帶有拉杆的高溫超導同步轉子線圈支承結構及其組裝方法
2023-05-19 16:21:26
專利名稱：帶有拉杆的高溫超導同步轉子線圈支承結構及其組裝方法
技術領域：
本發明總的來說涉及同步旋轉電機中的超導線圈。更具體地講，本發明涉及一種用於同步電機轉子中超導勵磁繞組的支承結構。
傳統的銅導線繞組通常用於同步電機的轉子中。然而，銅導線繞組的電阻(雖然以傳統的度量方法來說還是比較小的)足以使轉子產生相當大的熱量而減小電機的功率係數。近來，已經研製出用於轉子的超導(SC)線圈繞組。超導體繞組實際上不帶電阻，因此是非常優越的轉子線圈繞組。
鐵芯轉子的氣隙磁場強度大約為2特斯拉時飽和。已知的超導體轉子採用空氣芯設計，在轉子中沒有鐵，可以達到3特斯拉或更高的氣隙磁場。這些高氣隙磁場提高了電機的能量密度，結果使電機的重量和尺寸顯著減小。空氣芯超導體轉子需要大量的超導體線。大量的超導體線增加了所需要的線圈數目、線圈支座的複雜程度、以及超導線圈繞組和轉子的生產成本。
高溫超導線圈勵磁繞組是由脆性超導材料製成的，而且必須冷卻到臨界溫度如27開氏度或以下以實現和維持超導性。超導繞組可以由高溫超導材料如鉍鍶鈣銅氧(BixSrxCaxCuxOx)基的導體製成。
超導線圈由液氦冷卻。在通過轉子的繞組之後，用過的變熱的氦重新成為室溫下的氣態氦。用液態氦進行低溫冷卻需要不斷地將返回的室溫氣態氦重新液化，而這種重新液化會造成顯著的可靠性問題並需要有相當大的輔助能量。
早先的超導線圈冷卻技術包括用低溫冷卻器通過固體傳導路徑冷卻環氧樹脂浸漬的超導線圈。另一種方法是，轉子中的冷卻管可以將液態和/或氣態冷凍劑輸送到浸於液態和/或氣態冷凍劑流體中的多孔超導線圈繞組。然而，浸泡冷卻必須使整個勵磁繞組和轉子結構處於低溫下。因此，鐵由於在低溫下的脆性而不能用於轉子磁路中。
需要有一種用於電機中的超導勵磁繞組組件，沒有已知的超導體轉子中空氣芯液冷式超導勵磁繞組組件的缺點。
另外，高溫超導(HTS)線圈在高彎曲應變和高拉伸應變下很容易損壞。這種線圈必須承受相當大的離心力，給線圈繞組帶來應力和應變。電機的正常運轉包括在若干年內的數千次啟動和關閉循環，結果引起轉子的低循環疲勞載荷。而且，高溫超導轉子繞組在轉子平衡過程中在環境溫度下應當能夠承受25％的超速運轉，但是在發電過程中的低溫下卻不能承受偶然的超速狀態。這種超速狀態大大增加了在正常工作狀態下施加到繞組上的離心力。
用作電機中高溫超導轉子勵磁繞組的超導線圈在冷卻和正常運轉過程中受到應力和應變的作用，要經受離心力載荷、扭矩傳遞、以及瞬時故障狀態。為了承受外力、應力、應變和循環載荷，超導線圈應當用線圈支承系統適當地支承在轉子中。這些支承系統將超導線圈支撐在高溫超導體轉子中，並保護線圈不受因轉子旋轉產生的巨大離心力的破壞。此外，線圈支承系統還可以保護超導線圈，並確保線圈不會過早地裂開、疲勞或斷裂。
研製的高溫超導線圈的支承系統在使超導線圈適合於高溫超導體轉子方面一直是一項艱難的挑戰。在美國專利號5,548,168；5,532,663；5,672,921；5,777,420；6,169,353和6,066,906中披露了前面提到的用於高溫超導體轉子的線圈支承系統實例。然而，這些線圈支承系統有各種不同的問題，比如太昂貴、太複雜、以及需要過多的部件。一直就需要一種帶有超導線圈支承系統的高溫超導體轉子。還需要線圈支承系統可用低成本和容易製造的部件生產。
