專利名稱：一種高功率密度的超導(dǎo)電機的制作方法
背景技術(shù)：
本發(fā)明總體上涉及一種應(yīng)用于同步旋轉(zhuǎn)機器的超導(dǎo)線圈。具體地說，本發(fā)明涉及一種帶有一常規(guī)定子、以及一個帶有超導(dǎo)線圈的磁飽和固體鐵芯轉(zhuǎn)子的同步電機帶有勵磁線圈的同步旋轉(zhuǎn)電機包括，但不僅僅限于此，轉(zhuǎn)動發(fā)電機，回轉(zhuǎn)馬達，以及線性電動機。這些機械通常包括一對被電磁偶合的定子和轉(zhuǎn)子。轉(zhuǎn)子包括一個多極轉(zhuǎn)子芯和一個或多個固定在轉(zhuǎn)子芯上的線圈繞組。轉(zhuǎn)子芯還可以包括一個諸如鐵芯轉(zhuǎn)子這樣的可透磁材料。
同步電機的轉(zhuǎn)子中通常使用常規(guī)的銅線圈。然而，銅線圈的電阻抗(盡管常規(guī)測量結(jié)果并不高)會產(chǎn)生轉(zhuǎn)子的基本熱量并且降低機械的功效。近來，用于轉(zhuǎn)子的超導(dǎo)(SC)線圈繞組已經(jīng)產(chǎn)生。SC線圈沒有阻抗從而成為高效的轉(zhuǎn)子線圈繞組。
鐵芯轉(zhuǎn)子在2特斯拉的空氣磁場強度下達到飽和。已知的超導(dǎo)轉(zhuǎn)子采用在轉(zhuǎn)子中不帶有鐵的氣芯設(shè)計，以便達到3特斯拉或者更高的空氣磁場強度。這些較高的空氣磁場強度提高了發(fā)電機的功率密度，并且顯著減少了機械的重量和大小。氣芯超導(dǎo)轉(zhuǎn)子需要大量的超導(dǎo)線。而大量的超導(dǎo)線的需求需要增加了所需的線圈，線圈支撐的復(fù)雜程度，以及轉(zhuǎn)子和SC線圈的成本。
盡管在磁場飽和區(qū)域為了提高氣隙磁場以及機器功率密度的時候，鐵芯轉(zhuǎn)子相對于氣芯轉(zhuǎn)子來說可以提供很多優(yōu)點，然而，鐵芯超導(dǎo)轉(zhuǎn)子在工業(yè)上并無太多應(yīng)用。與氣芯轉(zhuǎn)子相比，鐵芯轉(zhuǎn)子的優(yōu)點是，在磁飽和鐵芯轉(zhuǎn)子里使用較少的超導(dǎo)材料也可以達到相同的高機械功率密度。
高溫超導(dǎo)勵磁線圈由易碎的超導(dǎo)材料構(gòu)成，其必須被冷卻以保持在一個例如27°K臨界溫度或低于這個溫度以便保持其超導(dǎo)性。SC線圈也可以由高溫超導(dǎo)材料構(gòu)成，例如一種BSCCO(BixSrxCaxCuxOx)基導(dǎo)體。
超導(dǎo)線圈并未應(yīng)用于同步電機的轉(zhuǎn)子中。已經(jīng)有人開始致力于將SC線圈應(yīng)用到高功率密度的發(fā)電機以及其他同步電機中去。將SC線圈加入到高功率密度機械上的潛在優(yōu)勢包括減輕機器重量并且壓縮設(shè)備體積。這些高功率密度機器通常包括一個氣芯轉(zhuǎn)子以及一個不帶定子鐵齒的氣芯定子。然而，高功率密度機器會非常昂貴并且從經(jīng)濟上來說也不實用。
SC線圈，其線圈支撐系統(tǒng)以及相關(guān)的冷卻系統(tǒng)復(fù)雜而且昂貴。SC線圈使用諸如BSCCO這樣的昂貴的材料。這些材料還很脆弱。SC線圈所需的線圈支撐系統(tǒng)必須承受一個大同步機械的轉(zhuǎn)子上所遇到的巨大的力并且保護脆弱的線圈。還有，這些支撐系統(tǒng)還不能將基本的熱量傳遞給低溫冷卻的線圈。
此外，提供低溫諸如氦的低溫冷卻流體的冷卻系統(tǒng)也很復(fù)雜并且昂貴。因此，將SC線圈應(yīng)用到一個同步機械上的費用以及復(fù)雜程度都非常高。為了使SC線圈在經(jīng)濟上是可行的，其相關(guān)的成本也應(yīng)該降到將SC線圈用于銅芯轉(zhuǎn)子上所帶來的好處之下。
