CN100350727C - 一种高功率密度的超导电机 - Google Patents

一种高功率密度的超导电机 Download PDF

Info

Publication number
CN100350727C
CN100350727C CNB021251150A CN02125115A CN100350727C CN 100350727 C CN100350727 C CN 100350727C CN B021251150 A CNB021251150 A CN B021251150A CN 02125115 A CN02125115 A CN 02125115A CN 100350727 C CN100350727 C CN 100350727C
Authority
CN
China
Prior art keywords
coil
rotor core
rotor
synchronous machine
stator
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
CNB021251150A
Other languages
English (en)
Other versions
CN1387302A (zh
Inventor
R·N·道森
Y·王
E·T·拉斯卡里斯
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
General Electric Co
Original Assignee
General Electric Co
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by General Electric Co filed Critical General Electric Co
Publication of CN1387302A publication Critical patent/CN1387302A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN100350727C publication Critical patent/CN100350727C/zh
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Fee Related legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K3/00—Details of windings
    • H02K3/46—Fastening of windings on the stator or rotor structure
    • H02K3/50—Fastening of winding heads, equalising connectors, or connections thereto
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K55/00—Dynamo-electric machines having windings operating at cryogenic temperatures
    • H02K55/02—Dynamo-electric machines having windings operating at cryogenic temperatures of the synchronous type
    • H02K55/04—Dynamo-electric machines having windings operating at cryogenic temperatures of the synchronous type with rotating field windings
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E40/00—Technologies for an efficient electrical power generation, transmission or distribution
    • Y02E40/60—Superconducting electric elements or equipment; Power systems integrating superconducting elements or equipment

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Superconductive Dynamoelectric Machines (AREA)
  • Iron Core Of Rotating Electric Machines (AREA)
  • Synchronous Machinery (AREA)
  • Motor Or Generator Cooling System (AREA)
  • Insulation, Fastening Of Motor, Generator Windings (AREA)

Abstract

介绍一种高功率密度的同步电机，其包括：一个带有环绕在真空圆柱形槽的呈环状排列的定子线圈的定子；一个磁饱和的圆柱形磁性固体转子芯；一围绕转子芯延伸的跑道形状超导线圈，以及延伸穿过转子芯并且伸到线圈绕组的相对长边的线圈支撑。

