CN103563226A - 低速电磁涡轮机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种电测量涡轮机的各种构造。在一种可能的布置中，涡轮机为径向鼓型涡轮机（1800）并且包括一对相对的磁性组件（18011，18012），鼓（1802）位于所述一对相对的磁性组件之间。磁性组件（18011，18012）中的每一个均包括一对线圈，即，外线圈（18031）和内线圈18032。线圈绕鼓（1802）的旋转轴线同心地布置，即，线圈（18031，18032）与鼓（1802）的旋转轴线共轴。鼓（1802）包括与电流传递机构（1806）接合的至少一个导电元件（1805），电流传递机构传递电流经过鼓（1802）。随着电流传递经过鼓（1802）的导电层（1805），在鼓（1802）上产生转矩。转矩被传递到穿过鼓和磁性元件的输出轴（1807）。

Description

低速电磁涡轮机
技术领域
本发明通常涉及用于产生机电功的装置。尤其而非排他地，本发明涉及电磁涡轮机。
背景技术
电测量理论中公知的方面是，在电流通过简单棒式导体时，其感应出与电流流动方向垂直的磁场。由于所感应出的磁场，包括电流的各个移动电荷受到力的作用。施加到各个移动电荷上的力产生转矩。该原理是支持诸如电动机和发电机的装置的基础。
最常见的DC电动机由三个主要构件组成，即，定子、电枢/转子以及换向器。通常，定子提供与在电枢中感应出的场相互作用以产生运动的磁场。换向器每半个旋转使电枢中流动的电流反向，从而使电枢中的场反向以保持其在场内沿一个方向旋转。最简单形式的DC电动机能够由以下三个关系式来描述：
ea＝KΦω
V＝ea+Raia
T＝KΦia
其中，ea为反电动势，V为施加到电动机的电压，T为转矩，K为电动机常数，Ф磁通，ω为电动机的转速，Ra为电枢电阻，以及ia为电枢电流。
典型电动机中的磁场是静态的（在定子上）且利用永磁体或利用线圈形成。在电流施加到电枢/转子上时，电枢中每个导体上的力由F=ia×B给出。反电动势是由于电枢内的导体旋转通过静态场引起的相对磁通率的变化而产生的。因此，电枢电压回路包含了反电动势以及绕组中的电阻损耗。因此，DC电动机的速度控制主要通过施加到电枢上的电压V，而转矩与磁通和电流的乘积成比例。
因此，为了使得DC电动机中的转矩最大化，假设仅仅是将磁场或所供给的电流进行增大的问题。然而，实际上，存在多方面限制。例如，能够经由永磁体产生的磁场的大小受多种因素限制。为了使永磁体产生非常大的磁场，则磁体的物理尺寸要相对大（例如，尺寸为230mm N35的磁体能够产生几千高斯（kG）的磁场）。非常大的磁场能够利用多个磁体来产生，而磁体的尺寸和数量再次增大了系统的整体尺寸和重量。电动机的尺寸和重量都是诸如电驱动系统等应用中的重要设计考虑。产生较大磁场可利用标准线缆线圈，但是尺寸、重量和加热效应使得标准线圈的使用不切实际。
需要考虑的对转矩有影响的另一因素是由于电枢/转子内形成的涡流所造成的阻力产生。在如下情况下产生涡流：即，磁场中具有短暂变化、通过导体的磁场的变化、或者由于磁场源与导电材料的相对运动引起的变化。涡流按照楞次定律感应出与原磁场的变化相反的磁场，造成了导体和磁体之间的斥力或拉力。对于假设材料和场为均匀的简单导体的情况而言的涡流以及忽略趋肤效应所造成的功耗（P）能够通过下式计算：
P = π 2 B P 2 d 2 f 2 12 ρD
其中，Bp为峰值磁通密度，d为线缆的厚度或直径，ρ为电阻率，σ为电导率，μ为磁导率，f为频率（场变化）以及贯入深度（D）。
从上面的等式能够看出，随着磁场增强，涡流的大小和效应增强，即，磁场越高，则涡流所产生的拉力越大。除了磁场强度之外，电枢中的导电元件的电阻率和厚度也是因素。对电枢中的导电元件的材料的选择在很大程度上影响能够施加到电枢的电流量。
鉴于前述情况，提供能够以相对高强度磁场工作且能够减轻上述现有技术缺陷中的至少一些缺陷的用于产生机电功的装置和系统是有益的。
发明内容
本发明公开的内容
应当理解的是，在整篇说明书中术语“涡轮机”用于指代包括有响应暴露于大致均匀的场而产生机械功的一个或多个转子的结构。
因此，在本发明的一个方案中，提供一种涡轮机，所述涡轮机包括：
相斥布置的一对磁性元件；
鼓组件，其设置在所述磁性元件之间，所述鼓组件包括绕鼓设置的多个导电元件，其中将所述导电元件连接以形成通过所述鼓的电路；以及
施加电流通过所述电路引起鼓旋转。
在本发明的另一方案中，提供一种涡轮机，所述涡轮机包括：
相斥布置的一对磁性元件；
多个鼓组件，其设置在所述磁性元件之间，每个鼓组件均包括绕鼓设置的多个导电元件，其中将导电元件连接以形成通过每个鼓的电路，并且其中，鼓电接合在一起以形成通过涡轮机的电流路径；以及
施加电流通过所述电流路径使所述鼓组件共同地旋转。
优选地，鼓相对于与磁性元件邻近的支撑件安装，并且鼓通常安装在与磁性元件邻近的支撑件内，适当地，鼓通过采用轴而被安装在支撑件内。轴可安装在鼓内以使其与鼓的纵轴线大致共轴地延伸。
适当地，导电元件彼此电隔离且绝缘，以防止短路或并行电流流动。导电元件之间的隔离可通过多个非导电间隔元件来提供。适当地，间隔元件绕着环状盘的外周和中央孔隙的周边设置在每个导电元件之间。
导电元件可大致呈“I”形。“I”形导电元件可彼此电隔离地设置在鼓的外周上。优选地，“I”形导电元件具有帽部、底部以及细长主体。帽部和底部通常为弓形的，各导电元件的帽部和底部形成大致圆形的轴环。每个导电元件的细长主体通常与旋转轴线平行地延伸，从而形成鼓。
导电元件的长度不如它们具有足以与垂直于旋转轴线延伸的一部分场相互作用的长度那样重要。
导电元件可具有任何截面形状。
通过鼓的电路可通过经由绕鼓的周边的外周设置的多个电流传递元件连接相邻的导电元件而形成。电流传递元件可串联地连接在一起，以确保每个导电元件中的电流沿着鼓内的每个导电元件朝着一个方向流动。
每个电流传递元件均可包括与齿轮组件接合的电刷组件。适当地，齿轮组件与在鼓的相对端部设置的一个或多个齿轮配合。适当地，齿轮可与导电元件电隔离。齿轮组件可以包括轴，该轴还承载有与设置在鼓上的齿轮中的至少一个相啮合的齿轮。轴还可连接至滚筒，使得当鼓开始旋转时，由于齿轮的啮合引起的旋转通过轴被传递至滚筒，从而使得滚筒与鼓共同地旋转。作为选择，齿轮可与滚筒连接，滚筒和齿轮两者均由轴承支撑在轴上，使得齿轮的运动直接驱动滚筒。
电刷组件可以包括导电电刷，该导电电刷典型地在鼓的长度的上方与电路中的前述电流传递元件的电刷接合，以确保通过各导电元件的电流均沿着相同方向。电刷可以为连续金属纤维电刷，其能够提供超过310A/cm2的连续电流密度、并且以70-100m/s的速度工作，在超过2.5×109米的滑动路径上磨损长度为5cm。
