JPS6292754A - 単極機 - Google Patents

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】 〔発明の要約〕 鉄製の磁気カップラーと一体である中空で円筒形の導体
を有する単極機であり、該導体が回転子の一端を取り巻
く回転リングを形成している。回転リングは、二つの集
電リングにより形成され溶接密封された容積内で回転す
る。この容積は与圧された液体金属で充填されており、
空間は残されていない。液体金属は円筒形の導体と集電
リングとの間での電気的接続をもたらし、かつ回転リン
グの各々の縁部において円筒形のジャーナル軸受の潤滑
剤として働く。回転子は軸の上に固定的に設けてあり、
通常の軸受上で回転するようになっており、磁気結合に
よって回転リングからトルク及びスラスト荷重を受ける
。

〔産業上の利用分野〕

本発明は一般的には、集電体と回転子との間での電気的
接触のために液体金属を使用している単極機に関し、よ
り特定的には、液体金属を閉じ込めると共にゼロをも含
む総ての角速度において回転子と固定子の間での電気的
接触を維持するための装置に関するものである。

〔従来の技術と問題点〕

大電流密度の界磁巻線を使用している単極電動機の如き
装置においては、回転子と固定子の間に電気的接触を得
るために大電流を担う容量が必要とされる。大電流密度
に対する容量を有する集電体であることから、上記の如
き装置に液体金属集電子を用いることは技術的に良く知
られている。液体金属集電子によれば、例えば１平方イ
ンチ当り３，０００から１０，０００アンペア（４６５
〜１５５〇八／ｃｌＩ＋２）の電流密度が得られるので
あり、通常の固体の炭素ブラシの集電子の場合にはその
ほぼ１０分の１の電流密度であるのと対比することがで
きる。また固定のブラシ集電子は、低い電流密度におい
てさえ、何倍もの単位をもって液体金属集電子よりも高
い電圧降下を示す。

この高い電圧降下の結果、固体の集電子は液体金属集電
子よりも多（の熱を発生し、故障を生じがちである。ま
た単極電動機に必要とされる大電流を担う容量を備えさ
せるためには、非常に多くの数の固体集電子が必要であ
る。しかし電流は総ての集電子に必然的に均等に配分さ
れるものではなく、その結果一様でない熱の発生及び集
電子の摩耗を生ずる。更に、一つの集電子が破損するこ
とは、スリップリングの周囲に破片を送り込むことにな
り、このことは総ての集電子の破滅的な破損を招くこと
になる。

ところで、単極機の大電流、高速作動においては、固定
子及び回転子の集電体の領域（ｓ　ｉ　ｔｅ）に液体金
属を給送して一定量の供給を行うことが、従来から慣用
となっている。このことば集電体が耐えず濡れているこ
とを保証する。しかし高速の作動においては、遠心力が
集電体の表面の間から液体金属を追いやる傾向がある。

また大電流密度においては、ピンチ効果が集電体の表面
から液体金属を追い払う傾向がある。単極機において液
体金属集電子を使用する場合に経験されるさらなる問題
点は、固定子からの漂遊即ち磁場の非放射状の成分が回
転子集電体の表面を横断して軸方向にローレンツ力を生
成しうろことであり、液体金属を集電子の領域から追い
出そうとする傾向があることである。もしもこれらの作
用が液体金属を集電子の領域から追いやることになると
すれば、集電子は乾燥走行を始めることになり、電流密
度をある個所で増大させ、そこにおいて弧絡及び／又は
固定子と回転子の集電体領域の間の溶着が生ずることに
なる。そのような結末は電流の流れる接触面を著しく損
傷することになり、また機械を破壊する。

集電体の領域の周囲で液体金属をＷｉ環させ、封じ込め
ケージに液体金属の所要とする閉じ込めを行わせるため
の、液体金属循環手段及び方法が、また従来技術として
公知である。米国特許第４，２４１，２７３号において
、ハツチ（Ｉｌａｔｃｈ）は固定子の集電リングに取着
された複数の柔軟な非導電性のケージを有する単極機を
教示している。液体金属は、軸方向及び周縁方向ではケ
ージの壁によって画定され、半径方向では固定子の半径
方向内側の表面及び回転子の集電リングの半径方向に最
も外側の表面によって画定された空間の中に閉じ込めら
れている。液体金属は、各々のケージ内へとそれぞれ半
径方向内方に突出している固定子のフィン、及び回転子
の集電リングの半径方向に最も外側の表面と接触してい
る。

