具有真空容器和電磁屏蔽罩的高溫超導轉子及裝配方法
2023-04-28 13:53:11
專利名稱：具有真空容器和電磁屏蔽罩的高溫超導轉子及裝配方法
技術領域：
本發明大體上涉及一種同步旋轉電機中的超導轉子，更具體地涉及用於同步電機的轉子中超導勵磁繞組的電磁屏蔽罩和真空容器。
在同步電機的轉子上通常採用傳統的銅繞組。然而，銅繞組的電阻(雖然其傳統的測量值較低)足以產生大量的轉子熱量，並降低了電機的功率效率。近來，已開發出了用於轉子的超導(SC)線圈繞組。SC繞組實際上不具有電阻，是非常優良的轉子線圈繞組。
鐵芯的轉子在氣隙磁場強度約為2特斯拉時飽和。已知的超導轉子採用在轉子中沒有鐵芯的空氣芯設計，以使氣隙磁場強度達到3特斯拉或更高。這些高的氣隙磁場使電機的功率密度增加，並導致其重量和尺寸顯著減小。空氣芯的超導轉子需要大量的超導線。這些大量的SC導線增加了所需的線圈數量、線圈支撐構件的複雜性以及SC線圈繞組和轉子的成本。
高溫SC(HTS)勵磁線圈繞組由脆性超導材料製成，其必須被冷卻到臨界溫度如27K或臨界溫度以下，以獲得並保持超導性。SC繞組可由高溫超導材料，如BSCCO基(BixSrxCaxCuxOx)的導體製成。
超導線圈例如由液氦冷卻至低溫。在經過了轉子繞組後，使用過的溫熱的氦以氣態氦回流。使用液氦進行低溫冷卻要求連續地再液化回流的室溫的氣態氦，這種再液化在可靠性方面存在相當大的問題，並需要大量的輔助電源。
另外，HTS線圈對高的彎曲應變和拉伸應變敏感，其性能會降低。這些線圈必須承受使線圈繞組產生應力和應變的巨大離心力。電機的正常運轉包括幾年期間的數千次起動和停機循環，使轉子產生了低周疲勞載荷。此外，HTS轉子繞組必須在環境溫度下的轉子平衡運轉期間承受25％的超速運轉，以及在發電操作過程中的低溫下不承受超速操作狀態。與正常運轉狀態相比，這些超速狀態顯著地增加了施加在繞組上的離心力載荷。
SC線圈通常必須利用真空進行熱絕緣以產生超導性能。真空可防止溫熱的轉子通過對流傳熱給SC線圈。SC勵磁線圈必須被真空完全地包圍住。形成真空要求真空容器及相關氣密密封裝置保持在轉子上。
用作電機的HTS轉子勵磁繞組的SC線圈在冷卻和正常操作過程中要承受應力和應變。SC線圈要承受離心載荷、扭矩傳遞以及瞬時故障狀態。為了承受力、應力、應變和循環載荷，SC線圈必須通過線圈支撐系統適當地支撐於轉子中，並且屏蔽住動態的和瞬時的磁場。這些支撐系統將SC線圈固定在HTS轉子內，並且保證線圈能夠承受由於轉子旋轉而產生的巨大離心力。而且，線圈支撐系統可保護SC線圈，保證線圈不會提前開裂、疲勞或其他破裂。
開發HTS線圈的屏蔽罩和線圈支撐系統在使SC線圈適應於HTS轉子方面面臨艱巨的挑戰。在美國專利No.5548168、No.5532663、No.5672921、No.5777420、No.6169353和No.6066906中公開了先前提出的用於HTS轉子的線圈支撐系統的示例。然而，這些線圈支撐系統存在許多問題，例如成本昂貴、結構複雜且需要過多的零件。需要一種製造成本低且零件易於製造的線圈支撐系統。
發明內容
用於HTS勵磁線圈繞組的結構支撐構件的一個主要挑戰是將SC線圈結合於轉子中。該結構必須支撐SC線圈繞組，不會將大量的熱量傳給繞組。在所公開的創新概念中，線圈支撐構件的結構最小化，以便減少從轉子鐵芯傳導至冷卻SC繞組中的熱量。然而，線圈支撐構件的減小也限制了支撐構件能夠承受的力的水平。如果作用在轉子上的力超過了線圈支撐構件所能承受的力的大小，那麼就存在著線圈支撐構件失效或線圈繞組受損的極大危險。
