專利名稱：一種具有轉(zhuǎn)子和多個超導(dǎo)勵磁線圈繞組的超導(dǎo)同步電機的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明大體上涉及一種同步旋轉(zhuǎn)電機中的超導(dǎo)線圈，更具體地涉及一種用于同步電機轉(zhuǎn)子中的超導(dǎo)勵磁繞組的支撐結(jié)構(gòu)。
在同步電機的轉(zhuǎn)子上通常采用傳統(tǒng)的銅繞組。然而，銅繞組的電阻(雖然其傳統(tǒng)的測量值較低)足以產(chǎn)生大量的轉(zhuǎn)子熱量，并降低了電機的功率效率。近來，已開發(fā)出了用于轉(zhuǎn)子的超導(dǎo)(SC)線圈繞組。SC繞組實際上不具有電阻，是非常優(yōu)良的轉(zhuǎn)子線圈繞組。
鐵芯的轉(zhuǎn)子在氣隙磁場強度約為2特斯拉時飽和。已知的超導(dǎo)轉(zhuǎn)子采用在轉(zhuǎn)子中沒有鐵芯的空氣芯設(shè)計，以使氣隙磁場強度達到3特斯拉或更高，這就增加電機了的功率密度，并導(dǎo)致其重量和尺寸顯著減小。然而，空氣芯的超導(dǎo)轉(zhuǎn)子需要大量的超導(dǎo)線，這就增加了所需的線圈數(shù)量、線圈支撐構(gòu)件的復(fù)雜性以及成本。這種超導(dǎo)轉(zhuǎn)子具有使用液氦來冷卻的超導(dǎo)線圈，用過的氦回復(fù)為室溫的氣態(tài)氦。使用液氦進行低溫冷卻要求連續(xù)地再液化已回復(fù)的室溫的氣態(tài)氦，這種再液化存在相當大的可靠性方面的問題，并需要大量的輔助電源。
高溫SC勵磁線圈繞組由脆性超導(dǎo)材料制成，其必須被冷卻到臨界溫度如27K或臨界溫度以下，以獲得并保持超導(dǎo)性。這種SC繞組可由高溫超導(dǎo)材料，如BSCCO基(BixSrxCaxCuxOx)的導(dǎo)體制成。
SC線圈冷卻技術(shù)包括通過低溫冷卻機經(jīng)固體導(dǎo)電路徑來冷卻環(huán)氧樹脂浸漬的SC線圈?；蛘?，轉(zhuǎn)子中的冷卻管可將液態(tài)和/或氣態(tài)冷卻劑傳送給浸入在液態(tài)和/或氣態(tài)冷卻劑流中的多孔SC線圈繞組。然而，浸入式冷卻要求整個勵磁繞組和轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)處于低溫溫度下。結(jié)果是，由于鐵在低溫下的脆性，它不能用于轉(zhuǎn)子磁路中。
所需要的是一種用于電機的超導(dǎo)勵磁繞組組件，它沒有已知超導(dǎo)轉(zhuǎn)子的空氣芯和液體冷卻的超導(dǎo)勵磁繞組組件的缺點。
另外，高溫超導(dǎo)(HTS)線圈對較高彎曲應(yīng)變和拉伸應(yīng)變敏感，從而會發(fā)生性能降低。這些線圈必須承受使線圈繞組產(chǎn)生應(yīng)力和應(yīng)變的巨大離心力。電機的正常運轉(zhuǎn)包括幾年期間的數(shù)千次啟動和停機循環(huán)，使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生了低周疲勞載荷。此外，HTS轉(zhuǎn)子繞組必須能承受在環(huán)境溫度下轉(zhuǎn)子平衡期間25％的超速運轉(zhuǎn)，以及在運轉(zhuǎn)過程中的低溫下的偶爾超速。與正常運轉(zhuǎn)狀態(tài)相比，這些超速狀態(tài)顯著地增加了施加在繞組上的離心力載荷。
當用作電機的轉(zhuǎn)子勵磁繞組的HTS線圈承受離心力載荷、扭矩傳遞和瞬時故障狀態(tài)時，它們也承受冷卻和正常運轉(zhuǎn)時的應(yīng)力和應(yīng)變。為了承受力、應(yīng)力、應(yīng)變和循環(huán)載荷，HTS線圈必須適當?shù)刂斡谵D(zhuǎn)子中。這些在轉(zhuǎn)子中固定線圈的支撐系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)應(yīng)確保線圈能承受由轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)所引起的巨大離心力。而且，這些支撐系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)應(yīng)保護HTS線圈，并確保線圈不產(chǎn)生破裂、疲勞或其他破壞。
