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特表2024-505004線形媒体取扱システムおよびそれを使用して生産されるデバイス
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】
(43)【公表日】2024-02-02
(54)【発明の名称】線形媒体取扱システムおよびそれを使用して生産されるデバイス
(51)【国際特許分類】
H02K 55/04 20060101AFI20240126BHJP
H02K 15/08 20060101ALI20240126BHJP
【ＦＩ】
H02K55/04
H02K15/08
【審査請求】未請求
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2023544650
(86)(22)【出願日】2022-01-25
(85)【翻訳文提出日】2023-08-29
(86)【国際出願番号】 US2022013662
(87)【国際公開番号】W WO2022164787
(87)【国際公開日】2022-08-04
(31)【優先権主張番号】17/159,047
(32)【優先日】2021-01-26
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【識別番号】523279604
【氏名又は名称】インフィニティ フィジックス， エルエルシー
(74)【代理人】
【識別番号】100078282
【弁理士】
【氏名又は名称】山本 秀策
(74)【代理人】
【識別番号】100113413
【弁理士】
【氏名又は名称】森下 夏樹
(74)【代理人】
【識別番号】100181674
【弁理士】
【氏名又は名称】飯田 貴敏
(74)【代理人】
【識別番号】100181641
【弁理士】
【氏名又は名称】石川 大輔
(74)【代理人】
【識別番号】230113332
【弁護士】
【氏名又は名称】山本 健策
(72)【発明者】
【氏名】クニエリム， グレン
(72)【発明者】
【氏名】スピーカー， マーク
【テーマコード（参考）】
5H615
【Ｆターム（参考）】
5H615AA01
5H615BB00
5H615PP02
5H615PP12
5H615QQ19
5H615SS09
5H615SS10
5H615SS11
5H615TT14
5H615TT15
(57)【要約】
繊細な線形媒体を取り扱うための改良されたシステム、特に、スプールまたは巻型上に超伝導ワイヤまたはテープまたは光ファイバ等の繊細な線形媒体を巻回するための方法および装置、およびそれによって生産される電気機械。直接閉ループ制御および媒体経路指定設計の組み合わせが、損傷を引き起こすことなく、繊細な媒体の取扱を促進する。線形媒体における軸方向張力は、巻出および巻上スプールの回転速度を制御するために張力測定値を使用するフィードバック制御ループを用いて、巻回の間に厳密に制御され得る。さらに、巻回の間、繊細な線形媒体は、いかなる逆屈曲も伴わずに、大きい半径の屈曲にのみ暴露される。最後に、繊細な線形媒体の取扱によって可能にされる、商業的またはその他の出力デバイスおよび特徴が、露見される。これは、高度なＳＣデバイスおよび特徴を含む。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
電気機械であって、少なくとも１つのコイルを備える一次構成要素と、
長方形断面を有する超伝導テープの層から形成される少なくとも１つのコイルを有する二次構成要素であって、前記二次構成要素は、前記一次構成要素に隣接して位置付けられ、空隙によって前記一次構成要素から分離され、前記一次構成要素は、前記二次構成要素を移動させるために、前記二次構成要素と相互作用する電磁力を生成するように構成される、二次構成要素と
を備える、電気機械。
【請求項2】
前記長方形断面は、長縁および短縁によって画定され、前記短縁は、前記空隙に隣接して位置付けられ、前記長縁は、前記空隙から離れるように延在する前記超伝導テープの側方側面と関連付けられる、請求項１に記載の機械。
【請求項3】
前記側方側面は、前記空隙の湾曲に対して法線方向ではない、請求項２に記載の機械。
【請求項4】
前記超伝導テープの層は、第１の層であり、さらに、前記第１の層の外側に位置する第２の層を備え、前記第１の層は、前記空隙と前記第２の層との間に位置し、前記第１の層および前記第２の層の超伝導テープの側方面は、間隙によって分離される、請求項１に記載の機械。
【請求項5】
前記二次構成要素の少なくとも１つのコイルは、埋設された銅またはアルミニウム、制動巻線バー、可変外部抵抗器、および／または電力電子機器を含む、請求項１に記載の機械。
【請求項6】
前記二次構成要素は、前記一次構成要素内に位置付けられる、請求項１に記載の機械。
【請求項7】
前記一次構成要素および前記二次構成要素は、横並びに位置する線形部分を備える、請求項１に記載の機械。
【請求項8】
前記二次構成要素はさらに、前記一次構成要素によって発生された磁場と相互作用する複数の永久磁石またはトラップ場磁石を採用する、請求項１に記載の機械。
【請求項9】
前記トラップ場磁石によって提供される磁束および／または前記二次および／または一次構成要素によって発生される磁束は、選択的に改変されることができる、請求項８に記載の機械。
【請求項10】
前記一次構成要素の少なくとも１つのコイルは、長方形外形を有する超伝導テープの層から成る、請求項１に記載の機械。
【請求項11】
前記一次または二次構成要素の超伝導テープの層は、ワイヤまたはテープの連続的接続とともに巻回される複数の磁石から成る、請求項１０に記載の機械。
【請求項12】
前記長方形断面は、長縁および短縁によって画定され、前記短縁は、前記空隙に隣接して位置付けられ、前記長縁は、前記空隙から離れるように延在する前記超伝導テープの側方側面と関連付けられる、請求項１０に記載の機械。
【請求項13】
前記一次構成要素の少なくとも１つのコイルは、第１の層と、第２の層とから成り、前記第２の層は、前記第１の層の外側に位置し、前記第１の層は、前記空隙と前記第２の層との間に位置する、請求項１０に記載の機械。
【請求項14】
前記一次構成要素によって生産される磁束は、前記第１の層によって発生される磁束の一部と、前記第２の層によって発生される磁束の一部とから成る、請求項１３に記載の機械。
【請求項15】
前記二次構成要素は、トラップ場磁石、永久磁石、および／または前記少なくとも１つのコイルから成る複数の界磁極を支持するシャフトから成るロータである、請求項１に記載の機械。
【請求項16】
前記トラップ場磁石、永久磁石、および／または前記少なくとも１つのコイルを被覆する電磁シールドをさらに備える、請求項１５に記載の機械。
【請求項17】
電磁シールドは、任意の配向におけるＨＴＳテープである、請求項１６に記載の機械。
【請求項18】
前記シャフトは、少なくとも部分的に中空であり、ロータ軸受と、電力およびデータケーブルを収容する埋設されたスリップリングを伴う回転極低温結合器とを備える、請求項１５に記載の機械。
【請求項19】
前記空隙は、空気から排気される、または空気が、非水性ガスと置換される、請求項１に記載の機械。
【請求項20】
前記二次構成要素は、前記一次構成要素によって発生される磁場によって、または外部機械力によって押勢されるとき、最大で少なくとも１００ｒｐｍまで急回転するロータである、請求項１に記載の機械。
【請求項21】
前記一次構成要素および二次構成要素の端部は、前記一次および二次構成要素の有効磁気長を増加させる巻きを含む、請求項１に記載の機械。
【請求項22】
電気機械であって、複数の超伝導コイルを備える一次構成要素と、
前記一次構成要素に隣接して位置付けられる二次構成要素であって、前記二次構成要素は、空隙によって前記一次構成要素から分離され、前記一次構成要素は、前記二次構成要素を移動させるために、前記二次構成要素と相互作用する電磁力を生成するように構成される、二次構成要素と
を備え、
前記超伝導コイルは、長方形断面を有する超伝導テープの層から形成される、電気機械。
【請求項23】
前記長方形断面は、長縁および短縁によって画定され、前記短縁は、前記空隙に隣接して位置付けられ、前記長縁は、前記空隙から離れるように延在する前記超伝導テープの側方側面と関連付けられる、請求項２２に記載の機械。
【請求項24】
前記側方側面は、前記空隙の湾曲に対して法線方向ではない、請求項２３に記載の機械。
【請求項25】
前記超伝導テープの層は、第１の層であり、さらに、前記第１の層の外側に位置する第２の層を備え、前記第１の層は、前記空隙と前記第２の層との間に位置し、前記第１の層および前記第２の層の超伝導テープの側方面は、間隙によって分離される、請求項２２に記載の機械。
【請求項26】
前記二次構成要素は、前記一次構成要素内に位置付けられる、請求項２２に記載の機械。
【請求項27】
前記一次構成要素および前記二次構成要素は、横並びに位置する線形部分を備える、請求項２２に記載の機械。
【請求項28】
前記二次構成要素は、前記一次構成要素によって発生された磁場と相互作用する複数の永久磁石、トラップ場磁石、超伝導テープ、またはコイルを採用する、請求項２２に記載の機械。
【請求項29】
前記トラップ場磁石によって提供される磁束および／または前記二次および／または一次構成要素によって発生される磁束は、選択的に改変されることができる、請求項２８に記載の機械。
【請求項30】
前記二次構成要素は、トラップ場磁石、永久磁石、および／または前記少なくとも１つのコイルから成る複数の界磁極を支持するシャフトから成るロータである、請求項２２に記載の機械。
【請求項31】
前記トラップ場磁石、永久磁石、および／または少なくとも１つのコイルを被覆する電磁シールドをさらに備える、請求項３０に記載の機械。
【請求項32】
電磁シールドは、任意の配向におけるＨＴＳテープである、請求項３１に記載の機械。
【請求項33】
前記シャフトは、少なくとも部分的に中空であり、ロータ軸受と、電力およびデータケーブルを収容する埋設されたスリップリングを伴う回転極低温結合器とを備える、請求項３０に記載の機械。
【請求項34】
前記空隙は、空気から排気される、または空気が、非水性ガスと置換される、請求項２２に記載の機械。
【請求項35】
前記二次構成要素は、前記一次構成要素によって発生される磁場によって、または外部機械力によって押勢されるとき、最大で少なくとも１００ｒｐｍまで急回転するロータである、請求項２２に記載の機械。
【請求項36】
前記一次構成要素および二次構成要素の端部は、前記一次および二次構成要素の有効磁気長を増加させる巻きを含む、請求項２２に記載の機械。
【請求項37】
一次構成要素と、空隙によって前記一次構成要素から分離される二次構成要素とを備える電気機械を制御する方法であって、前記二次構成要素は、長方形断面を有する超伝導テープの層から形成される超伝導コイルを備え、最初に、前記一次構成要素に通電し、前記超伝導コイルと相互作用する磁場を生成し、前記二次構成要素の回転を開始することと、
前記少なくとも１つの超伝導コイルに通電し、前記二次構成要素の回転を選択的に改変することと
を含む、方法。
【請求項38】
前記二次構成要素はさらに、コイルまたはバーの導体、超伝導テープ、永久磁石、およびトラップ場磁石のうちの少なくとも１つを備える、請求項３７に記載の方法。
【請求項39】
前記超伝導コイルに通電することは、前記二次構成要素の回転速度が所定のレートに接近するときに行われる、請求項３７に記載の方法。
【請求項40】
前記長方形断面は、長縁および短縁によって画定され、前記短縁は、前記空隙に隣接して位置付けられ、前記長縁は、前記空隙から離れるように延在する前記超伝導テープの側方側面と関連付けられる、請求項３７に記載の方法。
【請求項41】
前記二次構成要素の超伝導コイルは、受動的使用モードと、電流がそれを通して通過する能動的使用モードとを有し、前記超伝導コイルは、前記一次構成要素が最初に通電されるとき、前記受動的使用モードにある、請求項３７に記載の方法。
【請求項42】
前記トラップ場磁石の磁場密度は、前記一次構成要素および／または前記二次構成要素の超伝導コイルによって設定される、請求項３７に記載の方法。
【請求項43】
巻回機械であって、線形媒体を搬送するように適合される巻解スプールと、
前記線形媒体を受容するように適合される巻取スプールと、
前記巻解スプールと前記巻取スプールとの間に位置付けられるフォロワサブアセンブリであって、
少なくとも１つの巻取ガイドサブアセンブリと関連付けられる少なくとも１つのアクチュエータであって、前記少なくとも１つのアクチュエータは、前記巻取スプールに対する側方運動、横方向運動、またはそれらの組み合わせを前記少なくとも１つの巻取ガイドサブアセンブリ上に選択的に付与するように構成され、前記少なくとも１つの巻取ガイドサブアセンブリは、
回転ガイドアクチュエータと、
前記回転ガイドアクチュエータに動作可能に相互接続される線形ガイドアクチュエータと、
前記線形ガイドアクチュエータに動作可能に相互接続される巻取ガイドと、
を備え、
前記線形ガイドアクチュエータは、前記巻取スプールに向かって、またはそれから離れるように、前記巻取ガイドの端部の少なくとも選択的移動を提供することと、
前記回転ガイドアクチュエータは、前記巻取ガイドの端部の選択的弧状平行移動を提供することと
を行う、少なくとも１つのアクチュエータ
を備える、フォロワサブアセンブリと
を備え、
前記線形媒体は、前記巻解スプールから取られ、前記巻取スプール上に巻回され、磁石、ケーブル、またはケーブル磁石を形成し、前記線形ガイドアクチュエータまたは前記回転ガイドアクチュエータの選択的移動は、これが前記巻取スプール上に設置される際、前記線形媒体の位置を制御する、巻回機械。
【請求項44】
前記少なくとも１つの巻取ガイドサブアセンブリの少なくとも１つのアクチュエータは、前記巻取スプールに対する選択的横方向運動を提供する線形アクチュエータを備える、請求項４３に記載の巻回機械。
【請求項45】
前記少なくとも１つの巻取ガイドサブアセンブリの少なくとも１つのアクチュエータは、前記少なくとも１つの巻取ガイドサブアセンブリが、側方および横方向移動の方向に直交するアクセスを中心として移動することを選択的に可能にする横方向運動を提供する前記線形アクチュエータと関連付けられる回転アクチュエータを備える、請求項４４に記載の巻回機械。
【請求項46】
前記少なくとも１つの巻取ガイドサブアセンブリの少なくとも１つのアクチュエータは、前記巻取スプールが、側方および横方向移動の方向に直交する軸を中心として移動することを選択的に可能にする前記巻取スプールと関連付けられる回転アクチュエータを備える、請求項４３に記載の巻回機械。
【請求項47】
前記巻取ガイドは、直線または角度付きロッドから成り、車輪を採用し、円錐形端部を保有する、または弧状端部を保有する、請求項４３に記載の巻回機械。
【請求項48】
少なくとも１つの巻取ガイドサブアセンブリは、第１の巻取ガイドを伴う第１の巻取ガイドサブアセンブリと、第２の巻取ガイドを伴う第２の巻取ガイドサブアセンブリとを備え、一方の巻取ガイドは、前記線形媒体を含有し、他方の巻取ガイドは、前記巻取スプール上に前記線形媒体を押勢する、請求項４３に記載の巻回機械。
【請求項49】
前記巻取スプールは、巻回弧回転を提供するデバイスと関連付けられ、それによって、前記巻取スプールが選択的に傾斜することを可能にする、請求項４３に記載の巻回機械。
【請求項50】
前記線形媒体は、いかなる逆屈曲を通しても通過しない超伝導ワイヤ、テープ、またはケーブルである、請求項４３に記載の巻回機械。
【請求項51】
前記線形媒体が前記超伝導領域から離脱したときを識別するように構成される少なくとも１つのセンサをさらに備える、請求項４３に記載の巻回機械。
【請求項52】
前記巻取ガイドは、センサを採用し、前記センサは、任意の感知方向から前記線形媒体位置、線形媒体配向、巻取スプール位置、巻取スプール配向、巻取線形媒体の力、巻取線形媒体の歪みのうちの少なくとも１つを感知し、感知された情報を使用し、制御オブザーバの支援による巻回制御の支援によって巻回制御を調節するように構成される、請求項４３に記載の巻回機械。
【請求項53】
張力制御デバイスをさらに備え、前記張力制御デバイスは、前記巻解スプールと前記フォロワサブアセンブリとの間に、または前記フォロワサブアセンブリ内に、または前記フォロワサブアセンブリと前記巻取スプールとの間に位置し、前記張力制御デバイスは、前記繊細な線形媒体に選択的に接触し、所望の張力を維持し、可変巻回張力、前記線形媒体の修理、線形媒体の長さの除去、または新しい巻解スプールの追加を可能にする、請求項４３に記載の巻回機械。
【請求項54】
前記線形媒体を受容するように適合される平行ガイドにおいて終わり、これが前記巻解スプールから前記巻取スプールに進行する際、前記線形媒体を所定の平面内に維持するために前記線形媒体の位置を監視するセンサまたは旋回フォークをさらに備える、請求項４３に記載の巻回機械。
【請求項55】
前記巻解スプールを旋回させるように構成される第１のモータと、前記巻取スプールを旋回させるように構成される第２のモータと、感知された軸方向張力を受信し、前記第１のモータまたは第２のモータの速度を制御し、前記線形媒体において所望の一定または可変軸方向張力を維持するシステムコントローラとをさらに備える、請求項４３に記載の巻回機械。
【請求項56】
前記制御システムは、能動的制御ループを採用し、これが前記巻取スプール上に設置される際、前記線形媒体の張力、場所、ピッチ、または巻取角度を変動させるための手段を提供する、請求項５５に記載の巻回機械。
【請求項57】
前記システムコントローラは、前記巻解スプールからの連続的または変化する角度および線形位置を可能にする角度および位置オン／オフ巻回を組み込む、請求項５６に記載の巻回機械。
【請求項58】
前記巻取ガイドは、側方巻回、立ち上がり、下方凹、角度、およびキックアップを含む任意の巻回位置付けに関する任意の側方または角度方向からの力を用いて前記巻取材料を誘導する巻取ガイドを採用する、請求項４３に記載の巻回機械。
【請求項59】
線形媒体との併用のための巻回機械であって、前記線形媒体を保管するように適合され、それから線形媒体が除去される線形媒体供給スプールと、
巻解スプールと関連付けられるケーブルコア、磁石、またはケーブル磁石と、
少なくとも１つのモータであって、前記少なくとも１つのモータは、前記ケーブルコア、磁石、またはケーブル磁石を平行移動させ、それによって、前記ケーブルコア、磁石、またはケーブル磁石を巻取スプール上に移送する、少なくとも１つのモータと、
被着ステーションであって、前記被着ステーションは、前記線形媒体供給スプールからの線形媒体を前記ケーブルコア、磁石、またはケーブル磁石上に被着するように構成される、被着ステーションと、
構成要素統合ステーションであって、前記構成要素統合ステーションは、前記ケーブルコア、磁石、またはケーブル磁石が前記巻取スプールまたは巻型上に巻回される前、その間、またはその後、前記ケーブルコア、磁石、またはケーブル磁石に構成要素を追加する、構成要素統合ステーションと
を備える、巻回機械。
【請求項60】
