CN106664000A - 电磁装置 - Google Patents

Abstract

优选实施方式的电动机/发电机包括旋转部件(转子)和固定部件(定子)。在所公开的装置中，定子的主要功能是提供转子在其中旋转的高强度背景磁场。在电动机的情况下，转子可以由与背景场的磁场方向的相对变化(即，当转子从一个磁极移动到下一磁极时)相一致地改变方向的电流供电。在发电机的情况下，转子的运动通常导致交流电压和电流的产生。

Description

电磁装置

技术领域

本发明涉及在磁场中使用往复元件或旋转元件的电磁装置，尤其涉及被放置在磁场中的载流条/绕组的变化以及通过这些载流条/绕组的电流的应用。

背景技术

物理学的基本原理之一是电与磁之间的关系。首先在18世纪中期当注意到通过简单的条形导体的电流感生出垂直于电流流动方向的磁场时观察到这种关系。作为感生磁场的结果，构成电流的移动电荷中的每个移动电荷经受力。施加在每个移动电荷上的力在导体上产生与磁场成比例的转矩。

电测理论的一个很好理解的方面是，当电流通过简单的条形导体时，它会感生出垂直于电流流动方向的磁场。作为感生磁场的结果，构成电流的移动电荷中的每个移动电荷经受力。施加在每个移动电荷上的力产生转矩。正是这个原理支持诸如电动机和发电机的装置。

最常用的DC电动机包括三个主要部件，即定子、电枢/转子和换向器。定子通常提供磁场，该磁场与在电枢中感生的场相互作用以产生运动。换向器起作用以每半周旋转反向电枢中流动的电流，从而反向电枢中的场，以保持在场内沿一个方向的电枢的旋转。可以通过以下三种关系来描述采用电枢的最简单形式的DC电动机：

e_a＝KΦω

V＝e_a+R_ai_a

T＝KΦi_a

其中e_a是反电动势，V是施加至电动机的电压，T是转矩，K是电动机常数，Φ是磁通量，ω是电动机的转速，Ra是电枢电阻，以及i_a是电枢电流。

常用电动机中的磁场是静态的(在定子上)，并且由永磁体或线圈产生。当施加电流至电枢/转子时，由F＝i_a×B×1给出电枢中每个导体上的力。由于电枢中的导体旋转通过静态场而导致的通量变化的相对速率产生反电动势。因此，电枢电压回路包含反电动势，还有绕组中的电阻损耗。因此，在转矩与磁通量和电流的乘积成比例的情况下DC电动机的速度控制主要通过施加至电枢的电压V。

因此，为了将DC电动机中的转矩增大至最大限度，会假设这仅仅是增加磁场或供应的电流的问题。然而，实际上，存在限制。例如，可以经由永磁体产生的磁场的大小受到许多因素的限制。为了从永磁体产生明显大的场，磁体的物理尺寸较大(例如，230mm N35磁体能够产生几千高斯(kG)的场)。明显地，可以使用多个磁体来产生更大的场，磁体的尺寸和数量再次增加了系统的总体尺寸和重量。电动机的尺寸和重量两者在应用诸如电推进系统中是关键的设计考虑。使用标准线圈可以产生较大的磁场，但是尺寸、重量和热效应使得使用标准线圈不切实际。

对需要考虑的转矩有影响的另一因素是由电枢/转子内产生的涡流引起的阻力(drag)的产生。在磁场中存在时间变化、通过导体的磁场的变化或者磁场源和导电材料的相对运动引起的变化的情况下出现涡流。涡流根据楞次定律感生出抵抗原始磁场的变化的磁场，导致在导体与磁体之间的排斥力或阻力。对于假设材料和场均匀并且忽略趋肤效应的简单导体的情况，可以通过下式计算由涡流引起的功率损耗(P)：

其中B_p是峰值通量密度，d是线的厚度或直径，p是电阻率，σ是电导率，μ是磁导率，f是频率(场的变化)，以及穿透深度(D)。

如从上述等式可以看出的，随着磁场的增大，涡流的大小和影响增大，即，磁场越高，由涡流产生的阻力越大。除了场强度之外，电枢中的导电元件的电阻率和厚度也是因素。电枢中的导电元件的材料的选择可以极大地影响施加至电枢的电流的量。

这些基本性质和功能是寻求具有更好效率的改进装置中的持续发展的焦点。

将清楚地理解，如果在本文中提及现有技术出版物，则该提及不构成对该出版物在澳大利亚或任何其他国家形成本领域的公知常识的一部分的承认。

发明内容

本发明涉及在磁场中使用往复元件或旋转元件的电磁装置方面的改进，其可以至少部分地克服上述缺点中的至少个或者为消费者提供有用的或商业的选择。

在考虑到前述内容的情况下，本发明以一种形式广泛地存在于电磁装置中，该电磁装置包括产生背景磁场的至少一个磁场发生器、位于背景磁场内以进行运动的至少一个导电元件、将电流输送到至少一个导电元件的电流输送系统，其中，电流被供应给至少一个导电元件足以产生围绕至少一个导电元件的至少等于或大于背景磁场的强度的磁场以对导电元件产生大的力。

术语“密封”在本文中的使用不涉及物理密封至少一个导电元件，而是涉及围绕至少一个导电元件的外围的磁场的转移，而不是允许场延伸穿过至少一个导电元件，这导致大的反作用力。

本发明的电磁装置通常将是电磁电动机的形式或者所施加的电输入产生机械输出的类似形式。通常，装置或装置的部件将在低温容器或低温恒温器内被至少部分地包围以冷却所使用的优选的超导线圈。

本发明的装置可以具有往复或旋转构型，其中安装至少一个导电元件以用于根据这些原理中的任一个(或两者)的运动。

本发明的装置包括产生背景磁场的至少一个磁场发生器。优选地，背景磁场主要是均匀的，但是最优选的是，背景磁场在至少一个导电元件所处的并且移动的区域中主要是均匀的。

背景磁场可以以任何方式使用任何装置或装置的构型来生成。如上所述，特别优选的是，使用至少一个超导结构特别是至少一个超导线圈来产生背景磁场。优选的超导线圈通过缠绕超导带或线来形成线圈。因为当被冷却到临界温度以下时这些类型的线圈的接近零的电阻，这些类型的线圈是特别优选的。这些类型的线圈还允许高电流密度，因此允许产生大(且密集)的磁场。

本发明的背景磁场可以是永久的或变化的。通常，背景场将是恒定场，以及至少一个导电元件的场是变化场，以提供用于通过与背景磁场的相互作用来使至少一个导电元件运动的动力。

通常，在提供变化场的情况下，这优选地通过物理或电子换向直流电源或交流电源来实现。

应当理解，将根据应用来确定至少一个磁场发生器和至少一个导电元件的特性。

在往复构型中，至少一个线圈可用于产生背景磁场，但是优选地使用一对固定线圈。在优选构型中，两个线圈优选地充当具有至少一个导电元件的定子元件，优选地包括位于其间的第三线圈，第三线圈经受电流的交替极性。

在其中使用单个线圈来产生背景磁场的次优选的构型中，优选地包括第二线圈的至少一个导电元件经受电流的交替极性。

可以以任何数量的层来设置优选的线圈，其中通常优选多个层。电流指示是四层是最佳层数，以针对用于形成线圈同时保持在电流线圈制造技术的参数内的给定长度的高温超导导线获得所需的最大场强。

在标准构型中通过使用多于一个线圈来增加所使用的线圈的深度优选地导致当垂直于线圈的表面移动时背景磁场的更大的投影。这导致施加到至少一个导电元件的力的较小的变化，从而导致沿着运动的行程平滑功率输送。

如上所述，关键考虑是不论磁场发生器的类型、导电元件或磁场发生器和导体元件中任一个的几何形状如何，对于在装置中采用的线圈，由至少一个磁场发生器和至少一个导电元件产生的尺寸和磁场是相等的。在实践中，通常更简单的是确保至少一个导电元件的磁场的强度至少等于在至少一个磁场发生器线圈和导电元件或线圈基本上具有相同类型和构型以及具有实质上相同比例和物理特性的情况下所产生的背景场的强度。

因此，至少一个导电元件因而还优选是与用于产生背景磁场的线圈基本相同的线圈，以产生匹配场。

在优选实施方式中，每个线圈通常是环形的，并且当从侧面观察时通常是平面的。

因此，根据优选的往复式实施方式，通常存在一对固定线圈以及移动导电元件，一对固定线圈负责产生背景磁场，移动导电元件还包括在两个固定线圈之间以及在其之间往复运动的匹配线圈，或者可选地，存在一个固定线圈以产生背景磁场，以及包括相对于固定线圈往复运动的匹配线圈的移动导电元件。

关于优选线圈的物理布局，线圈通常同轴定向，并且至少一个移动导电元件将通常沿着轴线往复运动。至少一个导电元件优选地连接到某种形式的机械工件取出装置，通常为轴或类似物，特别是将往复运动转换成旋转的曲轴。通常，至少一个导电元件的运动将由轴限制。至少一个导电元件通常连接到换向器，以如果需要的话控制电流的反转。还可以设置组合的转矩变换器和制动组件。

如果交流电被施加到移动的至少一个导电元件，则可以不需要电功率控制器，特别是换向器，或者将至少减少对电功率控制的需要。

尽管往复式布置明显不同于传统的旋转电动机装置，但是往复式布置相对于旋转构型保持了许多优点。这些优点包括在行程过程中保持场强变化小的能力(忽略结束条件)，从而使装置的功率最大化，移除了对开发专用线圈绕组技术以获得适于容纳线圈所需的容器的简化和圆形构型的线圈几何形状并且便于它们的到亚临界温度的冷却的需要。虽然这些原因都没有妨碍模拟往复式布置的基本功能的圆形构型的发展，但是这些原因用于概述为什么可以优选往复式构型的原因。

根据这样的旋转实施方式，优选地，至少一个磁场发生器将包括一组线圈，以产生背景磁场。通常，至少一个导电元件位于背景场内，并且将通常围绕基本上垂直于背景磁场的主方向的轴旋转。根据特别优选的实施方式，背景磁场发生器将通常设置在第一低温恒温器中，并且至少一个导电元件将设置在第二低温恒温器中，其中，第二低温恒温器相对于第一低温恒温器可移动。通常，第一低温恒温器将是固定的，并且第二低温恒温器在第一低温恒温器的至少一部分内旋转，其中，至少一个导电元件固定在第二低温恒温器内。

至少一个磁场发生器将优选地由多个线圈形成。根据特别优选的实施方式，使用至少一个初级线圈来形成背景磁场，以及至少一个次级线圈被设置成使背景磁场成形，以增加旋转至少一个导电元件所位于的区域中的背景磁场的均匀性。

根据优选实施方式，设置至少两个初级线圈。本实施方式的每个初级线圈成形为矩形螺线管。因此，每个初级线圈将优选地形成至少一个磁场发生器的一半。每个初级线圈优选地是环形的并且在形状方面基本上是矩形的。初级线圈将通常彼此间隔开，使得针对包含至少一个导电元件的旋转低温恒温器的安装能够延伸到初级线圈之间由初级线圈产生的背景磁场中。

优选的两个初级线圈通常相对于彼此同轴定位。每个初级线圈优选地具有足够的宽度以限定背景磁场，使得旋转低温恒温器在其旋转期间在所有位置完全位于背景磁场内。

根据优选实施方式，设置多个次级线圈，并且优选地，次级线圈垂直于初级线圈设置。通常，将存在设置在每个初级线圈的每个“长边”上的至少一个次级线圈，并且最优选的是针对每个初级线圈的至少一个上次级线圈和至少一个下次级线圈。

次级线圈优选地也是环形的并且在形状方面基本上是矩形的。优选地，每个次级线圈的环形表面被定位成与和次级线圈相关联的初级线圈的内周表面基本上共面。

每个次级线圈的内周表面优选地横向位于初级线圈的外边缘外侧，次级线圈围绕初级线圈定位。

附加的次级线圈可以位于每个初级线圈的“短边”。这些附加的次级线圈可以随着初级线圈的“短边”的长度增加而变得越来越重要；即在初级线圈的纵横比朝1：1移动的情况下。

次级线圈的替代构型可以有助于增加初级线圈的在其中至少一个导电元件和第二低温恒温器位于并且旋转的中心区域中的场均匀性。已经发现，“床架”次级线圈对于该目的特别有用。每个床架次级线圈包括位于同一平面中的基本上平行的上部和下部以及连接上部和下部的端部，所述上部和下部在两个方向上垂直于上部和下部定向。

在设置床架次级线圈的情况下，端部通常被定向成彼此远离地延伸。优选地，床架次级线圈的上部和下部与初级线圈的相对于它们所位于的部分共面。根据最优选的实施方式，每个床架线圈的上部和下部位于相邻定位的初级线圈之间。

旋转实施方式的至少一个导电元件将优选地具有环形矩形形状。至少一个导电元件安装成在第一低温恒温器内旋转。通常，至少一个导电元件固定在第二低温恒温器中，并且第二低温恒温器在第一低温恒温器内旋转。

通常设置合适的轴承、轴、密封件等，以相对于彼此安装第一低温恒温器和第二低温恒温器，并且使得至少一个导电元件能够旋转以输出机械功。

优选地，旋转实施方式的至少一个导电元件是连接到电流输送系统的超导线圈。第二低温恒温器还优选地连接到低温输送系统。

当旋转线圈与通过初级线圈减小的场磁对准时，电流输送系统将优选地能够反转在至少一个导电元件中流动的电流。在优选实施方式的情况下，电流反转每180°并且定时发生，从而导致至少一个导电元件的连续旋转。然而，该角度可以根据形成背景磁场的初级线圈的数量和/或构型而改变。

优选地，以尽可能接近方波形式的波形施加电流。同样，这减少了线圈场强度小于背景场强度的周期，使得装置的转矩和功率最大化。电流输送系统将通常尽可能接近瞬时地施加电流，然后在旋转期间保持电流通过至少一个导电元件直到电流流动反转的切换点。

重要的考虑是旋转元件被设计为具有有利于电流的快速增加和电流的快速反转(低电感)的电路特性，使得可以快速建立和反转场水平(field level)。另外，相对于旋转线圈的电感，至装置的电源(当作为电动机驱动时)将需要具有足够高的电压，以实现电流的快速建立和反转。优选的波形是完全可逆的DC信号(或方波AC电流信号)。只要驱动线圈在半周期停留时间期间是开路的，则可以使用不可逆方波DC电流波形。

在旋转线圈组件内还有两个重要的系统。到旋转线圈的电流将通常由来自方波电源的固定电流引线输送。优选地通过一组滑动电流触头实现该电流输送。这些滑动电流触头将可能是液态金属刷。

在这种情况下，可以通过使用具有互补槽的通道形成液态金属刷，并且可以在可变压力下将液态金属从储存器引入到通道中。在密封期间还可以将气体引入到通道中，以减少水分和氧气对液态金属的不利影响。

第二系统涉及包含旋转线圈的旋转低温恒温器的操作。优选地通过经由固定管输送液态制冷剂(例如氦)来实现低温恒温器中的冷却。液态制冷剂通常通过由低温恒温器的旋转产生的离心力输送到线圈组件的外部。次级固定外管可以用于收集加热的低温气体，低温气体当低温气体离开旋转低温恒温器并且作为闭环低温系统的一部分返回以进行再冷却时可以用于对电流输送通道施加额外的冷却。该系统可以被构型为不需要额外泵送低温流体。根据该优选实施方式，在固定与旋转边界之间存在需要的旋转低温密封的一个点。

在本发明的优选实施方式中，可以在液态金属刷与一个或更多个超导元件之间设置一个或更多个热阻挡级。虽然一个或更多个热阻挡级的目的可以是将较高温度的液态金属刷与较低温度的超导元件分离，但是一个或更多个热阻挡级可以具有任何合适的形式。虽然在本发明的一些实施方式中，系统可以设置有至少一个内部液态金属刷和至少一个外部液态金属刷，但是液态金属刷可以相对于彼此位于任何合适的位置。在本发明的该实施方式中，转子可以在用于电流输入的外部液态金属刷与用于从系统移除电流的内部液态金属刷之间具有超导电流传输元件。

转子可以具有任何合适的尺寸、形状或构型。然而，优选地，转子包括至少一对同心导电元件，至少一对同心导电元件包括内导电元件和外导电元件。在本发明的优选实施方式中，内导电元件和外导电元件是大致环形的。在一些实施方式中，可以使用一个或更多个热优化的正常导电元件或HTS块或者线作为具有有限导热性的中间电流传输级来连接内导电元件和外导电元件。

转子可以相对于轴组件安装，并且优选地相对于基本中心的轴组件安装。在一些实施方式中，单个驱动元件(诸如初级HTS驱动元件)可以被构型为从轴组件向内导电元件辐射的辐条。优选地，驱动元件和驱动元件安装到轴组件的点可以被封装在支撑结构内。优选地，支撑结构是非导电的。

在本发明的一些实施方式中，系统可以设置有在轴组件与内导电元件之间辐射的一个或更多个附加辐条。在本发明的优选实施方式中，一个或更多个附加辐条可以是非导电的。可以设想，支撑结构可以包括由非导电辐条提供的附加转矩传递。当用于形成单个驱动元件的多股HTS线或带的优选构型可能不具有足够的刚性以传递转矩时，可以这样做。

在本发明的替代实施方式中，多个驱动元件(诸如HTS驱动元件)可以在内导电元件与外导电元件之间使用。在优选实施方式中，这些驱动元件中的每个可以产生线圈周围的等于或大于背景磁场的强度的场强。

在一些实施方式中，可以通过一对液态金属刷向系统供应电流。在本发明的具体实施方式中，电流可以从与外导电元件相关联的较大半径的液态金属刷流动到内导电元件。优选地，电流从较大半径的液态金属刷通过HTS块流到内导电元件。从内导电元件，电流可以流动通过初级驱动元件并且通过电流返回路径流出。在本发明的优选实施方式中，电流返回路径可以设置在轴组件中并且通过较小半径的液态金属刷流出。

在本发明的具体实施方式中，该装置可以包括由多股超导导线和/或带制成的单个超导电流引线。超导电流引线可以用作驱动元件中的至少一个。优选地，超导电流引线可以在初级驱动场垂直于电流通过导致转子旋转的驱动元件的流动的区域中使用。可以设想，在本发明的该实施方式中，可以使用单个电流路径，其中电流密度足够高，以确保磁场的强度高于转子所处的背景场的强度。

可以设想，在一些实施方式中，转子可以由双壁或两级旋转低温恒温器封装。在该实施方式中，两级中的第一级可以是包含转子和沿着旋转轴线输送工作电流的电流返回路径的内部超导级。该内部超导级优选地可以包含在内部旋转低温恒温器内。

第二级可以是在内部级的相对低的温度与液态金属刷的相对高的温度之间过渡的热隔离级。该过渡级可以由诸如铜的导电材料构成。

在另一宽泛形式中，本发明在于具有多个磁性元件的电磁机器，每个磁性元件具有北磁极和/或场以及相对于彼此定位的南磁极和/或场，以在邻近磁性元件之间产生填隙式磁极和相对于磁性元件定位的至少一个导体元件，使得导体与磁性元件的场和/或磁极相互作用以产生电流或机械功。

根据本发明的一个方面的装置的操作的基本基础是载流导体与背景磁场之间的相互作用。这种相互作用导致在装置(在电动机的情况下)中产生输出转矩或在发电机的情况下产生输出电压和电流。许多优选实施方式包括一个静态或固定磁场和一个交变场。

背景磁场在基本水平上包括由电磁线圈或永磁体产生的磁极。磁极具有磁场的北极取向和南极取向。

在本文献中介绍的装置的一个关键进步是装置中的磁场被多次使用的方式，即，载流导体运行出多个路径来通过背景磁场以大大增加电机的功率密度。

优选实施方式的旋转机器(电动机和发电机)各自具有：

·旋转部件和固定部件或者，

·旋转部件和反向旋转部件或者，

·旋转部件、反向旋转部件与固定部件的组合。

在优选实施方式中，驱动或发电路径保持静止，同时背景场电磁线圈旋转。虽然具有移动驱动或发电绕组和固定背景场线圈的相反情况也是可行的，但是优选实施方式的优点是，在驱动或发电线圈中持续反转极性的较高电流不必经由滑动触头或刷被传输，从而减少装置中的电损耗。

另一方面，如果存在装置的旋转质量降低以允许快速停止、启动、加速和减速的应用要求，则在旋转驱动或发电路径而不是背景场线圈中存在优势。在这种情况下，机器的设计应当有利于背景场线圈中的较大数量的绕组以及驱动或发电路径绕组的相应减小。

在本文献中介绍的机器的操作方向可以优选地通过背景场线圈或驱动/发电路径绕组中的电流方向的反转而反转。

虽然本文献中的附图和描述介绍了关于旋转电机的优选实施方式，但是本领域的任何一个技术人员应清楚，所介绍的原理可以应用于线性机器以及旋转装置。

本文献中公开的发明和变体还涉及根据电压和电流的输入来产生机械功(电动机)或者根据机械功的施加来产生电压和电流(发电机)。基于所公开的装置的电动机和发电机统称为环形驱动装置。

优选实施方式的电动机/发电机包括旋转部件(转子)和固定部件(定子)。在所公开的装置中，定子的主要功能是提供转子在其中旋转的高强度背景磁场。在电动机的情况下，转子可以由与背景场的磁场方向的相对变化(即，当转子从一个磁极移动到下一磁极时)相一致地改变方向的电流供电。在发电机的情况下，转子的运动通常导致交流电压和电流的产生。

环形驱动装置的基本元件是通常为环形形状的一组背景场绕组或永磁体以及一组转子绕组。线圈/磁体的这种形状包含优选环形线圈本身的截面内的大部分磁场。转子绕组通常放置在环形线圈的截面内并且在该包含的场内操作。

在本文所公开的装置中，电能被转换成机械功，或者机械功用于通过载流导体在背景磁场内移动的行为来产生电能。

在一些实施方式中，背景磁场可以由一系列邻接电磁线圈产生，这些电磁线圈以环形或环形扇区的形式缠绕，以将磁场引导到载流导体运动通过的一系列工作区域或工作区域中。这些优选的环形扇区都引导磁场，使得磁场基本上垂直于载流导体/绕组中的电流流动方向，并且包含大部分在装置本身内的磁场。以这种方式，可以构造高功率装置，限制或消除对钢或铁磁通量引导件的需要。

间隙区域可以存在于环形绕组区段之间，以允许载流导体的机械放置和操作。

一般地，实施方式示出了由诸如铜的正常导电材料的超导导线和载流导体构成的环形绕组区段和布置。本领域技术人员将清楚，该装置的任一部件可以容易地由超导或正常导电材料构造。

根据本公开内容，重要特征包括(单独地或以一个或更多个组合的方式)：

·可以使用分立子线圈(开放式环形线圈/绕组)的布置或者通过在环形或环形扇区(密封或闭合式绕组/环形线圈)中的导电材料的连续缠绕来容易地构造依赖于环形线圈的所公开的任何技术。