电刷组件还可包括在电刷和导电元件之间接触的导电滚筒。电刷组件还可设置有安装夹，该安装夹固定在电刷上以便附接至适当的安装结构，从而在转子运转期间保持电刷的位置。
适当地，磁性元件为永磁体。永磁体的直径可为230mm并且永磁体由N35构成，并且能够产生3-5KG的峰值场。磁体被轴向磁化，转子组件被安装成与磁体北极邻近。
作为选择，磁性元件可由高温超导（HTS）带所构成的线圈构造而成。线圈可产生1T至2T之间的磁场，用于供给160A至175A之间的电流。适当地，基于线圈的构造，线圈可产生2t至5.1T之间的磁场，用于供给180A至500A之间的电流。优选地，线圈产生1.3T至5.1T之间的峰值场。线圈可产生3T至5T之间的磁场，供给300A至500A的电流。
磁性元件可具有任意构造，并且被设置成使得极轴大致平行，并且优选地与鼓的旋转轴线共轴。出于此原因，磁性元件优选地为环状，使得安装轴（如果存在的话）能够延伸通过两个磁性元件并且从涡轮机的任一端延伸出，尽管这种构造是不要求的。
在本发明的另一方案中，提供一种涡轮机，所述涡轮机包括：
相斥布置的一对磁性元件；
至少一对鼓组件，其设置在磁性元件之间以绕共同的轴线旋转，第一鼓组件包括绕鼓设置的多个导电元件，第二鼓包括从轴线呈辐射状发散设置的多个导电元件，第二鼓的导电元件被设置成比第一鼓的导电元件更靠近磁性元件；
其中将导电元件连接以形成通过鼓的电路，并且其中鼓电接合在一起以形成通过涡轮机的电流路径；以及
施加电流通过电流路径使得鼓组件旋转。
附图说明
为了使得本发明更易于理解且投入实际使用，现在将参照示出本发明优选实施例的附图进行以下说明，在附图中：
图1是示出一对磁性元件之间的磁场的相互作用的示意图；
图2是示出一对磁性元件之间的磁场的相互作用以及导电元件的位置的示意图；
图3是示出导体在图1和图2的磁性元件所形成的磁场内的位置的示意图；
图4是示出根据本发明一个实施例的鼓组件的构造的示意图；
图5是示出图4的鼓组件的导体布置的示意图；
图6是原位安装有电流传递组件的鼓组件的示意图；
图7是示出在图6的鼓组件内的电流传递路径的示意图；
图8根据本发明另一实施例的鼓组件的示意图；
图9是图8的鼓组件的详细视图；
图10是根据本发明一个实施例的涡轮机的示意图；
图11是图10的涡轮机的详细视图；
图12是根据本发明另一实施例的涡轮机的示意图；
图13是示出根据本发明一个实施例的涡轮机系列的一种布置的示意图；
图14是对暴露于不同的平行磁场的HTS带在不同温度下的不同缩放比例的图；
图15是对暴露于不同的垂直磁场的HTS带在不同温度下的不同缩放比例的图；
图16是本发明的反向旋转两个鼓实施例的替代形式的等距视图；
图17是沿图16中的线A-A截取所示实施例的截面图，以示出通过鼓的电流路径；
图18是图16中所示的实施例的第二或外鼓的等距视图；
图19是图16中所示的实施例的第一或内鼓的等距视图；
图20是本发明的在固定有电刷安装件的反向旋转两个鼓实施例的替代形式的等距视图；
图21是沿图20中的线B-B截取所示实施例的截面图；
图22是沿图20中的线B-B截取的所示实施例的截面图，以示出通过鼓的电流路径；
图23是本发明的在电刷安装件以可选构造被固定的反向旋转两个鼓实施例中的替代形式的等距视图；
图24是沿图23中的线C-C截取所示实施例的截面图；
图25是图16中所示实施例的分解视图；
图26是用于优化元件之间的磁场的涡轮机的磁性元件的一种布置的横截面图；
图27是图26的磁性元件布置的磁场分布的模型；
图28A至图28F是示出涡轮机的各种参数对于场强度的影响的图；
图29A至图29F是示出设定的涡轮机参数对场强度的影响的图；
图30是图26的涡轮机的包含补偿线圈的磁性元件的场分布的模型；
图31A至图31D是示出涡轮机的各种参数对场强度的影响的图；
图32是根据本发明一个实施例的涡轮机的磁性元件的一种布置的横截面图；
图33是图32的布置的场分布的模型；
图34是根据本发明一个实施例的涡轮机的一种布置的横截面图；
图35是图34的布置的场分布的模型；
图36是更详细地示出空白场区域的图35的场分布的模型；
图37A和图37B是示出涡轮机的各种参数对空白场区域的影响的图；
图38是图34的涡轮机的横截面图，以示出电刷的位置；
图39是根据本发明一个实施例的涡轮机的一种布置的横截面图；
图40是图39的涡轮机的横截面图，以示出流体电流传递机构的构造；
图41是根据本发明一个实施例的涡轮机的一种布置的横截面图；
图42是构造为反向旋转的图41的涡轮机的横截面图；以及
图43是构造为整体旋转的图41的涡轮机的横截面图；
图44和图45是根据本发明一个实施例的涡轮机的一种布置的横截面图；
图46是图44和图45的布置的场分布的模型；
图47和图48是根据本发明一个实施例的涡轮机的一种布置的横截面图；
图49为图47和图48的布置的场分布的模型；
图50和图51是根据本发明一个实施例的涡轮机的一种布置的横截面图；
图52是图44和图45的布置的场分布的模型。
具体实施方式
当两个几乎相同的磁场被相斥地放置在一起时，场线彼此压缩且弯曲，以使许多场线变得与磁源的面相平行。例如，当两个磁性元件被并排放置且相斥时，磁场与图1中所示的图像类似。
当存在外部磁场而使得其自身的场线与来自相互排斥的磁体的磁场线垂直时，将形成反作用或驱动。如上所述，平行延伸的场线或者主要与电磁体/磁体的面平行延伸的场线是所要关注的场区域。最简单地形成反作用可通过将导体棒放置在磁体或电磁体之间且与它们的各面垂直来实现。从图2中能够看出，通过载流导体产生的场将具有垂直平面。假设无限数量的磁通平面绕电磁体/磁体的中心径向居中。此处，示出了单个两维平面。实际上，磁通是三维的。如果我们从电磁体/磁体的面的视点观察平面，则我们看到磁通平面绕电磁体/磁体的中心居中。
图3示出了与磁性元件的面垂直设置的四个导体棒。由导体棒产生的磁通平面与磁性元件产生的磁通平面垂直。为了利用该场来产生机电功，申请人已经设计了多种导电结构。这些结构的实例显示在图4至图9中，下文将对此进行更加详细的说明。
参考图4，示出了在根据本发明一个实施例的涡轮机中使用的鼓组件100的一种可能的构造。如图所示，鼓100包括多个导电部件101，该多个导电部件101设置在两个端板102之间且围绕鼓100的圆周。鼓还可设置有与鼓的中心轴线共轴的轴103。在本实例中，两个端板包括用于与本发明的电流传递组件的一个或多个齿轮相啮合的螺旋齿轮104，下文将对电流传递组件进行更加详细的说明。
在此实例中，导体棒彼此电隔离且绝缘，以防止短路或并行电流流动。在此特定实例中，导电元件为大致“I”形，I的两个帽与两个端板102成抵接关系。每个导体棒可由多个HTS带条并排平行地制成（在为I的情况下，带可封装在I的纵向主体内）。带表面应当被定向成使带的表面与涡轮机的相互排斥的元件所产生的磁场平行。也就是说，带将被定向为好像从鼓的旋转轴线呈辐射状散出。通过这种构造，HTS带能够包含在由具有适当低的电阻率的纯铜或合金制成的高导电框架内。
