具有非冷卻式轉子體、冷卻式轉子繞組及附屬的固定和/或支承裝置的電機的製作方法

2023-04-30 09:32:11

專利名稱：具有非冷卻式轉子體、冷卻式轉子繞組及附屬的固定和/或支承裝置的電機的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種電機，所述電機具有以可繞旋轉軸旋轉的方式進行安裝 的轉子，所述轉子
一 包括一非冷卻式轉子體，所述轉子體在其外側具有空隙或扁平部 分，所述空隙或扁平部分的截面區域內布置有至少一個可冷卻至低溫的轉子 繞組，所述轉子繞組布置在具有低溫恆溫器壁的低溫恆溫器內，
以及
一 配有一固定和/或支承裝置，所述固定和/或支承裝置用於通過所 述低溫恆溫器壁將作用在所述轉子繞組上的力傳遞到所述轉子體上， 其中，
— 所述固定和/或支承裝置包括至少一個支承元件，藉助所述支承元 件可以實現從所述轉子體到所述轉子繞組的熱傳導。
背景技術：
DE 10 2004 039 855 Al中公開過相應的電機。
在具有冷卻至80 K以下低溫的轉子繞組尤其是超導轉子繞組的旋轉電 ^/L中，轉矩部分地產生在轉子的冷繞組上。為能對這部分轉矩加以利用，需 要將被利用的轉矩傳遞到熱軸上。適合完成這一任務的裝置一方面須具有傳 遞這種轉矩(大型電機中的這種轉矩的大小可達到幾百kNm)的能力，另一 方面，超導轉子繞組的固定裝置須具有良好的絕熱性能。只有在絕熱性能充 分良好的情況下，才有可能通過有限的冷卻措施將轉子繞組保持在實現超導 所需的低溫下。
4在現有技術的已知電機中，超導轉子繞組由繞組支架固定，而繞組支架
自身又位於中央支架芯部上。DE 199 43 783 Al中公開過這種布置方式。這 種電機的轉子繞組、繞組支架和支架芯部處於實現超導所需的低溫下。這種 類型的電機由於冷支承結構規模較大而需要;f艮長的冷卻時間，因而需要使用 高效冷卻系統。W0 98/02053中^Hf過另一種這個類型的電^L。
鑑於上述技術問題，對於大型電機而言有利的做法是，轉子繞組的至少 一部分支承結構不要冷卻至實現超導所需的低溫溫度，即使用一個至少局部 為高溫的支承結構。例如，DE 10 2004 039 855中/>開過這種結構類型的電 機。在這種類型的電機中，超導轉子繞組位於低溫恆溫器內，這個低溫恆溫 器位於非冷卻式轉子體外側的相應空隙中或相應扁平部分上。在這種具有所 謂的熱支承結構的電機中，有必要藉助適當的固定和/或支承裝置將冷卻至 低溫的超導轉子繞組固定在熱轉子體上。DE 103 03 307 Al中公開過這種固 定和/或支承裝置。
在這些現有技術的已知電機中，從處於低溫的超導轉子繞組經固定和/ 或支承裝置的不同部件而實現的熱傳導會引起損耗。為能在轉子繞組區域內 保持實現超導所需的低溫，須通過冷卻系統將適當的冷卻能量傳輸到電機的 這些區i或內。

發明內容
本發明的目的是對開篇所述類型的電機的超導轉子繞組的固定和/或支 承裝置進行改進，以便減小從冷超導轉子繞組到非冷卻式轉子體的熱傳導所 引起的損耗。
根據本發明，這個目的通過權利要求1所述的特徵而達成。據此，所述 電機具有一以可繞旋轉軸旋轉的方式進行安裝的轉子，所述轉子具有一非冷 卻式轉子體，所述轉子體在其外側具有空隙或扁平部分，在這些空隙或扁平 部分的截面區域內，所述待冷卻轉子繞組被布置在低溫恆溫器內，此外所述 電機的轉子還配有一固定和/或支承裝置，所述固定和/或支承裝置用於通過所述低溫恆溫器壁將作用在所述轉子繞組上的力傳遞到所述轉子體上。此 外，所述固定和/或支承裝置包括至少一個支承元件，藉助所述支承元件可 以實現從所述轉子體到所述轉子繞組的熱傳導。根據本發明，所述的至少一 個支承元件具有用於減小熱導率的構件，所述構件構成了至少一部分垂直於 傳熱方向的截面。
通過本發明的措施可以減小從冷轉子繞組到熱轉子體的熱傳導所引起 的損耗。
