪み及び非生産的な影響を緩和するための１つの手法は、通電巻線の電流信号のタイミングを変化させることである。手法としては、以下が挙げられる。
−  巻線と永久磁石によって生成される極との間の角度に対する方形波のスイッチ点を進行又は遅延させる（図１７５及び図１７６）
−  スイッチ点の前及び／又は後のある期間にわたって巻線の電流を効果的にゼロにするように、電流反転の際にドエル期間を導入する（図１７７）
−  方形波信号を、スイッチ点に到達したときに巻線の電流のレベルが自然に漸減する、同等の正弦又は余弦電流信号と置き換える（図１７８）
【０３９６】
図１７５は、図１７４のタイミングに対して遅延させた電流反転のタイミングを有する方形波電流送達を示す。
【０３９７】
図１７６は、図１７４のタイミングに対して進行させた電流反転のタイミングを有する方形波電流送達を示す。
【０３９８】
図１７７は、いかなる電流も巻線に流れていない、電流反転中のドエル区間を有する方形波電流送達を示す。
【０３９９】
図１７８は、方形波電流送達と、正弦波電流送達のための余弦波と同等の電流波形との比較を示す。
【０４００】
更に、提示されるタイミングの変形例はまた、例えば、正弦波電流波形又は先行若しくは遅延させたタイミングを有するドエル区間を有する電流波形を使用して、一緒に使用することもできる。また、厳密に正弦波ではないスイッチ点に電流が到達したときに、電流の段階的な低減を用いることも許容できる。重要な点は、電流の振幅及びタイミングの変動が、通電巻線によって引き起こされる磁場への大きい歪みによって引き起こされるデバイスの出力動力に対する非生産的な影響を低減させることである。
【０４０１】
提示される電流波形は、示したものであり、導電性巻線における潜在的な電流波形を限定するものとみなすべきではない。
【０４０２】
以下の材料は、トロイダル技術の変形例に関する。通電トロイダル巻線を含む、以前に開示された実施形態において、生成される背景場は、一定−背景場コイルのＤＣ電流の関数−である。回転巻線の電流は、正弦波又は方形波ＡＣ信号として交互する。
【０４０３】
この実施形態の変形例において、トロイダル巻線は、交流電流を受け、回転巻線は、固定ＤＣ電流を受ける。トロイダル巻線の交流電流は、モーターとして用いられたときに、回転巻線の回転をもたらす。代替的に、ＤＣ駆動の回転巻線は、発電機として用いられたときに、ＡＣ信号をトロイダル巻線に誘導する。
【０４０４】
以前に開示されたデバイスの更なる変形例において、回転巻線は、永久磁石回転子と、又は持続的に磁化される超電導バルクと置き換えられる。磁気材料の回転は、トロイダル背景場巻線を通過する同じ交流電流を通して達成される。
【０４０５】
図１７９は、ＡＣ源によってトロイダル背景巻線が駆動され、極性が交互する背景場をもたらす、トロイダル技術の一実施形態を示す。回転子は、以前に通電巻線／電磁石が使用された永久磁石である。
【０４０６】
図１８０は、図１７９に示されるデバイスの磁場プロットを示す。永久磁石回転子は、トロイダル背景巻線の磁場と整列されて示される。
【０４０７】
図１８１は、図１７９に示されるデバイスの磁場プロットを示す。永久磁石回転子は、トロイダル背景巻線からの磁場の接線方向に対して４５度回転させて示される。
【０４０８】
図１８２は、図１７９に示されるデバイスの磁場プロットを示す。永久磁石回転子は、トロイダル背景巻線からの磁場の接線方向に対して９０度回転させて示される。
【０４０９】
以前にいくつかの潜在的な電流波形が開示された。開示された波形は、単一相における電流信号に関する。当業者には、これらの波形が多重独立相巻線に印加されたときに、連続する相巻線に波形の位相シフトを印加しなければならないことが明らかになるであろう。
【０４１０】
図１８３及び図１８４は、多相動作の文脈において開示されたデバイスの交流又は通電巻線における潜在的な電流波形を示す。示される印加された入力波形から連続的なトルクを生成するために、６相の巻線が、１２のトルク生成素子又は電流発生素子をもたらすことに留意されたい。
【０４１１】
図１８３は、２極、６相デバイスの必要とされる位相シフトを示す通電巻線の潜在的な正弦波電流波形を示す。
【０４１２】
図１８４は、２極、６相デバイスの必要とされる位相シフトを示す通電巻線の潜在的な方形電流波形を示す。
【０４１３】
通電巻線を駆動するためにＡＣ正弦波を使用する際には、同等の方形波に勝る更なる利益がある。方形波及び正弦波が同等の動力を送達する（すなわち、送達される電流のＲＭＳ値が同じである）とき、正弦波電流で動作するデバイスの動力出力は、モーターであるときに送達されるトルクにおいてより少ないリップルを生成し、また、約８〜１１％多い動力を生成する。この傾向は、図１８５に示される。
【０４１４】
図１８５は、各々が同じＲＭＳ電流値を有する、巻線が方形波電流で動作するデバイスからの出力動力と、巻線が正弦波電流で動作するデバイスからの出力動力との差を示す。正弦波電流を使用するデバイスは、リップルがより低く、動力がより高いことに留意されたい。
【０４１５】
多重回転子永久磁石機械がデバイスの外周の周囲に鋼製シールディングを有する以前の実施形態に加えて、以下の実施形態は、この外部シールディングがデバイスの外部輪郭に従う変形例に関する。このシールディングの形態は、デバイスから外へ延在する浮遊磁場の量を低減させる。このシールディングはまた、機械の動力レベルを増加させる。この形態及び以前の形態のシールディングはどちらも、渦損失及びヒステリシス損失を低減させるために、積層鋼製シートから構築することができる。更に、本特許において提示されたデバイスの全てにおけるヒステリシス損失は、シリコン鋼などの低ヒステリシス材料の使用を通して最小にすることができる。
【０４１６】
図１８６は、永久磁石の長さだけ延在し、各端部が開いているシールディングを示す。これは、いかなる形であれ、鋼シールディングの形状又は範囲を限定するものとみなすべきではない。シールディングは、巻線及び支持構造体の端部まで延在させることができる。また、磁場を更に含むために、鋼製端部キャップをデバイスのいずれかの端部に使用することもできる。シールディングの厚さもまた、より多い又はより少ない場の閉じ込めが必要とされる領域において変化させることができる。
【０４１７】
図１８６には、３回転子システムの外部輪郭に従う積層鋼製シールドを有する、３回転子永久磁石トロイダル機械が例示される。明確にするために、シールディングは、永久磁石の長さだけ延在するが、更なるシールディングが必要であると考えられた場合は、代替的に、巻線の端部まで延在させ、いずれかの端部で囲むことができる。
【０４１８】
図１８７は、機械の外部輪郭に従う追加的な鋼製シールディングを有する、図１８６に示される３回転子トロイダルデバイスの磁場プロットである。追加的な鋼が磁場を更に含み、デバイスの動力出力を増加させる。
【０４１９】
図１８８は、機械の外部輪郭に従う追加的な鋼製シールディングを有する、４回転子トロイダルデバイスの磁場プロットである。追加的な鋼が磁場を更に含み、デバイスの動力出力を増加させる。
【０４２０】
図１８９は、機械の外部輪郭に従う追加的な鋼製シールディングを有する、６回転子トロイダルデバイスの磁場プロットである。追加的な鋼が磁場を更に含み、デバイスの動力出力を増加させる。
【０４２１】
図１９０は、図１８９に示されるが、磁場の閉じ込めを示すために示される２００ガウス及び５ガウスの磁場線境界を有する、６回転子トロイダルデバイスの磁場プロットである。
【０４２２】
上で述べた実施形態において、磁石は、アセンブリ内に整列され、よって、磁場は、大部分がトロイダルパターンのアセンブリ内に含まれた。以下の実施形態において、磁石が回転しているときに、この連続する磁極の配設は、デバイスの出力のより大きい変動をもたらす。以下の実施形態は、出力トルク又は動力の非常に低いリップルを生成するために、隣接する永久磁気回転子の間で異なる極性の相対的角度を使用する。
【０４２３】
連続する回転子極性の斬新な配設もまた、永久磁石の全てが場を同時に外方に「投じ」ないことを確実にすることによって必要とされる、シールディング鋼の量を低減させる。
【０４２４】
以前に開示されたトロイダルの場合、アセンブリの連続する永久磁石の間の磁極の角度の差は、３６０ｏ／（アセンブリの数）に等しかった。これは、永久磁石が固定されているときに、有効な場の閉じ込めをもたらした。
【０４２５】
以下の実施形態において、アセンブリの連続する永久磁石の間の磁極の角度の差は、２×３６０ｏ／（アセンブリの数）に等しい。例えば、４つのアセンブリクラスタの場合、角度は、２×３６０ｏ／４＝１８０ｏこの関係は、低いリップルを生成するが、いかなる形であれ、類似する位相不一致の関係及び出力トルク又は動力の低いリップルを生成する、連続する磁気極性の代替の配設を、限定するものとみなすべきではない。
【０４２６】
デバイスの更なる強化を以前に提示したが、この文書は、始動中のデバイスの挙動に関する。低減したトルク容量の領域にデバイスを停止させるシナリオを回避するために、アセンブリ又はクラスタ部材の１つを、その「通常の」位置に対して僅かにシフトさせて、追加的な始動トルクを生成することができる。代替的に、巻線に電流を供給するコントローラは、より高いレベルの始動トルクを生成し、かつ失速始動条件の可能性を低減させるために、巻線における電流の流れの相対的タイミングを進行又は遅延させることができる。
【０４２７】
図１９１は、６つの回転子を有するブラシレス永久磁石クラスタアセンブリを示す。画像は、永久磁石の詳細を示すために、外側鋼製積層体及び巻線を部分的に切り取って示す。
【０４２８】
図１９２は、図１９１に示されるデバイスの端面図である。矢印及び角度は、ある回転位置でのクラスタアセンブリ内の連続する永久磁石の相対的極性を示す。
【０４２９】
図１９３は、単一回転子位置に関する、図１９１に示されるデバイスの磁場プロットである。
【０４３０】
図１９４は、４つの回転子を有するブラシレス永久磁石クラスタアセンブリを示す画像は、永久磁石の詳細を示すために、外側鋼製積層体及び巻線を部分的に切り取って示す。
【０４３１】
図１９５は、図１９４に示されるデバイスの端面図である。矢印及び角度は、ある回転位置でのクラスタアセンブリ内の連続する永久磁石の相対的極性を示す。
【０４３２】
図１９６は、単一回転子位置に関する、図１９４に示されるデバイスの磁場プロットである。
【０４３３】
図１９７は、３つの回転子を有するブラシレス永久磁石クラスタアセンブリを示す。画像は、永久磁石の詳細を示すために、外側鋼製積層体及び巻線を部分的に切り取って示す。
【０４３４】
図１９８は、図１９７に示されるデバイスの端面図である。矢印及び角度は、ある回転位置でのクラスタアセンブリ内の連続する永久磁石の相対的極性を示す。
【０４３５】
図１９９は、単一回転子位置に関する、図１９７に示されるデバイスの磁場プロットである。
【０４３６】
様々な形態の単極デバイスもまた、エネルギー貯蔵及びパルスエネルギー送達の形態、すなわち、単極デバイスのデューティサイクルが１００％以下である動作モードとして使用することができる。
【０４３７】
電磁リニア加速度モーター（リニアモーター）は、広範囲に使用されている。動力及びエネルギー送達レベルの増加とともに、エネルギー供給及びスイッチングデバイスが問題を含むようになり、大規模なデバイスの採用を制限する。この文書内で開示された先進の単極技術は、レールガン及びコイルガン用途が挙げられるがこれらに限定されない、リニアモーター及びパルスエネルギー送達用途に非常に適している。
【０４３８】
開示されたパルス動力システムの基本要素は、以下の通りである。
１．エネルギー貯蔵のためのフライホイール
２．単極発電機、及び
３．高電流パルス状スイッチングシステム
【０４３９】
フライホイールは、回転エネルギーを貯蔵するために使用される、回転機械的デバイスである。エネルギーは、異なる期間にわたって効率的に貯蔵することができ、また、負荷の下で発電機に接続されたシャフトを介して放出することができる。デバイスに貯蔵されるエネルギーは、回転部の形状、回転速度、及び重量に依存する。新しい材料及び技術は、フライホイールを、利用可能な最も効率的なエネルギー貯蔵システムのフライホイールの１つにする。フライホイールシステムに含まるエネルギーは、以下のように説明することができる。
回転エネルギー：
【数３】
2017518730.tif 000005
慣性（選択した実施例）：
固体等方性円筒：
【数４】
2017518730.tif 000006
等方円筒チューブ：
【数５】
2017518730.tif 000007
【０４４０】