作用在轉子上的力的潛在來源之一是由柵極故障(grid fault)引起的扭矩。具有SC線圈勵磁繞組的高溫超導(HTS)發電機易受電氣柵極故障的影響。柵極故障是與電機定子相連的動力系統柵極中的電流尖脈衝。在柵極故障的情況下，在定子中流過過大的電流。該電流在定子繞組中引起電氣幹擾，會感應出能穿透到轉子的勵磁線圈繞組中的強磁通。
穿透到轉子中的勵磁線圈繞組的磁場將在轉子的線圈繞組上產生很大的扭矩。該扭矩將損壞SC線圈和不牢固的線圈支撐結構。除了這種機械影響之外，轉子的磁場穿透還會導致在轉子結構、特別是在HTS導線內的交流電(AC)耗損。最好應儘可能地減小柵極故障所感應的磁場和其他磁場穿透到轉子中。減小由於柵極故障產生的轉子扭矩允許線圈支撐系統最小。使穿透到轉子中的磁場最小還應減少HTS轉子內的AC耗損。
屏蔽轉子可以防止定子的交變且隨時間改變的磁場穿透轉子。如果轉子的勵磁線圈繞組沒有很好地得到屏蔽，來自定子的磁通會穿透轉子並在磁轉子和SC線圈上產生扭矩。雖然這種定子磁通所感應的扭矩通常不會損壞現有技術中的可延展的銅轉子線圈，但這種扭矩可能損壞脆性的SC線圈。如果具有SC線圈的轉子沒有得到適當的屏蔽，那麼必須加固線圈支撐構件以承受故障感應的扭矩。然而，加固線圈支撐構件的一個缺點是同時也增加了支撐構件的質量，導致與傳導給冷卻SC線圈的熱量增加有關的潛在問題。
最好採用電磁(EM)屏蔽罩而不是增加線圈支撐構件的質量來防止交變磁通穿透轉子並在超導線圈上產生感應扭矩。由於尺寸的原因，很難為大型SC電機製造出可覆蓋整個轉子鐵芯的圓柱形EM屏蔽罩和真空容器。在製造圓柱形EM屏蔽罩和真空容器中的另一困難是形成具有緊密公差的大型銅或鋁的圓柱體。如果EM屏蔽罩和真空容器是一個可在另一個上滑動的圓柱體，那麼這兩個圓柱體最好能連接在一起以便保持真空，並防止交變磁通進入轉子。將不同的金屬，例如不鏽鋼的真空容器和銅或鋁製成的EM屏蔽罩連接在一起是困難的。由於它們的物理尺寸，對大型電機來說將圓柱形EM屏蔽罩和真空容器相結合存在著困難。然而，圓柱形EM屏蔽罩和真空容器可適用於小型電機，其具有足夠小的轉子使得EM圓柱形罩和圓柱形的真空容器相對容易製造。
對於大型電機來說，製造、裝配和平衡大型連續的圓柱形屏蔽罩並保證EM屏蔽罩或真空容器所需的精度和公差是一個很大的難題。如果圓柱形電磁屏蔽罩同時也用作真空邊界，那麼轉子主體可能被真空容器覆蓋住。因此，轉子的表面通常是不可接近的，不能接近轉子以正確地平衡轉子。
轉子的平衡通常包括沿著轉子主體的整個軸向長度和圍繞其周邊在不同位置處添加平衡重物，為此需要接近轉子主體的整個表面。如果真空容器覆蓋住整個轉子主體，那麼轉子必須在容器覆蓋住轉子之前得到平衡。然而，在裝配真空容器和EM屏蔽罩之前預平衡轉子增加了生產周期和加工成本。而且，預平衡轉子是環境溫度下進行的，而轉子在低溫下操作。轉子的平衡可能受到SC線圈所需的低溫條件的影響。因此，最好在低溫條件下平衡轉子。
已經發展了一種用於大型超導電機例如電動機或發電機的新型EM屏蔽罩和真空容器的概念。電機包括具有鐵芯和超導轉子勵磁繞組線圈的轉子。線圈通過裝配在線圈上的真空通道殼體所形成的真空而絕緣。真空通道並沒有覆蓋住轉子鐵芯的整個表面。因此，在低溫下的轉子平衡操作過程中可接近轉子。
SC線圈也受到電磁屏蔽罩的保護。屏蔽罩與真空容器相隔開。EM屏蔽罩防止了交變或隨時間變化的磁通穿透入轉子中。這些磁場由瞬間例如突然的短路或柵極故障以及由於電機載荷不平衡造成的逆序磁場所產生。另外，EM屏蔽罩還抑制了由定子的磁動勢間隔(magnetomotive force space)和時間諧波產生的諧波場。
