CN102244457B

CN102244457B - 超导电机

Info

Publication number: CN102244457B
Application number: CN2011101227837A
Authority: CN
Inventors: 水谷良治; 大桥义正; 奥村畅朗; 石田贤司
Original assignee: Aisin Seiki Co Ltd; Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp; Aisin Corp
Priority date: 2010-05-14
Filing date: 2011-05-12
Publication date: 2013-10-09
Anticipated expiration: 2031-05-12
Also published as: US20110277953A1; JP4981156B2; JP2011244529A; CN102244457A; EP2387134A2

Abstract

本发明涉及一种超导电机(10)，该超导电机设有：被可旋转地支承的转子(12)；设置在所述转子(12)周围且设有多个线圈(34)的定子(14)，所述多个线圈(34)分别由超导线材(74)形成并被卷绕在定子芯(30)的内周；以及具有用于冷却所述多个线圈(34)的冷却部(58)的制冷机(16)。所述制冷机(16)的冷却部(58)与各个相线圈(34U，34V，34W)的一个端部(74U，74V，74W)接触。

Description

超导电机

技术领域

本发明涉及一种超导电机，并且尤其涉及一种设有用于冷却由超导线材形成的线圈的制冷机的超导电机。

背景技术

近来，很多注意力已被集中在依靠由车载二次电池供电的车载电机所产生的驱动力运行从而不排放二氧化碳、亦即实现“零排放”的电动车辆(下文将称为“EV”)上。此外，使用发动机和电机两者作为用于推进车辆的驱动力源而运行的混合动力电动车辆(下文将称为“HEV”)已日益普及。

要求用于诸如上述的EV和HEV中的电机尺寸小且输出高，因为它们被安装在有限的空间内。为了维持电机的期望输出性能，关键是抑制电机的升温，并且更具体而言，冷却电机的定子线圈。

作为与上述要求相关的技术，日本专利申请公报No.2000-125512(JP-A-2000-125512)记载了一种线圈端接触冷却型旋转电机。在该旋转电机中，每个定子线圈至少在线圈端具有轴向突出部分，所述部分为径向配置的长形板状导体且均在长形板状导体的厚度方向与定子芯的径向一致的这种位置从定子芯的端面突出。另外，设置了具有高导热率和平坦冷却面的冷却部件，使得冷却部件的冷却面经由电绝缘与线圈端的相应长形板状导体的平坦主面直接接触——所述平坦主面位于线圈端的径向最外侧或径向最内侧，从而改善了线圈端部的冷却。

同时，可使用超导电机作为要设置在诸如上述的EV和HEV中的电机。超导电机具有多个由超导线材形成的线圈，并且当在线圈被冷却使得它们的温度维持在预定的超低温度(例如70K)的状态下电流、更具体而言直流电被供应给线圈时，各线圈的电阻基本上为零。由于该原因，使用超导电机可有效减少电机的耗电量，从而减少EV、HEV等的耗电量。

然而，在使用制冷机冷却超导电机的定子线圈的情况下，如果由超导线材形成的线圈经由诸如定子芯之类的具有大热容量的其他部件被冷却至目标超低温度，则要花费很多时间来将所有线圈冷却至目标超低温度。另外，在制冷机的冷却部为了冷却而仅与定子芯的外周面的一部分接触的结构中，难以均匀地冷却与定子芯的被冷却部径向相对的定子芯部分和设置在相同定子芯部分的线圈，并且从而视各部分的导热率而定可能出现大的周向和轴向温度梯度。

发明内容

本发明提供一种超导电机，其能够将均由超导线材形成的多个相线圈有效并迅速地冷却至期望的超低温度。

本发明的一方面涉及一种超导电机，该超导电机具有：被可旋转地支承的转子；设置在所述转子周围并且设有多个线圈的定子，所述多个线圈分别由超导线材形成并且被卷绕在定子芯的内周；以及具有用于冷却所述多个线圈的冷却部的制冷机。所述制冷机的所述冷却部与所述多个线圈接触。

在以上方面，所述多个线圈中每预定数目的线圈可被串联连接，以形成多个相线圈。所述多个相线圈可在中性点与所述制冷机的所述冷却部接触，所述各个相线圈的一个端部在所述中性点彼此电连接。

在以上方面，在所述中性点，所述各个相线圈的所述一个端部可经由由导电部件制成的所述冷却部彼此电连接而不是彼此直接连接。

在以上方面，所述中性点可设置在所述多个线圈的线圈端部侧，所述线圈端部是所述多个线圈的在所述超导电机的轴向上的轴向端部。所述制冷机可配置成使得所述各个相线圈的所述一个端部在所述多个线圈的所述线圈端部侧连接到所述制冷机的所述冷却部。

