CN1264209A - 超导电机的结构 - Google Patents

Abstract

用于超导电机的转子组件包括一个由高温超导体制成的超导绕组,在运行中可在转子组件内部形成磁通路线;一种高透过性磁性材料,至少位于磁通路线的一部分上,以减少磁通路线的整体磁阻。转子组件还包括具有内腔的支承构件,该构件由非磁性、高强度弹性材料制成,并以其外表面支承超导绕组,在支承构件的内腔容积中填充高透过性磁性材料,而磁性材料可以做成芯构件的形式,以便给超导绕组形成的磁通路线提供较低磁阻部分。

Description

超导电机的结构

本发明涉及一种超导电机及其结构。

在传统的电机中，为在临界点获得足够的磁力线(如，在绕组内部)，而在其场结构中使用铁材料。

同时，也有人试图把低温技术应用到电机中。在这些电机中应用超导绕组可使得绕组产生的磁动势显著增加，也使磁通量和功率密度均有增加。

然而，包括铁在内的大多数铁磁性材料是脆性的，在电机中产生的振动作用下易碎，而且，这些物质的脆性在冷却至低温时更为明显。因此，在一些应用中，具有超导绕组的电机中采用铁磁性材料经常受到严格的限制并且至少这对于设计者来说并非琐碎小事。

本发明的特征是在电机的转子结构中，高透过性磁性材料相对超导绕组放置，以减少超导绕组产生的磁通路线的磁阻。

从本发明的总的方面来说，超导电机中使用的转子组件包括：一个由高温超导体制成的超导绕组，在运行过程中在转子组件内形成磁通路线；和一高透过性磁性材料，至少放置在磁通路线的一个部分上，以减少超导绕组形成的磁通路线的整体磁阻。

在本发明的优选实施例中，转子组件包括一个支承构件，该支承构件由非磁性的高强度弹性材料制成，内部有一定的内腔容积，在外表面支承超导绕组。支承构件的内腔容纳并支承柱状的磁性材料，芯构件对超导绕组产生的磁通路线的一个部分带来的磁阻很小。

转子组件的这种结构提供了许多明显的优点。超导绕组支承在支承构件的外表面，绕组伸出超过支承构件和芯构件的末端。支承构件紧固芯构件，故在一些情况下，芯构件可以冷却至低温，而不会有因操作过程中电机产生的振动作用力而导致大的脆裂的风险。因此，本发明提供一种内部支承结构，能够保护相对较脆的部件(如芯构件)。并且，转子组件的设计对于给定数量的安培匝数的绕组来说能够产生更高的磁通量水平，从而使电机效率更高。这样，结构的尺寸能够得到缩小，而不影响性能。

更进一步地说，与在传统的相对复杂结构设计中把铁磁性材料放置在电机的电枢中或嵌入绕组的超导区所不同，本发明的转子组件提供相对简单的结构，其中特别是从超导区除去铁磁性材料，同时仍然增强了超导绕组形成的磁场。

在优选实施例中，上述转子组件可以包括下述特征的一个或多个。支承构件可以是由不锈钢制成的圆柱形管结构，且其横截面阶梯状外形用以支承绕组。芯构件可以由铁制成，且可以做成柱状，以大致装满圆柱形管的内部空间中。

形成芯构件的磁性材料可以低温冷却。这种情况下，芯构件在扭转管的内部空间内沿径向方向被整体地挤压紧固。芯构件由一系列叠片组成，每层都位于与圆柱形管纵轴垂直的平面上。这样，可以防止在叠片的一层或多层中形成的裂缝沿着芯结构扩散。

另外，在铁芯处于较高的温度下时(非低温)，铁芯可以做成连续固体构件。在这种情况下，芯构件和支承构件之间大致有一段真空间隙，以便使两者热绝缘。真空间隙内可以填充一些多层绝缘体。

转子组件可以包括外层电磁保护套，其围绕在超导绕组和支承构件的周围。超导绕组是跑道形状，由高温超导体(HTS)制成。

在本发明的另一个方面中，提供一种同步电机的转子组件的方法包括：由高透过性磁性材料制成的芯构件；把非磁性材料、高强度弹性材料制成的支承构件放置在芯构件的周围；以及在支承构件的外表面放置超导电枢绕组。

