專利名稱：具有非冷卻式轉(zhuǎn)子體、冷卻式轉(zhuǎn)子繞組及附屬的固定和/或支承裝置的電機的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電機，所述電機具有以可繞旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)的方式進行安裝 的轉(zhuǎn)子，所述轉(zhuǎn)子
一 包括一非冷卻式轉(zhuǎn)子體，所述轉(zhuǎn)子體在其外側(cè)具有空隙或扁平部 分，所述空隙或扁平部分的截面區(qū)域內(nèi)布置有至少一個可冷卻至低溫的轉(zhuǎn)子 繞組，所述轉(zhuǎn)子繞組布置在具有低溫恒溫器壁的低溫恒溫器內(nèi)，
以及
一 配有一固定和/或支承裝置，所述固定和/或支承裝置用于通過所 述低溫恒溫器壁將作用在所述轉(zhuǎn)子繞組上的力傳遞到所述轉(zhuǎn)子體上， 其中，
— 所述固定和/或支承裝置包括至少一個支承元件，借助所述支承元 件可以實現(xiàn)從所述轉(zhuǎn)子體到所述轉(zhuǎn)子繞組的熱傳導(dǎo)。
背景技術(shù)：
DE 10 2004 039 855 Al中公開過相應(yīng)的電機。
在具有冷卻至80 K以下低溫的轉(zhuǎn)子繞組尤其是超導(dǎo)轉(zhuǎn)子繞組的旋轉(zhuǎn)電 ^/L中，轉(zhuǎn)矩部分地產(chǎn)生在轉(zhuǎn)子的冷繞組上。為能對這部分轉(zhuǎn)矩加以利用，需 要將被利用的轉(zhuǎn)矩傳遞到熱軸上。適合完成這一任務(wù)的裝置一方面須具有傳 遞這種轉(zhuǎn)矩(大型電機中的這種轉(zhuǎn)矩的大小可達到幾百kNm)的能力，另一 方面，超導(dǎo)轉(zhuǎn)子繞組的固定裝置須具有良好的絕熱性能。只有在絕熱性能充 分良好的情況下，才有可能通過有限的冷卻措施將轉(zhuǎn)子繞組保持在實現(xiàn)超導(dǎo) 所需的低溫下。
4在現(xiàn)有技術(shù)的已知電機中，超導(dǎo)轉(zhuǎn)子繞組由繞組支架固定，而繞組支架
自身又位于中央支架芯部上。DE 199 43 783 Al中公開過這種布置方式。這 種電機的轉(zhuǎn)子繞組、繞組支架和支架芯部處于實現(xiàn)超導(dǎo)所需的低溫下。這種 類型的電機由于冷支承結(jié)構(gòu)規(guī)模較大而需要;f艮長的冷卻時間，因而需要使用 高效冷卻系統(tǒng)。W0 98/02053中^Hf過另一種這個類型的電^L。
鑒于上述技術(shù)問題，對于大型電機而言有利的做法是，轉(zhuǎn)子繞組的至少 一部分支承結(jié)構(gòu)不要冷卻至實現(xiàn)超導(dǎo)所需的低溫溫度，即使用一個至少局部 為高溫的支承結(jié)構(gòu)。例如，DE 10 2004 039 855中/>開過這種結(jié)構(gòu)類型的電 機。在這種類型的電機中，超導(dǎo)轉(zhuǎn)子繞組位于低溫恒溫器內(nèi)，這個低溫恒溫 器位于非冷卻式轉(zhuǎn)子體外側(cè)的相應(yīng)空隙中或相應(yīng)扁平部分上。在這種具有所 謂的熱支承結(jié)構(gòu)的電機中，有必要借助適當(dāng)?shù)墓潭ê?或支承裝置將冷卻至 低溫的超導(dǎo)轉(zhuǎn)子繞組固定在熱轉(zhuǎn)子體上。DE 103 03 307 Al中公開過這種固 定和/或支承裝置。
