JPH03505027A

JPH03505027A - 磁界転送装置および方法

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Publication number: JPH03505027A
Application number: JP2503137A
Authority: JP
Inventors: ヴィップフ　シュテファン　エル
Original assignee: アストロノーティックス　コーポレーション　オブ　アメリカ
Priority date: 1989-02-06
Filing date: 1990-02-01
Publication date: 1991-10-31
Anticipated expiration: 2013-03-30
Also published as: US4901047A; EP0409954A4; CA2009342A1; DE69003046T2; DE69003046D1; CA2009342C; WO1990009095A2; JP2732944B2; EP0409954A1; WO1990009095A3; EP0409954B1

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】磁界転送装置および方法発明の分野本発明は、一般に磁界を形成する方法および装置に関し、とくに磁界をボリューム間で転送する手法に関する。

発明の背景磁界を異なるボリューム間で転送するために種々の方法および装置が使用されてきた。磁界転送装置は、誘導エネルギ貯蔵シスデムや磁気冷凍装置に利用することができる。可逆的でかつほぼ損失がないような方法で磁束を一つのボリュームから他のボリュームに転送するために、幾つかの基本的な原理を考慮しなければならない。第一に、どのような過渡的な工程ででも閉回路内の磁束が変化しないようにしなければならない。第二に、最小作用の原理から、動的工程の継続中に生じる二つの補完的エネルギ形態間の差を最小にしなければならない。一つのエネルギが磁気であれば他は運動エネルギまたは位置エネルギ、電気機械的エネルギなとである。電気力学においては、磁気エネルギと静電気エネルギは互いに補完的である。第三に、転送工程が可逆的であるようにするためには、実質的にエントロピー生成があってはならない。

コイル間で誘導転送を行う場合、磁気コイルに並列にコンデンサを接続して転送要素として用いる手法がしばしば採用される。

しかし、最小作用の原理によれば、このような転送要素は、一般に第一コイルの当初エネルギの約半分を転送中に補完的な形態で保持することを要求されるものである。当初エネルギはコイルの磁界内に蓄えられ、補完的なエネルギはコンデンサの電界内に蓄えられる。コンデンサは蓄え得るエネルギ量がきわめて限られており、したがって多くの用途では転送要素として使用するには適当でない。

ニューヨーク州　ニューヨーク市所在のブレナム　パブリッシング　カムバニーが１９７６年に発行した［エネルギの貯蔵、圧縮および転換」という本の第４６９ページないし４７５ページの［インダクタンス間の可逆的エネルギ転送」において、Ｓ、　Ｌ、ウイグラが磁界を転送する種々の方法について議論している。

この論文において説明されたシステムの一つは、磁気動液圧的（ＭＩＩＯ）媒体が磁界および電流に対して直角に流れるようにした液体金属単極転送要素を有するものである。転送中に失われる磁気エネルギは液体金属の運動エネルギに変換される。したがって、転送中に、磁気エネルギの差を補完的な形態で蓄えるために、運動エネルギが採用される。この装置は、したがってコンデンサと同様に作用する。これは、媒体の密度および１／Ｂ２に比例する有効容量を有する。説明された第二のシステムは、短絡された誘導コイルの回転により磁界の転送を行うものであり、この誘導コイルは、他のコイルを少なくとも一つ有する負荷回路の一部を構成する結合コイルに磁気的に結合される。可動の短絡されたコイルは、最初の最大結合の状態から回転させられて結合が減少させられる。結合の減少は一つのコイルから負荷回路の他のコイルへのエネルギの転送を生じ、回転するコイルに加速トルクを与える。結合がゼロのときは回転コイルの運動エネルギは最大であり、さらに回転が行われると結合が負の方向に増加して回転コイルが減速される。

反対の方向で結合が再び最大になったとき、転送は完了し、コイルは休止状態になる。

運動エネルギを使用するこれらの転送装置は、コンデンサの静電気エネルギの場合に比べて、対等の容量で、はるかにコンパクトになる。しかし、機械的な力、きくに加速力および減速力を有することが、通常でない設計上の問題を生じることになる。

特殊な例として、すべてのインダクタンスで蓄えられる磁気エネルギの合計を転送中に一定にするように、回転誘導転送要素を形成することが可能である。転送中に運動エネルギを蓄え得るようにする必要性がなくなる。このような装置は、１９６７年の第２回磁石技術国際会議経過の第５８９ページないし第５９３ページのＰ、　Ｆ、スミスによる「超伝導エネルギ貯蔵を用いるシンクロトロンパワー供給」に説明されている。欠点は、転送要素が、磁界転送を行うべきインダクタンスの２倍に相当するエネルギを誘導的に蓄えることができねばならない、ということである。スミスは、さらに他の装置として、エネルギ貯蔵コイル磁石およびシンクロトロンコイル磁石に接続された機械連結のモーターおよびダイナモと同等な装置を説明している。

発明の要約本発明は、任意の時間間隔で近接するインダクタンス間において磁界が転送することを可能とする。本発明に従う磁界転送装置は、電気的に接続した同一平面内の等しい２つのループから成り、一方のループの回りを成る方向で流れる電流が他方のループの回りを逆の方向に流れる一対の内側コイル、及び内側コイルより外方に位置された外側ループから成り、この外側ループは内側ループと同一面となる１８０°離れた２つの位置の間を２つの内側ループに関して回転可能である。内側及び外側コイルを超伝導体とするこきができる。２つの内側ループは電流を逆方向に流すので、内側ループを内在し、内側ループの両方に等しい磁界が結合される外部磁界によっては内側ループに電流が殆ど誘導されない。外側ループが第１の同一面位置から第２の同一面位置へ１８０°回転される時、一方のループ内に位置する磁界が他方の内部ループに転送され、且つ１８０°向きを変えられる。

