高速渦輪的制造方法
【專利摘要】討論了高速電磁渦輪機(1300)的若干配置。渦輪機(1300)包括殼體(1301)，其中至少包括用于產(chǎn)生磁場的超導(dǎo)線圈(1307)，該線圈存在于低溫機體(1306)的低溫容器內(nèi)。渦輪機(1300)還包括轉(zhuǎn)子組件，轉(zhuǎn)子組件包括位于軸(1310)上的一個或多個轉(zhuǎn)子(13091)、(13092)、(13093)、(13094)、(13095)和(13096)。轉(zhuǎn)子被容納到形成于機體(1306)的內(nèi)壁之間的孔(1308)內(nèi)，使得轉(zhuǎn)子浸入所述磁場中。隨著電流流過轉(zhuǎn)子組件，由于電流和磁場的相互作用所感生的力被轉(zhuǎn)化為軸(1310)上的扭矩。
【專利說明】高速渦輪機

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明大體上涉及用于產(chǎn)生電機械功的設(shè)備。具體但非唯一地，本發(fā)明涉及高速電磁渦輪機。

【背景技術(shù)】
[0002]物理學的一個基本原理是電與磁之間的關(guān)系。在18世紀中葉第一次觀察到這種關(guān)系:電流流過放置在與電流正交的外圍磁場中的簡單條形導(dǎo)體而產(chǎn)生扭矩。這是由于形成電流的每個移動電荷受到由感應(yīng)磁場所產(chǎn)生的力。施加在每個移動電荷上的力對導(dǎo)體產(chǎn)生與磁場成比例的扭矩。
[0003]上述電場和磁場之間的基本的相互關(guān)系是支撐電動機和發(fā)電機的基本科學原理。發(fā)電機的一種最簡單形態(tài)由邁克爾.法拉第首次例證，他所使用的裝置現(xiàn)在稱作法拉第圓盤。法拉第的裝置由在永磁體的極之間旋轉(zhuǎn)的銅盤組成。這樣產(chǎn)生與旋轉(zhuǎn)速度和磁場強度成比例的電流。本質(zhì)上，法拉第圓盤是第一個單極發(fā)電機。然而，由于反向電流限制了輸出到收集線路的功率，以及銅盤上的寄生加熱效應(yīng)，法拉第的發(fā)電機極其低效。
[0004]盡管自從法拉第的首次展示之后，設(shè)計和材料有了各種發(fā)展，但是長期認為單極發(fā)電機極其低效。然而，單極發(fā)電機具有一些獨特的物理特性，這使得他們成為某些應(yīng)用所期望的。首先，單極發(fā)電機是唯一產(chǎn)生真正的DC輸出的發(fā)電機。大多數(shù)多極發(fā)電機需要整流或選擇性地切換到AC線圈來獲取DC輸出。除此之外，單極發(fā)電機通常產(chǎn)生低電壓和高電流。
[0005]類似地，單極電機允許通過應(yīng)用相對較低的電壓電源來從電機取得高功率級。這就是在一些應(yīng)用(例如，電動車輛)中對單極電機感興趣的原因。德克薩斯大學開發(fā)的這種電機的一個示例使用四通電樞(four-pass armature)并以來自48V電池組的5，000A峰值電流操作。全功率效率目前是87%，主要損耗來自電刷。實際上，單極電機設(shè)計的一個主要限制是功率經(jīng)由傳統(tǒng)電刷傳遞所伴隨的損耗。電刷磨損也是一個因素，特別是在電刷與電樞具有更高頻率的接觸的高速應(yīng)用中。
[0006]影響單極電機效率的另一個因素是在轉(zhuǎn)子內(nèi)產(chǎn)生的渦流導(dǎo)致的阻力。在磁場出現(xiàn)暫時變化(穿過導(dǎo)體的磁場的變化或由于磁場源和導(dǎo)電材料的相對移動產(chǎn)生的變化)的位置產(chǎn)生渦流。在使用高速轉(zhuǎn)子和大磁場的應(yīng)用中，渦流變得特別受關(guān)注。
[0007]典型的單極電機需要相對大的磁體或多個磁體場來產(chǎn)生所需的磁場，磁體的尺寸和數(shù)量又增加了系統(tǒng)的整體尺寸和重量。在諸如電力推進系統(tǒng)之類的應(yīng)用中，電機的尺寸和重量都是關(guān)鍵的設(shè)計考慮因素。
[0008]考慮到單極系統(tǒng)(即，使用單個單方向磁場的系統(tǒng))的優(yōu)點，有利的是提供使上述現(xiàn)有技術(shù)中的至少一些缺陷得到改善的單極系統(tǒng)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]應(yīng)當認識到的是在整個說明書中，術(shù)語渦輪機被用來指代包括一個或多個轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)，所述轉(zhuǎn)子響應(yīng)于暴露至大體均勻場而產(chǎn)生機械功。
[0010]根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種渦輪機，所述渦輪機包括:
[0011]至少一個超導(dǎo)線圈，其用于產(chǎn)生磁場；
[0012]至少一個轉(zhuǎn)子，其安裝在位于所述超導(dǎo)線圈內(nèi)的軸上；
[0013]其中施加電流流過所述渦輪機使得軸和轉(zhuǎn)子產(chǎn)生機械功。
[0014]在本發(fā)明的另一個方面中，提供了一種渦輪機，所述渦輪機包括:
[0015]機體，其包括用于產(chǎn)生電磁場的多個超導(dǎo)線圈；
[0016]第一軸，其位于所述機體內(nèi)，所述第一軸上安裝有至少一個轉(zhuǎn)子；
[0017]第二軸，其與所述多個超導(dǎo)線圈相鄰放置并且與所述至少一個轉(zhuǎn)子電耦接以形成穿過所述渦輪機的串聯(lián)電路；
[0018]其中由所述超導(dǎo)線圈所產(chǎn)生的磁場被大致約束在所述機體內(nèi)并且沿著所述機體的軸向來指向，其中施加電流流過所述串聯(lián)電路使得所述第一軸和所述轉(zhuǎn)子產(chǎn)生機械功。
[0019]在本發(fā)明的又一個方面中，提供了一種渦輪機，所述渦輪機包括:
[0020]第一超導(dǎo)線圈組，其用于產(chǎn)生第一磁場；
[0021]第一軸，其位于所述該超導(dǎo)線圈組內(nèi)，所述第一軸上安裝有第一轉(zhuǎn)子組；
[0022]第二超導(dǎo)線圈組，其用于產(chǎn)生第二磁場，所述第二線圈組與所述第一線圈組相鄰;
[0023]第二軸，其位于該超導(dǎo)線圈組內(nèi)，所述第二軸上安裝有第二轉(zhuǎn)子組，所述第二轉(zhuǎn)子組與所述第一轉(zhuǎn)子組電耦接以提供穿過所述渦輪機的串聯(lián)電路；
[0024]其中施加電流流過所述串聯(lián)電路使得所述軸和它們各自的轉(zhuǎn)子組產(chǎn)生機械功。
[0025]在本發(fā)明的又一個方面中，提供了一種渦輪機，所述渦輪機包括:
[0026]第一超導(dǎo)線圈組，其用于產(chǎn)生磁場；
[0027]第一軸，其位于所述第一線圈組內(nèi)，所述第一軸上安裝有第一轉(zhuǎn)子組；
[0028]第二軸，其位于所述超導(dǎo)線圈組內(nèi)，所述第二軸上安裝有第二轉(zhuǎn)子組，所述第二轉(zhuǎn)子組與所述第一轉(zhuǎn)子組電耦接以提供穿過所述渦輪機的串聯(lián)電路；
[0029]其中施加電流流過所述串聯(lián)電路使得所述軸和它們各自的轉(zhuǎn)子組產(chǎn)生機械功。
[0030]在本發(fā)明的又一個方面中，提供了一種電機，所述電機包括:
[0031]殼體；
[0032]驅(qū)動組件，其安裝在所述殼體內(nèi)，所述驅(qū)動組件包括:
[0033]低溫機體，其中布置有低溫容器；
[0034]轉(zhuǎn)子組件，其位于所述低溫機體內(nèi)并在所述低溫容器外，所述轉(zhuǎn)子組件包括布置在驅(qū)動軸上的一個或多個轉(zhuǎn)子，所述一個或多個轉(zhuǎn)子被布置以形成穿過所述轉(zhuǎn)子組件的串聯(lián)電路；
[0035]超導(dǎo)線圈，其用于產(chǎn)生磁場，所述超導(dǎo)線圈被保存在所述低溫容器內(nèi)；并且
[0036]其中施加電流流過所述串聯(lián)電路使得所述一個或多個轉(zhuǎn)子和所述軸產(chǎn)生機械功。
[0037]適當?shù)?，每個轉(zhuǎn)子包括一個輪轂，所述輪轂經(jīng)由一組圍繞該輪轂徑向隔開的輪輻連接到輪圈。在本發(fā)明的一個實施例中，轉(zhuǎn)子可以由銅形成，再經(jīng)過鎳、銀或其他高導(dǎo)電性金屬進行電鍍?；蛘咿D(zhuǎn)子可以由鈦、纖維復(fù)合材料或其他高電阻材料或非導(dǎo)電性材料形成。
[0038]優(yōu)選地，轉(zhuǎn)子與第二軸或相鄰轉(zhuǎn)子組中的轉(zhuǎn)子的電耦接是通過使用形成在輪圈外圍上的導(dǎo)電條來實現(xiàn)的，所述導(dǎo)電條根據(jù)具體情況而與布置在第二軸或相鄰轉(zhuǎn)子上的導(dǎo)電環(huán)配合。導(dǎo)電條可以是由連續(xù)式金屬纖維電刷所形成的單個連續(xù)條的形式?；蛘撸瑢?dǎo)電條可以是由連續(xù)式金屬纖維電刷所形成的多個重疊薄片而形成。
[0039]在渦輪機包括第二軸和/或第二轉(zhuǎn)子組的情況下，布置在第一軸上的每個轉(zhuǎn)子可以與第二軸或布置在第二軸上的相鄰轉(zhuǎn)子機械地耦接。在這種情況下，轉(zhuǎn)子可包括與布置在第二軸或相鄰轉(zhuǎn)子上的齒輪協(xié)作的齒輪。在轉(zhuǎn)子是由銅或其他此類導(dǎo)體形成的情況下，齒輪還可起到導(dǎo)電結(jié)構(gòu)的作用并且將轉(zhuǎn)子與第二軸或相鄰轉(zhuǎn)子電耦接。在轉(zhuǎn)子是由鈦、纖維復(fù)合材料或其他高電阻材料或非導(dǎo)電性材料形成的情況下，可以將超導(dǎo)材料施加到轉(zhuǎn)子的外表面來幫助轉(zhuǎn)子與第二軸或相鄰轉(zhuǎn)子電耦接。超導(dǎo)材料可以是施加到轉(zhuǎn)子的外表面上的高溫超導(dǎo)帶材，或者，超導(dǎo)材料可以是粘結(jié)到轉(zhuǎn)子的外表面上的超導(dǎo)涂層。
[0040]優(yōu)選地，串聯(lián)電路是通過將第一軸和第二軸上的交替的轉(zhuǎn)子經(jīng)由一連串的匯流條和電刷互連來形成的。在第二軸不承載轉(zhuǎn)子的情況下，導(dǎo)電條和/或齒輪配置可以通過匯流條和電刷的組而回連到第一軸上的轉(zhuǎn)子組中的下一轉(zhuǎn)子。
[0041]適當?shù)?，線圈是由12mm寬的HTS帶材所構(gòu)成的，具有100匝和150mm內(nèi)半徑?；蛘?，可以使用3疊4_寬的帶材。各線圈可以被連接以形成長螺線管。螺線管可具有單一機體或者可以包括一連串的間斷體。間斷體可以是位于形成該螺線管的機體的相鄰線圈之間的一個或多個間隙的形式。
[0042]在提供160A到175A之間的電流的情況下，線圈可產(chǎn)生IT到2T之間的磁場。適當?shù)模Q于線圈的配置，在提供180A到500A之間的電流的情況下，線圈可產(chǎn)生2T到5.1T的磁場。優(yōu)選地，線圈產(chǎn)生1.3T到5.1T之間的峰值場。在提供300A到500A的電流的情況下，線圈可產(chǎn)生3T到5T之間的磁場。適當?shù)兀€圈可以以讓線圈所產(chǎn)生的基本所有磁場被約束在線圈的內(nèi)半徑內(nèi)的方式來構(gòu)造。
[0043]適當?shù)?，通過布置在相鄰轉(zhuǎn)子之間的一系列電流傳輸機構(gòu)來幫助實現(xiàn)電機的轉(zhuǎn)子之間的串聯(lián)連接。優(yōu)選地，電流傳輸機構(gòu)是置于每個轉(zhuǎn)子之間的固定盤的形式，每個盤包括成對排列的第一導(dǎo)電電刷組和第二導(dǎo)電電刷組，其中第一電刷組與轉(zhuǎn)子的輪轂接觸而第二電刷組與相鄰轉(zhuǎn)子的輪圈接觸。
[0044]電刷可以是具有23mmX 35mm橫截面的金屬纖維電刷，且每個電刷的額定電流是330A。適當?shù)?，所使用的電刷對的?shù)量通過期望的電機總額定電流來確定，例如，七個電刷對可提供2310A額定電流。優(yōu)選地，電流傳輸機構(gòu)和電刷被排列為使得電流從前一轉(zhuǎn)子的外半徑(輪圈)指向下一轉(zhuǎn)子的內(nèi)半徑(輪轂)。為了補償進行性磨損，電刷可以被安裝在與彈簧耦接的分流器上，以允許電刷的軸向移動。電刷對的分流器可以通過存在于電流傳輸機構(gòu)的框架內(nèi)的柔性導(dǎo)線來互連。
[0045]電流傳輸機構(gòu)可以相對于驅(qū)動軸固定位置。適當?shù)兀娏鱾鬏敊C構(gòu)通過位于驅(qū)動軸的相對端處的端板對之間的一連串非導(dǎo)電撐桿而固定位置。撐桿可包括異形邊緣，該異形邊緣包括與電流傳輸機構(gòu)外圍上的凹處相配合的若干凸起部分。端板可包括用于可旋轉(zhuǎn)地安裝驅(qū)動軸的軸承。優(yōu)選地，軸承是陶瓷軸承。
[0046]驅(qū)動軸可包括耦接在軸的導(dǎo)電部分之間的至少一個非導(dǎo)電部分。適當?shù)?，轉(zhuǎn)子和電流傳輸機構(gòu)被放置在驅(qū)動軸的非導(dǎo)電部分上，使得它們與驅(qū)動軸的導(dǎo)電部分以串聯(lián)方式互連。優(yōu)選地，至少一個轉(zhuǎn)子和至少一個電流傳輸機構(gòu)直接耦接到驅(qū)動軸的導(dǎo)電部分。電流可以經(jīng)由導(dǎo)電電刷組施加到驅(qū)動軸的導(dǎo)電部分。
[0047]適當?shù)?，?qū)動軸的非導(dǎo)電部分由各自承載有轉(zhuǎn)子和電流傳輸機構(gòu)的一系列非導(dǎo)電聯(lián)鎖元件形成。驅(qū)動軸可以是中空的，以容納加固桿。
[0048]低溫機體通?？梢允菆A柱形構(gòu)造并包括用于容納轉(zhuǎn)子組件的孔。優(yōu)選地，低溫容器形成在機體的外壁和內(nèi)壁之間，在該機體的內(nèi)壁之間形成有孔。適當?shù)?，低溫容器與安裝在殼體上的低溫冷卻器耦接。低溫冷卻器可以是脈沖管低溫冷卻器，該低溫冷卻器的尺寸被形成為允許大約20K的線圈組件的操作溫度。低溫冷卻器可以連接到布置在低溫容器內(nèi)的銅指狀物，該銅指狀物形成用于超導(dǎo)線圈的導(dǎo)熱分布路徑。
[0049]殼體可以設(shè)置有端蓋以將轉(zhuǎn)子組件和低溫機體封入其中。端蓋可包括多個起到磁導(dǎo)作用的鋼板。可以可選地移除/增加板，以改變磁導(dǎo)的尺寸。端蓋可包括允許軸延伸超過孔和殼體以進入第二殼體內(nèi)的通道，第二殼體可以設(shè)置在所述殼體的相對端處。第二殼體可將輸入和輸出電刷組件封入，以用于供給流過轉(zhuǎn)子組件內(nèi)形成的串聯(lián)電路的驅(qū)動電流。第二殼體通?？梢允锹┒沸谓M件。第二殼體可包括用于將氣流引導(dǎo)穿過通道和孔的冷卻陣列。冷卻陣列可以是以推挽配置來排列的一個或多個制冷風扇的形式，即，被配置為強制空氣進入殼體和從殼體抽出空氣的相對陣列。
[0050]在渦輪機的一些實施例中，可以無需收縮鋼制磁導(dǎo)的情況下進行螺線管的開口操作。在這些情況下，轉(zhuǎn)子的輪輻也可以是斜切或整形的，以產(chǎn)生中央孔中的氣流。
[0051]驅(qū)動軸可以與包括齒輪傳動組件、鏈輪驅(qū)動等的各種扭矩傳輸配置耦接或者直接耦接到諸如輪、螺旋槳、軌道等的驅(qū)動組件。適當?shù)?，扭矩傳輸配置與軸電絕緣/電隔離。扭矩傳輸配置的絕緣/隔離可以通過施加軸絕緣涂覆或在扭矩傳輸或驅(qū)動機構(gòu)等上設(shè)置絕緣涂層來完成。扭矩傳輸配置可以包覆在第二殼體內(nèi)或可以安裝到第二殼體外。在扭矩傳輸配置被安裝到外部的情況下，軸可以延伸超過第二殼體。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0052]為了使得本發(fā)明可以更加容易地理解并應(yīng)用到實際當中，將參考示出了本發(fā)明的優(yōu)選實施例的附圖，其中:
[0053]圖1是描繪根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的渦輪機的構(gòu)造的示意圖；
[0054]圖2是圖1的渦輪機的剖面俯視圖，其描繪了沿著渦輪機的電流傳輸；
[0055]圖3是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的在渦輪機構(gòu)造中使用的轉(zhuǎn)子的構(gòu)造的細節(jié)圖；
[0056]圖4是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的描繪渦輪機的構(gòu)造的示意圖；
[0057]圖5是圖4的渦輪機的剖面俯視圖，其描繪了沿著渦輪機的電流傳輸；
[0058]圖6A和圖6B是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的描繪轉(zhuǎn)子間電流傳輸機構(gòu)的構(gòu)造的示意圖；
[0059]圖6C和圖6D是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的轉(zhuǎn)子與匯流條之間的電流傳輸機構(gòu)間的交換的放大圖；
[0060]圖7A是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的描繪渦輪機的構(gòu)造的示意圖；
[0061]圖7B是圖7A的渦輪機的剖面圖，其描繪了沿著渦輪機的電流傳輸；
[0062]圖7C是描繪根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的渦輪機的構(gòu)造的示意圖，其提供了轉(zhuǎn)子之間的橫向變化；
[0063]圖8是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的用于渦輪機的構(gòu)造中的螺線管的磁場分布模型；
[0064]圖9是沿著圖8的螺線管的內(nèi)壁的磁場強度圖；
[0065]圖10是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的用于渦輪機的構(gòu)造中的螺線管的磁場分布模型；
[0066]圖11是沿著圖10的螺線管的內(nèi)壁的磁場強度圖；
[0067]圖12是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的用于渦輪機的構(gòu)造中的螺線管的磁場分布模型；
[0068]圖13是沿著圖12的螺線管的內(nèi)壁的磁場強度圖；
[0069]圖14是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的用于渦輪機的構(gòu)造中的螺線管的磁場分布模型；
[0070]圖15是沿著圖14的螺線管的內(nèi)壁的磁場強度圖；
[0071]圖16是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的用于渦輪機的構(gòu)造中的螺線管的磁場分布模型；
