CN103370862A - 用于电机的转子的热虹吸冷却 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于电机的转子，包括围绕旋转轴线(R)可旋转的转子体(2)，该转子体带有超导转子绕组和设计用于冷却转子绕组(3、4)的冷却装置，该冷却装置带有至少一对冷却管回路(3、4)，这一对冷却管回路在转子体(2)上基本上径向对置地布置，其中在转子(2)围绕转子轴线(R)旋转时低温冷却剂在冷却管回路(3、4)内在轴向方向上从第一轴向转子端(201)运输到对置的第二轴向转子端(202)且运回。根据本发明的转子的特征在于，在冷却装置内提供了一根或多根将至少一对冷却管回路(3、4)的一条冷却管回路(3)与另外一条冷却管回路(4)连接的连接管(6)。

Description

用于电机的转子的热虹吸冷却
技术领域
本发明涉及一种用于电机的转子以及相应的电机。
背景技术
从现有技术中已知，带有超导转子绕组的转子用于例如同步马达和同步发电机的电机。优选地，此转子在发电厂中用于发电，其中通过转子的旋转的超导绕组实现了更高的功率密度、更低的损耗和另外的优点。为在此转子中引起转子绕组内的超导，为此转子提供以冷却管系统，在所述冷却管系统内使得例如氦、氢、氖或氮的低温制冷剂自动循环。制冷剂的循环在转子旋转时通过离心力所导致。
在文献DE10303307A1中描述了一种带有超导转子绕组和具有冷却管回路形式的冷却系统的转子，所述冷却系统提供在转子的两个径向对置侧上。冷却管回路在此与冷却剂存储器连接。在旋转运行中，冷却剂从存储器运输到冷却管回路内且从冷却管回路又运回到存储器内。
对于带有超导绕组和相应的冷却系统的已知的转子，已证实不利的是，冷却剂在转子不旋转时总是流入在大地测量学上更低处的冷却管内，且因此在转子静止时不能实现对于转子绕组的均匀的冷却。如果转子例如在前置于常规的转子运行的冷却过程中不旋转地冷却，则这导致冷却剂最多只流过冷却管的一半，这可能导致不希望的热致应力。因此，也必须在转子的正常运行之外保证冷却剂流过整个冷却管系统。在常规的转子中，这仅可能通过转子的连续的或间歇的旋转实现，但这使得要求为转子布设驱动器。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种用于电机的转子，所述转子的超导转子绕组即使在转子静止时也被均匀地冷却。
该技术问题通过一种根据权利要求1的转子或根据权利要求14的电机解决。本发明的扩展在从属权利要求中限定。
根据本发明的转子包括可围绕旋转轴线旋转的转子体，所述转子体带有尤其由高Tc超导材料制成的超导转子绕组和设计用于冷却转子绕组的冷却装置，所述冷却装置带有至少一对冷却管回路，所述冷却管回路在转子体上基本上径向对置地布置。在此，在转子围绕转子轴线旋转时，低温冷却剂(例如，氖、氢、氦或氮)在冷却管回路内在轴向方向(即旋转轴线的方向)上从第一轴向转子端被运输到对置的第二轴向转子端且被运回。冷却管回路的概念在此要广义地理解，且尤其是冷却管回路必要时不仅可由单独的冷却管路组成而且可由多条并排平行地导引的冷却管路组成。
根据本发明的转子的特征在于，在冷却装置内提供了一根或多根将至少一对冷却管回路内的一条冷却管回路与另外一条冷却管回路连接的连接管。以此方式，实现了在一对冷却管回路的对置的冷却管回路之间的直接的冷却剂交换，使得即使在转子静止时，冷却剂也能从大地测量学上更低处的冷却管回路到达更高处的冷却管回路。在前置于转子的原本运行的冷却过程的情况下，在此通过仍热的转子导致在大地测量学上更低处的冷却管回路内的冷却剂的蒸发，由此，液体冷却剂按气泡泵的形式通过一根或一些连接管输送到在大地测量学上更高处的冷却管回路中，以此导致冷却剂在冷却管回路之间的循环。因此根据本发明，即使在转子静止时也能实现转子绕组均匀的冷却。
除所提供的连接管之外，根据本发明的转子可通过已知的方式制造。尤其，转子可以是在德国专利文献DE10303307A1中所示的转子。此文献的全部公开内容通过引用合并到本发明的内容内。
