CN101107763A - 超导电机的冷却结构 - Google Patents

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CN101107763A CNA2005800445786A CN200580044578A CN101107763A CN 101107763 A CN101107763 A CN 101107763A CN A2005800445786 A CNA2005800445786 A CN A2005800445786A CN 200580044578 A CN200580044578 A CN 200580044578A CN 101107763 A CN101107763 A CN 101107763A
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Abstract

在一种超导电机的冷却结构中，其中超导线圈(22)连接到转子，凹槽(24，25以及26)被凹陷地配置在旋转轴(23)的外表面上，该旋转轴(23)穿透并且被固定到转子(17)上。冷冻剂在冷冻剂循环管道(33)中循环，该冷冻剂循环管道配置在凹槽(24，25以及26)内，由此通过冷冻剂冷却超导线圈(22)。

Description

超导电机的冷却结构
技术领域
本发明涉及一种超导电机的冷却结构。更具体地说，本发明涉及一种用于有效地冷却连接到安装在船舶上的驱动电机转子的超导线圈，所述船舶例如是政府船只以及客船。
背景技术
近年来，通过电气地驱动电机来对船舶进行驱动的开发已经在抑制燃料资源耗尽以及在抑制由于废气而导致环境恶化的方面取得了进展，其中所述的燃料资源例如是汽油。具体地说，可以使用在JP-A6-006907(专利文献1)中公开的超导电机，由此消除了超导线圈中的铜耗以及实现了高效率。此外，可以实现电机本身的小型化以及大功率输出。
同时，当驱动超导电机时，需要将超导线圈冷却到超低温(例如，77开尔文)。由此，冷却装置尤其重要，且需要简单且高效的冷却结构。
具体地，当对连接到在电机中心处配置的转子的超导线圈进行冷却时，从电机的外面对其进行冷却是不足够的。因此，在这种情况下，很难充分地冷却超导线圈。
JP-A-2002-58207(专利文献2)提供了一种结构，其中通过电机的旋转轴形成了中空部分，以及通过该中空部分传送冷冻剂从而冷却连接到转子的线圈。即使在连接到转子的线圈是超导线圈的情况下，该结构也能高效地将连接到转子的线圈冷却到必要的温度。
然而，在专利文献2公开的结构中，需要对旋转轴的中心进行钻孔从而形成中空部分。具体地，在较大电机的情形中，例如用于驱动船舶的串联同步型电机，很难通过较长的旋转轴而形成较长的中空部分。
专利文献1：JP-A-6-6907
专利文献2：JP-A-2002-58207
发明内容
本发明所要解决的问题
已经考虑到上述问题而做出了本发明，且其目的在于提供一种超导电机的简单的冷却结构，其可以有效地冷却连接到转子的超导线圈。
解决所述问题的装置
为了解决上述问题，本发明提供了一种超导电机的冷却结构，该超导电机具有连接到转子的超导线圈，
其中在穿透且被固定到转子的旋转轴的外表面上凹陷地配置凹槽，以及冷却装置的冷冻剂循环管被配置在该凹槽内。
根据上述结构，该凹槽被配置在该旋转轴的外表面上，以代替通过旋转轴的中心而提供的中空部分，以及冷冻剂循环管被配置在凹槽内。因此，与通过旋转轴提供中空部分的情况相比，可以很容易地提供该冷却结构。
随着电机变大，旋转轴也相应地变长，且变得更加难于形成通过旋转轴中心的较长中空部分。因此，本发明的冷却结构可以特别适用在较大的超导电机中。
此外，由于冷冻剂循环管被配置在凹槽内，且暴露于旋转轴的外侧，因此冷冻剂循环管可以与转子直接接触，以及可以被安置得接近于连接到转子的超导线圈。因此，与冷冻剂循环管配置在旋转轴的中心线上的情况相比，可以提高冷却效果。