·背景磁场绕组已经用于将磁通引导到空气间隙或工作区域，这些绕组可以由具有或不具有铁磁通量引导件的永磁材料替换，其以类似的方式将磁通引导到这些区域。

·在已经制定了关于装置的一个部件是“转子”而另一个部件是“定子”的属性的情况下，这些名称仅仅暗示两个部分之间的相对旋转，并且旋转和固定角色或者指定可以容易地反转，使得先前的固定部件旋转以及旋转部件是固定的。

·在基于保持一个DC或固定(背景)磁场和一个交变磁场的原理进行操作的装置的情况下，同样可接受的是，背景场交替极性，以及先前产生交变场的载流绕组产生固定场。

·在使用交流电流的情况下，该电流的波形可以适当地为任何波形形状，使得导致装置的连续旋转或发电，以及这样的波形可以被成形为在电动机或发电机的电源输出中产生最小的脉动。

·在设备已经被描述为电动机，在施加电能时产生机械功的情况下，还要求保护在施加机械功时产生电能的发电机的相反情况。

·在装置已经被描述为发电机的情况下，还要求保护装置作为电动机操作的相反情况。

本文所描述的任何特征可以在本发明范围内与本文所描述的任何一个或更多个其他特征以任何组合进行组合。

在本说明书中对任何现有技术的引用不是并且不应被视为承认或任何形式的暗示现有技术形成公知常识的一部分。

附图说明

可以从下面的具体实施方式中看出本发明的优选特征、实施方式和变体，具体实施方式为本领域技术人员实施本发明提供了足够的信息。具体实施方式不被视为以任何方式限制本发明的前述发明内容的范围。具体实施方式将参照以下多个附图：

