CN1795602A - 带有超导绕组及温差环流冷却装置的超导电机设备 - Google Patents

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Abstract

所述电机设备包括一台具有一可围绕一轴线(A)旋转的转子(5)的电机(2)，该转子的超导绕组(10)与一中央的制冷介质空腔(12)热传导地耦连。该空腔(12)与在其侧面连接的管道件(22)以及一个制冷单元的位于该电机(2)之外的冷凝腔(18)一起构成一个单管系统，所述制冷介质(k，k′)在该单管系统中基于一种温差环流效应循环。为了即便在转子(5)处于倾斜位置时还保持将制冷介质输入到所述中央空腔(12)中，设置有一些压力升高器件，这些器件促使气态制冷介质的压力脉冲作用到位于冷凝腔(18)或连接的管道件(22)中的液态制冷介质(k)上。

Description

带有超导绕组及温差环流冷却装置的 超导电机设备
本发明涉及一种超导电机设备，其具有
-一个可围绕一旋转轴旋转地安置的转子，该转子具有至少一个超导绕组，该绕组的导体与一个沿轴线方向延伸的中央圆柱形空腔热传导地耦连，
-一个处于转子外的带有一冷凝腔的位置固定的制冷单元，以及
-一些在所述转子的中央空腔与制冷单元的冷凝腔之间延伸的管状管道件。其中，所述空腔、管状管道件和制冷单元的冷凝腔构成一封闭的单管管道系统，在该系统中存在一种制冷介质，在此在充分利用温差环流效应的条件下，在冷凝腔中的冷凝介质通过所述管状管道件到达所述中央空腔中以及在那里蒸发的制冷介质又重新通过管状管道件返回到冷凝腔。一种相应的电机设备已由DE 100 57 664 A1公开。
自从1987年以来，人们已经获知了一些跃变温度Tc在77K以上的金属氧化物超导材料。这些材料也被称为高跃变温度超导材料或者高温超导材料(HTS-材料)以及原则上可以实现用液态氮进行冷却。
人们试图利用通过这样的高温超导制成的导体来建立电机的超导绕组。但是事实证明，迄今公知的导体在磁束密度为特斯拉量级的磁场中具有一比较小的电磁感应的载流量。这通常要求，这样绕组的导体尽管所采用材料本身具有高跃变温度，但是还必须保持在一个低于77K的温度值上，例如界于10K至50K之间，以便因此在高场强时可以承载显著的电流。这样的温度值显然高于液态氦(LHe)的沸点4.2K，通常以该温度冷却具有比较低的跃变温度Tc的金属超导材料，即所谓的低Tc超导材料或低温超导材料(LST-材料)。
为了在低于77K的上述温度范围内冷却具有HTS导体的绕组，优选采用一带有封闭的氦压缩气体回路的低温冷却器形式的冷却装置。这样的低温冷却器尤其为Gifford-McMahon或Stirling型号的或者设计为所谓的脉冲管冷却器。另外，它们具有的优点是，其产冷量好象按钮一样可方便提供以及避免运用深度冷却的液体。在使用这样的冷却装置时，只是通过向一冷凝器的冷却头导热来直接冷却所述超导绕组(参见例如“Proc.16th Int.Cryog.Engng.Conf.(ICEC 16)”，Kitakyushu，JP，20.-24.05.1996，ElsevierScience出版社，1997，1109至1129页)。
一种相应的冷却技术也用于冷却电机的可从前言所述DE 100 57 664A1获知的转子上。该转子包括一由高温超导体制成的旋转绕组，该绕组位于一个设计为导热的绕组支架内。该绕组支架设有一个中心的沿轴线方向延伸的圆柱形空腔，在该空腔上连接侧向从绕组支架伸出的管状管道件。这些管道件通到一个制冷单元的一个测量学上较高位置处的冷凝腔中以及与该冷凝腔及所述中心的转子空腔一起构成一封闭的单管管道系统。在该管道系统中存在有一种利用所谓的温差环流效应循环的制冷介质。在此，通过所述管状的管道件将在冷凝腔中冷凝的制冷介质导入到所述中央空腔内，在那里制冷介质由于与绕组支架以及进而与HTS绕组的导热连接而吸收热量并且蒸发。该蒸发的制冷介质然后又经过所述管道件进入到冷凝腔中，在那里又重新冷凝。为此所需要的产冷量由一个制冷机来提供，该制冷机的冷却头导热地连接在所述冷凝腔上。
