CN101116238A

CN101116238A - 具有温差环流冷却式超导转子绕组的机器系统

Info

Publication number: CN101116238A
Application number: CNA2006800040163A
Authority: CN
Inventors: 伯恩德·格罗莫尔
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2005-02-04
Filing date: 2006-02-01
Publication date: 2008-01-30
Anticipated expiration: 2026-02-01
Also published as: EP1844538A1; CN101116238B; DE102005005283A1; US20090121561A1; US7816826B2; WO2006082194A1

Abstract

本发明涉及一种包括一机器(2)的机器系统，所述机器具有一可绕一轴(A)旋转的转子(5)，所述转子的超导绕组(10)通过一绕组支架(9)和一热接触气体，(g)与一固定地伸入一转子空腔(12)的导热体(30)的一中央冷却剂区(31)导热地耦合。所述冷却剂区(31a)和多个在边侧与其相连的管道部件(22)以及一附属于一冷却单元(15)且位于所述机器(2)外部的冷凝器区(18)一起构成一管道系统，一冷却剂(k，k′)利用温差环流效应在所述管道系统中循环。为在所述转子(5)发生倾斜时也能向所述中央冷却剂区(31)输送冷却剂，所述冷却剂区配有一由高热导率多孔材料制成的内衬(25)，所述多孔材料特定而言为一烧结材料。

Description

具有温差环流冷却式超导转子绕组的机器系统

技术领域

本发明涉及一种机器系统，其具有

a)一可绕一旋转轴旋转、被一定子包围的转子，所述转子具有至少一个转子绕组，所述转子绕组的超导体与一沿轴向延伸的圆柱形中央转子空腔导热地耦合；

b)一固定地伸入所述转子空腔并保持一环形间隙的导热体，所述导热体具有一中央冷却剂区：

c)一位于所述环形间隙内的热接触气体；

d)一位于所述转子外部的位置固定的冷却单元，所述冷却单元具有一冷凝器区；以及

e)多个在所述导热体的中央冷却剂区与所述冷却单元的冷凝器区之间延伸的管状管道部件。

其中，中央冷却剂区、管状管道部件和冷凝器区构成一封闭的管道系统，一冷却剂在这一管道系统中循环或者可以利用温差环流效应在这一管道系统中循环。WO 02/15370 A1中公开过一种相应的机器系统。

背景技术

从1987年开始，临界温度T_c高于77K的金属氧化物超导材料逐渐为人所熟悉。这类材料因而也被称为“高温超导材料”或“HTS材料”，这种材料原则上可用液氮(LN₂)进行冷却。

人们尝试通过用例如HTS材料制成的导体来制备机器的超导绕组。但事实表明，传统HTS导体在特斯拉级的感应强度的磁场中的载流能力相对较低。尽管所用材料临界温度T_c较高，但是还是有必要将这种绕组导体的温度保持在一低于77K(例如10K与50K之间)的温度水平上，从而使其在高场强情况下具有较高的载流能力。这种温度水平明显高于4.2K，4.2K为液氦(LHe)的沸点温度，临界温度T_c相对较低的已知金属超导材料(即所谓的低温材料或LTS材料)就是用液氦冷却的。

为在上述77K以下的温度范围内将带有HTS导体的绕组冷却，优选使用的冷却设备的形式为具有封闭式压缩氦气循环的低温冷却器。这种低温冷却器特别建构为Gifford McMahon型或Stirling型冷却器，或建构为所谓的脉冲管冷却器。这种低温冷却器的另一优点在于，实际上可以通过按钮实现制冷功率的提供，而且无需对低温液体进行操作。使用这种冷却设备时，仅通过向一相应制冷机的冷头进行热传递来间接冷却超导绕组(例如参阅“Proc.16^thInt.Cryog.Engig.Conf.(ICEC16)”，Kitakyushu，JP，1996年5月20日至24日，Elsevier Science出版社，1997年，1109页至1129页)。

