專利名稱：超導(dǎo)旋轉(zhuǎn)電機(jī)和超導(dǎo)旋轉(zhuǎn)電機(jī)用定子的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及超導(dǎo)旋轉(zhuǎn)電機(jī)和用于與該旋轉(zhuǎn)電機(jī)一起使用的定子。特別地，本發(fā)明涉及能夠提高旋轉(zhuǎn)電機(jī)的功率轉(zhuǎn)換效率的定子。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)上，已經(jīng)提出了各種旋轉(zhuǎn)電機(jī)(諸如感應(yīng)電動機(jī)和永磁同步電動機(jī))來供旋轉(zhuǎn)電機(jī)或發(fā)電機(jī)使用。典型地，每個(gè)旋轉(zhuǎn)電機(jī)具有繞組和鐵芯，使得通過向繞組施加電流而產(chǎn)生的磁通量集中在鐵芯中，以便增大磁場強(qiáng)度和旋轉(zhuǎn)電機(jī)的作為結(jié)果產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)力。為此，鐵芯由強(qiáng)磁性材料(諸如鐵)制成，并且限定有用于收容繞組的槽。鐵芯是通過堆疊多個(gè)薄板而制成的，每個(gè)薄板由適合的電絕緣材料覆蓋。為了減小繞組或永磁體產(chǎn)生的磁通量的變化所引起的渦流，各薄板由合金鋼(諸如具有減小的磁滯和提高的飽和磁化強(qiáng)度的磁鋼板)制成。優(yōu)選地，旋轉(zhuǎn)電機(jī)具有提高的功率轉(zhuǎn)換效率。為了滿足該要求，應(yīng)該使銅損和渦流損耗最小化。例如，銅損表現(xiàn)為由于在導(dǎo)電部件(諸如電樞繞組或定子繞組)中流動的電流而產(chǎn)生的電阻加熱。特別地，在諸如小型或中型無刷旋轉(zhuǎn)電機(jī)或者永磁同步發(fā)電機(jī)之類的旋轉(zhuǎn)電機(jī)中，銅損占據(jù)總損耗的大部分。渦流損耗表現(xiàn)為由于在磁通量周圍產(chǎn)生的渦流而產(chǎn)生的電阻加熱，其與旋轉(zhuǎn)電機(jī)的驅(qū)動頻率的平方成比例。于是，驅(qū)動頻率以及作為結(jié)果產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)頻率的增大會引起繞組中渦流的顯著增大。這意味著為了減小銅損，重要的是減小電樞繞組或定子繞組中的電阻。據(jù)此，專利文獻(xiàn)1公開了增大繞組的總截面面積相對于收容繞組的槽的截面面積的比率，從而減小定子中要產(chǎn)生的銅損。傳統(tǒng)上已知的是，通過將多個(gè)圓形或矩形截面的電線捆在一起來形成繞組束。使用繞組束可以比使用大直徑繞組減小更多渦流。繞組束可以簡單地通過將大量平行電線捆在一起來制成。專利文獻(xiàn)2公開了通過將大量電線扭絞在一起而制成的扭絞繞組。近來，例如專利文獻(xiàn)3提出了一種超導(dǎo)旋轉(zhuǎn)電機(jī)，其中為了增大功率轉(zhuǎn)換效率并使超導(dǎo)旋轉(zhuǎn)電機(jī)小型化，通過使用超導(dǎo)電線形成電樞繞組來向轉(zhuǎn)子和定子提供超導(dǎo)特性。 專利文獻(xiàn)3還公開了包含超導(dǎo)轉(zhuǎn)子和定子的超導(dǎo)旋轉(zhuǎn)電機(jī)，其中繞組由超導(dǎo)材料制成以便引入超導(dǎo)特性，并且由此可以獲得具有提高的電力轉(zhuǎn)換效率的小型旋轉(zhuǎn)電機(jī)?，F(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)專利文獻(xiàn)專利文獻(xiàn)1 特開2000-217^2號公報(bào)專利文獻(xiàn)2 特開2006-325338號公報(bào)專利文獻(xiàn)3 特開2005-176578號公報(bào)
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題同時(shí)，具有由強(qiáng)磁性材料(諸如鐵)制成的定子或轉(zhuǎn)子的正常導(dǎo)電旋轉(zhuǎn)電機(jī)的尺寸基本上由飽和磁場強(qiáng)度、或者獲得預(yù)定輸出所需的強(qiáng)磁性材料的截面面積或繞組的圈數(shù)確定。此外，如上所述，旋轉(zhuǎn)電機(jī)中的渦流損耗可以通過堆疊由展現(xiàn)較小的鐵損的材料(諸如磁鋼)制成并且由電絕緣材料覆蓋的薄板來減小。典型地，繞組的總截面面積相對于正常導(dǎo)電旋轉(zhuǎn)電機(jī)中的槽的總截面面積的比率在約30% -40%的范圍內(nèi)變動，這不足以有效地減小在向繞組施加大電流的情況下由于定子中的銅損引起的溫度升高量。此外，盡管可以使用具有圓形或矩形截面的電線的繞組束來使繞組作業(yè)變得容易，但是與渦流損耗相關(guān)的繞組圈數(shù)被限制到約20-30。此外，使用通常在超導(dǎo)旋轉(zhuǎn)電機(jī)中采用的鉍系高溫超導(dǎo)電線所制成的定子繞組可能會影響超導(dǎo)特性，諸如由于交流損耗產(chǎn)生的熱導(dǎo)致的繞組溫度上升以及作為結(jié)果產(chǎn)生的臨界電流的降低。于是，為定子提供超導(dǎo)特性在技術(shù)上可能是困難的，并且即使有可能，也會導(dǎo)致超導(dǎo)旋轉(zhuǎn)電機(jī)的制造成本的提高。