图1是具有示出背景场穿过感生出电压的导体的在一特斯拉的均匀背景场中不承载电流的导体的端视图的磁场图。

图2是类似于图1的磁场图，其中，在一特斯拉的均匀背景场中导体承载200安培电流，导体经受小的反作用力。

图3是类似于图1的磁场图，其中，在一特斯拉的均匀背景场中导体周围的磁场强度为约0.2特斯拉，导体经受相对小的反作用力。

图4是类似于图1的磁场图，其中，在一特斯拉的均匀背景场中导体周围的磁场强度为约1特斯拉，导体经受大的反作用力。

图5是类似于图1的磁场图，其中，在一特斯拉的均匀背景场中导体周围的磁场强度为约2特斯拉，导体经受非常大的反作用力。

图6是根据本发明的优选实施方式的优选高温超导扁平线圈的等轴三维图像。

图7是图6中所图示的扁平线圈的俯视图。

图8是图6中所图示的扁平线圈的侧视图。

图9是图6中所图示的扁平线圈的沿着图示出磁场线的观察面的线A-A的截面图。

图10是与图6中所图示的扁平线圈类似的单个扁平线圈的轴对称磁场分布。

图11是根据本发明的优选实施方式的包括具有改进线圈冷却的附加间隙的四个扁平线圈层的扁平线圈组件的磁场分布。

图12是具有相同输入功率的一对相同扁平线圈的磁场分布。

图13是示出移动的中心线圈和一对固定的外部线圈的三个扁平线圈布置的磁场分布。

图14是根据本发明的优选实施方式的低温恒温器组件的等轴视图，其中，旋转中心低温恒温器位于固定的低温恒温器内，每个低温恒温器包含至少一个线圈。

图15是图14中所图示的组件的等轴视图，其中，固定的低温恒温器被移除以图示出线圈构型。

图16是图15中所图示的组件的沿着线B-B的截面图。

图17示出了与图14中所图示的组件一起使用以确保旋转导线周围的场强等于或大于背景场达尽可能多的驱动时段的优选电流波形。

图18是根据图14中所图示的组件的旋转低温恒温器的仅示出电流输送系统中的线圈内的电流路径的截面图。

图19是图18中所图示的组件的示出用于冷却旋转超导线圈的冷却流体的输送路径和返回路径的详细截面图。

图20是示出图14中所图示的组件的驱动线圈的局部剖视图以示出跨越旋转线圈的工作区域的磁场强度的三维磁场图的示意图。

图21是图20在所图示的构型的沿着线C-C的截面图，其中，旋转线圈相对于水平方向以约45°的角度布置。

图22是图20中所图示的构型的磁场图，其中，背景场为0.5特斯拉，旋转线圈的绕组周围的磁场为一特斯拉，旋转线圈与水平方向成90°取向。

图23是图22中所图示的构型的磁场图，其中，旋转线圈与水平方向成75°取向。

图24是图23中所图示的构型的磁场图，其中，旋转线圈与水平方向成45°取向。

图25是图23中所图示的构型的磁场图，其中，旋转线圈与水平方向成15°取向。

图26是图23中所图示的构型的磁场图，其中，旋转线圈与水平方向成0°取向。

图27是可用于图14中所图示的组件中的驱动线圈的替代构型的等轴视图。

图28是图27中所图示的构型的指示通过组件中心的磁场均匀性的部分剖面磁场图。

图29是图28中所图示的构型的在Z平面中的平面图，其中，磁场图指示场方向和均匀性。

图30是根据本发明的优选实施方式的又一替代构型的轴测图。

图31是根据本发明优选实施方式的被封装在双壁低温恒温器中的图30中所图示的构型的截面图。

图32是根据本发明的优选实施方式的具有背景场产生线圈系统的图31中所图示的构型的截面图。

图33是单个电磁线圈的等轴视图，其中，箭头指示线圈周围产生的磁场的方向。

图34是当图33中所图示的那样的电磁线圈彼此邻近放置时创建的填隙式南极的等轴视图。

图35是图34中所示的形成完整的圆形线圈阵列的两个邻近电磁线圈的等轴视图。

图36是图35中的构型的等轴视图，其中，背景场线圈具有“之字形”绕组以形成完整的发电机或电动机。

图37是示出图36中的装置的磁场图的截面图。

图38是具有背景场线圈和外部之字形驱动或发电路径两者的完整的发电机或电动机组件的等轴视图。

图39是图38中所图示的构型的正视图。

图40是示出背景场线圈但具有所示的内部和外部之字形驱动或发电路径两者的另一完整的发电机或电动机组件的正视图。

图41示出了图40的具有所示的用于反向旋转操作的内部和外部之字形驱动或发电路径的发电机或电动机组件。

图42是示出背景场线圈另一完整的发电机或电动机组件的正视图，其中，之字形驱动/发电路径被分离和偏移从而导致交织式或“辫子式(platted)”绕组。

图43是发电机/电动机组件的另一变体的正视图，其中，之字形驱动/发电路径已被一系列互连的跑道线圈绕组替换。

图44是具有以不同相位角操作的三个之字形驱动/发电路径的另一发电机/电动机组件的正视图。

图45是另一示例性电动机/发电机的正视图，其中，存在背景场线圈的两个同心层。

图46是具有内部和外部驱动/发电绕组的双端电动机/发电机的又一示例。

图47是反向旋转双端电动机/发电机的示例。

图48示出了先前所示实施方式的两个其他变体。外部线圈是跑道式绕组，并且被分开以形成顺序交替的极。

图49突出显示了图48中所图示的构型的连续跑道线圈之间流动的电流的相对方向。

图50示出了在图47中所示的实施方式中使用的类型的常规跑道线圈和替代的双同心跑道线圈两者。

图51示出了上述图48的但是具有由同心跑道线圈构造的背景场线圈的实施方式。

图52示出了错误！未找到参照源51中所示的装置的背景场和驱动/发电绕组，其中，内部背景跑道线圈已被同心分离。

图53示出了错误！未找到参照源52中所示的装置的磁场图，示出了双同心背景场线圈与驱动/发电线圈之间的相互作用。

图54图示出了具有背景场产生绕组和使用同心跑道线圈构造的驱动/发电绕组两者的装置的另一实施方式。

图55示出了采用双同心跑道背景场线圈几何形状和床架驱动/发电线圈的3相装置的实施方式。

图56示出了错误！未找到参照源55的3相装置，以及床架多相绕组的放大细节视图。

图57示出了错误！未找到参照源55中所示的类型的3相型电动机/发电机的实施方式的线圈布置。

图58是错误！未找到参照源55中所示的装置的磁场图。

图59是根据本发明的实施方式的用于环形驱动装置的转子绕组的简单实施方式。

图60示出了用于环形驱动装置的转子绕组的三相实施方式。

图61示出了图60的具有动力传递轴和转子本体的支撑结构的三相转子绕组。

图62示出了具有冷却通道的多相转子组件。

图63示出了背景场定子绕组的方环形组。

图64示出了显示未找到参照源63中示出的定子绕组的变体，其中，定子由圆环形绕组构成。

图65示出了由诸如图64中所图示的环形定子产生的磁场的图。

图66是示出如图65中所图示的装置中的200高斯和5高斯场限制的场图。

图67示出了包括方环形定子绕组和位于环形定子内的四组多相转子绕组的环形装置的四分之三截面图。

图68是图67中所示装置的完整视图，示出了转子组件中的每个如何被包围在环形定子内。

图69是优选实施方式的环形驱动装置的截面图，示出了四个单独的转子组件经由行星齿轮系统与中心动力输入/输出轴的连接。

图70是错误！未找到参照源69中所示的装置的替代视图，突出显示行星齿轮和主轴的相对旋转方向。

图71示出了具有四个转子组件的环形驱动装置，其中，转矩仅通过机械轴的一端传递到转子组件/从转子组件传递。

图72示出了包括由用于创建高强度背景磁场的超导绕组制成的环形定子的实施方式。

图73示出了包括由用于创建背景磁场的正常导电铜绕组制成的环形定子的实施方式。

图74示出了包括由用于创建高强度背景磁场的超导绕组制成的环形定子和增加装置的功率/转矩的超导转子绕组的实施方式。

图75示出了包括由用于创建背景磁场的正常导电铜绕组和永磁材料两者制成的混合环形定子实施方式。

图76示出了环形驱动装置的变体，其中环形定子由永磁体的组件构成。

图77是图76中所示装置的四分之三截面图。

图78是错误！未找到参照源77中所示的装置的详细视图，示出了环形线圈的连续元件的磁化。

图79是图76中所示装置的四分之三截面图。

图80图示出了利用由永磁材料构造的环形定子的环形驱动装置的另一实施方式。

图81是图80中所示装置的侧视图。

图82是图80中所示的永磁体装置的实施方式的磁场图。

图83示出了图80中所示实施方式的替代变体。

图84是图83中所示的单个转子永磁体环形驱动装置的磁场图。

图85示出了具有4个转子组件以及圆形或圆环形背景场定子的环形驱动装置。

图86示出了图85中所示的具有4个转子组件并具有圆形或圆环形背景场定子的实施方式的四分之三截面图。

图87示出了具有6个转子组件以及圆形或圆环形背景场定子的环形驱动装置的实施方式。

图88是图87中所示的具有6个转子组件的实施方式的三分之二截面图。

图89是具有错误！未找到参照源87中所示的6个转子组件的实施方式的替代视图。

图90示出了具有圆环形定子和六个转子组件的环形驱动电动机/发电机。

图91是图90中所示的以转子组件中的多相绕组为特征的实施方式的截面图。

图92示出了具有圆环形定子和四个转子组件的环形驱动电动机/发电机。

图93是图92中所示实施方式的截面图。

图94示出了先前介绍的实施方式的变体，其中各转子组件的旋转轴线已经变为使其现在垂直于环形背景定子的中心轴线。

图95是如图94所示的装置的四分之三截面图。

图96是根据本发明的一个方面的具有邻近且内部的永磁材料的单个转子组件的等轴视图。

图97是图96中所示的磁体组件的场图。

图98是类似于图96中所示的具有弯曲的外部相邻磁体的转子组件的等轴视图。

图99是图98中所示的弯曲磁体组件的场图。

图100是永磁电机的场图，其中转子的任一侧的外部磁性元件已围绕旋转轴径向磁化。

图101是根据本发明的优选实施方式的永磁电动机的等轴视图。

图102是错误！未找到参照源101中所示的装置的截面图。

图103是错误！未找到参照源101和102中所示的装置的磁场的图。

图104是类似于错误！未找到参照源101但是其中内部磁体是具有内孔的磁性材料管的永磁电动机的磁场图。

图105示出了类似于先前公开的单个转子机器但是具有修改的端部绕组以容纳支撑轴的永磁机器。

图106示出了由连接到以与各组件相同的速度旋转的中心轴的绕组组件和三个磁体组成的装置。

图107示出了图106中所示的装置的磁场图。

图108示出了图106在所示装置的变体，其中转子组件以比中心轴更高的旋转速度运行。

图109示出了由连接到以与各组件相同的速度旋转的中心轴的绕组组件和四个磁体组成的装置。

图110是图109中所示装置的磁场图。

图111示出了错误！未找到参照源109中所示的装置的变体，其中转子组件以比中心轴更高的旋转速度运行。

图112示出了包括连接到以与各组件大致相同的速度旋转的中心轴的绕组组件和六个磁体的装置。

图113是错误！未找到参照源112中所示的装置的磁场图。

图114示出了图112中所示的装置的变体，其中转子组件以比中心轴更高的旋转速度运行。

图115是根据所公开的实施方式的永磁体构造的两种变体的等轴视图。

图116是具有外部绕组周围的钢屏蔽件或护罩的转子组件和两极永磁体的等轴视图。

图117示出了图116在所示的装置，其中钢护罩和一些绕组被切除以示出绕组和两极永磁体。

图118示出了图116中所示的装置，其中钢护套被切除以示出各绕组。

图119是两极永磁体和单独绕组组件的磁场图，其中钢护罩在装置的外部周围。

图120是四极永磁体和转子组件的等轴视图，其中钢屏蔽件或护罩围绕外部绕组。

图121是四极永磁体和单独绕组组件的磁场图，其中钢护罩在装置的外部周围。

图122是类似于图120中所示的四极装置但是钢屏蔽件/护罩和部分绕组没有被移除的等轴视图。

图123是图122中所示的装置的磁场图。

图124示出了错误！未找到参照源112的六组件装置，其中有钢护罩/屏蔽在装置周围。

图125是图124中所示的装置的场图，示出了由钢屏蔽件产生的改进的磁场的约束。

图126是由平行于分离平面磁化的两个半部构造的四极永磁体组件的等轴视图。

图127是图126中所示的四极磁体的另一变体。

图128是由磁极性径向交替的一系列弧分段构造的六极永磁体组件的等轴视图。

图129是由平行于组件分离面磁化的磁体构造的六极磁性组件的等轴视图。

图130是来自钢护罩内的绕组组件和4极永磁体以及磁性材料扇区之间的小间隙的磁场图。

图131示出了4极永磁体组件，4极永磁体组件包括在磁性材料的扇区之间的小间隙，以及由钢的多个叠片或其它导磁材料构造的外部钢屏蔽件。

图132示出了永磁体装置的变体，其中外部钢屏蔽件由钢的多个叠片或其它导磁材料构造。

图133是图132中所示装置的另一变体，其中钢屏蔽件由一组层叠屏蔽材料同心层形成。

图134示出了具有凯芙拉(Kevlar)、碳纤维、钛或其它高强度材料的外部包裹物的永磁体。

图135示出了永磁体组件的结构的变体，其中永磁材料被划分为在同心层之间的具有凯芙拉或碳纤维材料的多个同心层。

图136示出了由安装在中心组件上的永磁材料的薄壁构成的永磁体组件。

图137是图136中所示的装置的2极版本的径向磁场的强度的截面图。

图138是类似于先前公开的组件的由全厚度2极永磁体组件产生的径向磁场的强度的截面场图。

图139是单极型电磁涡轮机的等轴视图，其中通过通电的超导体块体材料产生驱动磁场。

图140示出了类似于图139中所示的单极电磁涡轮机，其中已经使用超导材料的叠片产生块体超导材料。

图141示出了具有类似于先前公开的装置的纵横比的永磁体装置的实施方式，其中为了清楚起见移除了一些绕组。

图142是图141中所示装置的磁场图。

图143是使用与图141中所示装置相同体积的磁性材料和载流绕组但具有较小的直径和相应较长的长度的永磁体装置的实施方式。

图144示出了图143中所示装置的对应磁场图。

图145示出了前面公开的包括修改的6相绕组的永磁体装置的实施方式。

图146是来自图145中所图示的实施方式中描绘的载流绕组的一个相的单层的详细视图。

图147是图145的没有载流绕组的装置的等轴视图。

图148是图147中所示装置的截面端视图，示出了螺旋形冷却通道的开始。

图149是图147的实施方式的替代视图，示出了螺旋形冷却通道之间的层叠线圈支撑结构的附加细节视图。

图150示出了图145至图149中所示的装置，其中外部覆盖件被移除以示出形成沿着装置的轴线的螺旋路径的外部冷却通道。

图151示出了外部结构由一系列层叠板组成以最小化寄生涡流引起的损失的装置。

图152示出了图151中所示的装置，其中载流绕组已就位。

图153示出了图152中所示装置的不同半截面图。

图154图示出了类似于图152中所示的但是载流绕组进一步被划分为12个相位的实施方式。

图155示出了永磁体装置的实施方式，其中已经包括了载流绕组的附加层。

图156是图155的实施方式的半截面图，其中移除载流绕组以示出绕组支撑结构中的三层螺旋形冷却通道。

图157示出了图156的实施方式，其具有示出三组冷却通道的附加细节视图。

图158是图155中所示的多层载流绕组的半截面端视图。

图159是由图158中所示的两层装置产生的磁场的图。

图160示出了包括修改的端部绕组和冷却通道的单层永磁体装置的4极变体。

图161示出了来自图160中所图示的4极载流绕组的一个相的单层。

图162示出了本文献中所示类型的永磁电动机，其中支撑和冷却结构已就位。

图163示出了根据本发明的一方面的多转子环形电动机/发电机。

图164示出了图163的实施方式，其中移除了一个环形分段的半部分以示出内部载流转子绕组。

图165示出了图163的更详细地示出内部转子绕组的四分之一截面图。

图166示出了在所示环形线圈的邻近绕组分段之间具有间隙的多转子环形驱动系统的实施方式。

图167示出了图166中所示的实施方式的端视图，其示出了环形绕组的连续分段之间的间隙。

图169是由图167中所示的有间隙的环形绕组产生的磁场的图。

图169是图163和图165中所示的装置的内部转子组件的等轴视图。

图170是图168中所示的多转子组件的端视图。

图171示出了包括修改的端部绕组和用于载流绕组的液体冷却的通道的3转子环形永磁电动机/发电机。

图172示出了包括修改的端部绕组和用于载流绕组的液体冷却的通道的4转子环形永磁电动机/发电机。

图173示出了包括修改的端部绕组和用于载流绕组的液体冷却的通道的6转子环形永磁电动机/发电机。

图174是所介绍的优选实施方式中预期的默认方波电流模式的图形说明。

图175是在电流反转的时间相对于图174的时间延迟的情况下方波电流输送的图形说明。

图176是在电流反转的时间相对于图174的时间提前的情况下方波电流输送的图形说明。

图177是在绕组中没有电流流动的情况下在电流反转期间停留区域的方波电流输送的图形说明。

图178是方波电流输送与作为用于正弦电流输送的余弦波的等效功率电流波形之间的比较的图形说明。

图179图示出了环形技术的实施方式，其中环形背景绕组由AC源供电，从而导致背景场在极性上交替。转子由永磁材料构成。

图180是图179中所示装置的磁场图。

图181是图179中所示装置的磁场图，其中示出永磁转子相对于来自环形背景绕组的磁场的切线方向旋转45度。

图182是图179中所示装置的磁场图，其中示出永磁转子相对于来自环形背景绕组的磁场的切线方向旋转90度。

图183是载流绕组中的可能的正弦电流波形的图形说明，示出了2极、6相装置所需的相移。

图184是载流绕组中的可能的方波电流波形的图形说明，示出了2极、6相装置所需的相移。

图185是示出来自使用绕组中的方波电流操作的装置相对于绕组中的正弦波电流的输出功率的差异的图形说明。

图186示出了具有跟随3转子系统的外部轮廓的层叠钢屏蔽件的3转子永磁环形机器。

图187是图186中所示的具有跟随机器的外部轮廓的附加的钢屏蔽件的3转子环形装置的磁场图。

图188是具有跟随机器的外部轮廓的附加钢屏蔽件的4转子环形装置的磁场图。

图189是具有跟随机器的外部轮廓的附加钢屏蔽件的6转子环形装置的磁场图。

图190是具有图189中所示的附加钢屏蔽件的但是指示200高斯和5高斯磁场线边界以示出磁场的约束的6转子环形装置的磁场图。

图191是具有6个转子的无刷永磁体群组件的等轴视图。

图192是图191中所示装置的端视图，其中箭头和角度指示群组件内在一个旋转位置处的连续永磁体的相对极性。

图193是针对单个转子位置的图191中所示装置的磁场图。

图194是具有4个转子的无刷永磁体群组件的等轴视图。

图195是图194中所示装置的端视图，其中箭头和角度指示群组件内在一个旋转位置处的连续永磁体的相对极性。

图196是针对单个转子位置的图194中所示装置的磁场图。

图197是具有3个转子的无刷永磁体群组件的等轴视图。

图198是图197中所示装置的端视图，其中箭头和角度指示群组件内在一个旋转位置处的连续永磁体的相对极性。

图199是针对单个转子位置的图197中所示装置的磁场图。

图200示出了基于液态金属材料的喷射或液态金属材料的加压膜的液态金属开关的两种基本形式。

图201图示出了固定阴极与旋转阳极之间的喷射系统液态金属开关或触头。

图202图示出了固定阴极与旋转阳极之间的刷系统液态金属开关或触头。

图203是同极装置的等轴视图，其中转子还是能量存储飞轮。

图204是包括图203的装置的脉冲功率系统的示意图，其中输出电能脉冲的最终控制由单独的和固定的液态金属开关执行。

图205是脉冲功率系统的示意图，其中液态金属开关被集成到单极发电机/飞轮组件中。

图206是用于向线性电动机中的一系列定子线圈供应电功率的顺序脉冲的双盘脉冲功率系统的示意图。

图207是包括层叠钢通量引导件和层叠铝绕组支撑件两者的永磁电动机/发电机的典型实施方式的等轴视图。

图208是图207的实施方式的端视图，示出了绕组支撑件和钢通量引导件中的减少涡流损耗的圆形和径向隔离切口的细节。

图209是具有铝绕组支撑结构的端部处的径向隔离切口的详细调出的等轴视图。

图210是具有施加到钢通量引导件的圆形和径向切口的详细调出的等轴视图。

图211是液态金属集电器系统的转子和定子的半截面图。

图212是图211的实施方式的半截面侧视图

图213是图211的实施方式的另一截面变体。

图214是有角度的注射端口被引出到定子的外边缘上的各孔口的替代实施方式。

图215是图214的实施方式的半截面侧视图。

图216是环形绕组部的星形布置的示意性端视图。

图217是由图216的实施方式产生的磁场的图，示出了通过工作区域中的载流导体的磁场的取向。

图218是图216中所示实施方式的变体。

图219是图218中所示的变体的磁场图。

图220是与图216中所图示的布置对应的载流绕组的转子组件的分离视图。

图221是由与图220中所示的转子组件组合的图216的环形扇区组件组成的星形环形装置的完整实施方式的端视图。

图222是图221的完整实施方式的等轴视图。

图223示出了图221的实施方式，示出了用于超导星形环形组件的部分剖面的内部和外部低温恒温器以及用于包含载流绕组的转子组件的支撑结构。

图224示出了图223的完整低温恒温器和转子组件。

图225是内部和外部星形环形扇区被容纳在一个接合的低温恒温器中的实施方式的半截面视图。

图226示出了完整的18极实施方式，其中内部和外部星形环形扇区中的每个被容纳在模块化类型的单独低温恒温器中。

图227示出了图226中所示的完整18极装置的等轴视图，其中示出了模块化低温恒温器元件的轮廓。

图228示出了图226的实施方式的外部等轴视图。

图229示出了星形环形装置的变体，其中内部环形扇区已经旋转45度，使得现在通过被引导成在单组内部和外部环形扇区周围的磁场产生每个磁极对。

图230示出了图229的具有环形扇区和载流转子绕组的实施方式。

图231示出了图229中所图示的实施方式的变体，其中内部环形扇区已经使用在连续的外部环形扇区之间引导磁场的钢或铁磁材料的环替换。

图232示出了图231的添加有载流转子绕组的实施方式。

图233图示出了另一变体，其中内部钢通量引导件成形为类圆形扇区以在连续的环形元件之间引导磁场。

图234示出了图233的附加有载流转子绕组的实施方式。

图235图示出了利用星形环形组件产生在其中内圆环形线圈被定位并旋转的背景场的替代实施方式。

图236示出了与图235的组件隔离的内部环形转子组件。

图237示出了图235的实施方式，示出了用于内部环形转子的支撑结构和用于星形环形组件的低温恒温器结构的范围。

图238图示出了装置的工作圆周周围产生交替轴向极性的背景场的线圈的波形环形布置。

图239是示出放置有载流导体/绕组的两个半部之间的间隙的波形环形线圈的侧视图。

图240是跨越图238和图239中所示的线圈的工作间隙产生的磁场的截面图。

图241是图238中所示的装置的圆周周围的工作间隙的位置处的磁场强度的图。

图242示出了与图238中所图示的波形环形线圈隔离的载流绕组。

图243示出了图238的已经与图242的转子组件组合以形成完成的装置的波形环形线圈组件。

图244示出了图243的完成的装置，其中添加有转子支撑结构并且显示了封装波形环形线圈的低温恒温器的边界的轮廓。

图245示出了图244中所示的低温恒温器和转子组件的外视图。

图246示出了C形环形装置的背景场线圈的前视图。

图247是图246中所图示的C形环形线圈的磁场图。

图248是图246的C形环形线圈的端视图。

图249是C形环形装置的一个扇区中的磁场的图。

图250图示出了配有产生背景磁场的C形楔形环形线圈和类似于在波形环形装置中采用的多相载流转子组件两者的C形环形装置。为了清楚起见，一个C形分段已被移除。

图251单独示出了图250的多相转子绕组。

图252示出了图250的完整装置，其示出有用于C形线圈的低温恒温器和就位的转子支撑组件。

图253示出了另一实施方式，其中工作区域已经被移动到C形环形线圈的外侧。

图254示出了图253的实施方式，其示出有用于C形线圈的低温恒温器和就位的转子支撑组件。

图255示出了类似于在星形环形扇区中讨论的但适于作为2极装置操作的装置。

图256示出了图255中所图示的实施方式的2极定子绕组的磁场分布。

图257示出了与图255中所图示的2极环形装置的完整组件隔离的多相转子绕组。

图258示出了具有形成两个环形扇区的转子和定子绕组的2极环形装置。

图259示出了替代的2极环形装置定子布局。

图260是图259中所图示的装置的场图。

图261示出了具有低温恒温器的替代的2极环形装置布局。

图262示出了通过使用跑道线圈的3个环形组件形成的环形驱动装置。

图263示出了图262中所图示的环形驱动装置的转子线圈。

图264示出了3个环形层驱动装置的转子和定子线圈两者。

图265示出了图264的完成的装置，其中示出了转子支撑结构。

图266示出了图264的完成的装置，其中示出了用于固定外部环形线圈的低温恒温器。

图267图示出了具有产生大的环形磁场的超导跑道线圈的中心环形线圈以及外部环形线圈的变体装置，外部环形线圈包括位于较小跑道环形线圈上方的“U形”线圈。

图268示出了图267的U形环形驱动装置，其中内部定子线圈被隔离并且示出了低温恒温器的边界。

图269示出了图267的U形环形驱动装置，其中示出了转子环形线圈。

图270示出了图267的U形环形驱动装置，其中示出了转子的支撑结构。

图271示出了图267的U形环形驱动装置的完成的外部组件。

图272是产生背景磁场的钢组件和永磁体的单极元件的示意图。

图273示出了由十二个磁极元件和三个电相的载流绕组组成的完整C驱动组件。

图274示出了图273的完成的组件，其中移除了一个极元件以显示载流绕组。

图275是图274中所图示装置的端视图。

图276示出了根据图274的实施方式的与其余组件隔离的多相载流绕组。

图277示出了由安装在相同旋转轴线上的两个C驱动电动机/发电机组成的实施方式。

图278示出了以产生和引导背景磁场的钢通量引导件和电磁线圈，以及通过气隙操作或旋转的载流绕组为特征的完整电磁C驱动实施方式。

图279示出了图278的实施方式，其中移除了电磁背景场组件中之一以示出多相载流绕组的细节。

图280示出了图278的实施方式，其中移除了基于钢/铁氧体的通量引导件中之一以示出背景场发电螺线管。

图281是图278的装置的端视图。

图282示出波形环形扇区的替代布置。

图283是替代C形环形装置实施方式的修改的C形扇区中之一的端视图。

图284示出了C形环形装置的完全替代径向通量版本。

图285示出了螺旋环形驱动装置的径向通量实施方式。

图286示出了根据图285中所描绘的实施方式的背景场产生线圈的单个螺旋元件，其示出了绕组如何在圆形路径周围的螺旋件中前进。

图287示出了针对图285的径向通量实施方式描绘的隔离的单相载流绕组。

图288示出了类似于图285中所描绘的螺旋环形驱动装置但在装置的任一端具有载流绕组的径向通量实施方式。

图289示出了针对图288的径向通量实施方式描绘的两组隔离的单相载流绕组。

图290示出了被构型成用作轴向通量机器(垂直工作区域/间隙)的螺旋环形线圈。

图291示出了图290的与在装置的外半径上的一系列载流绕组组合的螺旋环。

图292示出了针对图291的轴向通量实施方式的隔离的单相载流绕组。

图293示出了载流绕组旋转通过的椭圆形永磁体的圆形阵列。

图294示出了根据图293中所示的圆形阵列的单个椭圆形永磁体，示出了间隙的定位。

图295示出了具有位于装置的任一侧上的间隙中的三层多相载流绕组的完整的多间隙永磁体装置。

图296示出了由将磁场引导到放置有一组旋转载流绕组的工作区域中的圆形阵列的形状线圈组成的DC驱动装置的实施方式。

图297单独示出了产生图286的绕组的成形背景场的圆形阵列。

图298单独示出了图296的多相的跑道线圈绕组组成的载流转子组件。

图299是根据图296的一组成形线圈的端视图。

图300示出了图299的成形线圈，其中示出了载流跑道绕组。

图301示出了图296的实施方式的变体，其中背景场产生线圈更加楔形并且更完全地互锁。

图302示出了图301的实施方式，其中移除了现在楔形背景场线圈的一侧的一个扇区以示出载流绕组。

图303示出了图301的示出针对上下文的楔形线圈的一个扇区的载流绕组。

图304示出了图303中介绍的楔形变体的一个扇区的截面，示出了背景场产生绕组和载流转子305。

图305示出了图296和图301中的装置的背景场产生线圈的定位的另一变体。

图306示出了图296和图301中的装置的背景场产生线圈的定位的另一变体。

图307示出了3环形层装置的变体，其中两个外部环形层的线圈元件在极性上交替，并且内转子层对AC电流进行操作。

图308示出了C形环形装置的径向通量实施方式，C形环形装置是以由分立的多组楔形“跑道”型绕组构成的背景场线圈为特征的80极装置。

图309示出了图308的C形环形装置，移除了一个背景场产生线圈以示出两组床架多相载流绕组的布置。

图310示出类似于图308中所描绘的但是背景场线圈组被示为连续楔形绕组而不是分立子线圈的布置的径向通量C形装置。

图311示出了图310的装置的载流绕组，其中极对的一个扇区被示出以指示绕组的放置。

图312示出了星形环形装置的替代布置，其中内部环形扇区旋转。

图313是图312中所图示的星形环形装置的端视图。

图314是具有三相内部环形转子的星形环形装置的替代布置。

图315示出了图312中所图示装置的内部环形3相转子绕组的3d视图。

图316描绘了利用安装到具有交替极性的输入轴和输出轴的永磁体分段的磁性齿轮箱，使得机械转矩在不通过机械接触的情况下以磁力的方式在输入和输出之间传递。

图317是图316中所图示的磁性齿轮箱的端视图，示出了分段的磁极性。

图318示出了图316的装置的变体，其中先前的永磁材料的楔形件现在是“S形”或以沿着内齿轮元件和外齿轮元件的长度的一系列弯曲为特征。

图319描绘了磁齿轮系统的轴向型实施方式。

图320描绘了图319的指示相对磁化的方向的装置的详细视图。

图321描绘了类似于图319的但具有楔形永磁元件的轴向型实施方式。

图322描绘了图319中所示的装置的另一变体，其中永磁元件是“S形”或以减小装置的体积的一系列弯曲为特征。

具体实施方式

根据本发明的特别优选的实施方式，提供了对在磁场中使用往复或旋转元件的电磁装置的改进。

图1至图5是针对在驱动背景磁场(由箭头指示的强度和方向)中的载流条10的一般原理和载流条10上产生大的力的图示。

将承载电流的导体条10放置在以均匀场强为主的背景磁场中。条10中的电流在条10上产生力，如果条10能够围绕点枢转或自由移动，则力将导致运动。条10中的该电流围绕通过条10的载流路径产生场。如果围绕条10的超过其最外直径或边缘的场的强度大于背景场的强度，则条产生非常大的力。这可以用于增加机电装置的功率和效率。

图1是示出在1T的均匀背景场中不承载电流的导体条10的端视图的磁场图。在该示例中，因为在条10周围不存在场并且如存在的通过条10的场的箭头所指示的背景场穿过导体条，所以条10产生较小的反作用力。

图2是示出在1T的均匀背景场中承载200A电流的导体条10的端视图的磁场图。在该示例中，由于通过背景场中的阴影示出的条周围的场的低强度，所以条10产生较小的反作用力。

图3是示出在1T的均匀背景场中导体周围的磁场强度为约0.2T的载流导体条的端视图的磁场图。同样，尽管在该示例中条10的磁场更突出，但由于条10周围的场的低强度，所以条10产生较小的反作用力。

图4是示出在1T的均匀背景场中导体条10围绕的磁场强度为约1T的载流导体条10的端视图的磁场图。在该示例中，由于如由背景磁场的箭头所图示的条10周围的场的等强度，所以条10产生大的反作用力，背景磁场被条10周围的场而不是通过条10的场所偏转。

图5是示出在1T的均匀背景场中导体条10周围的磁场强度为约2T的载流导体条10的端视图的磁场图。在该示例中，由于条10周围的场的高强度，条10产生非常大的反作用力。

图6至图13针对两个和三个线圈往复系统。

这些图图示出了包括两个或三个超导线圈11的往复式发动机，其中任一个往复线圈对诸如图12中所图示的或者在如图13中所图示的两个固定线圈之间的一个固定线圈作出反抗。如果组件中的每个线圈具有相等的场强度，则固定线圈组之间的相对运动将产生大的反作用力。

电动机的基本部件包括超导线圈的使用。到目前为止，实验的线圈由使用1G HTSBSCCO带的一系列扁平缠绕线圈组成。这些线圈具有可以利用的两个主要特性；具体地，当在其临界温度以下被冷却时，线圈呈现出接近零的电阻，因此表现为接近完美的电感器，并且电流密度(并且因此可实现的磁场)远远超过使用类似尺寸的常规铜线圈可实现的电流密度(磁场)。

该设计的另一重要方面是EMF或电动势的性质。简单地说，EMF是响应于变化的磁场在导体中产生的电压。EMF的特性最突出地用在发电机中，其中移动场源用于在电磁线圈中感生出电压。在电磁电动机中，该过程是反向的，因为移动场被用来产生机械功。作为该运动的结果，在电磁线圈中产生与电流方向相反的EMF，即所谓的反EMF。

像在常规电动机中那样，需要保持永久磁场(通过永磁体或施加有恒定电流的线圈)与通过在运动线圈中的供应电流方向的变化实现的变化场的相互作用。这种变化可以通过物理或电子换向直流电源或者交流电源来实现。

主要实验已经涉及由具有相似形式的三个HTS线圈组成的线圈构型，其中两个线圈充当定子元件，以及第三线圈经受电流的交替极性。线圈表示在设计方面的演变，最初由单层进行，该单层前进到串联连接以形成扁平线圈的4个单层的当前最终形式。这种进展部分地通过实验产生，并且与最佳截面(根据场强与线长度引起的电阻)为正方形的常规铜线圈相反。有一个问题是，这个指南是否将适用于电阻不是问题的HTS线圈。从较薄线圈到具有较宽截面的线圈的趋势主要是在保持在电流线圈制造技术的参数内的同时从给定长度的线获得最大场强。

图6至图8中图示出了优选的扁平线圈以及图9中以截面方式图示出了优选的扁平线圈。

图10示出了单个扁平线圈的轴对称磁场分布。增加线圈的深度导致当垂直于线圈的表面移动时更大的场投影。这是重要的，因为较大的场投影导致施加到运动线圈的力的较小变化，这又导致在测试设备期间沿着行程的更平滑的功率输送。因此，优选诸如图11中所图示的扁平线圈。该构型包括4个HTS扁平线圈层以及附加间隙以改进线圈冷却。

所使用的三个扁平线圈各自具有172mm-180mm的外径和80mm的内径。每个扁平件由四个线圈组成以形成单个扁平组件。每个线圈层约4mm宽，在内部两个线圈之间具有约4mm的间隙，以有利于更好的冷却，并提供更好的场性能。这一切都导致20mm的每个扁平件的总深度。每个扁平件有约169匝的HTS带，并且整个组件由新西兰的HTS-110缠绕和制造。临界电流(Ic)(在该临界电流以上线圈将恢复到正常导电态)为约44A@77K。尽管这些尺寸是用于实验目的的线圈的典型值，但应当注意的是，关键考虑因素是对于装置中采用的所有线圈组线圈产生的尺寸和场是相等的。如果观察到这种约束，则使用任何超导导线或线圈几何结构都将预期到等效结果。

图12示出了给定相同输入功率的两个相同线圈。如所图示的，场线匹配并且因此彼此离开地弯曲而不中断邻近场线。实际上，场线是平等和相反的。所图示的构型示出了两个线圈布置的排斥情况。

关于图13中所图示的构型，基本构型涉及沿着单个移动线作用的三个实质上相同的线圈。两个线圈在行程的末端形成定子，以及第三线圈在两个定子之间以往复方式振荡。中间线圈行程的范围由曲轴确定。其输出被馈送到换向器，对每180度将至中间线圈的电流反向，以及组合的转矩变换器和制动器组件进行控制，以测量功率输出。

图13还示出了3线圈布置的磁场相互作用，以及外线圈是固定线圈，内线圈是运动线圈。

先前描述的装置的另一变体涉及产生旋转线圈或线，其产生等于或大于它们在其中进行操作的背景场的场。图14至图29针对旋转构型中相等/较大的场的使用。实质上，该装置由产生背景驱动场的一组线圈组成。在存在背景驱动场的该区域内，放置有另一线圈并允许绕垂直于背景场的主方向的轴线旋转。

图14示出了根据本发明的装置的旋转构型的优选实施方式的主要部件，包括外部固定低温恒温器12和旋转低温恒温器13，外部固定低温恒温器12包含磁场发生器或背景场线圈，旋转低温恒温器13包含导电元件的或旋转线圈14。

图15示出了创建背景场的初级背景场线圈15和次级场均匀性线圈16的布置，在背景场中旋转线圈和低温恒温器组件旋转。方向箭头17指示旋转低温恒温器13相对于固定场线圈的旋转方向。为了清楚起见，在其他图中未示出初级线圈15和次级线圈的固定低温恒温器。

与前面的示例一样，对于单线或线性线圈布置，旋转线圈14周围的磁场强度应大于背景磁场，以从线圈产生较大的力/转矩。

为了在旋转线圈14的周边的周围产生高磁场强度，线圈14由诸如超导导线或块的能够具有非常高的电流密度的材料构成。将超导材料用于旋转线圈14需要旋转低温恒温器13，以确保线圈保持在正确的温度以保持其超导状态。

如果使用超导导线来构造，初级15和次级16背景场线圈还需要固定低温恒温器12。

旋转低温恒温器13、线圈14和电流输送系统(在图18中被详细图示出)的部件以最小化涡流形成和损失的方式设计和构造。防止涡流损失的策略包括：

·尽可能在非导电材料上使用(即支撑结构和低温恒温器)。

·导电元件(母线、冷却块等)的层叠，以最小化涡流路径形成。

·在旋转线圈中使用小导线截面。

图16是通过优选的旋转实施方式的完整组件的中间的截面图，其中所示的旋转线圈14包含在旋转低温恒温器13组件内。还图示出了旋转致冷剂和电流系统18。

为了使所图示实施方式的旋转线圈14在被驱动时保持连续旋转，在旋转线圈14中流动的电流方向每180度反转一次。当旋转线圈14与由初级驱动线圈15产生的场(上文在图15中示出的旋转线圈14的取向)磁性对准时，电流的这种反转被定时以重合。

为了确保旋转导电线圈14周围的磁场的强度高于由初级和次级线圈产生的背景驱动磁场的强度，旋转线圈中的电流波形应该是尽可能接近方波。通过对旋转线圈14进行快速充电并在旋转期间保持旋转线圈中的电流，除了优选的瞬时反转周期之外，在旋转期间的任何点处线圈场强将不比背景场弱。

图17是旋转线圈14中的用以确保旋转线圈14周围的场强等于或大于背景场达尽可能多的驱动时段的优选电流波形(方波)的示意图。

另一个重要的考虑是旋转元件被设计为具有有利于电流的快速增加和电流的快速反转(低电感)的电路特性，使得可以快速建立和反转场电平。另外，相对于旋转线圈14的电感，供应给装置的电力(当作为电动机被驱动时)将需要具有足够高的电压，以实现电流的快速建立和反转。上述波形是完全可逆的DC信号(或方波AC电流信号)。只要驱动线圈在半周期停留时间期间是开路的，则可以使用不可逆方波DC电流波形。

如果背景场是脉动的或由于任何原因变化的，则峰值背景场强度应当保持低于旋转线圈14周围的场的强度，以从线圈产生最大功率。

图18是旋转线圈14和低温恒温器组件13的截面图，示出了优选的电流输送系统和旋转线圈14内的电流路径。电流的方向每180度反转一次以保持旋转。

在所图示的实施方式中，到旋转线圈14的电流从方波电源的固定电流引线输送。通过设置在连接到旋转线圈14的电流输入套管19和同心电流输出套管20上的一组滑动电流触头来实现该电流输送。电流输入套管19和电流输出套管20彼此绝缘并且使用绝缘套管21与低温恒温器本身绝缘。优选实施方式中的滑动电流触头各自是环形液态金属刷。因此，在图19中图示出了电流输入电刷22和电流输出电刷23。

图19还图示出了旋转低温恒温器13组件的示出用于冷却旋转超导线圈14的液态制冷剂的固定输送路径以及作为膨胀气体的冷冻剂的返回路径的详细半剖视图。

通过经由固定输送管24输送的诸如氦的液态制冷剂来实现低温恒温器中的冷却。液态制冷剂通过由低温恒温器13的旋转产生的离心力输送到线圈组件的外部。次级固定外管25用于收集加热的低温气体，因为低温气体离开旋转低温恒温器13并作为闭环低温系统的一部分返回进行再次冷却，所以该低温气体用于对电流输入套管19和电流输出套管20施加附加冷却。该系统可以被构型为不需要额外泵送低温流体。在固定与旋转边界之间存在旋转低温密封件26所需的一个点。

图20是示出初级15和次级驱动线圈16的部分剖面以更好地示出跨越旋转线圈14的工作区域的磁场强度的3D场图像。

图20还示出了跨越优选实施方式的工作区域的中心的磁场的相对强度。可以通过使用简单的分裂矩形螺线管来简单地产生背景场。螺线管半部之间的间隙简单地必须足够大以容纳电流和冷冻剂输送部件以及任何轴安装和轴承。

图20中所图示的优选实施方式包括次级超导线圈16，其改进了背景场沿着矩形初级线圈15的长边的均匀性。在没有这些次级线圈16的情况下，磁场强度的显著下降出现在矩形初级线圈15的长边的中间附近。

图21是示出初级15和次级驱动线圈16以及旋转线圈14的完整组件的半截面图的场图。以与水平方向成45度的角度布置旋转线圈14。

与所讨论的先前的实施方式一样，该装置的特征在于，旋转线圈14的线圈绕组周围的场保持等于或大于线圈14在其中旋转的背景场。

图22至图26中的图像序列示出了处于不同旋转角度的旋转线圈14的绕组周围的场的特写详细视图。

图14至图26中所示的所有示例旋转装置已仅示出了每180度切换极性的单个旋转线圈。该单个绕组可以容易地延伸到围绕公共轴线旋转的多个等间隔线圈。供应给这些绕组的电流的反转将被顺序地定时，以导致多线圈转子组件的连续旋转。多个同向旋转线圈的优点将是输出转矩的更平滑的输送。

图27至图29图示出了其中两个次级线圈16具有床架返回路径的变体，床架返回路径使得低温和电流输送系统能够穿过侧间隙，同时仍增加矩形初级线圈15的中心区域中的场均匀性。当与具有四个次级线圈16的先前实施方式相比时，次级线圈16的更少的总数量有利于超导导线的更低使用且总体尺寸更小。然而，本实施方式的床架次级线圈比先前实施方式中使用的标准跑道矩形线圈制造更复杂。

图30示出了超导转子的主要部件，包括在室温液态金属刷与超导元件的低温之间的优选的中间热阻断级。这种形式的转子在用于电流输入的外部液态金属刷与用于从系统移除电流的内部液态金属刷之间具有超导电流传输元件。

图30中所图示的转子301包括一对同心环形导电元件，同心环形导电元件包括内导电元件302和外导电元件303。内导电元件302和外导电元件303使用热优化的正常导电元件或HTS块或者线304作为具有有限导热性的中间电流传输级而被连接。

转子301相对于中心轴组件305安装。在优选实施方式中，单个初级HTS驱动元件306被构型为辐射辐条，辐射辐条从中心轴组件305向内导电元件302辐射。初级HTS驱动元件306和中心安装点被封装在非导电支撑结构内，其中由非导电辐射辐条307提供的附加转矩传递，这是因为用于形成初级HTS驱动元件306的多股HTS线或带的优选构型通常不具有足够的刚性以传递转矩。

