專利名稱：具有超導(dǎo)電樞線圈和其它部件的電機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本申請(qǐng)及 所得到的專利總體涉及電機(jī)，且更特別地涉及具有由高溫超導(dǎo)材料制成的電樞繞組線圈和其它部件的超導(dǎo)電機(jī)。
背景技術(shù)：
總體而言，諸如電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)的典型電機(jī)包括安裝在轉(zhuǎn)子周圍的勵(lì)磁線圈和安裝在定子周圍的電樞繞組線圈。一旦施加電壓，磁場(chǎng)即將勵(lì)磁線圈和電樞繞組線圈耦合。磁場(chǎng)的大小取決于通過勵(lì)磁線圈的電流的數(shù)量。電機(jī)內(nèi)的磁致應(yīng)力轉(zhuǎn)化為扭矩，從而導(dǎo)致轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)。磁場(chǎng)越高，對(duì)于電樞繞組線圈的給定周長(zhǎng)每轉(zhuǎn)扭矩越大。使用由超導(dǎo)材料制成的勵(lì)磁線圈使得電機(jī)更加緊湊、輕重量，并且由于由超導(dǎo)材料導(dǎo)致的增加的磁場(chǎng)強(qiáng)度而高效?？傮w電機(jī)性能還可通過增加電樞繞組線圈的載流能力而改善。用由超導(dǎo)材料制成的線圈更換原始的銅線圈，從而可極大地將整體功率密度增大大約二到五甚至更多的倍數(shù)。然而，使用已知超導(dǎo)材料具有的一個(gè)問題是包括由暴露于強(qiáng)交變磁場(chǎng)所導(dǎo)致的過大交流損耗。盡管某些類型的高溫超導(dǎo)材料通常具有較低的交流損耗，但必須提供充足且有些復(fù)雜的冷卻系統(tǒng)來將超導(dǎo)材料維持在期望的操作溫度范圍內(nèi)。此外，對(duì)于基于空氣隙的線圈和梳齒纏繞線圈(tooth-wound coil)等會(huì)發(fā)現(xiàn)不同的設(shè)計(jì)和操作問題。因此對(duì)于空氣隙或梳齒纏繞線圈設(shè)計(jì)兩者都期望有使用高溫超導(dǎo)材料的改善的電機(jī)。此類改善的電機(jī)設(shè)計(jì)優(yōu)選地可避免大的交流損耗同時(shí)還提供簡(jiǎn)化的冷卻系統(tǒng)。此外，此類改善的設(shè)計(jì)優(yōu)選地應(yīng)該提供具有高操作效率的輕重量及緊湊的形狀。

發(fā)明內(nèi)容
本申請(qǐng)以及所得到的專利因而提供了超導(dǎo)電機(jī)。該超導(dǎo)電機(jī)可包括由高溫超導(dǎo)材料制成的電樞線圈、冷卻系統(tǒng)以及勵(lì)磁線圈。該冷卻系統(tǒng)可包括包圍電樞線圈的低溫保持器以及包圍該低溫保持器的泡沫隔層。本申請(qǐng)以及所得到的專利還提供了超導(dǎo)電機(jī)。本文描述的超導(dǎo)電機(jī)可包括包圍鐵齒的電樞線圈、冷卻系統(tǒng)以及勵(lì)磁線圈。電樞線圈可由高溫超導(dǎo)材料制成。冷卻系統(tǒng)可包括結(jié)合到鐵齒上的真空隔離的低溫保持器。本申請(qǐng)以及所得到的專利還提供了超導(dǎo)電機(jī)。該超導(dǎo)電機(jī)可包括成空氣隙構(gòu)造的電樞線圈、冷卻系統(tǒng)以及勵(lì)磁線圈。電樞線圈可由高溫超導(dǎo)材料制成。該冷卻系統(tǒng)可包括包圍該電樞線圈的泡沫隔層。在結(jié)合若干附圖以及所附權(quán)利要求閱讀以下詳細(xì)描述后，本申請(qǐng)以及所得到的專利的這些以及其它特征和改善對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員將顯而易見。


圖I是可如本文所述的超導(dǎo)電機(jī)的示意圖。
