CN101720525A - 具有超导转子绕组的电机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种包括一转子(6)和一冷却系统(8)的电机(2)，所述转子包括一在运行中处于环境温度的轴(18、22)和一固定布置在所述轴(18、22)上且在运行时被冷却至低温温度的超导转子绕组(30)，所述冷却系统用于冷却所述转子绕组(30)，且包括一用于冷却介质(42)的补偿压力容器(50、64)，其中，所述补偿压力容器(50、64)布置在所述轴(18、22)上。

Description

具有超导转子绕组的电机
技术领域
本发明涉及一种包括一转子的电机，所述转子包括一在运行中被冷却至低温温度的超导转子绕组。
背景技术
电机、发电机或电动机(例如同步电机)如今可配备超导组件(例如转子绕组)。为了将转子绕组冷却至工作温度，需要使用一冷却系统。这样的冷却系统通常采用(例如)所谓的温差环流系统，并通过两相冷却介质(例如氦、氢、氖、氮或氩)进行工作。一相应的转子通常具有一布置在转子绕组区域内的冷却室，液态冷却介质被导入该冷却室，并在此蒸发从而实现冷却功能，然后所述冷却介质被送回一冷头进行重新液化。
当电机启动运行时，电机和冷却系统的所有组件均处于室温下。冷却系统接通后，首先是对所谓的冷头进行冷却，当温度足够低时开始工作气体的液化。
由于工作气体的密度随着温度的下降而增大，尤其是会在液化过程中增大，因此已知的方法是于室温下在一安装在冷却系统上的外部储存容器内储存相应大小的气体体积，以便为电机工作提供足量的液化工作气体(也就是液态冷却剂)。补偿压力容器
Figure G2008800226458D00011
中的冷却介质无论在电机工作还是停机时通常都在环境温度下处于气体状态。借助这样的缓冲系统至少可实现一种“按下按钮即可”的系统，也就是说使用者不必关注冷却介质的补充或排放。使用者仅需在最初加满冷却介质后接通包括冷却系统在内的电机即可。
为了减小死体积，也就是冷却回路中在系统工作时实际不需要的体积，须在室温下力求达到尽可能高的初始压力。因此，补偿容器通常实施为压力容器。补偿压力容器布置在电机外部，并通过一相应的连接管道与通向电机的旋转转子的冷却系统相连。
一种已知的替代方案是当电机启动运行时从一储存器中补充工作气体。这样设备操作员就必须承担补充工作气体的任务。
在此情况下，电机停机时就须将正在蒸发的工作气体重新存回所述储存容器(例如贮气瓶或压力罐)，或者将其排放掉。尤其在补充和排放工作气体时，使用者须留意工作气体的储存情况。此外工作气体通常价格昂贵，因而须避免采用排放措施。由此产生的已知方法是将被排放的工作气体重新送回一贮气瓶，然而这样做就要使用一外部压缩机。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种经改进的具有一超导转子绕组的电机。
这个目的通过一种包括一转子的电机而达成，其中，所述转子包括一运行时处于环境温度下的轴。此外，所述电机包括一固定布置于所述轴上并在运行时被冷却至低温温度的超导转子绕组。所述电机还包括一用以冷却所述转子绕组的冷却系统，其中，所述冷却系统包括一用于冷却介质的补偿压力容器。根据本发明，所述补偿压力容器布置在所述电机的所述转子的所述轴上。
所述轴是在电机运行时须供以冷却介质的电机部件。将补偿压力容器直接布置在这个轴上，就不必再设置通向补偿压力容器的外部连接管道。在此情况下，布置在所述轴上的压力容器尽可能靠近在电机接通和运行时需要工作气体的地方来储存工作气体。
所述补偿压力容器可通过(例如)法兰连接安装在所述轴上，例如布置在通常不使用的电机B侧。
所述轴可至少在一分区段内设计为空心轴，并在该分区段的空心区域内具有一用于所述补偿压力容器的空隙。本发明的这种设计方案所基于的认识是，增大电机中原已存在的轴的直径，并将其实施为空心轴，或者扩大原已存在的空心轴内的空腔或利用该空腔来布置补偿压力容器。这样就无需再为外部压力容器设置必要的附加容积。所述轴的壁厚仅需达到足以实现其支承功能的程度即可。