此外，采用在超導(dǎo)旋轉(zhuǎn)電機(jī)中通常使用的鉍系高溫超導(dǎo)材料來形成超導(dǎo)旋轉(zhuǎn)電機(jī)的定子繞組會導(dǎo)致由于交流損耗而引起繞組溫度上升，并由此降低與繞組的超導(dǎo)特性相關(guān)的臨界電流。總之，為定子提供超導(dǎo)特性在技術(shù)上也許是不可能的。此外，為定子提供超導(dǎo)特性會導(dǎo)致超導(dǎo)旋轉(zhuǎn)電機(jī)的制造成本的提高。同時(shí)，具有超導(dǎo)轉(zhuǎn)子和正常導(dǎo)電定子的超導(dǎo)旋轉(zhuǎn)電機(jī)可以增大磁場密度并因此降低超導(dǎo)旋轉(zhuǎn)電機(jī)的總制造成本，這會減小超導(dǎo)轉(zhuǎn)子中的銅損并因此提高功率轉(zhuǎn)換效率，但是會增大正常導(dǎo)電定子中的銅損、鐵損或渦流損耗。此外，鐵芯的磁場易于被來自電樞的高磁場變飽和，這會阻止施加交流磁場。這會導(dǎo)致從超導(dǎo)轉(zhuǎn)子取得的提高的效率被定子中的損耗抵消，這不能滿足超導(dǎo)旋轉(zhuǎn)電機(jī)中進(jìn)一步提高功率轉(zhuǎn)換效率的要求。為了解決該問題， 超導(dǎo)轉(zhuǎn)子和正常導(dǎo)電定子可以相互組合以提高磁場強(qiáng)度并由此防止制造成本的顯著提高。 這也提高了旋轉(zhuǎn)電機(jī)的功率轉(zhuǎn)換效率。然而，作為折衷，定子中的正常導(dǎo)電特性會引起銅損、鐵損和/或渦流損耗。此外，鐵芯的磁場將會立即被電樞的磁場變飽和，這會削弱交流磁場。因此，從超導(dǎo)轉(zhuǎn)子取得的提高的效率將會被定子中的損耗抵消。因此，本發(fā)明是為了解決這些問題而做出的，并且本發(fā)明的目的是提高具有超導(dǎo)轉(zhuǎn)子和正常導(dǎo)電定子的超導(dǎo)旋轉(zhuǎn)電機(jī)中的功率轉(zhuǎn)換效率。問題的解決方案本發(fā)明的一方面是在超導(dǎo)旋轉(zhuǎn)電機(jī)中使用的定子，所述旋轉(zhuǎn)電機(jī)包括具有超導(dǎo)繞組的轉(zhuǎn)子和在轉(zhuǎn)子周圍安裝的所述定子，并且所述定子包括多個(gè)齒，其圍繞轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)軸以規(guī)則間隔配置從而限定各自位于相鄰的齒之間的多個(gè)槽；以及多個(gè)繞組，每個(gè)繞組具有帶狀電線部件，所述電線部件具有多個(gè)矩形截面電線，其中所述矩形電線彼此并列配置并且彼此電絕緣，所述繞組通過將所述帶狀電線部件卷繞多次從而具有第一和第二繞組部分而構(gòu)成，所述第一和第二繞組部分具有所述矩形電線呈格子狀配置的截面，并且在與所述旋轉(zhuǎn)軸垂直的截面中具有相同的電線配置，所述第一繞組部分配置在多個(gè)槽中的一個(gè)槽的徑向外側(cè)區(qū)域中，并且所述第二繞組部分配置在多個(gè)槽中的與多個(gè)槽中的所述一個(gè)槽相對應(yīng)的另一個(gè)槽的徑向內(nèi)側(cè)區(qū)域中。
本發(fā)明的另一方面是在超導(dǎo)旋轉(zhuǎn)電機(jī)中使用的定子，所述旋轉(zhuǎn)電機(jī)包括具有超導(dǎo)繞組的轉(zhuǎn)子和在轉(zhuǎn)子周圍安裝的所述定子，所述定子包括多個(gè)齒，其圍繞轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)軸以規(guī)則間隔配置從而限定各自位于相鄰的齒之間的多個(gè)槽；以及多個(gè)繞組，每個(gè)繞組具有帶狀電線部件，所述電線部件具有多個(gè)電線，其中所述電線彼此并列配置并且彼此電絕緣，所述繞組通過將所述帶狀電線部件卷繞多次而構(gòu)成，其中每圈繞組的徑向相對部分被扭捻并上下反轉(zhuǎn)從而具有第一和第二繞組部分，所述第一和第二繞組部分具有所述電線呈格子狀配置的截面，并且在與所述旋轉(zhuǎn)軸垂直的截面中具有相同的電線配置，所述第一繞組部分配置在多個(gè)槽中的一個(gè)槽的徑向外側(cè)區(qū)域中，并且所述第二繞組部分配置在多個(gè)槽中的與多個(gè)槽中的所述一個(gè)槽相對應(yīng)的另一個(gè)槽的徑向內(nèi)側(cè)區(qū)域中，多個(gè)繞組中的一個(gè)繞組和與所述一個(gè)繞組相鄰配置的另一個(gè)繞組以這樣的方式彼此電連接所述一個(gè)繞組中的關(guān)于所述轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向從上游到下游順次地配置的電線分別連接到所述另一個(gè)繞組中的關(guān)于所述旋轉(zhuǎn)方向從下游到上游順次地配置的電線。在本發(fā)明的另一方面中，在與所述中心軸垂直的截面中，所述電線的總截面面積與所述定子的總截面面積的比率為55%以上。根據(jù)本發(fā)明，能夠在具有超導(dǎo)轉(zhuǎn)子和正常導(dǎo)電定子的超導(dǎo)旋轉(zhuǎn)電機(jī)中獲得提高的功率轉(zhuǎn)換效率。