在优选实施例中，提供芯构件材料的步骤包括：把高透过性磁性材料制成的片层堆叠起来。在芯构件材料的周围放置支承构件的步骤包括：在芯构件材料周围冷缩支承构件。

下面参照附图详细描述本发明。附图中

图1是超导同步电机转子的局部剖开的等距图；

图2是沿图1的2-2线截取的部分转子的端部剖视图；

图3是沿图1的3-3线截取的部分转子的侧剖视图；

图4是图1中超导同步电机使用的跑道状绕组的局部剖开等距图；

图5是转子组件中磁芯的端部剖视图；

图6是说明超导同步电机中磁通路线的示意图；

图7是表示转子组件内部磁场分布的线图；

图8是超导同步电机的另一实施例的局部剖开的等距图。

图9是超导同步电机的另一实施例的侧剖视图。

本发明的其它特点和优点将通过下面的描述和权利要求书阐明。

参照图1-3，其中示出了没有带外壳的采用四极拓扑结构的同步电机转子组件10，其外壳在转子组件中封闭真空层。转子组件包括由高强度、韧性非磁性材料制成(如不锈钢)的扭转管20，其外表面支承四个超导绕组组件30(图中仅示出一个)，每个绕组与电机的一极相连。中空的芯构件50位于扭转管的内腔中，其功能将在下面进行更为详细的讨论。芯构件50由高透过性，高饱合磁通密度和强磁性的材料(如铁)制成。为减轻芯构件的重量以及组件重量，中空铁芯50的厚度通常选择为：能维持铁芯处于过饱和点之下而又能提供磁阻较低的磁通路线。

尤其在图2中，第一对径向相对的超导线圈中的每一个都关于第一轴22缠绕，而第二对径向相对的超导线圈中的每一个则关于第二轴24缠绕，相对于轴22横向布置。绕组在扭转管外缘的阶梯状轮廓处被支承，而阶梯状轮廓沿轴22、24形成。而且，图1中显示更为清楚，绕组延伸到铁芯和扭转管的末端外面。在这些末端区域，绕组和扭转管之间被真空层31隔开，真空层中通常填充多层绝缘体(譬如，镀铝的聚酯薄膜)。这种结构保证绕组维持在低温状态，同时允许转子组件和电机的长度缩短。

扭转管20包括末端延伸构件21，该构件是外界环境和转子组件低温区域之间的热/冷过度区。该末端延伸构件21还包括一些贯穿整个扭转管长度的冷却孔28，运送冷却超导绕组组件所需的气体或液体冷却剂(如图3所示)。绕组组件30通过极盖40以及直角盖42紧固在扭转管20上，而极盖40就固定在转子的四极位置，极盖均匀分开，直角盖位于每个极盖之间，从轴22、24偏离45°角。极盖40和直角盖42通常采用与扭转管相同的材料制成，并且与扭转管一起形成一个完整的柱体。

参照图4，每个超导绕组组件30均与电机的一极相连，绕组组件包括处于一个线圈支承套内的一些跑道状双扁平线圈32。每个双扁平线圈有平行缠绕的共缠导线(co-wound conductors)，其放置的方式是：其中一个同轴叠放在另一个的顶上。这个实施例中，导线是由高温氧化铜陶瓷材料制成，如Bi2Sr2Ca2Cu3Ox，通常称为BSCCO 2223。如图所示，一个或多个双扁平线圈32可以包括一个扁平线圈，其直径小于双扁平线圈中的另一个与之相配的线圈，这对双扁平线圈的两个线圈是从相同的连续长度的超导材料带缠绕出的。这种方法在同时待审的申请(序号为08/541,639)中有过描述，该申请已转让给本发明的受让人，在这里该申请被引作参考。