超导线圈的材料可以是基于铋或者基于钇的高温超导材料。
该冷却装置可以包括：
第一管道，其具有流出路径部分以及返回路径部分，它们联接到用于冷却超导线圈的冷冻剂的供给源；
第二管道，其具有与第一管道的流出路径部分相通的流出路径部分，以及具有与第一管道的返回路径部分相通的返回路径部分，其中第二管道被固定到旋转轴的轴向端，以及被可旋转地联接到第一管道；以及
冷冻剂循环管道，其包括冷冻剂循环管道，该冷冻剂循环管道被配置在凹槽内，其中第二管道的流出路径部分以及返回路径部分与冷冻剂循环管道的相应端相通。
根据上述结构，用于冷却超导线圈的冷冻剂以如下顺序循环，从供应源到第一管道的流出路径部分，第二管道的流出路径部分，冷冻剂循环管道，第二管道的返回路径部分以及第一管道的返回路径部分，由此可以通过经由冷冻剂循环管道循环的冷冻剂来冷却连接到转子的超导线圈，其中该冷冻剂循环管道被配置在旋转轴的凹槽内。
可以沿着转子轴向长度在对称位置处凹陷地配置旋转轴外表面上的凹槽，在所述的旋转轴内配置有冷冻剂循环管道，以及可以通过在凹槽内配置转向部分而联接流出路径部分以及返回路径部分，其中沿着旋转轴的圆周表面在转子前端位置处形成该凹槽。
仅仅通过在旋转轴外表面上形成凹槽以及将冷冻剂循环管道设置在该凹槽内，就可以容易地实现上述结构。因此，可以提高超导电机的制造效率，可以减少成本。
在需要进一步提高冷却效果的情况下，除了沿着旋转轴的轴向之外，可以沿着沿圆周方向螺旋形地形成其内配置有冷冻剂循环管道的凹槽，以及例如，可以配置柔性的折叠式的冷冻剂循环管道，以使其围绕该旋转轴卷绕，由此冷冻剂循环管道的长度变长。因此，可以在其圆周方向上宽范围地有效地冷却超导线圈。
为了避免冷冻剂的温度上升，在除了其中配置有转子的区域之外的区域中，可以利用隔热装置围绕第一管道以及第二管道的圆周表面。
可以通过利用外管包围第一管道以及第二管道以及提供外管内的真空绝热层，从而由此实现该绝热装置。可选地，可以通过绝热材料覆盖第一管道以及第二管道。
第一管道被联接到冷冻剂的供应源，由此固定第一管道，同时第二管道连接到旋转轴，由此使得第二管道旋转。因此，第一管道和第二管道需要被可旋转地联接。
根据本发明，可以配置从第一管道和第二管道的相应的联接端突出的凸缘，其中该凸缘可旋转地彼此接触，以及可以配置用于在相应的接触方向上偏压该凸缘的弹簧装置。
根据上述结构，即使当第一管道和第二管道稍微未对准时，其中一个管道的未对准联接端中的开口也会被与另一个管道相对应的凸缘所覆盖。由此，可以防止冷冻剂渗漏。此外，彼此相对接触的凸缘在它们的接触方向上被弹簧装置所推压。因此，可以去除彼此接触的凸缘之间的间隙，由此防止了冷冻剂的渗漏。
作为用于冷却超导线圈的冷冻剂，可以使用液氮、氖或者氦。
当液氮被用作冷冻剂时，超导线圈可以被冷却到超低温，在该超低温处，超导线圈处于超导态。
通过利用另一冷却单元进行冷却，其温度已经由于冷却超导线圈而升高的液氮可以被再次用作冷冻剂。在液氮被汽化的情况下，气化液态氮可以被排放到外部。
超导电机可以是轴向型，其中定子被配置为在转子的轴向上彼此相对，由此超导线圈的磁通方向指向轴向；或者超导电机可以是径向型，其中转子被配置在具有环形剖面的定子的中空部分内，由此超导线圈的磁通方向指向径向方向。
在超导电机是轴向式的情况下，配置在旋转轴外表面上的凹槽内的冷冻剂循环管道可以从转子附近的凹槽被引出，从而沿着转子的侧面朝着连接到转子的超导线圈的附近延伸。因此，冷冻剂循环管道可以被配置在超导线圈附近，由此可以提高该超导线圈的冷却效果。
本发明的优点
如上所述，根据本发明，代替在旋转轴的中心处形成中空部分，通过在旋转轴外表面上形成凹槽以及在该凹槽内配置冷冻剂循环管，从而配置了用于对连接到转子的超导线圈进行冷却的冷却结构。因此，与在旋转轴中配置中空部分的情况相比，可以很容易地形成该冷却结构。