在這些現(xiàn)有技術(shù)的已知電機中，從處于低溫的超導(dǎo)轉(zhuǎn)子繞組經(jīng)固定和/ 或支承裝置的不同部件而實現(xiàn)的熱傳導(dǎo)會引起損耗。為能在轉(zhuǎn)子繞組區(qū)域內(nèi) 保持實現(xiàn)超導(dǎo)所需的低溫，須通過冷卻系統(tǒng)將適當(dāng)?shù)睦鋮s能量傳輸?shù)诫姍C的 這些區(qū)i或內(nèi)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是對開篇所述類型的電機的超導(dǎo)轉(zhuǎn)子繞組的固定和/或支 承裝置進行改進，以便減小從冷超導(dǎo)轉(zhuǎn)子繞組到非冷卻式轉(zhuǎn)子體的熱傳導(dǎo)所 引起的損耗。
根據(jù)本發(fā)明，這個目的通過權(quán)利要求1所述的特征而達成。據(jù)此，所述 電機具有一以可繞旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)的方式進行安裝的轉(zhuǎn)子，所述轉(zhuǎn)子具有一非冷 卻式轉(zhuǎn)子體，所述轉(zhuǎn)子體在其外側(cè)具有空隙或扁平部分，在這些空隙或扁平 部分的截面區(qū)域內(nèi)，所述待冷卻轉(zhuǎn)子繞組被布置在低溫恒溫器內(nèi)，此外所述 電機的轉(zhuǎn)子還配有一固定和/或支承裝置，所述固定和/或支承裝置用于通過所述低溫恒溫器壁將作用在所述轉(zhuǎn)子繞組上的力傳遞到所述轉(zhuǎn)子體上。此 外，所述固定和/或支承裝置包括至少一個支承元件，借助所述支承元件可 以實現(xiàn)從所述轉(zhuǎn)子體到所述轉(zhuǎn)子繞組的熱傳導(dǎo)。根據(jù)本發(fā)明，所述的至少一 個支承元件具有用于減小熱導(dǎo)率的構(gòu)件，所述構(gòu)件構(gòu)成了至少一部分垂直于 傳熱方向的截面。
通過本發(fā)明的措施可以減小從冷轉(zhuǎn)子繞組到熱轉(zhuǎn)子體的熱傳導(dǎo)所引起 的損耗。
本發(fā)明的措施的優(yōu)點在于可以減小電機冷卻系統(tǒng)的尺寸。在此情況下， 對熱傳導(dǎo)所引起的冷卻損失的最小化會對電機效率產(chǎn)生積極的效果。
本發(fā)明的電機的有利建構(gòu)方案由權(quán)利要求1的從屬權(quán)利要求說明。其中， 可將權(quán)利要求1所述的實施方式與一個或優(yōu)選兩個以上的從屬權(quán)利要求的特
征相結(jié)合。據(jù)此，本發(fā)明的電機還可有利地具有下列特征
_支承元件可安裝在轉(zhuǎn)子繞組與低溫恒溫器壁之間或低溫恒溫器壁 與轉(zhuǎn)子體之間。通過本發(fā)明的這一措施可選擇性地減小轉(zhuǎn)子繞組與低溫恒溫 器壁之間或低溫恒溫器壁與轉(zhuǎn)子體之間的熱損失。
_電機的固定和/或支承裝置可包括一個以上的支承元件，這些支承 元件中的至少一個支承元件安裝在轉(zhuǎn)子繞組與低溫恒溫器壁之間，至少一另 個支承元件安裝在低溫恒溫器壁與轉(zhuǎn)子體之間。通過這種結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)兩級 式冷卻系統(tǒng)，在這種冷卻系統(tǒng)中，低溫恒溫器壁所處的溫度優(yōu)選介于冷轉(zhuǎn)子 繞組的溫度與轉(zhuǎn)子體的溫度之間。通過這種方式可使傳熱損失進一步最小 化。
—作為用于減小熱導(dǎo)率的構(gòu)件，支承元件可具有方向基本垂直于傳熱 方向的層狀結(jié)構(gòu)。借助通過該層狀結(jié)構(gòu)而實現(xiàn)的熱阻可進一步減小支承元件 在傳熱方向上的熱導(dǎo)率。相比于將支承元件實施為由不良導(dǎo)熱材料構(gòu)成的實