在图30中所图示的本发明实施方式的替代形式中，在内部超导元件305与外导电元件302之间采用多个HTS驱动元件306。在优选实施方式中，这些HTS驱动元件中的每个产生线圈周围的等于或大于背景磁场的强度的场强。

通过一对液态金属刷308向图30中所图示的构型供应电流，并且电流流动的优选方向是通过HTS块304从围绕外导电元件303的较大半径液态金属刷到内导电元件302，通过初级HTS驱动元件306并通过设置在中心轴组件305中的HTS电流返回路径309流出以及通过较小半径液态金属刷流出。

该装置的一个重要的实现方式是以下形式：由多股超导导线/带制成的单个超导电流引线在初级驱动场垂直于电流通过导致转子301旋转的初级HTS驱动元件306的流动的区域中用作初级HTS驱动元件306中的每个。与涉及背景场中的单个条的先前实施方式保持一致，该构型使用单个电流路径，其中电流密度足够高以确保磁场的强度高于转子301所处的背景场的强度。

作为示例，0.5T的背景场可以由形成10mm×10mm方形的初级HTS驱动元件306来满足，该方形具有约180A/mm2-200A/mm2的电流密度。所得到的电流路径在初级HTS驱动元件306的10mm×10mm截面的外部末端周围产生0.5T的场。

预期如图31中所图示的，转子301将由双壁或两级旋转低温恒温器封装。两级中的第一级是内部超导级，其包含转子301和沿着旋转轴线输送工作电流的电流返回路径309。该内部超导阶段优选地包含在内部旋转低温恒温器310内。

第二级是在内部级的温度(约40K-60K)与室温下的液态金属刷之间过渡的热隔离级。该过渡级可以由根据高温超导导线或块材料或者根据这两者的某种组合的导电材料(诸如铜)构成，其路径长度针对电流传输和热损失两者已经被优化。如图31中所图示，外部低温恒温器具有两个部分，围绕转子本身的一个部分311’和围绕电流返回路径309的较小直径部分311”。在较小直径部分311”中，经热优化的正常导电元件、HTS块或线312用于返回路径热绝缘。同样，在该构型中，通过电流返回路径309的外部的转子组件以及通过较小直径的液态金属刷314输送电流通过较大直径的液态金属刷313。

超导转子的另一优点来自输出电流通过初级HTS驱动元件306被引导到电流输出电刷314的事实。在常规的转子布置中，电流流动通过正常传导输出轴，正常传导输出轴须具有足够的直径以适应装置电流水平(大约20kA)。随着输出轴的直径增大，转子的驱动元件的有效长度减小，这降低了装置的输出转矩。通过引导电流通过初级HTS驱动元件306(优选实施方式使用10mm×10mm引线)，驱动元件的有效长度增加。该效应在较小尺寸的装置中变得特别明显-超导转子的成功开发将显著增加较小尺寸装置的可行性。

图32示出了集成在背景场产生线圈系统内的图31中所图示的转子构型。如所图示的，初级场超导线圈315用于产生初级场，图31考虑的转子位于该初级场中。优选的初级场超导线圈315的特定位置在转子301所处的感兴趣的位置产生有效的驱动场。该场通过设置次级场超导线圈316被进一步控制和成形。

前面图33中所图示的装置的操作的基本基础是载流导体与背景磁场之间的相互作用。这个相互作用导致在装置(在电动机的情况下)中产生输出转矩或在发电机的情况下产生输出电压和电流。

处于基本水平的背景磁场由磁极构成，其中磁极由电磁线圈或永磁体产生。磁极具有磁场的北极取向和南极取向。在图33中示出了这个基本单元，在该基本单元上构建了全极点(All-Pole)机器中的背景场。

在本文献中介绍的装置以及在先前专利申请中开发和示出的所有装置的一个关键进步是装置中的磁场被多次使用的方式。也就是说，载流导体运行出多个路径来通过背景磁场，以大大增加电机的功率密度。

在背景场的基本构造块由电磁线圈组成的情况下，将直边电磁线圈彼此邻近放置同时保持围绕线圈的电流流动的方向相同(从而确保磁场的方向在两个线圈中是相同的)导致两个线圈之间的磁场的返回路径的压缩。在图34中图示出这种现象。

如果载流导体描述了跨越导体顶部的垂直于电磁体中产生的初级磁极的路径，则载流导体将有效地看到4个磁极：

·首先是由第一电磁铁产生的北磁极。

·其次是通过两个电磁体之间的返回路径的压缩产生的南磁极。

·第三是由第二电磁体产生的北磁极。

·第四并且最后是当载流导体离开第二电磁铁时最后的南磁极。

应当注意，贯穿本文献，所示的实施方式使用直边“跑道”式电磁线圈来产生背景磁场。对于本领域技术人员显而易见的是，使得电磁线圈以线性或围绕圆弧的方式邻近放置以使得在两个电磁体之间产生填隙式极的任何线圈几何形状可以适当地用在本文献所描述的装置中。

如果邻近电磁体的想法在场或旋转电机中扩展到其最全面的逻辑应用，则结果是节圆直径周围圆形地排列的一系列邻近的电磁线圈。在图35中图示出了这种直边电磁铁的圆形阵列的全面开发。

图34中所示的两个邻近的电磁线圈已经在上述图像中延伸以形成线圈的完整的圆形阵列。这个圆形阵列产生全极点机器中使用的背景磁场。

在上述跑道式电磁铁的圆形阵列中，穿过圆形路径的载流导体将穿过等于背景场线圈的两倍数量的多个磁极，载流导体与在其上设置有背景场线圈的节圆直径邻近但是在外部或内部偏移。这是因为线圈在线圈的中间形成一个主极以及邻近线圈之间的磁场的返回路径的压缩引起的一个填隙式极。由载流导体看到的极在取向上顺序相反。

图36示出了跑道线圈以及在下一部分中更详细描述的类型的发电路径/绕组的完成的圆形组件。上面所示的发电机将从发电机路径绕组的输出端产生交流电压和电流。电流和电压的反转的频率与装置的磁极的数量和发电机的旋转速度成比例。

图37是示出图36中的装置的磁场图的截面图。在上述场图中，电流通过外部之字形绕组，与背景场线圈相互作用并产生转矩。

在反转情况下，当装置被供应电流并作为电动机被驱动时，装置必须被供应交流电(AC-优选地方波AC)，其随着驱动路径在极之间移动而反转(相对于背景场线圈)。图37中示出了电动机实现方式的场图。

驱动路径或发电路径

本文献中所描述的机器的第二基本构造块是驱动路径或发电路径。该路径基本上由若干载流导体的布置和互连组成，该载流导体的主要驱动或发电元件被安置成与背景场线圈围绕其排列的轴线平行。这些载流导体以先前公开的方式穿过背景线圈周围的场。

在优选实施方式中，等于由背景场产生的极数的数量的若干导体如前一段落中所描述的那样被安置。当连续的极的场方向反向时，对于条中的电流方向而言有必要在装置的直径周围连续地也反向。为了实现电流方向的这种反转，载流导体在装置的每一端处交替地连接，从而在背景场产生线圈周围形成串联连接的“之字形”驱动或发电路径。该之字形串联连接还引起在装置作为发电机进行操作的情况下的每个载流导体元件上产生的电压的串联相加。在图38中示出具有之字形驱动或发电路径的装置的示例。

在上述实施方式中，驱动或发电路径被安置在背景场线圈的外部。通常，由于工作半径的增大，所以功率密度随着外部放置驱动或发电路径而增大，从而引起在作为电动机进行供电时的转矩增大或在作为发电机起作用时使载流条的表面速度增大(这进而使输出电压增大)。

该实施方式的另一变体将是将驱动或发电路径放置在背景场线圈内部。该变体将适用于存在尺寸约束或驱动或发电路径的内部安置由输入或输出机械轴施加的约束规定的情况。该变体在图39中被示出。

上述实施方式的另一变体涉及背景场线圈外部以及内部周围布置驱动或发电路径。两个之字形路径可以在电动机操作的情况下串联或并联连接或者串联连接以在发电时使电压增大。该变体使得驱动或发电路径中的电流在内部路径与外部路径之间分离——使在驱动或发电路径的绕组中产生的峰值场可能降低。场的这种降低在采用超导绕组的情况下特别有利，这是因为场的减弱引起导线的载流容量增大和所使用的超导导线的总量减少。

替代地，使用外部驱动或生成路径以及内部驱动或生成路径可以使得这些路径的总电流容量增大，从而引起装置的额定功率和功率密度的增大。装置的操作模式(电动机驱动或发电)以及驱动或发电路径连接的方式可能需要内部路径中的绕组数量关于外部路径的绕组数量存在差异，以便在内部路径中的绕组数量与外部路径的绕组数量之间实现负载平衡或以补偿由内部路径输送的通常较低的转矩和电压。该实施方式在图40中被图示出。

外部电流路径和内部电流路径也可以反向连接以用作反向旋转电动机或发电机。在该实施方式中，如图41所示，内部绕组的旋转方向相对于外部绕组的旋转方向反向。

图41示出了图40的发电机或电动机组件，其具有所示的内部和外部之字形驱动或发电路径。在上述实施方式中，外部路径/绕组和内部路径/绕组被构型成作为电动机或发电机的反向旋转操作。

驱动或发电绕组的基本之字形布置的另一变体是这些绕组再次分离并且交织的情况。该变体被称为“辫子式”或交织式绕组。

描述该绕组变体的最简单的方式是在将标准的之字形绕组分离成两半，并且使绕组的一半旋转等于机器的极之间的角度的角度。该第二半绕组中的电流方向被反转，使得路径的新邻近轴向部件传输电流或在相同方向上生成电压。端部连接现在有效地被分离成由一个极移位的两个半部。在图42中最佳地示出驱动或发电路径/绕组的该变体。

驱动或发电绕组的另一变体涉及从之字形串联互连的绕组到使用圆形环或线圈的移动方式。在该实施方式中，邻近载流条/绕组中的两个在每个端部处接合。这些端部绕组在两个条之间传输电流并且确保互连的正确方向和两个条之间的电流流动。当这种连接在一系列绕组中进行时，驱动或发电路径与通过小电流路径(或替代地，由并联连接的电源供电)顺序地连接的一系列电磁线圈类似。当使用超导绕组时，该互连导线可以相对于在驱动或发电路径的线圈部分中使用的大量绕组是相当小的。该实施方式在图43中被图示出。

在另一变体中，驱动或发电路径的绕组可以被分离成形成多个分离的相的一组等间隔的绕组。电动机和发电机的三相操作是常见的，并且该三相或多相操作可以扩展到本文献中所描述的装置和绕组。图44示出了这样的多相实施方式。

驱动或发电路径的多相绕组具有若干优点：

·可以容易地添加附加的绕组，以增大装置的额定功率和功率密度。

·将跨多个相的绕组的分离可以降低绕组所看到的峰值磁场密度，从而引起在超导的情况下绕组的载流容量增大。这将引起针对给定的功率密度所使用的超导导线的量的减少。

·在电动机驱动的情况下，多相绕组针对给定的功率水平具有更平滑的转矩输送。

·多相绕组将倾向于使在发电的情况下产生的峰值电压和电流减小，从而使驱动或发电路径绕组所经受的AC损耗降低。

·在作为电动机进行操作的情况下，多相绕组在启动时将不会经受可能的转矩“死区”。

对先前实施方式的进一步扩展

所介绍的实施方式可以进一步被扩展成包括多个同心的背景场产生电磁线圈。使用多个同心背景线圈产生一系列同心路径，驱动或发电绕组可以在一系列同心路径周围穿过。与前述双内部和外部路径一样，多个同心级的使用可以增大装置的额定功率或功率密度并且替代地被构型成引起作为电动机或发电机的反向旋转操作。图45示出了包括多个同心级的装置的示例。

图45示出了存在双端装置的两个同心层的示例电动机/发电机，该两个同心层可以被构型成如图46中所示的那样沿相同方向旋转或被构型成如图47中所示的那样反向旋转。

对线圈几何形状和绕组的进一步讨论

背景场线圈已被示出为由若干绕组组成的跑道式电磁线圈。应当注意，类似的线圈几何形状可以用于在场强度和极到极均匀性方面实现相同或更好的结果。可接受的替代几何形状包括具有倾斜直线段以及螺旋或恒定周界弯曲端的线圈。

驱动或载流条将最优选地由若干绕组而不是单个实心条组成。尽管已经证明，在之字形或线圈几何形状比绕组几何形状稍宽的情况下的绕组几何形状厚在使绕组经受的峰值场降低方面是有利的，但是这些绕组被图示出具有该几何形状的事实不应当排除使用驱动或载流绕组中的其他纵横比。

在本文献中所示的装置的优选实施方式中，背景场线圈以及驱动或发电路径由超导导线的若干绕组组成。该导线可以是诸如NbTi、Nb3Sn或MgB2或高温超导(HTS)导线或诸如BSCCO或YBCO的低温超导(LTS)种类。对于本领域技术人员明显的是，这些绕组中的任一种或两种可以容易地由如铜或铝的常见导电材料制成。

除在图示中示出的绕组的矩形或正方形形状之外，还应当注意，绕组的形状可以容易地是如电缆的圆形或任何其他期望的形状，并且这样的形状可以提供改进：

·连续极的场强度均匀性，

·降低由任一组绕组看到的峰值场，从而减小所使用的超导导线的量，

·绕组的封装因素。

各个实施方式的图示使用8条背景场线圈，从而产生总共16个极。线圈的数量应当仅被视为出于说明的目的的指示。在该技术的实际应用中，背景场线圈和极的数量取决于许多因素：

·装置即较大的装置(风力涡轮发电机、船用电动机)的大小更适合于更多数量的背景场线圈(通常为10个线圈)。较小的装置具有阻止大量邻近背景线圈的几何约束。

·给出导线经受的磁场的最佳线圈数。据发现，从导线用途角度来看，对线圈中的较低峰值磁场进行操作的较大数量的线圈比对较高场进行操作的较少数量的线圈更有效。

·所需输出或输入的频率即更高数量的背景线圈引起针对给定RPM的更高操作频率。该操作频率是在驱动电路或负载的要求与降低操作频率以降低超导或常规导电绕组的AC损耗的期望之间的优化。

启动考虑因素

可以采取若干方法在旋转部件在减小的磁场的区域中开启的启动期间使可能的转矩“死区”减小。这些方法包括：

·离合器，该离合器在启动期间使负载与装置断开连接并且与外部起动电动机啮合。

·使用多相绕组用于驱动路径或发电路径。

·在启动序列期间逐步接通背景场线圈，以产生定子极数和转子极数的不匹配。

对旋转部件和固定部件的讨论

所描述的旋转机器(电动机和发电机)具有：

·旋转部件和固定部件或；

·旋转部件和反向旋转部件或；

·旋转部件、反向旋转部件与固定部件的组合。

在优选实施方式中，在背景场电磁线圈旋转时，驱动路径或发电路径保持静止。尽管具有移动驱动绕组或生成绕组和固定背景场线圈的相反场情也是完全可接受的，但优选实施方式的优点是使驱动线圈或发电线圈中的极性持续反转的较高电流不必经由滑动触头或滑动刷来传输，从而减少装置中的电损耗。

另一方面，如果存在使装置的旋转质量被减小以允许快速停止、启动、加速以及减速的应用需要，则可以在使驱动路径或发电路径而不是背景场线圈旋转时具有优点。在这种情况下，机器的设计应当有利于背景场线圈中的较大数量的绕组以及驱动路径绕组或发电路径绕组的相应减少。

本文献中提出的机器的操作方向可以通过使背景场线圈或驱动/发电路径绕组中的电流方向反转而反转。

尽管本文献中的图像和描述已经介绍了关于旋转电动机的设计，但对于本领域任一技术人员而言将明显的是，所介绍的原理可以应用于线性机器以及旋转装置。

用跑道式线圈绕组替换之字形外部绕组。

在前述实施方式中，外部驱动路径/发电路径被示出为一系列之字形绕组。在这些实施方式的变体中，出于发电或电动机驱动的目的，之字形绕组由串联或并联连接的跑道式线圈所替代。

关键的认识在于跑道线圈或之字形绕组的直线段，即与作为基本驱动元件或发电元件的机器的旋转轴对准的直线部分。可以以在正确的方向上将电流传输至随后的驱动/发电元件的任何方式来制成装置的任一端处的互连绕组。理想地，这种互连应当使得绕组所经受的峰值场最小化，从而对于给定功率水平而言使由装置使用的导线的长度最小化。

分离跑道绕组

在该变体中，装置中的跑道绕组(先前描述的背景场跑道线圈和新的驱动/发电跑道变体)可以被分离成两个相反极性的线圈。这意味着，在先前存在产生一个直接极和一个间隙极的一个线圈的情况下，现在存在相反电流极性的两个线圈，其中，每个线圈产生一个极。当穿过绕组的表面周围的径向路径时，这些极在极性上顺序相反。

分离跑道线圈的第一个优点是使由穿过绕组周围的载流条经受的场的变化减少(并且因此使输出转矩或装置的生成功率的变化减少)。通过分离线圈，由穿过构件所经受的场从一个磁极到下一个磁极是相等的。无论是驱动还是发电，这种相等性皆产生使输出功率更平滑输送，从而引起使给定功率水平所需要的导线的量的减少。

第二个优点涉及超导导线的载流容量的场相关性。当使用超导绕组时，绕组的承载电流容量受这些绕组经受的峰值磁场限制。在先前描述的单个线圈实施方式中，峰值场通常出现在绕组的角部中并且朝向工作长度的端部。通过将绕组分离成两个跑道线圈，使从一个工作长度到下一个工作长度的电流传输在工作长度的两端之间被分离，从而引起绕组上的较低的峰值场。该较低峰值场引起超导导线的较高电流容量，从而减小给定功率水平所需要的导线的总量。

图48示出了先前图示的实施方式的其他变体中的两个。外驱动绕组/发电绕组被示出为跑道线圈。该版本还结合了分离线圈布置，使得一组绕组中的任一个绕组的线圈的数量等于极的数量，其中，每个线圈顺序反转磁场。

图49突出显示了连续跑道线圈之间的电流流动的相对方向。注意，外绕组中的方向是指示性的，这是因为这些绕组经受交流电(AC)。

同心跑道线圈几何形状

下面描述先前公开的实施方式的变体。该变体涉及对轨道线圈的进一步划分，使得轨道线圈被同心地布置成在同心跑道之间具有间隙。

图50示出了图48中所示的实施方式中采用的传统类型的跑道线圈和双同心跑道线圈。双同心跑道线圈几何形状可以使针对给定功率水平的所需导线长度减少10％至15％。

下面的列表描述了使用该变体的可能的实施方式：

·背景场跑道绕组同心地分离(优选)。

·驱动/发电跑道绕组同心地分离。

·背景场和驱动/发电跑道绕组同心地分离。

将跑道绕组分离成一系列同心跑道绕组引起绕组上的较低的峰值磁场和针对给定的功率水平超导导线的较少使用。这些同心跑道绕组在相同电压和相同电流相位下进行操作。电流流动的方向对于同心绕组中的所有线圈是相同的。在背景场绕组同心地被分离而没有同心地分离驱动/发电绕组的实施方式中见到最大导线减少的使用。该优选实施方式可以将所使用的超导导线的长度减少10％至15％。

图51示出了上述图48的实施方式但具有由同心跑道线圈构造的背景场线圈。与先前示出的之字形绕组相反，外部驱动/发电线圈也是跑道线圈。

图52示出了错误！未找到参照源.51中所示的装置的背景场绕组和驱动/发电绕组，其中，内部背景跑道线圈已被同心地分离。

图53示出了图51中所示的装置的磁场图，其示出了双同心背景场线圈与驱动/发电线圈之间的相互作用。

图54示出了具有使用同心跑道线圈构造的背景场产生绕组和驱动/发电绕组的装置的另一实施方式。

进一步改进：

在与直径和长度相等的正方形构型以及装置的长度比直径长的构型相比的情况下，在构造具有增大的直径和减小的长度的装置方面存在某种优点。优选类型的超平方装置可以引起针对给定输出功率减少使用导线。请注意，该优选实施方式应当被视为说明性的倾向，而不是对寻求保护的装置类型的进行限制。

3相和多相实施方式的其他变体：

与先前公开的技术的3相实施方式的构造有关的另一变体涉及针对驱动/发电绕组使用床架形线圈。这些线圈在其“工作长度”的末端处(即在装置的任一端处)升高，以便使驱动/发电绕组的工作长度保持位于相同的节圆直径上。驱动/发电线圈的该升高的端部或床架被设计成使线圈上的峰值磁场最小化，从而减少了用于给定功率水平的超导导线的量。

本文献中提出的附加的3相实施方式包括先前描述的变体和改进中的一些，诸如使用分离跑道线圈以及将背景场线圈构造为一组同心跑道线圈。

图55示出了采用双同心跑道背景场线圈几何形状和床架驱动/发电线圈的3相装置两者的实施方式。

图56示出了错误！未找到参照源.55的3相装置，以及具有床架多相绕组的放大细节视图。

图57示出了图55中所示的类型的3相式电动机/发电机的实施方式的线圈布置。内部背景场绕组是双同心跑道线圈。仅示出了外驱动/发电绕组的一段(为了清楚起见而被突出显示)。这些外绕组由床架线圈形成。

图58是图55中所示的装置的磁场图。该场图示出了由背景场线圈产生的磁场与3相驱动/发电绕组的相互作用。

在先前示出的装置的另一变体中，可以构造全极驱动装置的版本，在该版本中，驱动绕组的外部周围的磁场强度等于或大于由背景场绕组产生的背景场强度。在该装置中，驱动绕组将在载流绕组上产生大的力，从而增大装置的功率和/或效率。

本文献中公开的发明和变体还涉及从电压和电流的输入(电动机)产生机械功或从施加的机械功(发电机)产生电压和电流。基于所公开的装置的电动机和发电机统称为Guina环形驱动装置。

电动机/发电机包括旋转部件(转子)和固定部件(定子)。在所公开的装置中，定子的主要功能是提供转子在其中旋转的高强度背景磁场。在电动机的情况下，可以使用随着背景场的磁场方向的相对变化(即，随着转子从一个磁极移动到下一个磁极)改变方向的电流向转子供电。在发电机的情况下，转子的运动引起交流电压和交流电流的产生。

环形驱动装置的基本元件是环形的一组背景场绕组或永磁体以及一组转子绕组。这种形状的线圈/磁体包含环形线圈本身的横截面内的磁场的大部分。转子绕组被放置在环形线圈的横截面内并且在该包含的场内进行操作。

转子绕组的最简单的实施方式包括由超导或常规导电材料的多个绕组组成的单个跑道式线圈。绕组位于环形定子内，其中，功率经由一对输入集电环和输出集电环输送到绕组或从绕组取得。绕组安装在机械轴上的轴承上，从而允许绕组旋转。轴和功率输送/提取连接需要在定子的侧绕组中的间隙。在图59中示出该单相转子的最简单的实施方式。

环形绕组/磁体产生磁场，其中，场线基本上围绕操作半径在圆环形线圈中同心地流动或在方形或方环形的情况下与绕组的壁平行地同心地流动。转子绕组通常每旋转一次经受两个磁极。这意味着可以通过采用由具有其自身的一组功率集电环的独立转子绕组组成的多相绕组使转矩和功率输送更加一致。每个绕组中的交流电流与每个绕组之间的分离角度成比例地领先或滞后于其他绕组。在图60中示出由三个独立相组成的实施方式。