优选实施例是基于高温超导复合材料的磁特性和热特性之上的，较优选的是，该材料是指超导陶瓷氧化物，最优选的是氧化铜家族中的成员。热或冷铁实施例从经济角度不适合低湿超导体，其原因部分是由于在转子中加入铁会使超导电机成本显著增加。应用铁转子的确能减少超导复合材料用量的大约50％。在高温超导电机中，因为高温超导体复合材料制造费用昂贵，并且经常含有大量的贵重金属，当转子减少50％的超导材料，能把该设备的高湿超导电机的费用明显降低。而在低温超导电机中，因为主要考虑因素是冷却成本，而不是材料成本，把低湿超导材料减少50％，并不会给该装置带来显著的成本降低效益。而把低温超导体冷却至4°附近的费用要比把高温超导体的温度降至27°左右的费用高，尤其是考虑涡流损伤的补偿时则由其如此。

参照图5，优选实施例中铁芯由一系列叠片52组成。高强度扭转管通常加热以使其受热膨胀，而叠片52被冷却至收缩状态，在扭转管处于膨胀状态时将叠片52放入管的内部空间里。然后，将扭转管冷却，从而在叠片四周收缩，并把叠片以压紧状态固在扭转管内。扭转管也可通过冷缩焊接的方式对铁芯周围的不锈钢管加预载。在图5所示的另一个实施例中，铁芯50在扭转管20和内套筒29之间被径向压缩紧固。

尽管可以采用实心铁芯结构，但最好采用叠片形式，这样当叠片中某一片破裂时，破裂现象仅限于该片而不会影响相邻的叠片。铁芯50的破裂是很严重的问题，因为非韧性铁芯和超导绕组30一起低温冷却，而在低温下铁的脆性增加。为提高叠片结构在径向上的韧性强度，可在叠片层之间放置加强层(如玻璃纤维或不锈钢)。叠片和加强层可以渗透一些填充物质，如环氧树脂。

把铁芯50放置在扭转管内，给同步电机的操作带来了明显的优点。为理解这些优点，图6示出了每个超导绕组产生的磁通路线的简单形状。四条磁通路线中和左上角相关的那条磁力线，从铁芯中点60处起始，沿与轴22大致平行的路径62延伸，直到其与提供低磁阻通道的后铁构件70相遇。在该点，磁力线通过后铁构件沿逆时针方向延伸，然后又沿着与轴24平行的路径64延伸，直到回到点60，形成一个环形。其它的磁通路线，与上述方式类似，从铁芯开始，经后铁构件，都又回到起点。因此，从图6中可以明显看出，磁通路线的一大部分都通过位于扭转管内部空间中的铁芯。由于铁芯是高透过性、高饱和度磁通密度的材料(high saturation flux densitymaterial)，故在某种意义上，可作为一种磁短路以减少磁通路线的整体磁阻，并且使给定数量安培匝数的绕组产生的磁力线数量增加。这样，就可提供一个低磁损的通路，从而提高了电机的效率。

参照图7，线图显示出了转子组件内部的磁场分布，说明通过铁芯50的磁力线增加了。

参照下表，列出了为一对5000马力的同步超导电机铁芯的转子组件的特性。其中一个转子组件采用空芯结构，另一个采用铁芯结构。

5000hp电机(用空心转子)	5000hp电机(用铁芯转子)
		安培匝数：422000a	230000a(其它方面均相同)
转子
		内径7.2in
外径8.2in
		极角14°
长30英寸极数4
		定子：
槽数72
		内径10.5in
相数3
		后铁构件：
内径13.6in

铁芯转子组件设计中，比空心转子组件设计少用45％的安培匝数，而能产生同样水平的磁通量。因此，绕组所需的超导线数量减少了，所以显著地降低了电机的成本，也减低了电机的冷却成本。

参照图8、图9，在另一个实施例中铁芯80与扭转管20的内壁隔开，扭转管20可以低温冷却。其中，铁芯并不冷却，而是通过环形真空间隙82与扭转管之间热绝缘。空隙可以填充空气，但最好填注多层绝缘材料84，以减少热泄漏。图9显示得更为清楚，铁芯80包含延伸件81，并且和扭转管20的延伸件21相应地延伸。在许多应用中，多层绝缘层放置在真空间隙82中，以增强铁芯和支承构件间的热绝缘。因为铁芯80并不维持在低温状态，故其韧性就较好，这样就不需要象上述的图1-3所示的实施例那样，使扭转管20在以压紧状态紧固铁芯。而且，由于铁芯处于外界环境温度中，把铁芯做成一系列叠片的优点也相应减少了。