開發(fā)HTS線圈的支撐系統(tǒng)在使SC線圈適應(yīng)于轉(zhuǎn)子方面面臨艱巨的挑戰(zhàn)。在美國專利No.5548168、No.5532663、No.5672921、No.5777420、No.6169353和No.6066906中公開了先前提出的用于轉(zhuǎn)子的HTS線圈支撐系統(tǒng)的示例。然而，這些線圈支撐系統(tǒng)存在許多問題，例如成本昂貴、結(jié)構(gòu)復(fù)雜且需要過多的零件。對同步電機的轉(zhuǎn)子和HTS線圈的線圈支撐系統(tǒng)的需求是長期存在的。此需求是能以低成本和易于制造的零件制成的HTS線圈的支撐系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容
轉(zhuǎn)子具有位于同步電機的轉(zhuǎn)子鐵芯上的一對HTS線圈。類似地，本發(fā)明還公開了用于將此對HTS線圈安裝在轉(zhuǎn)子上的支撐結(jié)構(gòu)。轉(zhuǎn)子可以用于原始設(shè)計成包括了HTS線圈的同步電機的轉(zhuǎn)子?；蛘撸琀TS轉(zhuǎn)子可代替現(xiàn)有的電機如傳統(tǒng)發(fā)電機中的銅線圈轉(zhuǎn)子。這里描述的轉(zhuǎn)子及其HTS線圈可用于發(fā)電機中，但HTS線圈轉(zhuǎn)子也適用于在其它同步電機中使用。
設(shè)計用于兩極勵磁繞組的雙跑道形HTS線圈有幾個優(yōu)點，包括線圈設(shè)計及線圈支撐設(shè)計的簡單性。另外，雙線圈設(shè)計的線圈繞組量基本上是單線圈轉(zhuǎn)子的兩倍。因此，雙線圈設(shè)計的發(fā)電容量要大得多(當線圈結(jié)合于發(fā)電機的轉(zhuǎn)子中時)。
在第一實施例中，本發(fā)明為同步電機的轉(zhuǎn)子，其包括(i)具有轉(zhuǎn)子軸線的轉(zhuǎn)子鐵芯；和(ii)安裝在轉(zhuǎn)子鐵芯上的一對超導(dǎo)線圈繞組，各所述線圈繞組位于與轉(zhuǎn)子軸線平行且偏離的各個平面上。
在另一個實施例中，本發(fā)明為同步電機的轉(zhuǎn)子，其包括(i)具有轉(zhuǎn)子軸線的轉(zhuǎn)子鐵芯，和沿轉(zhuǎn)子鐵芯縱向延伸的凹槽表面；(ii)安裝在轉(zhuǎn)子鐵芯上的第一和第二超導(dǎo)線圈繞組，各所述線圈繞組位于與轉(zhuǎn)子軸線平行且偏離的各個平面上；(iii)橫跨并連接了各所述線圈繞組的相對側(cè)部的多個第一拉桿；和(iv)橫跨并連接了兩個線圈繞組的多個第二拉桿。


圖1是定子內(nèi)的超導(dǎo)(SC)轉(zhuǎn)子的示意性側(cè)視圖；圖2是適用于圖1所示SC轉(zhuǎn)子的跑道形高溫超導(dǎo)(HTS)線圈的示意性透視圖；圖3是帶有兩個跑道形HTS線圈的示例性SC轉(zhuǎn)子的示意性透視圖(不帶線圈支撐系統(tǒng))；
圖4是帶有兩個跑道形HTS線圈的示例性SC轉(zhuǎn)子的示意性透視圖(帶線圈支撐系統(tǒng))；圖5是帶有兩個鞍形線圈的示例性SC轉(zhuǎn)子的示意性透視圖(不帶線圈支撐系統(tǒng))；圖6是用于容納兩個鞍形線圈的線圈罩的示意圖。
轉(zhuǎn)子14具有通常沿軸向延伸的軸線20和通常為實心的轉(zhuǎn)子鐵芯22。實心的鐵芯22具有較高的導(dǎo)磁性，通常由鐵磁材料如鐵制成。在低功率密度的超導(dǎo)電機中，可用轉(zhuǎn)子的鐵芯來減少磁動勢(MMF)，從而減少所用的導(dǎo)線。例如，轉(zhuǎn)子鐵芯可在氣隙磁場強度約為2特斯拉時磁飽和。
