CN106795861A - 具有可滑动极组件的同步超导旋转机械及其方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具有超导转子的同步超导旋转机械、风力涡轮机、其组装方法和维修方法。转子包括连接到隔热支撑结构的护铁，该隔热支撑结构进一步连接到基础元件。耦合元件设置在基础元件的外围表面上，以耦合位于极单元的外围表面上的匹配耦合元件。极单元包括芯元件，该芯元件上设置有耦合元件，且超导线圈缠绕在芯元件上。极单元在轴向方向上滑动至适当位置并且通过使用紧固装置相对于护铁固定。基础元件、支撑结构和极单元被包裹在绝热层板中。这提供了简单且容易的组装和修理过程，其需要转子与定子分离以更换极单元。

Description

具有可滑动极组件的同步超导旋转机械及其方法
技术领域
本发明涉及同步超导旋转机械，包括：相对于定子组件可转动设置的转子组件，其中转子至少包括护铁，其设置为连接至驱动轴，转子进一步包括多个设有超导转子线圈的第一极单元，转子线圈设置为在转子相对于定子转动时，通过电磁场与多个定子线圈相互作用，该定子线圈设置在定子中。
本发明还涉及风力涡轮机，装配和更换如上定义的同步超导旋转机械的方法，以及更换如上定义的同步超导旋转机械中的极单元的方法。
背景技术
在近期，多种超导旋转机械作为发电机或电动机已拟建或者甚至已建成。它们潜在的应用在于风能发电领域，其他发电领域如水力发电领域，以及用于机械、船舶推进、火车或大型路船的电动机领域。
在风能发电领域，风力涡轮机的尺寸和容量在近期已经提升，试图以减少风能的成本并降低顶端头部质量，特别是对于浮动地基。因此，需要减小这样的风力涡轮发电机的尺寸和重量。在最近的发展中，已经提出将超导发电机用于风力涡轮机，因为它们比常规的铜基发电机更小且更轻并且具有更高的功率密度。最近，已经提出将具有高临界温度的超导体用于风力涡轮机。这样的临界温度Tc定义了出现超导效应的最大温度。典型的材料是且不限于是MgB2(Tc约40K)或YBCO(Tc约95K)。特别地，后者被称为高温超导体(HTS)。所有这些材料的工作温度在15K至35K的范围或者甚至更高，并使其在发电机中适用，因为他们能够使用简单的冷却机来冷却。
常规的铜基同步发电机包括转子，其具有多个突出极(称为凸极)，该突出极有缠绕在每个核心元件的侧表面的铜线圈。环绕线圈填充相邻极之间的空隙，使得极的布置形成或多或少注满的外表面。该极通常形成为护铁的集成部分。极或者其顶端也可以通过使用紧固装置例如螺钉或螺栓直接安装至护铁。由于铜绕组在远高于超导绕组工作的低温温度下工作，因此不需要将极与余下转子组件热分离。本领域专家会避免这样的极元件与护铁之间的间距，因为这会由于增加气隙削弱磁路。
各种超导同步发电机在文献中已有记载，如EP 1305871 B1，公开了具有缠绕阶梯极元件的超导绕组的转子，该阶梯极元件与护铁直接热接触。在该配置中，极与护铁形成大热块，需要使用冷却系统将其冷却至工作温度，这会增加冷却时间。
EP 2521252 A1公开了具有集成的突出极元件的转子，超导线圈缠绕该突出极。各组线圈封装在低温恒温器的真空腔室中。该低温恒温器使得超导线圈在极和护铁处于环境温度时，能够保持冷却。该凸极设置在低温恒温器的主开口中，在此处，极元件和低温恒温器的外表面设有电磁屏蔽。该技术方案提供了增加总装配时间和成本的复杂设置。
US 2008/0079323 A1公开了发电机，其包括设有超导线圈的转子。该超导线圈通过承托架固定就位，在该位置该承托架通过位于承托架的相对侧的多个隔热块与护铁分离。承托架进一步通过隔热螺栓连接至护铁，隔热螺栓朝向护铁沿径向向内延伸。该承托架和螺栓分别可滑动地设置在位于块上的轴向延伸的槽口和护铁上。然而，所述螺栓的螺母和用于固定块的附加螺栓仅能由径向方向接触。
EP 2731232 A1公开了永磁铁发电机，其中定子和转子的极单元设置在可拆卸的活动单元。凹槽形式和突出榫形式的匹配耦合元件用于轴向滑动相应的极单元至相对定子和转子的位置。由于该永磁铁发电机在远高于超导发电机的温度下工作，所以不需要隔热结构。
所引用的文件都公开了从转子的径向方向装配的转子组件。由于维修时需要将转子从定子上拆除，这进一步提供了复杂而耗时的维修过程。因此，需要更简单和容易的方法，来生产和维修这样的超导旋转机械。
发明目的
本发明的目的是提供超导极组件，其可拆卸地连接至转子组件，并允许隔热和机械应力的传输。
本发明的目的是提供超导极组件，其能够沿轴向方向安装至转子组件。
本发明的目的是提供简单容易的方式来组装超导转子的方法，其也允许简单且容易的修理方法。