心元件而言，il 狀結(jié)構(gòu)可進一步減小導(dǎo)熱率<
6一支承元件的層狀結(jié)構(gòu)可進一步建構(gòu)為，支承元件通過多個單獨的元 件而形成，這些單獨的元件接合成一個整體形成熱阻。通過這種方式可在產(chǎn) 生于各元件之間的界面上進一步形成熱阻。
—此外，支承元件的這些單獨的元件優(yōu)選可由玻璃纖維增強塑料構(gòu) 成。其優(yōu)點在于，玻璃纖維增強塑料不僅強度大，而且還具有低的熱導(dǎo)率。
_支承元件可實施為由玻璃纖維增強塑料構(gòu)成的組件，并可具有通過 塑料中的玻璃纖維層而產(chǎn)生的層狀結(jié)構(gòu)。借此可有利地通過玻璃纖維增強塑 料的微觀結(jié)構(gòu)實現(xiàn)上文所述的熱阻作用方式。借此在各玻璃纖維層上形成熱 阻。
—此外，支承元件可用多孔材料制成，所述多孔材料優(yōu)選為燒結(jié)材料。 借此可通過存在于多孔材料內(nèi)的空腔實現(xiàn)熱阻，而無需借助上文所述的組件 的分層結(jié)構(gòu)。
—支承元件進一步建構(gòu)為具有必要的抵抗壓力負荷的能力。 —電機的轉(zhuǎn)子繞組可用超導(dǎo)材料制成。相比常導(dǎo)轉(zhuǎn)子繞組而言，由于 將超導(dǎo)體用作轉(zhuǎn)子繞組材料，使電機具有更為緊湊的結(jié)構(gòu)。
_可將HTC材料用作超導(dǎo)材料。HTC材料是指臨界溫度較高的超導(dǎo)材 料(高Te材料)。所述臨界溫度通常高于氮的沸點。通過對高溫超導(dǎo)體的應(yīng) 用，可將價格低廉而又容易獲得的氮用作冷卻劑。
_此外還可將LTC材料用作超導(dǎo)材料。LTC材料指的是用于低溫超導(dǎo) 體(低T。超導(dǎo)體)的材料。這類材料所經(jīng)歷的技術(shù)試驗歷史長于HTC材料， 因而具有良好的可用性。
本發(fā)明的電機的其他有利建構(gòu)方案可從上文未涉及的從屬權(quán)利要求和 附圖中獲得。


，；，、、 、、 。，、$ 、.，；、、、，、 、 作進一步說明，其中
7圖1為現(xiàn)有^t術(shù)中的轉(zhuǎn)子元件的截面圖2為固定和/或支承裝置的優(yōu)選實施方式，所述固定和/或支承裝置包 括至少一個本發(fā)明的支承元件；以及
圖3至圖5為本發(fā)明的支承元件的優(yōu)選實施方式。
具體實施例方式
相同部件在各附圖中用相同參考符號表示。
圖1以截面圖形式顯示如DE 10 2004 039 855 Al中所^^開的電^/L的轉(zhuǎn) 子2。 IO表示的是一個以可繞軸A旋轉(zhuǎn)的方式進行安裝的非冷卻式轉(zhuǎn)子體， 這個轉(zhuǎn)子體優(yōu)選可用鐵磁材料(特別是例如鐵)制成。轉(zhuǎn)子體10在其外側(cè) 具有彼此相對布置的空隙或扁平部分lla、 llb。從截面看，這些空隙或扁平 部分可以呈弓形，并沿軸向(即平行于轉(zhuǎn)子體的軸A)延伸。也可根據(jù)此處 未詳細說明的其它方式對這些空隙進行建構(gòu)。在所述空隙或扁平部分朝向旋 轉(zhuǎn)軸的一側(cè)，轉(zhuǎn)子體10上安裝有底板12a、 12b，從截面看，這些底板沿著 弦或割線延伸。從截面看，用14a、 14b表示的壁段使所述弓形完整。這些 壁段與底板12a、 12b—起構(gòu)成低溫恒溫器13a、 13b。低溫恒溫器13a、 13b 內(nèi)部布置有整體用16表示的一個勵》茲繞組的至少部分的轉(zhuǎn)子繞組16a、 16b。 