在一种特别优选的实施形式中，转子具有带有单独一对冷却管回路的两极转子绕组。因此，在给转子供应直流电的电机运行中，形成了带有北极和南极的磁场。但必要时也可使得转子具有带有更多的磁极对的转子绕组，其中在此情况中，冷却管回路的对数等于极对数。
在根据本发明的转子的另外的特别优选的实施形式中，冷却剂的循环通过使用提供在第一轴向转子端上的冷却剂存储器实现。此存储器与一对或多对冷却管回路的相应的冷却管回路连接。
在根据本发明的转子的特别优选的变体中，将冷却管回路相互连接的至少一个连接管是直管件，所述直管件从至少一对冷却管回路中的一条冷却管回路径向地延伸至另一条冷却管回路。使用径向的连接管的优点是管在旋转运行时可机械上很好地承受作用在冷却管回路上的离心力，且因此如需要可省去附加的固定装置。
作为直管件的替代或补充，一根或多根连接管如需要也可构造为弯曲的连接管，尤其构造为基本上半圆形的管件。在此，此管件的直径优选地等于两个对置的冷却管回路之间的距离。为使冷却剂在冷却管回路之间有效地分布，对于一对冷却管回路提供优选两个弯曲的管件作为连接管，尤其是一起形成了整圆的两个基本上半圆形的管件。
在另外的特别优选的实施形式中，连接管提供在第二轴向管端上。此变体的优点是连接管可从转子体的外侧旁路导引经过，且因此不必整合在转子体内，这简化了转子的制造。
在另外的特别优选的实施形式中，冷却管回路包括一个U形形状且如需要也包括多个U形形状，其中在转子旋转时冷却剂沿U形形状的一个臂从第一轴向转子端运输到第二轴向转子端，且从第二轴向转子端通过中间件到达U形形状的另一个臂，在所述另一个臂内将冷却剂运回到第二轴向转子端。优选地，在此至少一个连接管将一对对置的冷却管回路的U形形状的中间件连接。因为表示冷却剂转弯处的中间件由于制造技术原因而优选地处在转子绕组或转子体外部，所以以此完成了冷却管回路的简单的连接。
在另外的特别优选的实施形式中，在至少一条冷却管回路上提供了用于加热冷却剂的一个或多个装置。本发明的此变体的优点是，即使转子绕组完全被冷却到为超导性所要求的温度，在转子静止时也实现了冷却剂的循环。这通过如下方式实现，即通过用于加热冷却剂的装置导致冷却剂的蒸发，因此又实现了以上所述的气泡泵效应。用于加热冷却剂的装置可例如构造为一个或多个可开启的加热元件，使得可主动地按需求导致冷却剂的蒸发并因此导致气泡泵效应。
因为转子绕组和冷却管回路通常相对于环境被绝热，所以用于加热冷却剂的装置如需要也可在相应的绝热件内包括一个或多个热隙。绝热在此优选地通过包含冷却管回路以及转子绕组的所谓的低温恒温器形成。
在根据本发明的转子的另外的实施形式中，对于一对冷却管回路仅在这对冷却管回路中的一条冷却管回路上提供用于加热冷却剂的一个或多个装置。因此，该设计以低数量的装置满足了冷却剂的加热。在此，仅应注意在已冷却的转子静止时，仅当带有一个或多个用于加热冷却剂的装置的冷却管回路在大地测量学上位于低于另外的无此装置的冷却管回路时，才导致冷却剂的循环。
除以上所述的转子之外，本发明此外包括尤其构造为用于产生电能的发电厂发电机的电机，其中电机包括根据本发明的转子或根据本发明的转子的优选的实施形式。
附图说明
本发明的实施例在下文中根据附图详细描述。附图为：
图1和图2示出了处于不同的运行状态的根据现有技术的电机的转子；且
图3至图5示出了处于不同的运行状态的根据本发明的转子的实施形式。
具体实施方式
在下文中描述的转子使用在功率在100至1000MW之间的大型超导发动机中，例如发电厂发电机中。在此，转子通过直流电供电且包括超导转子绕组，所述超导转子绕组在电流流过时产生了一个或多个磁极对。转子在此布置在带有定子绕组的相应的(未示出的)定子内，其中定子绕组由通常的金属材料制成且不由超导体组成。在下文中考虑其转子绕组形成了两个磁极的双极转子。
图1在示意性图示中示出了根据现有技术的双极转子。此转子可类似于在文献DE10303307A1中所描述的转子而构造。转子1包括仅示意性地图示的圆柱形转子体2，所述转子体2在运行中围绕所图示的转子旋转轴线R旋转。由于视线的原因而未图示的超导转子绕组在图1的转子位置中从转子体的第一轴向端201出发沿转子体上侧延伸直至转子体的第二轴向端202，且从第二轴向端在径向方向上向下延伸，且然后沿转子体的下侧从第二轴向端202延伸回到转子体的第一轴向端201。