HTS轉子可以用於原始設計成包括了SC線圈的同步電機。或者，HTS轉子可代替現有的電機如傳統發電機中的銅線圈轉子。這裡介紹的轉子及其SC線圈可用於發電機中，但HTS線圈轉子也適用於在其它同步電機中使用。
線圈支撐系統最好與線圈和轉子形成一體。此外，線圈支撐系統應促進在轉子總裝前容易進行線圈支撐系統、線圈和轉子鐵芯的預裝配。預裝配減少了線圈和轉子的裝配時間，提高了線圈支撐構件的質量，而且降低了線圈的裝配偏差。
在第一實施例中，本發明是一種用於同步電機的轉子，其包括轉子鐵芯；圍繞轉子鐵芯的至少一部分延伸的超導線圈，該線圈具有位於轉子鐵芯的相對側的線圈側部；覆蓋住至少一個線圈側部的真空殼體，以及位於真空殼體和線圈側部上的導電屏蔽罩。
在另一實施例中，本發明提供了一種在同步電機的轉子鐵芯上的超導線圈繞組的周圍提供真空的方法，其包括步驟裝配線圈繞組和轉子鐵芯；將端部軸與轉子鐵芯同軸地連接；將真空殼體跨置在線圈繞組的側部上，將殼體與轉子鐵芯密封，將真空殼體與端部軸密封，從而形成圍繞線圈繞組的真空區域。
本發明的另一實施例是一種轉子，其包括具有軸線的轉子鐵芯；從鐵芯的相對端部軸向延伸出的一對端部軸，其中各端部軸均具有與鐵芯端部相鄰的狹槽；具有平行於鐵芯軸線且相鄰於鐵芯相對側的線圈側部的超導轉子線圈，該線圈具有橫向於鐵芯軸線且相鄰於鐵芯端部的線圈端部，其中各線圈端部均穿過端部軸中的一個狹槽；位於各線圈側部上的真空殼體，其具有與一個狹槽密封的端部，一對端部軸中的狹槽和各線圈側部上的真空殼體形成了圍繞線圈的真空區域。
本發明的另一實施例是一種轉子，其包括具有軸線的轉子鐵芯；從轉子鐵芯的一端軸向延伸出的端部軸，其中端部軸具有與鐵芯端部相鄰的狹槽；具有至少一個平行於鐵芯軸線的線圈側部和至少一個橫向於鐵芯軸線的線圈端部的超導轉子線圈，其中線圈端部穿過端部軸中的狹槽；位於在線圈側部上的真空殼體，其與槽密封而形成了圍繞線圈的真空區域。
圖1是具有超導轉子和定子的同步電機的示意性側視圖。
圖2是示例性的跑道形超導線圈繞組的透視圖。
圖3是帶有鐵芯的高溫超導(HTS)轉子的部件的分解視圖。
圖4是顯示了真空通道和EM屏蔽罩的第一實施例的轉子橫剖面的示意圖。
圖5是顯示了真空通道和EM屏蔽罩的第二實施例的轉子橫剖面的示意圖。
圖6是帶有真空通道的轉子的透視示意圖。
圖7是位於轉子鐵芯和端部軸環之間的密封裝置的放大示意圖。
圖8至11是顯示了圖3所示HTS轉子的裝配過程的示意圖。
在圖中各標號的含義如下10同步電機；12定子；14轉子；16定子中的轉子腔；18磁場；19定子線圈；20轉子軸線；22轉子鐵芯；24集電器側的轉子端部軸；26冷卻劑傳送連接器；30驅動側的轉子端部軸；32渦輪機連接器；34轉子線圈繞組；36高溫超導(HTS)線圈；38冷卻通道；39冷卻通道的輸入埠；40繞組側部；41冷卻流體的輸出埠；42拉杆；43張緊螺栓；44線圈罩；46穿過轉子鐵芯的孔道；48轉子鐵芯的凹槽表面；50轉子鐵芯的外表面；52拉杆套管；54跑道形線圈繞組的端部；56轉子端部；58拼合夾板；59拼合夾板中的通道；60夾板；62轉子鐵芯的軸環；64軸環上的狹槽；66軸環側壁；68軸環上的凹入圓盤；70轉子鐵芯端部的凸起圓盤；72軸環的縱向螺栓孔；74轉子鐵芯的縱向螺栓孔；75軸環和轉子鐵芯之間的拉杆；76冷卻連接通道的管；78集電環；79線圈的電觸頭；80銷釘；82拉杆的寬端部；84鎖定螺母；86拉杆端部的平頭；88導管的大直徑端部；100真空通道殼體；102EM屏蔽罩；104真空殼體的側壁；106轉子鐵芯上的狹槽；108真空殼體的頂板；110EM屏蔽罩的支架；112支架的肋；114支架的中心開口；116支架上的凸緣；118穿過支架的拉杆；120第二EM屏蔽罩；122支架；124轉子和軸環間的密封裝置。