制冷介质的回流在此通过一个轻微的过压驱使向起蒸发件作用的空腔方向流向所述制冷机的起冷凝器作用的构件。也就是说，该通过在蒸发件中生成气体以及在冷凝腔中液化而形成的过压导致所希望的制冷介质回流。相应的制冷介质的流动可以从所谓的“Heat-Pipe”原理获知。
因此，在已知的借助于一相应的制冷单元进行温差环流冷却的电机中，只是通过利用重力输送制冷介质，所以不需要其他的泵系统。如果想要将这类电机设备应用于船舶或海上设备上，则通常必须考虑到静态达±5°的倾斜度、即所谓的“船纵倾度(Trim)”和/或动态的达±7.5°的倾斜度。为了得到船级社准其应用于船舶上的许可，在海船舱内的这样一种电机设备的冷却系统在这样的条件下也因此必须确保可靠地冷却。如果允许电机存在上述的倾斜度，则存在的危险是：在中央转子空腔与制冷单元之间的管状管道件的一区域比所述中央转子空腔的位置更低。其结果是，制冷介质在重力的作用下不能到达所述要冷却的转子空腔。因此不能再确保电机的冷却以及进而也不能再保证其正常运行。
为了预防该危险，已知多种建议方案：
-最简单的方案是，将电机相对于水平线倾斜地设置成，即使在最大增长的纵倾度或振荡幅度时在温差环流的管道系统也始终还是存在一个朝向转子空腔方向的坡度。这种相应的倾斜设置恰恰在造船业中是不希望采用的，尤其是在电机长度较大时由于其需要大的安装空间而更不希望采用。
-取代有液态及气态制冷介质流过相同管件的单管管道系统，也已知一些用于利用温差环流效应进行制冷介质循环的双管管道系统(例如参见WO 00/13296 A1)。但是在此在转子的空心轴区域内必须设有一附加的用于气态制冷介质的管件。
-原则上也可以通过一个泵装置强行使制冷介质循环。但是为此需要可观的设备费用，尤其当制冷介质应该处于一25K至30K的温度时。此外，这类循环设备造成巨大损失以及几乎不能够满足具有长的维护间歇船舶建造的寿命要求。
因此，本发明所要解决的技术问题是，如下构造所述具有本文开头所述特征的包括一电机和附属制冷单元的电机设备，即，在其转子即便存在例如用于船舶或海上船舶时可能出现的倾斜度时，制冷介质仍然能达到所述中央转子空腔。
上述技术问题按照本发明通过在权利要求1中所给出的措施得以解决。相应地在所述具有本文开头所述特征的电机单元中设有用于压力升高的器件，这些器件借助于所述气态制冷介质的压力脉冲对所述液态的制冷介质产生短时的沿朝向所述中央转子空腔的方向作用的泵送效应。
本发明是从下述思想出发，即，不必绝对连续地进行向所述中央空腔中输送制冷介质。因为，基于系统的热惯性可以满足，以经过某一足够短的持续时间的时间间隔(＝短时地)向转子空腔中后续填充制冷介质。因此，与电机设备的本发明扩展设计有关的优点是，借助于只是短时的、可任意多次重复的压力脉冲作用到液态制冷介质上即使在转子处于倾斜位置时也能确保为了可靠地冷却所述超导绕组而用液态制冷介质充分地填充所述中央空腔。在此由于只是短时的作用(通常在秒级范围内)，因此避免了蒸发更大数量的液态制冷介质以及进而避免了明显降低在所述绕组上的产冷量。
由从属权利要求中可以获知权利要求1所述的电机设备的优选扩展设计。
所述压力升高器件可以有利地作用到所述冷凝腔或所述管状管道件所在的区段上。由此即使在转子处于现实的倾斜位置时也能确保可靠地将液态制冷介质输送到所述转子的中央空腔中。
一种用于在一相应的持续时间内进行所述短时间泵送的措施是，可以设置一个填充气态的处于过压下的制冷介质的缓冲容器，该缓冲容器通过一个输送所述气态制冷介质的泵与所述冷凝腔或与连接在该冷凝腔上的管道件连接。
