專利名稱：具有多段轉子芯的高溫超導同步轉子線圈的制作方法
背景技術：
本發(fā)明一般涉及同步轉動電機中的超導場線圈繞組，特別涉及在同步電機中支撐超導場線圈繞組組件的轉子芯。
具有轉子場線圈繞組的同步電機包括，但不限于轉動發(fā)電機、轉動電動機和線性電動機。這些電機一般包括電磁耦合的定子和轉子。該轉子可包括一多極轉子芯和裝在該轉子芯上的一個或多個場線圈繞組。該轉子芯可包括實心透磁材料如一種鐵芯轉子。
同步電機的轉子中通常使用公知的銅線繞組。但是，銅線繞組的電阻(盡管常規(guī)測量很低)足以造成該轉子發(fā)熱而降低該電機的能源效率。新近，已開發(fā)出用于轉子的超導(SC)場線圈繞組。由于SC繞組實際無任何電阻，因此是極優(yōu)良的轉子線圈繞組。
鐵芯轉子在氣隙磁場強度約2特斯拉時飽和。公知的超導轉子使用空氣芯設計，轉子中沒有鐵，因此獲得了3特斯拉或更高的氣隙磁場強度。這些高氣隙磁場強度產(chǎn)生了增加的電機的功率密度，使得電機的重量和大小大大減小?？諝庑境瑢мD子需要大量超導導線。大量SC導線增加了所需線圈數(shù)、該繞組支撐的復雜性和SC線圈繞組和轉子的成本。
高溫SC轉子場線圈繞組由脆性材料構成，為達到并保持超導性必需將該高溫SC轉子場線圈繞組冷卻到不高于比方說27°K的臨界溫度。該SC繞組可由高溫超導材料如基于BSCCO(BixSrxCaxCuxOx)的導體構成。
高溫超導(HTS)繞組因高的抗彎曲和抗拉伸應變的降級而受影響。這些線圈必需承受使繞組受壓應力和變形的明顯的離心力。電機正常操作在幾年時間中包括了上千次開機和關機，導致了該轉子的低周期疲勞載荷。此外，該HTS轉子線圈應能承受在室溫下進行轉子平衡程序時的25％超速運轉，以及發(fā)電時在制冷溫度下偶然的超速狀態(tài)。這些超速狀態(tài)比正常運轉狀態(tài)增加了作用在該轉子線圈繞組上的離心力。
用作電機的HTS轉子場線圈繞組的SC線圈在冷卻和正常運轉時受到應力和應變。這些線圈受到離心力、轉矩傳遞和瞬時故障情況。為承受這些力、應力、應變和周期性載荷，該SC線圈應由繞組支撐系統(tǒng)正確支撐在轉子中，這些繞組支撐系統(tǒng)把該SC線圈固定在HTS轉子中，確保繞組不受到由于轉子轉動造成的極大離心力。此外，該繞組支撐系統(tǒng)保護該SC繞組，確保該線圈不過早出現(xiàn)裂縫、疲勞或其他破壞。
在使SC線圈繞組適合于HTS轉子方面，對HTS線圈的繞組支撐系統(tǒng)的研制一直是一個困難的挑戰(zhàn)。此前提出的用于HTS轉子的繞組支撐系統(tǒng)的例子在美國專利No.5,548,168；5,532,663；5,672,921；5,777,420；6,769,353和6,066,906中公開。但是，這些繞組支撐系統(tǒng)受到各種問題困擾，例如昂貴、復雜和需要過量的部件。早就需要一種具有用于SC線圈的繞組支撐系統(tǒng)的HTS轉子。還存在對用成本低并且容易制造的部件組成的繞組支撐系統(tǒng)的需要。
本發(fā)明概述已研制出用于超導同步電機的一種多段轉子芯。該轉子芯包括與該轉子軸線橫交的多個通道。與一超導線圈繞組連接的繞組支撐桿穿過這些通道。該線圈繞組圍繞該轉子芯伸展，并大致位于一包括該轉子軸線的平面中。該轉子芯具有靠近該線圈繞組的長邊的直邊。
