JP2008546367A - 超伝導非周期同極型電気機械力変換器 - Google Patents

Abstract

【解決手段】 起磁力および起電力の級数総和のために超伝導直列接合された回転子要素を使用する非周期同極型電気機械力変換器。前記新奇の回転子アセンブリは超伝導直列接合によって直列に接続された複数の導体要素を有する。前記超伝導直列接合の動作は、磁束絶縁の形態および電気機械力変換器において今まで不可能であった力の級数総和を提供する。前記超伝導直列接合はさらに、非周期同極型電気機械力変換器の回転子インピーダンスを改良して非周期同極型電気機械力変換器の設計に長い間必要とされた改善を提供する。
【選択図】 図９

Description

本出願は、２００５年６月８日付けで出願された米国仮特許出願第６０／６８８，８９０号の出願日に対して優先権を主張するものである。

本発明は、電気機械力変換器に関し、特に、非周期同極型電気機械力変換器の改善に関する。

本発明の一般的な理解のために、電気機械力変換器、非周期型機械、および電磁機械の歴史的観点の簡単な背景を以下に提示する。

導電体アセンブリ内の電流の流れによる磁界の存在下における前記導電体アセンブリの起磁力（ｍａｇｎｅｔｏｍｏｔｉｖｅ ｆｏｒｃｅ：ＭＭＦ）の生成により、前記導電体アセンブリは前記磁界に対して並進運動する。電流の流れを使用して起動力を生成するために使用される装置は一般に、電動機として知られる。

磁界内の導電体アセンブリの並進運動による起電力の生成を通常、起動力からの電気の生成と呼ぶ。磁界内の導電体アセンブリの並進運動による電気の生成に使用される装置は一般に、発電機として知られる。

起磁力の場合は電動機によって実施され、起電力の場合には発電機によって実施されるような電気力学的相互作用の利用方法およびそれらの結果として生じる装置の実施形態は、利用される特定の前記電気力学的相互作用の時間的特性によって２つの部類に分けることができる。

今日の電磁機械の多くが立脚するところの前記電気力学的相互作用の第１の分類は周期型と呼ぶことができる。この用語は、（巨視的なレベルで）用いられる電気力学的相互作用の時間変化的（周期的）な性質に関連する。即ち、前記装置（機械）内の起磁力または起電力のどちらかを生成する周期的な電気力学的相互作用である。さらに、全ての周期型機械は本来的に時間変化的な電気力学的相互作用に依存し、従って全ての周期型機械は全て交流または時間変化的電流の形態に基づくので、前記周期型装置が直流を利用または生成するか、或いは交流を利用または生成するかは全く意味がない。今日の直流機械は単に、外界に対して直流装置として見えるように、整流／切換え手段に依存している。整流または切換えは機械的にまたは電子的に実行できる。今日の直流機械の相互作用は、導体要素がこのような機械の突極下に存在する殆ど均一な磁界を通って並進運動する（掃く）時間の間、擬似的に時間不変的であるに過ぎない。

前記電気力学的相互作用の第２の分類は非周期型と呼ぶことのできるものである。この用語は、（巨視的なレベルで）用いられる前記電気力学的相互作用の時間不変的（非周期的）な性質に関連する。即ち、前記装置（機械）内の起磁力または起電力のどちらかを生成する非周期的（または連続的）な電気力学的相互作用である。全ての非周期トポロジーにおいて本来、全ての巨視的な電気力学的相互作用は時間不変的であると考えられており、即ち、それらの極性もそれらの強度も時間と共に変化しない。

非周期型機械はしばしば、磁極を同心上に有することに関連して同極と呼ばれ、または時としてファラデー装置として参照され、誤って単極と呼ばれてきた（１つの磁極を有することからで、全ての電磁装置は少なくとも２つの相反する磁極を必要とし、実際に有するのでこれは誤りである）。

非周期型機械のみが、現存する本当の種類の直流装置である。非周期型機械は周期型交流機械の多くの非効率を廃し、さらに今日の「直流」機械で使用される、高価で、煩雑で、保守を必要としがちな整流および切換え装置を必要としない。

本発明は、電流の整流または切換えを必要とせずに動作する非周期型電磁電動機および発電機、および磁界内で時間不変的な電気力学的相互作用を受ける導電体アセンブリ内で起磁力を生成する電流の流れの級数総和、または生成された起電力の級数総和を生じさせる、設定可能な動作回転子インピーダンスを有する非周期型電磁電動機および発電機の分野に関する。

電気力学の発展の簡単な概要は、どのようにしてより複雑な周期型機械が支持され非周期型機械が本質的に無視されてきたかという議論と共に電磁機械全般に関連し、特に非周期機械に関連するので、本発明を理解するのに、また説明するのに必要で重要な背景である。

１８２１年、ファラデー（Ｆａｒａｄａｙ）は均一で、同質かつ放射対象性の磁界内でＤＣ電流を通電する導体の回転運動を獲得した。彼は、同極かつ非周期のトポロジーを有する装置によって、起磁力の連続回転電気力学的な生成を発見した。次にファラデーは、他の科学者達が彼の実験結果を再現できるよう、他の科学者への発送用にこの「電磁回転子」を作成した。１８２１年、ファラデーは、通電導体の軸部の周りに磁石を回転させることまで行なった。これらは電気の流れから機械的仕事を生成する電気機械変換器であって、紛れもなく世界初の電動機であった。

ファラデーの最初の同極／非周期型「電磁回転子」効果は、主にその非常に低いインピーダンスに起因する、動作に必要な大きなＤＣ電流量のために、潜在的な電動機として研究されず、推進されなかった。ファラデーの電磁回転子は当時の前記往復動「電動機」に使用されたソレノイドのような複雑な切換え機構を必要としなかったにも拘らず、この無関心は長く続いた。今日の前記直流機械の多くに、同様の複雑な切換え機構が現在も尚存在する。

１８３１年、起電力の連続回転電気力学的生成もまた、ファラデーによって初めて観測された。再び、磁界内で導体（この場合、導電円盤）の回転を獲得し、前記回転盤の中心軸とその外周縁間で起電力が「誘起される」ことを発見した。前記２点間に外部回路が完結した時、電流の流れが見られた。この瞬間、ファラデーは同極および非周期なトポロジーを有する装置による起電力の生成を発見した。これが、機械的仕事の入力から電流の流れを生成する電気機械変換器である、世界初の直流発電機であった。

やはり、その特徴的な低インピーダンスに起因する低電圧で生成された大きなＤＣ電流量のために、ファラデーの最初の同極型発電機もまた、潜在的な発電機として推進されなかった。

それらの始まりおよび発見から、起磁力または起電力を生成する非周期トポロジーについては、従来の周期型回転式電気機械力変換器と比較して少しばかり研究されたに過ぎなかった。本来的であるかのようなそれら低インピーダンスのために、非周期型発電機および電動機は共、今日まで主に研究所用途、および低電圧および大電流を必要とする特殊用途に退けられていた。

１９００年から今日までの間に、非周期型発電機および非周期型電動機の分野において、著しい発展があった。１９０４年、Ｎｏｅｇｇｅｒａｔｈが同極技術を使用してより高いＤＣ電圧を生成する試みの実験を行い、集電リングを介して複数の起電力誘起要素を直列接続した。これによって、同年に５００ボルト、３００キロワットの装置の構成に成功した。１９１２年、Ｗｅｓｔｉｎｇｈｏｕｓｅ社のＬａｍｍｅが２６０ボルト、２メガワットの装置を設計、構成し、そして供給した。この機械は、より低コストのＡＣ電力のために棚上げとなるまで数年間使用された。ドイツでもまた、多くの会社が当時単極発電機と呼ばれたものを製造していた。１９１３年、３０００ＲＰＭにおいて１０ボルト、５０００アンペアの機械が構成され、１９４０年にはまだ大電流スイッチおよび断続器の試験に使用されて稼動していた（１９４０年４月１８日付の「Ｅｌｅｋｔｒｏｔｅｃｈｎｉｓｃｈｅ Ｚｅｉｔｓｃｈｒｉｆｔ，６１．Ｊａｈｒｇ．Ｈｅｆｔ １６」に掲載されたドイツ語の出典「Ｕｎｉｐｏｌａｒｍａｓｃｈｉｎｅ ｆｕｒ ｋｌｅｉｎｅ ｓｐａｎｎｕｎｇｅｎ ｕｎｄ ｈｏｈｅ ｓｔｒｏｍｅ」で参照される）。

