專利名稱：超導(dǎo)電機(jī)的結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種超導(dǎo)電機(jī)及其結(jié)構(gòu)。
在傳統(tǒng)的電機(jī)中，為在臨界點獲得足夠的磁力線(如，在繞組內(nèi)部)，而在其場結(jié)構(gòu)中使用鐵材料。
同時，也有人試圖把低溫技術(shù)應(yīng)用到電機(jī)中。在這些電機(jī)中應(yīng)用超導(dǎo)繞組可使得繞組產(chǎn)生的磁動勢顯著增加，也使磁通量和功率密度均有增加。
然而，包括鐵在內(nèi)的大多數(shù)鐵磁性材料是脆性的，在電機(jī)中產(chǎn)生的振動作用下易碎，而且，這些物質(zhì)的脆性在冷卻至低溫時更為明顯。因此，在一些應(yīng)用中，具有超導(dǎo)繞組的電機(jī)中采用鐵磁性材料經(jīng)常受到嚴(yán)格的限制并且至少這對于設(shè)計者來說并非瑣碎小事。
本發(fā)明的特征是在電機(jī)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)中，高透過性磁性材料相對超導(dǎo)繞組放置，以減少超導(dǎo)繞組產(chǎn)生的磁通路線的磁阻。
從本發(fā)明的總的方面來說，超導(dǎo)電機(jī)中使用的轉(zhuǎn)子組件包括一個由高溫超導(dǎo)體制成的超導(dǎo)繞組，在運行過程中在轉(zhuǎn)子組件內(nèi)形成磁通路線；和一高透過性磁性材料，至少放置在磁通路線的一個部分上，以減少超導(dǎo)繞組形成的磁通路線的整體磁阻。
在本發(fā)明的優(yōu)選實施例中，轉(zhuǎn)子組件包括一個支承構(gòu)件，該支承構(gòu)件由非磁性的高強(qiáng)度彈性材料制成，內(nèi)部有一定的內(nèi)腔容積，在外表面支承超導(dǎo)繞組。支承構(gòu)件的內(nèi)腔容納并支承柱狀的磁性材料，芯構(gòu)件對超導(dǎo)繞組產(chǎn)生的磁通路線的一個部分帶來的磁阻很小。
轉(zhuǎn)子組件的這種結(jié)構(gòu)提供了許多明顯的優(yōu)點。超導(dǎo)繞組支承在支承構(gòu)件的外表面，繞組伸出超過支承構(gòu)件和芯構(gòu)件的末端。支承構(gòu)件緊固芯構(gòu)件，故在一些情況下，芯構(gòu)件可以冷卻至低溫，而不會有因操作過程中電機(jī)產(chǎn)生的振動作用力而導(dǎo)致大的脆裂的風(fēng)險。因此，本發(fā)明提供一種內(nèi)部支承結(jié)構(gòu)，能夠保護(hù)相對較脆的部件(如芯構(gòu)件)。并且，轉(zhuǎn)子組件的設(shè)計對于給定數(shù)量的安培匝數(shù)的繞組來說能夠產(chǎn)生更高的磁通量水平，從而使電機(jī)效率更高。這樣，結(jié)構(gòu)的尺寸能夠得到縮小，而不影響性能。
更進(jìn)一步地說，與在傳統(tǒng)的相對復(fù)雜結(jié)構(gòu)設(shè)計中把鐵磁性材料放置在電機(jī)的電樞中或嵌入繞組的超導(dǎo)區(qū)所不同，本發(fā)明的轉(zhuǎn)子組件提供相對簡單的結(jié)構(gòu)，其中特別是從超導(dǎo)區(qū)除去鐵磁性材料，同時仍然增強(qiáng)了超導(dǎo)繞組形成的磁場。