上に述べた従来技術の単極機は両方とも、非導電性の壁
を介しての漏れや、回転子の回転によって包囲体（ケー
ジ）の壁と回転子の外側の表面との間から出てしまって
失われた液体金属を補填するために、包囲された（閉じ
込められた）領域への液体金属の絶え間のない供給を必
要とする。これによって、電流の流れる総ての領域にわ
たっての絶え間のない接触を保証するためである。その
ような方法の一つが、１９８０年６月ｌＯ日にバー７チ
（Ｂｕｒｔｏｎ　Ｄ、　Ｈａｔｃｈ）に対して付与され
ジェネラル・エレクトリンク・カンパニーに譲渡された
米国特許第４．２０７．４８６号に開示されている。そ
こにおいてハツチは、半径方向内側の集電体に対して液
体金属を半径方向内方に給送するために、半径方向外側
の集電体の液体金属と摩擦接触している回転子のディス
クの回転によって生成される圧力水頭を使用する、ディ
スクタイプの単極機を教示している。かくして、半径方
向外側の集電体に隣接する領域から半径方向内側の集電
体に隣接する領域へと延びている固定子のディスクの各
々を介しての通路を通っての動的給送によって、集電体
に対する液体金属の一定な供給がもたらされている。

また、回転子リング及び固定子リングの間に配置された
剛性の又は柔軟な非導電性のケージ又は包囲壁を使用す
ることによって、回転子及び固定子の集電リング間の明
確に定められた接触領域に液体金属を閉じ込めるという
従来技術が公知である。１９８０年１２月２３日にマー
シャル（Ｒｏｂｅｒｔ　Ａ、　Ｍａｒｓｈａｌｌ）に対
して付与されジェネラル・エレクトリック・カンパニー
に譲渡された米国特許第４，２４１，２７２号は、剛性
の非導電性包囲体による液体金属の封じ込めを開示して
いる。１９８０年１２月２３日にハツチ（Ｂｕｒｔｏｎ
　Ｄ、　１ｌａｔｃｈ）に対して付与されジェネラル・
エレクトリック・カンパニーに譲渡された米国特許第４
，２４１，２７３号はまた、ある限定された表面と絶え
間なく接触している液体金属の封じ込めを開示している
。

〔発明の４既要〕 本発明の原理に従えば、単極機は、導電リングとして用
いられる環状かつ円筒状の外被を有する回転子と、この
外被即ち回転導電リングの一縁部を取り囲むある一つの
極性の固定子集電リングと、回転導電リングの他の縁部
を取り囲む別の極性のもう一つの固定子集電リングとを
含んでいる。回転導電リング及びこれと一体の鉄製磁束
集束リングは、溶接密封された中空で円筒形の包囲体内
で回転する。この包囲体は上記二つの固定子集電リング
及び包囲体の円筒形の半径方向に内側の壁を形成する薄
い電気的な絶縁壁の形状によって形成されるものである
。

円筒形の包囲体は与圧された液体金属で充填されており
、空間は残されていない。液体金属はジャーナル軸受と
して機能し、回転する回転導電リングを支持すると共に
、固定子集電リングと回転導電リングとの間に絶え間の
ない電気的接続をもたらす。回転する回転導電リングに
よって発生されたトルクは、磁気結合によって回転子及
び電動機の軸へと伝達される。

〔発明の効果〕

液体金属が円筒形の包囲体内で溶接密封されていること
から、漏れが生ずることはなく、集電体の表面に液体金
属を一定量再供給する必要もない。また、液体金属は与
圧されており空間は残されていないことから、キャビテ
ーションに伴う問題は除去される。本発明によって提供
される単極電動機は従来技術に開示されたものよりも設
計的にかなり簡易である。なぜなら液体金属の給送及び
再供給機構は回答必要とされず、漏れを防ぐための軸シ
ールの必要性も排除されるからである。

本発明は設計及び作動方法の両者について、さらなる目
的及び利点と共に、添付図面を参照することによって最
高の理解を得ることができよう。

〔好ましい実施例の説明〕

第１図及び第２図を参照すると、本発明の原理に従った
、永久磁石単極電動機が示されている。幾つもの永久磁
石９を含んでいる固定子組立体が、軟鉄からなりカップ
状のフレーム片８と軟鉄製の磁束集束リング１０との間
で、回転子７の周囲に環状に（第２図に示す如く）配置
されている。回転子７は固定子組立体内で軸１上に設け
られている。固定子組立体及び回転子７を取り囲んでい
るものは、フレーム片８、機械的中間プレート５、及び
フレーム片６及び１１である。軸１はボール軸受装置２
及び３に回転可能に設けられ、且つ保持リングとワッシ
ャの組立体１８によって支持されている。軸受ねじ１９
は軸受１に予荷重を加える調整手段となる。永久磁石９
はネオジミウム−鉄−ホウ素の如き、適当な磁性材料で
あれば何でも良い。回転子７は軟鉄又はバナジウムパー
メンジュールの如き適当な磁性材料の単一の固体部片か
ら機械加工され、或いはラミネートされる。回転子７は
キー加工、締め嵌め又は溶接の如き何らかの都合の良い
方法により、軸１に取着される。

