CN1400726A - 高温超导同步转子线圈支撑绝热体及其安装方法 - Google Patents

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Abstract

提出一种具有超导线圈绕组的转子，转子包括具有至少一个穿过转子芯延伸的通道的转子芯；至少一个在线圈绕组的一对侧面部分之间和穿过转子的所述至少一个通道延伸的拉杆；和在通道中的可将所述拉杆与转子热隔离的绝热体。

Description

高温超导同步转子线圈支撑绝热体及其安装方法
相关申请
本申请涉及2001年5月15日提出申请的美国专利No.＿(美国专利申请号No.09/855,026)，本文参考引用其内容。
技术领域
本发明总的来讲涉及一种同步转动电机的超导线圈。具体来讲，本发明涉及一种同步电机转子中的超导激励绕组的支撑结构。
背景技术
具有激励线圈绕组的同步电机包括但不限于旋转发电机，旋转电动机和线性电动机。这些电机通常包括电磁偶合的定子和转子。转子可包括多极转子芯和固定在转子芯上的一个或多个线圈绕组。转子芯包括可以导磁的固体材料，比如铁心转子。
传统的铜绕组通常用于同步电机的转子。然而，铜绕组的电阻(虽然根据传统的度量标准电阻不高)足以使转子产生大量热量并降低电机的能量效率。近来，已经开发出超导(SC)线圈绕组供转子使用，SC线圈绕组实际上没有电阻，是具有很大优越性的转子线圈绕组。
铁心转子在空气隙磁场强度为大约2特斯拉时饱和。一种应用空气芯设计的已知超导转子，在转子中没有铁心，其空气隙磁场强度可达到3特斯拉或更高。这些高空气隙磁场使电机产生更高的能量密度，并使电机的尺寸和重量大量减少。空气芯超导转子要求大量的超导导线。而大量的超导导线增加了所需线圈的数量、线圈支撑体的复杂性、和超导线圈绕组和转子的成本。
高温超导线圈激励绕组是由脆性的超导材料制成，而超导材料必须冷却到不高于临界温度如27°K，以取得和保持超导性。超导绕组可以由高温超导材料制成，如铋锶钙铜氧(BixSrxCaxCuxOx)基导线。
超导线圈可以用液氦来冷却。液氦在通过转子绕组后，用过的热氦可返回到室温下的气体氦。使用液氦进行低温冷却需要对返回的室温下的气体氦连续地进行重新液化。这种重新液化带来很大的可靠性问题并要求有大量的辅助能量。
以前的超导线圈冷却技术包括用低温冷却器通过固体传导路径来冷却环氧树脂浸渍的超导线圈。或者，通过转子中的冷却管传输液体和/或气体致冷剂到超导线圈绕组，超导线圈浸没在流动的液体和/或气体致冷剂中。然而，浸没冷却需要使整个激励绕组和转子结构处于低温。其结果是，在转子磁回路中不能使用铁，因为铁在低温下具有脆性。
需要的是一种可用于电机的超导激励绕组组件，其没有已知的空气芯和超导转子的液体冷却的超导激励绕组组件的缺点。
另外，高温超导(HTS)线圈受到高弯曲和拉伸应变易于损坏。而这些线圈必须承受可使所述线圈绕组产生应力和应变的相当大的离心力，电机的一般操作涉及在数年时间里成千上万次的启动和停止的循环，这将产生转子的低循环疲劳载荷。另外，HTS转子绕组能够在转子均衡操作中在环境温度下经受25％的超速操作，而在发电操作过程中在低温条件下则不能承受超速状态。在超速状态下作用在绕组上的离心力要大大超过一般操作情况下的离心力。
用于电机的HTS转子激励绕组的超导线圈在冷却和正常操作时要承受应力和应变。要承受离心载荷，扭矩传递，和瞬间故障。为了承受作用力，应力，应变和循环载荷，超导线圈应当通过线圈支撑系统适当地支撑在转子上。这些线圈支撑系统应将超导线圈固定在HTS转子上并确保线圈能够抵抗由于转子的转动而产生的巨大的离心力。此外，线圈支撑系统应保护超导线圈，并确保线圈不会过早地出现裂纹、疲劳、或其它形式的开裂。
