超導技術的電機和阻隔屏蔽件的製作方法

2023-07-30 13:06:46 3

專利名稱：超導技術的電機和阻隔屏蔽件的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種超導技術的電機，包括一個定子，它在形成空氣間隙 的情況下圍繞一個可繞轉子軸線旋轉地支承的轉子，其中轉子 -包含一個冷的部分，a) 在冷的部分內設轉子繞組的一些要冷卻的超導體，以及b) 冷的部分被一個熱的外殼包圍，在外殼面朝空氣間隙的外壁上存在 至少一個起阻隔屏蔽作用的部分，以及-在冷的部分與熱的外殼之間有隔熱裝置。
技術背景由US4914328A已知一種相應的電才幾。所謂的瞬時短路表示旋轉電機的 一種嚴重的故障狀況。在這種瞬時短 路時會產生過載扭矩，它是電機淨扭矩的許多倍，例如在兩極轉子繞組中 是10至20倍。儘管採取各種預防措施，仍不能完全排除電機運行時發生 這種短路的可能性，這種短路例如可能是定子的定子繞組錯接或誤操作的 結果。除此之外，在電機典型試驗時作為相應的預防措施還往往期望證實， 這些故障情況導致電機零件的非永久損傷。在有超導轉子繞組的電機中，在這些故障情況下除了其他不希望的結 果外還在轉子熱的外殼沿徑向的外壁內產生大的負荷，出自於隔熱的原因 外殼設計為真空外殼或恆冷外殼。因此面朝定子繞組的通常用金屬材料制 成的外殼外壁或恆冷外壁，同時起電磁阻隔屏蔽的作用或帶一個這種屏蔽 (參見前言提及的US4914328A)。也就是說，在這裡可感應大電流，尤其 當阻隔屏蔽用良好導電的材料製成時。這些電流接著與在轉子與定子之間 產生的B磁場相互作用導致大的勞倫茲力。如已提及的這些負荷對阻隔屏蔽有雙重作用。第一，阻隔屏蔽通過產 生的力變形。在這裡阻隔屏蔽有一些遭受從外部作用的壓力的區域，以及在這種情況下向內拱曲，而它在另一些區域卻經歷向外的相應變形。阻隔 屏蔽不允許接觸定子，因為要不然會破壞定子。作為補救辦法，在這裡可 以通過對在定子內徑與外殼外徑之間的空氣間隙設計相應大的尺寸達到。 其結果是，尤其在轉子軸向膨脹時，需要用於空氣間隙徑向膨脹的量，如 在傳統的電機中常見的那樣，它們明顯地大於若干毫米。第二，在這種故 障情況下由於變形還在阻隔屏蔽中產生材料應力。相應的負荷必須低於所選擇的阻隔屏蔽材料產生塑性變形的極限值，因為要不然轉子外殼在瞬時 短路後保持變形。在這裡的補救辦法只能採取使阻隔屏蔽有足夠的壁厚。當然這兩種補救措施促使(在電機轉子繞組與定子繞組之間電磁相互 作用的)"磁空氣間隙"因而必須相應地有大的尺寸。因為另一方面磁場隨 著離轉子或其超導轉子繞組產生磁場的冷的部分的距離的減小而降低，所 以大的壁厚和大的空氣間隙弓1起所使用的超導體材料顯著變壞的利用率。發明內容因此本發明要解決的技術問題是，在一種具有本文開頭所述特徵的電 機中能避免此類尤其歸諸於在故障情況下阻隔屏蔽變形或外殼部分相應作 用的尺寸過大。按本發明通過權利要求1中所說明的特徵解決上述技術問題。據此，置設支承件，這些支承件沿徑向延伸到這樣的程度，即，使得-在電機無故障的運行情況下，在支承件與熱的外殼或冷的部分之間分別形成一個小的距離，以及-只是在電機的一種導致熱的外殼(或與之連接的阻隔部分)超過預傳遞。也就是說，按本發明的措施從下述考慮出發藉助在熱的外殼或冷的 部分上在阻隔屏蔽(或起這種作用的外殼部分)在這裡經受壓縮力的部位 上的支承件， 一方面外殼和/或阻隔屏蔽比較小的壁厚以及有小的機械空氣 間隙便可以夠用，以及另一方面可以足夠可靠地克制瞬時短路的負荷。