回転リング１３は円筒形の電機子リング１４及び磁気結
合リング１５からなる。回転リング１３は回転子７を取
り囲み且つこれと同心の空間１６内で、回転子７の一端
にあるステン１７′の向かい側に配置されている。電機
子リング１４はベリリウム−銅の如き導電性の高い材料
で構成されている。

磁気結合リング１５は適当な磁性材料、例えばバナジウ
ムパーメンジュールの如きで構成され、また電機子リン
グ１４の内側を向いた表面に隣接し且つこれと一体に結
合されている。空間１６はフレーム片６及び１１により
形成され、密封スリーブ１７によって溶接密閉されてい
る。空間１６は圧力下に、導電性の高い液体金属、例え
ばナトリウム−カリウム合金の如きによって満たされて
いる。この液体金属は電機子リング１４とフレーム片６
及び１１との間での電気的接触をもたらし、また回転リ
ング１３のための流体力学的又はジャーナル軸受での潤
滑剤として機能する。フレーム片６及び１１は導電性の
高い材料、例えばベリリウム−銅の如きにより作成され
ており、電機子電流の集電体として働く。液体金属との
反応を減少させ、一時的な機械的接触の下で純粋な銅の
表面に生じうるかしり　（焼付き）及び／又は溶着を防
止するために、空間１６を形成しているフレーム片６及
び１１の表面、並びに電機子リング１４の表面は、ナト
リウム−カリウム雰囲気で不活性な適当な材料、例えば
クロムメッキ又はプラズマ溶射されたタングステンカー
バイドの如き材料によって被覆される。密封スリーブ１
７はフィラメントを織成してなる複合材料であり、不活
性な表面を備えるために超高分子量のポリエチレンの薄
い層の如き適当な材料によって被覆されている。

従来の装置においては、電機子と集電体との間の隙間を
最小限に、例えば０．００１から０．００２インチ（０
，０２５４〜０．０５０８ｍｍ）にしようとする努力が
払われた。なぜなら隙０間が大きければ、液体金属がそ
の容積を完全に満たさないかも知れないからである。電
機子と集電体との間の隙間を満たすことが不完全である
場合には、回転子の速度が速い場合にキャビテーション
を生じうるのであり、このキャビテーションの可能性は
溶解し又は捉えられたガスの存在下で増大する。

本発明によれば、空間１６内にある液体金属の圧力は、
いかなる給送動力を浪費することもなしに、高く一定の
値に維持されている。なぜなら、空間１６は溶接密閉さ
れているからである。

この充填圧力は、液体金属がキャビテーションを生ずる
いかなる傾向をも克服するよう、十分に大きなものであ
る。即ち慣性的な又は電磁気的な作力に起因して空間１
６内のいずれかの部位で局部的に圧力が減少したとして
も、その減少した局部的な圧力は、溶解したガス又はナ
トリウム−カリウムの蒸気の圧力を常に上回ることにな
るのである。

回転リング１３は、回転リング１３及びフレーム片１１
の向かい合った表面の間に形成された内側の流体力学的
軸受によって、半径方向に二方向の自由度をもって支持
されている。回転リング１３はまた、回転リング１３と
フレーム片６の向かい合った表面の間に形成された外側
の流体力学的軸受によって、半径方向に直交する方向に
二方向の自由度をもって支持されている。かくして形成
された内側及び外側の流体力学的軸受は、回転リングＩ
３を線形（半径方向）及び直交方向に二方向ずつの自由
度をもって、及びこれら二つの直交する軸の周囲に二方
向の捩れ自由度をもって制限している。三次の自由度は
磁気結合リング１５と軸方向に固定された磁束集束リン
グ１０及び回転子のステップ７′との間の磁気復帰力に
よって制限される。三次の捩れ自由度は本装置の所望と
する回転軸であるから、制限はされない。

フレーム片６及び１１は電機子電流の集電体として用い
られ、ベリリウム−銅の如き導電性の高い材料から構成
されている。図示の実施例においては、フレーム片６は
正極への結合であり、フレーム片ＩＩは負極への結合で
ある。絶縁外被４．１２及び１２゛　がこの電気回路を
電動機のフレームその他の電気的に導体である構成要素
から絶縁している。作動においては、リチウム電池の如
き低電圧大電流の直流電源（図示せず）が、電動機に直
接に接続される。電源に直接に接続されることにより、
ＤＣ−ＤＣ変換器において生ずる如き電圧降下は生じな
い。そのような変換器は装置の重量及び複雑性を加えて
しまうことにもなる。

