CN101005234A - 圆筒型电机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种改进的同步圆筒型电机，包括：径向外部部件(2)，其具有基本为圆柱形的内表面；径向内部部件(5)，其基本为圆柱形并且同轴地设置在外部部件(2)的内部，使得内部部件(5)可以沿轴向相对于外部部件(2)往复运动。多个轴向间隔的圆周电枢线圈(1)彼此电绝缘并且形成为外部部件(2)和内部部件(5)之一的一部分。多个轴向间隔的圆周超导线圈(4)形成为外部部件(2)和内部部件(5)中另一个的一部分。在所述圆筒型电机的工作过程中，每个超导线圈(4)保持在超导状态，并且电流以这样的方式供应给每个超导线圈(4)，即围绕每个线圈的电流流动的方向与围绕轴向相邻线圈的电流流动的方向相反。

Description

圆筒型电机
技术领域
本发明涉及圆筒型电机，特别是涉及适合用作直接驱动式发电机或直线电动机的圆筒型电机。
背景技术
众所周知的是，利用直线电机作为将通常为往复运动的直线运动输入转变为电力的发电机，或者作为从电源产生直线运动的电动机。大多数直线机器(以下又称为“直线电机”)使用平面布置，该布置基于将常规旋转电机分开以形成平面的工作方式。这种布置的一个缺陷在于，运动的平面部件的机械支撑可能非常复杂。另一个缺陷在于，与旋转电机一样，平面直线电机通常包括对于机电能量转换过程没有帮助的端绕组。
圆筒型电机也为人公知，并且按照与这些直线电机基本上相同的方式工作。圆筒型电机可以认为是这样的直线电机，其被包起来，使得先前的直线电机的平面部件中的线圈成为圆形，因此不包括端绕组。圆筒型结构具有另外的益处，即，这些机器本质上很坚固，并且其机械支撑比常规直线电机的机械支撑简单得多。基于永磁体的圆筒型机器(以下又称为“圆筒型电机”)可以以两种方式之一构成。电枢绕组的圆形线圈可以形成于槽中，该槽设置在径向内部部件的基本为圆柱形的外表面中，该内部部件由径向外部圆筒型部件包围，该圆筒型部件具有包含多排永磁体的基本为圆柱形的内表面。在美国专利6787944中描述了以这种方式使用永磁体的圆筒型电机。作为选择，该多排永磁体可以置于径向内部部件的基本为圆柱形的外表面中，而电枢绕组的线圈可以形成于径向外部部件的基本为圆柱形的内表面中的槽中。在两种情况下，当使用圆筒型电机时，通常是外部部件保持静止而内部部件相对于外部部件往复运动。也可以出现相反的情况，但是这种相反的情况通常更少见，因为对于以这种方式工作的圆筒型电机更难以实现机械支撑。圆筒型电机也可以为感应式或磁阻式的带有缠绕励磁线圈的实心凸极同步电机，它们可以按照与使用永磁体的圆筒型电机相同的方式构成。
常规圆筒型电机的构造和工作存在几个问题。首先，包括电枢绕组的部件(根据圆筒型电机的具体结构，可以为径向外部部件或径向内部部件)通常由磁性材料诸如铁等构成。在大型圆筒型电机中，与设计用于将波能转换为电能的机器一样，磁性部件中涡电流的形成是主要问题，该问题只能通过利用昂贵并时常低效的非晶磁性材料或者昂贵的制造过程来解决。已经提出针对不使用磁性材料的永磁圆筒型电机的设计，但是目前这些设计的功率因数和效率较低。
另一个问题在于现有永磁圆筒型电机的峰均功率比。因为这些机器中的各种电磁限制，其峰均功率比通常小于3∶2。这意味着，圆筒型电机不得不几乎针对峰值功率进行电磁设计，并且不存在很大的短时过载能力。尤其在诸如采用波能发电等应用场合中这是一个问题，这是因为在该场合中峰均功率比通常非常高。
已经提出几种针对超导旋转电机的设计。当前对于大型超导旋转电机的设计主要是采用超导激励绕组和常规或非超导电枢绕组的常规同步电机布置，这在欧洲专利申请1247325中得到披露。可以使这种超导同步旋转电机比具有相同额定功率的常规同步旋转电机小得多。这是因为通过超导激励绕组可以实现非常高的电流密度，因此可以实现较高的磁通密度。
发明内容
本发明提供一种圆筒型电机，包括：径向外部部件，其具有基本为圆柱形的内表面；径向内部部件，其同轴地设置在所述外部部件的内部，使得所述内部部件可以沿轴向相对于所述外部部件往复运动；多个轴向间隔的电枢线圈，其彼此电绝缘并且形成为所述外部部件和内部部件之一的一部分；以及多个轴向间隔的超导线圈，其形成为所述外部部件和内部部件中另一个的一部分；其中，在所述圆筒型电机的工作过程中，每个超导线圈保持在超导状态，并且电流以这样的方式供应给每个超导线圈，即围绕每个线圈的电流流动的方向与围绕轴向相邻的一个或多个线圈的电流流动的方向相反。
超导线圈可以产生的强磁场可以用于克服常规圆筒型电机中碰到的一些问题。此外，因为超导线圈可以产生较高的场密度，根据本发明的圆筒型电机可以比相同额定功率的永磁圆筒型电机小很多。
