JP2014513913A5

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Publication number: JP2014513913A5
Application number: JP2014510610A
Authority: JP
Filing date: 2012-04-05
Publication date: 2015-06-25
Anticipated expiration: 2032-04-05

Description

図１は、一対の磁気素子の間の磁場の相互作用を描いた概略図である。図２は、一対の磁気素子の間の磁場の相互作用と、導電素子の位置を描いた概略図である。図３は、図１及び２の磁気素子により形成される磁場内での導体の位置を描いた概略図である。図４は、本発明の１つの実施形態による、ドラムアセンブリの配置を描いた概略図である。図５は、図４のドラムアセンブリの導体の配置を描いた概略図である。図６は、電流伝達アセンブリをその場で取り付けたドラムセンブリの概略図である。図７は、図６のドラムアセンブリ内の電流伝達経路を描いた概略図である。図８は、本発明のさらなる実施形態によるドラムアセンブリの概略図である。図９は、図８のドラムアセンブリの詳細な図である。図１０は、本発明の１つの実施形態によるタービンの概略図である。図１１は、図１０のタービンの詳細な図である。図１２は、本発明のさらなる実施形態によるタービンの概略図である。図１３は、本発明の一実施形態による一連のタービンの１つの配置を描いた概略図である。図１４は、異なる平行磁場に晒されるＨＴＳテープに対し、異なる温度でプロットした異なる換算比である。図１５は、異なる垂直磁場に晒されるＨＴＳテープに対し、異なる温度でプロットした異なる換算比である。図１６は、逆回転する２つのドラムの実施形態での、本発明の別の形状の等角図である。図１７は、図１６に示される実施形態のＡ−Ａ線に沿った断面図であり、ドラムを通る電流経路を示す。図１８は、図１６の実施形態の第２の又は外側ドラムの等角図である。図１９は、図１６の実施形態の第１の又は内側ドラムの等角図である。図２０は、固定ブラシ取り付け具を備えた、逆回転する２つのドラムの実施形態における、本発明の別の形状の等角図である。図２１は、図２０に示す実施形態のＢ−Ｂ線に沿った断面図である。図２２は、図２０に示した実施形態のＢ−Ｂ線に沿った断面図であり、ドラムを通る電流経路を示す。図２３は、別の構成での、固定ブラシ取り付け具を備えた、逆回転する２つのドラムの実施形態における、本発明の別の形状の等角図である。図２４は、図２３に示した実施形態のＣ−Ｃ線に沿った断面図である。図２５は、図１６に示した実施形態の展開図である。図２６は、素子間の磁場を最適化するための、タービンの磁気素子の１つの配置の断面図である。図２７は、図２６の磁気素子配置に対する磁場プロファイルのモデルである。図２８Ａは、タービンの各種パラメータに対し、磁場強度に及ぼす影響を描いたプロットである。図２８Ｂは、タービンの各種パラメータに対し、磁場強度に及ぼす影響を描いたプロットである。図２８Ｃは、タービンの各種パラメータに対し、磁場強度に及ぼす影響を描いたプロットである。図２８Ｄは、タービンの各種パラメータに対し、磁場強度に及ぼす影響を描いたプロットである。図２８Ｅは、タービンの各種パラメータに対し、磁場強度に及ぼす影響を描いたプロットである。図２８Ｆは、タービンの各種パラメータに対し、磁場強度に及ぼす影響を描いたプロットである。図２９Ａは、一連のタービンパラメータに対し、磁場強度に及ぼす影響を描いたプロットである。図２９Ｂは、一連のタービンパラメータに対し、磁場強度に及ぼす影響を描いたプロットである。図２９Ｃは、一連のタービンパラメータに対し、磁場強度に及ぼす影響を描いたプロットである。図２９Ｄは、一連のタービンパラメータに対し、磁場強度に及ぼす影響を描いたプロットである。図２９Ｅは、一連のタービンパラメータに対し、磁場強度に及ぼす影響を描いたプロットである。図２９Ｆは、一連のタービンパラメータに対し、磁場強度に及ぼす影響を描いたプロットである。図３０は、図２６のタービンの補償コイルを含めた磁気素子に対する磁場プロファイルのモデルである。図３１Ａは、タービンの各種パラメータに対し、磁場強度への影響を描いたプロットである。図３１Ｂは、タービンの各種パラメータに対し、磁場強度への影響を描いたプロットである。図３１Ｃは、タービンの各種パラメータに対し、磁場強度への影響を描いたプロットである。図３１Ｄは、タービンの各種パラメータに対し、磁場強度への影響を描いたプロットである。図３２は、本発明の一実施形態によるタービンの磁気素子の１つの配置の断面図である。図３３は、図３２の配置に対する磁場プロファイルのモデルである。図３４は、本発明の一実施形態によるタービンの１つの配置の断面図である。図３５は、図３４の配置に対する磁場プロファイルのモデルである。図３６は、より詳しい、ヌル（ｎｕｌｌ）磁場領域を示す図３５の磁場プロファイルのモデルである。図３７Ａは、タービンの各種パラメータに対し、ヌル磁場領域への影響を描いたプロットである。図３７Ｂは、タービンの各種パラメータに対し、ヌル磁場領域への影響を描いたプロットである。図３８は、ブラシの配置を表す、図３４のタービンの断面図である。図３９は、本発明の一実施形態によるタービンの１つの配置の断面図である。図４０は、流体電流伝達メカニズムの構成を描いた、図３９のタービンの断面図である。図４１は、本発明の一実施形態によるタービンの１つの配置の断面図である。図４２は、逆回転用に構成された、図４１のタービンの断面図である。図４３は、ユニタリ回転用に構成された、図４１のタービンの断面図である。図４４は、本発明の一実施形態によるタービンの１つの配置の断面図である。図４５は、本発明の一実施形態によるタービンの１つの配置の断面図である。図４６は、図４４及び４５の配置に対する磁場プロファイルのモデルである。図４７は、本発明の一実施形態によるタービンの１つの配置の断面図である。図４８は、本発明の一実施形態によるタービンの１つの配置の断面図である。図４９は、図４７及び４８の配置に対する磁場プロファイルのモデルである。図５０は、本発明の一実施形態によるタービンの１つの配置の断面図である。図５１は、本発明の一実施形態によるタービンの１つの配置の断面図である。図５２は、図４４及び４５の配置に対する磁場プロファイルのモデルである。

