專利名稱：帶有拼合線圈殼體的高溫超導(dǎo)轉(zhuǎn)子線圈支撐體和安裝方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總的來講涉及一種同步轉(zhuǎn)動電機的超導(dǎo)線圈。具體來講，本發(fā)明涉及一種同步轉(zhuǎn)動電機轉(zhuǎn)子中的超導(dǎo)激勵繞組的線圈支撐結(jié)構(gòu)。
傳統(tǒng)的銅繞組一般用于同步電機的轉(zhuǎn)子。然而，銅繞組的電阻(雖然根據(jù)傳統(tǒng)的度量標(biāo)準(zhǔn)電阻不高)足以使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生大量熱量并降低電機的能量效率。近來，已經(jīng)開發(fā)出超導(dǎo)(SC)線圈繞組供轉(zhuǎn)子使用，SC線圈繞組實際上沒有電阻，是具有很大優(yōu)越性的轉(zhuǎn)子線圈繞組。
鐵心轉(zhuǎn)子在空氣隙磁場強度大約為2特斯拉時飽和。一種應(yīng)用空氣芯設(shè)計的已知超導(dǎo)轉(zhuǎn)子，在轉(zhuǎn)子中沒有鐵心，其空氣隙磁場強度可達(dá)到3特斯拉或更高。這些高空氣隙磁場使電機產(chǎn)生更高的能量密度，并使電機的尺寸和重量大量減少。空氣芯超導(dǎo)轉(zhuǎn)子要求大量的超導(dǎo)導(dǎo)線。而大量的超導(dǎo)導(dǎo)線增加了所需線圈的數(shù)量、線圈支撐體的復(fù)雜性、和超導(dǎo)線圈繞組和轉(zhuǎn)子的成本。
高溫超導(dǎo)線圈激勵繞組是由脆性的超導(dǎo)材料制成，而超導(dǎo)材料必須冷卻到不高于臨界溫度如27°K，以取得和保持超導(dǎo)性。超導(dǎo)繞組可以由高溫超導(dǎo)材料制成，如鉍鍶鈣銅氧(BixSrxCaxCuxOx)基導(dǎo)線。
超導(dǎo)線圈可以用液氦來冷卻。液氦在通過轉(zhuǎn)子繞組后，用過的熱氦可返回到室溫下的氣體氦。使用液氦進行低溫冷卻需要對返回的室溫下的氣體氦連續(xù)地進行重新液化。這種重新液化帶來很大的可靠性問題并要求有大量的輔助能量。
以前的超導(dǎo)線圈冷卻技術(shù)包括用低溫冷卻器通過固體傳導(dǎo)路徑來冷卻環(huán)氧樹脂浸漬的超導(dǎo)線圈?；蛘撸ㄟ^轉(zhuǎn)子中的冷卻管傳輸液體和/或氣體致冷劑到超導(dǎo)線圈繞組，超導(dǎo)線圈浸沒在流動的液體和/或氣體致冷劑中。然而，浸沒冷卻需要使整個激勵繞組和轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)處于低溫。其結(jié)果是，在轉(zhuǎn)子磁回路中不能使用鐵，因為鐵在低溫下具有脆性。
需要的是一種可用于電機的超導(dǎo)激勵繞組組件，其沒有已知的空氣芯和超導(dǎo)轉(zhuǎn)子的液體冷卻的超導(dǎo)激勵繞組組件的缺點。
另外，高溫超導(dǎo)(HTS)線圈受到高彎曲和拉伸應(yīng)變易于損壞。而這些線圈必須承受可使所述線圈繞組產(chǎn)生應(yīng)力和應(yīng)變的相當(dāng)大的離心力，電機的一般操作涉及在數(shù)年時間里成千上萬次的啟動和結(jié)束的循環(huán)，這將產(chǎn)生轉(zhuǎn)子的低循環(huán)疲勞載荷。另外，HTS轉(zhuǎn)子繞組能夠在轉(zhuǎn)子平衡操作中在環(huán)境溫度下經(jīng)受25％的超速操作，而在發(fā)電操作過程中在低溫條件下則不能承受超速狀態(tài)。在超速狀態(tài)下作用在繞組上的離心力要大大超過一般操作情況下的離心力。
用于電機的HTS轉(zhuǎn)子激勵繞組的超導(dǎo)線圈在冷卻和正常操作時要承受應(yīng)力和應(yīng)變。要承受離心載荷，扭矩傳遞，和瞬間故障。為了承受作用力，應(yīng)力，應(yīng)變和循環(huán)載荷，超導(dǎo)線圈應(yīng)當(dāng)通過線圈支撐系統(tǒng)適當(dāng)?shù)刂卧谵D(zhuǎn)子上。這些線圈支撐系統(tǒng)應(yīng)將超導(dǎo)線圈固定在HTS轉(zhuǎn)子上并確保線圈能夠抵抗由于轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動而產(chǎn)生的巨大的離心力。此外，線圈支撐系統(tǒng)應(yīng)保護超導(dǎo)線圈，并確保線圈不會過早地出現(xiàn)裂紋、疲勞、或其它形式的開裂。
