專(zhuān)利名稱：帶有拉桿以及螺栓的高溫超導(dǎo)轉(zhuǎn)子線圈支撐及其裝配方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及一種應(yīng)用于同步旋轉(zhuǎn)電機(jī)的超導(dǎo)線圈。具體地說(shuō)，本發(fā)明涉及一種同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子中的超導(dǎo)勵(lì)磁線圈的支撐結(jié)構(gòu)。
同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子中通常使用常規(guī)的銅線圈。然而，銅線圈的電阻抗(盡管常規(guī)測(cè)量結(jié)果并不高)會(huì)產(chǎn)生轉(zhuǎn)子的真正熱量并且降低機(jī)械的功效。近來(lái)，用于轉(zhuǎn)子的超導(dǎo)(SC)線圈繞組已經(jīng)產(chǎn)生。SC線圈沒(méi)有阻抗從而成為高效的轉(zhuǎn)子線圈繞組。
鐵芯轉(zhuǎn)子在2特斯拉的氣隙磁場(chǎng)強(qiáng)度下達(dá)到飽和。已知的超導(dǎo)轉(zhuǎn)子采用在轉(zhuǎn)子中不帶有鐵的氣芯設(shè)計(jì)，以便達(dá)到3特斯拉或者更高的氣隙磁場(chǎng)強(qiáng)度。這些較高的氣隙磁場(chǎng)強(qiáng)度提高了發(fā)電機(jī)的功率密度，并且顯著減少了機(jī)械的重量和大小。氣芯超導(dǎo)轉(zhuǎn)子需要大量的超導(dǎo)線。而大量的超導(dǎo)線的需求增加了所需的線圈、線圈支撐的復(fù)雜程度、以及轉(zhuǎn)子和SC線圈的成本。
高溫超導(dǎo)勵(lì)磁線圈由易碎的超導(dǎo)材料構(gòu)成，其必須被冷卻以保持在一個(gè)例如27°K臨界溫度或低于這個(gè)溫度以便保持其超導(dǎo)性。SC線圈也可以由高溫超導(dǎo)材料構(gòu)成，例如一種BSCCO(BixSrxCaxCuxOx)基導(dǎo)體。
超導(dǎo)線圈被液體氦冷卻。在穿過(guò)轉(zhuǎn)子的線圈之后，熱的、使用過(guò)的氦以室溫下的氣態(tài)氦返回。使用液態(tài)氦作為低溫冷卻需要持續(xù)的對(duì)返回的室溫氣態(tài)氦的再液化，這樣的再液化產(chǎn)生了明顯的可靠性問(wèn)題以及需要大量的輔助能源。
現(xiàn)有的SC線圈冷卻技術(shù)包括通過(guò)一個(gè)固體低溫冷卻機(jī)內(nèi)部的傳導(dǎo)通路來(lái)冷卻一個(gè)浸漬環(huán)氧樹(shù)脂的SC線圈。另一種方案是，轉(zhuǎn)子中的冷卻管道可以將液體和/或氣體冷卻劑輸送給浸潤(rùn)在液體和/或固體冷卻劑中的多孔SC線圈。然而，浸潤(rùn)冷卻要求整個(gè)線圈以及轉(zhuǎn)子都在一個(gè)低溫環(huán)境下。因此，由于鐵在低溫條件下的脆性而在整個(gè)轉(zhuǎn)子磁路當(dāng)中都不能使用鐵。
所需要的是一種用于電機(jī)的超導(dǎo)線圈集合，該集合沒(méi)有諸如現(xiàn)有超導(dǎo)轉(zhuǎn)子這樣的氣芯以及液冷超導(dǎo)勵(lì)磁線圈集合的缺點(diǎn)。
除此之外，高溫超導(dǎo)(HTS)線圈對(duì)高彎曲以及拉伸應(yīng)變的退化非常敏感。這些線圈必須承受基本的在線圈繞組引起應(yīng)力和應(yīng)變的離心力。在幾年內(nèi)，電機(jī)正常操作會(huì)包括數(shù)以千計(jì)的啟動(dòng)以及關(guān)閉操作，這些操作會(huì)引起轉(zhuǎn)子的低周期疲勞。此外，HTS轉(zhuǎn)子芯應(yīng)該能夠在室溫條件下的轉(zhuǎn)子平衡過(guò)程中承受25％的超速運(yùn)轉(zhuǎn)，并且在發(fā)電操作過(guò)程中不能承受低溫下的偶然超速運(yùn)轉(zhuǎn)。這些超速條件實(shí)質(zhì)上增加了正常運(yùn)轉(zhuǎn)條件下線圈上的離心力。