发明内容
本发明的目的通过同步超导旋转机械实现，该同步超导旋转机械包括：
-相对于定子可转动设置的转子，其中
-转子至少包括护铁，该护铁设置为连接至驱动轴，转子进一步包括多个设有超导转子线圈的第一极单元，转子线圈设置为，当转子相对定子转动时，转子线圈通过电磁场与多个定子线圈相互作用，该定子线圈设置在定子上。
-其中每个第一极单元通过至少一个机械耦合可拆卸地连接至护铁，该机械耦合包括第一耦合元件和匹配的第二耦合元件，第一和第二耦合元件沿发电机的纵向方向延伸，其中第一耦合元件设置为相对于第二耦合元件沿轴向方向移动，其特点在于转子包括至少一个基础元件和隔热支撑结构，该基础元件设置在护铁和至少一个第一极单元之间，该隔热支撑结构连接至至少一个基础元件和转子第二部分，机械耦合设置在至少一个基础元件和第一极单元之间，其中该至少一个基础元件通过支撑结构与护铁隔开，以在基础元件和护铁之间形成磁气隙。
相比常规的铜基同步旋转机械，这提供了具有减小的体积和重量、增大的电流密度和紧凑设计的同步超导旋转机械。本配置允许转子简单容易地组装，因为转子线圈能够在轴向方向上安装拆卸，这减少了总组装时间。这允许超导线圈与转子的其余部分分开制造，从而允许转子绕组在更受控的环境中组装和封装。与常规的HTS发电机不同，常规HTS发电机的线圈从径向方向安装和拆卸，本配置允许更简单和更容易的维修过程，由于在故障的情况下，可以更换超导线圈而无需从定子移除转子。
转子线圈或励磁线圈使用在其临界温度以下工作的超导材料制成。定子线圈或电枢线圈可使用在环境温度下工作的导电材料，例如铜制成。在优选方案中，至少转子线圈使用高温超导材料，例如MgB2、YBCO、BSCO、BSCCO、TBCCO、HBCCO，或其他合适的材料制成。这使得发电机能够设置为具有简单的冷却系统的局部超导发电机，该冷却系统用于冷却超导线圈。
超导线圈可以缠绕在刚性支撑框架，例如磁芯元件或非磁芯元件的周围，其中线圈被浸渍以使得线圈牢靠封装。这允许超导线圈形成牢靠的线圈封装。
旋转机械具有纵向轴向方向和横向径向方向，其中转子和定子以中心转轴为中心并通过气隙间隔开。转子线圈沿着转子的外表面或内表面布置，并且可以沿平行于护铁的纵向方向延伸。或者，转子线圈可相对于护铁垂直布置，例如，沿着所述外表面或内表面围绕所述纵向轴延伸。发电机具有的外径可达11米，例如在3-5米之间。
护铁可以由磁性材料制成，例如铁、铁素体、磁钢或者另外合适的材料。护铁优选由具有高磁导率的磁性材料制成。该材料在磁感应强度超过2T时表现出磁路饱和效应。
根据一个实施例，转子线圈缠绕芯元件，第一耦合元件形成芯元件的一部分并以面向护铁的方式设置。
超导线圈可以缠绕磁芯元件或非磁芯元件，从而使得整个极单元(具有线圈的芯)在最佳环境装配。该芯元件可以由磁性材料，例如铁、铁素体、磁钢或另外合适的材料制成。一旦安装，芯元件作为凸极元件从护铁向外/内延伸。第一耦合元件可以设置在芯元件的外表面或内表面。第一耦合元件可以进一步形成芯元件的一部分。这简化了极单元的安装，因为其仅仅靠使用耦合元件滑入护铁上的位置，而不像常规的HTS发电机，如EP 2521252 A1所公开的，超导线圈部分安装在凸极元件上。
根据一个实施例，第二耦合元件设置在基础元件上，以面向至少一个第一极单元。
基础元件为极单元，例如第一和/或第二极单元，提供支撑，并使极单元保持相对护铁的位置。基础元件可以成形为底盘，在转子的纵向轴向延伸。当从转子的径向平面看时，底盘具有预定的宽度和高度。也可使用其他形状的基础元件。各个极单元可以通过沿第二耦合元件滑动第一耦合元件来滑入位置。单独的基础元件可相对各个极单元设置，或者两个或更多极单元可设置在共同的基础元件上。在优选的实施例中，基础元件连接至隔热支撑结构，并与护铁隔开，以便在护铁的外表面或内表面与基础元件的内表面或外表面之间形成磁气隙。该气隙对隔热是必要的，因为放置在此间隔的任何具有大横截面的材料都会从暖的护铁传输太多的热到冷的芯元件和线圈。而且，这允许使用真空系统将此间隔排空。该气隙可以为1-30mm。优选的，如果第一极单元的芯元件由磁性材料制成，则该基础元件也由磁性材料制成。
基础元件和护铁之间的间隔可以是排空的物理间隙，因此不提供磁性。或者，此间隔可以部分或全部由不提供磁性的泡沫或材料，例如具有的相对磁导率约为1的材料或泡沫填充。这种材料或泡沫也可以是隔热的，即其可具有低热导率，优选低于40W/m·K，或者在此间隔进一步设置单独的隔热材料或泡沫。例如，这种不提供磁性的材料可以是隔热层板(随后描述)、不锈钢、铝或另外合适的材料。
