專利名稱：超導(dǎo)電機(jī)的結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種超導(dǎo)電機(jī)及其結(jié)構(gòu)。
在傳統(tǒng)的電機(jī)中，為在臨界點(diǎn)獲得足夠的磁力線(如，在繞組內(nèi)部)，而在其場(chǎng)結(jié)構(gòu)中使用鐵材料。
同時(shí)，也有人試圖把低溫技術(shù)應(yīng)用到電機(jī)中。在這些電機(jī)中應(yīng)用超導(dǎo)繞組可使得繞組產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)顯著增加，也使磁通量和功率密度均有增加。
然而，包括鐵在內(nèi)的大多數(shù)鐵磁性材料是脆性的，在電機(jī)中產(chǎn)生的振動(dòng)作用下易碎，而且，這些物質(zhì)的脆性在冷卻至低溫時(shí)更為明顯。因此，在一些應(yīng)用中，具有超導(dǎo)繞組的電機(jī)中采用鐵磁性材料經(jīng)常受到嚴(yán)格的限制并且至少這對(duì)于設(shè)計(jì)者來說并非瑣碎小事。
本發(fā)明的特征是在電機(jī)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)中，高透過性磁性材料相對(duì)超導(dǎo)繞組放置，以減少超導(dǎo)繞組產(chǎn)生的磁通路線的磁阻。
從本發(fā)明的總的方面來說，超導(dǎo)電機(jī)中使用的轉(zhuǎn)子組件包括一個(gè)由高溫超導(dǎo)體制成的超導(dǎo)繞組，在運(yùn)行過程中在轉(zhuǎn)子組件內(nèi)形成磁通路線；和一高透過性磁性材料，至少放置在磁通路線的一個(gè)部分上，以減少超導(dǎo)繞組形成的磁通路線的整體磁阻。
在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，轉(zhuǎn)子組件包括一個(gè)支承構(gòu)件，該支承構(gòu)件由非磁性的高強(qiáng)度彈性材料制成，內(nèi)部有一定的內(nèi)腔容積，在外表面支承超導(dǎo)繞組。支承構(gòu)件的內(nèi)腔容納并支承柱狀的磁性材料，芯構(gòu)件對(duì)超導(dǎo)繞組產(chǎn)生的磁通路線的一個(gè)部分帶來的磁阻很小。
轉(zhuǎn)子組件的這種結(jié)構(gòu)提供了許多明顯的優(yōu)點(diǎn)。超導(dǎo)繞組支承在支承構(gòu)件的外表面，繞組伸出超過支承構(gòu)件和芯構(gòu)件的末端。支承構(gòu)件緊固芯構(gòu)件，故在一些情況下，芯構(gòu)件可以冷卻至低溫，而不會(huì)有因操作過程中電機(jī)產(chǎn)生的振動(dòng)作用力而導(dǎo)致大的脆裂的風(fēng)險(xiǎn)。因此，本發(fā)明提供一種內(nèi)部支承結(jié)構(gòu)，能夠保護(hù)相對(duì)較脆的部件(如芯構(gòu)件)。并且，轉(zhuǎn)子組件的設(shè)計(jì)對(duì)于給定數(shù)量的安培匝數(shù)的繞組來說能夠產(chǎn)生更高的磁通量水平，從而使電機(jī)效率更高。這樣，結(jié)構(gòu)的尺寸能夠得到縮小，而不影響性能。
