具有對其超導轉子繞組的溫差環流冷卻的電機裝置的製作方法

2024-02-10 07:12:15

專利名稱：具有對其超導轉子繞組的溫差環流冷卻的電機裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種電機裝置，其具有
-可圍繞旋轉軸旋轉地支撐且被定子環繞的轉子，該轉子具有至少一個 轉子繞組，該轉子繞組的超導性導體傳熱地耦合在中夾的沿軸向延伸的圓柱形 轉子空腔上，
-位於轉子之外位置固定的具有冷凝腔的冷卻單元以及
-在所述中央的轉子空腔與冷卻單元的冷凝腔之間延伸的管形管道部分。
在此，轉子空腔、管形管道部分以及冷凝腔構成一個封閉的管路系統，冷 卻介質可以在其中利用溫差環流效應循環循環。
背景技術：
一種相應的電機裝置已由德國專利申請DE 1005 7664A1公開。
自從1987年以來已對具有77K以上越變溫度Te的金屬氧化物超導材料有 所了解。因此這些材料也被稱為高越變溫度Tc的超導材料或HTS材料並且原 則上可以實現利用液態氮(LN。的冷卻技術。
人們還試圖通過採用這樣的HTS材料製成的導體，來製造電機的超導繞 組。但是業已表明，迄今已知的HTS導體在通過Tesla範圍內的感應的磁場中 具有相對較小的載流能力。這通常要求，這類繞組的導體儘管所採用的材料本 身具有高的越變溫度Tc，但是必須保持處於一個低於77K的溫度水平，例如界 於10與50K之間，以便因此在出現高場強時能夠承載大的電流。這樣的溫度 水平明顯高於4.2K(液態氦LHe的沸點)，而利用液態氦冷卻已知的具有相對低 越變溫度Te的金屬超導材料，所謂的低越變溫度Tc材料或LTS材料。
為了冷卻具有在上述低於77K溫度範圍內的HTS導體的繞組優選採用具 有封閉的氦-壓縮氣體迴路的所謂的低溫冷卻器形式的冷卻設備。這樣的低溫冷 卻器尤其是Gifford McMahon或Stirling類型的或者設計為所謂的脈衝管冷卻
器。此外這樣的低溫冷卻器具有的優點是，其冷卻功率幾乎可以通過按鈕控制 提供使用以及避免運用深冷流體。在採用這樣的冷卻設備時超導繞組僅通過向
一個相應的冷凝器的冷卻頭傳熱來直接冷卻(例如參見"Proc. 16th Int. Cryog. Engig. Conf. (ICEC 16)，， ， Kitakyushu， JP, 20,24. 05.1996, Elsevier Science出版社， 1997， 1109至1129頁)。
相應的冷卻技術也可用於由本文開頭所述的DE10057664A1中得知的電機 轉子。該轉子包括由HTS導體製成的旋轉繞組，所述HTS導體位於導熱的繞 組支架內。該繞組支架設有中央的沿軸向延伸的圓柱形轉子腔，在該轉子腔上 連接有側向從繞組支架導出的管形管道部分。這些管道部分通入到一個冷卻單 元的在測量學上地位高的冷凝腔內，以及與該冷凝腔及所述中央轉子腔一起構 成一個封閉的單管管道系統。在該管道系統中存在冷卻介質，該冷卻介質利用 溫差環流效應循環。在此，在冷凝腔內冷凝的冷卻介質通過管形的管道部分被
冷卻的HTS繞組的熱耦合而吸收熱量，並且至少部分汽化。已汽化的冷卻介質 隨後通過相同的管道部分返回到冷凝腔中，在那裡重新冷凝。為此所需要的冷 卻功率由一臺制冷機提供，該制冷機的冷卻頭熱耦合地與所述冷凝腔連接。其