轉(zhuǎn)子14支撐了一對通常沿軸向延伸的、跑道形的高溫超導(dǎo)(HTS)線圈(見圖3)。超導(dǎo)線圈也可為鞍形，或者是可適應(yīng)特定轉(zhuǎn)子設(shè)計的其它形狀。這里所公開的線圈支撐系統(tǒng)也可適用于不同于跑道形的線圈外形。
轉(zhuǎn)子包括一對端部軸24，30，其可支持轉(zhuǎn)子鐵芯22，由軸承支撐并能與外部設(shè)備相連。集電器側(cè)的端部軸24包括集電環(huán)79，其可為線圈繞組34的線圈36上的連接79提供外部的電連接。另外，集電器側(cè)的端部軸具有冷卻劑傳送連接器26，其與用于冷卻轉(zhuǎn)子中的SC線圈繞組的低溫冷卻流體源相連。冷卻劑傳送連接器26包括與低溫冷卻流體源相連的固定部分以及為HTS線圈提供冷卻流體的旋轉(zhuǎn)部分。驅(qū)動側(cè)的端部軸30包括與驅(qū)動渦輪機相連的動力連接器32。
圖2顯示了一個示例性跑道形HTS勵磁線圈繞組34。轉(zhuǎn)子的SC勵磁繞組線圈34包括高溫超導(dǎo)(HTS)線圈36。各HTS線圈包括高溫超導(dǎo)體，例如層疊在固體的環(huán)氧樹脂浸漬的繞組組成物中的BSCCO(BixSrxCaxCuxOx)導(dǎo)線。例如，可在固體的環(huán)氧樹脂浸漬的線圈中層疊并捆扎多個B2S2C2C3O導(dǎo)線。
HTS導(dǎo)線是脆性的且容易損壞。HTS線圈通常由HTS條帶纏繞而成，并在一個精確的線圈樣式中進行環(huán)氧樹脂浸漬以獲得精密的尺寸公差。條帶以螺旋方式纏繞，形成了跑道形SC線圈36。導(dǎo)線纏繞成跑道形繞組，跑道形繞組包括冷卻管路，其粘結(jié)在一個或多個線圈外表面上，通過熱傳導(dǎo)來提供冷卻。在鞍形線圈的實施例中，條帶設(shè)置成相對于轉(zhuǎn)子徑向地分布。
跑道形線圈的尺寸取決于轉(zhuǎn)子鐵芯的尺寸。通常來說，各跑道形線圈包圍了轉(zhuǎn)子鐵芯的磁極，并與轉(zhuǎn)子軸線平行。HTS線圈繞組圍繞著此跑道形是連續(xù)的。線圈圍繞著轉(zhuǎn)子鐵芯和在鐵芯的磁極之間形成了無電阻的電流路徑。
在線圈繞組34內(nèi)具有低溫冷卻流體的流體通道38。這些通道可以圍繞SC線圈36的外邊緣延伸。通道可提供低溫冷卻流體，以通過熱傳導(dǎo)式從那些線圈中帶走熱量。冷卻流體在SC線圈繞組中保持為促進包括線圈中的電阻消失在內(nèi)的超導(dǎo)狀態(tài)所需的低溫，如27K。冷卻通道具有位于轉(zhuǎn)子鐵芯一端的輸入端口39和輸出端口41。這些端口39，41與SC線圈上的冷卻通道38相連，并且與冷卻劑傳送連接器26相連。
各個跑道形HTS線圈繞組34具有平行于轉(zhuǎn)子軸線20的通常直的側(cè)部40和正交于轉(zhuǎn)子軸線的端部40。由于線圈的側(cè)部是離轉(zhuǎn)子軸線最遠的線圈部分，因此其承受最大的離心應(yīng)力。因此，線圈側(cè)部由支撐系統(tǒng)(見圖3和圖4)所支撐，此支撐系統(tǒng)緊固線圈的側(cè)部并抵消作用在線圈側(cè)部的離心力。
圖3是帶有兩個跑道形HTS線圈繞組34的轉(zhuǎn)子鐵芯22的示意圖。端部軸24和30從轉(zhuǎn)子鐵芯的相對的端部上延伸出。轉(zhuǎn)子鐵芯可以是具有所需磁性能如較高的導(dǎo)磁率的鐵鍛件。轉(zhuǎn)子鐵芯可具有兩個磁極，其中磁極位于轉(zhuǎn)子鐵芯的相對的端部。轉(zhuǎn)子鐵芯與線圈繞組電磁地相互作用，以激勵圍繞轉(zhuǎn)子和定子的電磁場。
轉(zhuǎn)子鐵芯和端部軸可從單個鐵軸上通過如鍛造的方法整體地形成?；蛘?，轉(zhuǎn)子鐵芯和端部軸可以由裝配在一起的分離的部件組成(轉(zhuǎn)子鐵芯甚至可以為多片式鐵芯)。鐵芯鍛件可以制成三件以方便轉(zhuǎn)子裝配。然而，在這里所給出的示例中，轉(zhuǎn)子鐵芯與端部軸形成一體，鐵芯和軸在沿著轉(zhuǎn)子的整個長度上是連續(xù)的?；蛘撸D(zhuǎn)子鐵芯可以由沿軸縱向的多個部分構(gòu)成。