超导线圈所产生的高场密度还意味着可以使包括电枢线圈的部件(即，根据圆筒型电机的具体结构，为径向内部部件或径向外部部件)基本上不使用磁性材料。这导致圆筒型电机具有较低的电抗，于是可以提供大大提高的短时过载能力。例如，在根据本发明的圆筒型电机中，如果使包括电枢线圈的部件基本上不使用磁性材料，那么过载能力可以为该额定功率的机器的六倍至十倍，甚至更高倍数。采用这种整体非磁性的部件可以构造具有整功率因数的大AC圆筒型电机。这完全消除了与常规圆筒型电机的磁性材料中产生涡电流相关的问题。可以使用任何合适的非磁性材料，但是优选的是使用低成本材料诸如混凝土等，因为这可以大大降低机器的总成本。诸如混凝土等材料还通过将热量传导远离电枢线圈而有助于使电枢线圈保持在合适的工作温度。
如果物理尺寸是比成本更重要的因素，那么通过将电枢线圈包含在具有与电枢线圈相邻的磁性部分的部件中，可以获得更小的圆筒型电机。在该情况下，必须采取本领域的技术人员所公知的合适的方法来控制涡电流。然而，以这种方式构造的圆筒型电机比具有相同额定功率的常规圆筒型电机小得多。
为了提高支撑电枢线圈的部件的机械刚度，优选的是，电枢线圈通过间隔件沿轴向彼此隔开。这些间隔件优选为非磁性的，并且具有低导电性。例如，间隔件可以基本上由玻纤增强的环氧类材料构成。可以在这些间隔件内部沿轴向放置高导热性材料构成的棒。然而，可以理解，对于根据本发明的圆筒型电机的工作，这些间隔件并非是必需的，并且还可以使用彼此直接轴向相邻的电枢线圈。
如果为了提供改进的将热量传导远离电枢线圈的性能而将电枢线圈形成于外部部件中，优选的是具有这样的间隔件，即其基本上由非磁性并且低导电性的材料构成但是包括多个径向延伸而周向间隔的高导热棒。所述棒可以具有与间隔件基本相同的长度。作为选择，为了提供改进的热传导性能，优选的是，所述棒伸出间隔件的外表面并且伸入外部部件的本体中。在这种情况下，所述棒的准确长度及其伸入外部部件本体中的程度将取决于设计因素，诸如外部部件的厚度以及每个具体机器中所需的电枢线圈的冷却程度。所述棒可以由导电性材料例如低碳钢构成，只要所述棒具有合适的形状和较小的横截面并且彼此电绝缘就可以。由于所述棒沿径向排列，这确保不会在所述棒中形成大的涡电流。例如，如果所述棒由钢构成，那么所述棒可以具有直径在0.5mm至5mm之间的圆形横截面。作为选择，所述棒可以具有矩形横截面，横截面的各边的长度在0.5mm至5mm之间。然而，可以理解，上面所述仅仅是作为例子，导电棒可以具有不会在每根棒中形成较大涡电流的尺寸合适的任何横截面形状。
每个超导线圈优选由至少一圈超导材料构成。超导材料可以为低温超导(LTS)线，或者更优选的是，为高温超导(HTS)线、电缆或带。LTS线包括通常具有大约4.2K工作温度的Nb3Sn和NbTi线。
HTS材料包括金属基细丝(Bi，Pb)2Sr2Ca2Cu3O10构成的线和带制成的超导电缆和带。该材料具有110K的超导温度(Tc)。与其它HTS材料一样，该材料具有由夹在绝缘离子块之间的铜-氧离子面构成的晶格结构。因此，超电流限于二维流动，这意味着HTS材料的电特性和磁特性可以决定于其关于电场或磁场的取向。可以获得上述BSCCO-2223HTS材料的一个制造商是AmericanSuperconductor(AMSC)，HTS Wire Manufacturing Facility of JacksonTechnology Park，64 Jackson Road，Devens，Massachusetts 01434-4020，United States of America。容易认识到，这些超导材料仅仅是作为例子提供。性能大大改进的第二代涂覆超导线正在进行开发，并且取决于成本，这些线的使用可能是优选的。第二代超导材料的例子包括正在由American Superconductor(AMSC)开发的YBCO(YBA2Cu3O7-δ)、正在由HTS R&D Department of Sumitomo Electric，1-1-3 Shimaya，Konohana-ku，Osaka 554-0024，Japan开发的HoBCO(HoBa2Cu3O7-x)。
根据圆筒型电机的物理尺寸以及期望功率，可以使每个单独的超导线圈由多个子线圈构成，每个子线圈由多圈超导材料构成并且每圈中的电流朝着相同的方向流动。在线圈之间以及每个线圈的内部还可以存在支撑结构。如果线圈为HTS线圈，那么优选的是，每个线圈由多个单独的饼形超导子线圈构成，这些子线圈与形成于子线圈之间的支撑结构一起层叠并连接。在欧洲专利EP1212760中公开了可以应用于本申请的跑道形线圈的内部支撑方法。