针对开篇所述的WO 02/15370 A1中所公开的电机转子，同样存在一种相应的冷却技术。这种转子包含一由多个HTS导体构成的旋转绕组，这些HTS导体位于一采用导热设计的绕组支架中。这个绕组支架具有一沿轴向延伸的圆柱形转子空腔。一中央导热体固定地伸入圆柱形转子空腔，这个中央导热体包围一圆柱形中央冷却剂区。一用于在绕组支架与导热体之间进行热传递的热接触气体位于空心圆柱状环形间隙中，该空心圆柱状环形间隙建构在转子空腔随转子一起旋转的外壁与导热体的固定式外壁之间。多个从转子边侧伸出到转子外面的固定式管状管道部件连接在导热体的中央冷却剂区上。这些管道部件通往一冷却单元的一测量位置较高的冷凝器区，并与这个冷凝器区和中央冷却剂区共同构成一封闭的单管管道系统。这个管道系统中存在一利用所谓的温差环流效应进行循环的冷却剂。其中，在冷凝器区中经过冷凝处理的冷却剂通过管状管道部件进入中央冷却剂区，此处，由于冷却剂与绕组支架和待冷却HTS绕组之间存在因热接触气体而建立的导热地耦合，因此，冷却剂可吸收热量，并至少部分被蒸发。被蒸发的冷却剂随后通过相同的管道部件重新回到冷凝器区，并重新被冷凝。为此所需的制冷功率由一制冷机提供，这个制冷机的冷头与冷凝器区导热地耦合。其中，冷凝剂的回流在一微小的正压驱动下流向制冷机的作为冷凝器的部件，这一正压形成在用作蒸发器部件的中央冷却剂区中。这个通过在蒸发器部件中生成气体和在冷凝器区中生成液体而形成的正压使冷却剂产生预期的回流。相应的循环也称为“自然对流”。

除这种已知的单管温差环流管道系统(这种系统通过相同的管道部件输送液态和气态冷却剂)外，也可在双管管道系统(例如参阅WO 00/13296 A)中进行利用温差环流效应而实现的冷却剂再循环。为此必须在转子的空心轴区域内额外设置一用于输送气态冷却剂的管道。

也就是说，在已知的温差环流冷却式机器中，冷却剂的输送仅通过自然对流而实现，因而无需再设置其他的泵送系统。如果想在船只或海上设备上使用这种机器系统，就必须考虑到纵向上最高为±5°的静态倾斜和/或最高为±7.5°的动态倾斜。因此，为能得到船级社的船只使用许可，这种机器系统的冷却系统甚至在上述倾斜的条件下，必须能进行有效的冷却。如果允许机器发生上述倾斜情况，就会存在这样的隐患，即，管状管道部件的位于中央冷却剂区和冷却单元之间的一区域的测量位置低于中央冷却剂区。其结果是，冷却剂在重力作用下无法再到达冷却剂区。在此情况下就无法再对机器进行冷却，进而无法确保机器的正常工作。

针对这种隐患所提出的已知的建议性解决方案有：

-一种简单的解决方案是，相对于水平线倾斜布置机器，在此情况下，即使纵倾度或振动幅度再大，温差环流管道系统中也仍然存在一朝向中央冷却剂区的坡度。建造船只时，由于机器的倾斜布置需要较大的空间，所以这种机器的倾斜布置是不合需要的，尤其在机器长度相当大的情况下。

-原则上也可通过一泵送装置强制冷却剂循环。这样就需要在设备上有投入，特别当冷却剂保持例如25K至30K温度水平的情况时。除此之外，这种循环装置热损耗很大，几乎无法满足造船业维修间隔期较长的寿命要求。

发明内容

因此，本发明的目的是建构一种机器系统，其具有开篇所述特征、包括一具有附属冷却单元的机器，这种机器系统即使在其转子发生如应用在船只或海上设备上时所会发生的那种倾斜时，也能在中央冷却剂区中通过冷却剂实现有效冷却。

根据本发明，这个目的通过权利要求1所述的措施而达成。相应地，具有开篇所述特征的机器系统的中央冷却剂区至少部分具有一由高热导率多孔材料制成的内衬，这一材料构成可让冷却剂进入的毛细管状结构或空腔。