単極発電機は、回転速度、磁気場、寸法、及び負荷に応じて純粋な直流動力を生成する。ディスクタイプの発電機では、大きいディスクが、外部磁場の中を回転していて、シャフトと外側リムとの間に電圧を発生させる。
【０４４１】
好ましい実施形態では、回転子の回転質量もまた、回転子と固定子との間にいかなる電気的接触もないときに、フライホイールに類似するエネルギー貯蔵デバイスを形成することができる。この「フリーホイーリング」モードにおいて、電圧は、回転子の内側半径と外側半径との間に発生するが、いかなる電流も回転子と固定電流送達経路との間に流れない。回転子と固定電流経路との間に瞬間的な接続が形成されたときに、電流が流れ、フライホイールに貯蔵された機械的エネルギーから電気エネルギーのパルスを送達する。高い動力又はパルスエネルギーレベルの場合、スイッチングは、２〜３ミリ秒〜数秒の時間フレームにわたって正確なパルス幅を送達するために、高い電流に耐えるようにロバストであり、かつ制御可能でなければならない。
【０４４２】
好ましい実施形態において、このスイッチングは、カソードとアノードとの間に電流経路を提供する液体金属スイッチを使用して達成される。回転舌状部及び固定溝におけるある量の液体金属の引き込みに依存する液体金属ブラシの以前に開示された実施形態と対照的に、液体金属スイッチは、電流接点のカソードとアノードとの間で、液体金属の制御されたスプレー又はフィルムを送達する。この送達は、加圧ガスによって液体金属をポンピング又は加圧することによって達成することができる。これらの液体金属スイッチシステムは、高い電流伝達密度が可能であり、また、間欠的動作にもよく適している。
【０４４３】
図２００は、カソードとアノードとの間で液体金属材料のスプレー又は材料のフィルムを使用して電流伝達経路を作製する、又は遮断するという原理に基づく、固定液体金属スイッチの２つの形態を示す。
【０４４４】
液体金属スイッチの２つの基本形態は、液体金属材料のスプレー又は液体金属材料の加圧フィルムのいずれかに基づく。上の実施例において、カソード及びアノードは、固定されている。
【０４４５】
全般に、図２００に示されるスプレーシステムは、非常に短い接触時間にわたって使用することができるが、より多い量の液体を必要とする。接触時間は、主に、液体の速度（圧力）及びシャッターの動作時間に依存する。
【０４４６】
これに対して、ブラシシステムは、カソードとアノードとの間のより大きい接触領域を可能にし、したがって、全体的により少ない液体を使用する。スイッチング時間は、ここでも、液体の速度（圧力）、シャッターの動作時間、及び２つの接触領域の間で液体を放出するために必要とされる時間に依存する。
【０４４７】
このスイッチングはまた、単極デバイスの回転子と固定通電経路との間に間欠的液体金属接点を実現することによって達成することができる。このタイプの液体金属スイッチのスプレーシステム及びブラシシステムの実現形態は、それぞれ、図２０１及び図２０２に示される。
【０４４８】
図２０１は、固定カソードと回転アノードとの間のスプレーシステム液体金属スイッチ又は接点を示す。
【０４４９】
図２０２は、固定カソードと回転アノードとの間のブラシシステム液体金属スイッチ又は接点を示す。
【０４５０】
図２０１に示されるスプレーシステムは、高い電流密度を有する非常に短いパルスを可能にするために開発された。オンとオフとの間の接触時間は、２〜３ミリ秒程度の短さにすることができる。これに対して、図２０２のブラシシステムは、２〜３００ミリ秒のスイッチング時間を有する高い電流密度での連続動作又はパルス動作を可能にするために開発された。
【０４５１】
以前に述べたように、パルス動力システムのフライホイールは、単極発電機の回転子を形成することができる。大量のエネルギーを単極回転子に貯蔵するためのこのようなデバイスの一実施形態は、以下の図２０３に示される。発電機／フライホイールの回転子に直接連結される外部モーター又は単極モーターのディスクを、システムに充電するために使用することができる。
【０４５２】
一実施形態において、図２０３の複合フライホイール／発電機は、図２０４に示される完成したパルス動力システムの一部を形成する。この実施形態において、エネルギーパルス持続時間の最終制御は、液体金属スイッチによって行われ、該液体金属スイッチは、単極発電機／フライホイールの固定構成要素と回転構成要素との間で電流を伝達する液体金属接点又はブラシとは別体である。スイッチング機構を分離することで、エネルギーパルス幅変調及び持続時間のより細かい制御を可能にする。
【０４５３】
発電機／フライホイール構成要素における摩擦損失を最小にするために、回転部品と固定部品との間に用いられる液体金属ブラシはまた、動作に際して間欠的にすることもでき、別個の液体金属スイッチによって決定される電流パルス持続時間のいずれかの側を延長する、より長い接触時間を形成する。
【０４５４】
図２０４に示される負荷又は潜在的応用は、レールガン及びコイルガンを含む−これらの負荷は、示唆的なものであり、正確なパルス動力／エネルギー送達が必要とされる用途を限定するものとみなすべきではない。
【０４５５】
図２０４では、出力電気エネルギーパルスの最終制御が別個の固定液体金属スイッチによって行われる、パルス動力システムが示される。この別個のスイッチは、エネルギーパルスの持続時間にわたる微調整を可能にする。
【０４５６】
更なる実施形態において、液体金属スイッチは、単極発電機／フライホイールアセンブリの一部を形成する。「フリーホイーリング」モードでは、回転子／フライホイールと固定通電経路との間にはいかなる接点も作製されない。エネルギーパルスが必要とされるときには、液体金属が、図２０１及び図２０２に示されるタイプの回転液体金属スイッチを通してポンピング又は加圧下で送達され、その結果、取り付けられた負荷に電流パルスが送達される。このシステムの実施例は、図２０５に示される。このシステムは、場合によっては正確なエネルギーパルスの持続時間の達成を犠牲にして、図２０４に描写されるものよりも幾らか簡素である。図２０５のパルス動力システムにおいて、液体金属スイッチは、単極発電機／フライホイールアセンブリに統合される。
【０４５７】
更なる実施形態において、ツインディスク単極発電機は、２つの液体金属スイッチシステムを用いることができる。このシステムは、順次的な電流パルスの即座の提供を可能にする。このタイプの動力送達は、しばしば、リニアモーターのパルス固定子コイルの供給に必要とされる。回転子が二重反転である場合、電流パルスは、交互極性とすることができる。二重反転回転子の更なる利益は、マウンティング点に対する総トルク負荷が低減されることである。ディスクの間の共通点を描写する実施形態は、図２０６に示される。
【０４５８】
示されるデバイスは、単極回転子に統合されるフライホイールを使用するが、当業者は、回転シャフトを介して発電機に接続される別個のフライホイールを用いることができることを容易に認識するであろう。図２０６は、電気動力の順次的なパルスをリニアモーターの一連の固定子コイルに供給するための、ツインディスクパルス動力システムを示す。二重反転回転子を用いることによって、順次的なパルスを反対の極性とすることができる。
【０４５９】
以下の実施形態は、以前に開示された永久磁石技術の実用的な構築に関する。効率的な動作を可能にする様式でこれらのデバイスを構築するために、デバイスを構成する様々な構成要素における渦電流又は寄生損失の発生を最小にするための慎重な考慮を行わなければならない。支持構造体の大部分は、非導電導体又は低電気導体のいずれかである材料を使用して構築することができるが、磁気要件は、機械の外側部品における鋼製積層体の使用を求めており、熱に関する考慮事項は、通電巻線を支持するために、アルミニウムなどの導電性材料を使用することを必要とする場合がある。
【０４６０】
全般に、渦電流損失は、固体バルクの代わりに薄い積層体からこれらのセクションを構築することによって低減させることができる。これは、デバイスの半径の周りの面内に作用する磁場によって誘導される渦電流に対しては効果的であるが、この半径方向の面から作用する場成分によって大幅な渦電流損失が発生し得る。これは、永久磁石のいずれかの端部の領域において特に明らかである。
【０４６１】
導電性巻線のための支持構造体を含む典型的な実施形態は、図２０７に示され、該図は、積層鋼製磁束ガイド及び積層アルミニウム製巻線支持体の双方を含む、永久磁石モーター／発電機を示す。
【０４６２】
これらの追加的な渦電流によって引き起こされるエネルギー損失の大幅な低減は、巻線支持構造体及び積層鋼製磁束ガイドの双方に円形の切れ目を追加することによって達成することができる。円形の切れ目に加えて、渦電流損失の更なる低減は、積層体を半径方向に切れ目を入れることによって達成することができる。積層体の切れ目は、完成した電気的絶縁を隣接するセグメント化された構成要素の間に提供する様式で入れなければならない。この切れ目は、渦電流を形成することができる経路長さを低減させ、それによって、渦電流の強度及び関連するエネルギー損失を低減させる。図２０８、図２０９、及び図２１０は、図２０７に描写される実施形態において使用される追加的な切れ目を強調表示する。
【０４６３】
図２０８は、渦電流損失を低減させるための、巻線支持体及び鋼製磁束ガイドの円形及び半径方向に分離する切れ目の詳細を示す、図２０７の実施形態の端面図である。また、デバイスに流体をまっすぐに通過させるための冷却チャネルを形成する、積層体の一連の楕円形の切れ目も示される。
【０４６４】
半径方向の切れ目の場所は、完成した積層アセンブリの寸法安定性、強度、及び材料の挙動の均一性を改善するために、連続する積層体において順次的に千鳥状にすることができる。
【０４６５】
積層体に対する追加的な円形及び半径方向の切れ目は、積層スタックの端部において最も大きい影響を有する。示された実施形態の更なる変形例において、積層スタックの中心付近の積層体の一部分は、損失の大幅な増加を引き起こすことなく、追加的な切れ目を伴わずに構築することができる。
【０４６６】
図２０９は、アルミニウム製巻線支持構造体の端部で半径方向に分離する切れ目の詳細な吹き出しを示す。
【０４６７】
図２１０は、鋼製磁束ガイドに適用された円形及び半径方向の切れ目の詳細な吹き出しを示す。上の図における半径方向の切れ目は、積層材の特性及び強度の均一性を改善するために、連続する積層体において順次的にオフセットされている。
【０４６８】
液体金属電流コレクタの設計の更なる変形例
以下の実施形態は、加圧液状金属再循環システムの一部として動作するように設計された、液体金属電流コレクタの幾何学的形状の変形例を示す。
【０４６９】
第１の変形例（図２１１に示される）において、液体金属材料は、固定子自体の共通のリザーバ又は加圧供給チャネルから、回転子内の一連の注入ポートに対して平行に送給される。共通の加圧供給チャネルの入口と出口との間の壁は、液体金属がこのチャネルを再循環するのを防止するために使用することができる。
【０４７０】
図２１１は、液体金属電流コレクタシステムの回転子及び固定子の半断面図である。システムの固定子は、液体金属材料のリザーバが固定子の角度付き孔を通して分配される、共通の加圧供給チャネルを含む。
【０４７１】
注入ポートは、ある回転の方向における動作に適している角度で示される。これらのポートは、双方向の動作のために、固定子の外周に対して９０度（すなわち、外周に対して垂直）にすることができる。この変形例において、余分な液体金属を回転子ディスクの側部で収集することができる。代替的に、各組が回転の特定の方向に適するように角度が付けられる２組の注入ポートは、電流の回転方向に対する正しい組のポートの動作を確実にする、逆止め弁を用いることができる。
【０４７２】
図２１２は、図２１１の実施形態の半側断面図である。共通の加圧供給チャネル及び角度付き注入孔は、固定子と回転子との間の間隙に液体金属を送達するために使用される。供給チャネル自体は、加圧液状金属が送達及び抽出することができる、入口及び出口を有する。入口及び出口は、液体金属が供給チャネルの中を循環し続けることを防止する壁によって分離される。
【０４７３】
図２１３は、図２１１の実施形態の更なる断面の変形例である。共通の加圧供給チャネル及び角度付き注入孔は、固定子と回転子との間の間隙に液体金属を送達するために使用される。供給チャネル自体は、加圧液状金属が送達及び抽出することができる、複数の入口及び出口を有する。
【０４７４】
第２の変形例では、共通の加圧供給チャネルが取り外され、角度付き注入ポートが、回転子の外面に出ている。これらの注入ポートへの液体金属の送達は、外部リザーバから、又は各注入ポートの個別制御の調整器を介して平行に行うことができる。以下の実施形態では、固定子と回転子との間の間隙に送達される引き込まれた液体金属のための追加的な放出経路を促進することができる、角度のないポートが示される。