至少必须有两个超导线圈，但是圆筒型电机中使用的超导线圈的总数量由诸如机器的期望额定功率、尺寸以及成本等设计因素确定。在使用中，为每个超导线圈供应电流，该电流的流动方向与供应给与该线圈轴向相邻并隔开的一个或多个超导线圈的电流的流动方向相反。这具有如下效果，即，促使相反的电流之间的轴向间隙中的磁通量朝着径向，从而在这些间隙中的超导线圈之间产生交替的北极和南极。如果存在两个以上的超导线圈，那么优选的是，端线圈具有围绕其流动的不同的总电流(安培匝)，以便于保持沿着包括超导线圈的整个轴向长度的场密度一致。这可以通过如下方法实现，即，为端线圈供应不同的电流，或者改变构成每个端线圈的圈数。此外，为了确保每个超导线圈的准确的电流供应，优选的是，全部线圈电连接在一起，以形成单个超导绕组。
为了给超导线圈所产生的磁场提供低阻磁通路径，包括超导线圈的部件(根据圆筒型电机的具体结构，可以为径向外部部件或径向内部部件)优选基本上由磁性材料构成。如果超导线圈包括在圆筒型电机的外部部件中，那么外部部件可能至少包括磁性材料的环状物。例如，如果外部部件为具有基本为圆柱形的内外表面的管，那么整个外部部件可以由磁性材料制造。作为选择，如果超导线圈包括在内部部件中，那么内部部件将优选至少包括磁性材料的支撑件。所使用的磁性材料决定于包括超导线圈的部件的工作温度和应力。因为当圆筒型电机工作时该部件中的通量为DC，因此磁性材料可以处于基本磁饱和的状态中，而不导致任何额外的损失。此外，如果期望减小超导线的数量，可以通过提供更多的磁性材料来减小饱和量。包括超导线圈的部件的轴向长度上的外表面还优选由高导电性金属诸如铜或铝等构成的衬套围绕。这种衬套将形成涡电流的低阻通路，从而屏蔽超导线圈免遭电枢线圈中的谐波和负荷变化引起的AC磁通量。
超导线圈优选由低温冷却系统保持在其工作温度。这是这样一种冷却系统，其将圆筒型电机的特定部件保持在超导线圈所需的特定低温工作温度。低温冷却系统可以为闭环系统并且超导线圈可以封闭在该系统内部的低温保持器中。该系统的结构以及所使用的冷却剂取决于每个圆筒型电机的具体设计、是使用HTS线圈或是使用LTS线圈以及线圈的最佳工作温度。
在该圆筒型电机中，低温冷却系统需要与包括超导线圈的部件一起往复运动，因此，如果往复运动所产生的力处于合理的可接受范围内，就可以使用Gifford McMahon或Stirling循环冷却器。例如，如果圆筒型电机为用于转换波能的发电机，那么在几米的行程中运动部件的峰值速度为大约2至3m/s。这些低温冷却器很容易承受这种力。然而，如果低温冷却系统承受往复运动所产生的很大的力，那么脉冲管冷却器将用作额外的支撑。上述低温冷却器仅仅作为例子提供，本领域的技术人员可以知道很多其它的低温冷却系统。
如果超导线圈由HTS材料构成，那么低温冷却系统中使用的冷却剂将取决于线圈的最佳工作温度。如果超导线圈的工作温度在30至40K的范围内，那么可以使用气态氦，因为这适于5至77K的温度。作为选择，使用氖的相变系统可以用于工作温度接近氖沸点(27K)的超导线圈。对于更高温度的超导线圈，即工作温度为65至77K的超导线圈，更适合使用液氮作为冷却剂。如果超导线圈由LTS材料构成，那么需要使用4.2K的液氦，在这种情况下，需要特定的液氦低温冷却系统。这些冷却剂仅仅是作为例子提供，可以认识到，本领域的技术人员能够应用自身的知识选择本发明的低温冷却系统。
低温冷却系统还可以用于冷却包括超导线圈的部件的至少一部分。优选的是，如果超导线圈由HTS材料构成，那么包括超导线圈的部件的一部分由磁性材料构成，该磁性材料在HTS材料的工作温度下具有合适的机械特性。用于包括超导线圈的部件的合适的磁性材料的例子为9％镍铁，如“Magnetic Properties of 9％Nickel Steel atRoom and Cryogenic Temperatures”by H.Brechna，SLAC TechnicalNote TN-65-87，Stanford Linear Accelerator Center，StanfordUniversity，Stanford，California，(1965)所述，该材料在低温下具有优良的机械特性和磁特性。镍比例更高的镍铁合金也适用，但是由于镍是昂贵的合金元素，通常优选的是，使镍含量为最低。
包括超导线圈的部件的至少一部分的冷却使得超导线圈能够更接近磁性材料，这将减小超导线圈所产生磁场的磁阻磁通路径。如果超导线圈安装在圆筒型电机的内部部件上，那么该结构可以通过如下方式而实现，即，使包括超导线圈的轴向长度上的内部部件基本上由9％镍铁构成，并且通过将整个内部部件(包括超导线圈)封闭在低温保持器中而将内部部件的温度保持在低温温度。使用被冷却的磁性材料的优势在于降低实现电枢线圈中所需的磁通密度而需要的HTS材料的数量。
