具有真空壳体和电磁屏蔽罩的高温超导转子及装配方法组成比例

公开了一种用于超导同步电机的转子，其包括：转子铁芯；围绕转子铁芯的至少一部分延伸的超导线圈，所述线圈具有位于所述转子铁芯的相对侧的线圈侧部；覆盖住至少一个所述线圈侧部的真空壳体，以及位于所述真空壳体和线圈侧部上的导电屏蔽罩。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术大体上涉及一种同步旋转电机中的超导转子，更具体地涉及用于同步电机的转子中超导励磁绕组的电磁屏蔽罩和真空容器。在同步电机的转子上通常采用传统的铜绕组。然而，铜绕组的电阻(虽然其传统的测量值较低)足以产生大量的转子热量，并降低了电机的功率效率。近来，已开发出了用于转子的超导(SC)线圈绕组。SC绕组实际上不具有电阻，是非常优良的转子线圈绕组。铁芯的转子在气隙磁场强度约为2特斯拉时饱和。已知的超导转子采用在转子中没有铁芯的空气芯设计，以使气隙磁场强度达到3特斯拉或更高。这些高的气隙磁场使电机的功率密度增加，并导致其重量和尺寸显著减小。空气芯的超导转子需要大量的超导线。这些大量的SC导线增加了所需的线圈数量、线圈支撑构件的复杂性以及SC线圈绕组和转子的成本。高温SC(HTS)励磁线圈绕组由脆性超导材料制成，其必须被冷却到临界温度如27K或临界温度以下，以获得并保持超导性。SC绕组可由高温超导材料，如BSCCO基(BixSrxCaxCuxOx)的导体制成。超导线圈例如由液氦冷却至低温。在经过了转子绕组后，使用过的温热的氦以气态氦回流。使用液氦进行低温冷却要求连续地再液化回流的室温的气态氦，这种再液化在可靠性方面存在相当大的问题，并需要大量的辅助电源。另外，HTS线圈对高的弯曲应变和拉伸应变敏感，其性能会降低。这些线圈必须承受使线圈绕组产生应力和应变的巨大离心力。电机的正常运转包括几年期间的数千次起动和停机循环，使转子产生了低周疲劳载荷。此外，HTS转子绕组必须在环境温度下的转子平衡运转期间承受25％的超速运转，以及在发电操作过程中的低温下不承受超速操作状态。与正常运转状态相比，这些超速状态显著地增加了施加在绕组上的离心力载荷。SC线圈通常必须利用真空进行热绝缘以产生超导性能。真空可防止温热的转子通过对流传热给SC线圈。SC励磁线圈必须被真空完全地包围住。形成真空要求真空容器及相关气密密封装置保持在转子上。用作电机的HTS转子励磁绕组的SC线圈在冷却和正常操作过程中要承受应力和应变。SC线圈要承受离心载荷、扭矩传递以及瞬时故障状态。为了承受力、应力、应变和循环载荷，SC线圈必须通过线圈支撑系统适当地支撑于转子中，并且屏蔽住动态的和瞬时的磁场。这些支撑系统将SC线圈固定在HTS转子内，并且保证线圈能够承受由于转子旋转而产生的巨大离心力。而且，线圈支撑系统可保护SC线圈，保证线圈不会提前开裂、疲劳或其他破裂。开发HTS线圈的屏蔽罩和线圈支撑系统在使SC线圈适应于HTS转子方面面临艰巨的挑战。在美国专利No.5548168、No.5532663、No.5672921、No.5777420、No.6169353和No.6066906中公开了先前提出的用于HTS转子的线圈支撑系统的示例。然而，这些线圈支撑系统存在许多问题，例如成本昂贵、结构复杂且需要过多的零件。需要一种制造成本低且零件易于制造的线圈支撑系统。
技术实现思路
用于HTS励磁线圈绕组的结构支撑构件的一个主要挑战是将SC线圈结合于转子中。该结构必须支撑SC线圈绕组，不会将大量的热量传给绕组。在所公开的创新概念中，线圈支撑构件的结构最小化，以便减少从转子铁芯传导至冷却SC绕组中的热量。然而，线圈支撑构件的减小也限制了支撑构件能够承受的力的水平。如果作用在转子上的力超过了线圈支撑构件所能承受的力的大小，那么就存在着线圈支撑构件失效或线圈绕组受损的极大危险。作用在转子上的力的潜在来源之一是由栅极故障(grid fault)引起的扭矩。具有SC线圈励磁绕组的高温超导(HTS)发电机易受电气栅极故障的影响。栅极故障是与电机定子相连的动力系统栅极中的电流尖脉冲。在栅极故障的情况下，在定子中流过过大的电流。