JP2017538386A - 集電環および同極モータ/発電機等の超伝導機器 - Google Patents
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Abstract
Description
「特定の集電環組立体について、その摩耗特性が潤滑剤の量を変動させることにより変更されることが観察されてきた。こうした観察は、厳密に制御された実験室条件の下で試験された金合金の摺動接点について、および現場設備から取り出された同様の接点について行われた。薄い皮膜の境界潤滑について、その摩耗過程はアントラー(Antler)により明示された粘着および研磨形態に従う。しかしながら、浸された境界潤滑については、その浸された状態が存在する限り、その摩耗過程は粘着形態に留まるように思われる。
***
行われてきた観察は、以下のとおりである:
1)用いられる潤滑剤とは無関係に、薄い皮膜で潤滑された金の摺動接点は、微細に分かれた黒い外見の摩耗粒子を生成した。・・・・
2)用いられる潤滑剤とは無関係に、ブラシおよび環の接触区域が浸没される程度に潤滑剤で浸された摺動接点は、外見においては金である、薄い皮膜で潤滑された接点より遥かに大きい摩耗粒子を生成する。・・・
3)潤滑剤で浸されている摺動接点は、薄い皮膜で潤滑されたものよりも、電気雑音を結果的にもたらす接触区域内の汚染物質の皮膜を形成しにくい。これは、接点組立体が多重化学環境に曝されるときには特に正しい。」
「適当な条件下においては、極めて高い電流を摺動電気接点の全域に移送することができる。これは、固体および繊維ブラシならびに液体金属の電流収集システムを用いた近年の調査実験において実証されてきた。この調査の究極の目的は、高電力密度および高効率の実用的な電気機械の開発である。液体金属の電流移送システムは、集電環の本質的に100%の領域の被覆という利点を有するが、特に、慣性閉じ込め技術を全動作速度範囲の全体にわたり適用することができないモータにとって、液体の包含という問題をもたらしている。一般に用いられる液体金属は、化学的な安定性および適合性の問題、より厳重な絶縁要件およびさらには安全上の危険をも有する。固体および繊維ブラシを用いた近年の実験結果は、良好なブラシの寿命を伴う効率的な収集器の動作を約束している。
同極(つまり単極)モータまたは発電機等の低電圧高電流の機械において、従来の電流密度での電流収集器は機械の大きさ、重量および電力損失における主たる要因である。これは、螺旋状に溝を付けられた収集器の相対的な大きさおよび初期の機械における有効長さにおいて見られる。・・・ここでは、有効長さは回転子の長さの10%より小さい。
実験用高電流ブラシの概念の実用的な機械の適用への置き換えには、いくつかの要因、主に、温度および雰囲気と関連するものの考慮および制御が必要とされる。例えば、増加された集電環の被覆の3つの潜在的な影響は以下のとおりである:
(1)十分な冷却技術が使用されない限り過剰な温度を結果的にもたらすことになる、電力散逸の集中がある。
(2)軌道面の周囲雰囲気への低減されたアクセス時間は、吸着または化学吸着された表面層の形態にある潤滑皮膜の有効性に影響し得、より高い摩擦および摩耗を結果的にもたらし得るだろう。
(3)摩耗屑の増加された集中は、除去のための低減された領域を伴って、ブラシ接点の親密性に、およびことによるとブラシ運動の自由に干渉し得るだろう。
加えて、ブラシの電流密度が大いに増加されるとき、ブラシと固定子導体との間にある、分岐器の導線の断面積は増加しなければならない。分岐器の長さは、可撓性を維持するように増加させることもできる。分岐器およびブラシ保持器は、電流収集システム設計における主たる要素になる。慣性効果も、乗り物の駆動等のいくつかの用途において考慮しなければならない。」