【０４７５】
図２１４は、角度付き注入ポートが固定子の外側縁部上の個々のオリフィスに導かれる、代替の一実施形態を示す。また、角度のない液体金属放出ポートも示される。
【０４７６】
図２１５は、図２１４の実施形態の半側断面図である。この実施形態では、共通の加圧供給チャネルが取り外され、角度付き注入孔が、固定子の外面に延在している。角度のない孔は、随意に、回転子−固定子の間隙領域からの液体金属の放出を支援するために使用することができる。
【０４７７】
以下のデバイスにおいて、電気エネルギーは、機械的作業に変換され、又は、背景磁場内を移動する通電導体のアクションを通して電気エネルギーを作り出すために、機械的作業が使用される。
【０４７８】
以下の実施形態において、この背景磁場は、一連の隣接する電磁コイルによって作り出され、該電磁コイルは、通電導体が移動する作業領域又は一連の作業領域の中へ磁場を方向付けるために、トロイド又はトロイドのセクションの形態に巻回される。これらのトロイダルセクションはどちらも、通電導体／巻線における電流流れの方向に対して実質的に垂直であり、かつ磁場の大部分をデバイス自体の中に含むように磁場を方向付ける。この様式で、鋼製又は強磁性磁束ガイドを必要とすることなく、高動力デバイスを構築することができる。
【０４７９】
トロイダル巻線セクションの間には、通電導体の機械的配置及び動作を可能にするために、間隙領域が存在する。
【０４８０】
示された実施形態の全てでは、トロイダル巻線セクション及び配設が超電導ワイヤから構築され、通電導体が銅などの通常の導電材料から構築される。当業者には、デバイスのいずれかの部分を、超電導材料又は通常の導電材料のいずれかから容易に構築することができることが明らかになるであろう。
【０４８１】
加えて、提示される実施形態に示される通電導体は、回転子外周の周囲の連続ジグザグ巻線として示される。一連のベッドステッド又はレーストラックスタイルのコイルを使用する代替の実施形態も用いることができることが明らかである。この代替の巻線のスタイルは、この文書において以前に開示されている。
【０４８２】
提示される実施形態において、隣接するトロイダルセクターによって生成される磁場は、一定のままであり、かつトロイダルセクターコイルに送給される一定の直流によって生成される。通電巻線の電流は、それがトロイダルセクターの配設によって作り出される連続する磁極に接近するにつれて、極性を変化させる。電流波形は、正弦波、方形波、又は生成される動力を最大にし、かつ出力動力のリップルを低減させる任意の他の波形とすることができる。
【０４８３】
当業者には、背景場の極性が順次的に変更され、通電回転子アセンブリの電流が一定に保たれる、逆のシナリオも可能であることが明らかになるはずである。
【０４８４】
通常の場合、作業領域又は間隙領域の磁場を作り出す「背景場コイル」が固定され、通電導体又は巻線がこの間隙領域又は作業領域を通って回転子支持構造体上を運動する。また、通電巻線が固定され、背景場コイルが運動する、逆のシナリオも可能である。
【０４８５】
図２１６〜図２３４は、「星形トロイダル」デバイスと称される一連のデバイスを開示する。これらのデバイスは、作業領域を流れる電流が機械の回転軸に対して平行に流れる、多極ＡＣモーター又は発電機から成る。星形トロイダル巻線によって生成される背景磁場は、主に、半径方向に作用する。
【０４８６】
これらのデバイスは、多極であり、回転子は、多重電気相巻線から成る。実施形態は、任意の数の極及び電気相に容易に拡張することができる。
【０４８７】
図２１６は、トロイダル巻線セクションの星形配設を示す。この配設は、作業領域又は間隙の外周の周囲の印において順次的に反対になる８つの極を生成する。
【０４８８】
図２１７は、作業領域の通電導体を通る磁場の配向を示す、図２１６の実施形態によって発生する磁場プロットを示す。
【０４８９】
図２１８は、図２１６に示される実施形態の変形例を示す。この変形例では、連続する磁極の総数が１８個に増加している。
【０４９０】
図２１９は、図２１８に示される変形例の磁場プロットである。
【０４９１】
図２２０は、通電巻線の回転子アセンブリの等角図を示す。示される実施形態において、通電巻線は、デバイスの作業半径の外周の周囲に位置付けられるジグザグ巻線の６つの電気相から成る。
【０４９２】
図２２１は、図２２０に示される回転子アセンブリと組み合わせた図２１６のトロイダルセクターアセンブリから成る、星形トロイダルデバイスの完成した一実施形態の端面図である。
【０４９３】
図２２２は、図２２１の完成した実施形態の等角図である。
【０４９４】
好ましい実施形態において、星形トロイダルコイルは、超電導ワイヤ又はテープで作製され、クライオスタットに収容される。図２２３に描写されるように、このクライオスタット筐体は、星形トロイドの内側素子及び外側素子の別個のクライオスタットから成ることができる。
【０４９５】
代替の実施形態において、内側及び外側クライオスタットは、極低温構成要素の全てのための単一の一体化されたクライオスタットを作り出すために、一方の端部で接合することができる。通電回転子アセンブリへの物理的及び機械的アクセスは、クライオスタットが接合される場所の反対側の端部からになる。この実施形態は、図２２５に例示される。
【０４９６】
更なる実施形態において、各トロイダルセクター素子は、内側か外側かにかかわらず、モジュール様式で、それ自体の別個のクライオスタット内に含むことができる。この配設は、より大きいデバイスに、又は個々のクライオスタットモジュールの故障の後に動作を続けることができることが望ましくなる場合によく適している。この実施形態は、図２２６〜図２２８に描写される。
【０４９７】
図２２３は、一部を断面にした超電導星形トロイダルアセンブリの内側及び外側クライオスタット、並びに通電巻線を含む回転子アセンブリの支持構造体を示す、図２２１の実施形態を示す。
【０４９８】
図２２４は、図２２３の完成したクライオスタット及び回転子アセンブリを示す。
【０４９９】
図２２５は、内側及び外側星形トロイダルセクターが１つの接合されたクライオスタットに収容された実施形態の半断面図を示す。
【０５００】
図２２６は、内側及び外側星形トロイダルセクターの各々がモジュールスタイルの個々のクライオスタット収容される、完成した１８極の実施形態を示す。
【０５０１】
図２２７：モジュール式クライオスタット素子の概要が示される、図２２８に示される完成した１８極デバイスの等角図。
【０５０２】
図２２８は、図２２６の実施形態の外部等角図である。
【０５０３】
以下の実施形態は、以前に開示された星形トロイダル駆動の更なる変形例を描写する。これらの変形例は、いかなる形であれ、開示された原理に基づいてデバイスを構築する潜在的応用又は方法を限定するものとみなすべきではない。
【０５０４】
第１の変形例において、以前に外側トロイダル経路に相互接続された内側トロイダルセクターは、中心軸を中心に４５度回転されているが、現在の配向は、磁場が個々のトロイドの周囲の円形に近い経路に方向付けられ、作業間隙領域を通るように設定される。
【０５０５】
図２２９は、単一の１組の内側及び外側トロイドセクターの周囲に方向付けられる磁場によって各磁極対がこの時点で作り出されるように、内側トロイダルセクターを４５度回転させた、星形トロイダルデバイスの変形例を示す。
【０５０６】
図２３０は、トロイダルセクター及び通電回転子巻線とともに示される、図２２９の実施形態を示す。
【０５０７】
別の実施形態では、内側トロイドが、作業領域から各連続する外側トロイドセクターへ磁束を案内するために使用される、鋼製の又は強磁性体に基づく磁束ガイドと置き換えられる。この手法は、内部トロイドをデバイスに収めることが困難になる、より小さいデバイスによく適している。
【０５０８】
図２３１は、内部トロイダルセクターを、連続する外側トロイダルセクターの間に磁場を案内する鋼製又は強磁性材料のリングと置き換えた変形例を示す。
【０５０９】
図２３２は、通電回転子巻線を加えて示される、図２３１の実施形態を示す。
【０５１０】
図２３３は、連続するトロイダル素子の間に磁場を方向付けるために内部鋼製磁束ガイドが円形のセクターのように成形される、更なる変形例を示す。
【０５１１】
図２３４は、通電回転子巻線を加えて示される、図２３３の実施形態を示す。
【０５１２】
以下のデバイスは、通電回転子アセンブリを、星形トロイダルアセンブリのより大きい作業領域又は間隙において動作するトロイダルコイルアセンブリと置き換える。このトロイダルコイルアセンブリは、単相の、又は交互配置したトロイドの多重電気相から成ることができる。
【０５１３】
図２３５は、内側円形トロイドが位置付けられ、回転する背景場を生成するために星形トロイダルアセンブリを利用する、代替の実施形態を示す。
【０５１４】
図２３６は、図２２３のアセンブリから分離した内側トロイダル回転子アセンブリを示す。
【０５１５】
図２３７は、内側トロイダル回転子の支持構造体、及び星形トロイダルアセンブリのクライオスタット構造体の範囲を示す、図２３６の代替の実施形態の図である。
【０５１６】
以前に開示された星形トロイダルデバイスの別の変形例では、作業電流の方向がデバイスの半径方向に延在し、背景磁場が作業領域又は間隙のデバイスの軸に対して支配的に平行であるように、背景場の配向及び作業電流の方向がシフトされている。実際には、以前に開示された半径方向磁束の星形トロイダルデバイスの軸方向磁束の一実施形態である。
【０５１７】
この実施形態において、背景磁場は、ここでも、作業領域において磁場の高い集中を生成する一連のトロイダルセクターによって、連続する作業領域の間に方向付けられるが、この磁場の大部分をデバイス自体の範囲内に含む。
【０５１８】
図２３８は、デバイスの作業外周の周囲の交互に並ぶ軸方向極性の背景場を生成するコイルの波状トロイダル配設を示す。
【０５１９】
図２３９は、通電導体／巻線が配置される２つの半部の間の間隙を示す、波状トロイダルコイルの側面図である。
【０５２０】
図２４０は、図２３８及び図２３９に示されるコイルの作業間隙にわたって生成される磁場の断面プロットである。
【０５２１】
図２４１は、デバイスの外周の周囲の作業間隙の場所における磁場強度のプロットである。高い磁場の連続する半径方向領域の極性は、ページ中への正に、及びページの外への負に交互する。
【０５２２】
図２４２は、波状トロイドから分離した通電巻線を示す。巻線は、６つの電気相から成るジグザグ巻線として描写される。
【０５２３】
図２４３は、完成したデバイスを形成するために、図２４２の回転子アセンブリと組み合わせた、図２３８の波状トロイダルコイルアセンブリを示す。
【０５２４】
図２４４は、支持構造体を加え、波状トロイダルコイルを封入するクライオスタットの境界を概説する、図２４３の完成したデバイスを示す。
【０５２５】
図２４５は、図２４４に示されるクライオスタット及び回転子アセンブリの外観図である。
【０５２６】
トロイダルスタイルのデバイスの別の実施形態において、背景磁場は、円形アセンブリを形成するために一緒に配設される一連のＣ字形トロイドによって作り出される。円形アセンブリの隣接するトロイドにおける電流の流れの方向は、デバイスの外周の周囲で一連の交互の極を作り出すために反転される。以前に開示された波状トロイダルデバイスに類似して、作業領域／間隙の磁束は、主に、デバイスの回転軸に対して平行である。
【０５２７】
個々のトロイダルセクターは、Ｃ字形であり、完全に閉じたトロイダルコイルを形成する代わりに、通電巻線を運動させて機械的又は電気的作業を行わせることができる間隙が、トロイドの１つのセクションの中に作り出される。
【０５２８】
示された実施形態において、この間隙は、トロイダルアセンブリの内側に位置させて、通電巻線による内側半径方向に連続する磁極の横断を可能にするか、又はトロイダルアセンブリの外側に位置させることができ、この場合は、通電巻線が外側半径を横断する。当業者には、デバイスが、おそらくは内側回転子及び外側回転子の双方を有する内側作業領域及び外側作業領域の双方を有することができることが明らかになるであろう。
【０５２９】
Ｃ字形トロイダルセクターは、最終的な円形アセンブリにより密接にインターロックするように成形された楔形として描写される。代替の実施形態において、これらのセクターは、構築を簡単にするために、一定の矩形断面を使用して構築することができる。
【０５３０】