在以上方面，形成所述各个线圈的所述超导线材的长度可彼此相等。

在以上方面，所述多个线圈可设有与所述多个线圈的线圈端部接触的环状的传热部件，每个所述线圈端部位于所述多个线圈中对应一个线圈的超导电机轴向端。所述制冷机的所述冷却部可配置成与所述多个线圈接触，并经由所述传热部件从所述线圈端部冷却所述多个线圈。

在以上方面，所述超导电机可为三相交流电机。

在以上方面，所述制冷机可具有缸和活塞。所述制冷机可构造成使得在所述冷却部中限定出的膨胀室中的冷却剂被在所述缸内往复运动的所述活塞反复压缩和膨胀，同时所述冷却剂的热量经由吸热部件被吸收和散发，导致温度下降并由此在所述冷却部获得期望的冷却温度。

在以上方面，所述制冷机可具有与所述冷却部连结的冷却剂压缩机。所述冷却剂压缩机可通过绝缘体与所述冷却部的前端电绝缘，所述冷却部的前端与所述多个线圈接触，所述绝缘体设置在所述冷却部的中间部或所述冷却部与所述冷却剂压缩机之间的边界。

根据以上方面，由于制冷机的冷却部与相线圈接触，并且因此均由超导线材形成的相线圈被直接而不是经由定子芯等冷却，所以可将相线圈有效并迅速地冷却至期望的超低温度。

附图说明

根据以下参考附图对示例性实施例的说明，本发明的前述和其他的目的、特征和优点将变得明显，附图中同样的标号用于表示同样的元件，并且其中：

图1是沿本发明的第一实施例的超导电机的轴向截取的剖视图，且还示出了该超导电机的侧面的一部分；

图2是沿着图1中的线I-I截取的剖视图；

图3是示意性地示出了U相线圈、V相线圈和W相线圈在中性点彼此电连接的电连接状态的视图；

图4A是示出了构成中性点的各个相线圈的一个端部的示例的视图；

图4B是示出了图4A所示的中性点与制冷机的冷却部连接的状态的视图；

图5A是示出了各个相线圈的一个端部以不同于图4B所示的方式在中性点与制冷机的冷却部连接的结构的视图；

图5B是示出了当从图5A中用箭头B所示的方向看去时的图5A中的结构的视图；

图6是示出了各个相线圈的一个端部以不同于图4B、图5A和图5B所示的方式在中性点与制冷机的冷却部连接的结构的视图；

图7是制冷机的冷却部的放大侧视图；

图8A是示出了环状绝缘体设置在制冷机的冷却部的中间部的示例的剖视图；

图8B是示出了具有较高绝缘电阻的环状绝缘体设置在制冷机的冷却部的中间部的示例的剖视图；

图9是示出了环状绝缘体设置在制冷机的冷却部与冷却剂压缩机之间的边界处的示例的剖视图；

图10是沿包括多个制冷机的本发明的第二实施例的超导电机的轴向截取的剖视图，且还示出了该超导电机的侧面的一部分；

图11是示意性地示出了U相线圈、V相线圈和W相线圈在两个中性点彼此电连接的状态的视图；

图12是沿本发明的第三实施例的超导电机的轴向截取的剖视图，且还示出了该超导电机的侧面的某些部分；

图13是沿本发明的第四实施例的超导电机的轴向截取的剖视图，且还示出了该超导电机的侧面的某些部分。

具体实施方式

下文将参考附图详细说明本发明的示例性实施例。应注意，在以下对各个示例性实施例的描述中指出的形状、材料、值、方向等只不过是用于便于理解本发明的示例，从而它们可根据各种因素诸如产品的用途、使用该产品的目的和该产品的规格进行适当更改。

图1是示出了本发明的第一实施例的超导电机10的剖视图，该图是沿着超导电机10的轴向截取的，且还示出了超导电机10的侧面的一部分。图2是沿着图1所示的线I-I截取的超导电机10的剖视图(应注意，该图中略去了定子芯的阴影线)。超导电机10具有以可旋转的方式被支承的转子12、大致呈圆筒状且被配置成环绕转子12的外周的定子14、以及被固定在超导电机10的轴向端面上的制冷机16。应注意，在以下对各个示例性实施例的描述中，沿着经过转子12中心的转子轴18的旋转轴线X延伸的各方向将被称为“轴向(电机轴线方向)”，与旋转轴线X成直角相交的各径向将被称为“径向”，并且使用旋转轴线X作为其中心点的沿着形成在包括上述径向的平面上的圆延伸的各方向将被称为“周向”。

转子12具有转子芯20以及转子轴18，该转子芯20呈圆筒状且通过例如层叠磁性钢板然后通过敛缝(caulking)、焊接等将它们接合在一起而形成，该转子轴18为例如贯通转子芯20的中心孔延伸且被固定于转子芯20上的圆棒状钢质部件。多个永磁体22(在第一实施例中，永磁体22的数目为六，或永磁体22设置在六个位置)等角地设置在转子芯20的外周面上使得它们暴露于该外周面。应注意，永磁体22可设置在转子芯20处使得它们未暴露于该外周面，亦即，例如，它们可被嵌埋在转子芯20的靠近其外周面的内部中。