研发HTS线圈的支撑系统，尤其是在使超导线圈适合HTS转子方面存在很大的挑战。早先提出的HTS转子的线圈支撑系统的示例公开在美国专利No.5,548,168；5,532,663；5,672,921；5,777,420；6,169,353；和6,066,906中。然而，这些线圈支撑系统存在不少的问题，比如，价格高、结构复杂和要求的部件过多。早就存在着对具有超导线圈的线圈支撑系统的HTS转子的需求。还存在着对可用低成本和容易制造的元件制造的线圈支撑系统的需求。
发明内容
提出了一种带有拉杆和U形槽壳体的线圈支撑结构，可用于固定高温超导(HTS)转子真空空间内的超导线圈。拉杆跨接线圈的相对侧面。槽形壳体连接到拉杆的两端并围绕线圈的侧面部分。对于作用到线圈的离心力和其它力，线圈受到拉杆和槽形壳体的支撑。
高温超导(HTS)转子可以用于原设计包括超导线圈的同步电机。也可以用HTS转子代替现有电机，如传统发电机，的铜线圈转子，HTS转子电机也适合用于其它的同步电机。
线圈支撑系统用于将线圈支撑系统与线圈和转子连接在一起。另外，线圈支撑系统可使最后转子组装之前的线圈支撑系统、线圈和转子铁心的预先装配容易进行。预先装配可降低线圈和转子的装配时间、改进线圈支撑的质量和减少线圈装配的变化。
本发明的一个实施例是同步电机，其转子包括：转子铁心，具有至少一个穿过所述铁心延伸的通道；超导线圈绕组，围绕所述转子铁心的至少一部分延伸，所述线圈绕组有位于所述转子铁心的相对侧面的一对侧面部分；至少一个拉杆，在所述线圈绕组的一对侧面部分之间和穿过转子的所述至少一个通道延伸；和绝热体，在通道中可将所述拉杆与所述转子热隔离。
本发明的另一个实施例是支撑同步电机的转子芯的超导线圈绕组的方法，包括步骤：
使拉杆穿过所述转子芯的通道延伸；
利用第一绝热导管将所述拉杆支撑在通道内；
在所述线圈的一部分上插入壳体；
将所述拉杆的一端部连接到所述壳体。
附图说明
附图与本说明书的内容相结合来介绍本发明的实施例。
图1是具有超导转子和定子的同步电机的示意性侧视图；
图2是示例性跑道形超导线圈绕组的透视图；
图3是高温超导(HTS)转子的部件的分解图；
图4到6是图3所示HTS转子的示意性剖视图；
图7是用于图3所示HTS转子的线圈支撑结构一部分的放大的剖视图；
图8是槽形壳体的透视图；
图9到11是显示图3所示的HTS转子装配过程的透视图。
具体实施方式
图1显示了带有定子12和转子14的示例性同步发电机10。转子包括安装在定子的圆柱形转子真空腔16中的激励线圈。转子安装在定子的转子真空腔中。当转子在定子中转动，通过转子和转子线圈在定子中移动/转动产生虚线显示的磁场18并在定子线圈19的绕组中产生电流。该电流被发电机当作电力输出。
转子14具有一般为纵向延伸的轴20和通常是实心的转子芯22。实心的转子芯22具有高导磁率，并且通常是由铁磁材料如铁制成。在低能量密度超导电机中，转子的铁心用作减少磁动势(MMF)。MMF的减少可使线圈绕组所需的超导(SC)线圈导线的数量减少。例如，固体铁心转子在空气隙磁场强度大约为2特斯拉时磁饱和。
转子14支撑至少一个纵向延伸的跑道形状的高温超导(HTS)线圈绕组34(见图2)。HTS线圈绕组也可以是适合于特定的HTS转子设计的鞍状或其它形状。本文公开的线圈支撑系统是用于跑道形状超导线圈绕组。除固定在实心转子芯上的跑道形线圈绕组以外，线圈支撑系统可以适合于其它的线圈形状。