在優(yōu)選實施例中，上述轉(zhuǎn)子組件可以包括下述特征的一個或多個。支承構(gòu)件可以是由不銹鋼制成的圓柱形管結(jié)構(gòu)，且其橫截面階梯狀外形用以支承繞組。芯構(gòu)件可以由鐵制成，且可以做成柱狀，以大致裝滿圓柱形管的內(nèi)部空間中。
形成芯構(gòu)件的磁性材料可以低溫冷卻。這種情況下，芯構(gòu)件在扭轉(zhuǎn)管的內(nèi)部空間內(nèi)沿徑向方向被整體地擠壓緊固。芯構(gòu)件由一系列疊片組成，每層都位于與圓柱形管縱軸垂直的平面上。這樣，可以防止在疊片的一層或多層中形成的裂縫沿著芯結(jié)構(gòu)擴(kuò)散。
另外，在鐵芯處于較高的溫度下時(非低溫)，鐵芯可以做成連續(xù)固體構(gòu)件。在這種情況下，芯構(gòu)件和支承構(gòu)件之間大致有一段真空間隙，以便使兩者熱絕緣。真空間隙內(nèi)可以填充一些多層絕緣體。
轉(zhuǎn)子組件可以包括外層電磁保護(hù)套，其圍繞在超導(dǎo)繞組和支承構(gòu)件的周圍。超導(dǎo)繞組是跑道形狀，由高溫超導(dǎo)體(HTS)制成。
在本發(fā)明的另一個方面中，提供一種同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子組件的方法包括由高透過性磁性材料制成的芯構(gòu)件；把非磁性材料、高強(qiáng)度彈性材料制成的支承構(gòu)件放置在芯構(gòu)件的周圍；以及在支承構(gòu)件的外表面放置超導(dǎo)電樞繞組。
在優(yōu)選實施例中，提供芯構(gòu)件材料的步驟包括把高透過性磁性材料制成的片層堆疊起來。在芯構(gòu)件材料的周圍放置支承構(gòu)件的步驟包括在芯構(gòu)件材料周圍冷縮支承構(gòu)件。
下面參照附圖詳細(xì)描述本發(fā)明。附圖中

圖1是超導(dǎo)同步電機(jī)轉(zhuǎn)子的局部剖開的等距圖；圖2是沿圖1的2-2線截取的部分轉(zhuǎn)子的端部剖視圖；圖3是沿圖1的3-3線截取的部分轉(zhuǎn)子的側(cè)剖視圖；圖4是圖1中超導(dǎo)同步電機(jī)使用的跑道狀繞組的局部剖開等距圖；圖5是轉(zhuǎn)子組件中磁芯的端部剖視圖；圖6是說明超導(dǎo)同步電機(jī)中磁通路線的示意圖；圖7是表示轉(zhuǎn)子組件內(nèi)部磁場分布的線圖8是超導(dǎo)同步電機(jī)的另一實施例的局部剖開的等距圖。
圖9是超導(dǎo)同步電機(jī)的另一實施例的側(cè)剖視圖。
本發(fā)明的其它特點和優(yōu)點將通過下面的描述和權(quán)利要求書闡明。
參照圖1-3，其中示出了沒有帶外殼的采用四極拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的同步電機(jī)轉(zhuǎn)子組件10，其外殼在轉(zhuǎn)子組件中封閉真空層。轉(zhuǎn)子組件包括由高強(qiáng)度、韌性非磁性材料制成(如不銹鋼)的扭轉(zhuǎn)管20，其外表面支承四個超導(dǎo)繞組組件30(圖中僅示出一個)，每個繞組與電機(jī)的一極相連。中空的芯構(gòu)件50位于扭轉(zhuǎn)管的內(nèi)腔中，其功能將在下面進(jìn)行更為詳細(xì)的討論。芯構(gòu)件50由高透過性，高飽合磁通密度和強(qiáng)磁性的材料(如鐵)制成。為減輕芯構(gòu)件的重量以及組件重量，中空鐵芯50的厚度通常選擇為能維持鐵芯處于過飽和點之下而又能提供磁阻較低的磁通路線。