Description

一种高功率密度的超导电机
技术领域
本发明总体上涉及一种应用于同步旋转机器的超导线圈。具体地说，本发明涉及一种带有一常规定子、以及一个带有超导线圈的磁饱和固体铁芯转子的同步电机。
背景技术
带有励磁线圈的同步旋转电机包括，但不仅仅限于此，转动发电机，回转马达，以及线性电动机。这些机械通常包括一对被电磁偶合的定子和转子。转子包括一个多极转子芯和一个或多个固定在转子芯上的线圈绕组。转子芯还可以包括一个诸如铁芯转子这样的可透磁材料。
同步电机的转子中通常使用常规的铜线圈。然而，铜线圈的电阻抗(尽管常规测量结果并不高)会产生转子的基本热量并且降低机械的功效。近来，用于转子的超导(SC)线圈绕组已经产生。SC线圈没有阻抗从而成为高效的转子线圈绕组。
铁芯转子在2特斯拉的空气磁场强度下达到饱和。已知的超导转子采用在转子中不带有铁的气芯设计，以便达到3特斯拉或者更高的空气磁场强度。这些较高的空气磁场强度提高了发电机的功率密度，并且显著减少了机械的重量和大小。气芯超导转子需要大量的超导线。而大量的超导线的需求需要增加了所需的线圈，线圈支撑的复杂程度，以及转子和SC线圈的成本。
尽管在磁场饱和区域为了提高气隙磁场以及机器功率密度的时候，铁芯转子相对于气芯转子来说可以提供很多优点，然而，铁芯超导转子在工业上并无太多应用。与气芯转子相比，铁芯转子的优点是，在磁饱和铁芯转子里使用较少的超导材料也可以达到相同的高机械功率密度。
高温超导励磁线圈由易碎的超导材料构成，其必须被冷却以保持在一个例如27°K临界温度或低于这个温度以便保持其超导性。SC线圈也可以由高温超导材料构成，例如一种BSCCO(BixSrxCaxCuxOx)基导体。
超导线圈并未应用于同步电机的转子中。已经有人开始致力于将SC线圈应用到高功率密度的发电机以及其他同步电机中去。将SC线圈加入到高功率密度机械上的潜在优势包括减轻机器重量并且压缩设备体积。这些高功率密度机器通常包括一个气芯转子以及一个不带定子铁齿的气芯定子。然而，高功率密度机器会非常昂贵并且从经济上来说也不实用。
SC线圈，其线圈支撑系统以及相关的冷却系统复杂而且昂贵。SC线圈使用诸如BSCCO这样的昂贵的材料。这些材料还很脆弱。SC线圈所需的线圈支撑系统必须承受一个大同步机械的转子上所遇到的巨大的力并且保护脆弱的线圈。还有，这些支撑系统还不能将基本的热量传递给低温冷却的线圈。
此外，提供低温诸如氦的低温冷却流体的冷却系统也很复杂并且昂贵。因此，将SC线圈应用到一个同步机械上的费用以及复杂程度都非常高。为了使SC线圈在经济上是可行的，其相关的成本也应该降到将SC线圈用于铜芯转子上所带来的好处之下。
随着高温超导(HTS)材料的发展，使用SC线圈的成本也变得可以接受了。由于其保持了在例如27°K这样的相对高温下的超导特性(没有阻抗)，所以与先前需要将SC线圈冷却到一个较低温度相比，冷却HTS线圈的成本已经下降。仍然需要更低成本的SC线圈以及线圈支撑系统。
超导线圈被流体氦冷却。在穿过转子的线圈之后，热的、使用过的氦以壳体温下的气态氦返回。使用液态氦用于低温冷却需要持续地对返回的壳体温气态氦进行再液化，这样的再液化产生了明显的可靠性问题以及需要大量的辅助能源。
现有的SC线圈冷却技术包括通过一个固体低温冷却机内部的传导通路来冷却一个浸渍环氧树脂的SC线圈。另外一种方案是，转子中的冷却管道中可以将流体和/或气体冷却剂输送给浸润在流体和/或固体冷却剂中的多孔SC线圈绕组。然而，浸润冷却要求整个线圈以及转子都在一个低温环境下。结果是，由于铁在低温条件下的脆性而在整个转子磁路当中都不能使用铁。
所需要的是一种比现有HTS机器更便宜的HTS电机，以及与常规铜芯电机相比，在价格上更有竞争力的电机。为了达到经济上的成功，HTS-电机必须在与常规铜电机相比的时候更有价格优势。用来降低成本的潜在的技术领域进一步包括线圈支撑系统，转子设计以及使用HTS线圈改装现有电机。此外，所需要的是一种用于电机的改进的转子励磁线圈集合，该集合没有诸如现有超导转子这样的气芯以及液冷超导励磁线圈集合的缺点。
在使SC线圈适合HTS转子时，发展用于HTS线圈的支撑系统成为一个很困难的挑战。现有的HTS转子的线圈支撑系统参见美国专利第5,548,168；5,532,663；5,672,921；5,777,420；6,169,353以及6,066,906号。然而，这些线圈支撑系统都存在不同的问题，比如过于昂贵、复杂以及需要过多的组件等等。长久以来一直都存在着对具有用于SC线圈的线圈支撑系统的HTS转子的需要。还存在于需要一个低成本以及带有易于制造的组件的线圈支撑系统的需求。
发明内容
一种与现有的铜芯、低功率密度发电机相比，在价格上更有竞争力的带有SC线圈绕组转子的高功率密度超导发电机已经被发明出来。通过使用磁饱和固体芯转子，常规定子以及最小线圈支撑系统可以将成本降低。通过使用这些技术，具有SC线圈的优点的高效HTS电机已经出现。而且，制造这样的HTS发电机的成本也能够降低到足以使其经济有效的程度。