本发明通过在一作为固定式冷却棒伸入转子空腔的空心导热体的内壁上设置一内衬，而其实现的优点主要在于，即使沿轴向发生倾斜时也能通过毛细作用实现冷却剂足够均匀的分布。通过这种方法可确保多孔材料具有良好的润湿状况。由于这种材料需要具有足够高的热导率，因此，通过包围转子空腔的绕组支架、存在于环形间隙中的热接触气体和带有特殊内衬的导热体壁可确保待冷却导体与冷却剂之间的良好导热地耦合。

权利要求1所述的机器系统的有利改进方案可从从属权利要求中获得。

所述多孔材料优选为一特别由铜(Cu)构成或含铜的烧结材料。在本文中，烧结材料指的是任何一种以粉末冶金方式通过压制和加热而制成的高热导率材料，其中，这种材料还应具有一足以实现所需毛细作用的孔隙度。

冷却剂区的由烧结材料制成的内衬可特别以压合或收缩接合的方式嵌入冷却剂区。通过相应的方法可以简单的方式实现期望的内衬。

也就是说，用多孔材料制成的内衬，其特别的孔隙度至少为3％，优选的至少为10％，从而可为所需的毛细作用提供足够大的可用冷却剂润湿的表面。

在超导材料的工作温度下热导率至少为100W/(m·k)的材料是制备内衬的优选材料。铜(Cu)材料特别符合这一条件，这是因为铜(Cu)材料的热导率超过所要求的最小值。

也可用一相应的多孔覆层代替用烧结材料制成的内衬。

本发明的机器系统的其他有利建构方案可从前文未提及的从属权利要求中获得。

附图说明

下面借助附图所示的一机器系统优选实施例对本发明作进一步说明，其中：

附图为一根据本发明配置的机器系统的一纵剖示意图。

具体实施方式

本发明的机器系统包括一机器或一电动机，还包括一附属冷却单元。在下文借助附图说明的实施方式中，这一机器可特别为一同步电动机或一发电机。所述机器包括一原则上可用金属LTS材料或氧化HTS材料制成的旋转超导绕组。在下面的实施例优选的使用第二种材料。可借助相应的导体用一线圈或一采取2极、4极或其他多极布置方式的线圈系统建构绕组。附图显示的是一相应的同步电动机的基本结构，其中，机器系统采用的是开篇所述的WO 02/15370 A1中公开的实施方式(图5，联系图2和图3)。

用2表示的机器包括一处于室温条件下的固定式外部壳体3，其具有一定子绕组4。一转子5在所述外部壳体内部被定子绕组4包围，转子5由轴承6支承，可绕一旋转轴A旋转。这种轴承可以是传统的机械轴承，也可以是磁轴承。所述转子还具有一真空容器7，一带有一HTS绕组10的绕组支架9在所述真空容器中紧固在传递转矩的悬挂元件8上，该悬挂元件8例如为空心圆柱形。在这个绕组支架中存在一以旋转轴A为圆心、沿轴向延伸的例如为圆柱形的中央转子空腔12。其中，绕组支架相对于这个空腔真空密闭。这个空腔在转子安装一实心轴向转子轴部件5a的一侧被绕组支架封闭。

转子的另一侧上具有一管状转子轴部件5b，一位置固定的套管30从边侧伸入转子轴部件5b，并在中央转子空腔区域内与一中央导热体31相连。其中，在转子轴部件5b和中央转子空腔12两者一起旋转的壁之间保持有一空心圆柱状环形间隙32。为实现对这一环形间隙的气密性密封，将绕组支架的转子空腔12的朝向转子轴部件5a的一侧封闭。在另一侧，即存在管状转子轴部件5b的一侧上，通过一未详细说明的具有至少一个密封件的密封装置21密封环形间隙32。环形间隙内充有一热接触气体g，这一热接触气体优选为氦气，或者在工作温度超过30 K的情况下优选为氖气。通过这一接触气体在导热体31与绕组主体9的界定转子空腔12的壁之间建立起一热接触。绕组主体应实施为具有足够好的导热性能，也就是说，绕组主体在转子空腔12的壁与绕组10之间具有导热性能良好的部件。在此情况下，绕组可通过绕组主体9、热接触气体g和导热体31的壁可以直接地与这个导热体的内腔31a导热地耦合。因此，可将导热性能良好的金属(例如Al或Cu)用作圆柱形导热体的材料。