更進(jìn)一步地說，與在傳統(tǒng)的相對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中把鐵磁性材料放置在電機(jī)的電樞中或嵌入繞組的超導(dǎo)區(qū)所不同，本發(fā)明的轉(zhuǎn)子組件提供相對(duì)簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)，其中特別是從超導(dǎo)區(qū)除去鐵磁性材料，同時(shí)仍然增強(qiáng)了超導(dǎo)繞組形成的磁場(chǎng)。
在優(yōu)選實(shí)施例中，上述轉(zhuǎn)子組件可以包括下述特征的一個(gè)或多個(gè)。支承構(gòu)件可以是由不銹鋼制成的圓柱形管結(jié)構(gòu)，且其橫截面階梯狀外形用以支承繞組。芯構(gòu)件可以由鐵制成，且可以做成柱狀，以大致裝滿圓柱形管的內(nèi)部空間中。
形成芯構(gòu)件的磁性材料可以低溫冷卻。這種情況下，芯構(gòu)件在扭轉(zhuǎn)管的內(nèi)部空間內(nèi)沿徑向方向被整體地?cái)D壓緊固。芯構(gòu)件由一系列疊片組成，每層都位于與圓柱形管縱軸垂直的平面上。這樣，可以防止在疊片的一層或多層中形成的裂縫沿著芯結(jié)構(gòu)擴(kuò)散。
另外，在鐵芯處于較高的溫度下時(shí)(非低溫)，鐵芯可以做成連續(xù)固體構(gòu)件。在這種情況下，芯構(gòu)件和支承構(gòu)件之間大致有一段真空間隙，以便使兩者熱絕緣。真空間隙內(nèi)可以填充一些多層絕緣體。
轉(zhuǎn)子組件可以包括外層電磁保護(hù)套，其圍繞在超導(dǎo)繞組和支承構(gòu)件的周圍。超導(dǎo)繞組是跑道形狀，由高溫超導(dǎo)體(HTS)制成。
在本發(fā)明的另一個(gè)方面中，提供一種同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子組件的方法包括由高透過性磁性材料制成的芯構(gòu)件；把非磁性材料、高強(qiáng)度彈性材料制成的支承構(gòu)件放置在芯構(gòu)件的周圍；以及在支承構(gòu)件的外表面放置超導(dǎo)電樞繞組。
在優(yōu)選實(shí)施例中，提供芯構(gòu)件材料的步驟包括把高透過性磁性材料制成的片層堆疊起來。在芯構(gòu)件材料的周圍放置支承構(gòu)件的步驟包括在芯構(gòu)件材料周圍冷縮支承構(gòu)件。
下面參照附圖詳細(xì)描述本發(fā)明。附圖中

圖1是超導(dǎo)同步電機(jī)轉(zhuǎn)子的局部剖開的等距圖；圖2是沿圖1的2-2線截取的部分轉(zhuǎn)子的端部剖視圖；圖3是沿圖1的3-3線截取的部分轉(zhuǎn)子的側(cè)剖視圖；圖4是圖1中超導(dǎo)同步電機(jī)使用的跑道狀繞組的局部剖開等距圖；圖5是轉(zhuǎn)子組件中磁芯的端部剖視圖；圖6是說明超導(dǎo)同步電機(jī)中磁通路線的示意圖；圖7是表示轉(zhuǎn)子組件內(nèi)部磁場(chǎng)分布的線圖8是超導(dǎo)同步電機(jī)的另一實(shí)施例的局部剖開的等距圖。
圖9是超導(dǎo)同步電機(jī)的另一實(shí)施例的側(cè)剖視圖。
本發(fā)明的其它特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)將通過下面的描述和權(quán)利要求書闡明。