圖1是超導(dǎo)旋轉(zhuǎn)電機(jī)的部分剖開透視圖；圖2是圖1中的超導(dǎo)旋轉(zhuǎn)電機(jī)的橫截面圖；圖3A-3D分別是繞組的透視圖、端面圖和截面圖；圖4是繞組的透視圖；圖5A和5B是示出繞組的配置的圖，在各圖中附圖標(biāo)記1_48表示槽編號；圖6A是超導(dǎo)旋轉(zhuǎn)電機(jī)的部分截面圖，并且圖6B是齒和繞組的截面圖；圖7是圖1中的超導(dǎo)旋轉(zhuǎn)電機(jī)的縱向截面圖；圖8A是示出繞組的電連接的圖，并且圖8B和8C是示出超導(dǎo)旋轉(zhuǎn)電機(jī)的Y連接的圖，在各圖中附圖標(biāo)記1-48表示槽編號；圖9A是示出導(dǎo)電材料中渦流的產(chǎn)生的圖，圖9B是示出移動的磁場橫切導(dǎo)電部件的圖，并且圖9C是示出在繞組的截面中產(chǎn)生的渦流的圖；圖10A-10C是示出線圈間的連接的圖；圖11是示出通過根據(jù)本發(fā)明的線圈間的連接來消除渦流的圖；圖12A和12B是示出繞組之間的相移的圖；圖13A-13C是示出用于具有4個(gè)磁極和48個(gè)槽的旋轉(zhuǎn)電機(jī)的線圈間的連接的圖；圖14A-14C是示出用于具有4個(gè)磁極和36個(gè)槽的旋轉(zhuǎn)電機(jī)的線圈間的連接的圖；圖15A-15C是示出用于具有6個(gè)磁極和M個(gè)槽的旋轉(zhuǎn)電機(jī)的線圈間的連接的圖；圖16A-16C是示出用于具有6個(gè)磁極和72個(gè)槽的旋轉(zhuǎn)電機(jī)的線圈間的連接的圖。
具體實(shí)施方式
將參考

根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的超導(dǎo)旋轉(zhuǎn)電機(jī)和該旋轉(zhuǎn)電機(jī)中包含的定子。圖1示出徑向間隙超導(dǎo)旋轉(zhuǎn)電機(jī)的外部和內(nèi)部結(jié)構(gòu)，并且圖2示出圖1中的旋轉(zhuǎn)電機(jī)的截面。如圖所示，由附圖標(biāo)記10概括表示的旋轉(zhuǎn)電機(jī)具有殼體12、圍繞由殼體12限定的中心軸14自由旋轉(zhuǎn)地被支撐的轉(zhuǎn)子16、以及安裝在轉(zhuǎn)子16的周圍并且固定在殼體12 的內(nèi)壁上的定子18。轉(zhuǎn)子16包括沿中心軸14延伸并且由殼體12可旋轉(zhuǎn)地支撐的旋轉(zhuǎn)軸20。軸20支撐由內(nèi)側(cè)圓筒體構(gòu)成的芯22和由外側(cè)圓筒體構(gòu)成的套管24，芯22和套管M繞中心軸14 同軸安裝從而在芯22和套管M之間限定圓筒狀真空絕熱空隙26。多對無鐵芯超導(dǎo)繞組或線圈觀沿周向以規(guī)則間隔安裝在芯22的外表面上。盡管沒有示出，但是線圈觀電連接到電源。如圖2所示，根據(jù)該實(shí)施例，四個(gè)超導(dǎo)線圈觀沿周向以規(guī)則間隔安裝，這允許形成四個(gè)磁極使得通過向超導(dǎo)線圈28施加電流而沿周向交替地出現(xiàn)北極N和南極S。芯22中限定有平行于中心軸14延伸的多個(gè)冷卻介質(zhì)輸送通道30。通道30與未示出的冷卻介質(zhì)供應(yīng)源流體連通，使得冷卻介質(zhì)(諸如氦氣)從冷卻介質(zhì)供應(yīng)源供應(yīng)到各個(gè)通道中。優(yōu)選地，芯 22是通過切割具有改進(jìn)的低溫特性的非磁性材料(諸如中空圓柱形鍛造材料SUS316)而制成的。優(yōu)選地，套管M包含具有改進(jìn)的低溫絕熱特性的一個(gè)或多個(gè)絕熱層。定子18具有牢固地安裝在殼體12的內(nèi)表面上的圓筒形背軛18。優(yōu)選地，背軛18 是通過層疊沿與中心軸14垂直的方向取向的多個(gè)磁鋼板(諸如硅鋼板)制成的。背軛18 進(jìn)一步支撐圍繞中心軸14沿周向以規(guī)則間隔配置在背軛的內(nèi)表面上的多個(gè)齒34。每個(gè)齒 34從背軛32朝徑向內(nèi)側(cè)并且平行于中心軸14延伸。周向上相鄰的每兩個(gè)齒34之間限定有沿平行于中心軸14的方向延伸的大致矩形截面的槽36，在槽36中收容有下述的相關(guān)繞組40 (參看圖3A-3D)的一部分。在該實(shí)施例中，旋轉(zhuǎn)電機(jī)10包括48個(gè)齒34和48個(gè)槽 36。每個(gè)槽36具有由一對徑向延伸的長邊和一對周向延伸的短邊限定的矩形截面。齒34由非磁性材料制成。在該實(shí)施例中，齒34由具有高機(jī)械強(qiáng)度的剛性樹脂材料諸如纖維增強(qiáng)塑料(FRP)形成。齒34可以由非磁性金屬諸如不銹鋼制成。在任何一種情況下，齒34都可以通過層疊與中心軸14平行地配置的多個(gè)薄板來形成。因?yàn)辇X34如上所述由非磁性材料制成，所以在齒34中不會隨著轉(zhuǎn)子16的旋轉(zhuǎn)所引起的磁場運(yùn)動而發(fā)生渦流，使得不需要用來冷卻齒34的機(jī)構(gòu)。此外，不會有磁通量集中在齒34的與轉(zhuǎn)子16相對的徑向內(nèi)側(cè)端部。參考圖3A-3D，繞組40是通過卷繞電線部件42制成的。電線部件42呈帶狀形式并且包括彼此并列配置的多個(gè)電線44。每個(gè)電線44與相鄰電線通過設(shè)置在它們之間的絕緣材料而電絕緣。在該實(shí)施例中，電線44具有由沿著電線部件42的厚度方向取向的長邊和沿著電線部件42的寬度方向取向的短邊限定的矩形截面。例如，用于電線44的材料是具有6毫米長邊和2. 