作為電機(jī)的HTS轉(zhuǎn)子勵(lì)磁線圈的SC線圈在冷卻以及正常運(yùn)行條件下經(jīng)受拉伸和壓縮。它們還必須承受離心負(fù)載，轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)化、以及暫時(shí)故障條件。為了抵抗外力、應(yīng)力、應(yīng)變以及交變載荷，SC線圈必須通過(guò)一個(gè)線圈支撐系統(tǒng)被恰當(dāng)?shù)毓潭ㄔ谵D(zhuǎn)子上。這些支撐系統(tǒng)將SC線圈固定在HTC轉(zhuǎn)子上，并且抵御由于轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)而產(chǎn)生的巨大離心力。此外，線圈支撐系統(tǒng)保護(hù)線圈，并且確保線圈不會(huì)過(guò)早破裂、疲勞以及其它損壞。
發(fā)展用于HTS線圈的支撐系統(tǒng)以便使SC線圈適合HTS轉(zhuǎn)子成為一個(gè)很困難的挑戰(zhàn)?，F(xiàn)有的HTS轉(zhuǎn)子的線圈支撐系統(tǒng)參見(jiàn)美國(guó)專(zhuān)利第5548168；5532663；5672921；5777420；6169353以及6066906號(hào)。然而，這些線圈支撐系統(tǒng)都存在不同的問(wèn)題，比如過(guò)于昂貴、復(fù)雜以及需要過(guò)多的組件等等。長(zhǎng)久以來(lái)一直都存在著對(duì)帶有用于SC線圈的線圈支撐系統(tǒng)的HTS轉(zhuǎn)子的需要。這樣的需求還存在于需要一個(gè)低成本以及帶有易于制造的組件的線圈支撐系統(tǒng)。
該線圈支撐系統(tǒng)包括一系列橫跨在跑道形線圈的相對(duì)邊上的線圈支撐組件。每一個(gè)線圈支撐組件包括一個(gè)拉桿、一對(duì)拉力螺栓以及一對(duì)通道外殼。拉桿通過(guò)例如孔這樣的位于轉(zhuǎn)子芯內(nèi)的管道橫跨在線圈的相對(duì)邊之間。拉力螺栓插入拉桿的兩端。拉力螺栓提供對(duì)線圈支撐組件的長(zhǎng)度校正，用于補(bǔ)償線圈幾何形狀的變化。每一個(gè)螺栓都固定到通道外殼對(duì)的一個(gè)上面。每一個(gè)通道外殼都圍繞HTS線圈被裝配。每一個(gè)線圈支撐組件針對(duì)轉(zhuǎn)子芯支撐線圈繞組。一系列的線圈支撐部件為線圈繞組提供一個(gè)固體和保護(hù)性的支撐。
HTS轉(zhuǎn)子可以應(yīng)用于專(zhuān)門(mén)用來(lái)包含SC線圈的同步電機(jī)?；蛘呤牵琀TS轉(zhuǎn)子可以替代一個(gè)諸如常規(guī)發(fā)電機(jī)這樣的已有同步電機(jī)的銅線圈。這里所說(shuō)的轉(zhuǎn)子以及其SC線圈是參照發(fā)電機(jī)的，但是HTS線圈轉(zhuǎn)子也可以應(yīng)用于其它種類(lèi)的同步電機(jī)。
線圈支撐系統(tǒng)對(duì)于將線圈支撐系統(tǒng)以及線圈和轉(zhuǎn)子成為一個(gè)整體非常有用。另外，線圈支撐系統(tǒng)簡(jiǎn)化了在最終轉(zhuǎn)子組裝之前的線圈支撐系統(tǒng)、線圈以及轉(zhuǎn)子芯的預(yù)組裝。預(yù)組裝減少了線圈和轉(zhuǎn)子的裝配時(shí)間，提高了線圈支撐的質(zhì)量，以及降低了線圈部件的復(fù)雜性。
在第一個(gè)最佳實(shí)施例中，本發(fā)明涉及一個(gè)用于同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子，其包括一個(gè)轉(zhuǎn)子芯；一個(gè)沿著轉(zhuǎn)子至少一部分延伸的超導(dǎo)線圈，所述的線圈帶有鄰接轉(zhuǎn)子芯側(cè)面的側(cè)面部分；至少一根穿過(guò)所述轉(zhuǎn)子的管道的拉桿；至少一個(gè)拉力螺栓插入到拉桿的一端；以及一個(gè)附加到拉桿上的承托線圈側(cè)部的外殼。
在另外一個(gè)最佳實(shí)施例中，本發(fā)明涉及一種在同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子芯上支撐超導(dǎo)線圈的方法，包括下面這些步驟將拉桿穿過(guò)所述轉(zhuǎn)子芯的管道；將至少一個(gè)拉力螺栓插入到拉桿的一端；將線圈繞組圍繞轉(zhuǎn)子芯定位，以使拉桿以及拉力螺栓橫跨在線圈繞組的兩側(cè)；將至少一個(gè)通道外殼固定到線圈繞組的側(cè)面；并且將螺栓固定到通道外殼上。