此外，基础元件可以由与芯元件相同的材料制成，或是至少与芯元件材料具有大致相同热性能的材料。这使得基础元件能够大致跟随芯元件的热变形，从而减少由于热收缩导致的耦合元件断裂或失效的风险。或者，基础元件可以由具有低热导率的隔热材料制成，例如纤维增强材料(例如FRP或GFRP)、碳纤维或任何其它合适的材料或复合材料。这些隔热材料具有低于40W/m·K的热导率，例如低于10W/m·K。这使得基础元件作为附加隔热体，将暖侧与冷侧分开。
根据一个特定的实施例，第一和第二耦合元件成形为应力传送元件，例如榫和匹配的凹槽，用于从至少一个第一极单元传输机械应力到转子的第二部分，例如护铁。
耦合元件设置为从单个极单元传送轴向、切向和/或径向应力至转子的另一部分，例如护铁和/或转子结构。耦合元件之一可成形为突出元件，例如榫、矩形龙头或T型龙头，另一耦合元件可成形为凹槽，该凹槽设置为接收突出元件。可使用其他应力传输耦合。两组或更多组耦合元件可设置在第一极单元和护铁或转子结构之间。这使得在工作和静止期间，施加在极单元上的机械应力能够传输至护铁和/或转子结构。第一耦合元件可通过螺纹或其他本领域技术专家所知的紧固方式相对第二耦合元件固定，以避免工作期间的轴向移动。
根据一个实施例，支撑结构的热导率低于40W/m·K。
本配置允许应力的传递，同时减少由暖的护铁或转子结构进入冷的第一极单元的热量。通过减少需要保持在低温温度下的质量，来减少冷却时间。与常规的HTS发电机相比，例如EP 2521252 A1中，还可以降低复杂度和成本。本发明的HTS线圈简单地安装至它们的耦合元件，而低温恒温器和外壳壁仍然围绕整个转子。这提供了更多的安装空间，并减少了昂贵的不锈钢材料的使用。
支撑结构可配置为在将暖侧与冷侧隔热的同时为第一电极单元提供支撑。支撑结构或其部分可以具有低于40W/m·K的导热率，例如，低于10W/m·K。支撑结构包括至少一个支撑元件，例如支撑杆或管，其一端连接到护铁或转子结构，另一端连接到极单元。支撑结构可以布置在转子的两端处和/或在极单元和护铁之间。
由于转子护铁与极单元是隔热的，护铁可直接连接至可转动的转子轴，该转子轴延伸穿过旋转机械。在本配置中，转子轴作为旋转机械的驱动轴。护铁可通过设置在转子上的支撑转子结构间接连接至驱动轴，例如通过一个或多个安装法兰。该转子结构设置为从驱动轴向转子余下部分传递扭矩。该转子结构可位于转子的两端或其之间的任意位置。这使得旋转机械作为独立单元，并设置为安装至单独单元，例如机舱，或者集成到单独单元中。
本发明使得能够将第一耦合元件、第二耦合元件和第一极单元被设计为具有低温温度，同时将护铁设计为具有环境温度。
根据特定实施例，转子还包括一组第二极单元，其中每个都设置在两个相邻的第一极单元之间，可选地，其中第二极单元包括一个或多个超导线圈。
第一和第二极单元可以布置在连续极设置中，其中第二极单元被配置为没有任何线圈的极单元。第二极单元可以直接连接到背铁，而没有额外的的间隔或气隙。该间隔或气隙可以具有与第一极单元和基础元件之间的磁气隙相同或不同的结构。这使得所需超导线圈的量减少，从而降低总成本。
第二极单元可以具有与第一极单元相同的结构，使得它们形成超导极单元的连续极设置。或者，第二极单元可具有与第一极单元不同的超导线圈结构。
根据一个实施例，转子还包括面向定子的壳体，其中壳体形成真空腔室，该真空腔室中设置第一极单元和可选的第二极单元。
第一极单元和/或第二极单元密封在壳体或真空容器中，壳体或真空容器从护铁或转子结构向外/内延伸。该壳体可由面向定子的外/内壳体元件/壳体壁及位于转子任一端的两个壳体端壁/端板形成。端板中的至少一个可以可拆除地连接至外壳元件和护铁或转子结构，以允许接近极单元。或者，该端板可以具有用于每个极单元的孔，其尺寸和形状足以使这样的极单元滑过该孔。在工作期间，这些孔被法兰覆盖，该法兰通过螺纹或其它方法真空密封并固定，并且允许拆除这些法兰。真空腔室连接到位于壳体中的真空入口上，例如，其中一个端板上。真空入口被设置为经由管或软管系统耦合到真空系统，管或软管系统用于将腔室排空。这使得冷的极单元与真空腔室的周围表面能够隔热。
壳体和护铁形成低温恒温器，其具有一个或多个入口和出口，该一个或多个入口和出口设置为耦合至冷却系统。该冷却系统可包括冷却单元，例如具有低温冷头和热交换器的压缩机，其连接至泵单元，泵单元设置为经由管或软管系统循环冷却剂通过超导线圈。冷却剂可以是氦、氖、氮，或其他适合的冷却剂。该冷却剂可以是气态或液态。冷却系统可以设置为冷却超导线圈至10-70K的低温工作温度。这允许线圈的电阻减少至接近0。
