CN103999338A - 用于超导的电动同步电机的超导体的冷却装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于超导体的、尤其是同步电机（1）的高温超导体的冷却装置（22），该冷却装置具有用于冷却介质的冷却循环回路，其中，在带有冷凝器（7）的冷却头（6）中液化的冷却介质被引导至要冷却的超导体，并且以气态形式被导回至冷凝器（7），其中，为了将冷却介质输送到要冷却的超导体，对冷却介质施加压力。

Description

用于超导的电动同步电机的超导体的冷却装置

技术领域

本发明涉及一种用于超导体，尤其是电动的同步电机的高温超导体的冷却装置，该冷却装置具有用于冷却介质的冷却循环回路，其中，在带有冷凝器的冷却头中液化的冷却介质，被输送至要冷却的超导体，并且以气态形式被导回至冷凝器。

此外本发明涉及一种超导的电动同步电机，尤其是用于飞行器，如飞机和直升机、用于船舶或牵引车辆中，如轨道车辆或微型卡车。

背景技术

超导的电动同步电机中设有至少一个超导绕组，优选地设在超导的电动同步电机的转子中。通常使用的是所谓的高温超导体（HTS-超导体）。HTS-超导体是指跃变温度Tc高于77K的金属氧化物超导材料。

对超导体的冷却，亦即在超导电机内，利用冷凝液体作为冷却介质。已知如HTS-超导体冷却装置，对于这类冷却装置，在闭合系统内，氖气或氮气作为冷却介质，被带有冷凝器的冷却头液化。冷却介质从该处流向携带有超导体的组件，如电动同步电机中要冷却的转子。在此处被汽化的冷却介质则会到达冷凝器。液态冷却介质在携带有超导体的热导载体上被汽化，尤其是转子的绕组载体，并由于因汽化器内的汽化作用和冷凝室内的冷凝作用而形成的压力差，以气态形式流回至冷凝器。液态冷却介质向超导体的输运是由已知的冷却装置受重力而实现的。这意味着必然要满足，冷凝器在大地测量学方面而言高于汽化器，亦即高于转子来布置。上述总成便构成了闭合的冷却系统。

这些由文献EP1437821B1中以实例说明并由文献JP57095151A以原理阐述。

当冷却装置或要冷却的同步电机发生倾斜时，这类冷却方法却是不可靠的，正如在正常运行状态下飞机、船舶或牵引车辆的超导同步电机所发生的情况一样。同时这类同步电机可以用作驱动装置或发电机。

在这些交通工具中在上坡、转弯等情况下会出现位置倾斜。在出现这类倾斜时会有如下危险，即依据现有技术液态冷却介质无法到达汽化器并且无法实现所要求的冷却效果。

发明内容

由此本发明以下述目的为基础，即提出一种用于超导体，尤其是用于超导电动同步电机的冷却装置，该冷却装置以可靠的方式和方法将冷却介质输送到要冷却的超导体、并维持稳定的冷却循环回路，而无需依赖于重力作用及不受相应的对电动同步电机运行的限制的约束。

根据本发明，该目的的解决方案由下述方法实现，即为了将冷却介质输送到要冷却的超导体中，为冷却介质施加压力。

本发明提出，为超导体的冷却装置设置压力，该压力在冷凝器与要冷却的超导体之间的部段中至少部段地是有效的，并且根据运行设计为，使得对冷却介质施加压力，该压力将冷却介质输送至要冷却的超导体。由此方法可以实现，无需利用重力，即不取决于与冷凝器的位置，而将液态冷却介质输送至要冷却的超导体，尤其是被输送至超导同步电机的转子。在此如果利用机械弹簧或气体弹簧的压力，该弹簧分别通过在存储容器内的柱塞对冷却介质施加压力并由此将冷却介质输送至超导体。

这类超导体的冷却介质输送系统不取决于冷却装置的位置并适用于所有应用形式。

液态冷却介质的量可以通过压力灵活确定并且冷凝器的位置无需强制在大地测量学方面高于要冷却的组件来布置。同时设置用于液态冷却介质的存储容器，该存储容器通过第一管路部段与冷凝器相连接并通过第二管路部段与要冷却的、承载超导体的并起到汽化器作用的组件，尤其是转子相连接，并且热源联接在该存储容器上。在存储装置内压力施加在液态冷却介质上，因此冷却介质由存储容器被输送至超导体。

这允许，将第二管路部段设计为上升管。由此可以在与重力相反的情况下将冷却介质输送至超导体并维持稳定的冷却循环回路。

因此重力不作提供冷却介质的输送力，而是允许，将第二管路部段设计为至少部段地是柔性的。也就是第二管路部段不必包含刚性管，而是可以将第二管路部段设计为波形软管，液态冷却介质由于存储容器内压力通过该波形软管流入到要冷却的超导体。