研發(fā)HTS線圈的支撐系統(tǒng)，尤其是在使超導(dǎo)線圈適合HTS轉(zhuǎn)子方面存在很大的挑戰(zhàn)。早先提出的HTS轉(zhuǎn)子的線圈支撐系統(tǒng)的示例公開在美國專利No.5,548,168；5,532,663；5,672,921；5,777,420；6,169,353；和6,066,906中。然而，這些線圈支撐系統(tǒng)存在不少的問題，比如，價格高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜和要求的部件過多。早就存在著對具有超導(dǎo)線圈的線圈支撐系統(tǒng)的HTS轉(zhuǎn)子的需求。還存在著對可用低價和容易制造的元件制造的線圈支撐系統(tǒng)的需求。
拼合殼體線圈支撐體非常適用于低能量密度、高溫超導(dǎo)(HTS)電機。線圈支撐體承受高離心力和切向力，否則這些力會作用于超導(dǎo)線圈。線圈殼體首尾相連地沿線圈繞組的長側(cè)面部分設(shè)置，以便均勻分布作用在線圈上的離心力和切向力。為了減少熱量損失，線圈支撐件的質(zhì)量已經(jīng)最小化，以減少從轉(zhuǎn)子通過支撐件傳導(dǎo)到冷卻的線圈的熱量。線圈支撐件保持在低溫，如同激勵繞組一樣。
線圈支撐系統(tǒng)包括一系列跨越跑道形狀的線圈繞組的兩個側(cè)面之間間距的線圈支撐組件。各線圈支撐組件包括一拉桿和一對拼合線圈殼體。拉桿穿過通道，如轉(zhuǎn)子芯的孔，在線圈繞組的相對的側(cè)面之間延伸。位于拉桿各端的拼合線圈殼體連接到線圈。殼體將離心力從線圈傳遞到拉桿。各個線圈支撐組件相對轉(zhuǎn)子芯包圍線圈繞組。一系列線圈支撐組件向線圈繞組提供了堅固的保護支撐。
各拼合線圈殼體包括一對相對的側(cè)面板，側(cè)面板圍繞超導(dǎo)線圈并連接在拉桿的端部。C形的側(cè)面板通過螺栓固定在一起，包圍一對側(cè)面板之間的線圈。夾緊螺栓將側(cè)面板夾持在一起，可防止線圈殼體在大離心力和切向力的作用下分離。
HTS轉(zhuǎn)子可用于原設(shè)計就包括超導(dǎo)線圈的同步電機。或者，HTS轉(zhuǎn)子可以取代現(xiàn)有電機的銅線圈轉(zhuǎn)子，比如傳統(tǒng)發(fā)電機中的轉(zhuǎn)子。本文所介紹的轉(zhuǎn)子和其超導(dǎo)線圈屬于發(fā)電機范圍，但是HTS線圈轉(zhuǎn)子也適用于其它的同步電機。
線圈支撐系統(tǒng)用于使線圈支撐系統(tǒng)與線圈和轉(zhuǎn)子形成整體。另外線圈支撐系統(tǒng)有助于在最后轉(zhuǎn)子裝配之前，預(yù)先裝配線圈支撐系統(tǒng)、線圈和轉(zhuǎn)子芯。預(yù)先裝配可減少線圈和轉(zhuǎn)子的裝配時間，改進線圈支撐體的質(zhì)量，和減少線圈組件的變化。
在本發(fā)明的第一實施例中，用于同步電機的轉(zhuǎn)子包括轉(zhuǎn)子芯；圍繞所述轉(zhuǎn)子至少一部分的超導(dǎo)線圈繞組，所述線圈繞組具有靠近所述轉(zhuǎn)子芯側(cè)面的側(cè)面部分；至少一個穿過所述轉(zhuǎn)子芯的通道延伸的拉桿，和連接到所述拉桿并與所述線圈繞組側(cè)面部分連接的殼體，其中，所述殼體包括一對側(cè)面板。
在本發(fā)明的另一個實施例中，一種支撐同步電機的轉(zhuǎn)子芯的超導(dǎo)線圈繞組的方法包括步驟使拉桿穿過所述轉(zhuǎn)子芯的通道延伸；將所述線圈繞組圍繞所述轉(zhuǎn)子芯定位，使所述拉桿在所述線圈繞組的側(cè)面部分之間跨越；在圍繞所述線圈繞組的側(cè)面部分安裝至少一個殼體的一對側(cè)面板；將所述側(cè)面板固定在一起；和連接所述殼體到所述拉桿的第一端。