转子12的转子轴18在其两端部19a和19b通过轴承28以可旋转的方式被支承，该轴承28分别被固定在形成超导电机10的两个轴向端面的圆盘状端板24和26上。通过这种配置，随着定子14中产生旋转磁场，所述磁场吸引转子芯20的永磁体22。从而，转子12被驱动而旋转。

定子14具有为大致圆筒状定子芯的定子芯30。多个径向向内突出的齿部32(应注意，第一实施例中设置了九个齿部32)被等角地设置在定子芯30的内周。形成在各个齿部32之间并沿轴向延伸的空间用作槽33。定子芯30通过例如轴向层叠多块大致环状的磁性钢板然后通过敛缝、粘合、焊接等将它们接合在一起而形成。应注意，定子芯30可通过将均具有单个齿部的九个单独的定子芯配置成环形式然后使用管状紧固部件从外侧紧固它们而形成。这些单独的定子芯可为压粉磁心。

线圈34设置在定子芯30的相应齿部32上。通过将超导线材卷绕在各个齿部32周围而形成线圈34。超导线材可为截面呈矩形的带形超导线材。超导线材的超导材料为例如钇基超导材料或铋基超导材料。然而，应注意，超导线材的超导材料并不局限于它们中的任何材料，亦即，其也可为任何其他公知的超导材料或任何今后开发的超导材料并且在较高的温度呈现其超导特性。

各线圈34具有均位于彼此相邻的齿部32之间的槽33内的内侧部分35，以及从定子芯30的相应轴向端面向外突出的两个线圈端部36。例如，可以使用三相同步AC(交流电)电机作为超导电机10。在这种情况下，各线圈34与横跨两个其他线圈34在周向上远离前一线圈34设置的另一线圈34串联连接，藉此形成U相线圈34U、V相线圈34V和W相线圈34W。

应注意，本发明的超导电机并不限于三相AC电机，亦即，它们可为两相AC电机、具有四个或更多个不同相线圈的AC电机、单相AC电机、DC(直流)电机等。

参考图3，U相线圈34U的一个端部、V相线圈34V的一个端部和W相线圈34W的一个端部在中性点70彼此电连接，而U相线圈34U的另一端部、V相线圈34V的另一端部和W相线圈34W的另一端部分别与U相电流输入端子72U、V相电流输入端子72V和W相电流输入端子72W连接。后文将说明在中性点70处的结构和形成各线圈34的超导线材的结构。

再次参考图1和图2，超导电机10具有圆筒状的电机壳体40，并且转子12和定子14设置在电机壳体40内。电机壳体40的两个轴端分别与端板24和26的外周部气密地连结。电机壳体40以及端板24和26均由例如非磁性材料如不锈钢制成。应注意，电机壳体40可与端板24或端板26一体地形成。

在电机壳体40中，内筒部件42和外筒部件44与转子12同心地布置。内筒部件42的两轴向端部分别被气密地固定于端板24和26的内面上，且外筒部件44的两轴向端部分别被气密地固定于端板24和26的内面上。内筒部件42可由不妨碍磁场通过并且不导电的非金属材料制成。另一方面，外筒部件44可由低导热率材料(例如FRP)或具有低导热率的非磁性材料制成。

内筒部件42的内径略大于转子12的转子芯20的直径，并且在转子芯20的外周面与内筒部件42的内周面之间形成在周向上均匀的间隙。此外，在内筒部件42与外筒部件44之间形成第一真空室46——其为圆筒状空间。包括线圈34的定子14设置在第一真空室46内。定子14的定子芯30的外周面被密闭地固定于外筒部件44的内周面上。

第一真空室46中的真空通过在组装包括制冷机16的超导电机10之后经形成在端板24和26中的至少一个中的排气孔(图中未示出)排空第一真空室46而形成。从而，通过由均具有低导热率的内筒部件42和外筒部件44限定出第一真空室46，然后如上所述排空第一真空室46，为包括线圈34且设置在第一真空室46中的定子14提供了更好的绝热。

此外，在外筒部件44与电机壳体40之间形成第二真空室48——其为筒状空间。与第一真空室46一样，第二真空室48处于真空状态。在该结构中，第二真空室48将包括线圈34且设置在第一真空室46中的定子14与超导电机10的外侧隔离。结果，进一步增强了包括线圈34的定子14的绝热。

制冷机16设置在位于超导电机10沿轴向的一端侧的端板24处。制冷机16经由管状托架50被附接，该管状托架50被气密地固定于端板24的贯通孔的周边上。

制冷机16设有冷却剂压缩机56，该压缩机56具有缸52和活塞54且冷却剂(例如，He气体)随着活塞54在缸52内线性地往复运动而在其中被反复压缩和膨胀。此外，制冷机16具有冷却部58，该冷却部58经由端板24的贯通孔从管状托架50的内侧延伸至第一真空室46并具有分段圆柱状外形。冷却部58的平坦前端面经由传热部件60与线圈端部36接触。对于线圈34与制冷机16之间的电绝缘，可在线圈端部36与传热部件60之间和/或在传热部件60与冷却部58之间设置诸如绝缘纸之类的绝缘体。