轉子14具有通常沿軸向延伸的軸線20和通常為實心的轉子鐵芯22。實心的鐵芯22具有較高的導磁性，通常由鐵磁材料如鐵製成。在低功率密度的超導電機中，可用轉子的鐵芯來減少磁動勢，從而減少線圈繞組所需的超導(SC)導線用量。例如，實心的轉子鐵芯可在氣隙磁場強度約為2特斯拉時磁飽和。
轉子14支撐了至少一個沿軸向延伸的、跑道形的高溫超導(HTS)線圈34(見圖2)。超導線圈也可為鞍形，或者是可適應特定HTS轉子設計的其它形狀。此處公開了用於跑道形SC線圈繞組的線圈支撐系統。此線圈支撐系統也可適用於與安裝在實心轉子鐵芯上的跑道形線圈不同的線圈結構。
轉子包括集電器側的端部軸24和驅動側的端部軸30。端部軸可連接並支持轉子鐵芯，它們本身由軸承25支撐。集電器側的端部軸包括集電環78，其為SC轉子線圈提供了外部的電連接。集電器側的端部軸24具有冷卻劑傳送連接器26，其與用於冷卻轉子中的SC線圈繞組的低溫冷卻流體源相連。冷卻劑傳送連接器26包括與低溫冷卻流體源相連的固定部分以及為HTS線圈提供冷卻流體的旋轉部分。轉子的另一端部軸30可由驅動渦輪機的連接器32驅動。為便於說明，圖1顯示了位於集電器一側的端部軸，其尺寸不能完全傳遞扭矩，它代表發電機只從一個端部軸由渦輪機驅動的傳動繫結構。然而，在此處公開的概念同樣可應用於裝配在兩渦輪機之間的發電機，此處兩個發電機的端部軸都傳遞大的扭矩。
圖2顯示了一個示例性的HTS跑道形勵磁線圈繞組34。轉子的SC勵磁線圈繞組34包括高溫超導(SC)線圈36。各SC線圈包括高溫超導體，例如層疊在固體的經環氧樹脂浸漬的繞組組成物中的BSCCO(BixSrxCaxCuxOx)導線。例如，可在固體的環氧樹脂浸漬的線圈中層疊、粘結並纏繞一系列BSCCO 2223導線。
超導線是脆性的且易於受到損壞。SC線圈為典型的經環氧浸漬的層繞SC帶。SC帶纏繞成精密的線圈形狀以獲得精密的尺寸公差。條帶以螺旋方式纏繞以形成跑道形SC線圈36。然而，SC扁平線圈可由幾組扁平線圈組成。
跑道形線圈的尺寸取決於轉子鐵芯的尺寸。通常來說，各跑道形SC線圈包圍了轉子鐵芯的磁極，並與轉子軸線平行。線圈繞組圍繞著此跑道形是連續的。SC線圈圍繞著轉子鐵芯和在鐵芯的磁極之間形成了無電阻的電流路徑。線圈具有將線圈與集電環78電連接的電觸頭79。
在線圈繞組34內具有低溫冷卻流體的流體通道38。這些通道可圍繞SC線圈36的外邊緣延伸。通道可為線圈提供低溫冷卻流體，以從線圈中帶走熱量。冷卻流體可在SC線圈繞組中保持為促進包括線圈中的電阻消失在內的超導狀態所需的低溫，如27K。冷卻通道具有輸入埠39和輸出埠41。這些埠將SC線圈上的冷卻通道38與冷卻劑傳送連接器26相連。
各跑道形HTS線圈繞組34具有一對與轉子軸線20平行的直的側部40，以及一對與轉子軸線正交的端部54。線圈的側部承受最大的離心應力。因此，側部由能抵消作用在線圈上的離心力的線圈支撐系統所支撐。