高溫超導體轉子可以用於本來就設計成包含超導線圈的同步電機。或者，高溫超導體轉子可以取代現有電機如傳統發電機中的銅線圈轉子。轉子及其超導線圈在此是結合發電機來介紹的，但是高溫超導線圈轉子也適用於其它的同步電機。
本發明的線圈支承系統用於把線圈支承系統與線圈和轉子結合起來。此外，本發明的線圈支承系統有助於在轉子的最後組裝之前進行線圈支承系統、線圈和轉子芯的預裝配。預裝配縮短了線圈和轉子的組裝時間，提高了線圈支承結構的質量，並減少了線圈組件的變化。
本發明的第一個實施例是一種包括轉子芯和跑道形超導(SC)線圈繞組的轉子。線圈支承系統中包括橫跨在線圈繞組之間的拉杆和將線圈繞組固定到每根拉杆兩端的槽形殼體。
在本發明的另一個實施例中，用於同步電機的轉子包括一帶有內部真空的轉子；一圍繞轉子至少一部分的超導體線圈繞組，所述線圈繞組在轉子兩側有一對側邊部分；至少一根在線圈繞組的一對側邊部分之間延伸並穿過轉子中通道的拉杆；和在拉杆每一端的線圈殼體，該線圈殼體包圍線圈繞組並固定在拉杆上。
本發明的另一個實施例是一種用來支承同步電機轉子中超導線圈的方法，包括以下步驟將拉杆從轉子芯中的通道穿過；將殼體插在線圈的一部分上；然後將拉杆的端部固定到殼體上。
本發明的還有一個實施例是一種用於同步電機的轉子，包括一轉子芯，帶有正交於轉子芯縱軸並平行於高溫超導線圈構成平面的通道；一跑道形的超導(SC)線圈，其跑道形平面平行於轉子芯的縱軸；一裝配在通道孔裡面的拉杆；和一線圈殼體，用來使高溫超導線圈上的彎曲應變、拉伸應變、或彎曲和拉伸應變減到最小。
圖1是帶有超導體轉子和定子的同步電機的示意性側向縱剖圖；圖2是作為實例的跑道形超導線圈繞組的透視圖；圖3是高溫超導體(HTS)轉子的部件分解圖；圖4至6是圖3所示高溫超導體轉子的示意性剖視圖；圖7是用於圖3所示高溫超導體轉子的線圈支承結構中一部分的放大剖視圖；圖8是槽形殼體的透視圖；圖9至11是顯示圖3中高溫超導體轉子裝配過程的透視圖。
轉子14包括通常沿縱向延伸的軸20和通常是實心的轉子芯22。實心轉子芯22具有高磁導率，一般是用鐵磁性材料如鐵製成的。在低功率密度的超導電機中，轉子的鐵芯用來減小磁動勢(MMF)，因此使線圈繞組所需要的超導(SC)線圈線的數量減到最少。例如，實心轉子鐵芯在氣隙磁場強度大約為2特斯拉時達到磁飽和。
轉子14支承至少一個沿縱向延伸的跑道形狀的高溫超導(HTS)線圈繞組34(見圖2)。高溫超導線圈繞組也可以是適合於高溫超導體轉子具體設計的鞍狀的或其它的形狀。在這裡介紹用於跑道形超導線圈繞組的線圈支承系統。這種線圈支承系統也適用於安裝在實心轉子芯上的除了跑道形線圈之外的其它線圈結構中。
轉子包括在軸承25上支承轉子芯22的集電器端軸24和驅動端軸30。端軸可以連接到外部設備上。例如，集電器端軸24帶有連接到用來冷卻轉子中超導線圈繞組的低溫冷卻液源的冷卻劑傳輸連接件26。冷卻劑傳輸連接件26包括連接到低溫冷卻液源的靜止段和將冷卻液提供給高溫超導線圈的旋轉段。集電器端軸24還包括可電連接到轉動的超導線圈繞組上的集電器78。轉子的驅動端軸30可以由動力渦輪機連接件32驅動。
圖2示出了作為實例的跑道形高溫超導勵磁線圈繞組34。轉子的超導勵磁線圈繞組34中包括高溫超導(SC)線圈36。每個超導線圈中包括高溫超導導線，如層壓在固體環氧樹脂浸漬繞組中的鉍鍶鈣銅氧(BixSrxCaxCuxOx)導線。例如，可以將鉍鍶鈣銅氧2223系列的導線層壓、膠合併纏繞成固體環氧樹脂浸漬線圈。