根据本发明，提供了一种同步电机，包括：一个带有环绕在真空圆柱形槽的呈环状排列的定子线圈的定子；一个具有一转子芯轴线的圆柱形磁性固体转子芯；一个被安装在转子芯上的超导线圈，其具有平行于所述转子芯轴线的相对长边部分；以及延伸穿过转子芯并且伸到超导线圈的相对长边的线圈支撑，该线圈支撑包括一个通过转子芯的管道的拉杆，该拉杆连接于超导线圈的相对长边并且该拉杆与该管道间隔开并脱离接触，以使超导线圈和转子芯热绝缘。
根据本发明，还提供了一种带有至少100MVA的转动容量的同步电机，包括：一个带有环绕在真空圆柱形槽的呈环状排列的定子线圈的定子；一个带有位于芯的相对侧并且沿芯长度方向延伸的平面部分的圆柱形磁性固体转子芯；一个沿转子芯的至少一部分延伸的超导线圈，所述超导线圈带有一对邻近所述转子芯平面部分的侧边部分；以及一个线圈支撑，该线圈支撑包括一个通过转子的管道的拉杆，该拉杆连接于超导线圈的侧边部分并且该拉杆与该管道间隔开并脱离接触，以使所述转子芯和所述超导线圈热绝缘。
HTS发电机包括一个常规定子以及一个HTS转子。常规定子被设计成为适用于HTS转子所提供的高气隙磁场。转子包括一个由诸如铁这样的固态磁性材料制成的两极芯体。转子芯通常是圆柱形并且沿其长度方向具有机加工出的平滑表面。HTS线圈被绕着这些平滑表面安装，同时具有绕转子芯延伸的跑道形的线圈。转子线圈安培匝数足够高到确保转子芯磁场饱和并且在高气隙磁场中运行该机械。
所述跑道形线圈被延伸穿过铁芯转子体的拉杆支撑元件来支撑。驱动以及集电极轴被机械地固定到转子芯上。一圆柱形外壳电磁屏蔽地环绕在HTS线圈和铁芯转子体的周围。
与气芯转子相比，铁芯转子显著的降低了线圈绕组的安培匝、超导的使用以及成本。单跑道形HTS线圈替代了传统的复杂鞍形线圈。拉杆支撑向HTS线圈提供了直接支撑从而减少了在冷却以及离芯负载过程中加载在线圈上的应力。而且，线圈支撑系统也是处在与线圈相同的冷却温度下。
HTS线圈可以应用到原先为SC线圈设计的电机中。转子及其SC线圈是在其在发电机中的应用为例被说明的，但是HTS线圈转子以及线圈支撑系统也可以适用于其它同步机械。
在本发明的第一个实施例中的高功率密度同步机械包括：一个带有沿着真空圆柱形槽排列的常规定子线圈的定子；一个圆柱形磁饱和固态转子芯；一围绕转子芯延伸的跑道形型超导线圈绕组，以及一个穿过转子芯并且和线圈绕组的相对长边相连的线圈支撑。
在本发明的第二个实施例中的带有至少100MVA的旋转容量的高功率密度同步机械包括：一个带有按照环状排列并且形成真空转子槽的定子线圈的定子；一在转子芯相对边上带有一对平面部分并且沿着转子芯纵向延伸的磁饱和转子芯，以及一个沿转子芯的至少一部分延伸的超导线圈绕组，线圈绕组带有一对邻近转子芯平面部分的侧边部分。
附图说明
下面这些附图与下文的文字结合来说明本发明的实施例。
图1是带有一个超导转子与定子的同步电机的示意性侧视图；
图2是一个示意性的跑道形超导线圈绕组的透视图；
图3是一高温超导(HTS)转子部件的透视图。
具体实施方式
图1显示了一个示意性的带有定子12以及转子14的同步发电机10。该转子包括位于定子的圆柱形转子真空腔16内部的线圈绕组。定子包括常规定子线圈19。这些线圈在转子真空腔内呈环状排列。这些线圈之间通过用作结构支撑的非磁性齿填充的窄气隙彼此分隔开。因此定子被称为“气隙”定子。另外，为了提高定子线圈绕组内的磁通浓度，定子线圈绕组之间的空隙还可以被铁齿所填满。所述气隙定子以及带有铁齿的定子都是本领域公知的。
转子14嵌入到定子的转子真空腔16内。当转子在定子内转动的时候，当转子在定子内部转动的时候，转子和转子线圈运动/转动通过定子内部而产生磁场(由图中的点划线表示)18并且在定子线圈的线匝内产生电流。该电流由发电机作为电能输出。
转子14通常带有一纵向轴线20以及一个固体转子芯22。固态芯22带有高磁渗透性，通常是由铁磁性材料制成，例如铁。在高功率密度超导机器中，处于磁饱和状态的转子的铁芯被用来降低磁通势(MMF)，因此，使线圈绕组所需要的超导(SC)线数量最小化。例如，固态铁转子线圈可以在大约2特斯拉或更大的磁场强度下磁饱和。
转子14支撑至少一个纵向延伸的、跑道形的高温超导(HTS)线圈绕组34(参见图2)。这里说明了一个用于单跑道形SC线圈绕组的线圈支撑系统。该线圈支撑系统除了适用于被安装固体转子芯上的单跑道形线圈之外，也可以适用于其它的线圈构造，比如说多跑道形圈线圈构造。
转子芯被附加到转子芯上的端轴所支撑。该转子包括被轴承25所支撑的一个集电极端轴24以及一个驱动端轴30，所述端轴还可以被连接到外部设备上。集电极端轴24包括一个为SC线圈提供外部电连接的集电极环78。集电极端轴24还具有一个连接到用于冷却转子内SC线圈的冷却流体源上的冷却转换联轴器26。冷却转换联轴器26包括一个连接到冷却流体源上的固定部分以及向HTS线圈提供冷却流体的转动部分。驱动端轴30可以通过动力联轴器由动力涡轮机来驱动。
图2示意性显示了HTS跑道形线圈绕组34。转子的SC线圈绕组34包括一个高温超导(SC)线圈36。每一个SC线圈都包括高温超导导体，例如分层缠绕在固态环氧树脂浸渍线圈合成物上的BSCCO(BixSrxCaxCuxOx)导体。例如，一系列分层、相互结合并缠绕在一个固态环氧树脂浸渍线圈上的BSCCO2223线。