制冷机16的冷却性能足够高以将线圈34冷却至期望的超低温度(例如大约70K)——均由超导线材形成的线圈34在该温度呈现它们的超导特性，并且能够通过控制活塞54的行程来调节冷却温度。在超导电机10设置在诸如电动汽车的电动车辆中并被用作用于推进车辆的驱动力源的情况下，可使用小型且重量轻的制冷机作为制冷机16使得其可被布置在有限的安装空间内并且能够减轻车辆的重量。例如，可使用为蓄冷型制冷机的斯特林制冷机作为制冷机16。

以下将简要说明第一实施例中采用的斯特林制冷机的结构。斯特林制冷机具有缸52和由线性电机驱动以在缸52内线性地往复运动的活塞54。此外，在缸52内设有另一活塞(图中未示出)——其为未与活塞54机械连接的自由活塞。充装有冷却剂的压缩室被限定在自由活塞与活塞54之间，而充装有冷却剂的膨胀室被限定在自由活塞与缸52的端面之间。用作传热装置的吸热部件设置在膨胀室与压缩室之间。随着活塞54被驱动，自由活塞以预定的相位差往复运动，从而反复压缩和膨胀压缩室中的冷却剂，同时吸热部件吸收冷却剂的热量并将其散发至外部，藉此形成有膨胀室的冷却部58(也称为“蓄冷部”)的前端被冷却。

在对安装空间和重量的限制不严格的情况下，例如，当超导电机10被用作用于诸如火车和船只之类的大型移动物体的驱动力源或用作用于位置固定的机器的驱动力源时，可以使用尺寸和重量大的制冷机，只要该制冷机具有如上所述的冷却性能。

与制冷机16的冷却部58的轴向前端面接触的传热部件60由例如具有高导热率的金属板形成，具有在周向上连续延伸的环状形状，并与位于一个轴向侧的所有线圈端部36接触。另一方面，类似于前一传热部件60的另一传热部件60设置在位于另一轴向侧的线圈端部36处。从而，环状传热部件60分别设置在位于各个轴向侧的线圈端部36处使得传热部件60与线圈端部36接触，且因此周向配置的线圈34能够被迅速且均匀地从线圈端部36冷却。

在各传热部件60的与线圈34相对的面上形成凹部或沟槽，线圈端部36被嵌合于其中。这增加了各线圈端部36与传热部件60之间的接触面积，从而提高了冷却线圈34的效率。

此外，各传热部件60可由绝缘树脂材料制成并与线圈端部36一体形成。通过该结构，能够进一步增强线圈34与制冷机16的冷却部58之间的电绝缘。此外，在该情况下，为了提高各传热部件60的导热率，可以对绝缘树脂材料分散地添加金属颗粒或金属粉末。

接下来将参考图4A和图4B说明在中性点70的结构和形成各线圈34的超导线材74的结构。图4A示出了构成中性点70的U相线圈34U的一个端部74U、V相线圈34V的一个端部74V和W相线圈34W的一个端部74W的示例，且图4B示出了图4A所示的中性点与制冷机16的冷却部58连接的状态。

通过卷绕具有矩形截面的带状或条状超导线材74而形成第一实施例中的各线圈34。通过依次层叠基材76、中间层78、超导层80和涂覆层82而形成超导线材74。

例如，超导线材74按如下方式制造。应注意，例如可以使用Hastelloy带基材作为基材76。在基材76以恒定速度沿其纵向传送的同时，相继层叠并粘合中间层78、超导层80和涂覆层82。更具体而言，通过例如通过离子束辅助蒸镀在基材76的表面上蒸镀氧化物(例如Gd₂Zr₂O₇)而在基材76的表面上形成中间层78。然后，通过例如通过脉冲激光蒸镀在中间层78的表面上蒸镀超导材料(例如，氧化钇或氧化铋)而在中间层78的表面上形成超导层80。最后，通过例如在超导层80的表面上喷镀例如银或银合金而在超导层80的表面上形成涂覆层82。涂覆层82既用作覆盖超导层80的保护层，又用作在线圈端部36接触传热部件60的表面。

应注意，本发明中的超导线材的各个层的材料和形成方法并不局限于以上所述，亦即，可以使用任何公知材料和多层成型方法或任何今后开发的材料和多层成型方法。此外，超导线材的截面形状并不局限于矩形形状，亦即，例如，可以使用具有设置在线材的中央的超导材料芯部且被涂覆有形成在该芯部周围的绝缘涂层(例如，树脂涂层)的圆形截面线材，如典型的电线。