超導體絲是脆性的容易損壞。超導線圈一般是分層纏繞的環氧樹脂浸漬超導體帶。超導體帶被纏繞成精確的線圈形狀以實現精密的尺寸公差。超導體帶以螺旋形纏繞，形成跑道形的超導線圈36。
跑道形線圈的尺寸取決於轉子芯的尺寸。通常，每個跑道形超導線圈環繞轉子芯的磁極並平行於轉子軸線。線圈繞組連續地圍繞跑道形狀。超導線圈圍繞轉子芯和在轉子芯的磁極之間形成無電阻的電流通路。線圈上帶有將線圈電連接到集電器78的電流觸點114。
線圈繞組34中包括低溫冷卻液的流體通道38。這些通道可以環繞超導線圈36的外側。低溫冷卻液經通道送到線圈上並將熱量從線圈上帶走。冷卻液使超導線圈繞組保持在進入超導狀態所需的低溫如27開氏度下，其中超導狀態包括在線圈中沒有電阻。冷卻液通道在轉子芯的一端帶有輸入和輸出液體口112。這些液體(氣體)口112將超導線圈上的冷卻液通道38連接到冷卻劑傳輸連接件26上。
每個跑道形的高溫超導線圈繞組34包括一對平行於轉子軸線20的大體上是直線的側邊部分40，以及一對垂直於轉子軸的端部部分54。線圈的側邊部分承受最大的離心應力。因此，側邊部分支承在可抵抗作用於線圈的離心力的線圈支承系統上。
圖3示出了轉子芯22和用於高溫超導線圈的線圈支承系統的分解圖。支承系統包括連接在U形槽殼體上的拉杆42。殼體容納並支承轉子中線圈繞組34的側邊部分40。雖然在圖3中示出了一根拉杆和一個槽形殼體，但線圈支承系統通常會包含一系列拉杆，且每根拉杆的兩端都帶有線圈支承殼體。拉杆和槽形殼體可以防止線圈繞組在轉子的運轉過程中遭到損壞，支承受離心力和其它力作用的線圈繞組，並給線圈繞組提供保護屏蔽。
鐵芯轉子中高溫超導線圈繞組34的主要載荷來自轉子旋轉過程中的離心加速度。一個有效的線圈支承結構必須能抵消該離心力。沿線圈的側邊部分40尤其需要有線圈支承結構，因為該部分經受最大的離心加速度。為了支承線圈的側邊部分，拉杆42橫跨線圈的側邊部分之間，並連在包圍線圈相對側邊部分的槽形殼體44上。拉杆從轉子芯中的通道46如孔中穿過，因此拉杆可以橫跨同一線圈的側邊部分之間或者相連線圈之間。
通道46是轉子芯中具有直線軸的大體上是圓筒形的通道。除了靠近轉子凹進表面的端部之外，通道的直徑基本上是不變的。通道端部的直徑可以擴大以容納不導熱的圓筒形套管(絕熱管)52，套管在轉子芯和拉杆之間提供滑動支承面並隔熱。
通道46的軸線大體上在由跑道形線圈構成的平面中。而且，通道的軸線還垂直於線圈的側邊部分，其中從通道中穿過的拉杆連接到線圈的側邊部分上。此外，在這裡示出的實施例中，通道與轉子軸線正交。通道的數目和通道的位置將取決於高溫超導線圈的位置和支承線圈側邊部分所需的線圈殼體數目。
當拉杆在線圈繞組的側邊之間基本上沿半徑方向延伸時，能夠特別好地支承受離心力作用的線圈。每根拉杆是沿其軸向和在跑道形線圈的平面中連續的軸。拉杆的軸向連續性使線圈具有側向剛性，從而使轉子具有動力學上的好處。此外，側向剛性使線圈支承結構與線圈能夠成為一個整體，因此在轉子的最後組裝之前可以將線圈與線圈支承結構裝配在一起。線圈和線圈支承結構的預裝配縮短了生產周期，提高了線圈支承結構的質量，並減少了線圈組合件的變化。跑道形線圈支承在一排橫跨線圈長邊的受拉杆件上。線圈支承結構的拉杆是預先裝配到線圈上的。