SC线是脆弱并且易于毁坏的。SC线圈通常是分层缠绕的浸渍环氧树脂的SC带。该SC带被缠绕在精密线圈上以便获得闭合尺寸公差。该带被缠到螺线管上以便形成跑道形SC线圈36。
跑道形线圈的尺寸取决于转子芯的尺寸。通常，每一个跑道形SC线圈都环绕转子芯的两个磁极，并且平行于转子轴线。线圈绕组持续环绕所述跑道。SC线圈在转子芯周围以及转子芯的磁极之间形成一个无电阻电流通道。线圈带有一个导电的将线圈连接到集电极78上的电触点114。
用于低温冷却流体的流体通道38被包括在线圈绕组34中。这些通道可以沿SC线圈36的外部周围延伸。这些通道将低温冷却流体提供到线圈并将热量从线圈转移走。这些冷却流体在SC线圈内保持维持包括线圈内没有电阻的超导条件所需的例如27°K这样的低温。冷却通道在转子芯的端部带有一个输入与输出流体口112。这些流体(气体)口112将SC线圈上的冷却通道38与冷却转换联轴器26连接在一起。
每一个HTS跑道形线圈绕组34都带有一对与转子轴线20平行的直边部分，以及一对与转子轴线垂直的端部54。线圈侧部承受最大离芯应力。因此，所述侧部由抵抗施加在线圈上的离心力的线圈支撑系统来支撑。
图3是显示转子芯22以及用于高温超导线圈绕组的线圈支撑系统的透视图。线圈支撑系统包括在其两端和U型线圈壳体相连的拉杆42。该线圈壳体壳体保持并且支撑转子内的线圈绕组38的侧边部34。图3显示了一个拉杆和线圈壳体，线圈支撑系统总体上包括一系列在端部和所述壳体相连的拉杆。拉杆以及线圈壳体防止了在转子运行过程中对线圈绕组的损坏，针对离心力以及其它外力支撑线圈绕组，并且为线圈绕组提供一个保护性的外壳。
铁芯转子内的HTS线圈绕组34上的主要负载来自于转子转动期间的离芯加速。必须为了抵抗离心力而提供一个有效的线圈结构支撑。尤其对于负担绝大部分离芯加速的线圈侧边部40来说，线圈支撑更加重要。为了支撑线圈的侧边部，拉杆42横跨在线圈的侧部之间并且连接线圈的相对侧边部。拉杆通过转子芯上诸如小孔这样的管道46延伸以便使得杆可以横跨在同一线圈的两个侧部之间或者是相邻的线圈。为了说明的目的，图3仅显示了杆42穿出线圈的部分。在实际当中，杆不会穿出线圈，而是紧挨着对着转子芯的线圈表面。
具有直轴线的转子芯上的管道46通常是圆柱形通道。管道的直径基本上是恒定的，除了接近转子的凹入表面的端部部分。在其端部，通道可能为了接纳一根提供一滑动轴承表面以及在转子芯以及拉杆之间保证热绝缘的圆柱形绝缘管52而其直径变大。一个止动螺母在通道46中保持管。
通道46的轴线通常位于由跑道形线圈所确定的平面内。另外，通道的轴线与线圈上连接到穿过通道的拉杆上的侧边部垂直。而且在这里所示的实施例中，通道与转子轴线垂直并且相交。通道的数量以及位置将取决于HTS线圈的位置以及支撑线圈侧部所需要的线圈壳体。
当拉杆大体上径向在线圈绕组之间延伸时，拉杆可以良好地针对离心力向线圈提供支撑。每一根拉杆都是沿杆长度方向连续并且位于跑道形线圈所在的平面内的轴。拉杆在长度方向上的连续提供了线圈的侧向刚度以及转子的动力补偿。另外，侧向刚度允许线圈支撑与线圈结合在一起，这样一来就可以在最终转子部件形成之前，使线圈被安装到位于转子芯上的线圈支撑上。线圈以及线圈支撑的预安装降低了产品周期，提高了线圈支撑的质量，并且降低了线圈部件的复杂性。跑道形线圈由一列横跨在线圈的长侧之间的拉力部件所支撑，拉杆线圈支撑部件被预安装到线圈上。
HTS线圈绕组以及结构支撑部件均处于冷却温度下。与之相反，转子芯处在一个环境“热”温度。线圈支撑是允许热量从转子芯到达HTS线圈的潜在的热传导源。在运行过程中转子芯会变热。由于线圈绕组将被保持在超冷条件下，禁止从转子芯向线圈进行热传导。拉杆延伸通过诸如通道这样位于转子上的小孔而不和转子接触。这样的不接触防止了从转子向拉杆以及线圈进行的热量传导。
为了降低从线圈向外的热量泄漏，线圈支撑应该最小化以便降低通过支撑从转子芯这样的热源向外的热量传导。通常有两类用于超导线圈的支撑：(i)“热”支撑(ii)“冷”支撑。在热支撑中，支撑结构与冷SC线圈热绝缘。当热支撑的时候，超导(SC)线圈的大多数机械负载由横跨在冷线圈以及热支撑元件之间的结构元件承受。
在冷支撑系统，支撑系统位于或是在SC线圈的低温下。在冷支撑时，SC线圈的大多数机械负载通过位于或接近低温的线圈支撑结构部件来承担。这里所说的示意生线圈支撑系统是冷支撑系统，其拉杆42、螺栓43以及相关的通道外壳44都保持在或者是接近低温。由于线圈支撑部件是冷的，例如，通过穿过转子芯的非接触生通道，这些元件和转子的其它“热”构件热绝缘。
一个单独支撑元件包括一个拉杆(可以是一根杆或是在杆的两端的一对螺栓)、一对线圈壳体44，以及将每一个壳体连接到拉杆的端部的接合销80。每一个线圈壳体44是一个带有将拉杆以及接收线圈绕组34的槽相连的腿部的U型托座。U型壳体保证用于线圈的支撑系统的精度以及便利装配。一系列的线圈壳体可以沿着线圈绕组的侧边端对端的布置。线圈壳体可以共同承担加载在每一个线圈上的整个侧壁40的诸如离心力这样的外力。