如上所述，导电元件101必须彼此隔离且绝缘，在图示的实例中，这是通过在各个元件之间设置气隙105来实现的。当然，本领域技术人员能够理解，在该实例中，元件之间的分隔必须足够大以防止电弧跨过间隙放电。尽管在此情况下利用气隙来提供期望的隔离和绝缘，但是本领域技术人员将理解，可在各元件之间设置绝缘材料。
图5是鼓100上的导电元件101的布置的更详细的视图。能够看出，形成导电元件的I形束的每个帽均经由气隙105分隔开。在该情况下，帽被粘合在与齿轮104邻近的端板102上。在此具体实施例中，I的纵向主体与平行布置的HTS带条封装在一起。
本领域技术人员将理解的是，为了将图4和图5的鼓组件应用于根据本发明的电磁涡轮机中，鼓组件与电磁涡轮机必须连接以形成允许电流通过涡轮机的电路，以产生响应于涡轮机磁性元件所产生的磁场的转矩。图6示出了用于将相邻的导电元件电接合以形成贯通鼓组件100的电路的一种布置。
当导电元件由于合成转矩而与鼓一起旋转时，移动或滑动电接触是需要的。一种可能的方法是通过借助齿轮齿的滚动齿轮或通过平滑接触区域将电流供给到导体棒的端部。图6中所示的布置使用后者，即，通过平滑接触区域将电流供给到导体棒的端部。如图所示，围绕端板102的周边设置有多个电流传递组件106。每个电流传递组件包括与端板102的齿轮104配合的齿轮107。在该情况下，电流传递组件还包括电刷108，该电刷108与滚筒109接合，滚筒109与齿轮107连接。电刷108可以为美国专利6,245,440中所公开的类型的连续金属纤维电刷，这种电刷能够提供超过310A/cm2的连续电流密度并且能够以70m/s的速度运转，在超过2.5×109米的滑动路径上，磨损长度为5cm。
每个电流传递组件106直接经由导电元件或者经由电缆110互连件与鼓的相对端处的电流组件相接合。在本实例中，将多个电流传递组件连接以形成串联电路。在电流通过主馈电电缆1101施加到电流传递组件106时，电流经过导电元件101传递到电路中的下一电流传递元件106。然后，电流从电流传递元件106经由电缆110传导到下一个电流传递元件106。电流连续如下传递从而完成贯通鼓100的串联电路：该传递经由导电元件101形成的桥在相对的电流传递元件106之间、经由返回电缆连接件110、以及通过电缆1102离开。
在电流通过滚筒109施加到导电元件101时，鼓旋转而使齿轮104旋转，齿轮104的旋转通过齿轮107传递到滚筒109，从而确保滚筒109与转子共同地旋转。
尽管上面的讨论详述了使用贯通鼓的串联电路，本领域技术人员将理解的是，贯通鼓的电路可以为并联电路。这种布置仅要求电流传递组件之间的电缆互连进行重新配置。
在图7中示出了贯通鼓100的电流传递路径的更详细的视图。在电流通过电缆尾部111施加到第一电流传递组件1061上时，电流通过电刷1081到达滚筒1091、进而到达与滚筒1091当前接触的导电元件101，然后电流流过导电元件101到达传递组件1062的滚筒1092。来自滚筒1092的电流由电刷1082拾取且通过电缆尾部111经过电缆110（未示出）传递出去到达电流传递组件1063，在电流传递组件1063处电流经由电缆尾部111被传递到电刷1083。电刷1083接着将电流传递到滚筒1093，在电流传递到滚筒1093处电流被传递经过与电流传递元件1064当前接触的导电元件101。然后，重复该过程遍及电路中的其余的电流传递组件，直到电路闭合。
如上所述，每个电流传递组件均包括与设置在端板102上的齿轮104啮合的齿轮107。在该实例中，设置齿轮107以确保在运转期间与其接合的滚筒109以与鼓相同的表面速度旋转。重要的是，因为任何旋转的失配会降低电流传递效率，所以滚筒109的旋转与鼓100的旋转匹配。另外，使得滚筒和鼓的表面速度匹配还减小了会导致系统不平衡的不均匀磨损的可能性。
图8示出了在根据本发明一个实施例的涡轮机中使用的鼓组件100的另一可能的构造。在该特定实例中，鼓组件包括同心布置的多个鼓801、802、803。如图所示，每个导电部分801、802、803均包括绕相应导电部分的周边间隔开的多个导电元件101（由黑点表示）。
图9更详细地示出了图8的鼓组件的构造。如图所示，鼓801、802、803布置在端板102之间且绕轴103同心布置。如上述图1的鼓的情况，每个鼓均包括设置在端板102之间的且围绕鼓100的周边的多个导电部件101。各个导电元件经由设置在各元件之间的气隙105而相互隔离且绝缘。如上述实例中，导电元件能够由并排平行的多个HTS带条制成（在为I的情况下，带可以封装在I的纵向主体内）。带表面须定向成使得带的表面与由涡轮机的相互排斥的元件所产生的磁场平行。
通过使用如上所述的电流传递组件106能够再次实现流经每个导电元件和每个鼓的电流传递。在该情况下，在鼓801、802、803之间的电流传递能够通过将一个鼓上的最后一个电流传递元件106与下一鼓的第一电流传递元件连接来实现。
图10示出了根据本发明的一个实施例的涡轮机的布置。如图所示，涡轮机包括用于鼓100的支撑件1001和磁性元件1002。磁性元件1002以相斥的方式布置，从而获得穿过支撑件的由场线1003示出的大致线性场，并且使得该场与导电元件101基本垂直。
图11更加详细地示出了图10的涡轮机的支撑件、鼓和磁性元件的布置。如图所示，鼓100悬置在轴103上的支撑件1001内，端盖102和齿轮104被设置成与支撑件1001的内部邻近。在该情况下，电流传递组件106与支撑件1001接合。在该情况下，滚筒109通过固定到支撑件上的轴与支撑件接合。另外，电刷108通过装配到电刷108的夹子系固到支撑件。
图12示出了根据本发明的涡轮机的另一实施例。在该情况下，涡轮机的一般构造与上文讨论的图10和图11中的构造相似。更具体地，涡轮机包括鼓100，该鼓100悬置在磁性元件1002之间的支撑件1001之内。图12的涡轮机布置与图10和图11的涡轮机布置之间的差别在于，电流传递元件不包括滚筒和齿轮，相反，传递到导电元件101的电流是直接经由电刷108的接触来实现的。
上述布置的优点在于，任何数量的部件能够一起连接在中央轴上。这些堆置的涡轮机均能够串联地电连接，或者每个电动机能够单独地与电源连接，或者甚至与单个电源并行地连接。
当电动机被堆置时，须布置外部场以使每个相应电动机内的场相互排斥。因此，通过第二电动机的每个导体棒的电流将需要反向，以使所有的电动机产生沿与图13中所示相同的方向的转矩。