本發明的措施的優點在於可以減小電機冷卻系統的尺寸。在此情況下， 對熱傳導所引起的冷卻損失的最小化會對電機效率產生積極的效果。
本發明的電機的有利建構方案由權利要求1的從屬權利要求說明。其中， 可將權利要求1所述的實施方式與一個或優選兩個以上的從屬權利要求的特
徵相結合。據此，本發明的電機還可有利地具有下列特徵
_支承元件可安裝在轉子繞組與低溫恆溫器壁之間或低溫恆溫器壁 與轉子體之間。通過本發明的這一措施可選擇性地減小轉子繞組與低溫恆溫 器壁之間或低溫恆溫器壁與轉子體之間的熱損失。
_電機的固定和/或支承裝置可包括一個以上的支承元件，這些支承 元件中的至少一個支承元件安裝在轉子繞組與低溫恆溫器壁之間，至少一另 個支承元件安裝在低溫恆溫器壁與轉子體之間。通過這種結構可以實現兩級 式冷卻系統，在這種冷卻系統中，低溫恆溫器壁所處的溫度優選介於冷轉子 繞組的溫度與轉子體的溫度之間。通過這種方式可使傳熱損失進一步最小 化。
—作為用於減小熱導率的構件，支承元件可具有方向基本垂直於傳熱 方向的層狀結構。藉助通過該層狀結構而實現的熱阻可進一步減小支承元件 在傳熱方向上的熱導率。相比於將支承元件實施為由不良導熱材料構成的實
心元件而言，il 狀結構可進一步減小導熱率<
6一支承元件的層狀結構可進一步建構為，支承元件通過多個單獨的元 件而形成，這些單獨的元件接合成一個整體形成熱阻。通過這種方式可在產 生於各元件之間的界面上進一步形成熱阻。
—此外，支承元件的這些單獨的元件優選可由玻璃纖維增強塑料構 成。其優點在於，玻璃纖維增強塑料不僅強度大，而且還具有低的熱導率。
_支承元件可實施為由玻璃纖維增強塑料構成的組件，並可具有通過 塑料中的玻璃纖維層而產生的層狀結構。藉此可有利地通過玻璃纖維增強塑 料的微觀結構實現上文所述的熱阻作用方式。藉此在各玻璃纖維層上形成熱 阻。
—此外，支承元件可用多孔材料製成，所述多孔材料優選為燒結材料。 藉此可通過存在於多孔材料內的空腔實現熱阻，而無需藉助上文所述的組件 的分層結構。
—支承元件進一步建構為具有必要的抵抗壓力負荷的能力。 —電機的轉子繞組可用超導材料製成。相比常導轉子繞組而言，由於 將超導體用作轉子繞組材料，使電機具有更為緊湊的結構。
_可將HTC材料用作超導材料。HTC材料是指臨界溫度較高的超導材 料(高Te材料)。所述臨界溫度通常高於氮的沸點。通過對高溫超導體的應 用，可將價格低廉而又容易獲得的氮用作冷卻劑。
_此外還可將LTC材料用作超導材料。LTC材料指的是用於低溫超導 體(低T。超導體)的材料。這類材料所經歷的技術試驗歷史長於HTC材料， 因而具有良好的可用性。
本發明的電機的其他有利建構方案可從上文未涉及的從屬權利要求和 附圖中獲得。


，；，、、 、、 。，、$ 、.，；、、、，、 、 作進一步說明，其中
7圖1為現有^t術中的轉子元件的截面圖2為固定和/或支承裝置的優選實施方式，所述固定和/或支承裝置包 括至少一個本發明的支承元件；以及
圖3至圖5為本發明的支承元件的優選實施方式。
具體實施例方式
相同部件在各附圖中用相同參考符號表示。
圖1以截面圖形式顯示如DE 10 2004 039 855 Al中所^^開的電^/L的轉 子2。 IO表示的是一個以可繞軸A旋轉的方式進行安裝的非冷卻式轉子體， 這個轉子體優選可用鐵磁材料(特別是例如鐵)製成。轉子體10在其外側 具有彼此相對布置的空隙或扁平部分lla、 llb。從截面看，這些空隙或扁平 部分可以呈弓形，並沿軸向(即平行於轉子體的軸A)延伸。也可根據此處 未詳細說明的其它方式對這些空隙進行建構。在所述空隙或扁平部分朝向旋 轉軸的一側，轉子體10上安裝有底板12a、 12b，從截面看，這些底板沿著 弦或割線延伸。從截面看，用14a、 14b表示的壁段使所述弓形完整。這些 壁段與底板12a、 12b—起構成低溫恆溫器13a、 13b。