参考图4A，中性点70由分别从对应的线圈34拉出至线圈端部36侧的相线圈34U、34V和34W的一个端部74U、74V和74W——其为各个线圈34的一个轴向端部——构成，使得所述一个端部74U、74V和74W的矩形端面并排对齐，亦即，使得所述一个端部74U和74V彼此接触且所述一个端部74V和74W彼此接触。构成中性点70的所述一个端部74U、74V和74W穿过形成在传热部件60中的开口61(参考图5B)并如图4B所示被压配合在嵌合孔59内，该嵌合孔59形成于制冷机16的冷却部58的端部且截面呈矩形。应注意，可通过例如通过在将所述一个端部74U、74V、74W插入嵌合孔59之后对冷却部58敛缝而加强其间的连接，来更可靠地防止超导线材74从冷却部58被去除。

如上所述，在第一实施例的超导电机10中，形成相线圈34U、34V和34W的各个超导线材74的一个端部74U、74V和74W在中性点70与制冷机16的冷却部58直接连接，亦即，各个超导线材74的一个端部74U、74V和74W在中性点70与制冷机16的冷却部58接触。通过该结构，形成各个相线圈34U、34V和34W的线圈34的超导线材74的超导层80能够经由具有高导热率的漵覆层82被直接、有效并迅速地冷却，同时抑制温度(冷度)分散至均具有大热容量的超导电机10的其他部件，如定子芯30、低温箱(cryostat)、轴承和转子。从而，起动超导电机10所需的时间比较短，并且制冷机16的耗电量比较小。

此外，在第一实施例的超导电机10中，形成各个相线圈34U、34V和34W的超导线材74的长度大致彼此相等。因此，能够通过从中性点70冷却相线圈34U、34V和34W而均匀地冷却它们。从而，能通过使用传感器仅检测和监控三个相线圈中的一个而容易地确定所有三个相线圈的超导状态。

此外，在第一实施例的超导电机10中，与制冷机16的冷却部58接触的环状传热部件60设置成接触等角地设置的各个线圈34的线圈端部36。通过该结构，能够从位于轴向两侧的线圈端部36均匀并迅速地冷却线圈34。

接下来将参考图5A和图5B说明在中性点70的另一结构。图5A示出了相线圈34U、34V和34W的一个端部74U、74V和74W以不同于图4B所示的方式在中性点70与制冷机16的冷却部58连接的结构。图5B示出了当在图5A中由箭头B所示的方向上看去时的图5A中的结构。

参考图5A，相线圈34U、34V和34W的一个端部74U、74V和74W被拉出至冷却端部36侧——其为各线圈34的一轴向端侧，使得所述一个端部74U、74V和74W未彼此接触。参考图5B，所述一个端部74U、74V和74W穿过传热部件60的开口61并且被分别压合到形成在制冷机16的冷却部58的端部处的三个嵌合孔59U、59V和59W内。嵌合孔59U、59V和59W在大致分别与等边三角形的三条边对应的位置形成在冷却部58的端面中。为了更可靠地防止超导线材74从冷却部58被去除，例如，在将所述一个端部74U、74V和74W分别插入嵌合孔59U、59V和59W内之后对冷却部58敛缝，从而加强其间的连接。应注意，配置相线圈34U、34U和34W的一个端部74U、74V和74W——其与冷却部58连接使得它们没有彼此接触——的形式既不限于等边三角形形式，也不限于如上所述的大致等边三角形形式。亦即，所述一个端部74U、74V和74W可采用各种其他形式配置，诸如图6所示的形式，其中一个端部74U、74V和74W以一定间隔并排(或成纵列)布置。

相线圈34U、34V和34W的所述一个端部74U、74V和74W并未彼此直接电连接，并且通过经由冷却部58彼此电连接而构成中性点70，该冷却部58是由例如铜形成的导电部件。在三相AC电机的中性点——三相线圈在该中性点彼此电连接——的电势通常为零。从而，即使各个超导线材74的一个端部74U、74V和74W如上所述经由导电的冷却部58彼此电连接，也没有电流流到冷却部58和冷却剂压缩机56。然而，应注意，在中性点的电势可由于电机电流中的干扰而从零改变，该干扰可以是由例如逆变器的开关元件的开闭控制故障而造成的。因此，可设置绝缘体或绝缘结构使得即使在这种异常状态下也没有电流从冷却部58流到冷却剂压缩机56。后文将说明出于该目的而设置的绝缘体。

即使相线圈34U、34V和34W的一个端部74U、74V和74W与制冷机16的冷却部58接触使得它们未如前文所述彼此直接电连接，在相线圈34U、34V和34W的冷却方面也能够实现与如上所述相同的效果。此外，由于一个端部74U、74V和74W如上所述被单独压合在冷却部58内，所以各所述一个端部在其纵向端面和四个周侧面与冷却部58接触，这使得能够更均匀并有效地冷却相线圈34U、34V和34W。