轉(zhuǎn)子鐵芯22通常具有圓柱形的形狀，以適于在定子12中旋轉(zhuǎn)。為了容納線圈繞組，轉(zhuǎn)子鐵芯具有凹槽表面44，例如平的或三角形的區(qū)域或狹槽，其位于圓柱鐵芯的曲面上并沿轉(zhuǎn)子鐵芯縱向地延伸的。線圈繞組34安裝在轉(zhuǎn)子上靠近于這些凹槽區(qū)域的位置。線圈通常沿凹槽區(qū)域的外表面縱向地延伸。轉(zhuǎn)子鐵芯上的這些凹槽表面44用于容納線圈繞組，因此，凹槽的形狀設(shè)計成與線圈繞組相符合。例如，如果線圈繞組為鞍形或其它形狀，轉(zhuǎn)子鐵芯上的凹槽應(yīng)設(shè)置成能容納這些形狀的繞組。
轉(zhuǎn)子鐵芯上的凹槽表面44容納線圈繞組，使得線圈繞組的外表面基本上延伸到由轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)所形成的包絡(luò)面。轉(zhuǎn)子鐵芯的外曲面46在旋轉(zhuǎn)時形成圓柱形的包絡(luò)面。轉(zhuǎn)子的此旋轉(zhuǎn)包絡(luò)面具有與定子中的轉(zhuǎn)子腔16(見圖1)基本相同的直徑。
由于轉(zhuǎn)子不要求通風冷卻，轉(zhuǎn)子包絡(luò)面和定子腔之間的間隙為一個相對較小的空隙，其根據(jù)需要只用于對定子進行強制通風冷卻。希望能減小轉(zhuǎn)子和定子之間的間隙，以增強轉(zhuǎn)子線圈繞組和定子繞組之間的電磁耦合。而且，轉(zhuǎn)子線圈繞組的位置最好使其可延伸到由轉(zhuǎn)子所形成的包絡(luò)面，這樣，轉(zhuǎn)子線圈繞組和定子間僅通過轉(zhuǎn)子和定子之間的間隙隔開。
在雙HTS線圈繞組設(shè)置中，轉(zhuǎn)子鐵芯22具有兩對用于雙線圈的凹槽表面44。這四個凹槽表面繞轉(zhuǎn)子鐵芯的圓周對稱地設(shè)置，以在旋轉(zhuǎn)時提供平衡。各凹槽表面44在轉(zhuǎn)子鐵芯中形成了一個在轉(zhuǎn)子鐵芯的長度上延伸的容積48，其通常具有直角三角形的橫截面。此直角三角形橫截面的斜邊為轉(zhuǎn)子鐵芯的圓弧表面46。各容積48容納兩個HTS線圈繞組34中之一的一個側(cè)部40。溫熱的鐵芯22具有一組可讓拉桿從轉(zhuǎn)子中通過的通道開口52。
沿轉(zhuǎn)子的相對的側(cè)面延伸了一對轉(zhuǎn)子鐵芯隆起(ridge)50。這對隆起在轉(zhuǎn)子上徑向向外延伸到由轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)所形成的包絡(luò)面上。各鐵芯隆起位于兩個線圈34和安裝線圈的凹槽表面44之間。隆起與轉(zhuǎn)子鐵芯形成一體，且與轉(zhuǎn)子鐵芯的其他部分一樣由相同的磁導(dǎo)材料形成。隆起根據(jù)需要設(shè)計成能增強轉(zhuǎn)子繞磁極軸線的彎曲剛度，以便將轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)振動減小一半。
鐵芯轉(zhuǎn)子中的HTS線圈的主要載荷來自于轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時的離心加速度。需要有效的線圈結(jié)構(gòu)支撐來抵消離心力。承受最大離心加速度的線圈側(cè)部40特別需要線圈支撐。為了支撐線圈的側(cè)部，在線圈間跨接了拉桿(見圖4)，其可夾持住線圈的相對側(cè)部。拉桿也可在一對線圈間延伸，以在兩個線圈之間提供支撐。拉桿穿過轉(zhuǎn)子鐵芯上的孔道52，如開口，使得拉桿可橫跨在同一線圈的側(cè)部之間，或橫跨在相鄰線圈之間。