前記構成要素は、部分的または完全な電力電子機器デバイス、センサ、注入材料、またはエネルギー貯蔵要素であり、前記ケーブルコア、磁石、またはケーブル磁石上への、またはその中への組み込みは、有限、断続的、または完全なケーブル長に関する螺旋被着巻回または類似するプロセスによって、任意の磁石、ケーブル磁石、またはケーブル位置に関して達成される、請求項５９に記載の巻回機械。
【請求項61】
前記線形媒体および／または構成要素は、ある形態の機械的ガイドによって、前記巻回媒体の片側または両側上で前記巻取スプールまたは巻型上に誘導される、請求項５９に記載の巻回機械。
【請求項62】
前記構成要素は、第１の構成要素および／または第２の構成要素を備え、前記第１の統合された構成要素は、前記ケーブルコア、磁石、またはケーブル磁石の非極低温領域内に設置される、および／または前記第２の構成要素は、前記ケーブルコア、磁石、またはケーブル磁石の極低温領域内に設置される、請求項５９に記載の巻回機械。
【請求項63】
前記構成要素は、性能を強化するために、凍結剤冷却を利用する、請求項５９に記載の巻回機械。
【請求項64】
前記構成要素は、前記ケーブルコア、磁石、またはケーブル磁石の電力伝送または動作伝導媒体に直接接続する、請求項５９に記載の巻回機械。
【請求項65】
前記構成要素は、前記巻回を定位置に保持する、および／または構造的支持および／または冷却経路を提供し、巻回を支援する、および／または巻回性能を強化する、請求項５９に記載の巻回機械。
【請求項66】
前記二次構成要素は、前記最終デバイスから外部に区分において作成される、請求項１に記載の機械。
【請求項67】
前記一次構成要素は、前記最終デバイスから外部に区分において作成される、請求項１０に記載の機械。
【請求項68】
前記ガスは、凍結剤冷却システムガスである、請求項１９に記載の機械。
【請求項69】
前記ガスは、凍結剤冷却システムガスである、請求項３４に記載の機械。
【請求項70】
前記制御オブザーバは、ＣＡＤ／ＣＡＭ位置付けを含む、請求項４３に記載の巻回機械。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本ＰＣＴ出願は、その全開示が、参照することによって本明細書に組み込まれる、２０１６年９月２２日に出願され、２０１７年３月３０日に第ＷＯ２０１７／０５３６１１号として公開された、第ＰＣＴ／ＵＳ２０１６／０５３１７４号の一部継続出願である、２０１８年３月２１日に出願された、米国特許出願第１５／９２７，８７７号（現在は２０２１年１月２６日に発行された、米国特許第１０，８９９，５７５号）の一部継続出願である、２０２１年１月２６日に出願され、米国特許出願公開第２０２１／０２２９９４６号として公開された、米国特許出願第１７／１５９，０４７号の利益を主張する。第ＰＣＴ／ＵＳ２０１６／０５３１７４号は、その全開示が、参照することによって本明細書に組み込まれる権利が与えられる、２０１５年９月２２日に出願された、米国仮特許出願第６２／２２１，９１０号、２０１５年１０月１６日に出願された、米国仮特許出願第６２／２４２，３９３号、および２０１５年１０月２０日に出願された、米国仮特許出願第６２／２４３，９６６号の利益を主張する。
【0002】
本願は、その全開示が、参照することによって本明細書に組み込まれる、２０１０年５月２１日に出願された、期限切れの米国仮特許出願第６１／３４７，３７４号の利益を主張する、２０１１年５月２３日に出願された、放棄された米国特許出願第１３／１１４，０１２号の一部継続出願である、２０１１年１０月７日に出願された、米国特許出願第１３／２６９，５４９号（現在は２０１５年１月２０日に発行された、米国特許第８，９３６，２０９号）の一部継続出願である、２０１４年１２月１２日に出願された、米国特許出願第１４／５６９，３１４号（現在は２０１７年４月１８日に発行された、米国特許第９，６２４，０６８号）に関連する。
【0003】
本発明の実施形態は、概して、繊細な線形媒体を取り扱い、操作するデバイスおよび装置に関し、特に、超伝導線形媒体等の線形媒体を巻回するための装置および方法に関する。本発明の他の実施形態は、本装置の出力、特に、超伝導体を磁石、ケーブル、および／またはケーブル磁石に巻回することから作製される製品およびデバイスである。
【背景技術】
【0004】
超伝導体（時として、本明細書では「ＳＣ」と称される）は、純粋な効率（すなわち、１００％の効率）をもたらすことが期待されており、これは、コンパクトな包装における増加されたエネルギーおよび電力要件に適応し、ＨＴＳ使用を通して、ＬＮ２使用を介する減少された極低温要件を提供し得る、革新的なデバイスの製造を可能にするであろう。磁石、ケーブル、およびケーブル磁石等の現在の商業的に入手可能な高度なＳＣ製品は、より高い温度に耐え得るものを含む、超伝導体が、脆弱であるため、事実上存在しない。故に、巻回プロセスは、取扱、巻回、および最終動作の間に脆弱なＳＣ媒体を考慮しなければならない。
【0005】
ＨＴＳ機械は、個々のデバイスから対応する電気システム解決策まで、産業を横断して所望されている。従来の銅（Ｃｕ）および永久磁石（ＰＭ）機械は、空隙磁束密度（Ｂ）、トルク、熱、および電力出力によって限定される。Ｃｕ冷却の必要性もまた、大きく、システム重量を増加させる。従来の機械は、それらの空隙Ｂを増加させるために鉄（Ｆｅ）を使用するが、重量が犠牲になる。ＨＴＳ直接駆動機械は、いかなる熱損失も有しておらず、Ｂ出力に起因して、従来の機械の６倍以上のトルク限界を有する。空隙は、任意の電磁デバイスの一次と二次との間の非磁性空間である。
【0006】
数十年経っても、電気機械（特に、モータおよび発電機）を含む、いかなるＨＴＳまたはＭＴＳデバイスも、実験室ベースの実証レベルを超えていない。巻回限界に起因して、他のＨＴＳ巻回機械の試みは、ＨＴＳ巻回および動作応力からの限定された保護のみを伴う、パンケーキスタック機械界磁コイルを作製することに焦点を当てている。パンケーキスタックは、高調波成分を増加させ、コイルを空隙からさらに遠くに移動させ、これは、空隙Ｂを低下させ、したがって、電機子コイル等の複雑な巻回のために使用されることができない。さらに、パンケーキスタックは、高いＢ場所に起因するクエンチングからＨＴＳテープを保護するために湾曲していない。ＨＴＳ電機子コイルを巻回することの困難に起因して、電機子およびロータの両方で極低温で冷却される、完全に低温の機械を介して完全なＨＴＳを作成するいかなる試みも、行われておらず、これは、ＳＣ動作利益の半分を下回る利益を得る機械につながる。他のＭＴＳ解決策は、より低い材料費用を有するが、反応されると、さらにより脆弱であり、より低い動作温度および潜在的により危険な凍結剤を前提として、より高いクライオスタット費用および複雑性を有する。
【0007】
当業者は、ＨＴＳ用途のための製造が、複雑な幾何学的材料が低巻回応力を被ることを要求し、これが、ひいては、増加された動作値を可能にすることを理解するであろう。本要件は、ソレノイド（多くの場合、共通の中心旋回プラットフォーム上に搭載される）、平面（レーストラックコイルまたは湾曲平面コサイン－シータ磁石等、多くの場合、円筒形工具上に搭載される）、および球面（ベースボールまたは陰陽磁石等）を含む、それらの主要な搭載および回転の必要性によってカテゴリ化される、複雑な幾何学的磁石を製造するときに悪化する。ＨＴＳ動作値、それらの性能、極低温システムの信頼性、接続等における進歩、およびＨＴＳ材料費用が生産の間に低下することを理解することは、集合的に、商業的ＳＣ用途に関する残された問題としてＳＣ製造を標的としている。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【0008】
実施形態の一側面は、ＨＴＳを使用することが可能でなければ不可能である、対応する現場利用可能な超伝導デバイスおよび対応する電気システムを含む、全ての関連産業を横断して高温超伝導（ＨＴＳ）および中温超伝導（ＭＴＳ）の商業的用途およびデバイスを生産するための画期的な製造方法を提供することである。開示される製造プロセスは、応力を低減させ、複雑な磁石、ケーブル、およびケーブル磁石構成を可能にする。例えば、一実施形態の方法は、第１の完全に低温（液体凍結剤）のＨＴＳ線形、回転、湾曲等の電気機械（モータ／発電機）における使用のために構成される、堅牢な磁石構成を生産する。本想定される方法はまた、既存の慣習と比較して無視できるリアクタンスおよび許容可能な電力損失を伴う、ＤＣからＡＣおよびパルス化電力を含む過渡まで動作する、信頼性のある堅牢な電力密度の高いＨＴＳケーブルコアの製造を可能にし得る。本明細書に説明される方法によって生産されるケーブル、磁石、ケーブルコア、ケーブル磁石等は、既存のＨＴＳを使用して液体窒素（ＬＮ２）温度において機能するように設計される。故に、本明細書に開示される、開示される磁石、ケーブル、およびケーブル磁石の超伝導体巻回能力は、これまでに作成された中で最も電力密度が高く、比電力が大きく、エネルギー密度が高く、比エネルギーが大きい電気および磁石ベースの製品、特に、ＨＴＳを利用する実施形態を可能にする。
【0009】
本発明のいくつかの実施形態の巻回機械は、生産の全ての瞬間に磁石、ケーブル、および／またはケーブル磁石を作成するために使用されている全ての導体および絶縁体の場所、張力、および屈曲を直接監視し、能動的に制御するための能力を提供する。本側面は、多くの場合、脆弱な媒体から最適な磁石、ケーブル、および／またはケーブル磁石を発生させることに対して重要となる。センサおよび制御アルゴリズムの使用もまた、多くの場合、開示される巻回解決策の最も複雑な部分に対して重要となる。単一の製品のための導体および絶縁巻回スプール毎の独立しているが、電子的に調整された能動的制御が、要求される機能性を提供する。
【0010】
自由度（ＤｏＦ）制御。本明細書で使用されるように、用語「ＤｏＦ」は、損傷を引き起こすことなく繊細な媒体の取扱を促進するために、線形および／または回転自由度を提供するために、要素および構造の配向を調整するための経路指定要素および構造の制御を説明するために使用されるであろう。
【0011】
したがって、本発明の一実施形態は、上側部分と、基部部分とを有する、フレームと、基部に相互接続される、第１の線形アクチュエータと、第１の線形アクチュエータに相互接続される、第１の回転アクチュエータと、第１の回転線形アクチュエータに相互接続される、第２の線形アクチュエータと、第２の線形アクチュエータに相互接続される、巻解フレームと、巻解フレームに動作的に相互接続される、線形媒体を搬送するように適合される、回転可能巻解スプールとを備える、巻解スプールサブアセンブリと、フレームの上側部分の横断部材に相互接続される、第３の線形アクチュエータであって、第３の線形アクチュエータは、実質的に第１の線形アクチュエータとともに配向される、第３の線形アクチュエータと、第３の線形アクチュエータに相互接続される、第２の回転アクチュエータと、第２の回転アクチュエータに相互接続される、板と、板に相互接続される、少なくとも１つのライザと、少なくとも１つのライザに相互接続される、少なくとも１つの梁と、少なくとも１つの梁と動作的に関連付けられる、テンシオメータと、少なくとも１つの梁に相互接続され、テンシオメータから離間される、横方向梁と、横方向梁に回転可能に相互接続される、旋回フォークであって、旋回フォークは、線形物質を受容するように適合される平行ガイドにおいて終わる、旋回フォークと、板と関連付けられるフレーム部材に相互接続される、第４の線形アクチュエータであって、第４の線形アクチュエータは、第３の線形アクチュエータに非平行な方向に第１のアームを押勢するように構成される、第４の線形アクチュエータと、板と関連付けられるフレーム部材に相互接続される、第５の線形アクチュエータであって、第５の線形アクチュエータは、第３の線形アクチュエータに非平行な方向に第２のアームを押勢するように構成される、第５の線形アクチュエータと、第４の線形アクチュエータに相互接続される、第６の線形アクチュエータであって、第６の線形アクチュエータは、第４の線形アクチュエータに直交する方向に第３のアームを押勢するように構成される、第６の線形アクチュエータと、第５の線形アクチュエータに相互接続される、第７の線形アクチュエータであって、第７の線形アクチュエータは、第５の線形アクチュエータに直交する方向に第４のアームを押勢するように構成される、第７の線形アクチュエータと、第６の線形アクチュエータに相互接続される、第３の回転アクチュエータと、第７の線形アクチュエータに相互接続される、第４の回転アクチュエータと、第３の回転アクチュエータに相互接続される、第８の線形アクチュエータであって、第８の線形アクチュエータは、線形媒体に向かう方向に第５のアームを押勢するように構成される、第８の線形アクチュエータと、第４の回転アクチュエータに相互接続される、第９の線形アクチュエータであって、第９の線形アクチュエータは、線形媒体に向かう方向に第６のアームを押勢するように構成される、第９の線形アクチュエータと、第５のアームの端部に相互接続される、第１の巻取ガイドと、第６のアームの端部に相互接続される、第２の巻取ガイドとを備える、フォロワサブアセンブリと、基部部分に相互接続される、少なくとも１つの第１０の線形アクチュエータと、基部部分に相互接続される、少なくとも１つの第１１の線形アクチュエータと、第１０および第１２の線形アクチュエータに相互接続される、第１２の線形アクチュエータと、第１２の線形アクチュエータに相互接続される、第５の回転アクチュエータと、第５の回転アクチュエータに相互接続される、巻取フレームと、第５の回転アクチュエータに相互接続される、第６の巻回弧回転と、巻取フレームに動作的に相互接続される、巻取スプールであって、巻取スプールは、回転するように構成され、線形媒体を受容するように適合される、巻取スプールとを備える、巻型サブアセンブリとを備え、線形媒体は、巻解スプールから取られ、テンシオメータを中心として遷移され、巻取スプール上に巻回され、磁石を形成し、旋回フォーク、第１の巻取ガイド、および第２の巻取ガイドは、第１の線形アクチュエータ、第２の線形アクチュエータ、第３の線形アクチュエータ、第４の線形アクチュエータ、第５の線形アクチュエータ、第６の線形アクチュエータ、第７の線形アクチュエータ、第８の線形アクチュエータ、第９の線形アクチュエータ、第１０の線形アクチュエータ、第１１の線形アクチュエータ、第１２の線形アクチュエータ、第１の回転アクチュエータ、第２の回転アクチュエータ、第３の回転アクチュエータ、第４の回転アクチュエータ、第５の回転アクチュエータ、または第６の巻回弧回転のうちの少なくとも１つの選択的移動とともに、線形媒体の位置を制御する、２０ＤｏＦが可能であり得る、巻回機械を提供することである。スプール場所における第６の回転デバイスと関連付けられる巻取スプールは、巻回弧回転を提供し、それによって、ゴニオメータまたはラックおよびピニオン弧機構等の実施形態を含む、巻取スプールが選択的に傾斜することを可能にする。
【0012】
材料取扱。本発明の実施形態のまた別の側面は、強化された材料取扱能力を提供することである。より具体的には、現在のＳＣ巻回方法は、材料破損およびより低い臨界ＳＣ値につながる、種々の応力／歪み点を生産し、これは、動作性能を低下させる。応力／歪み点は、多くの場合、巻回および後続品質保証プロセスに耐えるであろうが、最も高いシステム電力またはエネルギー動作の最悪のシナリオの間に破損につながるであろう。
【0013】
テンシオメータおよびガイド。本発明のいくつかの実施形態の別の側面は、線形媒体テンシオメータおよびガイドを提供することである。より具体的には、ＬＭＨＳは、ＳＣ臨界値試験、継ぎ動作、および巻解スプール入替等の個々のＳＣ動作が行われることを可能にしながら、ケーブル、磁石、またはケーブル磁石の巻解および巻取部分の両方に関する張力を手動で、または自動的に誘導および保持し得る。
【0014】
巻回弧回転。巻取巻型の自動化および／または手動回転は、重要となる巻取ＤｏＦ能力を可能にする。目的は、人間の巻回相互作用と同等の、かつ他の半自動化から完全自動化された巻回機械では可能ではないレベルまで、単純なものから非常に複雑な磁石、ケーブル、およびケーブル磁石巻回能力を可能にすることである。実施形態は、複雑なソレノイド、平面、および／または球面磁石巻回のため等のゴニオメータまたはラックおよびピニオン弧機械化システムを含む。
【0015】
逆屈曲なし線形媒体経路指定設計。本発明のいくつかの実施形態は、線形媒体を保管場所／反応する巻解スプールから所望の巻取スプール（またはボビンまたは巻型）まで移送する際に厳密な設計規則に従う経路指定設計を使用する。媒体経路指定経路、特に、ＨＴＳおよび反応されたＭＴＳが、いかなる逆屈曲も有していないことが、非常に望ましい。
【0016】
屈曲半径制御。媒体が、巻回機械を通して経路指定される際、巻解および巻取スプールおよびそれにわたって媒体が通過する任意の滑車を含む、各屈曲が、最小屈曲半径を維持するべきであることもまた、非常に好ましい。最小曲率半径としても表され得る、本最小半径は、処理されている媒体材料の性質によって決定される。
【0017】
動的表面。媒体上の軸方向張力を増加させるだけではなく、また、いかなるワイヤ絶縁体も損傷させる傾向がある、摩擦および擦りを通した媒体応力および歪みを最小限にするために、巻回プロセスの間にワイヤによって触れられる表面の全ては、好ましくは、媒体運動（すなわち、滑車または車輪）の方向に移動する動的経路指定表面またはいかなる鋭的縁も伴わない低摩擦表面を提供するであろう。
【0018】
直接閉ループ軸方向制御。本発明のいくつかの実施形態によると、軸方向張力が、測定され、システム動作に影響を及ぼす一次制御ループのための入力データとして使用される。好ましくは、閉ループ制御が、使用され、それによって、巻回プロセスは、巻解スプールまたは巻取スプールのいずれか（または両方）を旋回させるモータによって開始される。
【0019】
直接閉ループ側方制御。側方屈曲および応力もまた、本発明のいくつかの実施形態において制御されるべきである。超伝導体ワイヤは、巻解スプールから巻回解除され、張力センサ車輪の周囲を通過し（好ましくは、張力の正確な測定を確実にするために、約１８０度の周囲に円周方向に被着される）、実質的に同一の平面内に留まりながら、巻取スプール上に巻回されるべきである。
【0020】
巻取ガイドにおける側方センサは、巻取方向に直交して、またはそれに近接して設置される。本感知は、媒体に対するガイド力のレベルを誘導し、これは、次いで、制御を調節するために、マシンビジョン等の他のセンサと比較される。
【0021】
非接触センサ。本発明のまた別の側面は、３Ｄビジョンを含む光学を含むマシンビジョン、３Ｄレーザプロファイリングを含むレーザ、および／または近接センサ等の非接触精密センサを提供することである。例えば、いくつかのＬＭＨＳ実施形態は、ビジョンまたはレーザ等の非接触媒体位置または巻回パターンセンサシステムまたは１つから複数の感知方向からの非接触張力感知電磁、抵抗、またはインダクタンス測定センサを採用する。
【0022】
角度オン／オフ巻回。軸方向張力値に基づく能動的制御ループは、グローバル制御マスタおよびマスタ／スレーブ関係の階層である一実施形態として、ピッチ角度を変動させ、一定の軸方向張力等の所望の性能を正確に保つ手段を提供する。
【0023】
