CN102498649B - 超导旋转电机和超导旋转电机用定子 - Google Patents

超导旋转电机和超导旋转电机用定子 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种超导旋转电机，其设置有具有超导绕组的转子和在转子周围配置的定子。在该旋转电机中，定子设置有围绕转子的旋转轴沿定子的周向以预定间隔配置的多个齿、以及各自通过卷绕带状电线而形成的多个绕组，其中：在每两个相邻的齿之间形成有槽；通过使多个导体线彼此绝缘并彼此并列配置来形成带状电线部件，每个导体线具有矩形截面形状；并且每个绕组具有第一和第二绕组部分，所述第一和第二绕组部分各自具有通过卷绕和层叠带状电线部件而得到的、使导体线呈格子状配置的截面。在与转子的中心轴垂直的截面中，第一绕组部分中的导体线的配置与第二绕组部分中的导体线的配置相同。此外，第一绕组部分配置在多个槽中的一个槽的径向外侧区域中，并且第二绕组部分配置在多个槽中的另一个槽的径向内侧区域中。

Description

超导旋转电机和超导旋转电机用定子
技术领域
本发明涉及超导旋转电机和用于与该旋转电机一起使用的定子。特别地，本发明涉及能够提高旋转电机的功率转换效率的定子。 
背景技术
传统上，已经提出了各种旋转电机(诸如感应电动机和永磁同步电动机)来供发电机使用。典型地，每个旋转电机具有绕组和铁芯，使得通过向绕组施加电流而产生的磁通量集中在铁芯中，以便增大磁场强度和旋转电机的作为结果产生的旋转力。 
为此，铁芯由强磁性材料(诸如铁)制成，并且限定有用于收容绕组的槽。铁芯是通过堆叠多个薄板而制成的，每个薄板由适合的电绝缘材料覆盖。为了减小绕组或永磁体产生的磁通量的变化所引起的涡流，各薄板由合金钢(诸如具有减小的磁滞和提高的饱和磁化强度的磁钢板)制成。 
优选地，旋转电机具有提高的功率转换效率。为了满足该要求，应该使铜损和涡流损耗最小化。例如，铜损表现为由于在导电部件(诸如电枢绕组或定子绕组)中流动的电流而产生的电阻加热。特别地，在诸如小型或中型无刷旋转电机或者永磁同步发电机之类的旋转电机中，铜损占据总损耗的大部分。 
涡流损耗表现为由于在磁通量周围产生的涡流而产生的电阻加热，其与旋转电机的驱动频率的平方成比例。于是，驱动频率以及作为结果产生的旋转频率的增大会引起绕组中涡流的显著增大。 
这意味着为了减小铜损，重要的是减小电枢绕组或定子绕组中的电阻。据此，专利文献1公开了增大绕组的总截面面积相对于收容绕组的槽的截面面积的比率，从而减小定子中要产生的铜损。 
传统上已知的是，通过将多个圆形或矩形截面的电线捆在一起来形成绕组束。使用绕组束可以比使用大直径绕组减小更多涡流。绕组束可以简单地通过将大量平行电线捆在一起来制成。专利文献2公开了通过将大量电线扭绞在一起而制成的扭绞绕组。 
近来，例如专利文献3提出了一种超导旋转电机，其中为了增大功率转换效率并使超导旋转电机小型化，通过使用超导电线形成电枢绕组来向转子和定子提供超导特性。专利文献3还公开了包含超导转子和定子的超导旋转电机，其中绕组由超导材料制成以便引入超导特性，并且由此可以获得具有提高的电力转换效率的小型旋转电机。 
现有技术文献 
专利文献 
专利文献1：特开2000-217282号公报 
专利文献2：特开2006-325338号公报 
专利文献3：特开2005-176578号公报 
发明内容
本发明所要解决的技术问题 
同时，具有由强磁性材料(诸如铁)制成的定子或转子的正常导电旋转电机的尺寸基本上由饱和磁场强度、或者获得预定输出所需的强磁性材料的截面面积或绕组的圈数确定。此外，如上所述，旋转电机中的涡流损耗可以通过堆叠由展现较小的铁损的材料(诸如磁钢)制成并且由电绝缘材料覆盖的薄板来减小。 
典型地，绕组的总截面面积相对于正常导电旋转电机中的槽的总截面面积的比率在约30％-40％的范围内变动，这不足以有效地减小在向绕组施加大电流的情况下由于定子中的铜损引起的温度升高量。 
此外，尽管可以使用具有圆形或矩形截面的电线的绕组束来使绕组作业变得容易，但是与涡流损耗相关的绕组圈数被限制到约20-30。 
此外，使用通常在超导旋转电机中采用的铋系高温超导电线所制成的定子绕组可能会影响超导特性，诸如由于交流损耗产生的热导致的绕组温度上升以及作为结果产生的临界电流的降低。于是，为定子提供超导特性在技术上可能是困难的，并且即使有可能，也会导致超导旋转电机的制造成本的提高。此外，采用在超导旋转电机中通常使用的铋系高温超导材料来形成超导旋转电机的定子绕组会导致由于交 流损耗而引起绕组温度上升，并由此降低与绕组的超导特性相关的临界电流。总之，为定子提供超导特性在技术上也许是不可能的。此外，为定子提供超导特性会导致超导旋转电机的制造成本的提高。 
同时，具有超导转子和正常导电定子的超导旋转电机可以增大磁场密度并因此降低超导旋转电机的总制造成本，这会减小超导转子中的铜损并因此提高功率转换效率，但是会增大正常导电定子中的铜损、铁损或涡流损耗。此外，铁芯的磁场易于被来自电枢的高磁场变饱和，这会阻止施加交流磁场。这会导致从超导转子取得的提高的效率被定子中的损耗抵消，这不能满足超导旋转电机中进一步提高功率转换效率的要求。为了解决该问题，超导转子和正常导电定子可以相互组合以提高磁场强度并由此防止制造成本的显著提高。这也提高了旋转电机的功率转换效率。然而，作为折衷，定子中的正常导电特性会引起铜损、铁损和/或涡流损耗。此外，铁芯的磁场将会立即被电枢的磁场变饱和，这会削弱交流磁场。因此，从超导转子取得的提高的效率将会被定子中的损耗抵消。 
因此，本发明是为了解决这些问题而做出的，并且本发明的目的是提高具有超导转子和正常导电定子的超导旋转电机中的功率转换效率。 
问题的解决方案 
本发明的一方面是在超导旋转电机中使用的定子，所述旋转电机包括具有超导绕组的转子和在转子周围安装的所述定子，并且所述定子包括： 
多个齿，其围绕转子的旋转轴以规则间隔配置从而限定各自位于相邻的齿之间的多个槽；以及 