隨著高溫超導(dǎo)(HTS)材料的發(fā)展，使用SC線圈的成本也變得可以接受了。由于其保持了在例如27°K這樣的相對高溫下的超導(dǎo)特性(沒有阻抗)，所以與先前需要將SC線圈冷卻到一個較低溫度相比，冷卻HTS線圈的成本已經(jīng)下降。仍然需要更低成本的SC線圈以及線圈支撐系統(tǒng)。
超導(dǎo)線圈被流體氦冷卻。在穿過轉(zhuǎn)子的線圈之后，熱的、使用過的氦以殼體溫下的氣態(tài)氦返回。使用液態(tài)氦用于低溫冷卻需要持續(xù)地對返回的殼體溫氣態(tài)氦進行再液化，這樣的再液化產(chǎn)生了明顯的可靠性問題以及需要大量的輔助能源。
現(xiàn)有的SC線圈冷卻技術(shù)包括通過一個固體低溫冷卻機內(nèi)部的傳導(dǎo)通路來冷卻一個浸漬環(huán)氧樹脂的SC線圈。另外一種方案是，轉(zhuǎn)子中的冷卻管道中可以將流體和/或氣體冷卻劑輸送給浸潤在流體和/或固體冷卻劑中的多孔SC線圈繞組。然而，浸潤冷卻要求整個線圈以及轉(zhuǎn)子都在一個低溫環(huán)境下。結(jié)果是，由于鐵在低溫條件下的脆性而在整個轉(zhuǎn)子磁路當(dāng)中都不能使用鐵。
所需要的是一種比現(xiàn)有HTS機器更便宜的HTS電機，以及與常規(guī)銅芯電機相比，在價格上更有競爭力的電機。為了達到經(jīng)濟上的成功，HTS電機必須在與常規(guī)銅電機相比的時候更有價格優(yōu)勢。用來降低成本的潛在的技術(shù)領(lǐng)域進一步包括線圈支撐系統(tǒng)，轉(zhuǎn)子設(shè)計以及使用HTS線圈改裝現(xiàn)有電機。此外，所需要的是一種用于電機的改進的轉(zhuǎn)子勵磁線圈集合，該集合沒有諸如現(xiàn)有超導(dǎo)轉(zhuǎn)子這樣的氣芯以及液冷超導(dǎo)勵磁線圈集合的缺點。
在使SC線圈適合HTS轉(zhuǎn)子時，發(fā)展用于HTS線圈的支撐系統(tǒng)成為一個很困難的挑戰(zhàn)。現(xiàn)有的HTS轉(zhuǎn)子的線圈支撐系統(tǒng)參見美國專利第5,548,168；5,532,663；5,672,921；5,777,420；6,169,353以及6,066,906號。然而，這些線圈支撐系統(tǒng)都存在不同的問題，比如過于昂貴、復(fù)雜以及需要過多的組件等等。長久以來一直都存在著對具有用于SC線圈的線圈支撐系統(tǒng)的HTS轉(zhuǎn)子的需要。還存在于需要一個低成本以及帶有易于制造的組件的線圈支撐系統(tǒng)的需求。
本發(fā)明的簡要描述一種與現(xiàn)有的銅芯、低功率密度發(fā)電機相比，在價格上更有競爭力的帶有SC線圈繞組轉(zhuǎn)子的高功率密度超導(dǎo)發(fā)電機已經(jīng)被發(fā)明出來。通過使用磁飽和固體芯轉(zhuǎn)子，常規(guī)定子以及最小線圈支撐系統(tǒng)可以將成本降低。通過使用這些技術(shù)，具有SC線圈的優(yōu)點的高效HTS電機已經(jīng)出現(xiàn)。而且，制造這樣的HTS發(fā)電機的成本也能夠降低到足以使其經(jīng)濟有效的程度。
HTS發(fā)電機包括一個常規(guī)定子以及一個HTS轉(zhuǎn)子。常規(guī)定子被設(shè)計成為適用于HTS轉(zhuǎn)子所提供的高氣隙磁場。轉(zhuǎn)子包括一個由諸如鐵這樣的固態(tài)磁性材料制成的兩極芯體。轉(zhuǎn)子芯通常是圓柱形并且沿其長度方向具有機加工出的平滑表面。HTS線圈被繞著這些平滑表面安裝，同時具有繞轉(zhuǎn)子芯延伸的跑道形的線圈。轉(zhuǎn)子線圈安培匝數(shù)足夠高到確保轉(zhuǎn)子芯磁場飽和并且在高氣隙磁場中運行該機械。