高溫超導線圈繞組和支承結構部件處於低溫下。相比之下，轉子芯處於「較高的」環境溫度下。線圈支承結構是潛在的導熱源，使得熱量可能從轉子芯傳到高溫超導線圈上。轉子在運轉過程中變熱。因為線圈要保持在超冷狀態下，所以應避免熱量傳到線圈中。拉杆從轉子中的孔即通道裡面穿過，但並不與轉子接觸。這種不接觸的狀態可以避免熱量從轉子傳導到拉杆和線圈上。
為了減少到線圈損失的熱量，線圈支承結構進行最小化以減少通過支承結構從熱源如轉子芯傳導的熱量。通常超導繞組有兩種支承結構(i)「熱」支承和(ii)「冷」支承。在熱支承中，支承結構與冷卻的超導體繞組是絕熱的。對於熱支承，超導(SC)線圈的大部分機械載荷是由跨越冷熱部件的結構件支承的。
在冷支承系統中，支承系統處於與超導線圈相同或接近的低溫下。在冷支承結構中，超導線圈的大部分機械載荷是由處於或接近低溫的結構件支承的。在此作為實例公開的線圈支承系統是一種冷支承結構，拉杆以及將拉杆連接到超導線圈繞組上的殼體維持在低溫或接近低溫的水平。由於支承構件是冷的，可以用穿過轉子芯的無接觸通道使這些構件與轉子中的其它「熱」部件隔絕熱。
單獨的支承件包括拉杆42(可以是一根在末端帶有螺栓的圓棒)、槽形殼體44、和將殼體連接到拉杆端部的接合銷釘80。各槽形殼體44是U形的殼體，帶有可連接到拉杆上的支腿和用來容納線圈繞組34的凹槽。U形槽殼體可以精確和方便地組裝用於線圈的支承系統。一系列槽形殼體可以沿線圈繞組的側邊首尾相連地布置。這些槽形殼體一起將作用在線圈上的力如離心力分布到每個線圈繞組的幾乎整個側邊部分40上。
槽形殼體44可以防止線圈的側邊部分40由於離心力而過度撓曲和彎曲。線圈支承結構不會限制線圈在燃氣渦輪機的正常啟/停動作過程中所產生的縱向熱膨脹及熱收縮。尤其是，熱膨脹主要是沿側邊部分的長度方向進行的。因此，線圈的側邊部分沿縱向相對於槽形殼體和拉杆略微滑動。
離心載荷是通過槽形殼體從線圈結構傳遞到支承杆上的，其中槽形殼體裝配在線圈的外表面和側邊直線段周圍，並用銷釘80接合到拉杆的大直徑端上。U形槽殼體是用在低溫下具有延展性的輕質高強度材料製成的。用於槽形殼體的典型材料是無磁性的鋁、鉻鎳鐵合金、或鈦合金。可以對U形殼體的形狀進行優化以減輕重量和增加強度。
接合銷釘80從槽形殼體和拉杆中的孔中穿過。銷釘可以是空心的以減輕重量。鎖緊螺母(未示出)被擰到或裝到接合銷釘的端部以固定U形殼體並防止殼體的側邊在載荷下張開。接合銷釘可以用高強度的鉻鎳鐵合金或鈦合金製造。拉杆的大直徑端部82被加工成帶有可與U形殼體和線圈寬度相配的兩個平面86。當拉杆、線圈和殼體裝配在一起時，拉杆的端部平面86靠著高溫超導線圈的內表面。這種裝配方式可以減少拉杆中裝有銷釘的圓孔處的應力集中。
當線圈支承系統和線圈繞組34都安裝在轉子芯22上時，由拉杆42、槽形殼體44和拼合夾具58構成的線圈支承系統可以與高溫超導線圈繞組34裝配在一起。拉杆、槽形殼體和夾具形成一個用來支承線圈繞組和使線圈繞組相對於轉子芯固定在適當位置的相當堅固的結構。
每根拉杆42從轉子芯中穿過，並可以正交轉子的軸線20延伸。穿過轉子芯的通道46構成可使拉杆穿過的通道。通道的直徑應足夠大以避免轉子中熱的通道側壁與冷的拉杆接觸。避免這種接觸可以提高拉杆和轉子芯之間的絕熱程度。
轉子芯22一般是用磁性材料如鐵製成的，而轉子的端軸一般是用非磁性材料如不鏽鋼製成的。轉子芯和端軸一般是獨立的部件，它們通過螺栓連接或焊接裝配起來並牢固地連在一起。