本発明の第２の磁界転送装置は、逆方向に巻かれた一対の内ｒｕ１１ソレノイドコイル、及びこれら２つの内側コイルから外方に位置し、内側コイルに対して回転可能な外側ソレノイドコイルを含む。

各内側コイルは内側コイル軸の回りに超伝導巻線を含むことが好ましい。二つの内側コイル軸は平衡であり、互いに横方向に間隔を開けられ、内側コイルが仰んで位置される。各内側コイルは、Ｄ形状断面を有し、内側コイル軸に垂直な内側円筒軸を有する内側円筒を形成してもよい。ここで使用される様に、コイルの軸はコイルの磁界の中心にあってこの磁界と平行な真っ直ぐな線である。各内側コイルの巻線は、内側円筒軸と平行で逆の２つの方向で実質的に巻かれている。各内側円筒は、内側円筒軸と平行な第１方向電流が流れる巻線から形成される真っ直ぐな中心壁き、内側円筒軸と平行で逆の方向に電流が流される湾曲した外側壁を含む。中心壁の巻線と各内側円筒の外壁は各内側円筒の端部で結合され、各内側円筒を形成する巻線が連続されている。二つの内側円筒の真っ直ぐな内側壁は互いに隣接しており、円形外側表面が内側円筒の２つの湾曲した外側壁によって形成される。

外側ソレノイドコイルは、外側コイル軸の回りの超伝導巻線を含み、外側コイル軸に垂直な外側円筒軸を有する外側円筒を形成するのが好ましい。外側コイルは、内側及び外側コイル軸に略垂直な回転軸の回りを２つの内側コイルに関して回転可能である。

外側円筒は２つの略半円筒の壁を有する。電流は第１半円筒壁を外側円筒軸に平行な第１方向で流れ、第２半円柱壁を外側円筒軸と平行で反対の方向で流れる。

２つの半円筒壁の巻線は外側円筒の端部で結合して、外側円筒を形成する巻線が連続される。外側コイル軸が内側コイル軸と平行な場合、外側コイルの磁界は内側コイルの一方の磁界を増大し、他方を減少する。一方の磁界の強度が２倍され、他方の強度が零とされるのが好ましい。外側コイルが１８０°回転された時、増大された磁界は一方のコイルから他方のコイルへ転送され、且つ１８０°向きが変えられる。本発明の第３の磁界転送装置は、第２の装置と似ているが、内側コイルの各々がＤ形状断面の代わりに円形の断面を有する内側円筒を形成している点が異なる。

磁界転送装置は互いに極めて近接する体積間で磁界を転送することができる。これらの装置を用いると、磁界転送は無視しうるエネルギー損失で、可逆的に達成することができる。一般的に、操作中コイル内の逆起電力＜ＭＦＥ＞が実質的に零になり、外側コイルを回転するのに必要とされる仕事量が；■視できる。磁界が含む体積が実質的にいかなる形状にもきることができ、コイルはいかなる方向の磁界を供給するようにすることができる。

本発明の別の目的、特ｙｉ反び利点は添付図面を参照とする以下の詳細な説明から明らかになるであろう。

図面の簡単な説明添付図において、第１図は本発明の第１の磁界転送装置を示す。

′ｆＪ２図は第１の磁界転送装置の２つの内部ループと単一の外部ループとを組合わせる仕方を示す。

第３図は、第２図の位置から外部ループを１８０度回軸回転磁界を左の内部ループから右の内部ループへ移して１８０度に向は直した後の第１の磁界転送装置を示している。

第４図は、内部コイルと外部コイルのコイル軸に沿って装置の中心で切断した、本発明の第２の磁界転送装置の横断面を斜視図で示す。

第５図は、第４図の装置の内部コイルの機能原理を示すために平面電流シートと中空のチューブとを互いに重ねて示す説明図である。

第６図は第２の磁界転送装置の２つの内部コイルの適例きしての構成を示す横断面図である。

第７図は第２の磁界転送装置の好ましい実施例の横断面図である。

第８図は、内部シリンダの軸と外部シリンダの軸との間の角度αが零となるように外部コイルの軸を内部シリンダの真っ直ぐな中心壁に揃えた、第２磁界転送装置の横断面図を示す。