所述跑道形線圈被延伸穿過鐵芯轉(zhuǎn)子體的拉桿支撐元件來支撐。驅(qū)動以及集電極軸被機械地固定到轉(zhuǎn)子芯上。一圓柱形外殼電磁屏蔽地環(huán)繞在HTS線圈和鐵芯轉(zhuǎn)子體的周圍。
與氣芯轉(zhuǎn)子相比，鐵芯轉(zhuǎn)子顯著的降低了線圈繞組的安培匝、超導(dǎo)的使用以及成本。單跑道形HTS線圈替代了傳統(tǒng)的復(fù)雜鞍形線圈。拉桿支撐向HTS線圈提供了直接支撐從而減少了在冷卻以及離芯負載過程中加載在線圈上的應(yīng)力。而且，線圈支撐系統(tǒng)也是處在與線圈相同的冷卻溫度下。
HTS線圈可以應(yīng)用到原先為SC線圈設(shè)計的電機中。轉(zhuǎn)子及其SC線圈是在其在發(fā)電機中的應(yīng)用為例被說明的，但是HTS線圈轉(zhuǎn)子以及線圈支撐系統(tǒng)也可以適用于其它同步機械。
在本發(fā)明的第一個實施例中的高功率密度同步機械包括一個帶有沿著真空圓柱形槽排列的常規(guī)定子線圈的定子；一個圓柱形磁飽和固態(tài)轉(zhuǎn)子芯；一圍繞轉(zhuǎn)子芯延伸的跑道形型超導(dǎo)線圈繞組，以及一個穿過轉(zhuǎn)子芯并且和線圈繞組的相對長邊相連的線圈支撐。
在本發(fā)明的第二個實施例中的帶有至少100MVA的旋轉(zhuǎn)容量的高功率密度同步機械包括一個帶有按照環(huán)狀排列并且形成真空轉(zhuǎn)子槽的定子線圈的定子；一在轉(zhuǎn)子芯相對邊上帶有一對平面部分并且沿著轉(zhuǎn)子芯縱向延伸的磁飽和轉(zhuǎn)子芯，以及一個沿轉(zhuǎn)子芯的至少一部分延伸的超導(dǎo)線圈繞組，線圈繞組帶有一對鄰近轉(zhuǎn)子芯平面部分的側(cè)邊部分。


圖1是帶有一個超導(dǎo)轉(zhuǎn)子與定子的同步電機的示意性側(cè)視圖；圖2是一個示意性的跑道形超導(dǎo)線圈繞組的透視圖；圖3是一高溫超導(dǎo)(HTS)轉(zhuǎn)子部件的透視圖。
本發(fā)明的詳細說明圖1顯示了一個示意性的帶有定子12以及轉(zhuǎn)子14的同步發(fā)電機10。該轉(zhuǎn)子包括位于定子的圓柱形轉(zhuǎn)子真空腔16內(nèi)部的線圈繞組。定子包括常規(guī)定子線圈19。這些線圈在轉(zhuǎn)子真空腔內(nèi)呈環(huán)狀排列。這些線圈之間通過用作結(jié)構(gòu)支撐的非磁性齒填充的窄氣隙彼此分隔開。因此定子被稱為“氣隙”定子。另外，為了提高定子線圈繞組內(nèi)的磁通濃度，定子線圈繞組之間的空隙還可以被鐵齒所填滿。所述氣隙定子以及帶有鐵齒的定子都是本領(lǐng)域公知的。
轉(zhuǎn)子14嵌入到定子的轉(zhuǎn)子真空腔16內(nèi)。當(dāng)轉(zhuǎn)子在定子內(nèi)轉(zhuǎn)動的時候，當(dāng)轉(zhuǎn)子在定子內(nèi)部轉(zhuǎn)動的時候，轉(zhuǎn)子和轉(zhuǎn)子線圈運動/轉(zhuǎn)動通過定子內(nèi)部而產(chǎn)生磁場(由圖中的點劃線表示)18并且在定子線圈的線匝內(nèi)產(chǎn)生電流。該電流由發(fā)電機作為電能輸出。
轉(zhuǎn)子14通常帶有一縱向軸線20以及一個固體轉(zhuǎn)子芯22。固態(tài)芯22帶有高磁滲透性，通常是由鐵磁性材料制成，例如鐵。在高功率密度超導(dǎo)機器中，處于磁飽和狀態(tài)的轉(zhuǎn)子的鐵芯被用來降低磁通勢(MMF)，因此，使線圈繞組所需要的超導(dǎo)(SC)線數(shù)量最小化。例如，固態(tài)鐵轉(zhuǎn)子線圈可以在大約2特斯拉或更大的磁場強度下磁飽和。