此外，冷冻剂循环管暴露于旋转轴外表面。因此，与在旋转轴的中心线上提供冷冻剂循环的情况相比，可以在更接近于连接到转子的超导线圈的位置处循环冷冻剂。因此，可以提高冷却效果。
附图说明
图1示出了根据本发明第一实施例的超导电机的示意性剖面图。
图2示出了超导电机的剖视图。
图3示出了从转子延伸的旋转轴的剖面图。
图4示出了第一管道以及第二管道的联接端的相关部分的放大剖面图。
图5示出了第一实施例的变型例的剖面图。
图6示出了根据第二实施例的超导电机的剖面图。
图7示出了根据第二实施例的超导电机的转子视图。
图8示出了根据第二实施例的变型例的超导电机的转子视图。
参考数字和符号的说明
10超导电机
16定子
17转子
19电枢线圈
22超导线圈
23旋转轴
24，25，26凹槽
31第一管道
31A流出路径部分
31A-1凸缘
31B返回路径部分
31B-1凸缘
32第二管道
32A流出路径部分
32A-1凸缘
32B返回路径部分
32B-1凸缘
33冷冻剂循环管道
33A流出路径部分
33B返回路径部分
33C转向部分
具体实施方式
将参考附图描述本发明的实施例。
图1到4示出了本发明的第一实施例。根据本发明的超导电机10可以被用作船舶的推进电机。
如图1和2所示，超导电机10包括定子16和转子17，该转子17可旋转地配置在定子16的中空部分内，以及其是径向型的，其中连接到转子17的超导线圈22的磁通方向指向径向方向。
转子17被形成为圆柱状，以及可以由粉末磁性材料制成。旋转轴23穿透转子17的中心且被固定到转子17。旋转轴23通过轴承18和21向定子16的外部延伸。
由超导材料制成的超导线圈22(或励磁线圈)被固定到转子17。作为超导材料，可以适当地使用基于铋或者基于钇的高温超导材料。
另一方面，定子16可以由粉末磁性材料形成，例如在其上涂敷有绝缘涂层的铁粉。如图2所示，定子16具有环形形状的剖面。电枢线圈19由例如铜线的通常的导电材料形成，且在圆周方向上以120度的间隔角连接到定子16的内圆周表面上。向相应的电枢线圈19提供相位彼此变化的三相交流电，从而产生旋转磁场，由此使转子17旋转。
如图2和3所示，沿着转子17的轴向方向的整个长度凹陷地形成了一对凹槽24和25，其关于旋转轴23的中心轴对称。凹槽24和25对在与转子17的端部相对应的位置处通过凹槽26彼此联接(图1中左侧)，沿旋转轴23的圆周方向凹陷地配置该凹槽26。由冷冻剂循环管道33构成的冷冻剂循环管中循环有液氮，该冷冻剂循环管被配置在凹槽24，25和26内。
冷冻剂循环管道33的流出路径部分33A和返回路径部分33B被分别配置在凹槽24和25对之内。转向部分33C被配置在凹槽26内，该凹槽26配置在凹槽24和25之间，其中通过该转向部分33C，冷冻剂循环管道33从流出路径部分33A转向返回路径部分33B。用作冷冻剂的液氮在通过冷冻剂循环管道33循环，该冷冻剂循环管道33包括连续形成的流出路径部分33A，返回路径部分33B以及转向部分33C，由此对连接到转子17的超导线圈22进行冷却。
与冷冻剂循环管道33一起，第一管道31以及与第一管道31相通的第二管道32被配置作为构成冷却装置的管道。
第一管道31具有流出路径部分31A以及返回路径部分31B，其联接到用作冷冻剂(在本实施例中是液氮)供给源的液氮舱11，用于对超导线圈进行冷却。
用于冷却超导线圈的冷冻剂不局限于液氮，且可以使用氖或者氦作为冷冻剂。
第二管道32也具有流出路径部分32A以及返回路径部分32B，且分别与第一管道31的流出路径部分31A以及返回路径31B相通且与其可旋转地相联接。第二管道32被固定到旋转轴23的其中一个轴端，以及如图3所示，从旋转轴23的一端延伸到转子17的部分第二管道32被配置在凹槽24和25内，该凹槽24和25被凹陷地配置在旋转轴23上。
第一管道31以及第二管道32的外圆周表面被真空绝缘的外管34和36所包围，由此提供了具有真空绝热层35和37的绝热装置。