參照?qǐng)D1-3，其中示出了沒有帶外殼的采用四極拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的同步電機(jī)轉(zhuǎn)子組件10，其外殼在轉(zhuǎn)子組件中封閉真空層。轉(zhuǎn)子組件包括由高強(qiáng)度、韌性非磁性材料制成(如不銹鋼)的扭轉(zhuǎn)管20，其外表面支承四個(gè)超導(dǎo)繞組組件30(圖中僅示出一個(gè))，每個(gè)繞組與電機(jī)的一極相連。中空的芯構(gòu)件50位于扭轉(zhuǎn)管的內(nèi)腔中，其功能將在下面進(jìn)行更為詳細(xì)的討論。芯構(gòu)件50由高透過性，高飽合磁通密度和強(qiáng)磁性的材料(如鐵)制成。為減輕芯構(gòu)件的重量以及組件重量，中空鐵芯50的厚度通常選擇為能維持鐵芯處于過飽和點(diǎn)之下而又能提供磁阻較低的磁通路線。
尤其在圖2中，第一對(duì)徑向相對(duì)的超導(dǎo)線圈中的每一個(gè)都關(guān)于第一軸22纏繞，而第二對(duì)徑向相對(duì)的超導(dǎo)線圈中的每一個(gè)則關(guān)于第二軸24纏繞，相對(duì)于軸22橫向布置。繞組在扭轉(zhuǎn)管外緣的階梯狀輪廓處被支承，而階梯狀輪廓沿軸22、24形成。而且，圖1中顯示更為清楚，繞組延伸到鐵芯和扭轉(zhuǎn)管的末端外面。在這些末端區(qū)域，繞組和扭轉(zhuǎn)管之間被真空層31隔開，真空層中通常填充多層絕緣體(譬如，鍍鋁的聚酯薄膜)。這種結(jié)構(gòu)保證繞組維持在低溫狀態(tài)，同時(shí)允許轉(zhuǎn)子組件和電機(jī)的長(zhǎng)度縮短。
扭轉(zhuǎn)管20包括末端延伸構(gòu)件21，該構(gòu)件是外界環(huán)境和轉(zhuǎn)子組件低溫區(qū)域之間的熱/冷過度區(qū)。該末端延伸構(gòu)件21還包括一些貫穿整個(gè)扭轉(zhuǎn)管長(zhǎng)度的冷卻孔28，運(yùn)送冷卻超導(dǎo)繞組組件所需的氣體或液體冷卻劑(如圖3所示)。繞組組件30通過極蓋40以及直角蓋42緊固在扭轉(zhuǎn)管20上，而極蓋40就固定在轉(zhuǎn)子的四極位置，極蓋均勻分開，直角蓋位于每個(gè)極蓋之間，從軸22、24偏離45°角。極蓋40和直角蓋42通常采用與扭轉(zhuǎn)管相同的材料制成，并且與扭轉(zhuǎn)管一起形成一個(gè)完整的柱體。
參照?qǐng)D4，每個(gè)超導(dǎo)繞組組件30均與電機(jī)的一極相連，繞組組件包括處于一個(gè)線圈支承套內(nèi)的一些跑道狀雙扁平線圈32。每個(gè)雙扁平線圈有平行纏繞的共纏導(dǎo)線(co-wound conductors)，其放置的方式是其中一個(gè)同軸疊放在另一個(gè)的頂上。這個(gè)實(shí)施例中，導(dǎo)線是由高溫氧化銅陶瓷材料制成，如Bi2Sr2Ca2Cu3Ox，通常稱為BSCCO 2223。如圖所示，一個(gè)或多個(gè)雙扁平線圈32可以包括一個(gè)扁平線圈，其直徑小于雙扁平線圈中的另一個(gè)與之相配的線圈，這對(duì)雙扁平線圈的兩個(gè)線圈是從相同的連續(xù)長(zhǎng)度的超導(dǎo)材料帶纏繞出的。這種方法在同時(shí)待審的申請(qǐng)(序號(hào)為08/541,639)中有過描述，該申請(qǐng)已轉(zhuǎn)讓給本發(fā)明的受讓人，在這里該申請(qǐng)被引作參考。
優(yōu)選實(shí)施例是基于高溫超導(dǎo)復(fù)合材料的磁特性和熱特性之上的，較優(yōu)選的是，該材料是指超導(dǎo)陶瓷氧化物，最優(yōu)選的是氧化銅家族中的成員。熱或冷鐵實(shí)施例從經(jīng)濟(jì)角度不適合低濕超導(dǎo)體，其原因部分是由于在轉(zhuǎn)子中加入鐵會(huì)使超導(dǎo)電機(jī)成本顯著增加。應(yīng)用鐵轉(zhuǎn)子的確能減少超導(dǎo)復(fù)合材料用量的大約50％。