圖2是圖I的超導(dǎo)電機(jī)的橫截面視圖。圖3是可如本文所述的超導(dǎo)電機(jī)一個(gè)備選實(shí)施例的透視圖。
圖4是圖3的超導(dǎo)電機(jī)的側(cè)橫截面視圖。圖5是可如本文所述的超導(dǎo)電機(jī)一個(gè)備選實(shí)施例的部分透視圖。圖6是圖5的超導(dǎo)電機(jī)的一部分的橫截面視圖。零部件列表100超導(dǎo)電機(jī)105空氣隙設(shè)計(jì)110高溫超導(dǎo)電樞線圈120高溫超導(dǎo)材料130高溫超導(dǎo)冷卻系統(tǒng)140低溫保持器150液態(tài)氮160支承框架170扭矩管180 鐵軛190泡沫隔層200超導(dǎo)勵(lì)磁線圈210超導(dǎo)材料220 轉(zhuǎn)子230 軸240致冷劑傳輸接頭250超導(dǎo)電機(jī)260超導(dǎo)冷卻系統(tǒng)270冷卻管280線圈棒290高溫超導(dǎo)電樞線圈300高溫超導(dǎo)帶310冷卻板320端部繞線330 入口歧管340 出口歧管350超導(dǎo)電機(jī)360梳齒纏繞設(shè)計(jì)370 鐵齒380高溫超導(dǎo)電樞線圈390真空隔離的低溫保持器
具體實(shí)施方式
現(xiàn)在參考附圖，其中貫穿若干視圖相似的數(shù)字指相似的元件，圖I顯示了可如本文所述的超導(dǎo)電機(jī)100。在此示例中，超導(dǎo)電機(jī)100可具有空氣隙設(shè)計(jì)105。超導(dǎo)電機(jī)100包括高溫超導(dǎo)電樞線圈110。該高溫超導(dǎo)電樞線圈可由高溫超導(dǎo)材料120制成。僅作為示例，高溫超導(dǎo)材料120可包括鉍-鍶-鈣-銅-氧化合物，如BSCC0-2223 (Bi2Sr2Ca2Cu3O10)，BsCXOjSW(Bi2Sr2Ca1Cu2O8), TlBa2Ca2Cu3O9, Tl2Ba2CaCu2O8, (TlPb)Sr2CaCu2O7, (TlPb)Sr2Ca2Cu3O9 ;釔鋇銅氧化物(YBa2Cu3O7且稱為YBC0) ;二硼化鎂(MgB2);以及它們的混合物。此處可使用其它類型的高溫超導(dǎo)材料120及它們的混合物。此處也可使用高溫超導(dǎo)冷卻系統(tǒng)130。該高溫超導(dǎo)冷卻系統(tǒng)130可定位在高溫超導(dǎo)電樞線圈110周圍，以便將高溫超導(dǎo)電樞線圈110維持在期望的操作溫度范圍內(nèi)。高溫超導(dǎo)冷卻系統(tǒng)130可包括在其中具有一定量液態(tài)氮150的低溫保持器140。此處可使用其它類型的低溫流體等?？墒褂猛獠康蜏乩鋮s器(未示出)以便將液態(tài)氮150或其它類型的流體冷卻至適當(dāng)?shù)臏囟?。低溫保持?40可由復(fù)合材料制成。低溫冷卻器140可經(jīng)由若干扭矩管170附接至整個(gè)電機(jī)100的支承框架160上。扭矩管170可由高強(qiáng)度合金制成，如 鈦合金等，以便支承通常由高溫超導(dǎo)電樞線圈110承受的大扭矩。此處可使用其它部件和其它構(gòu)造。高溫超導(dǎo)冷卻系統(tǒng)130還可包括泡沫隔層190。該泡沫隔層190可應(yīng)用于低溫保持器140和支承框架160之間。泡沫隔層190可用于減小其中的熱負(fù)載而不需要使用常規(guī)的真空隔離等。此處可使用任何類型的常規(guī)隔離。超導(dǎo)電機(jī)100還可包括定位于高溫超導(dǎo)電樞線圈110周圍的鐵軛180。鐵軛180在其中包含磁通量。此處可使用其它部件和其它構(gòu)造。超導(dǎo)電機(jī)100還包括超導(dǎo)勵(lì)磁線圈200。超導(dǎo)勵(lì)磁線圈200可由超導(dǎo)材料210制成。