１９２０年頃までには、集電ブラシおよび集電リングの電圧降下およびＩ^２Ｒ損失などのブラシおよび集電リングの問題点によって非周期型の開発は中止され、前記非周期型機械は整流直流機械によって追いつかれ、後にはその動作安全性、信頼性、および経済性のために交流発電機（オルタネータ）によってさらに圧倒された。「照明および電力網供給用の発電機としては、前記非周期型機械はその地位を永遠に失った！（Ａｓ ａｎｅｌｅｃｔｒｉｃ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ ｆｏｒ ｌｉｇｈｔｉｎｇ ａｎｄ ｐｏｗｅｒｇｒｉｄ ｓｕｐｐｌｙ，ｔｈｅ ａｃｙｃｌｉｃ ｍａｃｈｉｎｅ ｈａｄ ｌｏｓｔ ｉｔｓ ｐｌａｃｅ ｆｏｒｅｖｅｒ！）」（１９４０年４月１８日付の「Ｅｌｅｋｔｒｏｔｅｃｈｎｉｓｃｈｅ Ｚｅｉｔｓｃｈｒｉｆｔ，６１．Ｊａｈｒｇ．Ｈｅｆｔ １６」に掲載されたドイツ語の出典「Ｕｎｉｐｏｌａｒｍａｓｃｈｉｎｅ ｆｕｒ ｋｌｅｉｎｅ ｓｐａｎｎｕｎｇｅｎ ｕｎｄ ｈｏｈｅ ｓｔｒｏｍｅ」から翻訳）。

、非周期型の方法および機械は、再度２０年間近く休眠状態となる。参考出典には、非周期型および同極型機械は、一般にそれらは上述のブラシ／集電リングおよびＩ^２Ｒの問題のために失敗したというコメントで短く簡単な取り上げ方をされた。第二次世界大戦直前の化学産業の必要性のため、暫くの間、非周期型直流発電に対する関心が新たになり、特にドイツにおいて、１９３５年、５１４ＲＰＭにおいて７．５ボルト、１５０，０００アンペアの機械が建造された。この機械は、複数の起電力誘起用電機子の起電力の級数総和を提供するための、ブラシおよび集電リングを有する電機子スロット内に埋め込まれた絶縁された導体を用いた点において第一次世界大戦以前に構成された機械に類似していた（１９４０年４月１８日付の「Ｅｌｅｋｔｒｏｔｅｃｈｎｉｓｃｈｅ Ｚｅｉｔｓｃｈｒｉｆｔ，６１．Ｊａｈｒｇ．Ｈｅｆｔ １６」に掲載されたドイツ語の出典「Ｕｎｉｐｏｌａｒｍａｓｃｈｉｎｅ ｆｕｒ ｋｌｅｉｎｅ ｓｐａｎｎｕｎｇｅｎ ｕｎｄ ｈｏｈｅ ｓｔｒｏｍｅ」で参照される）。

１９３０年に１８００ＲＰＭにおいて７ボルト１５，０００アンペアの機械を建造し、次に第２の、７５０ＲＰＭにおいて１４ボルト、５０，０００アンペアの定格のかなり大きな機械を建造したＰｏｉｒｓｏｎによって最初に提案された装置は構造上はるかに簡単であった。この機械は１９３７年にＰａｒｉｓ Ｗｏｒｌｄ Ｅｘｈｉｂｉｔｉｏｎで実演された。これら両方の設計は、電機子鉄心として機能するスロットのない回転子と、集電リングと、起電力生成導体とを利用した（１９４０年４月１８日付「Ｅｌｅｋｔｒｏｔｅｃｈｎｉｓｃｈｅ Ｚｅｉｔｓｃｈｒｉｆｔ，６１．Ｊａｈｒｇ．Ｈｅｆｔ １６」に掲載されたドイツ語の出典「Ｕｎｉｐｏｌａｒｍａｓｃｈｉｎｅ ｆｕｒ ｋｌｅｉｎｅ ｓｐａｎｎｕｎｇｅｎ ｕｎｄ ｈｏｈｅ ｓｔｒｏｍｅ」で参照される）。

１９４０年〜１９６０年のもう一度の休眠期間の後、ゼネラルエレクトリック（Ｇｅｎｅｒａｌ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ）社および米国海軍がかれらの舶用推進用の潜在的用途のために非周期型電動機および発電機を研究した時に、非周期トポロジーは再度関心の高い話題となった。このような機械の例としては、ＬｅｖｉおよびＰａｎｚｅｒによる１９７４年の出典「Ｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｗｅｒ Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ」に言及されるように、１９６４年にゼネラルエレクトリック社によって製作された、３６００ＲＰＭにおいて６７Ｖ、１５００００Ａの定格の非周期型発電機があった。

また、１９６０年代中頃から今日まで、核融合研究、レールガン・ランチャー、溶接などの特定の高電力用途に、超伝導および高温超伝導（ｈｉｇｈ−ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ：ＨＴＳ）界磁コイルの設計および液体金属（共融合金）集電ブラシが導入、開発され、利用されてきた。例えば、オースティン（Ａｕｓｔｉｎ）市のテキサス大学（Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｘａｓ）内のＣｅｎｔｅｒ ｆｏｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｓ（ＣＥＭ）は、５〜１０メガワットの範囲の出力を有する円盤型およびドラム型の非周期型発電機を製作した。彼らはまた、ＯＩＭＥ Ｉｎｃ．社によって製作された、配管溶接用のパルス式同極型溶接用発電機をも設計した。

より最近になって、１９９７年、米国海軍は高温超伝導（ｈｉｇｈ−ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｓｕｐｅｒ−ｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ：ＨＴＳＣ）非周期／同極型舶用推進用電動機の試験結果を発表した。やはり１９９７年に、ＣＥＭおよびＰａｒｋｅｒ Ｋｉｎｅｔｉｃ Ｄｅｓｉｇｎｓ社は自動車および機関車用の非周期型走行用電動機についての彼らの研究を発表した。またさらに最近になって、（２００２年〜２００５年）、米国海軍はＧｅｎｅｒａｌ Ａｔｏｍｉｃｓ社の５メガワットおよび３６メガワットの機械を使用した高温超伝導界磁コイルを用いた非周期型舶用推進用電動機の更なる研究を発表した。

近年、摺動集電子を不要とする転がし接触子を用いた非周期型機械が登場し、複数のマイクロファイバー合成金属ブラシと複数の通電セグメントとによる整流を用いた同極（但し双極であり非周期ではない）装置が提案されている。

動的導体セグメントの中を流れる起磁力を生成する電流の流れの級数総和を生じさせ、または動的導体セグメント内で生成された起電力の級数総和を生じさせる、周期型異極トポロジーに主に関連する動力の電気機械変換の装置は周知である。これら両方の異極の場合において、前記動的導電体アセンブリのために選定された形態は一般にコイル状の（またはコイル形状の）直列導体巻き線である。

周期型機械に関する関連技術には、本質的に３つの群がある。圧倒的多数は第１の群に属し、動的導体セグメントまたは要素の級数総和を使用せず或いは用いず、円盤、ドラム、円筒形、ベル形、並列接続されたドラム、積層シートなどの簡単な単一動的導体要素装置である。