本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例涉及一種用于同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子，其包括一個(gè)帶有與轉(zhuǎn)子縱向軸線正交的導(dǎo)管的轉(zhuǎn)子芯；位于與轉(zhuǎn)子的縱向軸線平行的跑道形平面內(nèi)的跑道形超導(dǎo)(SC)線圈；轉(zhuǎn)子芯導(dǎo)管內(nèi)部的拉桿；位于所述拉桿端部的拉力螺栓；以及將線圈繞組相對(duì)的側(cè)面與拉力螺栓連接的外殼。


圖1是帶有一個(gè)超導(dǎo)轉(zhuǎn)子與定子的同步電機(jī)的示意側(cè)視圖。
圖2是一個(gè)示意性的跑道形超導(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、線圈繞組以及線圈支撐系統(tǒng)的部分剖視圖。
圖4是高溫超導(dǎo)(HTS)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)子芯、線圈繞組以及線圈支撐系統(tǒng)的透視圖。
轉(zhuǎn)子14通常帶有一根縱向軸20線以及一個(gè)固體轉(zhuǎn)子芯22。固態(tài)芯22帶有高磁滲透性，通常是由例如鐵的鐵磁性材料制成。在低能密度超導(dǎo)機(jī)中，轉(zhuǎn)子的鐵芯用來(lái)降低磁通勢(shì)(MMF)，因此，使線圈繞組所需要的超導(dǎo)(SC)線數(shù)量最小化。例如，在大約2特斯拉的氣隙磁場(chǎng)強(qiáng)度下，固態(tài)鐵轉(zhuǎn)子線圈可以磁飽和。
轉(zhuǎn)子14支撐至少一個(gè)縱向延伸、跑道形狀的高溫超導(dǎo)(HTS)線圈繞組34(參見(jiàn)圖2)。HTS線圈繞組也可以是鞍型或者是其它適合特定HTS轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)要求的形狀。除了適用于被安裝到固態(tài)轉(zhuǎn)子芯上的跑道形SC線圈，線圈支撐系統(tǒng)可以適用于其它線圈結(jié)構(gòu)。
轉(zhuǎn)子包括一個(gè)集電極端軸24以及一個(gè)驅(qū)動(dòng)端軸30，其同時(shí)托住轉(zhuǎn)子芯22并且被軸承25支撐。集電極端軸包括電連接到轉(zhuǎn)動(dòng)SC線圈上的集電極環(huán)78。集電極端軸24還具有一個(gè)連接到在轉(zhuǎn)子內(nèi)用來(lái)冷卻SC線圈的冷卻液體源上的冷卻轉(zhuǎn)換聯(lián)軸器26。冷卻轉(zhuǎn)換聯(lián)軸器26包括一個(gè)連接到冷卻液體源上的固定部分以及向HTS線圈提供冷卻液體的轉(zhuǎn)動(dòng)部分。驅(qū)動(dòng)端軸30可以通過(guò)驅(qū)動(dòng)聯(lián)軸器32由動(dòng)力渦輪機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)。
圖2示意性顯示了HTS跑道形線圈繞組34。轉(zhuǎn)子的SC線圈繞組34包括一個(gè)高溫超導(dǎo)(SC)線圈36。每一個(gè)SC線圈都包括一個(gè)高溫超導(dǎo)導(dǎo)體，例如分層纏繞在浸漬固態(tài)環(huán)氧樹(shù)脂線圈合成物上的BSCCO(BixSrxCaxCuxOx)導(dǎo)體。例如，一系列分層、相互固定并纏繞在一個(gè)浸漬固態(tài)環(huán)氧樹(shù)脂的線圈上的BSCCO2223線。
SC線是脆弱并且易于毀壞的。SC線圈通常是分層纏繞的浸漬固態(tài)環(huán)氧的SC帶。SC帶被纏繞在精密線圈上以便獲得閉合尺寸公差。帶被纏到螺線管上以便形成跑道形SC線圈36。
跑道形線圈的尺寸取決于轉(zhuǎn)子芯的尺寸。通常，每一個(gè)跑道形SC線圈都環(huán)繞轉(zhuǎn)子芯的兩個(gè)磁極，并且平行于轉(zhuǎn)子軸線。線圈繞組持續(xù)環(huán)繞跑道。SC線圈在轉(zhuǎn)子芯周?chē)约靶镜拇艠O之間形成一個(gè)無(wú)電阻電流通道。線圈帶有一個(gè)導(dǎo)電的將線圈連接到集電極78上的電觸點(diǎn)114。
用于低溫冷卻液體通過(guò)的液體通道38被包括在線圈繞組34中。這些通道可以沿SC線圈36的外部周?chē)由臁Ｔ赟C線圈所需要的保持超導(dǎo)條件，包括在線圈中沒(méi)有電阻的冷卻液體保持例如27°K這樣的低溫。冷卻通道在轉(zhuǎn)子芯的端部帶有一個(gè)輸入與輸出液體口112。這些液體(氣體)口112將SC線圈上的冷卻通道38與冷卻轉(zhuǎn)換聯(lián)軸器26連接在一起。