層感知の終了。巻線における重要な遷移は、巻取スプールの縁に遭遇されるときに起こる。多層巻線では、方向の変化が、本遷移において乗り越えられなければならない。
【0024】
性能の証明。本発明のいくつかの実施形態は、巻回後の性能完全性の証明を提供する。より具体的には、張力および脱落発生等の値が、各ＳＣストランドの長さ全体を通して、したがって、最終ケーブルおよび磁石において記録される。
【0025】
巻き毎の張力制御。本発明のいくつかの実施形態の別の側面は、巻き毎の張力制御を提供すること、または巻取プロセス全体を通して張力制御を絶えず変動させることである。例えば、いくつかのＬＭＨＳは、オペレータが、層毎に、さらには巻回における層毎の巻き毎に巻回張力値を設定することを可能にする。
【0026】
逆方向巻回。ボビン上への巻回動作は、一般的に、単一のボビン回転方向を伴う。本発明のいくつかの実施形態の別の側面は、ボビン上への逆方向巻回を実施するＬＭＨＳを提供することである。
【0027】
継ぎ軽減。一実施形態のＬＭＨＳは、多数の制御可能な自由度（ＤｏＦ）に起因して、ＳＣワイヤまたはテープ等の任意の線形媒体のために要求される継ぎの数を低下させ、ある場合には、それを除去するための能力を提供する。
【0028】
クライオスタットクラッディングおよびケーブルジャケット。本発明の一実施形態のＬＭＨＳは、ケーブル巻型コアを完成させることによって、大きい商業的ケーブル磁石および商業的電力ケーブルの開発を促進する、直列クライオスタットクラッディングステーション、ケーブルジャケットステーション等を提供する。
【0029】
統合された巻回構成要素。本発明のいくつかの実施形態のまた別の側面は、エネルギー貯蔵システム（ＥＳＳ）、電力電子機器、センサ等をケーブル、磁石、またはケーブル磁石の中に統合するように構成される巻回機械を提供することである。ケーブル実施形態は、有限、断続的、または完全なケーブル長に関して、および／または凍結剤環境において使用されるとき、被着されることができる。当業者は、例えば、ケーブル、磁石、またはケーブル磁石の中に、またはその上に巻回することによって組み込まれる、またはその中に、またはその上に設置され得る一般的なエネルギー貯蔵システムが、ウルトラキャパシタ（スーパーキャパシタと同一）、コンデンサ、バッテリ、または類似するデバイスであることを理解するであろう。さらに、「電力電子機器」は、多くの場合、電力を選択的に制御および変換する、ソリッドステート、線形ベース等の非ソリッドステート等の電子機器であるように理解される。センサは、ＥＳＳ、電力電子機器、ケーブル、磁石、ケーブル磁石等の感知を提供し、これは、次いで、制御された応答において記録および／または使用されることができる。統合されたＥＳＳ、電力電子機器、センサ等は、ＥＳＳ筐体、バスバー、ナットおよびボルト等を採用する従来のＥＳＳパック／ボックスよりも軽量であり、小さく、安全である。ＥＳＳおよび電力電子機器は、別個に、または自動化および／または手動ステーションにおける組み合わせられた解決策としてともに巻回されてもよい。
【0030】
１つのケーブル実施形態構成要素は、螺旋被着プロセスにおいてか、または一実施形態では別個に螺旋被着するために長いストリップに形成されるかのいずれかであるケーブルコアの周囲に周期的に被着される。さらなる実施例では、ウルトラキャパシタ（ＵＣ）が、そうでなければ重く高価な電力電子機器を要求するであろう応力からバッテリ等のＥＳＳの残りの部分を受動的に保護する。本機能性は、分散グリッド解決策を提供し、電気航空機実施形態に関して、分散電気推進（ＤＥＰ）解決策を提供する。別個または組み合わせられた実施形態実施例では、巻回バッテリが、多くの場合、電力能力への長続きするエネルギーを提供するために使用され、ＵＣは、一方または両方が電力電子機器およびセンサを含み得る、ピーク電力能力を提供するために使用されるであろう。
【0031】
１つのＵＣ実施形態では、ケーブル被着化学ＵＣが、非凍結剤領域内に設置される。別のＵＣ、例えば、ナノウィスカ（ｎｗ）が、凍結剤中に設置され、より効率的かつより薄いＵＣをもたらし、ＡＣ／ＤＣ／パルス化電力の伝送を可能にする。凍結剤の中にＵＣを設置することは、ＵＣを超伝導体に接続するためにクライオスタットを定期的に突破する必要性を除去し、これは、熱管理および増加された信頼性のために重要である。凍結剤はまた、ＳＣデバイスの外部に追加された電磁（ＥＭ）遮蔽を提供するであろう。さらに、極低温温度は、銅（Ｃｕ）電極の伝導性を増加させ、より効率的かつより薄いＵＣをさらに支援する。具体的には、凍結剤の中にＵＣを設置することは、より低い等価直列抵抗（ＥＳＲ）をもたらすはずであり、これは、ＥＳＲがピーク電力に反比例するため、大量の電力を送達するためのＵＣ能力を改良する。電力電子機器およびセンサ実施形態は、本明細書に想定されるケーブル、磁石、および／またはケーブル磁石上に被着される任意の要素の能動的感知および制御を提供する。
【0032】
調節可能巻回ガイド。独立したフォロワガイドまたは巻上ガイド等の調節可能巻回ガイドが、人間オペレータと同等の巻取を可能にするために、本発明のいくつかの実施形態によって利用される。想定されるガイドは、巻回媒体を制御するための自動化および／または手動能力を提供する。巻上ガイドは、低摩擦表面、ローラ、ロッド、または空間内の媒体の１つまたは複数の側面上に位置するガイドであり得る。一実施形態では、巻上ガイドは、線形媒体幅に設定され、媒体を定位置に保持する。ガイドは、直接、または別個のプッシャを介してのいずれかで、追加される側面整合力の必要性のために使用される。ある実施形態では、ソフトウェアは、より精密な巻回輪郭を作成するために、複数のＤｏＦが従うためのコンピュータ支援設計（ＣＡＤ）、コンピュータ支援製造（ＣＡＭ）、または同等物からのスプラインまたは同等物をコード化することができる。全ての調節可能巻回ガイド実施形態は、任意の巻回機械センサおよび制御装置に接続し、それらの運動を自動的に制御することができる。制御パネルを介した人間の相互作用もまた、使用されてもよい。
【0033】
ガイドは、繊細な媒体を制御するための人間の相互作用に関する機械と同等の解決策を提供することを意図している。故に、いくつかの実施形態の１つの利益は、媒体が適切に取り扱われることである。加えて、一部から全ての巻回レイアップ点において機械計算された可変張力制御を提供することによって、半径方向および角度方向における機械的応力は、制御される。これらの技法を使用して、システム中立応力軸応力もまた、位置特定され、これは、最終的な動作応力を無効にするために活用されることができる。典型的には、負の半径方向または内向き巻回応力が、選定され、それによって、磁石フープおよび半径方向応力等の機械的巻回応力からの全体的巻回応力を低減させる。最後に、より多くのＤｏＦは、応力および屈曲を能動的に最小限にし、より複雑な最終幾何学形状を達成するためのさらなる能力を提供する。
【0034】
一実施形態は、古典的な磁石電機子巻線または任意の角度付き、湾曲、または凹状断面巻線を加工するように設計される。追加された「押し」は、人間のプッシャツールと同等の区域のために使用される。湾曲電機子磁石を要求する用途に関して、単一から多数の位置のプッシャ設定が、線形パンケーキコイルの代わりに湾曲スタックを達成するために、輪郭付けられたスロット内に位置する媒体層を保持するために、線形媒体の上に採用される。別のプロセスでは、随意の軸方向張力が、教示される媒体を「引動する」ために、スプールとボビン／巻型との間に発生される。別の実施形態では、独立したフォロワガイドアームが、巻型に対する運動を提供するフォロワの線形および回転運動等の複数のＤｏＦと併用される。
【0035】
別の実施形態では、一方のプッシャは、適切な工具を用いて線形媒体の片側または両側を押動するように構成され得る一方、他方のプッシャは、定位置に保持する、または困難な角の周囲に被着するために線形媒体上に押し下げること等の他の動作のために使用され得る。
【0036】
全ての実施形態では、調節可能巻回ガイドは、より緊密な詰込率を入手し、いかなる巻回汚損も阻止することに役立ち得る。調節可能巻回ガイドはまた、巻回据付区域を制御することに役立ち得る。
【0037】
巻回区分。特に、超伝導体のためのハイブリッドから空心の設計では、磁束密度を指示するために連続的な鉄を使用する必要性は、除去され、これは、組立区分への巻回を可能にする。実施形態は、電気機械、変圧器、故障電流制限器、ＮＭＲ／ＭＲＩ、およびＳＭＥＳ等の任意の電気巻線を含む。電気機械実施形態では、ステータおよびロータの両方が、次いで、巻回するように構築され、３Ｄ印刷され、または別様に作成され、最終デバイスを形成するときに接続するために巻回区分において組み立てられることができる。これらの区分は、ライン交換可能ユニットおよび／または最終機械の外側のＴＦＭを活性化する手段を提供することを含め、巻回および／または容易な組立のために最終デバイスから外部で作成される。
【0038】
複数巻回磁石。一度に複数の別個の磁石を巻回することは、磁石の間にいかなる継ぎも伴わずに複数の磁石を巻回するための能力を提供する。実施形態は、複数の電気機械一次巻線および／または同一の位相に関して等の二次巻線等の複数の磁石を含む。他の実施形態は、変圧器または故障電流制限器またはＳＭＥＳの実施形態に関する同心リングを含む。他の実施形態は、高エネルギー物理学粒子加速器またはＮＭＲ／ＭＲＩにおける使用のための複数の円筒形コイルを含む。
【0039】
用途部品への超伝導巻線の３Ｄ印刷。一側面は、超伝導、特に、ＨＴＳおよびＭＴＳ用途に特有の３Ｄ印刷部品を提供することである。すなわち、３Ｄ印刷部品は、電気機械、ＭＲＩおよびＮＭＲ、通常から高周波数の変圧器、故障電流制限器、ＳＭＥＳ、一般的なものから特殊な磁気デバイスコア、巻回巻型および工具等において使用され得る。極端に高い超伝導体電流および磁場が可能にする必要性および利益に起因して、最終用途および製品のための３Ｄ印刷の使用は、完全に極低温的に低温かつ電力密度の高いデバイス、高速度において高い構造能力を伴う回転電気機械、熱伝導性経路、ＳＣ使用のためのチタン（Ｔｉ）等の特殊材料、およびより低質量のデバイスおよびシステムの開発および動作を支援すること等、極めて有益であり得る。線形、回転、弧、および全ての他の電気機械実施形態は、ハイブリッドから完全に空心の巻型、およびトラップ場磁石（ＴＦＭ）および永久磁石等の他の磁性要素、および非磁性要素を含む、最終動作巻型への巻回支持を含む、界磁および電機子巻線を保持するための電気機械ロータおよびステータを完成させるための要素を含む。任意の磁石、ケーブル、および／またはケーブル磁石デバイスは、磁気経路、クライオスタットおよび極低温冷却および伝導性経路、ガス経路（例えば、極低温液体からガス膨張への経路）、電磁（ＥＭ）シールドおよびシールドマウント、機械的および／または電気的高速および周波数誘導ＥＭ効果を介して等のＥＭおよび機械的効果の支援および制御、伝導性冷却およびクエンチ支援、構造的支持のための３Ｄ印刷を含み、構成要素からシステムへの増加された製造可能性、部品数および費用を最小限にする手段、信頼性の増加等を可能にする。
【0040】
本明細書に説明される全ての電気機械または類似する発明は、回転、線形、弧等のタイプの運動的ＡＣまたはＤＣデバイスに適用される。回転または弧電気機械では、ステータは、定常部品であり、ロータは、可動部品である。ロータは、一般的に、半径方向に内側にあるが、いずれかが、半径方向に内側または外側上にもあり得る。本開示の一部は、電子機械の「一次」および「二次」部分に言及する。「一次」は、電機子の場所である電気機械の能動的主要可動部品、すなわち、ＡＣ機械においてＡＣ電流を搬送する電気機械の構成要素である。「二次」は、電気機械の一次に応答する。ＡＣ機械では、二次は、下記により詳細に説明されるであろう、ＡＣ同期機械において使用される磁場生産要素（磁性コイル、永久磁石、トラップ場磁石等、またはある組み合わせ）と、ＡＣ誘導機械において使用される受動的導体とを備える。
【0041】
ＨＴＳおよびＭＴＳを巻回することは、概して、非常に大きい屈曲半径およびテンシオメータ（例えば、張力測定デバイス）および線形媒体を保持し、線形媒体がＨＴＳ、特に、反応されたＭＴＳに関して直径において大きく、ニュートンレベルの張力連続的測定の一部を提供するために全ての方向において十分に平衡されていないければならないことを感知する、テンシオメータ車輪を要求する。そのような車輪は、産業において存在しない。
【0042】
巻回注入器。想定される巻回機械のいくつかのバージョンは、巻線における接着剤、ＵＶ接着剤、熱的コンパウンド、スポット、線形、パターン等の設置のために自動化および／または手動巻回注入器を採用する。一実施形態では、巻回注入器は、凹状、複雑な、または一方または両方の端部が開放する巻線のために使用される。別の実施形態では、巻回注入器は、短時間の乾燥のために保持され、次いで、連続的に巻回する、または緩慢に巻回するためのフォロワガイドまたはプッシャと併せて併用される。完全な転置は、より一般的なＣｕまたは同等の熱安定剤使用に対して、各層が下方の層を熱的に遮蔽する、より良好なクエンチおよび故障電流保護を提供する、より良好な冷却経路のための実施形態の選択肢を提供する。これらの冷却経路は、巻き込まれた熱伝導性材料または注入された極低温物質を収容する、ＨＴＳからＨＴＳへの巻回ボイドを備える。いずれの場合も、ボイドは、全ての層への凍結剤の直接冷却を可能にするために、整合して巻回され得る。内部に巻回される熱伝導性材料を配向させることによって、巻回された冷却経路は、凍結剤流動を可能にしながら、０．５メートル接触またはメッシュ接触等、ケーブルを辿って繰り返される長さにおいて外側伝導性冷却経路に接続されることができる。全ての場合では、ボイドまたは任意の磁石、ケーブル、ケーブル磁石場所は、エポキシ充填される、または改良された構造的支持、磁気経路支持等の他の必要性のためにも同様に充填されることができる。
【0043】
巻回形態充填材。本発明のいくつかの実施形態の別の側面は、特に、巻回磁石、ケーブル、ケーブル磁石における撓曲、動作、または他の誘導される移動の間、鋭的屈曲点が巻取材料において生じないように防止する、巻回巻型充填材またはブリッジを組み込むＬＭＨＳを提供する。適用される充填材は、固体または液体であり得る。
【0044】
磁石ステーション。本発明の一実施形態は、商業的磁石およびケーブル磁石の開発を促進する、直列磁石およびケーブル磁石ステーションを提供する。本磁石ステーションは、現代のＳＣ磁石およびケーブル磁石の部分的から完全な転置および編組を組み込みながら、複雑な磁石およびケーブル磁石構成の能力、信頼性、費用、および生産率を改良する。産業使用の実施形態は、高エネルギー物理学（ＨＥＰ）、核融合、ＮＭＲ／ＭＲＩ、変圧器、故障電流制限器、超伝導エネルギー貯蔵リング（ＳＭＥＳ）、モータ／発電機磁石、およびケーブル磁石を含む。
【0045】
高度な感知および制御。一実施形態のＬＭＨＳは、今日までの巻回システムが使用するものを超える、高度な制御プロセス、技法、アルゴリズム、および支援するセンサ、タイプ、設置、および使用を採用する。主要な実施形態は、全ての巻回給送率および張力制御のための基礎として一意に開発および使用される軸方向張力センサである。
【0046】
可変媒体。本願および上記に説明される出願の精査者は、いくつかの点において、巻回または移送される媒体タイプが関連しないことを理解するであろう。より具体的には、巻回媒体は、１つの場所から別の場所に巻回または移送される、任意のタイプの繊細な材料（例えば、超伝導ワイヤ、テープ、ケーブル、熱絶縁体から電気絶縁体等）であり得る。当業者はまた、これらの出願に説明される装置および方法が、ケーブル、磁石、ケーブル磁石、またはワイヤまたはケーブルまたは線形媒体を組み込む当技術分野で公知の任意の他のデバイスを作成するために使用され得ることを認識するであろう。
【0047】
任意の磁束タイプの超伝導電気機械。本発明のいくつかの実施形態のまた別の側面は、モータのステータおよび／またはロータ部分が、極低温的に冷却される、ＨＴＳを採用する、半径方向、軸方向、横方向、および任意の他のタイプの磁束タイプデバイスを提供することである。横方向磁束モータ構成要素はまた、部分的または半低温であり得る。１つの想定されるＡＣ誘導機械では、界磁コイル側が、おそらく、コイル、リスケージ、またはシート同等物の形態における短絡された受動的ＨＴＳテープ等の伝導性材料と置換されることができる。
【0048】
想定される発明の一実施形態は、ＨＴＳ ＥＭ電機子コイルおよびＨＴＳ ＥＭおよびトラップ場磁石（ＴＦＭ）界磁極を伴う空心ＡＣまたはＤＣ超伝導機械であり、これは、回転速度を最大限にし、全ての可能性として考えられる損失を除去し、今日の技術で可能な最も効率的で、電力密度が高く、比電力が大きい機械を提供する。層ＨＴＳ界磁および電機子コイル毎に複雑な曲線の複数の巻きを含む、完全なＨＴＳ電気機械は、同一のロータ速度範囲内の任意の他の現在可能なものを超えて、非常に低い質量および体積に関して、特に、より小さく定寸された機械の電気機械に関して効率および電力を増加させる。湾曲ＨＴＳコイルを伴う完全低温ＨＴＳ電気機械の変換利益は、１）最も高い効率（＞９９．０％）、２）最も高い電力および電力密度、３）最も軽量な重量、４）最も小さいサイズ、５）最も高いトルク、６）最も高い空隙Ｂ、７）内部熱発生なし、８）抵抗損失なし（殆どの円周方向機械等の短い軸方向長の機械に関して特に有益である）、９）安全に巻回されるＨＴＳ商業的生産磁石、１０）史上初の層ＨＴＳ界磁および電機子コイル毎の複雑な曲線の複数の巻き、１１）完全に低温の機械、１２）界磁極の中にＥＭコイルとともに組み込まれたＴＦＭ、１３）組み合わせられた界磁および電機子ＥＭコイル活性化方法に起因する機械の内側のＴＦＭ活性化、１４）最小量の要求される導体テープ／ワイヤ、および１５）巻線から全てのフレームサイズに関するモジュール式貯蔵可能／入替可能サブアセンブリへの容易な製造を含む。本実施例では、ＨＴＳの一次損失は、８５％除去される。機械性能増加は、全ての磁石抵抗損失の除去から始めて、ＨＴＳに変換される磁石の数に関連する。
【0049】
Ｂ経路に関するテープ曲率および整合。ＨＴＳテープにとって特に重要である最良なＢ経路動作のために、線形媒体を複雑に巻回し、湾曲させる。Ｂ経路（空隙の中への通常のＢを含む）を制御する、鉄は、空心デバイスにおいて不在である。故に、湾曲巻回パターンが、Ｂ経路の必要性に適応するために使用される。適切に設計された複雑な３Ｄ形ＳＣ磁石は、ＨＴＳ臨界値を超えることなく、高い効率およびＢのためのコンパクトかつより軽量のサイズ決定を可能にする。電気機械界磁コイル等の多層磁石は、それらの角に半径を組み込み、Ｂ経路を湾曲させ、モータ飽和を限定するための電気機械Ｆｅ歯曲線のように、最も高いＢ領域におけるＨＴＳの設置を最小限にする。最も高いＨＴＳ誘導電流は、外部Ｂがテープ幅に垂直であるときに生じ、したがって、別の一意の設計ステップでは、各ＨＴＳテープは、最も高いＢに平行なＨＴＳ幅を設定するように設置および配向される。ある電機子構成等、本構成が、可能ではないとき、ＨＴＳ ＥＭシールドが、テープ幅から最も高いＢを偏向させる。
【0050】