孔道52通常為轉(zhuǎn)子上具有直的軸線的圓柱形通道?？椎赖闹睆酱笥诶瓧U的直徑，足以避免轉(zhuǎn)子與拉桿接觸，因此可避免轉(zhuǎn)子和拉桿之間的熱傳導(dǎo)。除了靠近轉(zhuǎn)子的凹槽表面的端部外，孔道的直徑基本保持恒定。在端部，孔道擴大為較大的直徑，以容納拉桿的圓柱套管(見圖4)。
孔道52是穿過轉(zhuǎn)子鐵芯的開口，即孔，并為拉桿提供了通道?？椎酪话憔哂袌A形的直徑和穿過轉(zhuǎn)子的直的軸線?？椎赖妮S線通常位于與孔道相關(guān)的跑道形線圈所定義的平面上。另外，孔道的軸線正交于與穿過孔道的拉桿相連的線圈側(cè)部。此外，轉(zhuǎn)子孔道的直徑比拉桿大很多，足以使拉桿不與轉(zhuǎn)子接觸。避免拉桿和轉(zhuǎn)子間的接觸可使從轉(zhuǎn)子鐵芯通過拉桿傳導(dǎo)到冷卻的SC線圈繞組的熱量最小。
孔道52可以正交于線圈的側(cè)部40。對于那些橫跨同一線圈的相對側(cè)面的拉桿來說，對應(yīng)的孔道與線圈處于同一平面。對于那些在兩個線圈間延伸的拉桿來說，對應(yīng)的孔道正交于兩個線圈的平面，并穿過轉(zhuǎn)子鐵芯的隆起50。孔道的數(shù)量和位置取決于HTS線圈的位置和支撐線圈側(cè)面所需的線圈罩(見圖4)的數(shù)量。
如圖4所示，各對線圈繞組34的端部42與轉(zhuǎn)子鐵芯的相對端部相鄰。拼合夾板54(圖4)固定住線圈的端部。拼合夾板包括一對可夾住線圈端部的平板。拼合夾板由非磁性材料如鉻鎳鐵合金X718制成?？梢杂孟嗤蛳嗨频姆谴判圆牧蟻碇谱骼瓧U和支撐系統(tǒng)的其它部分。支撐系統(tǒng)最好為非磁性的以便在低溫下保持韌性，這是因為鐵磁材料在低于居里轉(zhuǎn)變溫度的溫度下變脆，其不能用作承載結(jié)構(gòu)。
線圈繞組各端的拼合夾板54包括一對相對的可夾住線圈端部42的夾板56。夾板56的表面包括溝槽58以容納線圈繞組的端部。拼合夾板可以由套環(huán)(未示出)支撐，或者是由將拼合夾板固定在轉(zhuǎn)子鐵芯上并使夾板能支撐HTS線圈的端部的其它結(jié)構(gòu)件來支撐。
在線圈端部42上設(shè)有與線圈相連的電的及冷卻流體的連接器39(圖3和圖4僅示出電連接器)。與線圈相連的電連接器位于最接近具有集電器(未示出)的端部軸的端部，用于對轉(zhuǎn)子上的旋轉(zhuǎn)線圈供電。冷卻流體接頭位于各線圈繞組的相對的端部，以便低溫冷卻流體能流到線圈中，并將熱量從在線圈和冷卻系統(tǒng)間循環(huán)的冷卻流中帶走。
跑道形的HTS線圈34的側(cè)部40通過一系列穿過轉(zhuǎn)子鐵芯主體中的孔道52的拉桿62支撐。拉桿為非磁性的直桿，其在同一線圈的相對的側(cè)部之間延伸，或者在兩個線圈的側(cè)部之間延伸。拉桿可以由高強度的非磁性合金如鉻鎳鐵合金X718制成。在拉桿的各端均具有帶有可夾持線圈繞組的通道罩64的連接器。通道罩和拉桿能調(diào)節(jié)施加在線圈繞組側(cè)部的張力。
線圈繞組支撐并固定轉(zhuǎn)子上的線圈繞組，并能克服由轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)及電機運轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的離心力和振動而支撐繞組。線圈繞組的支撐構(gòu)件包括穿過轉(zhuǎn)子并在桿端部夾住線圈繞組的拉桿。當拉桿基本徑向地延伸到線圈繞組時，拉桿可相對于離心力非常好地支撐線圈。各拉桿是沿其長度方向上連續(xù)的軸，且位于跑道形線圈平面上。拉桿的縱向連續(xù)性為線圈提供了橫向剛性，為轉(zhuǎn)子提供了動力學上的優(yōu)點。
而且，側(cè)面剛度使線圈支撐構(gòu)件與線圈形成一體，因此線圈與其支撐構(gòu)件可以在轉(zhuǎn)子總裝前進行裝配。轉(zhuǎn)子和轉(zhuǎn)子支撐構(gòu)件的預(yù)裝配可減少生產(chǎn)周期，提高線圈支撐的質(zhì)量，并減小線圈裝配偏差。跑道形線圈由橫跨線圈長邊的一組張緊件支撐。拉桿線圈支撐構(gòu)件預(yù)裝到線圈中。
