用于同步电机的并绕超导线圈制造技术

一种超导线圈组件（３４），包括多个分支电路。所述多个分支电路中的每个分支电路（１９１，１９２，２９１，２９２，２９３）相互并联地电连接。每个分支电路（１９１，１９２，２９１，２９２，２９３）都设置在结构芯中。多个分支电路中的每个分支电路（１９１，１９２，２９１，２９２，２９３）都包括由超导导线缠绕而成的线圈（１０２，１０４，２０２，２０４，２０６，３０２，３０４，３０６，３０８，３１０，３１２），以及与线圈（１０２，１０４，２０２，２０４，２０６，３０２，３０４，３０６，３０８，３１０，３１２）串联电连接的电阻装置。每个分支电路（１９１，１９２，２９１，２９２，２９３）的线圈（１０２，１０４，２０２，２０４，２０６，３０２，３０４，３０６，３０８，３１０，３１２）形成了相对于所述多个分支电路的多个线圈（３６）。

【技术实现步骤摘要】

根据能源部的合同第DE-FC36-02GO11100号，美国政府可享有本申请的某些权利。本专利技术大体上涉及同步旋转电机中的超导线圈。更具体地说，本专利技术涉及将超导导线缠绕成两个或多个串联或并联的超导线圈，以用于同步电机或类似设备的超导转子。
技术介绍
具有励磁绕组的同步电机包括但不限于旋转发电机、旋转电动机和线性电动机。这些电机通常包括相互间电磁耦合的定子和转子。转子通常包括多磁极的转子芯和安装在转子芯上的一个或多个励磁绕组。转子芯可包括可透磁的固体材料，例如铁心转子。除了磁阻电机以外，同步电机的基本特征是可产生与其自身成固定关系的磁通量的转子。换句话说，当转子旋转时，磁通量随转子旋转。在一类带有励磁绕组的同步电机中，由流经设置为形成了磁体的一个或多个线圈的电流而产生了磁通量。各线圈的“磁轴”相互对准，使其磁效应叠加起来。在许多情况下，线圈相互串联地电连接，使得相同的电流流经各线圈。在其它情况下，线圈以并联或串/并联的设置进行连接。当线圈并联连接时，线圈通常位于不同的磁极上。铜绕组普遍应用于同步电机的转子中。然而，铜绕组的电阻(虽然通过传统措施而较低)足以促成转子的显著发热，并因此降低了同步电机的功率效率。最近已经研发出高温超导(HTS)导线，其可用于转子上的绕组线圈。HTS导线实际上没有电阻，并且非常有利于在缠绕超导(SC)线圈时使用。为了达到并保持超导性能，必须将SC线圈冷却到临界温度即27K或更低的温度。SC线圈可由液态氦冷却。在冷却SC线圈的绕组以后，热的用过液态氦回复成气态氦，这需要连续的再液化以便进一步冷却SC线圈。然而，再液化存在重大的可靠性问题，并需要极大的辅助功率。具有包括了SC线圈组件的绕组的同步电机现在是众所周知的。这些电机的励磁绕组通常在每个磁极上具有单个SC线圈组件，SC线圈组件的每个SC线圈串联连接。一种用于发电机的设置包括带有包含单个SC线圈的励磁绕组的转子，该SC线圈穿过通常为磁性的结构芯。在SC线圈中流动的电流产生磁场，而磁通量以正常的方式穿过转子到达定子。也就是说，在转子的旋转期间，来自转子的磁通量在定子中感应出电流，其形成了发电机的输出。电感可测量对电流变化的阻抗。励磁绕组的电感与整体磁结构的渗透性和匝数的平方成正比。在传统物理学中，增加线圈中的匝数可减少产生给定磁场所需的电流。为了达到相同的磁场，SC线圈需要10倍于传统线圈的匝数，这是因为SC线圈的每匝HTS导线同传统线圈相比只能承载约十分之一的电流(即SC线圈中的100A对比于传统线圈中的1000A到3000A)。另外，线圈的电感与线圈匝数的平方成正比。因此，线圈匝数例如增加10倍会导致整体电感相应地增加100倍。电网上的大型电气设备的起动和停止会引起电网中的发电机的电流需求的瞬息变化。为了迅速地控制线圈中的电流，具有大电感的线圈需要有高电压的励磁系统。这样，由电网状态的瞬息变化所驱动的励磁电流的任何变化都需要高电压来驱动电流的变化或瞬变电流。由于提供这种高电压所必需的高额定电压的缘故，驱动瞬变电流所需的最终励磁系统往往非常昂贵。因此，带有SC线圈的典型SC转子很可能具有较高的有效电感，因此要求较高的最大励磁电压。这种较高的最大励磁电压可能导致产生该电压的激励器的成本很高。如果典型SC线圈组件具有两个或多个并联电路，那么穿过用作线圈组件的每个并联线圈的电流将可能具有不同的值。因此，所需要的是一种具有较低有效电感的带有SC线圈的SC转子，从而消除对用来控制瞬变电流的昂贵的高电压励磁系统的需求。用作线圈组件的若干并联线圈还需要传导基本上相同的电流。
技术实现思路