转子包括集电器端轴24和支承转子芯22的驱动端轴30，端轴支撑于轴承25。端轴可以连接到外部装置，例如，集电器端轴24设有致冷剂传输连接件26，可连接到用于冷却转子中的超导线圈绕组的低温冷却流体源。致冷剂传输连接件26包括连接到低温冷却流体源的固定段和向HTS线圈提供冷却流体的转动段。集电器端轴24还包括集电环78，用于电连接到转动的超导线圈绕组。转子的驱动端轴30可被动力涡轮连接件32驱动。
图2显示了示例性的跑道形状HTS激励线圈绕组34。转子的超导激励线圈34包括高温超导线圈36。各个超导线圈包括高温超导导线，比如层压在固体的环氧树脂浸渍的绕组复合体中的铋锶钙铜氧(BixSrxCaxCuxOx)基导线。例如，一系列的BSCCO2223导线可以层压，粘结以及缠绕在固体的环氧树脂浸渍的线圈中。
超导线圈是脆性的易于损坏。超导线圈一般是分层缠绕的经环氧树脂浸渍的超导带。超导带被包在精密的线圈模板中达到精密的尺寸公差。此带以螺旋状进行缠绕以形成跑道形状的超导线圈36。
跑道形状线圈的尺寸取决于转子芯的尺寸。一般地，各跑道形状的超导线圈围绕转子芯的磁极并平行于转子轴。线圈绕组连续地围绕跑道。超导线圈形成围绕转子芯的和在转子芯磁极之间的没有电阻的电流路径。线圈具有将线圈电连接到集电器78的电触点114。
低温冷却流体的流动通道38设置在线圈绕组34中。这些通道围绕超导线圈36的外侧面延伸。低温冷却流体通过通道到达线圈并将热量从线圈带走。冷却流体使超导线圈保持低温如27°K，这是保持超导条件所需的，超导条件包括线圈中没有电阻。冷却通道在转子芯的一端上有输入流体端口39和输出流体端口41。这些流体(气体)端口112将超导线圈上的冷却通道38连接到转子端轴24上的低温传输连接件26。
各跑道形状的HTS线圈绕组34具有一对与转子轴线20平行的通常是直线的侧面部分40，和一对与转子轴线正交的端面部分54。线圈的侧面部分承受最大的离心力。因此，侧面部分支撑于线圈支撑系统，支撑系统可承担作用于线圈的离心力。
图3是显示转子芯22和高温超导(HTS)线圈绕组的线圈支撑系统的分解图。线圈支撑系统包括连接到U形槽壳体的拉杆42。壳体保持和支撑转子的线圈绕组38的侧面部分。尽管只有一个拉杆和槽形壳体在图3中显示出，线圈绕组系统一般包括一系列拉杆，各个拉杆在其两端设有线圈支撑壳体。拉杆和槽形壳体可防止线圈绕组在转子操作期间损坏，支撑线圈绕组抵抗离心力和其它力，和为线圈绕组提供保护性屏蔽。
铁心转子的HTS线圈绕组34的主要载荷来自转子转动时的离心加速度，需要有效的线圈支撑结构来抵抗离心力。特别是经受最大离心加速度的线圈侧面部分40需要线圈支撑结构。为了支撑线圈的侧面部分，各拉杆42在线圈的侧面部分之间跨接并连接到抓住线圈两侧面部分的槽形壳体44。拉杆穿过转子芯部的通道46即孔延伸，故拉杆可在同一线圈或相邻线圈的侧面部分之间跨接。
通道46一般是转子芯内部具有直线轴线的圆柱形通道。除了在靠近转子的凹进表面的端部之外，通道的直径基本是常数。通道的端部可以扩展成较大的直径，以容纳不导热的圆柱形套管(绝热管)52。套管52提供了滑动的轴承表面并使转子芯和拉杆之间热绝缘。
通道46的轴线一般位于跑道形线圈形成的平面上。另外，通道的轴线正交于线圈的侧面部分。而穿过通道延伸的拉杆连接到侧面部分。此外，在本实施例中，通道直交和相交于转子的轴线。通道的数量和通道的位置将取决于HTS线圈的位置和支撑线圈的侧面部分所需要的线圈壳体(见图10)的数量。
拉杆可非常好地支撑线圈抵抗离心力，因为拉杆在线圈绕组的侧面部分之间基本上径向延伸。各拉杆42是沿杆纵向连续的轴件并位于跑道形状的线圈所在平面上。拉杆的纵向连续性使线圈具有横向刚度，从而使转子具有动力学上的好处。此外，拉杆42的横向刚性使线圈支承结构与线圈成为一个整体。所以，在转子最后组装之前，可以将线圈和线圈支撑结构装配在一起。线圈和线圈支撑结构的预先装配可减少生产周期、提高线圈支撑质量和减少线圈装配的变化。跑道形线圈受到跨接线圈长边的一个阵列的张力件的支撑。线圈支撑拉杆件预先装配到线圈上。