平坦ファン磁性コイル。本明細書に説明される巻回能力は、ＨＴＳテープ幾何学形状の考慮されるマイナス面を利点に変える。平坦ファンコンパクトコイル実施形態は、一般的なＥＭベースのデバイスから、半径方向、線形、弧、および円周方向電気機械（実施例は、航空機ターボファンのためのモータおよび風力タービンのための発電機を含む）、変圧器、故障電流制限器、超伝導エネルギー貯蔵リング（ＳＭＥＳ）、ＮＭＲ／ＭＲＩ、ケーブル磁石、大気圏外衛星イオン推進のため等のスラストチューブ、核融合炉、および高エネルギー物理学粒子加速器ビーム圧縮／再圧縮および偏向磁石への集束等の任意のＥＭ特殊デバイスに及ぶ。電気機械実施形態に関して、これは、電気機械性能を、電気機械を用いた任意の他の機械の試みをはるかに超えて、現在の技術が離散的な多数の巻きの巻線を可能にする限り理想的な正弦波機械に近いものに増加させる。電気機械では、任意のステータまたはロータコイル［一次（電機子）および二次（界磁、受動的二次等）コイル側の両方］が、平坦ファン構成をとることができ、ある界磁極構成は、ＴＦＭを含むことができ、ステータまたはロータは、内側半径上にあり得、いずれかが、電機子または界磁コイルを含むことができる。
【0051】
ＨＴＳが、微小なはんだ接合およびＥＭ過渡導体加熱を除いて、いかなる非臨界電流レベルにおいても内部熱発生を有していないため、任意のタイプの極めて高い電力のコンパクトなデバイスもまた、可能性として考えられる。熱発生がないことは、いかなる電流熱限界も存在せず、極低温冷却を超えるいかなるＥＭ遮蔽巻回冷却も存在せず、内部電流加熱のために必要とされるいかなる平行巻線も存在しないこと等を意味する。いかなる大きな熱発生の懸念もないことを前提として、特殊化された複雑なＨＴＳ巻回設置は、ＨＴＳの非常に薄い性質を利点に変え、新しい「平坦ファン」コイルが構築され、新しい構成の中に設置されることを可能にする。平坦ファンコイルは、密に充塞され、湾曲される浅いサドル型コイルのように、ＨＴＳテープ幅（多くの場合、２～１２ｍｍ）を直線長に沿って幅を向けて設置することによって、ＨＴＳ等の薄いテープ外形（多くの場合、ＨＴＳに関して１マイクロメートルを伴う０．１ｍｍ）を使用する。Ｂは、表面電流を横断する方向において作用し、これは、最も長い長さに平行で最も高く、したがって、空隙に垂直またはほぼ垂直にテープ幅を配向させることは、空隙を横断して最も高いＢを与える。長い巻回深さは、単一（パンケーキ）、二重、または予期されるように、最大で可能にされる、多くても数層のみの巻回に対して、もはや要求されない。Ｂが、最も遠い（例えば、外側）層テープから薄いＨＴＳがそれらの経路を維持する空隙まで進行する際、Ｂは、磁束排除に起因して空隙に入る。空隙に湾曲するパンケーキコイルの中に圧密化されるとき、本構成は、全ての電機子および二次コイル巻きの厚さを空隙に隣り合う表面に設置し、いかなる層も、ＨＴＳを空隙から離れるように移動させないが、全てが高電流にあるにもかかわらず、数百から数千の巻きを伴う。本構成は、空隙Ｂを最大限にする一方、損失を最小限にする。ともに整合される多くの平行な離散的巻きに関してＢを重畳すると、極めて高いＢが、達成される。限界は、次いで、離散的Ｂループが円周を横断して分離されるＨＴＳテープ群領域毎の最大Ｂ対一般的な半径方向機械の実施形態に関する深い歯の中への多くの巻きの重畳によって定義される。
【0052】
平坦ファンＨＴＳ磁石設計は、スロットレス巻線に関する主な問題である、小さい空隙を伴うスロットおよび高調波損失の最小化および磁力および機械的力に関する支援の除去を可能にする。ＨＴＳが提供する高い空隙Ｂは、空心機械を可能にし、これは、いかなるＰＭ使用も伴わないこととともに、全てのヒステリシス損失を除去する。排気または非空気空隙が、全ての風損を除去する。極低温冷却損失は、従来の冷却損失と同等である。スロットレス電機子は、高ｒｐｍ、スロット損失の除去、容易な構造、および冷却目的のためにコイル巻きおよびコイル群を分離する必要性を除去することを含め、良好な電機子背面板冷却を可能にする。電機子位相および界磁コイルは、次いで、位相間ＨＴＳ遮蔽層の有無を問わずに、相互に隣り合って設置され、次いで、全てのＨＴＳ位相を単一の電機子および／または界磁コイルリングの中に構造的に結合することができる。スロットを伴わない、浅い表面コイルのみであるため、サイズ決定および重量低減の必要性を減少させるための最良の機械寸法である、直径は、半径方向に最外側のコイルを越える構造的支持および冷却のみを伴って最小限にされる。
【0053】
界磁コイル等の二次コイルは、電機子と類似する巻回から熱的支援の構造に従う。クエンチを含む動作が、スロットレス巻線を構造的または熱的に可能にしない場合、短く薄い歯または同等物もまた、組み込まれることができる。高調波は、殆どの巻きが空隙から遠い集中された巻線からのスロット発生ｅｍｆに対してわずかなＢ起電力（ｅｍｆ）ステップを提供する、空隙に隣り合う（可能性として、小さいサイズの電気回転、線形、弧等の機械に関して数百の巻きであり、より大きいサイズの機械に関してのみ増加する）各巻きを伴う本高度に分散された電機子および二次巻線において最小限にされる。コイルは、次いで、コンパクトな一連の垂直または角度付きのいずれかのＨＴＳ巻きとなる。個々のＨＴＳ角度事例では、各巻きは、相互に部分的に重複するように巻回され、高調波をさらに除去し、最も高い空隙Ｂを提供しながら、テープ幅におけるいかなる不要な誘導されたＢもさらに減少させることができ、本Ｖパターンは、ＨＴＳ厚さ側面を巻きに常に回転させることによって、コイル座巻きを作成することを支援する。この場合に関して、電機子および／または二次コイル半体のＨＴＳは、Ｂ経路に対して重複するＶパターンに角度付けられる。想定される角度は、ＨＴＳに共通する縦横比、すなわち、長い長さおよび比較的に薄い幅に起因して、わずかであり得る。
【0054】
一実施形態における電機子位相半巻きは、電機子を過ぎて移動する二次Ｂを適応させるために、二次に対して内向きに旋回する。二次において最も高い誘導されたＢを提供するために、二次巻きは、極を過ぎて移動するいかなるＢも適応させるために、二次極に対して内向きに旋回することが予期される。スキュー角の追加もまた、可能性として考えられる。分数ピッチ巻線が、残りのいかなる高調波もさらに除去することができる。高調波を伴わないと、大部分が高度に分散された巻線に起因して、全ての非漏洩Ｂは、電力生産基本周波数に入り、したがって、純粋な正弦波機械に大きく近づく。
【0055】
漂遊Ｂが、最小限にされる場合、臨界ＨＴＳ電流は、接近されず、テープ幅を横断するＢが、許容可能である場合、所望される任意のテープ幅が、電機子または界磁コイル実施形態のいずれかのために使用されることができる。高電流機械に関して、より大きいＨＴＳ幅は、より速い応答時間を伴うより高い電流出力を提供する。下限では、より小さいＨＴＳ幅は、多層コイルまたは高電力の非常にコンパクトなＨＴＳ単層機械のための多くのアンペア巻きを可能にする。電気的に、より多くの巻きは、ＨＴＳがすでに高電流出力である場合、自然な電流フィルタを用いてより高いｅｍｆを与える。より多くの層は、Ｂおよび電流臨界限界内でより高い電力密度を提供する。
【0056】
平坦ファン座巻き。従来のデバイスの座巻きは、多くの場合、後部鉄がないこと、および座巻きを空隙から離れるように、かつ二次に直交しないように移動させる幾何学形状に起因して、漏洩磁束およびＣｕ損失を被る。磁気長の一部として座巻きを使用するために、電気機械において座巻きを配向させ、極は、片側または両側上の座巻きに重複し、１）ＨＴＳ座巻きの平坦ファン幾何学形状、２）短い座巻きの空隙、３）直線電機子長に対する４５度またはより小さい座巻き角度、および４）座巻き抵抗損失なしに起因して、それらを磁気長の一部にすることができる。主に、座巻きが大きい軸方向長パーセンテージである空心およびコンパクトおよび／または短い軸方向の機械に関して、これは、使用可能な軸方向長を増加させ、座巻きおよび近傍の直線磁気長に関する漏洩インダクタンスを除去することによって、電力密度および効率を追加する。位相電力が、コーディング、位相重複、十分な誘導遅延等の位相遷移領域がないことに起因して、平滑ではない場合、座巻き磁石長は、自動的に重複することによって位相電力を平滑にする。
【0057】
湾曲平坦ファンコイルおよびＴＦＭ。１つの電気機械実施形態では、界磁コイルは、空隙Ｂおよび出力性能をさらに増加させるために、Ｂ経路を制御し、限定ではないが、ＨＴＳ ＴＦＭ等のトラップ場磁石（ＴＦＭ）をさらに適応させるために、多次元湾曲側面を伴う一般的なコイルまたは平坦ファンである。ＴＦＭは、異なる極配向に活性化されることができ、これは、二次を取り替えること等、電気機械を再構築する必要性を伴わずに、同一の電気機械からの出力を変化させるための大きな利益となる。ＨＴＳ電気機械のさらなる電気機械実施形態では、ＥＭコイルの外側は、複数の電機子位相に重複する小さい空隙極面積に関するＢを最大限にしながら、全てのＴＦＭを封入するように湾曲する。ＨＴＳ ＥＭ界磁極は、１）機械においてＴＦＭを活性化し、２）界磁Ｂを最大限にし、３）ｒｐｍ毎のより高い、より効率的な基本波ＢのためにＢを増強および制御し、４）電機子を伴う自己励起モードにあるときに発電波形を成形する。ＴＦＭ Ｂは、パックの中間表面において最大値を伴う正三角形の形状を形成するため、一実施形態では、ＴＦＭは、空隙に向き、それと角度付けられて並んで設置され、最大平均化空隙Ｂを提供する。極全体が、次いで、湾曲空隙を減少させるために湾曲され、各極端部において可変空隙長を提供しながら、クエンチを伴わずに最も高いＢを可能にし、高調波をさらに低下させる。界磁コイルＴＦＭは、定位置にエポキシ接着され、これは、ＴＦＭを保護し、ロータ製造を容易にする。ＴＦＭとともに設置されるセンサおよびヒータが、非活性化を制御する。ロータ極は、構造的支持のためにシリンダを形成するように接続される。
【0058】
従来または半分のＨＴＳ ＥＭ巻回機械におけるＴＦＭ活性化は、Ｃｕ巻線の限界およびそれらがＴＦＭを横断して保持し得る最大ＢおよびＦｅ限界に起因して、大きな懸念である。本懸念は、いかなる熱発生も伴わず、ハイブリッドから空心の利益をさらに伴う高いＢに起因して、ＨＴＳおよびＭＴＳ等の超伝導ＥＭに関して除去される。一実施形態では、ＴＦＭ活性化は、界磁極を具体的電機子位相場所に整合させ、電機子および界磁ＨＴＳコイルの両方を横断して同一の方向のＤＣ Ｂを印加することによって達成される。
【0059】
ＥＭシールド。電気機械実施形態では、両方の選択肢が高い伝導性を可能にし、ＥＭ遮蔽を大幅に増加させる、ＨＴＳまたは従来の導体等のＳＣの電磁（ＥＭ）シールドおよび凍結剤冷却するための選択肢が、界磁極にわたって、電機子位相の間で、および非磁気長座巻きにわたって採用される。ＨＴＳが一実施形態である、これらの一意のＥＭシールド巻線は、１）クエンチ問題を低下させ、２）特に、より小さい磁石において、緊密な含有される経路におけるより高いＢを支援し、３）ＦｅおよびＨＴＳ巻きの必要性を除去することによって質量を低下させ、４）ＨＴＳストランドあたりより多くの電流を可能にしながら、漂遊およびヒステリシスＢ損失を最小限にすることによって効率を最適化する。電機子磁気長および座巻きＥＭ遮蔽の実施形態に関して、可能性としてはんだ付けされた端部を伴う平行ＨＴＳの１つから複数の単一ストリップが、使用される。電機子長では、ＨＴＳストリップおよび／または制動巻線バーが、位相の間に設置される。座巻きは、抵抗が除去されるときのより大きな懸念である、電力調整システム（ＰＣＳ）切替等の高周波数損失に対して保護するために、位相の間に短絡されたＨＴＳストリップＥＭシールドを使用するであろう。いくつかの実施形態では、電機子過渡のための界磁極ＥＭシールドが、過渡ＥＭ損失を最小限にするために要求される。そのような場合では、界磁クライオスタットが、要求される場合、ステンレス鋼またはアルミニウムまたはチタンまたは同等の伝導性金属クライオスタット壁が、ＥＭシールドのために考慮されるであろう、または短絡されたＨＴＳストリップが、界磁極にわたって設置される。極低温温度における全ての金属の高伝導性および表皮深さに起因して、いかなる高周波数金属ＥＭシールドも、非常に薄い。全てのＥＭシールドのための極低温冷却経路は、優れた誘導発生熱除去機構を提供することができる。
【0060】
誘導ＳＣ電気機械。高い誘導されたＢを取得するために、巻回二次ＳＣコイルおよび／またはリスケージ構成を使用する、および／または始動トルクおよび／または発振減衰のための誘導された電流経路を提供するために、スタックされた、または同様に並列な多くの巻き等のＨＴＳを使用する。ＳＣ機械は、ロータ発振につながり得る、従来の機械の固有の抵抗減衰を有していない。減衰を除去するための実施形態は、任意の列挙されるデバイスが性能を増加させるために凍結剤冷却を含み得る、Ｃｕまたはアルミニウム（Ａｌ）制動巻線バー、可変外部抵抗器、および／または電力電子機器ドライブを埋設することを含む。これらの解決策はまた、誘導機械の速度／トルク特性を制御することに役立つ。例えば、電機子と同等の極を伴う巻回二次モータは、高抵抗をロータ回路の中に挿入することによって、最も高いトルクおよび低い突入電流で開始されることができる。モータが、加速するにつれて、二次抵抗は、減少され、コイルは、最大速度において短絡され、最大電力を維持することができる。全ての動作モードにおいて、ＳＣの利益は、極めて高い誘導されたｅｍｆに起因して達成される。実施形態は、巻線の間にＬＮ２冷却減衰バーを伴うＨＴＳ平坦ファン巻回二次であり、電機子コイルの反対の、または電機子スキューの代わりの潜在的スキューが、高性能出力を達成する。
【0061】
組み合わせられた誘導および同期ＳＣ電気機械。いかなる抵抗損失も伴わず、高電流を伴い、小さい詰込率における多数の巻きを伴う完全なＨＴＳ電気機械は、２つのＡＣ機械タイプ、すなわち、誘導および同期を組み合わせる利益を有する。同一の電気機械を、二次が誘導受動的Ｂである誘導機械、または二次が能動的Ｂである同期機械として動作させる。これは、インダクタンスおよび同期機械モードの両方に関する極端な結合されたＢ、したがって、全ての速度を横断する高い電力および効率を可能にする。本ＨＴＳ機械実施形態は、より高いＨＴＳ費用および機械から電力調整システム（ＰＣＳ）への制御複雑性を有するが、この史上初の機械からの利益は、産業から電気車両（ＥＶ）までのある用途にとって重要であり得る。ＨＴＳ巻回誘導解決策は、いかなる損失も伴わない高誘導電流に起因して、高い自己始動トルク間周波数範囲および効率を提供する。速度範囲を横断する高い始動トルクおよびより高い効率および電力は、高トルク運動および始動／停止ＥＶ（オフロード建設、バス、Ａ／Ｃ上昇、およびタグボート）に関するより良好な総生涯費用（ＴＬＣ）を可能にする。ＨＴＳ同期解決策は、二次Ｂが所望の速度においてトルクを最大限にするように変動される、最適な速度における極端な効率および電力を可能にする。随意に、ＴＦＭは、組み込まれ、同期モードのために活性化され、電力を大幅に増加させる、および／または外部回路網に対して受動的モードにおいて二次を閉回路にすることができるが、そうでなければ、誘導モード動作のためにＴＦＭを活性化しない。
【0062】
組み合わせられた誘導および同期ＳＣ電気機械モードおよび動作減衰。二次コイルは、誘導機械応答のために短絡され、コイルは、同期機械応答のためにＴＦＭまたは永久磁石（ＰＭ）の有無を問わずに活性である。精密な制御が、誘導モード（可変速度および／またはより高いトルクを伴うより緩慢な速度に関して）と同期モード（最適化された一定の速度に関して）との間で移動するとき、最適なトルク－速度を達成するために要求される。誘導機械は、電機子極を反映し、したがって、一実施形態では、巻回誘導二次は、外部抵抗または短絡コイルを伴う共通誘導機械モードに入る、または異なる極数に関する接続を介して設定されるような異なる極構成にＤＣ給電することによって同期モードに進むことができる。選定される同期極は、誘導スリップから限定されたハンティング発振を伴う同期モードに固定するためにＤＣ給電される。ＳＣ機械は、ロータ発振につながり得る、従来の機械の固有の抵抗減衰を有していない。別の実施形態では、伝導性極低温冷却を含む外部抵抗器は、余剰ロータ減衰選択肢であるが、典型的には、ＨＴＳおよびＨＴＳコーティングが適応するべきである高周波数の低電力発振のみを残す、はるかにより低いモータ出力電力引き込みに対して、極端な空隙Ｂ堅性および減衰に起因して、要求されることが予期されない。別の実施形態は、ロータベースの永久スイッチが受動的誘導または能動的界磁コイルとして閉になる方法に関する可変極選択肢を含む。
【0063】
コンパクトな高度な超伝導デバイス。本発明のいくつかの実施形態の別の側面は、超伝導体から作製された高度なコンパクトなデバイスを提供することである。超伝導体は、本明細書に説明される技法を使用して作成または処理されてもよい。想定されるコンパクトなＳＣデバイスは、限定ではないが、モータおよび発電機機械、磁気共鳴撮像（ＭＲＩ）、核磁気共鳴（ＮＭＲ）、表面ＮＭＲ（ＳＮＭＲ）［本書では表面ＭＲＩ（ＳＭＲＩ）を含む］、故障電流制限器（ＦＣＬ）、および高度なＳＣによって部分的から完全に生成された高ＥＭ場および／または電流を含む、または使用する任意のデバイスを含む。高度なＳＣは、より高い温度における超伝導動作を可能にし、概して、より機械的に脆弱である、または有意により機械的に脆弱である材料を含有する。開示されるデバイスは、モータおよび発電機、医療用途、地球科学用途、風力エネルギー発電機、水力発電機、ハイブリッドまたは全電気式車両、油およびガス用途、磁場による閉じ込め、１６テスラ（Ｔ）磁石を上回る高Ｂ磁石を含む、高エネルギー物理学（ＨＥＰ）および核融合用途、電力システム、航空および航空宇宙用途、ＥＭ推進（マグプロップ）、ＥＭ浮上（マグレブ）、宇宙ＥＭ遮蔽、船舶システム、地上輸送、軍事、公益事業、農業、建設、鉱業、環境、資源管理、災害救助、考古学、およびＥＭシステムを使用する任意の産業のために使用されることができる。本開示の一部は、コンパクトなシステムに焦点を当てられるが、当業者は、任意のサイズのＳＣデバイスが製造され得ることを理解するであろう。
【0064】
コンパクトな超伝導デバイス。一実施形態のコンパクトな高度なＳＣは、サイズおよび重量においてコンパクトな高出力および／または分解能デバイスである。いくつかのコンパクトなＳＣデバイスは、電力、エネルギー貯蔵、制御、データ入手（ＤＡＱ）、オペレータインターフェース、および極低温システムを採用する、人員ポータブルであってもよい。
【0065】
構成要素ベースの超伝導デバイス。本発明の別の実施形態は、ＳＣ磁石セットと、入替可能構成要素またはライン交換可能ユニット（ＬＲＵ）である他の要素とを含む。
【0066】
ハイブリッド超伝導磁性体。磁性体は、巻回ＳＣおよび／またはバルクＴＦＭタイプＳＣを完成させるために、従来の電磁石（ＥＭ）導体および／または永久磁石を伴うハイブリッド実施形態を含む。実施形態は、制御および巻回されたＳＣ等の１つのタイプの源の磁性体を使用し、同一の磁石または極の一部であるかどうかにかかわらず、ＴＦＭまたは永久磁石等の別のタイプの源の磁性体を制御および成形するステップを含む。
【0067】