如果所述补偿压力容器由上述空隙构成，就可达到进一步节省材料的目的。在此情况下，所述空心轴内不再安装分离式补偿压力容器，而是将所述空心轴自身用作补偿压力容器。
所述空隙可呈圆柱形，并与所述转子的中央纵轴同心，这就允许所述空心轴采用特别简单且有利于所述电机的设计。
由于所述补偿压力容器须借助一管道与冷却系统相连，使得工作气体的交换成为可能，因此所述补偿压力容器也可借助一通道与冷却系统相连，其中，所述通道是转子中的一空隙。借此也可省去需要为所述通道或连接管道设置的分离式组件。
所述通道可与所述转子的中央纵轴同心。所述通道的这种同心布置方式也可极大地简化制造，并使旋转轴获得有利的机械特性。
温差环流系统通常具有一在转子内沿中央纵轴居中延伸的冷却管，这个冷却管用于将冷却介质输送到转子绕组区域内。因此，所述补偿压力容器可设计为被这种冷却管贯穿。通过这种方式，所述补偿容器就不会对冷却介质的输送构成阻碍。
在采用冷却管的情况下，补偿压力容器和冷却系统之间的连接通道可同心地包围该冷却管。
由于所述转子的B侧通常不使用或只用于连接冷却系统，所以所述补偿压力容器可布置在所述转子的B侧末端。
在电机领域，众所周知的做法是使转子B侧末端的直径小于A侧末端的直径，其原因在于B侧轴只有支承功能而不承担传递转矩的任务。在本发明的电机中，通过对补偿压力容器进行整合，可使转子的B侧末端具有与A侧末端相同的直径，如此一方面可为补偿压力容器或相应的空腔提供空间，另一方面可带来如下优点，即，用于A侧轴和B侧轴的支承盘具有相同尺寸，贮存起来也方便。
穿插一冷却管时，可借助一在此情况下原本就须使用的旋转套管将所述空心轴的内部容积(即补偿压力容器)与外部空间(即环境侧)密封隔离。所述补偿压力容器由此在轴端上与周围环境实现密封隔离。
附图说明
下面借助附图所示的实施例对本发明作进一步说明，其中每一附图显示的均为示意性的轮廓：
图1为一电机，所述电机具有整合在转子中的一补偿容器；
图2为图1中电机B侧轴的替代实施方式；以及
图3为一包括分离整合式补偿容器的替代实施方式。
具体实施方式
图1显示的是一作为电机实例的电动机2，该电动机包括一定子4、一转子6以及一作用于转子6的冷却系统8。
定子4包括一静止的定子外壳10，其中一定子绕组12固定地锚定在这个定子外壳中。在电动机2的A侧A和B侧B分别固定有一布置在定子外壳10中的轴承14a、14b，转子6以可绕其中央纵轴16旋转的方式安装在所述轴承中。
转子6在A侧包括一AS轴18，该轴固定在轴承14a中用于传递电动机2所产生的转矩。转子6从总体上看具有三个沿轴向串接布置的部件。AS轴18上连接有一位于电动机2内部的核心部件20，所述核心部件既与AS轴18固定相连，又与BS轴22固定相连。BS轴22固定在位于定子4内的轴承14b中。
核心部件20包括一转子外壁24，所述转子外壁包围一隔离真空26。隔离真空26中固定有一不与所述转子外壁接触的转子冷物质(Rotorkaltmasse)28。转子冷物质28其实就是超导转子绕组30，该超导转子绕组在运行中被冷却系统8冷却至低温温度。为了将电动机2在转子材料28上产生的转矩传递到AS轴18上，AS轴18借助于一隔热的转矩传递元件32与转子冷物质28相连。转子冷物质28在B侧仅通过冷端支承件34的支承作用与BS轴22相连。
冷却系统8包括一个以中央纵轴16为基准在转子冷物质28内居中布置的冷却室36。用作冷却介质的液氖42在约-250℃的温度下沿箭头40所示的方向通过一随定子4一并静止的冷却管38进入该冷却室，且所述液氖在冷却室36中将转子绕组30冷却至低温温度，并在此处蒸发，随后沿箭头44所示的方向通过冷却管38进行回流。也就是说，箭头40是液氖的流动方向，而箭头44是氖气的流动方向。冷却管38在转子6的外部通向一图中未显示的冷头，沿箭头44所示的方向流动的氖气42在该冷头中重新冷却成为液氖42。由于转子6随BS轴22一起转动，因此，静止的冷却管38在B侧末端46(也称“BS末端”)上借助于一气密旋转套管48以可绕中央纵轴16旋转的方式安装在BS轴22中。