多个绕组，每个绕组具有带状电线部件，所述电线部件具有多个矩形截面电线，其中所述矩形电线彼此并列配置并且彼此电绝缘，所述绕组通过将所述带状电线部件卷绕多次从而具有第一和第二绕组部分而构成，所述第一和第二绕组部分具有所述矩形电线呈格子状配置的截面，并且在与所述旋转轴垂直的截面中具有相同的电线配置，所述第一绕组部分配置在多个槽中的一个槽的径向外侧区域中，并且所述第二绕组部分配置在多个槽中的与多个槽中的所述一个槽相对应的 另一个槽的径向内侧区域中。 
本发明的另一方面是在超导旋转电机中使用的定子，所述旋转电机包括具有超导绕组的转子和在转子周围安装的所述定子，所述定子包括： 
多个齿，其围绕转子的旋转轴以规则间隔配置从而限定各自位于相邻的齿之间的多个槽；以及 
多个绕组，每个绕组具有带状电线部件，所述电线部件具有多个电线，其中所述电线彼此并列配置并且彼此电绝缘，所述绕组通过将所述带状电线部件卷绕多次而构成，其中每圈绕组的径向相对部分被扭捻并上下反转从而具有第一和第二绕组部分，所述第一和第二绕组部分具有所述电线呈格子状配置的截面，并且在与所述旋转轴垂直的截面中具有相同的电线配置，所述第一绕组部分配置在多个槽中的一个槽的径向外侧区域中，并且所述第二绕组部分配置在多个槽中的与多个槽中的所述一个槽相对应的另一个槽的径向内侧区域中，多个绕组中的一个绕组和与所述一个绕组相邻配置的另一个绕组以这样的方式彼此电连接：所述一个绕组中的关于所述转子的旋转方向从上游到下游顺次地配置的电线分别连接到所述另一个绕组中的关于所述旋转方向从下游到上游顺次地配置的电线。 
在本发明的另一方面中，在与所述中心轴垂直的截面中，所述电线的总截面面积与所述定子的总截面面积的比率为55％以上。 
根据本发明，能够在具有超导转子和正常导电定子的超导旋转电机中获得提高的功率转换效率。 
附图说明
图1是超导旋转电机的部分剖开透视图； 
图2是图1中的超导旋转电机的横截面图； 
图3A-3D分别是绕组的透视图、端面图和截面图； 
图4是绕组的透视图； 
图5A和5B是示出绕组的配置的图，在各图中附图标记1-48表示槽编号； 
图6A是超导旋转电机的部分截面图，并且图6B是齿和绕组的截面图；
图7是图1中的超导旋转电机的纵向截面图； 
图8A是示出绕组的电连接的图，并且图8B和8C是示出超导旋转电机的Y连接的图，在各图中附图标记1-48表示槽编号； 
图9A是示出导电材料中涡流的产生的图，图9B是示出移动的磁场横切导电部件的图，并且图9C是示出在绕组的截面中产生的涡流的图； 
图10A-10C是示出线圈间的连接的图； 
图11是示出通过根据本发明的线圈间的连接来消除涡流的图； 
图12A和12B是示出绕组之间的相移的图； 
图13A-13C是示出用于具有4个磁极和48个槽的旋转电机的磁极间的连接的图； 
图14A-14C是示出用于具有4个磁极和36个槽的旋转电机的磁极间的连接的图； 
图15A-15C是示出用于具有6个磁极和54个槽的旋转电机的磁极间的连接的图； 
图16A-16C是示出用于具有6个磁极和72个槽的旋转电机的磁极间的连接的图。 
具体实施方式
将参考附图说明根据本发明实施例的超导旋转电机和该旋转电机中包含的定子。 
图1示出径向间隙超导旋转电机的外部和内部结构，并且图2示出图1中的旋转电机的截面。如图所示，由附图标记10概括表示的旋转电机具有壳体12、围绕由壳体12限定的中心轴14自由旋转地被支撑的转子16、以及安装在转子16的周围并且固定在壳体12的内壁上的定子18。 
转子16包括沿中心轴14延伸并且由壳体12可旋转地支撑的旋转轴20。轴20支撑由内侧圆筒体构成的芯22和由外侧圆筒体构成的套管24，芯22和套管24绕中心轴14同轴安装从而在芯22和套管24之间限定圆筒状真空绝热空隙26。多对无铁芯超导绕组或线圈28沿周向以规则间隔安装在芯22的外表面上。尽管没有示出，但是线圈28电连接到电源。如图2所示，根据该实施例，四个超导线圈28沿周向以规则间隔安装，这允许形成四个磁极使得通过向超导线圈28施加电流而沿周向交替地出现北极N和南极S。芯22中限定有平行于中心轴14延伸的多个冷却介质输送通道30。通道30与未示出的冷却介质供应源流体连通，使得冷却介质(诸如氦气)从冷却介质供应源供应到各个通道中。优选地，芯22是通过切割具有改进的低温特性的非磁性材料(诸如中空圆柱形锻造材料SUS316)而制成的。优选地，套管24包含具有改进的低温绝热特性的一个或多个绝热层。 
定子18具有牢固地安装在壳体12的内表面上的圆筒形背轭18。优选地，背轭18是通过层叠沿与中心轴14垂直的方向取向的多个磁钢板(诸如硅钢板)制成的。背轭18进一步支撑围绕中心轴14沿周向以规则间隔配置在背轭的内表面上的多个齿34。每个齿34从背轭32朝径向内侧并且平行于中心轴14延伸。周向上相邻的每两个齿34之间限定有沿平行于中心轴14的方向延伸的大致矩形截面的槽36，在槽36中收容有下述的相关绕组40(参看图3A-3D)的一部分。在该实施例中，旋转电机10包括48个齿34和48个槽36。每个槽36具有由一对径向延伸的长边和一对周向延伸的短边限定的矩形截面。 
齿34由非磁性材料制成。在该实施例中，齿34由具有高机械强度的刚性树脂材料诸如纤维增强塑料(FRP)形成。齿34可以由非磁性金属诸如不锈钢制成。在任何一种情况下，齿34都可以通过层叠与中心轴14平行地配置的多个薄板来形成。因为齿34如上所述由非磁性材料制成，所以在齿34中不会随着转子16的旋转所引起的磁场运动而发生涡流，使得不需要用来冷却齿34的机构。此外，不会有磁通量集中在齿34的与转子16相对的径向内侧端部。 
参考图3A-3D，绕组40是通过卷绕电线部件42制成的。电线部件42呈带状形式并且包括彼此并列配置的多个电线44。每个电线44与相邻电线通过设置在它们之间的绝缘材料而电绝缘。在该实施例中，电线44具有由沿着电线部件42的厚度方向取向的长边和沿着电线部件42的宽度方向取向的短边限定的矩形截面。例如，用于电线44的材料是具有6毫米长边和2.83毫米短边的市售的典型铜质矩形截面材料。
在该实施例中，电线部件42包括彼此并列配置并且卷绕五次从而形成绕组40的12个电线44(a)-44(l)。在该实施例中，电线部件42被卷绕成六角形从而形成径向相对的两个扭捻部46、48，其中电线部件42在每个扭捻部上下反转。这导致每个堆叠的直线部分50、52处于扭捻部46、48的相反两侧。直线部分50、52的每个截面具有5x12的电线格子，其中每行具有从左到右按如下顺序配置的12个电线44(a)-44(l)。在下面的说明中，与电线44的近端54相邻的直线部分50被称为“近端直线部分”，并且与电线44的远端56相邻的直线部分52被称为“远端直线部分”。 