在 這裡支承件的尺寸確定為，使它們在正常運行時為避免導熱損失一方面與 熱的外殼壁或恆冷壁或阻隔屏蔽沒有機械接觸，或另 一 方面與冷的部分沒有機械接觸。取決於阻隔屏蔽的幾何尺寸和材料數據，在這裡允許在沒有 破壞作用的情況下一定程度的變形。也就是說，支承件的尺寸確定為，它 們從阻隔屏蔽預定的變形起才起作用。為此它們只需要承受那部分使阻隔 屏蔽大於所述預定的允許的量變形時必要的力。因此，與電機的本發明的設計相關聯的優點在於，可以保持相對小的 4!空氣間隙並因而可以相應高效率地充分利用所使用的超導體。此外通過 對支承件特別建議的設計，在電機正常運行時也不會或僅微量提高熱負荷。由從屬於權利要求1的權利要求可知按照本發明的電機的有利的擴展 設計。按權利要求1的實施方式可以與從屬權利要求之一的特徵組合或優 選地也可以與多項從屬權利要求的特徵組合。據此，尤其設計為同步電動 機，優選地設計為發電機的電機按照本發明附加地還有下列特徵 優選地支承件可以設置在那些在故障情況下在這裡有一個沿徑向向 內作用的變形力作用在外殼上的部位上。這些位置通常處於沿軸向看轉子 的中部，在那裡應擔心變形最大。也就是說在端側區域外殼通常有足夠大 的徑向剛度。由此可限制支承件的數量並因而限制其總的導熱截面。 阻隔屏蔽可以或設計為熱的外殼的組成部分，或設在熱的外殼的外 側或內側上。這兩種設計可能性是眾所周知的。 有利地設多個沿軸向分布地排列的支承件，它們有比較小的單個橫 截面。如此也可以限制冷的部分與熱的外殼之間的熱傳導。 優選地支承件可以用導熱差的材料如尤其用玻璃纖維增強的材料制 成，為的是在有足夠剛度的同時保持熱傳導儘可能小。 作為隔熱裝置尤其考慮真空和/或至少一個超導隔離體。相應的措施是眾所周知的。 空氣間隙徑向膨脹小的優點，尤其源於一種用已知的金屬氧化物HTS ( High-Tc-Superconducting )材料制的導體建造的轉子繞組。當然，也 可以代之以使用由金屬的LTS ( Low-Tc-Supei'conducting)材料製成的導體。 在這裡可使用的導體類型可以是帶狀導體或索狀複合導體，例如勒貝兒導 體。


下面參見附圖進一步說明本發明，藉助附圖更詳細地說明按本發明的電機一種優選的實施例。在這裡本發明唯一 的示意圖表示電機的縱剖面圖。
具體實施方式
下面藉助附圖表示的電機實施方式可以尤其涉及一種同步電動機或發 電機。此電機包括一個旋轉的超導勵磁繞組，它原則上允許使用金屬的LTS材料或金屬氧化物HTS材料。本實施例基於後面那種材料。將超導材料冷 卻到例如溫度約30K的措施是眾所周知的，所以在附圖內免去表示這些措 施。繞組可以由一個線圈或一個線圈系統按一種兩極、四極或此外多極的 配置組成。由附圖可以看出相應的同步電動機的基本結構，在這裡由相應 的電機已知的實施方式出發(參見前言提及的US4914328A或 WO02/43224A )。總體用附圖標記2表示的電機包括固定的處於室溫下的外殼和位置固 定的定子3,從其定子繞組端側可以看到繞組端部3a。轉子5在外殼內部和 在構成空氣間隙4的情況下被定子繞組圍繞，空氣間隙4有沿徑向的間隙 寬度w，轉子5可繞轉子軸線A旋轉地支承。轉子有一個熱的通常處於室 溫的外殼6，為了隔熱在外殼6內按恆冷器的類型保持真空V。在因此可看 作真空外殼或恆冷外殼的外殼6內部，通過懸掛件或其他固定件7a和7b 固定一個冷的部分8。在圖中沒有詳細描述的冷的部分按已知的方式包括一 個繞組託架，用於安裝一個要用冷卻劑冷卻的超導勵磁繞組。圖中沒有表 示勵磁繞組所需要的冷卻劑供給裝置，因為這是眾所周知的。在這裡，冷 的部分8有一個被繞組的冷卻劑直接或間接一起冷卻的冷的外側面8a。