示された実施形態の更なる改良において、デバイスの外周に接するトロイダルセクターの直線状の巻線は、楔のそれぞれの縁部の半径方向の場所に整合するように湾曲させることができ、したがって、デバイスが、より円形の外観に見えることを可能にする。
【０５３１】
図２４６は、Ｃ字形トロイダルデバイスの背景場コイルの正面図である。トロイダルセクターは、それらが一連のインターロッキング楔として一緒に収まるように成形される。
【０５３２】
図２４７は、図２４６に例示されるＣ字形トロイダルコイルの磁場プロットである。磁場の極性は、トロイダルセクター毎にページの中へ、及びページの外へ交互する。
【０５３３】
図２４８は、図２４６のＣ字形トロイダルコイルの端面図である。
【０５３４】
図２４９は、Ｃ字形トロイダルデバイスの１つのセクターにおける磁場のプロットである。この実施形態において、通電導体が位置する作業領域／間隙は、内側回転子及び外側回転子の実施形態に関して示される。
【０５３５】
図２５０は、背景磁場を生成するＣ字形の楔形トロイダルコイル、及び波状トロイダルデバイスに用いられるものに類似する多相通電回転子アセンブリの双方によって完成した、Ｃ字形トロイダルデバイスを示す。内側アセンブリを示すために、Ｃ字形トロイドの１つのセクターを取り外している。
【０５３６】
図２５１は、分離して示される図２５０の多相回転子巻線を示す。
【０５３７】
図２５２は、Ｃ字形コイル及び回転子支持体アセンブリのクライオスタットが適所に示される、図２５０の完成したデバイスを示す。
【０５３８】
図２５３は、作業領域をＣ字形トロイドの外側へ移した、更なる一実施形態を示す。通電巻線は、この時点で、この外側半径において回転する。
【０５３９】
図２５４は、Ｃ字形コイル及び回転子支持体アセンブリのクライオスタットが適所にある、図２５３の実施形態を示す。
【０５４０】
以下の実施形態は、星形トロイダルセクションにおいて開示されたものに類似するが、２極デバイスとして動作するように適合させたデバイスを示す。固定子コイルは、図２５５に示されるように配設される。固定子コイルは、通常はクライオスタットに囲まれる、超電導レーストラックコイルとすることができる。これらの固定子コイルは、回転子アセンブリを形成する通電巻線が位置するが、それでも、デバイス自体の範囲内に磁場の大部分を含む領域に、集中した磁場が送達されるように磁場を方向付ける。
【０５４１】
図２５６は、２極固定子巻線の場プロファイルを示す。トロイダルセクションは、浮遊磁場を含み、方向付け、一方で、回転子を位置付けることができる直線状の磁場を生成する。固定子トロイダルセクターには、図２５６に示されるように磁場を生成するために、ＤＣ電流が供給される。
【０５４２】
２極トロイダルデバイスの回転子巻線は、３相ジグザグ巻線とするか、又は代替的に、ベッドステッドコイルスタイルの巻線を使用することができる。この回転子巻線はまた、ベッドステッドコイル又は重ね合わせコイルの配設から作製することもできる。電流は、回転子の回転を維持するために、１８０度毎に反転される（又は正弦波ＡＣ電流が供給される）。回転子巻線は、回転子のトルクに適応させるために、適切な回転子支持構造体によって支持される。また、渦電流の形成を最小にし、回転子巻線の冷却に適応させる目的で設計されなければならない。巻線回転子は、ＡＣ損失を最小にする方法（例えば、リッツワイヤ、薄い編み紐状にしたもの）で、銅から構築される。
【０５４３】
図２５７は、２極トロイダルデバイスの完成したアセンブリから分離した多相回転子巻線を示す。上述の回転子は、図２５８に示されるように、２つのトロイダルセクションの間の直線状の場の部分に位置付けられる。
【０５４４】
図２５９に示されるように、２極レイアウトは、トロイダル固定子コイルを更に分離し、トロイドの半径を低減させることによって変形させることができる。この分離は、より少ない超電導材料の使用、及びより小さいデバイスの全体的なサイズにつなげることができるが、それでも、良好な磁場の閉じ込めを可能にする。
【０５４５】
図２５９に描写される実施形態の更なる変形例では、磁場を増強し、より多く含むために、代替の２極トロイダルデバイスのトロイダルセクターによって作り出される外側間隙に、追加的なコイルを配置することができる。
【０５４６】
図２６０は、図２５９に例示される代替の２極トロイダルデバイスレイアウトの場プロットを示す。
【０５４７】
また、構築又は組み立てを支援するために、クライオスタットの形状又は構築部品数も変動させることができる。この代替の２極トロイダルの配設は、図２６１においてそのクライオスタットとともに示される。
【０５４８】
別の実施形態において、トロイダル駆動は、レーストラックコイルの３つのトロイダルアセンブリを使用することによって形成することができる。外側の２つのトロイダルアセンブリは、レーストラックコイルからの場が図２６２に示される方向でトロイドの周囲に生成されるように、固定コイルを形成し、また、ＤＣ電流が供給される。レーストラックコイルは、超電導とすることができ、また、適切なクライオスタットに収容することができる。
【０５４９】
中央コイルセットは、回転子コイルアセンブリを形成し、また、適切な回転子構造体によって支持される。回転子コイル巻線は、通常、銅で構築される。コイルのレイアウトは、図２６３に示され、また、３相で構成され、各相には交流電流が供給される。
【０５５０】
図２６４には、固定子トロイドの完成したアセンブリ、及びトロイダル回転子コイルアセンブリの双方が示される。
【０５５１】
図２６５は、回転子支持構造体が示される、図２６４の完成した３トロイダル層駆動を示す。
【０５５２】
図２６６は、固定外側トロイドのクライオスタットが示される、図２６４の完成した３トロイダル層駆動を示す。
【０５５３】
以下のデバイスは、図２６７に描写される様式で、大きいトロイダル磁場を発生させるための超電導レーストラックコイルの中央トロイド、及びより小さいレーストラックトロイドの上に置かれる「Ｕ字形」であるコイルで構成される外側トロイドを用いる。
【０５５４】
適切な電流波形が外側Ｕ字形トロイドに印加されると、内側トロイドの場と外側Ｕ字形トロイドの場との相互作用が、外側トロイドのスピンを引き起こす。代替的に、トロイドの１つをスピンさせることは、他のトロイドに電気エネルギーを発生させる。
【０５５５】
図２６８は、内側固定子コイルを分離し、クライオスタットの境界を示す、図２６７のＵ字形トロイダル駆動を示す。
【０５５６】
図２６９は、回転子トロイドが示される、図２６７のＵ字形トロイダル駆動を示す。コイルのＵ字形プロファイルを示すために、回転子トロイドの１つのセグメントを取り外している。
【０５５７】
図２７０は、回転子の支持構造体が示される、Ｕ字形トロイダル駆動を示す。
【０５５８】
図２７１は、完成した外部アセンブリを有する、Ｕ字形トロイダル駆動を示す。
【０５５９】
以下の開示は、作業領域又は間隙の磁束がデバイスの回転軸に対して支配的に垂直である方向に作用する背景磁場を作り出すために、永久磁石材料を使用する、デバイスに関する。この磁場は、鋼製又は強磁性の磁束ガイドによって磁極と作業領域との間で方向付けられる。
【０５６０】
その作業長さが回転軸に対して平行に配向される通電導体は、作業領域又は間隙の中央線を中心に周方向経路を横断し、印加された機械的エネルギーから電気を発生させるか、又は印加された電気エネルギーから機械的作業を行う。
【０５６１】
このデバイスの１つの実施形態は、作業領域に隣接する同じ極性の２つの永久磁石、及び２つの永久磁石の背面に接続するＣ字形の鋼製磁束ガイドで構成される、個々の極アセンブリによって形成される形状のため、「Ｃ字形駆動」として知られている。
【０５６２】
図２７２は、背景磁場を生成する永久磁石及び鋼アセンブリの単極素子を示す。示された磁石の極性は、単一の素子に関する磁化の相対的方向を示す。完成したアセンブリの隣接する極素子では、極性が反転される。
【０５６３】
完成したデバイスは、これらの個々の極素子をデバイスの回転軸の周囲に円形アレイに配設することによって作り出される。このアレイにおいて、隣接する極素子の極性は、通電導体がその周方向経路を横断するときに、該通電導体がＮ極−Ｓ極−Ｎ極−Ｓ極・・・という磁場極性の進行を経験するように反転される。
【０５６４】
描写された実施形態は、多重電気相に配設されたジグザグスタイルの巻線で構成される通電巻線を示す。代替的に、これらの巻線は、ベッドステッドコイルから容易に構築することができる。通電巻線には、位相及び極を整列させた交流電流が送給される。この電流は、正弦波形若しくは方形波形、又は出力動力レベルを最大にし、かつ出力リップルを最小にする任意の他の波形とすることができる。
【０５６５】
描写された鋼製磁束ガイドは、単に示したものであり、飽和を伴わずに磁場を効果的に案内するために、厚さ、形状、及び断面が変動することが予期される。
【０５６６】
図２７３は、１２の磁極素子及び通電巻線の３つの電気相から成る、完成したＣ字形駆動アセンブリを示す。
【０５６７】
図２７４は、通電巻線を示すために１つの極素子を取り外した、図２７３の完成したアセンブリを示す。
【０５６８】
図２７５は、図２７４に例示されるデバイスの端面図である。部分断面図は、ジグザグスタイルの通電巻線の端部の突出を例示する。
【０５６９】
図２７６は、アセンブリの残部から分離した、図２７４の実施形態による多相通電巻線を示す。
【０５７０】
更なる変形例では、Ｃ字形駆動デバイスの２つが、同じ回転軸上に組み合わせられる。この２つのＣ字形駆動サブアセンブリの通電巻線は、単一の多相巻線を形成するように相互接続される。この完了したデバイスは、Ｔ字形駆動と称される。代替的に、２つの通電巻線を独立させることができる−デバイスが二重反転することを可能にする。
【０５７１】
図２７７は、同じ回転軸に載置された２つのＣ字形駆動モーター／発電機から成る実施形態を例示する。２つの個々のＣ字形駆動サブアセンブリの多相通電巻線は、デバイスのための単一組の多相巻線を形成するように相互接続される。
【０５７２】
以前に提示されたＣ字形駆動の実施形態の更なる変形例では、以前に用いた磁束の源（永久磁石材料）が、電磁石と置き換えられる。通電導体の円形巻線（ソレノイド巻線）は、電流が該巻線を通して送給されたときに、導体の周囲に磁場を作り出す。この磁場は、１組のＣ字形の鋼製又はフェライト系磁束ガイドによって封入され、該磁束ガイドは、磁場を集中させ、該磁場を第２の１組の通電巻線が配置される空隙に方向付ける。
【０５７３】
単一ソレノイド巻線から空隙の中に作り出される場の方向のため、このタイプの単一のデバイスは、通電巻線が該空隙を通って回転したときに、電圧のパルスを発生する。巻線に供給される交流電流からの電流の発生又は機械的仕事の生成を滑らかにするために、好ましくは、２つのデバイスを使用することができる。
【０５７４】
提示された実施形態において、デバイスは、同じ軸上に背中合わせに載置されて示されるが、該デバイスはまた、２つの電磁及び鋼製アセンブリが同じ組の通電巻線上で動作するようにインターロックすることもできる。
【０５７５】
図２７８は、背景磁場を発生し、方向付ける電磁コイル及び鋼製磁束ガイド、並びに空気間隙を通して動作又は回転する通電巻線を特徴とする、完成した電磁Ｃ字形駆動の一実施形態を示す。
【０５７６】
図２７９は、多層通電巻線の詳細を示すために電磁背景場アセンブリの１つを取り外した、図２７８の実施形態を示す。
【０５７７】
図２８０は、背景場発生ソレノイドを示すために鋼製／フェライト系磁束ガイドの１つを取り外した、図２７８の実施形態を示す。
【０５７８】
図２８１は、図２７８のデバイスの端面図である。この図では、鋼製／フェライト系磁束ガイドの「Ｃ字形」を示すために、１組の通電巻線が取り外されている。
【０５７９】
図２８２は、波状トロイダルデバイスのトロイダルセクターの代替の配設を描写する。この実施形態において、トロイダルセクターは、トロイドの一対の間隙を通して一連の円形トロイドの周囲に背景磁場が方向付けられるように位置付けられている。一対の磁極は、単一の円形トロイダル本体によって作り出される２つの作業領域に形成される。
【０５８０】
以前に開示されたＣ字形トロイダル駆動はまた、半径方向磁束機械として構築することもでき、すなわち、トロイダルセクターによって生成される背景場が、デバイスの回転軸に対して垂直な方向に支配的に送達されるように、作業領域／間隙が位置付けられる。
【０５８１】
これは、これらの作業領域／間隙における通電巻線の位置付けを可能にし、巻線における電流の流れの作業方向は、デバイスの回転軸に対して平行である。内側巻線及び外側巻線を用いることができる以前の軸方向磁束バージョンのように、通電巻線は、デバイスのいずれかの端部に、又は図２８４に示されるように、デバイスの両端部に構築することができる。