线圈壳体44防止了线圈侧边部40由于离心力而产生的过渡弯曲或挠曲。线圈支撑并不限制线圈在正常的蒸汽涡轮启动/停止操作中所引起的长度方向的膨胀或收缩。尤其是，热膨胀主要被定位于沿着边部的长度方向。这样一来，线圈的边部可以相对于通道外壳以及拉杆沿长度方向滑动。
U型壳体由在冷却温度下具有延性的轻质高强材料制造而成。通常的线圈壳体材料是铝、铬镍铁合金以及钛合金。为了重量轻和强度高，优化通道外壳的形状。
接合销80延伸穿过线圈壳体上的小孔以及拉杆。为了减轻重量，该接合销也可以是中空的。止动螺母(未显示)被拧入或是固定到接合销的端部以便定位壳体并防治壳体在外力的作用下离开侧壁。接合销可以由高强度的铬镍铁合金或铝合金制成。拉杆被制成在其端部具有两个平表面86的大直径端部的样子。
这些平表面的宽度与U型壳体以及线圈的宽度相适应。当拉杆、线圈以及壳体被装配到一起的时候，拉杆的平端部86紧邻HTS线圈34的内表面。这样的安装降低了接收接合销的拉杆孔上的应力集中。
由用于线圈长端的拉杆42以及线圈壳体44、用于线圈端部的一对对开夹58组成的线圈支撑系统和HTS线圈绕组34在被安装到转子芯22上的时候，所述线圈支撑系统可以和HTS线圈绕组34组装在一起。拉杆、通道壳体以及对开夹提供了用于支撑线圈绕组的一个非常稳定的结构并且相对于转子芯将线圈绕组保持在所在位置。
每一个拉杆42都穿过转子芯，并且可以垂直穿过转子轴线20。穿过转子芯上的通道46为穿过的拉杆提供了通道。通道垂直于转子轴线延伸并且沿着芯长度方向对称。通道46以及拉杆42的数量以及在转子芯上的布置及其相对位置是设计的选择问题。通道的直径要足够大，以便阻止通道的热的转子壁不接触冷拉杆。避免接触改善了拉杆和转子芯之间的热绝缘性能。
为了接收线圈绕组，转子芯带有一个凹入表面48，其可以是平面或三角形区域或狭槽。这些表面48形成于圆柱形芯的弯曲表面50内并且延伸穿过转子芯的长度方向。线圈绕组34被邻近所述凹入表面而安装在转子上。线圈通常沿着凹入表面的外表面的长度方向延伸并且环绕转子芯的端部。转子芯的凹入表面48接收线圈绕组。凹入表面的形状与线圈绕组的形状一致。例如，如果线圈绕组是鞍形或是其他形状，转子芯的凹入表面也被设置成可以接受绕组的外形的形状。
凹入表面48接收线圈绕组以便使线圈绕组的外表面延伸至大体上由转子转动所形成的外壳形状。在其转动的时候，转子芯的外弯曲面50形成了一个圆柱形外壳形状。该转子的转动外壳形状具有大体上与定子的真空转子腔16(参见图1)相同的直径。
由于转子不需要强制冷却，所以位于转子外壳形状与定子腔16之间由仅仅冷却定子所要求的强制冷却气流所需要的相对较小的空隙是一个相对小的间隙。位于转子与定子之间间隙内的磁场电磁地将转子线圈绕组与定子线圈耦合在一起并且直接冲击机械的功率密度。
通过将铁芯转子驱动到具备更高转子线圈磁通势的饱和磁场，机械1 0的功率密度可以被增加。例如，仅仅65英寸长的HTS线圈被设计适用于使用314000安培匝的转子线圈MMF的100MVA速度发电机，其中相同功率密度发电机要求常规铜转子长度应为128英寸，线圈MMF为204000安培匝。更进一步说，机械长度降低了50％导致设备尺寸下降35％。
线圈绕组34的端部54邻近转子芯的相对端56。转子中的线圈绕组的端部的每一个端都由一对开夹58所保持。在每一个线圈端54的对开夹都包括一对相对板60，在所述板60之间夹持线圈绕组34。对开夹的表面包括用来接收线圈绕组以及绕组上的接头112，114的槽。
对开夹58可以由非磁性材料制成，例如铝合金或铬镍铁合金。相同或类似的非磁性材料可以用来制造拉杆、通道壳体以及其他线圈支撑系统的部件。由于铁磁性材料在居里转变温度之下会变脆，而不能作为承担荷载的结构，所以线圈支撑系统最好由能够在冷却温度下保持延性的非磁性材料制成。
对开夹58被轴环62环绕，但是不和该轴环接触。端轴24、30包括连接到转子芯22的一端上的轴环62。轴环是由非磁性材料制成的一个厚盘，例如不锈钢这样与转子端轴相同或类似的材料。轴环上带有一个与转子轴线垂直的槽64，该槽很宽，足够供对开夹穿过并且没入的宽度。轴环上的热侧壁66与冷对开夹彼此分开从而使其不能相互接触。
轴环62可以带有一个用来接收转子芯的上升盘区70(如图所示，用于上升盘区域的转子芯的相对端被插入相对的轴环)的凹入盘区域68(由槽64所分割)。将转子芯端部56的上升盘区域插入到凹入盘区域68中为转子芯在轴环中提供了支撑并且协助将转子芯以及轴环排成一条线。另外，轴环还可以带有一些沿着轴环的纵向方向延伸并且位于环周边的环状螺栓孔72。这些螺栓孔与部分延伸进入转子芯的螺栓孔74相对应。螺栓75延伸穿过这些纵向方向的螺栓孔72、74并且将轴环固定到转子芯上。
转子芯还可以被嵌入到一个金属圆柱形罩(未显示)内从而保护超导线圈绕组34不受环绕在转子周围的涡流以及其他电流的影响，同时提供一个真空外壳以便在转子的低温部件的周边形成一个坚固的真空。圆柱形罩可以由高导电性材料制造，诸如铜合金或铝。SC线圈绕组34被置于真空中。真空可以由罩所形成，该罩包括一个在线圈以及转子芯的周围形成真空的不锈钢圆柱形层。
尽管本发明已经参照上面所述的最佳实施例被说明，本发明也不能被限制在上述实施例所述的范围之内，而是根据后面的权利要求的精神覆盖所有的实施例。