由圖還可看出，至少在冷的部分8的中部區域，在其外側面Sa安置一 個個沿徑向延伸的例如形式上為一個個間隔件或間隔環的支承件9a至9d。 這些支承件可以同心地圍繞所述外側面。在這裡按本發明它們沒有 一直延 伸到真空外殼6的管形外殼壁6a內側；確切地說，在此壁6a與每個支承件 的相應端側之間保持一個預定的空隙或距離a，以便在電機正常運行時避免 或限制通過這些構件的導熱損失。除此以外在圖中還如粗線所示，外殼壁6a本身按已知的方式設計為阻 隔屏蔽(部分)10,在這裡外殼可例如用鋼製成。或在外殼6a的內側或外 側安置用銅(Cu)或鋁(Al)或必要時也可以用所列材料之一的合金製成 的特殊阻隔屏蔽。當然，阻隔屏蔽或起這種作用的外殼也可以由多個部分組成(參見前言提及的US4914328A或EP0087263A2 )。然後將支承件9a 至9d優選地裝在冷的部分8在故障情況下、例如定子繞組短路時在阻隔屏 蔽10上作用壓縮的亦即沿徑向向內的力的那些部位上。按照本實施例出發 點在於，冷的部分8的沿軸向看的中部區域可以作用這種壓縮力。取決於 幾何形狀和阻隔屏蔽選擇的材料，例如Cu,允許一定量的沒有破壞作用的 徑向變形，例如2mm。因此支^R件的尺寸應確定為，^f吏它們只是從超過預 定量例如1.5mm變形起才起作用。因此它們也只需要承受阻隔屏蔽比所述 預定量更多地變形時必需的力的部分。為了限制通過支承件9a至9d在與熱的外殼6和冷的部分8機械接觸 時傳熱，支承件優選地應該用至少一種導熱差的材料製成。在這裡適用的 材料尤其是玻璃纖維增強的塑料材料。為了在正常運行時，亦即在所述三個部分(也就是說冷的部分8、支承 件9a至9d、外殼6)之間沒有這種機械接觸的情況下，能保持低的由於輻 射損失造成的熱負荷，應該或者將支承件9a至9d安置在必要的超導隔離體 (Superisolation) 11下方，亦即在其內部。必要時也可以將在有些情況下 由於技術原因不能位於超導隔離體11下方以及面朝阻隔屏蔽的那部分支承 件的表面，通過適當的結構設計，例如通過橫截面減小，保持得較小。這 些相應的措施尤其當應取消圍繞冷的部分8的超導隔離體時是有利的。也 就是說，在沒有圍繞的超導隔離體時輻射損失可達約500w/m2。圖中還表示了另一個超導隔離體12,它安置為使支承件9a至9d部分 穿過超導隔離體12地伸出。若應僅設一個這種超導隔離體，則特別有利於 遭受阻隔屏蔽輻射的支承件表面的最小化。除此之外還應考慮， 一個寬〗又10cm的設計為環形支承件、例如元件 9b的環形支承環面，甚至在冷的部分的周長僅lm時已經可以引起約50W 的損失。在經常由冷卻頭已知的電機約30K的情況下幾乎不能提供相應的 冷卻能力。除了由此引起的高成本外，還要面臨為此必要的例如約6kW的 壓縮機連接負載。由於這一原因，有利的是在例如10xl0crr^面積上設置多 個，例如10個，分別有小的例如1 cm2的橫截面的柱狀支承件9a至9d，以 取代一個幾乎無效的大的橫截面積為1 Ocmx 1 Ocm-100 cm2的支承裝置。支承件可以或在轉子冷的部分8包紮後安裝在扎線上；或在包紮前將 它固定在冷的部分上，從而它們此時實際上按層疊的方式安裝在扎線內。圖示實施例的出發點在於，支承件9a至9d安裝在冷的部分8上以及 相對於外殼壁6a或阻隔屏蔽IO形成距離a。當然支承件也可以固定在阻隔 屏蔽內側或相應的外殼壁熱的部分上，從而此時相對於冷的部分8遵守間 距a。有關輻射損失最小化的考慮，此時也適用與在圖中表示的電機實施方 式中類似的考慮。
權利要求