第９図は、αが４５度となるように外部コイルを回転させた、第２の磁界転送装置の横断面図である。

第１Ｏ図は、αが９０度となるように外部コイルを回転させた、ｖ２の磁界転送装置の横断面図である。

ｉｌ１図は、αが１３５度となるように外部コイルを回転させた、第２の磁界転送装置の横断面図である。

第１２図は、αが１８０度となるように外部コイルを回転させた、第２の磁界転送装置の横断面図である。

第１３図は、第２の磁界転送装置の左の内部コイルと右の内部コイル内の磁界の強さを角度αの関数として示しているグラフである。

第１５図は、第１４図の切断線１５−１５に沿う第３の磁界転送装置の横断面図である。

第１６図は本発明の第４の磁界転送装置の斜視図である。

好ましい実施例の説明第１ないし３図を参照する。第１の磁界転送装置１０の構造は簡単であり、一方の空間から他方の空間へ磁界を転送するのに使用できる。この装置のループ内の磁界は一様ではないけれども、この簡単な実施例は本発明の詳細な説明するのに有用である。図に示すように、第１の装置１ｏは同じ大きさの２つの矩形の、同じ面内にある内部ループ１１．１２．ｌｌ！−、これら２つの内部ループ１１．１２を包囲するに足る大きさの外部ループ】３を含んでいる。各内部ループ１１もしくは１２は、内部コイル軸１４もしくは１５の周りの一つの（例えば超伝導）巻線（もしくはコンパクトな一群の巻線）の内部ソレノイドコイルとして働く。ループＩｆと１２の２つの軸１４とＩ５とは相互に平行で、そして相互から離されていて、ループ１１．！：１２は隣合っている。第１ないし３図に示すように、内部ループ１１と１２の一方の周りを動く電流が他方の内部ループの周りを反対の回転方向に動くように内部ループ１１と１２とを電気的に接続する。２つの内部ループ１１と１２はそれらの軸１４と１５の周りに反対に巻がれている。

外部ループ１３は、外部コイル軸１６の周りで一つの超伝導巻線（もしくはコンパクトな一群の巻線）の外部ソレノイドコイルとして働く。外部ループ１３は内部ループ１１♂１２から外へ位置しており、そして外部ループＩ３は、１８０度離軸方いる２つの位置の間で２つの、同じ面内にある内部ループ１１と１２に対して回転できる（これらの２つの位置では外部ループ１３は２つの内部ループ１１，１２と同じ面内にある）。外部ループ１３をそれの回転軸１８（これは内部ループ亭１目４、Ｉ５に垂直である）の周りに回転させるとき、内部コイル１１と１２を実質的に包囲する仮想面ができる。

２つの反対に巻回されたループ１１と１２が電流ゼロを有する場合には、２重ループ１１及び１２にリンクした磁束はない。内側ループ１１と１２とが共に一様な外部磁界中に配置されても、内側ループ１１と１２には電流が誘導されない。

従って、内側ループ１１と１２は磁気勾配Ｒ１・であって、これは、磁界のＲ化が両ループ１１と１２で等しい限り、該磁界の変化には反応しない。

これらの２つのループ１１と１２は協働して、外部磁界が一様であるときだけでなく、その外部磁界による磁束が各ループ１１．１２で等しいときにも、−磁気勾配計として作用する。従って、以下の条件式が満足される限り、ループ１１と１２には電流が誘導上記式中、ｒａＪ及び「ｂ」はそれぞれループ１１と１２によって囲まれる面積である。

ループＩｔと１２を通る磁束が違うと、ループ１１と１２の中の電流が変化する。これは、普通の場合には生じない。

第２図に図示のように、電流■が２つの内側ループ１１と１２にある場合には、ループ１１と１２を通る磁界（Ｂｌ）はループ１１と１２を通って反対向きになる。第２図は、左側の内側ループｌｌでは図面の裏に向かう磁界Ｂ、を示し、右側の内側ループ【２では図面の表に向かう磁界Ｂ、を示している。これらの反対向きの磁界の各々によって、個々の内側ループｔｔａび１２毎にリンクした磁束がΦ、になる。すなわち、２つの内側ループでリンクした磁束は以下の式で表される。

外部磁界は、第２図に図示のように、外側ループだけを流れる電流■によって作ることができる。再び、磁界強度はＢ１であるものとし、且つ、外側ループ１３が作る面１１’ｌが内側ループ１１またはｔ２の１個の面積のほぼ２倍であるので外側ループ１３でリンクされた磁束がほぼ２Φ富であるものとする。第２図に図示のように、２つの内側ループ１１と１２が１つの外側ループ１３とが重畳されると、外側ループＩ３の磁界は左側の内側ループ１１ではその磁界強度を２倍にし、右側の内側ループ１２ではその磁界強度をほぼゼロに消滅させる。

外側ループ１３によって作られた外部磁界を２つの内側ループ１１及び１２上に重畳すなわち加えても内側ループ１１と１２の電流１は変化しない。内側の２重ループ（２つの内側ループ１１と１２）と外側のループ１３とをリンクした磁束は変化しないで２Φ富のままである。第３図に図示のように、外側ループ１３が回転軸１８の回りに１８０度回転すると、左側の内側ループ１１の磁界がゼロになり、右側の内側ループ１２の磁界は２　Ｂ　＋になり、その磁界は第３図の図面の表側に突き出す向きになる。従って、外側ループ１３を１８０度回転させると、増大した磁界が、左側の内側ループ１１から右側の内側ループ１２へ転送されるこきになる。加えて、この増大した磁界は１８０度向きを変えている。第２図に図示のように、当初、増大した磁界は左側の内側ループ１１では紙面を表側から貫通し、右側の内側ループ１２の磁界は相殺されている。従って、外側ループ１３が１８０度回転させられると、増大した磁界は左側の内側ループ１１から右側の内側ループＩ２へ転送され、逆の転送は更に１８０度回転させることによって行える。対称な別の軸回り、例えば第３図のＸ−Ｘ軸に直交するｙ−ｙ軸の回りに回転させても同じ効果を得る。矩形の外側コイルの場合には、その対角線を回転軸にできる。

磁界転送装置１０は、仕事を殆ど必要としないで、磁界を１つの容積すなわち位置から別の位置へあるいはその逆に移動させる本発明の原理を実現するのに有効な、簡単な装置である。この転送処理は、可逆的であり、また、ループ中での逆起電力と局部的渦電流が最少に保持されているのでエネルギー損失も小さい。更に、この第１装置１ｏは、処理中の容積が相互に非常に近くできることを示している。磁界の向きが特定の向きにあることと、その容積の形状とは重要なことではない。