在上述各情况下，磁性元件可以为永磁体或电磁体。目前，对于圆柱形的磁体的永磁体具有大约230mm的尺寸限制。然而，通过堆置多个磁体，能够实现较大的厚度。在该尺寸上，所能够使用的最高级别的磁体材料为N35。在制造能力上的进一步发展意味着，随着时间推移极可能超出这些限制。不期望使用多个磁性元件，因为将造成不均匀的径向场分布。此外，永磁体具有3-5K高斯的有限峰值场。在图示的实例中，磁性元件为由HTS带形成的电磁体。这种电磁体能够被构造成任意尺寸并且当被低温冷却时能够产生极大的场。
截止到目前已经使用的模型的尺寸仅是为了说明的目的。如上所述，永磁体或超导电磁体能够用于产生静态外场。预期器件越大则具有越大的功率密度。
电流容量将根据是否对使用的HTS驱动棒进行优选选择或者这些HTS驱动棒是否由铜或其它普通导电材料构造而成而变化。在为铜的情况下，电流密度将由所使用的铜级别的导电率、可用面积量（确定铜驱动汇流条的截面积）以及去除电阻损耗的热容量的组合来确定。
在采用HTS驱动棒的优选实施例中，电流容量不太取决于可用空间，而是取决于所使用的HTS导线的级别、工作温度（77K以下）以及仔细地定向HTS线缆以避免将线缆暴露于较不利的垂直磁场的能力。下文将更加详细地讨论平行场和垂直场在HTS电流减额方面的不同效果。图14是暴露于不同的平行磁场的HTS带在不同温度下的不同的缩放比例的图。
为了确定当12mm宽的带暴露于平行自场为1.4特斯拉、温度为64K时的Ic，能够使用如下图。首先，我们假设在0特斯拉的外场和温度为77K的情况下Ic为100安培。在温度64K下的1.4特斯拉的场得到了Y轴上的近似0.9的缩放比例。因此为0.9×100=90安培。这是针对4mm宽的带，因此对于12mm宽的带，临界电流Ic将大3倍，这得到了Ic为270安培。这表明，涡轮机主体能够被供给高达270安培的电流以产生远高于1.4特斯拉的场。对于42堆置式涡轮机主体，在160安培下，峰值场仅高于1.45特斯拉。
从图15中所示的图中能够看出，不幸的是，当HTS带暴露于垂直场时不具有相同的性能。例如，当外场或自场垂直时，在温度为64K时，对于12mm宽的带，0.9的缩放比例将可容许自场或外场限制为近似0.2特斯拉、或0.6特斯拉。
在优选的实施例中，外部电磁线圈、载流导体棒以及同样多的辅助电流传递机构（包括齿轮、电流传递表面以及中间电流连接件）或者整体地由HTS材料或带构成、或者包含HTS材料作为其构成部分的主要部分。HTS各部件将需要冷却系统，以使系统的工作温度降至小于77K。可设想的是，工作温度将在10-77K的范围内，因为在该范围内可以看出HTS带的场表现显著提高而仍允许使用较高效率的低温系统来保持工作温度。
可进一步设想的是，构成涡轮机的大部分（不是全部）构件将处于低温环境内，因为如同任何正常导电方式一样，这些构件的性能或者在低温环境中可得到改善，或者不会遭遇性能降级。
所关心的一个方面的损失在于涡轮机组件的零件中产生涡流。然而，由于均匀的径向场分布，这些预期将能被最小化。
存在有抵制产生任何涡流的三种提议方法。第一种是通过与在悬浮列车中使用的电力动态悬浮的构思类似的处理。由于超导体具有抗磁特性，因此它们自然地排斥来自它们内部的场。该特性用于悬浮列车中，其中产生抵制线圈上所感应的涡流的线圈内的磁场是用于防止由于涡流形成而对列车的驱动机构的额外阻力。
第二种方法也涉及围绕外行星齿轮界面缠绕HTS线缆，然而在该方法中，缠绕的线圈不是闭环，而是将它们与电源串联地连接。这将允许电流通过绕组而产生能够排斥大多数或全部外场的强磁场，因此减少了通过材料的涡流。
第三种方法是省略使用排斥外场的线圈或永磁体以及通过材料选择使得涡流最小化。推荐钛用于构造涡轮机的鼓，也就是说，框架、毂盘以及齿轮均由钛构造而成。与其它材料相比，具有优良机械性能的钛允许采用较少的材料来实现相似的机械强度。
通过减小沿涡流易发区域的材料厚度，将进一步阻碍涡流的产生。钛的电阻比铜的电阻大25倍多（钛的电阻为420n欧姆/米，而铜的电阻为16.78n欧姆/米）。这种较高的电阻将使得涡流的自由流动更难，因此在涡轮机鼓的表面内将产生较小的涡流。因为超导材料拥有排斥涡流的抗磁特性，所以理想的方案仍涉及为载流驱动棒使用超导材料。
钛构件将被涂覆或镀有诸如铜或银等导电表面，尤其是有助于齿轮界面或其它机电界面之间的传导。除了钛之外，可以使用具有适当的机械特性和低电导率的任何其它材料。
作为选择，通过使用较薄的部分或层叠材料来减小涡流d分量，从而减小了涡流能够围绕循环的路径宽度。另外，通常不载电流的部分能够由具有较高电阻率的材料制成，这与通过附加电阻生成循环电流相反。
对于超导元件，涡流的问题受另一效应控制。超导体的有趣特性为它们呈现出抗磁性的事实。也就是说，当超导元件被冷却在临界温度以下时，处于正常传导状态的之前能够穿过材料的场从材料内受到排斥。场不能穿过场的事实解释了在超导样本中看到的悬浮行为。这还表示涡流不能形成在超导材料内。
在图16至图25中提供了一对鼓的可选布置，图16至图25示出了具有一对反向旋转鼓的涡轮机，如同之前描述的实施例，涡轮机包括相斥布置的一对磁性元件1601。该实施例利用了导电元件1603、非导电元件1604以及导电电刷1605来形成从电流入导线1606和电流出导线1607通过涡轮机的电流路径。各鼓均绕轴1608旋转。
涡轮机还包括设置在磁性元件之间绕着共同轴线旋转的一对鼓组件。图19中最佳示出的第一鼓组件（内鼓）包括绕鼓设置的多个导电元件1602。导电元件1602被设置成与鼓的旋转轴线大致平行并且设置在涡轮机的中央区域中。该鼓的导电元件1602安装在非导电转子主体1609的任一端处，该非导电转子主体1609包括环状外部1610、环状安装轴环1611、以及在环状安装轴环1611和环状外部1610之间呈辐射状发散的多个臂件1612，所有这些均为非导电的。
每个导电元件1602安装到环状外部1610的内面（而不是边缘）上。通常为导电电刷1605或类似物等导电部分设置在与导电元件1602的任一端导电接触的环状外部的外面上。每个导电元件的导电部分彼此间隔开。
优选地，内鼓安装到用于旋转的第一轴1613上。
图18中所示的第二鼓包括从轴线呈辐射状设置的多个导电元件，第二鼓的导电元件被设置成比第一鼓的导电元件更靠近磁性元件。
第二鼓的导电元件通常分别被构造为转子主体1614，该转子主体包括环状外部1615、环状安装轴环1616、以及在环状安装轴环1616和环状外部1615之间呈辐射状发散的多个臂件1617。优选地，这些部分的每个部分为可导电的。
通常，设置一对导电的转子主体1614，一个转子主体1614位于涡轮机的任一纵向端处，与相应的磁性元件1601间隔开且比内鼓更靠近磁性元件1601。