轉子鐵芯22的形狀大體上是適合於在定子12的轉子空腔16中旋轉的圓柱形。為了安裝線圈繞組，轉子芯帶有凹面48，如平的或三角形的區域，或凹槽。這些表面48是在圓柱形轉子芯的曲面50中形成的，並在轉子芯的整個長度縱向延伸。線圈繞組34貼近凹面48安裝在轉子上。線圈大體上沿凹進區域的外表面縱向延伸並圍繞轉子芯的端部。轉子芯的凹面48上裝有線圈繞組。凹進區域的形狀與線圈繞組相適合。舉例來說，如果線圈繞組是鞍狀的或其它形狀的，那麼轉子芯中凹進部分的形狀應形成可以接受線圈繞組的形狀。
凹面48接納線圈繞組，使得線圈繞組的外表面基本上延伸到由轉子旋轉所形成的包面上。轉子芯的彎曲外表面50當旋轉時形成圓柱形包面。轉子的旋轉包面與定子中的轉子空腔16(見圖1)具有大體上相同的直徑。
轉子包面和轉子空腔16之間的間隙是相對較小的空隙，只是用於定子的強制流動通風冷卻，因為轉子不需要通風冷卻。希望將轉子和定子之間的空隙減到最小以增強轉子線圈繞組和定子繞組之間的電磁耦合。而且，轉子線圈繞組最好是這樣布置，可以延伸到由轉子旋轉所形成的包面上，因此轉子線圈繞組與定子只相距轉子和定子之間的間隙距離。
線圈繞組34的端部部分54貼近轉子芯的兩端56。拼合夾具58將線圈繞組的每一個末端部分固定在轉子上。每一線圈端部54的拼合夾具包含一對相對的夾板60，線圈繞組34夾在它們中間。夾板的表面上帶有凹槽116、118(圖11)以容納線圈繞組和繞組上的連接件112、114。
拼合夾具58可以用非磁性材料如鋁或鎳鉻鐵合金製成。相同的或類似的非磁性材料可以用來製成拉杆、槽形殼體和線圈支承系統的其它部分。線圈支承系統最好是非磁性的以便在低溫下保持延展性，因為鐵磁體在低於居裡轉變溫度時會變為脆性而不能用作承載結構。
拼合夾具58被套環62包圍，但並不與其接觸。在轉子芯22的每一端都有一個套環62，雖然圖3中只示出了一個套環。套環是用非磁性材料如不鏽鋼製成的厚圓盤，這些材料與製造轉子軸的材料相同或類似。實際上，套環屬於轉子軸的一部分。套環帶有正交於轉子軸線的凹槽64，其寬度足以容納拼合夾具58和留有間隙。熱的套環凹槽的側壁66與冷的拼合夾具是隔開的，因此它們相互不接觸。
套環62可以帶有一盤形凹進區域68(被凹槽64分成兩個相等的部分)以容納轉子芯上的盤形凸出部分70(在轉子芯的另一側可見要插入相應套環的盤形凸出部分)。將轉子芯端部56上的盤形凸出部分插入盤形凹進區域68中可以形成對套環中轉子芯的支承，並有助於對準轉子芯和套環。另外，套環可以帶有環形排列的螺栓孔72，其沿縱向穿過套環並位於套環邊緣附近。這些螺栓孔對應於部分穿過轉子芯的配對螺紋孔74。螺栓75(見圖5)從這些縱向螺栓孔72、74中穿過，並將套環固定到轉子芯上。
圖4是轉子芯和套環的第一個剖視圖。圖5是正交於第一個視圖的轉子和套環的第二個剖視圖。電線通道和冷卻液通道由薄壁套管76保護，薄壁套管76沿轉子軸線從線圈的端部部分54延伸穿過套環62。套管76中的冷卻液通道通過冷卻劑傳輸連接件26連接到線圈繞組上冷卻液通道38的輸入和輸出口112。線圈的電連接件114與冷卻劑傳輸接頭26設在線圈的同一個端部部分上。