第２磁界転送装置２０が、概略的に第４図に示されている。

該第２磁界転送装置２０は、磁気的冷凍装置と共に使用することができる好ましい実施例であって、磁界を反転しである容積から他の容積に転送する。第４図に示すように第２磁界転送装置２０は２つの反対方向に巻回された内部ソレノイドコイル２２及び２３を包み円形断面の外部ソレノイドコイル２１を有する。各内部ソレノイドコイル２２及び２３は、Ｄ状の断面を有する。外部ソレノイドコイル２１は、好ましくは、通常半径「。からｒの外部コイル軸２６の回りの超伝導巻線２４　（個々の巻線は明確には示されていない）を有するダイポールコイルである。いろいろな超伝導体をその巻線に使用することができる。その超伝導体の１つのものは、はぼ１８Ｋ”のゼロ界臨界温度有する３すず化ニオブである。

超伝導装置は、周知のジュワー（Ｄｅｗａｒｓ）及び冷凍装置を絶縁することが必要であると理解されている。外部コイル２１は、外部コイル軸２６に垂直に延びる外部シリンダ軸２８を有する外部シリンダを形成するようにラップされている。該巻線２４は、実質的に外部シリンダ軸２８に平行な２つの反対方向に延びるように巻回されており、第４図に示すように２つのほぼ半円筒形の壁２９を形成する。このため、外部コイル２１の巻線２４は左の半円筒形壁２９では、電流が外部シリンダ軸２８に平行な第１の方向に流れ、一方、右の半円筒形壁２９では外部シリンダ軸２８に平行な、反対方向に流れる。二つの半円筒形壁２９の巻線２４は外部シリンダの両端で結合され、外部コイル２１を形成する巻線は連続している。電流が、ｊ　、ｃｏｓθ（θは第４図に示す原点からの角度）に比例する電流分布を有して、両方の方向に外部シリンダ軸２８に平行な外部コイル２１を介して、流れると、外部コイル２１は、均一で、垂直な磁界、Ｂ＝（μ。／２）ｉｏ　　（ｒ。−「）を生じる。

外部コイル２１の内部には、二つの内部コイル２２及び２３が配置される。各内部コイル２２または２３は、内部コイル軸３１または、３２の回りる巻回される半径ｒｌからｒの超伝導巻線２５を有する。該２つの内器、コイル２２及び２３は、仙んで配置される。各内部コイル２２または２３は内部コイル軸３１または３２に直交する内部シリンダ軸３４または３５を有する内部シリンダを形成するように巻回される。各内部シリンダは内部シリンダ軸３４または３５に平行な第１の方向に延びる巻線２５から形成される真っ直ぐな中央壁３７または３８と、内部シリンダ軸３４または３５に平行で、反対方向に延びる巻線２５をから形成される湾曲外部壁４２または、４３を有する。したがって、内部コイル２２及び２３の巻線２５を介して流れる電流は、前記直線中央壁３７及び３８を介して、内部シリンダ軸３４及び３５に平行な方向と、湾曲外部壁４２及び４３を介してこれと反対方向に流れる。外部コイル２１と同様に、中央壁３７または、３８の巻線と、各内部コイル２２及び２３の外部壁４２または４３は、内部シリンダ２２及び２３の両端で公知の手段で電気的に結合されており各内部シリンダ２２または２３を形成する巻線２５は、連続しいる。第４図で概略的に示すように、２つの内部シリンダ２２及び２３の直線中央壁３７及び３８は、隣合っており、円形状の外部表面４４が、２つの湾曲外部壁４２及び４３によって形成される。

第４図に示すように、二つの内部コイル２２及び２３で形成される磁界は、それぞれＢ、及びＢｂであり、外部コイル２１によって形成される磁界はＢ、、である。外部コイル磁界Ｂｅは、第４図に示すように、左の内部コイル磁界Ｂ、から偏角しており、外部コイル２Ｉが最初の位置にあるとき、右の内部コイル磁界Ｂ、。

を打ぢ消す。したがって左の内部コイル２２では、磁界Ｂ＝２Ｂｃ＝Ｂ、　、であって、一方布の内部コイル２３では、磁界Ｂ＝０である。

外部シリンダ軸２８は、外部コイル２１の回転軸を形成する。

外部コイル２２が、内部コイル２２及び２３の回りを回転すると、内部コイル２２及び２３を実質的に包む仮想表面が形成される。

外部コイル２１が第４図に示す位置から１８０°回転すると、偏角磁界は、左の内部コイル２２の中から移動して右の内部コイル２３の中に移る。１８０°回転した後では、左の内部コイル２２の内部の磁界はＢ＝０であり、一方、右の内部コイル２３では、磁界はＢ＝−２Ｂｃ＝−Ｂ、、したがって、外部コイル２１は、内部コイル２２及び２３から僅かに外側に離れており、該内部コイル２２及び２３に対し、その回転軸の回りに、外部コイル軸２８がほぼ内部コイル軸３１及び３２に平行であり、かつ磁界がその内部コイル軸３１または３２に平行な内部コイル２２または２３に形成される第１の位置と、該磁界が他の内部コイル２２または２３に転送される、再び１８０°に方向付けされる第２の位置との間で回転可能になっている。