附圖與本說明書的內(nèi)容相結(jié)合來介紹本發(fā)明的實施例。


圖1是具有超導(dǎo)轉(zhuǎn)子和定子的同步電機的示意性側(cè)視圖；圖2是示例性超導(dǎo)線圈繞組的透視圖；圖3是高溫超導(dǎo)(HTS)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)子芯，線圈繞組和線圈支撐系統(tǒng)的部分剖視圖；圖4和圖5是拼合線圈殼體的透視圖，圖5是帶有線圈的，而圖4是沒有線圈的；
圖6是高溫超導(dǎo)(HTS)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)子芯，線圈繞組和線圈支撐系統(tǒng)的透視圖。
轉(zhuǎn)子14具有一般為縱向延伸的軸20和通常是實心的轉(zhuǎn)子芯22。實心的轉(zhuǎn)子芯22具有高導(dǎo)磁率，并且通常是由鐵磁材料如鐵制成。在低能量密度超導(dǎo)電機中，轉(zhuǎn)子的鐵心用作減少磁動勢(MMF)。MMF減少可使線圈繞組所需的超導(dǎo)(SC)線圈導(dǎo)線的數(shù)量減少。例如，固體鐵心轉(zhuǎn)子在空氣隙磁場強度大約為2特斯拉時磁飽和。
轉(zhuǎn)子14支撐至少一個縱向延伸的跑道形狀的高溫超導(dǎo)(HTS)線圈繞組34(見圖2)。HTS線圈繞組也可以是適合于特定的HTS轉(zhuǎn)子設(shè)計的鞍狀或其它形狀。本文公開的線圈支撐系統(tǒng)是用于跑道形狀超導(dǎo)線圈繞組。除固定在實心轉(zhuǎn)子芯上的跑道形線圈繞組以外，線圈支撐系統(tǒng)可以適合于其它的線圈形狀。
轉(zhuǎn)子包括支承轉(zhuǎn)子芯22的一對端軸，集電器端軸24設(shè)有集電環(huán)78，其提供了超導(dǎo)線圈的外部電連接。集電器端軸還包括致冷劑傳輸連接件26，可連接到用于冷卻轉(zhuǎn)子中的超導(dǎo)線圈繞組的低溫冷卻流體源。致冷劑傳輸連接件26包括連接到低溫冷卻流體源的固定段和向HTS線圈提供冷卻流體的轉(zhuǎn)動段。相對的端軸是驅(qū)動軸30，可連接到動力渦輪機。端軸支撐于軸承25，軸承25提供了對整個轉(zhuǎn)子的支撐。
圖2顯示了示例性HTS跑道形狀激勵線圈繞組34。轉(zhuǎn)子的超導(dǎo)激勵線圈34包括高溫超導(dǎo)線圈36。各個超導(dǎo)線圈包括高溫超導(dǎo)導(dǎo)線，比如層壓在固體的環(huán)氧樹脂浸漬的繞組復(fù)合體中的鉍鍶鈣銅氧(BixSrxCaxCuxOx)基導(dǎo)線。例如，一系列的BSCCO2223導(dǎo)線可以層壓，粘結(jié)以及纏繞在固體的環(huán)氧樹脂浸漬的線圈中。
超導(dǎo)線圈是脆性的易于損壞。超導(dǎo)線圈一般是分層纏繞的超導(dǎo)帶并進行環(huán)氧樹脂浸漬。超導(dǎo)帶被包在精密的線圈模板中達(dá)到精密的尺寸公差。此帶以螺旋狀進行纏繞以形成跑道形狀的超導(dǎo)線圈36。
跑道形狀的線圈的尺寸取決于轉(zhuǎn)子芯的尺寸。一般地，各跑道形狀的超導(dǎo)線圈圍繞轉(zhuǎn)子芯的磁極并平行于轉(zhuǎn)子軸。線圈繞組連續(xù)地圍繞跑道。超導(dǎo)線圈形成圍繞轉(zhuǎn)子芯和轉(zhuǎn)子芯磁極之間的沒有電阻的電流路徑。線圈具有將線圈電連接到集電器78的電觸點79。
低溫冷卻流體的流動通道38設(shè)置在線圈繞組34中。這些通道圍繞超導(dǎo)線圈36的外側(cè)面延伸。低溫冷卻流體通過通道到達(dá)線圈并將熱量從線圈帶走。冷卻流體使超導(dǎo)線圈保持低溫如27°K，這是保持超導(dǎo)條件所需的，超導(dǎo)條件包括線圈中沒有電阻。冷卻通道在轉(zhuǎn)子芯的一端上有輸入流體端口39和輸出流體端口41。這些流體(氣體)端口39，41將超導(dǎo)線圈上的冷卻通道38連接到轉(zhuǎn)子端軸24上的管路，管路延伸到低溫傳輸連接件26。