[0072]圖17是沿著圖16的螺線管的內(nèi)壁的磁場強度圖；
[0073]圖18是針對暴露于不同的平行磁場的HTS帶材在不同溫度的不同標度比的曲線圖；
[0074]圖19是針對暴露于不同的正交磁場的HTS帶材在不同溫度的不同標度比的曲線圖；
[0075]圖20是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的用于渦輪機的構(gòu)造中的裝有磁導(dǎo)的螺線管的磁場分布模型；
[0076]圖21是磁導(dǎo)對在圖20的螺線管內(nèi)的磁場強度的影響的繪圖；
[0077]圖22是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的用于渦輪機的構(gòu)造中的裝有磁導(dǎo)的螺線管的磁場分布模型；
[0078]圖23是磁導(dǎo)對在圖22的螺線管內(nèi)的磁場強度的影響的繪圖；
[0079]圖24是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的用于渦輪機的構(gòu)造中的裝有磁導(dǎo)的螺線管的磁場分布模型；
[0080]圖25是磁導(dǎo)對在圖24的螺線管內(nèi)的磁場強度的影響的繪圖；
[0081]圖26是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的用于渦輪機的構(gòu)造中的螺線管的磁場分布模型；
[0082]圖27是沿著圖26的螺線管的內(nèi)壁的磁場強度圖；
[0083]圖28是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的用于渦輪機的構(gòu)造中的螺線管的磁場分布模型；
[0084]圖29是沿著圖28的螺線管的內(nèi)壁的磁場強度圖；
[0085]圖30A到圖30D是描繪不同渦輪機配置的峰值磁場和扭矩與驅(qū)動電流的關(guān)系的曲線圖；
[0086]圖31A到圖31D是描繪不同渦輪機配置的輸出扭矩與形成線圈的匝數(shù)的關(guān)系的曲線圖；
[0087]圖32A和圖32B是描繪力和扭矩與螺線管直徑的關(guān)系的曲線圖；
[0088]圖33是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的描繪用于渦輪機中的轉(zhuǎn)子組件的構(gòu)造的示意圖；
[0089]圖34是圖33的轉(zhuǎn)子組件的剖視圖；
[0090]圖35是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的描繪用于轉(zhuǎn)子組件中的定子的構(gòu)造的示意圖。
[0091]圖36是描繪電流流過轉(zhuǎn)子時的圖35的定子的剖面圖；
[0092]圖37是描繪圖33和圖34的轉(zhuǎn)子內(nèi)的扭矩分布的示意圖；
[0093]圖38是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的描繪用于轉(zhuǎn)子組件中的轉(zhuǎn)子間電流傳輸機構(gòu)的構(gòu)造的不意圖；
[0094]圖39是描繪圖38的轉(zhuǎn)子間電流傳輸機構(gòu)的背面的示意圖；
[0095]圖40是描繪圖38和圖39的電流傳輸機構(gòu)的轉(zhuǎn)子的互連的細節(jié)圖；
[0096]圖41是描繪提供有源屏蔽的電磁體的配置的示意圖；
[0097]圖42是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的示出電磁渦輪機的構(gòu)造的示意圖；
[0098]圖43是圖42的渦輪機的剖面圖；
[0099]圖44是圖42和圖43的渦輪機的轉(zhuǎn)子殼體的細節(jié)圖；
[0100]圖45是描繪圖43的渦輪機的轉(zhuǎn)子組件的示意圖；
[0101]圖46是圖45的轉(zhuǎn)子組件的剖面圖；
[0102]圖47是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的示出電磁渦輪機的構(gòu)造的示意圖；
[0103]圖48是用于圖47的渦輪機中的轉(zhuǎn)子組件的示意圖；
[0104]圖49是用于圖47的渦輪機中的定子組件的示意圖；
[0105]圖50是安裝在圖49的定子組件內(nèi)的圖48的轉(zhuǎn)子組件的剖面圖；
[0106]圖51是描繪流過圖47的渦輪機的轉(zhuǎn)子和定子的驅(qū)動電流的路徑的示意圖；
[0107]圖52是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的描繪電磁渦輪機的構(gòu)造的示意圖；
[0108]圖53是描繪流過圖52的渦輪機的轉(zhuǎn)子和定子的驅(qū)動電流的路徑的示意圖；
[0109]圖54是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的示出電磁渦輪機的構(gòu)造的示意圖；
[0110]圖55是描繪流過圖54的渦輪機的轉(zhuǎn)子和定子的驅(qū)動電流的路徑的示意圖；
[0111]圖56是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的示出電磁渦輪機的構(gòu)造的示意圖；
[0112]圖57是描繪流過圖56的渦輪機的轉(zhuǎn)子和定子的驅(qū)動電流的路徑的示意圖；
[0113]圖58是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的示出電磁渦輪機的構(gòu)造的示意圖；
[0114]圖59是描繪流過圖58的渦輪機的轉(zhuǎn)子和定子的驅(qū)動電流的路徑的示意圖；
[0115]圖60是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的示出電磁渦輪機的構(gòu)造的示意圖；
[0116]圖61是描繪流過圖60的渦輪機的轉(zhuǎn)子和定子的驅(qū)動電流的路徑的示意圖；
[0117]圖62是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的示出電磁渦輪機的構(gòu)造的示意圖；
[0118]圖63是描繪流過圖62的渦輪機的轉(zhuǎn)子和定子的驅(qū)動電流的路徑的示意圖；
[0119]圖64是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的示出電磁渦輪機的構(gòu)造的示意圖；
[0120]圖65是用于圖54的渦輪機的電流傳輸機構(gòu)之間的密封配置的細節(jié)圖；
[0121]圖66是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的不出用于傳輸源自電磁電機的扭矩的一種可能配置的示意圖；
[0122]圖67A是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的連接到電磁電機的扭矩傳輸配置的部分剖面圖；
[0123]圖67B是圖66的扭矩傳輸配置的剖面圖；
[0124]圖68A是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的連接到電磁電機的扭矩傳輸配置的示意圖；
[0125]圖68B是圖68A的扭矩傳輸配置的剖面圖；
[0126]圖69A到圖69C是根據(jù)本發(fā)明的實施例的電磁渦輪機的作為轉(zhuǎn)子直徑的一個函數(shù)的不同特征的繪圖；
[0127]圖70是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的渦輪機的剖面圖；
[0128]圖71是當采用補償線圈時通過圖70的渦輪機產(chǎn)生的磁場的繪圖；
[0129]圖72是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的渦輪機的剖面圖；
[0130]圖73A是圖72的渦輪機的扭矩傳輸配置的剖面圖；
[0131]圖73B是描繪圖72的渦輪機的扭矩傳輸配置的示意圖；
[0132]圖74是鄰近的兩個螺線管之間產(chǎn)生的力的繪圖；
[0133]圖75是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的渦輪機的剖面圖；
[0134]圖76是描繪電流流過圖75的渦輪機的剖面圖；
[0135]圖77是圖75的渦輪機的線圈所產(chǎn)生的磁場的繪圖；
[0136]圖78是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的渦輪機的剖面圖；
[0137]圖79是圖78的渦輪機的線圈所產(chǎn)生的磁場的繪圖；
[0138]圖80是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的渦輪機的剖面圖；
[0139]圖81是描繪電流流過圖80的渦輪機的剖面圖；
[0140]圖82是在圖80的渦輪機中所使用的線圈所產(chǎn)生的磁場的繪圖；
[0141]圖83是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的在渦輪機中所使用的線圈所產(chǎn)生的磁場的繪圖；
[0142]圖84是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的在渦輪機中所使用的線圈所產(chǎn)生的磁場的繪圖；
[0143]圖85是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的在渦輪機中所使用的線圈所產(chǎn)生的磁場的繪圖；
[0144]圖86是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的在渦輪機中所使用的線圈所產(chǎn)生的磁場的繪圖；
[0145]圖87是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的在渦輪機中所使用的線圈所產(chǎn)生的磁場的繪圖；
[0146]圖88是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的在渦輪機中所使用的線圈所產(chǎn)生的磁場的繪圖；
[0147]圖89是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的渦輪機的剖面分解圖；
[0148]圖90是描繪電流流過圖88的渦輪機的剖面圖。

【具體實施方式】
[0149]參考圖1，其示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的一個高速電磁渦輪機100的實施例。如圖所示，渦輪機100包括由一連串的導(dǎo)電線圈102^1022,1023> 1024,1025,1026,1027和一連串的轉(zhuǎn)子103^03^(^ 1034、1035、1036形成的機體101。當然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員將認識到的是，圖1所示類型的高速電磁渦輪機可以由至少一個線圈和轉(zhuǎn)子或任意數(shù)量的轉(zhuǎn)子和線圈來構(gòu)成(即，線圈和轉(zhuǎn)子的數(shù)量可以是從I到η的范圍，取決于渦輪機100的期望尺寸)。線圈102^102^1023^ 1024,1025,1026,1027以串聯(lián)方式連接以形成長螺線管來產(chǎn)生需要的磁場，以使得在施加流過渦輪機100的驅(qū)動電流時渦輪機100內(nèi)的轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。
[0150]所示的轉(zhuǎn)子103^103^103^ 1034、1035、1036被安裝在軸104上。軸104相對于線圈102^102^1023^ 1024,1025,1026,1027的中心軸被共軸地放置。在該特定示例中，轉(zhuǎn)子103”1032、1033、1034、1035和1036被固定到自由旋轉(zhuǎn)的軸104上。當然，本領(lǐng)域技術(shù)人員將認識到的是，可以固定軸而讓轉(zhuǎn)子103^103^103^103^103^1036圍繞軸104自由旋轉(zhuǎn)。在這種配置中，可以經(jīng)由允許每個轉(zhuǎn)子獨立于軸104旋轉(zhuǎn)的軸承來將轉(zhuǎn)子103” 1032、1033、1034、1035、1036安裝到軸上。
[0151]每個轉(zhuǎn)子耦接到第二軸105上以允許轉(zhuǎn)子之間產(chǎn)生電流傳輸。在這種情況中，每個轉(zhuǎn)子通過布置在每個轉(zhuǎn)子103^103^103^103^103^1036外圍的導(dǎo)電條106和齒輪107 (見圖3)電和機械地耦接到第二軸105。每個導(dǎo)電條106。1062、1063、1064、1065、1066 和齒輪 1T1UOT2, 1073、1074、1075、1076 與沿著第二軸 105 的長度方向彼此隔開的驅(qū)動傳輸組件和電流傳輸組件共同工作。
[0152]在這種情況下，在第二軸上的每個驅(qū)動傳輸組件和電流傳輸組件包括與齒輪109耦接的導(dǎo)電環(huán)108，齒輪109連接到電刷110，電刷110與匯流條111的一端耦接。匯流條111的另一端連接到第一軸104以提供指向安裝在第一軸上的多個串聯(lián)轉(zhuǎn)子當中的下一個轉(zhuǎn)子的回流路徑。隨著電流經(jīng)由電刷IU1被施加到轉(zhuǎn)子1031;電流流過轉(zhuǎn)子103的徑向輪輻傳輸?shù)綄?dǎo)電條106。之后，電流經(jīng)由導(dǎo)電環(huán)108與導(dǎo)電條106的接觸傳輸?shù)綄?dǎo)電環(huán)108并流過齒輪109和電刷110到達匯流條111 (轉(zhuǎn)子內(nèi)和轉(zhuǎn)子之間的電流傳輸?shù)母釉敿毜恼f明在下面結(jié)合圖2和圖3討論)。在這種情況下，齒輪109允許由于驅(qū)動電流在轉(zhuǎn)子1S1上所產(chǎn)生的扭矩被轉(zhuǎn)換到第二軸105，使得第二軸105與轉(zhuǎn)子103^103^103^103^103^1036以及第一軸104—致地旋轉(zhuǎn)。采用這種方式來使第二軸旋轉(zhuǎn)，可以減少導(dǎo)電元件(即，導(dǎo)電條 106^106^ 1063、1064、1065、1066 和環(huán) 1S1UOS2' 1083、1084、1085、1086)上的磨損。
[0153]圖2是圖1的渦輪機的部分剖面俯視圖，其描繪了驅(qū)動電流流過渦輪機的傳輸路徑201 (以紅色示出)。隨著電流經(jīng)由電刷IU1被施加到轉(zhuǎn)子1031;電流傳輸?shù)綄?dǎo)電條106”之后,通過導(dǎo)電環(huán)1s1與導(dǎo)電條1e1的接觸而將電流傳輸?shù)綄?dǎo)電環(huán)1s1，導(dǎo)電環(huán)1s1轉(zhuǎn)而將電流通過齒輪10%傳輸?shù)诫娝lOp電刷IlO1將電流傳輸?shù)絽R流條Ill1，作為橋路的匯流條Ill1用于將電流傳回到布置在第一軸104上的電刷1131;電刷113i對串聯(lián)的轉(zhuǎn)子103^103^103^103^103^1036 當中的第二轉(zhuǎn)子 1032 饋電。
[0154]來自第二轉(zhuǎn)子1032的電流之后通過導(dǎo)電條1062被傳輸?shù)降诙S105上的導(dǎo)電環(huán)1082。之后，電流通過齒輪1092和電刷IlO2傳輸?shù)絽R流條Ill2再到電刷1132并進入第三轉(zhuǎn)子1033。之后，經(jīng)由導(dǎo)電條1063、1064和1065、導(dǎo)電環(huán)1083、1084和1085、齒輪1093、1094和1095、電刷1103、1104和IlO5以及匯流條1113、Ill4和Ill5的相關(guān)組合通過串聯(lián)互連電刷1133、1134和1135將電流傳輸通過剩余的轉(zhuǎn)子1034、1035和1036。在這種情況下，由于轉(zhuǎn)子1036是串聯(lián)的最后轉(zhuǎn)子，因此其提供了從渦輪機到完結(jié)串聯(lián)電路的回流路徑的驅(qū)動電流聯(lián)接。在這種情況下，轉(zhuǎn)子1036的導(dǎo)電條1066將電流傳輸?shù)綄?dǎo)電環(huán)1086，導(dǎo)電環(huán)1086轉(zhuǎn)而將電流傳輸?shù)诫娝?122，電刷1122被連接到使渦輪機的串聯(lián)電路完結(jié)的電線上。
[0155]從上述討論可知，除了匯流條之外，第一軸104和第二軸105上布置的各種組件與它們各自的軸相一致地旋轉(zhuǎn)。為了提供軸104和105之間的必要導(dǎo)電連接，匯流條Illp
1112、1113、1114、1115必須相對于軸104、105以及它們各自組件的相對移動保持固定。因此，匯流條IiiiUii2UII3UII4UII5的每個通過允許軸104、105獨立于匯流條Ill1Ull2'
1113、1114、1115旋轉(zhuǎn)的軸承組來安裝到軸上。本領(lǐng)域的技術(shù)人員還應(yīng)當認識到的是，帶電組件與軸104和105之間的絕緣同樣被設(shè)置，以降低沿著每個軸的長度方向流動的電流的可能性(即，最大電流通過上述電流傳輸機構(gòu)被施加流過每個轉(zhuǎn)子)。
[0156]圖3描述了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的轉(zhuǎn)子103的一種可能的構(gòu)造。如圖所示的，轉(zhuǎn)子103包括輪轂301，該輪轂經(jīng)由圍繞輪轂徑向間隔開的一組輪輻303連接到輪圈302。圍繞輪圈302的外圍布置的是導(dǎo)電條106和齒輪107。如圖所示，輪轂301包括允許在軸104上安裝轉(zhuǎn)子103的孔304。在使用中，電流從電刷傳到輪轂301，從此處電流如箭頭305所示從輪轂301沿著每個輪輻303向外輻射到輪圈302和導(dǎo)電條106。同樣在圖3中示出的是若干用于渦流抑制的電動元件306(下面詳細討論)。