HTS线圈绕组和线圈支撑构件都是处于低温。相反地，转子芯则处于环境的“热“温度，线圈支撑件是热传导的势源，其允许热量从转子芯传导到HTS线圈。转子芯在操作中变热。当线圈绕组处于过冷状态时，要避免热量从转子芯传导到线圈。拉杆穿过转子的通道即孔延伸，但未与转子接触。不接触避免了热量从转子传导到拉杆和线圈。
为了减少从线圈泄漏出的热量，线圈支撑结构进行最小化以减少从热源如转子芯经过支撑结构的热传导。通常超导绕组有两类支撑结构：(i)“热”支撑和(ii)“冷”支撑。在热支撑中，支撑结构与冷却的超导绕组之间是绝热的。对热支撑系统，超导(SC)线圈的大部分机械载荷是由跨接冷的线圈和热的支撑构件的结构件所支撑。
在冷支撑系统中，支撑系统处于与超导线圈相同或接近的低温。在冷支撑结构中，超导线圈的大部分机械载荷是由处于或接近低温的线圈支撑结构件承担。在此公开的作为实例的线圈支撑系统是一种冷支撑结构，其中拉杆和连接拉杆到超导线圈绕组的相关壳体保持在低温或接近低温。由于线圈支撑构件是冷的，这些构件可以通过穿过转子芯的无接触通道与转子的其它“热”部件热隔绝。
各个支撑件包括拉杆42(可是杆和在杆两端的一对螺帽)、槽形壳体44和将壳体连接到拉杆端部的接合销80。各槽形壳体44是U形支架，设有连接到拉杆的支腿和接受线圈绕组34的槽。U形槽壳体允许进行精确和方便的支撑系统和线圈的安装。一系列的槽形壳体沿线圈绕组的侧面端部对端部的定位。槽形壳体共同分担作用到线圈上的基本上沿各线圈的整个侧面部分分布的力，即离心力。
槽形壳体44防止了线圈的侧面部分由于离心力造成的过分折曲和弯曲。线圈支撑件不会限制在燃气轮机正常启动/停止操作期间发生的线圈纵向热膨胀和收缩。实际上热膨胀主要发生在沿侧面部分的长度方向。因此，线圈的侧面部分相对槽形壳体和拉杆沿纵向轻微滑动。
离心力从线圈支撑结构传递到支撑杆是通过槽形壳体，槽形壳体围绕线圈外侧表面和沿侧面直线部分固定，并通过接合销80接合到拉杆的大直径的端部。U形槽壳体是用轻的高强度且在低温下具有延展性的材料制成。槽形壳体的典型材料是铝、Inconel或钛合金等非磁性材料。U形壳体的形状可以进行最佳化以降低重量和强度。
接合销80穿过槽形壳体和拉杆的孔延伸。接合销80可以是中空的以降低重量。锁定螺帽(未显示)螺纹接合或连接到接合销的端部以固定U形壳体和防止壳体的侧面在载荷作用下分开。接合销可以用高强度的Inconel或钛合金来制造。拉杆带有较大直径的端部82并在端部加工出两个平面86以固定U形壳体和线圈的宽度。当拉杆、线圈和壳体装配到一起时，拉杆的平面端86与HTS线圈的内表面对接。这样装配可减少拉杆容纳接合销的孔出现的应力集中。
拉杆42、槽形壳体44和对开夹58构成的线圈支撑系统可与HTS线圈绕组34装配，只是当这两者固定在转子芯22上时。拉杆、槽形壳体和对开夹提供了相当刚性的结构以支撑线圈绕组和使线圈绕组保持在相对转子芯的适当位置。
各拉杆42穿过转子芯延伸并可直交地通过转子的轴线20。穿过转子的通道46提供了拉杆延伸的通路。通道的直径足够大可避免通道的热转子壁与冷拉杆接触。防止接触改进了拉杆和转子芯之间的热隔离。
转子芯22通常是用磁性材料，比如铁，制成，而转子端轴通常是用非磁性材料，如不锈钢，制成。转子芯和端轴通常是分离元件，需要用螺栓连接或焊接来安装和固定到一起。