【０５８２】
図２８３は、代替のＣ字形トロイダルデバイスの実施形態の修正したＣ字形セクターの１つの端面図である。以前に垂直であったトロイドの作業領域／間隙は、この時点で、水平である。
【０５８３】
図２８４は、Ｃ字形トロイダルデバイスの完成した代替の半径方向磁束バージョンを示す。この実施形態では、２組の通電巻線によって２つの軸方向作業領域が作り出されている。
【０５８４】
以下のデバイスは、円形の中央経路を横断する螺旋を形成する、１組のコイル巻線を用いる。以前に開示された実施形態のように、間隙は、通電巻線を位置付け、回転させることができる作業領域／間隙を作り出すために、円形の螺旋経路の中へ導入される。
【０５８５】
螺旋の周囲での間隙の位置付けは、内側通電回転子巻線及び／又は外側通電回転子巻線を有する軸方向磁束の実施形態、又は回転巻線に軸方向の電流の流れを有する半径方向磁束の実施形態を含む、デバイスの様々な可能な実施形態を左右する。
【０５８６】
図２８５は、螺旋トロイダル駆動の半径方向磁束の実施形態を示す。通電巻線は、レーストラックスタイルのコイルで構成される単一の相として描写される。
【０５８７】
図２８６は、背景場巻線がどのように円形経路の周囲を螺旋に進行するのかを示す、図２８５に描写される実施形態から背景場を作り出すコイルの単一の螺旋素子を示す。
【０５８８】
図２８７は、図２８５の半径方向磁束の実施形態に関して描写される、通電巻線の分離した単一の相を示す。
【０５８９】
図２８８は、図２８５に描写されるものに類似するが、デバイスのいずれかの端部に通電巻線を有する、螺旋トロイダル駆動の半径方向磁束の一実施形態を示す。
【０５９０】
図２８９は、図２８８の半径方向磁束の実施形態に関して描写される、通電巻線の２組の分離した単一の相を示す。
【０５９１】
図２９０は、軸方向磁束機械（垂直作業領域／間隙）として動作するように構成される、螺旋トロイドを示す。
【０５９２】
図２９１は、デバイスの外側半径で一連の通電巻線と組み合わせられた、図２９０の螺旋トロイドを示す。
【０５９３】
図２９２は、図２９１の軸方向磁束の実施形態に関して描写される、通電巻線の分離した単一の相を示す。
【０５９４】
以下のデバイスは、通電巻線が回転する一連の間隙を有する、円筒楕円形又は円環体の永久磁気材料から成る。
【０５９５】
図２９３は、楕円形の永久磁石の円形アレイを示す。永久磁石は、間隙を有し、該永久磁石の磁場を間隙領域の中へ方向付ける。
【０５９６】
図２９４は、間隙の位置付けを示す、図２９３に示される円形アレイからの個々の楕円形の永久磁石を示す。
【０５９７】
図２９５は、３層の多相通電巻線がデバイスのいずれかの側の間隙に位置付けられた、完成した多重間隙の永久磁石デバイスを示す。
【０５９８】
以下のデバイスは、背景場アセンブリの円形アレイから成り、該背景場アセンブリは、デバイスの外側作業半径に巻線の１８０度のトロイダルセクターを有し、デバイスの内側作業半径に巻線の９０度トロイダルセクターを有する、長い直線セクションからなる。
【０５９９】
この内側作業半径と外側作業半径との間の隙間において、レーストラックスタイルの通電巻線の円形アレイが回転する。この回転子配設は、多相の多重レーストラックから成ることができる。単一の通電レーストラック巻線が背景場を通って回転すると、巻線に電圧が発生する−適切な負荷に接続されたときには、機械的作業の印加によって巻線に電流が生じる。
【０６００】
好ましくは、背景場アレイのコイルの電流は、通電巻線において発生する電圧及び電流が同じ極性の一連の順次的なパルスから成るように、同じ方向に流れる。
【０６０１】
代替的に、連続する素子における電流の流れの方向は、反転させることができ、発生した電圧及び電流のパルスは、交互極性である。
【０６０２】
また、単極性パルス又は交互極性パルスのいずれかによって回転巻線を駆動することによって、この配設からモーターを構築することも容易に可能である。
【０６０３】
図２９６は、１組の回転通電巻線が配置される作業領域の中へ磁場を方向付ける、成形されたコイルの円形アレイから成るＤＣ駆動の一実施形態を示す。
【０６０４】
図２９７は、分離して示される、図２９６の成形された背景場生成巻線の円形アレイを示す。
【０６０５】
図２９８は、分離して示される、多相のレーストラックコイル巻線から成る、図２９６の通電回転子アセンブリを示す。
【０６０６】
図２９９は、図２９６からの１組の成形されたコイルの端面図である。
【０６０７】
図３００は、通電レーストラック巻線を示す、図２９９の成形されたコイルを示す。矢印は、背景場コイルを出る磁場の支配的な方向を示す。
【０６０８】
図２９６の実施形態の更なる変形例において、成形されたコイルの円形アレイの形状は、コイルが、この時点で、インターロックを向上させるために角度付きの側部を有するように修正されている。この配設において、磁場は、回転子の回転期間のより長い部分にわたって回転子素子に方向付けられる。
【０６０９】
図３０５及び図３０６に示される更なる変形例では、磁場が通電回転子巻線の上部セクションに方向付けられる地点が、示されるようにシフトされており、図３０６において、通電回転子巻線の上部セクションの形状は、角度ピークに達するように修正した。
【０６１０】
図３０１は、背景場生成コイルがより楔状に成形され、より完全にインターロックする、図２９６の実施形態の変形例を示す。
【０６１１】
図３０２は、通電巻線を示すために、この時点で、現在の楔形背景場コイルの片側を取り外した、図３０１の実施形態を示す。
【０６１２】
図３０３は、状況に関して楔形コイルの１つのセクターが示される、図３０１の通電巻線を示す。
【０６１３】
図３０４は、背景場生成巻線及び通電回転子巻線の双方を示す、図３０１に提示される楔形の１つのセクターの変形例の断面である。矢印は、背景場コイルを出る磁場の支配的な方向を示す。
【０６１４】
図３０５は、図２９６及び図３０１のデバイスの背景場生成コイルの位置付けにおける更なる変形例を示す。この変形例において、磁場は、通電巻線の上部垂直部に方向付けられる。矢印は、背景場コイルを出る磁場の支配的な方向を示す。
【０６１５】
図３０６は、図２９６及び図３０１のデバイスの背景場生成コイルの位置付けにおける更なる変形例を示す。この変形例において、通電巻線の上部水平セクションは、示されるように、この修正された上部セクションにわたって垂直に磁場が方向付けられるように修正されている。矢印は、背景場コイルを出る磁場の支配的な方向を示す。
【０６１６】
３トロイダル層駆動の更なる変形例において、通常は導電材料から普通に構築される回転中間トロイドは、ＡＣ電流波形によって駆動され、該ＡＣ電流波形は、２つの外側トロイダルセクターの間を横断するときに中間地点で最大であり、また、外側トロイダルアセンブリの構成コイルを超えて運動するときにはゼロである。通常は超電導材料から作製される外側トロイドは、円形アレイの周囲で順次的に反転される電流の方向を有する。内側トロイドへのＡＣ波形の印加は、この内側トロイドの回転をもたらす。
【０６１７】
当業者には、内側トロイダル回転子をスピンさせ、トルクを印加することによって、内側トロイダル巻線においてＡＣ電気エネルギーを発生させることができることが明らかになるであろう。
【０６１８】
図３０７は、２つの外側トロイダル層のコイル素子の極性が交互し、内側回転子層がＡＣ電流で動作する、３トロイダル層デバイスの変形例を示す。
【０６１９】
以下の実施形態は、以前に提示された半径方向磁束のＣ字形トロイダルデバイスに関する２つ〜３つの変形例を示す。提示されたデバイスは、デバイスの２つの作業領域／間隙における通電巻線の回転を利用する。以前に描写された実施形態からの主な変形例は、以下の通りである。
・背景トロイダル巻線によって生じる磁極の数が大幅に増加し、したがって、これまで提示された全ての多極デバイス又はＡＣデバイスに適用することができるデバイス構築における変形例を示す
・背景場トロイドの２つのバージョンが提示される
・第１は、一連のレーストラックスタイルの個々の巻線から構築される（図３０８）
・第２は、極対を生成するトロイド巻線の内側半部及び外側半部がそれぞれ連続巻線として巻回される（図３１０）この連続巻線は、トロイダルセクター内で生成される磁束を封止するのを補助する。
【０６２０】
提示された実施形態に示される回転通電巻線は、２組の多相ベッドステッドスタイルのコイルとして描写される。好ましい実施形態において、２組の巻線は、連続する磁極の間の角度に等しい、接続された巻線の角度変位があるように相互接続される。この様式において、２つの巻線は、１つの多相巻線として制御することができる。
【０６２１】
代替の実施形態において、２つの多相巻線の各々は、別々であり、また、別々に制御される。
【０６２２】
本開示に照らせば、以下のことが当業者に明らかになるであろう。
・トロイダルコイルに依存するこれまでに開示された技術のいずれかを、離散的なサブコイルの配設を使用して、又はトロイド若しくはトロイダルセクター（密閉した又は閉じた巻線／トロイド）における導電性材料の連続的な巻回によって、容易に構築することができる
・磁束を空隙又は作業領域に方向付けるためにトロイダル巻線が使用されている場合には、これらの巻線を、強磁性磁束ガイドの有無にかかわらず、同様な様式で磁束をこれらの領域に方向付ける永久磁石材料と置き換えることができる
・デバイスの一部が「回転子」であり、別の部分が「固定子」であると考えることに帰属すると考えた場合、これらの指示は、単純に、２つの部分の間の相対的な回転を意味し、回転及び固定の役割又は指示は、以前の固定部が回転し、回転部が固定されるように、容易に逆にすることができる
・１つのＤＣ又は固定（背景）磁場、及び１つの交流磁場を維持するという原則に基づいて動作するデバイスに関して、極性が交互する背景場及び以前に交流場を生成した通電巻線が固定場を生成することを等しく許容することができる
・交流電流が用いられる場合は、デバイスの連続回転又は発電がもたらされるように、その電流の波形を、適切に、任意の波形の形状とすることができ、またこのような波形は、モーター又は発電機の動力出力における最小限のリップルを生成するように成形することができる
・デバイスが、電気エネルギーの印加に応じて機械的作業を生成するモーターとして説明されている場合は、機械的作業の印加に対して電気エネルギーを生成する発電機という逆のシナリオも主張される
・デバイスが発電機として説明されている場合は、デバイスがモーターとして動作するという逆のシナリオも主張される
【０６２３】
図３０８は、離散的な組の「レーストラック」スタイルの巻線から構築された背景場コイルを特徴とする８０極デバイスである、Ｃ字形トロイダルデバイスの半径方向磁束の一実施形態を示す。
【０６２４】
図３０９は、２組のベッドステッドスタイルの多相通電巻線の配設を示すために、１つを除く全ての背景場生成コイルを取り外した、図３０８のＣ字形トロイダルデバイスを示す。
【０６２５】
図３１０は、図３０８に描写されるものに類似するが、背景場コイルの組が、離散的なサブコイルの配設ではなく、連続する楔形巻線として示される、半径方向磁束のＣ字形デバイスを示す。
【０６２６】
図３１１は、巻線の配置を示すために極対の１つのセクターを示す、図３１０のデバイスの通電巻線を示す。
【０６２７】
図３１２は、星形トロイダルデバイスの代替の配設を示す。この実施形態では、以前に開示した回転子が取り外されており、代わりに、回転子が内側トロイダルセグメントによって形成される。外側トロイダル巻線は、固定され、ＤＣ背景場を提供する。これらの外側トロイダル巻線は、好ましくは、超電導ワイヤから構築される。内側トロイダル巻線は、好ましくは、銅から構築されるが、ＡＣ電流に適している超電導ワイヤから作製することもできる。これらの内側トロイダル回転子巻線の電流は、モーターのときには連続回転を提供するために、又は代替的に、発電機モードのときにはＡＣ電流を生成するために切り替えられる。
【０６２８】
図３１３に示されるように、固定外側トロイド巻線は、クライオスタットに収容され、内側トロイダル巻線は、適切な回転子構造体によって支持される。
【０６２９】
回転子はまた、単一よりも多い相から構築することもできる。３相の変形例は、図３１４に示される。３相回転子は、より滑らかなトルクの送達を可能にし、任意の回転子位置においてモーターが自己始動することを可能にする。
【０６３０】
図３１５は、内側トロイダル３相回転子巻線の３次元図を示す。
【０６３１】
