CN103404010A - 包括能够相对于定子旋转的、具有至少一个超导绕组的转子的超导同步电机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种超导同步电机（1，1’，1’’，1’’’），包括能够相对于定子（2）旋转的、具有至少一个通过冷却装置（5）冷却的超导绕组的转子（3），其中，转子（3）的被冷却的区域至少部分地被随转子（3）旋转的真空腔（10）围绕，其中，在借助于至少两个旋转密封件（13a，13b）产生的、相对于转子（3）固定的并限定真空腔（10）的连接区（22）中设有使真空腔（10）与真空泵（23）相连接的泵管（21）。

Description

包括能够相对于定子旋转的、具有至少一个超导绕组的转子的超导同步电机

技术领域

本发明涉及一种超导同步电机，其包括能够相对于定子旋转的、具有至少一个通过冷却装置冷却的超导绕组的转子，其中，转子的被冷却的区域至少部分地被随同转子旋转的真空腔围绕。

背景技术

超导同步电机、即具有至少一个超导绕组的同步电机在现有技术中是已经基本公开的。在此，超导绕组可以是转子绕组，该转子绕组必须通过冷却装置来冷却，以便保持工作温度。例如已公开，转子配有空心的内腔，在该内腔中，被导入该内腔中的冷却介质在导热的绕组支承件上蒸发，以便使绕组冷却。内腔因此起着蒸发腔的作用。

为了隔绝转子的被冷却的区域，“冷部件（Kaltteil）”通常被绝缘真空围绕，这意味着，将随同转子旋转的真空腔设计为转子的一部分。在此提出，在安装转子时将后来的真空腔排空并且闭锁，以便产生静态真空。

然而在实践中，绝对的静态真空是非常难实现的。受限于法兰连接装置、焊缝和部分地在所应用的部件自身的区域内的漏率，必须由此出发，即来自外部的气体能够或多或少地在较小的程度上在同步电机的运行时间期间进入真空腔中。

在这里，在现有技术中已公开了多种改进方案。一方面提出了，通过应用所谓的低温泵使进入的气体结冰并且由此维持真空。当渗漏足够小时，该方法是非常成功的并且也能够在较长的时间段内确保机器的运行。然而当低温泵与同步电机一起升温时，结冰的气体也将再次蒸发并破坏绝缘真空。重新冷却则仅可能通过使装入的转子再真空实现。对于在处于转子冷部件的工作温度下不能结冰的气体而言，例如对于氢、氦、氖而言，必须采用其它的方式。对于氢而言，例如提出应用所谓的吸气剂，吸气剂通过吸附作用、吸收作用或化学方法束缚气体。

此外还提出，放弃应用静态真空，并且通过使法兰连接在转子上的泵随转子一起旋转而持续地在旋转的真空腔中泵吸。然而，特别是当转数较高时，由于对泵起作用的离心力在现有的泵构造类型中变得过大，该解决方案最终是无法实现的。

发明内容

本发明的目的因此在于，这样设计一种同步电机，即能够可靠地维持转子的真空腔中存在的绝缘真空。

为实现该目的，根据本发明对应开头所述类型的同步电机提出，在借助于至少两个旋转密封件产生的、相对于转子固定的并且限定真空腔的连接区中设有使真空腔与真空泵相连接的泵管。

根据本发明也提出，应用旋转密封件，其中，特别优选地应用铁磁流体密封件，以便将固定的连接区作为真空腔的一部分实现，从而能够在那里连接例如固定的气管、泵管。由此建立与固定的泵的固定的连接，该泵因此也不必随转子自身旋转。

此外也提出，旋转的真空腔与外腔和转子的剩余部分、特别是转子中存在的冷却介质腔例如通过法兰连接装置和低温恒温壁而分隔。然而，此外还有通过旋转密封件形成的与外腔的分隔，其中应用两个围绕着连接区的旋转密封件。通过这种方式进一步密封真空腔，然而，这也使得能够通过固定的泵管连接旋转的真空腔。

