用于超導的電動同步電機的超導體的冷卻裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種用于超導體的、尤其是同步電機（1）的高溫超導體的冷卻裝置（22），該冷卻裝置具有用于冷卻介質的冷卻循環(huán)回路，其中，在帶有冷凝器（7）的冷卻頭（6）中液化的冷卻介質被引導至要冷卻的超導體，并且以氣態(tài)形式被導回至冷凝器（7），其中，為了將冷卻介質輸送到要冷卻的超導體，對冷卻介質施加壓力。
【專利說明】用于超導的電動同步電機的超導體的冷卻裝置
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于超導體，尤其是電動的同步電機的高溫超導體的冷卻裝置，該冷卻裝置具有用于冷卻介質的冷卻循環(huán)回路，其中，在帶有冷凝器的冷卻頭中液化的冷卻介質，被輸送至要冷卻的超導體，并且以氣態(tài)形式被導回至冷凝器。
[0002]此外本發(fā)明涉及一種超導的電動同步電機，尤其是用于飛行器，如飛機和直升機、用于船舶或牽弓I車輛中，如軌道車輛或微型卡車。
【背景技術】
[0003]超導的電動同步電機中設有至少一個超導繞組，優(yōu)選地設在超導的電動同步電機的轉子中。通常使用的是所謂的高溫超導體(HTS-超導體)。HTS-超導體是指躍變溫度Tc高于77K的金屬氧化物超導材料。
[0004]對超導體的冷卻，亦即在超導電機內，利用冷凝液體作為冷卻介質。已知如HTS-超導體冷卻裝置，對于這類冷卻裝置，在閉合系統(tǒng)內，氖氣或氮氣作為冷卻介質，被帶有冷凝器的冷卻頭液化。冷卻介質從該處流向攜帶有超導體的組件，如電動同步電機中要冷卻的轉子。在此處被汽化的冷卻介質則會到達冷凝器。液態(tài)冷卻介質在攜帶有超導體的熱導載體上被汽化，尤其是轉子的繞組載體，并由于因汽化器內的汽化作用和冷凝室內的冷凝作用而形成的壓力差，以氣態(tài)形式流回至冷凝器。液態(tài)冷卻介質向超導體的輸運是由已知的冷卻裝置受重力而實現的。這意味著必然要滿足，冷凝器在大地測量學方面而言高于汽化器，亦即高于轉子來布置。上述總成便構成了閉合的冷卻系統(tǒng)。
[0005]這些由文獻EP1437821B1中以實例說明并由文獻JP57095151A以原理闡述。
[0006]當冷卻裝置或要冷卻的同步電機發(fā)生傾斜時，這類冷卻方法卻是不可靠的，正如在正常運行狀態(tài)下飛機、船舶或牽引車輛的超導同步電機所發(fā)生的情況一樣。同時這類同步電機可以用作驅動裝置或發(fā)電機。
[0007]在這些交通工具中在上坡、轉彎等情況下會出現位置傾斜。在出現這類傾斜時會有如下危險，即依據現有技術液態(tài)冷卻介質無法到達汽化器并且無法實現所要求的冷卻效
果O

【發(fā)明內容】

[0008]由此本發(fā)明以下述目的為基礎，即提出一種用于超導體，尤其是用于超導電動同步電機的冷卻裝置，該冷卻裝置以可靠的方式和方法將冷卻介質輸送到要冷卻的超導體、并維持穩(wěn)定的冷卻循環(huán)回路，而無需依賴于重力作用及不受相應的對電動同步電機運行的限制的約束。
[0009]根據本發(fā)明，該目的的解決方案由下述方法實現，即為了將冷卻介質輸送到要冷卻的超導體中，為冷卻介質施加壓力。
[0010]本發(fā)明提出，為超導體的冷卻裝置設置壓力，該壓力在冷凝器與要冷卻的超導體之間的部段中至少部段地是有效的，并且根據運行設計為，使得對冷卻介質施加壓力，該壓力將冷卻介質輸送至要冷卻的超導體。由此方法可以實現，無需利用重力，即不取決于與冷凝器的位置，而將液態(tài)冷卻介質輸送至要冷卻的超導體，尤其是被輸送至超導同步電機的轉子。在此如果利用機械彈簧或氣體彈簧的壓力，該彈簧分別通過在存儲容器內的柱塞對冷卻介質施加壓力并由此將冷卻介質輸送至超導體。