圖3顯示了轉子鐵芯22和高溫超導線圈的線圈支撐系統的局部剖開視圖。此支撐系統包括與線圈罩44相連的拉杆42。線圈罩固定並支撐轉子中線圈繞組34的側部40。雖然圖中只示出了一個拉杆和線圈罩，但線圈支持系統通常包括多個拉杆，各拉杆的兩端均具有線圈支撐罩。而且為便於說明，圖3顯示了延伸出線圈之外的拉杆端部。在實際應用中，拉杆端部靠在線圈朝向轉子鐵芯表面上。拉杆和線圈罩可防止在轉子運轉的過程中損壞線圈繞組，相對離心力和其他力而支撐線圈繞組，並為線圈繞組提供了防護罩。
鐵芯轉子內HTS線圈繞組34的主要載荷來自於轉子運轉過程中的離心加速度。需要有效的線圈結構支撐構件來抵消離心力。沿承受最大離心加速度的線圈側部40處尤其需要線圈支撐構件。為支撐線圈側部，拉杆42橫跨在線圈側部之間，並與固定線圈的兩相對側部的線圈罩44相連。拉杆穿過轉子鐵芯內的孔道46，比如開口，使得拉杆可以橫跨在同一線圈的側部之間或相鄰線圈之間。
孔道46一般是轉子鐵芯內具有直的軸線的圓柱形通道。除了在靠近轉子的凹槽表面的端部外，孔道的直徑基本上不變。在其端部，孔道可擴大至較大直徑以容納隔熱管52。該管與孔道內的拉杆42對準，並在轉子鐵芯和拉杆之間提供熱絕緣。
孔道46的數量和它們在轉子鐵芯上的位置取決於HTS線圈的位置和需要支撐線圈側部的線圈罩的數量。孔道46的軸線一般位於跑道形線圈所定義的平面內。此外，孔道的軸線正交於線圈的側部。而且，在這裡所示的實施例中，孔道與轉子軸線正交且相交。
這裡公開的示例性冷支撐系統是冷支撐構件，其中拉杆和相關的線圈罩44保持在低溫或接近於此低溫的溫度下。由於支撐件是冷的，因此這些構件例如通過隔熱管52與轉子的其他「熱」部件熱絕緣。
轉子鐵芯處於周圍的「高」溫下。線圈支撐構件是熱傳導的潛在源，它可使熱量從轉子鐵芯傳到HTS線圈。轉子在操作中變熱。由於線圈將處於超低溫狀態，因此應避免熱量傳導到線圈中。
線圈支撐系統與轉子鐵芯熱絕緣。例如，拉杆和螺栓不與轉子直接接觸。這種不接觸避免了熱量從轉子傳導至拉杆和線圈。此外，線圈支撐系統結構的質量被儘可能地減小，以減少從轉子鐵芯通過支撐組件傳給線圈繞組的熱量。
各拉杆42是沿杆的縱向具有連續性並位於跑道形線圈的平面內軸。拉杆一般由高強度非磁性合金例如鈦、鋁或鉻鎳鐵合金製成。拉杆的縱向連續性為線圈提供了有利於轉子的動力學特性的橫向剛性。而且，拉杆42的橫向剛性允許線圈支撐構件與線圈形成一體，這樣線圈可以在轉子總裝前與轉子鐵芯上的線圈支撐構件組裝在一起。
拉杆端部的平表面86支撐線圈繞組一側的內表面。線圈罩44將作用在線圈上的力例如離心力整體地分布在各線圈的基本整個側部40上。
多個線圈罩44可以有效地將線圈固定住而不受離心力的影響。雖然所示的線圈罩相互之間很接近，但罩之間只需必要的接近，以防止線圈在離心載荷、扭矩傳遞和瞬時故障狀態中由高的彎曲應變和拉伸應變而引起性能降低。
線圈支撐構件不限制在氣體渦輪機正常的起動/停止操作過程中發生縱向的熱膨脹和收縮。特別地，熱膨脹主要沿側部的長度方向發生。因此，線圈的側部相對於線圈罩和拉杆縱向輕微地滑移。
U形線圈罩44由在低溫下為可延展的輕的高強度材料形成。用於線圈罩的典型材料是非磁性的鋁、鉻鎳鐵合金或鈦合金。U形線圈罩的形狀可進行優化以降低重量和提高強度。
銷釘80延伸穿過線圈罩和拉杆的開口。為減輕重量，銷釘可以是中空的。在銷釘的端部擰入或連接了鎖定螺母(未示出)，以固定U形殼體以及防止線圈罩的側邊在載荷下分離。銷釘可由高強度鉻鎳鐵合金或鈦合金製成。當拉杆、線圈和線圈罩裝配在一起時，拉杆的平端部86靠在HTS線圈的內表面上。這種組件減小了拉杆中容納銷釘的孔處的應力集中。