也对迄今例如通过低温恒温壁和法兰连接装置与余下的空间相分隔的、旋转的绝缘真空的真空腔拓扑式地做如下修改，即它（真空腔）具有固定的、不随转子旋转的界限，在该界限中能够安装用于位置固定的泵的泵管。通过这种方式也可能的是，在运行期间也能够运行泵，并且由此保证能够维持真空。在此不仅可以提出，持续运行真空泵，然而当存在足够的密封性时，也可以考虑的是，仅设置例如受控制的、暂时性的运行。

通过根据本发明的有目的地应用的旋转密封件，也首次提出了用于简单地并且随时能够将真空腔抽成真空的可靠方案。

在本发明的一种具体的设计方案中能够提出，用于冷却介质的固定的管路部段作为冷却装置的一部分被导入转子中，该管路部段被具有圆柱体形的外壁的部件、特别是冷却嘴围绕，其中，在轴向上彼此相随的旋转密封件这样布置，即固定的外壁的一部分和/或包括两个旋转密封件的结构单元的固定的部分构成真空腔的界限。将待用的冷却介质从冷却装置的固定的部件中导入转子中的冷却装置在现有的技术中已经基本公开。例如能够设想这种设计方案，即在这种设计方案中设有将转子的内腔用作蒸发腔的冷却装置。随后，管路部段例如能够作为管伸入该内腔中，从而使液态的冷却介质从内腔滴在内腔的例如由绕组支承件构成的壁上。现在，在这种或类似的设计方案中常见的是，均会使用旋转穿引件/旋转密封件，以便将包括管路部段的固定的部件连接在转子中。根据本发明，现在能够在第一种设计方案中提出，通过另一旋转密封件来补充本已存在的旋转密封件，该另一旋转密封件使真空腔能够与固定的泵管件相连接。例如也可以考虑，适于转子的旋转密封件将真空腔相对于转子的例如用作冷却介质腔的内腔密封，而同时通过远离转子中心的旋转密封件使真空腔相对于外腔密封。在此，现在可以考虑两种可能性。

一方面，部件的、特别是冷却嘴的外壁本身构成真空腔的界限，泵管例如作为开口或根据管套的类型与其连接。在此也可能的是，泵管引导穿过部件。例如部件可以在邻近外壁处具有自己的真空腔，该真空腔被分配给泵管从中穿过的管路部段。

然而，根据本发明优选的是，泵管引导穿过旋转密封件。如果旋转密封件是由两个能够相对旋转的空心圆柱体构成，其中，空心圆柱体之间的缝隙被相应地、例如通过铁磁流体密封，那么泵管能够例如引导穿过固定的空心圆柱体。随后仅需对旋转密封件进行改变。

特别符合目的的是，两个旋转密封件作为一个唯一的结构单元实现。例如构成两个旋转密封件的固定的部分的空心圆柱体与另外两个空心圆柱体位置相对地布置，这两个空心圆柱体彼此间隔开地构成这两个旋转密封件。结构单元的覆盖这两个旋转密封件的部分最后则构成真空腔的界限，因此也构成了连接区。特别优选的是，排出管道（Ableitung）引导穿过结构单元。这意味着，旋转穿引件/旋转密封件随后在共同的结构单元中与集成的泵管组合，从而使泵管能够例如引导穿过固定的、跨越两个旋转密封件的空心圆柱体，因此也逐段地穿过旋转密封件。

在本发明的一种可替换的实施方式中能够提出，旋转密封件分别在使真空腔扩展到连接区中的开口的一侧布置在转子的外壁上。这种设计方案是特别有可能的，即转子的这个或某个圆柱体形的外壁也在定子的外部继续延伸，在此能够应用直径较大的旋转密封件，旋转密封件分别环绕地在真空腔中的开口的轴向上相邻。在此，该开口设计为至少部分径向地环绕，然而更有利的是，可以考虑设计至少一个、特别是多个围绕转子的外圆周的开口。在固定的泵管仅作用于沿着转子的圆周的某一个位置，通过基本覆盖总的圆周的开口或环绕的开口创造了先决条件，以便随时有效地利用真空管通过泵吸维持真空。