各跑道形狀的HTS線圈繞組34具有一對與轉(zhuǎn)子軸線20平行的通常是直線的側(cè)面部分40，和一對與轉(zhuǎn)子軸線20正交的端面部分54。線圈的側(cè)面部分承受最大的離心力。因此，側(cè)面部分支撐于線圈支撐系統(tǒng)，支撐系統(tǒng)可承擔(dān)作用于線圈的離心力。
圖3是顯示轉(zhuǎn)子芯22和高溫超導(dǎo)(HTS)線圈繞組的線圈支撐系統(tǒng)的部分剖視圖。線圈支撐系統(tǒng)包括一系列線圈支撐組件，其穿過轉(zhuǎn)子芯并跨越HTS線圈繞組的相對側(cè)面之間距離。各個線圈支撐組件包括穿過轉(zhuǎn)子芯的通道46的拉桿42，和固定到拉桿并支承線圈繞組的拼合線圈殼體44。線圈支撐系統(tǒng)提供了固定纏繞在轉(zhuǎn)子上的線圈的結(jié)構(gòu)框架。
HTS線圈繞組34的主要載荷來自轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時的離心加速度。線圈支撐組件與線圈的離心載荷平行，提供了對帶有載荷的線圈繞組的有效的結(jié)構(gòu)支撐。為了支撐線圈的側(cè)面部分，各拉桿42連接到拼合線圈殼體44。殼體包圍線圈的相對的側(cè)面部分。拉桿42通過轉(zhuǎn)子芯的一系列通道46延伸，這些拉桿與轉(zhuǎn)子芯的正交軸平齊。
拼合線圈殼體44支撐線圈繞組34承擔(dān)離心力和切向扭矩力。離心力由于轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動提高。切向力可由于轉(zhuǎn)子的加速或減速以及扭矩傳遞而上升。因為線圈繞組的長邊40被拼合線圈殼體44和拉桿的平端部包圍，線圈繞組的側(cè)面在轉(zhuǎn)子內(nèi)得到完全支撐。
通道46一般是具有直線軸線的轉(zhuǎn)子芯的圓柱形通道。通道的直徑基本是常數(shù)。然而，通道的端部88可以擴展成較大的直徑，以容納絕熱管52。該管與通道中的拉桿42平齊，并提供轉(zhuǎn)子芯和拉桿之間的熱絕緣。
在各拉桿的端部，固定線圈支撐結(jié)構(gòu)通過絕熱管52固定到熱的轉(zhuǎn)子上，可防止熱在其間對流。另外，鎖定螺帽84連接到絕熱管52，這進一步確定了與拉桿的連接。鎖定螺帽84和絕熱管52將拉桿和拼合殼體固定在轉(zhuǎn)子芯，同時減少了從熱的轉(zhuǎn)子傳遞到殼體結(jié)構(gòu)的熱量。
絕熱管52由絕熱材料形成。該管的一端包括可與通道的寬端部88的壁對接的外環(huán)(未示出)。絕熱管的另一端包括內(nèi)環(huán)(未示出)，其可與鎖定螺帽84接合使拉桿與絕熱管固定。來自轉(zhuǎn)子的熱在到達(dá)拉桿之前，將不得不通過絕熱管52的長度和鎖定螺帽84進行傳導(dǎo)。因此，絕熱管使拉桿與轉(zhuǎn)子芯熱絕緣。
通道46的數(shù)量和在轉(zhuǎn)子芯上的位置取決于HTS線圈的位置和需要支撐線圈側(cè)面部分的線圈殼體的數(shù)量。通道46的軸線一般位于跑道形狀的線圈限定的平面上。另外，通道的軸線與線圈的側(cè)面部分正交。此外，在本實施例中，通道直交于和相交于轉(zhuǎn)子的軸線。通道的數(shù)量和通道的位置將取決于HTS線圈的位置和支撐線圈的側(cè)面部分所需要的線圈殼體的數(shù)量。
通常超導(dǎo)繞組有兩類支撐結(jié)構(gòu)(i)“熱”支撐和(ii)“冷”支撐。在熱支撐中，支撐結(jié)構(gòu)與冷卻的超導(dǎo)繞組之間是絕熱的。對于熱支撐，超導(dǎo)(SC)線圈的大部分機械載荷是由跨越冷的線圈和熱的支撐構(gòu)件的結(jié)構(gòu)件所支撐。
在冷支撐系統(tǒng)中，支撐系統(tǒng)處于與超導(dǎo)線圈相同或接近的低溫。在冷支撐結(jié)構(gòu)中，超導(dǎo)線圈的大部分機械載荷是由處于或接近低溫的線圈支撐結(jié)構(gòu)件承擔(dān)。