尤其在圖2中，第一對徑向相對的超導(dǎo)線圈中的每一個都關(guān)于第一軸22纏繞，而第二對徑向相對的超導(dǎo)線圈中的每一個則關(guān)于第二軸24纏繞，相對于軸22橫向布置。繞組在扭轉(zhuǎn)管外緣的階梯狀輪廓處被支承，而階梯狀輪廓沿軸22、24形成。而且，圖1中顯示更為清楚，繞組延伸到鐵芯和扭轉(zhuǎn)管的末端外面。在這些末端區(qū)域，繞組和扭轉(zhuǎn)管之間被真空層31隔開，真空層中通常填充多層絕緣體(譬如，鍍鋁的聚酯薄膜)。這種結(jié)構(gòu)保證繞組維持在低溫狀態(tài)，同時允許轉(zhuǎn)子組件和電機(jī)的長度縮短。
扭轉(zhuǎn)管20包括末端延伸構(gòu)件21，該構(gòu)件是外界環(huán)境和轉(zhuǎn)子組件低溫區(qū)域之間的熱/冷過度區(qū)。該末端延伸構(gòu)件21還包括一些貫穿整個扭轉(zhuǎn)管長度的冷卻孔28，運送冷卻超導(dǎo)繞組組件所需的氣體或液體冷卻劑(如圖3所示)。繞組組件30通過極蓋40以及直角蓋42緊固在扭轉(zhuǎn)管20上，而極蓋40就固定在轉(zhuǎn)子的四極位置，極蓋均勻分開，直角蓋位于每個極蓋之間，從軸22、24偏離45°角。極蓋40和直角蓋42通常采用與扭轉(zhuǎn)管相同的材料制成，并且與扭轉(zhuǎn)管一起形成一個完整的柱體。
參照圖4，每個超導(dǎo)繞組組件30均與電機(jī)的一極相連，繞組組件包括處于一個線圈支承套內(nèi)的一些跑道狀雙扁平線圈32。每個雙扁平線圈有平行纏繞的共纏導(dǎo)線(co-wound conductors)，其放置的方式是其中一個同軸疊放在另一個的頂上。這個實施例中，導(dǎo)線是由高溫氧化銅陶瓷材料制成，如Bi2Sr2Ca2Cu3Ox，通常稱為BSCCO 2223。如圖所示，一個或多個雙扁平線圈32可以包括一個扁平線圈，其直徑小于雙扁平線圈中的另一個與之相配的線圈，這對雙扁平線圈的兩個線圈是從相同的連續(xù)長度的超導(dǎo)材料帶纏繞出的。這種方法在同時待審的申請(序號為08/541,639)中有過描述，該申請已轉(zhuǎn)讓給本發(fā)明的受讓人，在這里該申請被引作參考。
優(yōu)選實施例是基于高溫超導(dǎo)復(fù)合材料的磁特性和熱特性之上的，較優(yōu)選的是，該材料是指超導(dǎo)陶瓷氧化物，最優(yōu)選的是氧化銅家族中的成員。熱或冷鐵實施例從經(jīng)濟(jì)角度不適合低濕超導(dǎo)體，其原因部分是由于在轉(zhuǎn)子中加入鐵會使超導(dǎo)電機(jī)成本顯著增加。應(yīng)用鐵轉(zhuǎn)子的確能減少超導(dǎo)復(fù)合材料用量的大約50％。在高溫超導(dǎo)電機(jī)中，因為高溫超導(dǎo)體復(fù)合材料制造費用昂貴，并且經(jīng)常含有大量的貴重金屬，當(dāng)轉(zhuǎn)子減少50％的超導(dǎo)材料，能把該設(shè)備的高濕超導(dǎo)電機(jī)的費用明顯降低。而在低溫超導(dǎo)電機(jī)中，因為主要考慮因素是冷卻成本，而不是材料成本，把低濕超導(dǎo)材料減少50％，并不會給該裝置帶來顯著的成本降低效益。而把低溫超導(dǎo)體冷卻至4°附近的費用要比把高溫超導(dǎo)體的溫度降至27°左右的費用高，尤其是考慮渦流損傷的補償時則由其如此。