当转子被设计用于冷却定子的氢气围绕时，能够特别有利地应用本发明。例如对于大型发电机即是这种情况。冷却定子所必需的氢气导致对于转子的真空而言特别严峻的情况，这是由于外部压力升高（几巴），氢气高度扩散并且氢气的沸点非常低。由于这种大型发动机要求较长的运行时间，根据本发明的设计方案提供了一种特别有利的并符合目的的可能性，即通过持续地泵出进入的氢气而维持真空。

附图说明

本发明的其它的优点和细节从在后面说明的实施例中以及通过附图得出。图中示出：

图1示出根据本发明的第一种实施方式的同步电机的重要部件，

图2示出在第二种实施方式中的根据本发明的同步电机的重要部件，

图3示出在第三种实施方式中的根据本发明的同步电机的重要部件，和

图4示出在第四种实施方式中的根据本发明的同步电机的重要部件。

具体实施方式

图1示出根据本发明的超导同步电机1的重要部件的原理图和区域。该超导同步电机包括能够相对于具有未详细示出的定子绕组的定子2旋转的转子3，在该转子中设有在这里未详细示出的超导绕组。在此，转子能够围绕旋转轴4旋转。

为了将超导绕组保持在它的工作温度上，同步电机1此外还有以标号5说明的冷却装置，该冷却装置通过集成在部件6中的、相对于转子3固定的管路部段7将液态的冷却介质导入转子3的空心的内腔8中，在这里冷却介质在冷却绕组的情况下被蒸发，并且穿过管路部段7的另一个区域重新被导向冷却装置的冷凝器。为了输送冷却介质，充分利用例如热虹吸效应（Thermosiphon-Effekt），并且内腔8起着蒸发腔的作用。

正如为了实现管路部段在部件6中的隔绝而设计了绝缘的真空腔9一样，转子3的被冷却的区域也被真空腔10围绕。真空腔10通过低温恒温壁11和法兰连接装置与内腔8和外腔12分隔开，其中，外腔12例如为了冷却定子2、确切地说是定子绕组而能够填充氢气。

为了此时能够持续地或者在安装了转子3时还能够将真空腔10抽真空，该真空腔具有相对于现有技术而言做了修改的拓扑结构。因此设计了两个旋转密封件13a，13b（通常也称作旋转穿引件），这两个旋转密封件设计为铁磁流体密封件。它们包括两个能够彼此相对旋转的空心圆柱体14a，14b，15a，15b，这些空心圆柱体通过在这里仅略提的铁磁流体16彼此密封。在此，空心圆柱14a，14b，15a，15b随转子3旋转，并且通过密封环17与其相连接。空心圆柱体15a，15b通过密封环18与部件6、确切地说是与其外壁19相连接。

因此，旋转密封件13a当前使内腔8相对于真空腔10密封，而旋转密封件13b则使真空腔10相对于外腔12密封。由此给出这样的布置，其中部件6的外壁19的部段20构成真空腔10的界限，而该界限不是随同旋转的，而是固定的。这使得引导穿过部件6的、确切地说是穿过真空腔9的泵管21在所构成的连接区22中与真空腔连接。泵管21使真空腔10与泵23相连接，该泵能够持续地或间断地受控制地运行，以便维持在真空腔10中的足够的绝缘真空。在此无需与真空腔10进行复杂的连接，泵管21和泵23是固定的。

图2和3现在示出了相对于图1做了修改的实施方式，其中，为了简单起见，在这里和关于根据图4的有待讨论的第三种实施方式中，相同的组成部分具有相同的参考标号。

图2示出了同步电机1’的经过修改的实施方式，在该同步电机中，泵管21未引导穿过部件6，而是穿过旋转密封件13b的、位置固定的空心圆柱体15b，其被相应地修改。在这种情况下，即仅需更改空心圆柱体15b，部件6和特别是外壁19的壁段20保持原状。由此能够实现结构的简化。