[0157]在本發(fā)明的一個實施例中，轉(zhuǎn)子由銅制成，之后用鎳、銀或其他高導(dǎo)電性金屬電鍍，齒輪107與輪圈302 —體形成。在這種情況下，齒輪107也起到導(dǎo)電結(jié)構(gòu)的作用并且用于將電流傳輸?shù)讲贾糜谳S105上的齒輪109?；蛘?轉(zhuǎn)子可以由鈦、纖維復(fù)合材料或其他高阻抗或非導(dǎo)電性材料制成。在這種情況下，將電流傳輸?shù)綄?dǎo)電條106的操作可以通過在輪轂和輪輻的外表面上布置諸如高溫超導(dǎo)體(例如，HTS帶材)之類的超導(dǎo)材料來實現(xiàn)?；蛘?，超導(dǎo)材料可以與轉(zhuǎn)子的外表面粘合以提供所需要的電流傳輸機構(gòu)。導(dǎo)電條106可以是由連續(xù)式金屬纖維電刷所形成的單個連續(xù)條的形式?；蛘?，導(dǎo)電條可以是由連續(xù)式金屬纖維電刷所形成的多個重疊薄片的形式。連續(xù)式金屬纖維電刷可以是美國專利第6，245，440所公開的類型或其他適當?shù)膶?dǎo)電纖維電刷。
[0158]根據(jù)本發(fā)明的高速渦輪機的替換布置在圖4中描述。在該示例中的渦輪機400由平行排列并且機械和電連接的一對渦輪機401、402構(gòu)成。
[0159]在該情況下，渦輪機401與參考圖1所討論的上述渦輪機構(gòu)造類似，包括由一連串用于提供大致均勻的磁場的導(dǎo)電線圈405^405^405^4050 405^405^4057以及連接到可旋轉(zhuǎn)軸409的一連串的轉(zhuǎn)子407^407^407^407^4075、4076 (第一轉(zhuǎn)子)所形成的機體。每個轉(zhuǎn)子包括與相鄰的渦輪機402 (下面詳細討論)的轉(zhuǎn)子共同工作的導(dǎo)電刷411ρ4112、4113、4114、4115、4116 和齒輪 413^413^413^4130 413^413^
[0160]渦輪機402包括由一連串用于提供大致均勻的磁場的導(dǎo)電線圈404^404^404^4044、4045、4046、4047以及連接到可旋轉(zhuǎn)軸408的一連串的轉(zhuǎn)子406^406^406^406^406^4066(第二轉(zhuǎn)子)所形成的機體。每個轉(zhuǎn)子包括與相鄰渦輪機401的轉(zhuǎn)子的電刷411p4112、4113、4114、4115、4116 接觸的導(dǎo)電條 412^412^4123,4124,4129 4126 0 轉(zhuǎn)子 406^406^406^
4064、4065、4066的每個還包括與相鄰渦輪機401的轉(zhuǎn)子的齒輪413ρ4132、4133、4134、4135、4136 共同工作的齒輪 414^414^414^4140 414^4146 0 一連串的電刷 410^410^410^410^4105 將轉(zhuǎn)子 406^4063,4063^4064,4065 電耦接到匯流條 415^415^4153^4154,4155 的一端，匯流條415^415^415^415^4155的相對端通過一連串的電刷417^417^417^417^4175電耦接到轉(zhuǎn)子 4072、4073、4074、4075、4076。
[0161]如上所述，渦輪機401和402通過一連串的匯流條415^415^415^415^4155互相連接。與圖1的渦輪機的情況一樣，匯流條4151、4152、4153、4154、4155起到軸409與408之間的回流橋路的作用。如圖5所示，驅(qū)動電流(如箭頭419所標記)通過電纜418被施加流過第一渦輪機的軸409到電刷403i，之后被傳輸?shù)睫D(zhuǎn)子407i，來自轉(zhuǎn)子407i的電流和扭矩隨后通過電刷4111與導(dǎo)電環(huán)412i的接觸以及齒輪413i和41七的嚙合而被傳輸?shù)睫D(zhuǎn)子406”來自轉(zhuǎn)子406i的電流之后通過電刷MO1傳輸?shù)絽R流條415i的一端以回到渦輪機401，并通過電刷417i與匯流條415i的相互作用到達轉(zhuǎn)子4072。電流和扭矩傳輸?shù)念愃七^程在渦輪機401的剩余轉(zhuǎn)子4072、4073、4074、4075、4076和渦輪機402的剩余轉(zhuǎn)子4062、4063、4064、
4065、4066 中發(fā)生。
[0162]因此，通過由電刷411^411^411^411^411^411 與相關(guān)導(dǎo)電條 4122、4123、4124、4125、4156的相互作用所形成的串聯(lián)電路來使電流在渦輪機之間來回傳輸，所述相互作用允許電流通過電刷4142、4143、4144、4155傳輸?shù)狡湎鄬?yīng)的匯流條4152、4153、4154、4155并隨后傳輸?shù)綔u輪機401內(nèi)的下一轉(zhuǎn)子4072、4073、4074、4075、4076。如圖所示的，電流在渦輪機401與402之間連續(xù)傳輸直到電流通過電刷4032從轉(zhuǎn)子4066流出到使串聯(lián)電路完結(jié)的電纜 418。
[0163]圖6A和圖6B中示出了渦輪機401的第一轉(zhuǎn)子407與渦輪機402的第二轉(zhuǎn)子406的相互作用的細節(jié)圖，該相互作用用于實現(xiàn)兩者之間的電流和扭矩傳輸。圖6A描述了電流傳輸配置，其中電刷411是由多個從第二轉(zhuǎn)子407的輪圈602向外延伸的導(dǎo)電薄片601所組成的。在該情況下，薄片601的自由端朝輪圈602向后折疊，使得每個薄片的一部分與輪圈602大致相切。以這樣的方式形成薄片601的設(shè)計是為了降低當薄片與布置在第二轉(zhuǎn)子406的輪圈604的外圍上的導(dǎo)電條412接觸時對薄片的磨損。隨著每個薄片的大致正切部分接觸導(dǎo)電條，其朝輪圈602向內(nèi)彎曲，從而降低了薄片與導(dǎo)電條412的表面之間的摩擦量，同時具有用于電流傳輸?shù)脑黾拥慕佑|面積。
[0164]圖6B描述了形成電刷411的薄片601的替換配置。如圖所示，在該情形下薄片以導(dǎo)電環(huán)的形式布置在輪圈602的外圍上。隨著每個薄片與導(dǎo)電條412接觸，其朝向輪圈602壓縮，采用此方式的導(dǎo)電環(huán)的壓縮也降低了導(dǎo)電條412與薄片的表面之間的摩擦，同時維持良好接觸以有助于低損耗的電流傳輸。此外，該設(shè)計的薄片601最佳適用于渦輪機需要前進或后退操作的情形。
[0165]在圖6A和圖6B的兩種情況中，電流傳輸是從第一轉(zhuǎn)子407到第二轉(zhuǎn)子406的，即，渦輪機以向前的方向被驅(qū)動。如圖所示，電流從第一轉(zhuǎn)子407的輪轂沿著每個輪輻603被傳輸(如箭頭600所標記)到輪圈602，并且隨后傳輸?shù)诫娝?11的薄片601。電流在薄片601和導(dǎo)電條412之間的接觸點流過薄片601到達導(dǎo)電條412。電流之后從導(dǎo)電條412傳輸?shù)捷喨?04并通過徑向輪輻605到達第二轉(zhuǎn)子406的輪轂(未示出)，之后通過電刷414 (未示出)傳輸?shù)絽R流條415。
[0166]圖6C描述了第二軸406和匯流條415之間的電流傳輸配置的細節(jié)。如上所述的，電流通過位于轉(zhuǎn)子406和匯流條之間的電刷410從轉(zhuǎn)子406傳輸?shù)絽R流條。在本示例中，電刷410包括多個連接到與匯流條415接觸的導(dǎo)電基底材料607上的薄片606。如圖所示，在本示例中，大多數(shù)的薄片606與轉(zhuǎn)子406的輪轂接觸，若干薄片606與轉(zhuǎn)子406的徑向輪輻605接觸。在本示例中，電刷410被安裝為與第二渦輪機的軸(未示出)相一致地旋轉(zhuǎn)。雖然該種直接電刷連接形式將受到磨損，但是磨損度顯著低于在第一轉(zhuǎn)子407上的電刷的磨損度。因為布置在第一轉(zhuǎn)子的外圍上的電刷所經(jīng)歷的角速度比安裝到渦輪機的軸上的電刷所經(jīng)歷的角速度高一定因數(shù)，該因數(shù)正比于內(nèi)部和外部電刷之間的半徑差。
[0167]從匯流條415到一連串的第一轉(zhuǎn)子中的下一轉(zhuǎn)子407的電流傳輸機構(gòu)在圖6D中示出。如先前所討論的，從匯流條415到一連串的第一轉(zhuǎn)子中的下一轉(zhuǎn)子的電流傳輸受到電刷417與匯流條415的接觸的影響。與電刷410 —樣，電刷417由多個連接到導(dǎo)電基座609的導(dǎo)電薄片608組成，導(dǎo)電基座609與耦接到一連串的第一轉(zhuǎn)子中的下一轉(zhuǎn)子的導(dǎo)電套管610緊密配合。如圖所示，薄片608與匯流條415的背端表面完全接觸。再次地，隨著電刷417與套管610和軸(未示出)的旋轉(zhuǎn)，存在匯流條的背面對電刷417的磨損。然而，與電刷相關(guān)的磨損顯著低于將電刷布置在第一轉(zhuǎn)子的外圍上的情況下的磨損。
[0168]參考圖7A和圖7B，其示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的高速渦輪機的配置。在該特定示例中，渦輪機700包括容納在一連串的提供大致均勻磁場的線圈709內(nèi)的排列為第一行的多個轉(zhuǎn)子701^7011^701^,701^和第二行的轉(zhuǎn)子701^7011^7011^70^^在渦輪機機體內(nèi)的第一行轉(zhuǎn)子和第二行轉(zhuǎn)子的安裝類似于上面結(jié)合圖4和圖5所討論的雙機體渦輪機的安裝。如圖所示，來自第一行YOlujOlujOlyjOlu的轉(zhuǎn)子被安裝到渦輪機700的第一驅(qū)動軸702，而第二行轉(zhuǎn)子701^7011^701^701^被安裝到第二驅(qū)動軸703。第一行中的每個轉(zhuǎn)子包括與第二行轉(zhuǎn)子701^301^301^301^內(nèi)的相鄰轉(zhuǎn)子共同工作的電刷 705^705^7053^7054 和齒輪 707^707^707^707^
[0169]如圖7B 所示，第一行轉(zhuǎn)子 701^701“ JOIi3JOI1,4 和第二行轉(zhuǎn)子 7012;1、7012，2、7012，3、7012,4電和機械地與提供了第一軸702和第二軸703之間的額外物理連接的匯流條704^704^7043 一起耦接。匯流條704^704^7043還起到第一行轉(zhuǎn)子701^701^701^7011;4和第二行轉(zhuǎn)子701^7011^701^301^內(nèi)交替轉(zhuǎn)子之間的電流橋路的作用。當驅(qū)動電流如箭頭716所標記地通過輸入電纜715i被施加流過電刷717i到達第一驅(qū)動軸702時，電流716被傳輸?shù)睫D(zhuǎn)子701“，并通過電刷705i與布置在轉(zhuǎn)子7012;1的外圍上的相應(yīng)導(dǎo)電條706i的接觸所形成的電互連來流到轉(zhuǎn)子7012;1。由于第一軸702的旋轉(zhuǎn)給予轉(zhuǎn)子701Μ的扭矩通過齒輪707i與布置在轉(zhuǎn)子7072;1的外圍上的相應(yīng)齒輪708i的共同作用而轉(zhuǎn)換到轉(zhuǎn)子7012;1。經(jīng)過導(dǎo)電條706i所提供的電流被傳輸流過轉(zhuǎn)子7012Λ到達與匯流條701耦接的電刷YlO1，匯流條將電流通過電刷713i傳回轉(zhuǎn)子7011;2。該電流的連續(xù)傳輸通過由電刷7052、7053和7054與相關(guān)導(dǎo)電條7082、7083、7084的相互作用所形成的串聯(lián)電路而重復(fù)流過第一和第二轉(zhuǎn)子行的轉(zhuǎn)子和7012,2、7012,3，所述相互作用允許電流被傳輸流過相關(guān)電刷7102、7103、7132、7133與匯流條7042、7043的組合，之后通過將轉(zhuǎn)子7012，4耦接到回流電纜7152以完成該串聯(lián)電路的電刷7172流出。
[0170]如圖7A和圖7B中所示，該轉(zhuǎn)子的特定配置允許連接線圈709以形成牢固的機體，即，在線圈之間不需要容納扭矩和電流傳輸配置的物理間隙。如此，該配置允許多加利用內(nèi)部產(chǎn)生的磁場，由此產(chǎn)生更大的扭矩。除此之外，渦輪機的機體的形狀還意在增加磁場的使用，更具體地，線圈在第一轉(zhuǎn)子行7011，1、7011，2、7011，3、7011，4與第二行轉(zhuǎn)子行7012，1、7012，2、7012，3、7012,4之間的接觸區(qū)域中是卷曲的。合成類似于雙筒望遠鏡的形狀，因此 申請人:將圖7A和圖7B中所示的配置稱作雙筒渦輪機。雙筒渦輪機的一個優(yōu)點是其對磁場利用能力的提升，另一個優(yōu)點是形成螺線管的線圈709之間無需間隙，因此與相同功率的上述單和雙渦輪機示例相比降低了整體尺寸。
[0171]本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當認識到的是，所有上述討論的示例使用金屬齒輪配置來傳遞第一軸和第二軸之間的扭矩，因此存在當嚙合時每個齒輪的齒之間產(chǎn)生電弧的可能性。為了降低電弧的可能，相鄰齒輪之間的距離可以被調(diào)整以改變嚙合的齒輪表面之間產(chǎn)生的接觸面的大小。如何進行這種改變的一個示例可以如圖7C中所示的提供，圖7C描述了以雙筒配置排列的雙轉(zhuǎn)子渦輪機800。
[0172]在本示例中，渦輪機800包括線圈801，線圈801中安裝有第一軸802和第一轉(zhuǎn)子803。這種情況下，第一軸安裝在兩個固定軸承804和8042之間。與上面討論的示例一樣，第一轉(zhuǎn)子803通過導(dǎo)電環(huán)805和齒輪806與安裝在第二軸810上的第二轉(zhuǎn)子809的導(dǎo)電條807和齒輪808電和機械地耦接。為了改變齒輪806和808之間的接觸程度，第二軸被安裝在由可移動彈簧承載的軸承底座811dP Sll2上，由于作用在彈簧上的拉力等級而由彈簧所產(chǎn)生的力如箭頭812所示的朝向第一軸。通過調(diào)整底座內(nèi)的彈簧上的拉力，轉(zhuǎn)子809和軸810可如箭頭813所示地朝向或遠離第一轉(zhuǎn)子803橫向移動，從而改變齒輪806和808之間的接觸程度。
[0173]如上面所討論的渦輪機示例使用一連串的轉(zhuǎn)子時，同樣期望的是改變轉(zhuǎn)子之間的距離。這可以通過沿著軸移動轉(zhuǎn)子盤并通過使用栓、平頭螺絲、鍵槽等將轉(zhuǎn)子盤固定到軸上來實現(xiàn)。在這類情況下，柔性電線可被用來替換匯流條以引導(dǎo)轉(zhuǎn)子間的電流維持串聯(lián)電流路徑。
[0174]上述示例中，軸與被固定到該軸上的轉(zhuǎn)子可旋轉(zhuǎn)地安裝。因此，由軸所產(chǎn)生的機械功可以容易地通過將軸與驅(qū)動軸等通過行星齒輪系統(tǒng)、電磁離合器或其他適當?shù)膫鬏敳贾民罱觼硌b備。
[0175]本領(lǐng)域的技術(shù)人員還應(yīng)當認識到的是，所產(chǎn)生的扭矩量與磁場強度成正比。在上述示例中，所有渦輪機通過由若干導(dǎo)電線圈連接形成的螺線管產(chǎn)生磁場。雖然可以由標準導(dǎo)電體生產(chǎn)該線圈，但是不夠理想。標準線圈具有非常高的阻抗損耗和低電流密度，導(dǎo)致非常大的空間被線材占據(jù)。除空間關(guān)注點之外，給定尺寸的標準線圈的電阻發(fā)熱也是個關(guān)注點。在給予足夠的電流和時間的情況下，所產(chǎn)生的電阻發(fā)熱可導(dǎo)致線材熔化。 申請人:已發(fā)現(xiàn)由高溫超導(dǎo)體(HTS)材料所構(gòu)造的線圈可以更有效地產(chǎn)生大磁場。這些線圈之后可以疊加并串聯(lián)以形成長螺線管。增加線圈疊加數(shù)量會增加內(nèi)部產(chǎn)生的磁場以及形成與渦輪機機體的長度平行的場線。
[0176]由于螺線管本質(zhì)上是大電感器，其只需要在操作之前進行充電而不需要為了維持磁場而連續(xù)地充電和放電。此外，簡單的低電壓DC功率輸入是維持均勻場的全部所需。此夕卜，形成螺線管還具有所有產(chǎn)生的磁場都被包含在線圈內(nèi)而只有很少磁場散逸到繞線外部的優(yōu)點。這意味著整個所產(chǎn)生的磁場可被用作與轉(zhuǎn)子葉片作用來產(chǎn)生有用功。
[0177]圖8至圖17是由Vector Fields 0pera3d所產(chǎn)生的磁場分布概圖,其描述了不同尺寸的線圈內(nèi)所產(chǎn)生的磁場的方向和強度。在后面的這些示例中，每個線圈由12mm寬的HTS帶材以150mm內(nèi)半徑繞100匝來構(gòu)成。
[0178]圖8是描述了將160A電流施加到10個HTS線圈堆疊組成的螺線管所產(chǎn)生的磁場的剖面圖。如圖所示，由螺線管所產(chǎn)生的磁場(由多個小的紅色箭頭表示)與螺線管的縱軸平行。從該圖像還可以看到大部分磁場包含在螺線管的機體內(nèi)部。圖9是沿著螺線管的內(nèi)壁出現(xiàn)的磁場強度的曲線圖，如圖所示，峰值磁場大約出現(xiàn)在沿著壁的一半的位置并且其強度約IT。
[0179]圖10描述了將160A電流施加到由20個HTS線圈堆疊組成的螺線管所產(chǎn)生的磁場的剖面圖。同樣地，由螺線管所產(chǎn)生的磁場(由多個小的紅色箭頭表示)與螺線管的縱軸平行。除此以外，很顯然的是，由20個線圈螺線管所產(chǎn)生的磁場覆蓋了比由10個線圈版本所產(chǎn)生的磁場顯著更大的區(qū)域。如圖11中所示，20個線圈的螺線管產(chǎn)生的磁場具有比10個線圈版本所產(chǎn)生的磁場更大的面積。然而，該情況下的峰值磁場只略微增加到1.25T。
[0180]圖12示出了將160A電流施加到由30個線圈堆疊組成的螺線管所產(chǎn)生的磁場。同樣地，可以看到通過增加線圈的數(shù)量，所產(chǎn)生的磁場的強度增加。如圖13中所示的，該磁場占據(jù)了比10和20個線圈版本更大的面積并且產(chǎn)生大約1.4T的峰值場。
[0181]圖14描述了使用160A施加電流由42個線圈堆疊組成的螺線管所產(chǎn)生的磁場。與前述示例一樣，所產(chǎn)生的磁場包含在螺線管內(nèi)并且與螺線管的縱軸平行指向。從圖15中可以看出，42個線圈版本比先前示例中所產(chǎn)生的磁場在更大面積上產(chǎn)生更強的磁場，具有大約1.45T的峰值強度。
[0182]圖16示出了使用160A施加電流由線圈組成的一連串間隔的線圈堆疊所構(gòu)成的螺線管所產(chǎn)生的磁場分布輪廓。如圖16所示，包含在螺線管內(nèi)的磁場強度在設(shè)置了間隙的區(qū)域中減弱，但是，仍然通過螺線管產(chǎn)生了足夠大的磁場。圖17示出了沿螺線管內(nèi)壁的磁場強度。如圖所示，由于返回磁通量路徑的原因，在每個間隙處與螺線管的壁正交感應(yīng)的磁場引起0.6T的磁場強度變化。雖然如此，在螺線管內(nèi)所產(chǎn)生的磁場仍保持在可接受級別內(nèi)。
[0183]圖8到圖17中所示的模型和曲線圖清晰地演示了增加線圈數(shù)量引起螺線管長度上的更大磁場。影響磁場強度的另一個因素是施加到線圈的電流量。在電流方面，本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當認識到的是，溫度和外部磁場都影響可提供給超導(dǎo)體(在其歸一化和變?yōu)槠胀▽?dǎo)電體之前)的最大電流。HTS帶材最佳地與平行于該帶材的外部磁場使用，這是由于超導(dǎo)帶材更不可能歸一化。這種行為可以參見圖18，其中的曲線圖由美國超導(dǎo)體的第一代帶材產(chǎn)生。