該轉子芯用若干轉子芯段裝配而成。這些段一般呈盤形，其橫截面呈T形。該轉子芯段上有與相鄰轉子芯段中的凹槽嚙合的凸起。該芯段環(huán)繞一預制的超導繞組和繞組支撐組裝。除了穿過該芯軸的支撐桿通道，該轉子芯段組件形成一實心芯。該芯段通過穿過該段組件的連接桿緊固在一起。該連接桿與轉子芯軸線平行，伸展在該芯的長度上。
在轉子線圈兩側之間伸展的拉桿可提供支撐，使得該線圈承受該轉子的離心力。為支撐該線圈的對置兩側，該拉桿穿過轉子芯。要求在把拉桿和線圈繞組裝到轉子芯上前把拉桿和線圈繞組裝在一起。但是實心轉子芯不容許預先裝配繞組和拉件。因此需要一種可把裝配好的繞組和拉件裝到實心轉子芯上的轉子芯和裝配工藝。
一轉子芯段組件容許該轉子芯環(huán)繞一線圈繞組組件安裝。在形成該轉子芯組件之前，該線圈繞組組件與繞組支撐裝在一起而形成一預制線圈繞組組件。該場線圈和繞組支撐的預裝配應減小轉子線圈的生產(chǎn)周期、提高繞組支撐質量并減小線圈組件偏差。
該HTS轉子可用于最初設計成包括SC線圈的同步電機。該HTS轉子也可取代現(xiàn)存的電機如公知發(fā)電機中的銅線圈轉子。這里以發(fā)電機為背景描述該轉子及其SC線圈，但該HTS線圈轉子也適用于其他同步電機。
在第一實施例中，本發(fā)明為一同步電機中的一轉子，包括一有一線圈繞組和至少一個在該繞組對置兩側之間伸展的繞組支撐的超導場線圈繞組組件，以及一由多個轉子芯段構成的轉子芯，每一所述芯段有一供所述繞組支撐插入的凹槽。
在另一實施例中，本發(fā)明為一轉子芯和繞組組件，包括環(huán)繞該繞組組件裝配的形成所述轉子芯的可分開的轉子芯段，其中，所述各芯段在軸向上與所述轉子芯對齊，所述繞組組件包括預先裝配的一超導場線圈繞組和一中央繞組支撐。
本發(fā)明的另一個實施例為一種把一轉子芯圍繞一超導場線圈繞組組件裝配的方法，包括下列步驟在裝配轉子芯前裝配場線圈繞組與繞組支撐，從而制成所述場線圈繞組組件；把多段轉子芯段的每一段的一部分插入到所述線圈繞組組件中；把多個轉子芯段圍繞所述繞組支撐裝配；以及緊固轉子芯段的組件。
附圖簡要說明在本說明書中，結合


本發(fā)明一實施例。附圖包括圖1為一具有一超導轉子和一定子的同步電機的正視示圖；圖2為一例示性跑道超導線圈繞組的立體圖；圖3為一將轉子芯與一線圈繞組組裝的剖面圖；圖4為沿圖3中4-4線剖取的裝配好的轉子芯的剖面圖；圖5為一轉子芯端部的立體圖；圖6為一轉子芯段的剖面圖；圖7為沿圖3中7-7線剖取的轉子芯的剖面圖；和圖8為一繞組、一拉桿的一部分和線圈殼體的剖面圖。
本發(fā)明詳述圖1示例出一具有一定子12和一轉子14的同步發(fā)電機10。該轉子包括裝在該定子圓柱形轉子腔16中的場線圈繞組。該轉子裝在該定子的轉子腔中。當轉子在定子中轉動時，由轉子和轉子線圈生成的磁場18(虛線所示)穿過該定子轉動，從而在定子線圈的繞組19中生成電流。該電流由該發(fā)電機作為電源輸出。
該轉子1有一縱向延伸的軸線20和一通常為實心的多段轉子芯22。該轉子芯為軸向對齊的端部芯段44和中間芯段46的組件。該芯22的透磁率很高，通常由鐵磁材料如鐵制成。在低功率密度超導電機中，該轉子的芯用來減小磁通勢(MMF)，從而減小該線圈繞組所需的SC線圈導線的數(shù)量。