本专利技术的示例性实施例包括超导线圈组件。该超导线圈组件包括多个分支电路。该多个分支电路中的每个分支电路相互间并联地电连接。每个分支电路都设置于结构芯中。该多个分支电路中的每个分支电路均包括由超导导线缠绕而成的线圈和用于为线圈提供电阻的装置。每个分支电路的线圈形成了相对于该多个分支电路的多个线圈。本专利技术的其它示例性实施例包括超导转子。超导转子包括具有磁芯的转子芯、从转子芯的相对侧轴向延伸出来并连接在转子芯上的轴，以及设置在转子芯上的线圈组件。该线圈组件是环形的，并设置在与转子芯的旋转轴线重合的平面上。线圈组件设置成当将电流施加到线圈上时形成了转子芯上的磁北极和磁南极。线圈组件包括多个分支电路。该多个分支电路中的每个分支电路相互间并联地电连接。每个分支电路都设置于结构芯中。该多个分支电路中的每个分支电路均包括由超导导线缠绕而成的线圈和用于为线圈提供电阻的装置。每个分支电路的线圈形成了相对于该多个分支电路的多个线圈。本专利技术的另一示例性实施例是同步电机，其包括定子、与定子磁耦合的转子、冷却系统、励磁系统、从转子的相对侧轴向延伸出来并连接在转子上的轴，以及线圈组件。冷却系统构造成可将线圈组件保持在约20K到约80K之间的温度。线圈组件包括多个分支电路。该多个分支电路中的每个分支电路相互间并联地电连接。每个分支电路都设置于结构芯中。该多个分支电路中的每个分支电路均包括由超导导线缠绕而成的线圈和用于为线圈提供电阻的装置。每个分支电路的线圈形成了相对于该多个分支电路的多个线圈。从以下结合附图的描述中可以清楚本专利技术的上述及其它的目的、特征和优点，其中相同的标号表示相同的零件。附图说明现在来看附图，其中在所有图中相同的标号表示相似的零件。图1是具有超导转子和定子的同步电机的示意侧视图；图2是超导(SC)线圈组件的一个示例性实施例的透视图；图3是带有线圈组件的SC转子的截面图，该线圈组件包括两个并联电连接的线圈；图4是图3所示线圈组件的一侧的放大图，其显示了用于各线圈的多个匝；图5是图3所示线圈组件中的两个线圈的电路图；图6是具有两个并联电连接线圈的线圈组件的截面图，其显示了围绕着线圈组件的传导涂层和线圈之间的传导板；图7是显示了三个并联电连接线圈的线圈组件的截面图，其显示围绕着线圈组件的传导涂层；图8是显示图7所示线圈组件的电路图；图9是带有形成了线圈组件的三个并联电连接线圈的SC转子的截面图，其中各线圈相互间隔开；图10是串联地堆叠在线圈组件中的六个相邻线圈的截面图；图11是显示了平衡电阻器的设置的示意图，其设置在转子的集电器端轴上，并与三个并联电连接线圈中的相应线圈电连接；和图12是显示了平衡电阻器的设置的示意图，其远离转子的集电器端轴，并与三个并联电连接线圈中的相应线圈电连接。图中各标号含义如下10同步电机；12定子；14转子；16圆柱形的转子气穴；18磁场；19定子线圈；20轴线；22转子芯；24集电器端轴；25轴承；26制冷剂传送接头；30驱动端轴；32动力接头；34SC线圈组件；36多个线圈；38流体通道；42北极；44南极；45电磁屏蔽罩；50箭头；78集电环；100电路图；102第一线圈；104第二线圈；111输入端口；112输出端口；114电触头；122第一线圈电阻；124第二线圈电阻；132第一电流平衡电阻器；134第二电流平衡电阻器；137传导板；138传导涂层；191第一分支电路；192第二分支电路；200电路图；201输入端子；202第一线圈；203输出端子；204第二线圈；206第三线圈；222第一线圈电阻；224第二线圈电阻；226第三本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种超导线圈组件（３４），包括：多个分支电路，所述多个分支电路中的每个分支电路（１９１，１９２，２９１，２９２，２９３）相互间并联地电连接，所述每个分支电路（１９１，１９２，２９１，２９２，２９３）都设置于结构芯中，所述多个分支电路中的每个分支电路（１９１，１９２，２９１，２９２，２９３）都包括：由超导导线缠绕而成的线圈（１０２，１０４，２０２，２０４，２０６，３０２，３０４，３０６，３０８，３１０，３１２）；和用于为所述线圈（１０２，１０４，２０２，２０４，２０６，３０２，３０４，３０６，３０８，３１０，３１２）提供电阻（１２２，１２４，２２２，２２４，２２６）的装置，其中，所述每个分支电路（１９１，１９２，２９１，２９２，２９３）的所述线圈（１０２，１０４，２０２，２０４，２０６，３０２，３０４，３０６，３０８，３１０，３１２）形成了相对于所述多个分支电路的多个线圈（３６）。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：ET拉斯卡里斯，JM福加蒂，X黄，JW布雷，
申请(专利权)人：通用电气公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]