绕组的数量对应于槽的数量，即在具有48个槽的该实施例中制备了48个绕组40(1)-40(48)。每个绕组40安装在定子18上，使得近端直线部分50位于一个槽36(i)的径向内侧区域60上并且远端直线部分52位于另一个槽36(i+12)的径向外侧区域62上，所述另一个槽36(i+12)是从所述一个槽36(i)开始沿周向数第12个槽(参看图4)。具体地，如附图标记1-48表示槽编号的图5A、5B和5C所示，绕组40(1)-40(48)被配置成使其近端直线部分50配置在槽36(1)-36(48)的径向内侧区域60上并且使其远端直线部分52配置在槽36(13)-36(12)的径向外侧区域62上，这导致10x12的电线格子形成在每个槽36的矩形区域60内(参看图6A和6B)。扭捻部46、48以及近端和远端54、56配置在槽的纵向端部的外侧，并且一个绕组的近端54与另一个绕组的相关远端56电连接，这将在下面说明(参看图7)。 
这样配置的绕组40以传统方式电连接。该实施例中的旋转电机是3相旋转电机，其具有4个磁极、6个线圈和48个槽。于是，绕组40(1)-40(48)被划分成12个组，每个组具有连续相邻的四个绕组。 
具体地，如图8A、8B和8C所示，绕组40(1)的近端连接到端子U1。绕组40(1)的远端和绕组40(2)的近端、绕组40(2)的远端和绕组40(3)的近端、绕组40(3)的远端和绕组40(4)的近端、绕组40(4)的远端和绕组40(25)的近端彼此连接。此外，绕组40(25)的远端和绕组40(26)的近端、绕组40(26)的远端和绕组40(27)的近端、以及绕组40(27)的远端和绕组40(28)的近端彼此连接。绕组40(29)的远端连接到端子X1。 
绕组40(5)的远端和绕组40(6)的近端、绕组40(6)的远端和绕组40(7)的近端、以及绕组40(7)的远端和绕组40(8)的近端彼此连接。绕组40(8)的远端连接到端子W2。绕组40(29)的近端连接到端子Z2。绕组40(29)的远端和绕组40(30)的近端、绕组40(30)的远端和绕组40(31)的近端、绕组40(31)的远端和绕组40(32)的近端、以及绕组40(32)的远端和绕组40(5)的近端彼此连接。 
绕组40(9)的近端连接到端子V1。绕组40(9)的远端和绕组40(10)的近端、绕组40(10)的远端和绕组40(11)的近端、绕组40(11)的远端和绕组40(12)的近端、绕组40(12)的远端和绕组40(33)的近端彼此连接。此外，绕组40(33)的远端和绕组40(34)的近端、绕组40(34)的远端和绕组40(35)的近端、以及绕组40(35)的远端和绕组40(36)的近端彼此连接。绕组40(36)的远端连接到端子Y1。 
绕组40(13)的近端连接到端子X2。绕组40(13)的远端和绕组40(14)的近端、绕组40(14)的远端和绕组40(15)的近端、绕组40(15)的远端和绕组40(16)的近端、绕组40(16)的远端和绕组40(37)的近端彼此连接。此外，绕组40(37)的远端和绕组40(38)的近端、绕组40(38)的远端和绕组40(39)的近端、以及绕组40(39)的远端和绕组40(40)的近端彼此连接。绕组40(40)的近端连接到端子U2。 
绕组40(17)的近端连接到端子W1。绕组40(17)的远端和绕组40(18)的近端、绕组40(18)的远端和绕组40(19)的近端、绕组40(19)的远端和绕组40(20)的近端、绕组40(20)的远端和绕组40(41)的近端彼此连接。此外，绕组40(41)的远端和绕组40(42)的近端、绕组40(42)的远端和绕组40(43)的近端、以及绕组40(43)的远端和绕组40(44)的近端彼此连接。绕组40(44)的远端连接到端子Z1。 
绕组40(21)的近端连接到端子Y2。绕组40(21)的远端和绕组40(22)的近端、绕组40(22)的远端和绕组40(23)的近端、绕组40(23)的远端和绕组40(24)的近端、绕组40(24)的远端和绕组40(45)的近端彼此连接。此外，绕组40(45)的远端和绕组40(46)的近端、绕组40(46)的远端和绕组40(47)的近端、以及绕组40(47)的远端和绕组40(48)的近端彼此连接。绕组40(48)的远端连接到端子V2。 
根据这样构造的旋转电机10，电流从未示出的电源施加到超导线 圈28从而沿圆周方向以90度的规则间隔形成多个磁极，使得N(北极)和S(南极)交替出现。此外，电流以预定的定时从未示出的电源施加到绕组40，使得根据由绕组形成的磁场的变化，转子沿图2中的逆时针方向旋转。 
在转子16的旋转过程中，超导线圈28产生的磁场沿旋转方向运动(图2中的逆时针方向)。如图9A所示，当磁场68通过导电部件(电线、电线束)66时，涡流70在导电部件66中产生。如果齿由磁性材料制成，则磁场将集中在超导线圈中。然而，上述旋转电机10中的齿34由非磁性材料制成，这会导致随着转子16的旋转，由超导线圈28形成的磁通量68横切槽中的电线44，从而在电线44中感应出涡流。电线44中的涡流的强度根据磁场的运动而随时间变化，这会在转子的旋转方向的上游电线和下游电线之间产生电位差。 
涡流流动方向取决于与电线44构成的线束相对的磁场的极性。在具有4个磁极、6个线圈和48个槽的旋转电机中，当绕组40(1)-40(4)的近端直线部分50与超导线圈28的N磁极相对时，其远端直线部分52与线圈28的S磁极相对。于是，如图9C所示，在与N磁极相对的近端直线部分50中，在关于转子的旋转方向配置在上游侧的每个电线中、在电机轴向上产生较高的电位差H(+)，并且在配置在下游侧的每个电线中、在电机轴向上产生较低的电位差L(+)。这会导致由于上游较高的电位差H(+)和下游较低的电位差L(+)之间的差异，涡流在上游和下游电线部分之间循环。另一方面，在与S磁极相对的远端直线部分52中，在关于转子的旋转方向配置在上游侧的每个电线中、在与电机轴向相反的方向上产生较低的电位差L(-)，并且在配置在下游侧的每个电线中、在与电机轴向相反的方向上产生较高的电位差H(-)。这会导致由于上游较低的电位差L(-)和下游较高的电位差H(-)之间的差异，涡流在上游和下游电线部分之间循环。 