該轉子14支撐至少一個具有一HTS繞組(見圖2)的縱向伸展、跑道形、高溫超導(HTS)場線圈繞組組件33。該HTS場線圈繞組也可為適合于HTS轉子的具體設計的呈馬鞍形或其他形狀。本文公開了一用于一跑道SC場線圈繞組的轉子場組件和繞組支撐。除了裝在實心轉子芯上的跑道場線圈繞組，該轉子芯組件和繞組支撐也可用于多種繞組結構。
該轉子包括一對受軸承25支撐的端軸24、30。該端軸可與外部裝置連接。例如，該端軸之一24有與用來冷卻轉子中的SC場線圈繞組的制冷冷卻流體源連接的制冷液傳送聯(lián)軸器26。該制冷液聯(lián)軸器26包括一與制冷冷卻流體源連接的固定部分和把冷卻流體提供給HTS繞組的轉動部分。該轉子的該端24還可包括一與轉動SC場線圈繞組電連接的集合器31。該轉子另一端軸30可由一動力渦輪機聯(lián)軸器32驅動。
圖2例示出HTS跑道場線圈繞組組件33，包括一場線圈繞組34和一系列在該繞組對置兩側之間伸展的拉桿35(該繞組支撐)。該繞組組件33在插入轉子芯前用場線圈繞組33和拉桿35制成。該拉桿支撐該場線圈繞組，使得場線圈繞組能承受電機運轉時由轉子旋轉造成的作用在繞組上的離心力。因此，該拉桿用一繞組殼體36裝在繞組上(如圖8所示)。該殼體和拉桿限制了該線圈場線圈繞組34的膨脹否則會與拉桿35出現(xiàn)膨脹。
該轉子的SC場線圈繞組34包括一高溫超導(SC)繞組34。每一SC繞組包括一高溫超導導體，例如層壓在一實心環(huán)氧樹脂浸漬的繞組復合體中的BSCCO(BixSrxCaxCuxOx)導線。例如，可把一系列BSCC02223導線層壓、粘合在一起后卷成一實心環(huán)氧樹脂浸漬繞組。
SC導線為脆性，容易受損。該SC繞組一般為用環(huán)氧樹脂浸漬的層繞SC帶。該SC帶捆成精確繞組形，實現(xiàn)尺寸緊公差。該SC帶以螺旋形繞成跑道SC繞組34。
跑道繞組的尺寸決定于轉子芯的尺寸。一般來說，每一跑道SC繞組環(huán)繞轉子芯的磁極、與轉子軸線平行。該場線圈繞組連續(xù)環(huán)繞該跑道。該SC繞組形成環(huán)繞轉子芯、在該芯的磁極之間的無電阻電流路徑。
該場線圈繞組34中有制冷冷卻流體的管路38。這些管路可環(huán)繞該SC繞組34的外邊緣上。該管路向多孔繞組提供制冷冷卻流體和除去該繞組中的熱量。該冷卻流體在需要促進超導狀態(tài)、包括在繞組中無電阻的該SC場線圈繞組中保持該低溫，例如27°K的低溫。該冷卻管路在轉子芯的一端上有冷卻流體的輸入和輸出口39。這些流體(氣體)口39把SC繞組上的冷卻管路38連接到制冷流體傳送聯(lián)軸器26上。
每一HTS跑道場線圈繞組34有一對與轉子軸線20平行的直邊部40和一對與轉子軸線垂直的端部42。該場線圈繞組的直邊部受到的離芯應力最大。因此，直邊部受拉桿和殼體的支撐。這些拉桿和殼體構成抵銷作用在繞組上的離心力的繞組支撐系統(tǒng)。
圖3為一多段轉子芯22和包括跑道超導場線圈繞組34和拉桿35的繞組組件33的示意圖。該芯由一般為若干中間段44和一對端段46的多段芯段構成。每一芯段呈半矩形(見圖7)，包括一對相對的直邊50和一對相對的弧形邊52。
裝配好后，該芯段的直邊50互相對齊，同樣弧形邊也對齊。兩端段之外的中間芯段44的橫截面一般呈“T”形(比較圖5和6)。端段46的橫截面一般呈L形。