上述超导电机10结合了以下两种结构：相线圈34U、34V和34W的一个端部74U、74V和74W在中性点70与制冷机16的冷却部58连接，使得线圈34从中性点70侧被冷却的结构；以及线圈34经由与制冷机16的冷却部58接触的环状传热部件60从线圈端36侧被冷却的结构。然而，应注意，本发明的超导电机并不局限于此。亦即，例如，超导电机10可适合于具有用于冷却线圈34的这两种结构中的任一种。更具体而言，在超导电机10适合仅具有线圈34从中性点70侧被冷却的结构的情况下，可省去传热部件60，而另一方面，在超导电机10适合仅具有经由传热部件60冷却线圈34的结构的情况下，使相线圈34U、34V和34W彼此电连接的中性点70可设置在远离制冷机16的冷却部58的位置。

此外，在上述超导电机10中，相线圈34U、34V和34W在使相线圈34U、34V和34W彼此电连接的中性点70与制冷机16的冷却部58接触。然而，应注意，本发明并不局限于此。亦即，例如，线圈34可在线圈端部36的除中性点70以外的部分与制冷机16的冷却部58连接，使得相线圈34U、34V和34W彼此绝缘。

此外，在上述超导电机10中，相线圈34U、34V和34W的一个端部74U、74V和74W被布置成通过嵌合在制冷机16的冷却部58中而与之接触。然而，应注意，本发明并不局限于此。亦即，例如，所述一个端部74U、74V和74W各者可仅在其一个端面(例如纵向端面)与制冷机16的冷却部58直接连接，尽管在这种情况下有助于传热的接触面积比较小。

接下来将参考图7至图9说明制冷机16的绝缘结构。图7示出了制冷机16的冷却部58的放大侧视图。图8A是示出了环状绝缘体84设置于冷却部58的中间部的示例的剖视图。图8B是示出了具有比较高的绝缘电阻的环状绝缘体84a设置于冷却部58的中间部分的示例的剖视图。图9是示出了环状绝缘体84b设置于冷却剂压缩机56与冷却部58之间的边界处的示例的剖视图。

参考图7，制冷机16由冷却剂压缩机56和冷却部58构成，并且冷却部58的前端部(即，图7中在右侧的端部)与相线圈34U、34V和34W的中性点70接触。冷却部58的形状为前端闭合的分段圆筒状，且呈环状或圈形的绝缘体84设置在冷却部58的在其轴向(即图7中的左右方向)上的中间部分。

参考图8A，制冷机16的冷却部58由以下部分构成：前端部86，其由例如具有高导热率和高导电率的铜制成；圆筒状中间部件88，其由例如不锈钢制成；绝缘体84，其具有短圆筒形状并由绝缘材料(例如陶瓷)制成；以及圆筒状基端部90，其经由凸缘部92与冷却剂压缩机56气密地连结并由例如不锈钢制成。前端部86、中间部件88、绝缘体84和基端部90利用钎焊金属如钎焊金、钎焊银和钎焊镍而气密地结合。此外，希望绝缘体84由具有低导热率的材料制成，且由于该原因，在各种陶瓷材料当中尤其优选氧化铝(矾土)。

在如上所述构成的冷却部58中，绝缘体84用作与线圈34接触的前端部86和与冷却剂压缩机56连接的基端部90之间的绝缘结构。因此，即使当在中性点70的电势已由于可能是由于某些原因造成的电机电流的干扰而从零改变时，也可防止大电流从冷却部58流到冷却剂压缩机56，并从而保护结合有线性电机的制冷机16等。

此外，在图8B所示的示例中，绝缘体84a的内径等于中间部件88和基端部90的直径，并且绝缘体84a的周壁径向向外突出，使得绝缘体84a的总壁长相对较大。从而，绝缘体84a的使用提供了更高的绝缘电阻并提高了绝缘性能。

此外，在图9所示的示例中，具有短圆筒形状的绝缘体84b被布置在冷却剂压缩机56的附接部57——冷却部58的基端部90与该附接部连接——与冷却部58的基端部90之间，而不是布置在冷却部58的中间部分，亦即，绝缘结构设置在冷却部58与冷却剂压缩机56之间的边界处。这种结构减小了要使用钎焊金属结合的部分的数量，从而简化了冷却部58的制造。

接下来将参考图10和图11描述本发明的第二实施例的超导电机10a。下面将主要描述与上述第一实施例的超导电机10不同的超导电机10a的结构和归功于该不同结构而实现的效果。在以下描述中，超导电机10a的与超导电机10中完全相同或类似的结构元件将由相同或类似的参考标号表示，并且将省略对它们的描述以避免重复。

图10示出了第二实施例的超导电机10a的沿其轴向截取的剖视图，并且还示出了超导电机10a的某些部分的侧面。图11是示意性地示出了图10所示的超导电机10a中的电连接的视图，其中相线圈34U、34V和34W在两个中性点70a和70b彼此连接。