铁转子芯22通常具有圆柱形形状50，适合于在定子12的转子空腔16内转动。为了安装线圈绕组，转子芯带有凹面48，如平的或三角形的区域，或凹槽。这些表面48是在圆柱形转子芯的曲面50上形成的，并在转子芯的整个长度纵向延伸。线圈绕组34靠近凹面48安装在转子上。线圈大体上沿凹进区域的外表面纵向延伸并围绕转子芯的端部。转子芯的凹面48上安装线圈绕组。凹进区域的形状与线圈绕组相适合。举例来说，如果线圈绕组是鞍状或其它形状的，那么转子芯中凹进部分的形状可接受线圈绕组的形状。
凹面48接纳线圈绕组，使得线圈绕组的外表面基本上延伸到由转子旋转所形成的包络面上。转子芯的弯曲外表面50当旋转时形成圆柱形包络面。转子的旋转包络面与定子中的真空转子空腔16(见图1)具有大体上相同的直径。
转子包络面和定子空腔16之间的间隙是相对较小的缝隙，只用于强制流动通风冷却定子，因为转子不需要通风冷却。转子和定子之间的空隙希望减到最小以增强转子线圈绕组和定子绕组之间的电磁耦合。而且，转子线圈绕组最好设置成可以延伸到由转子旋转所形成的包络面上，因此转子线圈绕组与定子只相距转子和定子之间间隙的距离。
线圈绕组34的端部部分54与转子芯的两端56相邻界。对开夹58将线圈绕组的各端部部分保持在转子上。在线圈端部54的对开夹包括一对相对的夹板60，线圈绕组34夹在夹板之间。夹板表面包括槽116和118(见图11)以容纳线圈绕组和连接到绕组的连接管线112和114。
对开夹58可以由非磁性材料形，如铝或Inconel合金。相同或类似的非磁性材料可用于形成拉杆、槽形壳体和线圈支撑系统的其它部分。线圈支撑系统最好是非磁性材料制成的以便在低温能保持延展性，由于铁磁材料在低于居里转换温度时变得易碎，不能用于承载结构。
对开夹58被轴环62包围但不与之接触。在转子芯22的各端都设有轴环62，虽然只有一个轴环在图3中显示。轴环是非磁性材料制成的厚盘，如用不锈钢、相同或类似于形成转子轴的材料。轴环是转子轴的零件。轴环带有与转子轴线直交的槽64，槽宽足以容纳对开夹58并有余隙。带槽的轴环的热侧壁66与冷对开夹是分开的，所以互相没有接触。
轴环62可包括凹进的盘形区68(被槽64分成两半)来容纳转子芯的突起的盘形区70(见位于转子芯相对侧面的将插入相对轴环的突起的盘形区)。转子芯的端部56上突起的盘形区插入凹进的盘形区68对轴环中的转子芯提供了支撑，并帮助转子芯和轴环对准。另外轴环可以设置围绕轴环的边、沿圆弧排列的并从纵向穿过轴环延伸的螺栓孔72。这些螺栓孔对应于部分穿过转子芯延伸的相配合及带螺纹的螺栓孔74。带螺纹的螺栓75(见图5)延伸穿过这些纵向螺栓孔72，74将轴环固定在转子芯上。
图4是转子芯和轴环的第一剖视图。图5是转子和轴环的直交于第一图的第二剖视图。电和冷却液通道受到薄壁管76的保护。薄壁管沿转子轴从一个线圈端部部分54穿过轴环62沿转子轴线延伸。管76中的冷却通道连接线圈绕组上的冷却管路38的输入和输出端口112到致冷剂传输连接件26。线圈的电连接件114设置在与致冷剂传输连接件26相同的线圈端部部分。
跑道形线圈绕组34的侧面部分40受到一系列穿过转子芯的通道46延伸的拉杆42的支撑。拉杆是非磁性材料制成的直杆，在同一线圈的两个相对侧面部分之间延伸，或者两个线圈的侧面部分之间延伸。拉杆可以由高强度的非磁性合金材料制成，如Inconel X718。拉杆在各端部与槽形壳体44连接，槽形壳体包围并固定线圈绕组的侧面40。槽形壳体44和拉杆42可以对施加到线圈绕组侧面部分的张力的进行调整。例如，拉杆可以由穿过转子芯延伸的张力杆形成，在张力杆的各端部设置螺纹孔以容纳拉力螺栓。拉力螺栓各自具有可与线圈绕组对接的平面86。