組み合わせられた超伝導磁性体および速度。本発明の別の実施形態は、部分的から完全なＳＣデバイスの速度を増加させ、エネルギー密度および比エネルギーをさらに増加させながら、速度誘導過渡損失に起因して効率を損なわないことの組み合わせである。電気機械実施形態では、完全なＨＴＳデバイスおよび高速度（５，０００ｒｐｍおよびそれを上回る）から極端な速度（１０，０００ｒｐｍおよびそれを上回る）を用いてＢを最大限にすることは、最も高い電力およびサイズ節約を支援し、改良された比電力／エネルギーおよび電力／エネルギー密度を通して超高電力およびコンパクトなサイズにつながる。
【0068】
超伝導磁性原動力電力システムアプローチ。磁性原動力電力システムの焦点は、ＳＣ機械に関して非典型的である。任意の電気機械に関する大規模な効率および性能の増加は、一般的に、磁気参照フレームの増加された相対運動のエネルギーシステム手段、例えば、同期モータおよび／または発電機機械における電機子および励磁機界磁コイルを通して、および／または特定の動作温度（Ｔ）に対して磁性空隙磁束密度（Ｂ）を最大限にすることによって達成される。本エネルギーシステムアプローチは、いったんＳＣ材料がさらなる増加を可能にすると、ＳＣ機械の未来となる。本一般的なアプローチは、本実施形態の直接的な焦点ではない。代わりに、本実施形態は、システムの考え方から、増加された電流密度（Ｊ）の利益からの電力システムアプローチを組み込む。
【0069】
マグプロップ。電磁推進（マグプロップ）に適用されるような、全ての電気機械等説明の本明細書の用途説明に対する巻線は、磁気浮上（マグレブ）列車推進および宇宙発射システムを含む車両発射装置を含む、地上から地球圏外の使用のための任意のタイプのありとあらゆるＳＣ線形または湾曲電気機械に適用されるＨＴＳおよびＭＴＳの実施形態を含む。
【0070】
超伝導慣性推進。電磁慣性推進に適用されるような、全ての電気機械説明等の本明細書の用途説明に対する巻線は、イオン推進システムを含む、地上から宇宙を含む地球圏外の使用のための任意のタイプのありとあらゆるＳＣ慣性推進に適用されるＨＴＳおよびＭＴＳの実施形態を含む。
【0071】
マグレブ。磁気浮上（マグレブ）に適用されるような、全ての電気機械説明等の本明細書の用途説明に対する巻線は、磁気浮上（マグレブ）列車浮上および宇宙発射システムを含む車両発射装置を含む、地上から地球圏外の使用のための任意のタイプのありとあらゆるＳＣ線形湾曲電気機械に適用されるＨＴＳおよびＭＴＳの実施形態を含む。
【0072】
超伝導変圧器。変圧器に適用されるような本明細書の用途説明に対する巻線は、ＨＴＳおよびＭＴＳの通常から高周波数の変圧器の実施形態を含む。そのような変圧器の一実施形態は、高周波数切替動作等のより高度な必要性を支援するための３Ｄ印刷コアを含んでもよい。
【0073】
超伝導故障電流制限器。超伝導故障電流制限器（ＦＣＬ）に適用されるような本明細書の用途説明に対する巻線は、ＨＴＳおよびＭＴＳの通常から高過渡および電力ＦＣＬの実施形態を含む。
【0074】
超伝導磁気エネルギー貯蔵。超伝導磁気エネルギー貯蔵（ＳＭＥＳ）に適用されるような本明細書の用途説明に対する巻線は、ＨＴＳおよびＭＴＳ ＳＭＥＳの実施形態を含む。
【0075】
超伝導はずみ車エネルギー貯蔵。超伝導はずみ車エネルギー貯蔵に適用されるような本明細書の用途説明に対する巻線は、ＨＴＳおよびＭＴＳの通常から高速度および電力はずみ車の実施形態を含む。
【0076】
超伝導高磁場磁石。超伝導高磁場磁石に適用されるような本明細書の用途説明に対する巻線は、３テスラ（Ｔ）磁石を上回る高エネルギー物理学（ＨＥＰ）および核融合用途のためのＨＴＳおよびＭＴＳ高磁場磁石の実施形態を含む。
【0077】
超伝導宇宙ＥＭ遮蔽。超伝導電磁（ＥＭ）遮蔽磁石に適用されるような本明細書の用途説明に対する巻線は、ＨＴＳおよびＭＴＳ ＥＭ遮蔽磁石の実施形態を含む。
【0078】
したがって、本発明の実施形態の一側面は、少なくとも１つのコイルを備える、一次構成要素と、長方形断面を有する、超伝導テープの層から形成される、少なくとも１つのコイルを有する、二次構成要素であって、二次構成要素は、一次構成要素に隣接して位置付けられ、空隙によって一次構成要素から分離され、一次構成要素は、二次構成要素を移動させるために、二次構成要素と相互作用する、電磁力を生成するように構成される、二次構成要素とを備える、電気機械である。
【0079】
本発明のいくつかの実施形態の別の側面は、少なくとも１つのコイルを備える、一次構成要素と、長方形断面を有する、超伝導テープの層から形成される、少なくとも１つのコイルを有する、二次構成要素であって、二次構成要素は、一次構成要素に隣接して位置付けられ、空隙によって一次構成要素から分離され、一次構成要素は、二次構成要素を移動させるために、二次構成要素と相互作用する、電磁力を生成するように構成される、二次構成要素とを備え、長方形断面は、長縁および短縁によって画定され、短縁は、空隙に隣接して位置付けられ、長縁は、空隙から離れるように延在する、超伝導テープの側方側面と関連付けられる、電気機械を提供することである。
【0080】
本発明のいくつかの実施形態の別の側面は、少なくとも１つのコイルを備える、一次構成要素と、長方形断面を有する、超伝導テープの層から形成される、少なくとも１つのコイルを有する、二次構成要素であって、二次構成要素は、一次構成要素に隣接して位置付けられ、空隙によって一次構成要素から分離され、一次構成要素は、二次構成要素を移動させるために、二次構成要素と相互作用する、電磁力を生成するように構成される、二次構成要素とを備え、長方形断面は、長縁および短縁によって画定され、短縁は、空隙に隣接して位置付けられ、長縁は、空隙から離れるように延在する、超伝導テープの側方側面と関連付けられ、側方側面は、空隙の湾曲に対して法線方向ではない、電気機械を提供することである。
【0081】
本発明のいくつかの実施形態のまた別の側面は、少なくとも１つのコイルを備える、一次構成要素と、長方形断面を有する、超伝導テープの層から形成される、少なくとも１つのコイルを有する、二次構成要素であって、二次構成要素は、一次構成要素に隣接して位置付けられ、空隙によって一次構成要素から分離され、一次構成要素は、二次構成要素を移動させるために、二次構成要素と相互作用する、電磁力を生成するように構成される、二次構成要素とを備え、一次構成要素の少なくとも１つのコイルは、長方形外形を有する、超伝導テープの層から成る、電気機械を提供することである。
【0082】
本発明のいくつかの実施形態のなおもまた別の側面は、少なくとも１つのコイルを備える、一次構成要素と、長方形断面を有する、超伝導テープの層から形成される、少なくとも１つのコイルを有する、二次構成要素であって、二次構成要素は、一次構成要素に隣接して位置付けられ、空隙によって一次構成要素から分離され、一次構成要素は、二次構成要素を移動させるために、二次構成要素と相互作用する、電磁力を生成するように構成される、二次構成要素とを備え、一次構成要素の少なくとも１つのコイルは、長方形外形を有する、超伝導テープの層から成り、一次または二次構成要素の超伝導テープの層は、ワイヤまたはテープの連続的接続とともに巻回される、複数の磁石から成る、電気機械を提供することである。
【0083】
本発明のいくつかの実施形態の別の側面は、少なくとも１つのコイルを備える、一次構成要素と、長方形断面を有する、超伝導テープの層から形成される、少なくとも１つのコイルを有する、二次構成要素であって、二次構成要素は、一次構成要素に隣接して位置付けられ、空隙によって一次構成要素から分離され、一次構成要素は、二次構成要素を移動させるために、二次構成要素と相互作用する、電磁力を生成するように構成される、二次構成要素とを備え、一次構成要素の少なくとも１つのコイルは、長方形外形を有する、超伝導テープの層から成り、長方形断面は、長縁および短縁によって画定され、短縁は、空隙に隣接して位置付けられ、長縁は、空隙から離れるように延在する、超伝導テープの側方側面と関連付けられる、電気機械を提供することである。
【0084】
本発明のいくつかの実施形態の別の側面は、複数の超伝導コイルを備える、一次構成要素と、一次構成要素に隣接して位置付けられる、二次構成要素であって、二次構成要素は、空隙によって一次構成要素から分離され、一次構成要素は、二次構成要素を移動させるために、二次構成要素と相互作用する、電磁力を生成するように構成される、二次構成要素とを備え、超伝導コイルは、長方形断面を有する、超伝導テープの層から形成される、電気機械を提供することである。
【0085】
本発明のいくつかの実施形態の別の側面は、複数の超伝導コイルを備える、一次構成要素と、一次構成要素に隣接して位置付けられる、二次構成要素であって、二次構成要素は、空隙によって一次構成要素から分離され、一次構成要素は、二次構成要素を移動させるために、二次構成要素と相互作用する、電磁力を生成するように構成される、二次構成要素とを備え、超伝導コイルは、長方形断面を有する、超伝導テープの層から形成され、長方形断面は、長縁および短縁によって画定され、短縁は、空隙に隣接して位置付けられ、長縁は、空隙から離れるように延在する、超伝導テープの側方側面と関連付けられる、電気機械を提供することである。
【0086】
本発明のいくつかの実施形態のまた別の側面は、一次構成要素と、空隙によって一次構成要素から分離される、二次構成要素とを備える、電気機械を制御する方法であって、二次構成要素は、長方形断面を有する、超伝導テープの層から形成される、超伝導コイルを備え、最初に、一次構成要素に通電し、超伝導コイルと相互作用する磁場を生成し、二次構成要素の回転を開始するステップと、少なくとも１つの超伝導コイルに通電し、二次構成要素の回転を選択的に改変するステップとを含む、方法を提供することである。
【0087】
本発明のいくつかの実施形態のまた別の側面は、一次構成要素と、空隙によって一次構成要素から分離される、二次構成要素とを備える、電気機械を制御する方法であって、二次構成要素は、長方形断面を有する、超伝導テープの層から形成される、超伝導コイルを備え、最初に、一次構成要素に通電し、超伝導コイルと相互作用する磁場を生成し、二次構成要素の回転を開始するステップと、少なくとも１つの超伝導コイルに通電し、二次構成要素の回転を選択的に改変するステップとを含み、二次構成要素はさらに、コイルまたはバーの導体、超伝導テープ、永久磁石、およびトラップ場磁石のうちの少なくとも１つを備える、方法を提供することである。
【0088】
本発明のいくつかの実施形態の別の側面は、一次構成要素と、空隙によって一次構成要素から分離される、二次構成要素とを備える、電気機械を制御する方法であって、二次構成要素は、長方形断面を有する、超伝導テープの層から形成される、超伝導コイルを備え、最初に、一次構成要素に通電し、超伝導コイルと相互作用する磁場を生成し、二次構成要素の回転を開始するステップと、少なくとも１つの超伝導コイルに通電し、二次構成要素の回転を選択的に改変するステップとを含み、超伝導コイルに通電するステップは、二次構成要素の回転速度が所定のレートに接近するときに行われる、方法を提供することである。
【0089】
本発明のいくつかの実施形態の別の側面は、一次構成要素と、空隙によって一次構成要素から分離される、二次構成要素とを備える、電気機械を制御する方法であって、二次構成要素は、長方形断面を有する、超伝導テープの層から形成される、超伝導コイルを備え、最初に、一次構成要素に通電し、超伝導コイルと相互作用する磁場を生成し、二次構成要素の回転を開始するステップと、少なくとも１つの超伝導コイルに通電し、二次構成要素の回転を選択的に改変するステップとを含み、長方形断面は、長縁および短縁によって画定され、短縁は、空隙に隣接して位置付けられ、長縁は、空隙から離れるように延在する、超伝導テープの側方側面と関連付けられる、方法を提供することである。
【0090】
本発明のいくつかの実施形態の別の側面は、一次構成要素と、空隙によって一次構成要素から分離される、二次構成要素とを備える、電気機械を制御する方法であって、二次構成要素は、長方形断面を有する、超伝導テープの層から形成される、超伝導コイルを備え、最初に、一次構成要素に通電し、超伝導コイルと相互作用する磁場を生成し、二次構成要素の回転を開始するステップと、少なくとも１つの超伝導コイルに通電し、二次構成要素の回転を選択的に改変するステップとを含み、二次構成要素の超伝導コイルは、受動的使用モードと、電流がそれを通して通過する能動的使用モードとを有し、超伝導コイルは、一次構成要素が最初に通電されるとき、受動的使用モードにある、方法を提供することである。
【0091】
本発明のいくつかの実施形態の別の側面は、上側部分と、基部部分とを有する、フレームと、基部に相互接続される、第１の線形アクチュエータと、第１の線形アクチュエータに相互接続される、第１の回転アクチュエータと、第１の回転線形アクチュエータに相互接続される、第２の線形アクチュエータと、第２の線形アクチュエータに相互接続される、巻解フレームと、巻解フレームに動作的に相互接続される、線形媒体を搬送するように適合される、回転可能巻解スプールとを備える、巻解スプールサブアセンブリと、フレームの上側部分の横断部材に相互接続される、第３の線形アクチュエータであって、第３の線形アクチュエータは、実質的に第１の線形アクチュエータとともに配向される、第３の線形アクチュエータと、第３の線形アクチュエータに相互接続される、第２の回転アクチュエータと、第２の回転アクチュエータに相互接続される、板と、板に相互接続される、少なくとも１つのライザと、少なくとも１つのライザに相互接続される、少なくとも１つの梁と、少なくとも１つの梁と動作的に関連付けられる、テンシオメータと、少なくとも１つの梁に相互接続され、テンシオメータから離間される、横方向梁と、横方向梁に回転可能に相互接続される、旋回フォークであって、旋回フォークは、線形物質を受容するように適合される平行ガイドにおいて終わる、旋回フォークと、板と関連付けられるフレーム部材に相互接続される、第４の線形アクチュエータであって、第４の線形アクチュエータは、第３の線形アクチュエータに非平行な方向に第１のアームを押勢するように構成される、第４の線形アクチュエータと、板と関連付けられるフレーム部材に相互接続される、第５の線形アクチュエータであって、第５の線形アクチュエータは、第３の線形アクチュエータに非平行な方向に第２のアームを押勢するように構成される、第５の線形アクチュエータと、第４の線形アクチュエータに相互接続される、第６の線形アクチュエータであって、第６の線形アクチュエータは、第４の線形アクチュエータに直交する方向に第３のアームを押勢するように構成される、第６の線形アクチュエータと、第５の線形アクチュエータに相互接続される、第７の線形アクチュエータであって、第７の線形アクチュエータは、第５の線形アクチュエータに直交する方向に第４のアームを押勢するように構成される、第７の線形アクチュエータと、第６の線形アクチュエータに相互接続される、第３の回転アクチュエータと、第７の線形アクチュエータに相互接続される、第４の回転アクチュエータと、第３の回転アクチュエータに相互接続される、第８の線形アクチュエータであって、第８の線形アクチュエータは、線形媒体に向かう方向に第５のアームを押勢するように構成される、第８の線形アクチュエータと、第４の回転アクチュエータに相互接続される、第９の線形アクチュエータであって、第９の線形アクチュエータは、線形媒体に向かう方向に第６のアームを押勢するように構成される、第９の線形アクチュエータと、第５のアームの端部に相互接続される、第１の巻取ガイドと、第６のアームの端部に相互接続される、第２の巻取ガイドとを備える、フォロワサブアセンブリと、基部部分に相互接続される、少なくとも１つの第１０の線形アクチュエータと、基部部分に相互接続される、少なくとも１つの第１１の線形アクチュエータと、第１０および第１２の線形アクチュエータに相互接続される、第１２の線形アクチュエータと、第１２の線形アクチュエータに相互接続される、第５の回転アクチュエータと、第５の回転アクチュエータに相互接続される、巻取フレームと、第５の回転アクチュエータに相互接続される、第６の巻回弧回転と、巻取フレームに動作的に相互接続される、巻取スプールであって、巻取スプールは、回転するように構成され、線形媒体を受容するように適合される、巻取スプールとを備える、巻型サブアセンブリとを備え、線形媒体は、巻解スプールから取られ、テンシオメータを中心として遷移され、巻取スプール上に巻回され、磁石を形成し、旋回フォーク、第１の巻取ガイド、および第２の巻取ガイドは、第１の線形アクチュエータ、第２の線形アクチュエータ、第３の線形アクチュエータ、第４の線形アクチュエータ、第５の線形アクチュエータ、第６の線形アクチュエータ、第７の線形アクチュエータ、第８の線形アクチュエータ、第９の線形アクチュエータ、第１０の線形アクチュエータ、第１１の線形アクチュエータ、第１２の線形アクチュエータ、第１の回転アクチュエータ、第２の回転アクチュエータ、第３の回転アクチュエータ、第４の回転アクチュエータ、第５の回転アクチュエータ、または第６の巻回弧回転のうちの少なくとも１つの選択的移動とともに、線形媒体の位置を制御する、２０ＤｏＦが可能であり得る、巻回機械を提供することである。スプール場所における第６の回転デバイスと関連付けられる巻取スプールは、巻回弧回転を提供し、それによって、ゴニオメータまたはラックおよびピニオン弧機構等の実施形態を含む、巻取スプールが選択的に傾斜することを可能にする。
【0092】
いくつかの実施形態のまた別の側面は、線形媒体を搬送するように適合される、巻解スプールと、線形媒体を受容するように適合される、巻取スプールと、巻解スプールと巻取スプールとの間に位置付けられる、フォロワサブアセンブリであって、少なくとも１つの巻取ガイドサブアセンブリと関連付けられる、少なくとも１つのアクチュエータであって、少なくとも１つのアクチュエータは、巻取スプールに対する側方運動、横方向運動、またはそれらの組み合わせを少なくとも１つの巻取ガイドサブアセンブリ上に選択的に付与するように構成され、少なくとも１つの巻取ガイドサブアセンブリは、回転ガイドアクチュエータと、回転ガイドアクチュエータに動作可能に相互接続される、線形ガイドアクチュエータと、線形ガイドアクチュエータに動作可能に相互接続される、巻取ガイドとを備え、線形ガイドアクチュエータは、巻取スプールに向かって、またはそれから離れるように、巻取ガイドの端部の少なくとも選択的移動を提供し、回転ガイドアクチュエータは、巻取ガイドの端部の選択的弧状平行移動を提供する、少なくとも１つのアクチュエータを備える、フォロワサブアセンブリとを備え、線形媒体は、巻解スプールから取られ、巻取スプール上に巻回され、磁石、ケーブル、またはケーブル磁石を形成し、線形ガイドアクチュエータまたは回転ガイドアクチュエータの選択的移動は、これが巻取スプール上に設置される際、線形媒体の位置を制御する、巻回機械を提供することである。
【0093】
いくつかの実施形態のなおもまた別の側面は、線形媒体を保管するように適合され、それから線形媒体が除去される、線形媒体供給スプールと、巻解スプールと関連付けられる、ケーブルコア、磁石、またはケーブル磁石と、ケーブルコア、磁石、またはケーブル磁石を平行移動させ、それによって、ケーブルコア、磁石、またはケーブル磁石を巻取スプール上に移送する、少なくとも１つのモータと、線形媒体供給スプールからの線形媒体ストランドをケーブルコア、磁石、またはケーブル磁石上に被着するように構成される、被着ステーションと、ケーブルコア、磁石、またはケーブル磁石が巻取スプールまたは巻型上に巻回される前、その間、またはその後、ケーブルコア、磁石、またはケーブル磁石に構成要素を追加する、構成要素統合ステーションとを備える、線形媒体との併用のための巻回機械を提供することである。