第２の群は非周期トポロジーを含み、それらは、複数の動的導体セグメントまたは要素を利用し、生成された起磁力または誘起された起電力の電気的級数総和のための複数の集電リング／ブラシアセンブリを利用することによって、または対向回転する動的要素および付随の集電リング／ブラシアセンブリを利用することによって、このような級数総和を生じさせることを試みる。

本発明者が現在知る限りおよび信じる限り、このような第２群の関連技術を以下にまとめて掲載する：
米国特許第２９３，７５８号明細書（Ｌｕｂｋｅ、１８８４年）、第３３９，７７２号明細書（Ｈｅｒｉｎｇ、１８８６年）、第３４２，５８７号明細書、第３４２，５８８号明細書、第３４２，５８９号明細書、第３５１，９０２号明細書、第３５１，９０３号明細書、第３５１，９０４号明細書、第３５１，９０７号明細書、および第３５２，２３４号明細書（全てＥｉｃｋｅｍｅｙｅｒに交付、１８８６年）、第４０６，９６８号明細書（Ｔｅｓｌａ、１８８９年）、第３９６，１４９号明細書（Ｅｉｃｋｅｍｅｙｅｒ、１８８９年）、第４００，８３８号明細書（Ｅｎｔｚ、１８８９年）、第５１５，８８２号明細書（Ｍａｙｎａｄｉｅｒ、１８９４年）、第５２３，９９８号明細書（Ｒｅｎｎｅｒｆｅｌｔ、１８９４年）、第５６１，８０３号明細書（Ｍａｙｅｒ、１８９６年）、第６４５，９４３号明細書（Ｄａｌｅｎ他、１９００年）、第６７８，１５７号明細書（Ｂｊａｒｎａｓｏｎ、１９０１年）、第７４２，６００号明細書（Ｃｏｘ、１９０３年）、第７８９，４４４号明細書および第８０５，３１５号明細書（共にＮｏｅｇｇｅｒａｔｈに交付、１９０５年）、第８２６，６６８号明細書（Ｋｅｔｃｈｕｍ、１９０６年）、第８３２，７４２号明細書（Ｎｏｅｇｇｅｒａｔｈ、１９０６年）、第８５４，７５６号明細書（Ｎｏｅｇｇｅｒａｔｈ、１９０７年）、第８５９，３５０号明細書（Ｔｈｏｍｓｏｎ、１９０７年）、第３，２２９，１３３号明細書（Ｓｅａｒｓ、１９６６年）、第３，４６５，１８７号明細書（Ｂｒｅａｕｘ、１９６９年）、第４，０９７，７５８号明細書（Ｊｅｎｋｉｎｓ、１９７８年）、第４，５１４，６５３号明細書（Ｂａｔｎｉ、１９８５年）、第５，２４１，２３２号明細書（Ｒｅｅｄ、１９９３年）および第５，５８７，６１８号明細書（Ｈａｔｈａｗａｙ、１９９６年）。

非周期型発電機内で誘起された起電力の電位（または電動機内の起磁力）の級数総和を提供することを試みる近年の関連技術の例としては、このような級数総和を提供するために２もしくはそれ以上の動的要素間に導体ベルトを利用する、Ｒｅｅｄに交付された米国特許第５，２４１，２３２号明細書がある。どちらも２つの共回転動的要素を電気的に直列に接続する可撓性の導体ベルトを利用する点において、前記Ｒｅｅｄ特許の装置は、１００年以上前のＴｅｓｌａのそれと同様である。

別の近年の例としては、級数総和を提供するために、複雑な複数の同期的に対向回転する電機子と、それに関連した集電リングと摺動接触子とを利用する、Ｈａｔｈａｗａｙに交付された米国特許第５，５８７，６１６号明細書がある。

上述のような前記第２の群の関連技術は、複数の要素を必要とする種々の複雑で煩雑な技術を使用して級数総和の生成を試みる。本発明は、同一の全体的強度の磁束界内の単一の動的要素を使用することによって、前記第２の群の関連技術を改善する。

第３の群の関連技術は、多数の動的導体セグメントまたは要素を利用し、ある種の形態の前記複数の動的導体セグメントまたは要素の「直列巻き線」または「直列配列」を利用することによって生成された起磁力または誘起された起電力の級数総和を生じさせようと試みることで、そのような級数総和を直接提供することを試みる非周期トポロジーを含む。

本発明者が現在知る限り、下記がこのような第３の群の関連技術の一覧である。
米国特許第５，２７８，４７０号明細書（Ｎｅａｇ、１９９４年）、第５，４５１，８２５号明細書（Ｓｔｒｏｈｍ、１９９５年）、および第５，９７７，６８４号明細書（Ｌｉｎ、１９９９年）。

しかし、前記第３の群の関連技術および装置は誘起された起電力（発電機作用）または生成された起磁力（電動機作用）の級数総和を達成することができない。米国特許第５，２７８，４７０号明細書（Ｎｅａｇ）および米国特許第５，４５１，８２５号明細書（Ｓｔｒｏｈｍ）において、前記発明は動的導体セグメント／要素と相互に作用する帰還磁束路／鎖交に起因して誘起される逆起電力（または生成される逆起磁力トルク）を考慮していない（このような相互作用が意図されるか否かに拘らず）。

前記Ｎｅａｇ特許に特定した場合、前記Ｎｅａｇ特許の図１Ａは磁束路／鎖交が完結していることを明らかに示している。しかし前記過程において、彼の回転子上の直列巻き線の周辺導体セグメントを形成する部分において、完全に相殺する起電力なり起磁力なりを生成している。前記周辺導体セグメントが磁気透過性の回転子内のスロット内に没していることでは、前記導体セグメントの十分な遮蔽とはならならず、従って前記回転子巻き線が測定可能な起電力なり起磁力なりを生成することはできない。

前記Ｓｔｒｏｈｍ特許に特定した場合、前記Ｓｔｒｏｈｍ特許の図１は磁束ベクトル（Ｂ）が相互に対立することを示唆することで（これらが前記Ｂ磁界内を並進している時に）導体要素内に前記所望の起電力または起磁力が生成されるように見えるが、前記完結した磁束路および鎖交は図示されておらず、説明されていない。従って、一旦前記完結した磁束路／鎖交を検討し考察すれば、ここでもやはり上述のＮｅａｇとほぼ同じように、前記完結した磁束路／鎖交を有する前記周辺直列導体の相互作用に起因して、起電力または起磁力の完全な相殺が行われることが分かる。この残念な結果の故に、Ｓｔｒｏｈｍのその後の前記複数の並進導体要素の級数総和についての試みもまた、おそらく失敗するであろう。

Ｌｉｎに交付された米国特許第５，９７７，６８４号明細書において、前記均一な／対称軸方向の磁束界が前記入力軸角速度で共回転せず、むしろ、前記機械の回転（非慣性）基準系において静止して見えるという事実に起因して、所望の誘起される起電力（または生成される起磁力）が欠落するであろう。従って、１領域における動的導体セグメントと相互に作用する「移動」（即ち回転）磁束界、および別の領域における直列接続の導体セグメントと相互に作用していない「非移動」（即ち静止した）磁束界が存在しない。静止磁束界のみが存在する。

要約すると、非周期トポロジー（および同極）であると称される電気機械力変換器の分類に関する関連技術の場合において、第２の群として級数総和について既知であり開示された方法は殆ど非実用的であり、第３の群として既知であり開示されたそれらは実行可能ではなく、従って単に低インピーダンス装置としての前記非周期型同極変換器のイメージを維持することに寄与してきた。