図３１６は、磁気力による機械的接触を伴わずに機械的トルクが入力と出力との間で伝達されるように極性を交互させる、入力シャフト及び出力シャフトに載置された永久磁石セグメントを利用する、磁気ギヤボックスを描写する。開示された磁気ギヤボックスは、先に開示されたギヤ付きトロイダル駆動によって実現することができ、それによって、複数の回転子の出力が単一のシャフト出力及び所与のギヤ比に組み合わせられる。６入力ギヤボックスは、出力シャフトに対して４：１の比で示される。
【０６３２】
図３１７は、トルクを伝達するために、交互極性の磁気セグメントの好ましい配設を示す。明確にするため、作業磁気面の有効な極性だけが示されている。磁石は、半径方向に磁化される。磁石の強度、入力シャフトと出力シャフトとの間の間隙、及びギヤボックスの軸方向長さは、全て、ギヤボックスのトルク容量に影響を及ぼす。この概念はまた、軸方向の形成において当業者が容易に構築することもできる。ギヤボックスはまた、逆方向に動かすこともできる。
【０６３３】
図３１８は、以前の永久磁気材料の直線状の楔形が、ここでは「Ｓ字形」である、すなわち、内側及び外側ギヤ要素の長さに沿った一連の屈曲を特徴とする、図３１６のデバイスの変形例を示す。これらの屈曲は、デバイスの全長を低減させるのを補助する。個々のギヤ磁石の磁化の方向は、図３１７に示される様式と同じ様式で交互する。明確にするため、磁石だけが描写され、必要とされる支持構造体は示されない。
【０６３４】
図３１９は、ギヤ作業磁場の支配的な方向が回転軸に沿っている磁気ギヤシステムの軸方向スタイルの一実施形態を描写する。
【０６３５】
図３２０は、相対的磁化の方向を示す、図３１９のデバイスの詳細を描写する。
【０６３６】
図３２１は、ギヤの半径の周囲でのインターロックを向上させる、図３１９のものに類似するが、楔形永久磁気素子を有する、軸方向スタイルの一実施形態を描写する。
【０６３７】
図３２２は、永久磁気素子が「Ｓ字形」である、すなわち、デバイスの容積を低減させるための一連の屈曲を特徴とする、図３１９に示されるデバイスの更なる変形例を描写する。
【０６３８】
更なる変形例は、ギヤシステムのトルク容量を増加させるために、デバイスの回転軸に沿った多重軸方向スタイルのギヤの積み重ねである。
【０６３９】
当業者には、ギヤの間の間隙領域に磁場を方向付け、含め、そして強化するために、鋼製又は強磁性の裏打ちを磁石アセンブリに使用することができることが明らかになるであろう。
【０６４０】
示された実施例は、リングギアの内部に６つのピニオン回転子を有するが、任意の数のピニオン及び任意のギヤ比に容易に拡張することができる。ピニオンは、リングギアの外部に載置することもできる。
【０６４１】
本明細書及び特許請求の範囲（該当する場合）において、「備えている（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」という用語、並びに「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」及び「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｅ）」を含むその派生語は、所定の完全体の各々を含むが、１つ以上の更なる完全体の包含を除外しない。
【０６４２】
本明細書の全体を通して「１つの実施形態」又は「一実施形態」に言及することは、その実施形態に関連して説明される特定の特徴、構造、又は特性が、本発明の少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味する。しかたがって、本明細書の全体を通して様々な場所における「１つの実施形態において」又は「一実施形態において」という句の出現は、必ずしも全てが同じ実施形態に言及するものではない。更に、特定の特徴、構造、又は特性は、任意の適切な様式で１つ以上の組み合わせに組み合わせることができる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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【図４１】
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【図４２】
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【図４３】
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【図４４】
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【図４５】
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【図４６】
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【図４７】
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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５２】
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【図５３】
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【図５４】
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【図５５】
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【図５６】
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【図５７】
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【図５８】
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【図５９】
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【図６０】
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【図６１】
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【図６２】
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【図６３】
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【図６４】
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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７０】
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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７６】
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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８１】
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【図８２】
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【図８３】
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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８９】
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【図９０】
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【図９１】
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【図９２】
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【図９３】
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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１２８】
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【図１２９】
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【図１３０】
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【図１３１】
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【図１３２】
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【図１３３】
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【図１３４】
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【図１３５】
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【図１３６】
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【図１３７】
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【図１３８】
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【図１３９】
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【図１４０】
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【図１４１】
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【図１４２】
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【図１４３】
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【図１４４】
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【図１４５】
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【図１４６】
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【図１４７】
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【図１４８】
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【図１４９】
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【図１５０】
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【図１５１】
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【図１５２】
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【図１５３】
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【図１５４】
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【図１５５】
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【図１５６】
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【図１５７】