在高溫超導(dǎo)電機(jī)中，因?yàn)楦邷爻瑢?dǎo)體復(fù)合材料制造費(fèi)用昂貴，并且經(jīng)常含有大量的貴重金屬，當(dāng)轉(zhuǎn)子減少50％的超導(dǎo)材料，能把該設(shè)備的高濕超導(dǎo)電機(jī)的費(fèi)用明顯降低。而在低溫超導(dǎo)電機(jī)中，因?yàn)橹饕紤]因素是冷卻成本，而不是材料成本，把低濕超導(dǎo)材料減少50％，并不會(huì)給該裝置帶來顯著的成本降低效益。而把低溫超導(dǎo)體冷卻至4°附近的費(fèi)用要比把高溫超導(dǎo)體的溫度降至27°左右的費(fèi)用高，尤其是考慮渦流損傷的補(bǔ)償時(shí)則由其如此。
參照?qǐng)D5，優(yōu)選實(shí)施例中鐵芯由一系列疊片52組成。高強(qiáng)度扭轉(zhuǎn)管通常加熱以使其受熱膨脹，而疊片52被冷卻至收縮狀態(tài)，在扭轉(zhuǎn)管處于膨脹狀態(tài)時(shí)將疊片52放入管的內(nèi)部空間里。然后，將扭轉(zhuǎn)管冷卻，從而在疊片四周收縮，并把疊片以壓緊狀態(tài)固在扭轉(zhuǎn)管內(nèi)。扭轉(zhuǎn)管也可通過冷縮焊接的方式對(duì)鐵芯周圍的不銹鋼管加預(yù)載。在圖5所示的另一個(gè)實(shí)施例中，鐵芯50在扭轉(zhuǎn)管20和內(nèi)套筒29之間被徑向壓縮緊固。
盡管可以采用實(shí)心鐵芯結(jié)構(gòu)，但最好采用疊片形式，這樣當(dāng)疊片中某一片破裂時(shí)，破裂現(xiàn)象僅限于該片而不會(huì)影響相鄰的疊片。鐵芯50的破裂是很嚴(yán)重的問題，因?yàn)榉琼g性鐵芯和超導(dǎo)繞組30一起低溫冷卻，而在低溫下鐵的脆性增加。為提高疊片結(jié)構(gòu)在徑向上的韌性強(qiáng)度，可在疊片層之間放置加強(qiáng)層(如玻璃纖維或不銹鋼)。疊片和加強(qiáng)層可以滲透一些填充物質(zhì)，如環(huán)氧樹脂。
把鐵芯50放置在扭轉(zhuǎn)管內(nèi)，給同步電機(jī)的操作帶來了明顯的優(yōu)點(diǎn)。為理解這些優(yōu)點(diǎn)，圖6示出了每個(gè)超導(dǎo)繞組產(chǎn)生的磁通路線的簡(jiǎn)單形狀。四條磁通路線中和左上角相關(guān)的那條磁力線，從鐵芯中點(diǎn)60處起始，沿與軸22大致平行的路徑62延伸，直到其與提供低磁阻通道的后鐵構(gòu)件70相遇。在該點(diǎn)，磁力線通過后鐵構(gòu)件沿逆時(shí)針方向延伸，然后又沿著與軸24平行的路徑64延伸，直到回到點(diǎn)60，形成一個(gè)環(huán)形。其它的磁通路線，與上述方式類似，從鐵芯開始，經(jīng)后鐵構(gòu)件，都又回到起點(diǎn)。因此，從圖6中可以明顯看出，磁通路線的一大部分都通過位于扭轉(zhuǎn)管內(nèi)部空間中的鐵芯。由于鐵芯是高透過性、高飽和度磁通密度的材料(high saturation flux densitymaterial)，故在某種意義上，可作為一種磁短路以減少磁通路線的整體磁阻，并且使給定數(shù)量安培匝數(shù)的繞組產(chǎn)生的磁力線數(shù)量增加。這樣，就可提供一個(gè)低磁損的通路，從而提高了電機(jī)的效率。
參照?qǐng)D7，線圖顯示出了轉(zhuǎn)子組件內(nèi)部的磁場(chǎng)分布，說明通過鐵芯50的磁力線增加了。
參照下表，列出了為一對(duì)5000馬力的同步超導(dǎo)電機(jī)鐵芯的轉(zhuǎn)子組件的特性。其中一個(gè)轉(zhuǎn)子組件采用空芯結(jié)構(gòu)，另一個(gè)采用鐵芯結(jié)構(gòu)