従来の黒鉛を主原料とする電気ブラシの大きな電圧降下によって、過去、非周期型（同極型）電動機および発電機の実用的使用が妨げられてきた。近年、少なくとも原理的には、マイクロファイバーブラシおよびハイブリッド（金属／液体）ブラシがこの以前の重大な障害を取り除くことを約束してきた。しかし、それでも克服すべき他の問題がある。非周期型（同極型）機械の広範に亘る使用に対する第１の障害は、（回転子の低インピーダンスのために、やはり扱わなければならない前記非常に大きな電流に起因する）多くのブラシおよびブラシ保持器の必要性であった。第２の障害は、電流の「回転」または電流路毎の低電圧（起電力）に起因する非常に低い機械電圧（または回転子インピーダンス）である。例えば、既知の非周期型（同極型）機械の磁界内を移動する動的導体回転子要素内を流れる電流の通過は、１回転当たり２０ボルトを超えることは滅多にない。この条件により多くの「回転」または流路に対して幾つかの使用が必要となり、従って前記機械全体として少なくとも数百ボルトの実用的電圧を達成するためには、多数のブラシと、ブラシ保持器と、集電リングとが必要となる。

背景説明をさらに提供するならば、刊行済みの同極型動力変換器の構造（ならびに異極構造）の最も包括的な議論の１つであって、ＬｅｖｉおよびＰａｎｚｅｒによって呈された１９７４年の「Ｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｗｅｒ Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ」、１５２〜２００ページ（第５章、「Ｈｏｍｏｐｏｌａｒ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒｓ」）、および２０１〜２５４ページ（第６章、「Ｐｏｗｅｒ Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ｉｎ Ｈｅｔｅｒｏｐｏｌａｒ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ：Ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒｓ ｗｉｔｈ Ｕｎｉｆｏｒｍ Ａｉｒ Ｇａｐ」）の中で掲げられた点が考慮されるべきである。

１９７４年の「Ｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｗｅｒ Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ」の８ページの「Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ」の冒頭でＬｅｖｉは、「第５章に・・・我々は、前記同極型変換器が本来的に低電圧、大電流装置であることを知る。・・・前記同極変換器の低インピーダンスの制限を克服することを求めて、第６章に、我々は異極構成から生まれる利点に気づく」と述べている。

上述のＬｅｖｉを検討することで、我々は第５章が円筒形回転同極構造の対称性の態様およびそれに関連したいくつかの固有の特性について最も周到に論じていることを知る。例えば、この対象性故に、同極型機械内で誘起された磁界（Ｂ）は動電界を一切生成せず、この特性は同極構造に特有であり、その他如何なる構造とも共有しない。さらに、同極型機械において起こる「電機子反作用」はその他全ての構造（トポロジー）とも異なるので、このような同極構造において、飽和効果は容易に回避でき、ほぼ完全に排除できる点において、前記同極構造は独特でありその他の型に比べて有利である。

第５章はまた、前記同極型機械は高速、大磁界（Ｂ）、低電圧、大電流であり、従って本来本質的に低インピーダンスであると結論付けている。第５章の要約に示された前記最終仮定のいくつかは、「・・・我々は最大の対称性および均一性を有する型の変換器である同極型変換器を検討した」および１）「前記変換器全体の電気的および機械的性能は本質的に単一の大きな要素のそれに相応する」および２）「効率に対する配慮から、この用途は流動速度付近の速度区間に限定される」および４）「飽和効果を無視できる場合、無限構造における前記電機子反作用は前記端子電圧に影響しない・・・」と述べている。第５章の同極型機械の論じ方は、同極構造に与えられる論じ方および分類法の典型である。

第６章の２０１ページの冒頭に、Ｌｅｖｉは、「我々は前記同極型変換器における電圧と物理的寸法間の固定的な関係を克服する手段を探ることから始め、このインピーダンスレベルにおける不撓性の原因を辿って前記場の分布の不均一性に至る・・・」と述べている。続いて、２０３〜２０７ページで彼は、「前記同極型変換器の本来的低インピーダンスは、動的導体セグメント内の起電力の級数総和が達成できない点において克服できない」と述べている。この主張は前記Ｌｅｖｉの出典の他の箇所でもより詳細に言及されている。本質的に、Ｌｅｖｉは、直列接続における「バッキング」または起電力の相殺の本来的問題は同極型機械において克服できないと断言し、よってその後（ＡＣを生成する）異極型機械に転じている。Ｌｅｖｉは級数総和を生じさせるために異極構造に使用される場合、特定の形態の磁束「指向」および磁束「絶縁」を生じさせる「グラム環状巻」には触れている。Ｌｅｖｉは、異極型変換器のみにある動的導体の級数総和を使用する能力故に、異極型変換器のみがインピーダンスを整合することができると指摘している。

第６章の要約の中で、Ｌｅｖｉは、１）「前記同極変換器の低電気インピーダンスは回避不可能である。この欠点は、個々の電機子導体の直列接続によって電圧の上昇を可能とするような前記間隙Ｂ［場］の極性交番に依存することによって克服しなければならない。この異極性の直接の結果が前記外部回路におけるＡＣ量の確立である」および２）「・・・［異極型変換器において］・・・前記単位面積当たり平均または正味電力は同極型変換器と同様の究極のレベルには達することができない」［カッコ内（斜体）文字は本発明者による追加］と結論付けている。

我々は、Ｌｅｖｉによる本主題の論じ方を、前記典型的な主張であり、同極構造に対する異極構造の必要性、好ましさ、および優位性を提供する現在主流の意見を代表するものとして参照する。しかし、我々はまた、彼の記述すなわち前記既知の古典的低インピーダンス同極構造であってさえ示される、いくつかの議論の余地のない特性および利点に注目する。

例えば積算電力計の渦電流ブレーキのような非周期ではない同極構造が存在し得るが、Ｌｅｖｉに関する上記を通じては、同極とは実は非周期および同極を意味した。非周期であるということは同極であることを意味する。

本発明は、動的導体および磁気透過性構成要素が相互に相対的に回転している時でも、「磁束絶縁」法の使用によって非周期（同極）トポロジーの直列接続を提供することを目的とする。これによって、それぞれ磁界内の並進による時間不変的な電気力学的相互作用を受ける導電体アセンブリ内の起磁力生成電流の直列な流れまたは生成される起電力の級数総和を提供する。

本発明者の知る限り、そのような非周期型装置が発電機として使用される時に、直列接続された導体の一定部分内の「バッキング」または逆起電力の誘起を除去するために「磁束絶縁」を提供し、または利用する非周期式の方法または装置は知られていない。さらに、本発明者が知る限り、そのような非周期型装置が電動機として使用される時に、直列接続された導体の一定部分内で生成された逆起磁力を除去するために「磁束絶縁」を提供し、または利用する非周期式の方法または装置は知られていない。

何らかの形態の磁束「絶縁」を用いた唯一既知の電気機械変換器構造は、その電機子に「グラム環状巻」を有する前記異極型変換器構造である。この構造は、低磁界強度領域内の導体の並進を可能とするので、前記導体は極小の起電力を生成し、直列巻き線内の帰還導体として機能することができる。これは次に、出力起電力を増加させ、または出力起磁力を増加させるための、異極型機械内で直列接続された動的導体の使用を可能とする。

グラム環状巻構造の例は、ＷｉｌｌｉａｍｓおよびＨａｒｔｅに交付された、「Ｔｒａｖｅｌｌｉｎｇ Ｆｉｅｌｄ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｍｏｔｏｒ ｗｉｔｈ Ｉｍｐｒｏｖｅｄ Ｓｔａｔｏｒ」と題され、その全開示がこの参照によって本明細書内に組み込まれる米国特許第３，８７５，４８４号明細書に開示されている。