单独的每相绕组可以串联或并联地缠绕，以产生工作电压和电流的期望组合。

转子绕组经受转矩并且因此也必须具有机械支承件以及连接轴，转子绕该连接轴旋转并且通过该连接轴输送动力(参见图61)。

图61示出了具有转子体和动力传动轴的支承结构的三相转子绕组。绕组示出为围绕轴的末端移位。

绕组可以由诸如铜的常规导电材料或由超导材料制成。转子绕组中使用超导材料需要旋转低温恒温器，以便使绕组材料的温度降低到实现超导状态的点。

在使用正常铜绕组的情况下，可以通过使用更高的铜电流密度和强制空气或水/油冷却来增大装置的功率密度。在图62中示出了结合有可以泵送冷却剂的冷却通道的转子组件的示例。冷却通道允许液体冷却并且相应地允许转子绕组中的更高的电流密度。

可以在一个环形定子内安装若干单独的多相转子组件。这使得对于给定量的定子绕组/磁性材料而言装置的功率密度显著增大。在优选实施方式中，转子被排列在环形定子的中心轴周围的节圆直径上。

在该优选实施方式中，背景磁场在该中心轴周围穿过并且主要被包含在环形定子内。单条场线可以被设想为在环形线圈周围连续地穿过每个转子组件。以这种方式，在生成或输送功率时多次采用磁场，并且磁场基本上被包含在电动机/发电装置内。

图63示出了定子绕组的方环形线圈实施方式。绕组两侧存在间隙以适应转子的机械输出和电气输出。

替选地，定子绕组/组件可以被构造为圆形或圆环形线圈。图64示出了图63中所示的定子绕组上的变化，其中，定子由圆环形绕组来构造。通常，真正的圆形绕组在环形线圈外部产生较少的杂散磁场。

方环形线圈以及稍微更大程度上的圆环形线圈产生在环形绕组内部周围行进的磁场。该场主要包含在环形定子绕组中。图65示出了来自圆环形绕组的磁场图，其中，包括六个转子组件绕组以供参照。磁场穿过定子组件的内部并且被包含在定子内。

图66中所图示的场图示出了200高斯(粉红色)极限和5高斯(蓝色)极限的场边界。为了完整性，转子绕组的场贡献已被包括。

使定子组件和转子组件进行组合以产生环形驱动电动机和发电机。环形定子和多个转子的实施方式在图67中被示出，该实施方式包括方环形定子绕组和位于环形定子内的四组多相转子绕组。

尽管图67将定子元件示出为方环形线圈布置中的矩形线圈绕组，但重要的是应注意：

·线圈的布置可以是圆环形线圈而不是方环形线圈。

·线圈可以由被排列成产生类似的环形场分布的永磁体来替换。

·线圈的横截面不一定要是矩形，如果为转子绕组留有足够的间隙，则也可以采用具有圆形横截面的线圈。

图68示出了错误！未找到参照源.67中所示的装置的完整视图，其中，错误！未找到参照源.67示出了转子组件中的每个转子组件如何被包围在环形定子内。

在优选实施方式中，多个转子组件通过行星齿轮连接被组合成单个机械输入或输出到中心旋转轴。这种行星齿轮连接的示例在以下错误！未找到参照源.并且错误！未找到参照源.70中被示出。这些图中所示的传动比是1:1的比率，然而可以采用升挡传动比或降挡传动比来给出期望的转子或最终驱动速度。可以通过使用齿轮系、内联行星齿轮箱或这些齿轮箱布置的组合直接用中心齿轮和小齿轮布置产生最终传动比。

图69示出了Guina环形驱动装置的截面图，其示出了经由行星齿轮系统将四个单独的转子组件连接至中央动力输入/输出轴。

图70示出了错误！未找到参照源.69中所示的装置的替代视图，其突出显示行星齿轮和主轴的相对旋转方向。

先前在错误！未找到参照源.69和错误！未找到参照源.70中所示的装置具有被安装在单独的转子组件的机械轴的两端处的齿轮，以便在轴的两端之间共享转矩输出。在替代实施方式中，如图71中所示，转矩仅经由转子轴的一端传递。

下面的图示出了环形驱动装置的不同实施方式，其包括用于背景场产生环形定子和转子的不同构造材料。这些实施方式仅是说明性的并且不应被视为对可以用于创建电动机/发电机的物理布置或超导材料、常规导电材料和永磁材料的组合方面的限制。

图72示出了包括由超导绕组制成的环形定子以便产生高强度背景磁场的实施方式。转子绕组由铜导线制成。

图73示出了包括由正常导电铜绕组制成的环形定子以便产生背景磁场的实施方式。转子绕组也由铜导线制成。

图74示出了包括由超导绕组制成的环形定子以便产生高强度背景磁场的实施方式。转子绕组还由超导导线或带制成。

相等场和相反场

在先前示出的装置的另一变体中，可以构造环形驱动装置的版本，其中，转子绕组外部周围的磁场强度等于或大于由定子产生的背景场强度。在该装置中，转子绕组将经受大的力反作用，从而增大装置的功率和/或效率。

图75图示出了包括由正常导电铜绕组和永磁材料制成的混合环形定子以便产生背景磁场的实施方式。转子绕组也由铜导线制成。

除了示出了使用永磁材料和附加铜绕组的混合定子构造的上述错误！未找到参照源75以外，还可以使用仅永磁材料或永磁材料和诸如铁或钢的导磁材料的组合来构造环形定子。

图76示出了环形驱动装置的变体，其中，环形定子由永磁体的组件构成。

在图77中，环形定子由永磁材料构成。经由定子环形线圈的拐角段中放置较小的间隙永磁体来实现磁场的附加引导。这些较小的间隙磁体在下面的图78中更清楚地被示出。

在图77中提供了错误！未找到参照源.76中所示的装置的四分之三的截面图。在该实施方式中，定子环形线圈由通过板式永磁体的最薄尺寸被磁化的一系列板式永磁体组成。在拐角处采用较小的间隙磁体以帮助将通量引导到转子组件。切除围绕转子组件的磁体，以便物理地容纳转子。

图78是在错误！未找到参照源.77中所示的装置的详细视图。该视图示出了磁化的方向和永磁材料已被去除以便容纳转子组件的区域。

图79示出了以图75中所示的装置的四分之三截面图。该视图示出了永磁材料已被去除以便容纳转子组件的区域。

进一步的研究表明，在靠近转子组件处去除尽可能少的磁性材料存在显著的优点，即，使得保持靠近转子绕组的高强度磁场。此外，更好的是，不使磁性材料完全封装转子组件。在转子半径之外并且在转子的任一端处的附加材料倾向于将磁场的大部分引导远离转子绕组，从而降低装置的功率。

最后，通过引入位于转子绕组内的圆柱形永磁体来实现装置的功率的显著增大。该内部磁块与错误！未找到参照源.78中所示的磁体一致地被极化并且相对于转子保持静止。这些进步中的每个进步都均体现在错误！未找到参照源.80中。围绕转子组件的磁体材料现在紧密地跟随转子组件的外部轮廓，从而使装置的功率增大。在单独的转子之间形成定子环形线圈互连的磁性材料已经被挖空以减轻装置的重量。

内部固定永磁体需要同心轴布置，在该同心轴布置中，机械功率传输经由外部套筒轴来发生，其中，内部轴为内部磁块提供静态支承。

图81是图80中所示的装置的截面侧视图。切除部分示出了转子绕组如何包住磁性材料的另一圆柱形块。该附加磁块是固定的并且有助于引导磁场，使得磁场垂直于转子绕组，从而增大装置的功率。

附加磁块的主要效果来自于将场从转子组件的任一侧引出并且到达该磁块。该引出相对于转子绕组使磁场加强并且变直，从而引起装置的功率的显著增大。错误！未找到参照源.81中的装置的磁场图在下图82被示出。

错误！未找到参照源.80中所示的四个转子装置的另一个变体包括单个转子组件和减小的环形返回路径。该变体的实施方式在图83中被示出。所示的装置基于围绕具有长方形场永磁体组件的单个转子组件，以容纳并且返回背景磁场。

这种单个转子变体具有不需要到最终动力传动轴的齿轮系统的优点。减小的环形返回路径用于容纳装置的背景磁场。

图84示出了错误！未找到参照源.83中所示的单个转子永磁体环形驱动装置的磁场图。

重要的是注意，此处所示的装置的转子绕组可以容易地被构造为易于构造的常规导电绕组或用于增大功率密度的超导绕组。

尽管所示的实施方式具有完全由永磁材料构造的定子部分，但环形线圈部分可以容易地由诸如钢或铁的导磁材料构造。用于由导磁材料构造的候选包括将转子组件互连的环形线圈的拐角以及放置在转子组件内的材料。用导磁材料替换关键部件将可能在功率水平和重量上均有损失，但是与永磁材料的排他性使用相比，可以节省一些成本。

除在前面所示的实施方式中使用的方环形线圈背景场定子之外，背景场定子线圈也可以容易地构造成如图85中所示的圆形或圆环形形状。一般意义上而言，与圆环形定子相比，使用方环形定子对于给定量的定子材料而言产生稍微更高的功率输出，其代价是更大的磁场“泄漏”。圆环形定子的改进的约束可以在减小装置周围的5高斯和200高斯磁场边界线方面看到。

图85至图93示出了环形驱动装置的实施方式，其中，背景场定子被构造为圆形或圆环形线圈。

图85示出了具有带有圆形或圆环形背景场定子的4个转子组件的环形驱动装置。

图86示出了具有4个转子组件并且具有圆形或圆环形背景场定子的错误！未找到参照源.85中所示的实施方式的四分之三截面图。

可以在背景场定子周围放置的转子组件的数量主要受到单独的转子组件的机械和间隙限制的限制。在前面所示的方环形背景场的情况下，背景场中的直线侧面的数量随着转子组件的数量的增大而增大。

图87示出了具有6个转子组件以及圆形或圆环形背景场定子的环形驱动装置的实施方式。

图88示出了具有错误！未找到参照源.87中所示的6个转子组件的实施方式的三分之二截面图。同样，已采用圆形或圆环形背景场定子。

图89是具有错误！未找到参照源.87中所示的6个转子组件的实施方式的替代视图。主轴和单独的转子轴的旋转的相对方向用箭头来表示。

图90示出了具有圆环形定子和六个转子组件的环形驱动电动机/发电机。该装置被设计成用于高速操作并且包括超导定子绕组和铜转子绕组。

错误！未找到参照源.90中所示的实施方式将6个转子组件并入到由超导材料缠绕的圆环形线圈式定子中。该装置是环形驱动电动机/发电机的高速且功率密集的实现方式。使动力传动轴的任一侧变形的绕组偏离超导环形绕组的主体的面达一定距离，以便减小超导绕组所经受的峰值场并且使针对给定量的超导材料的装置的功率密度增大。

图91是错误！未找到参照源.90中所示的实施方式的四分之三截面图，其特征在于转子组件中的多相绕组。

用于高速环形驱动装置的转子绕组由铜制成并且是多相的，以减小输出功率中的脉动的量。使用超导转子绕组是可能的，但是高速操作意味着将需要仔细设计以使超导绕组中的AC损耗最小化。

先前实施方式的另一变体在错误！未找到参照源.92中示出。该实施方式被设计成作为适于用作直接驱动风力涡轮发电机的低速发电机进行操作。该装置被设计成用于包括用作风力涡轮发电机的低速操作并且包括超导定子绕组和超导转子绕组。

低的操作速度引起低的操作频率，并且进而引起使转子绕组中的AC损耗降低。因此，定子绕组和转子绕组均由超导材料构造。

该装置将与前述实施方式中所示的行星齿轮构型一起用作直接驱动(1：1)构型或升高(1:25或更高)的构型。升高的构型虽然引起较高的工作频率但使用成比例的较小量的超导材料。最终的结果是转子绕组中的AC损耗保持大致相同。

图93示出了错误！未找到参照源.92中所示的实施方式的四分之三截面图。超导转子绕组已被优化以减少AC损耗。

使超导转子绕组中的AC损耗最小化的需要来自当消除低温温度下的热引起的损耗时发生的大的损失因子。消除热损失所需的能量可以比取决于操作温度和所使用的超导材料而导致的实际能量损失高10倍至1000倍。

先前公开的实施方式的另一变体涉及改变单独的转子组件的旋转轴线。在先前转子组件在与环形定子被缠绕/构造所围绕的轴线平行的轴上旋转的情况下，在下面的实施方式中，该旋转轴线现在垂直于环形线圈的轴线。然后，可以使用锥齿轮组件来组合单独的转子组件的动力传动。该变体的示例在图94和图95中被示出。

图94示出了先前介绍的实施方式的变体，其中，已经改变了单独的转子组件的旋转轴线，使得单独的转子组件的旋转轴线现在垂直于环形背景定子的中心轴线。

图95是如图94所示的装置的四分之三截面图。注意，单独的转子组件中的相数已经增大到24个，以使电力输送/发电平滑。

图90至图100示出了转子元件和接近的永磁材料，其中永磁材料包围转子组件以及包含在它们内。这些变体表示环形驱动装置的基本驱动或发电元件，但没有环形场返回元件。

图96示出了具有邻近和内部永磁体材料的单个转子组件。图97示出了图96中所示的磁体组件的场图。

错误！未找到参照源.96中所示的基本组件的另一变体涉及与如图98所示的转子组件的外部邻近的磁体块的曲率。内部磁体组件可以是如先前所示的实心圆柱体或者可以为具有如图99的场图中突出显示的内部孔的管形。

在所示的装置的磁场图中，磁性材料的磁化方向是单向的。弯曲的外部磁性材料也可以围绕装置的旋转轴线径向地极化。

前面已经说明的是，永磁材料可以通过组件的内部部分和外部部分上的磁体组件被笔直地磁化或绕机器上的轴线被径向磁化。一个有益的变化是转子绕组外部的磁体组件被径向磁化。图100中的场图示出了该径向磁化对磁场的影响，其中，转子的任一侧的外部磁性元件已经围绕旋转轴线径向地被磁化。

另一变体涉及移除外部磁体组件。在该变体中，载流绕组与内部永磁材料相互作用。该相互作用在电动机的情况下产生转矩或在发电机的情况下产生电流。

在以下变体中，先前旋转的绕组变为固定，并且内部永磁体旋转。转子和定子的这种反转的优点包括消除对用于载流绕组的集电环或旋转电触头的需要以及更容易使用泵送的液体或增压空气使固定绕组冷却的事实。

图101示出了与先前公开的变体类似但是移除了外部磁性材料的永磁体电动机。转子绕组现在保持静止并且作为无刷DC(方波)或AC绕组进行操作。内部磁体变成装置的旋转元件。

图102是图101中所示的装置的截面图。外部绕组在固定骨架周围形成。安装在绕组内的永磁体转子被安装在用于机械动力传输的轴上。

尽管装置被示出具有定子绕组和永磁体转子，但是旋转绕组和固定内部磁性组件的相反布置也是可接受的并且在一些实例中可以是期望的。

图103是图101和图102中所示的装置的磁场的图。永磁体转子被示出为材料的一个实心圆柱体。

图104是与图103的永磁体电动机类似的永磁体电动机的磁场图。内部磁体是具有内孔而不是实心圆柱体的磁性材料管。

以下材料详述了先前公开的永磁体电动机的其他变体。

图105中所描绘的第一变体是具有内部永磁体和一组外部多相绕组的单个转子永磁体机器。在与先前公开的示例相比的情况下，主要变化在端部绕组中。绕组已经在透明孔周围顺序地被布置，以使得磁体组件的支承轴通过。该图示出了与先前公开的单个转子机器类似的永磁机器但具有改进的端部绕组以容纳支承轴。

所公开的装置的关键优点之一是磁性绕组中间的大的永磁块在距磁块的外半径的一定距离处产生相当量的磁场。磁场的该大的“抛射”使得大量的导电绕组能够围绕磁性块放置。在磁场中进行操作的大量绕组与绕组中的高电流密度组合并且有效主动冷却这些绕组引起装置的优良的功率密度。替选地，供给有较低电流密度的较大数量的绕组可以引起较高的装置效率。

图105中所示的装置的另一变体将具有单个绕组的单个永磁体结合到由围绕中心轴线排列的多个磁体和转子组件组成的单个装置中。

替选地，这些变体可以被视为先前公开的永磁体环形驱动装置的变体，其中，单独的转子组件的定位已被压缩并且互连(或通量引导)磁性材料被移除。互连材料的移除代表了装置的重量的显著节省并且引起杂散场边界仅有小的变化。

图106中所描绘的第二变体示出了具有连接到中心轴和齿轮的三个永磁体和绕组组件的装置。在该变体中，中心轴和外部旋转元件的旋转速度相同。

在图106中所示的装置的另一变体中，磁体和绕组组件的操作速度可以从中央连接轴的操作速度上升或下降。这允许外部组件以更高的旋转速度进行操作，这引起更高的系统功率密度，同时仍输送适合于期望的输入或输出的功率和转矩水平。

图107示出了图106中所示的装置的磁场图。磁体和绕组组件的接近度引起主要包含在组件的外边界内的磁场分布。

图108示出了与图106中所示的装置类似的装置。在该变体中，转子组件以比中心轴更高的旋转速度进行操作。

图106所示的装置可以被外推到任何数量的磁体和绕组组件。图109至图114包括地示出了四个和六个组件的变体，其中，：

·中心轴速度和单个装配轴的速度类似，或者；

·其中，外部组件轴的旋转速度相对于中心轴已经被升高。

图109示出了由与中心轴连接的四个磁体和绕组组件组成的装置，该中心轴以与各个组件的速度相同的速度旋转。

图110是图109中所示的装置的磁场图。

图111示出了与图109中所示的装置类似的装置。在该变体中，转子组件以比中心轴更高的旋转速度进行操作。

图112示出了由与中心轴连接的六个磁体和绕组组件组成的装置，该中心轴以与单独的组件大致相同的速度旋转。

图113是图112中所示的装置的磁场图。

图114示出了与图112中所示的装置类似的装置。在该变体中，转子组件以比中心轴更高的转速进行操作。

图109和图112中所示的装置的另一变体在环形式组件的中间(沿中心轴)具有附加的永磁体和绕组组件。这引起形成整个装置的总共5个以及总共7个单独的组件。

当磁体保持静止并且绕组旋转时，中心轴周围排列的单独的组件的紧密接近增大了总装置的转矩水平/功率水平。在该构型中，随着单独的组件之间的距离增大，系统的转矩水平/功率水平降低，直至每个单独的组件呈现为与自由空间中的相同大小的单独组件的功率水平/转矩水平相同的功率水平/转矩水平的点为止。

单独的组件围绕中心轴线的彼此之间的紧密度与超出装置的物理边界的杂散磁场的约束的改进相关。

此处介绍的设计的无刷变体可以通过使永磁体部件旋转并且使绕组保持固定来实现。在该变体中，磁性组件的定位在磁性组件旋转时彼此影响，使得期望增大磁性组件之间的距离，以便减小转矩脉动并且确保由转子绕组施加的转矩能够克服连续永磁体之间的力。由具有旋转磁体的单独的组件产生的转矩和功率与由自由空间中的单独永磁体和绕组组件组成的装置产生的转矩和功率相同。

如果单独的绕组形成装置的旋转元件并且磁体保持固定，则功率必须被输送到旋转绕组或从旋转绕组取得。这可以经由集电环或刷机构来实现。替选地，可以经由使得在固定部件与旋转部件之间传输电力的DC激励器或旋转变压器来向绕组供给电力和从绕组供给电力。

其他单个电动机变体

先前公开的单个永磁体装置的另一变体具有位于被磁化的绕组内的永磁体，使得在导体围绕旋转轴旋转360度时由导体看到多于两个的磁极。磁体周围的绕组需要随着极数的增大而更频繁地改变绕组的极性。例如，先前示出的两极装置需要每180度切换单独的绕组，将极数增大到四个意味着极性反转必须每90度发生一次。

图115示出了根据所公开的实施方式的永磁体构造的两个变体。背景中的磁体被“直线通过”地磁化，从而得到两极装置。前景中的磁体由四个磁化区段制成，从而得到四极装置。

除改变磁极的数量之外，其他变体涉及在所示装置的单个或多个组件实施方式周围使用钢屏蔽或护罩。使用钢或铁氧体护罩可以增大装置的功率水平/转矩水平，同时还容纳任何杂散磁场。

图116示出了具有外部绕组周围的钢屏蔽/护罩的双极永磁体和转子组件。

图117示出了图116中所示的装置，其中，钢护罩和一些绕组被切除以示出绕组和两极永磁体。

图118示出了图16中所示的装置，其中，钢护罩被切除以示出单独的绕组。

图119是两极永磁体和单独绕组组件的磁场图，其中，钢护罩在装置的外部周围。该护罩有助于容纳杂散磁场并且增大装置的功率。

图120示出了四极永磁体和转子组件，其中，钢屏蔽在外部绕组周围。钢护罩和一些绕组已被切除以示出剩余的绕组和两极永磁体。

图121是四极永磁体和单独绕组组件的磁场图，其中，钢护罩在装置的外部周围。护罩有助于容纳杂散磁场并且增大装置的功率。

极数不应被视为受所示实施方式的限制。增大极数使钢护罩/屏蔽的有效性增大，从而得到较低的装置重量。

图122示出了与图120中所示的四极装置类似的四极装置但没有钢屏蔽/护罩。图123是图122中所示的装置的磁场图。

钢护罩或屏蔽还可以用于多电动机组件中。图124和图125示出了根据错误！未找到参照源.112的6电动机/发电机组件，其中，单层钢护罩在外部周围。

这些屏蔽护罩可以使用铁氧体材料或具有高磁导率的其他材料制成。尽管被描绘成由单层构造，但是也可以使用在层之间具有或没有间隙的多层材料来构造屏蔽。

屏蔽材料也可以由薄片层叠而成以使涡流和磁滞损耗最小化。图125是图124中所示的装置的场图，其示出了由钢屏蔽/护罩产生的磁场的改进的约束。

多极磁体的物理结构先前已经被示出为具有交替磁极性的一系列角分段。以下图像示出了对多极永磁体的物理构造的不同方法。

图126示出了由在与分离平面平行的方向上被磁化的两个半部构造的四极永磁体组件。

图127示出了图126中所示的四极磁体的另一变体。在该变体中，通过组装在与组件的分离平面平行的方向上被磁化的一系列磁体来产生四个磁极。

图128示出了由磁极性径向交替的一系列弧分段构成的六极永磁体组件。构造的方式与用于图120中的四极磁体的方式类似。

图129示出了由与组件分离面平行被磁化的磁体构成的六极磁性组件。只要维持图像中所示的磁化方向，则可以出于于组装目的将磁体进一步细分。

图130示出了针对4极永磁体组件的构造的变体的磁场图。在图130的图中，永磁体组件被构造成在永磁材料的扇区之间具有间隙。这些间隙引起永磁体自身内的磁场的更大的均匀性。这些间隙可以容易地应用于先前公开的任何其他磁体组件。