为实现转子绕组内的超导性，必须以合适的方式用例如氖的低温冷却剂冷却所述转子绕组。为此，使用冷却回路，所述冷却回路包括冷却存储器5以及两个也称为热虹吸回路(Thermosyphonschleifen)的冷却管回路3和4。冷却管回路在此与转子绕组的导体相邻地布置。冷却管回路和转子绕组布置在(未示出的)低温恒温器内以便相对于环境热绝缘，所述低温恒温器可类似于文献DE10303307A1中的低温恒温器来构造。在图1以及全部随后的附图中，在冷却回路中处于液相的冷却剂以阴影线表示，而处于气相的冷却剂以白色区域表达。
图1的冷却管回路3和4构造为U形，且包括两个在转子的轴向方向上延伸的臂301和302以及401和402，其中各冷却管回路的两个臂通过中间管303或403相互连接。臂和中间管在此因图示的目的而布置在图面中。
图1示出了转子1在旋转中的运行，其中旋转通过箭头P示意。由于通过旋转而导致的离心力，冷却剂从存储器5挤压到两个冷却管回路3和4的相应的臂内。由此，导致冷却剂从存储器到臂301内且从臂301经由臂302回到存储器的循环，以及类似的、从存储器5到臂401内且从臂401经由臂402回到存储器的循环。由于此循环，导致了对于转子绕组的合适的冷却。冷却剂的循环在图1中且在所有随后的附图中通过冷却管上的三角形示意。
在根据图1的电机启用之前，转子且尤其是其转子绕组必须在持续较长的冷却过程中通过热虹吸系统中的冷却剂首先冷却到超导体的跳变温度以下。在此所存在的问题是转子通常不旋转，且因此无离心力作用在冷却剂上。因此，冷却剂仅可流动到在大地测量学上位于更低处的点，使得仅转子绕组的一半被冷却。此情形在图2中描述。可见，在不存在离心力时，仅导致冷却剂在下部的冷却管回路4内的循环。循环在此可使得冷却剂在冷却过程中由于仍热的转子而被加热且因此被蒸发，以此导致冷却剂在管内的流动。目前建议，在冷却过程中使转子要么连续地要么以足够短的间隔继续旋转，以此将两个冷却管回路均匀地冷却。其缺点是在冷却过程中要求驱动转子旋转，这导致更高的费用。
图3示出了根据本发明的用以克服以上缺点的转子的实施例。转子在此类似于图1和图2所构造，使得相同的部件或相互对应的部件以相同的附图标号标示，且不再对其进行描述。与图1和图2中的转子不同的是现在在热虹吸系统中提供具有径向连接管6的形式的另外的冷却管路，所述径向连接管6在转子体2的轴向端202上将上方的冷却管回路3与下方的冷却管回路4连接。连接管在此形成了带有相应的中间管303和403的T形件。作为径向连接管的替代，也可使用一个或多个带有另外的形状的连接管，例如弯曲的连接管且尤其是两个半圆形的连接管，以将冷却管回路连接。图3示出了转子在旋转中的一定的运行。可见，连接管6不影响此运行。尤其，通过离心力又导致冷却剂在两个冷却管回路3和4内的循环。在此，冷却剂以液相和气相处在连接管6内。
图4现在又示出了图3的转子在电机启用前的冷却阶段期间的不旋转的运行。转子在此是静止的。然而，通过使得冷却剂从存储器5流入到下方臂401和402且从下方臂401和402通过连接管6流动到上方的冷却管回路3且因此回到冷却剂存储器5内而实现了冷却剂的循环。此循环通过流入冷却管401和402中的冷却剂被仍热的转子加热且因此被蒸发而形成。蒸发的液体在此在连接管6中被已蒸发的冷却剂一起带走并且也以此方式无问题地到达在大地测量学上更高处的管部分301和302。此特性也称为“气泡泵”的概念。
气泡泵的泵送效应在冷却过程中由于热的转子而自动起作用。如果转子被完全冷却，则气泡泵效应不再出现。但即使在运行期间转子静止阶段时也能实现冷却剂均匀流过冷却管回路，在根据本发明的转子的改变的实施形式中使用加热装置。此改变的实施形式在图5中示意性地示出。
根据图5的转子的结构在此基本上对应于图3和图4的转子的结构。但此外将两个可开启的电加热元件7提供在下方冷却管回路4的冷却管401和402上。加热元件的一个在此处在转子体的第一轴向端201上且另一个加热元件处在转子体的第二轴向端202上。如果转子处于静止状态，则使加热元件运行，以此导致冷却管401和402内的冷却剂的蒸发，这又导致以上所述的气泡泵效应，以便冷却剂通过下方冷却管回路4和上方冷却管回路3均匀地循环。如果转子又在运行中进行旋转，则关闭加热元件，因为冷却剂的循环通过旋转的离心力导致。