本発明によれば、そのような電動機または発電機にそれぞれ電力を供給し、またはそれらから電力を取り出すことに関与した前記電圧降下（または抵抗）を取り巻く懸念の未然防止を提供することにより、および起磁力または起電力の級数総和を通じて１「回転」当たりの起磁力または電圧／起電力、または動的電流路セグメントを増加させることによって、このようにして少なくとも過去１００年間、不可能と執拗に説明され続けてきた本来的に「高インピーダンス」の非周期同極型機械の設計を創造する、前記関連技術の非周期同極型電動機および発電機の２つの主要な問題を克服する非周期同極型電動機および発電機の新奇の設計が提供される。

本発明のいくつかの実施形態において、本質的に非周期および同極と呼ばれる電気機械力変換器に見られるような磁界内における時間不変的な電気力学的相互作用を受ける動的導電体アセンブリの直列接続の方法が提供される。

本発明のいくつかの実施形態において、磁界内の並進を創り出す時間不変的な電気力学的相互作用を受ける動的導電体アセンブリ内の直列接続、および従って起磁力生成電流の直列流を使用する非周期型電動機装置が提供される。

本発明のいくつかの実施形態において、磁界内の並進に起因する時間不変的な電気力学的相互作用を受ける動的導電体アセンブリ内の直列接続、および従って誘起される起電力の級数総和を使用する非周期型発電装置が提供される。

本発明のいくつかの実施形態において、磁界内の並進をそれぞれ創り出し、またはそれらに起因する時間不変的な電気力学的相互作用を受ける導電体アセンブリ内の起磁力生成電流の直列流または生成された起電力の級数総和を使用する非周期型互換装置（電動機または発電機）が提供される。

本発明の１実施形態によれば、垂直磁界（Ｂ）内を並進する起磁力に関連した不動導体アセンブリが直列接続された巻き線内の起磁力の相殺を招くこととなる逆起磁力を生成しないことを特に確実にするために、磁束絶縁を使用する電気機械力変換器が提供される。

また、本発明の１実施形態によれば、垂直印加された磁界（Ｂ）内を並進する起電力に関連した不動導体アセンブリが直列接続された巻き線内の起電力の相殺を招くこととなるバッキングまたは逆起電力を生成しないことを確実にする磁束絶縁を使用する電気機械力変換器が提供される。

本発明の１実施形態はまた、本質的に非周期または同極と呼ばれる電気機械力変換器に見られるような磁界内における時間不変的な電気力学的相互作用を受ける動的導電体アセンブリの所望のインピーダンス特性を提供する。

本発明の１実施形態によれば、古典的な非周期型または同極型電気機械力変換器内の起磁力または起電力生成アセンブリに通常関連した大きなＩ^２Ｒ損失を低減する技術が提供される。

また、本発明の１実施形態によれば、古典的な非周期型または同極型電気機械力変換器内の前記集電ブラシおよび集電リングアセンブリに通常関連した大きなＩ^２Ｒ損失を低減する技術が提供される。

また、本発明の１実施形態によれば、古典的な非周期型または同極型電気機械力変換器内の前記起磁力または起電力生成アセンブリに通常関連した前記物理的寸法を低減する技術が提供される。

また、本発明の１実施形態によれば、古典的な非周期型または同極型電気機械力変換器内の前記起磁力または起電力生成アセンブリに通常関連した前記出力または入力角速度を低減する技術が提供される。

発電機として使用される場合、本発明の前記種々の実施形態は、前記磁界がそれによって励磁されると交流起電力の生成を提供し、本質的に機械力から電気力への変換の回転変換器作用を提供する。電動機として使用される場合、本発明の前記種々の実施形態は、前記磁界が交流によって励磁され、前記電機子もまた交流またはスイッチング直流によって励磁されると、交流入力を使用して機能する。しかし、どちらの場合も前記渦電流の生成を予期しなければならず、これらの効果を最小限に抑えるためには、従来の周期型機械でなされなければならないのと同様に積層構造の使用に依存しなければならない。

界磁コイルと前記界磁コイル間に配置された軸部とを有するフレームと、前記軸部に連結した、超伝導直列接合によって直列に接続された複数の導体要素を有する回転子シリンダとを有する電気機械力変換器。

本発明の全体的な理解のために、図面が参照用にある。図面において、同一の要素を示すために全体を通じて同様の数字が使われている。

電気力学的概念の概要
当業者が本発明を十分に実行し、使用することができるように、電気力学的概念の簡単な概要をここに提示する。

垂直に印加された均一な磁界内に位置する導電要素の長さに亘って電流の流れによって生成された起磁力（ｍａｇｎｅｔｏｍｏｔｉｖｅ ｆｏｒｃｅ：ＭＭＦ）の古典的な電気力学的概念の説明図を図１に示す。この図中、長さ「ｌ」１１の導電要素１０があり、前記導電要素１０はその中にその長さ「ｌ」１１に沿って電流の流れ「Ｉ」１２を有し、外部から印加された均一な磁界（Ｂ）１３内に位置している。（名目上ｑ−、またはこの場合電子である移動電荷キャリアからなる電流密度Ｊに起因する）前記電流の流れ「Ｉ」１２は、前記「Ｂ」磁界ベクトル１３および前記電流の流れ「Ｉ」の方向１２に相互に垂直なベクトルの方向に真の力「Ｆ」１４を受ける。この力「Ｆ」１４は前記電流の流れ「Ｉ」１２を有する電子と前記導電要素１０の格子との間の古典的視点の衝突によって前記導電要素１０の事実上固定された格子に伝達されまたは連結され、前記導電要素１０はそれによって間接的に前記真の力「Ｆ」１４を受けている。これは通常「ローレンツ力」と呼ばれ、図１に式１５として示される微分方程式ｄＦ＝ＩｄｌＢによって与えられる。前記電荷キャリアと前記格子間に結合する力の量子電気力学的視点は、波動関数の相互作用を伴い、前記単純化された古典的視点によって起こる問題（絶対零度よりも高い温度における超伝導の説明など）を排除する。

前記移動電荷がローレンツ力を受ける理由は、移動電荷の磁界が前記印加された磁界と相互に作用し前記移動電荷の軌道に（運動エネルギーの利得または損失なくして）変化をもたらすからである。その長さに亘って起電力の電位が印加される導電要素に見られるような加速している電界（Ｅ）の存在下では、大体前記印加されたＥ電界ベクトルの方向に電荷の運動エネルギーが増加し、外部から印加された磁界が存在しない場合、それは通常（衝突または波動関数の相互作用によって）前記格子に渡され、消失し、または伝達され、前記格子の（完全にランダムな）運動エネルギーの増加は単にその温度上昇（振動、フォノン伝達など）となる。これは通常、「ジュール加熱」または「ジュール損失」として参照される。しかし、外部磁界の印加によって、前記移動電荷は格子相互作用間の「サイクロイド」に軌道を変更し、前記サイクロイド軌道は、前記印加された磁界の方向および前記Ｅ電界ベクトルおよびその結果として生じる正味電流の流れに起因する移動の方向に相互に垂直な正味ベクトルを有する。

ここで図２を参照して、垂直に印加された均一な磁界内に位置する長方形および平面な導電要素内のホール効果の概略斜視表示を図示する。ホール効果は、上記図１を用いて説明したローレンツ力に直接起因する。図示のように、その中に／それを通って流れる正味電流の流れ「Ｉ」２１を有する、実質的に長方形および平面な導電要素またはシート２０があり、前記電流の流れ「Ｉ」２１は多数の移動電荷キャリア「ｑ−」２２（即ち電子）からなり、基準移動（または流動）速度「ｕ」２３で、外部から印加された均一な磁界「Ｂ」２４に直角に移動する。ローレンツ力相互作用は前記多数の移動電荷キャリア「ｑ−」２２に対して軌道変更２５を生じさせ、その結果、前記要素２０の一端において前記負電荷キャリアの正味集積２６が生じる。この場合、前記電荷キャリアのローレンツ力相互作用は、前記図面内に式２９として示されたＦ＝ＱｕＢによって与えられる。