图131示出了在磁性材料的扇区之间包括小间隙的4极永磁体组件。通过每个扇区的磁化方向由相应扇区的端面上的箭头来指示。该磁化方向产生图130中所示的磁场。

由于磁场中的局部变化而在磁屏蔽或支承结构中形成涡流所导致的寄生能量损耗可以通过由一系列层叠片构成屏蔽或支承结构来减少。

在先前公开的永磁体装置的变体中，图132中的装置示出了由钢或其他导磁或铁磁性材料的多个叠片构造的外部钢屏蔽。

该构造中使用的每个片材与邻接的片材电绝缘，从而防止在屏蔽或支承结构中形成大的涡流。在不采用铁氧体屏蔽的情况下，支承结构可以主要由非导电材料构成，从而进一步减少寄生损耗。

在另一变体中，钢屏蔽可以由包含非磁性材料间隙的一系列同心层叠组件构成。这种构造方法使得屏蔽材料的体积的显著减小，同时磁屏蔽的功效和装置的输出功率二者的减少均最小化。

图133示出了图132中所示的装置的另一变体，其中，钢屏蔽由一组同心层的层叠屏蔽材料形成。使用具有中间空气间隙的多个层允许减少所需屏蔽材料的质量，而对装置的场约束和功率输出只有最小的影响。

在先前公开的无刷实施方式中，永磁体组件以高旋转速度进行的旋转在组件材料上施加显著的离心力负载。以下变体使用高强度材料(例如凯芙拉(Kevlar)或碳纤维)的外层或包层来容纳该力并且在高速下维持永磁材料的结构完整性。

图134示出了具有凯芙拉、碳纤维或诸例如钛的其他高强度且低导电性材料的外部包层的永磁体。外部材料包含高旋转速度下的对磁性材料的离心力。

在图102中所示的组件的另一变体中，组件中的永磁材料被进一步细分成同心环的集合。高强度材料位于这些环形间隙内，以便提供克服施加在磁性材料上的离心力的多层附加支承。在图135中示出具有外部支承层和附加内部支承层的变体。

永磁体组件的构造的该变体是将永磁材料划分成具有同心层之间的凯芙拉或碳纤维材料的许多同心层的变体。层之间的该附加材料被设计成容纳高旋转速度下的离心力，从而确保永磁体组件的结构完整性。

本文献中提出的实施方式与电动机和发电机设计的常规方法之间的关键差异涉及使用主要由永磁材料构造的圆柱形磁性组件。这与使用永磁体的电动机/发电机设计的更传统方法相反，其中，磁性材料由布置在永磁体组件的径向末端处的较薄材料层组成。该布置在图136中被示出，并且径向场强的所得到的图在图137中被示出。

径向场的强度是重要的，这是因为径向场的强度是该径向磁场与在电动机的情况下围绕产生输出转矩的永磁体圆形排列的导体中流动的电流的相互作用。以相同的方式，该强度是径向磁场和在发电机的情况下在导体中产生与施加转矩对应的电流的移动导体的相互作用。

针对在其整体中(即完全“填充”)包括永磁材料的圆柱形磁体的径向磁场的强度在图138中被示出。第一个认识是，径向磁场的强度围绕装置的半径更均匀地分布。这实际上引起更均匀的转矩输送/从超过360度旋转的单相的功率的产生。

第二个认识是，磁性材料的体积的增大使径向磁场的强度增大。实际上，装置的功率输出与其构造中采用的磁性材料的体积成比例。为了在给定体积内获得具有尽可能最高功率的装置，装置的内部组件应该由永磁材料制成，其中，仅出于定位或机械支承的目的，对该材料进行任何减少。

对于给定体积的磁性材料而言，装置的功率输出随着磁极数量的增加而减小，也就是说，4极装置比2极装置等具有更低的输出。

图138是与先前公开的组件类似的由全厚度2极永磁体组件产生的径向磁场的强度的截面场图。在与图137相比的情况下，高径向场强度的区域围绕装置的周界更均匀地展开。

本公开内容涉及单极型涡轮电动机和发电机的开发。特别地，电磁线圈或磁性材料提供驱动磁场(在该驱动磁场中，单极转子进行操作)的涡轮的构造由大块超导材料或产生持续磁场的超导材料的叠片来替换。

当在外部磁场或激励磁场的存在下冷却材料时，发生使用大块超导材料产生磁场。当去除该外部场时，超导材料的抗磁性质引起在超导体内产生持续的循环电流。这些持续的循环电流产生外部磁场，从而有效地产生永久性超导磁体，只要材料保持在超导状态下，该永久性超导磁体保持其场产生能力。

图139中的第一实施方式示出了两个大块超导磁体之间的单极转子组件。去除到超导磁体的载流引线和来自超导磁体的载流引线极大地降低了用于维持超导状态所需的冷却功率。简化的低温恒温器可以可选地被固定到转子并且允许旋转。该装置将仍然作为法拉第悖论的结果进行操作。

图139示出了单极型电磁涡轮机，其中，经由通电的大块超导材料产生驱动磁场。大块材料具有感应的持续磁场，使得该大块材料形成一种超导永磁体。

在图140的第二实施方式中，大块超导磁体由超导材料的叠片构成。这些叠片被对准，使得允许循环电流在产生期望的磁场分布所需的方向上形成和流动。图140示出了与图139中所示的单极电磁涡轮类似的单极电磁涡轮机。大块超导材料已经使用超导材料的叠片来产生。

在先前公开的实施方式中，载流绕组通过固定的偏移或间隙来围绕永磁体组件。由于该偏移，所以装置的宽纵横比主要由永磁组件的纵横比来确定。永磁体的长度与其直径之间的该纵横比或关系对给定体积的磁性材料和载流材料可用的输出功率具有影响。

装置的输出功率(作为装置纵横比的函数)经受以下两个考虑：

首先，从特定几何形状可获得的功率随着装置的旋转速度或RPM而增大。在实践中，峰值旋转速度受到由旋转材料上的离心负载所施加的物理限制，该物理限制进而取决于材料的外半径处的表面速度。这意味着具有更小转子直径的装置几何形状可以以较高速度旋转，从而引起功率增大。

其次，磁性组件的长度在载流绕组上产生所得到的转矩的主体，该载流绕组具有由端部绕组(在作为电动机进行操作的情况下)“捕获”的磁场引起的小百分比转矩。随着装置相对于其直径变得更长，来自端部绕组的转矩贡献减小。在发电机的情况下，对来自端部绕组的生成电压的贡献减小。

图141至图144示出了使用相同量的磁性材料和载流绕组但具有装置直径与装置长度的不同比率的两个实施方式。

图141示出了具有与先前公开的装置的纵横比相同的纵横比的永磁体装置的实施方式。为了清楚起见，隐藏了一些绕组。

图142是图141中所示的装置的磁场图。绘制了场通过与永磁体组件的磁化方向平行对准的装置的水平区段。

图143是永磁体装置的实施方式，该永磁体装置使用与图141中所示的装置相同体积的磁性材料和载流绕组但具有较小的直径和相应较长的长度。为了清楚起见，隐藏了一些绕组。

图144示出了图143中所示的装置的相应磁场图。绘制了场通过与永磁体组件的磁化方向平行对准的装置的水平区段。

在图141中所示的装置的图143中的磁场图中，示出磁场的矢量进入装置(“南”极)并且在与磁性材料的磁化方向共线的方向(“北”极)上退出。对于中点的磁体任一侧的大部分长度而言，磁场退出永磁体并且在“面内”返回到最近的相反磁极。因此，该场的行为类似于先前在本文献中示出的截面场图。

在磁体的任一端处，磁场不在圆柱形磁体的圆周周围在“面内”返回，而是在装置的端部周围弯曲，以得到至最近的相反磁极的最短的磁通返回路径。

作为比较，图144示出了图143中所示的实施方式的磁场图，其相对于图141中的实施方式具有更小的装置直径和相应更长的长度。装置的延伸长度引起装置长度的更大比例，其中，场返回是在装置圆周周围在面内，从而减小端部周围的磁场弯曲的相对贡献。

对于相同体积的材料而言，具有较小直径和较长工作长度的装置在旋转部件的相同外表面速度下可以产生更多功率。

以下实施方式示出了先前公开的技术的变体。以下变体包括使载流绕组的主要转矩元件互连以形成单个绕组相或束的方式的修改。主要转矩元件是载流绕组的穿过永磁体的轴向长度并且围绕永磁体的半径设置的部分。将在永磁体的任一端处连接这些主转矩元件的绕组称为“端部绕组”。

在先前的实施方式中，端部绕组已经通过在永磁体的端部周围弯曲而互连主要转矩元件，同时允许在磁体中心处的减小的净孔(clear bore)以容纳转矩传递轴。

在以下实施方式中，单层主要转矩线圈已经进一步细分为两层。端部绕组将特定相的外层与相同相的相应返回元件的内层连接。以相对于与极数(对于2极装置为180°，对于4极装置为90°等)对应的装置的角度移位的另一层完成用于单相的绕组。

图145示出了包括改进的6相绕组的先前公开的永磁体装置的实施方式。载流绕组已被修改，使得在装置的任一端的返回绕组现在被限制在与主要转矩元件相同的圆柱形轮廓内。

细分绕组意味着端部绕组可以通过将绕组从主要转矩元件的端部扭转成用于内层和外层之间的分离角的一半而形成，将绕组自身折叠在中点处并且螺旋地返回到相对的主要转矩绕组的内层。这可以在不需要将绕组向下弯曲到约束主要转矩元件的内半径和外半径的外侧的情况下实现，从而留下可以组装永磁体组件的净孔。

图146示出了在所示实施方式中描述的载流绕组的一个相的单层。注意，主要转矩元件通过端部绕组连接，端部绕组由在其自身上向后弯曲的螺旋路径组成。

由新的绕组提供的装置的孔中的附加间隙还有助于提供绕组和绕组的支承结构周围的冷却通道。

图147示出了没有载流绕组的图145的装置。外部结构由一组层叠的绕组支承件或骨架组成。这些支承件被层叠以减少支承件中寄生涡流的产生。封装绕组支承件是内部和外部螺旋路径或通道，冷却剂通过所述内部和外部螺旋路径或通道以移除绕组中产生的热量。外部结构包括内部和外部螺旋通道，冷却剂通过所述内部和外部螺旋通道以移除在绕组中产生的热量。还示出了层叠的绕组支承件。

图148是图147中所示装置的端视剖视图，示出了螺旋形冷却通道的开始。

图149示出了图147的实施方式，其具有在螺旋形冷却通道之间的层叠线圈支承结构的附加细节视图。

图150示出了图145至图147中所示的装置，其中外覆盖件被移除以示出形成沿着装置的轴线的螺旋路径的外冷却通道。

关于载流绕组的冷却的另一变体在图151中示出。在该变体中，外部支承结构由一系列叠片构成。每个叠片具有位于叠片周围的节圆直径上的一系列切口。当叠片组装成具有引入到连续叠片中的角度偏斜时，在叠片堆叠内形成一组螺旋通道。图151示出了一种装置，其中外部结构由一系列层叠板组成，以最小化寄生涡流引起的损耗。通过逐渐扭曲冲压在叠片中的切口形成多个螺旋通道。

图152示出了图151中的装置，其中载流绕组已就位。图153是图152中所示装置的不同半剖视图。

以与先前示出的实施方式类似的方式，载流绕组可以被划分为任何数量的电相。图154示出了图153的装置，其中载流绕组被细分为12个相。

本领域技术人员可以认识到，154中指示的绕组的12个电相可以被看作12束载流绕组，并且可以作为3相或6相装置运行，相电流跨多个绕组束共用。

多层永磁体电动机/发电机：

在之前介绍的实施方式的另一变体中，可以向装置添加附加载流导电绕组层。附加绕组层与由永磁体产生的磁场相互作用，当电动机驱动或发电时，从装置产生更多的功率。由于附加绕组层的工作半径增大，可以增大单个绕组束的宽度，这又增大了装置的功率水平。

图155示出了永磁体装置的一个实施方式，其中包括附加载流绕组层。附加层增大了装置的功率水平。还有三层冷却通道，一个在载流绕组上方，一个在载流绕组之下，第三个在绕组层之间。

使用多层绕组而不是一个大层允许在绕组层之间产生通道，通过这些通道可以泵送冷却剂，以便更有效地去除绕组中产生的热量。

可以增大绕组层之间的间隙的尺寸以允许更大的冷却能力。存在必须在通过增大间隙获得的额外冷却能力与随着绕组相对于永磁体半径增大而发生的所得到的磁场的减小之间发生的优化。额外的冷却能力允许在绕组中的更大的电流密度，以及因此在给定的绕组区域中更大的总电流。因此，间隙距离是随着间隙增大而可用的增大的电流容量与随着间隙增大而减小的磁场强度之间的优化的问题。

图156是图155的实施方式的半剖视图，其中去除了载流绕组，示出了绕组支承结构中的三层螺旋形冷却通道。

图157示出了图156的实施方式，其具有示出三组冷却通道的附加细节视图。先前示出的内通道和外通道由位于载流绕组的内层和外层之间的第三通道增强。

图158示出了图155中所示的多层载流绕组的端部半剖视图。图159是由图158中所示的两层装置产生的磁场的曲线图。

对于本领域技术人员显而易见的是，详细描述的变体可以容易地应用于之前介绍的其他实施方式，包括多极变体。

图160示出了包括修改的端部绕组和冷却通道的单层永磁体装置的4极变体。

图161示出了来自4极载流绕组的一个相的单层。当与2极装置相比时，4极机器的端部绕组没有延伸得越过永磁体的端部。

图162示出了本文献所示类型的永磁电动机，其中支承和冷却结构已就位。这些结构将绕组相对于环境密封，同时满足电流到绕组的输送和从绕组移除热量。

多转子超导环形技术的改进和变体

以下材料详细描述了前述环形电动机和发电机的变化和改进，其利用超导外部环形绕组来产生背景或“驱动”磁场以及位于外部环形线圈内的多个正常导电载流绕组。虽然下面的实施方式被示出具有超导环形绕组和正常导电转子绕组，但是任一本领域技术人员将清楚，任何或所有绕组可以容易地由超导或常规导电材料构造。

图163示出了多转子环形电动机/发电机。外部环形绕组被划分成包含在单独的低温恒温器内的部分，以便于构造内部转子绕组周围的环形线圈。

主要变化之一是将产生环形的驱动场划分割成分段。每个分段具有其自己的低温恒温器，允许每个分段在内转子绕组周围组装。

图163中的绕组在每个分段内是连续的，当与之前公开的环形驱动装置的实施方式相比时，这是一个区别特征。分段绕组的连续特性引起对环形的本体内的磁场的改进的约束，从而在装置外部产生更多的功率和更少的杂散磁场。

所图示的装置还显示有用于在中心和多转子驱动轴之间传递转矩的斜齿轮。

图164示出了图163的实施方式，其中去除了一个环形分段的一个半部分以示出内部载流转子绕组。图165示出了图163的四分之一截面图，更详细地示出了内转子绕组。

图163中所示的实施方式的澄清涉及构成外部环形线圈的分段绕组和低温恒温器的物理构造。通过将外部环形分割成单独的低温恒温器，包含在低温恒温器内的超导绕组与低温恒温器本身的外表面之间所需的间隙需要在绕组之间的间隙，其中各个环形分段被机械地紧固在一起。

图166示出了多转子环形驱动系统的实施方式，其中在所示的环形的邻近绕组分段之间具有间隙。这些间隙源于超导绕组与低温恒温器的外壁之间所需的间隙。

图167示出了图166中所示实施方式的端视图，其示出了环形绕组的连续分段之间的间隙。

图168是由图166中所示的有间隙的环形绕组产生的磁场的图。

图169示出了图163和图165中所示的装置的内部转子组件。六个转子被示出通过斜齿轮连接中心驱动轴。如前所述，转子驱动轴可以以与中心轴大致相同的速度旋转，或者相对于中心轴以旋转速度向下或向上(如图所示)旋转。

图170是图169中所示的多转子组件的端视图。

多转子永磁体环形技术：

在本文献中公开的涉及单个永磁体实施方式的变体可以容易地应用于包括多个转子组件的环形永磁体技术。可应用的变化包括产生净孔的修改的端部绕组，通过装置的附加冷却通道以移除通过流体在装置中产生的热量，以及使用具有层间液体冷却通道的多层绕组。

图171示出了结合了修改的端部绕组和用于载流绕组的液体冷却的通道的3转子环形永磁电动机/发电机。

图172示出了4转子环形永磁电动机/发电机，其包括修改的端部绕组和用于载流绕组的液体冷却的通道。

图173示出了结合了修改的端部绕组和用于载流绕组的液体冷却的通道的6个转子环形永磁电动机/发电机。

向载流绕组输送电流的定时变体

在先前公开的实施方式中，已经设想，载流绕组中的电流将采取方波形状，其中电流的极性反转发生在连续的磁极之间的角度中点处。例如，如果永磁体的北极在0°处，南极在180°处，则绕组中的电流反转在90°处发生。以下说明针对2极装置中的载流绕组的单相。对多极装置的应用涉及减小开关点之间的角度。

图174示出了在所介绍的实施方式中预期的默认方波电流模式。永磁体的极对准通过0°和360°。

随着永磁体周围的载流绕组的数量(并且因此电流的总量)增大，由绕组产生的磁场使由永磁体产生的磁场失真。该场中的失真使装置的极移动，使得严格的方波电流分布的应用引起产生与期望的转矩或电流产生方向相反的转矩或电流的载流绕组的元件。

一种减轻该场失真和反生产效应的方法是改变载流绕组中的电流信号的定时。方法包括：

-相对于由永磁体产生的极和绕组之间的角度，提前或延迟方波的切换点(图175和图176)。

-在电流反转点引入停留时段，使得电流在切换点之前和/或之后的一时段内在绕组中实际为零(图177)。

-用等效的正弦或余弦电流信号替换方波信号，当接近切换点时，自然地衰减绕组中的电流水平(图178)。

图175示出了相对于图174的定时延迟的电流反转的定时的方波电流输送。

图176示出了相对于图174的定时提前的电流反转的定时的方波电流输送。

图177示出了在电流反转期间没有电流在绕组中流动的情况下具有停留区的方波电流输送。

图178示出了方波电流输送和作为用于正弦电流输送的余弦波的等效功率电流波形之间的比较。

此外，所介绍的定时的变化也可以一起使用，例如，使用正弦电流波形或具有提前或延迟定时的停留区的电流波形。也可以采用逐渐减少的电流，因为它接近不严格正弦的切换点。重要的是，电流幅度和定时的变化减小了由对载流绕组引起的磁场的大失真引起的对装置的输出功率的不利于生产的影响。

所介绍的电流波形是指示性的，且不应被视为限制导电绕组中的可能的电流波形。

以下材料涉及环形技术的变体。在先前公开的涉及载流环形绕组的实施方式中，产生的背景场是恒定的-背景场线圈中的DC电流的函数。旋转绕组中的电流交替为正弦或方波AC信号。

在该实施方式的变体中，环形绕组经受交流电，其中旋转绕组承受固定的DC电流。当用作电动机时，环形绕组中的交流电引起旋转绕组的旋转。替选地，当用作发电机时，DC供电的旋转绕组的旋转在环形绕组中感应出AC信号。

在先前公开的装置的另一变化中，旋转绕组被永磁体转子或永久磁化的超导体块所替换。磁性材料的旋转通过穿过环形背景场绕组的相同交流电流来实现。

图179示出了环形技术的实施方式，其中环形背景绕组由AC源供电，AC源引起极性交替的背景场。转子是永磁体，其中使用先前的载流绕组/电磁体。

图180示出了图179中所示的装置的磁场图。永磁体转子被示出为与环形背景绕组的磁场对准。

图181示出了图179中所示的装置的磁场图。永磁体转子被示出为相对于来自环形背景绕组的磁场的切线方向旋转45度。

图182示出了图179中所示的装置的磁场图。永磁体转子被示出为相对于来自环形背景绕组的磁场的切线方向旋转90度。

先前公开了若干可能电流波形。所公开的波形涉及单相中的电流信号。对于本领域技术人员显而易见的是，当这些波形被施加到多个独立的相绕组时，必须向连续的相绕组施加到该波形的相移。

图183和图184示出了在多相操作的上下文中公开的装置的交流或载流绕组中的可能的电流波形。注意，绕组的6个相产生12个转矩产生或电流产生元件，以便从所示的施加的输入波形产生连续转矩。

图183示出了载流绕组中的可能的正弦电流波形，其示出了2极6相装置所需的相移。

图184示出了载流绕组中的可能的方波电流波形，其示出了2极，6相装置所需的相移。

相对于等效方波使用AC正弦波驱动载流绕组具有进一步的好处。当正弦波和正弦波输送等效功率(即输送电流的RMS值相同)时，在电动机驱动时使用正弦波电流操作的装置的功率输出在输送的转矩中产生较小的波纹，并且大约8-11的更多功率。这种趋势如图185所示。

图185显示了使用绕组中的方波电流操作的装置与使用绕组中的正弦波电流操作的装置的输出功率之间的差异，每个具有相同的RMS电流值。注意，使用正弦波电流的装置的较小波纹脉动及较高功率。

除了多转子永磁电动机在装置的圆周周围具有钢屏蔽的先前的实施方式之外，以下实施方式还涉及一种变体，其中该外部屏蔽遵循装置的外部轮廓。这种形式的屏蔽减少了从装置延伸出来的杂散磁场的量。这种屏蔽还增大了机器的功率水平。这种形式的屏蔽和先前形式的屏蔽两者可由层叠钢板构成，以便减少涡流和磁滞损耗。此外，本专利中介绍的所有装置中的磁滞损耗可通过使用低磁滞材料(例如硅钢)而最小化。

图186示出了延伸永磁体的长度并且在每个端部处开放的屏蔽。这不应以任何方式看作限制钢屏蔽的形状或范围。屏蔽可以延伸到绕组和支承结构的端部。还可以在装置的任一端部使用钢端帽以进一步容纳磁场。屏蔽的厚度还可以在需要更多或更少的场约束的区域中改变，以便使附加屏蔽的重量最小化。

在图186中，图示出了具有遵循3转子系统的外部轮廓的层叠钢屏蔽的3转子永磁环形机器。为了清楚起见，屏蔽仅延伸永磁体的长度，但是替选地可以延伸到绕组的端部，并且如果认为需要进一步的屏蔽则在任一端部封闭。

图187是图186中所示的3转子环形装置的磁场图，其具有遵循机器的外轮廓的附加钢屏蔽。附加钢进一步包含磁场并增大装置的功率输出。

图188是具有遵循机器的外部轮廓的附加钢屏蔽的4转子环形装置的磁场图。附加钢进一步包含磁场并增大装置的功率输出。

图189是具有遵循机器的外部轮廓的附加钢屏蔽的6转子环形装置的磁场图。附加钢进一步包含磁场并增大装置的功率输出。

图190是具有图189中所示的附加钢屏蔽的6转子环形装置的磁场图，但是指示200高斯和5高斯磁场线边界以示出磁场的约束。

在上述实施方式中，磁体在组件内对准，使得磁场以环形模式主要包含在组件内。由于磁体在以下实施方式中旋转，所以这种连续磁极的布置引起装置的输出转矩的较大变化。以下实施方式在邻近永磁转子之间使用不同的相对极性角度，以便在输出转矩或功率方面产生非常低的脉动。