在此公開的作為實例的線圈支撐系統(tǒng)是一種冷支撐結(jié)構(gòu)，拉桿42，螺栓43和相關(guān)的拼合殼體44保持在低溫或接近低溫。由于線圈支撐構(gòu)件是冷的，這些構(gòu)件可以通過穿過轉(zhuǎn)子芯的無接觸的通道與轉(zhuǎn)子芯和轉(zhuǎn)子中的其它“熱”部件熱隔絕。
HTS線圈繞組和線圈支撐構(gòu)件都是處于低溫。相反地，轉(zhuǎn)子芯則處于環(huán)境的“熱“溫度，線圈支撐件是熱傳導(dǎo)的潛在源，其允許熱量從轉(zhuǎn)子芯傳導(dǎo)到HTS線圈。轉(zhuǎn)子芯在操作中變熱。當(dāng)線圈繞組處于過冷狀態(tài)時，要消除從轉(zhuǎn)子芯傳導(dǎo)到線圈的熱量。
各拉桿42是沿桿縱向連續(xù)的軸件并位于跑道形狀的線圈所在平面上。拉桿通常是用高強度的非磁性合金制造，比如鋁或Inconel合金。拉桿的縱向連續(xù)性使線圈具有橫向剛度，從而使轉(zhuǎn)子具有動力學(xué)上的好處。此外，拉桿42的橫向剛性使線圈支承結(jié)構(gòu)與線圈成為一個整體。因此，在轉(zhuǎn)子的最后組裝之前，可以將線圈和線圈支撐結(jié)構(gòu)裝配在轉(zhuǎn)子芯上。
拉桿的平端部86支撐線圈繞組側(cè)面的內(nèi)表面。拉桿的端部86可以是鋸齒形的，這樣就可以嚙合到兩個線圈殼體側(cè)面板組件上的鋸齒紋(見圖5)。線圈繞組的側(cè)面40的其它三個表面由拼合殼體44支撐。各個拼合殼體圍繞線圈裝配，并形成可與螺栓端部結(jié)合的線圈殼體。殼體支撐線圈繞組承受切向載荷和離心載荷。殼體還允許線圈繞組縱向擴展和收縮。
圖4和5(以及圖3)顯示了示例性的拼合殼體44的C形側(cè)面板124的一半。兩個側(cè)面板支持線圈34的兩側(cè)。此外，側(cè)面板首尾相連地沿線圈的各側(cè)面設(shè)置，沿線圈繞組34的側(cè)面部分40形成連續(xù)的線圈支撐組件。各個側(cè)面板的內(nèi)表面設(shè)有容納楔形件的窄槽130和容納線圈側(cè)面的L形槽132。線圈的側(cè)表面和內(nèi)表面放在側(cè)面板的槽132的直交表面上。相對的側(cè)面板圍繞線圈安裝并支撐相同的線圈內(nèi)表面和相對的線圈側(cè)表面。
線圈的外表面由楔形件126支撐，楔形件在線圈的兩個側(cè)面上的側(cè)面板之間延伸。各個楔形件是可拼合的(如圖4和5所示)，可在部分線圈上延伸，并與另一個拼合的楔形件對接。楔形件126安裝在側(cè)面板的窄槽130中。楔形件包括槽127，可容納位于線圈的外表面上的冷卻通道38。另外，楔形件可以包括一系列的孔131，孔131與側(cè)面板的頂面上的孔133對準(zhǔn)。這樣的各對孔131，133可容納穿過相對的側(cè)面板和楔形件延伸的鎖定銷136(見圖3)，將側(cè)面板的頂邊和楔形件夾在一起。
楔形件可以與側(cè)面板成為一體，并在線圈上延伸一半的寬度，如圖4所示?；蛘?，楔形件是能夠與側(cè)面板裝配在一起的分開的部件，并且可以延伸跨越線圈的寬度一半或整個距離到達(dá)相對的側(cè)面板。此外，楔形件126不必與側(cè)面板同延伸。楔形件可延伸超過側(cè)面板的長度并與相鄰的側(cè)面板中的槽130接合(如圖4所示)。另外的方案是楔形件可以與側(cè)面板同延伸，如圖5所示。
側(cè)面板124具有下凸沿135，其上放置線圈的內(nèi)表面。下凸沿中的螺栓孔142允許夾緊螺栓將殼體44的下部固定在一起。下凸沿還可與拉桿42或拉力螺栓43接合(取決于是使用實心拉桿或是使用拉桿和螺栓組件)。
各個側(cè)面板(圖4和5顯示了一半)具有與拉桿或拉力螺栓接合的孔的半剖面134。圖4和5顯示的側(cè)面板具有半剖面134，其可形成孔(當(dāng)兩對側(cè)面板裝配時)并與拉桿42的鋸齒狀的端部接合(見圖5)，或與拉力螺栓43的端部接合(見圖4)。圖4中所示的側(cè)面板形成的孔具有平滑的孔壁和可與螺栓43的端部接合的環(huán)形臺階134?；蛘撸瑘D5所示的側(cè)面板的半剖面134所形成的孔是帶有鋸齒狀的部分，可與拉桿的鋸齒狀端部接合。因此，拼合殼體44既可以用于拉桿和螺栓組件，也可以用于沒有螺栓的拉桿。另外，鎖定螺帽138(見圖6)可插入螺紋孔134，以及鎖定螺帽可以有內(nèi)孔和紋齒，以牢固地固定拉力螺栓端部43。