參照圖5，優(yōu)選實施例中鐵芯由一系列疊片52組成。高強(qiáng)度扭轉(zhuǎn)管通常加熱以使其受熱膨脹，而疊片52被冷卻至收縮狀態(tài)，在扭轉(zhuǎn)管處于膨脹狀態(tài)時將疊片52放入管的內(nèi)部空間里。然后，將扭轉(zhuǎn)管冷卻，從而在疊片四周收縮，并把疊片以壓緊狀態(tài)固在扭轉(zhuǎn)管內(nèi)。扭轉(zhuǎn)管也可通過冷縮焊接的方式對鐵芯周圍的不銹鋼管加預(yù)載。在圖5所示的另一個實施例中，鐵芯50在扭轉(zhuǎn)管20和內(nèi)套筒29之間被徑向壓縮緊固。
盡管可以采用實心鐵芯結(jié)構(gòu)，但最好采用疊片形式，這樣當(dāng)疊片中某一片破裂時，破裂現(xiàn)象僅限于該片而不會影響相鄰的疊片。鐵芯50的破裂是很嚴(yán)重的問題，因為非韌性鐵芯和超導(dǎo)繞組30一起低溫冷卻，而在低溫下鐵的脆性增加。為提高疊片結(jié)構(gòu)在徑向上的韌性強(qiáng)度，可在疊片層之間放置加強(qiáng)層(如玻璃纖維或不銹鋼)。疊片和加強(qiáng)層可以滲透一些填充物質(zhì)，如環(huán)氧樹脂。
把鐵芯50放置在扭轉(zhuǎn)管內(nèi)，給同步電機(jī)的操作帶來了明顯的優(yōu)點。為理解這些優(yōu)點，圖6示出了每個超導(dǎo)繞組產(chǎn)生的磁通路線的簡單形狀。四條磁通路線中和左上角相關(guān)的那條磁力線，從鐵芯中點60處起始，沿與軸22大致平行的路徑62延伸，直到其與提供低磁阻通道的后鐵構(gòu)件70相遇。在該點，磁力線通過后鐵構(gòu)件沿逆時針方向延伸，然后又沿著與軸24平行的路徑64延伸，直到回到點60，形成一個環(huán)形。其它的磁通路線，與上述方式類似，從鐵芯開始，經(jīng)后鐵構(gòu)件，都又回到起點。因此，從圖6中可以明顯看出，磁通路線的一大部分都通過位于扭轉(zhuǎn)管內(nèi)部空間中的鐵芯。由于鐵芯是高透過性、高飽和度磁通密度的材料(high saturation flux densitymaterial)，故在某種意義上，可作為一種磁短路以減少磁通路線的整體磁阻，并且使給定數(shù)量安培匝數(shù)的繞組產(chǎn)生的磁力線數(shù)量增加。這樣，就可提供一個低磁損的通路，從而提高了電機(jī)的效率。
參照圖7，線圖顯示出了轉(zhuǎn)子組件內(nèi)部的磁場分布，說明通過鐵芯50的磁力線增加了。
參照下表，列出了為一對5000馬力的同步超導(dǎo)電機(jī)鐵芯的轉(zhuǎn)子組件的特性。其中一個轉(zhuǎn)子組件采用空芯結(jié)構(gòu)，另一個采用鐵芯結(jié)構(gòu)
鐵芯轉(zhuǎn)子組件設(shè)計中，比空心轉(zhuǎn)子組件設(shè)計少用45％的安培匝數(shù)，而能產(chǎn)生同樣水平的磁通量。因此，繞組所需的超導(dǎo)線數(shù)量減少了，所以顯著地降低了電機(jī)的成本，也減低了電機(jī)的冷卻成本。
