CN102780382B - 具有超导电枢线圈和其它部件的电机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及具有超导电枢线圈和其它部件的电机，具体而言，本申请以及所得到的专利提供了超导电机(100)。该超导电机(100)可包括由高温超导材料(120)制成的电枢线圈(110)、冷却系统(130)以及励磁线圈(200)。该冷却系统(130)可包括包围电枢线圈(110)的低温保持器(140)和包围低温保持器(140)的泡沫隔层(190)。

Description

具有超导电枢线圈和其它部件的电机
技术领域
本申请及所得到的专利总体涉及电机，且更特别地涉及具有由高温超导材料制成的电枢绕组线圈和其它部件的超导电机。
背景技术
总体而言，诸如电动机和发电机的典型电机包括安装在转子周围的励磁线圈和安装在定子周围的电枢绕组线圈。一旦施加电压，磁场即将励磁线圈和电枢绕组线圈耦合。磁场的大小取决于通过励磁线圈的电流的数量。电机内的磁致应力转化为扭矩，从而导致转子的旋转。磁场越高，对于电枢绕组线圈的给定周长每转扭矩越大。
使用由超导材料制成的励磁线圈使得电机更加紧凑、轻重量，并且由于由超导材料导致的增加的磁场强度而高效。总体电机性能还可通过增加电枢绕组线圈的载流能力而改善。用由超导材料制成的线圈更换原始的铜线圈，从而可极大地将整体功率密度增大大约二到五甚至更多的倍数。
然而，使用已知超导材料具有的一个问题是包括由暴露于强交变磁场所导致的过大交流损耗。尽管某些类型的高温超导材料通常具有较低的交流损耗，但必须提供充足且有些复杂的冷却系统来将超导材料维持在期望的操作温度范围内。此外，对于基于空气隙的线圈和梳齿缠绕线圈(tooth-wound coil)等会发现不同的设计和操作问题。
因此对于空气隙或梳齿缠绕线圈设计两者都期望有使用高温超导材料的改善的电机。此类改善的电机设计优选地可避免大的交流损耗同时还提供简化的冷却系统。此外，此类改善的设计优选地应该提供具有高操作效率的轻重量及紧凑的形状。
发明内容
本申请以及所得到的专利因而提供了超导电机。该超导电机可包括由高温超导材料制成的电枢线圈、冷却系统以及励磁线圈。该冷却系统可包括包围电枢线圈的低温保持器以及包围该低温保持器的泡沫隔层。
本申请以及所得到的专利还提供了超导电机。本文描述的超导电机可包括包围铁齿的电枢线圈、冷却系统以及励磁线圈。电枢线圈可由高温超导材料制成。冷却系统可包括结合到铁齿上的真空隔离的低温保持器。
本申请以及所得到的专利还提供了超导电机。该超导电机可包括成空气隙构造的电枢线圈、冷却系统以及励磁线圈。电枢线圈可由高温超导材料制成。该冷却系统可包括包围该电枢线圈的泡沫隔层。
在结合若干附图以及所附权利要求阅读以下详细描述后，本申请以及所得到的专利的这些以及其它特征和改善对于本领域技术人员将显而易见。
附图说明
图1是可如本文所述的超导电机的示意图。
图2是图1的超导电机的横截面视图。
图3是可如本文所述的超导电机一个备选实施例的透视图。
图4是图3的超导电机的侧横截面视图。
图5是可如本文所述的超导电机一个备选实施例的部分透视图。
图6是图5的超导电机的一部分的横截面视图。
零部件列表
100 超导电机
105 空气隙设计
110 高温超导电枢线圈
120 高温超导材料
130 高温超导冷却系统
140 低温保持器
150 液态氮
160 支承框架
170 扭矩管
180 铁轭
190 泡沫隔层
200 超导励磁线圈
210 超导材料
220 转子
230 轴
240 致冷剂传输接头
250 超导电机
260 超导冷却系统
270 冷却管
280 线圈棒
290 高温超导电枢线圈