该外/内壳体元件可包括阻尼层或衬里，例如铜的，以减小进入超导线圈的交流(AC)感应。阻尼层/衬里可进一步设置为减小定子和转子之间的振动，从而保持定子和转子的同步。
根据一个实施例，至少一个隔热层设置在至少一个第一极单元、至少一个基础元件、支撑结构或其任何组合的至少一个表面上。
这使得关键部件中的一个或多个能够被隔热层板包裹，以减少冷侧和暖侧之间辐射导致的热传输。层板可包括两层或多层，或者可使用单层。这种层板可使用商用超隔热材料，优选使用两层或三层这种预制材料制成。这种超隔热材料由覆盖着反光材料的至少一层聚乙烯、聚酯，或另外合适的支撑材料制成，该反光材料例如铝，充当反射热辐射的镜子。该层板是薄片，该薄片包括由玻璃纤维网分隔开的这种镜面箔片，典型的是预封装的10个交替层。
第一极单元和/或第二极单元、基础元件或支撑结构，可完全封装入隔热层板。或者，基础元件和支撑结构可在隔热层板安装前安装在一起。这使得极单元能够在连接至基础元件前分别封装。
在一个实施例中，定子线圈使用超导材料支撑。在本设置中，定子线圈由在其临界温度下工作的超导材料制成。该定子线圈可由高温超导材料制成，例如MgB2、YBCO、BSCO、BSCCO、TBCCO、HBCCO或任何其他适合的材料。定子线圈可由不同于转子线圈的材料制成。这使得发电机能够设置为具有增强扭矩密度的全超导发电机。
定子和转子可连接至各自的冷却系统或共同的冷却系统。该定子-转子设置可封装入位于机舱内部的共同的低温恒温器壳体或各自的低温恒温器壳体中。为了有效冷却两组超导线圈，可以增加冷却系统的组合冷却功率。
根据一个特定的实施例，框架结构安装在至少一个基础元件上，该基础元件沿轴向和径向方向延伸，框架结构封装在隔热层板中，并具有至少大致对应第一极单元尺寸的尺寸，这样至少一个第一极单元能够沿轴向滑动就位。
在此实施例中，盒子或相似形状的框架结构固定至基础元件，其中框架结构提供充足的内空间来接收第一极单元，可选地，还接收基础元件。框架结构可由隔热材料制成，例如GFRP、不锈钢、铁、或者另外的材料或其组合。这使得第一极单元能够沿轴向滑入位置。在装配后，该框架结构作为壳体，其周围放置一个或多个超隔热箔片、或其他隔热层板。该隔热材料可在将第一极单元滑动就位前应用于框架结构。如果该基础元件设置在框架结构内，那么护铁和基础元件之间的空隙可由壳体的一部分来部分填充或全部填满。这在维修期间甚至是更优选的，由于移除第一极单元时，隔热能够保留。
本发明的目的通过风力涡轮机进一步实现，该风力涡轮机包括：
-设置在风力涡轮机塔架上的机舱；
-相对机舱设置的可转动的轮毂，轮毂连接至至少两个风力涡轮机叶片；
-相对机舱设置的发电机，其中发电机包括转子组件，该转子组件相对定子组件可转动设置；其中
-发电机为同步超导发电机，根据上述定义设置。
本发明非常适用于风能领域的应用，例如风力涡轮发电机。同步超导发电机具有与上文所述相同的转子-定子设置。发电机可设置为独立单元，其具有扭矩传输转子结构，该扭矩传输转子结构设置为连接至驱动轴。这使得发电机能够作为单独的单元连接至机舱。或者，发电机可集成到机舱中，并包括延伸穿过发电机的转子轴。定子组件可设置在转子组件内，反之亦然。
本发明的目的还可通过装配如上文定义的同步超导旋转机械的方法实现，其中该方法包括以下步骤：
-安装多个极单元至转子的护铁，每个极单元具有一个或多个超导线圈；
-以预定模式电连接极单元；
-连接极单元至冷却系统，该冷却系统包括冷却单元，用于冷却线圈至低温操作温度；
-将极单元封装在外壳中，并通过使用真空单元对腔室排空，其中，
-该方法进一步包括使用隔热支撑结构将至少一个基础元件安装至护铁的步骤，其中每个极单元沿轴向方向滑动到至少一个基础元件上的适当位置，并且相对于该至少一个基础元件固定。
由于转子线圈沿轴向方向安装，减少了总装配时间，这提供了简单容易的安装工艺。本发明允许在更受控的环境中，以单独的工艺流程生产和组装超导线圈。然后，预装配的极单元滑入位置，并使用一个或多个紧固元件，例如螺栓固定。在常规的HTS发电机中，超导线圈从径向方向组装到转子护铁的凸极元件上，增加了总装配时间。
在简单的实施例中，每个极单元的外/内表面充当接触面，以接触护铁或基础元件的匹配接触表面。然后超导极单元可以穿过机器一端中的开口沿接触表面滑动到适当位置。然后极单元可以通过本领域技术人员已知的螺钉或其他紧固装置相对于护铁或基础元件固定，以避免操作期间的轴向移动。
在另一个实施例中，一个或多个导向元件可设置在护铁或基础元件上。该导向元件可包括可调节的固定或对准装置，例如与护铁或基础元件接触的法兰/翼，以临时保持其在所需位置。或者，可使用本领域技术人员已知的螺纹或类似紧固装置临时固定导向装置。然后该超导极单元可沿导向元件滑入适当位置并固定。之后，解除固定或校准装置，并拆除导向元件。