中朝制冷機的起冷凝器作用的構件方向的冷卻介質回流通過一略微的過壓驅 動，該過壓是在起汽化件作用的中央轉子腔中形成的。通過在該汽化件內氣體 的生成以及在冷凝腔內的液化所產生的過壓，導致所期望的冷卻介質回流。相 應的循環也^皮稱為自然對流。
代替這種已知的其中有液態和氣態冷卻介質流過相同管件的單管溫差環 流管道系統，也已知一些利用利用溫差環流效應進行冷卻介質循環的雙管管道 系統(例如參見WO 00/13296A)。其中在轉子的空心軸區域內設有用於氣態冷卻 介質的附加管件。
也就是說，在利用溫差環流冷卻的已知電機中冷卻介質的傳輸僅僅是利用 自然的對流實現的，從而不需要其他的泵系統。若希望將這類電機裝置應用在 船舶或海上設備上，則必須要經常考慮到沿縱向達±5°的靜態傾斜、即所謂的 "縱傾(Trim)"和/或達±7.5°的動態船位。為了允許分級公司使用船，所以必 須使這樣的電機裝置的冷卻系統確保可靠的冷卻。若允許電機存在所謂的傾斜， 但是仍存在中央轉子腔與冷卻單元之間的管形管道部分的區域比該中央轉子腔 本身所處的位置更低的危險。其後果是，冷卻介質在重力作用下不再能到達所
述待冷卻的轉子腔。因此不再能夠確保對電機的冷卻以及進而不能確保其正常 運行。
為了抵制該危險，另外已知下列一些建議
- 一種簡單的解決方案是，將電機相對於水平面傾斜地設置成，使得即 便在傾斜或振幅增大到最大時在溫差環流管道系統中仍然總是存在一個朝中央 轉子腔方向的斜度。而相應地傾斜設置的結構在船舶製造中尤其在較大電機長 度時出於需要大的空間位置的要求恰恰是不希望出現的。
-原則上可以通過泵設備強迫冷卻介質循環。但是為此需要明顯更高的 設備成本，尤其當冷卻介質應該處於例如25至30K的溫度水平上時。此外這 類循環設備導致顯著的損耗以及幾半不能滿足具有長維修間隙的造船業的壽命 要求。

發明內容
因此，本發明要解決的技術問題在於，將具有本文開頭所述特徵的包括帶 有從屬冷卻單元的電機的電機裝置構造成，即使在其轉子的傾斜度增大時，如 在應用於船舶或海上設備中可能發生的那樣，也能達到在中央轉子腔中利用冷 卻介質充分冷卻的效果。
上述技術問題按照本發明通過在權利要求1中給出的措施得以解決。相應 地在具有本文開頭所述特徵的電機裝置中所述中央的轉子腔至少局部設有由高 導熱性能的多孔材料製成的內襯，該材料為冷卻介質形成貫通的類似毛細管的 結構。
圍繞轉子腔的繞組支架的內壁的用作轉子腔與超導繞組之間導熱橋的本 發明內襯，與其相關的優點是，即使在軸傾斜時也基於毛細效應使冷卻介質在 所述結構或空腔的表面或圍壁上均勻分布。此外，在運行中所述結構或空腔的 旋轉還有助於這種冷卻介質的分布。以此方式保證良好地浸溼多孔材料。因為 該材料要具有足夠高的導熱性，所以可以確保待冷卻的導體3與冷卻介質良好 的熱耦合。
從權利要求1中得知的電機裝置的優選擴展設計可以從從屬權利要求中得知。
所述多孔材料優選涉及燒結材料，尤其涉及具有銅(Cu)的燒結材料。與此 相關地，對於燒結材料可以理解為高導熱性能的各種材料，其以粉末冶金的方
法通過壓制和加熱形成以及同時還具有滿足所要求的毛細作用的多孔性。
腔內。通過相應的方法可以簡單地實現所希望的內襯。