300 高温超导带
310 冷却板
320 端部绕线
330 入口歧管
340 出口歧管
350 超导电机
360 梳齿缠绕设计
370 铁齿
380 高温超导电枢线圈
390 真空隔离的低温保持器
具体实施方式
现在参考附图，其中贯穿若干视图相似的数字指相似的元件，图1显示了可如本文所述的超导电机100。在此示例中，超导电机100可具有空气隙设计105。超导电机100包括高温超导电枢线圈110。该高温超导电枢线圈可由高温超导材料120制成。仅作为示例，高温超导材料120可包括铋-锶-钙-铜-氧化合物，如BSCCO-2223(Bi2Sr2Ca2Cu3O10)，BSCCO-2212(Bi2Sr2Ca1Cu2O8)，TlBa2Ca2Cu3O9，Tl2Ba2CaCu2O8，(TlPb)Sr2CaCu2O7，(TlPb)Sr2Ca2Cu3O9；钇钡铜氧化物(YBa2Cu3O7且称为YBCO)；二硼化镁(MgB2)；以及它们的混合物。此处可使用其它类型的高温超导材料120及它们的混合物。
此处也可使用高温超导冷却系统130。该高温超导冷却系统130可定位在高温超导电枢线圈110周围，以便将高温超导电枢线圈110维持在期望的操作温度范围内。高温超导冷却系统130可包括在其中具有一定量液态氮150的低温保持器140。此处可使用其它类型的低温流体等。可使用外部低温冷却器(未示出)以便将液态氮150或其它类型的流体冷却至适当的温度。低温保持器140可由复合材料制成。低温冷却器140可经由若干扭矩管170附接至整个电机100的支承框架160上。扭矩管170可由高强度合金制成，如钛合金等，以便支承通常由高温超导电枢线圈110承受的大扭矩。此处可使用其它部件和其它构造。
高温超导冷却系统130还可包括泡沫隔层190。该泡沫隔层190可应用于低温保持器140和支承框架160之间。泡沫隔层190可用于减小其中的热负载而不需要使用常规的真空隔离等。此处可使用任何类型的常规隔离。
超导电机100还可包括定位于高温超导电枢线圈110周围的铁轭180。铁轭180在其中包含磁通量。此处可使用其它部件和其它构造。
超导电机100还包括超导励磁线圈200。超导励磁线圈200可由超导材料210制成。超导材料210可包括上述高温超导材料120，以及各种类型的低温超导材料，如铌-钛(NbTi)，铌-锡(Nb3Sn)，它们的混合物等。超导励磁线圈200可定位在转子220周围以随其旋转。转子220可定位在轴230周围。轴230可伸出支承框架160。
为了冷却超导励磁线圈200，可使用致冷剂传输接头240。致冷剂传输接头240可定位在轴230周围，以便提供液态氮或其它类型的低温流体来冷却超导励磁线圈200。此处可使用其它部件和其它构造。
图3和4显示了具有高温超导冷却系统260的超导电机250的一个备选实施例。代替使用低温保持器140，此示例具有定位在高温超导电枢线圈290的各线圈棒280之间的液态氮冷却管270。各线圈棒280可由高温超导带300制成。高温超导带300可为YBCO型带或其它类型的高温超导材料120。液态氮冷却管270可在各线圈棒280的端部绕线区域320周围伸入冷却板310。液态氮150因而可从入口歧管330流向出口歧管340，以便冷却整个高温超导电枢线圈290。此处可使用具有其它部件和其它构造的其它类型的高温超导冷却系统260。
在使用中，空气隙电机105的高温超导电枢线圈110可直接暴露于强磁场下。然而，高温超导材料120的使用限制了交流损耗，使得高温超导电枢线圈110可经由该高温超导冷却系统130充分地冷却。此外，考虑到系统热负载与交流损耗相比可忽略，高温超导冷却系统130可通过使用泡沫隔层190来简化。