用15表示整个冷却单元，其中只对一个冷头16作了详细描述，该冷却单元15通过绕组支架9的导热部件对HTS绕组10进行间接冷却。这种已知的冷却单元可为一Gifford-McMahon型低温冷却器，或特别为一再生低温冷却器，例如脉冲管冷却器或分置式Stirling型冷却器。其中，冷头16以及冷却单元的其他所有重要部件均位于转子5或外部壳体3之外。

例如布置在转子5边侧若干米处的冷头16的冷端在一真空容器23中通过一传热体17与一具有一冷凝器区18的冷却剂冷凝单元处于良好的热接触。这个冷凝器区上连接有一位置固定、真空绝热的热管20，热管20在一轴向区域中伸入随转子一起旋转的空腔12或中央冷却剂区31a。未详细描述的具有至少一个密封件的密封装置21用于密封热管20和套管30，使其与边侧转子轴部件5b相隔离，其中，所述密封件可建构为铁磁流体密封件和/或迷宫式密封件和/或间隙密封件。中央冷却剂区31a通过热管20和边侧套管30与冷凝器区18的热交换区向外气密密封地相连。在中央冷却剂区31a与冷凝器区18之间延伸的用于容纳一冷却剂的管状部件通常被称为管道部件22。这些管道部件与冷凝器区18和中央冷却剂区31a一起被视为一管道系统。

这个管道系统的空间内充满一冷却剂，可分别根据HTS绕组10的预期工作温度来选择冷却剂。举例而言可使用氢气(常压下冷凝温度为20.4K)、氖气(常压下冷凝温度为27.1K)、氮气(常压下冷凝温度为77.4K)或氩气(常压下冷凝温度为87.3K)。也可使用由这几种气体构成的混合物。其中，冷却剂循环利用所谓的温差回流效应而实现。为此在冷凝器区18区域内的冷头16的一冷区上冷凝冷却剂。随后，用k表示的液化冷却剂通过管道部件22流入中央冷却剂区31a。其中，冷凝液的输送通过重力作用而实现。到达转子内部后，液态冷却剂在固定式冷却剂区31a中至少部分被蒸发。蒸汽状冷却剂用k′表示。通过吸收热量而蒸发的冷却剂随后通过管道部件22的内部重新流入冷凝器区18。其中，这一冷却剂回流在一微小正压的驱动下流向冷凝器区18，所述正压形成在用作蒸发器的冷却剂区31a中，通过在蒸发器中生成气体和在冷凝器区中生成液体而产生。由于冷却剂循环(即先以液化冷却剂形式从冷凝器区18流入中央冷却剂区31a、再以汽化冷却剂k′形式从冷却剂区流回冷凝器区)是在由冷凝器区18、管道部件22和冷却剂区31a构成的管状管道系统中进行的，因而可将这个管道系统视为一利用温差环流效应实现冷却剂k、k′循环的单管系统。当然，本发明的机器系统上也可使用可实现温差环流循环的已知多管管道系统。

在船只或海上设备上使用机器2时，机器2可能会发生倾斜，其中，旋转轴A相对于水平线H发生几度的倾斜。在此情况下，冷却剂虽然仍会在冷凝器区18中发生冷凝，但却无法再到达中央冷却剂区31a，从而导致近轴区域内的管道部件22逐渐被液态冷却剂k充满。当管道系统内的冷却剂充填量相对较小时，转子内腔或冷却剂区31a会由于在干燥的条件下运行而无法被冷却。当管道系统内的冷却剂充填量较大时，气态冷却剂k′在管道部件22中朝冷凝器区18方向的回流在一定时间后将被聚集起来的液态冷却剂阻挡。在此情况下同样无法确保对转子及其超导绕组进行可靠的冷却。