每一個(gè)HTS跑道形線圈繞組34都帶有一對(duì)與轉(zhuǎn)子軸線20平行的直邊部40、以及一對(duì)與轉(zhuǎn)子軸線垂直的端部54。線圈邊部承受最大的離心力。因此，邊部由抵抗施加在線圈上的離心力的線圈支撐系統(tǒng)來(lái)支撐。
圖3顯示了轉(zhuǎn)子芯22以及用于高溫超導(dǎo)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)包括一系列穿過(guò)轉(zhuǎn)子芯并位于HTS線圈繞組相對(duì)邊之間的線圈支撐組件。每一個(gè)線圈支撐組件包括一個(gè)延伸穿過(guò)轉(zhuǎn)子芯的拉桿42、插入到桿端的拉力螺栓43、以及固定在螺栓上并且承托線圈繞組的通道線圈外殼44。線圈支撐系統(tǒng)提供了在轉(zhuǎn)子內(nèi)固定線圈繞組的一個(gè)結(jié)構(gòu)框架。
HTS線圈繞組34的最主要荷載來(lái)自于轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)過(guò)程中的離心加速度。線圈支撐組件的每一個(gè)都是針對(duì)線圈的離心載荷來(lái)為在負(fù)載下的線圈繞組提供有效的結(jié)構(gòu)支撐。為了支撐線圈的邊部，拉桿42以及螺栓43(拉桿部件)的每一個(gè)部件穿過(guò)線圈，并且連接到通道線圈外殼44上。外殼抓住線圈的相對(duì)邊部。拉桿42延伸穿過(guò)轉(zhuǎn)子芯上的一系列導(dǎo)管46。這些桿沿著與轉(zhuǎn)子芯的軸線垂直的方向排列。
通道線圈外殼44為線圈繞組34提供針對(duì)離心力以及切線扭力的支撐。離心力來(lái)自于轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)。切線力可能來(lái)自于轉(zhuǎn)子的加速和減速以及紐矩傳輸。由于線圈繞組的長(zhǎng)邊40被通道外殼44以及拉力螺栓的端部86所包圍，所以線圈繞組在轉(zhuǎn)子內(nèi)部被完全支撐。
導(dǎo)管46通常是在轉(zhuǎn)子芯內(nèi)的帶有直軸線的圓柱狀通道。導(dǎo)管的直徑基本上是恒定的。然而，導(dǎo)管的端部88可能為了接納絕緣管52而其直徑變大。該絕緣管52在導(dǎo)管內(nèi)部和桿42對(duì)齊并且在轉(zhuǎn)子芯以及桿之間提供熱絕緣。該絕緣管帶有一個(gè)和轉(zhuǎn)子導(dǎo)管46的寬直徑端88嚙合的較低外環(huán)123。絕緣管52的圓柱狀邊壁121從外環(huán)123向上延伸，并且不與導(dǎo)管的壁接觸。管的上端和一個(gè)將管連接到拉桿42上的止動(dòng)螺母嚙合。因此，絕緣管以及止動(dòng)螺母為轉(zhuǎn)子芯的導(dǎo)管46內(nèi)的拉桿提供了一個(gè)非熱傳輸裝置。
導(dǎo)管46的數(shù)量和在轉(zhuǎn)子芯上的位置取決于HTS線圈的位置以及需要支撐線圈的邊部的線圈外殼的數(shù)量。導(dǎo)管46的軸線通常位于由跑道形線圈34所確定的平面內(nèi)。另外，導(dǎo)管的軸線與線圈的邊部垂直。還有，在這里所示的實(shí)施例中，導(dǎo)管與轉(zhuǎn)子軸線垂直相交。導(dǎo)管的數(shù)量和導(dǎo)管的位置取決于HTS線圈的位置以及需要支撐線圈的邊部的線圈外殼的數(shù)量。
通常有兩類(lèi)用于超導(dǎo)線圈的支撐(i)“暖”支撐(ii)“冷”支撐。在暖支撐中，支撐結(jié)構(gòu)與冷SC線圈熱絕緣。當(dāng)暖支撐的時(shí)候，超導(dǎo)(SC)線圈的大多數(shù)機(jī)械負(fù)載由橫跨在冷線圈以及暖支撐元件之間的結(jié)構(gòu)元件承受。
在冷支撐系統(tǒng)，支撐系統(tǒng)位于或是在SC線圈的低溫下。在冷支撐時(shí)，SC線圈的大多數(shù)機(jī)械負(fù)載通過(guò)位于或接近低溫的線圈支撐結(jié)構(gòu)部件來(lái)承擔(dān)。
這里所說(shuō)的示意性線圈支撐系統(tǒng)是冷支撐系統(tǒng)，其拉桿42、螺栓43以及相關(guān)的通道外殼44都保持在或者是接近低溫。由于線圈支撐部件是冷的，例如，通過(guò)穿過(guò)轉(zhuǎn)子芯的非接觸性通道，這些元件和轉(zhuǎn)子芯以及轉(zhuǎn)子的其它“熱”構(gòu)件熱絕緣。