连续的转子极性的新颖布置还通过确保不是所有永磁体同时向外“抛射”磁场而减少了所需的屏蔽钢的量。

在先前公开的环形壳体中，组件中连续永磁体之间的磁极角度的差等于360°/(组件数)。当永磁体固定时，这引起有效的磁场约束。

在以下实施方式中，组件中的连续永磁体之间的磁极角度的差等于2×360°/(组件数)。例如在4个组件群的情况下，该角度为2×360°/4＝180°。虽然这种关系产生低脉动，但是不应该被视为以任何方式限制产生输出转矩或功率的类似的异相关系和低脉动的连续磁极性的替代布置。

对先前和本文献中介绍的装置的进一步增强涉及在启动期间装置的行为。为了避免装置可能已经在减小的转矩容量的区域中停止的情况，组件或群构件中的一个可相对于其“正常”位置被稍微移动以产生附加起动转矩。替选地，为绕组提供电流的控制器可以提前或延迟绕组中的电流流动的相对定时，以便产生更高水平的启动转矩并且减少拖延启动情况的可能性。

图191示出了具有6个转子的无刷永磁体群组件。图像显示了外部钢叠片和绕组的部分切除，以便看到永磁体的细节。

图192是图191中所示的装置的端视图。箭头和角度指示在一个旋转位置处的群组件内的连续永磁体的相对极性。

图193是对于单个转子位置的图191中所示的装置的磁场图。

图194示出了具有4个转子的无刷永磁体群组件。图像显示了外部钢叠片和绕组的部分切除，以便看到永磁体的细节。

图195是图194中所示的装置的端视图。箭头和角度指示在一个旋转位置处的群组件内的连续永磁体的相对极性。

图196是对于单个转子位置的图194中所示的装置的磁场图。

图197示出了具有3个转子的无刷永磁体群组件。图像显示了外部钢叠片和绕组的部分切除，以便看到永磁体的细节。

图198是图197中所示的装置的端视图。箭头和角度指示在一个旋转位置处的群组件内的连续永磁体的相对极性。

图199是对于单个转子位置的图197中所示的装置的磁场图。

各种形式的单极装置也可以用作能量存储和脉冲能量输送的形式，即，单极装置的占空比低于100％的操作模式。

电磁线性加速电动机(线性电动机)被广泛使用。随着功率与能量输送水平的增大，能量供应与切换装置变得有问题，从而限制了大规模装置的采用。在本文献中公开的高级单极技术非常适合线性电动机和脉冲能量输送应用，包括但不限于磁道炮和线圈炮应用。

所公开的脉冲功率系统的基本元件是：

1.用于储能的飞轮；

2.单极发电机；以及

3.高电流脉冲切换系统

飞轮是用于存储旋转能量的旋转机械装置。能量可以在不同的时间段内有效地存储并且通过在负载下连接到发电机的轴释放。存储在装置中的能量取决于旋转部件的形状、旋转速度和重量。新材料和技术使飞轮成为可用的最有效的能量存储系统之一。包含在飞轮系统中的能量可以按如下描述：

旋转能：

惯性(选定示例)：

实心各向同性圆柱：

各向同性圆柱形管：

单极发电机根据转速、磁场、尺寸和负载产生纯直流电力。在盘式发电机中，大盘在外部磁场中旋转并在轴和外缘之间产生电压。

在优选实施方式中，当在转子和定子之间没有进行电接触时，转子的旋转质量也可以形成类似于飞轮的能量存储装置。在这种“无约束(freewheeling)”模式中，在转子的内半径和外半径之间产生电压，但是没有电流在转子和固定电流输送路径之间流动。当在转子和固定电流路径之间形成瞬时连接时，电流流动，从存储在飞轮中的机械能输送电能脉冲。对于高功率或脉冲能量水平，切换必须是鲁棒的以承受高电流并且是可控的，以便在从几毫秒到几秒的时间帧内输送精确的脉冲宽度。

在优选实施方式中，这种切换是使用在阴极和阳极之间提供电流路径的液态金属开关来实现的。与先前公开的液态金属辊的实施方式相反，液态金属辊依赖旋转的榫舌和固定凹槽中的大量液态金属的夹带，液态金属开关在电流触头的阴极和阳极之间输送受控的液态金属喷射或膜。这种输送可以通过泵送液态金属或用可压缩气体对其进行加压来实现。这些液态金属开关系统能够具有高的电流转移密度，并且还非常适合间歇操作。

图200示出了基于使用阴极和阳极之间的液态金属材料或材料膜的喷射来形成和断开电流传输路径的原理的两种形式的固定的液态金属开关。

液态金属开关的两种基本形式基于液态金属材料的喷射或液态金属材料的加压膜。在上述实施方式中，阴极和阳极两者都是固定的。

一般来说，图200中所示的喷射系统可用于非常短的接触时间，但需要更大量的液体。接触时间主要取决于快门的液体速度(压力)和操作时间。

通过比较，刷系统允许阴极和阳极之间的更大的接触面积，因此总体上使用更少的液体。切换时间也取决于液体速度(压力)，快门操作时间和两个接触区域之间释放液体所需的时间。

还可以通过在单极装置的转子和固定的载流路径之间实施间歇液态金属接触来实现开关。这种类型的液态金属开关的喷射系统和刷系统的实现方式分别在图201和图202中示出。

图201示出了喷射系统液态金属开关或固定阴极和旋转阳极之间的接触。

图202示出了刷系统液态金属开关或固定阴极和旋转阳极之间的接触。

图201中所示的喷射系统被开发为允许具有高电流密度的非常短的脉冲。开和关之间的接触时间可以低至几毫秒。通过比较，图202的刷系统被开发以允许在高电流密度下的连续操作或具有几百毫秒的切换时间的脉冲操作。

如前所述，脉冲功率系统的飞轮可以形成单极发电机的转子。这种用于在单极转子中存储大量能量的装置的实施方式在下面的图203中示出。直接耦合到发电机/飞轮转子的外部电动机或单极电动机盘可以用于对系统充电。

在一个实施方式中，图203的组合飞轮/发电机形成图204中所示的完整脉冲功率系统的一部分。在该实施方式中，能量脉冲持续时间的最终控制由与液态金属触头或刷分离的液态金属开关执行，液态金属触头或刷在单极发电机/飞轮的固定和旋转部件之间传递电流。分离开关机构允许更精细的控制能量脉冲宽度调制和持续时间。

为了最小化发电机/飞轮部件中的摩擦损失，在旋转部分和固定部分之间使用的液态金属刷在操作中也可以是间歇的，形成较长的接触时间，该较长的接触时间延伸由分离的液态金属开关确定的电流脉冲持续时间的任一侧。

图204中指示的负载或可能的应用包括轨道炮和线圈炮-这些负载是指示性的，并且不应被视为对需要精确的脉冲功率/能量输送的应用进行限制。

在图204中，示出了脉冲功率系统，其中输出电能脉冲的最终控制由单独的和固定的液态金属开关执行。这个单独的开关允许对能量脉冲的持续时间的精细控制。

在另一实施方式中，液态金属开关形成单极发电机/飞轮组件的一部分。在“无约束”模式中，在转子/飞轮和固定载流路径之间不进行接触。当需要能量脉冲时，液态金属通过图201和图202中所示类型的旋转液态金属开关在压力下被泵送或输送，引起被输送到所连接的负载的电流脉冲。该系统的示例在图205中被示出。该系统比图204中所示的系统略微简单，以不能实现精确的能量脉冲持续时间为可能的代价。在图205的脉冲电源系统中，液态金属开关集成到单极发电机/飞轮组件中。

在又一个实施方式中，双盘单极发电机可以与两个液态金属开关系统一起使用。该系统允许准备好提供顺序电流脉冲。线性电动机中的脉冲定子线圈的提供通常需要这种类型的功率输送。如果转子是反向旋转的，则电流脉冲可以是交替极性的。反向旋转转子的另一个益处是减小了安装点上的总转矩负载。描绘盘之间的公共接地的实施方式在图206中被示出。

尽管所示的装置使用与单极转子成一体的飞轮，但是本领域技术人员将容易地认识到，可以采用单独的飞轮通过旋转轴连接到发电机。图206示出了用于向线性电动机中的一系列定子线圈供应电功率的顺序脉冲的双盘脉冲功率系统。通过采用反向旋转的转子，顺序脉冲可以具有相反的极性。

以下实施方式涉及先前公开的永磁体技术的实际构造。为了以允许有效操作的方式构造这些装置，必须仔细考虑在构成装置的各种部件中产生的涡流或寄生损耗的最小化。虽然大部分支承结构可以使用非导电或不良电导体的材料构造，但是磁需求决定了在机器的外部部分中使用钢叠片，并且热学考虑可能需要导电材料，例如铝用于支承载流绕组。

一般来说，可以通过由薄叠片而不是实心块构造这些部分来减小涡流损耗。虽然这对于防止由围绕装置半径的面内作用的磁场感应的涡流是有效的，但是由在该径向平面外起作用的场分量可以产生显著的涡流损耗。这在永磁体的任一端的区域中尤其明显。

包括用于导电绕组的支承结构的典型实施方式在图207中示出，其示出了包括层叠钢通量引导件和层叠铝绕组支承件的永磁电动机/发电机。

由这些附加涡流引起的能量损失的显著减少可以通过在绕组支承结构和层叠钢通量引导件中添加圆形切口来实现。除了圆形切口之外，还可以通过径向切割叠片来实现涡流损耗的进一步减小。叠片中的切口必须以在邻近的分割部件之间提供完全电隔离的方式进行。切口减小了可以形成涡流的路径长度，从而降低了它们的强度和相关的能量损失。图208、图209和图210突出显示了在图207中所描绘的实施方式中使用的附加切口。

图208是图207的实施方式的端视图，其示出了绕组支承件和钢通量引导件中的圆形的和径向隔离的切口的细节，以减少涡流损耗。还示出了叠片中的一系列椭圆形切口，其形成用于流体直线通过装置的通道的冷却通道。

径向切口的位置可以在连续的叠片中顺序地交错，以便提高完成的层叠组件的材料行为的尺寸稳定性、强度和均匀性。

到叠片的附加圆形的和径向的切口在叠片堆叠的端部处具有最大的影响。在所示实施方式的另一变体中，接近叠片堆叠的中心的叠片的一部分可以被构造成没有额外的切口，而不会引起损失的显著增大。

图209示出了在铝绕组支承结构的端部处的径向隔离切口的详细调出。

图210示出了施加到钢通量引导件的圆形的和径向的切口的详细调出。上图中的径向切口已经在连续的叠片中被顺序地偏移，以便改善层叠材料的特性和强度的均匀性。

液态金属集流器的设计的其他变体

以下实施方式示出了被设计成作为加压液态金属再循环系统的一部分进行操作的液态金属集流器的几何形状的变化。

在第一变体(如图211中所示)中，液态金属材料从定子本身中的公共储存器或加压供应通道平行地馈送到定子内的一系列注入端口。公共加压供给通道的入口和出口之间的壁可以用于防止液态金属在该通道中再循环。

图211是液态金属集电器系统的转子和定子的半剖视图。系统中的定子包含共用的加压供应通道，其中液态金属材料的储存器通过定子中的成角度的孔分配。

注射端口以适于在一个旋转方向上操作的角度被示出。这些端口可与用于双向操作的定子的圆周(与圆周垂直)成90度。在该变体中，可以在转子盘的侧面收集过量的液态金属。替选地，可以使用两组注射端口，每组注射端口成角度以适合特定的旋转方向，其中止回阀系统确保用于当前旋转方向的正确的一组端口的操作。

图212是图211的实施方式的半截面侧视图。公共加压供应通道和成角度的注入孔用于将液态金属输送到定子和转子之间的间隙。供应通道本身具有入口和出口，加压的液态金属可以通过该入口和出口被输送和抽出。入口和出口由防止液态金属继续在供应通道中循环的壁隔开。

图213是图211的实施方式的另一截面变化。公共加压供应通道和成角度的注射孔用于将液态金属输送到定子和转子之间的间隙。供应通道本身具有多个入口和出口，加压的液态金属可以通过这些入口和出口被输送和抽出。

在第二变体中，共同的加压供给通道被移除，并且成角度的注入口被带出到转子的外表面。液态金属到这些注入端口的输送可以从外部储存器或通过用于每个注入端口的单独控制的调节器并行进行。在以下实施方式中示出了其他非成角度的端口，其可以促进被输送到定子和转子之间的间隙的夹带液态金属的附加喷出路径。

图214示出了替代实施方式，其中成角度的注入口被引出到定子的外边缘上的各个孔口。还示出了非成角度的液态金属喷出端口。

图215是图214的实施方式的半剖侧视图。在该实施方式中，公共加压供应通道已经被移除，并且成角度的喷射孔延伸到定子的外表面。非成角度的孔可以可选地用于帮助从转子-定子间隙区域喷出液态金属。

在以下装置中，电能转化为机械功，或者机械功用于通过在背景磁场内的载流导体运动的动作产生电能。

在下面的实施方式中，该背景磁场由一系列邻接的电磁线圈产生，所述电磁线圈以环形或环形线圈的区段的形式缠绕，以便将磁场引导到载流导体运动通过的工作区域或一系列工作区域。这些环形区段两者都引导磁场，使得其基本上垂直于载流导体/绕组中的电流流动方向，并且包含大部分在装置本身内的磁场。以这种方式，可以构造大功率装置而不需要钢或铁磁通量引导件。

在环形绕组部分之间存在间隙区域，以允许载流导体的机械放置和操作。

在所示的所有实施方式中，环形绕组区段和布置由超导导线和来自例如铜的常规导电材料的载流导体构成。对于本领域技术人员来说显而易见的是，装置的任一部分可以容易地由超导或常规导电材料构造。

另外，所介绍的实施方式中所示的载流导体被示出为转子圆周周围的连续之字形绕组。显然，也可以使用使用一系列床架或跑道线圈的替代实施方式。这种替代式绕组先前已经在本文献中被公开。

在所介绍的实施方式中，由邻接的环形扇区产生的磁场保持恒定，并且由馈送到环形扇区线圈的恒定直流电流产生。载流绕组中的电流在其接近由环形扇区的布置产生的连续磁极时改变极性。电流波形可以是正弦波、方波或使得产生的功率最大化并且减小输出功率脉动的任何其他波形。

应当对于本领域技术人员显而易见的是，相反的情景也是可能的，其中背景场的极性顺序改变，并且载流转子组件中的电流保持恒定。

在通常情况下，在工作或间隙区域中产生磁场的“背景场线圈”是固定的，并且载流导体或绕组在转子支承结构上通过该间隙或工作区域移动。相反的情况也是可能的，其中载流绕组是固定的并且背景场线圈移动。

图216至图234公开了称为“星形环形”装置的一系列装置。它们由多极AC电动机或发电机组成，其中在工作区域中流动的电流平行于机器的旋转轴线流动。由星形环形绕组产生的背景磁场主要沿径向方向作用。

这些装置是多极的，并且转子由多个电相绕组组成。实施方式可以容易地扩展到任何数量的极和电相。

图216示出了环形绕组区段的星形布置。这种布置产生8个极，这8个极在工作区域或间隙的圆周周围顺序相对。

图217示出了由图216的实施方式生成的磁场的图，其示出了通过工作区域中的载流导体的磁场的取向。

图218示出了图216中所示实施方式的变体。在该变体中，连续磁极的总数已经增大到18。

图219是图218中所示的变体的磁场图。

图220示出了载流绕组的转子组件的分离视图。在所示的实施方式中，载流绕组由之字形绕组的六个电相位组成，其中之字形绕组位于装置的工作半径的圆周周围。

图221是由与图220中所示的转子组件组合的图216的环形扇区组件组成的星形环形装置的完整实施方式的端视图。

图222是图221的完整实施方式的等轴视图。

在优选实施方式中，星形环形线圈由超导导线或带制成并且容纳在低温恒温器中。如图223所示，该低温恒温器壳体可以包括用于星形环形的内部和外部元件的单独的低温恒温器。

在替代实施方式中，内低温恒温器和外低温恒温器可以在一端连接以形成用于所有低温元件的单个统一的低温恒温器。到载流转子组件的物理和机械通路将来自与低温恒温器连接处相对的端部。该实施方式在图225中被图示出。

在又一实施方式中，每个环形扇区元件(无论是内部的还是外部的)可以以模块化方式包含在其自己的单独的低温恒温器内。这种布置可以很好地适用于更大的装置或者期望该装置能够在单个低温恒温器模块故障之后继续操作。该实施方式在图226至图228中示出。

图223示出了图221的实施方式，其示出了用于超导星形环形组件的部分剖面的内部和外部低温恒温器以及用于包含载流绕组的转子组件的支承结构。

图224示出了图223的完整低温恒温器和转子组件。

图225示出了一个实施方式的半剖视图，其中内部星形环形部分和外部星形环形部分容纳在一个接合的低温恒温器中。

图226示出了完整的18极实施方式，其中内部和外部星形环形部分中的每一个被容纳在模块化类型的单独低温恒温器中。

图227：图228中所示的完整18极装置的等轴视图，其中示出了模块化低温恒温器元件的轮廓。

图228是图226的实施方式的外部等轴视图。

以下实施方式描述了先前公开的星形环形驱动装置的进一步变变体。这些变体不应被视为以任何方式限制基于所公开的原理构造装置的可能的应用或方法。

在第一变体中，先前互连外部环形路径的内部环形扇形围绕中心轴线和当前取向集合旋转了45度，使得磁场指向单个环形周围的近似圆形路径，并且通过工作间隙区域。

图229示出了星形环形装置的变体，其中内部环形扇区已经旋转45度，使得现在由单组内部和外部环形扇区周围指向的磁场产生每个磁极。

图230示出了具有环形扇区和载流转子绕组的图229的实施方式。

在另一个实施方式中，内部环形线圈由基于钢或铁磁体的磁通引导件代替，磁通引导件用于将磁通量从工作区域引导到每个连续的外部环形扇区。这种方法将很好地适合于较小的装置，其中内部环线圈变得难以装配在装置中。

图231示出了一种变体，其中内部环形扇区已经被引导连续的外部环形扇区之间的磁场的钢或铁磁材料的环替换。

图232示出了图231的实施方式，其中增添了载流转子绕组。

图233示出了另一变体，其中内部钢通量引导件成形为类似圆形扇区以在连续的环形元件之间引导磁场。

图234示出了图233的实施方式，其中增添了载流转子绕组。

以下装置用在星形环形组件中的较大工作区域或间隙中操作的环形线圈组件来替换载流转子组件。该环形线圈组件可以由已经交错的环形线圈的单相或多个电相组成。

图235是利用星形环形组件产生背景场的替代实施方式，其中内部圆环形线圈被定位并旋转。

图236示出了与图223的组件隔离的内部环形转子组件。

图237是图236的替代实施方式的视图，示出了用于内部环形转子的支承结构和用于星形环形组件的低温恒温器结构的范围。

在先前公开的星形环形装置的另一变体中，背景磁场的取向和工作电流方向已经被偏移，使得工作电流的方向在装置的径向方向上延伸，并且背景磁场是主要平行于工作区域或间隙中的装置的轴线。实际上，它是先前公开的径向通量星形环形装置的轴向通量实施方式。

在该实施方式中，背景磁场同样通过一系列环形扇区在连续工作区域之间被引导，所述环形扇区在工作区域中产生高密集的磁场，但是在装置本身的范围内基本包含该磁场。

图238示出了在装置的工作圆周周围产生交替轴向极性的背景场的线圈的波形环形布置。

图239是波形环形线圈的侧视图，示出了放置载流导体/绕组的两个半部之间的间隙。

图240是跨图238和图239中所示的线圈的工作间隙产生的磁场的截面图。

图241是装置的圆周周围的工作间隙位置处的磁场强度的图。高磁场的连续径向区域的极性交替正和负进出页面。

图242示出了与波形环形线圈隔离的载流绕组。绕组被描绘为由六个电相组成的之字形绕组。

图243示出了图238的波形环形线圈组件已经与图242的转子组件组合以形成完成的装置。

图244示出了图243的完成的装置，其中增添了转子支承结构，并且显示了封装波形环形线圈的低温恒温器的边界。

图245是图244中所示的低温恒温器和转子组件的外部视图。

在环形式装置的另一实施方式中，背景磁场由一系列C形环形线圈产生，所述C形环形线圈布置在一起以形成圆形组件。圆形组件中的邻近环形体中的电流流动方向被反转，以在装置的圆周周围产生一系列交替的极。类似于先前公开的波形环形装置，工作区域/间隙中的磁通量主要平行于装置的旋转轴线。

单独的环形扇区是“C形”的，其中代替形成完全闭合的环形线圈；在环形线圈的一个区段中产生间隙，通过该间隙可移动载流绕组以执行机械或与电有关的工作。

在所示的实施方式中，该间隙可以位于环形组件的内侧，从而允许通过载流绕组或在环形组件的外侧上穿过内部径向连续的磁极，其中载流绕组穿过外半径。将对于本领域技术人员显而易见的是，该装置可以想象具有带有麻烦的内转子和外转子的内部和外部工作区域。

C形环形扇区被描绘为楔形，以便在最终圆形组件中更紧密地互锁。在替代实施方式中，这些扇区可以使用恒定矩形横截面构造，以便简化构造。

在对所描述的实施方式的进一步改进中，与装置的圆周相切的环形扇区的直线绕组可以是弯曲的，以匹配楔形件的相应边缘的径向位置，从而允许装置看起来在外观方面更圆。

图246是C形环形装置的背景场线圈的前视图。环形扇区成形为使得它们作为一系列互锁楔而装配在一起。

图247是图246中所图示的C形环形线圈的磁场图。对于每个连续的环形扇区，磁场的极性交替进入和离开页面。

图248是图246的C形环形线圈的端视图。

图249是C形环形装置的一个扇区中的磁场的图。在该实施方式中，对于内转子和外转子两实施方式，指示了载流导体所处的工作区域/间隙。

图250示出了具有产生背景磁场的C形楔形环形线圈和类似于波形环形装置中使用的多相载流转子组件两者的C形环形装置。C形环形线圈的一个扇区已经被移除以示出内部组件。

图251单独示出了图250的多相转子绕组。

图252示出了图250的完整装置，其具有用于C形线圈的低温恒温器和就位的转子支承组件。

图253示出了工作区域已经移动到C形环形的外侧的另一实施方式。载流绕组现在以该外半径旋转。

图254示出了图253的实施方式，其中用于C形线圈的低温恒温器和转子支承组件已就位。

以下实施方式示出了类似于在星形环形部分中公开的装置，但适于作为2极装置操作的装置。定子线圈如图255中所示那样被布置。定子线圈可以是通常被封闭在低温恒温器中的超导跑道线圈。这些定子线圈引导磁场，使得集中的磁场被输送到形成转子组件的载流绕组所在的区域，同时仍然包含大部分在装置本身的界限内的磁场。