図３５に、磁気アセンブリによって生じる磁場のプロットを示す。この図から分かるように、超伝導コイルのこのような配置は、内側と外側のソレノイドの間の空間に、磁場ヌル（ｎｕｌｌ）、又は磁場が打ち消される領域を生み出す。ヌル領域のより詳しい図を図３６に示す。この図は、さらに詳しく、コイル１８０３_１，１８０３_２の配置を表す。

図３８は、ラジアルタービンのドラム内の電流フローに照らして、ブラシの位置決めを表す。電流経路に垂直な駆動Ｂ場を、青の矢印で示す。上記コンセプトのさらなる改良点には、内側コイルの内半径の磁場強度と動作半径での磁場強度の比を高めるために、キャンセリングコイルの付加が含まれる。ヌルゾーンにおける磁場を低減又は打ち消すことにより、液体ブラシの使用も可能となる。液体ブラシに用いられる導電性流体が、流体を通る電流経路とブラシが浸される磁場との相互作用に起因する流体の動きに対する固有抵抗を持たないように、非常に低い磁場環境で液体ブラシが確実に作動することが重要である。

このデュアルコイルラジアル電磁タービン構造の利点はたくさんあり、内側と外側のコイルの間にブラシの稼働のための低い又はヌルの磁場領域があることが挙げられる。さらに、内側と外側のソレノイドの間にブラシを位置付けることにより、パンケーキ構造に比べて、全ソレノイド磁束のより多くをタービンの駆動に用いることができる。パンケーキ構造のクライオスタットは、動作棒がコイルにより生み出される磁束の多くを用いることを妨げた。今や、クライオスタットがコイルの間のブラシ用の空間からなくなることにより、磁束のほとんど全てを、動作棒により捕獲することができる。最適化されたコイルの形状は、動作棒上に大きな放射状の磁場を生み出すことができる。最終的に、ヌル磁場領域は、液体ブラシに理想的であった。

上の実施例から分かるように、ヌル磁場の領域を作ることにより、金属繊維ストランド上への逆負荷による、ブラシ材料の過度の変形を被ることなく、金属繊維ブラシの操作が可能となる。また、液体金属ブラシの使用を可能とする。金属繊維ブラシと同じく、液体金属ブラシは同様の負荷を有する。高磁場環境で稼働する液体金属ブラシの電流経路上に存在するローレンツ力は、液体金属に渦形成をもたらす。これらの渦の形成は、高磁場環境で稼働するプロトタイプのブラシに見られる電流運搬能力の減少と一致する。

それゆえに、ヌル磁場の生成及び最適化は、液体金属ブラシを正確に機能させるようにするために重要である。出願人は、ブラシが稼働できる、無又は非常に小さな磁場の領域を生み出すため、及び、ドラムトルク要素の動作長さに沿う磁場の強度を高めるために、超伝導コイルの様々な配置を数多く考案した。

図４４及び４５のタービンの磁気アセンブリによって生み出される磁場のプロットを図４６に示す。図から分かるように、超伝導コイルのこの配置は、内側ソレノイドと外側ソレノイドの間の空間に、磁場ヌル又は磁場を打ち消す領域を生み出す。