【0094】
発明の概要は、本発明の完全な範疇および範囲を代表するものとして意図されない、またはこれは、そのように解釈されるべきではない。すなわち、これらおよび他の側面および利点が、本明細書に説明される本発明の開示から明白となるであろう。さらに、上記に説明される実施形態、側面、目的、および構成は、完全または網羅的のいずれでもない。理解されるであろうように、本発明の他の実施形態が、単独で、または組み合わせて、上記に記載される、または下記に説明される特徴のうちの１つまたはそれを上回るものを使用して、可能である。また、本明細書で「本発明」またはその側面に行われる言及は、本発明のある実施形態を意味するように理解されるべきであり、必ずしも全ての実施形態を特定の説明に限定するものとして解釈されるべきではない。本発明は、発明の概要および添付される図面および詳細な説明に種々のレベルで詳細に記載され、本発明の範囲に関するいかなる限定も、本発明の概要における要素、構成要素等の包含または非包含のいずれかによって意図されない。本発明の付加的側面が、特に、図面とともに検討されるとき、詳細な説明からより容易に明白となるであろう。
【0095】
上記に説明される利益、実施形態、および／または特性は、特に、本明細書に開示される特許性のある主題に関して、必ずしも完全または網羅的ではない。本発明の他の利益、実施形態、および／または特性が、上記に記載される、および／または付随の図および／または下記の本明細書の説明に説明されるように、単独で、または組み合わせて、利用することが可能である。
【0096】
本明細書で使用されるような語句「少なくとも１つ」、「１つまたはそれを上回る」、および「および／または」は、動作において接続的および離接的の両方である非制限的表現である。例えば、表現「Ａ、Ｂ、およびＣのうちの少なくとも１つ」、「Ａ、Ｂ、またはＣのうちの少なくとも１つ」、「Ａ、Ｂ、およびＣのうちの１つまたはそれを上回るもの」、「Ａ、Ｂ、またはＣのうちの１つまたはそれを上回るもの」、および「Ａ、Ｂ、および／またはＣ」はそれぞれ、Ａのみ、Ｂのみ、Ｃのみ、ＡおよびＢをともに、ＡおよびＣをともに、ＢおよびＣをともに、またはＡ、Ｂ、およびＣをともにを意味する。
【0097】
別様に示されない限り、本明細書および図面図において使用される数量、寸法、条件等を表す全ての数字は、本明細書に説明される新規のアセンブリおよび方法の特定の用途のために要求されるような全ての事例において修正され得る近似値であるとして理解されるものである。
【0098】
本明細書で使用されるような用語「ａ」または「ａｎ」の実体は、その実体のうちの１つまたはそれを上回るものを指す。したがって、用語「ａ」（または「ａｎ」）、「１つまたはそれを上回る」、および「少なくとも１つ」は、本明細書で同義的に使用されることができる。
【0099】
本明細書の「～を含む」、「～を備える」、または「～を有する」、およびそれらの変形例の使用は、以降で列挙されるアイテムおよびそれらの均等物および付加的アイテムを包含することを意味する。故に、用語「～を含む」、「～を備える」、または「～を有する」、およびそれらの変形例は、同義的に使用されることができる。
【0100】
本明細書で使用されるような用語「手段」が、３５ Ｕ．Ｓ．Ｃ．， Ｓｅｃｔｉｏｎ １１２（ｆ）（米国特許法第１１２条（ｆ））に従って、その最も広い可能性として考えられる解釈を与えられるものとすることを理解されたい。故に、用語「手段」を組み込む請求項は、本明細書に記載される全ての構造、材料、または行為、およびそれらの均等物の全ての網羅するものとする。さらに、構造、材料、または行為、およびそれらの均等物は、概要、図面の簡単な説明、詳細な説明、および添付される図面図に説明される全てのものを含むものとする。
【図面の簡単な説明】
【0101】
本明細書に組み込まれ、その一部を成す、付随の図面は、本発明の実施形態を図示し、上記に与えられる本発明の一般的な説明および下記に与えられる図面の詳細な説明とともに、これらの発明の原理を解説する役割を果たす。
【0102】
【0103】
【0104】
【0105】
【0106】
【0107】
【0108】
【0109】
【0110】
【0111】
【0112】
【0113】
【0114】
【0115】
【0116】
【0117】
【0118】
【0119】
【0120】
【0121】
以下の構成要素リストおよび図面に見出される関連付けられる付番は、本発明の一実施形態の理解を支援するために提供される。
【表1-1】
【表1-2】
【0122】
図面が、必ずしも縮尺通りではないことを理解されたい。ある事例では、本発明の理解のために必要ではない、または他の詳細を知覚することを困難にする詳細は、省略されている場合がある。当然ながら、本発明が、必ずしも本明細書に図示される特定の実施形態に限定されないことを理解されたい。
【発明を実施するための形態】
【0123】
詳細な説明
本発明の実施形態は、線形媒体取扱システム（ＬＭＨＳ）（その一実施例が、図１３－１８に示される）を対象とする。想定されるＬＭＨＳは、ＬＭＨＳ全体が、本明細書に説明される継ぎの概念と類似する連続的長さの使用のために磁場の中に展開されることを可能にする、部分的から完全に自動化された直列クライオスタットステーションを含んでもよい。主要な実施例は、ケーブル配設現場においてケーブル生産のためにＬＭＨＳを使用することである。本実施例では、１つまたはそれを上回るＬＭＨＳ開発ＳＣケーブルが、ＳＣケーブル巻回システム内で下方に設置されたＬＭＨＳのさらなる実施形態を使用し、次いで、ケーブル凍結剤容器またはクライオスタットの中に直列に挿入またはクラッディングし、これが、次いで、設備の中に給送されることによって、任意の所望のケーブル撚りまたは織りを含むように巻回されることができる。図１は、クライオスタットクラッディングおよび絶縁体６および１０のジャケットおよび外側壁が超伝導体コア１４の周囲に設置される、ケーブルコア２を伴うケーブルを示す。当業者は、ＥＭ遮蔽が、超伝導体および絶縁体の外側に位置し得ることを理解するであろう。いくつかの実施形態では、電力要素が、エネルギー貯蔵システム実施形態のナノウィスカ形態として、螺旋被着ウルトラキャパシタの統合された巻回構成要素等の面積６および１４の中に挿入される。
本発明の実施形態は、線形媒体取扱システム（ＬＭＨＳ）（その一実施例が、図１３－１８に示される）を対象とする。想定されるＬＭＨＳは、ＬＭＨＳ全体が、本明細書に説明される継ぎの概念と類似する連続的長さの使用のために磁場の中に展開されることを可能にする、部分的から完全に自動化された直列クライオスタットステーションを含んでもよい。主要な実施例は、ケーブル配設現場においてケーブル生産のためにＬＭＨＳを使用することである。本実施例では、１つまたはそれを上回るＬＭＨＳ開発ＳＣケーブルが、ＳＣケーブル巻回システム内で下方に設置されたＬＭＨＳのさらなる実施形態を使用し、次いで、ケーブル凍結剤容器またはクライオスタットの中に直列に挿入またはクラッディングし、これが、次いで、設備の中に給送されることによって、任意の所望のケーブル撚りまたは織りを含むように巻回されることができる。図１は、クライオスタットクラッディングおよび絶縁体６および１０のジャケットおよび外側壁が超伝導体コア１４の周囲に設置される、ケーブルコア２を伴うケーブルを示す。当業者は、ＥＭ遮蔽が、超伝導体および絶縁体の外側に位置し得ることを理解するであろう。いくつかの実施形態では、電力要素が、エネルギー貯蔵システム実施形態のナノウィスカ形態として、螺旋被着ウルトラキャパシタの統合された巻回構成要素等の面積６および１４の中に挿入される。
【0124】
図２は、図１に同様に示されるようなＨＴＳケーブルとして機能する、本発明のさらなる実施形態を示す。ここで示されるデバイスは、磁場動作可能超伝導デバイスであり、磁場動作可能超伝導システムの一次要素として機能することができる。図２は、３相中空コア超伝導ケーブル２０の一実施形態を示す。ケーブル２０は、伝導性安定剤および／または絶縁層２８によって分離される、３つのＨＴＳ層２４を有する。いくつかの実施形態では、凍結剤が、面積３２および３６内で流動する。いくつかの実施形態では、電力要素が、エネルギー貯蔵システム実施形態のナノウィスカ形態として、螺旋被着ウルトラキャパシタの統合された巻回構成要素等の面積３６の中に挿入される。
【0125】
図３－５は、コンパクトな超伝導モータ／発電機１１００を示す。モータ発電機は、磁場動作可能ＳＣパーソナルポータブルデバイス内で使用されてもよい。機械は、半分だけまたは完全なＨＴＳであり、したがって、任意の電機子巻線の半分だけまたは完全に凍結剤で低温の電気機械（モータ／発電機）であってもよい。極低温冷却は、伝導性冷却または部分的槽冷却によって達成されてもよく、いかなるステータクライオスタットも、現在示されない。図面の簡略化のために、多くの極低温、電機子コア等の要素は、除去または簡略化される。モータ／発電機１１００は、継ぎを限定するために、図５に示される電機子コイル群の構造であり得る、ステータコイル１１８５を支持する、筐体１１８０を備える。すなわち、図５は、継ぎを除去する、またはその数を限定するために、ワイヤまたはテープ５０８の連続的接続を伴わずにともに巻回される、複数の磁石５０４を示す。ロータ１１８２が、ステータ１１８５内に位置付けられる。ロータは、複数の界磁極１１８７を支持する、シャフト１１８６から成る。
【0126】
トラップ場磁石（ＴＦＭ）１７７４または永久磁石１１９０が、群において界磁極１７６７または１１８７内に設置され、界磁コイル１７７８または１１８８によって囲繞される。磁場集束カバー１１８９が、全ての界磁ＴＦＭおよびコイルのための過渡電磁（ＥＭ）シールド選択肢を提供する。界磁極１１８７全体は、完全なＨＴＳである場合であっても、別個に構築され、機械の外側での超伝導ＴＦＭ活性化のための選択肢を含む、電気機械にユニットとして組み立てられることができる。完全に低温の極低温モータまたは発電機の本事例は、埋設されたスリップリングベースの電力およびデータケーブルを伴う、回転極低温結合器を伴う、ロータ軸受の随意の場所１１８３等の非金属区分を有し得る、非熱伝導中空シャフト１１８６を通して可能である。
【0127】
モータおよび／または発電機タイプ機械実施形態は、任意のモータおよび／または発電機使用等のユニットを含む。十分にコンパクトである場合、人員ポータブルである、モータおよび／または発電機実施形態が、ＳＣコイル１１８５を示すために、あるクライオスタット要素が除去される、図３－５に示される。モータおよび発電機実施形態は、同期および誘導機械等の全てのタイプの回転および線形ＡＣ、およびハイブリッドから完全なＳＣ電機子および／またはハイブリッドから完全なＳＣ能動的および／または受動的励磁機二次または界磁コイルの両方のためのＤＣ機械を横断して及び、磁極は、個々の構成要素、巻回、ＴＦＭ、ＰＭ、中実極等のうちの１つまたはそれらの組み合わせに及ぶ。実施形態はまた、後部鉄、または特に、ハイブリッドコアおよび／または空心モータを含み、後部鉄の除去は、コンパクトな機械を可能にするＳＣ磁性体を前提として、より軽量の機械および低下された周波数損失を可能にする。超伝導機械の空隙は、空気からの水の氷結を除去するための排気または非空気空隙を含むが、また、全ての風損を除去する。空隙は、任意の電磁デバイスの一次と二次との間の非磁性空間である。モータおよび発電機機械実施形態は、膨大な数の産業および用途に及び、これは、非常に広範であって、容易に列挙することができない。一実施形態は、風力または水力タービン発電機である。別の実施形態は、部分的から完全なＳＣタイプモータまたは発電機の実施形態を含む、ハイブリッドまたは全電気式の空中、陸上、海上、または宇宙車両モータおよび発電機である。全てのタイプおよびサイズのハイブリッドから全電気式航空機の実施形態は、それ自体で、本発明を大いに利用することが予期され、特定の実施形態では、組み合わせられた超伝導磁性体および速度の発明の開示および潜在的にハイブリッド超伝導磁性体の発明の開示を伴う。
【0128】
図６－８Ａおよび１０は、ハイブリッドまたは完全な空心巻型を有する別の実施形態の電気機械、および平坦ファンの発明の開示の磁石コイル、トラップ場磁石（ＴＦＭ）および永久磁石、磁束経路、クライオスタットおよび極低温冷却および伝導性経路、ガス経路（例えば、極低温液体からガス膨張への経路）、電磁（ＥＭ）シールドおよびシールドマウントに共通するような他の磁性要素の設置、場所、支持、および動作支援を示す。電気機械１７５０は、磁場動作可能超伝導デバイスとして機能し得、磁場動作可能超伝導システムの一次要素として機能し得る、コンパクトな高度な超伝導デバイスである。機械１７５０によって提供される高い磁束密度（Ｂ）は、組み合わせられた誘導および同期機械を可能にする。想定される機械はまた、Ｂ経路のためのテープ曲率および整合が、全ての電機子および界磁コイルにおいて提供される、ハイブリッドから空心電気機械である。ここでは、空心１７５４は、ロータコア後部面積上に提供されるが、任意の空心区分に関して、非磁性材料が、磁束密度に関して空心と見なされるように使用される。
【0129】
電機子コイル１７５９は、座巻き１７５８を伴う平坦ファン磁性コイルから成り、本実施形態では、電機子は、ステータと関連付けられる。界磁コイルまたは巻回誘導の実施形態等の二次コイルは、二次コイル１７６０等の重複する平坦ファン磁性コイルとして形成されてもよい。図１０は、ロータコイル１７６０が、ステータのものよりも大きいロータ直径１７６４を伴い、したがって、ロータの内側上に電機子を設置する、そのような磁性コイル１７６４を示す。当然ながら、磁性コイルは、反転されてもよく、界磁コイルは、より大きい直径のステータ内に位置付けられる、より小さい直径のロータ上に位置し、これは、図３および６に示されるようなより一般的な電気機械構成である。電気機械等の電磁デバイスを作製するために、同様に弧または線形デバイスの側面を入れ替えるために、外側半径上の一次および内側半径上の二次の反転またはその逆も、当業者に想起されるであろう。図９に示されるように、平坦ファン端部は、それぞれ、電気機械磁気長１７５９および１７６４を追加するように設定され得る、一次上の巻き１７６５を含む（図１０は、二次上の巻き１７６２を示す）。本構成はまた、Ｂ経路を湾曲させ、最も高いＢ領域におけるＨＴＳの設置を最小限にする。複雑な３Ｄ形ＳＣ磁石は、ＨＴＳ臨界値を超えることなく、高い効率およびＢのためのコンパクトかつより軽量のサイズ決定を可能にする。さらに、図６に見られるように、座巻きは、極が、片側または両側上の座巻きに重複し、それらを磁気長の一部、したがって、電気機械の原動力の一部にし得るように配向される。
【0130】
本実施形態では、湾曲平坦ファンコイルおよびＴＦＭは両方とも、ロータ１７６７上に界磁極１７６６を備えるために使用される。より具体的には、想定される界磁コイルは、空隙Ｂおよび出力性能をさらに増加させるために、Ｂ経路を制御し、限定ではないが、ＨＴＳ ＴＦＭ等のトラップ場磁石（ＴＦＭ）をさらに適応させるために、多次元湾曲側面を伴う一般的なコイルまたは平坦ファンであってもよい。ＴＦＭは、異なる極配向に活性化されることができる。特殊化ＨＴＳ ＥＭシールド１１８９が、界磁極スペーサ１７７０を伴う界磁極１７６６にわたって、電機子位相の間で、および非磁気長座巻きにわたって提供される。本ハイブリッド超伝導磁気構成では、トラップ場磁石（ＴＦＭ）１７７４または永久磁石は、周辺界磁コイル１７７８とともに群において界磁コイル内に設置される。界磁極１７６６全体は、完全なＨＴＳである場合であっても、別個に構築され、機械の外側での超伝導ＴＦＭ活性化のための選択肢を含む、電気機械にユニットとして組み立てられることができる。一実施形態では、界磁極１７６６は、極低温冷却の必要性を支援するために、伝導性冷却領域の下方に凍結剤リザーバ１７８２を有する。ここでは、完全に低温の極低温モータまたは発電機は、埋設されたスリップリングベースの電力およびデータケーブル接続を伴う、回転極低温結合器を伴う、非金属区分１７９０を含み得る、非熱伝導中空シャフト１７８６を通して可能である。後部面積１７９４等の他の機械面積を排気することを含み得る、排気または非空気（例えば、希ガス、窒素、凍結剤冷却システムガス等の非水性ガス置換）空隙の実施形態は、氷結の懸念を除去する一方、また、風損を除去することによって、完全に低温の電気機械を支援する。
【0131】
図６－８Ａおよび１０は、別個に構築された巻回区分が、３Ｄ印刷され、または別様に作成され、別個に巻回され、次いで、電機子コア１７５９の各磁石または各位相群を形成するように組み立てられ、接続される、巻回区分の適用を示す。３Ｄ印刷、平坦ファン巻線、本デバイスの外側の別個の極としての、および本デバイスの内側で活性化するときのＴＦＭ活性化の必要性、およびハイブリッドから空心機械は、別個に、およびともに、磁性材料の連続性の必要性の除去等の本能力を大いに利用する。
【0132】
３Ｄ印刷はさらに、図４および６等の任意の目的のために、構造、磁気経路、ＥＭシールド、電気経路、冷却経路、およびガスから流体への経路を含む利益を提供する。３Ｄ印刷構成要素実施形態が、極端な精度の必要性を伴うテンシオメータ車輪１３２８に関して図１３に示される。
【0133】
二次実施形態に関する図１０の想定される平坦ファンコイル１７６０および電機子実施形態に関する図８の１７５９は、密に充塞され、湾曲される浅いサドル型コイルのように、ＨＴＳテープ幅（多くの場合、２～１２ｍｍ）を直線長に沿って幅を向けて設置することによって、ＨＴＳ等の薄いテープ外形（多くの場合、ＨＴＳに関して１マイクロメートルを伴う０．１ｍｍ）を使用する。Ｂは、表面電流を横断する方向において作用し、これは、最も長い長さに平行で最も高く、したがって、空隙に垂直に、またはそれに垂直近くにテープ幅を配向させることは、空隙を横断する最も高いＢおよび最も低い損失を伴う極めて分散された巻線を与える。長い巻回深さは、単一（パンケーキ）、二重、または予期されるように、多くても数層のみの巻回に対して、もはや要求されない。これは、Ｂ発生源が、機械のスロットのさらに奥にあり、したがって、空隙から離れ、これが、次いで、漂遊損失等の損失を増加させる、一般的な半径方向磁束機械（すなわち、最も一般的な電気機械）と異なる。
【0134】
誘導ＳＣ電気機械等の本発明の実施形態は、高い誘導されたＢを取得するために、巻回二次ＳＣコイルおよび／またはリスケージ構成を採用する、および／または始動トルクおよび／または発振減衰のための誘導された電流経路を提供する、スタックされた、または同様に並列な多くの巻き等のＨＴＳを使用する。いくつかの実施形態は、任意の列挙されるデバイスが性能を増加させるために凍結剤冷却を含み得る、Ｃｕまたはアルミニウム（Ａｌ）制動巻線バー、可変外部抵抗器、および／または電力電子機器ドライブを埋設することによって減衰を除去する。電気機械の一次の実施形態は、二次が短絡される場合、二次として反転された図１０配向を伴う図８である。
【0135】