[0184]圖18的曲線圖示出了帶材暴露于和帶材表面平行的不同的自磁場和外部磁場的、在不同溫度下的不同標度比。標度比是當暴露于已知自磁場或外部磁場時線材的臨界電流除以單片4mm寬線材直片在77開爾文溫度且無外部磁場時的臨界電流之比。在無外部磁場并且77開爾文溫度條件下直片線材的臨界電流通常在90-145安培之間，取決于批次、所使用的基材等。
[0185]為確定12mm寬的帶材在64K條件下暴露于1.4特斯拉平行自磁場時的Ic,可以如下地使用該曲線圖。首先假設(shè)在O特斯拉外部磁場和77k時Ic是100安培。在64K溫度下1.4特斯拉磁場給出的Y軸上標度比約為0.9 (即，0.9x100 = 90安培)。這是針對4mm寬的帶材，所以對于12mm寬的帶材，臨界電流Ic將是三倍，得到270安培l(xiāng)c。這表明形成渦輪機機體的螺線管可以提供高達270安培的電流來產(chǎn)生遠大于1.4特斯拉的磁場。對于42個堆疊線圈的渦輪機機體，在160安培時的峰值磁場只略高于1.45特斯拉。
[0186]不幸的是,如圖19所示，當暴露于正交磁場時,HTS帶材不具有相同的性能。當外部或自感磁場在64開爾文溫度下是正交的時，0.9的標度比將允許的自磁場或外部磁場限制為大約0.2特斯拉，或針對12mm寬的帶材的0.6特斯拉。
[0187]盡管圖8到圖17所示的示例顯示了磁場與渦輪機機體平行，但例外情況出現(xiàn)在端部或間隙附近，在圖16和圖17的渦輪機的情形中，磁場方向隨著磁場開始從北極到南極的返回路徑而發(fā)生改變。因此，在螺線管的端部，感應(yīng)磁場與帶材表面正交。這種逆轉(zhuǎn)的效果是在給定溫度被送入線圈的電流量被該磁場逆轉(zhuǎn)的強度有效地限制。一種克服這種限制的方式是通過使用基于鐵氧體的磁導(dǎo)來有效地“指引”通量逆轉(zhuǎn)輸出并遠離機體的端部。在變換磁場中，使用這種磁導(dǎo)出現(xiàn)由磁滯所引起的另一損耗因素，但是由于外部線圈所產(chǎn)生的磁場保持穩(wěn)定狀態(tài)，所以使用鐵氧體磁導(dǎo)來獲取更高等級的線圈性能看起來得到了保證。
[0188]用于不同形狀的磁導(dǎo)有效性研究的鐵氧體的選擇是典型的低碳冷軋鋼，主要由于可得性和其相對高的飽和點(約2T)的因素而被選擇。雖然存在其他的具有更高導(dǎo)磁曲線的材料，但是它們通常存在諸如低飽和點、可得性、工作性能或當試圖開發(fā)計算機模型時難以在飽和點或附近獲取高導(dǎo)磁材料中收斂的非線性解之類的問題。
[0189]基本上，各種磁導(dǎo)的幾何圖形被建模和檢查。最佳表現(xiàn)的示例通常由大的矩形螺旋管形磁導(dǎo)所組成。這些磁導(dǎo)中，使用具有比機體內(nèi)半徑小50mm的內(nèi)半徑、比機體外半徑小1mm的外半徑和深度大約60mm的螺旋管且在與機體的端部相鄰處獲得更低的正交場值。侵入機體的內(nèi)部區(qū)域中導(dǎo)致更早地通量逆轉(zhuǎn)，驗證了產(chǎn)生相反效果。
[0190]為了說明清楚和簡潔，圖20和圖22中示出了單個磁導(dǎo)。此外，僅描述單個磁導(dǎo)清晰地示出了該磁導(dǎo)在線圈的端部對磁場的影響。當然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當認識到的是，在實際應(yīng)用中，磁導(dǎo)將被安裝到線圈的兩端(見圖24)以降低在這些區(qū)域中產(chǎn)生的正交磁場的影響。
[0191]使用該磁導(dǎo)及其在螺線管的端部對磁場的影響的一個示例在圖20中示出。參考先前提供的Jc/JcO數(shù)據(jù)，合理的是期望能夠通過這些線圈運行160A，這是由于這些線圈在大約64-70K溫度下受到1.5T的平行磁場和小于0.2T的正交磁場作用。將磁導(dǎo)安裝到端部，可看到對從螺線管出來的磁場的重塑，更具體地，靠近內(nèi)端的峰值場如圖21所示地降低。在圖20的磁導(dǎo)的情形中，靠近螺線管的內(nèi)邊緣的磁場顯示了在目標范圍內(nèi)約0.15T的正交磁場。
[0192]圖22描述了用于本發(fā)明的渦輪機的磁導(dǎo)的替換配置。在該特定示例中，磁導(dǎo)具有圓錐形狀并且指引磁場輸出并遠離螺線管的端部。如從圖23的正交場曲線可見的那樣，相對于圖16和圖17中所示的情況中的0.6T的變化，圓錐形的磁導(dǎo)將正交磁場降低到具有約0.25T峰值的接近最優(yōu)的等級。
[0193]在上面討論的單和雙渦輪機模型的情況中，螺線管包括一連串的允許扭矩和電流在第一軸和第二軸之間傳輸?shù)拈g隙。由于這些間隙，沿著螺線管的長度方向上可產(chǎn)生大量的正交磁場變化。圖24顯示了鐵氧體磁導(dǎo)布置于任意端部的有間隙的螺線管的模型。在圖25中，可以看到磁場變化保持在0.23-0.25T以下，因此，可以看出使用外部磁導(dǎo)足夠?qū)崿F(xiàn)接近目標磁場的規(guī)格。
[0194]本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當認識到HTS帶材的性能，因此通過降低HTS帶材的65-70K之間的理想溫度范圍的溫度將顯著地改善渦輪機。如本領(lǐng)域的技術(shù)人員將認識到的，如果溫度可以降低到15K那么低，那么可以實現(xiàn)HTS帶材的性能的更進一步改善。由于最優(yōu)范圍處于過冷液氮范圍內(nèi)， 申請人:設(shè)想渦輪機將包括諸如史特靈(Stirling)循環(huán)低溫冷卻器之類的低溫冷卻系統(tǒng)來將渦輪機置于具有溫度范圍15-17K的低溫包覆中。
[0195]如上面簡略提及的，所關(guān)注的損耗的一個方面是在渦輪機組件的部件中產(chǎn)生的渦流，特別是在渦輪機轉(zhuǎn)子中。在轉(zhuǎn)子是由導(dǎo)電材料形成的情況下，主要的關(guān)注方面是輪圈/齒輪界面，次要的關(guān)注方面是內(nèi)鼓輪和電刷接觸。簡單的細線材情況下由渦流所引起的功率損耗(P)可以通過下式計算:
K1Bld1 f
[0196]P =---1lpD
[0197]其中D是穿透深度:

I
[0198]B =..............γ==
4郝σ
[0199]上述方程式的參數(shù)包括Bp:峰值通量密度(T)，d:片材厚度或線材直徑(m)，P:電阻率(Ωπι)，σ:導(dǎo)電率，μ:導(dǎo)磁率以及f:頻率。
[0200]通過考慮這些方程的高階項，可以看到對產(chǎn)生渦流具有較大影響的屬性類型。對于渦輪機組件的普通導(dǎo)電元件，影響和最小化渦流產(chǎn)生的因素包括使用更低的磁場強度或減慢變化頻率(兩者都影響扭矩和功率輸出并因此起到反作用)。使用更薄的型材或?qū)⒉牧现丿B來降低d分量，以減少渦流能夠環(huán)繞的路徑寬度。此外，通常不載流的型材可以用具有更高電阻率的材料制作，其通過額外阻抗來阻止環(huán)流的產(chǎn)生。
[0201]對于超導(dǎo)電元件而言，渦流問題受另一個作用的支配。超導(dǎo)體的一個受關(guān)注性能是它們呈現(xiàn)逆磁性。即，當冷卻到臨界溫度以下時，先前能夠通過普通導(dǎo)電狀態(tài)的材料的磁場被從該材料內(nèi)排斥。磁場無法穿過導(dǎo)電體是在超導(dǎo)樣本中出現(xiàn)懸浮行為的原因。這也意味著渦流無法在超導(dǎo)材料內(nèi)形成。該磁場排斥被稱作邁斯納效應(yīng)。因此， 申請人:設(shè)計出若干方法用于抵消任何的渦流產(chǎn)生。
[0202]第一個方法是通過類似于在懸浮列車中使用的電動懸浮概念的處理。由于超導(dǎo)體具有逆磁性，所以它們天然地從內(nèi)部排斥場。該特性在懸浮列車上利用，在線圈內(nèi)所產(chǎn)生的將線圈上感生的渦流抵消的磁場被用作防止由于渦流產(chǎn)生的原因?qū)α熊嚨尿?qū)動機構(gòu)的額外阻力。在引擎的情況下，通過纏繞閉環(huán)HTS線材來覆蓋如圖3所示的內(nèi)部和外鼓輪元件的側(cè)壁來有效地屏蔽或抵消任何渦流。
[0203]第二個方法同樣涉及圍繞外輪圈/齒輪界面和鼓輪與電刷接觸面纏繞HTS線材，然而，在該方法中，所纏繞的線圈并非閉環(huán)而是串聯(lián)連接到電源。這使得流過繞線的電流產(chǎn)生排斥大部分或全部外部磁場的強磁場，因此降低了穿過材料的渦流。存在大量的方法來實現(xiàn)配電路徑，一個可能的方法是讓導(dǎo)電電纜在絕緣軸內(nèi)部運行，所有轉(zhuǎn)子盤圍繞該絕緣軸旋轉(zhuǎn)。電流隨后可被提供給位于內(nèi)鼓輪上的線圈并從該線圈流到外鼓輪/齒輪界面上的線圈。從這里電流可以被傳遞到下一個轉(zhuǎn)子盤的內(nèi)鼓輪，回到外輪圈/齒輪界面等等。
[0204]第三個方法使用永磁體來排斥外部磁場并減少渦流。磁體類似地被置于外鼓輪/齒輪界面和內(nèi)鼓輪與電刷接觸面處。永磁體可以制成需要的大小和磁場強度。磁場強度(雖然固定)能夠通過選擇適當?shù)燃墎泶_定。釹稀土磁體傾向于最穩(wěn)定并提供最強磁場。
[0205]第四個方法是不使用線圈或永磁體來排斥外部磁場而是通過材料選擇來使渦流最小化。推薦使用鈦來構(gòu)造渦輪機鼓輪，即，葉片框架、輪轂和齒輪都用鈦來構(gòu)造。鈦具有優(yōu)良的機械性質(zhì)，比起其他材料，使用更少的鈦材料能實現(xiàn)類似渦輪機鼓輪的機械強度。通過減少沿著易受渦流影響的區(qū)域的材料厚度，將進一步阻止渦流產(chǎn)生。鈦的電阻是銅的25倍(鈦420η Ω /m,與此比較，銅16.78η Ω /m)。該更高阻抗使得渦流的自由流動更加困難并因此在渦輪機鼓輪的表面內(nèi)產(chǎn)生更小渦流。理想的方案仍然涉及使用超導(dǎo)材料作為內(nèi)輪轂和外輪圈之間的路徑，這是由于超導(dǎo)材料具有排斥渦流的逆磁性。鈦組件可以涂覆有或鍍有諸如銅或銀之類導(dǎo)電表面來具體地幫助齒輪界面或其他電-機械界面之間的傳導(dǎo)。除鈦之外，可以使用其他具有適當機械性能和低導(dǎo)電性的材料。
[0206]如上所討論的，顯而易見的是，影響渦輪機性能的基本設(shè)計問題是螺線管內(nèi)的磁場的設(shè)計。為了最大化渦輪機效率，需要高強度的軸向磁場。在下面的示例中，由于在65開爾文溫度下對超導(dǎo)帶材的限制，磁場被限制在約1.4-1.5特斯拉。產(chǎn)生該磁場所需要的雙渦輪機或雙筒渦輪機的外部線圈中的電流大約是160-170安培。如果對于約300A的更高電流限制允許額外的冷卻，則可以實現(xiàn)大于3特斯拉的磁場。 申請人:設(shè)想隨著HTS帶材和低溫技術(shù)的發(fā)展，使用例示線圈布置可以實現(xiàn)3-4特斯拉的磁場。
[0207]圖26示出了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的用于構(gòu)造單和/或雙渦輪機的由42個HTS線圈堆疊所形成的螺線管(如剖視示出)的場分布輪廓。如圖所示，螺線管內(nèi)的磁場強度(與圖8-17中所示的示例一樣)趨向于在渦輪機機體的中央向靠近每端逐漸減小。在螺線管內(nèi)軸向的場強保持在可接受范圍內(nèi)(即，在距1.4-1.5T的峰值場值的指定公差以內(nèi))的長度量被稱作工作距離。為了最大化渦輪機的效率，轉(zhuǎn)子應(yīng)當位于該工作距離內(nèi)，即，轉(zhuǎn)子被置于具有最高均勻磁場的區(qū)域內(nèi)。同時，將轉(zhuǎn)子置于該區(qū)域內(nèi)起到使得由于渦輪機處于操作中時雜散磁場變化引起的反向電動勢的產(chǎn)生最小化的作用。圖27描述了沿著渦輪機縱軸的磁場強度。在本示例中， 申請人:將螺線管的工作距離定義為從峰值磁場下降不超過10% -15%的區(qū)域。在圖26和圖27的情況中，工作距離大約是200mm，S卩，圖27中的出現(xiàn)磁場下降0.15T的曲線區(qū)域。
[0208]圖28是示出由42個HTS線圈所組成的雙筒螺線管的磁場分布輪廓的部分剖面圖。如圖28所示，在轉(zhuǎn)向中間處(由渦輪機葉片所描述的半徑相交處)存在磁場減少的可能性。在理想情況下，外雙筒線圈的兩個返回弧之間的間隙距離被最小化以產(chǎn)生最大磁場強度。實際上，外HTS層中彎曲半徑的限制以及對各種固定和旋轉(zhuǎn)元件之間的間隙的需要限制了如何制作“縮進去”的雙筒。圖29是沿著圖28的螺線管的內(nèi)邊沿的磁場強度的曲線圖。注意到線圈的中央200mm(即，200mm工作距離)比較均勻。磁場降低的加劇是雙筒線圈的兩半之間需要額外間隙的原因。
[0209]圖30A到圖30D是演示峰值場(B軸)變化和相應(yīng)的輸出扭矩與上述雙渦輪機和雙筒渦輪機的螺線管的繞線中的電流成正比的一系列繪圖。雖然電流范圍略微高于最初指定的，但是所觀察到的比例適用于較低電流的情況。
[0210]圖31A到圖31D的一系列繪圖演示了峰值場和輸出扭矩與構(gòu)成螺線管以形成渦輪機機體的線圈中的繞線匝數(shù)成比例變化。雙筒情況下可見輸出扭矩略微地逐步降低。這使得需要修改間隙距離和雙筒的返回半徑以便容納增加匝數(shù)的繞線的物理尺寸。此外，上述變化的基線電流是300A，這高于期望的160-170A的操作范圍，但是結(jié)果將與電流成比例。
[0211]圖32A和圖32B描述了增加機體大小的影響。由于從雙渦輪機和雙筒情況獲取的扭矩值是相似值，因此只考慮雙渦輪機情況?？梢院侠淼仄谕麑⒂^測到的趨勢應(yīng)用到雙筒情況。有趣的是，在單個鼓輪元件上的力呈現(xiàn)與機體半徑的增加成比例，而所獲得的扭矩呈現(xiàn)出隨著半徑平方的增加而變化。這表明更大的機體尺寸可能獲得更好的性能特征。增加裝置的整體規(guī)模確實對于實驗而言不切實際但是其結(jié)果確實顯示可能性研究的重要線路。
[0212]參考圖33，其示出了使用上述高速渦輪機的上述原理的電機的轉(zhuǎn)子組件900的一個實施例。如圖所示，轉(zhuǎn)子組件900包括安裝在軸901上的一連串轉(zhuǎn)子902^902^902^9024、9025、9026。軸901被相對于轉(zhuǎn)子902^902^902^902^902^9026的中心軸共軸地放置。在該特定示例中，轉(zhuǎn)子902^902^902^902^902^9026被固定到自由旋轉(zhuǎn)的軸901上。當然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員將認識到的是，該軸可以被固定而轉(zhuǎn)子902^902^902^902^902?9026可以圍繞軸901自由地旋轉(zhuǎn)。在這種配置中，轉(zhuǎn)子9021、9022、9023、9024、9025、9026可以通過允許每個轉(zhuǎn)子獨立于軸901旋轉(zhuǎn)的軸承而被安裝到軸901上。
[0213]在本示例中，轉(zhuǎn)子與上面結(jié)合圖3討論的轉(zhuǎn)子具有類似構(gòu)造并且包括通過多個輪輻與輪轂耦接的輪圈。在這種情況下，轉(zhuǎn)子902^902^902^902^902^9026包括與輪圈和輪轂相鄰布置的接觸區(qū)域903JP9032。接觸區(qū)域被設(shè)置用于與安裝在位于每個轉(zhuǎn)子之間的電流傳輸機構(gòu)(定子框架)上的電刷組件接觸。電流傳輸機構(gòu)的構(gòu)造將在下面進一步討論。
[0214]如上述示例中的軸901被用于提供穿過組件的電流/電壓以使得構(gòu)成穿過轉(zhuǎn)子902^902^9023^90 24,90 25,9026的串聯(lián)電路。在這種情況下，轉(zhuǎn)子組件被設(shè)計操作在大約2000A的電流。為了確保最大電流傳輸，軸和轉(zhuǎn)子可允許它們的接觸表面(即，與影響驅(qū)動電流傳輸?shù)碾娝⒔M件直接接觸的表面)鍍金。
[0215]圖34顯示了轉(zhuǎn)子組件900的配置的進一步細節(jié)。如圖所示，軸901在該情況下由耦接到一起形成該軸的輸入部分90^、中間部分9012和輸出部分9013三部分組成。所述軸的輸入和輸出部分由導(dǎo)電材料構(gòu)造而中間部分由絕緣/隔離材料構(gòu)造。在本示例中，整個軸901被設(shè)置具有容納連桿905 (未示出)的通道。在該情況下連桿向軸提供額外的加固，該連桿也可以用絕緣材料覆蓋以使得軸安全地耦接到齒輪組件等(即，外部齒輪等與軸電隔離且不活躍)。
[0216]如圖所示，大部分轉(zhuǎn)子902^902^902^902^9025以離散間距位于中間部分9012上。中間部分9012是一連串的聯(lián)鎖自定位元件，每個元件支撐一個轉(zhuǎn)子902^902^902^9024、9025。轉(zhuǎn)子被間隔開，并且除了轉(zhuǎn)子9026以外都不與軸901的導(dǎo)電部分接觸，在本示例中轉(zhuǎn)子9026被置于軸901的輸出部分9013上。為提供穿過轉(zhuǎn)子的所需串聯(lián)電路，電流傳輸機構(gòu)以定子框架的形式被置于轉(zhuǎn)子之間。轉(zhuǎn)子和定子框架之間的接觸是通過布置在定子框架上的電刷工具實現(xiàn)的。電刷被放置使得它們配合相關(guān)轉(zhuǎn)子的接觸表面。定子框架的構(gòu)造和電刷的配置的細節(jié)在下面作進一步討論。
[0217]包括軸的中間部分9012的元件必須由足夠牢固以傳輸由電機所產(chǎn)生的扭矩的材料構(gòu)造，并且還能夠使得軸的輸入側(cè)QOl1與輸出側(cè)9013絕緣/隔離以防止電機短路。即，所述材料必須是具有適當?shù)臋C械性能的適當絕緣材料。一種適于構(gòu)造中間部分9012的元件的材料是陽極電鍍鋁。鋁表面上的陽極電鍍層形成銅表面和鋁表面之間的電絕緣/隔離層。絕緣/隔離的品質(zhì)(即，擊穿之前可以施加的電壓)是陽極電鍍層厚度的函數(shù)。在本申請中，在鋁組件表面上陽極電鍍40μπι厚度將是足夠的，這是因為只使用低電壓(即，小于10V)。當然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員將認識到的是，可以使用諸如任意合適金屬之類的來提供與導(dǎo)電組件的電絕緣的其他材料或合適的纖維復(fù)合材料等。
[0218]圖35示出了電流傳輸機構(gòu)(定子框架)904的構(gòu)造的更多細節(jié)。如圖所示，定子904在該情況下是由熔為一體以形成該定子的兩部分901和9042組成。定子904在該情況下支撐相鄰輪圈布置的金屬纖維電刷(MFB)組件相鄰輪轂的 MFB 組件 907^907^907^907^907^907^9077 0