HTS線圈繞組以及結(jié)構(gòu)支撐部件均處于冷卻溫度下。與之相反，轉(zhuǎn)子芯處在一個(gè)環(huán)境“熱”溫度。線圈支撐是允許熱量從轉(zhuǎn)子芯傳輸?shù)紿TS線圈的潛在熱源。在運(yùn)行過(guò)程中轉(zhuǎn)子芯會(huì)變熱。由于線圈繞組將被保持在超冷條件下，避免從芯向線圈進(jìn)行的熱傳導(dǎo)。
線圈支撐系統(tǒng)與轉(zhuǎn)子芯是熱絕緣的。例如，拉桿與螺栓并不直接接觸轉(zhuǎn)子。這種非接觸避免了從轉(zhuǎn)子向拉桿以及螺栓的熱量傳導(dǎo)。除此之外，線圈支撐系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的質(zhì)量被最小化以便降低通過(guò)支撐部件從轉(zhuǎn)子芯向線圈繞組進(jìn)行的熱傳導(dǎo)。
每一個(gè)拉桿42都是一個(gè)沿桿的縱向方向連續(xù)的軸并且位于跑道形線圈所處的平面內(nèi)。拉桿通常由高強(qiáng)度的諸如鈦、鋁或者是鉻鎳鐵合金的非磁性合金制成。拉桿在長(zhǎng)度方向上的連續(xù)性為向轉(zhuǎn)子提供動(dòng)力補(bǔ)償?shù)木€圈提供了側(cè)向剛度。另外，拉桿42的側(cè)向剛度允許線圈支撐與線圈結(jié)合在一起，這樣一來(lái)就可以在轉(zhuǎn)子最終組裝之前，使線圈被安裝到位于轉(zhuǎn)子芯上的線圈支撐上。
拉力螺栓43旋入位于拉桿端部的螺孔120中。螺栓旋入拉桿的深度是可以調(diào)整的。拉桿以及螺栓部件(該部件橫跨在線圈的兩邊上)的總長(zhǎng)度能夠通過(guò)將螺栓中的一個(gè)或兩個(gè)旋入或是旋出拉桿上的孔來(lái)進(jìn)行調(diào)節(jié)。這種在拉桿和螺栓部件長(zhǎng)度上的調(diào)整非常有益于將該部件裝配在線圈繞組的側(cè)邊之間。拉桿端部的螺孔深度足夠滿足拉桿以及螺栓部件的長(zhǎng)度調(diào)整的要求。
螺栓頭122包括一個(gè)帶有平外表面86的法蘭。該螺栓的平頭86靠在線圈繞組34的一個(gè)內(nèi)表面上，從而，支撐加載在線圈繞組上的與拉桿平行的負(fù)載。
螺栓頭的平表面86支撐著線圈繞組側(cè)面的一個(gè)內(nèi)表面。線圈繞組側(cè)面40的另外三個(gè)面由通道外殼44支撐。每一個(gè)線圈通道外殼都設(shè)置在線圈的周?chē)⑶遗c螺栓頭形成一個(gè)線圈外殼。該外殼針對(duì)拉力以及離心力負(fù)載對(duì)線圈繞組提供支撐。該外殼也允許線圈繞組在縱向上拉伸或是壓縮。
每一個(gè)通道外殼44都帶有一對(duì)側(cè)板124、一個(gè)楔126以及一個(gè)螺紋插入套128。側(cè)板承托線圈的相對(duì)表面。每一個(gè)側(cè)板的內(nèi)表面都有一個(gè)用于接受所述楔的狹槽130以及一個(gè)用來(lái)接受線圈繞組的側(cè)面的“L”型表面132。每一個(gè)側(cè)板的內(nèi)表面還帶有一個(gè)包括L一型表面132的凸緣135的螺紋法蘭134，用于和線圈繞組的角部嚙合。法蘭的螺紋部分和位于相對(duì)側(cè)板124的法蘭部分134之間的螺紋插入套128嚙合。插入套帶有一個(gè)用來(lái)接受拉力螺栓43的緣的小孔137。一個(gè)止動(dòng)螺母138將插入套128牢固地固定在螺栓頭43上。
楔126嵌入到每一個(gè)側(cè)板的狹槽130中并且橫跨在側(cè)板之間。所述楔緊挨著線圈的一個(gè)外表面同時(shí)還有一個(gè)用于接收線圈外表面上的冷卻通道38的槽136。止動(dòng)螺絲140將側(cè)板固定到楔上。側(cè)板由楔承托并且?jiàn)A住固定到螺栓頭上的螺紋插入套。通道外殼可以由在冷卻溫度下具有延展性的輕、高強(qiáng)度材料制成。通常的用于通道外殼的材料是鋁以及鈦合金。為了較低重量，通道外殼的形狀已經(jīng)被優(yōu)化。
如圖4所示，一系列的通道線圈外殼44(以及相關(guān)的拉力螺栓43和桿44)可以沿著線圈繞組的邊40排列。這些通道外殼一起將加載在線圈上的諸如離心力這樣的力分散到線圈的整個(gè)側(cè)邊40上。通道外殼44防止了線圈側(cè)邊部40由于離心力而產(chǎn)生的過(guò)渡彎曲或撓曲。
這些通道外殼44有效地保持線圈以不受離心力的影響。盡管所示的通道外殼彼此間非?？拷瑢?shí)際上外殼只需要靠近到足夠防止由在離心加載、扭矩傳遞、以及瞬時(shí)故障條件下所引起的線圈破裂就可以了。