それに応じて、仮に前記図面内に示された２７および２８の点において前記要素２０を横断して起電力の電位（ｅｌｅｃｔｒｏｍｏｔｉｖｅ ｆｏｒｃｅ：ＥＭＦ）を測定すれば、前記要素２０全域に亘る負電荷キャリアの前記不均衡に起因して起電力の電位または勾配が測定され、２８の点における正電位および２７の点における負電位を得る。この電位はまた、「ホール電圧」または「ホール電位」とも呼ばれる。上述により、前記格子はまた真の力をも感知する。電気機械に使用されるような円形導体は非常に小さいので、その中ではホール電圧は容易に観測もされず、考慮もされない。さらに、導電要素が磁界内で活動している時、ホール効果が渦電流またはフーコー電流の原因となる。

ここで図３を参照して、垂直に印加された均一な磁界を通って並進している導電要素の長さに沿って生成された起電力（ｅｌｅｃｔｒｏｍｏｔｉｖｅ ｆｏｒｃｅ：ＥＭＦ）の古典的な電気力学的概念の概略表示を示す。外部から印加された均一な磁界「Ｂ」３３を通って速度「ｕ」３２で垂直に均一に並進している、長さ「ｌ」３１を有する導電要素３０が示されている。前記導電要素３０は、前記導電要素３０の格子内を自在に動き回れる負電荷キャリアｑ−３４（ここでは電子、即ち電子のフェルミ気体などと想定する）を含む。

前記電荷キャリア３４はローレンツ力相互作用「Ｆ」３５（図１および図２を用いて前述したように）を受け、前記導電要素３０の一端に負電荷キャリア３６が集積される。これによる正味の影響として、長さ「ｌ」３１の導電要素３０が前記磁界「Ｂ」３３を通って移動している間、その両端に亘る、一端３８に（負電荷キャリアの不足により）正の、およびもう一端３７に（過剰な負電荷キャリアにより）負の観測可能な起電力（ｅｌｅｃｔｒｏｍｏｔｉｖｅ ｆｏｒｃｅ：ＥＭＦ）の電位が生じる。

前記電荷キャリアのローレンツ力相互作用に起因する前記起電力の電位の大きさは、図３に式３９として示されたＥ＝Ｂｌｕによって与えられる。（注：前記導電要素の外部に連続した（閉じた）電流路が存在しない場合、負電荷キャリアの長さ方向の移動は、前記導電要素内の起電力の電位勾配に起因するクーロン力がローレンツ力相互作用と丁度均衡するまで継続する。）

ここで図４を参照して、ファラデーによる従来技術の同極および非周期型装置の概略表示を示す。この装置は、世界初の回転式電磁機械と考えられている。部材４０の周りに磁束界４１を生成する、永久磁石などの磁気透過性の前記部材４０を示す。前記磁束界４１は、人為的な磁束線５９および６０によって示すように（中心線４７の周りに）放射状に対称で均一であるように見ることができる。前記部材４０は、導電性液体４３（Ｈｇなど）を含む溝桶４２によって囲まれている。導電体４４が、導電性回り継手４５から前記磁気透過性部材４０の前記中心線４７の周りに回転自在に懸垂しており、従って４６によって示されるように前記部材４０の磁束界の中を通って自在に並進（その中を通って回転）できる。

次にこの装置によって電気回路が完結し、前記導電体４４の下端が５０において溝桶４２内の前記導電性液体４３に接触し（浸り）、これもまた前記導電性液体４３と接触している静止導体４９を介して負に表示された端末５２まで引き出す。導電体４４の上端は前記導電性回り継手４５および静止導体４８を介して正に表示された端末５３に接続されている。

ここで、上述した図４を用いてこの従来技術の装置の動作を説明する。起電力５１（ｅｌｅｃｔｒｏｍｏｔｉｖｅ ｆｏｒｃｅ：ＥＭＦ）の発生源がそれぞれ正および負の前記端末５３と５２間に印加される。その結果、電流が、「Ｉ」５４によって示すように、前記負の端末５２から前記導体４９を通って前記導電性液体４３へ、次に「Ｉ」５５および「Ｉ」５６によって示すように前記導電体４４を通り、次に前記回り継手４５を通って、最後に「Ｉ」５７および５８によって示すように静止導体４８を通って前記正の端末５３へと、前記装置の中を流れる。（回転自在の）導電体４４内の前記垂直な電流の流れ「Ｉ」５５および５６によって前記導電体４４が、上述の図１で説明したのと同様にローレンツ力「Ｆ」５９を受ける。前記導電体４４は均一かつ放射状に対称な磁束界４１、５９、および６０の中心線４７の周りにのみ回転または旋回するように制限されているので、前記導電体はその周りに連続した均一な回転移動を行い、本質的に、ローレンツ力相互作用を力ベクトルの変更手段として利用することによって電力の機械的仕事への変換を行う。図４の装置は本質的に電動機として知られる回転式電気機械力変換器である。さらに、前記装置は前記電流の流れの整流または切換えを必要とせずに仕事を実行し、（微視的な）時間変化的な電気力学的相互作用を一切示さず、形態において同極であり、また性質および動作において非周期的である。この装置は可逆的であって、機械的に駆動された時には起電力を生成する。

ここで図５を参照して、前記超伝導非周期同極型電気機械力変換器の側面図を示す。フレーム５０１は前記電気機械力変換器の内部構造の機械的結合性を提供し、鉄、鋼、黄銅などの金属で作ることができる。前記フレーム５０１はまた、前記電気機械力変換器の取り付けおよび支持のために台４００に接続してもよい。また本発明のいくつかの実施形態において、前記電気機械力変換器の移動および配置を補助するために、フレームフック４０４を提供してもよい。また図５には、軸部４０５と、キャップ４０８および４０９と、ボルト４１０および４１１と、羽根５０４付き冷凍機４４５とを示す。これら要素の各々については、前記電気機械力変換器の内部構造を当業者が本発明を作成し、使用することができるように明瞭に図示する、後の図面を用いてさらに説明する。

ここで図６を参照して、前記超伝導非周期同極型電気機械力変換器の１実施形態の端面図を示す。冷凍機４４５を冷凍羽根５０４と共に示す。本発明のいくつかの実施形態における前記冷凍機４４５は前記軸部４０５と共に共回転し、前記電気機械力変換器内の超伝導接合を冷却する役目を果たす。冷凍機は、例えば赤外線検出器、医療器具、および超伝導装置を冷却するために使用する低温冷却器である。冷凍機は当業者には既知である。冷凍機の例としては、Ｊａｎｉｓ Ｒｅｓｅａｒｃｈ社（ｗｗｗ．ｊａｎｉｓ．ｃｏｍ）製、Ｓｈｉ Ｃｒｙｏｇｅｎｉｃｓ社（ｓｈｉｃｒｙｏｇｅｎｉｃｓ．ｃｏｍ）製、およびＢａｌｌ Ａｅｒｏｓｐａｃｅ社（ｗｗｗ．ｂａｌｌａｅｒｏｓｐａｃｅ．ｃｏｍ）製がある。図６はまた、前記フレーム５０１、台４００、フレームフック４０４、キャップ４０９、およびキャップボルト４１１のような前記電気機械力変換器のいくつかの機械的特徴をも示す。