鐵芯轉(zhuǎn)子組件設(shè)計(jì)中，比空心轉(zhuǎn)子組件設(shè)計(jì)少用45％的安培匝數(shù)，而能產(chǎn)生同樣水平的磁通量。因此，繞組所需的超導(dǎo)線數(shù)量減少了，所以顯著地降低了電機(jī)的成本，也減低了電機(jī)的冷卻成本。
參照?qǐng)D8、圖9，在另一個(gè)實(shí)施例中鐵芯80與扭轉(zhuǎn)管20的內(nèi)壁隔開，扭轉(zhuǎn)管20可以低溫冷卻。其中，鐵芯并不冷卻，而是通過環(huán)形真空間隙82與扭轉(zhuǎn)管之間熱絕緣?？障犊梢蕴畛淇諝?，但最好填注多層絕緣材料84，以減少熱泄漏。圖9顯示得更為清楚，鐵芯80包含延伸件81，并且和扭轉(zhuǎn)管20的延伸件21相應(yīng)地延伸。在許多應(yīng)用中，多層絕緣層放置在真空間隙82中，以增強(qiáng)鐵芯和支承構(gòu)件間的熱絕緣。因?yàn)殍F芯80并不維持在低溫狀態(tài)，故其韌性就較好，這樣就不需要象上述的圖1-3所示的實(shí)施例那樣，使扭轉(zhuǎn)管20在以壓緊狀態(tài)緊固鐵芯。而且，由于鐵芯處于外界環(huán)境溫度中，把鐵芯做成一系列疊片的優(yōu)點(diǎn)也相應(yīng)減少了。
其它的實(shí)施例包括在的權(quán)利要求所述范圍內(nèi)。
在不脫離本發(fā)明范圍和精神實(shí)質(zhì)的基礎(chǔ)上，可對(duì)上述優(yōu)選實(shí)施例做出許多變更。
權(quán)利要求
1.一種超導(dǎo)電機(jī)的轉(zhuǎn)子組件包括至少一個(gè)由高溫超導(dǎo)體制成的超導(dǎo)繞組，在運(yùn)行中該超導(dǎo)繞組在轉(zhuǎn)子組件內(nèi)部形成磁通路線；和高穿透磁性材料，其放置在轉(zhuǎn)子組件中，并位于磁通路線的至少一部分上，以減少超導(dǎo)繞組形成的磁通路線的整體磁阻。
2.如權(quán)利要求1所述的轉(zhuǎn)子組件，還包括一個(gè)支承構(gòu)件，該構(gòu)件由非磁性、高強(qiáng)度彈性材料制成，有一定的內(nèi)腔容積，所述支承構(gòu)件以其外表面支承轉(zhuǎn)子組成。
3.如權(quán)利要求2所述的轉(zhuǎn)子組件，其特征在于支承構(gòu)件的內(nèi)腔容積充分地被高透過性、磁性材料填充。
4.如權(quán)利要求2所述的轉(zhuǎn)子組件，其特征在于支承構(gòu)件是圓柱管形結(jié)構(gòu)，且高透過性磁性材料形成柱狀芯。
5.如權(quán)利要求1所述的轉(zhuǎn)子組件，其特征在于磁性材料被低溫冷卻。
6.如權(quán)利要求2所述的轉(zhuǎn)子組件，其特征在于磁性材料和支承構(gòu)件之間熱絕緣。
7.如權(quán)利要求6所述的轉(zhuǎn)子組件，其特征在于支承構(gòu)件通過真空間隙與磁性材料隔開。
8.如權(quán)利要求2所述的轉(zhuǎn)子組件，其特征在于支承構(gòu)件包括一個(gè)外表面，在其橫截面上呈階梯狀輪廓。
9.如權(quán)利要求4所述的轉(zhuǎn)子組件，其特征在于芯由一系列疊片組成，其中每個(gè)疊片均位于與圓柱狀管的縱軸垂直的平面中。
10.如權(quán)利要求4所述的轉(zhuǎn)子組件，其特征在于芯材料由連續(xù)構(gòu)件形成。
11.如權(quán)利要求1所述的轉(zhuǎn)子組件，其特征在于磁性材料選用鐵。
12.如權(quán)利要求1所述的轉(zhuǎn)子組件，其特征在于超導(dǎo)繞組由高溫超導(dǎo)體HTS制成。