另外，可以在所述管状管道件上安装一个作用于所述液态制冷介质上的加热装置，为了在一相应的时间段内进行所述的短时间泵送而激活该加热装置。其中，所述加热装置可以有利地安置在一个至少部分地填充有液态制冷介质的缓冲容器中。由此可以相对简单地实现相应的压力升高器件。
为了将液态制冷介质输送到所述转子的中央空腔中，可以有利地进行一种持续的脉冲式的压力升高。一种这样的相应输送只需要很小的设备费用。
作为替代或补充方式，可以进行一种通过传感器触发的压力升高。为此可以采用一触发压力升高的、探测所述旋转轴线相对于水平线的倾斜角度的位置传感器或者一个在所述管状管道件上设置的触发压力升高的液位传感器。
为了详细阐述本发明，下面参照附图借助于一电机设备的两种优选的实施方式还将作进一步的描述。在附图中分别以纵剖视图简略地表示出：
图1是带有所属制冷单元的一电机设备的第一种实施方式；
图2用于所述电机设备的制冷单元的另一种设计方案。
在附图中相同的构件以相同的附图标记标注。
按照本发明的电机设备分别包括一电机或电动机以及一个所属的制冷单元。在其电机的下面借助于附图所表示的实施方式中尤其涉及一同步电动机或发电机。该电机包括一个旋转的超导绕组，该超导绕组原则上允许采用金属低温超导材料(低跃变温度超导材料)或氧化物高温超导材料。下面所述的实施方式是以氧化物高温超导材料为基础的。所述绕组可以由一个线圈构成或者由一个以一些线圈组成的两极、四极或其他多极结构的系统构成。从图1中可以看出一个相应同步电动机的原理结构，在此是以从本文开头所提到的DE 100 57 664 A1中获知的这样一种电机的实施方式为基础。
所述用附图标记2表示的电机包括一个固定的处于室温下的带有一个定子绕组4的外壳体3。在该外壳体之内一个转子5被该定子绕组4包绕以及可围绕一旋转轴线A旋转地安置在轴承6中。该轴承可以涉及传统的机械式轴承或者也可以涉及磁性轴承。另外，转子具有一个真空罐7，一个带有一高温超导绕组10的绕组支架9在该真空罐内固定在例如空心圆柱形的传递扭矩的吊挂元件8上。在该绕组支架中与所述旋转轴线A同心地设有一个沿轴线方向延伸的中央空腔12，该空腔例如具有一圆柱形形状。其中，绕组支架设计为相对于该空腔是真空密封的。该绕组支架9在转子的一侧封闭该中央空腔12，转子在该侧借助于一实心的轴向转子轴件5a支撑。在相对侧所述中央空腔12连接一个具有相对更小直径的一个侧面空腔13。该侧面空腔13从所述绕组支架的区域向外穿过所述外壳体3的区域。一个包绕该侧面空腔13的、安置在所述其中一个轴承中的管状转子轴件用附图标记5b表示。
为了通过导热构件间接地冷却所述高温超导绕组10而设有一个制冷单元，其中仅仅表示出了一个冷却头16。该制冷单元可以涉及一种Gifford-McMahon型号的低温冷却器或者尤其涉及一种象例如脉冲管冷却器或Split-Stirling冷却器那样的循环低温冷却器。其中，该制冷单元的冷却头16以及进而所有其他重要的构件都位于转子5及其外壳体3之外。
所述例如与转子5侧向间隔几米设置的冷却头16的制冷构件在一真空容器23中通过一个导热体17与一个具有冷凝腔18的制冷介质冷凝单元保持良好的导热接触。一个真空绝缘的位置固定的热管20连接在该冷凝腔18上，该热管沿侧向以一轴向区段伸入到所述侧面的一同旋转的空腔13或中央空腔12中。一个在图中未详细表示的带有至少一个密封件的密封装置21用于相对于所述侧面空腔13密封所述热管20，所述密封件可以设计为铁磁流密封和/或迷宫式密封和/或间隙密封。所述中央空腔12通过热管20和侧面空腔13与冷凝腔18的热交换区域朝外界气密地相连通。所述在中央空腔12与冷凝腔18之间延伸的用于容纳制冷介质的管状构件通常被称为管道件22。这些管道件与所述冷凝腔18和中央空腔12一起被视作一个管道系统。