Claims (19)

1、一种同步电机，包括：
一个带有环绕在真空圆柱形槽的呈环状排列的定子线圈的定子；
一个具有一转子芯轴线的圆柱形磁性固体转子芯；
一个被安装在转子芯上的超导线圈，其具有平行于所述转子芯轴线的相对长边部分；以及
延伸穿过转子芯并且伸到超导线圈的相对长边部分的线圈支撑，该线圈支撑包括一个通过转子芯的管道的拉杆，该拉杆连接于超导线圈的相对长边部分并且该拉杆与该管道间隔开并脱离接触，以使超导线圈和转子芯热绝缘。
2、如权利要求1所述的同步电机，其特征在于，所述的固体转子芯是磁饱和的。
3、如权利要求1所述的同步电机，其特征在于，定子是气隙定子，所述固体转子芯是磁饱和的。
4、如权利要求1所述的同步电机，其特征在于，还进一步包括轴向安装到所述转子芯上的转子端轴。
5、如权利要求4所述的同步电机，其特征在于，所述端轴是由非磁性材料组成。
6、如权利要求5所述的同步电机，其特征在于，所述端轴是由不锈钢制成的。
7、如权利要求4所述的同步电机，其特征在于，所述端轴的一个端轴是带有集电极环以及低温流体接口的集电极端轴。
8、如权利要求1所述的同步电机，其特征在于，转子芯是由固态磁性铁锻制的并保持在一个环境温度或在环境温度之上。
9、如权利要求1所述的同步电机，其特征在于，位于定子线圈与转子之间的空气间隙被最小化到满足定子冷却的程度。
10、一种带有至少100MVA的转动容量的同步电机，包括：
一个带有环绕在真空圆柱形槽的呈环状排列的定子线圈的定子；
一个带有位于芯的相对侧并且沿芯长度方向延伸的平面部分的圆柱形磁性固体转子芯；
一个沿转子芯的至少一部分延伸的超导线圈，所述超导线圈带有一对邻近所述转子芯平面部分的侧边部分；以及
一个线圈支撑，该线圈支撑包括一个通过转子芯的管道的拉杆，该拉杆连接于超导线圈的侧边部分并且该拉杆与该管道间隔开并脱离接触，以使所述转子芯和所述超导线圈热绝缘。
11、一种如权利要求10所述的同步电机，其特征在于，还进一步包括：
一自转子芯的第一端轴向伸出的第一端轴，以及
一自转子芯的第二端轴向伸出的第二端轴。
12、如权利要求11所述的同步电机，其特征在于，所述两个端轴由非磁性材料制成。
13、如权利要求11所述的同步电机，其特征在于，所述两个端轴由不锈钢制成。
14、如权利要求10所述的同步电机，其特征在于，转子芯是固态磁铁锻制的。
15、如权利要求10所述的同步电机，其特征在于，所述超导线圈是跑道形状的。
16、如权利要求11所述的同步电机，其特征在于，所述两个端轴中的一个端轴是带有集电极环和低温流体接口的集电极端轴。
17、如权利要求10所述的同步电机，其特征在于，转子芯是磁饱和的并处于一个至少和一个环境温度一样热的温度。
18、如权利要求10所述的同步电机，其特征在于，所述超导线圈具有一线圈支撑，其附着于所述一对侧边部分的每一部分，并从所述一对平面部分的一部分伸过转子芯到一对平面部分的另一部分。
19、如权利要求10所述的同步电机，其特征在于，还进一步包括一个环绕在转子芯以及超导线圈外部的导体外壳。
CNB021251150A 2001-05-15 2002-05-15 一种高功率密度的超导电机 Expired - Fee Related CN100350727C (zh)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US09/854,944 US6590308B2 (en) 2001-05-15 2001-05-15 High power density super-conducting electric machine
US09/854944 2001-05-15