「ブラシは、DC同極機械にとって最大の難題である。ブラシは、モータの固定された部分(固定子)内に位置しており、通常は伝導性で液体冷却される回転子に電気的接続を提供する。固体炭素または金属−黒鉛ブラシは、それらの低い電流密度性能および過剰な摩耗に起因して不十分であることがわかった。黒鉛繊維ブラシは、初期の超伝導同極モータにおけるいくらかの成功をもって用いられた。液体金属ブラシも、1980年代にわたり開発されて同極機械に適用されたが、材料および寿命の制限に起因して多くの用途に適切ではなかった。現在、濡れた加湿CO2環境内で動作する銅繊維ブラシが考慮されており、これは電流運搬性能と長期間の摩耗との折衷を提供する。そのようなブラシは、5年の動作寿命を提供すると予想される。典型的な動作輪郭に関して、これは6.5×107m/年というモータの集電環の移動に等しい。著しい難題は、ブラシの損失をそれらの最大動作温度を制限するように制御することである。この理由のために、回転子および固定子のブラシ負荷および液体冷却のための複雑な手段が必要である。」
「100K近くで超伝導性であり続ける、酸化銅を基礎とする陶材がある。例えば、イットリウム・バリウム・銅酸化物(YBCO)という化合物は、92Kまで超伝導性であることが発見されている。これは、多くの人々にとって『高い』温度のようには思われないかもしれないが、冷凍剤の費用を計算する技術者にとって、それは十分に高い:液体窒素は、YBCOをその超伝導の範囲に冷却するのに十分である。」
例解の目的のためのみであって限定のつもりではなく、(一つまたは複数の)開示されている実施形態の対応する箇所、部分または表面を挿入句的に参照して、本発明は、固定子と回転子との間に電気接点を設けるように適合されている改良された機器を提供する。
初めに、同じ構造上の要素、部分または表面は、中でもこの詳細な記載が不可欠な部分である明細書全体によりさらに記載または説明されることがあるために、同種の参照数字は、そのような要素、部分または表面を識別するように意図されていることを明確に理解されたい。他に示されていない限り、図面は明細書と共に一読される(例えば、斜交平行線模様、部品の配列、割合、度合など)ように意図されており、この発明の記載全体の一部と考えられるものである。以下の記載において用いられている際に、「水平」、「垂直」、「左」、「右」、「上」および「下」という用語、ならびにその形容詞および副詞の派生語(例えば、「水平に」、「右方に」、「上方に」など)は、特定の図面の図が読者に向いているために、例解されている構造の配向に単に言及しているのみである。同様に、「内方に」および「外方に」という用語は、必要に応じて、その伸長軸、または回転軸に対する表面の配向に概して言及している。
ここで図面に、より具体的にはその図1A〜1Dに言及すると、これらの4つの図面の図は、図1Aで示されている先行技術のブラシ束の走査型電子顕微鏡(「SEM」)/エネルギー分散型X線(「EDAX」)解析を描写している。
図2は、液体窒素の溜まり(図示せず)中に浸没されるときの、図1A〜1Dで部分的に示されている、固定子搭載の超伝導ブラシバネおよび回転子環についての静的なFOT接触抵抗(縦座標)対電流(横座標)の図表である。接触抵抗はミリオームで表示されており、電流はアンペアで表示されている。正方形およびダイヤモンド形状のデータ点を接続する2つの曲線は、銀メッキされた回転子環上に乗っているAg/CuのFOTブラシについて得られた値を描写している。三角形のデータ点を接続する曲線は、金メッキされた回転子環上に乗っているAg/CuのFOTブラシについて得られた値を描写している。
図3は、ブラシおよび環が液体窒素の溜まり(図示せず)中に浸没されている状態で、図2で示されている静的なFOT接触抵抗の測定を行うための試験装置の概略図である。この装置は、小振幅発振を受けるが回転はしないように設計された単一経路ドラム型集電環である。
図4A〜4Dは、高順応性の(すなわち、最中央の繊維が除去されている状態の)ブラシ束を用いる超伝導集電環のSEM/EDAX解析を描写している。