図８Ａは、概して、上記に言及される強化された磁束密度（Ｂ）の概念を図示する、本発明の一実施形態のＨＴＳ巻線の断面表現である。示されるＨＴＳテープ部材１８００は、一般的に数μｍの厚さである、超伝導材料１８０２の平坦ストリップを含む。ＨＴＳ巻線は、最も小さいテープ寸法が、例えば、電気モータの一次構成要素と二次構成要素との間に提供される空隙１８０６に向かって指向されるように設置される、複数のＨＴＳテープ部材１８００として示される。テープ部材は、テープの外側の所望のＢ流動を支援するために、小さい間隙１８０８によって分離され得る。当業者は、隣接するテープ部材の側方表面が当接し得ることを理解するであろう。
【0136】
一実施形態では、平坦ファンＨＴＳ巻線は、空隙１８０６に隣接する第１の層１８１２の位置の上に被着される第２の層１８１０を含む。第１の層１８１２および第２の層１８１０は、磁束Ｂ’およびＢ”を生産する。第２の層１８１０からの磁束Ｂ”は、これが超伝導であるときに第１の層１８１２のテープ内のＨＴＳを通して通過することができないため、これは、ＨＴＳテープ部材およびＨＴＳテープ部材１８００の非超伝導要素の間に提供される間隙１８０６を通して通過しなければならない。故に、第２の層１８１０からの磁束Ｂ”は、第１の層１８１２からの磁束Ｂ’に追加され、空隙１８０６内の磁束を最大限にする、平坦ファン巻線によって提供される集合的磁束Ｂを定義する。２つの巻線層が、示されるが、当業者は、付加的層が、集合的磁束Ｂを増加させるために追加され得る、または単一の層もまた、使用され得ることを理解するであろう。故に、本明細書に想定される平坦ファン巻回構成は、従来の巻線の欠点、例えば、磁束クロストーク、磁場不規則性、非常に分離されたスロットまたはその他の巻線および全ての関連付けられる問題等に悩まされない、低減されたサイズの構成要素における増加された磁束の生産を可能にする。一実施形態では、第１および第２の層に指向されている電流は、各層およびテープの群によって提供される磁束が、選択的に修正され得るように、制御可能である。
【0137】
本発明の一実施形態は、組み合わせられた誘導および同期ＳＣ電気機械である。機械は、二次ＳＣコイルを伴う上記に説明される誘導ＳＣ電気機械に類似し、切替等の構成が機械タイプを動作的に変動させる、誘導された受動的Ｂ（誘導）または能動的Ｂ（同期）タイプ電気機械を形成する。二次ＳＣコイルは、誘導機械応答のために短絡されてもよく、コイルは、同期機械応答のためにＴＦＭまたは永久磁石（ＰＭ）の有無を問わずに活性である。発振減衰は、高Ｂ固定ロータ、導入されたインダクタンス効果、随意の極低温冷却効果を伴う外部抵抗等の実施形態を用いて制御されることができる。別の実施形態は、ロータベースの電気スイッチが受動的誘導または能動的界磁コイルとして閉になる方法に関する可変極選択肢を含む。
【0138】
人員ポータブルという厳密な意味でコンパクトなシステムではないが、全ての要素が可能な限り軽量でなければならないという点でコンパクトである、さらなる実施形態が、宇宙機ＥＭシールドにおいて例示される。この場合では、大きいＳＣコイルのセットが、有害なＥＭ放射線およびイオンから宇宙船および乗員を保護するために、Ｂシールドを提供する宇宙機の周囲に配列される。コイルは、非常に大きいが、それらは、比電力および電力密度を増加させ、宇宙への発射を可能にし、次いで、宇宙において使用する必要性、および故障を伴わない長期の堅牢性等のコンパクトなコイルの性質のうちの多くを帯びる。したがって、全ての適切な実施形態は、本より大きいシステムに適用される。
【0139】
一実施形態は、空隙における大きいＢを可能にし、これは、ひいては、より高い速度およびトルクの推進システム、およびマグレブおよびマグプロップの組み合わせられた使用のためのより高いエネルギーの浮上システムを含む、より高電力のシステムを可能にする。一実施形態は、航空および航空宇宙等の車両発射目的のためのＳＣベースの線形モータである。別の実施形態は、商業的列車速度から、マッハ１またはそれを上回る試験そりを含む、商業的列車限界を超える高速車両までを含む、ＨＴＳベースの超伝導マグレブおよび／またはマグプロップ等の高度なＳＣである。
【0140】
これらのハイブリッド磁性体の実施形態は、ハイブリッドモータおよび発電機に対する従来の磁性体を含む。モータおよび発電機実施形態では、ＳＣから完全なＳＣ電機子、励磁機界磁コイル、およびＡＣ誘導機械受動的導体である。種々の磁性体選択肢のそのような実施形態、特に、ＳＣ巻回およびＴＦＭを組み合わせることは、所与のタスクに関する適切な磁気解決策を可能にするだけではなく、特に、非常にコンパクトな機械を可能にする。
【0141】
モータおよび／または発電機実施形態では、ＳＣ組み合わせユニットを含む任意の磁気タイプは、エポキシおよび／または機械的ボルトおよび／またはダブテールおよび／またはバンド掛け／保定リングを介して下に保持され、これは、より大きい空隙を通して漂遊損失を増加させ、次いで、異なるバンド掛け選択肢が、多くの場合、高速機械等のために採用される。
【0142】
歴史的に、ＳＣバルクおよびワイヤ材料は、用途を横断して別個に使用される。両方の組み合わせられた利益は、今日まで単一のユニットにおいて利用されていない。
【0143】
一実施形態では、ＳＣワイヤおよびトラップ場バルク材料を組み合わせるためのシステムが、提示される。本組み合わせは、共通の極低温状態において両方のＳＣ形式の最大の利益を取り込むための能力を提供する。利益は、磁場形成からバルク材料活性化を含む。
【0144】
任意のＳＣデバイスに関する重要となる実施形態は、単一のＴＦＭ磁石またはその群の周囲に巻回され、ＴＦＭの磁場の活性化、次いで、その修正の両方のために使用される、磁性コイル等の巻回ＳＣである。さらなる実施形態として、これらの組み合わせられたＳＣタイプ極は、容易な組立、およびＳＣデバイスの外側での、または部分的または全体的に最終ＳＣデバイス内の定位置でのＴＦＭの活性化のために、機械の中に含めるための別個のユニットとして作成されることができる。本実施形態はまた、ライン交換可能ユニット（ＬＲＵ）解決策を可能にする。
【0145】
本発明は、所望の出力形態におけるＴＦＭ活性化、高Ｂ増強制御、および高Ｂ場の目的のために、ＳＣ材料から高磁場を発生させる方法に関する。
１． 超伝導（ＳＣ）ワイヤコイルおよびＳＣトラップ場磁石（ＴＦＭ）バルク材料が、相互のＳＣ磁場を補完するために組み合わせて使用される。
ａ． ＴＦＭは、発生されたＤＣ、ＡＣ、またはパルス化磁場を強化または増強するために、ＳＣコイルの磁性のより低いまたはより高い点に位置付けられることができる。
ｂ． ＳＣコイル側面の間の典型的なボイドにおけるＴＦＭ場所および動作時に両方のＳＣタイプを使用することは、別個にＴＦＭまたはＳＣコイルのいずれかを使用することよりもはるかに高いＢ能力を可能にする。
２． ＳＣワイヤコイルが、ＴＦＭ磁場を増強するために使用され、
ａ． 所望される出力Ｂに応じて、様々な静的ＤＣ場変化またはさらにはＡＣから過渡を伴って、ＳＣワイヤ上の磁束密度Ｂを容易に変化させる。
ｂ． 増強された磁場の機械は、優れた機械制御技法を提供する。一意に高いＢを増強することは、現在のところ実践では前例がない。
３． ＳＣワイヤコイルを使用し、高いＴＦＭ材料活性化エネルギーを提供する。
ａ． ＴＦＭは、高いＢを入手するために、高い活性化エネルギーを要求する。そのような活性化は、達成することが極めて困難である。困難は、ＳＣクライオスタットの外部で活性化させようとするとき、磁性漂遊および伝導性シールドへのインダクタンス経路等の理由に起因して、ＴＦＭへの高いＢを得るための能力から生じる。ＴＦＭバルクを伴う同一のクライオスタットの内側にＳＣワイヤを設置することによって、ＳＣワイヤコイルの高いＢ能力だけではなく、また、ＳＣワイヤで発生されたＢとＴＦＭで活性化された捕捉されたＢとの近接近を利用することができる。
ｂ． ＳＣワイヤを利用すると、銅等の従来の導体と異なり、ＳＣワイヤは、ピンニングセンターがないときに短い時間周期にわたって極端な電流を取り扱うことができ、典型的には、純粋な導体よりも桁違いに少ない熱エネルギーを発生させる。熱発生を最小限にすることは、いかなるＳＣコイルにとっても極めて有益である。
ｃ． ワイヤは、ＳＣバルクパック全体の周囲か、または個々のＴＦＭに隣り合ってかにかかわらず、クライオスタットの内側に自動的に位置する。個々のＴＦＭの場合では、コイルは、ＴＦＭの周囲に、またはＴＦＭ中心の上に物理的に位置してもよい。この場合では、複数のＳＣコイルが、活性化を達成するために、直列および／または並列に接続されてもよい。
ｄ． いったんＴＦＭが活性化されると、またはＴＦＭを伴わないＳＣ ＤＣ磁石を使用するとき、ＳＣ ＤＣ磁石は、モータまたは発電機励磁機磁場またはＮＭＲまたはＭＲＩ場磁石等、定常状態モードに関して設定されることができ、理論的には、任意の殆ど無視できる継ぎ抵抗から生じるＳＣ損失のみを伴って、ＤＣ定常状態電荷を決して失わないであろう。
ｅ． 適切な配向における二次および一次磁石巻線を使用し、増加されたレベルのＴＦＭ活性化および／または非活性化エネルギー、時間、およびＴＦＭ Ｂ配向を達成する。
４． ＳＣワイヤコイルを使用し、高いＴＦＭ材料非活性化エネルギーを提供する。
１． 超伝導（ＳＣ）ワイヤコイルおよびＳＣトラップ場磁石（ＴＦＭ）バルク材料が、相互のＳＣ磁場を補完するために組み合わせて使用される。
ａ． ＴＦＭは、発生されたＤＣ、ＡＣ、またはパルス化磁場を強化または増強するために、ＳＣコイルの磁性のより低いまたはより高い点に位置付けられることができる。
ｂ． ＳＣコイル側面の間の典型的なボイドにおけるＴＦＭ場所および動作時に両方のＳＣタイプを使用することは、別個にＴＦＭまたはＳＣコイルのいずれかを使用することよりもはるかに高いＢ能力を可能にする。
２． ＳＣワイヤコイルが、ＴＦＭ磁場を増強するために使用され、
ａ． 所望される出力Ｂに応じて、様々な静的ＤＣ場変化またはさらにはＡＣから過渡を伴って、ＳＣワイヤ上の磁束密度Ｂを容易に変化させる。
ｂ． 増強された磁場の機械は、優れた機械制御技法を提供する。一意に高いＢを増強することは、現在のところ実践では前例がない。
３． ＳＣワイヤコイルを使用し、高いＴＦＭ材料活性化エネルギーを提供する。
ａ． ＴＦＭは、高いＢを入手するために、高い活性化エネルギーを要求する。そのような活性化は、達成することが極めて困難である。困難は、ＳＣクライオスタットの外部で活性化させようとするとき、磁性漂遊および伝導性シールドへのインダクタンス経路等の理由に起因して、ＴＦＭへの高いＢを得るための能力から生じる。ＴＦＭバルクを伴う同一のクライオスタットの内側にＳＣワイヤを設置することによって、ＳＣワイヤコイルの高いＢ能力だけではなく、また、ＳＣワイヤで発生されたＢとＴＦＭで活性化された捕捉されたＢとの近接近を利用することができる。
ｂ． ＳＣワイヤを利用すると、銅等の従来の導体と異なり、ＳＣワイヤは、ピンニングセンターがないときに短い時間周期にわたって極端な電流を取り扱うことができ、典型的には、純粋な導体よりも桁違いに少ない熱エネルギーを発生させる。熱発生を最小限にすることは、いかなるＳＣコイルにとっても極めて有益である。
ｃ． ワイヤは、ＳＣバルクパック全体の周囲か、または個々のＴＦＭに隣り合ってかにかかわらず、クライオスタットの内側に自動的に位置する。個々のＴＦＭの場合では、コイルは、ＴＦＭの周囲に、またはＴＦＭ中心の上に物理的に位置してもよい。この場合では、複数のＳＣコイルが、活性化を達成するために、直列および／または並列に接続されてもよい。
ｄ． いったんＴＦＭが活性化されると、またはＴＦＭを伴わないＳＣ ＤＣ磁石を使用するとき、ＳＣ ＤＣ磁石は、モータまたは発電機励磁機磁場またはＮＭＲまたはＭＲＩ場磁石等、定常状態モードに関して設定されることができ、理論的には、任意の殆ど無視できる継ぎ抵抗から生じるＳＣ損失のみを伴って、ＤＣ定常状態電荷を決して失わないであろう。
ｅ． 適切な配向における二次および一次磁石巻線を使用し、増加されたレベルのＴＦＭ活性化および／または非活性化エネルギー、時間、およびＴＦＭ Ｂ配向を達成する。
４． ＳＣワイヤコイルを使用し、高いＴＦＭ材料非活性化エネルギーを提供する。
【0146】
本発明の同一のコイル事例は、ＴＦＭバルク材料もまた非活性化するために使用されてもよい。この場合では、ＳＣコイルは、限定ではないが、外部電力供給源を通してＳＣコイルを強制的にクエンチさせること、または局所化された加熱区域を誘導すること等の理由から電位永久スイッチを突然開にすること等の手段を通して、意図的にクエンチ状況に置かれる。
【0147】
ＳＣワイヤは、純粋なソレノイドからサドル型コイルまで、多くの形状において形成されることが可能であるが、本形態は、常に、複数のコイル脚部がその領域において強く相互作用することに起因して、コイル巻きにおける高いＢ点等の磁場分布を有する。ＴＦＭは、Ｂ分布がアイスクリームコーン形状に近似する、ＴＦＭ自体の中心面積において、最大でＴＦＭ飽和レベルまでの磁束密度の高い磁場を提供する、小さい実体である。本組み合わせは、両方の材料形態に固有のＢ分布を使用し、非基本高調波成分を低下させるために機械の空隙に進入する、可能性として考えられる平滑化された進入および退出極領域を用いて、均一なＢから所望の出力磁場を最良に生成することを可能にする。そのような影響は、非常に高いが、均一なＢが極めて重要である、二重極または四重極粒子加速器磁石に対する磁石設計を支援する。機械事例に関して、ＳＣコイル側面の間の典型的なボイドの中へのＴＦＭの設置および動作の間にＳＣコイルおよびＴＦＭの両方を並列に使用することは、独立したＳＣコイルまたはＴＦＭのいずれかよりも高い出力Ｂを可能にする。これは、ＳＣコイルまたはＴＦＭのいずれかのみよりもはるかに高い電力密度の機械を可能にする。
【0148】
ＴＦＭの活性化および非活性化は、極めて重要であるが、大きい機械に関して今日まで解決されていない問題である。活性化技法は、複雑であり、制御された極低温圧力をさらに伴い得る、制御されたＢおよび極低温温度に取り組む。ＳＣワイヤおよびＳＣ ＴＦＭバルクの両方が、極低温物質を含むＳＣ臨界状態内に存在しなければならないという事実を使用するために、両方のＳＣを同一のクライオスタットの中に設置することを容易に利用することが可能である。活性化のために本ＳＣコイルを使用することは、伝導性クライオスタット壁および他の支持材料を通してＢパルスを押進しないこと、およびＳＣワイヤが活性化のために典型的な導体を使用することよりも桁違いに少ない熱を発生させるという極めて大きな利益を有する。加えて、可能な限りＴＦＭに近接してＴＦＭ活性化および非活性化を設置することによって、より少ない全体的エネルギーが、ＴＦＭ活性化または非活性化のいずれかのために要求される。スタックの周囲に単一のＳＣ巻回コイルを伴うＴＦＭバンドルの実施例が、図３、４、および１１に提供され、一般的な目的およびＴＦＭ活性化のための可撤性界磁極１７６７は、ＴＦＭスタック１７７４の周囲に被着される界磁コイル１７７８と、磁場集束カバー１１８９（ＴＦＭ極に関して図示されず、ここではＰＭ極に関して図示される）とを有する。ＴＦＭの外側の周囲か、またはＴＦＭの物理的中心上に心合されるかにかかわらず、ＴＦＭ毎に専用の単一のＳＣ巻回コイルを伴う単一のＴＦＭの実施例が、図１２に提供される。本第２の実施例では、専用のＴＦＭコイルは、外側電力供給源に並列および／または直列接続のいずれかで接続される。ＳＣコイルおよびＴＦＭのいずれの場合でも、ＳＣコイルおよびＴＦＭ材料は、同一のクライオスタット内にある可能性が高いが、磁気ダンパを利用すること等の理由から、ＳＣバルクおよびＳＣワイヤコイルを分離する利点もまた、存在するため、必ずしもそうではない。ＳＣコイルおよびＴＦＭのいずれの場合も、ＳＣ永久スイッチは、使用される場合とそうではない場合がある。
【0149】
図１３－１８は、ＬＭＨＳ、すなわち、少なくとも２０自由度が可能な本発明の一実施形態の磁石巻回機械１３００を示す。巻回機械１３００は、巻解サブアセンブリ１３０８、フォロワサブアセンブリ１３１２、および巻取サブアセンブリ１３１６を支持する、フレーム１３０４から成る。巻解サブアセンブリ１３０８および巻取サブアセンブリ１３１６は、フレームの基部１３１８に相互接続される。動作時、線形媒体１３２０は、巻解スプール１３２４からフォロワサブアセンブリ１３１２に進行し、そこで、これは、テンシオメータ１３２８と係合する。線形媒体１３２０は、次いで、巻取サブアセンブリ１３１６の巻取スプール１３３２に進行する。上記に説明される実施形態におけるように、巻解スプール１３２４から巻取スプール１３３２への線形媒体１３２０の取扱は、センサによって慎重に監視され、複数の線形および回転アクチュエータによって制御される。下記にさらに詳細に説明されるであろう、アクチュエータは、所望の運動に関する複数の解決策を可能にする。所望の運動は、１つを上回るアクチュエータを相補的方向に同時に移動させることによって達成されてもよく、これは、巻回機械の占有面積が低減されることを可能にする。したがって、水平および垂直方向における運動密度が、達成されることができるため、通常、はるかに大きい機械と関連付けられる巻線が、可能である。
【0150】
図１５は、巻解スプール１３２４を回転可能に支持する、フレーム１３４０を備える、巻解サブアセンブリ１３０８を詳細に示す。他の実施形態では、巻解スプール１３２４は、垂直に固定される。フレーム１３４０は、矢印Ｂの方向における移動を可能にする、線形アクチュエータ１３４４に相互接続される。線形アクチュエータ１３４４は、フレーム１３４０および相互接続される巻解スプール１３２４が矢印Ｃの方向に回転することを可能にする、回転アクチュエータ１３４８に相互接続される。最後に、回転アクチュエータ１３４８は、フレームおよび相互接続される巻解スプールが矢印Ｄの方向に進行することを可能にする、定常線形アクチュエータ１３５２に相互接続される。いくつかの実施形態では、巻解スプールはまた、巻解フレーム１３４０に沿って移動することが可能である、および／または巻解フレーム１３４０は、さらに多くのＤｏｆを提供するために、選択的に傾斜されることができる。線形および回転アクチュエータの組み合わせは、巻解スプール１３２４の位置の精密な制御を可能にし、これは、点からの線形媒体の巻回の位置および配向を決定付ける。アクチュエータは、したがって、線形媒体を巻回角度平面内に維持し、これは、下記にさらに詳細に説明されるであろう。
【0151】
図１６は、テンシオメータ１３２８を動作的に支持する、フォロワサブアセンブリ１３１２を示す。フォロワサブアセンブリ１３１２は、主要フレーム１３０４上に提供される横断梁１３６０にその端部上で相互接続される、定常線形アクチュエータ１３５６を採用する（図１３参照）。一実施形態では、定常線形アクチュエータ１３５６は、概して、巻解サブアセンブリ１３０８の定常線形アクチュエータ１３５２に平行に配向される。したがって、定常線形アクチュエータ１３５６は、矢印Ｄの方向においても相互接続された回転アクチュエータ１３６４の移動を提供する。回転アクチュエータ１３６４は、梁１３７６を支持する少なくとも１つのライザ１３７２に板１３６８を介して相互接続される。したがって、梁１３７６は、回転アクチュエータ１３６４によって押勢されるとき、矢印Ｃ’の方向に回転可能である。テンシオメータ１３２８はまた、支持梁１３８０を介して少なくとも１つの梁１３７６に接続される。種々のセンサもまた、テンシオメータと関連付けられ、フォロワサブアセンブリ１３１２に相互接続され、媒体の適切な張力付与を確実にし、テンシオメータ位置の選択的調節のための手段を提供してもよい。フォロワサブアセンブリ１３１２は、矢印Ｅと一貫する方向に回転する、旋回フォークセンサ１３８２を支持する。旋回フォークは、線形媒体１３２０を動作的に受容するように構成される、平行ガイド１３８３から成る。旋回フォークセンサ１３８２からの入力は、巻解サブアセンブリ１３０８における線形アクチュエータ１３４４の制御を誘導するために使用される。