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【図１５８】
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【図１５９】
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【図１６０】
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【図１６１】
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【図１６２】
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【図１６３】
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【図１６４】
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【図１６５】
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【図１６６】
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【図１６７】
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【図１６８】
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【図１６９】
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【図１７０】
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【図１７１】
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【図１７２】
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【図１７３】
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【図１７４】
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【図１７５】
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【図１７６】
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【図１７７】
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【図１７８】
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【図１７９】
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【図１８０】
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【図１８１】
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【図１８２】
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【図１８３】
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【図１８４】
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【図１８５】
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【図１８６】
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【図１８７】
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【図１８８】
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【図１８９】
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【図１９０】
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【図１９１】
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【図１９２】
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【図１９３】
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【図１９４】
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【図１９５】
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【図１９６】
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【図１９７】
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【図１９８】
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【図１９９】
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【図２００】
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【図２０１】
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【図２０２】
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【図２０３】
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【図２０４】
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【図２０５】
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【図２０６】
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【図２０７】
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【図２０８】
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【図２０９】
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【図２１０】
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【図２１１】
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【図２１２】
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【図２１３】
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【図２１４】
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【図２１５】
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【図２１６】
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【図２１７】
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【図２１８】
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【図２１９】
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【図２２０】
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【図２２１】
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【図２２２】
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【図２２３】
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【図２２４】
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【図２２５】
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【図２２６】
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【図２２７】
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【図２２８】
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【図２２９】
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【図２３０】
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【図２３１】
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【図２３２】
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【図２３３】
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【図２３４】
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【図２３５】
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【図２３６】
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【図２３７】
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【図２３８】
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【図２３９】
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【図２４０】
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【図２４１】
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【図２４２】
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【図２４３】
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【図２４４】
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【図２４５】
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【図２４６】
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【図２５０】
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【図２５８】
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【図２６２】
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【図２６４】