83毫米短邊的市售的典型銅質(zhì)矩形截面材料。在該實(shí)施例中，電線部件42包括彼此并列配置并且卷繞五次從而形成繞組40的 12個(gè)電線44 (a)-44(1)。在該實(shí)施例中，電線部件42被卷繞成六角形從而形成徑向相對的兩個(gè)扭捻部46、48，其中電線部件42在每個(gè)扭捻部上下反轉(zhuǎn)。這導(dǎo)致每個(gè)堆疊的直線部分 50,52處于扭捻部46、48的相反兩側(cè)。直線部分50、52的每個(gè)截面具有切12的電線格子， 其中每行具有從左到右按如下順序配置的12個(gè)電線44(a)-44(1)。在下面的說明中，與電線44的近端M相鄰的直線部分50被稱為“近端直線部分”，并且與電線44的遠(yuǎn)端56相鄰的直線部分52被稱為“遠(yuǎn)端直線部分”。繞組的數(shù)量對應(yīng)于槽的數(shù)量，即在具有48個(gè)槽的該實(shí)施例中制備了 48個(gè)繞組 40(1)-4(K48)。每個(gè)繞組40安裝在定子18上，使得近端直線部分50位于一個(gè)槽36 (i)的徑向內(nèi)側(cè)區(qū)域60上并且遠(yuǎn)端直線部分52位于另一個(gè)槽36 (i+12)的徑向外側(cè)區(qū)域62上， 所述另一個(gè)槽36(1+1 是從所述一個(gè)槽36 (i)開始沿周向數(shù)第12個(gè)槽(參看圖4)。具體地，如附圖標(biāo)記1-48表示槽編號的圖5A、5B和5C所示，繞組40(1)-4(K48)被配置成使其近端直線部分50配置在槽36(1)-36 08)的徑向內(nèi)側(cè)區(qū)域60上并且使其遠(yuǎn)端直線部分 52配置在槽36 (13) -36 (12)的徑向外側(cè)區(qū)域62上，這導(dǎo)致10x12的電線格子形成在每個(gè)槽 36的矩形區(qū)域60內(nèi)(參看圖4B)。扭捻部46、48以及近端和遠(yuǎn)端M、56配置在槽的縱向端部的外側(cè)，并且一個(gè)繞組的近端M與另一個(gè)繞組的相關(guān)遠(yuǎn)端56電連接，這將在下面說明 (參看圖7)。這樣配置的繞組40以傳統(tǒng)方式電連接。該實(shí)施例中的旋轉(zhuǎn)電機(jī)是3相旋轉(zhuǎn)電機(jī)， 其具有4個(gè)磁極、6個(gè)線圈和48個(gè)槽。于是，繞組40(1)-4(K48)被劃分成12個(gè)組，每個(gè)組具有連續(xù)相鄰的四個(gè)繞組。具體地，如圖8Α、8Β和8C所示，繞組40(1)的近端連接到端子Ul。繞組40(1)的遠(yuǎn)端和繞組40( 的近端、繞組40( 的遠(yuǎn)端和繞組40 C3)的近端、繞組40 C3)的遠(yuǎn)端和繞組40 (4)的近端、繞組40 (4)的遠(yuǎn)端和繞組40 的近端彼此連接。此外，繞組4(K25)的遠(yuǎn)端和繞組4(Κ26)的近端、繞組4(Κ26)的遠(yuǎn)端和繞組4(Κ27)的近端、以及繞組4(Κ27)的遠(yuǎn)端和繞組4(Κ28)的近端彼此連接。繞組4(Κ29)的遠(yuǎn)端連接到端子XI。繞組40 (5)的遠(yuǎn)端和繞組40 (6)的近端、繞組40 (6)的遠(yuǎn)端和繞組40 (7)的近端、 以及繞組40 (7)的遠(yuǎn)端和繞組40 (8)的近端彼此連接。繞組40 (8)的遠(yuǎn)端連接到端子W2。 繞組40 的近端連接到端子Z2。繞組40 的遠(yuǎn)端和繞組40 (30)的近端、繞組40 (30) 的遠(yuǎn)端和繞組40 (31)的近端、繞組40 (31)的遠(yuǎn)端和繞組40 (3 的近端、以及繞組40 (32) 的遠(yuǎn)端和繞組40 (5)的近端彼此連接。繞組40 (9)的近端連接到端子Vl。繞組40 (9)的遠(yuǎn)端和繞組40 (10)的近端、繞組40(10)的遠(yuǎn)端和繞組40(11)的近端、繞組40(11)的遠(yuǎn)端和繞組40(1 的近端、繞組 40(12)的遠(yuǎn)端和繞組40 (3 的近端彼此連接。此外，繞組40 (3 的遠(yuǎn)端和繞組40 (34)的近端、繞組40 (34)的遠(yuǎn)端和繞組40 (3 的近端、以及繞組40 (3 的遠(yuǎn)端和繞組40 (36)的近端彼此連接。繞組40 (36)的遠(yuǎn)端連接到端子Yl。繞組40 (13)的近端連接到端子X2。繞組40 (13)的遠(yuǎn)端和繞組40 (14)的近端、 繞組40 (14)的遠(yuǎn)端和繞組40 (1 的近端、繞組40 (1 的遠(yuǎn)端和繞組40 (16)的近端、繞組 40(16)的遠(yuǎn)端和繞組40 (37)的近端彼此連接。此外，繞組40 (37)的遠(yuǎn)端和繞組40 (38)的近端、繞組40 (3 的遠(yuǎn)端和繞組40 (3 的近端、以及繞組40 (3 的遠(yuǎn)端和繞組4(K40)的近端彼此連接。繞組4(Κ40)的近端連接到端子U2。繞組40 (17)的近端連接到端子Wl。繞組40 (17)的遠(yuǎn)端和繞組40 (18)的近端、 繞組40 (1 的遠(yuǎn)端和繞組40 (1 的近端、繞組40 (1 的遠(yuǎn)端和繞組4(K20)的近端、繞組 40(20)的遠(yuǎn)端和繞組4(Κ41)的近端彼此連接。此外，繞組4(Κ41)的遠(yuǎn)端和繞組4(Κ42)的近端、繞組40 的遠(yuǎn)端和繞組40 的近端、以及繞組40 的遠(yuǎn)端和繞組4(K44)的近端彼此連接。繞組4(Κ44)的遠(yuǎn)端連接到端子Ζ1。