作为选择，低温冷却系统可以用于仅仅将超导线圈保持在其工作温度，并且在这种情况下，线圈可以通过低温保持器或其它热屏障而与圆筒型电机的部件绝热。优选的是，包括超导线圈的部件由在超导线圈的工作温度下具有不充分的材料特性的材料构成。这意味着可以使用在低温下不具有合适特性的低成本磁性材料。这种材料的例子是低碳钢。
目前，在低温下具有合适特性的磁性材料非常昂贵。因此，关于是使用与超导线圈直接接触并且保持在低温下的部件还是使用绝热的热部件的选择主要是一个成本问题。目前的HTS材料较昂贵，因此通过使用冷部件而使构成超导线圈所需的HTS材料的长度最小是节省成本的。然而，可以想到，合适的HTS材料的成本在将来会降低，那时采用与超导线圈绝热的低碳钢部件构成根据本发明的圆筒型电机将成本更低。
每个电枢线圈优选由绞合导线构成并且包括一系列一圈或多圈导线的圆形线圈，并且与超导线圈同心地布置。为了避免电枢线圈中的涡电流损失，优选的是，每个线圈由多圈完全换位的绞合导体诸如漆包绞合线等构成，该导体可以基本上由例如铜构成。
各个电枢线圈优选地互连，从而形成一个或多个电枢绕组。例如，线圈可以连接，以形成一个或多个三相AC绕组。然而，也可以采用很多其它的连接方式，可以理解，本领域的技术人员很熟悉这些连接方式。
根据本发明的圆筒型电机包括分离的超导(或场)绕组和电枢绕组，在稳态条件下，机械运动可以为这样的，即，每个绕组中产生的磁场为同步的。换句话说，圆筒型电机优选为同步圆筒型电机。容易认识到，根据机器结构和期望的用途，根据本发明的圆筒型电机可以作为交流(AC)或直流(DC)电机工作。
圆筒型电机的外部部件的外表面优选的是基本为圆柱形。这为圆筒型电机提供了源自其整体圆筒型形状的固有的机械强度和刚度，使得该圆筒型电机可以更好地承受在其工作时作用于自身上的力。如果电枢线圈容纳在外部部件中，这种结构还有助于冷却电枢线圈。
通常优选的是，外部部件保持静止并且内部部件相对于外部部件进行往复运动。这是因为对以这种方式工作的圆筒型电机提供机械支撑通常容易得多。当然，也可以使内部部件保持静止，并且外部部件相对于内部部件进行往复运动。
如果该圆筒型电机以外部部件保持静止的方式工作，那么优选的是，电枢线圈形成为外部部件的一部分，并且超导线圈形成为内部部件的一部分。采用这种结构，与电枢线圈相连的主电源电路连接不需要运动，并且电枢线圈的冷却容易得多。然而，用于超导线圈的任何低温冷却系统和激励器将需要与内部部件一起移动。优选的是，通过软电缆从与内部部件连接的远距离电源为低温冷却系统和激励器供电。超导线圈所产生的磁场也将相对于圆筒型电机的外部部件和周围结构往复运动。因此，如果圆筒型电机的外部部件基本为非磁性的，那么杂散磁通量可能会逸出该机器。这确实是不令人期望的，因为逸出的杂散磁通量将相对于周围结构运动。解决杂散磁通量问题的一个方法是，为外部部件提供电磁屏蔽件。这种屏蔽件不必围绕外部部件的外周为连续的，因为杂散磁通量的主方向是圆筒型电机的轴向和径向。实际上，使屏蔽件沿周向不连续存在技术上的优势，因为那将有助于涡电流的流动并且引起涡电流损失。屏蔽件的一种优选布置方式是围绕外部部件的外表面安装多个磁性材料的板，使得每个板与外部部件的轴线共面。这些板可以围绕该外表面规则地间隔，并且优选彼此隔开。这些板径向伸入外部部件中。这些板可以由任何合适的磁性材料构成，但是优选由钢构成。
为了获得另外的益处，形成电磁屏蔽件的板可以从外部部件的外表面伸出(或者，可选地，伸出外部部件的非磁性区域)，从而用作电枢线圈的冷却鳍。电磁屏蔽件中使用的板的厚度以及围绕外部部件设置的板的数量为这样，即当圆筒型电机工作时，板不是磁饱和的。另一方面，这些板必须薄至足以具有可接受的涡电流损失。因此，根据圆筒型电机的精确设计，可以使用一定范围的板厚。
可选的优选屏蔽件布置方式是在外部部件中形成多个轴向金属增强的棒，这种布置更容易构成，但是不能为机器提供冷却。优选的是，针对每个具体的机器，将棒的数量、直径、形状和位置作为电磁设计过程的一部分进行优化。可以理解，本领域的技术人员将容易得知其它的屏蔽结构。可以想到，通过将合适的电磁屏蔽件添加到圆筒型电机中，可以使电力输出提高大约10％，否则该圆筒型电机将遭受杂散磁通量损失。
如果超导线圈形成于外部部件中，而电枢线圈形成于内部部件中，如果外部部件保持静止，那么可以消除杂散磁通量逸出圆筒型电机的问题，因为超导线圈相对于圆筒型电机的周围结构一直保持静止。用于超导线圈的低温冷却系统和激励器也将保持静止，因此它们的结构将简单得多。然而，以这种方式构成的圆筒型电机的主要缺陷在于，电枢线圈的主电源连接将不得不与内部部件一起运动，并且从电枢线圈散热将更困难。