轉(zhuǎn)子14支撐至少一個縱向延伸的、跑道形的高溫超導(dǎo)(HTS)線圈繞組34(參見圖2)。這里說明了一個用于單跑道形SC線圈繞組的線圈支撐系統(tǒng)。該線圈支撐系統(tǒng)除了適用于被安裝固體轉(zhuǎn)子芯上的單跑道形線圈之外，也可以適用于其它的線圈構(gòu)造，比如說多跑道形圈線圈構(gòu)造。
轉(zhuǎn)子芯被附加到轉(zhuǎn)子芯上的端軸所支撐。該轉(zhuǎn)子包括被軸承25所支撐的一個集電極端軸24以及一個驅(qū)動端軸30，所述端軸還可以被連接到外部設(shè)備上。集電極端軸24包括一個為SC線圈提供外部電連接的集電極環(huán)78。集電極端軸24還具有一個連接到用于冷卻轉(zhuǎn)子內(nèi)SC線圈的冷卻流體源上的冷卻轉(zhuǎn)換聯(lián)軸器26。冷卻轉(zhuǎn)換聯(lián)軸器26包括一個連接到冷卻流體源上的固定部分以及向HTS線圈提供冷卻流體的轉(zhuǎn)動部分。驅(qū)動端軸30可以通過動力聯(lián)軸器由動力渦輪機來驅(qū)動。
圖2示意性顯示了HTS跑道形線圈繞組34。轉(zhuǎn)子的SC線圈繞組34包括一個高溫超導(dǎo)(SC)線圈36。每一個SC線圈都包括高溫超導(dǎo)導(dǎo)體，例如分層纏繞在固態(tài)環(huán)氧樹脂浸漬線圈合成物上的BSCCO(BixSrxCaxCuxOx)導(dǎo)體。例如，一系列分層、相互結(jié)合并纏繞在一個固態(tài)環(huán)氧樹脂浸漬線圈上的BSCCO2223線。
SC線是脆弱并且易于毀壞的。SC線圈通常是分層纏繞的浸漬環(huán)氧樹脂的SC帶。該SC帶被纏繞在精密線圈上以便獲得閉合尺寸公差。該帶被纏到螺線管上以便形成跑道形SC線圈36。
跑道形線圈的尺寸取決于轉(zhuǎn)子芯的尺寸。通常，每一個跑道形SC線圈都環(huán)繞轉(zhuǎn)子芯的兩個磁極，并且平行于轉(zhuǎn)子軸線。線圈繞組持續(xù)環(huán)繞所述跑道。SC線圈在轉(zhuǎn)子芯周圍以及轉(zhuǎn)子芯的磁極之間形成一個無電阻電流通道。線圈帶有一個導(dǎo)電的將線圈連接到集電極78上的電觸點114。
用于低溫冷卻流體的流體通道38被包括在線圈繞組34中。這些通道可以沿SC線圈36的外部周圍延伸。這些通道將低溫冷卻流體提供到線圈并將熱量從線圈轉(zhuǎn)移走。這些冷卻流體在SC線圈內(nèi)保持維持包括線圈內(nèi)沒有電阻的超導(dǎo)條件所需的例如27°K這樣的低溫。冷卻通道在轉(zhuǎn)子芯的端部帶有一個輸入與輸出流體口112。這些流體(氣體)口112將SC線圈上的冷卻通道38與冷卻轉(zhuǎn)換聯(lián)軸器26連接在一起。
每一個HTS跑道形線圈繞組34都帶有一對與轉(zhuǎn)子軸線20平行的直邊部分，以及一對與轉(zhuǎn)子軸線垂直的端部54。線圈側(cè)部承受最大離芯應(yīng)力。因此，所述側(cè)部由抵抗施加在線圈上的離心力的線圈支撐系統(tǒng)來支撐。
圖3是顯示轉(zhuǎn)子芯22以及用于高溫超導(dǎo)線圈繞組的線圈支撐系統(tǒng)的透視圖。線圈支撐系統(tǒng)包括在其兩端和U型線圈殼體相連的拉桿42。該線圈殼體殼體保持并且支撐轉(zhuǎn)子內(nèi)的線圈繞組38的側(cè)邊部34。圖3顯示了一個拉桿和線圈殼體，線圈支撐系統(tǒng)總體上包括一系列在端部和所述殼體相連的拉桿。拉桿以及線圈殼體防止了在轉(zhuǎn)子運行過程中對線圈繞組的損壞，針對離心力以及其它外力支撐線圈繞組，并且為線圈繞組提供一個保護性的外殼。