如附图所示，出于这个原因，本发明在导热体31的内侧设置一特殊内衬25，这个内衬由一孔隙度够高的材料(优选为一烧结材料)制成。材料厚度D通常在0.1mm至2mm之间。本实施例选择的就是这样一种烧结材料。借此可确保即使在机器发生倾斜时也能借助烧结材料中的毛细作用力使冷却剂k均匀地分布在内表面上，从而确保冷却剂的均匀蒸发和转子绕组的有效冷却。此外，内衬25应由一高热导率材料制成，例如铜。在所选超导材料的工作温度下，该材料的热导率至少为100W·m^-1·K^-1。优选最小值应为400W·(m·K)^-1。举例而言，Cu烧结材料在温度为30K时的热导率约为30W·cm^-1.度^-1或3000W·m^-1·K^-1(参阅《Gmelin无机化学手册：铜，部分A》，1955年第8版，第957页)。

其中，内衬25与导热体31之间存在良好的热接触，这种热接触例如通过一收缩接合或压合而实现。

一相应内衬也可以一覆层的形式存在，其通过在导热体31的内表面上涂覆一材料而实现。其中，应确保形成一足够高的多孔结构，使得所需毛细作用力能起效。

为此，内衬25或其材料的孔隙度应至少为3％，优选的至少为10％。在此情况下，当转子围绕倾斜的轴进行旋转时，通过内衬可实现液态冷却剂k的均匀分布，其中，冷却剂在借助上述结构或空腔而形成的冷却剂路径的壁或表面上的分布，还可通过在此过程中出现的离心力的辅助支持。

也就是说，无论电动机轴A在正常工作状态下还是在工作中发生何种程度的倾斜，借助本发明的内衬均可确保导热体31整个空心圆柱形内表面上的均匀散热。

当然，必须防止有热量进入包围冷却剂k或k′的部件或容器中。为对其进行热隔离，合理地设置有一真空环境，其中，可在相应的真空区内额外设置绝热构件，例如超绝热体或绝热泡沫。附图中用V表示被真空容器7封闭的真空。真空容器7还包围延伸至密封装置21的套管30。包围热管20、冷凝器区18和传热体17的真空用V′表示。必要时也可在包围转子5、自身又被外部壳体3包围的内腔27中产生一负压。

Claims

1.一种机器系统，其包括

a)一可绕一旋转轴(A)旋转、被一定子包围的转子(5)，所述转子具有至少一个转子绕组(10)，所述转子绕组的复数个超导体与一沿轴向延伸的圆柱形中央转子空腔(12)导热地耦合；

b)一固定地伸入所述转子空腔并保持一环形间隙的导热体，所述导热体具有一中央冷却剂区；

c)一位于所述环形间隙内的热接触气体；

d)一位于所述转子(5)外部固定的冷却单元(15)，所述冷却单元具有一冷凝器区(18)；以及

e)在所述导热体(31)的中央冷却剂区(31a)与所述冷却单元(15)的冷凝器区(18)之间延伸的复数个管状管道部件(22)，

其中，所述冷却剂区(31a)、所述管状管道部件(22)和所述冷凝器区(18)构成一封闭的管道系统，一冷却剂(k，k′)利用温差环流效应在所述管道系统中循环或可在所述管道系统中循环，

其特征在于，

所述中央冷却剂区(31a)至少部具有一由高热导率多孔材料制成的内衬(25)，所述多孔材料构成可让所述冷却剂(k，k′)进入的毛细管状结构或空腔。

2.根据权利要求1所述的机器系统，其特征在于，

所述多孔材料为一种烧结材料。

3.根据权利要求2所述的机器系统，其特征在于是一种铜烧结材料。

4.根据上述权利要求中任一项权利要求所述的机器系统，其特征在于一压合或收缩内衬(25)。

5.根据权利要求1所述的机器系统，其特征在于将一多孔覆层用作内衬(25)。

6.根据上述权利要求中任一项权利要求所述的机器系统，其特征在于，

所述内衬(25)的孔隙度至少为3％，优选至少为10％。

7.根据上述权利要求中任一项权利要求所述的机器系统，其特征在于，

所述多孔材料在所述超导体的工作温度下的热导率至少为100W.m^-1·k^-1。

8.根据权利要求7所述的机器系统，其特征在于，

所述多孔材料在所述超导体的工作温度下的热导率值至少与铜的热导率值相当。

9.根据上述权利要求中任一项权利要求所述的机器系统，其特征在于，

所述转子绕组(10)的超导体含有高温超导材料。