线圈绕组34受到跨接线圈侧面部分40的拉杆42的支撑(只有一个拉杆在图4中示出)。槽形壳体44通过接合销80连接到拉杆的端部。为了便于说明，图6的左侧显示出拉杆而没有槽形壳体。类似地，图4的上部显示的拉杆46没有槽形壳体，而下部显示槽形壳体连接到拉杆。拉杆42穿过转子芯22中通道46延伸。这些通道在其各个端部88的直径较大。这些扩大的端部88接受绝热管52，绝热管在拉杆上形成套管。这些绝热套管将拉杆42与热转子芯22热隔离。
如图5所示，通道46正交于转子轴线延伸并沿转子芯的长度对称设置。通道46的数量和在转子芯上和互相间的分布由设计来决定。
转子芯可以装入圆柱形金属屏蔽套90中，以保护超导线圈绕组免于出现涡流和其它围绕转子的电流。并提供所需要的真空套来保持围绕转子的低温部件的高真空。圆柱形屏蔽套90可由高度导电材料来制造，如铜合金或铝。
超导线圈绕组34保持在真空条件下。真空可通过屏蔽套90来形成，屏蔽套包括形成围绕线圈和转子芯的真空管的圆柱形不锈钢层。图7是正交于转子轴线的剖视图，显示了转子芯22、拉杆42、线圈绕组34和相关的结构的放大部分。拉杆的平面端86与线圈绕组34的内表面对接。拉杆的相对端(在图7中未显示)与相对侧的线圈绕组的类似内表面对接。因此拉杆在线圈绕组之间跨接并提供了支撑线圈绕组的固定的表面86。
各个拉杆42，虽然通常其沿长度方向是圆柱形的，但具有平面端部86，可与线圈绕组和U形槽壳体44有紧密的连接。各拉杆通过接合销80连接到槽形壳体44，这防止了壳体沿径向从拉杆向外滑动。槽形壳体防止了转子转动时的离心力使线圈弯曲或扭曲。锁定螺帽(未显示)与接合销80的端部螺纹连接以固定壳体44的侧支腿106，防止其在载荷作用下扩开。接合销可用高强度Inconel或钛合金制成。各个拉杆42固定在不接触的通道46内，使得拉杆不可能接触到转子芯。
与直接将扭矩传递到转子绕组的空气芯转子相比，铁心转子设计通过转子主体传递稳定状态和暂态扭矩。然而，低水平的扭矩仍传递到HTS线圈并且要由热效率高的绝热体52来支撑。纤维增强复合绝热体52是承受作用于HTS线圈的切向力的绝热体。绝热管被螺纹连接到拉杆的防松螺母84预加载处于受压状态。绝热管的复合材料最好是玻璃纤维增强的环氧树脂。
在各个拉杆的端部，设置了将线圈支撑结构固定到热转子上并可减少二者之间热传导的绝热管52。另外，还设置了螺纹连接到与绝热管52连接的拉杆42的锁定螺帽84，用于固定和调节在通道46之中的拉杆42位置。锁定螺帽84和绝热管52将拉杆和槽形壳体固定到转子芯，并使从热转子传递到壳体结构的热量最少。
绝热管由绝热材料形成，如纤维增强复合材料。绝热管的一端可包括与管道88壁对接的外环120。绝热管的另一端包括与固定到拉杆一端的锁定螺帽84接合的内环。绝热管和缩定螺帽位于拉杆的各端。从转子发出的热量必须经过绝热管52的长度和锁定螺帽84传导到拉杆。因此绝热管使拉杆与转子芯热隔离。
线圈绕组还受到槽形壳体44的支撑(见图8)。槽形壳体支撑线圈绕组承受离心力(图7中的箭头100)和切向力(箭头102)。槽形壳体可由非磁性金属材料形成，比如铝、Inconel和钛合金。槽形壳体通过接合销80固定到拉杆上的适当位置，接合销穿过拉杆端部上的孔104延伸。槽形壳体的支腿106可较厚和设置筋来提供对围绕接受接合销的孔108的结构支持。离心力是由于转子的转动而产生。切向力是由于转子的加速或减速以及传递扭矩而产生。由于线圈绕组的侧面部分40被槽形壳体44和拉杆的端部86包住，线圈绕组的侧面部分在转子内受到全面支撑。
设置了支撑托架124用于帮助拉杆和槽形壳体承担大的径向力，大的径向力在发生结构(grid)故障时可能产生。径向支撑可以是围绕线圈绕组的侧面部分40安装并在开口夹58上方延伸的矩形盒。支撑托架包括一对侧壁，通过燕尾槽连接到凹进表面的槽中。侧壁从转子芯表面48延伸到套90并使套的结构强度增加。