根据特定的实施例，极单元通过使用机械耦合滑入位置，该机械耦合沿机器的纵向方向延伸，其中该机械耦合包括第一耦合元件，其设置在各个极单元上以便面向设置在至少一个基础元件上的第二耦合元件。
在优选实施例中，超导线圈在制造期间缠绕在单独的芯元件周围，因此允许整个极单元在滑入到位之前被预组装。在制造期间，第一耦合元件在极单元的外/内表面中形成。第二耦合元件设置在护铁或基础元件的外/内表面上。第二耦合元件可以形成护铁或基础元件的一部分。这减少了转子的总装配时间。
在初始装配步骤期间，基础元件安装至护铁。第二耦合元件在其安装到护铁之前或之后在基部元件中形成。然后通过在轴向方向沿着第二耦合元件移动第一耦合元件，将极单元滑动到基础元件上的适当位置。这允许机械应力经由基础元件从极单元传递至护铁。
与常规旋转机械不同，常规旋转机械特别设计为避免在冷的超导极单元和暖的护铁直径之间有任何空间，本发明设计为在这两个单元之间具有预设空间，因为大的热接触表面会导致过多热量在暖侧和冷侧之间传输。该空间能够通过真空系统被排空，以保持超导线圈处于必要的低温温度并形成磁气隙。或者，该空间可使用不提供磁力的泡沫或材料部分填充或全部充满。该材料或泡沫也可是隔热的，或者进一步在此空间设置单独的隔热材料或泡沫来提供隔热。
基础元件在将各自的极单元滑动到位前，可连接至隔热支撑结构。切向力和/或径向力可通过一或两组设置在护铁和基础元件之间的支撑结构，例如支撑杆或管，从冷侧向暖侧传输。这使得冷却作用能够保持低。在进一步允许机械应力在极单元滑动就位的同时传输。
根据一个实施例，该方法进一步包括通过在至少一个基础元件上安装框架结构来使极单元与护铁隔热的步骤，其中框架结构包裹在隔热层板中。
在此实施例中，隔热框架结构可在滑动极单元至适当位置前连接至基础元件。该框架结构可焊接、粘贴、螺纹连接或通过使用另外的适用于低温的紧固技术连接至基础元件的内表面/外表面。一个或多个隔热层板可在将其安装至基础元件之前或之后应用于/包裹框架结构。
根据一个实施例，该方法进一步包括在至少一个极单元、至少一个基础元件、支撑结构或其任意的结合的至少一个表面上应用至少一个隔热层的步骤。
在安装极单元之前，该基础元件和支撑结构可包裹在隔热层板中，例如超级隔热箔中。在安装每个部件之前，或者在将两个部件安装到护铁之后，隔热层板可应用在基础元件和支撑结构上。与在安装极单元之后应用隔热层板的常规组装过程相比，这使得包裹过程能够更简单且更容易。
基础元件和/或护铁的隔热层板可延伸入这两个单元之间的空间，从而在基础元件和护铁之间提供至少一个隔热层。
包裹步骤可进一步包括在安装极单元之前，将各个极单元的外表面包入隔热层板中。或者，极单元在完成包裹步骤前安装。这使得至少这三个部分的外表面被隔热层板覆盖，从而减少暖侧和冷侧由辐射导致的热传输。
电连接和热连接，即热传输连接，可在封闭外壳之前安装到极单元。随后通过使用真空系统对腔室排空，最后激活冷却系统，并冷却超导线圈至所需的低温工作温度。
本发明的目的还可通过在如上文定义的同步超导旋转机械中更换极单元的方法来实现，其中该方法包括步骤：
-停用冷却系统；
-打开转子外壳，例如在极单元中的超导线圈达到高于低温工作温度的预定温度的时候；
-断开选中的极单元的电连接和热连接，其中
-该选中的极单元分离并沿轴向方向滑出其位置。
本发明提供了一种简单容易的方法来更换旋转机械中失效的极单元，由于无需像在常规的HTS发电机中那样从定子上拆除转子，即可更换极单元。
首先，停用冷却系统并且主动或被动加热超导线圈至预定温度，例如环境温度。当达到足够高的温度时，可打开真空容器或低温恒温器以避免水汽凝结。随后解除极单元的各种连接。然后可以通过以相反的顺序执行装配步骤更换极单元。
根据一个实施例，该方法进一步包括步骤：
-将一个新的具有超导线圈的极单元沿轴向方向滑动就位；
-将电连接和热连接重新连接至新的极单元；
-关闭外壳并通过使用真空系统将腔室排空；以及
-可选地，激活冷却系统。
然后发电机能够通过重复装配工艺的步骤再次装配。
第一极单元和第二极单元可通过使用机械耦合或如上所述的临时导向元件来滑动就位。在将导向元件滑出低温恒温器之前或在将新的极单元滑入位置之前，导向元件可相对选中的/损坏的极单元设置。
附图说明
本发明仅通过示例并参考附图描述，其中：
图1示出了风力涡轮机的示范性实施例；
图2示出了用于风力涡轮机的发电机的转子-定子设置；
图3示出了超导转子和定子组件的第一示范性实施例的横截面；