轉子鐵芯22通常由磁性材料如鐵製成，而轉子側端部軸通常由非磁性材料如不鏽鋼製成。轉子鐵芯和端部軸是通常為可通過螺紋連接或焊接裝配並牢固地連接在一起的分開的零件。
轉子鐵芯22通常具有圓柱形的形狀，以適於在定子12的轉子腔16中旋轉。為了容納線圈繞組，轉子鐵芯具有凹槽表面48，例如平的或三角形的區域或狹槽。這些表面48位於圓柱形鐵芯的曲面上並沿轉子鐵芯縱向地延伸。線圈繞組34安裝在轉子上鄰近於凹槽區域48的位置。線圈通常沿凹槽區域的外表面縱向地延伸，並圍繞轉子鐵芯的端部。轉子鐵芯的凹槽表面48可容納線圈繞組。凹槽區域的形狀應與線圈繞組相符合。例如，如果線圈繞組為鞍形或其它形狀，轉子鐵芯上的凹槽應設成能容納這些形狀的繞組。
凹槽表面48容納線圈繞組，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絡面。轉子鐵芯的外曲面50在旋轉時形成圓柱形的包絡面。轉子的此旋轉包絡面具有與定子中的轉子腔16(見圖1)基本相同的直徑。
由於轉子不要求通風冷卻，轉子包絡面和定子腔16之間的間隙為一個相對較小的空隙，其根據需要只用於對定子進行強制通風冷卻。希望能減小轉子和定子之間的間隙，以增強轉子線圈繞組和定子繞組之間的電磁耦合。而且，轉子線圈繞組的位置最好使其可延伸到由轉子所形成的包絡面，這樣，轉子線圈繞組和定子間僅通過轉子和定子之間的間隙隔開。
線圈繞組34的端部54與轉子鐵芯的相對端部56相鄰。拼合夾板58固定住轉子線圈繞組的各端部。在各線圈端部54處的拼合夾板包括一對其間夾有線圈繞組34的相對的夾板60。夾板的表面包括容納線圈繞組34的溝槽59和與繞組相連的連接件39，41和79。溝槽59形成了位於夾板側邊上的開口，其與穿過集電器側的端部軸的薄壁管76的一端相鄰。冷卻流體通道和在集電環78和線圈觸頭79之間的電觸頭穿過管76。
拼合夾板58可由非磁性材料如鋁或鉻鎳鐵合金製成。可以用相同或相似的非磁性材料來製作拉杆、線圈罩和線圈支撐系統的其它部分。線圈支撐系統最好為非磁性的以便在低溫下保持韌性，這是因為鐵磁材料在低於居裡轉變溫度的溫度下變脆，不能用作承載結構。
拼合夾板58被端部軸的軸環62圍繞。但是，拼合夾板和線圈不與軸環62物理接觸。雖然在圖3中只示出了一個軸環，但在轉子鐵芯22的各端部均設有一個軸環62。軸環是非磁性材料例如不鏽鋼製成的厚圓盤，其材料與形成轉子軸的材料相同或類似。實際上，軸環是轉子軸的一部分。軸環具有正交於轉子軸線的狹槽64，其足夠寬從而可容納拼合夾板58且不與之接觸。狹槽環的熱的側壁66被冷拼合夾板的間隙間隔開，使得它們之間不相互接觸。狹槽66的側壁66、拼合夾板58和線圈端部54之間的間隙保持在真空中。因此，在轉子軸環和拼合夾板之間的真空間隙是可防止熱量在軸環、拼合夾板和SC線圈之間傳遞的隔熱器。
軸環62可包括凹入圓盤區域68(其被狹槽64對切開)，以容納轉子鐵芯的凸起圓盤區域70(見轉子鐵芯的相邊側，其可將凸起圓盤區域插入相對的軸環中)。將轉子鐵芯端部56上的凸起圓盤區域插入凹入圓盤68中，可為軸環內的轉子鐵芯提供支撐，並有助於使轉子鐵芯和軸環對準。另外，軸環可具有縱向穿過軸環且圍繞在軸環邊緣上的呈圓周形排列的螺栓孔72。這些螺栓孔與部分地穿過轉子鐵芯的帶螺紋的螺栓孔74相對應。帶螺紋的螺栓75穿過這些縱向的螺栓孔72，74，並將軸環固定在轉子鐵芯上。