通常，非导电环状边缘1619径向地设置在第二鼓的每个转子主体1614的环状外部1615的外部。与每个转子1614相关联的非导电边缘1619通常利用安装到非导电环状边缘1619的内面（而不是边缘）上的一个或多个细长的非导电臂件1620被关联在一起。典型地，这样的多个细长的非导电臂件1620绕第二鼓间隔设置，使得转子共同旋转。
优选地，外鼓安装到用于旋转的第二轴1618上。优选地，第二轴为绕第一轴1613同心旋转的中空轴。通常，通过涡轮机的电流将仅流经第二轴。通常，第二轴为一对轴部，一个轴部安装到每个导电转子主体的环状安装轴环上，并且从第二鼓向外延伸。
将导电元件连接以形成通过鼓的电路，并且其中，两个鼓电接合在一起以形成通过涡轮机的电流路径；并且通过施加电流通过电流路径使得鼓组件旋转。
优选地，电流将通过第二轴的轴部之一的导电连接件被引导至涡轮机。然后，电流继续前进通过导电的转子主体的径向延伸的臂件而到达环状外部。第二鼓的各转子的环状外部被安装成接触安装在第一鼓的外面上的导电部分。此构造为第一鼓的导电元件提供了电流路径。电流横穿第一鼓的导电元件的长度，并且通过与上文说明的路径相反的路径通过第二鼓的另一转子而离开第一鼓。该路径具体地示于图17中。
为了使得第一鼓和第二鼓之间的速度差最小化，可如图20所示设置固定的电刷安装件。在此实施例中，第一鼓可在安装有导电元件1612的任一端处设有导电边缘1621。固定的环状毂盘1622可设置在第一鼓的导电边缘1621和第二鼓的导电转子主体1614之间，在环状毂盘1622的两个面上安装有大致呈导电电刷形式的多个间隔开的导电部分，环状毂盘1622的一面与第二鼓的导电转子主体1614相接触，而环状毂盘1622的另一面与第一鼓的导电边缘1621相接触。
电刷可以安装到任一侧上，具有位于电刷之间的导电路径；或者作为选择，单个电刷可安装通过毂盘，具有与各导电路径构件相接触的任一个端部。
根据此实施例，固定的环状毂盘1622优选地相对于中空轴1623安装，中空轴1623被容纳在涡轮机的第一轴和第二轴之间。通常，设置一对轴部，在涡轮机的任一端各有一个轴部。
作为选择，毂盘可固定在外部，而不是利用如图23中所示的中空轴构造。
本领域技术人员将理解的是，能够通过使得涡轮机的磁性元件之间的磁场强度最大化来实现增加转矩。为了进一步提高转矩，期望的是在保持磁性元件尽可能小且尽可能轻的同时使得场最大化。存在影响场强度优化的多种因素，诸如两个元件的分隔距离、线圈直径和匝数、以及每个线圈组件的线圈堆叠件的数量等。
在图26中示出了用于优化两个磁性元件之间的磁场的一种布置1700。如图所示，在该情况下磁性元件17011、17012由HTS带的至少6个线圈17021、17022、17023、17024、17025、17026构成。每个线圈由内径为150mm、100匝的HTS带构成。为了清晰的目的，仅外部钢制磁通引导件1703的一半被示出了。钢制磁通引导件的增加允许对场局部增强。然而，钢的增加仅在此一点上有益，由于钢的过饱和而不存在其它优点。另外，由于期望较轻的电动机，因此，期望使用尽可能少的钢。
除了磁通引导件之外，该特定实例的补偿线圈17041、17042用于进一步增强场强度。如图所示，线圈被安装在磁性元件17011、17012的相对的两个端处。施加到补偿线圈上的电流与线圈组件17011、17012的电流方向相反。此效果是为了操纵场以使得减少平行场（沿Z轴线，即，中心轴线），而增加BY（即，垂直）场。理想的是，对于具有相等场方向特性的HTS带（诸如MGB2线缆等），期望垂直场的值和平行场的值相等。只要超过平行场或垂直场，具有不同场方向相关性的HTS带就将标准化。
图27是两个磁性元件之间的磁场的向量图。场的方向由箭头表示，强度由箭头的尺寸和周围轮廓显示。能够看出，峰值垂直场强度和峰值平行场强度极接近。
图28A至图28F是示出涡轮机组件的场强度与各种物理参数的图。图28A示出了相对于磁通引导件厚度的场强度。在图28A中能够看出，磁场随着磁通引导件厚度的增加而增强。最上方的两个曲线表示线圈内的垂直场强度和平行场强度。而下方的两个曲线表示转子所在的区域（即，工作区域）中的场强度。
图28B示出了相对于转子组件的内鼓的尺寸的场强度。而且，最上方的曲线表示线圈内的垂直场强度和平行场强度。最下方的曲线表示在工作区域中的场强度。从图28B中能够看出，增大内鼓的半径存在一定益处。也就是，实现了对场略微的增强，然而这被转子组件的整体重量的增加抵消了。
图28C所示的图示出了相对于两个磁性元件之间的分隔的场强度变化。下方的曲线示出了围绕转子的平均场如何随着磁性元件进一步分离而快速下降。上方的线简单地示出了线圈内的最大场不如两个主体分隔开时改变的那样多。
图28D示出了由转子棒产生的势转矩。该图表明：通过将线圈分隔开并且增加导体转子棒的长度，则转矩小幅增加。然而，曲线最终变得平缓，表明无进一步的增益。
图28E所示的图示出了磁场强度相对于导体转子棒长度与磁性元件之间的分隔距离为400mm的比率。下方的曲线表明：当棒长度为距离400mm的80%或者甚至是95%时，在整个长度上的场强度的差别极小。这令人吃惊，但是是有益的，因为较短的棒长度将允许为电刷和包围磁性元件的低温系统留出空间。上方的曲线还是表示线圈内的最大场。
图28F示出了势转矩相对于导体转子棒长度与螺线管主体之间的分隔距离为400mm的比率。该图表明：使转子棒长度尽可能接近分隔距离则得到更大的转矩。换言之，转子棒越长，产生越大的转矩。正如之前的段中所提到的，为了电刷空间和低温膜则需要牺牲一定的长度。
图29A示出了磁场强度相对于导体转子棒长度与螺线管主体之间的分隔距离为200mm的比率。红线表明：在整个长度上场强度之差比之前所描述的距离为400mm时的场强度之差甚至更小。例如，当导体棒长度为距离200mm的70%或者甚至90%时，磁场强度极相似。而且，这令人吃惊，但是是有益的，因为较短的棒长度将允许为电刷和包围螺线管的低温系统留出空间。
图29B示出的图示出了势转矩相对于导体转子棒长度与螺线管主体之间分隔距离为200mm的比率。这表明：使转子棒长度尽可能接近分隔距离则得到更大的转矩。换言之，转子棒越长，产生越大的转矩。正如之前所提到的，为了电刷空间和低温膜将需要牺牲一定的长度。
图29C将在转子半径增加且螺线管主体分隔开200mm时最大线圈场与平均导体转子棒场进行了比较。注意的是，黑色阴影区域的右手侧对应于线圈螺线管主体的外径。此时，转子半径为350mm。能够看出：当转子半径实际上低于线圈螺线管主体的半径时，则达到峰值平均转子场。此时，转子半径为320mm。
图29D所示的图示出了当螺线管主体仍隔开200mm时在导体转子棒所在的直径从300mm增大至365mm时所产生的势转矩。从图中能够推导出：当转子半径在320mm至340mm处时，则产生最大转矩。总之，随着半径变化，转矩仅小幅变化。