２つのＤ型内部コイル２２及び２３の構造及び働きを、第５図を用いて説明する。厚さ２ｄ、電流密度ｊ０の平面電流シート４５が第５図の左上部に示されている。シート４５の後方（頁の内部）に進む電流は、シート４５の両側に、一様な平１テ磁界Ｂ＝μｏＪａｄを作る。第５図の左上部に示されているように、上方（ページの外部）に流出する電流を有する内部半径ｒ、のホローチューブは、ホロ−チューブ４６内部にゼロ磁界を作る。第５図の下部には、平面電流シート４５及びホローチューブ４６が示されている。それらは互いに重ね合わされ、２つのＤ型容積を形成する。それら２つのＤ型容積は、等しく対照的である一様な領域を有する。ホローチューブ４６は、平面シート４５の部分のリターン電流を運び、よってホローチューブ４６の厚さが調整される。

勿論、平面シート４５が上方、下方に１１１（限に延びることは出来ない。平面シート４５は、ホローチューブ４６の外部半径において、好きなように切断され、それ全体を外部コイル２１中に配置できる。平面シート４５の切断による磁界歪み効果（ｆｉｅｌｄ　ｄｉｓＬｏｒＬｉｎｇｅｌｅｃｔ）は、第６図の４８に図示したように、それらの端を厚くすることによって緩和することが出来る。第６図に示すように平面シート４５は現実には２つの直線中央壁３７．３８となる。理論的には、正確な巻線横断面が形成される。しかしながら端４８の厚さは、磁界一様からの偏り許容レベルと、所望のコイル構成の容易さとの折衷によって定められる。

第７図には、第２磁界転送装置２０のフルサイズの巻線横断面が示されている。

特定の大きさを有する所望の形態を描くため、Ｄ型内部コイル２２及び２３は、外部半径ｒ　＝　７８　ｏｎ、長さおよそＬ＝２０ＣＩ１１となっており、個々の内部コイル２２及び２３の内部磁界容積４７は、およそ０．００１４ｍ’という容積になっている。

臨界電流密度（ｃｒｉｔｉｃａｌ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｄｅｎｓｉｔｙ）　ｊ　ｅ　ｓ、　ｃ、＝　２　Ｘ　Ｉ　Ｏ’Ａ　／　ｍ’を有する超伝導体を使用して、増大された磁界Ｂ０＝６テスラ（１゛）が得られた場合、直線中央壁３７及び３８各々の厚さはｄ＝０．Ｉ：ｉｃｘであり、外部コイル２Ｊの最も厚い部分の１７さはｒｏ−ｒ＝１．２ｃｍである。巻線内全体の電流密度はｊｏ−λＪｃｓ− ｃ。

＝４Ｘ１０’Δ／ｍ″であり、ここでλ＝０．２とは、超伝導体物質の横断面と、銅、絶縁、他の構造物、及び冷却スペースを含む巻線２５の全体構造との間の比である。このようなデバイス２０は、２０ｋＪの蓄積エネルギー（１４，３２ＭＪ／ｍ’）を有する。第７図に示すように、外部コイル半円筒壁２９は各々、外部コイル軸２６に近づくにつれて細くなっている。これによって電流は、前に述べたように、外部コイル２１を通じてｃｏｓθに比例して分配される。角度θ は、外部円筒軸２８について、半円筒壁２９上のいづれかの点と半円筒壁２９の中点５０との間で形成された角度のことである。

回転中の外側コイル２１のトルクはほぼ０である。２つの仮定コイルＩ及びＨからなるコイル系のエネルギはＷ＋、　、＝（％）Ｌ＋　Ｉ　＋’＋（′Ａ）Ｌ＋＋　１　＋＋’十Ｍ＋、＋＋　Ｉ　＋　１　＋＋である。但ししは自己インダクタンスであり、Ｍは相互インダクタンスである。もしコイルＩを外側コイル２１とし、コイル■を逆向きに直列接続された２つの内側コイル２２及び２３とすれば、Ｗｌｌｌは外側コイル２１と２つの内側コイル２２．２３とがなす位置角（ α）には１１１（関係となることが分かる。第８図乃至第１２図に示すように角ａは、コイル２２及び２３０２つの直線壁３７及び３８の間を外側シリンダ軸２８に垂直に走る線５２と、外側コイル軸２６とがなす角である。外側コイル２１と内側コイル２２．２３との間の相互インダクタンスは次式によって与えられる。

Ｍ、＋＋＝Ｍ、ｃ−Ｍ、Ｃ＋Ｍ、、−Ｍｃｂ＝２Ｍ、ｃ−２Ｍ、ｃ内側コイル２２及び２３は互いに逆向きであるために項の半分は負号である。内側コイル２２及び２３は外側コイル２１に対して常に対称位置にある。それ故Ｍ　ａ　ｃ　” 　Ｍ　ｂ　ｃであり、またＭ＋＋＋＋＝０である。Ｍ、、、、＝０であるために、もし超電導コイルが全て接続モードにあれば、電流１１及びＩ　＋＋は互いに無関係であり、また両者は一定である。従ってトルクτではτ＝δＷ１．１１／ δα−０となる。但しこれは、Ｌ及びＭが磁界に無関係である場合に限って正しい。若干の応用においては、これが正しくないこともあり得る。

これらの場合にはインダクタンスは純粋にジオメトリの関数ではなく、磁界の関数でもある。即ら、内部コイル２２及び２３はやはり外側コイル２１に対して常に対称位置にあるけれども、それらは異なる磁界の中にもあるのである。それ故インダクタンスに僅かな差があっても、外側コイル２１を回転させる時に仕事を必要とするトルクを生じさせる。