跑道形線圈繞組34的側邊部分40支承在從轉子芯中的通道46裡面穿過的一系列拉杆42上。拉杆是在同一個線圈的兩個側邊部分之間或在兩個線圈的側邊部分之間延伸的非磁性直棒。拉杆可以用高強度的非磁性合金如Inconel X718製成。拉杆的每一端與包圍並固定線圈繞組側邊40的槽形殼體44相連。通過槽形殼體44和拉杆42可以調整施加到線圈繞組側邊部分上的拉力。比如，拉杆可以由從轉子芯中穿過的拉力棒製成，該拉力棒的每一端帶有一個可安裝拉力螺栓的螺紋孔。每個拉力螺栓帶有與線圈繞組對接的平面86。
線圈繞組34由橫跨線圈兩個側邊部分40的拉杆42(圖4中只示出了其中一根)支承。槽形殼體44通過接合銷釘80連接到拉杆的端部。為了便於說明，圖6中拉杆的左邊沒有槽形殼體。類似地，圖4所示拉杆42的上端沒有槽形殼體；但是，下端有固定在拉杆上的槽形殼體。拉杆42從轉子芯22中的通道46裡面穿過。這些通道在其相應的端部88直徑增大。這些擴大的端部88可以容納作為拉杆套管的絕熱材料管52。絕熱材料管使拉杆42與熱的轉子芯22隔熱。
如圖5所示，通道46垂直穿過轉子軸線並沿轉子芯的長度方向均勻排列。通道46的數目和它們在轉子芯上相互之間的排列方式是一個設計選擇的問題。
轉子芯可以被包圍在金屬圓筒形屏蔽罩90中，該屏蔽罩能保護超導線圈繞組34不受渦流電流和其它圍繞轉子電流的影響，並形成在轉子的低溫部件周圍保持高度真空所需要的真空密封外殼。圓筒形屏蔽罩90可以用高導電性的材料如銅合金或鋁製成。
超導線圈繞組34保持在真空中。真空可以藉助於屏蔽罩90形成，該屏蔽罩可以帶有圓筒形的不鏽鋼表層，在線圈和轉子芯周圍形成一個真空室。圖7是垂直於轉子軸線的局部剖視圖，示出了放大的轉子芯22、拉杆42、線圈繞組34和相關的結構。拉杆的端部平面86靠緊在線圈繞組34的內表面上。拉杆的另一端(未在圖7中示出)靠緊在線圈繞組另一個側邊的類似內表面上。因此，拉杆橫跨在線圈繞組之間並形成支承線圈繞組的固定表面86。
雖然每根拉杆42沿其長度方向一般是圓柱形的，但是帶有端部平面86，使得能夠與線圈繞組和U形槽殼體44緊密接合。每根拉杆通過接合銷釘80與槽形殼體44相連，接合銷釘80可以防止殼體沿半徑方向向外滑離拉杆。槽形殼體在轉子旋轉時可以防止離心力彎曲或扭曲線圈。鎖緊螺母(未示出)被擰到接合銷釘80的端部以防止殼體44的側支腿106在載荷下張開。接合銷釘可以用高強度的鉻鎳鐵合金或鈦合金製造。每根拉杆42裝配在無接觸的通道46裡面，使得拉杆不會與轉子芯接觸。在每根拉杆的末端可以有絕熱套管52，用來將線圈支承結構固定到熱的轉子上，並減少在它們之間的熱傳導。另外，可以將鎖緊螺母84擰在連接到絕熱套管52的拉杆42上，用來固定和調整拉杆42在通道46內的位置。鎖緊螺母84和套管52將拉杆和槽形殼體固定到轉子芯上，同時使從熱的轉子到殼體結構的熱傳導減到最少。
絕熱套管是用絕熱材料製成的。套管的一端帶有與通道端部88側壁對接的外環120。套管的另一端帶有與固定拉杆的鎖緊螺母84接合的內環122。轉子上的熱量在到達拉杆之前必須在絕熱套管52的整個長度和鎖緊螺母84上傳導。因此，絕熱套管使拉杆和轉子芯絕熱。
線圈繞組還由槽形殼體44(見圖8)支承。槽形殼體支承線圈繞組克服離心力(圖7中的箭頭100)和切向扭力(箭頭102)。槽形殼體可以用非磁性的金屬材料如鋁、鉻鎳鐵合金和鈦合金製成。槽形殼體通過從拉杆端部的圓孔104中穿過的銷釘80固定在拉杆上。槽形殼體的支腿106可以比較厚，而且帶有突肋在容納銷釘的圓孔108周圍形成支撐結構。離心力是由於轉子的旋轉而產生的。切向力是由於轉子的加速和減速以及轉矩傳遞而產生的。由於線圈繞組的側邊部分40是被槽形殼體44和拉杆的端部平面86包住的，所以線圈繞組的側邊部分完全支承在轉子中。