圖4是轉子鐵芯、線圈支撐構件和線圈的第一橫截面示意圖。另外，圖中還顯示了真空殼體100和電磁(EM)屏蔽罩102的橫截面的第一實施例。真空殼體是裝配在線圈繞組的長側部40上並沿轉子的長度方向延伸的通道。真空殼體可由非磁性材料例如不鏽鋼製成。線圈34的各長側部40具有真空通道殼體100，以在線圈的那部分上形成隔熱真空。
殼體100具有一對側壁104，其各具有裝在沿轉子鐵芯的平表面48的長度方向延伸的狹槽106內的燕尾支腳。在線圈繞組和線圈支撐構件之一上設有狹槽106。在側壁的燕尾與轉子鐵芯的表面48上的狹槽106之間的接合形成了氣密密封。
在圖4所示的實施例中，在真空容器、線圈和線圈支撐結構上形成有EM屏蔽罩102。該屏蔽罩是可導電的並可由鋁形成，它也可提供結構支撐。屏蔽罩形成了從轉子鐵芯的平表面48的一側延伸到平表面的另一側的弧形。屏蔽罩的弧形在真空容器上延伸。真空容器的頂板108具有曲面並為EM屏蔽罩提供支撐。或者，真空容器的頂板也可形成EM屏蔽罩的一部分，其與覆蓋轉子其它部分的EM屏蔽罩部分相連。
EM屏蔽罩還被三角支架110支撐，支架110安裝在EM屏蔽罩之下並位於由鐵芯表面48和通道殼體的側壁所形成的角部內。支架具有為EM屏蔽罩和真空通道提供結構支撐的肋112。另外，支架可具有開口的中心區域114以減少其質量。支架位於真空通道的兩側並沿轉子鐵芯的長度間隔開。支架的數目被選擇成可支撐屏蔽罩，使支撐罩能承受施加在其上的很大的力。
支架靠在轉子平表面48和通道殼體的側壁104上的側邊具有凸緣116，其與轉子表面和通道側壁的配合凸緣相接合。這些凸緣之間的接合有助於將通道殼體固定在支架和轉子表面的狹槽106上。另外，張緊螺栓118穿過支架並進入轉子鐵芯中，將支架連接在轉子鐵芯上。真空殼體還包括與側壁形成一體並在SC線圈34和線圈支撐構件上延伸的頂板108。真空通道的端部是開口的，並在鐵芯22的相對端部與軸環62的狹槽66密封。
在圖4所示的實施例中，支架和EM屏蔽罩形成一體。EM屏蔽罩102和支架由裝在通道殼體100上的加工出的單個鋁合金件形成，並用螺栓118連接在轉子表面48上。在另一實施例中，EM屏蔽罩可部分地由真空容器的頂板108形成。EM屏蔽罩還包括覆蓋住支架並位於頂板各側上的弧形條。EM屏蔽罩的弧形面與由轉子鐵芯的弧形面50形成的圓柱形表面之間是連續的。EM屏蔽罩不在轉子鐵芯的弧形面50上延伸。當兩個EM屏蔽罩102都連接在轉子鐵芯上時，由轉子鐵芯和兩個EM屏蔽罩形成完整的圓柱形表面。儘管在圖4中只示出一個電磁屏蔽罩102，在完成電磁屏蔽罩時可能會在線圈的兩側40上都設有屏蔽罩。
電磁(EM)屏蔽罩並不用作真空邊界。內部真空邊界如真空通道殼體製成可圍繞超導線圈。在軸的連接縫處，採用密封帶將真空殼體與端部軸的軸環內的狹槽密封。這些狹槽容納了拼合夾板58和線圈罩的端部。EM屏蔽罩和屏蔽罩的支撐構件裝配在真空通道殼體附近或真空通道殼體上。該屏蔽罩可由單個或多個圓柱形部分製成，它們相互之間電連接以提供EM屏蔽。
圖5顯示了與支架122分開的EM屏蔽罩120的第二實施例。圖5所示的通道殼體100與圖4所示的殼體100相同。在該實施例中，EM屏蔽罩120是裝配在轉子鐵芯上的圓柱體，並覆蓋弧形面50和轉子鐵芯的平表面48。支架122是用螺栓118連接在轉子表面48上的單獨的三角形鋁件。支架將通道殼體固定在轉子的狹槽106上並支撐殼體的側壁104。此外支架還支撐EM屏蔽罩120。支架122的數目和它們沿各真空殼體兩側的間距在設計中選擇。內支架122主要用於結構支撐，並可由鋁或非導電性材料製成。EM屏蔽罩提供了為進行平衡而通過EM屏蔽罩102上的孔接近鋼鍛件的途徑，可以通過EM屏蔽罩102直接地接近轉子。