HTS線圈和結(jié)構(gòu)支撐部件處于低溫下。相反，轉(zhuǎn)子鐵芯處于周圍的“高”溫下。線圈支撐構(gòu)件是熱傳導(dǎo)的潛在源，它可使熱量從轉(zhuǎn)子鐵芯傳到HTS線圈。轉(zhuǎn)子在運轉(zhuǎn)中變熱。由于線圈將處于超低溫的狀態(tài)，因此應(yīng)避免熱量傳導(dǎo)到線圈中。拉桿穿過轉(zhuǎn)子中的開口如孔道，但不與轉(zhuǎn)子接觸。這種不接觸避免了從轉(zhuǎn)子到拉桿和線圈的熱傳導(dǎo)。
為了減少來自線圈的熱量泄漏，線圈的支撐構(gòu)件應(yīng)最小，以減小從熱源如轉(zhuǎn)子鐵芯經(jīng)支撐構(gòu)件的熱傳導(dǎo)。通常有兩類用于超導(dǎo)線圈的支撐構(gòu)件(i)“溫”支撐構(gòu)件和(ii)“冷”支撐構(gòu)件。在溫支撐構(gòu)件中，支撐結(jié)構(gòu)與冷卻的SC繞組熱絕緣。通過溫支撐構(gòu)件，超導(dǎo)(SC)線圈的大部分機械載荷由橫跨從冷到熱的部件的構(gòu)件所支撐。
在冷支撐系統(tǒng)中，支撐系統(tǒng)處于或接近處于SC線圈的冷卻低溫下。在冷支撐構(gòu)件中，SC線圈的大部分機械載荷由處于或接近處于SC線圈的低溫下的構(gòu)件所支撐。這里公開的示例性冷支撐系統(tǒng)是冷支撐構(gòu)件，其中拉桿和將拉桿與SC線圈相連的罩保持在低溫或接近于此低溫的溫度下。由于支撐件是冷的，因此這些構(gòu)件例如通過穿過轉(zhuǎn)子鐵芯的無接觸孔道與轉(zhuǎn)子的其他“熱”部件熱絕緣。
單個支撐件包括拉桿62、通道罩64和連接罩與拉桿端部的銷釘66。各通道罩64為U形托架，其帶有與拉桿相連的支腳和用于容納線圈繞組34的溝槽。U形罩可使支撐系統(tǒng)與線圈精密且方便地進行裝配。通道罩將作用在線圈上的力例如離心力整體地分布在各線圈的基本整個側(cè)部40上。
通道罩64整體地在HTS線圈34的各側(cè)部40的長度上延伸。通道罩可防止線圈側(cè)部由于離心力的作用而產(chǎn)生過量的撓曲和彎曲。線圈支撐構(gòu)件無法限制線圈在燃氣渦輪機起動和停機操作中的熱膨脹和收縮。特別地，熱膨脹導(dǎo)致側(cè)部的長度增加或減少，因此，側(cè)部可相對于支持系統(tǒng)縱向地滑動。
離心力載荷從線圈結(jié)構(gòu)到支撐桿的傳遞是通過與線圈外表面和側(cè)面直線部分相配合的U形罩完成的，此U形罩通過銷釘66與拉桿的大直徑端部68連接在一起。此U形罩由在低溫下具有韌性的輕的高強度材料制成。通道罩的典型材料為非磁性的鋁、鉻鎳鐵合金或鈦合金。U形罩的形狀可進行優(yōu)化以減輕重量。
穿過U形罩和拉桿的銷釘66可以為中空的，以減輕重量。鎖定螺母或鎖定銷與銷釘?shù)亩瞬柯菁y連接，從而緊固U形罩以防止罩的側(cè)部在載荷下脫開。銷釘可由高強度的鉻鎳鐵合金或鈦合金制成。拉桿制成具有大直徑端部68，此端部68的端面被機加工成兩個平面70，以便與U形罩和線圈寬度相配。當拉桿、線圈和罩連在一起時，拉桿的平端部70靠在HTS線圈的內(nèi)表面上。這種結(jié)構(gòu)減小了容納銷釘?shù)睦瓧U孔區(qū)域內(nèi)的應(yīng)力集中。
在相鄰線圈間延伸的拉桿72也與U形通道罩64相連接。這些拉桿提供了一個在兩個線圈間相互支撐的框架。拉桿72插入在各通道罩的側(cè)部的母連接頭76中?？捎面i定銷74將拉桿72固定到通道罩的側(cè)面。
當HTS線圈繞組34安裝在轉(zhuǎn)子鐵芯22上時，可以裝配由拉桿72、通道罩64和拼合夾板54組成的線圈支撐系統(tǒng)。實際上，線圈支撐系統(tǒng)主要是將HTS線圈繞組連接到轉(zhuǎn)子鐵芯上的裝置。拉桿和通道罩的框架提供了一個很好的隆起框架，以支撐線圈繞組和將線圈繞組相對于轉(zhuǎn)子鐵芯固定在適當位置。