設置了支架124，用來幫助拉杆和槽形殼體承受當電網發生故障情況時所可能產生的巨大徑向力。徑向支撐可以是裝配在線圈繞組的側邊40周圍並在拼合夾具58上延續的矩形盒子。支架帶有一對用燕尾槽接合到凹面的凹槽裡面的側壁。側壁從轉子芯的凹面48延伸到外殼90而使外殼具有結構強度。
圖9至11示意性地示出了轉子中線圈支承結構和線圈繞組的裝配過程。如圖9所示，在將轉子芯與套環和轉子的其它部件組裝起來之前，先將拉杆42插入從轉子芯中每一個通道46中。將每根拉杆兩端的絕熱套管52放到通道46兩端的擴大端部88中。用一個止動鎖緊螺母84將套管52鎖定在適當位置上。當拉杆被裝配在轉子芯22中後，就可以將線圈繞組套到轉子芯上。
如圖10所示，超導線圈36被套在轉子芯上，於是拉杆42的端部平面86緊靠在超導線圈側邊部分40的內表面上。當繞組已經裝在拉杆的端部上面之後，將槽形殼體44套到超導線圈上。插入銷釘80分別穿過拉杆和槽形殼體中的圓孔104、108，使槽形殼體固定到拉杆的端部。
沿槽形殼體44的上內表面有一個凹槽110，用來容納冷卻液通道38並使通道固定在線圈36上。
若干個槽形殼體可以有效地使線圈保持在適當的位置上而不受離心力的影響。所示槽形殼體需儘可能地接近，但其接近程度只需能夠防止線圈因離心力載荷、轉矩傳遞、以及瞬時故障狀態中出現的彎曲和拉伸應變而引起的破壞。
在將轉子芯和線圈與套環和轉子的其它部件組裝起來之前，可以將槽形殼體和拉杆與線圈繞組裝配在一起。因此，在組裝轉子和同步電機的其它部件之前，可以將轉子芯、線圈繞組和線圈支承系統裝配成一個單元。
圖11示出了由夾板60構成的拼合夾具58的裝配過程。夾板60將線圈繞組的末端部分54夾在中間。拼合夾具形成線圈繞組34端部的支承結構。拼合夾具的夾板60內表面上帶有用來容納線圈繞組的凹槽116。類似地，夾板上還帶有用於冷卻液輸入/輸出管路112和線圈輸入/輸出電連接件114的凹槽118。當線圈支承結構、線圈、套環和轉子芯組裝好之後，可以將這個單元容易地裝配到轉子和同步電機中。
雖然本發明是結合目前被認為最實際和最優選的實施例來說明的，但是應當知道本發明並不限於所介紹的實施例，而是包括所附權利要求的精神實質之內的所有實施例。
附錄
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權利要求
1.一種用於同步電機的轉子，包括一轉子芯；一圍繞所述轉子芯至少一部分的超導線圈繞組，所述線圈繞組在所述轉子芯的兩側有一對側邊部分；至少一根在所述線圈繞組的所述對側邊部分之間延伸並穿過所述轉子的拉杆；在所述拉杆每一端的線圈殼體，其中，所述線圈殼體包圍所述線圈繞組並固定在所述拉杆上。
2.根據權利要求1所述的轉子，其特徵在於，所述線圈殼體是一U形槽。
3.根據權利要求1所述的轉子，其特徵在於，所述轉子芯處於內部真空中。
4.根據權利要求1所述的轉子，還包括向所述線圈繞組提供冷卻液的冷卻劑傳輸連接件，其特徵在於，所述殼體和拉杆是通過所述線圈繞組的傳導來冷卻的。
5.根據權利要求1所述的轉子，還包括將所述殼體連接到所述拉杆的銷釘。
6.根據權利要求1所述的轉子，還包括將所述殼體連接到所述拉杆的空心銷。