図5において、概して40で示されているドラム型多重経路超伝導集電環が、各側面上に環を支持する肩部を有する中間の誘電障壁により分離された、複数の垂直に積み重ねられた環41を有するものとして示されている。様々な環が41で別々に示されており、それぞれ、「A」、「B」、「C」および「D」という文字により個々に識別されている。そのため、最上部の環は41Aで示されており、すぐ下の環は41Bで示されており、3番目に下の機器は41Cで示されており、最下部の環は41Dで示されている。
図6は、高順応性のFOTブラシを用いる、図5で示されているような機器についての電圧降下(左縦座標)および接触抵抗(右縦座標)対電流(横座標)の図表である。電圧降下はボルトで表現されており、接触抵抗はミリオームで表現されており、電流はアンペアで表現されている。繊維の先端は、回転子環の外表面上で環に係合するように150グラムの力をもって圧せられた。
図7は、パンケーキ型多重経路集電環において本発明の原理をどのように実施することができるのかを示している。
図8は、固定子61と回転子62との間で電力および/または(一つまたは複数の)電気信号を伝達するように動作可能に配列される、概して60で示されている改良されたドラム型集電環の概略図である。
図9は、改良された円盤電機子型の同極モータまたは発電機の等角図である。
図10は、概して93で示されている、ドラム型超伝導集電環の別の実施形態の概略図である。
図11Aは、以前に記載されたように、概して95で示されており、回転子62と動作可能に関連する、改造されたブラシ保持器を有する改良された超伝導集電環の概略図である。
図12Aは、概して105で示されている集電環組立体の別の形態の概略図である。
本発明は、多くの変更および改造を行うことができることを熟慮している。
「[0106]片持ち梁バネは、機械的な不安定性のために共に機能させるのが困難であり得ることが知られている。[例えば、ショーバート,アール;炭素ブラシ:摺動接点の物理学および化学;第4章、図4.7、「ブラシおよび収集器における機械的考察」;(1965年);87ページにて(Shobert, Erle; Carbon Brushes: The Physics and Chemistry of Sliding Contacts; Chapter 4, FIG. 4.7, "Mechanical Considerations in Brushes and Collectors"; (1965); at p. 87.)を参照されたい。][0107]もしブラシがある方向に動く際にバネ力を解放し、他の方向ではそれを増加させるようにバネが振動し得れば、びびりが片持ち梁バネブラシ上で起こり得る。***このびびりは、(1)可能な限りブラシを短く保つこと、(2)荷重下にあるときに実際に真っ直ぐであるようにバネを設計すること、および(3)図4:7bで示されているようにバネを先細にすることにより最小化することができる。先細にすることにより、自然周期が共鳴振動に利用可能である可能性が減少される。
[0108]加えて、片持ち梁バネは、ブラシ力(F)がブラシ摩耗(x)と共に減少するという問題を有し、究極的には、ブラシの寿命は、全ての電気的要件を満たすことを必要とされる最小の法線力により制限される。もし十分なブラシ力がなければ、信号ブラシは許容可能な電気雑音レベルで動作することはなく、電力ブラシはアーク放電を受け得る。これは、何十億インチもの環の移動が可能であるブラシの主たる要因である。否定素子バネは、ブラシの寿命の全体にわたり所与の変位範囲にわたって実質的に一定の力を維持し、従って、ブラシの寿命はブラシ摩耗によって減少する力により制限されない。また、否定素子バネは固有の減衰機構を提供し、従って、ブラシバネの「びびり」は取り除かれる。」
Claims (27)
- 固定子と2つの回転子環との間に電気接点を設けるように適合されている機器であって、