參照圖8、圖9，在另一個實施例中鐵芯80與扭轉(zhuǎn)管20的內(nèi)壁隔開，扭轉(zhuǎn)管20可以低溫冷卻。其中，鐵芯并不冷卻，而是通過環(huán)形真空間隙82與扭轉(zhuǎn)管之間熱絕緣。空隙可以填充空氣，但最好填注多層絕緣材料84，以減少熱泄漏。圖9顯示得更為清楚，鐵芯80包含延伸件81，并且和扭轉(zhuǎn)管20的延伸件21相應(yīng)地延伸。在許多應(yīng)用中，多層絕緣層放置在真空間隙82中，以增強(qiáng)鐵芯和支承構(gòu)件間的熱絕緣。因為鐵芯80并不維持在低溫狀態(tài)，故其韌性就較好，這樣就不需要象上述的圖1-3所示的實施例那樣，使扭轉(zhuǎn)管20在以壓緊狀態(tài)緊固鐵芯。而且，由于鐵芯處于外界環(huán)境溫度中，把鐵芯做成一系列疊片的優(yōu)點也相應(yīng)減少了。
其它的實施例包括在的權(quán)利要求所述范圍內(nèi)。
在不脫離本發(fā)明范圍和精神實質(zhì)的基礎(chǔ)上，可對上述優(yōu)選實施例做出許多變更。
權(quán)利要求
1.一種超導(dǎo)電機(jī)的轉(zhuǎn)子組件包括至少一個由高溫超導(dǎo)體制成的超導(dǎo)繞組，在運行中該超導(dǎo)繞組在轉(zhuǎn)子組件內(nèi)部形成磁通路線；和高穿透磁性材料，其放置在轉(zhuǎn)子組件中，并位于磁通路線的至少一部分上，以減少超導(dǎo)繞組形成的磁通路線的整體磁阻。
2.如權(quán)利要求1所述的轉(zhuǎn)子組件，還包括一個支承構(gòu)件，該構(gòu)件由非磁性、高強(qiáng)度彈性材料制成，有一定的內(nèi)腔容積，所述支承構(gòu)件以其外表面支承轉(zhuǎn)子組成。
3.如權(quán)利要求2所述的轉(zhuǎn)子組件，其特征在于支承構(gòu)件的內(nèi)腔容積充分地被高透過性、磁性材料填充。
4.如權(quán)利要求2所述的轉(zhuǎn)子組件，其特征在于支承構(gòu)件是圓柱管形結(jié)構(gòu)，且高透過性磁性材料形成柱狀芯。
5.如權(quán)利要求1所述的轉(zhuǎn)子組件，其特征在于磁性材料被低溫冷卻。
6.如權(quán)利要求2所述的轉(zhuǎn)子組件，其特征在于磁性材料和支承構(gòu)件之間熱絕緣。
7.如權(quán)利要求6所述的轉(zhuǎn)子組件，其特征在于支承構(gòu)件通過真空間隙與磁性材料隔開。
8.如權(quán)利要求2所述的轉(zhuǎn)子組件，其特征在于支承構(gòu)件包括一個外表面，在其橫截面上呈階梯狀輪廓。
9.如權(quán)利要求4所述的轉(zhuǎn)子組件，其特征在于芯由一系列疊片組成，其中每個疊片均位于與圓柱狀管的縱軸垂直的平面中。
10.如權(quán)利要求4所述的轉(zhuǎn)子組件，其特征在于芯材料由連續(xù)構(gòu)件形成。
11.如權(quán)利要求1所述的轉(zhuǎn)子組件，其特征在于磁性材料選用鐵。
12.如權(quán)利要求1所述的轉(zhuǎn)子組件，其特征在于超導(dǎo)繞組由高溫超導(dǎo)體HTS制成。
13.如權(quán)利要求1所述的轉(zhuǎn)子組件，其特征在于超導(dǎo)繞組是跑道狀繞組。