轉(zhuǎn)子繞組16a、 16b可建構(gòu)為跑道式，尤其是可由兩個或多個組裝式部件構(gòu) 成。特別地，勵磁繞組16的轉(zhuǎn)子繞組16a、 16b可用超導(dǎo)材料制成。特別是 YBCO可作為超導(dǎo)材料使用。在使用YBCO或BPSCCO作為超導(dǎo)材料的情況下， 可使用液氮、液氦或液氖作為冷卻劑將轉(zhuǎn)子繞組16a、 16b冷卻至實現(xiàn)超導(dǎo) 所需的溫度。此外，可借助整體用17表示的固定和/或支承裝置的軌形或槽 形固定元件17a、 17b將轉(zhuǎn)子繞組16a、 16b安裝在^f氐溫恒溫器13a和13b中。 固定和/或支承裝置17特別地可包括用于吸收壓力和/或拉力的支承元件 18a、 18b。
圖2顯示的是整體用3表示的電機的一個部分，在這個電機中，轉(zhuǎn)子繞 組16a、 16b通過多個支7 義元件21至23與一個熱轉(zhuǎn)子體IO相連。轉(zhuǎn)子繞組16a、 16b特定而言可建構(gòu)為跑道式，并至少部分地用超導(dǎo)材料制成。轉(zhuǎn)子繞 組16a、 16b位于如圖1所示的低溫恒溫器內(nèi)部，這個低溫恒溫器的低溫恒 溫器壁20 —般位于熱轉(zhuǎn)子芯10與轉(zhuǎn)子繞組16a、 16b之間。在此情況下， 本發(fā)明的支承元件21、 22可選擇性地位于熱轉(zhuǎn)子芯10與低溫恒溫器壁20 之間，或位于低溫恒溫器壁20與冷轉(zhuǎn)子繞組16之間。
根據(jù)本發(fā)明，支承元件21至23配有用于減小從熱轉(zhuǎn)子芯10到冷轉(zhuǎn)子 繞組16a、 16b的熱流W的措施。下文將結(jié)合圖3至圖5對這些措施進行詳 細說明。此外，支承元件可建構(gòu)為，其經(jīng)過低溫恒溫器壁20將冷轉(zhuǎn)子繞組 16a、 16b與熱轉(zhuǎn)子芯IO連接起來。這種實施方式在圖2中用23表示。在此 情況下，支承元件23可實施為兩部分。第一部分連接轉(zhuǎn)子繞組16和低溫恒 溫器壁20,第二部分連接低溫恒溫器壁20和轉(zhuǎn)子芯10。作為替代方案，支 承元件23也可實施成一個整體，這個組件將冷轉(zhuǎn)子繞組16和熱轉(zhuǎn)子芯10 直接相連。本發(fā)明的支承元件21至23的可選的使用方式并不僅限于圖2所 示的實施方式2。轉(zhuǎn)子繞組16、低溫恒溫器壁20與轉(zhuǎn)子芯IO之間可設(shè)置多 種不同的幾何結(jié)構(gòu)。也可使用不同數(shù)量的支承元件21至23。特別地，低溫 恒溫器壁也可直接抵靠在轉(zhuǎn)子芯10上，或者由轉(zhuǎn)子芯構(gòu)成。
圖3顯示的是本發(fā)明的支承元件整體用4表示的實施方式的示意圖。其 中，支承元件4具有方向基本垂直于熱流W的方向的層狀結(jié)構(gòu)。支承元件4 用不良導(dǎo)熱材料制成，例如玻璃纖維增強塑料。所述玻璃纖維增強塑料由基 質(zhì)31和嵌入在基質(zhì)31中的分層32構(gòu)成?；|(zhì)31可由合成樹脂或澆鑄樹脂 構(gòu)成，嵌入式分層32可由玻璃纖維構(gòu)成。根據(jù)本發(fā)明，這些嵌入式玻璃纖 維構(gòu)成熱流W的熱阻。其中，本發(fā)明的支承元件4并不僅限于使用上述材料， 還可以使用多種不同的構(gòu)成基質(zhì)31的材料，例如聚合物、金屬、合金等等。 嵌入在基質(zhì)31內(nèi)的分層也可由多種不同的材料構(gòu)成?？梢允褂酶鞣N纖維材 料，但也可使用由導(dǎo)熱性能不同于基質(zhì)的材料構(gòu)成的分層。作為上述基質(zhì)/ 分層結(jié)構(gòu)的替代方案，支承元件4也可由多個單獨的元件31構(gòu)成，這些單