第二实施例的超导电机10a除制冷机16外还具有制冷机17。在以下描述中，制冷机16和17将分别被称为“第一制冷机16”和“第二制冷机17”。第二制冷机17经由与制冷机16相同的结构被附接在位于另一轴向侧的端板26上。

第一制冷机16和第二制冷机17彼此对向配置，使得第一制冷机16中的活塞54和第二制冷机17中的活塞54在同一直线上移动。亦即，第一制冷机16和第二制冷机17在轴向上彼此相对。在制冷机16和第二制冷机17中，各个冷却剂压缩机56被驱动使得各个活塞54沿相反的方向移动。更具体而言，第一制冷机16和第二制冷机17被驱动以使得第一制冷机16中的活塞54以及第二制冷机17中的活塞54的压缩和膨胀冲程彼此同步。通过这种配置和驱动方式，能使当活塞54移动时分别由第一制冷机16和第二制冷机17施加在超导电机10a上的转矩抵消，从而能减少振动和噪音。

此外，参考图11，超导电机10a具有两个中性点，亦即，第一中性点70a和第二中性点70b。更具体而言，两组相线圈34U、34V和34W彼此并联连接，并且该两组之一中的相线圈34U、34V和34W在第一中性点70a彼此电连接，而另一组中的相线圈34U、34V和34W在第二中性点70b彼此电连接。第一中性点70a与上述第一实施例的超导电机10的中性点70对应，且第二中性点70b设置在位于另一轴向侧的线圈端部36并由第二制冷机17的冷却部58冷却。超导电机10a的其他结构与超导电机10相同。

如上所述，在第二实施例的超导电机10a中，通过两个制冷机16和17，亦即，不经由诸如定子芯30之类的具有大热容量的部件和部分，能够从设置在轴向两侧的中性点70a和70b有效并迅速地将相线圈34U、34V和34W的线圈34冷却至期望的超低温度。从而，起动超导电机10a所需的时间比较短，并且各制冷机16和17的耗电量比较小。

此外，在超导电机10a中，第一制冷机16的活塞54和第二制冷机17的活塞54被配置成在同一直线上移动，并且各个冷却剂压缩机56被驱动以使得各个活塞54沿相反的方向移动。因此，能使当活塞54移动时分别由第一制冷机16和第二制冷机17施加在超导电机10a上的转矩抵消，从而能减少振动和噪音。

接下来将参考图12描述本发明的第三实施例的超导电机10b。第三实施例的超导电机10b与第二实施例的超导电机10a的不同之处仅在于制冷机16和17的配置，并且因此，以下将只说明它们之间的差别，并且超导电机10b的其他结构元件、亦即超导电机10b的与超导电机10a中相同的结构元件将由相同的参考标号表示，并且将略去对它们的描述以避免重复。

在超导电机10b中，第一制冷机16和第二制冷机17的冷却剂压缩机56被附接在电机壳体40的外周壁上，并且从各个冷却剂压缩机56延伸的冷却剂管62与各个冷却部58连接。在该情况下，第一制冷机16中的活塞54和第二制冷机17中的活塞54也被驱动成沿相反的方向移动。超导电机10b的其他结构与超导电机10a相同。

通过第三实施例的超导电机10b，能够实现与第二实施例的超导电机10a相同的效果，并且此外，超导电机10b的轴向长度比超导电机10a的轴向长度短，这增加了将超导电机安装在车辆内的自由度。

接下来将参考图13描述本发明的第四实施例的超导电机10c。第四实施例的超导电机10c与第二实施例的超导电机10a的不同之处仅在于制冷机16和17的配置，并且因此，以下将只描述它们之间的差别，并且超导电机10c的其他结构元件、亦即超导电机10c的与超导电机10a中相同的结构元件将由相同的参考标号表示，并且将略去对它们的描述以避免重复。

在超导电机10c中，第一制冷机16和第二制冷机17分别被配置在沿定子14的径向彼此相对的位置，并且冷却剂压缩机56被驱动以使得活塞54沿相同的方向移动。在该情况下，第一制冷机16中的活塞54和第二制冷机17中的活塞54同样轴向地往复运动，尽管与上述超导电机10a中不一样，不是在同一直线上。超导电机10c的其他结构与超导电机10a相同。

更具体而言，在超导电机10c中，第一制冷机16配置在沿周向与第二制冷机17隔开180度的位置并与第二制冷机17相对。在该情况下，当第一制冷机16中的活塞54在其压缩冲程上朝图13的右侧移动时，第二制冷机17中的活塞54在其膨胀冲程上朝图13的右侧移动，而另一方面，当第一制冷机16中的活塞54在其膨胀冲程上朝图13的左侧移动时，第二制冷机17中的活塞54在其压缩冲程上朝图13的左侧移动。亦即，活塞54沿相同的方向移动。由于第一制冷机16和第二制冷机17的冷却剂压缩机56如上所述被驱动，所以能使当活塞54移动时分别由第一制冷机16和第二制冷机17施加在超导电机10c上的转矩抵消或减小，从而能减少振动和噪音。