鐵芯轉(zhuǎn)子內(nèi)的HTS線圈繞組34上的主要負載來自于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動期間的離芯加速。必須為了抵抗離心力而提供一個有效的線圈結(jié)構(gòu)支撐。尤其對于負擔(dān)絕大部分離芯加速的線圈側(cè)邊部40來說，線圈支撐更加重要。為了支撐線圈的側(cè)邊部，拉桿42橫跨在線圈的側(cè)部之間并且連接線圈的相對側(cè)邊部。拉桿通過轉(zhuǎn)子芯上諸如小孔這樣的管道46延伸以便使得桿可以橫跨在同一線圈的兩個側(cè)部之間或者是相鄰的線圈。為了說明的目的，圖3僅顯示了桿42穿出線圈的部分。在實際當(dāng)中，桿不會穿出線圈，而是緊挨著對著轉(zhuǎn)子芯的線圈表面。
具有直軸線的轉(zhuǎn)子芯上的管道46通常是圓柱形通道。管道的直徑基本上是恒定的，除了接近轉(zhuǎn)子的凹入表面的端部部分。在其端部，通道可能為了接納一根提供一滑動軸承表面以及在轉(zhuǎn)子芯以及拉桿之間保證熱絕緣的圓柱形絕緣管52而其直徑變大。一個止動螺母在通道46中保持管。
通道46的軸線通常位于由跑道形線圈所確定的平面內(nèi)。另外，通道的軸線與線圈上連接到穿過通道的拉桿上的側(cè)邊部垂直。而且在這里所示的實施例中，通道與轉(zhuǎn)子軸線垂直并且相交。通道的數(shù)量以及位置將取決于HTS線圈的位置以及支撐線圈側(cè)部所需要的線圈殼體。
當(dāng)拉桿大體上徑向在線圈繞組之間延伸時，拉桿可以良好地針對離心力向線圈提供支撐。每一根拉桿都是沿桿長度方向連續(xù)并且位于跑道形線圈所在的平面內(nèi)的軸。拉桿在長度方向上的連續(xù)提供了線圈的側(cè)向剛度以及轉(zhuǎn)子的動力補償。另外，側(cè)向剛度允許線圈支撐與線圈結(jié)合在一起，這樣一來就可以在最終轉(zhuǎn)子部件形成之前，使線圈被安裝到位于轉(zhuǎn)子芯上的線圈支撐上。線圈以及線圈支撐的預(yù)安裝降低了產(chǎn)品周期，提高了線圈支撐的質(zhì)量，并且降低了線圈部件的復(fù)雜性。跑道形線圈由一列橫跨在線圈的長側(cè)之間的拉力部件所支撐，拉桿線圈支撐部件被預(yù)安裝到線圈上。
HTS線圈繞組以及結(jié)構(gòu)支撐部件均處于冷卻溫度下。與之相反，轉(zhuǎn)子芯處在一個環(huán)境“熱”溫度。線圈支撐是允許熱量從轉(zhuǎn)子芯到達HTS線圈的潛在的熱傳導(dǎo)源。在運行過程中轉(zhuǎn)子芯會變熱。由于線圈繞組將被保持在超冷條件下，禁止從轉(zhuǎn)子芯向線圈進行熱傳導(dǎo)。拉桿延伸通過諸如通道這樣位于轉(zhuǎn)子上的小孔而不和轉(zhuǎn)子接觸。這樣的不接觸防止了從轉(zhuǎn)子向拉桿以及線圈進行的熱量傳導(dǎo)。
為了降低從線圈向外的熱量泄漏，線圈支撐應(yīng)該最小化以便降低通過支撐從轉(zhuǎn)子芯這樣的熱源向外的熱量傳導(dǎo)。通常有兩類用于超導(dǎo)線圈的支撐(i)“熱”支撐(ii)“冷”支撐。在熱支撐中，支撐結(jié)構(gòu)與冷SC線圈熱絕緣。當(dāng)熱支撐的時候，超導(dǎo)(SC)線圈的大多數(shù)機械負載由橫跨在冷線圈以及熱支撐元件之間的結(jié)構(gòu)元件承受。
在冷支撐系統(tǒng)，支撐系統(tǒng)位于或是在SC線圈的低溫下。在冷支撐時，SC線圈的大多數(shù)機械負載通過位于或接近低溫的線圈支撐結(jié)構(gòu)部件來承擔(dān)。這里所說的示意性線圈支撐系統(tǒng)是冷支撐系統(tǒng)，其拉桿42、螺栓43以及相關(guān)的通道外殼44都保持在或者是接近低溫。由于線圈支撐部件是冷的，例如，通過穿過轉(zhuǎn)子芯的非接觸性通道，這些元件和轉(zhuǎn)子的其它“熱”構(gòu)件熱絕緣。