在根据本发明的圆筒型电机的构造中，外部部件与内部部件的相对长度是另一个重要的考虑因素。这一事项由如下因素确定，即，外部部件和内部部件的支撑、机器中所需的超导线的数量、机器功率以及行程长度。目前，超导线圈及其相关的低温冷却系统是圆筒型电机中最昂贵的部件，因此优选的是，使超导线圈的数量最少。这可以通过如下方式实现，即，使包括超导线圈的轴向长度最小或者增加超导线圈的间距。然而，可以认识到，将来超导材料的成本将降低，那时可能更优选具有更多超导线圈。在本发明的优选方面中，内部部件的轴向长度为外部部件的轴向长度的大约两倍。
重要的是，内部部件和外部部件被相对于彼此支撑，使得其中之一相对于另一个进行自由地轴向运动，使得优选具有最小的机械摩擦和轴承结构。例如，如果一个部件保持静止并且比另一个部件长很多，那么滑动轴承或滚动轴承可以形成于外部部件的内表面或内部部件的外表面中之一，并且协作性的轴承轨道可以形成于相向的表面上。然而，容易理解，内部部件与外部部件之间的轴承可以由熟悉常规同步圆筒型电机中所使用的轴承种类的技术人员所了解的多种其它方式形成。
根据本发明的圆筒型电机可以用于多种用途。然而，由于需要对冷部件进行绝热，因此，这些机器最好用于其中超导线圈的直径通常为200mm或更大的大型应用场合。特别优选的应用实例是用于在离岸位置从波能发电的发电机。同样可以应用于大型往复运动电动机。
附图说明
图1是根据本发明的圆筒型电机第一实施例的剖切视图；
图2是图1所示圆筒型电机的放大图；
图3示出图1所示圆筒型电机的间隔件的局部周边部分的放大图；
图4示出图1所示圆筒型电机的内部部件；
图5示出图4所示内部部件，其中移除低温保持器壁和屏蔽件；
图6是图4所示内部部件的剖切视图；
图7示出当图1所示圆筒型电机在使用时超导线圈周围磁场的示意图；
图8是根据本发明的圆筒型电机第二实施例的剖切视图；
图9示出根据本发明的圆筒型电机第三优选实施例的剖切视图；
图10是穿过根据本发明的圆筒型电机第四优选实施例的内部部件的剖视图；以及
图11示出图9所示内部部件，其中移除低温保持器壁和屏蔽件。
具体实施方式
现在将参照图1至图6描述根据本发明的圆筒型电机的第一实施例。在该第一实施例中，一系列轴向间隔的电枢线圈1容纳在管形径向外部部件2中。电枢线圈1由非超导线构成，并且支撑在非磁性的非导电结构上。因为不存在引导电枢线圈1周围通量的磁齿，因此必须将电枢线圈1绞合并换位(transposed)以避免涡电流损失，这可以通过利用例如漆包绞合线来实现。电枢线圈1的通常直径为700mm。由于超导线圈4中的电流密度较高，因此不需要与电枢线圈1相联的磁芯。各个电枢线圈1连接在一起以形成与主电源电路连接(未显示)相连的三相AC电枢绕组。电枢线圈1通过薄间隔件3沿轴向彼此隔开，各个间隔件基本上由玻纤增强环氧树脂构成，并且包括多个径向延伸而周向间隔的钢棒3a，这如图3所示。钢棒3a伸出间隔件3之外并且伸入外部部件2的本体中，从而提供从电枢线圈1到外部部件2的改善的热传递。钢棒3a彼此电绝缘并且具有较小的直径，使得其中不会形成很大的涡电流。
包围电枢线圈1的外部部件2基本上由混凝土构成，并且在典型实例中可以具有大约800mm的外径。外部部件2优选形成为单独的单体铸件，但是其也可以由分为多个轴向段的一系列轴向层叠的混凝土层叠件或铸件构成。该混凝土允许将热量通过混凝土可选地传导至外表面上的水套(未显示)而冷却电枢线圈1。这种类型的圆筒型电机可以工作于150kW的平均功率和1000kW的峰值功率。
径向内部部件5同轴地置于外部部件2的内部，以至于在内部部件的基本为圆柱形的外表面与外部部件的基本为圆柱形的内表面之间存在较小的径向气隙。超导线圈4位于内部部件5的外表面上一系列轴向间隔的槽中，这些槽限定于支撑部分13之间。超导线圈4位于真空绝热的低温保持器6内部。超导线圈4为采用商业上可获得的HTS带缠绕的简单圆形螺线管线圈。例如，每个线圈4可以包括4000圈输送200A电流的BSCCO-2223带，其中带的横截面大致为矩形，典型的尺寸为4mm宽和0.2mm厚。超导线圈4成对布置，每对的两个线圈中的电流极性相反。电流的极性在图5中由箭头表示。
轴颈7设置在内部部件5的各个端部。轴承(未显示)可以为例如滑动轴承、滚动轴承、主动磁轴承或被动超导磁轴承。
当使用该圆筒型电机时，外部部件2保持静止，而内部部件5在外部部件内部进行往复运动。该圆筒型电机的最大行程长度设计为等于内部部件5的其上设置超导线圈4的轴向长度与外部部件2的其上设置电枢线圈1的轴向长度之差。电枢线圈1所设置的长度大于超导线圈4所设置的长度，因为形成电枢线圈1比形成超导线圈4成本低得多。当内部部件5相对于外部部件进行往复运动时，超导线圈4保持与容纳电枢线圈1的轴向长度上的外部部件2同心。