图4示出了超导转子和定子组件的第二示范性实施例的横截面；
图5示出了超导极单元的第一示范性实施例；
图6示出了超导极单元的第二示范性实施例；
图7示出了超导极单元部分滑入基础元件上的的适当位置；以及
图8示出了超导极单元完全滑入基础元件上的的适当位置。
在下文中，逐一描述图片，且在附图中看到的不同部分和位置在不同附图中使用相同序号标记。
序号表
1 风力涡轮机
2 风力涡轮机塔架
3 地基
4 机舱
5 转子轮毂
6 风力涡轮机叶片
7 发电机
8 转子
9 定子
10 转子和定子之间的气隙
11 转子结构
12 安装法兰
13 冷却系统
14 转子护铁
15 外壳元件
16 真空腔室
17 第一极单元
18 护铁和第一极单元之间的气隙
19 壳体元件
20 定子护铁
21 槽
22 定子线圈
23 第二极单元
24 芯元件
25 隔热支撑结构
26 芯元件
27 超导线圈
28 支撑板
29 电连接元件
30 基础元件
31 耦合元件
32 第一支撑元件
33 第二支撑元件
34 紧固装置
35 框架结构
36 隔热层板
37 轴向方向
具体实施方式
图1示出了本发明以风力涡轮机1的形式在风能领域的示范性应用。风力涡轮机1包括设置在地基3上的风力涡轮机塔架2。虽然此处示出的地基3为路上地基，地基3也可为离岸地基。机舱4设置在风力涡轮机塔架2的顶部，例如通过偏航系统。转子轮毂5相对于机舱4可转动设置，转子轮毂5上安装有两片或更多风力涡轮机叶片6，例如通过变桨距系统。
图2示出了在风力涡轮机1中以发电机7的形式使用的同步超导旋转机械的转子-定子设置。虽然此处示出的发电机7为安装至机舱4内的发电机，该发电机7也可设置为独立单元，以安装至机舱4的外表面或接口，例如通过安装法兰。
发电机7包括相对定子组件9可转动设置的转子组件8。转子8设置在转子壳体中，定子9设置在定子壳体中，转子壳体通过气隙10与定子壳体间隔开。转子8包括转子结构11，转子结构11设置为将转矩从转子8传递到驱动轴(未示出)。转子结构11设置在发电机7的任一端，并且包括用于安装到驱动轴的至少一个安装法兰12。另一个安装法兰(未示出)设置在另一端，用于安装到另一轴或轴承单元。
转子8包括多个超导转子线圈(如图3和图4所示)，该多个超导转子线圈设置为当转子8相对定子9转动时，与多个定子线圈(如图3和图4所示)相互作用。超导线圈连接到冷却系统13，冷却系统13设置为将转子线圈保持在低温操作温度，例如在10K至70K之间。冷却系统13可选地包括连接至冷却回路的泵单元(未示出)，冷却回路具有用于循环冷却剂，例如氦，经过超导线圈的热交换器(未示出)。
图3示出了超导转子组件8的第一示范性实施例的横截面。转子结构11连接至转子护铁14的内边缘。护铁14连接至外壳元件15，外壳元件15通过位于转子任一端的两个外壳端板(未示出)面向定子9。外壳元件15和护铁14形成具有真空腔室16的低温恒温器，真空腔室16中设有超导转子线圈。真空系统(未示出)通过至少一个入口连接至腔室16，以排空腔室16。
超导线圈形成第一组极单元17，如图3所述，其沿护铁14的外边缘分布。各个极单元17可拆除地连接至基础元件(如图5、6所示)，其中基础元件通过隔热支撑结构(如图5、6所示)与护铁隔开。气隙18在1-30mm之间。这使得冷的极单元16能够与热的护铁14隔热。超导线圈由高温超导材料，例如MgB2、YBCO、BSCO、BSCCO、TBCCO、HBCCO，或者另外的合适的材料制成。
定子壳体包括背向转子8的外壳体元件19a，和面向转子8的内壳体元件19b。定子护铁20设置在定子壳体中。护铁20由实体元件或者由包括多个盘状元件一起堆叠的层板形成。护铁20包括多个沿护铁的内边缘分布的槽21，护铁中设有定子线圈22。各个定子线圈22封装固定在其位置上，例如通过楔形元件。定子线圈22由导电材料，例如铜制成，其设置为在环境温度或更高温度下工作。
图4示出了超导转子组件8的第二示范性实施例的横截面。与图3示出的设置不同，该设置包括第二组极单元23。各个第二极单元23设置在两个相邻的第一极单元17’之间，以形成连续的极设置。
第二极单元23包括不具有任何转子线圈的芯元件24。芯元件24由磁性材料，例如铁制成。
在本设置中，超导线圈17’封装具有的横截面积大于图3所示出的超导线圈17的相应横截面积。或者，如果两个极单元17、17’的超导线圈封装具有同样的横截面积，第一极单元17’在比图3示出的第一极单元17更高的电流密度下工作。