超導(dǎo)材料210可包括上述高溫超導(dǎo)材料120，以及各種類型的低溫超導(dǎo)材料，如鈮-鈦(NbTi)，鈮-錫(Nb3Sn)，它們的混合物等。超導(dǎo)勵(lì)磁線圈200可定位在轉(zhuǎn)子220周圍以隨其旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)子220可定位在軸230周圍。軸230可伸出支承框架160。為了冷卻超導(dǎo)勵(lì)磁線圈200，可使用致冷劑傳輸接頭240。致冷劑傳輸接頭240可定位在軸230周圍，以便提供液態(tài)氮或其它類型的低溫流體來冷卻超導(dǎo)勵(lì)磁線圈200。此處可使用其它部件和其它構(gòu)造。圖3和4顯不了具有高溫超導(dǎo)冷卻系統(tǒng)260的超導(dǎo)電機(jī)250的一個(gè)備選實(shí)施例。代替使用低溫保持器140，此示例具有定位在高溫超導(dǎo)電樞線圈290的各線圈棒280之間的液態(tài)氮冷卻管270。各線圈棒280可由高溫超導(dǎo)帶300制成。高溫超導(dǎo)帶300可為YBCO型帶或其它類型的高溫超導(dǎo)材料120。液態(tài)氮冷卻管270可在各線圈棒280的端部繞線區(qū)域320周圍伸入冷卻板310。液態(tài)氮150因而可從入口歧管330流向出口歧管340，以便冷卻整個(gè)高溫超導(dǎo)電樞線圈290。此處可使用具有其它部件和其它構(gòu)造的其它類型的高溫超導(dǎo)冷卻系統(tǒng)260。在使用中，空氣隙電機(jī)105的高溫超導(dǎo)電樞線圈110可直接暴露于強(qiáng)磁場(chǎng)下。然而，高溫超導(dǎo)材料120的使用限制了交流損耗，使得高溫超導(dǎo)電樞線圈110可經(jīng)由該高溫超導(dǎo)冷卻系統(tǒng)130充分地冷卻。此外，考慮到系統(tǒng)熱負(fù)載與交流損耗相比可忽略，高溫超導(dǎo)冷卻系統(tǒng)130可通過使用泡沫隔層190來簡(jiǎn)化。圖5和6顯示了可如本文所述的超導(dǎo)電機(jī)350 —個(gè)備選實(shí)施例。在此實(shí)例中，超導(dǎo)電機(jī)360可為梳齒纏繞電機(jī)360。該梳齒纏繞電機(jī)360可包括若干鐵齒370。高溫超導(dǎo)電樞線圈380可圍繞各鐵齒370而纏繞。該高溫超導(dǎo)電樞線圈380可由上述高溫超導(dǎo)材料120等制成。各高溫超導(dǎo)電樞線圈380均可定位在真空隔離的低溫保持器390中。真空隔離的低溫保持器390可結(jié)合到鐵齒370上。此處可使用其它類型的冷卻系統(tǒng)?？蓪⒁簯B(tài)氮150或其它類型的低溫流體定位在其中，以便冷卻高溫超導(dǎo)電樞線圈380。此處可使用其它部件和其它構(gòu)造。在使用中，通過集中梳齒纏繞電機(jī)360的鐵齒370中的磁通量，可極大地減小磁場(chǎng)。結(jié)果，可減小高溫超導(dǎo)電樞線圈380中的總交流損耗?？諝庀对O(shè)計(jì)105因而提供了最高可能扭矩密度和重量減小。由于大的交流磁場(chǎng)，存在交流損耗。然而，考慮到泡沫隔層190的使用，該高溫超導(dǎo)冷卻系統(tǒng)130非常簡(jiǎn)單。相反，梳齒纏繞設(shè)計(jì)360再次引入了鐵齒370的使用以及其總體重量。假設(shè)使用真空隔離的低溫保持器390，梳齒纏繞設(shè)計(jì)360中高溫超導(dǎo)冷卻系統(tǒng)130還可稍微更加復(fù)雜。然而，來·自高溫超導(dǎo)電樞線圈380的交流損耗被極大地減小。在任一設(shè)計(jì)中，通過使用高溫超導(dǎo)材料120，此處高溫超導(dǎo)電樞線圈110，380中的總體功率密度因而可提高大約二到五倍甚至更多。此外，功率密度可通過對(duì)超導(dǎo)勵(lì)磁線圈200使用超導(dǎo)材料120而進(jìn)一步改善。