繞組40 (21)的近端連接到端子Y2。繞組40 (21)的遠(yuǎn)端和繞組40 (22)的近端、 繞組40 的遠(yuǎn)端和繞組40 的近端、繞組40 的遠(yuǎn)端和繞組4(K24)的近端、繞組 40(24)的遠(yuǎn)端和繞組40 的近端彼此連接。此外，繞組40 的遠(yuǎn)端和繞組4(K46)的近端、繞組4(Κ46)的遠(yuǎn)端和繞組4(Κ47)的近端、以及繞組4(Κ47)的遠(yuǎn)端和繞組4(Κ48)的近端彼此連接。繞組4(Κ48)的遠(yuǎn)端連接到端子V2。根據(jù)這樣構(gòu)造的旋轉(zhuǎn)電機(jī)10，電流從未示出的電源施加到超導(dǎo)線圈28從而沿圓周方向以90度的規(guī)則間隔形成多個(gè)磁極，使得N(北極)和S(南極)交替出現(xiàn)。此外，電流以預(yù)定的定時(shí)從未示出的電源施加到繞組40，使得根據(jù)由繞組形成的磁場的變化，轉(zhuǎn)子沿圖2中的逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)。在轉(zhuǎn)子16的旋轉(zhuǎn)過程中，超導(dǎo)線圈觀產(chǎn)生的磁場沿旋轉(zhuǎn)方向運(yùn)動(圖2中的逆時(shí)針方向)。如圖9Α所示，當(dāng)磁場68通過導(dǎo)電部件(電線、電線束)66時(shí)，渦流70在導(dǎo)電部件66中產(chǎn)生。如果齒由磁性材料制成，則磁場將集中在超導(dǎo)線圈中。然而，上述旋轉(zhuǎn)電機(jī)10中的齒34由非磁性材料制成，這會導(dǎo)致隨著轉(zhuǎn)子16的旋轉(zhuǎn)，由超導(dǎo)線圈觀形成的磁通量68橫切槽中的電線44，從而在電線44中感應(yīng)出渦流。電線44中的渦流的強(qiáng)度根據(jù)磁場的運(yùn)動而隨時(shí)間變化，這會在轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向的上游電線和下游電線之間產(chǎn)生電位差。渦流流動方向取決于與電線44構(gòu)成的線束相對的磁場的極性。在具有4個(gè)磁極、 6個(gè)線圈和48個(gè)槽的旋轉(zhuǎn)電機(jī)中，當(dāng)繞組40(1)-40(4)的近端直線部分50與超導(dǎo)線圈觀的N磁極相對時(shí)，其遠(yuǎn)端直線部分52與線圈28的S磁極相對。于是，如圖9C所示，在與N 磁極相對的近端直線部分50中，在關(guān)于轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向配置在上游側(cè)的每個(gè)電線中、在電機(jī)軸向上產(chǎn)生較高的電位差H(+)，并且在配置在下游側(cè)的每個(gè)電線中、在電機(jī)軸向上產(chǎn)生較低的電位差L(+)。這會導(dǎo)致由于上游較高的電位差H(+)和下游較低的電位差L(+)之間的差異，渦流在上游和下游電線部分之間循環(huán)。另一方面，在與S磁極相對的遠(yuǎn)端直線部分52中，在關(guān)于轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向配置在上游側(cè)的每個(gè)電線中、在與電機(jī)軸向相反的方向上產(chǎn)生較低的電位差L(-)，并且在配置在下游側(cè)的每個(gè)電線中、在與電機(jī)軸向相反的方向上產(chǎn)生較高的電位差H(-)。這會導(dǎo)致由于上游較低的電位差L(-)和下游較高的電位差H(-) 之間的差異，渦流在上游和下游電線部分之間循環(huán)。為了解決該問題，在圖10AU0B和IOC中所示的第一實(shí)施例中，相鄰繞組例如繞組 40 (1)和40 (2)、繞組40 (2)和40 (3)、以及繞組40 (3)和40 (4)之間的各電連接(下文中稱為“線圈間的連接”)是通過將電線44 (a) -44⑴的遠(yuǎn)端M分別與相鄰的電線44⑴-44 (a) 的近端56連接來實(shí)現(xiàn)的，即電線44(a)與44(l)、44(b)與44(k)、...、44(k)與44(b)、以及44(1)與44(a)被彼此連接。這會導(dǎo)致如圖11所示，在繞組中沿相反方向流動的、產(chǎn)生于近端直線部分50和遠(yuǎn)端直線部分52中的大部分渦流被彼此抵消。于是，使繞組中的渦流最小化。應(yīng)注意的是，繞組沿周向以規(guī)則間隔配置，并且因此如圖12A和12B所示，在一個(gè)繞組中的一個(gè)渦流和相鄰繞組中的另一渦流之間存在著一定的相位差，使得并非所有渦流都被彼此抵消并且仍有少量渦流存在于每個(gè)繞組中。為了解決該問題，在圖13A、i;3B和13C 中所示的第二實(shí)施例中，包括繞組40 (1) -40 (4)并且配置成與一個(gè)磁極相對的一個(gè)繞組群 72(1)和在周向上與繞組群72(1)間隔180度的包括繞組40 -40( )并且配置成與另一個(gè)磁極相對的另一個(gè)繞組群72( 之間的連接(下文中稱為“磁極間的連接”)是通過將第一群72(1)中的電線44 (a)-44(1)的遠(yuǎn)端分別與第二群72 O)中的電線44 (a)-44 (1)的近端連接來實(shí)現(xiàn)的。