不論拉力螺栓或拉桿以什么方式連接到側(cè)面板的下凸沿135，螺栓或拉桿的端部固定成可以與線圈的內(nèi)表面對接。通過這種方式，拉力螺栓或拉桿的端部直接支撐線圈。
拼合殼體可以用輕的在低溫下具有延展性的高強度材料來制造。制作拼合殼體的典型材料是鋁、鈦和因科內(nèi)爾鎳鉻鐵合金。拼合殼體的形狀已經(jīng)進行了重量的最佳化。
如圖6所示，一系列的拼合線圈殼體44(和相關(guān)的拉力螺栓43和拉桿42)可以沿線圈繞組的側(cè)面40進行定位。拉力螺栓43旋入位于拉桿端部的螺紋孔中(未顯示)，螺栓旋入拉桿的深度是可調(diào)節(jié)的。拉桿和拉力螺栓組件(組件跨越線圈側(cè)面之間的距離)的全長可以通過旋轉(zhuǎn)一個或兩個螺栓進入或旋出拉桿的孔來改變。螺栓的端部或拉桿的端部設(shè)置了帶有平表面86的凸緣。凸緣與圖4所示的拼合殼體的邊接合。螺栓或拉桿的平面端部86與線圈繞組34的內(nèi)表面對接。
殼體首尾相連地沿線圈的側(cè)面部分40的長度設(shè)置。拼合殼體共同分擔(dān)作用在線圈上基本是整個側(cè)面部分40上的力，即離心力。拼合殼體44防止了線圈側(cè)面部分40因離心力導(dǎo)致過于撓曲和彎曲。
多個拼合殼體44可有效地將線圈固定在適當(dāng)?shù)奈恢?，不使離心力發(fā)揮作用。雖然所示的拼合殼體互相之間相當(dāng)接近，殼體所需要的最大接近程度應(yīng)可防止在離心力載荷、扭矩傳遞、瞬時故障的情況下出現(xiàn)過大的彎曲和拉伸應(yīng)變造成線圈損壞。
線圈支撐件并不限制發(fā)生在燃?xì)鉁u輪機的正常啟動/停止操作期間的線圈縱向熱膨脹和收縮。尤其是，熱膨脹主要是沿側(cè)面部分的長度方向。因此，線圈的側(cè)面部分相對拼合殼體和拉桿在縱向有輕微滑動。
當(dāng)線圈支撐系統(tǒng)的拉桿42、螺栓43和拼合殼體44安裝在轉(zhuǎn)子芯22時，可與HTS線圈繞組34進行裝配。拉桿和拼合殼體提供了支撐線圈繞組和將線圈繞組的長側(cè)面固定在相對轉(zhuǎn)子芯的適當(dāng)位置的相當(dāng)剛性的結(jié)構(gòu)。線圈的端部可以通過拼合夾具(未顯示)支撐于轉(zhuǎn)子芯22的軸向端(但是未接觸)。
轉(zhuǎn)子芯和端軸可以是能夠裝配在一起的獨立部件。鐵轉(zhuǎn)子芯22通常具有圓柱形形狀50，適合于在定子12的轉(zhuǎn)子空腔16內(nèi)轉(zhuǎn)動。為了安裝線圈繞組，轉(zhuǎn)子芯帶有凹面48，如平的或三角形的區(qū)域，或凹槽。這些表面48是在圓柱形轉(zhuǎn)子芯的曲表面50上形成的，并在轉(zhuǎn)子芯的整個長度縱向延伸。線圈繞組34靠近凹面48安裝在轉(zhuǎn)子上。線圈大體上沿凹進區(qū)域的外表面縱向延伸并圍繞轉(zhuǎn)子芯的端部。轉(zhuǎn)子芯的凹面48上裝有線圈繞組。凹進區(qū)域的形狀與線圈繞組相適合。舉例來說，如果線圈繞組是鞍狀或其它形狀的，那么轉(zhuǎn)子芯中凹進部分的形狀可以接受線圈繞組的形狀。
凹面48接納線圈繞組，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)面上。轉(zhuǎn)子芯的彎曲外表面50當(dāng)旋轉(zhuǎn)時形成圓柱形包絡(luò)面。轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)包絡(luò)面與定子中的真空轉(zhuǎn)子空腔16(見圖1)具有大體上相同的直徑。
轉(zhuǎn)子包絡(luò)面和定子空腔16之間的間隙是相對較小的縫隙，只用于強制流動通風(fēng)冷卻定子，因為轉(zhuǎn)子不需要通風(fēng)冷卻。轉(zhuǎn)子和定子之間的空隙希望減到最小以增強轉(zhuǎn)子線圈繞組和定子繞組之間的電磁耦合。而且，轉(zhuǎn)子線圈繞組最好設(shè)置成可以延伸到由轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)所形成的包絡(luò)面上，因此轉(zhuǎn)子線圈繞組與定子只相距轉(zhuǎn)子和定子之間間隙的距離。
