超导电机的结构制造技术

用于超导电机的转子组件包括一个由高温超导体制成的超导绕组，在运行中可在转子组件内部形成磁通路线；一种高透过性磁性材料，至少位于磁通路线的一部分上，以减少磁通路线的整体磁阻。转子组件还包括具有内腔的支承构件，该构件由非磁性、高强度弹性材料制成，并以其外表面支承超导绕组，在支承构件的内腔容积中填充高透过性磁性材料，而磁性材料可以做成芯构件的形式，以便给超导绕组形成的磁通路线提供较低磁阻部分。（*该技术在2019年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种超导电机及其结构。在传统的电机中，为在临界点获得足够的磁力线(如，在绕组内部)，而在其场结构中使用铁材料。同时，也有人试图把低温技术应用到电机中。在这些电机中应用超导绕组可使得绕组产生的磁动势显著增加，也使磁通量和功率密度均有增加。然而，包括铁在内的大多数铁磁性材料是脆性的，在电机中产生的振动作用下易碎，而且，这些物质的脆性在冷却至低温时更为明显。因此，在一些应用中，具有超导绕组的电机中采用铁磁性材料经常受到严格的限制并且至少这对于设计者来说并非琐碎小事。本专利技术的特征是在电机的转子结构中，高透过性磁性材料相对超导绕组放置，以减少超导绕组产生的磁通路线的磁阻。从本专利技术的总的方面来说，超导电机中使用的转子组件包括一个由高温超导体制成的超导绕组，在运行过程中在转子组件内形成磁通路线；和一高透过性磁性材料，至少放置在磁通路线的一个部分上，以减少超导绕组形成的磁通路线的整体磁阻。在本专利技术的优选实施例中，转子组件包括一个支承构件，该支承构件由非磁性的高强度弹性材料制成，内部有一定的内腔容积，在外表面支承超导绕组。支承构件的内腔容纳并支承柱状的磁性材料，芯构件对超导绕组产生的磁通路线的一个部分带来的磁阻很小。转子组件的这种结构提供了许多明显的优点。超导绕组支承在支承构件的外表面，绕组伸出超过支承构件和芯构件的末端。支承构件紧固芯构件，故在一些情况下，芯构件可以冷却至低温，而不会有因操作过程中电机产生的振动作用力而导致大的脆裂的风险。因此，本专利技术提供一种内部支承结构，能够保护相对较脆的部件(如芯构件)。并且，转子组件的设计对于给定数量的安培匝数的绕组来说能够产生更高的磁通量水平，从而使电机效率更高。这样，结构的尺寸能够得到缩小，而不影响性能。更进一步地说，与在传统的相对复杂结构设计中把铁磁性材料放置在电机的电枢中或嵌入绕组的超导区所不同，本专利技术的转子组件提供相对简单的结构，其中特别是从超导区除去铁磁性材料，同时仍然增强了超导绕组形成的磁场。在优选实施例中，上述转子组件可以包括下述特征的一个或多个。支承构件可以是由不锈钢制成的圆柱形管结构，且其横截面阶梯状外形用以支承绕组。芯构件可以由铁制成，且可以做成柱状，以大致装满圆柱形管的内部空间中。形成芯构件的磁性材料可以低温冷却。这种情况下，芯构件在扭转管的内部空间内沿径向方向被整体地挤压紧固。芯构件由一系列叠片组成，每层都位于与圆柱形管纵轴垂直的平面上。这样，可以防止在叠片的一层或多层中形成的裂缝沿着芯结构扩散。另外，在铁芯处于较高的温度下时(非低温)，铁芯可以做成连续固体构件。在这种情况下，芯构件和支承构件之间大致有一段真空间隙，以便使两者热绝缘。真空间隙内可以填充一些多层绝缘体。转子组件可以包括外层电磁保护套，其围绕在超导绕组和支承构件的周围。超导绕组是跑道形状，由高温超导体(HTS)制成。在本专利技术的另一个方面中，提供一种同步电机的转子组件的方法包括由高透过性磁性材料制成的芯构件；把非磁性材料、高强度弹性材料制成的支承构件放置在芯构件的周围；以及在支承构件的外表面放置超导电枢绕组。在优选实施例中，提供芯构件材料的步骤包括把高透过性磁性材料制成的片层堆叠起来。在芯构件材料的周围放置支承构件的步骤包括在芯构件材料周围冷缩支承构件。下面参照附图详细描述本专利技术。附图中附图说明图1是超导同步电机转子的局部剖开的等距图；图2是沿图1的2-2线截取的部分转子的端部剖视图；图3是沿图1的3-3线截取的部分转子的侧剖视图；图4是图1中超导同步电机使用的跑道状绕组的局部剖开等距图；图5是转子组件中磁芯的端部剖视图；图6是说明超导同步电机中磁通路线的示意图；图7是表示转子组件内部磁场分布的线图8是超导同步电机的另一实施例的局部剖开的等距图。