[0219]在該特定示例中，定子框架904是由鋁或鈦制造的以降低整體重量，為了進一步降低定子整體重量，可去除最小負荷的區(qū)域908^908^908^9080 908^908^9087中的材料。除了降低定子的整體重量之外，去除9(^、9082、9083、9084、9085、9086、9087還允許對轉(zhuǎn)子組件更有效地實施強制冷卻。在該特定示例中，雖然定子框架是導(dǎo)電性的，但是電阻高于電刷的電阻，因此，電流偏向流過電刷，流過每個電刷組件和定子的電流路徑的更細節(jié)討論將在下面提供。當然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員將認識到的是，盡管在本示例中使用了導(dǎo)電材料，但是非導(dǎo)電材料或具有絕緣涂層的導(dǎo)電材料可以用于構(gòu)造定子框架。
[0220]如圖所示，在該情況下，定子框架904包括一系列的缺口 909^909^909^90?和9095。缺口 909^909^909^90?和9095提供了定子框架904的固定點使得可以將其相對軸901的位置固定。通過將定子框架鎖定到適當位置，由電流流過電刷組件之間而在定子上產(chǎn)生的任何扭矩影響被消除。
[0221]在本示例中，所描述的定子框架具有總計七對電刷，這意味著七個并聯(lián)的電流路徑。所選擇的金屬纖維電刷具有23mmX35mm的橫截面并且每個電刷的額定電流為330A。這意味著七個并聯(lián)的路徑的總額定電流是2310A。圖36示出了電刷的配置以及流過每個定子的電流路徑。在該情況下，示出了一個定子輪輻(即，帶有電刷9061和9071的輪輻)的橫截面。如圖所示，定子904被布置為使得電流從前一轉(zhuǎn)子的外半徑朝向下一轉(zhuǎn)子的內(nèi)半徑。為了抵消進行性電刷磨平，提供片彈簧910來允許電刷組件軸向地移動。除此之外，彈簧910對電刷提供輕微的壓力來確保MFB和相鄰轉(zhuǎn)子之間的連續(xù)接合。
[0222]在本情況下，電刷組件包括通過柔性線材913互連的分流器911和912。該線材完成電刷從內(nèi)到外的回流路徑。由于定子(以及線材)處于2.5T軸向驅(qū)動磁場，因此線材返回路徑受到與半徑正切的力并產(chǎn)生圍繞定子軸的相應(yīng)扭矩。由于定子是固定的，因此生成的扭矩被抵消，但是在柔性線材上的力如果不約束的話，會具有成為電刷負擔并對用于保持電刷與旋轉(zhuǎn)表面接觸的彈簧力產(chǎn)生抵消的可能。通過將線材嵌入到定子框架中，線材在磁場方向上的移動可以被約束。
[0223]如上所述，穿過定子的電路被定向使得電流從輪轂流向輪圈。由于金屬纖維電刷取決于電流流過它們的方向而具有不同的磨損速度。因此連接到正極端子的電刷具有更高的磨損速度而連接到負極端子的電刷由于氧化差異具有更低的磨損速度。同樣的，電刷相對于電流方向的物理方向同樣是電刷磨損量的因素。在這種情況下，在輪圈的電刷比相鄰輪轂布置的電刷受到更多的旋轉(zhuǎn)磨損。因此，由于電流方向的原因，圍繞輪轂放置的電刷導(dǎo)向具有更高的磨損(即，布置在輪轂的電刷實際上是正極端子電刷而輪圈電刷實際上是負極端子電刷)。
[0224]圖37示出了轉(zhuǎn)子上的電流和感應(yīng)力之間的關(guān)系。如圖所示，電流從輪轂流向輪圈，產(chǎn)生與轉(zhuǎn)子成90°的力。通過將電刷圍繞轉(zhuǎn)子對稱地放置，轉(zhuǎn)子上的力被平衡(即，在轉(zhuǎn)子的相對對稱端上的力相等并相反)，從而產(chǎn)生平穩(wěn)的旋轉(zhuǎn)。該平穩(wěn)的力分布減少了振動，使得電機理想地用于需要靜音和低振動電機的應(yīng)用，諸如船舶、潛水艇以及重型機械。當然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員將認識到的是，通過增加更多的電流路徑，可以實現(xiàn)轉(zhuǎn)子上更加均勻的力分布，產(chǎn)生更加強大的扭矩。
[0225]圖38和圖39示出了在串聯(lián)堆疊的轉(zhuǎn)子之間傳輸電流的替換機構(gòu)。在該示例中，導(dǎo)電流體被用來影響電流傳輸。流體傳輸機構(gòu)的使用相比固態(tài)電刷具有若干優(yōu)點，諸如降低摩擦損耗、降低磨損、減少維護、可以通過增加接觸面積和體積來提升載流量以及簡化設(shè)計(不需要復(fù)雜電刷安裝組件)等。
[0226]圖38描述了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的基于流體的定子組件1000的一側(cè)。如圖所示，定子組件1000是復(fù)合盤的形態(tài)，包括外盤1001和內(nèi)盤1003。盤1001和1003被隔開以在其間形成流體通道1002。密封件1004被設(shè)置在內(nèi)盤1003的外圍和外盤1001的圍壁內(nèi)部。
[0227]如圖39所示，外盤1001在與內(nèi)盤1003的輪轂1006相鄰的流體通道1002上設(shè)置有開口 1005。密封件1007圍繞輪轂1006和開口 1005的外圍設(shè)置。如本領(lǐng)域的技術(shù)人員將認識到的是，密封件被用來防止一旦相鄰轉(zhuǎn)子的接觸部分接合流體通道時發(fā)生的流體泄露。
[0228]圖40描述了基于流體的定子組件1000和轉(zhuǎn)子I101U102U103U104的配置。如圖所示，轉(zhuǎn)子11002、11003、I104被安裝在軸I 1l2的中間部分上，轉(zhuǎn)子I101被安裝在軸1101的輸出部分IlOl3上。與上述示例中的一樣，中間部分IlOl2由絕緣/隔離材料來構(gòu)造以防止轉(zhuǎn)子和定子的導(dǎo)電部分之間短路。在每個轉(zhuǎn)子I101U102U10r IlOO4之間放置定子組件1001Uooo2和1003，在該情況下，定子組件被放置來傳輸從前一轉(zhuǎn)子的外半徑到下一轉(zhuǎn)子的內(nèi)半徑的電流。
[0229]如圖所示，每個定子組件被安裝使得軸I1i穿過定子組件1001Uooo2Uooo3的每個輪轂1006，從而使得相鄰轉(zhuǎn)子的接觸表面保持在每個定子組件1001Uooo2Uooo3的開口 1005內(nèi)并且與流體通道1002相連通。密封件1007夾緊轉(zhuǎn)子的一部分接觸表面以形成電流傳輸機構(gòu)和轉(zhuǎn)子之間的流體密封。類似地，每個轉(zhuǎn)子I101U102U103U104的輪圈上的接觸表面通過密封件1004在流體通道1002內(nèi)接合，密封件1004形成了流體通道與接觸表面之間的流體密閉屏障。
[0230]在本示例中，電流傳輸機構(gòu)與作為旋轉(zhuǎn)密封的密封件1004和1007固定從而為這些電流傳輸機構(gòu)所耦接的轉(zhuǎn)子I101U102, 11003、I104的運動提供空間。由于流體的自然可壓縮性，使得傳輸機構(gòu)可以為來自轉(zhuǎn)子的一些橫向移動提供空間并且因此不需要滑動密封。本領(lǐng)域的技術(shù)人員同樣將認識到的是，根據(jù)圖38至圖40所給出的電流傳輸機構(gòu)的構(gòu)造，一旦轉(zhuǎn)子的接觸表面位于密封件1004和1007內(nèi)時，流體可以被引入到流體通道1002中。在這種情況下，外盤1001可包括一個可密封的流體口，以允許流體注入到流體通道1002。本領(lǐng)域的技術(shù)人員同樣將認識到的是，導(dǎo)電流體可以是任何適當?shù)姆€(wěn)定導(dǎo)電流體，例如硫酸、鹽酸或其他合適的酸類、氫氧化鈉、氯化鈉、硝酸銀、氫氧化鉀或其他合適的離子或電解液等。在一些情況下，流體可以是液相金屬，例如水銀、伍德合金、路斯合金、菲爾德金屬、Bi_Pb_Sn_Cd_In_T1、嫁等。
[0231]如結(jié)合上述示例所討論的，轉(zhuǎn)子被設(shè)計為出現(xiàn)在強磁場中以感生期望的扭矩。上述示例使用由HTS材料所構(gòu)造的螺旋管，更具體地，使用諸如BSCCO HTS帶材之類的HTS帶材。替代使用HTS帶材而使用MgB2HTS線材。近來在截面和長度范圍內(nèi)的MgB2線材變得更容易商業(yè)獲得。使用MgB2線材比使用HTS帶材具有若干優(yōu)點，首先其具有更低的每米成本(目前，MgB2大約3-4美金/米，相比BSCCO帶材大約25美金/米)。正交外部磁場的Jc/Jco性質(zhì)與平行外部磁場的一樣。因此，由于正交Jc/Jco性質(zhì)與平行外部磁場的Jc/Jco性質(zhì)接近，對無源磁導(dǎo)的需求降低或消除。
[0232]因為無需無源磁導(dǎo)(即，鋼材磁導(dǎo))，在正交和平行外部磁場中MgB2的有利的Jc/Jc0特性使得驅(qū)動線圈組件的構(gòu)造具有降低的重量成為可能。然而，使用更小的鋼材磁場返回路徑在驅(qū)動磁場的(橫向和徑向)均勻性方面具有一些優(yōu)點。因此，取決于最終期望的引擎應(yīng)用，設(shè)計決策可以在磁場均勻性需要與重量降低兩者之間作出平衡。
[0233]使用MgB2或其他在平行或正交磁場特性之間呈現(xiàn)出很小或沒有變化的超導(dǎo)線材的另一個優(yōu)點是其允許使用有源磁導(dǎo)。使用有源磁導(dǎo)的一個示例在圖41中示出。具有相對磁場的兩個線圈1202、1203被放置在主線圈1201的兩旁。這些外部線圈壓縮場線并使它們轉(zhuǎn)向。使用這樣的方法，可以巧妙地處理主線圈的磁場以使沿著螺線管軸向的雜散磁場量最小化。只有當使用在正交和平行入射磁場性能之間不呈現(xiàn)大的差異的MgB2線材或等效線材時才有可能使用這種有源屏蔽。由于存在額外屏蔽線圈而使得在驅(qū)動螺線管的端部處出現(xiàn)增加的磁場密度，這將導(dǎo)致IG和2G HTS帶材的載流量顯著下降。
[0234]出于這種考慮，在使用MgB2線材時有源屏蔽的優(yōu)點更加顯而易見，因為無需大通量鋼材磁導(dǎo)，從而降低了重量，但這也增加了軸向上的雜散磁場量。取決于所期望的應(yīng)用和雜散磁場抑制的管理標準，使用有源屏蔽可能無需/可能需要另外的使用基于鐵或鎳的屏蔽材料的無源屏蔽。
[0235]圖42描述了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的電機1300的構(gòu)造。如圖所示，電機1300包括第一殼體1301，其將低溫單元1302和轉(zhuǎn)子組件1303(見圖43)容納在內(nèi)。電機還包括布置于第一殼體1301的兩旁的第二殼體1304^1304。在該情況下，第二殼體1304^1304將提供了流過電機的驅(qū)動電流的電刷組件容納在內(nèi)。第二殼體1304^1304的每個可以裝有冷卻陣列。在本示例中，冷卻陣列是一連串用于穿過轉(zhuǎn)子組件抽氣的風扇的形態(tài)。
[0236]在圖43中示出電機的內(nèi)部配置的進一步細節(jié)。如圖所示，電機1300由在維護期間容易接近并更換的多個模塊化組件組成。第一殼體1301支撐低溫單元1302，在本示例中低溫單元1302包括脈沖管低溫冷卻器1305，其安裝在低溫機體1306的側(cè)面，低溫機體1306安裝在殼體內(nèi)。低溫機體1306將第一 HTS螺線管1307封裝在低溫容器中。低溫冷卻器的尺寸滿足允許大約20K的線圈組件操作溫度。低溫冷卻器被連接到銅制冷卻指狀物上，這些銅制冷卻指狀物形成了連接到線圈組件的每個線圈的導(dǎo)熱分布路徑。
[0237]如上述示例中的，HTS螺線管提供了與轉(zhuǎn)子組件中的電流相互作用的靜態(tài)驅(qū)動磁場來產(chǎn)生驅(qū)動力。驅(qū)動線圈的設(shè)計要點和標準已在前面詳細討論過。在本示例中，螺線管由60個Sumitomo BSCCO線圈所組成，每個線圈具有340mm內(nèi)部尺寸(ID)和377.12mm外部尺寸(OD) (64匝0.29mm線材)。螺線管的操作電流是200A，在中央孔上產(chǎn)生平均2.5T的磁場強度。線圈組件的總長度是308.2mm。
[0238]如圖所示，在本示例中，低溫機體1306是通常的圓柱體構(gòu)造并包括用于容納轉(zhuǎn)子組件的孔。如圖所示，在機體1306的外壁1306i和內(nèi)壁13062之間形成低溫容器，轉(zhuǎn)子組件被容納到形成于機體1306內(nèi)壁之間的孔1308內(nèi)。
[0239]在該情況下，轉(zhuǎn)子組件1309是上面結(jié)合圖33和34所討論的通常構(gòu)造。在該情況下，該組件原則上由位于軸1310的絕緣/隔離部分13102上的6個轉(zhuǎn)子1309^1309^1309^13094、13095和13096組成。在每個轉(zhuǎn)子之間的是結(jié)合圖35和圖36所討論類型的定子組件
13116。定子組件將電流穿過電刷組件以串聯(lián)方式從前一轉(zhuǎn)子的輪圈向下一轉(zhuǎn)子的輪轂傳輸。隨著電流穿過轉(zhuǎn)子，感生力被轉(zhuǎn)化成軸1310上的扭矩。如圖所示，在這種情況下，軸1310安裝在軸承對13121和13122上。軸承13121和13122優(yōu)選地是陶瓷軸承，因為使用標準金屬軸承所以由于它們與大磁場的親和而可能導(dǎo)致更大的旋轉(zhuǎn)拉扯。如上述示例中的，軸是中空的構(gòu)造以用于容納加固桿1320。
[0240]在本示例中可以看到，軸延伸到孔1308和第一殼體1301以外而通過布置在可移動端蓋組件1314和13142中的通道1313i和13132進入第二殼體130七和13042中。端蓋1314!和13142在該情況下密封除了通道13131和13132以外的第一殼體1301和孔1308。在該特定示例中，端蓋1314和13142包括用作磁導(dǎo)的多個鋼板1315^1315^1315,0 13154。端蓋的構(gòu)造使得鋼板被可選地移動/增加來改變磁導(dǎo)的尺寸。當然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員將認識到的是，在第一螺線管是由MgB2構(gòu)造的情況下，鋼板可以用如上討論的有源磁導(dǎo)替換。
[0241]第二殼體1301和13042被安裝到每個端蓋組件。如本領(lǐng)域的技術(shù)人員將認識到的，轉(zhuǎn)子組件受到摩擦和電阻加熱。第二殼體1301和13042通常是漏斗形組件，用于將來自制冷風扇的氣流指向穿過通道1313ρ13132和孔1308，從而冷卻轉(zhuǎn)子組件1309。此外，漏斗形的第二殼體還允許它們?nèi)菁{各自的輸入電刷1316i和輸出電刷13162,該電刷被放置的位置使得它們與軸1310的輸出部分UlO1和輸出部分13103接觸。在本示例中，軸1310也延伸到第二殼體以外以允許該軸與包括齒輪組件、鏈輪驅(qū)動等的各個扭矩傳輸配置耦接或者直接耦接到諸如輪、螺旋槳、導(dǎo)軌等的驅(qū)動組件。當然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員將認識到的是，這些扭矩傳輸配置需要與軸1310電絕緣/隔離。這可以通過在軸上或者在扭矩傳輸或驅(qū)動機構(gòu)上設(shè)置絕緣涂層來完成。
[0242]在本示例中所使用的螺線管具有相當?shù)姆叫伍L寬比。螺線管的OD是377.12mm而螺線管的長度是308.2mm。經(jīng)驗和無數(shù)的模型顯示，對于給定HTS帶材長度，該方形輪廓產(chǎn)生期望工作區(qū)域內(nèi)的最大磁場。該方形輪廓還具有可伸縮的額外優(yōu)點。即，對于給定比例因子(在上述示例中y = l/2x)，即使尺寸(不是磁場的幅度)大小上升或下降，在螺線管的內(nèi)孔中的磁場分布仍保持相同。有重大意義的是，在線材中的磁場行為同樣保持幾乎相同，使得實現(xiàn)目標操作磁場所需的匝數(shù)即使不完全相同也近似。這可以同等地應(yīng)用到IG和2G線材，假設(shè)鋼材磁導(dǎo)與線圈的規(guī)模成比例。
[0243]圖44示出了流過電機組件1300的電流。如圖所示，驅(qū)動電流(由塊狀箭頭標記)經(jīng)由輸入電刷被施加到軸1310的輸入部分1310lt)電流從該軸流到圍繞第一定子組件1311ι的輪圈布置的電刷組件，之后電流經(jīng)由布置在電刷對之間的線材流到與輪圈相鄰布置的相應(yīng)電刷。與定子Oll1的輪圈相鄰的電刷組件與第一轉(zhuǎn)子130%的輪圈直接接觸，這隨后引導(dǎo)電流從轉(zhuǎn)子的輪圈流到輪轂。輪轂與定子13112的輪轂電刷組件直接接觸。同樣，電流從輪轂電刷組件流到定子的輪圈電刷組件。第二定子組件13112的輪圈電刷與第二轉(zhuǎn)子13092的輪圈直接接觸，使得電流從定子13112流過轉(zhuǎn)子13092到達輪轂，之后電流從該輪轂傳輸?shù)降谌ㄗ?3113組件的輪轂電刷組件。與上述類似的電流傳輸過程發(fā)生在剩余的定子13113、13114、13115和13116以及轉(zhuǎn)子13093、13094、13095處，S卩，電流從輪轂流到輪圈再從輪圈流到相鄰定子的輪轂再流到轉(zhuǎn)子。所安裝的轉(zhuǎn)子13096將電流從轉(zhuǎn)子組件傳輸?shù)捷S的輸出部分13103,該部分與完成穿過電機的串聯(lián)電路的輸出電刷13162(未不出)相連接。
[0244]圖45描述了用于插入到低溫機體1306的中央孔1308中的轉(zhuǎn)子組件的構(gòu)造。如圖所示，轉(zhuǎn)子和定子組件安裝到端板1317i和13172之間的軸的中間部分13102上。端板1317ι和13172帶有軸承1312i和13122，允許在施加穿過轉(zhuǎn)子定子組件的驅(qū)動電流時使軸旋轉(zhuǎn)。如圖所示，在該情況下，端板UH1和13172通過一連串的撐桿1318ρ13182、13183、13184和13185耦接到一起。這些撐桿13185在端板之間延伸且位于轉(zhuǎn)子和定子之上。在這種情況下，撐桿是由諸如適當?shù)睦w維復(fù)合材料(例如，Garolite)之類的非導(dǎo)電性材料制成的。
[0245]圖46是轉(zhuǎn)子組件的截面圖并顯示了撐桿與轉(zhuǎn)子及定子之間的相互作用。如圖所示，每個撐桿13185具有異形表面1319。在這種情況下，該異形提供容納轉(zhuǎn)子的部分輪圈的凹口部分1319lt)異形表面的凸起部分13192與定子的輪圈相配合，更具體地，與設(shè)置在定子輪圈中的凹口部分相配合。這起到保護定子以及防止定子旋轉(zhuǎn)的作用。
[0246]如上述示例中所示的，為電機提供模塊化構(gòu)造。該配置允許相對容易地在維護等期間從電機移除各種組件。此外，允許組件被簡單地調(diào)換，降低了整體停機時間。
[0247]圖47是根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的電機1400的截面圖。如圖所示，電機1400由多個模塊化組件組成以允許在維護期間容易地進入和更換組件。第一殼體1401支撐低溫單元1402，在本示例中，低溫單元1402包括脈沖管低溫冷卻器1405，其安裝在低溫機體1406的側(cè)面上，低溫機體1406安裝在殼體內(nèi)。低溫機體1406將第一 HTS螺線管1407封裝在低溫容器中。低溫冷卻器的尺寸為允許大約20Κ的線圈組件操作溫度。低溫冷卻器連接到銅制冷卻指狀物上，這些銅制冷卻指狀物形成了到線圈組件的每個線圈的導(dǎo)熱分布路徑。