图5示出了设置在隔热支撑结构25上的超导极单元17的第一示范性实施例。为了说明的目的，省略了转子护铁14和转子结构11。极单元17包括磁芯元件26，例如铁，其周围缠绕有一个或多个超导线圈27。超导线圈27由一个或多个支撑板28保持在适当位置。两个或更多个电流导体形式的电连接元件29，从极单元17向外延伸，以连接到另一个极单元17或电终端。
机械耦合设置在极单元17和基础元件30之间，并沿发电机7的纵向方向延伸。榫形式的第一耦合元件31a从芯元件26的内表面向外延伸。匹配的槽形式的第二耦合元件31b设置在基础元件30的外表面，以接收第一耦合元件31a。基础元件30与磁芯元件26的材料相同，例如铁。
支撑结构25设置为从单个极单元17向转子的另一部分，例如护铁14和/或转子结构11传输机械应力。支撑结构25一端连接至基础元件31，另一端连接至护铁14或转子结构11。支撑结构或其部分的热导率低于40W/m·K，以便使冷的极单元17从暖的护铁14或转子结构11中隔热。在示范性设置中，支撑结构25包括设置在极单元17和护铁14或转子结构11之间的至少第一支撑元件32和设置在极单元17和护铁14或转子结构11之间的至少第二支撑元件33。支撑元件32、33使基础元件30能够与护铁14分隔开，以减少冷的极单元17和暖的护铁14之间的热传输。
极单元17通过一个或多个紧固装置34，例如螺栓或螺钉，固定在其在基础元件30上的位置上。紧固装置34设置为防止极单元17在工作时沿轴向方向(图7所示)移动。
一个或多个隔热层或隔热层板(未示出)，例如超绝热箔，应用在基础元件30和/或极单元17的外表面。
图6示出了位于沿纵向方向延伸的框架结构35，例如盒子中的超导极单元17的第二示范性实施例。框架结构35具有的尺寸和形状大体上与极单元17和基础元件30的外轮廓匹配。框架结构35形成内部空间，在该空间中极单元17能够在其中滑入适当位置。框架结构35具有的长度大体上与极单元17的长度匹配，使得框架结构35的开口端能够通过一个或多个端板，例如可拆除的端板关闭。框架结构35由GFRP、不锈钢、或其他非磁性材料制成。
一个或多个隔热层或隔热层板36，例如超绝热箔，应用在框架结构35的外表面上。这使得无需先拆除隔热层或隔热层板，就可拆除极单元17。
图7和图8示出了组装如上文所述的转子8的组装方法，其中为了说明的目的仅示出了基础元件30，支撑结构25和极单元17。在初始步骤中，转子结构11安装至转子护铁14。然后，基础元件30相对于护铁14设置并安装至支撑结构25。支撑结构25进一步连接至护铁14或可选地直接连接至转子结构11。
然后在预组装的极单元17沿图7示出的轴向方向37滑入基础元件30上的适当位置之前，隔热层/隔热层板至少部分包裹着基础元件30。然后完成包裹步骤，并将电连接和热连接耦合到极单元17。在包裹步骤中，如果使用框架结构35，则在将隔热层/隔热层板36包裹在框架结构35周围之前把框架结构35安装到基础元件30。可选地，包裹步骤在安装框架结构35之前完成。
如图8所示，极单元17固定在其位置中，并安装低温恒温器壳体的其余部分，例如壳体元件15和壳体端板，以封闭真空腔室16。最后，耦合真空系统至低温恒温器并将腔室16排空。
如果发生故障，打开低温恒温器并解除电连接和热连接的耦合。拆除紧固装置34，失效的极单元17沿轴方向37的相反方向滑出基础元件30。新的极单元17滑入适当位置，重新安装紧固装置34以固定新的极单元17。重新耦合电连接和热连接至新的极单元17，且低温恒温器再次关闭并排空。关闭低温恒温器前，基础元件30和新的极单元17重新包裹在隔热层/隔热层板中。

Claims (16)

1.一种同步超导旋转机械，包括：
-转子，相对定子可转动设置，其中，
-所述转子至少包括护铁，且所述护铁设置为连接至驱动轴，所述转子进一步包括多个带有超导转子线圈的第一极单元，所述转子线圈设置为，当所述转子相对定子转动时，所述转子线圈通过电磁场与多个定子线圈相互作用，所述定子线圈设置在所述定子中；
-其中每个所述第一极单元通过至少一个机械耦合可拆除地连接至所述护铁，所述机械耦合包括第一耦合元件和匹配的第二耦合元件，所述第一耦合元件和第二耦合元件沿发电机的纵向方向延伸，其中所述第一耦合元件设置为相对所述第二耦合元件沿轴向方向移动；
其特征在于：所述转子包括至少一个基础元件和隔热支撑结构，所述基础元件设置在所述护铁和至少一个第一极单元之间，所述隔热支撑结构连接至至少一个基础元件和转子的第二部分，所述机械耦合设置在至少一个基础元件和所述第一极单元之间，其中所述至少一个基础元件通过支撑结构与所述护铁分隔开，以在所述基础元件和所述护铁之间形成磁气隙。