图9到11示意地显示了转子中线圈支撑结构和线圈绕组的装配过程。如图9所示，在转子芯与轴环和转子的其它零件安装之前，拉杆42插入穿过转子芯延伸的通道46。在各个拉杆端部的绝热管52设置在位于通道46各端部的扩大端部88处。绝热管52通过防松锁定螺母84锁定在适当位置上。当拉杆安装在转子芯22中时，线圈绕组准备好插入转子芯。
如图10所示，超导线圈36插入转子芯使拉杆42的平面端部86与超导线圈的侧面部分40的内表面对接。一旦线圈绕组已经置于拉杆的端部之上时，将槽形壳体44插入超导线圈上面。槽形壳体通过将接合销80分别穿过拉杆和槽形壳体的孔104，108固定到拉杆的端部。
槽形壳体44包括沿上内表面的槽110，用于接受冷却通道38并将冷却通道固定在线圈36上。
多个槽形壳体有效地将线圈绕组固定在适当位置，使其不受离心力的影响。虽然槽形壳体显示出互相非常接近，槽形壳体所需要的只是必要的靠近，以便防止在离心力载荷、扭矩传递和暂态故障的情况下，出现大弯曲和拉伸应变造成线圈损坏。
在转子芯、线圈与轴环和转子的其它部件安装之前，槽形壳体和拉杆可以与线圈绕组进行安装。因此，在转子的其它零件和同步电机的其它零件进行安装之前，转子芯、线圈绕组和线圈支撑系统可安装成一个单元。
图11显示了由夹板60形成的对开夹58的安装。夹板60将线圈绕组的端部部分64夹在中间。对开夹提供了对线圈绕组34的端部部分的结构支撑。对开夹的夹板60包括接受线圈绕组的内侧表面上的槽116，类似地，夹板包括槽118用于汽油的输入/输出管线112和连接到线圈的电流输入/输出线114。一旦线圈支撑系统、线圈、轴环和转子芯安装完毕，该单元准备装配到转子和同步电机。
尽管已经结合目前认为是最可行的和优选的实施例对本发明进行了介绍，应当认识到本发明并不受限于所公开的实施例，相反地，本发明期望包括所附权利要求的精神实质内的所有的实施例。
  参考数字        说明
    10 同步发电机
    12 定子
    14 转子
    16 定子中的转子腔
    18 磁场
    19 定子线圈
    20 延伸轴线
    22 转子芯
    24 集电器端轴
    25 轴承
    26 冷却剂传输连接件
    30 驱动端轴
    32 涡轮机连接件
    34 HTS场线圈绕组
    36 高温超导(HTS)线圈
    38 冷却液通道
    40 绕组的侧边部分
    42 拉杆
    44 槽形壳体
    46 转子芯的通道
    48 凹面
    50 弯曲表面
    52 圆柱形绝热管
    54 线圈绕组的端部部分
    56 相对的端部
    58 对开夹
    60 夹板
    62 轴环
    64 套环的凹槽
    66 套环的侧壁
    68 盘形凹进区域
    70 盘形突出部分
    72 纵向螺栓孔
    74 纵向螺栓孔
    75 带螺纹的螺栓
    76 套管
    80 接合销
    82 大直径端
    84 防松锁定螺母
    86 端部平面
    88 管道端部
    90 圆柱形金属屏蔽
    100，102 箭头
    104 拉杆中的孔
    108 槽形壳体的孔
    110 槽
    112 输入/输出管线
    112，114 线圈绕组的连接线
    116 槽
    120 外环
    122 内环
    124 支撑托架