一個單獨支撐元件包括一個拉桿(可以是一根桿或是在桿的兩端的一對螺栓)、一對線圈殼體44，以及將每一個殼體連接到拉桿的端部的接合銷80。每一個線圈殼體44是一個帶有將拉桿以及接收線圈繞組34的槽相連的腿部的U型托座。U型殼體保證用于線圈的支撐系統(tǒng)的精度以及便利裝配。一系列的線圈殼體可以沿著線圈繞組的側(cè)邊端對端的布置。線圈殼體可以共同承擔(dān)加載在每一個線圈上的整個側(cè)壁40的諸如離心力這樣的外力。
線圈殼體44防止了線圈側(cè)邊部40由于離心力而產(chǎn)生的過渡彎曲或撓曲。線圈支撐并不限制線圈在正常的蒸汽渦輪啟動/停止操作中所引起的長度方向的膨脹或收縮。尤其是，熱膨脹主要被定位于沿著邊部的長度方向。這樣一來，線圈的邊部可以相對于通道外殼以及拉桿沿長度方向滑動。
U型殼體由在冷卻溫度下具有延性的輕質(zhì)高強材料制造而成。通常的線圈殼體材料是鋁、鉻鎳鐵合金以及鈦合金。為了重量輕和強度高，優(yōu)化通道外殼的形狀。
接合銷80延伸穿過線圈殼體上的小孔以及拉桿。為了減輕重量，該接合銷也可以是中空的。止動螺母(未顯示)被擰入或是固定到接合銷的端部以便定位殼體并防治殼體在外力的作用下離開側(cè)壁。接合銷可以由高強度的鉻鎳鐵合金或鋁合金制成。拉桿被制成在其端部具有兩個平表面86的大直徑端部的樣子。
這些平表面的寬度與U型殼體以及線圈的寬度相適應(yīng)。當(dāng)拉桿、線圈以及殼體被裝配到一起的時候，拉桿的平端部86緊鄰HTS線圈34的內(nèi)表面。這樣的安裝降低了接收接合銷的拉桿孔上的應(yīng)力集中。
由用于線圈長端的拉桿42以及線圈殼體44、用于線圈端部的一對對開夾58組成的線圈支撐系統(tǒng)和HTS線圈繞組34在被安裝到轉(zhuǎn)子芯22上的時候，所述線圈支撐系統(tǒng)可以和HTS線圈繞組34組裝在一起。拉桿、通道殼體以及對開夾提供了用于支撐線圈繞組的一個非常穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)并且相對于轉(zhuǎn)子芯將線圈繞組保持在所在位置。
每一個拉桿42都穿過轉(zhuǎn)子芯，并且可以垂直穿過轉(zhuǎn)子軸線20。穿過轉(zhuǎn)子芯上的通道46為穿過的拉桿提供了通道。通道垂直于轉(zhuǎn)子軸線延伸并且沿著芯長度方向?qū)ΨQ。通道46以及拉桿42的數(shù)量以及在轉(zhuǎn)子芯上的布置及其相對位置是設(shè)計的選擇問題。通道的直徑要足夠大，以便阻止通道的熱的轉(zhuǎn)子壁不接觸冷拉桿。避免接觸改善了拉桿和轉(zhuǎn)子芯之間的熱絕緣性能。
為了接收線圈繞組，轉(zhuǎn)子芯帶有一個凹入表面48，其可以是平面或三角形區(qū)域或狹槽。這些表面48形成于圓柱形芯的彎曲表面50內(nèi)并且延伸穿過轉(zhuǎn)子芯的長度方向。線圈繞組34被鄰近所述凹入表面而安裝在轉(zhuǎn)子上。線圈通常沿著凹入表面的外表面的長度方向延伸并且環(huán)繞轉(zhuǎn)子芯的端部。轉(zhuǎn)子芯的凹入表面48接收線圈繞組。凹入表面的形狀與線圈繞組的形狀一致。例如，如果線圈繞組是鞍形或是其他形狀，轉(zhuǎn)子芯的凹入表面也被設(shè)置成可以接受繞組的外形的形狀。
凹入表面48接收線圈繞組以便使線圈繞組的外表面延伸至大體上由轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動所形成的外殼形狀。在其轉(zhuǎn)動的時候，轉(zhuǎn)子芯的外彎曲面50形成了一個圓柱形外殼形狀。該轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動外殼形狀具有大體上與定子的真空轉(zhuǎn)子腔16(參見圖1)相同的直徑。