9獨的元件接合成一個組件，從而形成熱阻32。
圖4顯示的是本發(fā)明的支承元件整體用5表示的另一實施方式。這個實 施方式結(jié)合了上述的各熱阻形成方案。支承元件5由兩個或多個單獨的元件 41構(gòu)成，這些單獨的元件接合成一個組件5形成宏觀熱阻42。這些單獨的 元件41自身也可具有一個包括基質(zhì)44和嵌入式微觀熱阻43的分層結(jié)構(gòu)。 各熱阻的總和為支承元件5的總熱阻。微觀熱阻43例如由嵌入式玻璃纖維 氈形成。這些嵌入式玻璃纖維氈位于例如由合成樹脂或澆鑄樹脂構(gòu)成的不良 導(dǎo)熱基質(zhì)44中。所述單獨的元件41又進而接合成支承元件5形成宏觀熱阻 42。通過這種方式可將微觀熱阻和宏觀熱阻的效果結(jié)合起來。
圖5顯示的是本發(fā)明的支持裝置整體用6表示的另一優(yōu)選實施方式。支 承元件6由多孔材料構(gòu)成；特定而言，為此可用粒狀材料例如珠光體或其它 燒結(jié)材料。在這個實施方式中，位于基質(zhì)51中的孔隙52構(gòu)成熱流W的熱阻。
所述支承元件在熱流W的優(yōu)選方向上的空間延伸度可以大于其在垂直于 熱流W的優(yōu)選方向上的空間延伸度。此外，通過對支承元件的結(jié)構(gòu)和/或所 用材料進行選擇，還可使支承元件優(yōu)選具有吸收壓力的能力。
本發(fā)明的支承元件特定而言可在具有冷卻式超導(dǎo)轉(zhuǎn)子繞組的電機中用 作冷超導(dǎo)轉(zhuǎn)子繞組的固定和/或支承裝置的部件。這類電機可以用作電動機 或發(fā)電機。這種配有超導(dǎo)轉(zhuǎn)子繞組^由如"ffi洽$ ,i,
繞組的可類比電機的已知應(yīng)用領(lǐng)域。
10
權(quán)利要求
1. 一種電機，所述電機具有以可繞旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)的方式進行安裝的轉(zhuǎn)子，所述轉(zhuǎn)子包括一個非冷卻式轉(zhuǎn)子體，所述轉(zhuǎn)子體在其外側(cè)具有空隙或扁平部分，這些空隙或扁平部分的截面區(qū)域內(nèi)布置有至少一個待冷卻至低溫的轉(zhuǎn)子繞組，所述轉(zhuǎn)子繞組安置在具有低溫恒溫器壁的低溫恒溫器內(nèi)，以及具有一個固定和/或支承裝置，所述固定和/或支承裝置用于經(jīng)所述低溫恒溫器壁將作用在所述轉(zhuǎn)子繞組上的力傳遞到所述轉(zhuǎn)子體上，其中，所述固定和/或支承裝置包括至少一個支承元件，所述支承元件用以實現(xiàn)從所述轉(zhuǎn)子體到所述轉(zhuǎn)子繞組的熱傳導(dǎo)，其特征在于，所述的至少一個支承元件具有用于減小熱導(dǎo)率的構(gòu)件，所述構(gòu)件構(gòu)成至少一部分垂直于傳熱方向的截面。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的電機，其特征在于，所述的至少一個支承元件安裝在所述轉(zhuǎn)子繞組與所述低溫恒溫器壁之間，或安裝在所述低溫恒溫器壁與所述轉(zhuǎn)子體之間。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電機，其特征在于，所述固定和/或支承裝置包括兩個或多個支承元件，其中，至少一個支承元件安裝在所述轉(zhuǎn)子繞組與所述低溫恒溫器壁之間，至少一個支承元件安裝在所述低溫恒溫器壁與所述轉(zhuǎn)子體之間。