图29E将在转子半径增加且螺线管主体隔开300mm时的最大线圈场与平均导体转子棒场进行了比较。注意的是，黑色阴影区域的右手侧对应于线圈螺线管主体的外径。此时，转子半径为350mm。能够看出：当转子半径实际上低于线圈螺线管主体的半径时达到了峰值平均转子场。在该情况下，转子半径低于290mm。还应当注意，与之前螺线管主体仅隔开200mm的情况相比，场更强。
图29F的图示出了当螺线管主体仍隔开300mm时在导体转子棒所在的半径从280mm增大至380mm时所产生的势转矩。从图中能够推导出：当转子半径设置在280mm至290mm时，产生了最大转矩。总之，与之前螺线管主体分隔距离仅为200mm的情况相反，当螺线管主体分隔开300mm时，随着半径变化，转矩有较大幅度变化。
图30是包含补偿线圈的两个磁性元件之间的磁场的向量图。场的方向由箭头表示，强度由箭头尺寸和环绕轮廓表示。能够看出：峰值垂直场强度和峰值平行场强度接近。
图31A至图31D为使用不同线圈几何形状的线圈内的场强度的图。图31A示出了平均磁场相对于主线圈的半径。图31B示出了随每个补偿线圈内的匝数变化的磁场。图31C为补偿线圈内的磁场强度的图。图31D是随每个补偿线圈内的匝数变化的场强度的图。
图31A至图31D的各图表明：可以利用补偿线圈来减小最大平行场强度。将主线圈的内径中的场强度显著减小是通过大幅下降工作区域半径中的平均场强度来实现的。
利用补偿线圈和钢制磁通引导件两者的组合方法的效果是积极的，从而使工作区域中的垂直场强度得到全面性增加，但是也使得线圈中的最大场减弱，尤其当增大内鼓半径时情况亦然。之前观察到的趋势继续保持，并且继续采用最优分隔距离，而超过最优分隔距离尚未发现值得注意的增益。
图32示出了图26的混合有磁通引导件-补偿线圈构造的扩展变型例。如图所示，图32的构造包括由12mm宽的HTS带构成的多个线圈所构成的三个磁性元件17011、17012、17013。每个线圈由内径为150mm、100匝的HTS带构成。为了清晰目的，仅外部钢制磁通引导件1703的一半被示出了。钢制磁通引导件的增加允许对场的局部强化。然而，钢的增加仅在此一点上有益，由于钢的过饱和而不存在其它优点。
除了磁通引导件之外，该特定实例的补偿线圈17041、17042用于进一步提高场强度。如图所示，线圈被安装到磁性元件17011、17012、17013的相对的两个端处。施加到补偿线圈的电流与线圈组件17011、17012、17013的电流方向相反。此效果是为了操纵场以使平行场（沿X轴线，即，中心轴线）减弱而BY（即，垂直）场增强。理想的是，对于具有相等场方向特性的HTS带（诸如MGB2线缆等），期望垂直场值和平行场值相同。只要超过平行场或垂直场，具有不同场方向相关性的HTS带将标准化。
因为该变型例的中间线圈有效地用于两个发动机，所以超导线圈线缆长度与功率输出之比增大了一半。图33是由图32中的构造产生的磁场的图。而且，能够看出：对于每个磁性元件的峰值垂直场强度和峰值平行场强度极接近。
尽管有上述这些益处，但是图26的这种组合设计仍存在许多问题。首先，在显著增加成品的重量的设计中，上述益处是以增加钢用量的成本为代价的。由于2T以上的钢益处有限，所以不能获得更高的工作场。最后，这些设计的场图表明：即使使用补偿线圈以及大量的屏蔽，但是在磁通引导件外部仍存在大量的场，而此时电刷必须设置在电磁涡轮机的物理构造中。如果在电刷区域中的场沿一个方向是均匀的，则可使得对金属纤维电刷的影响最小化。不幸的是，形成的场建模已经表明：在电刷的任何实际定向上，不利于金属纤维电刷的性能的磁场的分量将超过实际容许限值0.5T。
基于对金属纤维电刷或任何滑动接触能够在上述图26和图32的设计的高场中可靠运转的能力的考虑、以及期望开发实用的径向电磁涡轮机使得获得了以下布置。
图34示出了根据本发明一个实施例的径向鼓型涡轮机1800的一种可能的布置。如图所示，涡轮机1800包括一对相对的磁性元件18011、18012，鼓1802设置在磁性元件18011、18012之间。磁性元件18011、18012中的每一个均包括一对线圈，即，外线圈18031和内线圈18032。这些线圈绕着鼓1802的旋转轴线同心地布置，即，线圈18031、18032与鼓1802的旋转轴线共轴。如图所示，线圈18031、18032中的每一个均封闭在依次与冷却系统连接的低温封件1804中。
在该实例中能够看出：鼓1802为实心构造，其包括外导电层1805。一部分导电层延伸到线圈18031、18032之间的间隙中，并且接触使电流通过鼓1802的电刷1806。尽管在本实例中鼓被显示为实心构造，但是本领域技术人员当然能够理解的是，鼓无需为实心构造，而是还可以利用分段棒等方式来形成。
在电流经过电刷1806而到达鼓的导电层时，在鼓上产生转矩。该转矩被传递到穿过鼓和磁性元件的输出轴1807。该输出轴可旋转地安装在一对轴承1808上。
图35示出了磁性组件所产生的场的图。能够看出：超导线圈的此布置方式在内螺线管和外螺线管之间的空间中形成了场空白或场抵消区。在图36中能够看到空白区的更详细视图，该图更加详细地示出了线圈18031、18032的布置。
图37A和图37B是示出基于内线圈和外线圈之间的不同几何形状的场强度的效果的图。图37A示出了内外线圈匝数之比对低场区的位置和总面积的影响。图37B示出了增加螺线管的线圈数或总长度对低场区的面积的影响。在该区域内，场强度足够低（小于0.5T），从而允许金属纤维电刷的实际操作。线圈几何形状被优化，以在相对的线圈对之间产生笔直的驱动场并且允许在超导线圈周围为低温恒温器留出空间。
图38示出了在径向涡轮机的鼓中电流流动的情况下电刷的设置。与电流路径垂直的驱动B场由蓝色箭头显示。对上述构思的进一步提炼包括：增加抵消线圈，从而进一步提高内线圈的内径中的场强度与工作半径处的场强度之间的比率。通过减弱或抵消空白区中的场，使用液态电刷也变得可能。因为液态电刷中所使用的导电流体由于通过流体的电流路径和沉浸电刷的场的相互作用而不具有固有的液体移动阻力，所以重要的是确保液态电刷在极低场环境中工作。
这种双线圈径向电磁涡轮机设计有多方面优势，这些优势包括在内线圈和外线圈之间的用于电刷操作的低或空白场区域。此外，当与平坦设计相比时，电刷设置在内螺线管和外螺线管之间能够使更多的总螺线管磁通用于驱动涡轮机。平坦设计中的低温恒温器能够防止工作棒使用由线圈产生的大量磁通。现在，通过使用在线圈之间为电刷留出空间的低温恒温器，所以几乎所有的磁通能够由工作棒捕获。优化的线圈几何形状能够在工作棒上产生大的径向场。最后，空白场区域理想地适合于液态电刷。