由多孔材料製成的內襯尤其可以具有至少為3%、優選至少為10%的多孔 性，以便因此為所需要的毛細作用提供足夠大的通過冷卻介質沾溼的表面。
至少為100『/(米.開爾文)的材料。尤其銅(Cu)-材料毫無疑問地滿足該條件，因為 其導熱性具有高於所要求的最小值的數值。
取代利用燒結材料的內襯也可以採用相應的多孔塗層。
本發明電機裝置的其他有利的擴展設計可以從上面未述及的從屬權利要 求中得知。


為了補充性地說明本發明下面藉助於詳細描述電機裝置的優選實施例。 圖1以簡略示意圖示出按照本發明構造的電機單元的縱剖面圖。
具體實施例方式
按照本發明的電機裝置相應地包括電機或電動機以及從屬的冷卻單元。在 下面藉助於附圖表示的這樣電機的實施方式中可能尤其涉及同步電動機或發電
機。該電機包括可旋轉的超導繞組，該超導繞組原則上允許採用金屬的LTS材 料或氧化物HTS材料。後述材料是下述實施例的基礎。利用相應的導體可以由 一個線圈或者多個線圈以2極、4極或其他多極布設結構形成的系統構成繞組。 一臺相應的同步電動機的原理性結構可以從附圖中得知，在此基於這樣電機由 本文開頭提及的DE10057664A1所/>開的實施方式。
以附圖標記2表示的電機包括固定的、處於室溫下的外殼3及定子繞組4 。 轉子5處於該外殼之內以及被定子繞組4圍繞，其可圍繞旋轉軸線A旋轉地支
外，轉子具有真空罐7，在該真空罐內帶有HTS繞組10的繞組支架9固定在 例如空心圓柱形的、傳遞扭矩的懸掛元件8上。在該繞組支架中與旋轉軸線A 同心地存在一個沿軸向延伸的中央轉子腔12,其例如是圓柱形的。其中繞組支 架設計為相對於該空腔是真空密封的。繞組支架在轉子的一側封閉該中央轉子
腔，該繞組支架在該側藉助於實心的沿軸向的轉子軸部分5a支撐。在相對置側 該中央轉子腔12與具有相對更小直徑的側空腔13連通。該側空腔A/v繞組支架 的區域向外從外殼3的區域引出。圍繞該側空腔13、支撐在所述其中一個軸承 內的管狀轉子軸部分以附圖標記5b表示。
為了間接地通過繞組支架9的傳熱部分對HTS繞組10進行冷卻，設有一 個共同用附圖標記15表示的冷卻單元，其中僅詳細地示出了冷卻頭16。該本 身公知的冷卻單元可以涉及Gifford McMahon類型的低溫冷卻器或尤其涉及例 如脈衝管冷卻器和Split-Stirling冷卻器那樣的循環低溫冷卻器。在此，冷卻單 元的冷卻頭16以及進而所有重要的其他構件均位於轉子5及其外殼3之外。
例如與轉子5側向間隔幾米安置的冷卻頭16的冷卻件在真空罐23內通過 導熱體17與冷卻介質冷凝單元保持良好的傳熱接觸，該冷卻介質冷凝單元具有 冷凝腔18,在該冷凝腔上連接一真空絕緣的、位置固定的熱管20,該熱管20 側向以沿軸向的區段伸入到側向隨同旋轉的空腔13或中央的轉子腔12中。在 圖中未詳細示出的帶有至少一個密封件的密封裝置21用於將該熱管20相對於 所述側向空腔13密封，所述密封件可以設計成鐵流體密封和/或迷宮式密封和/ 或間隙密封。通過熱管20和側向空腔13將中央轉子腔12與冷凝腔18的熱交 換區域對外氣密地連通。在中央轉子腔12與冷凝腔18之間延伸的用於容納冷 卻介質的管狀部分共同被稱為管道部分22。這些管道部分與冷凝腔18以及中 央轉子腔12—起被^L為一個管道系統。