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN1387302A CN1387302A (zh) 2002-12-25
CN100350727C true CN100350727C (zh) 2007-11-21

Family

ID=25319949

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CNB021251150A Expired - Fee Related CN100350727C (zh) 2001-05-15 2002-05-15 一种高功率密度的超导电机

Country Status (11)

Country Link
US (1) US6590308B2 (zh)
EP (1) EP1258974A3 (zh)
JP (1) JP4111744B2 (zh)
KR (1) KR100902432B1 (zh)
CN (1) CN100350727C (zh)
BR (1) BR0201803A (zh)
CA (1) CA2384574C (zh)
CZ (1) CZ20021676A3 (zh)
MX (1) MXPA02004834A (zh)
NO (1) NO331269B1 (zh)
PL (1) PL353906A1 (zh)

Families Citing this family (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6693504B1 (en) * 2000-01-11 2004-02-17 American Superconductor Corporation Internal support for superconductor windings
US6795720B2 (en) * 2001-08-24 2004-09-21 General Electric Company High temperature superconducting synchronous rotor coil having multi-piece rotor core
US6794792B2 (en) * 2002-11-13 2004-09-21 General Electric Company Cold structural enclosure for multi-pole rotor having super-conducting field coil windings.
DE10303307B4 (de) * 2003-01-28 2010-12-30 Siemens Ag Maschine mit einem Rotor und einer supraleltenden Rotorwicklung
KR101016482B1 (ko) * 2010-06-08 2011-02-22 곽성철 치약 포장용 박스
DE102010041456A1 (de) * 2010-09-27 2012-03-29 Siemens Aktiengesellschaft Rotor für eine elektrische Maschine
US10224799B2 (en) 2012-10-08 2019-03-05 General Electric Company Cooling assembly for electrical machines and methods of assembling the same
US9570220B2 (en) 2012-10-08 2017-02-14 General Electric Company Remote actuated cryocooler for superconducting generator and method of assembling the same
DE102018215917A1 (de) * 2018-08-21 2020-02-27 Siemens Aktiengesellschaft Rotor mit Rotorwicklung für Betrieb im Dauerstrommodus
WO2021006881A1 (en) * 2019-07-09 2021-01-14 General Electric Company Supperconducting generator including vacuum vessel made of magnetic material

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR1467449A (fr) * 1966-02-04 1967-01-27 Siemens Ag Dispositif pour immobiliser à l'intérieur d'une gaine un enroulement supraconducteur entouré d'un calorifuge
US4277697A (en) * 1979-01-15 1981-07-07 Norlin Industries, Inc. Duty cycle control apparatus