他の電磁石におけるのと同様に、各コイル２１．２２及び２３の構造には静的な力が作用する。直線状の中心壁３７及び３８、及び湾曲した外壁４２及び４３を形成している巻線構造は、これらの力に耐えるだけの充分な強さでなければならない。コイル２１．２２及び２３の間に何等かの不平衡があると、それは回転外側コイル２１を支えている普通の回転軸受によって伝導されることになる。

第８図乃至第１２図は、左側の内側コイル２２内の磁界（全体を番号５４で示す）、右側の内側コイル２３内の磁界（全体を番号５５で示す）、及び直線状中心壁３７及び３８、湾曲した外壁４２及び４３及び外側コイル２１の半円筒形壁２９に作用する静的な力を示している。第１３図は、前述の寸法例を有する第７図の構造における左側の内側コイル２２内の磁界５４（Ｂ、）及び右側の内側コイル２３内の磁界５５（Ｂｂ）の磁界の強さを単位をステラ（Ｔ）で示しである。

図示のように、左側の内側コイル２２内の磁界はＢａ　＝１３ｏＣｏｓα／２であり、右側の内側コイル２３内の磁界はＢｂ　＝Ｂｏ　ｓｉｎα／２に等しい。

第９図に示すように、左側の内側コイル２２内の磁力線５４は角α／２傾斜している。

６ステラにおける磁気圧は１４．３メガパスカル（ＭＰａ）である。

従って、第８図及び第１２図にあける直線状中心壁３７及び３８に作用する力５７は、第７図の例示装置においては約５００キロニユートン（ｋＮ）である。もし可能ならば、各内側コイル２２または２３の直線状中心壁３７または３８と、湾曲した外側壁４２または４３との間に引っ張り及び圧縮部材を設けることによってこれらの力５７を処理することができる。第８図に示すように、外側コイル２１と２つの内側コイル２２．２３との間には一定の磁界が存在する。これは３Ｔに等しく、３．６ＭＰａの磁気圧に対応する。またはこれらのコイル２１．２２及び２３間の約１４３ｋＮの合９１力５８に対応する。この力５８には、鉄製磁束戻り路のような外側コイル２１を取巻く外側構造によって容易に対抗することができる。α＝９０°の場合、３Ｔの外側コイル２１の磁界の中で直線状中心壁３７及び３８に合計０．９　Ｍ　Ａの電流を流すと、約５２０ｋＮの変形力５９を生ずる。内側コイル２２及び２３の構造を設＝１する場合にはこのような侮りかたい力５９を受入れるために特別な注意を払う必要がある。幸にも、Ｍ−〇であるために外側コイル２１を保持する回転軸受に働く平衡力はほぼ０である。

然し乍ら、磁束戻し構造（鉄）は外側コイル２１と２つの内側コイル２２．２３との間の間隙内の磁界に影背を与えて不平衡力を発生させる。一般に、このようにして発生する磁界はＩＴ以下であり、従って約１０ｋＮ以上の軸受力にはならない。

第２の磁界転送装置２０を動作させると、外側コイル２１の回転に伴う逆起電力もトルクも実質的に発生することなく、可逆的なプロセスで一方の内側コイルの内部から他方の内側コイルの内部へ磁界が転送される。左側の内側コイル２２から右側の内側コイル２３への磁界の転送を第８図乃至第１２図に示ず。初期充電中にはコイル２１．２２及び２３は電流源に接続され、電流は図示のようにコイルを通って流れる。所要電流を充電した後、超電導コイルは接続モードに置く　（即ら巻線の始めと終りを互いに超電導的に接続する）ことができる。多くの実際的な応用においては、必要電流はコイル２２または２３内の最小磁界をＯにするような値である。電流は、直線状中心壁３７及び３８を逆方向に流れ、湾曲した外壁４２及び４３を順方向に流れる。２つの内側コイル２２及び２３は、それらの電流が逆向きに流れるように互いに電気的に接続するべきである。外側コイル２１においては、電流は右側の半円筒形壁２９を逆方向に流れ、左側の半円筒形壁２９を順方向に流れる。外側コイル２１が回転すると、第１３図に示すように、左側磁界５４はＢａ　＝Ｂｏ　ｃｏｓα／２に等しく、また右側磁界はＢｂ　＝Ｂ＋＋　ｓｉｎα／２に等しくなる。

外側コイル２１は、第８図に示された位置から回転されるので、左の内側コイル２２内の磁界５４は弱くなり始め、外側コイル２１の２の角速度で、回転する。

したがって、外側コイル２１が、角度αだけ回転すると、左の内側コイル２２内の磁界５４は、第９図に示されるように、角度α／２だけ回転する。α−９０° のときには、２つの磁界５４．５５は等しく、真直ぐな中央壁３７．３８に対して、４５°の角度をなしている。α＝Ｉ８０°のときには、左の磁界５４は弱くなって、０になり、右の磁界５５は、最大強度にまで、強くなる。かくして、外側コイル２１を回転するのに要求される仕事が実質的に必要なく、磁界の位置の転送が実現される。しかしながら、新たな右の磁界５５は、第８図において、左の磁界５４が配向される方向から、１８ｏ°配向されている。磁界を左の内側コイル２２に復帰させるためには、外側コイル２１を、第８図に示されるもとの位置に復帰するように、単に、前後に、回転するのみでよい。