图5和6显示了可如本文所述的超导电机350一个备选实施例。在此实例中，超导电机360可为梳齿缠绕电机360。该梳齿缠绕电机360可包括若干铁齿370。高温超导电枢线圈380可围绕各铁齿370而缠绕。该高温超导电枢线圈380可由上述高温超导材料120等制成。各高温超导电枢线圈380均可定位在真空隔离的低温保持器390中。真空隔离的低温保持器390可结合到铁齿370上。此处可使用其它类型的冷却系统。可将液态氮150或其它类型的低温流体定位在其中，以便冷却高温超导电枢线圈380。此处可使用其它部件和其它构造。
在使用中，通过集中梳齿缠绕电机360的铁齿370中的磁通量，可极大地减小磁场。结果，可减小高温超导电枢线圈380中的总交流损耗。
空气隙设计105因而提供了最高可能扭矩密度和重量减小。由于大的交流磁场，存在交流损耗。然而，考虑到泡沫隔层190的使用，该高温超导冷却系统130非常简单。相反，梳齿缠绕设计360再次引入了铁齿370的使用以及其总体重量。假设使用真空隔离的低温保持器390，梳齿缠绕设计360中高温超导冷却系统130还可稍微更加复杂。然而，来自高温超导电枢线圈380的交流损耗被极大地减小。
在任一设计中，通过使用高温超导材料120，此处高温超导电枢线圈110，380中的总体功率密度因而可提高大约二到五倍甚至更多。此外，功率密度可通过对超导励磁线圈200使用超导材料120而进一步改善。此处所述的电机因而可为紧凑且轻重量的。可能的应用包括诸如直接驱动风力涡轮机的低速机械，尤其是用于高额定功率离岸发电机、电气船舶推进系统等。
应该理解的是前述内容仅涉及本申请及所得到的专利的某些实施例。在此可由本领域技术人员做出众多修改和变更而不背离如由所附权利要求及其等价物所限定的本发明的总体精神和范围。

Claims (10)

1.一种超导电机(100)，包括：
电枢线圈(110)；
所述电枢线圈包括高温超导材料(120)；
冷却系统(130)；
所述冷却系统(130)包括包围所述电枢线圈(110)的低温保持器(140)和包围所述低温保持器(140)的泡沫隔层(190)；以及
励磁线圈(200)。
2.如权利要求1所述的超导电机(100)，其特征在于，所述电枢线圈(110)包括空气隙设计(105)。
3.如权利要求1所述的超导电机(100)，其特征在于，所述高温超导材料包括铋-锶-钙-铜-氧化合物，钇钡铜氧化物，二硼化镁，和/或它们的混合物。
4.如权利要求1所述的超导电机(100)，其特征在于，所述低温保持器(140)通过一个或更多扭矩管(170)附接到框架(160)上。
5.如权利要求1所述的超导电机(100)，其特征在于，所述励磁线圈(200)包括超导材料(210)。
6.如权利要求5所述的超导电机(100)，其特征在于，所述超导材料(210)包括所述高温超导材料(120)。
7.如权利要求1所述的超导电机(100)，其特征在于，所述冷却系统(130)包括定位在所述励磁线圈(200)周围的致冷剂传输接头(240)。
8.如权利要求1所述的超导电机(100)，其特征在于，所述电枢线圈(100)包括多个线圈棒(280)，且其中所述冷却系统(130)包括定位在所述多个线圈棒(280)的每一个之间的冷却管(270)。
9.如权利要求8所述的超导电机(100)，其特征在于，所述冷却系统(130)包括从所述多个冷却管(270)延伸的多个冷却板(310)。
10.如权利要求8所述的超导电机(100)，其特征在于，所述多个线圈棒(280)包括高温超导带(300)。
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