Family Cites Families (23)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4277705A (en) * 1977-09-02 1981-07-07 Electric Power Research Institute Method and apparatus for cooling a winding in the rotor of an electrical machine
JPS58119764A (ja) * 1982-01-12 1983-07-16 Fuji Electric Corp Res & Dev Ltd 超電導界磁線輪装置
JPS58130769A (ja) * 1982-01-26 1983-08-04 Hitachi Ltd 鞍形超電導界磁巻線の製造方法
JPH02294248A (ja) * 1989-04-04 1990-12-05 Vses N I Proekt Konstr Tech Inst Vzryv 回転子冷却用遠心伝熱管を有する電気機械
JPH06181168A (ja) * 1992-12-14 1994-06-28 Nikon Corp 位置合わせ方法
US5531015A (en) 1994-01-28 1996-07-02 American Superconductor Corporation Method of making superconducting wind-and-react coils
JPH07335422A (ja) * 1994-06-10 1995-12-22 Hitachi Ltd 超電導装置用電流リード
US5548168A (en) * 1994-06-29 1996-08-20 General Electric Company Superconducting rotor for an electrical machine
US5625548A (en) 1994-08-10 1997-04-29 American Superconductor Corporation Control circuit for cryogenically-cooled power electronics employed in power conversion systems
US5532663A (en) 1995-03-13 1996-07-02 General Electric Company Support structure for a superconducting coil
US5672921A (en) 1995-03-13 1997-09-30 General Electric Company Superconducting field winding assemblage for an electrical machine
US5777420A (en) * 1996-07-16 1998-07-07 American Superconductor Corporation Superconducting synchronous motor construction
US6173577B1 (en) 1996-08-16 2001-01-16 American Superconductor Corporation Methods and apparatus for cooling systems for cryogenic power conversion electronics
US5774032A (en) 1996-08-23 1998-06-30 General Electric Company Cooling arrangement for a superconducting coil
US6066906A (en) * 1999-02-17 2000-05-23 American Superconductor Corporation Rotating machine having superconducting windings
US6140719A (en) 1999-02-17 2000-10-31 American Superconductor Corporation High temperature superconducting rotor for a synchronous machine
KR100310631B1 (ko) * 1999-03-12 2001-10-17 윤문수 발전기 및 모터용 초전도 로터
US7211919B2 (en) 1999-08-16 2007-05-01 American Superconductor Corporation Thermally-conductive stator support structure
US6169353B1 (en) * 1999-09-28 2001-01-02 Reliance Electric Technologies, Llc Method for manufacturing a rotor having superconducting coils
KR20000000366A (ko) * 1999-10-15 2000-01-15 이영복 초전도 전자석을 이용한 동력발생장치
US6879081B1 (en) 2000-08-04 2005-04-12 American Superconductor Corporation Stator coil assembly for superconducting rotating machines
US6693504B1 (en) 2000-01-11 2004-02-17 American Superconductor Corporation Internal support for superconductor windings
US6664672B2 (en) 2001-07-13 2003-12-16 American Superconductor Corporation Enhancement of stator leakage inductance in air-core machines

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR1467449A (fr) * 1966-02-04 1967-01-27 Siemens Ag Dispositif pour immobiliser à l'intérieur d'une gaine un enroulement supraconducteur entouré d'un calorifuge
US4277697A (en) * 1979-01-15 1981-07-07 Norlin Industries, Inc. Duty cycle control apparatus

Also Published As

Publication number Publication date
MXPA02004834A (es) 2004-12-13
US6590308B2 (en) 2003-07-08
NO20022304L (no) 2002-11-18
CA2384574A1 (en) 2002-11-15
CZ20021676A3 (cs) 2003-02-12
CN1387302A (zh) 2002-12-25
KR20020087350A (ko) 2002-11-22
PL353906A1 (en) 2002-11-18
KR100902432B1 (ko) 2009-06-11
NO20022304D0 (no) 2002-05-14
EP1258974A2 (en) 2002-11-20
BR0201803A (pt) 2003-03-11
EP1258974A3 (en) 2004-08-04
JP4111744B2 (ja) 2008-07-02
US20020171322A1 (en) 2002-11-21
CA2384574C (en) 2009-12-15
JP2003032999A (ja) 2003-01-31
NO331269B1 (no) 2011-11-14

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN1303746C (zh) 具有电磁屏蔽的高温超导同步转子及用于装配的方法
CN100338859C (zh) 位于同步电机的转子和低温冷却流体源之间的冷却流体连接器
CN101005234B (zh) 圆筒型电机
EP1282220A2 (en) A rotor with a super-conducting coil support and a method for supporting a super-conducting rotor coil
CN100338858C (zh) 带有拼合线圈壳体的高温超导转子线圈支撑体和安装方法
CN100483901C (zh) 同步电机转子和在转子芯上支撑高温超导线圈绕组的方法
CN100350727C (zh) 一种高功率密度的超导电机
CN1330080C (zh) 一种具有转子和多个超导励磁线圈绕组的超导同步电机
CN1316722C (zh) 带有拉杆的高温超导同步转子线圈支承结构及其组装方法
CN100483902C (zh) 用于同步机的转子和组装该转子的方法
CN100492827C (zh) 同步电机的转子和用于支撑其上的超导线圈绕组的方法

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant
C17 Cessation of patent right
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee

Granted publication date: 20071121

Termination date: 20140515