低温保持器6包围超导线圈4并且与内部部件5的径向内部区域(或芯体)9绝热。该区域9基本上为实心的并且由低碳钢构成。通过低温冷却器10为低温保持器6供应合适的冷却剂，该低温冷却器位于内部部件5的端部并且与内部部件5一起往复运动。用于超导线圈4的激励系统11位于内部部件5的同一端部，并且也与内部部件5一起往复运动。激励系统11包括常规的电源电子装置、控制器以及保护装置，从而为超导线圈4供应DC电流。通过软电缆(未显示)从远距离电源为激励系统11和低温冷却器10供电。
内部部件5的容纳超导线圈4的轴向长度上的外表面由衬套12形成，该衬套由高导电性金属例如铜或铝构成。衬套12形成涡电流的低阻通路，以便于屏蔽超导线圈4，使其免遭电枢绕组中的谐波以及负荷变化引起的AC磁通，否则这种AC磁通将导致超导线圈4发热。
图5示出内部部件5，其中移除衬套12和低温保持器6。图中清楚地显示了内部部件5的支撑部分13，该支撑部分形成用于容纳超导线圈4的槽。支撑部分13保持在与超导线圈4近似相同的工作温度，并且可以由在该工作温度下具有合适的机械特性和热特性的任何合适的非磁性材料诸如不锈钢等构成。超导线圈4、支撑部分13以及低温保持器6的内壁之间的间隙包括高度真空(低于10-3mBar)，该高度真空与多层绝热一起保持热屏障。低温保持器6所限定的被冷却部分的径向内壁由力管14构成。力管14在其一端处将支撑部分13、超导线圈4以及低温保持器6连接到内部部件5的轴上。如图6所示，力管14通过提供热屏障的高度真空以及多层绝热与内部部件5的轴径向间隔开。力管14为被冷却部件提供机械支撑，并且提供被冷却部件与相对较热的内部部件5的轴之间的温度梯度。力管14设计为将传导至冷部件的热量保持在可接受的水平。力管14可以由热传导性相对较低而强度相对较高的材料诸如不锈钢或Inconel_(高强度镍铬铁合金)等构成。作为选择，很多复合材料可以提供足够的机械支撑和适度低的热传导。
内部部件5的径向内部区域9沿着容纳有超导线圈4的轴向长度延伸，并且基本上由实心铁构成。在该实施例中，径向内部区域9的中心设置有孔29，从而为来自低温冷却器10和激励系统11的冷却剂和电源引线(未显示)提供可选通道。然而，可以理解，该孔并非本发明的必需部件，在某些情况下，优选的是，使内部部件5整体为实心芯体并且使冷却剂和电流引线引向径向内部区域9端部的超导线圈支撑结构，并且在各个线圈之间使用HTS材料的连接引线。径向内部区域9为超导线圈4所产生的磁场提供低磁阻磁通路。内部部件5位于超导线圈4外部的剩余轴向长度形成为中空的钢管16，以便于使内部部件的重量和成本最低。
参照图7将更好地理解该电机中产生的磁极。当该圆筒型电机工作时，每个超导线圈4具有围绕其流动的电流。这意味着存在环绕各个线圈的磁场。彼此轴向相邻但是由支撑部分13间隔的超导线圈中的电流朝着相反的方向流动，使得环绕各个线圈的磁场的磁通与环绕轴向相邻的一个或多个线圈的磁场的磁通方向相反。这些相反的磁场促使每对超导线圈4之间的间隙中(即，支撑部分13所占据的区域中)的磁通朝着径向，并且沿着超导绕组的长度产生交替的北极和南极。尽管图6中显示三个轴向内部的超导线圈4由两个轴向相邻并且接触的线圈构成，但是这只是因为出于上述原因这些线圈具有比两个端线圈4a和4b更多的圈数的缘故。由于各个线圈中的电流具有相同的极性，如图5中箭头所示，因此两个接触的超导线圈应该认为是单个线圈。换句话说，由轴向间隔的超导线圈4构成的超导绕组具有与一排永磁体基本相同的效果。然而，超导线圈4可以产生的场密度远大于永磁体可以产生的场密度。为了保持沿着超导绕组的长度具有一致的场方向图，端线圈4a和4b具有比中央线圈圈数更少的BSCCO-2223带，但是具有与中央线圈相同的电流供应。每对超导线圈4形成圆筒型电机的一个磁极，并且磁极的总数量取决于机器的额定值。在图1至图7所示的实例中，存在四个磁极。
如上简单所述，内部部件5相对于外部部件2往复运动，并且在每一端由轴承(未显示)支撑。除了超导线圈4的冷却和激励之外，本发明的圆筒型电机按照与常规永磁圆筒型电机基本相同的方式工作。
本发明的该实施例可以按照与常规圆筒型电机相同的方式作为电动机或者发电机工作。本发明的该实施例的优选应用是作为发电机，用于在离岸位置从波能产生电力。该圆筒型电机与电源电子转换装置(未显示)连接，并且在该机器的最简单的工作模式下，这将该圆筒型电机所产生的可变频率电能转换为电网所需的固定频率电能。