13.如權(quán)利要求1所述的轉(zhuǎn)子組件，其特征在于超導(dǎo)繞組是跑道狀繞組。
14.如權(quán)利要求2所述的轉(zhuǎn)子組件，還包括外周的圍繞超導(dǎo)繞組的電磁防護(hù)構(gòu)件和支承構(gòu)件。
15.如權(quán)利要求2所述的轉(zhuǎn)子組件，其特征在于支承構(gòu)件由鐵制成。
16.如權(quán)利要求1所述的轉(zhuǎn)子組件，其特征在于超導(dǎo)電機(jī)是同步電機(jī)。
17.一種超導(dǎo)電機(jī)的轉(zhuǎn)子組件包括一個(gè)具有內(nèi)腔容積的支承構(gòu)件，所述支承構(gòu)件由非磁性、高強(qiáng)度彈性材料制成，所述支承構(gòu)件以其外表面支承超導(dǎo)繞組，而在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，所述繞組在轉(zhuǎn)子內(nèi)部形成磁通路線；一個(gè)設(shè)置在支承構(gòu)件內(nèi)腔中的芯構(gòu)件，所述芯構(gòu)件由高透過性磁性材料制成，芯構(gòu)件降低了由超導(dǎo)繞組形成磁通路線的整體磁阻。
18.一種為超導(dǎo)電機(jī)提供轉(zhuǎn)子組件的方法包括提供由非磁性、高強(qiáng)度彈性材料制成的布置在芯構(gòu)件周圍的支承構(gòu)件；把由高透過性磁性材料制成的芯構(gòu)件布置在支承構(gòu)件內(nèi)，以在超導(dǎo)繞組形成的磁通路線中提供低磁阻部分；把超導(dǎo)電樞繞組布置在支承構(gòu)件的外表面。
19.如權(quán)利要求18所述的方法，其特征在于提供芯構(gòu)件的步驟包括把一系列由高透過性磁性材料制成的疊片堆疊成芯構(gòu)件。
20.如權(quán)利要求18所述的方法，其特征在于在芯構(gòu)件的周圍布置支承構(gòu)件的步驟包括在芯構(gòu)件周圍冷縮支承構(gòu)件。
21.如權(quán)利要求20所述的方法，其特征在于在芯構(gòu)件的周圍冷縮支承構(gòu)件的方法包括沿支承構(gòu)件焊接。
22.如權(quán)利要求18所述的方法，還包括低溫冷卻芯構(gòu)件。
23.如權(quán)利要求18所述的方法，還包括在芯構(gòu)件和支承構(gòu)件之間進(jìn)行熱絕緣的步驟。
24.如權(quán)利要求23所述的方法，其特征在于；熱絕緣的方法包括在支承構(gòu)件和芯構(gòu)件之間提供一個(gè)真空阻擋層。
全文摘要
用于超導(dǎo)電機(jī)的轉(zhuǎn)子組件包括一個(gè)由高溫超導(dǎo)體制成的超導(dǎo)繞組,在運(yùn)行中可在轉(zhuǎn)子組件內(nèi)部形成磁通路線;一種高透過性磁性材料,至少位于磁通路線的一部分上,以減少磁通路線的整體磁阻。轉(zhuǎn)子組件還包括具有內(nèi)腔的支承構(gòu)件,該構(gòu)件由非磁性、高強(qiáng)度彈性材料制成,并以其外表面支承超導(dǎo)繞組,在支承構(gòu)件的內(nèi)腔容積中填充高透過性磁性材料,而磁性材料可以做成芯構(gòu)件的形式,以便給超導(dǎo)繞組形成的磁通路線提供較低磁阻部分。
文檔編號(hào)H02K55/00GK1264209SQ9910233
公開日2000年8月23日 申請(qǐng)日期1999年2月13日 優(yōu)先權(quán)日1999年2月13日
發(fā)明者布魯斯·B·甘布爾, 格雷戈里·L·斯尼特切勒 申請(qǐng)人:美國(guó)超導(dǎo)體公司