图3示出了根据本发明的同步电机1’’的第三种实施方式，在该同步电机中，两个旋转密封件13a，13b以及泵管21组成共同的结构单元24。在此，固定在部件6的外壁19上的空心圆柱体15最终为了两个旋转密封件13a，13b被贯穿，并且与部段25一起构成真空腔10的、因此也构成连接区22的界限，其中，部段25位于空心圆柱体14a和14b之间。通过这种方式能够使具有旋转密封件13a，13b和泵管21的总的布置作为一个唯一的、共同的结构单元24而实现。

图4示出了根据本发明的同步电机1’’’的另一种经过修改的实施方式。在此，连接区22不是设计在部件6、被常见的相对于现有技术而言未作更改的旋转穿导件26引导穿过的冷却嘴上，而是将该具有旋转密封件13a，13b的布置设计在转子3的位于定子2的区域外的外壁27上，其中，继续设计为铁磁流体密封件的旋转密封件13a，13b分别与外壁27中的开口28相邻地布置，从而使真空腔扩展到直至固定的覆盖件29的区域中。现在，泵管21与泵23在那里相接。

在这种情况下，两个旋转密封件13a，13b也相对于能够由空气填充的外腔12密封，然而其中，正如已经提到，能够特别有利地在氢气环境中应用根据本发明的同步电机1，1’，1’’，1’’’。

Claims (10)

1.一种超导同步电机（1，1’，1’’，1’’’），所述超导同步电机包括能够相对于定子（2）旋转的、具有至少一个通过冷却装置（5）冷却的超导绕组的转子（3），其中，所述转子（3）的被冷却的区域至少部分地被随同所述转子（3）旋转的真空腔（10）围绕，其特征在于，在借助于至少两个旋转密封件（13a，13b）产生的、相对于所述转子（3）固定的并且限定所述真空室（10）的连接区（22）中设有使所述真空腔（10）与真空泵（23）相连接的泵管（21）。

2.根据权利要求1所述的同步电机，其特征在于，用于冷却介质的、固定管路部段（7）作为所述冷却装置（5）的一部分被导入所述转子（3）中，所述固定管路部段（7）被具有圆柱体形的外壁（19）的部件（6）围绕，其中，在轴向上彼此相随的所述旋转密封件（13a，13b）这样布置，即固定的所述外壁（19）的一部分和/或包括两个所述旋转密封件（13a，13b）的结构单元（24）的固定的部分（25）构成所述真空腔（10）的界限。

3.根据权利要求2所述的同步电机，其特征在于，所述泵管（21）引导穿过一个旋转密封件（13a，13b）。

4.根据权利要求2或3所述的同步电机，其特征在于，所述泵管（21）引导穿过所述部件（6）。

5.根据权利要求2或3所述的同步电机，其特征在于，所述泵管（21）引导穿过所述结构单元（24）。

6.根据权利要求1所述的同步电机，其特征在于，所述旋转密封件（13a，13b）分别在使所述真空腔（10）扩展进入所述连接区（22）的开口（28）的一侧布置在所述转子（3）的外壁（27）上。

7.根据权利要求6所述的同步电机，其特征在于，所述开口（28）至少部分径向环绕地设计，和/或设有至少一个、特别是多个围绕所述转子（3）的外圆周分布的开口（28）。

8.根据前述权利要求中任一项所述的同步电机，其特征在于，所述旋转密封件（13a，13b）是铁磁流体密封件。

9.根据前述权利要求中任一项所述的同步电机，其特征在于，所述转子（3）被设置用于冷却所述定子（2）的氢气围绕。

10.根据前述权利要求中任一项所述的同步电机，其特征在于，设有将所述转子（3）的内腔（8）用作蒸发腔的冷却装置（5）。

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