本発明に係る第三の磁界転送袋ｖＲ７０は、第１４図および第１５図に示されている。この装置７０は、その内側コイル７１．７２が、Ｄ聖断面ではなく、円形断面を有している点を除き、第二の磁界転送装置２０と同様である。さらに、内側コイル７１．７２は、ともに、その断面が円形であるので、単一の円形外表面を形成はしない。したがって、やはり、その断面が円形の外側コイル７３は、２つの内側コイル７１７２の外形にしたがってはいない。その代わりに、外側コイル７３は、２つの内側コイル７１．７２に対して、異なった距離をもって、それらの外側に、間隔をおいて、配置されている。各内側コイル７１．７２内には、超伝導性巻線８６．８７が、内側コイル軸７５．７６のまわりに巻かれ、円筒軸７８．７９を有する内側円筒７Ｉ、７２を形成している。同様にして、外側コイル７３は、外側コイル軸８１のまわりに巻かれ、外側円筒軸８２を有する外側円筒７３を形成する超伝導性巻線８５を備えており、外側円筒７３は、外側円筒軸８２のまわりに回転するようになっている。外側コイル７３および左の内側コイル７１の磁界が、第１５図に示されるように、整列されたとき、左の内側コイル７Ｉ内には、強い磁界８４が形成されるが、右の内側コイル７２内の磁界は、キャンセルされる。

特表平３−５０５０２７　（７）外側コイル７３が、１８ｏ°回転されたとき、強い磁界は、右の内側コイル７２に転送され、１８０’再配向される。したがって、この装置７０は、第二の装置２ｏと同様に動作する。

装置７０と多分に類似した構造を有する第四の磁界転送装置は、第１６図に、９０で示されている。この装置９ｏは、装置７ｏの外側コイル７３と同様にして形成し得る外側フィル９Ｉおよび２ツノ内側コイル９２．９３を備え、２つの内側コイル９２．９３は、同心で、外側円筒コイル９Ｉと近接して配置された円筒により形成されている。内側コイル９２．９３は、外側Ｄイル９１と同様な方法により、等しい半径を有し、外側円筒内に、長手方向に隣接するように、形成してもよい。これらの内側コイルは、第１図の装置における２つの内側コイル１１．１２と同様に、導体電流に接続されている。外側コイル９１が、その円筒軸９５まわりに、１８０°回転（あるいは、その反対に、内側コイルが、同一の軸９５まわりに、１８０°回転）すると、第３図に示される軸ｙ−ｙまわりに、外１１１１Ｊコイル１３が回転したとき、磁束が、装置ｌＯの２つの内側コイル１１，１２の間を転送されるのと、類似の態様で、磁束は、コイル９２および９３の一方の中のボリュームから、他方に転送される。

磁界転送装置１０，２０．７０および９０によれば、互いに非常に接近した２つの体積間において、可逆的で且つ実質的に損失のないプロセスにて、磁界を転送することができる。このプロセスは、最少の仕事量にて行なうことができる。何故ならば、外側コイルの回転に対して反対向きのトルクを非常に小さくすることができるからである。第１の装置ＩＯの内側コイル１１および１２の形状は矩形であるが、第２の装置２０の内側コイル２２および２３は、Ｄ形断面を有する筒形形状であり、第３の装置７０の内側コイル７１および７２および装置９０の内側コイル９２および９３は、円形断面の筒形形状である。相互間において磁界が転送される体積の特定の形状は、重要ではない。さらに、内側コイルおよび外側コイルは、はとんど任意の方向の磁界を転送するような形状とすることができる。外側コイル１３．２１ｉ６よび７３の回転軸１８．２８および８２は、内側コイルの間に位置し且つ実質的にそれと平行とされているのであるが、それらの回転軸は、それらが内側コイル軸１４．１５．３１．３２．７５および７６に対して直角となるようにその他の位置に置くこともできる。

当然のことながら、本発明は、本明細書において例示し説明したような特定の実施例に限定されるものでなく、次の請求の範囲内の入るような変形態様を包含するものである。

浄書（内容に変更なし）平成　　年　　月　　日特許庁長官　深　沢　　　亘　殿２、発明の名称　　　磁界転送装置および方法３、補正をする者事件との関係　　出願人５、補正命令の日付　　平成３年７月３０日国際調査報告