由于轉(zhuǎn)子不需要強制冷卻，所以位于轉(zhuǎn)子外殼形狀與定子腔16之間由僅僅冷卻定子所要求的強制冷卻氣流所需要的相對較小的空隙是一個相對小的間隙。位于轉(zhuǎn)子與定子之間間隙內(nèi)的磁場電磁地將轉(zhuǎn)子線圈繞組與定子線圈耦合在一起并且直接沖擊機械的功率密度。
通過將鐵芯轉(zhuǎn)子驅(qū)動到具備更高轉(zhuǎn)子線圈磁通勢的飽和磁場，機械10的功率密度可以被增加。例如，僅僅65英寸長的HTS線圈被設(shè)計適用于使用314000安培匝的轉(zhuǎn)子線圈MMF的100MVA速度發(fā)電機，其中相同功率密度發(fā)電機要求常規(guī)銅轉(zhuǎn)子長度應(yīng)為128英寸，線圈MMF為204000安培匝。更進一步說，機械長度降低了50％導(dǎo)致設(shè)備尺寸下降35％。
線圈繞組34的端部54鄰近轉(zhuǎn)子芯的相對端56。轉(zhuǎn)子中的線圈繞組的端部的每一個端都由一對開夾58所保持。在每一個線圈端54的對開夾都包括一對相對板60，在所述板60之間夾持線圈繞組34。對開夾的表面包括用來接收線圈繞組以及繞組上的接頭112，114的槽。
對開夾58可以由非磁性材料制成，例如鋁合金或鉻鎳鐵合金。相同或類似的非磁性材料可以用來制造拉桿、通道殼體以及其他線圈支撐系統(tǒng)的部件。由于鐵磁性材料在居里轉(zhuǎn)變溫度之下會變脆，而不能作為承擔(dān)荷載的結(jié)構(gòu)，所以線圈支撐系統(tǒng)最好由能夠在冷卻溫度下保持延性的非磁性材料制成。
對開夾58被軸環(huán)62環(huán)繞，但是不和該軸環(huán)接觸。端軸24、30包括連接到轉(zhuǎn)子芯22的一端上的軸環(huán)62。軸環(huán)是由非磁性材料制成的一個厚盤，例如不銹鋼這樣與轉(zhuǎn)子端軸相同或類似的材料。軸環(huán)上帶有一個與轉(zhuǎn)子軸線垂直的槽64，該槽很寬，足夠供對開夾穿過并且沒入的寬度。軸環(huán)上的熱側(cè)壁66與冷對開夾彼此分開從而使其不能相互接觸。
軸環(huán)62可以帶有一個用來接收轉(zhuǎn)子芯的上升盤區(qū)70(如圖所示，用于上升盤區(qū)域的轉(zhuǎn)子芯的相對端被插入相對的軸環(huán))的凹入盤區(qū)域68(由槽64所分割)。將轉(zhuǎn)子芯端部56的上升盤區(qū)域插入到凹入盤區(qū)域68中為轉(zhuǎn)子芯在軸環(huán)中提供了支撐并且協(xié)助將轉(zhuǎn)子芯以及軸環(huán)排成一條線。另外，軸環(huán)還可以帶有一些沿著軸環(huán)的縱向方向延伸并且位于環(huán)周邊的環(huán)狀螺栓孔72。這些螺栓孔與部分延伸進入轉(zhuǎn)子芯的螺栓孔74相對應(yīng)。螺栓75延伸穿過這些縱向方向的螺栓孔72、74并且將軸環(huán)固定到轉(zhuǎn)子芯上。
轉(zhuǎn)子芯還可以被嵌入到一個金屬圓柱形罩(未顯示)內(nèi)從而保護超導(dǎo)線圈繞組34不受環(huán)繞在轉(zhuǎn)子周圍的渦流以及其他電流的影響，同時提供一個真空外殼以便在轉(zhuǎn)子的低溫部件的周邊形成一個堅固的真空。圓柱形罩可以由高導(dǎo)電性材料制造，諸如銅合金或鋁。SC線圈繞組34被置于真空中。真空可以由罩所形成，該罩包括一個在線圈以及轉(zhuǎn)子芯的周圍形成真空的不銹鋼圓柱形層。
盡管本發(fā)明已經(jīng)參照上面所述的最佳實施例被說明，本發(fā)明也不能被限制在上述實施例所述的范圍之內(nèi)，而是根據(jù)后面的權(quán)利要求的精神覆蓋所有的實施例。