[0248]如在上述示例中，HTS螺線管提供與轉(zhuǎn)子組件中的電流相互作用的靜態(tài)驅(qū)動磁場以產(chǎn)生驅(qū)動力。驅(qū)動線圈的設(shè)計要點和標準已經(jīng)在上面詳細討論過。螺線管的操作電流是200Α，從而在中央孔上產(chǎn)生2.5Τ的平均磁場強度。
[0249]如在該示例中所示的，低溫機體1406是通常的圓柱體構(gòu)造并包括用于容納轉(zhuǎn)子組件的孔。如圖所示，在機體1406的外壁HOei和內(nèi)壁14062之間形成低溫容器，轉(zhuǎn)子組件被容納到形成于機體1406內(nèi)壁之間的孔1408內(nèi)。
[0250]該情況下的轉(zhuǎn)子組件1410與上述示例不同，其被配置成反向旋轉(zhuǎn)。在這種情況下，轉(zhuǎn)子組件1410連接到內(nèi)軸1411，而定子組件1412連接到外軸1413。轉(zhuǎn)子和定子與上面結(jié)合圖33至圖35所討論的轉(zhuǎn)子和定子的構(gòu)造相似。如圖所示，外軸1413是中空構(gòu)造，內(nèi)軸1411從該中空處穿過，兩個軸都安裝在軸承1414上。由于在定子1412內(nèi)的電流是與轉(zhuǎn)子內(nèi)的電流方向相反的，因此定子在與轉(zhuǎn)子的方向相反的方向上可以自由旋轉(zhuǎn)。該外軸1413在與內(nèi)軸1411的方向相反的方向上旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)子和定子組件的更多細節(jié)討論提供如下。
[0251]如該示例所示出的，軸通過布置在可移動端蓋組件HW1和14162中的通道1415工和14152延伸到孔1408和殼體1401以外。在該情況下，端蓋1416!和14162將除了通道1415!和14152之外的第一殼體1401和孔1408密封。端蓋14%和14162可包括多個起到磁導(dǎo)作用的鋼板。端蓋的構(gòu)造使得鋼板被可選地移除/增加以改變磁導(dǎo)的尺寸。當然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員將認識到的是，在第一螺線管是由MgB2或在平行或正交磁場特性之間呈現(xiàn)很小或無變化的超導(dǎo)線材構(gòu)造的情況下，鋼板可以用如上討論的有源磁導(dǎo)替換。
[0252]圖48示出了轉(zhuǎn)子組件的更多細節(jié)，如圖所示，轉(zhuǎn)子組件包括安裝在軸1411上的一連串的轉(zhuǎn)子 1410^1410^1410^1410^ 軸 1411 相對于轉(zhuǎn)子 141(^141(^141(^141(^ 的中軸線共軸地放置。在該特定示例中，轉(zhuǎn)子固定到可自由旋轉(zhuǎn)的軸1411上。當然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員將認識到的是，該軸可以被固定而轉(zhuǎn)子HlOpHlOy14103、14104可以圍繞軸1411自由地旋轉(zhuǎn)。在這種配置中，轉(zhuǎn)子141(^141(^141(^141(^可以通過允許每個轉(zhuǎn)子獨立于軸1411旋轉(zhuǎn)的軸承而被安裝到軸1411上。
[0253]在本示例中，轉(zhuǎn)子的構(gòu)造與上面結(jié)合圖3和圖33所討論的轉(zhuǎn)子的構(gòu)造相似，包括通過多個輪輻與輪轂耦接的輪圈。在該情況下，轉(zhuǎn)子H1pHlOyHlOyHlO4包括與輪圈和輪轂相鄰布置的接觸區(qū)域14171和14172。該接觸區(qū)域被設(shè)置用于與安裝在置于每個轉(zhuǎn)子之間的電流傳輸機構(gòu)(定子框架)上的電刷組件接觸。
[0254]圖49示出了定子組件1412的更多細節(jié)圖，定子組件包括多個定子框架1418:、14182、14183、14184、14185。在這種情況下，每個定子框架1418與上面結(jié)合圖35和圖36所討論的定子框架的構(gòu)造相似。更具體地，每個定子框架1418是由隨后被熔到一起以形成定子的兩部分所組成的。在該特定示例中，定子框架是由鋁或鈦制造的以降低整體重量，要進一步地降低定子整體重量，可以去除最小負荷區(qū)域中的材料。除了降低定子的整體重量之夕卜，該去除還允許對定子組件更加有效地強制冷卻。
[0255]每個定子框架1418包括多個金屬纖維電刷對1409，用于在相鄰轉(zhuǎn)子之間傳輸電流。所選的金屬纖維電刷具有23mmX35mm的截面并且每個電刷的額定電流為330A。定子和電刷被排列為使得電流從前一轉(zhuǎn)子的外半徑導(dǎo)向下一轉(zhuǎn)子的內(nèi)半徑。為了抵消進行性電刷磨平，提供彈簧來允許電刷組件軸向移動。除此之外，彈簧對電刷提供輕微壓力來確保MFB和相鄰轉(zhuǎn)子之間的連續(xù)接合。電刷組件還包括通過柔性線材互連的分流器。線材使從內(nèi)電刷到外電刷的回流路徑完成。
[0256]如圖所示，定子被固定到連接到外軸1413的任一端的支撐件1419。一組平穩(wěn)輸入和輸出的集電環(huán)1420被設(shè)置來允許電流被供給流過轉(zhuǎn)子定子組件。當然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員將認識到的是，支撐件1419是由電絕緣材料構(gòu)造的以防止軸和定子之間短路。
[0257]圖50示出了相對于定子組件1412原位安裝的轉(zhuǎn)子組件1410。如圖所示，轉(zhuǎn)子141(V 14102、14103、14104 的每個交織在每個定子 1418^1418^1418^ 14184、14185 之間。一組間隔件1421被置于內(nèi)軸1411和定子1418^1418^1418^1418^14185之間。間隔件1421將內(nèi)軸1411支撐并置于外軸1413內(nèi)的中央。另外，間隔件1421防止轉(zhuǎn)子與定子之間發(fā)生短路。如圖所示，在該情況下使用額外的定子14186來施加電流到輸入集電環(huán)1420。
[0258]圖51描述了電流流過電機，如圖所示，電流從轉(zhuǎn)子供電端通過若干平行電刷進入系統(tǒng)，這些電刷將固定的低溫機體與渦輪機旋轉(zhuǎn)部分分開。電流路徑繼續(xù)穿過通過絕緣間隔件1421連接到內(nèi)軸的第一轉(zhuǎn)子。如圖所示，每個轉(zhuǎn)子通過用于防止轉(zhuǎn)子與軸和定子之間短路的絕緣間隔件1421連接到內(nèi)軸。之后電流連續(xù)地流過剩余的轉(zhuǎn)子/定子對直到最后的電刷組，該電刷組向穩(wěn)定電流輸出環(huán)提供電流，該穩(wěn)定電流輸出環(huán)是電流返回到轉(zhuǎn)子供電端的起點。
[0259]由于在每個轉(zhuǎn)子中電流是從輪圈流到輪轂的，而在每個定子中電流是從輪轂流向輪圈的。由于在轉(zhuǎn)子和定子中電流反方向流動，因此與主驅(qū)動磁場的相互作用產(chǎn)生相等且相反的扭矩，使得內(nèi)軸1411和外軸1413反方向旋轉(zhuǎn)。由軸所產(chǎn)生的扭矩隨后通過各種齒輪配置轉(zhuǎn)移出來到電機1400上。
[0260]上述渦輪機/電機使用串聯(lián)電流饋電。下面討論的下列配置被提供并聯(lián)電流。并聯(lián)電流配置需要低電壓和高電流，理想地用于類似船舶推進環(huán)境的潮濕條件。
[0261]根據(jù)并聯(lián)配置，轉(zhuǎn)子直接安裝到輸出軸(或形成為整體轉(zhuǎn)子和軸的部分)。因此，根據(jù)并聯(lián)配置，轉(zhuǎn)子不需要彼此電絕緣。這動態(tài)地簡化了構(gòu)造，因為轉(zhuǎn)子和軸可具有固定的導(dǎo)電連接或被構(gòu)造為整體。
[0262]此外，移除內(nèi)部電刷產(chǎn)生更大的有效工作半徑。內(nèi)部電刷占用了環(huán)繞內(nèi)徑的可觀的空間量，這導(dǎo)致從旋轉(zhuǎn)軸進一步地移動了工作葉片長度。在并聯(lián)配置中，內(nèi)部電刷的需求被消除，提升了工作距離。
[0263]電刷被安裝在每個轉(zhuǎn)子的外圍，電流傳輸?shù)街行妮S，沿著該軸到輸出電刷。在轉(zhuǎn)子上顯示正極性而在輸出軸電刷上顯示負極性，也可以相反。
[0264]圖52描述了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的配置為用于并聯(lián)電流饋電的渦輪機1500。如圖所示，渦輪機1500包括將提供靜態(tài)磁驅(qū)動場的HTS螺線管1502封入的低溫容器1501。驅(qū)動線圈的設(shè)計要點和標準已經(jīng)如上詳細討論過。
[0265]放置在低溫容器的孔內(nèi)的是轉(zhuǎn)子組件1503，其包括與上面討論的轉(zhuǎn)子具有相似構(gòu)造的與驅(qū)動軸1504直接耦接的多個轉(zhuǎn)子盤1503^1503^1503^1503^1503^1503^轉(zhuǎn)子被耦接到在本例子中形成正極端子的輸入電流匯流條1505。如圖所示，軸1504穿過輸入電流匯流條。當然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員將認識到的是，軸1504與輸入?yún)R流條電絕緣以防止短路。
[0266]一組輸出電刷1506 (負極端子)被布置在與輸入?yún)R流條相對的軸端上。在這種情況下，輸出電刷被包含在導(dǎo)電圓柱體構(gòu)造內(nèi)。如圖所示，軸1504延伸出輸出電刷。因此，在本示例中，軸1504上所產(chǎn)生的扭矩可以在輸出電刷1506的任一端上的若干點上轉(zhuǎn)移。
[0267]圖53描繪了流過圖52的渦輪機的電流。隨著電流被施加到輸入?yún)R流條1505，電流通過一連串的導(dǎo)電電刷1507被傳輸?shù)矫總€轉(zhuǎn)子盤的輪圈。電流之后穿過轉(zhuǎn)子到達軸1504再輸出到輸出電刷1506。
[0268]參考圖54，其描述了上面圖52的渦輪機的背對背配置。如圖所示，該配置包括第一渦輪機1601和代替上面配置的輸出電刷1506的第二渦輪機1602。單軸1603被用來連接所述兩個渦輪機。背對背配置的操作通過參考圖55能夠更容易地理解，其示出了流過渦輪機的電流。
[0269]從圖55可見，隨著電流流過輸入?yún)R流條1604，該電流被傳輸?shù)降谝粶u輪機1601的轉(zhuǎn)子1605。電流從轉(zhuǎn)子1605傳輸?shù)捷S1603。之后，電流沿著軸1603傳輸?shù)降诙u輪機1602的轉(zhuǎn)子1606。之后，電流流過轉(zhuǎn)子1606到達輸出電流匯流條1607。為確保軸上的統(tǒng)一旋轉(zhuǎn)，第二渦輪機1602中的磁場與第一渦輪機1601的磁場極性相反。
[0270]圖56描繪了渦輪機的替換背對背配置。同樣，該配置包括第一渦輪機1601和代替上面配置的輸出電刷1506的第二渦輪機1602。第一渦輪機1601的軸1603通過傳導(dǎo)滑動接頭1609的方式與第二渦輪機的軸1608連接。
[0271]如從圖57可見的，隨著電流流過輸入?yún)R流條1604，該電流被傳輸?shù)降谝粶u輪機1601的轉(zhuǎn)子1605。電流從轉(zhuǎn)子1605傳輸?shù)捷S1603。之后，電流沿著軸1603傳到滑動接頭1609的一側(cè)，電流經(jīng)由一組電刷1610傳輸?shù)交瑒咏宇^1609的相對側(cè)。之后，電流沿著軸1608傳輸?shù)降诙u輪機1602的轉(zhuǎn)子1606。之后，電流流過轉(zhuǎn)子1606到達輸出電流匯流條1607。使用這種配置方式,在第二潤輪機1602中的磁場能夠與第一潤輪機1601的磁場同極性。
[0272]圖58描繪了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的又一并聯(lián)電流饋電配置。其配置與上面結(jié)合圖52所討論的相似。同樣，渦輪機1700包括將提供靜態(tài)磁驅(qū)動場的HTS螺線管1702封入的低溫容器1701。驅(qū)動線圈的設(shè)計要點和標準已經(jīng)如上詳細討論過。置于低溫容器的孔內(nèi)的是轉(zhuǎn)子組件1703。在該情況下，所述轉(zhuǎn)子組件大體中空并且包括兩端耦接到驅(qū)動軸1705的鼓輪1704。該鼓輪與在本例子中形成正極端子的輸入電流匯流條1706耦接。如所見到的，軸1705經(jīng)由軸承底座穿過輸入電流匯流條1706。當然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員將認識到的是，軸承與輸入?yún)R流條電絕緣以防止短路。
[0273]如圖59所示，隨著電流流過輸入?yún)R流條1706，被傳輸?shù)焦妮?704的外表面，電流通過與軸1704耦接的一端再輸出到輸出電刷1707。
[0274]圖60描繪了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的又一并聯(lián)電流饋電配置。其構(gòu)造與上面結(jié)合圖52和圖58所討論的相似。在該情況下，渦輪機1800包括將提供靜態(tài)磁驅(qū)動場的HTS螺線管1802封入的低溫容器1801。驅(qū)動線圈的設(shè)計要點和標準已經(jīng)如上詳細討論過。置于低溫容器的孔內(nèi)的是轉(zhuǎn)子組件1803。在該情況下所述轉(zhuǎn)子組件大體中空并且包括經(jīng)由中央刺狀突起1805耦接到驅(qū)動軸1806的鼓輪1804。鼓輪1804與在本例子中形成正極端子的輸入電流匯流條1807耦接。如所見的，軸1806經(jīng)由軸承底座穿過輸入電流匯流條1807。當然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員將認識到的是，軸承與輸入?yún)R流條電絕緣以防止短路。
[0275]如圖61所示，隨著電流流過輸入?yún)R流條1807，電流被傳輸?shù)焦妮?804的外表面，通過刺狀突起1805到達軸1806再輸出到輸出電刷1808。
[0276]圖62中示出了并聯(lián)渦輪機配置的進一步可能的構(gòu)造。同樣的，其構(gòu)造與前面所討論的構(gòu)造相似并且包括將提供靜態(tài)磁驅(qū)動場的HTS螺線管1902封入的低溫容器1901。驅(qū)動線圈的設(shè)計要點和標準已經(jīng)如上詳細討論過。置于低溫容器的孔內(nèi)的是轉(zhuǎn)子組件1903。在該情況下所述轉(zhuǎn)子組件包括與驅(qū)動軸1905直接耦接的近固體鼓輪1904。鼓輪1904與在該例子中形成正極端子的輸入電流匯流條1706耦接。如所見到的，軸1905經(jīng)由軸承底座穿過輸入電流匯流條1906。當然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員將認識到的是，軸承與輸入?yún)R流條電絕緣以防止短路。
[0277]如圖63所示，隨著電流流過輸入?yún)R流條1906，電流被傳輸?shù)焦妮?904的外表面，流到軸1905，再輸出到輸出電刷1907。
[0278]先前所描述的導(dǎo)電液體/流體接觸電刷也可以擴展用在并聯(lián)配置上。導(dǎo)電流體使得轉(zhuǎn)子與電流源(固定的或反向旋轉(zhuǎn)的)之間電接觸。導(dǎo)電流體采用恰當?shù)拿芊庖苑乐剐孤丁D64描繪了使用導(dǎo)電流體的并聯(lián)配置的一種可能配置。在該情況下，渦輪機2000包括將提供靜態(tài)磁驅(qū)動場的HTS螺線管2002封入的低溫容器2001。驅(qū)動線圈的設(shè)計要點和標準已經(jīng)如上詳細討論過。置于低溫容器的孔內(nèi)的是轉(zhuǎn)子組件2003。在該情況下所述轉(zhuǎn)子組件大體中空并且包括經(jīng)由中央刺狀突起2005耦接到驅(qū)動軸2006的鼓輪2004。
[0279]鼓輪2004的外表面包括包含導(dǎo)電流體的凹口 2007。輸入?yún)R流條2008與該流體接觸從而將電流傳輸?shù)焦妮?004，沿著刺狀突起2005傳輸?shù)捷S，再到輸出電刷2009。
[0280]圖65示出了導(dǎo)電流體和輸入?yún)R流條2008之間的界面。如圖所示，在鼓輪的凹口2007和匯流條2008的外表面之間處設(shè)置密封件2011。該密封件可以通過端蓋2010保持在適當位置。
[0281]如上所述，由每個渦輪機/電機所產(chǎn)生的扭矩可以使用各種扭矩傳輸配置輸出。圖66描繪了連接到扭矩傳輸和RPM均衡配置2100的結(jié)合上述圖47所討論的構(gòu)造的渦輪機(即，雙軸反向旋轉(zhuǎn)渦輪機)。如圖所示，扭矩傳輸和RPM均衡配置2100與內(nèi)軸1411和外軸1413耦接，并提供了整體輸出軸。
[0282]扭矩傳輸和RPM均衡配置2100的構(gòu)造在圖67A和圖67B中示出，其是扭矩傳輸和RPM均衡配置2100的截面圖。參考圖67A，扭矩傳輸和RPM均衡配置2100包括差速齒輪箱。該系統(tǒng)通常位于適當密封的油潤滑殼體內(nèi)。如圖所示，內(nèi)軸1411和外軸1413與輸入齒輪2101和2102耦接，該輸入齒輪2101和2102與小齒輪對2103嚙合。所有的傳動配置和軸被可旋轉(zhuǎn)地安裝到軸承2104上。
[0283]從圖67B可見，內(nèi)軸1411延伸穿過輸出軸2105并與直接耦接到輸出軸2105的輸入齒輪2102耦接。外軸1413與輸入齒輪2102耦接，輸入齒輪2102經(jīng)由小齒輪2103與輸出軸耦接，小齒輪2103與輸入齒輪2101嚙合。
[0284]圖68A和圖68B描繪了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的替換扭矩傳輸和RPM均衡配置2100。如圖所示，在這種情況下，該系統(tǒng)使用正齒輪或斜齒輪而不是錐齒輪。輸出軸2105與輸入軸1411、1413不再共軸線。如所見到的，內(nèi)軸1411和外軸1413與輸入齒輪2101^21012耦接，該輸入齒輪2101^210^耦接到輸出軸2105上的齒輪2102^2102^從圖68B可見，輸出軸1413與齒輪210^直接耦接，該齒輪ZlOl1直接嚙合到輸出軸上的齒輪2102”內(nèi)軸1411穿過外軸并與齒輪21012耦接。齒輪21012經(jīng)由中間小齒輪2106與齒輪21022耦接以確保由內(nèi)軸輸出到輸出軸2105的旋轉(zhuǎn)匹配由外軸1413輸出的旋轉(zhuǎn)。
[0285]電磁渦輪機的基本操作原理是產(chǎn)生帶電導(dǎo)體與靜態(tài)磁場之間的作用力。通過這樣的方式，可以預(yù)測裝置全速時的峰值功率并且評估操作功率和速度的縮放效果。