用一种视高温超导绕组10所希望的运行温度来选取的制冷介质填充该管道系统的这些空腔。因此例如考虑采用氢(标准压力下冷凝温度20.4K)、氖(标准压力下冷凝温度27.1K)、氮(标准压力下冷凝温度77.4K)或氩(标准压力下冷凝温度87.3K)。也可以采用由这些气体组成的混合气体。在此在充分利用一种所谓的温差环流效应条件下进行制冷介质的循环。为此，制冷介质在冷却头16的制冷面上在冷凝腔18区域中冷凝。接下来，如此已液化的用附图标记k表示的制冷介质通过管道件22流入到中央空腔12中。冷凝液的输送在此是在重力作用下进行的。为此，所述热管20可以有利地相对于所述旋转轴线A略微倾斜(几度)，以便因此有助于液态制冷介质k从热管20的开口端20a中流出。然后，液态制冷介质在转子内部汽化。蒸汽状的制冷介质用附图标记k′表示。随后，由于吸收热量而汽化的制冷介质流过管道件22的内部返回到冷凝腔18中。同时，通过一个在起到蒸发器作用的空腔12中的轻微过压将回流朝冷凝腔18方向输送，该过压是通过在蒸发器中生成气体以及在冷凝腔中液化引起。因此在所述由冷凝腔18、管道件22以及空腔12构成的管状管道系统中进行制冷介质的循环，即，液化的制冷介质从冷凝腔18流到中央空腔12中以及汽化的制冷介质k′从该中央空腔回流到冷凝腔，因此能够称为一种采用温差环流效应使制冷介质k、k′循环的单管系统。
另外，如从图1所看到的那样，在将电机2使用在船舶或海上船舶中时可能会出现电机的旋转轴线A相对于水平线H倾斜一个几度的角度δ。虽然制冷介质仍旧在冷凝腔18中冷凝，但是制冷介质不能再达到中央空腔12中，那么使得管道件22尤其在轴线附近区域内逐渐被液态制冷介质K充满。在所述管道系统中制冷介质的填充量相当会较小时，则转子内腔或所述空腔12可能干运转以及因此不再被冷却。在所述管道系统中制冷介质的填充量增大时，朝管道件22方向向冷凝腔18流动的气态制冷介质k′的回流在经过一定时间后被聚集的液态制冷介质阻塞。在这种情况下同样不能再保证可靠地冷却转子及其超导绕组。因此，按照本发明规定，在这种状态下在冷凝侧的气体压力在经过一短时间后要提高到，使制冷介质液体从管道件22流出克服重力作用(在存在所述倾斜角度δ时)地排压入到中央空腔12中。
这种压力提高可以按照图1所示实施方式借助于一个温热的缓冲容器PVW和一个泵28来实现。借助于这些装置可以短时地提高在冷凝腔18中的气体压力，因此可以将位于那里的以及位于管道件22中的液态制冷介质k排压到中央空腔12中。因此，在一个位于所述处于过压下的缓冲容器PVW与冷凝腔18之间的连接管道24中安装一个打开通向所述泵28的连接的控制阀29，所述泵28将气态制冷介质k′从缓冲容器传送到冷凝腔中。一个阀门30允许过剩的气体从管道系统20中向回导送。
如此引起的压力波动可以持续地发生，亦即在经过短的重复时间间隔(每经过一短的时间段)后发生，或者可以通过一个已知结构形式的位置传感器26由一个控制单元27来控制。该位置传感器探测以电机2的倾斜角度δ表示的倾斜位置以及然后通过控制单元27触发引入如上所述的一压力容器(气体脉冲)。
在图1中，未表示出其他的用于提供和引出气体的构件、例如填加阀，系统从该阀中通过所述连接管道24填加气态制冷介质，因为这些构件通常是已知的。仅仅表示出一个在系统中出现不允许的过压时起作用的过压阀31。
当然，包含制冷介质k或k′的构件或容器必须能防止热量输入。因此，为了绝热相宜地规定一真空环境，同时必要时在所述真空腔中还可以附加地设有绝缘器件，例如超级绝缘件或绝缘泡沫。在图1中由真空罐7围成的真空用V表示。此外，该真空还包括所述围绕侧面空腔13、一直延伸到密封件21的管段。包围热管20以及冷凝腔18和导热体17的真空用k′表示。或许也可能在围绕转子5的被外壳体3包绕的内腔32中形成真空。