線圈支撐并不限制線圈在正常的蒸汽渦輪啟動(dòng)/停止操作中所引起的長(zhǎng)度方向的膨脹或收縮。具體地說(shuō)，熱膨脹主要沿著邊部的長(zhǎng)度方向。這樣一來(lái)，線圈的邊部可以相對(duì)于通道外殼以及拉桿稍微縱向滑動(dòng)。
拉桿42、螺栓43以及通道外殼44的線圈支撐系統(tǒng)在其被安裝于轉(zhuǎn)子芯22上時(shí)就能夠被安裝到HTS線圈繞組34上。拉桿以及通道外殼為支撐線圈繞組以及相對(duì)于轉(zhuǎn)子芯所在的位置保持線圈繞組的長(zhǎng)邊提供了足夠的剛度。線圈的端部可以由轉(zhuǎn)子芯22軸端的對(duì)開(kāi)夾58所支撐(不接觸)。
鐵轉(zhuǎn)子芯22通常具有適于在定子12的轉(zhuǎn)子腔16內(nèi)部轉(zhuǎn)動(dòng)的圓柱形外形。為了接收線圈繞組，轉(zhuǎn)子芯帶有一個(gè)凹面48，其可以是平面或三角形區(qū)域或狹槽。這些表面48形成于圓柱形芯的彎曲表面并且延伸穿過(guò)轉(zhuǎn)子芯的長(zhǎng)度方向。線圈繞組34鄰近凹面被安裝于轉(zhuǎn)子上。線圈通常沿著凹面區(qū)域的外表面縱向延伸并且環(huán)繞轉(zhuǎn)子芯的端部。轉(zhuǎn)子芯的凹面區(qū)域48接收線圈繞組。凹面區(qū)域的形狀與線圈繞組的形狀一致。例如，如果線圈繞組是鞍形或是其它形狀，轉(zhuǎn)子芯的凹面也被設(shè)置成可以接受繞組的外形的形狀。
凹面48接收線圈繞組以便使線圈繞組的外表面延伸至大體上由轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)所形成的外殼形狀。在其轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)子芯的外彎曲面50形成了一個(gè)圓柱形外殼形狀。該轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)外殼形狀具有大體上與定子的真孔轉(zhuǎn)子腔16(參見(jiàn)圖1)相同的直徑。
由于轉(zhuǎn)子不需要強(qiáng)制冷卻，所以位于轉(zhuǎn)子外殼形狀與定子腔16之間由僅僅冷卻定子所要求的強(qiáng)制冷卻氣流所需要的相對(duì)較小的空隙是一個(gè)相對(duì)小的間隙。理想地將位于轉(zhuǎn)子和定子間的間隙最小化將非常有利于提高轉(zhuǎn)子線圈繞組以及定子繞組之間的導(dǎo)電耦合。況且，轉(zhuǎn)子線圈繞組最好這樣定位以使得其延伸到由轉(zhuǎn)子所形成的外殼形狀中，這樣一來(lái)，其也僅僅由位于轉(zhuǎn)子和定子之間的間隙所分隔開(kāi)。
在每一個(gè)拉桿的端部，還可以有一個(gè)將線圈支撐系統(tǒng)固定到熱轉(zhuǎn)子上并且防止兩者之間熱傳導(dǎo)的絕緣管52。除此之外，還可以有一個(gè)連接到絕緣管52的絕緣止動(dòng)螺母84，并且進(jìn)一步簡(jiǎn)化拉桿和外殼之間的連接。止動(dòng)螺母84和管52在將從熱轉(zhuǎn)子到外殼結(jié)構(gòu)的熱交換最小化的同時(shí)，將拉桿以及通道外殼固定在轉(zhuǎn)子芯上。
轉(zhuǎn)子芯、線圈繞組以及線圈支撐部件都是預(yù)組裝的。線圈以及線圈支撐的預(yù)組裝降低了產(chǎn)品周期，提高了線圈支撐的質(zhì)量，并且降低了線圈部件的復(fù)雜性。在轉(zhuǎn)子芯和轉(zhuǎn)子端軸以及其它轉(zhuǎn)子部件組裝之前，拉桿42被插入到延伸穿過(guò)轉(zhuǎn)子芯的管道46里。每一個(gè)拉桿端部的每一絕緣管52位于導(dǎo)管46的每一端部的擴(kuò)大端88。管52通過(guò)止動(dòng)螺母84被鎖定。
螺栓43還可以在拉桿被插入到轉(zhuǎn)子芯導(dǎo)管之前或之后插入。螺紋插口128和止動(dòng)螺母138在螺栓被設(shè)置在拉桿上之前被置于螺栓43上。然而，止動(dòng)螺母在通道外殼被裝配之前都不會(huì)相對(duì)插口擰緊。
螺栓擰入拉桿的深度被這樣選擇，要保證介于線圈繞組的長(zhǎng)邊40之上的通道外殼部件間的距離要被從拉桿上的一個(gè)螺栓端到相對(duì)螺栓端的長(zhǎng)度所清除。當(dāng)拉桿和螺栓被安裝到轉(zhuǎn)子芯22上的時(shí)候，線圈繞組34將要被插入到轉(zhuǎn)子芯上。