图8示出本发明的第二实施例，除了圆筒型电机的外部部件2另外包括电磁屏蔽件17之外，该实施例与上述第一实施例基本相同。在该具体实例中，电磁屏蔽件17包括大约180个径向延伸的平面钢鳍或板18，该钢鳍或板18以规则的周向间距环绕外部部件2的外侧平行于圆筒型电机的轴线固定。钢板通常为大约10mm厚，但是根据具体情况，可以使用其它厚度诸如5mm、20mm、或者甚至50mm。电磁屏蔽件17避免在工作过程中来自超导线圈4的杂散磁通量从圆筒型电机逸出。这一点很重要，因为超导线圈4将相对于其周围结构运动，并且如果导电结构相当近的话，这可能是一个问题。电磁屏蔽件17以这种方式形成：即，使得板18与沿着圆筒型电机的轴向和径向的杂散磁通量的主方向平行，并因此提供沿着该主方向的低阻磁通路径。电磁屏蔽件17并非周向连续的，因为那样将有助于周向涡电流的流动，因此引起不期望的涡电流损失。尽管没有显示，但是板18可以从外表面伸出，从而作为冷却鳍。
图9示出本发明的第三实施例，除了圆筒型电机的外部部件2另外包括电磁屏蔽件27(可以作为选择替代第二实施例中所包含的屏蔽件)之外，该实施例与上述第一实施例基本相同。在该实例中，电磁屏蔽件27包括多个轴向钢棒，这些钢棒以基本规则的径向和周向间距形成于圆筒型电机的外部部件中。各个钢棒都相同，并且具有大约10mm直径的基本为圆形的横截面。然而，应该理解，这些尺寸仅仅是作为指导提供的，根据钢棒所使用的机器的尺寸和设计，同样可以使用具有其它横截面和直径的棒。电磁屏蔽件27按照与本发明的第二实施例中所述的屏蔽件相同的方式工作，电磁屏蔽件27避免在工作过程中来自超导线圈4的杂散磁通量从圆筒型电机逸出。电磁屏蔽件27以这种方式形成：即，使得这些棒为轴向的，并因此为沿着该方向的杂散磁通量提供低阻磁通路径。电磁屏蔽件27并非周向连续的，因为那样将有助于周向涡电流的流动并因此引起不期望的涡电流损失。
本发明第四实施例的内部部件19示于图10和图11中。该实施例的外部部件与第一实施例的外部部件相同，因此没有示出。除了内部部件19的径向内部区域(或芯体)20由低温保持器21冷却至与超导线圈22相同的工作温度之外，内部部件19与第一实施例的内部部件相似。内部部件19还包括两个端部26，这两个端部支撑轴承(未显示)并且通过钢力管23与内部部件的其余部分连接。一个端部固定于低温冷却器24和激励系统25，所述低温冷却器和激励系统按照与本发明的第一实施例相同的方式工作。内部部件19位于力管23径向内部的部分为中空的，以便于使其重量最低。图11显示移除了低温保持器21的内部部件19。径向内部区域20保持在与超导线圈22相同的温度，并且优选由含有9％镍的铁(9％镍铁)构成。该材料在HTS工作温度下具有合适的磁特性、热特性和机械特性。具有更高比例的镍(例如36％或70％)的磁性材料也可以使用，但是随着镍含量增大，材料的成本增大并且材料的饱和磁通密度降低，这是不期望的。
内部部件19的容纳超导线圈22的轴向长度上的外表面由衬套30形成，该衬套由高导电性材料例如铜或铝构成。该衬套30形成涡电流的低阻通路，以便于屏蔽超导线圈22，使其免遭电枢绕组中的谐波以及负荷变化引起的AC磁通。
超导线圈22按照与本发明的第一实施例相同的方式构成，但是直接缠绕在内部部件19的径向内部区域20的外侧。按照与本发明的第一实施例相同的方式，超导线圈22由支撑部分28沿轴向彼此隔开。然而，在该实施例中，支撑部分28由与径向内部区域20相同的磁性材料(9％镍铁合金)构成。在该实施例中，力管23将径向内部区域20与端部26隔开，端部26按照与前述实施例相同的方式形成。按照与第一实施例的内部部件相同的方式将冷却剂从低温冷却器24供应给低温保持器21。低温保持器围绕力管23、超导线圈22、支撑部分28以及径向内部区域20。力管23、超导线圈22、支撑部分28以及径向内部区域20都通过高度真空和多层绝热与低温保持器隔开，以保持热屏障，以便于在机器的使用过程中将上述部件保持在合适的低温工作温度。在其它方面，本发明的该实施例按照与第一实施例相同的方式工作。

Claims (34)

1.一种圆筒型电机，包括：
径向外部部件，其具有基本为圆柱形的内表面；
径向内部部件，其同轴地设置在所述外部部件的内部，使得所述内部部件可以沿轴向相对于所述外部部件往复运动；
多个轴向间隔的电枢线圈，其彼此电绝缘并且形成为所述外部部件和内部部件之一的一部分；以及
多个轴向间隔的超导线圈，其形成为所述外部部件和内部部件中另一个的一部分；
其中，在所述圆筒型电机的工作过程中，每个超导线圈保持在超导状态，并且电流以这样的方式供应给每个超导线圈，即围绕每个超导线圈的电流流动的方向与围绕轴向相邻的一个或多个超导线圈的电流流动的方向相反。
2.根据权利要求1所述的圆筒型电机，还包括使所述超导线圈保持在超导状态的低温冷却系统。