为了解决该问题，在图10A、10B和10C中所示的第一实施例中，相邻绕组例如绕组40(1)和40(2)、绕组40(2)和40(3)、以及绕组40(3)和40(4)之间的各电连接(下文中称为“线圈间的连接”)是通过将电线44(a)-44(l)的远端54分别与相邻的电线44(l)-44(a)的近端56连接来实现的，即电线44(a)与44(l)、44(b)与44(k)、…、44(k)与44(b)、以及 44(l)与44(a)被彼此连接。这会导致如图11所示，在绕组中沿相反方向流动的、产生于近端直线部分50和远端直线部分52中的大部分涡流被彼此抵消。于是，使绕组中的涡流最小化。 
应注意的是，绕组沿周向以规则间隔配置，并且因此如图12A和12B所示，在一个绕组中的一个涡流和相邻绕组中的另一涡流之间存在着一定的相位差，使得并非所有涡流都被彼此抵消并且仍有少量涡流存在于每个绕组中。为了解决该问题，在图13A、13B和13C中所示的第二实施例中，包括绕组40(1)-40(4)并且配置成与一个磁极相对的一个绕组群72(1)和在周向上与绕组群72(1)间隔180度的包括绕组40(25)-40(28)并且配置成与另一个磁极相对的另一个绕组群72(2)之间的连接(下文中称为“磁极间的连接”)是通过将第一群72(1)中的电线44(a)-44(l)的远端分别与第二群72(2)中的电线44(a)-44(l)的近端连接来实现的。这会导致如图12A和12B所示，两个群取基本相同的电位，并且涡流由此基本上彼此抵消。 
磁极间的连接取决于槽数和待连接的电线而采取不同的形式。例如，如图13A、13B和13C所示，如果旋转电机具有3相、4个磁极和48个槽(即，每一相一极的槽数为4)并且具有四个绕组40(1)-40(4)的一个群72(1)和具有四个绕组40(25)-40(28)的另一个群72(2)通过在绕组40(4)的从槽36(16)的外侧区域延伸出的远端与绕组40(25)的从槽36(25)的内侧区域延伸出的近端之间进行连接而被电连接，则当从径向内侧朝外侧或从径向外侧朝内侧观察时，这两个群看起来是沿相同的方向卷绕的。此外，每个群包括四个绕组。于是，在附图中示出的磁极间的连接中，绕组40(4)的电线44(a)-44(l)分别连接到绕组40(25)的电线44(a)-44(l)，这会导致两个群取基本上相同的电位，并且涡流由此基本上彼此抵消。 
如图14A、14B和14C所示，如果旋转电机具有3相、4个磁极和36个槽(即，每一相一极的槽数为3)并且具有三个绕组40(1)-40(3)的一个群和具有三个绕组40(19)-40(21)的另一个群通过在绕组40(3)的从槽36(12)的外侧区域延伸出的远端与绕组40(19)的从槽36(19)的内侧区域延伸出的近端之间进行连接而被电连接，则当从径向内侧朝外侧或从径向外侧朝内侧观察时，这两个群看起来是沿相同的方向卷绕 的。此外，每个群包括三个绕组。于是，在附图中示出的磁极间的连接中，绕组40(3)的电线44(a)-44(l)分别连接到绕组40(19)的电线44(l)-44(a)，这会导致两个群取基本上相同的电位，并且涡流由此基本上彼此抵消。 
如图15A、15B和15C所示，如果旋转电机具有3相、6个磁极和54个槽(即，每一相一极的槽数为3)并且具有三个绕组40(1)-40(3)的一个群和具有三个绕组40(28)-40(30)的另一个群通过在绕组40(3)的从槽36(12)的外侧区域延伸出的远端与绕组40(30)的从槽36(39)的外侧区域延伸出的近端之间进行连接而被电连接，则当从径向内侧朝外侧或从径向外侧朝内侧观察时，这两个群看起来是沿相反的方向卷绕的。此外，每个群包括三个绕组。于是，在附图中示出的磁极间的连接中，绕组40(3)的电线44(a)-44(l)分别连接到绕组40(30)的电线44(l)-44(a)，这会导致两个群取基本上相同的电位，并且涡流由此基本上彼此抵消。 
如图16A、16B和16C所示，如果旋转电机具有3相、6个磁极和72个槽(即，每一相一极的槽数为4)并且具有四个绕组40(1)-40(4)的一个群和具有四个绕组40(37)-40(40)的另一个群通过在绕组40(4)的从槽36(16)的外侧区域延伸出的远端与绕组40(40)的从槽36(52)的外侧区域延伸出的近端之间进行连接而被电连接，则当从径向内侧朝外侧或从径向外侧朝内侧观察时，这两个群看起来是沿相反的方向卷绕的。此外，每个群包括四个绕组。于是，在附图中示出的磁极间的连接中，绕组40(4)的电线44(a)-44(l)分别连接到绕组40(40)的电线44(l)-44(a)，这会导致两个群取基本上相同的电位，并且涡流由此基本上彼此抵消。 
根据旋转电机的上述实施例，可以实现除了上述优点之外的各种优点。具体地，因为多个矩形截面电线以高密度配置在每个槽中，所以在电线的集合体中流动的涡流被分割成较小的部分，这使每个电线中的涡流损耗最小化。本发明人进行的试验表明，为了电线中产生的涡流最小化，优选地在每个槽36中收容50个以上的电线40。 
上述绕组40可以比由平行配置的矩形或圆形电线制成的绕组或由扭绞电线束制成的绕组更易于处理，使得可以更经济地制造定子。 
尽管在前面的实施例中使用铜线，但是也可以使用由银、金或黄铜制成的电线作为替代，只要其具有改善的导电性和柔软性以致于在进行卷绕操作时能够容易地用手弯曲它。 
在一个实施例中，定子18中的齿和槽的总截面面积是142870mm2，并且绕组的总截面面积是97920mm2(48槽x60mmx34mm)，使得超导旋转电机的电线占积率为68.54％。于是，即使大量值的电流在旋转电机中流动，也能够使定子18中的铜损引起的温度上升最小化。本发明人进行的试验表明，为了使铜损最小化，优选的是将电线占积率确定为55％。 