低溫恆溫器13a、 13b 內部布置有整體用16表示的一個勵》茲繞組的至少部分的轉子繞組16a、 16b。 轉子繞組16a、 16b可建構為跑道式，尤其是可由兩個或多個組裝式部件構 成。特別地，勵磁繞組16的轉子繞組16a、 16b可用超導材料製成。特別是 YBCO可作為超導材料使用。在使用YBCO或BPSCCO作為超導材料的情況下， 可使用液氮、液氦或液氖作為冷卻劑將轉子繞組16a、 16b冷卻至實現超導 所需的溫度。此外，可藉助整體用17表示的固定和/或支承裝置的軌形或槽 形固定元件17a、 17b將轉子繞組16a、 16b安裝在^f氐溫恆溫器13a和13b中。 固定和/或支承裝置17特別地可包括用於吸收壓力和/或拉力的支承元件 18a、 18b。
圖2顯示的是整體用3表示的電機的一個部分，在這個電機中，轉子繞 組16a、 16b通過多個支7 義元件21至23與一個熱轉子體IO相連。轉子繞組16a、 16b特定而言可建構為跑道式，並至少部分地用超導材料製成。轉子繞 組16a、 16b位於如圖1所示的低溫恆溫器內部，這個低溫恆溫器的低溫恆 溫器壁20 —般位於熱轉子芯10與轉子繞組16a、 16b之間。在此情況下， 本發明的支承元件21、 22可選擇性地位於熱轉子芯10與低溫恆溫器壁20 之間，或位於低溫恆溫器壁20與冷轉子繞組16之間。
根據本發明，支承元件21至23配有用於減小從熱轉子芯10到冷轉子 繞組16a、 16b的熱流W的措施。下文將結合圖3至圖5對這些措施進行詳 細說明。此外，支承元件可建構為，其經過低溫恆溫器壁20將冷轉子繞組 16a、 16b與熱轉子芯IO連接起來。這種實施方式在圖2中用23表示。在此 情況下，支承元件23可實施為兩部分。第一部分連接轉子繞組16和低溫恆 溫器壁20,第二部分連接低溫恆溫器壁20和轉子芯10。作為替代方案，支 承元件23也可實施成一個整體，這個組件將冷轉子繞組16和熱轉子芯10 直接相連。本發明的支承元件21至23的可選的使用方式並不僅限於圖2所 示的實施方式2。轉子繞組16、低溫恆溫器壁20與轉子芯IO之間可設置多 種不同的幾何結構。也可使用不同數量的支承元件21至23。特別地，低溫 恆溫器壁也可直接抵靠在轉子芯10上，或者由轉子芯構成。
圖3顯示的是本發明的支承元件整體用4表示的實施方式的示意圖。其 中，支承元件4具有方向基本垂直於熱流W的方向的層狀結構。支承元件4 用不良導熱材料製成，例如玻璃纖維增強塑料。所述玻璃纖維增強塑料由基 質31和嵌入在基質31中的分層32構成。基質31可由合成樹脂或澆鑄樹脂 構成，嵌入式分層32可由玻璃纖維構成。根據本發明，這些嵌入式玻璃纖 維構成熱流W的熱阻。其中，本發明的支承元件4並不僅限於使用上述材料， 還可以使用多種不同的構成基質31的材料，例如聚合物、金屬、合金等等。 嵌入在基質31內的分層也可由多種不同的材料構成。可以使用各種纖維材 料，但也可使用由導熱性能不同於基質的材料構成的分層。作為上述基質/ 分層結構的替代方案，支承元件4也可由多個單獨的元件31構成，這些單
9獨的元件接合成一個組件，從而形成熱阻32。
圖4顯示的是本發明的支承元件整體用5表示的另一實施方式。這個實 施方式結合了上述的各熱阻形成方案。支承元件5由兩個或多個單獨的元件 41構成，這些單獨的元件接合成一個組件5形成宏觀熱阻42。這些單獨的 元件41自身也可具有一個包括基質44和嵌入式微觀熱阻43的分層結構。 各熱阻的總和為支承元件5的總熱阻。微觀熱阻43例如由嵌入式玻璃纖維 氈形成。這些嵌入式玻璃纖維氈位於例如由合成樹脂或澆鑄樹脂構成的不良 導熱基質44中。所述單獨的元件41又進而接合成支承元件5形成宏觀熱阻 42。通過這種方式可將微觀熱阻和宏觀熱阻的效果結合起來。