線圈繞組34可通過圍繞轉(zhuǎn)子鐵芯的導(dǎo)電圓柱來屏蔽定子感應(yīng)磁通。另外，線圈繞組可以位于真空中，以將繞組與來自轉(zhuǎn)子的熱量相隔離。真空可由圍繞轉(zhuǎn)子鐵芯的圓柱形真空容器形成。
圖5為安裝在轉(zhuǎn)子20上的兩個鞍形線圈100的示意圖。各鞍形線圈與圖2所示的跑道形繞組具有相似的結(jié)構(gòu)，其中各線圈由纏繞的SC線圈36形成，并具有可將線圈保持在低溫下的冷卻通道38。鞍形線圈具有安裝在轉(zhuǎn)子鐵芯的縱向槽102上的長側(cè)部140。槽102沿轉(zhuǎn)子鐵芯22的長度方向延伸，其分別位于轉(zhuǎn)子鐵芯的相對側(cè)面。鞍形線圈具有與轉(zhuǎn)子鐵芯的端部56相鄰的端部154。因此，各鞍形線圈穿過鐵芯上的一對狹槽并圍繞著鐵芯端部而纏繞。護罩90覆蓋住線圈并為線圈提供了真空，護罩是可導(dǎo)電的，以防止定子的磁場滲透到敏感的線圈中。
圖6為雙鞍形線圈100的線圈罩144的示意圖。除了鞍形罩144裝配在一對繞組上之外，線圈罩與跑道形線圈繞組的罩44相似。鞍形罩具有一對支腳150，各支腳帶有能容納銷釘180的開口152。銷釘將罩和穿過鐵芯中的孔道的拉桿142相連。拉桿的端面186為平面，形成了面對轉(zhuǎn)子鐵芯的鞍形線圈側(cè)部的支撐表面。
雖然在上文中結(jié)合目前被認為是最實用和優(yōu)選的實施例來介紹了此發(fā)明，但是可以理解，此發(fā)明并不限于所公開的實施例。相反，本發(fā)明覆蓋了電機主體及具有與平表面相鄰的側(cè)部的線圈繞組。
權(quán)利要求
1.一種用于同步電機(10)的轉(zhuǎn)子，其包括具有轉(zhuǎn)子軸線(20)的轉(zhuǎn)子鐵芯(22)；一對安裝在所述轉(zhuǎn)子鐵芯上的超導(dǎo)線圈繞組(34，100)，各所述線圈繞組處于與所述轉(zhuǎn)子軸線平行且偏離的各個平面上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的轉(zhuǎn)子，其特征在于，所述超導(dǎo)線圈(34)為跑道形。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的轉(zhuǎn)子，其特征在于，各所述超導(dǎo)線圈(34，100)均具有一對平行于所述轉(zhuǎn)子軸線(20)的相對的側(cè)部(40)和一對與所述轉(zhuǎn)子鐵芯(22)的端部相鄰的端部(42)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的轉(zhuǎn)子，其特征在于，所述轉(zhuǎn)子鐵芯(22)具有沿所述轉(zhuǎn)子鐵芯縱向延伸的凹槽表面(44)，所述凹槽表面可容納所述線圈繞組(34，100)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的轉(zhuǎn)子，其特征在于，所述超導(dǎo)線圈(34，100)包括圍繞整個所述線圈延伸的高溫超導(dǎo)(HTS)導(dǎo)線。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的轉(zhuǎn)子，其特征在于，所述轉(zhuǎn)子還包括在所述線圈繞組之間延伸并連接所述線圈繞組的拉桿(72)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的轉(zhuǎn)子，其特征在于，所述轉(zhuǎn)子還包括在所述線圈繞組間延伸并連接所述線圈繞組的拉桿(72)，所述拉桿穿過所述轉(zhuǎn)子鐵芯中的孔道(52)而延伸。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的轉(zhuǎn)子，其特征在于，所述轉(zhuǎn)子還包括在所述線圈繞組(34)間延伸并連接所述線圈繞組的拉桿(72)，其中所述所述拉桿正交于所述線圈的各個平面。