进行了进一步的试验以便证实具有超导转子和正常导电定子的1MW级超导旋转电机的功率转换效率改进了多少。试验结果表明转子中仅有0.5％的损耗，并且定子中仅有由0.75％的铜损和0.75％的涡流损耗构成的1.5％的损耗，即总共有2％的损耗，这表明获得了98％的极高功率转换效率。该结果意味着即使定子是正常导电的，具有上述定子的超导电机仍能够提高功率转换效率，这继而意味着没有必要在旋转电机中采用超导定子，并且因此可以如此经济地构造电机。 
如上所述，根据上述实施例，电枢绕组中的铜损和涡流损耗以及作为结果产生的热被最小化，这对于更经济地制造旋转电机是有利的。 
上述实施例本质上仅是实例，并且本发明的范围不受这些实施例的限制。应注意的是，本发明的范围由权利要求确定并且应被解释为包括各种变型、改型及其等效形式。 

Claims (11)

1.一种在超导旋转电机中使用的定子，所述旋转电机包括具有超导绕组的转子和在所述转子周围安装的所述定子，所述定子包括：
多个齿，其围绕所述转子的旋转轴以规则间隔配置从而限定各自位于相邻的齿之间的多个槽；以及
多个绕组，每个绕组具有带状电线部件，所述电线部件具有多个电线，其中所述电线彼此并列配置并且彼此电绝缘，所述绕组通过将所述带状电线部件卷绕多次而构成，其中每圈绕组的径向相对部分被扭捻并上下反转从而具有第一和第二绕组部分，所述第一和第二绕组部分具有所述电线呈格子状配置的截面，并且在与所述旋转轴垂直的截面中具有相同的电线配置，所述第一绕组部分配置在所述多个槽中的一个槽的径向外侧区域中，并且所述第二绕组部分配置在所述多个槽中的与所述一个槽相对应的另一个槽的径向内侧区域中，所述多个绕组中的一个绕组和与所述一个绕组相邻配置的另一个绕组以这样的方式彼此电连接：所述一个绕组中的关于所述转子的旋转方向从上游到下游顺次地配置的电线分别连接到所述另一个绕组中的关于所述旋转方向从下游到上游顺次地配置的电线。
2.如权利要求1所述的定子，其中所述定子具有与所述转子中的磁极的数目相对应的多个绕组群，
其中所述多个绕组群中的每个绕组群具有偶数个绕组，并且所述多个绕组群中的一个绕组群和所述多个绕组群中的与所述一个绕组群相对应的另一个绕组群以这样的方式彼此电连接：
使得所述电线部件的从所述一个绕组群中的所述外侧区域延伸出的第一端被连接到所述电线部件的从所述另一个绕组群中的所述内侧区域延伸出的第二端，并且
使得所述第一端中的从所述上游到所述下游顺次地配置的电线分别连接到所述第二端中的从所述上游到所述下游顺次地配置的电线。
3.如权利要求1所述的定子，其中所述定子具有与所述转子中的磁极的数目相对应的多个绕组群，
其中所述多个绕组群中的每个绕组群具有奇数个绕组，并且所述多个绕组群中的一个绕组群和所述多个绕组群中的与所述一个绕组群相对应的另一个绕组群以这样的方式彼此电连接：
使得所述电线部件的从所述一个绕组群中的所述外侧区域延伸出的第一端被连接到所述电线部件的从所述另一个绕组群中的所述内侧区域延伸出的第二端，并且
使得所述第一端中的从所述上游到所述下游顺次地配置的电线分别连接到所述第二端中的从所述下游到所述上游顺次地配置的电线。
4.如权利要求1所述的定子，其中所述定子具有与所述转子中的磁极的数目相对应的多个绕组群，
其中所述多个绕组群中的每个绕组群具有偶数个绕组，并且所述多个绕组群中的一个绕组群和所述多个绕组群中的与所述一个绕组群相对应的另一个绕组群以这样的方式彼此电连接：
使得所述电线部件的从所述一个绕组群中的所述外侧区域延伸出的第一端被连接到所述电线部件的从所述另一个绕组群中的所述外侧区域延伸出的第二端，并且
使得所述第一端中的从所述上游到所述下游顺次地配置的电线分别连接到所述第二端中的从所述下游到所述上游顺次地配置的电线。
5.如权利要求1所述的定子，其中所述定子具有与所述转子中的磁极的数目相对应的多个绕组群，
其中所述多个绕组群中的每个绕组群具有奇数个绕组，并且所述多个绕组群中的一个绕组群和所述多个绕组群中的与所述一个绕组群相对应的另一个绕组群以这样的方式彼此电连接：
使得所述电线部件的从所述一个绕组群中的所述外侧区域延伸出的第一端被连接到所述电线部件的从所述另一个绕组群中的所述外侧区域延伸出的第二端，并且
使得所述第一端中的从所述上游到所述下游顺次地配置的电线分别连接到所述第二端中的从所述上游到所述下游顺次地配置的电线。
6.如权利要求1所述的定子，其中所述多个电线中的每个电线具有由长边和短边限定的矩形截面，并且被配置成使得所述长边和短边分别沿径向和周向取向。
7.如权利要求1所述的定子，其中所述多个槽中的每个槽具有由沿着径向延伸的一对第一边和沿着周向延伸的一对第二边限定的基本上矩形的截面，并且所述多个电线中的每个电线具有由一种边和另一种边限定的矩形截面，所述电线在所述槽中被定位成使得所述一种边和所述另一种边分别沿所述第一和第二边取向。
8.如权利要求1所述的定子，其中所述第一和第二绕组部分的所述截面各自具有50个以上的电线截面。
9.如权利要求1所述的定子，其中所述齿由非磁性材料制成。
10.如权利要求1所述的定子，其中在与所述旋转轴垂直的截面中，所述多个电线的总截面面积与所述定子的总截面面积的比率为55%以上。
11.一种超导旋转电机，包括如权利要求1所述的定子。
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Families Citing this family (38)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8959307B1 (en) 2007-11-16 2015-02-17 Bitmicro Networks, Inc. Reduced latency memory read transactions in storage devices
US8665601B1 (en) 2009-09-04 2014-03-04 Bitmicro Networks, Inc. Solid state drive with improved enclosure assembly
US8447908B2 (en) 2009-09-07 2013-05-21 Bitmicro Networks, Inc. Multilevel memory bus system for solid-state mass storage