ここで図７に転じて、前記超伝導非周期同極型電気機械力変換器の１実施形態の反対側の端面図を示す。台４００を含む前記フレーム５０１と、本発明のいくつかの実施形態においてはフック４０４と、キャップとが、キャップ４０８と共に図７に見えている。キャップは鋼、鉄、黄銅などの金属で作ることができる。前記キャップ４０８は、この明細書中で後にさらに説明するように、軸受けおよび前記軸部４０５を保持するの役目を果たす。前記軸部４０５は鋼、焼入鋼、鉄などの強磁性材料で作ることができる。前記軸部４０５は機械的エネルギーと電気的エネルギー間の機械的インターフェースを提供する。前記キャップ４０８は一連のボルト４１０によって保持されている。

前記電気機械力変換器の内部構造を十分に理解するために、前記残りの図が明瞭さのために種々の構成要素を取り除いた破断図を提供する。図８は前記内部構成要素をそのままの状態で示す前記電気機械力変換器の破断図である。この図ではいくつかの構成要素が隠れて見えないが、図示の目的で種々の内部構成要素が段階的に取り除かれるに従って段階的な図示の中で明瞭になっていく。

ここで図８を参照して、本発明の１実施形態の断面図が示され、磁気不透過性のスポークまたはスパイダ部材（図示せず）によって前記軸部４０５に機械的に取り付けられた回転子シリンダ４１３と、後述する軸部にかつ放射状に対称な磁界内で回転移動自在であるこのアセンブリ全体とを示す。前記回転子シリンダ４１３は鋼などの構造的結合性を有する材料でできており、超伝導直列接合（図示せず）によって直列に接続された複数の構成要素（図示せず）を含む。この超伝導回転子アセンブリの設計については、この明細書の中で後に図１０を用いてさらに説明する。前記動的導体部材は前記回転子シリンダから、および相互に電気的に絶縁されている。前記動的導体部材は、直列接続された巻き線配列を提供するために、前記回転子シリンダ４１３の反対側先端で直列接続されている。後にさらに説明するように、この直列接続は、高温超伝導（Ｈｉｇｈ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ：ＨＴＳ）材料からなり、前記高温超伝導（Ｈｉｇｈ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ：ＨＴＳ）直列接続は前記回転子シリンダ４１３の周りに円周方向に配置された極低温に冷却されたデュワージャケット４１７内に配置されている。本発明のいくつかの実施形態において、前記直列接続は低温超伝導材料または超伝導材料からなる。

図８はさらに、外側界磁コイル部４１８および４１９を示す。前記コイル部は当業者にとって既知であるような、従来の銅（Ｃｕ）巻き線構造でできている。本発明のいくつかの実施形態において、前記コイル部は超伝導材料および形態でできている。前記軸部４０５およびそれに関連した回転子アセンブリを保持するために、軸受け４０６および４０７が用いられる。

これまで述べてきた本発明の実施形態は、前記ＨＴＳ直列接続内の磁束排除／絶縁／遮蔽を利用し、その一方の動的セグメントが前記シリンダの外部に、もう一方の動的セグメントがその内部にある前記動的電機子巻き線セグメントの２つの長い巻き線面に沿ってのみ、磁束相互作用による起磁力または起電力を生成する。前記全体的な電機子巻き線配列は、電力入力の前記軸部上に現れる機械力出力への変換を伴う電動機として使用される時、起磁力（ｍａｇｎｅｔｏｍｏｔｉｖｅ ｆｏｒｃｅ：ＭＭＦｓ）の総和を提供し、前記電機子巻き線配列からの電力出力に変換される前記軸部への機械力入力を伴う発電機として使用されるならば、起電力（ｅｌｅｃｔｒｏｍｏｔｉｖｅ ｆｏｒｃｅ：ＥＭＦｓ）の総和を提供する。

本発明のこの実施形態は、低減されたブラシ損失および低減されたＩ^２Ｒ損失に起因して、既知の従来技術の非周期機械よりも増加した容積出力密度を提供する。この実施形態はまた、基本的に任意の用途に所望されるようにそのインピーダンスを整合でき、前記動的回転子配列内においても、前記電源連結内においても高損失を蒙らない、２端末機械であるものを提供する。この装置は、動作において可逆的（発電機または電動機）であり整流を必要とせず、時間変化的な電気力学的相互作用を示さず、形態において同極であり性質および作用において非周期的である。

ここで図９に転じて、外側界磁コイルを取り除いた前記超伝導非周期同極型電気機械力変換器の破断図を示す。この図は、前記機械の外側の従来のブラシインターフェース（即ち電流供給／集電アセンブリ）の使用を示す。図に示す通り、前記ブラシ保持器９２８、９３２、９３７、および９４１が前記フレーム５０１に固定されている。前記ブラシ保持器内には、ばね付勢されたブラシ９２９、９３１、９３８、および９４０が含まれている。前記ブラシは、電気接続子（図示せず）によって固定されている。前記ブラシは、前記軸部４０５に固定的に取り付けられ、それと共回転する前記２つの集電リング９３０および９３９を有する摺動式電気接触子を提供する役目を果たす。従って前記集電リングは、電気接触子を介して前記機械の内部との電気的接続を提供することで前記回転電機子に電力を供給し、前記固定子界磁コイルアセンブリおよび前記集電器／電流供給アセンブリが別個に外部と電気機械的に接続される。

本発明のいくつかの実施形態において、ブラシおよび集電リングをブラシレス励磁機（ＡＣ高周波電磁界カプラ）に置き換えて前記電気機械力変換器の内部および前記直列接続された動的導体配列（前記電機子巻き線）に電力を提供する。本発明のいくつかの実施形態において、前記ブラシレス励磁機は前記冷凍機４４５に電力を供給する。図９にはまた、内側界磁コイル９５２および９６０を示す。前記コイル部は、当業者にとって既知であるような従来の銅（Ｃｕ）巻き線構造でできている。本発明のいくつかの実施形態において、前記コイル部は超伝導材料およびその形態でできている。

ここで図１０には前記導体要素および超伝導直列接合を示す前記回転子シリンダの断面図を概略図示する。銅などの導電材料でできた前記動的導体要素１１０１、１１０２、１１０３、１１０８、および１１０９が前記磁気透過性の回転子シリンダ４１３（図１０には図示せず、図９を参照）の外側および内側の両方に配列され、前記動的導体要素はその形状において実質的に平面および長方形であって、前記回転子シリンダ４１３（図１０には図示せず、図９を参照）を旋回長さに沿って伸びており、また好適に形成された絶縁層１１０４、１１１０の作用によって相互に、前記回転子から、およびその近傍から電気的に絶縁されており、その結果、絶縁層当たり５〜５０Ｖを超える公称絶縁破壊電圧（即ち絶縁耐力）を有する。絶縁層の例としては、銅要素上に形成されたＣｕ_２Ｏがある。

図１０には前記動的導体要素は５組にまとめて示しているが、本発明のその他の実施形態では、前記回転子へ、および前記回転子から連結された機械力の分析による決定に従って異なる数の組を使用してもよい。各群または組のそれぞれ端の要素１１０１、１１０２、１１０８、および１１０９は肯定的に機械的に係合するような形状をし、前記回転子シリンダ１１０５内のスロット内に収容されることで機械力の連結を提供する。

図１０にはまた、それらのデュワージャケット１１００および１１０７内の前記極低温に冷却された高温超伝導（Ｈｉｇｈ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ：ＨＴＳ）直列接合１１０６をも示す。前記高温超伝導（Ｈｉｇｈ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ：ＨＴＳ）直列極棒は２つの動的導体要素を電気的に直列接続する役目を果たす。それらの臨界温度（Ｔ_ｃ）未満まで冷却され、それらの上限臨界場Ｈ_ｃ２（ＨＴＳ材料によってはＨ_ｃ２>１０Ｔの上限臨界場を有する）未満でそれらのＨ_ｃ１（混合状態と呼ばれる）を超える磁界の存在下にある時、前記図示された高温超伝導（Ｈｉｇｈ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｓｕｐｅｒｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ：ＨＴＳ）直列極棒は、非常に薄い外層または被覆（厚さ５０ｎｍ未満）内に（本質的に量子熱力学的／電気力学的であるマイスナー効果のような）部分的な遮蔽電流および付随磁束界を提示し、これによってそれらの容積から外部印加の磁束を全てではないが幾分かを排除する。