图9是超导同步电机的另一实施例的侧剖视图。本专利技术的其它特点和优点将通过下面的描述和权利要求书阐明。参照图1-3，其中示出了没有带外壳的采用四极拓扑结构的同步电机转子组件10，其外壳在转子组件中封闭真空层。转子组件包括由高强度、韧性非磁性材料制成(如不锈钢)的扭转管20，其外表面支承四个超导绕组组件30(图中仅示出一个)，每个绕组与电机的一极相连。中空的芯构件50位于扭转管的内腔中，其功能将在下面进行更为详细的讨论。芯构件50由高透过性，高饱合磁通密度和强磁性的材料(如铁)制成。为减轻芯构件的重量以及组件重量，中空铁芯50的厚度通常选择为能维持铁芯处于过饱和点之下而又能提供磁阻较低的磁通路线。尤其在图2中，第一对径向相对的超导线圈中的每一个都关于第一轴22缠绕，而第二对径向相对的超导线圈中的每一个则关于第二轴24缠绕，相对于轴22横向布置。绕组在扭转管外缘的阶梯状轮廓处被支承，而阶梯状轮廓沿轴22、24形成。而且，图1中显示更为清楚，绕组延伸到铁芯和扭转管的末端外面。在这些末端区域，绕组和扭转管之间被真空层31隔开，真空层中通常填充多层绝缘体(譬如，镀铝的聚酯薄膜)。这种结构保证绕组维持在低温状态，同时允许转子组件和电机的长度缩短。扭转管20包括末端延伸构件21，该构件是外界环境和转子组件低温区域之间的热/冷过度区。该末端延伸构件21还包括一些贯穿整个扭转管长度的冷却孔28，运送冷却超导绕组组件所需的气体或液体冷却剂(如图3所示)。绕组组件30通过极盖40以及直角盖42紧固在扭转管20上，而极盖40就固定在转子的四极位置，极盖均匀分开，直角盖位于每个极盖之间，从轴22、24偏离45°角。极盖40和直角盖42通常采用与扭转管相同的材料制成，并且与扭转管一起形成一个完整的柱体。参照图4，每个超导绕组组件30均与电机的一极相连，绕组组件包括处于一个线圈支承套内的一些跑道状双扁平线圈32。每个双扁平线圈有平行缠绕的共缠导线(co-wound conductors)，其放置的方式是其中一个同轴叠放在另一个的顶上。这个实施例中，导线是由高温氧化铜陶瓷材料制成，如Bi2Sr2Ca2Cu3Ox，通常称为BSCCO 2223。如图所示，一个或多个双扁平线圈32可以包括一个扁平线圈，其直径小于双扁平线圈中的另一个与之相配的线圈，这对双扁平线圈的两个线圈是从相同的连续长度的超导材料带缠绕出的。这种方法在同时待审的申请(序号为08/541,639)中有过描述，该申请已转让给本专利技术的受让人，在这里该申请被引作参考。优选实施例是基于高温超导复合材料的磁特性和热特性之上的，较优选的是，该材料是指超导陶瓷氧化物，最优选的是氧化铜家族中的成员。热或冷铁实施例从经济角度不适合低湿超导体，其原因部分是由于在转子中加入铁会使超导电机成本显著增加。应用铁转子的确能减少超导复合材料用量的大约50％。在高温超导电机中，因为高温超导体复合材料制造费用昂贵，并且经常含有大量的贵重金属，当转子减少50％的超导材料，能把该设备的高湿超导电机的费用明显降低。而在低温超导电机中，因为主要考虑因素是冷却成本，而不是材料成本，把低湿超导材料减少50％，并不会给该装置带来显著的成本降低效益。而把低温超导体冷却至4°附近的费用要比把高温超导体的温度降至27°左右的费用高，尤其是考虑涡流损伤的补偿时则由其如此。参照图5，优选实施例中铁芯由一系列叠片52组成。高强度扭转管通常加热以使其受热本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种超导电机的转子组件包括：至少一个由高温超导体制成的超导绕组，在运行中该超导绕组在转子组件内部形成磁通路线；和高穿透磁性材料，其放置在转子组件中，并位于磁通路线的至少一部分上，以减少超导绕组形成的磁通路线的整体磁阻。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：布鲁斯B甘布尔，格雷戈里L斯尼特切勒，
申请(专利权)人：美国超导体公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]