2.根据权利要求1所述的同步超导旋转机械，其特征在于：所述转子线圈缠绕芯元件，所述第一耦合元件形成芯元件的一部分，并设置为面向所述护铁。
3.根据权利要求1或2所述的同步超导旋转机械，其特征在于：所述第二耦合元件设置在所述基础元件上，使得其面向所述第一极单元中的至少一个。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的同步超导旋转机械，其特征在于：所述第一耦合元件和第二耦合元件成形为应力传输元件，例如：榫和与其匹配的槽，以从第一极单元中的至少一个单元向转子的第二部分，例如：护铁，传输机械应力。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的同步超导旋转机械，其特征在于：所述支撑结构的热导率低于40W/m·K。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的同步超导旋转机械，其特征在于：所述转子还包括一组第二极单元，其中每个所述第二极单元设置在两个相邻的第一极单元之间，可选地，其中所述第二极单元包括一个或多个超导线圈。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的同步超导旋转机械，其特征在于：所述转子还包括面向所述定子的壳体，其中所述壳体形成真空腔室，所述第一极单元和可选的第二极单元设置在所述真空腔室中。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的同步超导旋转机械，其特征在于：在至少一个所述第一极单元或支撑结构的至少一个面上设置至少一个隔热层。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的同步超导旋转机械，其特征在于：框架结构安装在至少一个基础元件上，所述基础元件沿轴向和径向方向延伸，框架结构包裹在隔热层板中，其尺寸大体上对应于所述第一极单元的尺寸，使得所述第一极单元中的至少一个能够沿轴向方向滑入适当位置。
10.一种风力涡轮机，包括：
-设置在风力涡轮机塔架上的机舱；
-相对于所述机舱设置的可转动轮毂，所述轮毂连接至至少两片风力涡轮机叶片；
-相对于所述机舱设置的发电机，所述发电机包括相对于定子组件可转动设置的转子组件；
其特征在于：
-所述发电机是根据前述权利要求中的任一项所设置的同步超导发电机。
11.一种组装根据前述权利要求中的任一项定义的同步超导旋转机械的方法，所述方法包括步骤：
-安装多个极单元至转子护铁，每个极单元具有超导线圈；
-所述极单元按照预定模式相互电连接；
-所述极单元连接至冷却系统，所述冷却系统包括用于冷却线圈至低温工作温度的冷却单元；
-关闭外壳中的极单元并通过使用真空单元将所述腔室排空；
其特征在于：
-所述方法还包括使用隔热支撑结构将至少一个基础元件安装在所述护铁的步骤，其中每个所述极单元沿轴向方向滑动到至少一个基础元件上的适当位置，并且相对于所述至少一个基础元件固定。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于：通过使用沿机械的纵向方向延伸的机械耦合将所述极单元滑入适当位置，其中所述机械耦合包括设置在每个极单元上的第一耦合元件，使其面向设置在至少一个基础元件上的第二耦合元件。
13.根据权利要求11或12所述的方法，其特征在于：所述方法还包括通过在至少一个基础元件上安装框架结构使极单元与护铁隔热的步骤，其中所述框架结构包裹在隔热层板中。
14.根据权利要求11-13任一项所述的方法，其特征在于：所述方法还包括将至少一个隔热层应用在至少一个极单元、至少一个基真空腔室础元件或支撑结构的至少一个表面上的步骤。
15.一种在根据前述权利要求中的任一项定义的同步超导旋转机械中更换极单元的方法，包括步骤：
-停用冷却系统；
-打开转子的外壳，例如在极单元中的超导线圈达到高于低温工作温度的预设温度的时候；
-断开选中的极单元中的电连接和热连接；
其特征在于：
-拆卸所述选中的极单元并沿轴向方向将其滑出其位置。
16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于：所述方法还包括步骤：
-将一个新的具有超导线圈的极单元沿轴向方向滑入适当位置；
-将电连接和热连接重新连接至新的极单元；
-关闭外壳并通过使用真空系统将所述腔室排空；以及
-可选地，激活冷却系统。
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