[0286]在均勻正交磁場中帶電導(dǎo)體上所產(chǎn)生的力的基本方程是:
[0287]F = B.1.1
[0288]其中B是正交磁場(特斯拉)，i是在導(dǎo)線中的總電流量(安培)，1是電流路徑的總長度(米)，而F是產(chǎn)生的力(牛頓)。
[0289]圍繞中心軸線由該力所產(chǎn)生的扭矩T是:
P廣
[0290]T =—

2
[0291]其中r是盤的半徑。對于簡化情況，帶電導(dǎo)體長度I從軸線延長到盤的外半徑，得到下面公式:
Bi Γ
[0292]T =—
2
[0293]因此可以顯示引擎的扭矩隨著葉片盤的半徑的平方變化，除非是在小比例的情況下，電刷所需要的空間降低了帶電導(dǎo)體的長度。
[0294]在操作電流下裝置的峰值功率可以描述為:
[0295]P = Τ.ω
[0296]其中ω是角速度(弧度/秒)。換成RPM，方程是:
? T.RPM./r
「Λ Λ Λ T Hf'J -……
~ ^30
[0298]這給出了給定RPM的功率輸出。在電磁渦輪機的情況下，最大速度受到轉(zhuǎn)動葉片盤的外表面上的電刷最大速度的限制。所使用的金屬纖維電刷具有固定表面速度極限(vmax) 90m/S。因此,峰值 RPM 是:
[0299]AViA/
Imt
[0300]從這個方程式可見盤的最大RPM與該盤的半徑成反比。帶入RPM并將方程轉(zhuǎn)換為原始功率方程:
Γ π _ BJj-2.ν?η.η.60.π
[0301]P =-—-

120 jr,r
[0302]簡化為:
[0303]F =

2
[0304]在最簡單的情況下，單個旋轉(zhuǎn)葉片的可得峰值功率與該葉片的半徑成正比。隨著引擎的尺寸增加，扭矩隨著葉片的半徑的平方增加，而最大操作RPM隨著增加的半徑減少。如圖69A到69C的曲線圖所示。圖69A描繪了轉(zhuǎn)子直徑與扭矩的關(guān)系，而圖69B描繪了轉(zhuǎn)子直徑與RPM的關(guān)系，最后圖69C描繪了轉(zhuǎn)子直徑與功率的關(guān)系。
[0305]如上顯然的是，根據(jù)本發(fā)明的渦輪機/電機能夠容易地縮放來反映所需的操作功率和速度。圖70描繪了一種可能的用于1MW概念的配置，其是具有5特斯拉工作磁場和總計10000A DC電流的高功率密度DC電機。其具有2500rpm峰值操作速度和16個工作葉片。不帶抵消線圈(cancelling coil)的整體直徑大約是1000mm。帶抵消線圈的話,外徑將增加1.5-2倍。不帶抵消線圈的整體長度大約是1200mm。
[0306]圖71是圖70的配置的螺線管所產(chǎn)生的磁場繪圖。除了螺線管之外，圍繞該螺線管布置抵消線圈來整形外部磁場并由此降低屏蔽要求。
[0307]圖72描繪了具有5特斯拉工作磁場和總計50000A DC電流的40MW高功率密度DC電機。其具有180RPM的峰值操作速度和32個工作葉片。其最優(yōu)用于具有低RPM和反向旋轉(zhuǎn)軸輸出適于反向旋轉(zhuǎn)螺旋槳的船舶的應(yīng)用。不帶抵消線圈的整體直徑大約是2.5m。帶抵消線圈，外徑將增加1.5-2倍。不帶抵消線圈的整體長度大約是2.5m。
[0308]圖73A和圖73B描繪了安裝到圖72的渦輪機的RPM和扭矩均衡系統(tǒng)2100的配置。如圖73A所示，外軸1413與錐齒輪2200耦接。內(nèi)軸1411裝有通過一連串的小齒輪2202與外軸1413上的錐齒輪2200耦接的錐齒輪2201，見圖73B。
[0309]當采用多于一個螺線管時(例如前面使用并聯(lián)電流路徑的詳細示例)，一個潛在的定子體構(gòu)造的問題是在各個螺線管之間產(chǎn)生的力。在設(shè)計線圈的支撐結(jié)構(gòu)時未考慮受到的力的大小將導(dǎo)致定子組件的損壞。圖74示出了用Vector Field 0pera3d建模的一對螺線管。上述螺線管采用4個抵消線圈以便使得5高斯表面(由一系列的藍色線條顯示)接近線圈體。抵消線圈影響兩個螺線管之間的吸引力或排斥力。
[0310]所建模的線圈與圖42中所示的配置中使用的螺線管一樣大小。螺線管的內(nèi)徑是340mm，單個螺線管的長度是308mm。在中央產(chǎn)生的平均磁場強度是2.5T，而峰值場強是2.75T。螺線管端對端之間的距離是400mm。
[0311]在抵消線圈未被采用的情況下，則線圈之間沿著線圈的中軸的吸引力或排斥力(Fz)大約是28kN。當?shù)窒€圈使用時，主螺線管上的力大約是6.5kN。雖然兩個螺線管之間的主要負荷被減少，但是仍然需要仔細地確保對在本配置中受到40kN軸向力的抵消線圈的充分支撐。
[0312]在上述渦輪機的大多數(shù)情況下，高磁場環(huán)境對金屬纖維電刷的不利影響通過確保電刷纖維物的方向與磁場的方向平行而被最小化。當使用液態(tài)金屬電刷在旋轉(zhuǎn)驅(qū)動元件和電流傳遞表面之間傳輸電流時無法使用這種技術(shù)。導(dǎo)電液態(tài)金屬介質(zhì)中建立的電流路徑上的洛倫茲力效應(yīng)將在液體中產(chǎn)生渦流。這些渦流的產(chǎn)生限制了高磁場環(huán)境中電刷的帶電性能。將纖維元件與磁場對齊的技術(shù)無法用于液態(tài)金屬電刷，因此需要創(chuàng)建能夠操作電刷的無磁場或降低的磁場的區(qū)域。
[0313]為了讓液態(tài)金屬電刷功能正常，它們必須處于相對低磁場的區(qū)域中。通過將在先前版本的渦輪機中所使用的單螺線管分離成兩個組件，轉(zhuǎn)子的有效工作長度和半徑顯著地延長，增加了整個機器的扭矩和功率密度。該間隙的第二個優(yōu)點是在線圈之間產(chǎn)生磁場抵消區(qū)域，可以在該磁場抵消區(qū)域中放置液態(tài)金屬電刷。
[0314]采用液態(tài)電刷配置的使用分離螺線管設(shè)計的一個渦輪機示例在圖75中示出。如圖所示，在該示例中，螺線管2300被分成其間具有間隙的兩個螺線管230(^和23002。在間隙內(nèi)布置的是轉(zhuǎn)子2301。在該特定示例中，轉(zhuǎn)子與軸2302 —體形成。在該情況下，電流穿過圍繞轉(zhuǎn)子2301的外輪轂布置的輸入電流組件2303i，流過軸2302，再輸出到輸出電流組件 23032。
[0315]圖76描繪了電流流過圖75的渦輪機。如圖所示，電流被施加穿過外導(dǎo)電盤2304，穿過導(dǎo)電流體2307到達轉(zhuǎn)子2301的外輪圈。在該情況下，導(dǎo)電流體是液態(tài)金屬并且與轉(zhuǎn)子的外輪圈直接接觸。當然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員將認識到的是，轉(zhuǎn)子與導(dǎo)電盤的接合是通過旋轉(zhuǎn)流體密封件完成的。如圖所示，電流從轉(zhuǎn)子的輪圈流到輪轂再沿著軸2302到達輸出電流傳輸組件23032。如圖所示，軸2302在該情況下包括與布置在突起和外盤2308之間的導(dǎo)電流體2307接觸的突起2306。突起2306和導(dǎo)電盤2308被排列為使得在其間形成轉(zhuǎn)子密封來防止在操作期間泄露導(dǎo)電流體。
[0316]圖77中示出了由螺線管所產(chǎn)生的磁場行為的場圖。如圖所示，環(huán)繞區(qū)域2309高亮示出了比主線圈組件的磁場強度弱10%的抵消區(qū)域。
[0317]圖75和圖76中所示的渦輪機構(gòu)造的一個重要情況是螺線管組件的形狀能夠被最優(yōu)化以提供功率到單個轉(zhuǎn)子。在Vectorfields 0pera3d中電磁場行為的建模顯示了上述渦輪機的更優(yōu)的線圈形狀在增加了線圈組件的匝數(shù)的同時減少了有效螺線管長度。以這樣的方法，超導(dǎo)線材的數(shù)量的少量降低可以被利用并且大大降低了渦輪機所要求的體積。
[0318]具有改進線圈尺寸的渦輪機版本在下面的圖78中示出。與上述示例一樣，螺線管2300被分離成其間具有間隙的兩個螺線管230(^和23002。在間隙內(nèi)布置的是轉(zhuǎn)子2301。在該特定示例中，轉(zhuǎn)子與軸2302 —體成形。在該情況下，電流流過圍繞轉(zhuǎn)子2301的外輪轂布置的輸入電流組件23031;穿過軸2302，再輸出到輸出電流組件23032。在該情況下，螺線管的厚度被顯著地降低。
[0319]與上述示例中一樣，電流被施加穿過外導(dǎo)電盤2304，經(jīng)過導(dǎo)電流體2307到達轉(zhuǎn)子2301的外輪圈。之后，電流從該轉(zhuǎn)子的輪圈流到輪轂并沿著軸2302經(jīng)由突起2306和導(dǎo)電盤2308的接合到達輸出電流傳輸組件2 3 002。
[0320]圖78的改進的線圈組件的場圖在圖79中示出。同樣，環(huán)繞區(qū)域顯示了磁場比主線圈組件的磁場強度弱10%的抵消區(qū)域。
[0321]圖80和圖81描繪了使用上述螺線管配置的渦輪機的另一個示例。如所見到的，渦輪機包括吸引排列的3個螺線管2401^24(^和24013。在該配置中，轉(zhuǎn)子24(^和24022與軸和24032耦接。如圖所示，軸24032包圍渦輪機輸出側(cè)上的部分軸2403”如圖所示，軸2403i穿過轉(zhuǎn)子24022的中央。在該情況下，軸2403i包括與轉(zhuǎn)子2402i耦接的導(dǎo)電部分和穿過第二轉(zhuǎn)子240?的非導(dǎo)電或低導(dǎo)電部分。
[0322]圖81描繪了電流流過圖80的渦輪機。如圖所示，電流從輸入電刷2404—側(cè)沿著軸2403i進入第一轉(zhuǎn)子2402i并之后沿著轉(zhuǎn)子互連總線2405進入第二轉(zhuǎn)入24022。電流之后沿著外部反向旋轉(zhuǎn)軸24032傳輸?shù)诫娏鬏敵鲭娝?4042。上述扭矩均衡系統(tǒng)能被用作均衡上述反向旋轉(zhuǎn)軸的扭矩輸出。這是必須的，因為第二轉(zhuǎn)子具有短于第一轉(zhuǎn)子的有效轉(zhuǎn)子工作長度。
[0323]圖82描繪了圖80的雙間隔螺旋管的場圖。如圖所示，這種類型的螺線管的一個特征是使液態(tài)金屬電刷能夠有效操作于其中的磁場抵消區(qū)域的位置或電磁場零位2309。
[0324]與上面的示例一樣，線圈組件的形狀可以被優(yōu)化以減少線材長度并降低渦輪機所占的體積。如圖82中所示，在螺線管兩端上的線圈需要額外的匝數(shù)以將場抵消區(qū)域2600轉(zhuǎn)移到內(nèi)線圈間隙的中央內(nèi)。
[0325]雖然目前為止所示的設(shè)計聚焦在減少轉(zhuǎn)子的總數(shù)量，但是仍然可以在螺線管線圈組件內(nèi)設(shè)計多個間隙以提供給多個轉(zhuǎn)子和電刷組件。一種可能的允許若干轉(zhuǎn)子的設(shè)計如下示出。線圈尺寸基于上面結(jié)合圖42所討論的示例中所使用的螺線管，線圈具有340mm的內(nèi)徑。線圈被分離成一連串的圓盤組件。這些分離具有兩種效果，首先，分離圓盤之間的區(qū)域中包括磁場抵消區(qū)域。該區(qū)域可以向液態(tài)金屬電刷提供適合的操作環(huán)境。其次，整個螺線管組件的運轉(zhuǎn)接近亥姆霍茲線圈，使得在螺線管的工作區(qū)域中磁場的均勻性增加。
[0326]如圖83所示，在線圈端部的磁場抵消區(qū)域從內(nèi)線圈間隙的中心線移開。這意味著該線圈配置無法提供使用液態(tài)電刷所需的零位區(qū)域。因此，調(diào)整匝數(shù)或圓盤數(shù)量以確保零位區(qū)域能夠?qū)嶋H用于電刷。
[0327]圖84示出了端部線圈被調(diào)整為在場零位中央的5區(qū)亥姆霍茲線圈的場圖。如場圖所示，磁場抵消區(qū)域顯示為藍色陰影。該特定配置使用4個內(nèi)雙圓盤線圈和由四分圓盤所組成的外部兩個組件來組合。加倍的外部圓盤組件將線圈端部處的場零位轉(zhuǎn)移接近線圈組件之間的外部間隙的中央。
[0328]圖83和圖84的場圖假定在20K利用2.5T的穿過線圈中央的平均磁場對340mm內(nèi)線圈直徑操作。圖85和圖86是具有兩個端部位于4T和5T平均內(nèi)磁場的線圈設(shè)計圖。圖85和圖86的繪圖演示了系統(tǒng)的可擴展性。圖85描繪了 4T組件，其中4個內(nèi)組件由2個雙圓盤組成而2個外組件由4個雙圓盤組件組成。圖86顯示了圖85的相同組件擴展為在5T操作。
[0329]作為倍增圓盤數(shù)量的替代，可以增加端部線圈上的匝數(shù)以控制和引導(dǎo)線圈之間零位區(qū)域的位置。外部線圈相對于中間線圈的匝數(shù)增加的示例場圖在圖87中示出。
[0330]圖87的場圖示出了一連串的六個雙圓盤線圈，具有孔中2.5T的平均目標操作場。通過增加端部線圈的匝數(shù)，零位區(qū)域可轉(zhuǎn)移到適于電刷操作所需的區(qū)域。在上述示例中，相對于內(nèi)部4個雙圓盤組件所具有的246匝/圓盤，外部線圈具有額外130匝/圓盤的Fujikura2G線材。將匝數(shù)增加到超過這個點，使得對于大量的總線材使用量限制了場抵消區(qū)域的正向變化。
[0331]圖88中示出了類似的繪圖，針對孔內(nèi)平均操作場5T設(shè)計的額外230匝。
[0332]當然，本領(lǐng)域技術(shù)人員將認識到的是，雖然上面的討論主要是在導(dǎo)電元件之間使用串聯(lián)連接的渦輪機配置，但是可以使用導(dǎo)電元件之間的并聯(lián)連接。圖89描繪了使用并聯(lián)連接的渦輪機2500的一種可能的配置。如圖所示，在該情況下，渦輪機2500包括將安裝在軸2503上的多個轉(zhuǎn)子2502^2502^25023^25024,25025,25026容納其中的螺線管2501。匯流條2504被設(shè)置來將轉(zhuǎn)子2502^2502^2502^2502^2502^25026以并聯(lián)方式耦接。
[0333]圖90示出了電流穿過圖89的渦輪機2500。如圖所示，匯流條2504在轉(zhuǎn)子組件中的轉(zhuǎn)子2502^2502^2502^2502^2502^25026的外直徑上安裝。匯流條2504是固定的并包括金屬纖維或液態(tài)金屬電刷組件。電流流過匯流條2504，總并聯(lián)傳輸在六個轉(zhuǎn)子之間分開。電流隨后流到軸2503并輸出到電流輸出組件2506的集電刷2505。為了使該設(shè)計的電阻材料損耗最小化，電流匯流條和輸出軸都具有足夠的尺寸。
[0334]沿著旋轉(zhuǎn)軸的磁場的均勻性是重要的，首先，因為軸B磁場的均勻性不足導(dǎo)致外轉(zhuǎn)子中所產(chǎn)生的扭矩減少，其次是因為，在靠近螺線管的端部的磁場方向出現(xiàn)偏差將影響電刷的壽命。存在多個影響磁場均勻性的設(shè)計因素，這些因素中包括保持用于給定工作直徑的優(yōu)選的線圈長高比。通常，方形或套方形全螺線管設(shè)計產(chǎn)生更高的均勻性。即，螺線管組件的長度與單個線圈的直徑相同或更大。亥姆霍茲式線圈組件或包括一系列間隙的線圈組件能夠產(chǎn)生比單個簡單螺線管更高等級的螺線管組件的中央孔中的均勻性。這種均勻性提升的代價是對于相同工作磁場增加了線材長度。
[0335]應(yīng)當認識到的是，上述實施例僅以本發(fā)明的示例性方式提供，相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)人員顯然可以對其進行進一步的修改和改進，這些修改和改進都落入本文所述的本發(fā)明的寬范圍和范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種渦輪機，所述渦輪機包括: 至少一個超導(dǎo)線圈，其用于產(chǎn)生磁場； 至少一個轉(zhuǎn)子，其安裝在位于所述超導(dǎo)線圈內(nèi)的軸上； 其中施加電流流過所述渦輪機使得軸和轉(zhuǎn)子產(chǎn)生機械功。
2.一種渦輪機，所述渦輪機包括: 機體，其包括用于產(chǎn)生磁場的多個超導(dǎo)線圈； 第一軸，其位于所述機體內(nèi)，所述第一軸上安裝有至少一個轉(zhuǎn)子； 第二軸，其與所述多個超導(dǎo)線圈相鄰放置并且與所述至少一個轉(zhuǎn)子電耦接以形成穿過所述渦輪機的串聯(lián)電路； 其中施加電流流過所述串聯(lián)電路使得所述第一軸和所述轉(zhuǎn)子產(chǎn)生機械功。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的渦輪機，其中所述轉(zhuǎn)子包括輪轂，所述輪轂經(jīng)由一組圍繞該輪轂徑向隔開的輪輻連接到輪圈。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的渦輪機，其中通過利用形成在所述轉(zhuǎn)子的外圍上的導(dǎo)電條與安裝在所述第二軸上的導(dǎo)電環(huán)之間的接觸，來將所述轉(zhuǎn)子電耦接至所述第二軸。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的渦輪機，其中所述導(dǎo)電條由連續(xù)式金屬纖維電刷形成。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的渦輪機，其中所述導(dǎo)電條由一系列的重疊薄片形成，并且其中每個薄片由連續(xù)式金屬纖維電刷形成。
7.根據(jù)權(quán)利要求2至6中任意一項所述的渦輪機，其中所述轉(zhuǎn)子與第二軸機械地耦接。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的渦輪機，其中所述轉(zhuǎn)子包括與布置在所述第二軸上的互補齒輪協(xié)作的齒輪。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的渦輪機，其中所述齒輪與所述轉(zhuǎn)子形成為整體。
10.根據(jù)權(quán)利要求2至9中任意一項所述的渦輪機，其中所述轉(zhuǎn)子由銅形成。
11.根據(jù)權(quán)利要求2至9中任意一項所述的渦輪機，其中所述轉(zhuǎn)子由非導(dǎo)電材料形成。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的渦輪機，其中所述轉(zhuǎn)子被涂覆導(dǎo)電材料，以將該轉(zhuǎn)子電耦接到所述第二軸。
13.根據(jù)權(quán)利要求2至12中任意一項所述的渦輪機，其中所述線圈由100匝12mm寬的高溫超導(dǎo)帶材形成。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的渦輪機，其中所述線圈具有150mm內(nèi)半徑。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的渦輪機，其中各所述線圈被連接以形成長螺線管。
16.根據(jù)權(quán)利要求2至15中任意一項所述的渦輪機，其中所述線圈產(chǎn)生1T到2T之間的磁場。