US8560804B2 (en) 2009-09-14 2013-10-15 Bitmicro Networks, Inc. Reducing erase cycles in an electronic storage device that uses at least one erase-limited memory device
US9372755B1 (en) 2011-10-05 2016-06-21 Bitmicro Networks, Inc. Adaptive power cycle sequences for data recovery
JP2013183567A (ja) * 2012-03-02 2013-09-12 Toyota Motor Corp 導体セグメント及び導体セグメントを用いた回転電機固定子
US9043669B1 (en) 2012-05-18 2015-05-26 Bitmicro Networks, Inc. Distributed ECC engine for storage media
WO2014023991A1 (es) * 2012-08-09 2014-02-13 Romero-Beltran Julian Motor
JP6029934B2 (ja) * 2012-11-01 2016-11-24 川崎重工業株式会社 超電導回転機の固定子、超電導回転機
US9423457B2 (en) 2013-03-14 2016-08-23 Bitmicro Networks, Inc. Self-test solution for delay locked loops
US10489318B1 (en) 2013-03-15 2019-11-26 Bitmicro Networks, Inc. Scatter-gather approach for parallel data transfer in a mass storage system
US9971524B1 (en) 2013-03-15 2018-05-15 Bitmicro Networks, Inc. Scatter-gather approach for parallel data transfer in a mass storage system
US9734067B1 (en) 2013-03-15 2017-08-15 Bitmicro Networks, Inc. Write buffering
US10120694B2 (en) 2013-03-15 2018-11-06 Bitmicro Networks, Inc. Embedded system boot from a storage device
US9501436B1 (en) 2013-03-15 2016-11-22 Bitmicro Networks, Inc. Multi-level message passing descriptor
US9875205B1 (en) * 2013-03-15 2018-01-23 Bitmicro Networks, Inc. Network of memory systems
US9430386B2 (en) 2013-03-15 2016-08-30 Bitmicro Networks, Inc. Multi-leveled cache management in a hybrid storage system
US9672178B1 (en) 2013-03-15 2017-06-06 Bitmicro Networks, Inc. Bit-mapped DMA transfer with dependency table configured to monitor status so that a processor is not rendered as a bottleneck in a system
US9798688B1 (en) 2013-03-15 2017-10-24 Bitmicro Networks, Inc. Bus arbitration with routing and failover mechanism
US9720603B1 (en) 2013-03-15 2017-08-01 Bitmicro Networks, Inc. IOC to IOC distributed caching architecture
US9934045B1 (en) 2013-03-15 2018-04-03 Bitmicro Networks, Inc. Embedded system boot from a storage device
US9400617B2 (en) 2013-03-15 2016-07-26 Bitmicro Networks, Inc. Hardware-assisted DMA transfer with dependency table configured to permit-in parallel-data drain from cache without processor intervention when filled or drained
DE102013209967A1 (de) * 2013-05-28 2014-12-18 Siemens Aktiengesellschaft Supraleitende Spuleneinrichtung mit Spulenwicklung und Herstellungsverfahren
US10042792B1 (en) 2014-04-17 2018-08-07 Bitmicro Networks, Inc. Method for transferring and receiving frames across PCI express bus for SSD device
US10078604B1 (en) 2014-04-17 2018-09-18 Bitmicro Networks, Inc. Interrupt coalescing