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【図２６５】
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【図２６６】
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【図２６７】
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【図２６８】
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【図２６９】
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【図２７０】
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【図２７１】
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【図２７２】
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【図２７３】
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【図２７４】
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【図２７５】
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【図２７６】
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【図２７７】
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【図２７８】
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【図２７９】
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【図２８０】
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【図２８１】
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【図２８２】
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【図２８３】
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【図２８４】
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【図２８５】
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【図２８６】
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【図２８７】
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【図２８８】
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【図２８９】
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【図２９０】
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【図２９１】
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【図２９２】
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【図２９３】
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【図２９４】
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【図２９５】
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【図２９６】
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【図２９７】
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【図２９８】
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【図２９９】
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【図３００】
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【図３０１】
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【図３０２】
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【図３０３】
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【図３０４】
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【図３０５】
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【図３０６】
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【図３０７】
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【図３０８】
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【図３０９】
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【図３１０】
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【図３１１】
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【図３１２】
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【図３１３】
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【図３１４】
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【図３１５】
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【図３１６】
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【図３１７】
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【図３１８】
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【図３１９】
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【図３２０】
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【図３２１】
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【図３２２】
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【手続補正書】
【提出日】平成28年5月19日(2016.5.19)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電磁デバイスであって、
固定子と、
回転子と、
１つ以上の間隙領域を備える間隙と、を備え、
前記回転子及び前記固定子のうちの一方が、前記間隙の中に収容された導体アレイを含み、前記導体アレイが、それぞれの電流の流れ方向に通電するようにそれぞれが構成され、かつ、前記回転子及び固定子のうちの他方に対して運動するように構成される、１つ以上の導体を有し、
前記回転子及び固定子のうちの前記他方が、１つ以上の作業部分及び１つ以上の再方向付け部分を有する磁束方向付けアレイを含み、
前記１つ以上の作業部分の各々が、それぞれの間隙領域を通って運動する前記１つ以上の導体の前記それぞれの電流の流れ方向に対して実質的に垂直な方向に、前記それぞれの間隙領域を通して磁束を方向付けるように構成され、
前記１つ以上の再方向付け部分の各々が、前記１つ以上の間隙領域を通る少なくとも１つの循環磁束経路を促進するために、それぞれの作業部分から出て同じ又は異なる作業部分に戻る磁束を再方向付けするように構成され、
前記磁束方向付けアレイが、少なくとも１つの電磁コイルを含む、電磁デバイス。
【請求項２】
前記少なくとも１つの循環磁束経路が、単一の閉ループを形成する、請求項１に記載の電磁デバイス。
【請求項３】
前記少なくとも１つの循環磁束経路が、複数の閉ループを形成する、請求項１に記載の電磁デバイス。
【請求項４】
前記少なくとも１つの電磁コイルが、少なくとも１つの超電導コイルを含む、請求項１〜３のいずれか一項に記載の電磁デバイス。
【請求項５】
前記少なくとも１つの超電磁コイルが、極低温エンベロープ内に少なくとも部分的に囲まれる、請求項４に記載の電磁デバイス。
【請求項６】
前記少なくとも１つの電磁コイルが、１つ以上のレーストラックコイルの形態である、請求項１〜５のいずれか一項に記載の電磁デバイス。
【請求項７】
前記１つ以上のレーストラックコイルが、どちらも同じ方向に通電するように構成される、第１及び第２の同心レーストラックコイルから成る、請求項６に記載の電磁デバイス。
【請求項８】
前記磁束方向付けアレイが、１つ以上の永久磁石を含む、請求項１〜７のいずれか一項に記載の電磁デバイス。
【請求項９】
前記磁束方向付けアレイが、１つ以上の強磁性磁束ガイドを含む、請求項１〜８のいずれか一項に記載の電磁デバイス。
【請求項１０】
前記少なくとも１つの電磁コイルが、１つ以上の電磁的に結合されたトロイドセクションを備える、請求項１〜９のいずれか一項に記載の電磁デバイス。
【請求項１１】
前記それぞれの間隙領域を通る前記磁束が、前記回転子の半径方向であり、前記電流の流れ方向が、前記回転子の軸方向である、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の電磁デバイス。
【請求項１２】
前記磁束方向付けアレイが、内側磁束方向付けアレイ及び外側磁束方向付けアレイを備え、前記間隙が、前記内側及び外側磁束方向付けアレイの間に形成される、請求項１１に記載の電磁デバイス。
【請求項１３】
前記導体アレイの形状が、円筒である、請求項１１又は１２に記載の電磁デバイス。
【請求項１４】
前記導体アレイが、前記円筒形状の長さに沿ってジグザグ巻線で配設される、請求項１３に記載の電磁デバイス。
【請求項１５】
前記導体アレイが、１つ以上のレーストラックコイルを含む、請求項１１又は１２に記載の電磁デバイス。
【請求項１６】
前記導体アレイが、１つ以上のベッドステッドスタイルの巻線から形成される、請求項１１又は１２に記載の電磁デバイス。
【請求項１７】
前記それぞれの間隙領域を通る前記磁束が、前記回転子の軸方向であり、前記電流の流れ方向が、前記回転子の半径方向である、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の電磁デバイス。
【請求項１８】
前記導体アレイが、ディスクの形態である、請求項１７に記載の電磁デバイス。
【請求項１９】
前記導体アレイが、前記ディスクの半径方向に沿ってジグザグ巻線で配設される、請求項１８に記載の電磁デバイス。
【請求項２０】
前記導体アレイが、１つ以上のレーストラックコイルを含む、請求項１７に記載の電磁デバイス。
【請求項２１】
前記導体アレイが、１つ以上のベッドステッドスタイルの巻線から形成される、請求項１７に記載の電磁デバイス。
【国際調査報告】
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