在本发明的另一个设计方案中，阀门连接在存储容器的冷凝器的一侧的上游。为了简化构造，将该阀门设置为止回阀。

阀门的作用在于，在阀门闭合的情况下，将从存储容器向两个管路部段挤压的压力朝向沿要冷却的组件，即超导体方向的第二管路部段，以在此实现有效的冷却作用。

显而易见，原则上可以在冷凝器一侧的管路部段内使用电或液压的阀门。

优选地，在使用利用了重力的止回阀时，该止回阀被布置在第一管路部分的类似虹吸管的部段的上升的、与存储容器邻近的部分中。同时可以使用如这样一种止回阀，该止回阀作用于受重力的负载，例如设置在止回阀内部的球体或圆锥体。因此将通向存储容器的管路部段设计为虹吸管，并且止回阀被布置在上升管路部段中紧邻存储容器的前部。

在存储容器内通过机械弹簧或气体压力弹簧经由柱塞将预定的压力施加在冷却介质上，该压力将冷却介质经由第二管路部段压入到超导体。为此设置的柱塞在存储容器内在两个端部位置之间运动，因此在冷却装置22运行过程中会出现循环运行，但该运行无需强制呈周期性。

符合目的的，冷却过程同样可以由调节器实现，此时对超导体的温度和/或对存储容器的填充状态进行调节。由此需要设置相应的传感器，例如位于超导体内的温度传感器和/或位于存储容器内的填充状态传感器和柱塞的限位开关（Endlagenschalter）。这些传感器的数据被传输至控制装置。该控制装置进行判定，是否必须在存储容器内通过柱塞产生相应的压力，或在可能的情况下，是否必须对气体弹簧施加气压或将弹簧压紧。

同时关键的是，即使在控制装置发生故障时，冷却装置可以维持在预定时间内的冷却循环。这可以实现，处于压缩状态的弹簧或气体压力弹簧由于其所储存的能量，在控制装置发生故障时仍可以对存储容器内的冷却介质施压并由此保证对超导体的冷却作用。

除了冷却装置外，本发明还涉及一种具有根据本发明的冷却装置的超导同步电机，尤其是HTS-同步电机，主要应用在飞行器，如飞机或直升机，同样可以应用于如船舶及公路交通工具或轨道交通工具或微型卡车的牵引设备中。冷却系统和要冷却的超导体内部的冷却介质的输运在很大程度上可以省去重力影响，从而使得在这些交通工具中的根据本发明的冷却装置的位置倾斜的影响效果是可以忽略的。设有根据本发明的冷却装置的电动同步电机，可以优选地作为发电机或发动机被用于上述运输工具中。其中由于可能存在相对重力方向的位置偏移，输运则会因重力作用而显得不稳定，根据本发明的冷却装置也可以使用在由于结构约束无法实现将冷凝器布置在高于设有汽化室的转子的布置的应用中。

所有与根据本发明的冷却装置相关的实施实例可以类比地应用到根据本发明的电动同步电机上，因此可以由此实现所述优点。

附图说明

根据原理性示出的实施例对对本发明以及其他优选设计方案进一步进行阐述；其中：

图1示出了同步电机的冷却装置，

图2示出了冷却装置的存储容器。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的冷却装置22的原理示意图，该冷却装置被配属在运行在车辆中的电动同步电机1，以实现对在相对定子2绕轴线3可旋转的转子5上布置的超导绕组4的内部进行冷却。绕组4由高温超导绕组制成并由具有热导能力的绕组载体所保持，该绕组载体被布置在一个真空壳体内并且其内边界形成了基本呈圆柱形的、沿轴向延伸的内腔。

在该实施实例中将氮气作为冷却转子5内的超导体的冷却介质，该冷却介质在闭合冷却循环回路中运动。在热力学的与冷却头6连接的冷凝器7的冷却腔内气态的冷却介质被液化，这种热力学的连接例如原则上已知的联接在制冷机上。这些液态冷却介质经由第一管路部段8被输运至存储容器12并由此处经由第二管路部段11被输送至转子5的超导绕组4。液态冷却介质向转子5内的输送遵从已知的方式。

冷却作用由此实现，即冷却介质在绕组载体上被液化并由此对绕组4进行冷却。这里将转子5的内腔用作汽化室。冷却介质经由回流管路9被重新输送至冷凝器7内，冷却介质在此处被重新液化。