其它的实施例包括在的权利要求所述范围内。

在不脱离本发明范围和精神实质的基础上，可对上述优选实施例做出许多变更。

Claims (24)

1.一种超导电机的转子组件包括：

至少一个由高温超导体制成的超导绕组，在运行中该超导绕组在转子组件内部形成磁通路线；和

高穿透磁性材料，其放置在转子组件中，并位于磁通路线的至少一部分上，以减少超导绕组形成的磁通路线的整体磁阻。

2.如权利要求1所述的转子组件，还包括一个支承构件，该构件由非磁性、高强度弹性材料制成，有一定的内腔容积，所述支承构件以其外表面支承转子组成。

3.如权利要求2所述的转子组件，其特征在于：支承构件的内腔容积充分地被高透过性、磁性材料填充。

4.如权利要求2所述的转子组件，其特征在于：支承构件是圆柱管形结构，且高透过性磁性材料形成柱状芯。

5.如权利要求1所述的转子组件，其特征在于：磁性材料被低温冷却。

6.如权利要求2所述的转子组件，其特征在于：磁性材料和支承构件之间热绝缘。

7.如权利要求6所述的转子组件，其特征在于：支承构件通过真空间隙与磁性材料隔开。

8.如权利要求2所述的转子组件，其特征在于：支承构件包括一个外表面，在其横截面上呈阶梯状轮廓。

9.如权利要求4所述的转子组件，其特征在于芯由一系列叠片组成，其中每个叠片均位于与圆柱状管的纵轴垂直的平面中。

10.如权利要求4所述的转子组件，其特征在于：芯材料由连续构件形成。

11.如权利要求1所述的转子组件，其特征在于：磁性材料选用铁。

12.如权利要求1所述的转子组件，其特征在于：超导绕组由高温超导体HTS制成。

13.如权利要求1所述的转子组件，其特征在于：超导绕组是跑道状绕组。

14.如权利要求2所述的转子组件，还包括外周的围绕超导绕组的电磁防护构件和支承构件。

15.如权利要求2所述的转子组件，其特征在于：支承构件由铁制成。

16.如权利要求1所述的转子组件，其特征在于：超导电机是同步电机。

17.一种超导电机的转子组件包括：

一个具有内腔容积的支承构件，所述支承构件由非磁性、高强度弹性材料制成，所述支承构件以其外表面支承超导绕组，而在运转时，所述绕组在转子内部形成磁通路线；

一个设置在支承构件内腔中的芯构件，所述芯构件由高透过性磁性材料制成，芯构件降低了由超导绕组形成磁通路线的整体磁阻。

18.一种为超导电机提供转子组件的方法包括：

提供由非磁性、高强度弹性材料制成的布置在芯构件周围的支承构件；

把由高透过性磁性材料制成的芯构件布置在支承构件内，以在超导绕组形成的磁通路线中提供低磁阻部分；

把超导电枢绕组布置在支承构件的外表面。

19.如权利要求18所述的方法，其特征在于：提供芯构件的步骤包括把一系列由高透过性磁性材料制成的叠片堆叠成芯构件。

20.如权利要求18所述的方法，其特征在于：在芯构件的周围布置支承构件的步骤包括在芯构件周围冷缩支承构件。

21.如权利要求20所述的方法，其特征在于：在芯构件的周围冷缩支承构件的方法包括沿支承构件焊接。

22.如权利要求18所述的方法，还包括低温冷却芯构件。

23.如权利要求18所述的方法，还包括在芯构件和支承构件之间进行热绝缘的步骤。

24.如权利要求23所述的方法，其特征在于；热绝缘的方法包括在支承构件和芯构件之间提供一个真空阻挡层。

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