轉(zhuǎn)子芯、線圈繞組和線圈支撐組件是預(yù)先裝配的。預(yù)先裝配線圈和線圈支撐件減少了生產(chǎn)周期、改進了線圈支撐質(zhì)量、和減少了線圈組件的變化。在轉(zhuǎn)子芯和轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)子端軸和其它部件裝配之前，拉桿42插入各個穿過轉(zhuǎn)子芯延伸的通道46。在各個拉桿的各端部的絕熱管52設(shè)置在各個通道46的擴展端88。絕熱管52通過固定器的鎖定螺帽84鎖定在適當(dāng)?shù)奈恢谩Ｈ绻捎寐菟?3，可以在拉桿插入轉(zhuǎn)子芯中的通道之前或之后將其插入。
當(dāng)使用拉力螺栓時，鎖定螺帽138放置在各個螺栓上并用于固定螺栓到拼合殼體上。螺栓旋入拉桿的深度是可選擇的，要使得一個拉桿上的螺栓端部到相對螺栓端部的長度等于線圈繞組長邊40之間的距離。當(dāng)拉桿和螺栓安裝到轉(zhuǎn)子芯22，線圈繞組34可以迅速地套到轉(zhuǎn)子芯上。
線圈繞組34套到轉(zhuǎn)子芯上使得拉桿42或螺栓43的平端部86與繞組的側(cè)面部分40的內(nèi)表面對接。一旦繞組套到拉桿42或螺栓43的端部，拼合殼體44就安裝到繞組上。要安裝各個殼體，側(cè)面板放置在線圈的兩側(cè)，楔形件滑入側(cè)面板的窄槽130之中。鎖定銷插入將楔形件和側(cè)面板固定在一起。鎖定銷138用于將側(cè)面板與螺栓夾緊。
轉(zhuǎn)子芯可被金屬的圓柱形屏蔽件90(用虛線顯示)包圍，屏蔽件可保護超導(dǎo)線圈繞組34免于渦流和其它圍繞轉(zhuǎn)子的電流影響，并提供真空外套來保持圍繞轉(zhuǎn)子的低溫部件的高真空。圓柱形屏蔽件90可以用高傳導(dǎo)性的材料制成，比如銅合金或鋁。
超導(dǎo)線圈繞組34保持在真空中。真空可通過屏蔽件90形成，屏蔽件包括形成了圍繞線圈和轉(zhuǎn)子芯的真空容器的圓柱形不銹鋼層。
在轉(zhuǎn)子芯和線圈安裝套環(huán)和轉(zhuǎn)子的其它部件之前，線圈拼合殼體，拉桿和螺栓(線圈支撐組件)可與線圈繞組進行裝配。因此，轉(zhuǎn)子芯、線圈繞組和支撐系統(tǒng)可以裝配成一個單元，然后進行裝配轉(zhuǎn)子的其它部件和同步電機的其它部件。
盡管已經(jīng)結(jié)合目前認(rèn)為是最可行的和優(yōu)選的實施例對本發(fā)明進行了介紹，應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到本發(fā)明并不受限于所公開的實施例，相反地，本發(fā)明期望包括所附權(quán)利要求的精神實質(zhì)內(nèi)的所有的實施例。


權(quán)利要求
1.一種同步電機中的轉(zhuǎn)子，所述轉(zhuǎn)子包括轉(zhuǎn)子芯(22)；圍繞至少一部分所述轉(zhuǎn)子的超導(dǎo)線圈繞組(34)，所述線圈繞組具有靠近所述轉(zhuǎn)子芯側(cè)面的側(cè)面部分(40)；至少一個穿過所述轉(zhuǎn)子芯的通道(46)延伸的拉桿(42)；和連接到所述拉桿并連接到所述線圈繞組側(cè)面部分的殼體(44)，其中，所述殼體包括一對側(cè)面板(124)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的轉(zhuǎn)子，其特征在于，所述側(cè)面板(124)位于所述側(cè)面部分(40)的相對的表面上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的轉(zhuǎn)子，其特征在于，所述殼體(44)和拉桿(42)通過所述線圈繞組的傳導(dǎo)進行冷卻。