前記ＨＴＳ直列極棒がＴ_ｃ未満であり，それらのＨ_ｃ１未満の外部印加磁界の存在下にある時、前記遮蔽電流はそれら容積から全ての磁束を排除する役目を果たす（即ち、前記遮蔽電流は前記格子と連結せず、前記内部伝導ＣＰ／電子は、真空下にあるかのように振る舞うが、一切のローレンツ力を受けない）。

図１１は、前記回転子鉄心１０１２を示すために前記外側界磁コイルを取り除き、前記回転子シリンダを破断した前記超伝導非周期同極型電気機械力変換器の破断図を示す。前記回転子鉄心１０１２は磁気透過性材料でできており、前記軸部４０５に取り付けられている。前記回転子鉄心１０１２および軸部４０５は、磁気不透過性スポークまたはスパイダ部材のような材料（図示せず）を使用して前記回転子シリンダ４１３（図９を参照）に機械的に結合しており、このアセンブリ全体は軸対称かつ放射状に対称な磁界内を自在に回転移動できる。

図１２は、前記回転子鉄心および極低温チューブを示すために前記外側界磁コイルおよび前記回転子シリンダを取り除いた前記超伝導非周期同極型電気機械力変換器の破断図を示す。前述した通り、前記冷凍機４４５を前記フレーム５０１に取り付けてもよい。前記冷凍機４４５はまた、冷凍羽根５０４を含んでもよい。前記冷凍機４４５には好適な電源から電力を供給してもよい。前記極低温冷却機４４５は、前記軸部４０５内に極低温供給チューブ１０３２および極低温帰還チューブ１０３３を含む循環路を介して前記機械の内部へ、および内部から冷却剤の流れを供給する。本発明のいくつかの実施形態において、前記冷凍機４４５は前記フレーム５０１に取り付けられておらず、前記軸部４０５と共回転する。前記機械フレーム（固定子内部）の容積が前記極低温冷却剤によって冷却される時、前記冷却剤は前記固定子内部から前記極低温供給チューブ１０３２および前記極低温帰還チューブ１０３３を介して前記固定子内部全域を自在に循環する。前記軸部上および前記電機子回転子の部分上に封止材（図示せず）を使用してもよい。

図１３は、明瞭さのために前記図から分解した前記極低温供給チューブ１０３２をさらに示す。前記極低温帰還チューブ１０３３は形状および構造において前記極低温供給チューブ１０３２と同様である。本発明のいくつかの実施形態において、前記極低温チューブは前記冷凍機４４５から前記機械のフレーム５０１の容積に冷却剤を供給する。本発明のその他の実施形態において、前記超伝導直列接合のみが冷却され、冷却剤は図８に示す前記冷凍スリーブ４１７に供給される。

最後に、図１４は前記超伝導非周期同極型電気機械力変換器の前記フレーム５０１の破断図を示す。

従って、本発明の種々の目的に従って、超伝導非周期同極電気機械力変換器が提供されることが明白である。この発明の種々の目的はその最良の実施形態に関連付けて説明されているものの、多くの代替案、改良、および変更が当業者にとって容易に理解できることは明白である。従って、この明細書および本明細書に添付の請求項の趣旨および広範な範囲内であるこのような全ての代替案、改良、および変更を包含することが意図される。

同様の数字が同様の要素を参照する以下の図面を参照して本発明を説明する。
図１は、垂直に印加された均一な磁界内に位置する導電要素に沿って流れる電流によって生成された起磁力（ｍａｇｎｅｔｏｍｏｔｉｖｅ ｆｏｒｃｅ：ＭＭＦ）の古典的な電気力学的概念の概略的な表示である。 図２は、垂直に印加された均一な磁界内に位置する長方形および平面な導電要素内のホール効果の概略斜視表示である。 図３は、垂直に印加された均一な磁界を通って並進している導電要素の長さに沿って生成された起電力（ｅｌｅｃｔｒｏｍｏｔｉｖｅ ｆｏｒｃｅ：ＥＭＦ）の古典的な電気力学的概念の概略表示である。 図４は、ファラデーによる従来技術の同極および非周期型装置の概略表示である。 図５は、超伝導非周期同極型電気機械力変換器の側面図である。 図６は、超伝導非周期同極型電気機械力変換器の端面図である。 図７は、超伝導非周期同極型電気機械力変換器の反対側の端面図である。 図８は、超伝導非周期同極型電気機械力変換器の破断図である。 図９は、外側界磁コイルを破断した超伝導非周期同極型電気機械力変換器の破断図である。 図１０は、導体要素および超伝導直列接合を示す回転子シリンダの断面図である。 図１１は、回転子鉄心を示すための外側界磁コイルおよび回転子シリンダを破断した超伝導非周期同極型電気機械力変換器の破断図である。 図１２は、回転子鉄心および極低温チューブを示すために外側界磁コイルを破断し、回転子シリンダを取り除いた超伝導非周期同極型電気機械力変換器の破断図である。 図１３は、回転子鉄心および極低温チューブを示すために外側界磁コイルおよび回転子シリンダを取り除いた超伝導非周期同極型電気機械変換器の破断部分分解図である。 図１４は、超伝導非周期同極型電気機械力変換器のフレームの破断図である。 本発明は最良の実施形態に関連付けて説明されるが、本発明を前記説明の実施形態に限定する意図がないことは理解されるであろう。むしろ、その意図は、この明細書および本明細書中の請求項によって定義されるような本発明の趣旨および範囲内に含むことのできるような全ての代替案、変更、および等価物を網羅することにある。

Claims (12)

1. 電気機械力変換器であって、
   界磁コイルと、前記界磁コイル間に配置された軸部とを有するフレームと、
   超伝導直列接合によって直列に接続された複数の導体要素を有する、前記軸部に結合した回転子シリンダと
   を有する電気機械力変換器。
2. 請求項１記載の電気機械力変換器において、前記電気機械力変換器は非周期および同極型である。
3. 請求項１記載の電気機械力変換器において、この電気機械力変換器は、さらに、
   前記超伝導直列接合の動作温度を低くするため、前記超伝導直列接合に動作可能に結合された極低温冷却機を有するものである。
4. 請求項１記載の電気機械力変換器において、前記導体要素は、前記回転子シリンダの内部表面および外部表面の両方の上に配列されるものである。
5. 請求項１記載の電気機械力変換器において、前記導体要素は電気的に絶縁されたものである。
6. 請求項１記載の電気機械力変換器において、前記界磁コイルは超伝導界磁コイルを有するものである。
7. 請求項１記載の電気機械力変換器において、この電気機械力変換器は、さらに、
   前記軸部の周りに機械的に結合され、前記軸部に対して対称に配置された回転子鉄心を有するものである。
8. 請求項１記載の電気機械力変換器において、この電気機械力変換器は、さらに、
   前記回転子シリンダの前記導体要素と電気的に接触するためのブラシと集電リングとを有するものである。
9. 請求項１記載の電気機械力変換器において、この電気機械力変換器は、さらに、
   前記回転子シリンダの前記導体要素と電気的に接触するためのブラシレス励磁機を有するものである。
10. 電気機械回転子であって、
    シリンダと、
    前記シリンダに取り付けられた複数の導体要素と、
    前記導体要素を相互に直列に電気的に接続する超伝導接合子と
    を有する電気機械回転子。
11. 請求項１０記載の電気機械回転子において、前記導体要素は銅である。
12. 請求項１０記載の電気機械回転子において、前記導体要素は超伝導要素を有するものである。

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