界磁磁束の通路は、点線２０によって示されているよう
に、フレーム片８、回転子７、回転子のステップ７°、
磁気結合リング１５、電機子リング１４、負電流の集電
体たるフレーム片１１、磁束集束リング１０及び永久磁
石９を通っている。電流の通路は点線２１によって示さ
れている如きものである。磁石及び電気の極性が図示の
如くであることにより、回転子７の回転方向は矢印２２
で示す如くになる。外側を向いている回転子のステップ
７゛の表面及び磁気結合リング１５の内側を向いている
表面は、第２図に示されているように波形になっており
、回転する回転リング１３によって生成されたトルクを
回転子７に伝達する磁気カップリングを提供している。

このような磁気力・ノブリングを使用する技法は技術的
に周知のものであり、ここでは議論を行わない。

点線２１によって示されている如き電流の通路は、電機
子リング１４及び集電体たるフレーム片１１に対して、
該通路に隣接した反対向きの電流の通路を付与し、それ
によって電流の流れにより生じた磁界を打ち消す。回転
リング１３内で発生されるどのような漂遊スラストも磁
気的に取り上げられ、この負荷は磁気カップリングによ
って回転子の軸のボール軸受装置２及び３に移送される
。

説明を行った本発明はその好ましい実施例に関して特定
的に示されかつ記載されてきたが、本発明の精神及び範
囲から逸脱することなしに、形態及び詳細を種々変化さ
せうろことは、当業者に理解されるであろう。例えば、
本発明が直流発電機としても使用されうろことは当業者
には明らかであろう。本発明の適用例は、本来的にター
ビンの速い回転（ｒｐｍ）が有利であるような、小さな
ガスタービンへの直接的な結合を含む。このような単極
機の一対が相互に結合されてトルクコンバータを形成す
る場合に、溶接密閉され保守不要の集電体が利点を有す
ることも、また認識されるであろう。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の原理を取り込んでいる単極機を示す断
面図であり、第２図は第１図に示された単極機のＡ−Ａ
’線に沿ってとった断面図である。 １・・・軸　　　　　　　２・・・ボール軸受装置３・
・・ボール軸受装置　４・・・絶縁外被５・・・機械的
中間プレート ６・・・フレーム片　　　７・・・回転子７°・・・ス
テップ　　　　８・・・フレーム片９・・・永久磁石　
　　　１０・・・磁束集束リング１１・・・フレーム片
　　　１２．１２″・・・絶縁外被１３・・・回転導電
リング　１４・・・電機子リングＩ５・・・磁気結合リ
ング　１６・・・空間１７・・・密封スリーブ １８・・・保持リングとワッシャの組立体１９・・・軸
受ねじ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　液体金属が二つの固定された集電リングと一つの回
   転可能な導電リングの間での電気的接続をもたらす種類
   の単極機において、前記単極機が： 回転子と； 磁場及び前記二つの固定された集電リングをもたらすた
   めの磁気装置を含む固定子組立体と；前記回転子及び固
   定子組立体を包囲し磁束を伝える材料からなるフレーム
   と； 前記固定された集電リングが空間を画定していること、
   該空間が前記回転子と前記磁気装置との間に配置されて
   いること、前記空間は前記回転子と同心であること、及
   び前記空間は圧力下に液体金属を含むように密封されて
   いることと； 前記回転可能な導電リングは前記空間内に配置されてい
   ること、前記液体金属は前記回転可能な導電リングの各
   々の端部と前記二つの固定された集電リングの片方ずつ
   との間に電気的な接続をもたらすこと、及び前記液体金
   属は前記固定子組立体との間に離間したギャップを画定
   する関係において前記回転可能な導電リングを流体力学
   的に支持しており、該回転可能な導電リングを流れる電
   流に応答して該回転可能な導電リングが前記固定子組立
   体に関して回転することを許容することと；及び、 前記回転可能な導電リングから前記回転子へとトルクを
   磁気的に結合する磁気結合装置とからなる、単極機。 ２　前記磁場をもたらすための磁気装置は、前記フレー
   ムと前記回転可能な導電リングとの間に配置され環状に
   配列された複数の永久磁石を含み、該複数の永久磁石は
   前記フレームによって支持されており前記回転子の軸と
   同心である、特許請求の範囲第１項記載の単極機。 ３　前記回転可能な導電リングは、電流を運ぶための導
   電性材料の円筒形のリングと、該円筒形のリングの半径
   方向内方を向いた表面に隣接し且つこれと一体となった
   磁束伝導材料のリングを含み、前記磁束伝導材料のリン
   グは磁束を集束させるためのものである、特許請求の範
   囲第２項記載の単極機。 ４　前記磁気結合装置は前記磁束伝導材料のリングの半
   径方向内側の表面及びこれに向かい合う前記回転子の半
   径方向外側の表面を含み、前記回転可能な導電リングか
   ら前記回転子へとトルクを磁気的に結合するために、前
   記表面の各々は揃っており且つ向かい合っている歯をそ
   の上に形成するようにスロットを有している、特許請求
   の範囲第３項記載の単極機。