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項權(quán)利要求所述的電機，其特征在于，作為所述用于減小熱導(dǎo)率的構(gòu)件，所述支承元件具有方向基本垂直于所述傳熱方向的層狀結(jié)構(gòu)或分層結(jié)構(gòu)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的電機，其特征在于，所述支承元件的層狀結(jié)構(gòu)由兩個或多個單獨的元件構(gòu)成，這些單獨的元件通過其彼此間的接觸面接合成一個整體從而形成熱阻。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的電機，其特征在于，所述支承元件的各單獨的元件由玻璃纖維增強塑料構(gòu)成。
7. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的電機，其特征在于，所述支承元件為由玻璃纖維增強塑料構(gòu)成的組件，所述支承元件的層狀結(jié)構(gòu)通過所述玻璃纖維增強塑料內(nèi)的玻璃纖維的相應(yīng)布置而產(chǎn)生。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項權(quán)利要求所述的電機，其特征在于，所述的至少一個支承元件用多孔材料制成。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的電機，其特征在于，所述多孔材料為粒狀材料或燒結(jié)材料。
10. 根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項權(quán)利要求所述的電機，其特征在于，所述支承元件必要地受到壓力負荷。
11. 根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項權(quán)利要求所述的電機，其特征在于，所述的至少一個轉(zhuǎn)子繞組由超導(dǎo)材料構(gòu)成。
12. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的電機，其特征在于，所述超導(dǎo)材料為LTC材料。
13. 根據(jù)權(quán)利要求11所述的電機，其特征在于，所述超導(dǎo)材料為HTC材料。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種電機，所述電機具有一個以可繞旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)的方式進行安裝的未冷卻轉(zhuǎn)子，所述轉(zhuǎn)子在其外側(cè)具有空隙或扁平部分。這些扁平部分的截面區(qū)域內(nèi)布置有至少一個待冷卻至低溫的轉(zhuǎn)子繞組，所述轉(zhuǎn)子繞組布置在具有低溫恒溫器壁的低溫恒溫器內(nèi)。一固定和/或支承裝置用于將作用在所述轉(zhuǎn)子繞組上的力越過所述低溫恒溫器壁傳遞到所述轉(zhuǎn)子體上。為減小冷卻系統(tǒng)中由于熱傳導(dǎo)而產(chǎn)生的損耗，所述固定和/或支承裝置包括至少一個支承元件，所述支承元件具有減小熱導(dǎo)率的構(gòu)件。
文檔編號H02K55/00GK101467339SQ200780022096
公開日2009年6月24日 申請日期2007年5月4日 優(yōu)先權(quán)日2006年6月12日
發(fā)明者彼得·范哈塞爾特, 邁克爾·弗蘭克 申請人:西門子公司