[0011]這類超導體的冷卻介質輸送系統(tǒng)不取決于冷卻裝置的位置并適用于所有應用形式。
[0012]液態(tài)冷卻介質的量可以通過壓力靈活確定并且冷凝器的位置無需強制在大地測量學方面(geodatisch)高于要冷卻的組件來布置。同時設置用于液態(tài)冷卻介質的存儲容器，該存儲容器通過第一管路部段與冷凝器相連接并通過第二管路部段與要冷卻的、承載超導體的并起到汽化器作用的組件，尤其是轉子相連接，并且熱源聯接在該存儲容器上。在存儲裝置內壓力施加在液態(tài)冷卻介質上，因此冷卻介質由存儲容器被輸送至超導體。
[0013]這允許，將第二管路部段設計為上升管。由此可以在與重力相反的情況下將冷卻介質輸送至超導體并維持穩(wěn)定的冷卻循環(huán)回路。
[0014]因此重力不作提供冷卻介質的輸送力，而是允許，將第二管路部段設計為至少部段地是柔性的。也就是第二管路部段不必包含剛性管，而是可以將第二管路部段設計為波形軟管，液態(tài)冷卻介質由于存儲容器內壓力通過該波形軟管流入到要冷卻的超導體。
[0015]在本發(fā)明的另一個設計方案中，閥門連接在存儲容器的冷凝器的一側的上游。為了簡化構造，將該閥門設置為止回閥。
[0016]閥門的作用在于，在閥門閉合的情況下，將從存儲容器向兩個管路部段擠壓的壓力朝向沿要冷卻的組件，即超導體方向的第二管路部段，以在此實現有效的冷卻作用。
[0017]顯而易見，原則上可以在冷凝器一側的管路部段內使用電或液壓的閥門。
[0018]優(yōu)選地，在使用利用了重力的止回閥時，該止回閥被布置在第一管路部分的類似虹吸管的部段的上升的、與存儲容器鄰近的部分中。同時可以使用如這樣一種止回閥，該止回閥作用于受重力的負載，例如設置在止回閥內部的球體或圓錐體。因此將通向存儲容器的管路部段設計為虹吸管，并且止回閥被布置在上升管路部段中緊鄰存儲容器的前部。
[0019]在存儲容器內通過機械彈簧或氣體壓力彈簧經由柱塞將預定的壓力施加在冷卻介質上，該壓力將冷卻介質經由第二管路部段壓入到超導體。為此設置的柱塞在存儲容器內在兩個端部位置之間運動，因此在冷卻裝置22運行過程中會出現循環(huán)運行，但該運行無需強制呈周期性。
[0020]符合目的的，冷卻過程同樣可以由調節(jié)器實現，此時對超導體的溫度和/或對存儲容器的填充狀態(tài)進行調節(jié)。由此需要設置相應的傳感器，例如位于超導體內的溫度傳感器和/或位于存儲容器內的填充狀態(tài)傳感器和柱塞的限位開關(Endlagenschalter)。這些傳感器的數據被傳輸至控制裝置。該控制裝置進行判定，是否必須在存儲容器內通過柱塞產生相應的壓力，或在可能的情況下，是否必須對氣體彈簧施加氣壓或將彈簧壓緊。
[0021]同時關鍵的是，即使在控制裝置發(fā)生故障時，冷卻裝置可以維持在預定時間內的冷卻循環(huán)。這可以實現，處于壓縮狀態(tài)的彈簧或氣體壓力彈簧由于其所儲存的能量，在控制裝置發(fā)生故障時仍可以對存儲容器內的冷卻介質施壓并由此保證對超導體的冷卻作用。