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的轉(zhuǎn)子，其特征在于，所述殼體還包括橋接所述側(cè)面板和與所述線圈繞組的外表面對接的楔形件(126)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的轉(zhuǎn)子，其特征在于，所述拉桿包括螺栓(43)，所述螺栓具有可與所述線圈對接的平面(86)，并具有與所述側(cè)面部分相當(dāng)?shù)膶挾取?br> 6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的轉(zhuǎn)子，其特征在于，所述拉桿有可與多個側(cè)面板所形成的鋸齒孔(134)相接合的鋸齒狀端部。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的轉(zhuǎn)子，其特征在于，所述兩個側(cè)面板組件形成了可與所述拉桿端部或張力螺栓接合的孔(134)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的轉(zhuǎn)子，其特征在于，所述側(cè)面板有一對可與所述線圈對接的直交表面(132)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的轉(zhuǎn)子，其特征在于，所述殼體(44)是由金屬材料制成，所述金屬材料是從一組包括鋁、因科內(nèi)爾鎳鉻鐵合金、鈦合金的金屬合金中選出的。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的轉(zhuǎn)子，其特征在于，所述拉桿(42)由非磁性金屬合金制成。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的轉(zhuǎn)子，其特征在于，所述拉桿(42)由因科內(nèi)爾鎳鉻鐵合金制成。
12.一種支撐同步電機的轉(zhuǎn)子芯中的超導(dǎo)線圈繞組的方法，所述包括步驟a.使拉桿(42)穿過所述轉(zhuǎn)子芯的通道(46)延伸；b.將所述線圈繞組圍繞所述轉(zhuǎn)子芯定位，所述拉桿在所述線圈繞組的側(cè)面部分之間跨越；c.在圍繞所述線圈繞組的側(cè)面部分安裝至少一個殼體(44)的一對側(cè)面板(124)；d.將所述側(cè)面板固定在一起；和e.連接所述殼體到所述拉桿的第一端。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，所述方法還包括重復(fù)安裝一對側(cè)面板(124)，將所述側(cè)面板固定在一起，和連接所述殼體到所述拉桿的第一端等步驟。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，所述安裝一對側(cè)面板的步驟是圍繞位于所述拉桿端部的凸緣端(122)安裝多個側(cè)面板。
15.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，所述安裝一對側(cè)面板的步驟是安裝多個所述側(cè)面板以形成鋸齒孔(134)和使所述拉桿的鋸齒狀端部與所述孔接合。
16.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，所述多個拉桿(42)插入所述轉(zhuǎn)子芯的一系列通道(46)中并固定在所述線圈繞組上。
全文摘要
提出一種同步電機的轉(zhuǎn)子,其包括:轉(zhuǎn)子芯,圍繞轉(zhuǎn)子的至少一部分的超導(dǎo)線圈繞組,所述線圈繞組具有靠近轉(zhuǎn)子芯側(cè)面的側(cè)面部分;至少一個穿過所述轉(zhuǎn)子芯的通道延伸的拉桿,和連接到所述拉桿并與線圈繞組側(cè)面部分連接的殼體,其中,殼體包括一對側(cè)面板。
文檔編號H02K55/00GK1385949SQ02120009
公開日2002年12月18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, R·J·尼加爾德, E·T·拉斯卡里斯, J·P·亞歷山大 申請人:通用電氣公司