17.根據(jù)權(quán)利要求2至15中任意一項所述的渦輪機，其中所述線圈產(chǎn)生3T到5T之間的磁場。
18.根據(jù)權(quán)利要求2至15中任意一項所述的渦輪機，其中所述線圈產(chǎn)生1.3T到1.5T之間的峰值磁場。
19.一種渦輪機，所述渦輪機包括: 第一超導(dǎo)線圈組，其用于產(chǎn)生第一磁場； 第一軸，其位于該超導(dǎo)線圈組內(nèi)，所述第一軸上安裝有第一轉(zhuǎn)子組； 第二超導(dǎo)線圈組，其用于產(chǎn)生第二磁場，所述第二線圈組與所述第一線圈組相鄰； 第二軸，其位于該超導(dǎo)線圈組內(nèi)，所述第二軸上安裝有第二轉(zhuǎn)子組，所述第二轉(zhuǎn)子組與所述第一轉(zhuǎn)子組電耦接以提供穿過所述渦輪機的串聯(lián)電路； 其中施加電流流過所述串聯(lián)電路使得所述軸和它們各自的轉(zhuǎn)子組產(chǎn)生機械功。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的渦輪機，其中每個轉(zhuǎn)子包括輪轂，所述輪轂經(jīng)由一組圍繞該輪轂徑向隔開的輪輻連接到輪圈。
21.根據(jù)權(quán)利要求19或20所述的渦輪機，其中通過利用形成在所述第一轉(zhuǎn)子組的每個轉(zhuǎn)子外圍上的導(dǎo)電條與形成在所述第二轉(zhuǎn)子組的每個轉(zhuǎn)子外圍上的導(dǎo)電環(huán)之間的接觸，來將所述第一轉(zhuǎn)子組中的每個轉(zhuǎn)子與所述第二轉(zhuǎn)子組中的相鄰轉(zhuǎn)子電耦接。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的渦輪機，其中所述導(dǎo)電條由連續(xù)式金屬纖維電刷形成。
23.根據(jù)權(quán)利要求21所述的渦輪機，其中所述導(dǎo)電條由一系列重疊薄片形成，并且其中每個薄片由連續(xù)式金屬纖維電刷形成。
24.根據(jù)權(quán)利要求19至23中任意一項所述的渦輪機，其中所述第一轉(zhuǎn)子組中的每個轉(zhuǎn)子與所述第二轉(zhuǎn)子組中的相鄰轉(zhuǎn)子機械地耦接。
25.根據(jù)權(quán)利要求24所述的渦輪機，其中所述第一轉(zhuǎn)子組中的每個轉(zhuǎn)子包括與布置在所述第二轉(zhuǎn)子組中的所述相鄰轉(zhuǎn)子上的互補齒輪協(xié)作的齒輪。
26.根據(jù)權(quán)利要求25所述的渦輪機，其中所述齒輪與所述轉(zhuǎn)子形成為整體。
27.根據(jù)權(quán)利要求19至26中任意一項所述的渦輪機，其中在所述第一轉(zhuǎn)子組和所述第二轉(zhuǎn)子組中交替的轉(zhuǎn)子通過在所述第一軸和所述第二軸之間延伸的一組匯流條電耦接。
28.根據(jù)權(quán)利要求19至27中任意一項所述的渦輪機，其中所述第一轉(zhuǎn)子組和所述第二轉(zhuǎn)子組中的每個轉(zhuǎn)子由銅形成。
29.根據(jù)權(quán)利要求19中任意一項所述的渦輪機，其中所述第一轉(zhuǎn)子組和所述第二轉(zhuǎn)子組中的每個轉(zhuǎn)子由非導(dǎo)電材料形成。
30.根據(jù)權(quán)利要求29所述的渦輪機，其中所述第一轉(zhuǎn)子組和所述第二轉(zhuǎn)子組中的轉(zhuǎn)子被涂覆導(dǎo)電材料，以允許所述第一轉(zhuǎn)子組和所述第二轉(zhuǎn)子組中的相鄰轉(zhuǎn)子之間的電耦接。
31.根據(jù)權(quán)利要求30所述的渦輪機，其中所述第一轉(zhuǎn)子組和所述第二轉(zhuǎn)子組中交替的轉(zhuǎn)子通過在所述第一軸和所述第二軸之間延伸的一組匯流條電耦接。
32.根據(jù)權(quán)利要求19至31中任意一項所述的渦輪機，其中所述線圈由100匝12_寬的高溫超導(dǎo)帶材形成。
33.根據(jù)權(quán)利要求32所述的渦輪機，其中所述線圈具有150mm內(nèi)半徑。
34.根據(jù)權(quán)利要求32或33所述的渦輪機，其中各所述線圈被連接以形成長螺線管。
35.根據(jù)權(quán)利要求19至34中任意一項所述的渦輪機，其中所述線圈產(chǎn)生1T到2T之間的磁場。
36.根據(jù)權(quán)利要求19至34中任意一項所述的渦輪機，其中所述線圈產(chǎn)生3T到5T之間的磁場。
37.根據(jù)權(quán)利要求19至34中任意一項所述的渦輪機，其中所述線圈產(chǎn)生1.3T到1.5T之間的峰值磁場。
38.一種渦輪機，所述渦輪機包括: 第一超導(dǎo)線圈組，其用于產(chǎn)生磁場； 第一軸，其位于第一線圈組內(nèi)，所述第一軸上安裝有第一轉(zhuǎn)子組； 第二軸，其位于所述超導(dǎo)線圈組內(nèi)，所述第二軸上安裝有第二轉(zhuǎn)子組，所述第二轉(zhuǎn)子組與所述第一轉(zhuǎn)子組電耦接以提供穿過所述渦輪機的串聯(lián)電路； 其中施加電流流過所述串聯(lián)電路使得所述軸和它們各自的轉(zhuǎn)子組產(chǎn)生機械功。
39.根據(jù)權(quán)利要求38所述的渦輪機，其中每個轉(zhuǎn)子包括輪轂，所述輪轂經(jīng)由一組圍繞該輪轂徑向隔開的輪輻連接到輪圈。
40.根據(jù)權(quán)利要求38或39所述的渦輪機，其中通過利用形成在所述第一轉(zhuǎn)子組的每個轉(zhuǎn)子外圍上的導(dǎo)電條與形成在所述第二轉(zhuǎn)子組的每個轉(zhuǎn)子外圍上的導(dǎo)電環(huán)之間的接觸，來將所述第一轉(zhuǎn)子組中的每個轉(zhuǎn)子與所述第二轉(zhuǎn)子組中的相鄰轉(zhuǎn)子電耦接。
41.根據(jù)權(quán)利要求40所述的渦輪機，其中所述導(dǎo)電條由連續(xù)式金屬纖維電刷形成。
42.根據(jù)權(quán)利要求40所述的渦輪機，其中所述導(dǎo)電條由一系列重疊薄片形成，并且其中每個薄片由連續(xù)式金屬纖維電刷形成。
43.根據(jù)權(quán)利要求38至42中任意一項所述的渦輪機，其中所述第一轉(zhuǎn)子組中的每個轉(zhuǎn)子與所述第二轉(zhuǎn)子組中的相鄰轉(zhuǎn)子機械地耦接。
44.根據(jù)權(quán)利要求43所述的渦輪機，其中所述第一轉(zhuǎn)子組中的每個轉(zhuǎn)子包括與布置在所述第二轉(zhuǎn)子組中的所述相鄰轉(zhuǎn)子上的互補齒輪協(xié)作的齒輪。
45.根據(jù)權(quán)利要求44所述的渦輪機，其中所述齒輪與所述轉(zhuǎn)子形成為整體。
46.根據(jù)權(quán)利要求38至45中任意一項所述的渦輪機，其中在所述第一轉(zhuǎn)子組和所述第二轉(zhuǎn)子組中交替的轉(zhuǎn)子通過在所述第一軸和所述第二軸之間延伸的一組匯流條電耦接。
47.根據(jù)權(quán)利要求38至46中任意一項所述的渦輪機，其中所述第一轉(zhuǎn)子組和所述第二轉(zhuǎn)子組中的每個轉(zhuǎn)子由銅形成。
48.根據(jù)權(quán)利要求38中任意一項所述的渦輪機，其中所述第一轉(zhuǎn)子組和所述第二轉(zhuǎn)子組中的每個轉(zhuǎn)子由非導(dǎo)電材料形成。
49.根據(jù)權(quán)利要求48所述的渦輪機，其中所述第一轉(zhuǎn)子組和所述第二轉(zhuǎn)子組中的轉(zhuǎn)子被涂覆導(dǎo)電材料，以允許所述第一轉(zhuǎn)子組和所述第二轉(zhuǎn)子組中的相鄰轉(zhuǎn)子之間的電耦接。
50.根據(jù)權(quán)利要求49所述的渦輪機，其中所述第一轉(zhuǎn)子組和所述第二轉(zhuǎn)子組中交替的轉(zhuǎn)子通過在所述第一軸和所述第二軸之間延伸的一組匯流條電耦接。
51.根據(jù)權(quán)利要求38至50中任意一項所述的渦輪機，其中所述線圈由100匝12mm寬的高溫超導(dǎo)帶材形成。
52.根據(jù)權(quán)利要求51所述的渦輪機，其中所述線圈具有150mm內(nèi)半徑。
53.根據(jù)權(quán)利要求51或52所述的渦輪機，其中各所述線圈被連接以形成長螺線管。
54.根據(jù)權(quán)利要求38至53中任意一項所述的渦輪機，其中所述線圈產(chǎn)生1T到2T之間的磁場。
55.根據(jù)權(quán)利要求38至53中任意一項所述的渦輪機，其中所述線圈產(chǎn)生3T到5T之間的磁場。
56.根據(jù)權(quán)利要求38至53中任意一項所述的渦輪機，其中所述線圈產(chǎn)生1.3T到1.5T之間的峰值磁場。
57.一種渦輪機，所述渦輪機包括: 超導(dǎo)材料線圈，其用于產(chǎn)生磁場； 布置在所述線圈的相對端處的第一磁導(dǎo)和第二磁導(dǎo)，用于將離開和進入所述線圈的磁場重新定向； 至少一個轉(zhuǎn)子，其被安裝到位于所述超導(dǎo)線圈內(nèi)的軸上； 其中施加電流流過串聯(lián)電路使得所述軸和它們各自的轉(zhuǎn)子組產(chǎn)生機械功。
58.根據(jù)權(quán)利要求57所述的渦輪機，其中所述第一磁導(dǎo)和所述第二磁導(dǎo)將磁場定向為與所述線圈的端部實質(zhì)上平行。
59.一種渦輪機，所述渦輪機包括: 超導(dǎo)材料線圈，其用于產(chǎn)生磁場； 布置在所述線圈的相對端處的第一磁導(dǎo)和第二磁導(dǎo)，用于將離開和進入所述線圈的磁場重新定向； 至少一個轉(zhuǎn)子，其被安裝到位于所述超導(dǎo)線圈內(nèi)的軸上，其中所述轉(zhuǎn)子進一步包括一個或多個電動元件； 其中施加電流流過串聯(lián)電路使得所述軸和它們各自的轉(zhuǎn)子組產(chǎn)生機械功。
60.根據(jù)權(quán)利要求59所述的渦輪機，其中所述電動元件是布置在所述轉(zhuǎn)子的外表面上的高溫超導(dǎo)材料的形態(tài)。
61.根據(jù)權(quán)利要求60所述的渦輪機，其中所述高溫超導(dǎo)材料是高溫超導(dǎo)帶材。
62.根據(jù)權(quán)利要求59至60中任意一項所述的渦輪機，其中所述渦輪機進一步包括第一磁導(dǎo)和第二磁導(dǎo)，所述第一磁導(dǎo)和所述第二磁導(dǎo)布置在所述線圈的相對端處，用于對離開和進入所述線圈的磁場重新定向。
63.一種渦輪機，所述渦輪機包括: 超導(dǎo)材料線圈，其用于產(chǎn)生磁場； 布置在所述線圈的相對端處的第一磁導(dǎo)和第二磁導(dǎo)，用于將離開和進入所述線圈的磁場重新定向； 至少一個轉(zhuǎn)子，其被安裝到位于所述超導(dǎo)線圈內(nèi)的軸上，其中所述轉(zhuǎn)子進一步包括電動元件； 其中施加電流流過串聯(lián)電路使得所述軸和它們各自的轉(zhuǎn)子組產(chǎn)生機械功。
64.根據(jù)權(quán)利要求2至18中任意一項所述的渦輪機，其中每個轉(zhuǎn)子包括電動元件。
65.根據(jù)權(quán)利要求64所述的渦輪機，其中所述電動元件是布置在每個轉(zhuǎn)子的外表面上的高溫超導(dǎo)材料的形態(tài)。
66.根據(jù)權(quán)利要求19至37中任意一項所述的渦輪機，其中所述第一轉(zhuǎn)子組和所述第二轉(zhuǎn)子組中的每個轉(zhuǎn)子包括電動元件。
67.根據(jù)權(quán)利要求66所述的渦輪機，其中所述電動元件是布置在所述轉(zhuǎn)子的外表面上的高溫超導(dǎo)材料的形態(tài)。
68.根據(jù)權(quán)利要求38至56中任意一項所述的渦輪機，其中所述第一轉(zhuǎn)子組和所述第二轉(zhuǎn)子組中的每個轉(zhuǎn)子包括一個或多個電動元件。
69.根據(jù)權(quán)利要求68所述的渦輪機，其中所述電動元件是布置在每個轉(zhuǎn)子的外表面上的高溫超導(dǎo)材料的形態(tài)。
70.根據(jù)權(quán)利要求2至18中任意一項所述的渦輪機，進一步包括布置在所述線圈的相對端處的第一磁導(dǎo)和第二磁導(dǎo)，用于對離開和進入所述線圈的磁場重新定向。
71.根據(jù)權(quán)利要求19至37中任意一項所述的渦輪機，進一步包括布置在所述第一超導(dǎo)線圈組的相對端處的第一磁導(dǎo)對和布置在所述第二超導(dǎo)線圈組的相對端處的第二磁導(dǎo)對，其中所述第一磁導(dǎo)對和所述第二磁導(dǎo)對重新定向離開和進入所述線圈的磁場。
72.根據(jù)權(quán)利要求38至56中任意一項所述的渦輪機，進一步包括布置在所述線圈的相對端處的第一磁導(dǎo)和第二磁導(dǎo)，用于重新定向離開和進入所述線圈的磁場。
73.—種電機,所述電機包括: 殼體； 驅(qū)動組件，其安裝在所述殼體內(nèi)，所述驅(qū)動組件包括: 低溫機體，其中布置有低溫容器； 轉(zhuǎn)子組件，其位于所述低溫機體內(nèi)并在所述低溫容器外，所述轉(zhuǎn)子組件包括布置在驅(qū)動軸上的一個或多個轉(zhuǎn)子，所述一個或多個轉(zhuǎn)子被布置以形成穿過所述轉(zhuǎn)子組件的串聯(lián)電路； 至少一個超導(dǎo)線圈，其用于產(chǎn)生磁場，所述超導(dǎo)線圈被保存在所述低溫容器內(nèi)；并且 其中施加電流流過所述串聯(lián)電路使得所述一個或多個轉(zhuǎn)子和所述軸產(chǎn)生機械功。
74.根據(jù)權(quán)利要求73所述的電機，其中通過布置在相鄰轉(zhuǎn)子之間的一系列電流傳輸機構(gòu)來幫助實現(xiàn)所述轉(zhuǎn)子之間的串聯(lián)連接。
75.根據(jù)權(quán)利要求74所述的電機，其中所述電流傳輸機構(gòu)是置于每個轉(zhuǎn)子之間的固定盤的形式，每個盤包括第一組導(dǎo)電電刷和第二組導(dǎo)電電刷，其中在第一組電刷中的每個電刷與在第二組電刷中的電刷成對，其中第一組電刷與轉(zhuǎn)子的輪轂接觸，而第二組電刷與相鄰轉(zhuǎn)子的輪圈接觸。
76.根據(jù)權(quán)利要求73至75中任意一項所述的電機，其中所述轉(zhuǎn)子被置于所述驅(qū)動軸的非導(dǎo)電部分上，所述非導(dǎo)電部分在所述驅(qū)動軸的導(dǎo)電部分之間耦接。
77.根據(jù)權(quán)利要求76所述的電機，其中至少一個轉(zhuǎn)子和至少一個電流傳輸機構(gòu)與所述驅(qū)動軸的導(dǎo)電部分f禹接。
78.根據(jù)權(quán)利要求77所述的電機，其中電流經(jīng)由一組導(dǎo)電電刷被施加到所述驅(qū)動軸的導(dǎo)電部分。
79.根據(jù)權(quán)利要求76至78中任意一項所述的電機，其中所述驅(qū)動軸的非導(dǎo)電部分由一連串的非導(dǎo)電聯(lián)鎖元件形成，每個元件承載轉(zhuǎn)子和電流傳輸機構(gòu)。
80.根據(jù)權(quán)利要求73至79中任意一項所述的電機，其中所述驅(qū)動軸是中空的用于容納加固桿。
81.根據(jù)權(quán)利要求73至80中任意一項所述的電機，其中所述低溫容器與安裝在所述殼體上的低溫冷卻器耦接。
82.根據(jù)權(quán)利要求81所述的電機，其中所述低溫冷卻器是脈沖管低溫冷卻器。
83.根據(jù)權(quán)利要求81所述的電機，其中所述低溫冷卻器的尺寸被形成為在所述低溫容器內(nèi)產(chǎn)生20K的操作溫度。
84.根據(jù)權(quán)利要求83所述的電機，其中所述低溫容器包括多個銅指狀物，所述銅指狀物形成離開所述超導(dǎo)線圈的導(dǎo)熱分布路徑。
85.根據(jù)權(quán)利要求73至84中任意一項所述的電機，其中所述殼體包括端蓋來將所述轉(zhuǎn)子組件和所述低溫機體封入其中。
86.根據(jù)權(quán)利要求85所述的電機，其中所述端蓋包括起到磁導(dǎo)作用的多個板。
87.根據(jù)權(quán)利要求86所述的電機，其中所述板的數(shù)量可以變化來改變所得到的磁導(dǎo)的尺寸。
88.根據(jù)權(quán)利要求73至87中任意一項所述的電機，其中所述電機進一步包括布置在所述殼體的相對端的第二殼體。
89.根據(jù)權(quán)利要求88所述的電機，其中所述第二殼體包圍所述驅(qū)動軸的導(dǎo)電部分。
90.根據(jù)權(quán)利要求88或89所述的電機組件，其中所述第二殼體包括用于引導(dǎo)空氣穿過所述殼體的冷卻陣列。
91.根據(jù)權(quán)利要求73至90中任意一項所述的電機，其中按照從轉(zhuǎn)子的輪圈到相鄰轉(zhuǎn)子的輪轂的方式引導(dǎo)電流流過所述電機。
92.根據(jù)權(quán)利要求73至85中任意一項所述的電機，其中所述超導(dǎo)線圈由MgB2線材制造。
93.根據(jù)權(quán)利要求92所述的電機，其中所述電機進一步包括布置在所述殼體的相對端處的磁導(dǎo)，其中所述磁導(dǎo)是由MgB2線材制造的超導(dǎo)線圈。
94.根據(jù)權(quán)利要求73至93中任意一項所述的電機，其中所述電機包括用于產(chǎn)生磁場的多個超導(dǎo)線圈。
95.根據(jù)權(quán)利要求94所述的電機，其中所述多個超導(dǎo)線圈被排列以產(chǎn)生零位磁場的區(qū)域，并且其中電刷被放置在該零位區(qū)域內(nèi)。
96.—種電機,所述電機包括: 殼體； 驅(qū)動組件，其安裝在所述殼體內(nèi)，所述驅(qū)動組件包括: 低溫機體，其中布置有低溫容器； 轉(zhuǎn)子組件，其位于所述低溫機體內(nèi)并位于所述低溫容器外，所述轉(zhuǎn)子組件包括布置在驅(qū)動軸上的一個或多個轉(zhuǎn)子； 至少一個超導(dǎo)線圈，其用于產(chǎn)生磁場，所述超導(dǎo)線圈被保存在所述低溫容器內(nèi)；和電流傳輸機構(gòu)，其將所述轉(zhuǎn)子耦接在一起以形成穿過所述電機的并聯(lián)電路，其中施加電流流過所述并聯(lián)電路使得所述一個或多個轉(zhuǎn)子和所述軸產(chǎn)生機械功。
97.根據(jù)權(quán)利要求96所述的電機，其中所述電機包括用于產(chǎn)生磁場的多個超導(dǎo)線圈。
98.根據(jù)權(quán)利要求97所述的電機，其中所述多個超導(dǎo)線圈被排列以產(chǎn)生零位磁場區(qū)域，并且其中所述電流傳輸機構(gòu)的至少一部分存在于所述零位磁場區(qū)域內(nèi)。
【文檔編號】H02K16/00GK104285365SQ201280069828
【公開日】2015年1月14日 申請日期:2012年4月5日 優(yōu)先權(quán)日:2011年12月16日
【發(fā)明者】安特·圭納, 約翰·凱爾斯, 柯爾特·拉波斯, 斯圖爾特·加爾特, 約翰內(nèi)斯·S·德比爾, 戴維·B·T·瑟科姆貝, 雷內(nèi)·福格 申請人:埃龍能量私人有限公司