通道外殼44被安裝到繞組34的上部。鎖定螺釘被插入以便將楔和側(cè)板保持在一起。然后，線圈繞組以及通道外殼的組合件被插入到拉桿42的端部上的轉(zhuǎn)子芯。圓柱狀螺紋插口128旋入或者是插入到側(cè)板之間，以便使得螺栓頭的平端緊挨著繞組的側(cè)部40的內(nèi)表面。止動(dòng)螺母138用來(lái)將螺紋插口緊固到螺栓上。
轉(zhuǎn)子芯還可以被嵌入到一個(gè)金屬圓柱形殼體90(點(diǎn)劃線所示)內(nèi)從而保護(hù)超導(dǎo)線圈繞組34不受環(huán)繞在轉(zhuǎn)子周?chē)臏u流以及其它電流的影響，同時(shí)提供一個(gè)真空外殼以便在轉(zhuǎn)子的低溫部件的周邊形成一個(gè)堅(jiān)固的真空。圓柱形殼體90可以由諸如銅合金或鋁的高導(dǎo)電性材料制造。
SC線圈繞組34被置于真空中。真空可以由殼體90所形成，該殼體包括一個(gè)在線圈以及轉(zhuǎn)子芯的周?chē)纬烧婵盏牟讳P鋼圓柱形層。
在轉(zhuǎn)子芯和線圈被安裝到軸環(huán)以及其他轉(zhuǎn)子部件之前，線圈通道外殼、拉桿以及螺栓(線圈支撐部件)可以被安裝到線圈繞組上。因此，在轉(zhuǎn)子以及同步電機(jī)的其它部件組裝之前，轉(zhuǎn)子芯、線圈繞組以及線圈支撐系統(tǒng)就可以作為一個(gè)單元被組裝。
盡管本發(fā)明已經(jīng)參照上面所述的最佳實(shí)施例被說(shuō)明，本發(fā)明也不能被限制在上述實(shí)施例所述的范圍之內(nèi)，而是根據(jù)后面的權(quán)利要求的精神覆蓋所有的實(shí)施例。標(biāo)號(hào)說(shuō)明標(biāo)號(hào)說(shuō)明10同步電機(jī) 54 跑道形線圈繞組端部12定子 78 控制環(huán)14轉(zhuǎn)子 84 絕緣管以及拉桿的止動(dòng)螺母16定子內(nèi)的轉(zhuǎn)子腔 86 拉力螺栓端部平面18磁場(chǎng) 88 轉(zhuǎn)子芯上的導(dǎo)管寬端19定子線圈 90 真空電磁罩20轉(zhuǎn)子軸 112 冷卻流部分22轉(zhuǎn)子芯 114 電流接觸24轉(zhuǎn)子控制端桿 120 拉桿上用于擰入的孔25軸承 121 絕緣管側(cè)壁26冷卻傳導(dǎo)管接頭 122 螺栓頭30轉(zhuǎn)子驅(qū)動(dòng)端軸 123 絕緣管外環(huán)32渦輪管接頭 124 通道外殼側(cè)板34轉(zhuǎn)子線圈繞組 126 通道外殼的楔36高溫超導(dǎo)(HTS)線圈128 通道外殼的插入套38冷卻段 130 楔側(cè)板上的窄槽40繞組的側(cè)邊部分 132 線圈側(cè)板上的線圈表面42拉桿 134 位于外殼側(cè)板中部的法蘭43拉力螺栓 135 凸緣44通道外殼 136 楔上的通道46轉(zhuǎn)子芯中的通道 137 插入口48轉(zhuǎn)子芯凹面 138 止動(dòng)螺母50轉(zhuǎn)子芯的外表面 140 楔保險(xiǎn)銷(xiāo)52拉桿套(絕緣管)
權(quán)利要求
1.在同步電機(jī)中，一個(gè)轉(zhuǎn)子包括一個(gè)轉(zhuǎn)子芯；一個(gè)沿轉(zhuǎn)子的至少一部分延伸的超導(dǎo)線圈繞組，所述線圈繞組帶有一個(gè)鄰近轉(zhuǎn)子芯側(cè)邊的側(cè)邊部；至少一個(gè)延伸穿過(guò)所述轉(zhuǎn)子芯內(nèi)的通道管的拉桿；至少一個(gè)在拉桿端部之間延伸的拉力螺栓，以及一個(gè)連接到拉力螺栓上并且連接到線圈繞組的側(cè)邊上的外殼。
2.如權(quán)利要求1所述的轉(zhuǎn)子，其特征在于所述外殼包括位于邊部的相對(duì)表面上的一對(duì)側(cè)板。
3.如權(quán)利要求1所述的轉(zhuǎn)子，其特征在于所述的外殼、螺栓以及拉桿通過(guò)來(lái)自所述的線圈繞組的傳導(dǎo)進(jìn)行冷卻。
4.如權(quán)利要求1所述的轉(zhuǎn)子，其特征在于拉桿內(nèi)的螺栓深度是可調(diào)的。
5.如權(quán)利要求1所述的轉(zhuǎn)子，其特征在于螺栓包括一個(gè)具有鄰接線圈的平表面的頭部。
6.如權(quán)利要求1所述的轉(zhuǎn)子，還進(jìn)一步包括一個(gè)從拉桿的第二端部伸出并且緊靠線圈繞組的第二側(cè)邊部的第二螺栓。