【0152】
フォロワサブアセンブリ１３１２はまた、矢印Ａの方向における相互接続されたガイドロッド１３８８の選択的移動を付与する、線形アクチュエータ１３８４（一実施形態では、電気シリンダである）を支持する。これらの線形アクチュエータ１３８４は、矢印Ｇの方向における運動を選択的に付与する、線形アクチュエータ１３８６に取り付けられる。フォロワサブアセンブリ１３１２におけるアクチュエータの組み合わせを使用して、ガイドロッド１３８８は、図１３に示される巻取点１３９０の両側上の位置を維持するように移動され、巻取スプール上に線形媒体を誘導するように設計される。
【0153】
巻回注入器が、巻線における接着剤、ＵＶ接着剤、熱的コンパウンド、スポット、線形、パターン等の設置のために使用されることができる。一実施形態では、巻回注入器は、フォロワ１３１２上に搭載され、短時間の乾燥のために保持し、次いで、連続的に巻回する、または緩慢に巻回するために、フォロワアーム１３８６および／または図１６および１７のガイドロッド１３８８等のフォロワガイドまたはプッシャと併せて使用される。ＵＶ接着剤のためのＵＶランプ等の乾燥要素が、使用されてもよい。
【0154】
図１７に強調されるように、精密な関節運動が、人間の相互作用をシミュレートし、これが巻取スプール１３３２によって巻き上げられる際に線形媒体の完全な制御に接近する広範囲の制御を可能にする、ガイドロッド先端の自動化移動に影響を及ぼす、多くの自由度（ＤｏＦ）を提供する、巻取ガイドサブアセンブリによって遂行される。より具体的には、巻取ガイドサブアセンブリ２０００は、線形アクチュエータ１３８４の端部に相互接続され、したがって、矢印ＡおよびＧの方向に移動し、矢印Ｃ’の方向に回転することができる。矢印Ｈの方向における選択的回転を付与するように構成される、ガイドロッド回転アクチュエータが、提供される。ガイドロッド回転アクチュエータは、矢印Ｊの方向にガイドロッド１３８８を選択的に関節運動させる、ガイドロッド線形アクチュエータに相互接続される。当業者は、線形／回転アクチュエータが、所望の線形媒体制御の達成を提供するために、ガイドロッドを保持し、傾斜させ、延在させるために、（存在する場合）追加／除去または採用／無効化され得ることを理解するであろう。
【0155】
本明細書ではガイド「ロッド」と称されるが、当業者は、これらの構成要素が、種々の形状で形成され得ることを理解するはずである。加えて、いくつかの実施形態は、単一のガイドを採用する一方、他の実施形態は、２つまたはそれを上回るガイドを採用する。ガイドロッド１３８８は、車輪、円錐体、弧状部材、または類似するデバイスにおいて終端してもよい。一実施形態では、一方のガイドは、線形媒体を含有し、他方のガイドは、巻取スプール上に線形媒体を押勢する。
【0156】
ここでは、テンシオメータ１３２８および旋回フォーク１３８２は、巻取スプールおよび巻解スプールの上方に位置し、回転運動を線形運動に接続する。定常線形アクチュエータ１３５６の周囲で動作することによって、フォロワサブアセンブリ１３１２は、運動およびセンサ要素を接続するために要求される垂直距離を最小限にし、それによって、垂直方向における高い運動密度を達成する。運動密度は、機械フレームサイズおよび振動振幅を最小限にし、アセンブリが鋼の代わりに軽量アルミニウム押出物から作製されることを可能にする。本側面は、サブアセンブリのモジュール設計および簡略化された付属品取付を支援する、本発明（ＭＭＰ）の一実施形態の重要な特徴である。
【0157】
図１８は、概して、フレーム基部に相互接続し、別の線形アクチュエータ１４０２を支持する、定常線形アクチュエータ１３９４から成る、巻取サブアセンブリ１３１６を示す。本実施例では、定常線形アクチュエータ１３９４は、巻解サブアセンブリ１３０８の定常線形アクチュエータ１３５２に直交する。故に、定常線形アクチュエータ１３９４は、線形アクチュエータ１４０２に相互接続された回転アクチュエータ１４０６が、矢印ＤおよびＦの方向に選択的に移動することを可能にする。回転アクチュエータ１４０６は、巻取スプールを、矢印ＣまたはＣ’によって画定される軸に平行な軸を中心として、矢印Ｃ”によって示される弧に沿って回転させるように構成される。巻取スプール１３３２を支持する、ここでは回転巻型等のフレーム１４１０が、回転アクチュエータ１４０６に相互接続される。本発明のいくつかの実施形態では、フレーム１４１０と線形アクチュエータ１４０２との間の角度は、巻取スプール１３３２の配向を変化させるために、選択的に改変されることができる。本発明のいくつかの実施形態は、フレームの角度配向を精密に誘導するように適合される、回転アクチュエータ１４０６と関連付けられる、ゴニオメータ１４１２を含む。
【0158】
動作時、巻取スプール１３３２は、所望の巻回出力構成を生産することに役立つ一連の配向を通して移動させられる。巻解サブアセンブリおよびフォロワサブアセンブリ内の動作は、巻取点における線形媒体の設置を支援する。線形媒体１３２０は、巻解スプール１３２４から取られ、テンシオメータ１３２８に上向きに指向される。上記に言及されるように、線形媒体１３２０はまた、旋回フォーク１３８２のガイド１３８３の間に位置付けられる。線形媒体は、次いで、下向きに進行し、巻取点１３９０において巻取スプール１３３２に接触する。ガイドロッド１３８８は、これが巻取スプール１３３２に係合する際の線形媒体の位置を制御する。線形および回転アクチュエータのシステム制御は、図２９－３２に示されるように、略垂直である、巻回角度平面内に線形媒体１３２０を維持する。巻回角度平面の角度は、巻解スプール１３２４から巻取スプール１３３２への線形媒体の経路によって画定され、巻取点１３９０の所望の方向に従って変動する。再び、旋回フォーク１３８２は、巻回角度平面と整合され、線形媒体１３２０は、旋回フォーク１３８２の平行ガイド１３８３の間に保持される。旋回フォークセンサからのフィードバックは、巻回角度平面内に線形媒体経路を維持しながら、線形媒体幅を上回る軸方向幅を伴うスプールから線形媒体を巻解することを適応させる。巻解点が、巻回角度平面から外に移動する際、旋回フォークガイド内に保持される線形媒体は、これを旋回させ、そのセンサインジケーションは、線形媒体および旋回フォークが再び巻回角度平面内に心合されるまで、巻解スプール、したがって、巻解点を移動させるように線形アクチュエータ１３４４にコマンドするために使用される。このように、かつ本経路に沿って線形媒体を誘導することは、逆屈曲がないことを保証し、線形媒体が巻取点１３９０に到達する前に、テンシオメータ車輪１３２８の周囲の最小直径の１つのみの屈曲を可能にする。
【0159】
巻取スプール１３３２上への線形媒体の形成および巻回機械１３００における全ての他の運動は、最初に巻取スプール１３３２を移動させることから引き起こされる。線形アクチュエータ１３９４および１４０２は、直交水平方向において巻取スプール１３３２を移動させる一方、回転アクチュエータ１４０６は、垂直軸を中心として巻取スプール１３３２を移動させる。より複雑な出力に関して、他の運動と同時に、巻取スプール１３３２の巻回弧回転（すなわち、選択的傾斜）が、ゴニオメータ１４１２によって遂行されることができる。円筒形弧回転に関して、ゴニオメータ１４１２は、歯車伝動と交換されることができる。
【0160】
本明細書に想定されるＬＭＨＳの一部は、巻回プロセスの間、高い、および不均一な軸方向張力を除去し、全ての非軸方向張力を無視できるほど小さくし、全ての逆屈曲を除去し、全ての屈曲を単一かつ大きい半径に保ち、全ての側面屈曲を無視できるほど小さくする等である。側面屈曲は、長方形断面のワイヤ等の丸形ではないワイヤ、特に、次いで、テープになるべき非常に薄く、非常に幅広いワイヤに関して、特に問題となる。
【0161】
任意の電動の単一のＤｏＦまたはＤｏＦの組み合わせに関して、線形媒体運動の独立した、または電子的に調整された制御が、自動化された、部分的に自動化された、および完全に手動の手段を通して可能である。本複数自由度（ＤｏＦ）システムは、コンピュータ数値制御（ＣＮＣ）生産のためのコンピュータ支援製造（ＣＡＭ）ツールパスにコンピュータ支援製図（ＣＡＤ）入力を提供することと同等のオペレータインターフェースを有するであろう。選択肢は、ハードウェアジョイスティック、ソフトウェアジョイスティック、または特定の移動のために単一から複数のＤｏＦをオン／オフにすることを可能にする、部分的に自動化された運動制御を含む。そのような能力は、ユーザが特定の必要性のために運動を調整することを可能にする。好ましくは、任意の電動の単一のＤｏＦまたは複数のＤｏＦの組み合わせの自動化された、部分的に自動化された、および／または完全に手動の制御が、一定の軸方向張力等の所望の性能値を正確に維持しながら、運動を達成するために遂行される。下記に説明される実施例では、例えば、電動のＤｏＦは、連続的または変化する巻回ピッチ角度を提供する。軸方向張力値に基づく能動的制御ループは、グローバル制御マスタおよびマスタ／スレーブ関係の階層として、一定の軸方向張力等の所望の性能値を正確に維持しながら、ピッチ角度を変動させる手段を提供する。一実施形態のＬＭＨＳの経路指定設計および制御されたＤｏＦは、最小限にされた力を伴う屈曲のない状況だけではなく、テープに関して、また、線形媒体における応力および屈曲をさらに最小限にするために、巻取場所における点にわたる線の初期接触を提供する。これは、制御された設計経路指定およびＤｏＦ制御を通して達成される。材料の限定された屈曲および任意の方向にける限定された応力を伴う単一の巻回平面は、限定された歪みの最終製品を可能にする。磁石およびケーブル製造プロセスの間に導入される屈曲および応力が多いほど、可能にされる動作値は、低くなる。
【0162】
上記の本発明のいくつかの実施形態の説明は、主に、超伝導体ワイヤ、テープ、およびケーブルを対象とするが、本発明が、任意の線形媒体、特に、繊細な線形媒体に適用可能であり得ることを認識されたい。本明細書で使用されるように、用語「繊細な線形媒体」は、高度な超伝導ワイヤおよびテープ、非常に微細な従来のワイヤ、糸状線形材料、光ファイバワイヤ、炭素系繊維の細いストランド、スマートファブリック、および極めて密度の高い微細な繊維マトリクスを含むであろう。さらに、本発明は、コイルおよびケーブル巻回だけではなく、また、限定ではないが、媒体絶縁、屈曲、編組、形成、継ぎ、反応等の熱または化学処理、カプセル化、検査、および媒体を安全に取り扱うことを要求する任意の手動または自動化プロセスを含む、任意の他の繊細な媒体取扱プロセスに適用されることができる。本明細書で使用されるように、用語「ワイヤ」、「テープ」、「ケーブル」、および「媒体」は、同義的に使用される。本発明のいくつかの実施形態は、自動的巻回（または他の類似する）プロセスを可能にするために適用されることができる。また、用語「スプール」は、物体の形状にかかわらず、その上に繊細な線形媒体が巻回される任意の物体を指すように本明細書で使用される。産業的言語は、一般的に、巻解スプールを「スプール」と称し、巻取スプールを「巻型」または「ボビン」と称し、それらの用語はまた、本明細書で同義的に使用され得る。用語「自動的」、「自動化」、または類似する用語が、本明細書で使用されるときは常に、それらの用語は、自動的または自動化プロセスまたはステップの手動開始を含むように理解されるであろう。
【0163】
また、本発明の実施形態が、コンピュータハードウェアまたはソフトウェア、または両方の組み合わせを介して実装され得ることを認識されたい。本方法は、コンピュータプログラムを用いて構成されるコンピュータ可読記憶媒体を含む、標準的なプログラミング技法を使用するコンピュータプログラムにおいて実装されることができ、そのように構成される記憶媒体は、コンピュータを、本明細書に説明される方法および図による具体的かつ所定の様式で動作させる。各プログラムは、コンピュータシステムと通信するために、高レベル手続き型またはオブジェクト指向プログラミング言語において実装されてもよい。しかしながら、プログラムは、所望される場合、アセンブリまたは機械言語において実装されることができる。いずれの場合も、言語は、コンパイル型またはインタプリタ型言語であり得る。また、プログラムは、その目的のためにプログラムされた専用集積回路上で実行されることができる。
【0164】
さらに、方法論は、限定ではないが、パーソナルコンピュータ、ミニコンピュータ、メインフレーム、ワークステーション、ネットワーク化または分散コンピューティング環境、荷電粒子ツールまたは他の撮像デバイスとは別個の、それと一体の、またはそれと通信するコンピュータプラットフォーム、および同等物を含む、任意のタイプのコンピューティングプラットフォームにおいて実装されてもよい。本発明の側面は、記憶媒体またはデバイスが、本明細書に説明される手順を実施するためにコンピュータによって読み取られるとき、コンピュータを構成および動作させるために、これがプログラマブルコンピュータによって可読であるように、ハードディスク、光学読取および／または書込記憶媒体、ＲＡＭ、ＲＯＭ、および同等物等、リムーバブルまたはコンピューティングプラットフォームと一体であるかどうかにかかわらず、記憶媒体またはデバイス上に記憶される機械可読コードにおいて実装されてもよい。本明細書に説明される本発明は、そのような媒体が、マイクロプロセッサまたは他のデータプロセッサと併せて上記に説明されるステップを実装するための命令またはプログラムを含有するとき、これらおよび他の種々のタイプのコンピュータ可読記憶媒体を含む。本発明はまた、本明細書に説明される方法および技法に従ってプログラムされるとき、コンピュータ自体を含む。
【0165】
本発明は、広範な適用性を有し、上記の実施例に説明され、示されるような多くの利益を提供することができる。実施形態は、具体的用途に応じて、大幅に変動し、全ての実施形態が、全ての利益を提供し、本発明によって達成可能である目的の全てを満たすわけではないであろう。前述の議論および請求項では、用語「～を含む」および「～を備える」は、非制限方式で使用され、したがって、「限定ではないが、．．．．を含む」を意味するように解釈されるべきである。任意の用語が本明細書で特別に定義されない範囲について、その用語が、その平易かつ通常の意味を与えられるものであることを意図している。付随の図面は、本発明を理解することを支援することを意図しており、別様に示されない限り、縮尺通りに描かれない。
【0166】
本発明の種々の実施形態が、詳細に説明されているが、それらの実施形態の修正および改変が、当業者に想起されるであろうことが明白である。そのような修正および改変が、以下の請求項に記載されるように、本発明の範囲および精神内であることを明確に理解されたい。さらに、本明細書に説明される本発明が、その適用において、先述の説明に記載される、または図面に図示される構造の詳細および構成要素の配列に限定されないことを理解されたい。本発明は、他の実施形態が可能であり、種々の方法で実践される、または実行されることが可能である。また、本明細書で使用される表現法および専門用語が、説明の目的のためのものであり、限定と見なされるべきではないことを理解されたい。本明細書の「～を含む」、「～を備える」、または「～を有する」、およびそれらの変形例の使用は、以降で列挙されるアイテムおよびそれらの均等物および付加的アイテムを包含することを意味する。
【0167】
本発明の実施形態の例示的特性が、説明されている。しかしながら、本発明の実施形態を不必要に不明瞭にすることを回避するために、先述の説明は、当業者が本発明の実施形態とともに一般的に含まれることを理解するであろう、いくつかの公知の装置、方法、システム、構造、および／またはデバイスを省略し得る。そのような省略は、請求される発明の範囲の限定として解釈されるものではない。具体的詳細は、本発明のいくつかの実施形態の理解を提供するために記載される。しかしながら、本発明の実施形態が、本明細書に記載される具体的詳細以外の様々な方法で実践され得ることを理解されたい。
【0168】
本明細書に説明される本発明の種々の実施形態の修正および改変が、当業者に想起されるであろう。そのような修正および改変が、以下の請求項に記載されるように、本発明の範囲および精神内であることを明確に理解されたい。さらに、本明細書に説明される本発明が、その適用において、先述の説明に記載される、または図面に図示される構造の詳細および構成要素の配列に限定されないことを理解されたい。すなわち、本明細書に説明される本発明の実施形態は、種々の方法で実践される、または実行されることが可能である。本明細書に説明される種々の実施形態の範囲は、前述の説明によってではなく、以下の請求項によって示される。また、請求項の均等性の意味および範囲内に該当する全ての変更は、それらの範囲内に包含されるものである。そのような代替、交換可能、および／または同等の構造、機能、範囲、またはステップが本明細書に開示されるかどうかにかかわらず、かつ任意の特許性のある主題に公的に専念することを意図することなく、請求されるものに対する代替、交換可能、および／または同等の構造、機能、範囲、またはステップを含む、代替実施形態を許容される範囲で含む権利を取得することを意図している。
【0169】
前述の開示は、本発明を本明細書に開示される形態または複数の形態に限定することを意図していない。前述の詳細な説明では、例えば、本発明の種々の特徴は、本開示を合理化する目的のために、１つまたはそれを上回る実施形態においてともに群化される。本開示方法は、請求される発明が明確に列挙されるものを上回る特徴を要求するという意図を反映するものとして解釈されるものではない。むしろ、以下の請求項が反映するように、本発明の側面は、単一の前述の開示される実施形態の全ての特徴よりも少ないものにある。したがって、以下の請求項は、本明細書に、本詳細な説明に組み込まれ、各請求項は、本発明の別個の好ましい実施形態として独立する。さらに、本明細書に説明される本発明の実施形態は、それらの種々の副次的組み合わせおよびサブセットを含む、実質的に本明細書に描写および説明されるような構成要素、方法、プロセス、システム、および／または装置を含む。故に、当業者は、その他を提供することなく、本発明の実施形態のいくつかの特徴を提供することが、可能性として考えられるであろうことを理解するであろう。換言すると、本明細書に開示されるような側面、特徴、要素、手段、または実施形態のうちのいずれか１つまたはそれを上回るものは、本明細書に開示されるようないずれか１つまたはそれを上回る他の側面、特徴、要素、手段、または実施形態と組み合わせられ得る。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図8A】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【国際調査報告】