如上所述，就配置在旋转轴32的凹槽24，25和26内的冷冻剂循环管道33而言，流出路径部分33A和返回路径部分33B分别与第二管道的流出路径部分32A和返回路径部分32B相通。没有为冷冻剂循环管道33提供绝热装置，由此在该非绝热部分处通过液氮的冷和热对超导线圈22进行冷却，冷和热被通过转子17传送。
更具体地，如图5所示，配置了联接到第二管道32的第一管道31的联接端，由此使得流出路径部分31A位于与旋转轴23中心线相同的线上，返回路径部分31B围绕返回路径部分31A的外围，且返回路径部分31B的外围被真空绝缘的外管34围绕。
类似地，配置了联接到第一管道31的第二管道32的联接端，由此使得流出路径部分32A位于与旋转轴23中心线相同的线上，返回路径部分32B围绕返回路径部分32A的外围，且返回路径部分32B的外围被真空绝缘的外管36围绕。
因此，在第一管道31和第二管道32的联接端处，第一管道31的流出路径部分31A和返回路径部分31B被配置为分别面对第二管道32的流出路径部分32A和返回路径部分32B。因此，从液氮舱11流出的液氮以如下顺序循环，第一管道31的流出路径部分31A，第二管道32的流出路径部分32A，冷冻剂循环管道33，第二管道32的返回路径部分32B，和第一管道31的返回路径部分31B。
在第一管道31和第二管道32的联接端处，凸缘31A-1，31B-1，32A-1和32B-1被配置为朝着外圆周侧的方向突出，以及使得凸缘31A-1和32A-1彼此相对接触，同时使得凸缘31B-1和32B-1彼此相对接触。彼此相对接触的凸缘31B-1以及32B-1被端盖38覆盖，且连接在端盖38内的弹簧39从相应侧在相应的接触方向上推压凸缘31B-1以及32B-1。
根据上述结构，代替在旋转轴23的中心配置中空部分，在旋转轴外表面23上配置了凹槽24，25和26，以及其中循环有用作冷冻剂的液氮的冷冻剂循环管道33被配置在该凹槽24，25和26内。因此，与在旋转轴23中配置中空部分的情况相比，可以很容易地形成冷却结构。
此外，与冷冻剂循环管道33被配置在旋转轴23的中心线上的情况相比，冷冻剂循环管道33被安置得更接近于外表面，因此冷冻剂循环管道33可以被配置为更接近于超导线圈22，由此可以提高冷却效果。
如图5所示，在第一管道31的流出路径部分31A的联接端处突出的凸缘31A-1的端部31A-1a和在第二管道32的流出路径部分32A的联接端处突出的凸缘32A-1的端部32A-1a可以朝着转子弯曲，由此凸缘32A-1的端部32A-1a被另一凸缘31A-1的端部31A-1a覆盖，由此可以更安全地防止联接部分处的冷冻剂渗漏。
图6和7示出了本发明的第二实施例。
与第一实施例的差别在于，第二实施例是其中在转子的轴向方向上彼此相对地安置定子的轴向型电机，由此超导线圈的磁通方向指向该轴向方向。
在根据该实施例的超导电机50中，设置了一对定子53和54，以使其在相应侧上彼此相对，转子52以预定间隙固定到旋转轴51，其中在转子52的相应侧配置了该预定间隙。
以如下方式形成转子52，即在其轴中心部分处具有通孔52a，以及通过通孔52a插入旋转轴51且将旋转轴51固定到通孔52a，由此转子52和旋转轴51一同旋转。
在转子52上在围绕其轴的圆周方向上间隔地形成磁场元件安装孔52b。用于励磁的超导线圈55被装配到每个磁场元件安装孔52b中，且在其中固定，由此磁通的方向指向轴向方向。
旋转轴51通过轴承穿透对称的圆盘形定子53和54。在定子53和54上在围绕其轴的圆周方向上间隔地设置了多个由通常的导电材料(例如，铜导线)形成的多个电枢线圈56和57。利用粘合剂将每个电枢线圈56和57的一端固定到定子53或者54的表面上面对转子的一侧，且电枢线圈56和57在轴向方向上朝着转子52的方向突出。