前記固定子上に搭載された少なくとも2つの電流運搬ブラシバネであって、各ブラシバネは2つの向かい合う表面を有する、ブラシバネと、
各ブラシバネ上に搭載された少なくとも1つの繊維質ブラシ組立体であって、各ブラシ組立体は、前記繊維の先端が前記固定子と関連する回転子環との間で電流を移送するために前記関連する回転子環に係合することになるように配列された繊維の束を有する、ブラシ組立体と、
各ブラシバネの向かい合う表面上に搭載され、前記固定子を関連するブラシバネ上に搭載された各ブラシ組立体と連通させる超伝導材料のリボンと、
前記回転子環の内径上に搭載された超伝導材料の別のリボンと、
を備え、
前記機器は、前記超伝導材料の遷移温度より低い温度で極低温流体中に浸没され、それにより、前記機器の電気抵抗率は実質的にゼロに低減されることになり、前記機器の電流移送性能は増加されることになる、機器。 - 前記極低温流体の誘電強度は、空気の誘電強度の約20倍である、請求項1に記載の機器。
- 前記超伝導材料は同じものである、請求項1に記載の機器。
- 前記極低温流体は液体窒素である、請求項1に記載の機器。
- 各ブラシバネ上に搭載されたリボンはそこに固定される、請求項1に記載の機器。
- 各ブラシバネ上に搭載されたリボンはそこに半田付けされる、請求項5に記載の機器。
- 各ブラシバネ上に搭載されたリボンは、前記機器が前記極低温流体の温度に冷却されるときに、各ブラシバネにより関連するブラシ組立体に及ぼされる力がその上に搭載された超伝導リボンにより影響されることがないように構成および配列される、請求項6に記載の機器。
- 各ブラシバネ上に搭載されたリボンは寸法的に同じである、請求項7に記載の機器。
- 各ブラシ組立体はブラシ管を含み、関連する繊維束の1つの辺縁端部分は前記ブラシ管内に受け入れられる、請求項1に記載の機器。
- 前記回転子が前記固定子に対して回転するときに、視準器管の下端が関連する束内の前記繊維の下部辺縁端部分の側方運動を制限するように適合されるように、各ブラシ管の一部を包囲し、そこを超えて延在する前記視準器管
をさらに備える、請求項9に記載の機器。 - 各視準器管は、関連するブラシ管上に調節可能に搭載される、請求項10に記載の機器。
- 各ブラシ管より下にある前記繊維の中央部分は、各ブラシ管より下に延在する繊維が環形の形態にあるように除去されている、請求項11に記載の機器。
- 前記機器は集電環である、請求項1に記載の機器。
- 前記機器は同極モータである、請求項1に記載の機器。
- 前記機器は同極発電機である、請求項1に記載の機器。
- 前記束内の繊維は約0.003インチの名目直径を有し、繊維一本当たりの最大電流密度は約1769アンペア/平方インチである、請求項1に記載の機器。
- 回転子環と、固定子上のブラシ組立体内に搭載された複数の金属繊維の先端との間に金上金の電気摺動接点を設ける方法であって、
回転子を設けるステップと、
前記回転子上に金環を設けるステップと、
銀/銅繊維の束を有するブラシ組立体を設けるステップと、
前記金属繊維の先端が前記回転子環に係合するように前記固定子上に各ブラシ組立体を搭載するステップと、
極低温流体中に前記ブラシ組立体を浸没させるステップと、
金が前記回転子環から前記繊維の先端に移送されるように前記回転子を前記繊維先端に対して動かすステップと、
を含み、
それにより、前記回転子環と前記繊維の先端との間に金上金の電気摺動接点を設ける、方法。 - 前記回転子は、ドラム型集電環、パンケーキ型集電環、円盤電機子型の同極モータまたは円盤電機子型の同極発電機の一部であり、前記回転子環は、前記回転子の外表面上に設けられる、請求項17に記載の方法。
- 向かい合う表面を有する電流運搬ブラシバネを設けるステップと、
超伝導材料のリボンを設けるステップと、
前記ブラシバネの向かい合う表面のそれぞれの上に前記超伝導材料のリボンを搭載するステップと、
前記固定子上に前記ブラシバネの近接端を搭載するステップと、