這會導(dǎo)致如圖14A和14B所示，兩個(gè)群取基本相同的電位，并且渦流由此基本上彼此抵消。磁極間的連接取決于槽數(shù)和待連接的電線而采取不同的形式。例如，如圖13A、13B 和13C所示，如果旋轉(zhuǎn)電機(jī)具有3相、4個(gè)磁極和48個(gè)槽(即，每一相一極的槽數(shù)為4)并且具有四個(gè)繞組40(1)-40 )的一個(gè)群72(1)和具有四個(gè)繞組40 -40( )的另一個(gè)群72(2)通過在繞組40(4)的從槽36(16)的外側(cè)區(qū)域延伸出的遠(yuǎn)端與繞組4(^25)的從槽 36(25)的內(nèi)側(cè)區(qū)域延伸出的近端之間進(jìn)行連接而被電連接，則當(dāng)從徑向內(nèi)側(cè)朝外側(cè)或從徑向外側(cè)朝內(nèi)側(cè)觀察時(shí)，這兩個(gè)群看起來是沿相同的方向卷繞的。此外，每個(gè)群包括四個(gè)繞組。于是，在附圖中示出的磁極間的連接中，繞組4(K4)的電線44(a)-44(l)分別連接到繞組40 (25)的電線44 (a) -44 (1)，這會導(dǎo)致兩個(gè)群取基本上相同的電位，并且渦流由此基本上彼此抵消。如圖14A、14B和14C所示，如果旋轉(zhuǎn)電機(jī)具有3相、4個(gè)磁極和36個(gè)槽(S卩，每一相一極的槽數(shù)為幻并且具有三個(gè)繞組40 (1)-40( 的一個(gè)群和具有三個(gè)繞組40(19)-40(21) 的另一個(gè)群通過在繞組40 (3)的從槽36(1 的外側(cè)區(qū)域延伸出的遠(yuǎn)端與繞組40(19)的從槽36(19)的內(nèi)側(cè)區(qū)域延伸出的近端之間進(jìn)行連接而被電連接，則當(dāng)從徑向內(nèi)側(cè)朝外側(cè)或從徑向外側(cè)朝內(nèi)側(cè)觀察時(shí)，這兩個(gè)群看起來是沿相同的方向卷繞的。此外，每個(gè)群包括三個(gè)繞組。于是，在附圖中示出的磁極間的連接中，繞組4(K4)的電線44(a)-44(l)分別連接到繞組40 (25)的電線44 (1) -44 (a)，這會導(dǎo)致兩個(gè)群取基本上相同的電位，并且渦流由此基本上彼此抵消。如圖15A、15B和15C所示，如果旋轉(zhuǎn)電機(jī)具有3相、6個(gè)磁極和討個(gè)槽(S卩，每一相一極的槽數(shù)為幻并且具有三個(gè)繞組40 (1)-40( 的一個(gè)群和具有三個(gè)繞組4(K28)-40 (30) 的另一個(gè)群通過在繞組40 (3)的從槽36(1 的外側(cè)區(qū)域延伸出的遠(yuǎn)端與繞組40(19)的從槽36(30)的外側(cè)區(qū)域延伸出的近端之間進(jìn)行連接而被電連接，則當(dāng)從徑向內(nèi)側(cè)朝外側(cè)或從徑向外側(cè)朝內(nèi)側(cè)觀察時(shí)，這兩個(gè)群看起來是沿相反的方向卷繞的。此外，每個(gè)群包括三個(gè)繞組。于是，在附圖中示出的磁極間的連接中，繞組4(K4)的電線44(a)-44(l)分別連接到繞組40 (25)的電線44 (1) -44 (a)，這會導(dǎo)致兩個(gè)群取基本上相同的電位，并且渦流由此基本上彼此抵消。如圖16A、16B和16C所示，如果旋轉(zhuǎn)電機(jī)具有3相、6個(gè)磁極和72個(gè)槽(S卩，每一相一極的槽數(shù)為4)并且具有四個(gè)繞組40(1)-40(4)的一個(gè)群和具有四個(gè)繞組40(37)-40(40) 的另一個(gè)群通過在繞組40 (4)的從槽36 (16)的外側(cè)區(qū)域延伸出的遠(yuǎn)端與繞組40 (37)的從槽3600)的外側(cè)區(qū)域延伸出的近端之間進(jìn)行連接而被電連接，則當(dāng)從徑向內(nèi)側(cè)朝外側(cè)或從徑向外側(cè)朝內(nèi)側(cè)觀察時(shí)，這兩個(gè)群看起來是沿相反的方向卷繞的。此外，每個(gè)群包括四個(gè)繞組。于是，在附圖中示出的磁極間的連接中，繞組4(K4)的電線44(a)-44(l)分別連接到繞組40 (37)的電線44 (1) -44 (a)，這會導(dǎo)致兩個(gè)群取基本上相同的電位，并且渦流由此基本上彼此抵消。根據(jù)旋轉(zhuǎn)電機(jī)的上述實(shí)施例，可以實(shí)現(xiàn)除了上述優(yōu)點(diǎn)之外的各種優(yōu)點(diǎn)。具體地，因?yàn)槎鄠€(gè)矩形截面電線以高密度配置在每個(gè)槽中，所以在電線的集合體中流動的渦流被分割成較小的部分，這使每個(gè)電線中的渦流損耗最小化。本發(fā)明人進(jìn)行的試驗(yàn)表明，為了電線中產(chǎn)生的渦流最小化，優(yōu)選地在每個(gè)槽36中收容50個(gè)以上的電線40。上述繞組40可以比由平行配置的矩形或圓形電線制成的繞組或由扭絞電線束制成的繞組更易于處理，使得可以更經(jīng)濟(jì)地制造定子。