該轉子芯段圍繞繞組組件33裝配。每一中間段的窄頭45在繞組組件中的相鄰兩拉桿35之間滑動。端部轉子芯段46的窄頭在一拉桿35與線圈繞組34的一端42之間滑動。每一芯段有至少一個拉桿凹槽53(中間段44有一對相對的凹槽)，該凹槽與一相對芯段中的凹槽配合時形成一用于拉桿35的孔55。把各轉子芯段裝配在一起，使得可把裝配好的整個繞組組件33(例如包括場線圈繞組34和拉桿35)與轉子芯裝配成一體。
該芯段44、46可為鐵芯鍛件。用榫頭把各鐵芯段裝配成同芯和對齊。每一芯段有至少一個嵌入相鄰鐵芯段上一凹槽56中的凸起54(中間鐵芯段有一對相對凸起)。各芯段之間的凸起-凹槽連接使得各芯段在轉子芯中對齊。若干連接桿58在轉子芯長度上橫向穿過連接桿孔60。連接桿的兩端上有螺母或其他緊固件把各芯段壓緊在一起。
一旦各轉子芯段圍繞繞組組件裝配好，可在場線圈繞組34上裝配一真空殼體64。繞組四周的真空便于該繞組實現(xiàn)超導性。該真空殼體在該整個跑道形線圈繞組上形成真空。
盡管以上結合當前看來最實際和優(yōu)選的實施例說明了本發(fā)明，但應指出，本發(fā)明不限于所公開實施例，而是相反，本發(fā)明應看成覆蓋后附權利要求精神內(nèi)的所有實施例。
權利要求
1.一同步電機中的一轉子，包括一有一線圈繞組和至少一個伸展在該繞組相對側面之間的繞組支撐的超導場線圈繞組組件，以及一由多段轉子芯段構成的轉子芯，每一所述芯段有一供所述繞組支撐插入的凹槽。
2.根據(jù)權利要求1所述的轉子，其特征在于，所述多段轉子芯段在軸向上與所述轉子芯的軸線對齊。
3.根據(jù)權利要求1所述的轉子，其特征在于，所述轉子芯段包括對置端部芯段和至少一個中間芯段。
4.根據(jù)權利要求3所述的轉子，其特征在于，所述端部芯段的橫截面大致呈L形，所述至少一個中間芯段的橫截面呈大致T形。
5.根據(jù)權利要求3所述的轉子，其特征在于，至少一個中間芯段的橫截面形狀有一窄頭，該窄頭裝在所述繞組支撐的一對桿之間。
6.根據(jù)權利要求1所述的轉子，其特征在于，進一步包括在所述場線圈繞組上的一真空殼體。
7.一轉子芯和繞組組件，包括圍繞該繞組組件裝配形成的所述轉子芯的可分開轉子芯段，其中，所述各芯段在所述轉子芯中軸向對齊，以及所述繞組組件包括預先裝配的一超導場線圈繞組和一繞組支撐，其中，該繞組支撐穿過所述轉子芯。
8.根據(jù)權利要求7所述的轉子，其特征在于，所述轉子芯段包括對置端部芯段和至少一個中間芯段。
9.一種把一轉子芯環(huán)繞一超導場線圈繞組組件安裝的方法，包括下列步驟a，在裝配轉子芯前裝配一場線圈繞組與一繞組支撐，從而制成所述場線圈繞組組件；b，把多段轉子芯段的每一段的一部分插入所述繞組組件中；c，把多段轉子芯段圍繞所述繞組支撐安裝；以及d，緊固這些轉子芯段。
10.根據(jù)權利要求9所述的轉子芯裝配方法，其特征在于，插入多段轉子芯段的每一段的一部分包括把所述轉子芯段之一的窄頭插入在該繞組支撐的相鄰兩桿之間。
全文摘要
同步電機的一種轉子，包括一具有一繞組和至少一個伸展在該繞組兩對置側面之間的繞組支撐的超導場線圈繞組組件，和一由多段轉子芯段構成的轉子芯，每一所述芯段有一供所述至少一個拉桿插入的拉桿凹槽。
文檔編號H02K55/04GK1407699SQ0213019
公開日2003年4月2日 申請日期2002年8月23日 優(yōu)先權日2001年8月24日
發(fā)明者Y·王 申請人:通用電氣公司