7.如權(quán)利要求1所述的轉(zhuǎn)子，其特征在于外殼包括承托線圈側(cè)邊的側(cè)板，以及位于側(cè)板之間并且緊靠側(cè)邊的外表面的楔。
8.如權(quán)利要求1所述的轉(zhuǎn)子，其特征在于螺栓帶有一個(gè)緊靠線圈繞組的平頭部。
9.如權(quán)利要求1所述的轉(zhuǎn)子，其特征在于所述的外殼由包括鋁及鈦合金組成的金屬材料中所選擇的材料制成。
10.如權(quán)利要求1所述的轉(zhuǎn)子，其特征在于所述的拉桿由非磁性金屬合金制成。
11.如權(quán)利要求1所述的轉(zhuǎn)子，其特征在于所述的拉桿由鉻鎳鐵合金制成。
12.一種在同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子芯上支撐超導(dǎo)線圈繞組的方法，包括以下步驟a.將拉桿穿過(guò)所述轉(zhuǎn)子芯上的通道；b.將至少一個(gè)拉力螺栓插入所述拉桿的端部；c.圍繞線圈繞組的一個(gè)側(cè)邊安裝至少一個(gè)外殼；d.將線圈繞組以及外殼圍繞轉(zhuǎn)子芯定位，從而使拉桿以及拉力螺栓橫跨在帶有外殼的線圈繞組的側(cè)邊之間，以及e.將螺栓固定在一個(gè)外殼上。
13.一種如權(quán)利要求12所述的方法，還包括向桿的第二端插入第二個(gè)螺栓并且將第二螺栓固定到位于線圈繞組的第二側(cè)邊上的第二外殼上。
14.一種如權(quán)利要求12所述的方法，還包括向線圈的第二側(cè)邊插入一個(gè)第二外殼，并且將第二外殼安裝到拉桿端部的第二螺栓上，其中所述的拉桿穿過(guò)轉(zhuǎn)子芯的轉(zhuǎn)動(dòng)軸線，并且線圈的第一側(cè)邊以及第二側(cè)邊分別位于轉(zhuǎn)子的相對(duì)側(cè)面上。
15.一種如權(quán)利要求12所述的方法，還包括通過(guò)一個(gè)螺紋插口將螺栓固定到外殼中去。
16.一種如權(quán)利要求12所述的方法，還包括低溫冷卻線圈、所述外殼、拉桿以及拉力螺栓。
17.一種如權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于一系列的拉桿以及螺栓被插入到轉(zhuǎn)子芯上的一系列通道并且被固定在線圈繞組上。
18.一種如權(quán)利要求12所述的方法，還包括改變螺栓在拉桿中的深度來(lái)調(diào)整拉桿以及螺栓部件的長(zhǎng)度這樣的步驟。
19.一種用于同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子，包括一個(gè)帶有導(dǎo)管的轉(zhuǎn)子芯；一個(gè)處在與轉(zhuǎn)子的縱向軸線平行的平面內(nèi)并位于跑道形中的跑道形超導(dǎo)線圈繞組；一個(gè)在轉(zhuǎn)子芯導(dǎo)管中的拉桿；一個(gè)在拉桿的每一端的拉力螺栓，以及將線圈繞組連接到每一個(gè)拉力螺栓上的外殼。
20.一種如權(quán)利要求19所述的轉(zhuǎn)子，還包括多個(gè)處在由SC線圈所確定的平面內(nèi)的與轉(zhuǎn)子芯的縱向軸線正交的導(dǎo)管。
21.一種如權(quán)利要求19所述的轉(zhuǎn)子，其特征在于拉力螺栓帶有一個(gè)緊靠線圈的端表面。
22.一種如權(quán)利要求19所述的轉(zhuǎn)子，其特征在于外殼包括一對(duì)位于線圈繞組相對(duì)表面上的側(cè)板，連接側(cè)板的楔，以及和側(cè)板連接到一起并且固定到螺栓上的螺紋插口。
23.一種如權(quán)利要求19所述的轉(zhuǎn)子，還包括位于轉(zhuǎn)子芯和拉桿之間的絕緣管套。
全文摘要
介紹一種用于同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子,其包括:一個(gè)轉(zhuǎn)子芯、一個(gè)沿轉(zhuǎn)子的至少一部分延伸的超導(dǎo)線圈繞組,所述線圈繞組帶有鄰近轉(zhuǎn)子芯側(cè)邊的側(cè)邊部;至少一個(gè)穿過(guò)所述轉(zhuǎn)子芯的通道管的拉桿;至少一個(gè)在拉桿端部之間延伸并且緊靠線圈繞組的側(cè)邊的拉力螺栓;以及連接到拉力螺栓以及線圈繞組上的通道外殼。
文檔編號(hào)H02K3/52GK1387301SQ0212511
公開(kāi)日2002年12月25日 申請(qǐng)日期2002年5月15日 優(yōu)先權(quán)日2001年5月15日
發(fā)明者E·T·拉斯卡里斯, J·P·亞歷山大 申請(qǐng)人:通用電氣公司