图2表示另一种用于图1所示电机2的带有本发明压力增升器件的制冷单元。在图2中只是表示出制冷单元的位于所述电机之外的构件。作为压力增升方法，在该实施方式中在真空容器23的下面部分中在所属连接的管道件22或热管20的一个始终填充液态制冷介质k的区域内安装一个加热装置34。当在相应容器或管道件22中的液面下降到某一规定的高度之下，这个位于冷的以及因此通常至少部分地填充液态制冷介质k的缓冲容器PVk中的加热装置34就短时间地被激活。此时通向所述热的缓冲容器PVW的阀门30关闭。通过激活所述加热装置突然蒸发少量的液态制冷介质k。此外，加热装置34通过一个能够与在所述冷的缓冲容器PVk中的液位传感器36相连的控制单元35来控制。通过热脉冲引起的压力升高将存留的制冷介质k排压到转子5的中央空腔12中。
假如在一种按照图2的特殊实施方式中可以取消借助于一个这样的传感器36在所述冷的缓冲容器PVk区域或管道件22的一个相应区域内的液位探测，则可以周期性地产生热脉冲，以便因此总是经过一短的时段且以有规律的时间间隔重复地实现所期望的压力升高。
当然也可以将该借助于图2所阐述的压力升高装置的实施方式与图1中表示的包括一个泵28的实施方式进行组合。

Claims (9)

1.一种电机设备，其具有
-一个可围绕一旋转轴线旋转地安置的转子，该转子具有至少一个超导绕组，该绕组的导体与一个沿轴线方向延伸的中央圆柱形空腔热传导地耦连，
-一个处于所述转子外的带有一冷凝腔的位置固定的制冷单元，以及
-在所述转子的中央空腔与所述制冷单元的冷凝腔之间延伸的管状管道件，
其中，所述空腔、所述管状管道件和所述制冷单元的冷凝腔构成一封闭的单管管道系统，在该系统中存在一种制冷介质，其中，通过充分利用温差环流效应使得在所述冷凝腔中的已冷凝的制冷介质通过所述管状管道件到达所述中央空腔中以及在那里蒸发的制冷介质又重新通过所述管状管道件返回到冷凝腔，其特征在于，设有用于升高压力的器件，这些器件借助于所述气态制冷介质(k｀)的压力脉冲对所述液态的制冷介质(k)产生短时的沿朝向所述中央转子空腔(12)的方向作用的泵送效应。
2.如权利要求1所述的电机设备，其特征在于，所述压力升高器件作用到所述冷凝腔(18)或所述管状管道件(22)的区域上。
3.如权利要求2所述的电机设备，其特征在于，为了在一相应的时间段内进行所述短时间的泵送，可以通过一个输送所述气态制冷介质(k｀)的泵(28)将一个充满气态的处于过压下的制冷介质(k｀)的缓冲容器(PVW)与所述冷凝腔(18)或与连接在该冷凝腔(18)上的所述管道件(22)连接。
4.如权利要求1或2所述的电机设备，其特征在于，在所述管状管道件(22)上安装一个作用于所述液态的制冷介质(k)上的加热装置(34)，为了在一相应的时间段内进行所述短时间的泵送，该加热装置可被激活。
5.如权利要求4所述的电机设备，其特征在于，所述加热装置(34)安置在一个至少部分地填充有液态制冷介质(k)的缓冲容器(PVk)中。
6.如权利要求1至5中任一项所述的电机设备，其特征在于，进行一种持续的脉冲式的压力升高。
7.如权利要求1至6中任一项所述的电机设备，其特征在于，进行一种通过传感器触发的压力升高。
8.如权利要求7所述的电机设备，其特征在于，设有一触发压力升高的、探测所述旋转轴线(A)相对于水平线(H)的倾斜角度(δ)的位置传感器(26)。
9.如权利要求7所述的电机设备，其特征在于，在所述管状管道件(22)上设有一触发压力升高的液位传感器(36)。
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