3.根据权利要求1或2所述的圆筒型电机，其中，
所述外部部件包括基本为圆柱形的外表面。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的圆筒型电机，其中，
所述电枢线圈基本上由至少一圈缠绕的漆包绞合线形成。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的圆筒型电机，其中，
所述电枢线圈基本上由完全换位的铜绞合线形成。
6.根据权利要求1至3中任一项所述的圆筒型电机，其中，
所述电枢线圈基本上由完全换位的铝绞合线形成。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的圆筒型电机，其中，
所述电枢线圈由绝缘间隔件沿轴向彼此隔开。
8.根据权利要求7所述的圆筒型电机，其中，
所述绝缘间隔件基本上由环氧玻璃复合材料构成。
9.根据权利要求7或8所述的圆筒型电机，其中，
每个绝缘间隔件包括多个径向延伸而周向间隔的导热棒。
10.根据权利要求9所述的圆筒型电机，其中，
所述电枢线圈形成为所述外部部件的一部分，所述导热棒伸出所述绝缘间隔件的径向外表面并且伸入所述外部部件中。
11.根据权利要求9或10所述的圆筒型电机，其中，
每根导热棒由钢构成并且横截面为圆形，其直径小于5mm。
12.根据权利要求9或10所述的圆筒型电机，其中，
每根导热棒由钢构成并且横截面为矩形，横截面各边的长度小于5mm。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的圆筒型电机，其中，
所述电枢线圈相连以形成三相AC绕组。
14.根据权利要求1至13中任一项所述的圆筒型电机，其中，
所述超导线圈由至少一圈高温超导材料构成。
15.根据权利要求1至14中任一项所述的圆筒型电机，其中，
所述外部部件和内部部件中与所述超导线圈相邻的一个的表面由高导电性金属的衬套形成，所述衬套至少在所述外部部件和内部部件中另一个的容纳所述超导线圈的轴向长度上。
16.根据权利要求2所述的圆筒型电机，其中，
所述电枢线圈形成为所述外部部件的一部分，所述超导线圈形成为所述内部部件的一部分。
17.根据权利要求16所述的圆筒型电机，其中，
至少位于所述超导线圈的径向内部的轴向长度上的内部部件基本上为实心的并且由磁性材料构成。
18.根据权利要求16或17所述的圆筒型电机，其中，
所述低温冷却系统将所述内部部件保持在与所述超导线圈相同的工作温度。
19.根据权利要求18所述的圆筒型电机，其中，
所述内部部件由9％镍铁构成。
20.根据权利要求16或17所述的圆筒型电机，其中，
所述内部部件通过热屏蔽件与所述低温冷却系统绝热。
21.根据权利要求20所述的圆筒型电机，其中，
所述内部部件基本上由低碳钢构成。
22.根据权利要求16至21中任一项所述的圆筒型电机，其中，
所述外部部件基本上由混凝土构成。
23.根据权利要求1至22中任一项所述的圆筒型电机，其中，
所述外部部件包括电磁屏蔽件。
24.根据权利要求23所述的圆筒型电机，其中，
所述电磁屏蔽件包括围绕所述外部部件的外表面周向间隔的多个金属板。
25.根据权利要求24所述的圆筒型电机，其中，
所述金属板固定在所述外部部件中，使得所述金属板与所述外部部件的轴线平行并且围绕所述外部部件的外表面周向间隔地布置。
26.根据权利要求24或25所述的圆筒型电机，其中，
所述金属板由钢构成。
27.根据权利要求24至26中任一项所述的圆筒型电机，其中，
所述金属板为大约10mm厚。
28.根据权利要求24至27中任一项所述的圆筒型电机，其中，
所述金属板从所述外部部件的外表面伸出，使得所述金属板还可以用作热交换器。
29.根据权利要求23所述的圆筒型电机，其中，
所述电磁屏蔽件包括形成于所述外部部件中的多个规则间隔的轴向金属棒。
30.根据权利要求29所述的圆筒型电机，其中，
所述金属棒由钢构成。
31.根据权利要求29或30所述的圆筒型电机，其中，
每根金属棒具有基本为圆形的横截面，其直径大约为10mm。
32.根据权利要求1至31中任一项所述的圆筒型电机，其中，
所述电枢线圈和超导线圈具有至少大约200mm的直径。
33.根据权利要求1至32中任一项所述的圆筒型电机，其中，
所述内部部件的轴向长度大约为所述外部部件的轴向长度的两倍。
34.根据权利要求1至33中任一项所述的圆筒型电机，其中，
在所述圆筒型电机的工作过程中，所述外部部件保持静止，所述内部部件沿轴向相对于所述外部部件往复运动。
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