Claims (21)

1.一种同步电机中的转子，包括：
转子铁心(22)，具有至少一个穿过所述铁心延伸的通道(46)；
超导线圈绕组(3 4)，围绕所述转子铁心的至少一部分延伸；所述线圈绕组有位于所述转子铁心的相对侧面的一对侧面部分(40)；
至少一个拉杆(42)，在所述线圈绕组的一对侧面部分之间和穿过转子的所述至少一个通道延伸；和
绝热体(52)，在通道中可将所述拉杆与所述转子热隔离。
2.根据权利要求1所述的转子，其特征在于，所述绝热体是外表面(120)与所述通道(88)接触的导管(52)。
3.根据权利要求1所述的转子，其特征在于，所述绝热体是内表面(122)与在所述拉杆端部(86)的附件(84)接触的导管。
4.根据权利要求1所述的转子，其特征在于，所述转子铁心是实心铁心，所述通道穿过所述实心铁心延伸。
5.根据权利要求1所述的转子，其特征在于，所述转子还包括在所述导管的一端与所述通道接触的外环(120)和在所述导管的相对端与位于所述拉杆端部的锁定螺帽(84)接触的内环(122)。
6.根据权利要求1所述的转子，其特征在于，所述绝热体由复合纤维材料制成。
7.根据权利要求1所述的转子，其特征在于，所述绝热体(52)位于所述通道当中并邻近所述铁心的外侧表面。
8.根据权利要求1所述的转子，其特征在于，所述转子还包括将所述绝热体固定到所述铁心中通道的锁定螺帽(84)。
9.根据权利要求8所述的转子，其特征在于，所述锁定螺帽(84)将所述绝热体压入所述通道。
10.根据权利要求9所述的转子，其特征在于，所述绝热体是被所述锁定螺帽(84)压迫的导管(52)。
11.根据权利要求1所述的转子，其特征在于，所述拉杆(42)由高强度非金属合金制成。
12.根据权利要求1所述的转子，其特征在于，所述拉杆(42)由因科内尔镍铬铁合金制成。
13.根据权利要求1所述的转子，其特征在于，所述拉杆(42)穿过所述转子的纵轴线延伸。
14.根据权利要求1所述的转子，其特征在于，所述至少一个拉杆是多个穿过所述转子铁心的多个通道(46)延伸的拉杆，所述至少一个绝热体是固定在所述通道各端的绝热管(52)。
15.根据权利要求1所述的转子，其特征在于，所述拉杆(42)通过所述绝热体(52)与所述通道的转子壁隔开。
16.一种包括位于所述拉杆端部的线圈壳体(44)的转子，其中所述壳体连接到所述线圈绕组以及连接到所述拉杆。
17.一种将超导线圈绕组(34)支撑在同步电机(10)的转子铁心(22)上的方法，包括步骤：
将拉杆(42)穿过所述转子铁心中的通道(46)延伸；
利用第一绝热导管(52)将所述拉杆支撑在所述通道内；
在所述线圈的一部分(40)上插入壳体(44)；
将所述拉杆的端部连接到所述壳体。
18.根据权利要求17所述的方法，所述方法还包括：
将第二绝热导管(52)插入与所述第一绝热导管插入的通道(46)端部相对的通道端部，和
在所述线圈的第二部分上插入第二壳体(46)，并连接所述第二壳体到所述拉杆的第二端。
19.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，所述第一绝热导管在其第一端设有外环(120)，在其第二端设有内环(122)，所述绝热管插入所述通道中，使所述外环与通道壁接触，使所述内环与所述拉杆上的附件(84)接触。
20.根据权利要求17所述的方法，所述方法还包括将所述绝热管压入所述通道。
21.根据权利要求20所述的方法，其特征在于，所述螺帽(84)将所述导管压入所述通道。
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