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的轉(zhuǎn)子，其特征在于，所述轉(zhuǎn)子鐵芯(22)為鐵芯的主體。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的轉(zhuǎn)子，特征在于，所述轉(zhuǎn)子鐵芯(22)包括將所述線圈繞組隔開的隆起(50)。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的轉(zhuǎn)子，其特征在于，所述轉(zhuǎn)子還包括橫跨和連接各所述線圈(34)的相對側(cè)部的拉桿(62)，以及橫跨和連接兩個所述線圈(34)的拉桿(72)。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的轉(zhuǎn)子，其特征在于，所述線圈繞組(34，100)位于所述轉(zhuǎn)子軸線的相對側(cè)，各所述線圈繞組所在的平面和所述轉(zhuǎn)子軸線等距離地隔開。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的轉(zhuǎn)子，其特征在于，各所述線圈繞組(34，100)所在的平面相互平行，所述轉(zhuǎn)子軸線位于所述平面之間。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的轉(zhuǎn)子，其特征在于，所述線圈為鞍形線圈(100)。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的轉(zhuǎn)子，其特征在于，所述轉(zhuǎn)子還包括支撐所述線圈的側(cè)部的鞍形線圈罩(144)。
16.一種同步電機(10)的轉(zhuǎn)子(14)，其包括具有轉(zhuǎn)子軸線的轉(zhuǎn)子鐵芯(22)，以及沿所述轉(zhuǎn)子鐵芯縱向延伸的凹槽表面(44)；安裝在所述轉(zhuǎn)子鐵芯上的第一和第二超導(dǎo)線圈繞組(34，100)，各所述線圈繞組處于與所述轉(zhuǎn)子軸線平行并偏離的各個平面上；多個第一拉桿(62)，其橫跨并連接各所述線圈繞組的相對側(cè)面；和多個第二拉桿(72)，其橫跨并連接所述線圈繞組。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的轉(zhuǎn)子，其特征在于，所述轉(zhuǎn)子還包括多個通道罩(70)，各所述通道罩支撐所述線圈繞組的側(cè)部的一部分，并與一個所述第一拉桿的一端和一個所述第二拉桿的端部相連接。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的轉(zhuǎn)子，其特征在于，所述通道罩(70)形成覆蓋了整個所述側(cè)部的外罩。
19.根據(jù)權(quán)利要求17所述的轉(zhuǎn)子，其特征在于，各所述第一和第二拉桿穿過所述轉(zhuǎn)子鐵芯中的各個所述孔道(52)。
20.根據(jù)權(quán)利要求16所述的轉(zhuǎn)子，其特征在于，所述線圈為鞍形線圈(100)。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的轉(zhuǎn)子，其特征在于，所述轉(zhuǎn)子還包括支撐所述線圈的側(cè)部的鞍形線圈罩(144)。
全文摘要
公開了一種同步電機的轉(zhuǎn)子,其包括具有轉(zhuǎn)子軸線的轉(zhuǎn)子鐵芯和一對安裝在轉(zhuǎn)子鐵芯上的超導(dǎo)線圈繞組,各所述線圈繞組處于與轉(zhuǎn)子軸平行且偏離的各個平面上。
文檔編號H02K3/32GK1387304SQ0212000
公開日2002年12月25日 申請日期2002年5月15日 優(yōu)先權(quán)日2001年5月15日
發(fā)明者Y·王, J·P·亞歷山大 申請人:通用電氣公司