權(quán)利要求
1.一種同步電機，包括一個帶有環(huán)繞在真空圓柱形槽的呈環(huán)狀排列的定子線圈的定子；一個圓柱形磁性固體轉(zhuǎn)子芯；一個被安裝在轉(zhuǎn)子芯上的超導(dǎo)線圈，以及延伸穿過轉(zhuǎn)子芯并且伸到線圈繞組的相對長邊的線圈支撐。
2.如權(quán)利要求1所述的同步電機，其特征在于定子是一個常規(guī)定子，并且所述的固態(tài)轉(zhuǎn)子芯是磁飽和的。
3.如權(quán)利要求1所述的同步電機，其特征在于定子是氣隙定子，所述固態(tài)轉(zhuǎn)子芯是磁飽和的。
4.如權(quán)利要求1所述的同步電機，其特征在于還進一步包括軸向安裝到所述轉(zhuǎn)子芯上的轉(zhuǎn)子端軸。
5.如權(quán)利要求4所述的同步電機，其特征在于端軸是由非磁性材料組成。
6.如權(quán)利要求5所述的轉(zhuǎn)子，其特征在于端軸是由不銹鋼制成的。
7.如權(quán)利要求1所述的轉(zhuǎn)子，其特征在于所述端軸的一個端軸是帶有集電極環(huán)以及低溫流體接口的集電極端軸。
8.如權(quán)利要求1所述的同步電機，其特征在于轉(zhuǎn)子芯是由固態(tài)磁性鐵鍛制的。
9.如權(quán)利要求1所述的同步電機，其特征在于位于定子線圈與轉(zhuǎn)子之間的空氣間隙被最小化到滿足定子冷卻的程度。
10.一種帶有至少100MVA的轉(zhuǎn)動容量的同步電機，包括一個帶有環(huán)繞在真空圓柱形槽的呈環(huán)狀排列的定子線圈的定子；一個帶有位于芯的相對側(cè)并且沿芯長度方向延伸的平面部分的圓柱形磁性固體轉(zhuǎn)子芯；以及；一個沿轉(zhuǎn)子芯的至少一部分延伸的超導(dǎo)線圈繞組，所述的線圈繞組帶有一對鄰近所述轉(zhuǎn)子芯平面部分的側(cè)邊部分。
11.一種如權(quán)利要求10所述的同步電機還進一步包括一自轉(zhuǎn)子芯的第一端軸向伸出的第一端軸，以及一自轉(zhuǎn)子芯的第二端軸向伸出的第二端軸。
12.如權(quán)利要求11所述的同步電機，其特征在于端軸由非磁性材料制成。
13.如權(quán)利要求11所述的同步電機，其特征在于端軸由不銹鋼制成。
14.如權(quán)利要求10所述的同步電機，其特征在于轉(zhuǎn)子芯是固態(tài)磁鐵鍛制的。
15.如權(quán)利要求10所述的同步電機，其特征在于線圈是跑道形狀的。
16.如權(quán)利要求11所述的同步電機，其特征在于所述端軸的一個端軸是帶有集電極環(huán)和低溫流體接口的集電極端軸。
17.如權(quán)利要求10所述的同步電機，其特征在于轉(zhuǎn)子芯是磁飽和的。
18.如權(quán)利要求10所述的同步電機，其特征在于線圈是跑道形狀的。
19.如權(quán)利要求10所述的同步電機，還進一步包括一個環(huán)繞在轉(zhuǎn)子芯以及線圈外部的導(dǎo)體外殼。
全文摘要
介紹一種高功率密度的同步電機,其包括:一個帶有環(huán)繞在真空圓柱形槽的呈環(huán)狀排列的定子線圈的定子;一個磁飽和的圓柱形磁性固體轉(zhuǎn)子芯;一圍繞轉(zhuǎn)子芯延伸的跑道形狀超導(dǎo)線圈,以及延伸穿過轉(zhuǎn)子芯并且伸到線圈繞組的相對長邊的線圈支撐。
文檔編號H02K55/00GK1387302SQ0212511
公開日2002年12月25日 申請日期2002年5月15日 優(yōu)先權(quán)日2001年5月15日
發(fā)明者R·N·道森, Y·王, E·T·拉斯卡里斯 申請人:通用電氣公司