7.根據權利要求1所述的轉子，還包括將所述殼體連接到所述拉杆的銷釘，其特徵在於，所述銷釘從所述拉杆端部的孔中以及所述線圈殼體側翼緣的孔中穿過。
8.根據權利要求1所述的轉子，還包括將所述殼體連接到所述拉杆的銷釘，其特徵在於，所述銷釘從所述拉杆端部的孔中以及所述線圈殼體中穿過，並且通過鎖緊螺母將所述銷釘固定在所述殼體上。
9.根據權利要求1所述的轉子，還包括用高強度金屬材料如鉻鎳鐵合金或鈦合金製成的空心銷。
10.根據權利要求1所述的轉子，其特徵在於，所述殼體是用金屬材料如鋁、鉻鎳鐵合金或鈦合金製成的。
11.根據權利要求1所述的轉子，其特徵在於，所述拉杆是用高強度的非磁性金屬合金製成的。
12.根據權利要求1所述的轉子，其特徵在於，所述拉杆是用鉻鎳鐵合金製成的。
13.根據權利要求1所述的轉子，其特徵在於，所述拉杆從所述轉子的縱軸中穿過。
14.根據權利要求1所述的轉子，其特徵在於，所述拉杆從所述轉子芯中的通道裡面穿過。
15.根據權利要求14所述的通道，其特徵在於，所述拉杆是與所述轉子中所述通道的側壁隔開的。
16.一種用來支承同步電機轉子芯上的超導線圈繞組的方法，包括以下步驟將拉杆從所述轉子芯中的通道裡面穿過；將殼體插到所述線圈的一部分上；將所述拉杆的一端固定到所述殼體上。
17.根據權利要求16所述的方法，還包括將第二殼體插到所述線圈的第二部分上，並將所述第二殼體固定到所述拉杆的另一端上。
18.根據權利要求16所述的方法，還包括將第二殼體插到所述線圈的第二部分上，並將所述第二殼體固定到所述拉杆的另一端上，其特徵在於，所述拉杆從所述轉子芯的旋轉軸中穿過，且所述線圈的所述第一部分和所述第二部分位於所述轉子的兩側。
19.根據權利要求16所述的方法，還包括通過將接合銷釘插入所述拉杆和所述殼體端部中的孔，而使所述拉杆的端部固定到所述殼體上。
20.根據權利要求16所述的方法，還包括低溫冷卻所述線圈，並通過所述線圈與所述殼體和所述拉杆之間的傳導來冷卻所述殼體和所述拉杆。
21.一種用於同步電機的轉子，包括一轉子芯，帶有正交於所述轉子縱軸的通道；一跑道形超導(SC)線圈繞組，其跑道形平面平行於所述轉子的縱軸；在所述轉子芯的所述通道裡面的拉杆；和將所述線圈繞組連接到所述拉杆上的殼體。
22.根據權利要求21所述的轉子，還包括位於所述線圈繞組兩端的夾具。
23.根據權利要求21所述的轉子，還包括若干正交於所述轉子芯縱軸並位於所述超導線圈繞組構成平面中的通道。
24.根據權利要求21所述的轉子，其特徵在於，所述拉杆帶有與所述線圈繞組對接的平面端部。
25.根據權利要求21所述的轉子，還包括將所述殼體固定到所述拉杆的接合銷釘。
26.根據權利要求21所述的轉子，其特徵在於，所述銷釘是空心的。
27.根據權利要求21所述的轉子，還包括在所述轉子芯和所述拉杆之間的絕熱套管。
全文摘要
本發明公開了一種用於同步電機的轉子,包括:一轉子芯;一圍繞轉子芯至少一部分的超導線圈繞組,該線圈繞組在轉子芯兩側帶有一對側邊部分;至少一根在線圈繞組的一對側邊部分之間延伸並穿過轉子芯中通道的拉杆;和在拉杆每一端的線圈殼體,該線圈殼體包圍線圈繞組並固定在拉杆上。
文檔編號H02K55/04GK1387303SQ0212000
公開日2002年12月25日 申請日期2002年5月15日 優先權日2001年5月15日
發明者E·T·拉斯卡裡斯, J·P·亞歷山大, P·K·努卡拉, R·加姆布赫拉 申請人:通用電氣公司