管道系統的這些空腔充填根據所期望的運行溫度選擇的冷卻介質。因此例 如可以考慮採用氫(常壓下冷凝溫度20.4K)、氖(常壓下冷凝溫度27.1K)、氮(常 壓下冷凝溫度77.4K)或氬(常壓下冷凝溫度87.3K)。也可以採用這些氣體的混合 物。在此冷卻介質的循環是利用溫差環流效應實現的。為此冷卻介質在冷凝腔 18區域內的冷卻頭16處冷凝。如此液化的以k表示的冷卻介質接著通過管道 部分22流入到中央轉子腔12中。冷凝液的傳輸在此在重力作用下進行。為此 可以有利地使熱管20略微相對於旋轉軸線A傾斜(幾度)，以便由此有助於液態 冷卻介質k從該熱管20的開口端流出。該液態冷卻介質然後在轉子內部汽化。 氣態的冷卻介質用k'表示。該吸收熱量而汽化的冷卻介質隨後通過管道部分 22的內部流回到冷凝腔18中。其中該回流通過在起汽化器作用的轉子腔12內 的略微過壓朝冷凝腔18的方向驅送，而該過壓是由於在該汽化器內氣體的生成 以及在冷凝腔內的液化引起的。因為液化的冷卻介質從冷凝腔18到中央轉子腔
12的循環以及汽化的冷卻介質k'從該轉子腔返回到冷凝腔的回流是在由冷凝
腔18、管道部分22以及轉子腔12構成的管狀管道系統中進行的，涉及利用溫 差環流效應進行冷卻介質k、 k'循環的單管管道系統。當然對於按照本發明的 電機裝置而言也可以採用已知的能實現溫差環流循環的多管管道系統。
另外，從圖中可以看到，在將電機2應用到船舶或海上設備中時出現一個 斜度，其中旋轉軸線A相對於水平面H傾斜了一個幾度的角度5。這樣的話， 儘管冷卻介質仍然在冷凝腔18中冷凝，但是冷卻介質卻不能再到達中央轉子腔 12,致使管道部分22尤其在軸附近的區域通常聚集了液態的冷卻介質k。這樣 的話，在管道系統的冷卻介質填充量相對較小時轉子腔12是幹運行的並且因此 而不再能夠冷卻。在管道系統的冷卻介質填充量更大時在經過一定時間後由於 聚集的液態冷卻介質使氣態冷卻介質k'在管道部分22中向冷凝腔18的回流 被阻截。在這種情況下同樣不再能確保對轉子及其超導繞組的可靠冷卻。
出於該原因，如從圖中所得知的那樣，按照本發明在繞組支架9的內側設 有由足夠多孔的材料、優選為燒結材料製成的獨特內襯25。在此其厚度通常界 於0.1與2mm之間。這樣的燒結材料要針對具體實施例來選擇。因此要確保， 即使在存在傾斜時也基於在燒結材料中的毛細作用力使冷卻介質k在內表面上 均勻分布，從而因此確保均勻汽化和冷卻。此外，內村25應該由具有到導熱性 能的材料、例如銅製成。其導熱率在所採用的超導材料的選擇運行溫度下至少 為100『.m一.iT1。優選最小值為400W(附iO-、例如銅燒結材料在溫度30K時具 有大約3000『.m-1 《—！的導熱率悽ti直(參見"Gmelins Handbuch der Anorganischen Chemie:Kupfer,TeilA，，， 1955年第8版,第957頁)。其中內襯25與繞組支架9 具有良好的傳熱接觸，該接觸例如通過熱壓連接或通過壓入建立。
相應的內襯也可以是塗層的形式，即在繞組支架9的內表面通過塗敷材料 實現。在此要確保足夠多孔的結構，由此可以使所需要的毛細作用力起作用。