类似于第一实施例，凹槽58和59被凹陷地配置在旋转轴5 1外表面上的对称位置处，但是没有配置联接凹槽58和59的第一实施例的圆周槽。可选地，配置在凹槽58和59内的冷冻剂循环管的冷冻剂循环管道61从转子52侧上的凹槽端处的凹槽被引出，且被设置为沿着转子52的侧面延伸。冷冻剂循环管道61被交替地设置在连接到转子52的超导线圈55的外侧(转子52的圆周凸缘侧)和内侧(旋转轴51侧)，以使其被配置在超导线圈55附近。即，如图7所示，冷冻剂循环管道61被设置为依次通过相邻的超导线圈55之间的空间，超导线圈55和转子52的圆周凸缘之间的空间，相邻的超导线圈55之间的空间，以及超导线圈55和旋转轴51之间的空间。可以利用粘合剂将冷冻剂循环管道61连接到转子52的侧面，或者可以将其配置在形成在转子52上的凹槽内。
根据上述结构，即使对于轴向型电机，也可以通过冷却结构对连接到转子的超导线圈进行冷却，其中通过将冷冻剂循环管道配置在凹槽内而形成该冷却结构，而其中所述凹槽配置在旋转轴外表面上。此外，由于从旋转轴51上的凹槽58和59引出冷冻剂循环管道61，以及该引出的冷冻剂循环管道61被配置在超导线圈55的附近，因此可以增强超导线圈55的冷却效果。
由于第一管道，第二管道以及冷冻剂循环管的其余结构类似于第一实施例的冷冻剂循环管，因此将省略其说明。
图8示出了第二实施例的变型例。
在该变型例中，沿着转子52的圆周连接超导线圈55。沿着超导线圈55的内侧(旋转轴51侧)设置从旋转轴51的凹槽58和59引出的冷冻剂循环管道61。
根据上述结构，冷冻剂循环管道61被配置在超导线圈55附近，由此可以提高该超导线圈55的冷却效果。
工业实用性
根据本发明的电机设备可以被适当地用作需要大功率输出的较大船舶等的电源。具体地说，当如图6所示的轴向气隙型电机应用了串联同步型结构时，可以维持该电机的大功率输出，在该串联耦合同步型结构中，定子和转子交替地堆叠在旋转轴上，由此高密度地设置了定子和转子，并且高温超导块磁铁连接到相应的转子，并利用通过冷冻剂循环管循环的冷冻剂对其进行冷却，其中所述冷冻剂循环管配置在旋转轴上。相应地，上述电机可以被适当地用作较大船舶的推进电动机，例如政府船舶或者客轮。

Claims (8)

1.一种超导电机的冷却结构，该超导电机具有连接到转子的超导线圈，
其中在穿透且固定到转子的旋转轴的外表面上凹陷地配置了凹槽，以及冷却装置的冷冻剂循环管被配置在该凹槽内。
2.根据权利要求1的超导电机的冷却装置，其中该冷却装置包括：
第一管道，其具有流出路径部分以及返回路径部分，它们联接到用于冷却超导线圈的冷冻剂的供给源；
第二管道，其具有与第一管道的流出路径部分相通的流出路径部分，以及具有与第一管道的返回路径部分相通的返回路径部分，其中第二管道被固定到旋转轴的轴向端，以及被可旋转地联接到第一管道；以及
冷冻剂循环管，其包括冷冻剂循环管道，该冷冻剂循环管道被配置在该凹槽内，其中第二管道的流出路径部分以及返回路径部分与冷冻剂循环管道的相应端相通。
3.根据权利要求2的超导电机的冷却结构，其中冷冻剂循环管道被配置在旋转轴外表面上的凹槽处，沿着转子的轴向方向的整个长度在对称位置处凹陷地配置了该凹槽，以及通过将转向部分配置在凹槽内而联接了流出路径部分和返回路径部分，其中沿着旋转轴的圆周表面在转子的前端位置处形成了所述凹槽。
4.根据权利要求2或3的超导电机的冷却结构，其中第一管道和第二管道的圆周表面由绝热装置围绕。
5.根据权利要求4的超导电机的冷却结构，其中绝热装置包括包围第一管道和第二管道的外管，该外管提供了真空绝热。
6.根据权利要求2到5的任意一项的超导电机的冷却结构，其中凸缘从第一管道和第二管道的相应的联接端突出，该凸缘可旋转地彼此接触，以及
配置了用于在相应的接触方向上偏压该凸缘的弹簧装置。
7.根据权利要求1到6的任意一项的超导电机的冷却结构，其中液氮、氖或氦被用作冷冻剂，用于冷却该超导线圈。
8.根据权利要求1到7的超导电机的冷却结构，其中超导电机是轴向型或径向型。
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