前記固定子が前記ブラシバネおよび前記リボンを通じて前記ブラシ組立体と連通するように、前記ブラシバネの遠位辺縁端部分上に前記ブラシ組立体を搭載するステップと、
をさらに含む、請求項17に記載の方法。 - 追加のステップ:
超伝導材料の別のリボンを設けるステップと、
前記回転子環の内径上にそのような他のリボンを搭載するステップと、
を含む、請求項19に記載の方法。 - 前記極低温流体は、前記超伝導材料の遷移温度より小さい温度にある、請求項19に記載の方法。
- 前記極低温流体は、そのような他の超伝導材料の遷移温度より小さい温度にある、請求項17に記載の方法。
- 前記回転子環を前記繊維先端に対して動かすステップは、前記回転子環を前記繊維先端に対して回転させるステップを含む、請求項17に記載の方法。
- 追加のステップ:
前記金属繊維の先端を前記回転子環に対して約200グラムの力をもって付勢するステップ
をさらに含む、請求項17に記載の方法。 - 少なくとも2つの金環を有する回転子と、
固定子と、
前記固定子上に搭載された近位端を有し、かつ前記回転子環のうち関連するものに近接して配列された遠位端を有するバネ組立体であって、各バネ組立体は超伝導材料を含む、バネ組立体と、
各バネ組立体の遠位辺縁端部分上に搭載された少なくとも1つのブラシ組立体であって、各ブラシ組立体はブラシ保持器を有し、かつ束内で配列された複数の銀/銅金属繊維を有し、前記束の1つの辺縁端部分は関連するブラシ保持器内で配列され、前記束の反対端はそのような関連する回転子環に係合する複数の繊維先端内で終端する、ブラシ組立体と、
を備える集電環であって、
前記集電環は極低温流体中に浸没され、それにより、前記超伝導材料の温度はその遷移温度より低く低減され、
前記銀/銅繊維の先端は金で覆われ、
それにより、前記集電環は前記繊維の先端と前記回転子環との間に金上金の摺動接点を有することになる、集電環。 - 少なくとも1つの金環を有する回転子と、
固定子と、
少なくとも1つのバネ組立体であって、各バネ組立体は前記固定子上に搭載されたその近位端を有し、かつ関連する回転子環に近接して配列されたその遠位端を有し、各バネ組立体は超伝導材料を含む、バネ組立体と、
各バネ組立体の遠位辺縁端部分上に搭載された少なくとも1つのブラシ組立体であって、前記ブラシ組立体のそれぞれはブラシ保持器を有し、かつ束内で配列された複数の銀/銅金属繊維を有し、前記束の1つの辺縁端部分は関連するブラシ保持器内で配列され、前記束の反対端は前記関連する回転子環に係合する複数の繊維先端内で終端する、ブラシ組立体と、
を備える同極モータであって、
前記同極モータは極低温流体中に浸没され、それにより、前記超伝導材料の温度はその遷移温度より低く低減され、
前記銀/銅繊維の先端は金で覆われ、
それにより、前記同極モータは前記繊維の先端と前記回転子環との間に金上金の摺動接点を有することになる、同極モータ。 - 少なくとも1つの金環を有する回転子と、
固定子と、
少なくとも1つのバネ組立体であって、各バネ組立体は前記固定子上に搭載されたその近位端を有し、かつ関連する回転子環に近接して配列されたその遠位端を有し、各バネ組立体は超伝導材料を含む、バネ組立体と、
各バネ組立体の遠位辺縁端部分上に搭載された少なくとも1つのブラシ組立体であって、前記ブラシ組立体のそれぞれはブラシ保持器を有し、かつ束内で配列された複数の銀/銅金属繊維を有し、前記束の1つの辺縁端部分は関連するブラシ保持器内で配列され、前記束の反対端は前記関連する回転子環に係合する複数の繊維先端内で終端する、ブラシ組立体と、
を備える同極発電機であって、
前記同極モータは極低温流体中に浸没され、それにより、前記超伝導材料の温度はその遷移温度より低く低減され、
前記銀/銅繊維の先端は金で覆われ、
それにより、前記同極発電機は前記繊維の先端と前記回転子環との間に金上金の摺動接点を有することになる、同極発電機。
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