[0022]除了冷卻裝置外，本發(fā)明還涉及一種具有根據本發(fā)明的冷卻裝置的超導同步電機，尤其是HTS-同步電機，主要應用在飛行器，如飛機或直升機，同樣可以應用于如船舶及公路交通工具或軌道交通工具或微型卡車的牽引設備中。冷卻系統(tǒng)和要冷卻的超導體內部的冷卻介質的輸運在很大程度上可以省去重力影響，從而使得在這些交通工具中的根據本發(fā)明的冷卻裝置的位置傾斜的影響效果是可以忽略的。設有根據本發(fā)明的冷卻裝置的電動同步電機，可以優(yōu)選地作為發(fā)電機或發(fā)動機被用于上述運輸工具中。其中由于可能存在相對重力方向的位置偏移，輸運則會因重力作用而顯得不穩(wěn)定，根據本發(fā)明的冷卻裝置也可以使用在由于結構約束無法實現將冷凝器布置在高于設有汽化室的轉子的布置的應用中。
[0023]所有與根據本發(fā)明的冷卻裝置相關的實施實例可以類比地應用到根據本發(fā)明的電動同步電機上，因此可以由此實現所述優(yōu)點。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0024]根據原理性示出的實施例對對本發(fā)明以及其他優(yōu)選設計方案進一步進行闡述；其中:
[0025]圖1示出了同步電機的冷卻裝置，
[0026]圖2示出了冷卻裝置的存儲容器。
【具體實施方式】
[0027]圖1示出了根據本發(fā)明的冷卻裝置22的原理示意圖，該冷卻裝置被配屬在運行在車輛中的電動同步電機1，以實現對在相對定子2繞軸線3可旋轉的轉子5上布置的超導繞組4的內部進行冷卻。繞組4由高溫超導繞組制成并由具有熱導能力的繞組載體所保持，該繞組載體被布置在一個真空殼體內并且其內邊界形成了基本呈圓柱形的、沿軸向延伸的內腔。
[0028]在該實施實例中將氮氣作為冷卻轉子5內的超導體的冷卻介質，該冷卻介質在閉合冷卻循環(huán)回路中運動。在熱力學的與冷卻頭6連接的冷凝器7的冷卻腔內氣態(tài)的冷卻介質被液化，這種熱力學的連接例如原則上已知的聯接在制冷機上。這些液態(tài)冷卻介質經由第一管路部段8被輸運至存儲容器12并由此處經由第二管路部段11被輸送至轉子5的超導繞組4。液態(tài)冷卻介質向轉子5內的輸送遵從已知的方式。
[0029]冷卻作用由此實現，即冷卻介質在繞組載體上被液化并由此對繞組4進行冷卻。這里將轉子5的內腔用作汽化室。冷卻介質經由回流管路9被重新輸送至冷凝器7內，冷卻介質在此處被重新液化。
[0030]當冷凝器在大地測量學上明顯低于轉子5，并且第二管路部段11被設置為上升管時，重力不作為冷卻裝置22的輸送力。為了實現將液態(tài)冷卻介質經由第二管路部段11輸送至轉子5，則要多次利用存儲容器12內由柱塞15產生的壓力。
[0031]從圖1中可以得出，第一管路部段8構成了存儲容器2前面的虹吸管，在該虹吸管內第一管路部段8的與存儲容器12相鄰近的、反向于重力方向的部分部段上布置止回閥
10。在圖示中存儲容器12的下部布置將一個機械彈簧19壓縮或將氣體壓力彈簧調至到預定壓力的設備。在系統(tǒng)運行時，則有壓力作用在位于存儲容器12內的液態(tài)冷卻介質上，該壓力將液態(tài)冷卻介質經由第二管路部段11輸送至轉子5的內腔。冷卻介質直接返回至冷凝器7的路徑被止回閥9或未進一步示出的活門自動封閉。
[0032]存儲容器12內的壓力的建立是循環(huán)地進行的，優(yōu)選地由控制裝置21控制。該控制裝置21對壓力的形成和監(jiān)控進行調節(jié)，并利用存儲容器12內的溫度傳感器16、17、位置傳感器13、14及填充狀態(tài)傳感器中的數據?？刂蒲b置21則實現循環(huán)運轉。
[0033]由于壓縮的彈簧19或氣體壓力彈簧產生循環(huán)壓力，則即使控制裝置21的供電裝置發(fā)生故障，也可以確保在預定時間內對轉子5進行冷卻。