该电流在定子绕组中引起电气干扰，会感应出能穿透到转子的励磁线圈绕组中的强磁通。穿透到转子中的励磁线圈绕组的磁场将在转子的线圈绕组上产生很大的扭矩。该扭矩将损坏SC线圈和不牢固的线圈支撑结构。除了这种机械影响之外，转子的磁场穿透还会导致在转子结构、特别是在HTS导线内的交流电(AC)耗损。最好应尽可能地减小栅极故障所感应的磁场和其他磁场穿透到转子中。减小由于栅极故障产生的转子扭矩允许线圈支撑系统最小。使穿透到转子中的磁场最小还应减少HTS转子内的AC耗损。屏蔽转子可以防止定子的交变且随时间改变的磁场穿透转子。如果转子的励磁线圈绕组没有很好地得到屏蔽，来自定子的磁通会穿透转子并在磁转子和SC线圈上产生扭矩。虽然这种定子磁通所感应的扭矩通常不会损坏现有技术中的可延展的铜转子线圈，但这种扭矩可能损坏脆性的SC线圈。如果具有SC线圈的转子没有得到适当的屏蔽，那么必须加固线圈支撑构件以承受故障感应的扭矩。然而，加固线圈支撑构件的一个缺点是同时也增加了支撑构件的质量，导致与传导给冷却SC线圈的热量增加有关的潜在问题。最好采用电磁(EM)屏蔽罩而不是增加线圈支撑构件的质量来防止交变磁通穿透转子并在超导线圈上产生感应扭矩。由于尺寸的原因，很难为大型SC电机制造出可覆盖整个转子铁芯的圆柱形EM屏蔽罩和真空容器。在制造圆柱形EM屏蔽罩和真空容器中的另一困难是形成具有紧密公差的大型铜或铝的圆柱体。如果EM屏蔽罩和真空容器是一个可在另一个上滑动的圆柱体，那么这两个圆柱体最好能连接在一起以便保持真空，并防止交变磁通进入转子。将不同的金属，例如不锈钢的真空容器和铜或铝制成的EM屏蔽罩连接在一起是困难的。由于它们的物理尺寸，对大型电机来说将圆柱形EM屏蔽罩和真空容器相结合存在着困难。然而，圆柱形EM屏蔽罩和真空容器可适用于小型电机，其具有足够小的转子使得EM圆柱形罩和圆柱形的真空容器相对容易制造。对于大型电机来说，制造、装配和平衡大型连续的圆柱形屏蔽罩并保证EM屏蔽罩或真空容器所需的精度和公差是一个很大的难题。如果圆柱形电磁屏蔽罩同时也用作真空边界，那么转子主体可能被真空容器覆盖住。因此，转子的表面通常是不可接近的，不能接近转子以正确地平衡转子。转子的平衡通常包括沿着转子主体的整个轴向长度和围绕其周边在不同位置处添加平衡重物，为此需要接近转子主体的整个表面。如果真空容器覆盖住整个转子主体，那么转子必须在容器覆盖住转子之前得到平衡。然而，在装配真空容器和EM屏蔽罩之前预平衡转子增加了生产周期和加工成本。而且，预平衡转子是环境温度下进行的，而转子在低温下操作。转子的平衡可能受到SC线圈所需的低温条件的影响。因此，最好在低温条件下平衡转子。已经发展了一种用于大型超导电机例如电动机或发电机的新型EM屏蔽罩和真空容器的概念。电机包括具有铁芯和超导转子励磁绕组线圈的转子。线圈通过装配在线圈上的真空通道壳体所形成的真空而绝缘。真空通道并没有覆盖住转子铁芯的整个表面。因此，在低温下的转子平衡操作过程中可接近转子。SC线圈也受到电磁屏蔽罩的保护。屏蔽罩与真空容器相隔开。EM屏蔽罩防止了交变或随时间变化的磁通穿透入转子中。这些磁场由瞬间例如突然的短路或栅极故障以及由于电机载荷不平衡造成的逆序磁场所产生。另外，EM屏蔽罩还抑制了由定子的磁动势间隔(magnetomotive force space)和时间谐波产生的谐波场。HTS转子可以用于原始设计成包括了SC线圈的同步电机。或者，HTS转子可代替现有的电本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种同步电机中的转子，其包括：转子铁芯；安装在所述转子铁芯上的超导线圈；覆盖在至少一个所述线圈侧部上的真空壳体，和位于所述真空壳体和所述线圈侧部上的导电屏蔽罩。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：Y王，KR维伯，K斯瓦舒布拉马尼尔姆，RJ尼加尔德，X黄，
申请(专利权)人：通用电气公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]