冷却系统8还包括一工作气体缓冲区50，这一工作气体缓冲区布置在设计为空心轴的BS轴22内部。工作气体缓冲区50与一通道52相连，这一通道沿中央纵轴16方向贯穿转子外壁24，并同心地包围冷却管38。换言之，通道52构成冷却管38和转子外壁24之间的一径向间隙。氖42可借助于通道52在工作气体缓冲区50和冷却室36之间实现循环，其中，所述工作气体缓冲区总是处于电动机2的环境温度下。
电动机2启动运行时，其所有部件最初均处于环境温度下。随后，在工作气体缓冲区50内处于过压下的氖42逐步穿过通道52进入冷却室36，并通过冷却管38到达附图未作图示的冷头，在此得到冷却，直至产生足够的液氖42，并且冷却室36被冷却至低温温度。
电动机2断路后会逐渐回升至环境温度，从而使全部的液氖42得以蒸发，并通过通道52流回工作气体缓冲区50加以储存。
就电动机2与BS轴22有关的尺寸举例而言，BS轴22的长度L例如为50cm，直径D例如为30-40cm。
在图2所示的替代实施方式中，BS轴22实施为两部分，即具有一圆柱形轴部件60，且一法兰62连接在该轴部件上并用于支承旋转套管48。如此设计的BS轴22制造起来简单得多，但须在法兰62上采取有效的密封措施，以免氖42从工作气体缓冲区50中泄露。
图3所示的另一实施方式并非将BS轴22自身设计为工作气体缓冲区50，而是将对应于工作气体缓冲区50的空腔设计成用于容纳一压力罐64的容置空间。压力罐64接收氖气42，并通过一分离式连接管道66与冷却室36相连。作为替代方案，也可将压力罐64连接在图1所示的通道52上，但附图未对此进行图示。

Claims (10)

1.一种包括一转子(6)和一冷却系统(8)的电机(2)，所述转子包括一在运行中处于环境温度的轴(18、22)和一固定布置在所述轴(18、22)上且在运行时被冷却至低温温度的超导转子绕组(30)，所述冷却系统用于冷却所述转子绕组(30)，并包括一用于冷却介质(42)的补偿压力容器(50、64)，其中，所述补偿压力容器(50、64)布置在所述轴(18、22)上。
2.根据权利要求1所述的电机(2)，其中，所述轴(18、22)至少在一分区段(22)内设计为空心轴，所述空心轴包括一用于所述补偿压力容器(50、64)的空隙(50)。
3.根据权利要求1或2所述的电机(2)，其中，所述空隙(50)构成所述补偿压力容器(50、64)。
4.根据权利要求2或3所述的电机(2)，其中，所述空隙(50)呈圆柱形，且与所述转子(6)的中央纵轴(16)同心。
5.根据上述权利要求中任一项权利要求所述的电机(2)，其中，所述补偿压力容器(50、64)借助一通道(52、66)与所述冷却系统(8)的其余部分相连，其中，所述通道(52、66)是所述转子(6)中的一空隙(52)。
6.根据权利要求5所述的电机(2)，其中，所述通道(52、66)与所述转子(6)的所述中央纵轴(16)同心。
7.根据上述权利要求中任一项权利要求所述的电机(2)，包括一贯穿所述补偿压力容器(50、64)的冷却管(38)，所述冷却管用于向所述转子绕组(30)的区域输送冷却介质(42)。
8.根据权利要求5或6和7所述的电机(2)，其中，所述通道(52、66)同心地包围所述冷却管(38)。
9.根据上述权利要求中任一项权利要求所述的电机(2)，其中，所述补偿压力容器(50、64)布置在所述转子(6)的B侧末端(B)。
10.根据上述权利要求中任一项权利要求所述的电机(2)，其中，所述转子(6)的B侧(B)直径(D)与A侧(A)直径(D)相同。
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