US10025736B1 (en) 2014-04-17 2018-07-17 Bitmicro Networks, Inc. Exchange message protocol message transmission between two devices
US9952991B1 (en) 2014-04-17 2018-04-24 Bitmicro Networks, Inc. Systematic method on queuing of descriptors for multiple flash intelligent DMA engine operation
US10055150B1 (en) 2014-04-17 2018-08-21 Bitmicro Networks, Inc. Writing volatile scattered memory metadata to flash device
US9837196B2 (en) * 2015-09-15 2017-12-05 Hamilton Sundstrand Corporation Pendulum-type electromagnetic actuator
US10355549B1 (en) * 2015-11-04 2019-07-16 Kiruba Sivasubramaniam Haran Actively shielded superconducting machines
CN106533096B (zh) * 2016-11-21 2019-04-12 华中科技大学 一种全超导磁齿轮电机及其应用
US10552050B1 (en) 2017-04-07 2020-02-04 Bitmicro Llc Multi-dimensional computer storage system
DE102017219735A1 (de) * 2017-11-07 2019-05-09 Siemens Aktiengesellschaft Statorwicklung mit erhöhter Leistungsdichte
US11496013B2 (en) * 2018-03-26 2022-11-08 Aisin Corporation Rotating electrical machine stator and method for manufacturing rotating electrical machine stator
US11437808B2 (en) 2019-10-01 2022-09-06 General Electric Company System for controlling phase shifting of superconducting electric machines
US11632006B2 (en) * 2020-04-27 2023-04-18 Honeywell International Inc. Stator coil for high power density and efficiency electric machines
US11522427B2 (en) * 2020-08-28 2022-12-06 Emerson Electric Co. Single phase induction motors including aluminum windings and high permeability low coreloss steel
US11855498B2 (en) 2020-11-19 2023-12-26 Atieva, Inc. Patterns for balanced stator windings in electric motor

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6911759B2 (en) * 2000-08-04 2005-06-28 American Superconductor Corporation Stator coil assembly for superconducting rotating machines
CN101399470A (zh) * 2007-09-30 2009-04-01 乐金电子(天津)电器有限公司 电机定子铁芯结构

Family Cites Families (22)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3743875A (en) * 1971-07-26 1973-07-03 Massachusetts Inst Technology Polyphase synchronous alternators having a controlled voltage gradient armature winding
DE2440132C3 (de) * 1974-08-21 1978-04-27 Siemens Ag, 1000 Berlin Und 8000 Muenchen Kühlanordnung für den Rotor einer elektrischen Maschine
US4151639A (en) * 1975-03-13 1979-05-01 Kraftwerk Union Aktiengesellschaft Method of providing a cooling system for a superconductive exciter winding
DE2605593C3 (de) * 1976-02-12 1982-03-18 Kraftwerk Union AG, 4330 Mülheim Supraleitende Erregerwicklung für den Läufer eines Turbogenerators