図４７は、本発明の一実施例によるタービン２１００の他の可能な配置を表す。この特定の実施形態では、磁気アセンブリ２１０１_１，２１０１_２は、並んで配置させた２つの超伝導コイル２１０２_１，２１０２_２から構成され、コイルの間に磁場ヌルを生み出す。この場合のコイル２１０２_１，２１０２_２は、極低温体２１０８により包み込まれる。図より分かるように、この場合の回転子アセンブリ２１０３は、磁気アセンブリ２１０１_１，２１０１_２の最も内側のコイル２１０２_２の間に、シャフト２１０４上に配置される。回転子アセンブリ２１０３は、コイル２１０２_１，２１０２_２の間の隙間内部に配置される導電性リング２１０７内の溝２１０９に係合する突起部２１０６を含む外側導電層２１０５を含む。

図４７及び４８のタービンの磁気アセンブリにより生み出された磁場のプロットを、図４９に示す。図より分かるように、超伝導コイルのこの配置は、コイル２１０２_１，２１０２_２の間の空間に、磁場ヌル又は磁場を打ち消す領域を生み出す。

図５０及び５１のタービンの磁気アセンブリにより生み出される磁場のプロットを、図５２に示す。図より分かるように、超伝導コイルのこの配置は、内側２２０４_１と外側２２０４_２のコイルペアの間の領域に、一対のヌル領域を生み出す。この配置により、ブラシの数を倍にでき、従って、回転子アセンブリ２２０２に運ばれる電流を倍にできる。しかしながら、コイルの複雑な配置を考えると、求められる極低温システムの複雑さもまた大幅に増大する。