為此，內襯25或其材料的多孔性應該至少為3%，優選至少為10%。由 此在通過傾斜的軸旋轉時的運行過程中，內襯25才能使液態冷卻介質k均勻地 分布，同時所產生的離心力還另外有助於冷卻介質在與所述結構或空腔有關的 冷卻介質通道的圍壁或表面上分布。
時與電動機軸A的傾斜無關地沿整個空心圓柱形內表面均勻排出損耗熱。
當然包圍冷卻介質k、 k'的構件或容器必須要防止熱量輸入。因此為了使
其絕熱相宜地釆用真空環境，同時需要的話在相應的真空腔內另外還採用絕緣 器件、例如超導絕緣或絕緣泡沫。圖中被真空罐7圍成的真空用V表示。此外
其環繞所述包圍側向空腔13、 一直延伸到密封件21的熱管。環繞該熱管20以 及冷凝腔18和導熱體17的真空用V'表示。必要時也可以在環繞轉子5的由 外殼3包圍的內腔27中形成負壓。
權利要求
1.一種電機裝置，其具有可圍繞旋轉軸(A)旋轉地支撐且被定子環繞的轉子(5)，該轉子具有至少一個轉子繞組(10)，該轉子繞組的超導性導體傳熱地耦合在中央的沿軸向延伸的圓柱形轉子腔(12)上，位於該轉子之外、位置固定的具有冷凝腔(18)的冷卻單元(15)，以及在所述中央的轉子腔(12)與冷卻單元(15)的冷凝腔(18)之間延伸的管形管道部分(22)，其中所述轉子腔(12)、管形管道部分(22)以及冷凝腔(18)構成一個封閉的管路系統，冷卻介質(k、k′)可以在其中利用溫差環流效應循環，其特徵在於，所述中央轉子腔(12)至少局部設有由高導熱性能的多孔材料製成的內襯(25)，該材料為冷卻介質(k、k′)形成貫通的類似毛細管的或腔體的結構。
2. 如權利要求1所述的電機裝置，其特徵在於，所述多孔材料是燒結材料。
3. 如權利要求2所述的電機裝置，其特徵在於銅燒結材料。
4. 如權利要求1至3中任一項所述的電機裝置，其特徵在於壓入或熱壓 配合的內襯(25)。
5. 如權利要求1所述的電機裝置，其特徵在於採用多孔塗層作為內襯(25)。
6. 如權利要求1至5中任一項所述的電機裝置，其特徵在於，所述內襯(25) 的多孔性至少為3 % ,優選至少為10 % 。
7. 如權利要求1至6中任一項所述的電機裝置，其特徵在於，所述多孔 材料的導熱率在所述超導性導體的運行溫度下至少為100『/(m. K)。
8. 如權利要求7所述的電機裝置，其特徵在於，所述多孔材料的導熱率 的值在所述超導性導體的運行溫度下至少等於純銅的導熱率。
9. 如權利要求1至8中任一項所述的電機裝置，其特徵在於，轉子繞組(IO) 的超導性導體具有高越變溫度的超導材料。
全文摘要
電機裝置包括具有可圍繞旋轉軸(A)旋轉的轉子(5)的電機，其超導繞組(10)通過繞組支架(9)傳熱地與中央冷卻介質腔(12)耦合。所述轉子腔(12)與在側面與該轉子腔(12)連接的管形管道部分(22)及冷卻單元(15)的位於該電機之外的冷凝腔(18)一起構成一個封閉的管路系統，冷卻介質(k、k′)可以在其中基於溫差環流效應循環。為了即便在轉子(5)傾斜時也能保持向中央轉子腔(12)輸送冷卻介質，該中央轉子腔(12)設有由高導熱性能的多孔材料、優選為燒結材料製成的內襯(25)。
文檔編號H02K9/20GK101111985SQ200680003844
公開日2008年1月23日 申請日期2006年1月18日 優先權日2005年2月2日
發明者伯恩德·格羅莫爾 申請人:西門子公司