DE2605640C2 (de) * 1976-02-12 1982-03-11 Kraftwerk Union AG, 4330 Mülheim Verfahren zum Wickeln und Einbringen der Spulen einer supraleitenden Erregerwicklung in die Nuten eines Turbogeneratorläufers
US4251745A (en) * 1978-01-25 1981-02-17 Bbc Brown, Boveri & Company, Limited Method and apparatus for cooling superconductive windings of electric machines
US4214182A (en) * 1978-06-20 1980-07-22 General Electric Company Support structure for armature conductors
US4330726A (en) * 1980-12-04 1982-05-18 General Electric Company Air-gap winding stator construction for dynamoelectric machine
SU1470145A1 (ru) * 1987-05-14 1990-09-23 Ленинградское Производственное Электромашиностроительное Объединение "Электросила" Им.С.М.Кирова Ротор электрической машины
JPH07110129B2 (ja) * 1989-02-16 1995-11-22 工業技術院長 超電導発電機の固定子巻線
US5175396A (en) * 1990-12-14 1992-12-29 Westinghouse Electric Corp. Low-electric stress insulating wall for high voltage coils having roebeled strands
JP2743122B2 (ja) * 1991-03-13 1998-04-22 超電導発電関連機器・材料技術研究組合 超電導回転電機の固定子
AU729271B2 (en) * 1997-05-26 2001-02-01 Denso Corporation Alternator for an automotive vehicle
JP2000217282A (ja) 1999-01-21 2000-08-04 Hitachi Ltd 回転電機の固定子
US7211919B2 (en) * 1999-08-16 2007-05-01 American Superconductor Corporation Thermally-conductive stator support structure
US20020089253A1 (en) * 2001-01-11 2002-07-11 Kudlacik Henry William Winding support for use with a superconducting rotor and method for forming the same
JP2003047233A (ja) * 2001-07-30 2003-02-14 Hitachi Ltd 超電導回転電機の電機子巻線
JP3561249B2 (ja) * 2001-09-17 2004-09-02 三菱電機株式会社 交流発電機の固定子およびその製造方法
US7547999B2 (en) * 2003-04-28 2009-06-16 General Electric Company Superconducting multi-pole electrical machine
JP2005176578A (ja) 2003-12-15 2005-06-30 Sumitomo Electric Ind Ltd 超電導モータ及び該超電導モータを用いる自動車
JP4839675B2 (ja) 2005-05-19 2011-12-21 トヨタ自動車株式会社 モータの巻線構造
JP2007325378A (ja) * 2006-05-31 2007-12-13 Hitachi Ltd 回転電機及びガスタービンシステム

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6911759B2 (en) * 2000-08-04 2005-06-28 American Superconductor Corporation Stator coil assembly for superconducting rotating machines
CN101399470A (zh) * 2007-09-30 2009-04-01 乐金电子(天津)电器有限公司 电机定子铁芯结构

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
JP平2-219460A 1990.09.03
JP特开2003-47233A 2003.02.14
JP特开平4-285462A 1992.10.09

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Publication number Publication date
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CN102498649A (zh) 2012-06-13
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JPWO2011030874A1 (ja) 2013-02-07
JP5122685B2 (ja) 2013-01-16
US20120161568A1 (en) 2012-06-28
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