Claims

間に少なくとも1つの磁場を生み出すために、反発させて配置した一対の磁気素子と、
前記磁気素子間に配置されるドラムアセンブリと、を含むタービンであって、前記ドラムアセンブリは、ドラムの周りに配置される複数の導電素子を含み、前記導電素子が接続されて前記ドラムを通る電気回路を形成し、
前記電気回路を通って電流が流されると、回転軸の周りの前記ドラムの回転が引き起こされ、
前記ドラムアセンブリの導電素子はそれぞれ、前記磁気素子の少なくとも１つから間隔を開けて配置される少なくとも1つの第１の部分を持ち、この第１の部分は前記回転軸にほぼ平行な前記磁場の一部分に配置され、及び、前記磁気素子の少なくとも１つから間隔を開けて配置される少なくとも１つの第２の部分を持ち、この第２の部分は前記回転軸にほぼ垂直な前記磁場の一部分に配置される、タービン。
隣り合う導電素子が互いから電気的に隔離及び絶縁される、請求項１に記載のタービン。
隣り合う導電素子が、複数の非導電スペース素子により分離される、請求項２に記載のタービン。
前記回転子を通る電気回路が、隣り合う導電素子を、前記ドラム周りに配置される複数の電流伝達素子を介して接続することにより形成される、請求項１〜３のいずれか１項に記載のタービン。
前記電流伝達素子が互いと直列に接続される、請求項４に記載のタービン。
前記通電素子のそれぞれが、ブラシアセンブリとギアアセンブリを含む、請求項４又は５に記載のタービン。
各ブラシアセンブリが、導電性ローラーに連結される連続金属繊維ブラシを含む、請求項６に記載のタービン。
前記ギアアセンブリが、ギアとシャフトを含む、請求項６又は７に記載のタービン。
前記ローラーは、前記ギアアセンブリのギアが前記ドラム上に配置される対応するギアと係合することにより、前記回転子と同じ速度で回転する、請求項８に記載のタービン。
前記ドラム上に配置されるギアが、前記導電素子から電気的に隔離される、請求項９に記載のタービン。
各電流伝達素子のローラーが、前記ドラムの一回転中に一度、各導電素子と接触する、請求項９又は１０に記載のタービン。
前記磁気素子が永久磁石である、請求項１〜１１のいずれか１項に記載のタービン。
前記永久磁石がＮ３５の軸方向に磁化された磁石である、請求項１２に記載のタービン。
前記磁気素子が電磁石である、請求項１〜１１のいずれか１項に記載のタービン。
前記電磁石が高温度超伝導テープのコイルから形成される、請求項１４に記載のタービン。
間に少なくとも1つの磁場を生み出すために、反発させて配置した一対の磁気素子と、
前記磁気素子間に配置される複数のドラムアセンブリと、を含むタービンであって、前記各ドラムアセンブリは、ドラムの周りに配置される複数の導電素子を含み、前記導電素子が接続されて各ドラムを通る電気回路を形成し、前記ドラムは共に電気的に連結されて前記タービンを通る電流経路を形成し、
前記電気経路を通って電流が流されると、回転軸の周りに前記ドラムアセンブリを一致して回転させ、
第１のドラムアセンブリの導電素子はそれぞれ、前記磁気素子の少なくとも１つから間隔を開けて配置される少なくとも１つの部分を持ち、この部分は前記回転軸にほぼ平行な前記磁場の一部分に配置され、及び、第２のドラムアセンブリの導電素子はそれぞれ、前記磁気素子の少なくとも１つから間隔を開けて配置される少なくとも１つの部分を持ち、この第２の部分は前記回転軸にほぼ垂直な前記磁場の一部分に配置される、タービン。
隣り合う導電素子が互いから電気的に隔離及び絶縁される、請求項１６に記載のタービン。
隣り合う導電素子が、複数の非導電スペース素子により分離される、請求項１７に記載のタービン。
前記回転子を通る電気回路が、隣り合う導電素子を、前記ドラム周りに配置される複数の電流伝達素子を介して接続することにより形成される、請求項１６〜１８のいずれか１項に記載のタービン。
前記電流伝達素子が互いと直列に接続される、請求項１９に記載のタービン。
前記電流伝達素子のそれぞれが、ブラシアセンブリとギアアセンブリを含む、請求項１９又は２０に記載のタービン。
各ブラシアセンブリが、導電性ローラーに連結される連続金属繊維ブラシを含む、請求項２１に記載のタービン。
前記ギアアセンブリが、ギアとシャフトを含む、請求項２１又は２２に記載のタービン。
前記ローラーは、前記ギアアセンブリのギアが前記ドラム上に配置される対応するギアと係合することにより、前記回転子と同じ速度で回転する、請求項２３に記載のタービン。
前記ドラム上に配置されるギアが、前記導電素子から電気的に隔離される、請求項２４に記載のタービン。
各電流伝達素子のローラーが、前記ドラムの一回転中に一度、各導電素子と接触する、請求項２４又は２５に記載のタービン。
前記磁気素子が永久磁石である、請求項１６〜２６のいずれか１項に記載のタービン。
前記永久磁石がＮ３５の軸方向に磁化された磁石である、請求項２７に記載のタービン。
前記磁気素子が電磁石である、請求項１６〜１７のいずれか１項に記載のタービン。
前記電磁石が高温度超伝導テープのコイルから形成される、請求項２９に記載のタービン。
前記ドラムが中央シャフトの周りに同軸に配置される、請求項１７〜３０のいずれか１項に記載のタービン。
間に少なくとも1つの磁場を生み出すために、反発させて配置した一対の磁気素子と、
共通軸の周りの回転のために、前記磁気素子間に配置される少なくとも一対のドラムアセンブリと、を含むタービンであって、第１のドラムアセンブリは、ドラムの周りに配置される複数の導電素子を含み、第２のドラムは、前記軸から放射状に配置される複数の導電素子を含み、前記第２のドラムの導電素子が前記第１のドラムの導電素子より、前記磁気素子に近づけて配置され、
前記導電素子は接続されて前記ドラムを通る電気回路を形成し、前記ドラムは電気的に互いに連結されて前記タービンを通る電流経路を形成し、
前記電流経路を通って電流が流されると、回転軸の周りに前記ドラムアセンブリが回転され、
前記第１のドラムアセンブリの導電素子は、前記回転軸にほぼ垂直な磁場の一部分に配置され、及び前記第２のドラムアセンブリの導電素子は、前記回転軸にほぼ平行な磁場の一部分に配置されるタービン。
一対の磁気素子と、
前記磁気素子間に配置され、少なくとも１つの導電素子を含むドラムアセンブリと、
前記少なくとも１つの導電素子に連結される電流伝達機構と、を含むタービンであって、
前記磁気素子は、前記電流伝達機構を介して前記導電素子を通って電流が流されると、前記ドラムの回転が起こるように、前記ドラムアセンブリに垂直な、ほぼ均一の磁場の領域を提供するように配置されるタービン。
各磁気素子は一対の超伝導コイルを含む、請求項３３に記載のタービン。
各対の超伝導コイルが、ヌル（ｎｕｌｌ）磁場の領域を生み出すように配置される、請求項３４に記載のタービン。
前記ヌル磁場の領域は、ほぼ均一の磁場の領域の外側に配置される、請求項３５に記載されるタービン。
前記電流伝達機構の対向する端部は、前記ヌル磁場の領域に配置される、請求項３５又は３６に記載のタービン。
前記対となる超伝導コイル又は各磁気素子が、同軸に間隔をあけて配置され、前記ヌル磁場の領域が、各磁気素子内のコイルそれぞれの間のスペース内に生み出される、請求項３５〜３７のいずれか１項に記載のタービン。
前記対となる超伝導コイル又は各磁気素子が、横方向に間隔をあけて配置され、前記ヌル磁場の領域が、各磁気素子内のコイルそれぞれの間のスペース内に生み出される、請求項３５〜３７のいずれか１項に記載のタービン。