[0034]另外，也可以由電池或電容對控制裝置21的進行緩沖，來渡過一定時間間隔。
[0035]如果通過控制裝置21的運行可以在存儲容器12的壓力腔20內產生壓力、止回閥10關閉并且液態(tài)冷卻介質被輸送至轉子5。在控制裝置21的非運行階段中或當由彈簧19或氣體壓力彈簧產生的壓力下降時，止回閥10則會打開并且液態(tài)冷卻介質則可以繼續(xù)流進存儲容器12的壓力腔20內。替代止回閥10也可以應用控制閥門，該閥門同樣可以由控制裝置21控制。
[0036]第二管路部段11優(yōu)選地被設計為部段地為柔性的，例如特別是密封的波形軟管，此外還可以簡化空間上的設計以及冷卻裝置的布置，特別是在狹窄的空間情況下。
[0037]圖2示意了存儲容器12，該存儲容器具有位于冷凝器7與止回閥10之間的儲備容器23。從在冷凝器7中流出的冷卻劑流進并暫時保存在該儲備容器23內，直至冷卻介質可以繼續(xù)流進存儲容器12內。舉例來說，這可以由下述方式實現，即彈簧19被重新壓縮。當存儲容器12內的壓力小于儲備容器23內的壓力時，則可以實現上述續(xù)流。因此可以實現從儲備容器23經由止回閥10向存儲容器12的續(xù)流。同時冷凝器7的位置相對于地平面來說位于儲備容器23之上。
[0038]在其他方面，圖2所示的構造與圖1所示的構造和冷卻裝置沒有區(qū)別。
【權利要求】
1.一種用于超導體的、尤其是同步電機(I)的高溫超導體的冷卻裝置(22)，所述冷卻裝置具有用于冷卻介質的冷卻循環(huán)回路，其中，在帶有冷凝器(7)的冷卻頭(6)中液化的冷卻介質被輸送至要冷卻的所述超導體，并且以氣體態(tài)形式被導回至所述冷凝器(7)，其特征在于，為了將所述冷卻介質輸送到要冷卻的所述超導體中，對所述冷卻介質施加壓力，其中，所述壓力在存儲容器(12)中是通過機械彈簧(19)或氣體壓力彈簧施加在柱塞(15)上來實現的，所述柱塞使所述冷卻介質置于壓力下。
2.根據權利要求1的冷卻裝置(22)，其特征在于，在所述存儲容器內循環(huán)地實現壓力的建立。
3.根據前述權利要求任一項的冷卻裝置(22)，其特征在于，能夠根據所述超導體的溫度和/或所述存儲容器(12)的填充狀態(tài)來調節(jié)在所述存儲容器(12)內的所述壓力。
4.根據權利要求1的冷卻裝置(22)，其特征在于，在所述冷凝器(7)與要冷卻的所述超導體之間設置存儲容器(12)，所述存儲容器通過第一管路部段(8)與所述冷凝器(7)相連接并且通過第二管路部段(11)與要冷卻的所述超導體相連接，其中，在所述存儲容器(12 )中實現壓力的產生。
5.根據權利要求4的冷卻裝置(22)，其特征在于，所述第二管路部段(11)被設計為上升管。
6.根據權利要求4或5的冷卻裝置(22)，其特征在于，所述第二管路部段(11)至少部段地設計為柔性的。
7.根據前述權利要求任一項的冷卻裝置(22)，其特征在于，閥門，尤其是止回閥(10)和/或儲備容器(23)至少在所述冷凝器一側按照流體技術地連接在所述存儲容器(12)的上游。
8.根據前述權利要求任一項的冷卻裝置(22)，其特征在于，就大地測量學而言，所述冷凝器(7)的布置得比要冷卻的所述超導體更低。
9.一種超導同步電機(1)，尤其是用于飛行器，如飛機和直升機、用于船舶或牽引車輛中的超導同步電機，具有根據前述權利要求任一項所述的冷卻裝置。
【文檔編號】F28D15/06GK103999338SQ201280050570
【公開日】2014年8月20日 申請日期:2012年9月5日 優(yōu)先權日:2011年10月12日
【發(fā)明者】馬庫斯·赫斯勒 申請人:西門子公司