14.如權(quán)利要求2所述的轉(zhuǎn)子組件，還包括外周的圍繞超導(dǎo)繞組的電磁防護(hù)構(gòu)件和支承構(gòu)件。
15.如權(quán)利要求2所述的轉(zhuǎn)子組件，其特征在于支承構(gòu)件由鐵制成。
16.如權(quán)利要求1所述的轉(zhuǎn)子組件，其特征在于超導(dǎo)電機(jī)是同步電機(jī)。
17.一種超導(dǎo)電機(jī)的轉(zhuǎn)子組件包括一個具有內(nèi)腔容積的支承構(gòu)件，所述支承構(gòu)件由非磁性、高強(qiáng)度彈性材料制成，所述支承構(gòu)件以其外表面支承超導(dǎo)繞組，而在運轉(zhuǎn)時，所述繞組在轉(zhuǎn)子內(nèi)部形成磁通路線；一個設(shè)置在支承構(gòu)件內(nèi)腔中的芯構(gòu)件，所述芯構(gòu)件由高透過性磁性材料制成，芯構(gòu)件降低了由超導(dǎo)繞組形成磁通路線的整體磁阻。
18.一種為超導(dǎo)電機(jī)提供轉(zhuǎn)子組件的方法包括提供由非磁性、高強(qiáng)度彈性材料制成的布置在芯構(gòu)件周圍的支承構(gòu)件；把由高透過性磁性材料制成的芯構(gòu)件布置在支承構(gòu)件內(nèi)，以在超導(dǎo)繞組形成的磁通路線中提供低磁阻部分；把超導(dǎo)電樞繞組布置在支承構(gòu)件的外表面。
19.如權(quán)利要求18所述的方法，其特征在于提供芯構(gòu)件的步驟包括把一系列由高透過性磁性材料制成的疊片堆疊成芯構(gòu)件。
20.如權(quán)利要求18所述的方法，其特征在于在芯構(gòu)件的周圍布置支承構(gòu)件的步驟包括在芯構(gòu)件周圍冷縮支承構(gòu)件。
21.如權(quán)利要求20所述的方法，其特征在于在芯構(gòu)件的周圍冷縮支承構(gòu)件的方法包括沿支承構(gòu)件焊接。
22.如權(quán)利要求18所述的方法，還包括低溫冷卻芯構(gòu)件。
23.如權(quán)利要求18所述的方法，還包括在芯構(gòu)件和支承構(gòu)件之間進(jìn)行熱絕緣的步驟。
24.如權(quán)利要求23所述的方法，其特征在于；熱絕緣的方法包括在支承構(gòu)件和芯構(gòu)件之間提供一個真空阻擋層。
全文摘要
用于超導(dǎo)電機(jī)的轉(zhuǎn)子組件包括一個由高溫超導(dǎo)體制成的超導(dǎo)繞組,在運行中可在轉(zhuǎn)子組件內(nèi)部形成磁通路線;一種高透過性磁性材料,至少位于磁通路線的一部分上,以減少磁通路線的整體磁阻。轉(zhuǎn)子組件還包括具有內(nèi)腔的支承構(gòu)件,該構(gòu)件由非磁性、高強(qiáng)度彈性材料制成,并以其外表面支承超導(dǎo)繞組,在支承構(gòu)件的內(nèi)腔容積中填充高透過性磁性材料,而磁性材料可以做成芯構(gòu)件的形式,以便給超導(dǎo)繞組形成的磁通路線提供較低磁阻部分。
文檔編號H02K55/00GK1264209SQ9910233
公開日2000年8月23日 申請日期1999年2月13日 優(yōu)先權(quán)日1999年2月13日
發(fā)明者布魯斯·B·甘布爾, 格雷戈里·L·斯尼特切勒 申請人:美國超導(dǎo)體公司