前述根据本发明的转子的实施形式具有一系列优点。由于在转子的冷却管回路之间安装了连接管路，以简单的方式使热虹吸系统作为气泡泵运行，使得转子的两条冷却管回路即使不旋转也能被冷却剂均匀地通过。在此不要求转子在其冷却阶段期间的旋转。以此，明显简化了转子的启用。此外，相对于其中转子连续地或间歇地旋转的冷却，冷却速度大致提高了两倍，因为两倍的热虹吸回路处于工作中。通过将对置的冷却管回路与连接管连接，产生了另外的优点，使得不仅实现了热虹吸系统的作为气泡泵的功能，而且通过连接管也使在此区域内布置在绕组外部的转子部分上承受在转子旋转时所出现的离心力。

Claims (14)

1.一种用于电机的转子，该转子包括可围绕旋转轴线(R)旋转的转子体(2)，所述转子体带有超导转子绕组和设计用于冷却所述转子绕组(3、4)的冷却装置，所述冷却装置带有至少一对冷却管回路(3、4)，所述至少一对冷却管回路(3、4)在所述转子体(2)上基本上径向对置地布置，其中在所述转子(2)围绕转子轴线(R)旋转时低温冷却剂在所述冷却管回路(3、4)内在轴向方向上从第一轴向转子端(201)运输到对置的第二轴向转子端(2)且运回，其特征在于，在冷却装置内提供了一根或多根将所述至少一对冷却管回路(3、4)中的一条冷却管回路(3)与另外一条冷却管回路(4)相连接的连接管(6)。
2.根据权利要求1所述的转子，其特征在于，所述转子(1)包括带有一对冷却管回路(3、4)的双极转子绕组，或所述转子包括带有多个极对的转子绕组，且极对数等于冷却管回路(3、4)的对数。
3.根据权利要求1或2所述的转子，其特征在于，在所述第一轴向转子端(201)上提供了与所述冷却管回路(3、4)连接的冷却剂存储器(5)。
4.根据前述权利要求中一项所述的转子，其特征在于，至少一个连接管(6)是从所述至少一对冷却管回路(3、4)中的一条冷却管回路(3)径向延伸到另一条冷却管回路(4)的直管件。
5.根据前述权利要求中一项所述的转子，其特征在于，至少一个连接管(6)是弯曲管件，尤其是基本上半圆形的管件。
6.根据权利要求5所述的转子，其特征在于，为一对冷却管回路(3、4)提供两个基本上半圆形的弯曲管件作为连接管(6)，尤其是提供一起形成一个整圆的两个基本上半圆形的管件(6)。
7.根据前述权利要求中一项所述的转子，其特征在于，所述连接管设置在所述第二轴向转子端(202)上。
8.根据前述权利要求中任一项所述的转子，其特征在于，冷却管回路(3、4)具有U形形状，其中在所述转子(1)围绕旋转轴线(R)旋转时，冷却剂沿U形形状的一个臂(301、401)从第一轴向转子端(201)运输到所述第二轴向转子端(202)，且从所述第二轴向转子端(202)通过中间件(303、403)到达U形形状的另一个臂(302、402)内，冷却剂在所述另一个臂(302、402)内被运回到第一轴向转子端(201)。
9.根据权利要求8所述的转子，其特征在于，至少一个连接管(6)将一对对置的冷却管回路(3、4)的U形形状的所述中间件(303、403)连接。
10.根据前述权利要求中任一项所述的转子，其特征在于，在至少一条冷却管回路(3、4)上设有一个或多个用于加热冷却剂的装置。
11.根据权利要求10所述的转子，其特征在于，所述用于加热冷却剂的装置包括一个或多个加热元件(7)。
12.根据权利要求10或11所述的转子，其特征在于，所述一个或多个用于加热冷却剂的装置包括在绝热件内的一个或多个热隙。
13.根据权利要求10至12中任一项所述的转子，其特征在于，对于一对冷却管回路(3、4)，仅在所述一对冷却管回路(3、4)中的一条冷却管回路上提供一个或多个用于加热冷却剂的装置。
14.一种电机，其特征在于，所述电机包括根据权利要求1至13中任一项所述的转子(1)。
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