此處所述的電機(jī)因而可為緊湊且輕重量的?？赡艿膽?yīng)用包括諸如直接驅(qū)動(dòng)風(fēng)力渦輪機(jī)的低速機(jī)械，尤其是用于高額定功率離岸發(fā)電機(jī)、電氣船舶推進(jìn)系統(tǒng)等。應(yīng)該理解的是前述內(nèi)容僅涉及本申請(qǐng)及所得到的專利的某些實(shí)施例。在此可由本領(lǐng)域技術(shù)人員做出眾多修改和變更而不背離如由所附權(quán)利要求及其等價(jià)物所限定的本發(fā)明的總體精神和范圍。
權(quán)利要求
1.一種超導(dǎo)電機(jī)(100),包括 電樞線圈(110)； 所述電樞線圈包括高溫超導(dǎo)材料(120); 冷卻系統(tǒng)(130)； 所述冷卻系統(tǒng)(130)包括包圍所述電樞線圈(110)的低溫保持器(140)和包圍所述低溫保持器(140)的泡沫隔層(190);以及 勵(lì)磁線圈(200)。
2.如權(quán)利要求I所述的超導(dǎo)電機(jī)(100)，其特征在于，所述電樞線圈(110)包括空氣隙設(shè)計(jì)(105)。
3.如權(quán)利要求I所述的超導(dǎo)電機(jī)(100)，其特征在于，所述高溫超導(dǎo)材料包括鉍-鍶-鈣-銅-氧化合物，釔鋇銅氧化物，二硼化鎂，和/或它們的混合物。
4.如權(quán)利要求I所述的超導(dǎo)電機(jī)(100)，其特征在于，所述低溫保持器(140)通過一個(gè)或更多扭矩管(170)附接到框架(160)上。
5.如權(quán)利要求I所述的超導(dǎo)電機(jī)(100)，其特征在于，所述勵(lì)磁線圈(200)包括超導(dǎo)材料(210)。
6.如權(quán)利要求5所述的超導(dǎo)電機(jī)(100)，其特征在于，所述超導(dǎo)材料(210)包括所述高溫超導(dǎo)材料(120)。
7.如權(quán)利要求I所述的超導(dǎo)電機(jī)(100)，其特征在于，所述冷卻系統(tǒng)(130)包括定位在所述勵(lì)磁線圈(200)周圍的致冷劑傳輸接頭(240)。
8.如權(quán)利要求I所述的超導(dǎo)電機(jī)(100)，其特征在于，所述電樞線圈(100)包括多個(gè)線圈棒(280)，且其中所述冷卻系統(tǒng)(130)包括定位在所述多個(gè)線圈棒(280)的每一個(gè)之間的冷卻管(270)。
9.如權(quán)利要求8所述的超導(dǎo)電機(jī)(100)，其特征在于，所述冷卻系統(tǒng)(130)包括從所述多個(gè)冷卻管(270)延伸的多個(gè)冷卻板(310)。
10.如權(quán)利要求8所述的超導(dǎo)電機(jī)(100)，其特征在于，所述多個(gè)線圈棒(280)包括高溫超導(dǎo)帶(300)。
全文摘要
本發(fā)明涉及具有超導(dǎo)電樞線圈和其它部件的電機(jī)，具體而言，本申請(qǐng)以及所得到的專利提供了超導(dǎo)電機(jī)(100)。該超導(dǎo)電機(jī)(100)可包括由高溫超導(dǎo)材料(120)制成的電樞線圈(110)、冷卻系統(tǒng)(130)以及勵(lì)磁線圈(200)。該冷卻系統(tǒng)(130)可包括包圍電樞線圈(110)的低溫保持器(140)和包圍低溫保持器(140)的泡沫隔層(190)。
文檔編號(hào)H02K3/24GK102780382SQ20121014328
公開日2012年11月14日 申請(qǐng)日期2012年4月27日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月27日
發(fā)明者E·拉斯卡里斯, J·布雷, K·S·黑蘭, M·沙, 張濤 申請(qǐng)人:通用電氣公司