图39示出了允许可能使用液态电刷而不是金属纤维电刷的一种可能布局。如图所示，涡轮机具有与上述图34相似的构造。再次地，涡轮机包括一对相对的磁性组件19011、19012，鼓1902设置在一对相对的磁性组件19011、19012之间。磁性组件19011、19012中的每一个均包括一对线圈，即，外线圈19031和19032。这些线圈绕着鼓1902的旋转轴线同心地布置，也就是说，线圈19031、19032与鼓1902的旋转轴线共轴。如图所示，线圈19031、19032中的每一个均封闭在依次与冷却系统连接的低温封件1904中。
在该实例中能够看出：鼓1902为包括外导电层1905的实心构造。一部分导电层延伸到线圈19031、19032之间的间隙中。在该实例中，导电层包括突起1906，该突起1906与导电环1907内的通道相啮合，如图所示，导电环包括将电流传递到鼓的导电层的流体。
在电流经过鼓的导电层时，则在鼓上产生转矩。该转矩被传递到穿过鼓和磁性元件的输出轴1908上。该输出轴可旋转地安装在一对轴承1909上。
图40更详细地示出了鼓的导电环1907和导电层1905的相互连接。如图所示，突起1906从导电层1905的端面向外延伸。突起1906插入到导电环1907的通道1910中。能够看出：突起被插入到通道1910中经过密封件1911，从而提供流体紧密封。当然，本领域技术人员将理解的是，给定图39和图40的流体电流传递机构的构造，一旦突起1906位于通道1910内且与密封件1911啮合，则流体可被导入流体通道1910中。在这种情况下，导电盘1907可以包括可密封流体端口，以允许流体被喷射到流体通道1910中。本领域技术人员还理解的是，导电流体可以为任何适当稳定的导电流体，诸如硫酸、盐酸或其它适合的酸、氢氧化钠、氯化钠、硝酸银、氢氧化钾或其它适合的离子或电解质流体等。在一些实例中，流体可以为诸如汞的液相金属、伍德合金（Wood’s metal）、路斯合金（Rose’smetal）、费尔德合金（Field’s metal）、Bi-Pb-Sn-Cd-In-Tl、镓、钠钾共晶合金（NaK）、镓铟锡（GalnSn）等。
图41示出了根据本发明一个实施例的涡轮机的另一可能的布置。在该实例中，使用了额外的磁性组件19013。而且，磁性组件19011、19012以及19013中的每一个均包括一对线圈，即，外线圈19031和内线圈19032。每个涡轮机还包括具有外导电层1905的实心鼓1902。一部分导电层延伸到线圈19031、19032之间的间隙中。在该实例中，导电层包括突起1906，该突起1906与导电环1907内的通道相啮合。如图所示，导电环包括将电流传递到鼓的导电层的流体。
在电流经过鼓的导电层时，在鼓上产生转矩。该转矩被传递到穿过鼓和磁性元件的输出轴1908上。该输出轴可旋转地安装在一对轴承1909上。根据转子中的电流方向，两个转子轴能够朝着相同或相反的方向旋转。图42示出了对于反向旋转构造的电刷/流体传递组件的极性，而图43示出了用于整体式旋转的电刷/流体传递组件的极性。在图42的涡轮机的情况下，使用两个单独的轴，而图43的涡轮机使用单个整体式轴。
使用额外的磁性元件增大了从电动机输出的功率并且提供了可选的反向旋转轴。该布局的另一优势还在于更高效使用超导线缆，这是因为功率能够增加到2倍，而不必将所使用的超导线缆的量加倍。
从上述实例中能够看出：空白场区域的形成允许金属纤维电刷的操作，而不经受由于对金属纤维束的不利负载引起的电刷材料的不当变形。上述构造还能使用液态金属电刷。类似于金属纤维电刷，液态金属电刷具有相似的负载。在高磁场环境中工作的液态金属电刷的电流路径上所存在的洛仑兹力能够使得借助于液态金属形成涡流。这些涡流的形成与在高场环境中工作的原型电刷中所见的载流容量的降低相对应。
因此，形成和优化空白场对于使液态金属电刷正确地起作用是重要的。申请人为了实现下述目的已经设计了超导线圈的多种不同布置：即，形成电刷能够在其中操作的无磁场或极小磁场的区域、以及增大沿着鼓转矩元件的工作长度的磁场强度。
图44示出了使用一对磁性组件20011、20012的涡轮机2000的一种构造。而且，磁性组件20011、20012中的每一个均包括一对线圈，即，外线圈20021和内线圈20022。涡轮机包括安装到轴2004上的转子组件2003，该转子组件2003具有外导电层2005。一部分导电层2005延伸到线圈20021、20022之间的间隙中。在该实例中导电层包括突起2006，该突起2006与导电环2007内的通道2009相啮合，而导电环2007设置在线圈20021、20022之间的间隙内。
在图45中示出了导电元件的布置的更加详细视图。在该实例中能够看到：导电环2007包括将电流传递到鼓2005的导电层的流体。在导电层和外螺线管之间设置有轴承2008，以确保在转子组件2003在轴2004上旋转时鼓2005的导电层的对准和平滑旋转。当然，本领域技术人员将理解的是，在该情况下，提供轴承2008为非磁性的，使它们能够接近大的磁场。
图44和图45中所描述的涡轮机中的两个线圈20021、20022中的电流沿着相同方向流动。这使得在内线圈和外线圈之间产生场抵消区域。正如能够看出：此特定构造易于允许在将鼓元件的工作长度最大化的同时实现金属纤维电刷或液态金属式电刷的电刷放置，并且具有用于低温封件的足够空间。
图46示出了图44和图45的涡轮机的磁性组件所产生的磁场的图。正如能够看出：超导线圈的这种布置在内螺线管和外螺线管之间的空间中形成了场空白或场抵消区域。
图47示出了根据本发明一个实施例的涡轮机2100的另一可能的布置。在该特定布置中，磁性组件21011、21012由两个超导线圈21021、21022构成，该两个超导线圈21021、21022并排布置以在线圈之间产生场空白。在该情况下，线圈21021和21022由低温主体2108封闭。能够看出：在该实例中，转子组件2103被设置在轴2104上位于磁性组件21011、21012的两个最内线圈21022之间。转子组件2103包括外导电层2105，该外导电层2105包括突起2106，该突起2106与导电环2107内的通道2109相啮合，而导电环2107布置在线圈21021、21022之间的间隙内。
从图48中能够看出，导电层2105被定形为在内线圈21022的低温主体2108的上方延伸。然后，突起2106与导电环2107内的通道2109啮合。如图所示，通道2109还填充有将电流传递经过转子组件2103的导电层的流体。
图49示出了图47和图48的涡轮机的磁性组件所产生的磁场的图。能够看出：超导线圈的该布置在线圈21021、21022之间的空间中形成场空白或场抵消区域。
在图50和图51中示出了根据本发明一个实施例的涡轮机2200的另一可能的布置。在图50中能够看出：涡轮机包括具有转子组件2202的一对磁性组件22011、22012，该转子组件2202位于轴2203上并设置在一对磁性组件之间。在该情况下，每个磁性组件22011、22012由以并排构造布置的内线圈22041和外线圈22042对构成。每个线圈对22041、22042的线圈22051和22052与设置在它们之间的间隙同心地布置。