此外，在超导电机10c中，第一制冷机16和第二制冷机17如上所述分别配置在彼此相对的位置。因此，冷却部58在彼此径向相对的位置(即，彼此沿周向隔开180度的位置)接触各个传热部件60，并冷却分别设置在这些位置的中性点70a和70b。因此，与第二实施例的超导电机10a相比，能够进一步减少将周向配置的线圈34的整个部分均匀地冷却至期望的超低温度所需的时间。

虽然在上述示例性实施例的超导电机10a、10b和10c中使用两个制冷机16和17从轴向两侧冷却由各个超导线材形成的线圈34，但本发明并不局限于此。亦即，例如，可使用三个或更多个制冷机从轴向两侧冷却线圈34。

虽然已参考本发明的示例性实施例描述了本发明，但应当理解，本发明并不限于所述的实施例或结构。相反，本发明旨在涵盖各种变型和等同配置。此外，虽然在各种示例性组合和构造中示出所披露的发明的各种元件，但包括或多或少或仅单个元件的其他组合和构造也在所附权利要求的范围内。

Claims

1.一种超导电机（10；10a；10b；10c），具有：被可旋转地支承的转子（12）；设置在所述转子（12）周围并且设有多个线圈（34）的定子（14），所述多个线圈（34）分别由超导线材（74）形成并且被卷绕在定子芯（30）的内周；以及具有用于冷却所述多个线圈（34）的冷却部（58）的制冷机（16，17）；

所述超导电机（10；10a；10b；10c）的特征在于，所述制冷机（16，17）的所述冷却部（58）与所述多个线圈（34）接触，其中：

所述多个线圈（34）中每预定数目的线圈被串联连接，以形成多个相线圈（34U，34V，34W）；并且

所述多个相线圈（34U，34V，34W）在中性点（70；70a，70b）与所述制冷机（16，17）的所述冷却部（58）接触，所述各个相线圈（34U，34V，34W）的一个端部（74U，74V，74W）在所述中性点（70;70a,70b）彼此电连接。

2.根据权利要求1所述的超导电机（10；10a；10b；10c），其中，在所述中性点（70；70a，70b），所述各个相线圈（34U，34V，34W）的所述一个端部（74U，74V，74W）经由由导电部件制成的所述冷却部（58）彼此电连接而不是彼此直接连接。

3.根据权利要求1或2所述的超导电机（10；10a；10b；10c），其中：

所述中性点（70；70a，70b）设置在所述多个线圈（34）的线圈端部（36）侧，所述线圈端部是所述多个线圈（34）的在所述超导电机（10；10a；10b；10c）的轴向上的轴向端部；并且

所述制冷机（16，17）配置成使得所述各个相线圈（34U，34V，34W）的所述一个端部（74U，74V，74W）在所述多个线圈（34）的所述线圈端部（36）侧连接到所述制冷机（16，17）的所述冷却部（58）。

4.根据权利要求1或2所述的超导电机（10；10a；10b；10c），其中，形成所述各个线圈（34）的所述超导线材（74）的长度彼此相等。

5.根据权利要求1或2所述的超导电机（10；10a；10b；10c），其中：

所述多个线圈（34）设有与所述多个线圈（34）的线圈端部（36）接触的环状的传热部件（60），每个所述线圈端部（36）位于所述多个线圈（34）中对应一个线圈的超导电机轴向端；并且

所述制冷机（16，17）的所述冷却部（58）配置成与所述多个线圈接触，并经由所述传热部件（60）从所述线圈端部（36）冷却所述多个线圈（34）。

6.根据权利要求1或2所述的超导电机（10；10a；10b；10c），其中，所述超导电机（10；10a；10b；10c）为三相交流电机。

7.根据权利要求1或2所述的超导电机（10；10a；10b；10c），其中：

所述制冷机（16，17）具有缸（52）和活塞（54）；并且

所述制冷机（16，17）构造成使得在所述冷却部（58）中限定出的膨胀室中的冷却剂被在所述缸（52）内往复运动的所述活塞（54）反复压缩和膨胀，同时所述冷却剂的热量经由吸热部件被吸收和散发，导致温度下降并由此在所述冷却部（58）获得期望的冷却温度。

8.根据权利要求1或2所述的超导电机（10；10a；10b；10c），其中：

所述制冷机（16，17）具有与所述冷却部（58）连结的冷却剂压缩机（56）；并且

所述冷却剂压缩机（56）通过绝缘体与所述冷却部（58）的前端电绝缘，所述冷却部的前端与所述多个线圈（34）接触，所述绝缘体设置在所述冷却部（58）的中间部或所述冷却部（58）与所述冷却剂压缩机（56）之间的边界处。