1.一種超導技術的電機(2)，包括一個定子(3)，它在形成空氣間隙(4)的情況下圍繞一個可繞轉子軸線(A)旋轉地支承的轉子(5)，其中轉子(5)-包含一個冷的部分(8)，a)在冷的部分內設轉子繞組的一些要冷卻的超導體，以及b)冷的部分被一個熱的外殼(6)包圍，在外殼面朝空氣間隙(4)的外壁(6a)上存在至少一個起阻隔屏蔽(10)作用的部分，以及-在冷的部分(8)與熱的外殼(6)之間有隔熱裝置，其特徵在於在熱的外殼(6)與冷的部分(8)之間在預定的位置上設支承件(9a至9d)，這些支承件沿徑向延伸到這樣的程度，即，使得-在電機(2)無故障的運行情況下，在支承件(9a至9d)與熱的外殼(6)或冷的部分(8)之間分別形成一個小的距離(a)，以及-只是在電機(2)處於一種導致熱的外殼(6)超過預定量變形的故障情況下，才在熱的外殼(6)與冷的部分(8)之間通過支承件(9a至9d)造成力傳遞。
2. 按照權利要求1所述的電機，其特徵為，在支承件(9a至9d)與熱 的外殼(6)之間分別設計有距離(a)。
3. 按照權利要求1所述的電機，其特徵為，在支承件(9a至9d)與冷 的部分(8)之間分別設計有距離(a)。
4. 按照前列諸權利要求之一所述的電機，其特徵為，支承件(9a至9d) 設置在那些在故障情況下在這裡有一個沿徑向向內作用的變形力作用在熱 的外殼(6)上的部位上。
5. 按照前列諸權利要求之一所述的電機，其特徵為，阻隔屏蔽(IO) :沒計為熱的外殼(6)的一個組成部分。
6. 按照權利要求1至4之一所述的電機，其特徵為，阻隔屏蔽(IO) 設在熱的外殼(6)的外側或內側上。
7. 按照前列諸權利要求之一所述的電機，其特徵為，設多個沿軸向分 布地排列的支承件(9a至9d )。
8. 按照前列諸權利要求之一所述的電機，其特徵為，支承件(9a至9d) 用導熱差的材料製成。
9. 按照權利要求8所述的電機，其特徵為，支承件(9a至9d)用玻璃 纖維增強的材料製成。
10. 按照前列諸權利要求之一所述的電機，其特徵為，轉子繞組用LTS 材料製成的導體建造。
11. 按照權利要求1至9之一所述的電機，其特徵為，轉子繞組用HTS 材料製成的導體建造。
12. 按照權利要求11所述的電機，其特徵為，採用HTS帶狀導體或 HTS索狀複合導體。
13. 按照權利要求1至12之一所述的電機，其特徵為，所述隔熱裝置 為真空(V)。
14. 按照權利要求1至13之一所述的電機，其特徵為，所述隔熱裝置 是至少一個超導隔離體(11, 12)。
15. 按照權利要求1至14之一所述的電機，其特徵為，設計成同步電 機，優選設計成發電機。
全文摘要
本發明涉及一種含有一個轉子(5)的電機(2)，轉子有一個熱的轉子外殼(6)，一個有超導轉子繞組的冷的部分(8)處於其中。在轉子外殼(6)的面朝定子(3)的外側，存在一個起阻隔屏蔽(10)作用的部分。在熱的外殼(6)與冷的部分(8)之間應在預定的位置設支承件(9a至9d)，這些支承件沿徑向延伸到這樣的程度，即，使得在電機(2)無故障的運行情況下，在支承件(9a至9d)與熱的外殼(6)或冷的部分(8)之間分別形成一個小的距離(a)，以及，只是在電機(2)處於一種導致熱的外殼(6)變形的故障情況下，才在熱的外殼(6)與冷的部分(8)之間通過支承件(9a至9d)造成力傳遞。
文檔編號F17C13/00GK101268602SQ200680034258
公開日2008年9月17日 申請日期2006年8月3日 優先權日2005年9月23日
發明者彼得·馬塞克, 沃爾夫岡·尼克, 麥可·弗蘭克 申請人:西門子公司