当冷凝器在大地测量学上明显低于转子5，并且第二管路部段11被设置为上升管时，重力不作为冷却装置22的输送力。为了实现将液态冷却介质经由第二管路部段11输送至转子5，则要多次利用存储容器12内由柱塞15产生的压力。

从图1中可以得出，第一管路部段8构成了存储容器2前面的虹吸管，在该虹吸管内第一管路部段8的与存储容器12相邻近的、反向于重力方向的部分部段上布置止回阀10。在图示中存储容器12的下部布置将一个机械弹簧19压缩或将气体压力弹簧调至到预定压力的设备。在系统运行时，则有压力作用在位于存储容器12内的液态冷却介质上，该压力将液态冷却介质经由第二管路部段11输送至转子5的内腔。冷却介质直接返回至冷凝器7的路径被止回阀9或未进一步示出的活门自动封闭。

存储容器12内的压力的建立是循环地进行的，优选地由控制装置21控制。该控制装置21对压力的形成和监控进行调节，并利用存储容器12内的温度传感器16、17、位置传感器13、14及填充状态传感器中的数据。控制装置21则实现循环运转。

由于压缩的弹簧19或气体压力弹簧产生循环压力，则即使控制装置21的供电装置发生故障，也可以确保在预定时间内对转子5进行冷却。

另外，也可以由电池或电容对控制装置21的进行缓冲，来渡过一定时间间隔。

如果通过控制装置21的运行可以在存储容器12的压力腔20内产生压力、止回阀10关闭并且液态冷却介质被输送至转子5。在控制装置21的非运行阶段中或当由弹簧19或气体压力弹簧产生的压力下降时，止回阀10则会打开并且液态冷却介质则可以继续流进存储容器12的压力腔20内。替代止回阀10也可以应用控制阀门，该阀门同样可以由控制装置21控制。

第二管路部段11优选地被设计为部段地为柔性的，例如特别是密封的波形软管，此外还可以简化空间上的设计以及冷却装置的布置，特别是在狭窄的空间情况下。

图2示意了存储容器12，该存储容器具有位于冷凝器7与止回阀10之间的储备容器23。从在冷凝器7中流出的冷却剂流进并暂时保存在该储备容器23内，直至冷却介质可以继续流进存储容器12内。举例来说，这可以由下述方式实现，即弹簧19被重新压缩。当存储容器12内的压力小于储备容器23内的压力时，则可以实现上述续流。因此可以实现从储备容器23经由止回阀10向存储容器12的续流。同时冷凝器7的位置相对于地平面来说位于储备容器23之上。

在其他方面，图2所示的构造与图1所示的构造和冷却装置没有区别。

Claims (9)

1.一种用于超导体的、尤其是同步电机（1）的高温超导体的冷却装置（22），所述冷却装置具有用于冷却介质的冷却循环回路，其中，在带有冷凝器（7）的冷却头（6）中液化的冷却介质被输送至要冷却的所述超导体，并且以气体态形式被导回至所述冷凝器（7），其特征在于，为了将所述冷却介质输送到要冷却的所述超导体中，对所述冷却介质施加压力，其中，所述压力在存储容器（12）中是通过机械弹簧（19）或气体压力弹簧施加在柱塞（15）上来实现的，所述柱塞使所述冷却介质置于压力下。

2.根据权利要求1的冷却装置（22），其特征在于，在所述存储容器内循环地实现压力的建立。

3.根据前述权利要求任一项的冷却装置（22），其特征在于，能够根据所述超导体的温度和/或所述存储容器（12）的填充状态来调节在所述存储容器（12）内的所述压力。

4.根据权利要求1的冷却装置（22），其特征在于，在所述冷凝器（7）与要冷却的所述超导体之间设置存储容器（12），所述存储容器通过第一管路部段（8）与所述冷凝器（7）相连接并且通过第二管路部段（11）与要冷却的所述超导体相连接，其中，在所述存储容器（12）中实现压力的产生。

5.根据权利要求4的冷却装置（22），其特征在于，所述第二管路部段（11）被设计为上升管。

6.根据权利要求4或5的冷却装置（22），其特征在于，所述第二管路部段（11）至少部段地设计为柔性的。

7.根据前述权利要求任一项的冷却装置（22），其特征在于，阀门，尤其是止回阀（10）和/或储备容器（23）至少在所述冷凝器一侧按照流体技术地连接在所述存储容器（12）的上游。

8.根据前述权利要求任一项的冷却装置（22），其特征在于，就大地测量学而言，所述冷凝器（7）的布置得比要冷却的所述超导体更低。

9.一种超导同步电机（1），尤其是用于飞行器，如飞机和直升机、用于船舶或牵引车辆中的超导同步电机，具有根据前述权利要求任一项所述的冷却装置。