而且，转子组件2202包括外导电层2206，该外导电层2206包括突起2207，该突起2207与导电环2209内的通道2208相啮合，而导电环2209设置在内线圈22041和外线圈22042对之间的间隙内。从图51中能够看出：导电层2206延伸通过设置在内线圈22041对的线圈22051和22052之间的间隙，以使突起2207设置在导电环2209的通道2208内。如上述实例，通道2208还填充有将电流传递经过转子组件2206的导电层的流体。
图52示出了图50和图51的涡轮机的磁性组件所产生的磁场的图。能够看出：超导线圈的该布置在内线圈22041和外线圈22042对之间的区域中形成了一对空白区域。该布置使电刷数量倍增并且因此使得传递到转子组件2202的电流倍增。然而，这样给定出的线圈的复杂布置，所要求的低温系统的复杂度也显著增大。
应当理解的是，仅通过本发明的示例的方式提供了上述实施例，并且对于本领域技术人员明显的是，对上述实施例的进一步变型和改进均视为落在本文中描述的本发明的宽泛范围和界线内。

Claims (39)

1.一种涡轮机，所述涡轮机包括：
相斥布置的一对磁性元件；
鼓组件，其设置在所述磁性元件之间，所述鼓组件包括绕鼓设置的多个导电元件，其中将所述导电元件连接以形成通过所述鼓的电路；以及
施加电流通过所述电路引起所述鼓旋转。
2.如权利要求1所述的涡轮机，其中相邻的导电元件彼此电隔离且绝缘。
3.如权利要求2所述的涡轮机，其中相邻的导电元件由多个非导电间隔元件分隔开。
4.如权利要求1至3中任一项所述的涡轮机，其中通过转子的电路是通过经由绕着所述鼓设置的多个电流传递元件连接相邻的导电元件而形成的。
5.如权利要求4所述的涡轮机，其中所述电流传递元件串联地连接在一起。
6.如权利要求4或5所述的涡轮机，其中每个所述电流传递元件均包括电刷组件和齿轮组件。
7.如权利要求6所述的涡轮机，其中每个电刷组件均包括与导电滚筒接合的连续金属纤维电刷。
8.如权利要求6或7所述的涡轮机，其中所述齿轮组件包括齿轮和轴。
9.如权利要求8所述的涡轮机，其中，通过所述齿轮组件的齿轮与设置在所述鼓上的相应齿轮相啮合，所述滚筒以与所述转子相同的速度旋转。
10.如权利要求9所述的涡轮机，其中设置在所述鼓上的齿轮与所述导电元件电隔离。
11.如权利要求9或10所述的涡轮机，其中，在所述鼓每旋转一圈期间，每个电流传递元件的所述滚筒与每个导电元件接触一次。
12.如任一前述权利要求所述的涡轮机，其中所述磁性元件为永磁体。
13.如权利要求12所述的涡轮机，其中所述永磁体为N35轴向磁化磁体。
14.如权利要求1至11中任一项所述的涡轮机，其中所述磁性元件为电磁体。
15.如权利要求14所述的涡轮机，其中所述电磁体由高温超导带线圈形成。
16.一种涡轮机，所述涡轮机包括：
相斥布置的一对磁性元件；
多个鼓组件，其设置在所述磁性元件之间，每个鼓组件均包括绕所述鼓设置的多个导电元件，其中将所述导电元件连接以形成通过每个鼓的电路，并且其中所述鼓电接合在一起以形成通过所述涡轮机的电流路径；以及
施加电流通过所述电流路径使得所述鼓组件共同旋转。
17.如权利要求16所述的涡轮机，其中相邻的导电元件彼此电隔离且绝缘。
18.如权利要求17所述的涡轮机，其中相邻的导电元件由多个非导电间隔元件分隔开。
19.如权利要求16至18中任一项所述的涡轮机，其中通过转子的电路是通过经由绕所述鼓设置的多个电流传递元件连接相邻的导电元件而形成的。
20.如权利要求19所述的涡轮机，其中所述电流传递元件串联地连接在一起。
21.如权利要求19或20所述的涡轮机，其中每个所述电流传递元件均包括电刷组件和齿轮组件。
22.如权利要求21所述的涡轮机，其中每个电刷组件均包括与导电滚筒接合的连续金属纤维电刷。
23.如权利要求21或22所述的涡轮机，其中所述齿轮组件包括齿轮和轴。
24.如权利要求23所述的涡轮机，其中，通过所述齿轮组件的齿轮与设置在所述鼓上的相应齿轮相啮合，所述滚筒以与所述转子相同的速度旋转。
25.如权利要求24所述的涡轮机，其中设置在所述鼓上的所述齿轮与所述导电元件电隔离。
26.如权利要求24或25所述的涡轮机，其中，在所述鼓每旋转一圈期间，每个电流传递元件的所述滚筒与每个导电元件接触一次。
27.如权利要求16至26中任一项所述的涡轮机，其中所述磁性元件为永磁体。
28.如权利要求27所述的涡轮机，其中所述永磁体为N35轴向磁化磁体。
29.如权利要求16至17中任一项所述的涡轮机，其中所述磁性元件为电磁体。
30.如权利要求29所述的涡轮机，其中所述电磁体由高温超导带线圈形成。
31.如权利要求17至30中任一项所述的涡轮机，其中所述鼓绕中心轴同心地布置。
32.一种涡轮机，所述涡轮机包括：
相斥布置的一对磁性元件；
至少一对鼓组件，其设置在所述磁性元件之间以绕共同的轴线旋转，第一鼓组件包括绕所述鼓设置的多个导电元件，并且第二鼓包括从所述轴线呈辐射状发散设置的多个导电元件，所述第二鼓的导电元件被设置成比所述第一鼓的导电元件更靠近所述磁性元件；
其中将所述导电元件连接以形成通过所述鼓的电路，并且其中所述鼓电接合在一起以形成通过所述涡轮机的电流路径；以及
施加电流通过所述电流路径使所述鼓组件旋转。
33.一种涡轮机，所述涡轮机包括：
一对磁性元件；
鼓组件，其设置在所述磁性元件之间，所述鼓组件包括至少一个导电元件；
电流传递机构，其与所述至少一个导电元件接合；
其中，所述磁性元件被布置成提供与所述鼓组件垂直的大致均匀磁场区域，使得经由所述电流传递机构施加电流通过所述导电元件使所述鼓旋转。
34.如权利要求33所述的涡轮机，其中每个磁性元件均包括一对超导线圈。
35.如权利要求34所述的涡轮机，其中每对超导线圈均被布置成产生空白磁场区域。
36.如权利要求35所述的涡轮机，其中所述空白磁场区域位于所述大致均匀磁场区域的外部。
37.如权利要求35或36所述的涡轮机，其中所述电流传递机构的相对端设置在所述空白磁场区域中。
38.如权利要求35至37中任一项所述的涡轮机，其中所述一对超导线圈或每个磁性元件同心地间隔开，并且其中所述空白磁场区域产生在每个磁性元件内的各个所述线圈之间的空间内。
39.如权利要求35至37中任一项所述的涡轮机，其中所述一对超导线圈或每个磁性元件横向地间隔开，并且其中所述空白磁场区域产生在每个磁性元件内的各个所述线圈之间的空间内。
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