盡管在前面的實(shí)施例中使用銅線，但是也可以使用由銀、金或黃銅制成的電線作為替代，只要其具有改善的導(dǎo)電性和柔軟性以致于在進(jìn)行卷繞操作時(shí)能夠容易地用手彎曲它。在一個(gè)實(shí)施例中，定子18中的齒和槽的總截面面積是1似870讓2，并且繞組的總截面面積是97920mm2 (48槽x60mmx34mm)，使得超導(dǎo)旋轉(zhuǎn)電機(jī)的電線占積率為68. M%。于是， 即使大量值的電流在旋轉(zhuǎn)電機(jī)中流動，也能夠使定子18中的銅損引起的溫度上升最小化。 本發(fā)明人進(jìn)行的試驗(yàn)表明，為了使銅損最小化，優(yōu)選的是將電線占積率確定為陽％。進(jìn)行了進(jìn)一步的試驗(yàn)以便證實(shí)具有超導(dǎo)轉(zhuǎn)子和正常導(dǎo)電定子的1麗級超導(dǎo)旋轉(zhuǎn)電機(jī)的功率轉(zhuǎn)換效率改進(jìn)了多少。試驗(yàn)結(jié)果表明轉(zhuǎn)子中僅有0.5%的損耗，并且定子中僅有由0. 75%的銅損和0. 75%的渦流損耗構(gòu)成的1. 5%的損耗，即總共有2%的損耗，這表明獲得了 98%的極高功率轉(zhuǎn)換效率。該結(jié)果意味著即使定子是正常導(dǎo)電的，具有上述定子的超導(dǎo)電機(jī)仍能夠提高功率轉(zhuǎn)換效率，這繼而意味著沒有必要在旋轉(zhuǎn)電機(jī)中采用超導(dǎo)定子，并且因此可以如此經(jīng)濟(jì)地構(gòu)造電機(jī)。如上所述，根據(jù)上述實(shí)施例，電樞繞組中的銅損和渦流損耗以及作為結(jié)果產(chǎn)生的熱被最小化，這對于更經(jīng)濟(jì)地制造旋轉(zhuǎn)電機(jī)是有利的。上述實(shí)施例本質(zhì)上僅是實(shí)例，并且本發(fā)明的范圍不受這些實(shí)施例的限制。應(yīng)注意的是，本發(fā)明的范圍由權(quán)利要求確定并且應(yīng)被解釋為包括各種變型、改型及其等效形式。
權(quán)利要求
1.一種在超導(dǎo)旋轉(zhuǎn)電機(jī)中使用的定子，所述旋轉(zhuǎn)電機(jī)包括具有超導(dǎo)繞組的轉(zhuǎn)子和在所述轉(zhuǎn)子周圍安裝的所述定子，所述定子包括多個(gè)齒，其圍繞所述轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)軸以規(guī)則間隔配置從而限定各自位于相鄰的齒之間的多個(gè)槽；以及多個(gè)繞組，每個(gè)繞組具有帶狀電線部件，所述電線部件具有多個(gè)矩形截面電線，其中所述矩形電線彼此并列配置并且彼此電絕緣，所述繞組通過將所述帶狀電線部件卷繞多次從而具有第一和第二繞組部分而構(gòu)成，所述第一和第二繞組部分具有所述矩形電線呈格子狀配置的截面，并且在與所述旋轉(zhuǎn)軸垂直的截面中具有相同的電線配置，所述第一繞組部分配置在所述多個(gè)槽中的一個(gè)槽的徑向外側(cè)區(qū)域中，并且所述第二繞組部分配置在所述多個(gè)槽中的與所述一個(gè)槽相對應(yīng)的另一個(gè)槽的徑向內(nèi)側(cè)區(qū)域中。
2.一種在超導(dǎo)旋轉(zhuǎn)電機(jī)中使用的定子，所述旋轉(zhuǎn)電機(jī)包括具有超導(dǎo)繞組的轉(zhuǎn)子和在所述轉(zhuǎn)子周圍安裝的所述定子，所述定子包括多個(gè)齒，其圍繞所述轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)軸以規(guī)則間隔配置從而限定各自位于相鄰的齒之間的多個(gè)槽；以及多個(gè)繞組，每個(gè)繞組具有帶狀電線部件，所述電線部件具有多個(gè)電線，其中所述電線彼此并列配置并且彼此電絕緣，所述繞組通過將所述帶狀電線部件卷繞多次而構(gòu)成，其中每圈繞組的徑向相對部分被扭捻并上下反轉(zhuǎn)從而具有第一和第二繞組部分，所述第一和第二繞組部分具有所述電線呈格子狀配置的截面，并且在與所述旋轉(zhuǎn)軸垂直的截面中具有相同的電線配置，所述第一繞組部分配置在所述多個(gè)槽中的一個(gè)槽的徑向外側(cè)區(qū)域中，并且所述第二繞組部分配置在所述多個(gè)槽中的與所述一個(gè)槽相對應(yīng)的另一個(gè)槽的徑向內(nèi)側(cè)區(qū)域中，所述多個(gè)繞組中的一個(gè)繞組和與所述一個(gè)繞組相鄰配置的另一個(gè)繞組以這樣的方式彼此電連接所述一個(gè)繞組中的關(guān)于所述轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向從上游到下游順次地配置的電線分別連接到所述另一個(gè)繞組中的關(guān)于所述旋轉(zhuǎn)方向從下游到上游順次地配置的電線。
3.如權(quán)利要求2所述的定子，其中所述定子具有與所述轉(zhuǎn)子中的磁極的數(shù)目相對應(yīng)的多個(gè)繞組群，其中所述多個(gè)繞組群中的每個(gè)繞組群具有偶數(shù)個(gè)繞組，并且所述多個(gè)繞組群中的一個(gè)繞組群和所述多個(gè)繞組群中的與所述一個(gè)繞組群相對應(yīng)的另一個(gè)繞組群以這樣的方式彼此電連接使得所述電線部件的從所述一個(gè)繞組群中的所述外側(cè)區(qū)域延伸出的第一端被連接到所述電線部件的從所述另一個(gè)繞組群中的所述內(nèi)側(cè)區(qū)域延伸出的第二端，并且使得所述第一端中的從所述上游到所述下游順次地配置的電線分別連接到所述第二端中的從所述上游到所述下游順次地配置的電線。