图256示出了2极定子绕组的磁场分布。环形区段包含并引导杂散磁场，同时产生可以定位转子的直线磁场。给定子环形扇区提供直流电流，以产生如图256中所示的磁场。

2极环形装置的转子绕组可以是三相之字形绕组，或者可替选地使用床架线圈式绕组。该转子绕组也可以由床架线圈或重叠的线圈装置制成。为了保持转子的旋转，绕组中的电流每隔180度反转(或者提供正弦交流电流)。转子绕组由合适的转子支承结构支承，以便适应转子上的转矩。它还应该被设计成使涡流形成最小化并且适应转子绕组的冷却。转子绕组以使AC损耗最小的方式由铜构成(例如，利兹(Litz)导线、细绞线(stranded))。

图257示出了与2极环形装置的完整组件隔离的多相转子绕组。该转子位于如图258中所示的两个环形区段之间的直线磁场部分中。

如图259中所示，通过进一步分离环形定子线圈和减小环形线圈的半径，可以改变两极布局。这种分离可以引起使用更少的超导材料和更小的装置总体尺寸，同时仍然允许良好磁场约束。

在图259中所描绘的实施方式的另一变体中，可以将附加线圈放置在由替代2极环形装置中的环形扇区产生的外部间隙中，以便加强并更好地容纳磁场。

图260示出了图259中所示的替代2极环形装置布局的场图。

低温恒温器形状或结构件的数量也可以变化，以便有助于构造或组装。该替代2极环形布置在图261中用其低温恒温器示出。

在另一个实施方式中，可以通过使用跑道线圈的3个环形组件来形成环形驱动装置。外部的两个环形组件形成固定线圈并且被供应DC电流，使得在图262中所示的方向上在环形线圈周围产生来自跑道线圈的场。跑道线圈可以是超导的并且容纳在合适的低温恒温器中。

中心线圈组形成转子线圈组件并且由合适的转子结构支承。转子线圈绕组通常具有铜结构。线圈布局在图263被示出，并且包括3个相，每个相被提供交流电。

在图264中示出了定子环形线圈和环形转子线圈组件两者的完成的组件。

图265示出了图264的完成的3环形层驱动装置，其中示出了转子支承结构的。

图266示出了图264的完成的3环形层驱动装置，其中示出了用于固定外部环形线圈的低温恒温器。

以下装置采用产生大的环形磁场的超导跑道线圈的中心环形线圈，以及包括由“U形”线圈的外部环形线圈，其以图267中所描绘的方式位于较小的跑道环形线圈上方。

当适当的电流波形施加到外部U形环形线圈时，内部环形线圈和外部U形环形线圈的场之间的相互作用引起外部环形线圈旋转。替选地，旋转环形线圈中一个环形线圈在另一个环形线圈中产生电能。

图268示出了图267的U形环形驱动装置，其中隔离了内部定子线圈并且示出了低温恒温器的边界。

图269示出了图267的U形环形驱动装置，其中示出了转子环形线圈。已经去除了转子环形线圈的一个分段以显示线圈的U形轮廓。

图270示出了U形环形驱动装置，其中示出了转子的支承结构。

图271示出了具有完成的外部组件的U形环形驱动装置。

以下公开涉及使用永磁材料来产生背景磁场的装置，其中在工作区域或间隙中的背景磁场的磁通在主要垂直于装置的旋转轴线的方向上起作用。该磁场通过钢或铁磁通量引导件在磁极和工作区域之间被引导。

其工作长度平行于旋转轴线取向的载流导体穿过围绕工作区域或间隙的中线的圆周路径，从而由所施加的机械能产生电或者从施加的电能执行机械功。

由于由单个极组件形成的形状，该装置的一个实施方式被称为“C驱动装置”，包括两个永磁体和C形钢磁通引导件，永磁体具有与工作区域邻近的相同极性，，C形钢磁通引导件连接两个永磁体的背部。

图272示出了产生背景磁场的永磁体和钢组件的单极元件。磁体的指示极性示出了单个元件的磁化的相对方向。在完成的组件中的相邻磁极元件中，极性相反。

通过在装置的旋转轴线周围将这些单独的极元件布置在圆形阵列中来产生完整的装置。在该阵列中，邻近极单元的极性被反转，使得载流导体在其穿过其圆周路径时经受磁场极性的北-南-南-南...交替。

所描绘的实施方式示出了包括以多个电相位布置的之字形绕组的载流绕组风扇绕组。替代地，这些绕组可以容易地由床架线圈构成。载流绕组被馈送有相位和极对准的交流电。该电流可以是正弦或方波波形或使输出功率水平最大化并使输出脉动最小化的任何其他波形。

所描述的钢通量引导件仅是指示性的并且预期在厚度、形状和横截面上变化以有效地引导磁场而不饱和。

图273示出了由十二个磁极元件和载流绕组的三个电相组成的完整C驱动组件。

图274示出了图273的完成的组件，其中移除了一个极元件以显示载流绕组。

图275是图274中所图示的装置的端视图。局部截面图示出了之字形载流绕组的端部投影。

图276示出了与组件的其余部分隔离的来自图274的实施方式的多相载流绕组。

在另一变体中，两个C驱动装置组合在相同的旋转轴线上。两个C驱动子组件的载流绕组互连以形成单个多相绕组。该完成的装置被称为T驱动装置。替选地，两个载流绕组可以是独立的-允许装置反向旋转。

图277图示出了由安装在相同旋转轴线上的两个C驱动电动机/发电机组成的实施方式。两个单独的C驱动子组件的多相载流绕组互连以形成用于该装置的单组多相绕组。

在先前介绍的C驱动装置实施方式的另一变体中，先前采用的磁通量的源(永磁材料)被用电磁体替换。载流导体(电磁线圈绕组)的圆形绕组在电流通过它们时在导体周围产生磁场。该磁场由一组C形钢或基于铁氧体的磁通引导器封装，其集中磁场并将其引导到其中放置第二组载流绕组的空气间隙。

由于在来自单个电磁线圈绕组的气隙中产生的磁场的方向，当载流绕组旋转通过气隙时，这种类型的单个装置将产生电压脉冲。可以优选使用两个装置，以便平滑电流的产生或由提供给绕组的交流电流产生机械功。

在所介绍的实施方式中，所示装置被示出为背靠背地安装在相同的轴线上，但是它们也可以被互锁，使得两个电磁和钢组件在相同的一组载流绕组上操作。

图278示出了完整的电磁C驱动实施方式，其特征在于产生和引导背景磁场的电磁线圈和钢通量引导件以及通过气隙操作或旋转的载流绕组。

图279示出了图278的实施方式，其中移除了电磁背景场组件之一以示出多相载流绕组的细节。

图280示出了图278的实施方式，其中去除了基于钢/铁氧体的通量引导件之一以示出背景场产生螺线管。

图281是图278的装置的端视图。在该视图中，已经移除了一组载流绕组以便示出基于钢/铁氧体的通量引导件的“C形”。

图282描绘了波形环形装置的环形扇区的替代布置。在该实施方式中，环形扇区已经被定位成使得背景磁场在一系列圆环形线圈周围被引导通过环形线圈中的一对间隙。在由单个圆环形本体形成的两个工作区域中形成一对磁极。

先前公开的C形环形驱动装置也可以被构建为径向通量机器，即，其中工作区域/间隙被定位成使得由环形扇区产生的背景场主要在垂直于装置的旋转轴线的方向被输送。

这允许将载流绕组定位在这些工作区域/间隙中，其中绕组中的电流的工作方向平行于装置的旋转轴线。如在可以采用内部和外部绕组的先前的轴向通量版本中，，可以在装置的任一端或装置的两端建立载流绕组，如图284所示。

图283是替代C形环形装置实施方式的修改的C形扇区中的一个的端视图。先前在环形线圈中的垂直工作区域/间隙现在是水平的。

图284示出了C形环形装置的完全替代的径向通量版本。在该实施方式中，已经创建了两个轴向工作区域，其具有两组载流绕组。

以下装置采用一组形成穿过圆形中心路径的螺旋的线圈绕组。如在先前公开的实施方式中，间隙被引入到圆形螺旋路径中，以便产生工作区域/间隙，载流绕组可以通过工作区域/间隙定位和旋转。

螺旋周围的间隙的定位决定了装置的各种可能的实施方式，包括具有内部和/或外部载流转子绕组的轴向磁通实施方式或具有转子绕组中的轴向电流流动的径向通量的实施方式。

图285示出了螺旋环形驱动装置的径向通量实施方式。载流绕组被描述为包括跑道线圈的单相。

图286示出了根据图285中所描绘的实施方式的背景场产生线圈的单个螺旋元件，其示出了背景场绕组如何在圆形路径周围的螺旋中前进。

图287示出了用于图285的径向通量实施方式的载流绕组的隔离单相。

图288示出类似于图285中所描绘的螺旋环形驱动装置的径向通量实施方式，但在装置的任一端具有载流绕组。

图289示出了针对图288的径向通量实施方式描绘的两组隔离的单相载流绕组。

图290示出了被构型为作为轴向通量机器(垂直工作区域/间隙)操作的螺旋环形线圈。

图291示出了与装置的外半径上的一系列载流绕组组合的图290的螺旋环形线圈。

图292示出了针对图291的轴向磁通实施方式描绘的载流绕组的隔离单相。

以下装置由具有一系列间隙的永磁材料的圆柱形椭圆形或圆环组成，载流线圈旋转通过前述一系列间隙。

图293示出了椭圆形永磁体的圆形阵列。永磁体有间隙并将它们的磁场引导到间隙区域中。

图294示出了来自图293中所示的圆形阵列的单个椭圆形永磁体，示出了间隙的定位。

图295示出了具有位于装置的任一侧上的间隙中的三层多相载流绕组的完整的多间隙永磁体装置。

以下装置由背景场线圈组件的圆形阵列组成，所述背景场线圈组件由具有装置的外工作半径处的绕组的180度环形扇区和装置的内工作半径处的绕组的90度环形扇区的绕组的长直线部分组成。

在该内工作半径和外工作半径之间的空间中，跑道式载流绕组的圆形阵列旋转。该转子布置可以由多个阶段的多个跑道组成。当单个载流轨道绕组旋转通过背景场时，在绕组中产生电压-当连接到合适的负载时，在施加机械功的情况下在绕组中产生电流。

优选地，背景场阵列的线圈中的电流以相同的取向流动，使得在载流绕组中产生的电压和电流由相同极性的一系列顺序脉冲组成。

替选地，连续元件中的电流流动方向可以颠倒，并且所产生的电压和电流脉冲将具有交替极性。

通过用单极性脉冲或交替极性的脉冲对旋转绕组供电也可以容易地从该布置构建电动机。

图296示出了由成形线圈的圆形阵列组成的DC驱动装置的实施方式，其将磁场引导到工作区域中，在该工作区域中放置一组旋转载流绕组。

图297单独示出了图296的成形背景场产生绕组的圆形阵列。

图298单独示出了由跑道线圈绕组的多个相组成的图296的载流转子组件。

图299是根据图296的一组成形线圈的端视图。

图300示出了图299的成形线圈，其中，示出了载流跑道绕组。箭头指示离开背景场线圈的磁场的主导方向。

在图296的实施方式的进一步变体中，成形线圈的圆形阵列的形状已经被修改，使得线圈现在具有成角度的侧面，使得它们更好地互锁。在该布置中，对于转子的旋转周期的更大部分，磁场指向转子元件。

在图305和图306中所示的其他变体中，磁场指向载流转子绕组的上部部分的点已经如指示的被移动，并且在图306中，载流转子绕组的上部部分的形状被修改以得到有角的峰值。

图301示出了图296的实施方式的变体，其中背景场产生线圈更加楔形并且更完全地互锁。

图302示出了图301的实施方式，其中移除了现在楔形背景场线圈的一侧的一个扇区以示出载流绕组。

图303示出了图301的示出针对上下文的楔形线圈的一个扇区的载流绕组。

图304是图301中介绍的楔形变体的一个扇区的横截面，示出了背景场产生绕组和载流转子绕组。箭头指示离开背景场线圈的磁场的主导方向。

图305示出了图296和图301中的装置的背景场产生线圈的定位的另一变体。在该变体中，磁场指向载流绕组的上部垂直部分。箭头指示离开背景场线圈的磁场的主导方向。

图306示出了图296和图301中的装置的背景场产生线圈的定位的另一变体。在该变体中，载流绕组的上部水平部分已经被修改，如图所示，磁场为垂直穿过该修改的上部部分。箭头表示离开背景场线圈的磁场的主导方向。

在3环形层驱动装置的另一变体中，通常由常规导电材料构成的旋转中间环形线圈由AC电流波形供电，当在两个外部环形扇区之间穿过时，该AC波形在中点处最大，并且当移动通过外部环形组件的构成线圈时为零。通常由超导材料制成的外部环形线圈具有在圆形阵列周围顺序地反转的电流方向。将AC波形应用于内部环形线圈引起该内部环形线圈的旋转。

对于本领域技术人员显而易见的是，通过旋转和施加转矩到内部环形转子，可以在内部环形绕组中产生AC电能。

图307示出了3环形层装置的变体，其中两个外部环形层的线圈元件在极性上交替，并且内转子层对AC电流进行操作。

以下实施方式示出了先前介绍的径向通量C形环形装置的耦合变体。所介绍的装置在装置中的两个工作区域/间隙中利用旋转载流绕组。相对于先前描述的实施方式的主要变化是：

·由背景环形绕组产生的磁极的数量已经显著增大，因此证明了可以应用于到目前为止介绍的所有多极或AC装置的装置构造的变化。

·介绍了两个版本的背景场环形线圈：

ο第一背景场环形线圈由一系列跑道式单独绕组构成(图308)；以及

ο第二背景场环形线圈，在第二背景场环形线圈中，产生极对的环形绕组的内半部和外半部各自缠绕为连续绕组(图310)。该连续绕组有助于密封环形扇区内产生的磁通量。

所介绍的实施方式中所示的旋转载流绕组被描绘为两组多相床架式线圈。在优选实施方式中，两组绕组互连，使得连接绕组的角位移等于连续磁极之间的角度。以这种方式，两个绕组可以被控制为一个多相绕组。

在替代实施方式中，两个多相绕组中的每一个是分离的并且被分别控制。

根据本公开内容，本领域技术人员将清楚：

·迄今为止公开的依赖于环形线圈的技术中的任一技术可以使用离散子线圈(开放环形线圈/绕组)的布置来容易地构建或通过在环形线圈或环形扇区(密封或闭合绕组/环形线圈)中的导电材料的连续绕组来容易地构建

·环形绕组已被用于将通量引导到空气间隙或工作区域，这些绕组可以由具有或不具有铁磁通量引导件的永磁材料替换，其以类似的方式将通量引导到这些区域。

·关于装置的一个部分是“转子”而另一个是“定子”的属性，这些指定仅仅暗示两个部分之间的相对旋转，并且旋转和固定角色或指定可以容易地反转，使得以前的固定部件旋转和旋转部件是固定的。

·在根据保持一个DC或静止(背景)磁场和一个交变磁场的原理操作的装置的情况下，同样可接受的是背景场在极性上交替，并且先前产生交变场的载流绕组产生静止场。

·在使用交流电的情况下，该电流的波形可以适当地是任何形状的波形，使得装置的连续旋转或发电发生并且这样的波形可以被整形以在电动机或发电机的功率输出中产生最小的脉动。

·在装置已经被描述为电动机，在施加电能时产生机械功的情况下，还要求保护在施加机械功时产生电能的发电机的反向情景。

·在装置已经被描述为发电机的情况，还要求保护装置作为电动机操作的相反情景。

图308示出了C形环形装置的径向通量实施方式，C形环形装置以由分立的多组跑道式绕组构成的背景场线圈为特征的80极装置。

图309示出了移除了一个背景场产生线圈的图308的C形环形装置，以便示出两组床架式多相载流绕组的布置。

图310示出类似于图308中所描绘的径向通量C形装置，但是背景场线圈组被示为连续绕组，而不是分立子线圈的装置。

图311示出了图310的装置的载流绕组，其中极对的一个扇区被示出以指示绕组的放置。

图312描绘了星形环形装置的替代布置。在该实施方式中，先前公开的转子已经被移除，而代替地转子由内部环形分段形成。外部环形绕组是固定的并且提供DC背景场。这些外部环形绕组优选地由超导导线构成。内部环形绕组优选地由铜构成，但是也可以由适合于AC电流的超导导线制成。这些内部环形转子绕组中的电流被切换，以便在发动机驱动时提供连续旋转或当在发电机模式时产生AC电流。

固定的外部环形绕组容纳在低温恒温器中，并且内部环形绕组由如图313中所示的合适的转子结构支承，。

转子也可以由多于单个的相构成。三相变体如图314中所示。三相转子使得转矩输送更平滑，并允许电动机在任何转子位置自启动。

图315示出了内部环形3相转子绕组的3D视图。

图316描绘了利用安装到输入轴和输出轴的具有交替极性的永磁体分段的磁性齿轮箱，使得机械转矩在输入和输出之间传递而不通过磁力的机械接触。所公开的磁性齿轮箱可以用先前公开的齿轮传动环形驱动装置来实现，由此多个转子的输出被组合成单个轴输出和给定的齿轮比。示出了六输入齿轮箱，其具有至输出轴的4:1比率。

图317示出了交替极性的磁性分段的优选布置，以便传递转矩。为了清楚起见，仅已示出了工作磁面的有效极性。磁体在径向方向上被磁化。磁体的强度，输入轴和输出轴之间的间隙以及齿轮箱的轴向长度都影响齿轮箱的转矩容量。该概念也可以由本领域技术人员以轴向形式容易地构造。齿轮箱也可以在相反方向上运行。

图318示出了图316的装置的变体，其中先前的永磁材料的直线楔形件现在是“S形”或以沿着内齿轮元件和外齿轮元件的长度的一系列弯曲为特征。这些弯曲有助于减小装置的总长度。各个齿轮磁体的磁化方向以图317中所示的相同方式交替。仅描绘了磁体，为了清楚起见，未示出所需的支承结构。

图319描绘了磁齿轮系统的轴向型实施方式，其中齿轮工作磁场的主要方向是沿着旋转轴线。

图320描绘了图319的装置的详细视图，其指示了相对磁化的方向。

图321描绘了类似于图319的轴向型实施方式，但具有在齿轮的半径周围更好地互锁的楔形永磁元件。

图322描绘了图319中所示的装置的另一变体，其中永磁性元件是“S形”或以一系列弯曲以减小装置的体积为特征。

另一变体是多个轴向型齿轮沿着装置的旋转轴线的堆叠，以便增大齿轮系统的转矩容量。

对于本领域技术人员将明显的是，钢或铁氧体底衬可以用于磁体组件中以引导、容纳和增强齿轮之间的间隙区域中的磁通量。

所示的实施方式在环形齿轮内具有6个小齿轮转子，但是可以容易地扩展到任何数量的小齿轮和任何齿轮比。小齿轮还可以安装在环形齿轮的外部。

在本说明书和权利要求书(如果有的话)中，词语“包括(comprising)”及其包括“包括(comprises)”和“包括(comprise)”的词语包括声明的整体中的每个，但不排除包括一个或更多个其他整体。

贯穿本说明书对“一个实施方式(one embodiment)”或“实施方式(anembodiment)”的引用意味着结合实施方式所描述的特定特征、结构或特性被包括在本发明的至少一个实施方式中。因此，贯穿本说明书的各个位置处的短语“在一个实施方式中”或“在实施方式中”的出现不一定都指代同一实施方式。此外，特定特征、结构或特性可以以任何合适的方式在一个或更多个组合中被组合。

Claims (19)

1.一种电磁电动机，包括具有至少一个导电元件的至少一个旋转部件，以及提供高强度背景磁场的至少一个固定部件，所述至少一个旋转部件在所述高强度背景磁场中旋转，所述至少一个旋转部件采用电流供电，所述电流与所述背景磁场的磁场方向的相对变化相一致地改变方向。

2.一种电磁电动机，包括至少一个旋转部件和提供高强度背景磁场的至少一个固定部件，所述至少一个旋转部件在所述高强度背景磁场中旋转，所述至少一个旋转部件相对于所述背景磁场的运动导致交流电压和电流的产生。

3.根据权利要求1或2所述的电磁电动机，其中，所述背景磁场是使用至少一个超导线圈产生的。

4.根据前述权利要求中的任一项所述的电磁电动机，其中，所述背景磁场是恒定场。

5.根据前述权利要求中的任一项所述的电磁电动机，其中，至少一个导电线圈被设置有所述至少一个旋转部件。

6.根据权利要求4或5所述的电磁电动机，其中，所述背景场是恒定场，其中具有至少一个导电元件的所述至少一个旋转部件产生变化场以提供用于通过与所述背景磁场的相互作用来使所述至少一个导电元件运动的动力。

7.根据前述权利要求中的任一项所述的电磁电动机，其中，在提供变化场的情况下，通过物理或电子换向直流电源或交流电源来实现变化场。

8.根据前述权利要求中的任一项所述的电磁电动机，其中，不论磁场发生器的类型、导电元件的类型或者所述磁场发生器和所述导电元件中任一个的几何形状如何，在转子或定子中感生的任何磁场基本上等于所述背景磁场。

9.根据前述权利要求中的任一项所述的电磁电动机，其中，至少一个导电线圈被设置有所述至少一个旋转部件，所述至少一个旋转部件与用于产生所述背景磁场的任何线圈基本上相同，以产生匹配场。

10.根据前述权利要求中的任一项所述的电磁电动机，还包括电流输送系统，所述电流输送系统当所述旋转线圈与所述背景磁场磁性对准时能够使所述至少一个导电元件中的电流流动反转。

11.根据前述权利要求中的任一项所述的电磁电动机，其中，由所述至少一个导电运行出多个路径来通过所述背景磁场，以多次使用所述背景磁场。

12.根据前述权利要求中的任一项所述的电磁电动机，包括旋转部件和固定部件，或者旋转部件和反向旋转部件，或者旋转部件、反向旋转部件与固定部件的组合。

13.根据前述权利要求中的任一项所述的电磁电动机，其中，当所述背景磁场旋转时，驱动或发电路径保持静止。

14.根据前述权利要求中的任一项所述的电磁电动机，其中，所述背景磁场由若干个邻接的电磁线圈产生，所述若干邻接的电磁线圈以环形线圈或环形线圈扇区的形式缠绕以将磁场引导到一个或更多个工作区域中，至少一个载流导体运动通过所述一个或更多个工作区域。

15.根据权利要求14所述的电磁电动机，其中，至少一个间隙区域存在于环形或环形扇区之间，以允许所述载流导体的机械布置和操作。

16.根据权利要求14或15中任一项所述的电磁电动机，其中，环形电磁线圈是使用分立子线圈布置来构造的，或者是通过在环形或环形扇区中的导电材料连续缠绕来构造的。

17.根据前述权利要求中的任一项所述的电磁电动机，其中，背景磁场绕组用于将磁通引导到空气间隙或工作区域。

18.根据前述权利要求中的任一项所述的电磁电动机，其中，采用交流电流，所述交流电流的波形使得产生连续旋转或发电，并且这样的波形被成形为在电动机或发电机的功率输出中产生最小脉动。

19.一种电磁装置，包括：产生背景磁场的至少一个磁场发生器、位于所述背景磁场内以进行运动的至少一个导电元件、将电流输送到所述至少一个导电元件的电流输送系统，其中，电流被供应给所述至少一个导电元件，足以产生围绕所述至少一个导电元件的至少等于或大于所述背景磁场的强度的磁场以对所述导电元件产生大的力。