Claims

【特許請求の範囲】

１．磁界転送装置において、（ａ）互いに反対向きに巻かれた１組の内側コイルを備えており、該内側コイルの各々は、内側コイル軸のまわりに少なくとも１つの巻線を含み、２つの内側コイル軸は、前記内側コイルが並置関係に配置されるように、互いに対して実質的に平行で且つ互いに横方向に離されており、さらに、（ｂ）外側コイルを備えており、該外側コイルは、外側コイル軸のまわりに少なくとも１つの巻線を含み、そして、前記外側コイルは、前記内側コイルから外方に配置されていて且つ前記内側コイルを実質的に包囲する仮想的表面を作り出すように前記内側コイル軸に対して実質的に直角な回転軸のまわりに前記内側コイルに対して回転できるものであり、それにより、前記外側コイル軸が前記内側コイル軸に対して実質的に平行で且つ一方の内側コイル内にその内側コイル軸と平行な磁界が形成されうるような第１の位置と、前記磁界が他方の内側コイル内へ転送されて１８０°再配向されるような第２の位置との間で移動するようになっている、ことを特徴とする磁界転送装置。
２．内側および外側コイルの巻線は、半導体で形成されている請求の範囲第１項記載の磁界転送装置。
３．各内側コイルは、その内側コイル軸に対して直角な内側筒軸を有する内側筒体を形成しており、前記内側コイルの巻線は、前記内側筒軸と平行な２つの互いに反対の方向に実質的に延びるように巻かれている請求の範囲第１項記載の磁界転送装置。
４．内側筒体の各々は、前記内側筒軸と平行な第１の方向に延びる巻線で構成される直線状中央壁と、前記内側筒軸と平行な反対の方向に延びる巻線で構成される湾曲外側壁とを含み、各内側筒体の断面がＤ形となるようにされており、各内側筒体の中央壁および外側壁の巻線は、各内側筒体を構成する巻線が連続的なものとなるように、各内側筒体の端部にて接合されている請求の範囲第３項記載の磁界転送装置。
５．前記２つの内側筒体の直線状内側壁は、前記２つの湾曲外側壁によって円形外側表面が形成されるように、互いに隣接している請求の範囲第４項記載の磁界転送装置。
６．前記外側コイルは、外側コイル軸と直角な外側筒軸を有する外側筒体を構成しており、前記巻線は、前記外側筒軸と平行な２つの互いに反対方向に実質的に延びるように巻かれている請求の範囲第１項記載の磁界転送装置。
７．前記外側筒体は、２つの実質的に半円筒の壁を含んでおり、一方の半円筒壁は、その外側筒体軸と平行な題意１の方向に延びる巻線で形成され、他方の半円筒壁は、その外側筒軸と平行な反対方向に延びる巻線で形成される請求の範囲第６項記載の磁界転送装置。
８．前記外側筒軸は、内側筒軸と平行であり、前記外側コイルは、前記２つの内側コイルの外側表面にほとんど隣接してそれに面している内側表面を含んでおり、回転軸は、前記外側筒軸と実質的に一致している請求の範囲第７項記載の磁界転送装置。
９．前記半円筒壁は、ＣＯＳθに比例した厚みを有しており、ここで、θは、一方の半円筒壁上のある点と、前記外側筒軸に関してその半円筒壁の中間点との間の角度である請求の範囲第８項記載の磁界転送装置。
１０．前記内側筒体は、断面円形状でありい、前記内側筒軸と実質的に平行な２つの互いに反対方向に延びる巻線を有している請求の範囲第３項記載の磁界転送装置。
１１．前記一組の内側コイルは、互いに電気的に接続された２つの等しい共面にある内側ループを備えていて、一方の内側ループのまわりの回転方向に動く電流があるとしても、その電流は他方の内側ループのまわりの反対の回転方向に動き、したがって、前記内側コイルが存在している外部磁界が両方の内側ループと鎖交する等しい磁束を有するときには、前記内側コイイルに実質的になんら電流が誘起されないようになっている請求の範囲第１項記載の磁界転送装置。
１２．前記外側コイルは、外側ループであり、該外側ループは、前記２つの共面内側ループに対して、その外側ループが前記内側ループと共面にある２つの１８０°離れた位置の間で回転しうるものである請求の範囲第１１項記載の磁界転送装置。
１３．前記２つの内側コイルは、互いに長手方向に隣接して延在し且つ前記外側コイル筒軸と同じ筒軸を有する内側筒体を構成している請求の範囲第６項記載の磁界転送装置。
１４．磁界を転送する方法において、（ａ）一組の互いに反対の向きに巻かれた内側コイルであって、各内側コイルの各々がその内側コイル軸のまわりに少なくとも１つの巻線を含んでおり、その２つの内側コイル軸が互いに実質的に平行で且つ互いに横方向に離間されるように並置関係に配置されるような内側コイルを準備し、（ｂ）外側コイルであって、外側コイル軸のまわりに少なくとも１つの巻線を含んでおり、その外側コイルの寸法が回転されるときに前記２つの内側コイルを包囲するに十分なものとされているような外側コイルを準備し、（ｃ）前記１組の内側コイルおよび前記外側コイルが前記内側コイル軸と実質的に直角な回転軸にそって互いに対して回転されるときに、前記１組の内側コイルが前記外側コイル内に実質的に閉じ込められるように、前記１組の内側コイルおよび前記外側コイルを互いに対して配置し、（ｄ）前記内側コイル軸のまわりで互いに反対の回転方向にて前記内側コイルのまわりに動く電流を前記１組の内側コイルに与え、（ｅ）前記外側コイル軸が前記内側コイル軸と平行であるときに前記内側コイルのうちの一方にて動く電流と同じ回転方向にて外側コイルのまわりに動く電流を、前記一方の内側コイルに形成される磁界が前記外側コイルによって形成される磁界によって増大され、他方の内側コイルに形成される磁界が前記外側コイルによって形成される磁界によって減少させられるように、前記外側コイルに与え、（ｆ）前記外側コイルによって形成される磁界が前記他方の内側コイル内に形成される磁界を増大させ且つ前記一方の内側コイルの磁界を減少させるように、前記１組の内側コイルおよび前記外側コイルを互いに対して１８０°回転軸のまわりに回転させる、ことを特徴とする磁界転送方法。
１５．前記外側コイル軸は、前記内側コイル軸と平行であり、一方の内側コイルの磁界は、２倍に増大され、他方の内側コイルの磁界は、実質的に零まで減少させられ、したがって、前記１組の内側コイルおよび前記外側コイルが互いに対して１８０°回転してそれらのコイル軸が再び平行となるようにするとき、前記一方の内側コイルの磁界が実質的に零まで減少させられ且つ前記他方の内側コイルの磁界が２倍に増大され、こうして、前記一方の内側コイルから前記他方の内側コイルヘと増大された磁界が転送されるようにした請求の範囲第１４項記載の磁界転送方法。