4.如權(quán)利要求2所述的定子，其中所述定子具有與所述轉(zhuǎn)子中的磁極的數(shù)目相對應(yīng)的多個(gè)繞組群，其中所述多個(gè)繞組群中的每個(gè)繞組群具有奇數(shù)個(gè)繞組，并且所述多個(gè)繞組群中的一個(gè)繞組群和所述多個(gè)繞組群中的與所述一個(gè)繞組群相對應(yīng)的另一個(gè)繞組群以這樣的方式彼此電連接使得所述電線部件的從所述一個(gè)繞組群中的所述外側(cè)區(qū)域延伸出的第一端被連接到所述電線部件的從所述另一個(gè)繞組群中的所述內(nèi)側(cè)區(qū)域延伸出的第二端，并且使得所述第一端中的從所述上游到所述下游順次地配置的電線分別連接到所述第二端中的從所述下游到所述上游順次地配置的電線。
5.如權(quán)利要求2所述的定子，其中所述定子具有與所述轉(zhuǎn)子中的磁極的數(shù)目相對應(yīng)的多個(gè)繞組群，其中所述多個(gè)繞組群中的每個(gè)繞組群具有偶數(shù)個(gè)繞組，并且所述多個(gè)繞組群中的一個(gè)繞組群和所述多個(gè)繞組群中的與所述一個(gè)繞組群相對應(yīng)的另一個(gè)繞組群以這樣的方式彼此電連接使得所述電線部件的從所述一個(gè)繞組群中的所述外側(cè)區(qū)域延伸出的第一端被連接到所述電線部件的從所述另一個(gè)繞組群中的所述外側(cè)區(qū)域延伸出的第二端，并且使得所述第一端中的從所述上游到所述下游順次地配置的電線分別連接到所述第二端中的從所述下游到所述上游順次地配置的電線。
6.如權(quán)利要求2所述的定子，其中所述定子具有與所述轉(zhuǎn)子中的磁極的數(shù)目相對應(yīng)的多個(gè)繞組群，其中所述多個(gè)繞組群中的每個(gè)繞組群具有奇數(shù)個(gè)繞組，并且所述多個(gè)繞組群中的一個(gè)繞組群和所述多個(gè)繞組群中的與所述一個(gè)繞組群相對應(yīng)的另一個(gè)繞組群以這樣的方式彼此電連接使得所述電線部件的從所述一個(gè)繞組群中的所述外側(cè)區(qū)域延伸出的第一端被連接到所述電線部件的從所述另一個(gè)繞組群中的所述外側(cè)區(qū)域延伸出的第二端，并且使得所述第一端中的從所述上游到所述下游順次地配置的電線分別連接到所述第二端中的從所述上游到所述下游順次地配置的電線。
7.如權(quán)利要求2所述的定子，其中所述多個(gè)電線中的每個(gè)電線具有由長邊和短邊限定的矩形截面，并且被配置成使得所述長邊和短邊分別沿徑向和周向取向。
8.如權(quán)利要求1所述的定子，其中所述多個(gè)槽中的每個(gè)槽具有由沿著徑向延伸的一對第一邊和沿著周向延伸的一對第二邊限定的基本上矩形的截面，并且所述多個(gè)電線中的每個(gè)電線具有由一種邊和另一種邊限定的矩形截面，所述電線在所述槽中被定位成使得所述一種邊和所述另一種邊分別沿所述第一和第二邊取向。
9.如權(quán)利要求1所述的定子，其中所述第一和第二繞組部分的所述截面各自具有50個(gè)以上的電線截面。
10.如權(quán)利要求1所述的定子，其中所述齒由非磁性材料制成。
11.如權(quán)利要求1所述的定子，其中在與所述中心軸垂直的截面中，所述多個(gè)電線的總截面面積與所述定子的總截面面積的比率為55%以上。
12.一種超導(dǎo)旋轉(zhuǎn)電機(jī)，包括如權(quán)利要求1所述的定子。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種超導(dǎo)旋轉(zhuǎn)電機(jī)，其設(shè)置有具有超導(dǎo)繞組的轉(zhuǎn)子和在轉(zhuǎn)子周圍配置的定子。在該旋轉(zhuǎn)電機(jī)中，定子設(shè)置有圍繞轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)軸沿定子的周向以預(yù)定間隔配置的多個(gè)齒、以及各自通過卷繞帶狀電線而形成的多個(gè)繞組，其中在每兩個(gè)相鄰的齒之間形成有槽；通過使多個(gè)導(dǎo)體線彼此絕緣并彼此并列配置來形成帶狀電線部件，每個(gè)導(dǎo)體線具有矩形截面形狀；并且每個(gè)繞組具有第一和第二繞組部分，所述第一和第二繞組部分各自具有通過卷繞和層疊帶狀電線部件而得到的、使導(dǎo)體線呈格子狀配置的截面。在與轉(zhuǎn)子的中心軸垂直的截面中，第一繞組部分中的導(dǎo)體線的配置與第二繞組部分中的導(dǎo)體線的配置相同。此外，第一繞組部分配置在多個(gè)槽中的一個(gè)槽的徑向外側(cè)區(qū)域中，并且第二繞組部分配置在多個(gè)槽中的另一個(gè)槽的徑向內(nèi)側(cè)區(qū)域中。
文檔編號H02K3/47GK102498649SQ20108004031
公開日2012年6月13日 申請日期2010年9月10日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月11日
發(fā)明者合澤清志, 木村洋介, 梅本勝彌, 橫山稔 申請人:川崎重工業(yè)株式會社