圖5顯示的是本發明的支持裝置整體用6表示的另一優選實施方式。支 承元件6由多孔材料構成；特定而言，為此可用粒狀材料例如珠光體或其它 燒結材料。在這個實施方式中，位於基質51中的孔隙52構成熱流W的熱阻。
所述支承元件在熱流W的優選方向上的空間延伸度可以大於其在垂直於 熱流W的優選方向上的空間延伸度。此外，通過對支承元件的結構和/或所 用材料進行選擇，還可使支承元件優選具有吸收壓力的能力。
本發明的支承元件特定而言可在具有冷卻式超導轉子繞組的電機中用 作冷超導轉子繞組的固定和/或支承裝置的部件。這類電機可以用作電動機 或發電機。這種配有超導轉子繞組^由如"ffi洽$ ,i,
繞組的可類比電機的已知應用領域。
10
權利要求
1. 一種電機，所述電機具有以可繞旋轉軸旋轉的方式進行安裝的轉子，所述轉子包括一個非冷卻式轉子體，所述轉子體在其外側具有空隙或扁平部分，這些空隙或扁平部分的截面區域內布置有至少一個待冷卻至低溫的轉子繞組，所述轉子繞組安置在具有低溫恆溫器壁的低溫恆溫器內，以及具有一個固定和/或支承裝置，所述固定和/或支承裝置用於經所述低溫恆溫器壁將作用在所述轉子繞組上的力傳遞到所述轉子體上，其中，所述固定和/或支承裝置包括至少一個支承元件，所述支承元件用以實現從所述轉子體到所述轉子繞組的熱傳導，其特徵在於，所述的至少一個支承元件具有用於減小熱導率的構件，所述構件構成至少一部分垂直於傳熱方向的截面。
2. 根據權利要求l所述的電機，其特徵在於，所述的至少一個支承元件安裝在所述轉子繞組與所述低溫恆溫器壁之間，或安裝在所述低溫恆溫器壁與所述轉子體之間。
3. 根據權利要求1所述的電機，其特徵在於，所述固定和/或支承裝置包括兩個或多個支承元件，其中，至少一個支承元件安裝在所述轉子繞組與所述低溫恆溫器壁之間，至少一個支承元件安裝在所述低溫恆溫器壁與所述轉子體之間。
4. 根據權利要求1至3中任一項權利要求所述的電機，其特徵在於，作為所述用於減小熱導率的構件，所述支承元件具有方向基本垂直於所述傳熱方向的層狀結構或分層結構。
5. 根據權利要求4所述的電機，其特徵在於，所述支承元件的層狀結構由兩個或多個單獨的元件構成，這些單獨的元件通過其彼此間的接觸面接合成一個整體從而形成熱阻。
6. 根據權利要求5所述的電機，其特徵在於，所述支承元件的各單獨的元件由玻璃纖維增強塑料構成。
7. 根據權利要求4所述的電機，其特徵在於，所述支承元件為由玻璃纖維增強塑料構成的組件，所述支承元件的層狀結構通過所述玻璃纖維增強塑料內的玻璃纖維的相應布置而產生。
8. 根據權利要求1至3中任一項權利要求所述的電機，其特徵在於，所述的至少一個支承元件用多孔材料製成。
9. 根據權利要求8所述的電機，其特徵在於，所述多孔材料為粒狀材料或燒結材料。
10. 根據上述權利要求中任一項權利要求所述的電機，其特徵在於，所述支承元件必要地受到壓力負荷。
11. 根據上述權利要求中任一項權利要求所述的電機，其特徵在於，所述的至少一個轉子繞組由超導材料構成。
12. 根據權利要求11所述的電機，其特徵在於，所述超導材料為LTC材料。
13. 根據權利要求11所述的電機，其特徵在於，所述超導材料為HTC材料。
全文摘要
本發明涉及一種電機，所述電機具有一個以可繞旋轉軸旋轉的方式進行安裝的未冷卻轉子，所述轉子在其外側具有空隙或扁平部分。這些扁平部分的截面區域內布置有至少一個待冷卻至低溫的轉子繞組，所述轉子繞組布置在具有低溫恆溫器壁的低溫恆溫器內。一固定和/或支承裝置用於將作用在所述轉子繞組上的力越過所述低溫恆溫器壁傳遞到所述轉子體上。為減小冷卻系統中由於熱傳導而產生的損耗，所述固定和/或支承裝置包括至少一個支承元件，所述支承元件具有減小熱導率的構件。
文檔編號H02K55/00GK101467339SQ200780022096
公開日2009年6月24日 申請日期2007年5月4日 優先權日2006年6月12日
發明者彼得·范哈塞爾特, 麥可·弗蘭克 申請人:西門子公司