圖6是部分裝配的轉子鐵芯22和端部軸24的示意圖。在圖6中轉子鐵芯、繞組、真空殼體和其它零件的尺寸被放大以便於說明。轉子鐵芯22與端部軸的軸環62相連，使得線圈繞組34(部分被真空殼體100遮住)裝配到軸環的狹槽64(見圖3)中。密封裝置124在軸環和轉子鐵芯之間提供了氣密連接。在圖7中顯示了密封裝置的截面。密封裝置保證在真空通道殼體100的端部與軸環之間不發生空氣洩露。真空通道殼體的端部與軸環狹槽64的邊緣密封，使得當線圈34圍繞轉子鐵芯延伸時在其周圍形成真空。
圖8，9，10和11示意性地顯示了轉子內的線圈支撐構件和線圈繞組的裝配過程。如圖8所示，在轉子鐵芯與轉子端部軸和轉子的其它部件裝配之前，拉杆42插入穿過轉子鐵芯而延伸的各孔道46中。在各拉杆的各端部的隔熱管52放置在孔道46各端部的擴大端部88內。管52被鎖定螺母84鎖住。在拉杆插入轉子鐵芯的孔道之前或之後，將螺栓43插入。
如圖9所示，超導線圈34插入在轉子鐵芯上，使得拉杆42的平端部86靠在超導線圈的側部42的內表面上。一旦線圈繞組插入拉杆端部，將線圈罩44也插在SC線圈上。通過將銷釘80分別穿過拉杆和線圈罩的開口，將線圈罩固定在拉杆端部。
多個線圈罩可有效地固定線圈而不受離心力的影響。雖然所示的線圈罩相互之間靠得很近，但線圈罩之間只需必要的接近，以防止線圈在離心載荷、傳遞扭矩和瞬時故障狀態中由高的彎曲應變和拉伸應變而造成性能降低。
線圈罩和拉杆可在轉子鐵芯及線圈與軸環及轉子的其它部件裝配之前與線圈繞組裝配在一起。因此，在裝配轉子和同步電機的其它部件之前，轉子鐵芯、線圈繞組和線圈支撐系統可裝配成一個組件。
圖10顯示了由夾板60形成的拼合夾板58的組件。夾板60將線圈繞組的端部54夾在中間。拼合夾板為線圈繞組34的端部提供結構支撐。拼合夾板的夾板60在其內表面包括用於容納線圈繞組的通道。類似地，夾板包括用於氣體的輸入/輸出冷卻線39，49和與線圈相連的電接頭79的通道。穿過管76(圖3)的這些線和接頭設於集電器側的端部軸34內。
圖11顯示了裝在線圈的側部40上的真空通道殼體100。支架118放置在殼體的兩側並通過螺栓連接在轉子鐵芯的表面48上。軸環通過螺栓75與轉子鐵芯相連，使得線圈端部和真空殼體與軸環狹槽64對準。密封裝置124(見圖6)設在軸環、轉子鐵芯和真空殼體之間的接縫。一旦裝配好線圈支撐構件、線圈、軸環和轉子鐵芯，就可在包括側部40和端部56的線圈34的周圍形成真空。真空殼體由位於轉子鐵芯的任一側的一對真空通道殼體、軸環62中的狹槽64以及軸環與真空殼體的端部之間的密封裝置124形成。一旦裝配好後，轉子就可在冷卻線圈的狀態下進行平衡。
在圖4的結構中，EM屏蔽罩不覆蓋磁極22，因此為提供了接近轉子鍛件以放置平衡重物的不受限制的途徑。在圖5的結構中，EM屏蔽罩圍繞整個轉子的周邊延伸。由於EM屏蔽罩不用於真空封閉，因此它可以製造成帶有數個孔，從而提供了接近轉子鍛件以放置平衡重物的不受限制的途徑。因此，在圖4和5所示的屏蔽罩概念中，EM屏蔽罩提供了接近的轉子鐵芯以進行平衡的不受限制的途徑。因此，轉子可在低溫狀態下進行平衡。
雖然在上文中結合目前被認為是最實用和優選的實施例來介紹了此發明，但是可以理解，此發明並不限於所公開的實施例。相反，本發明覆蓋了在所附權利要求的精神實質內的所有實施例。
權利要求
1.一種同步電機中的轉子，其包括轉子鐵芯；安裝在所述轉子鐵芯上的超導線圈；覆蓋在至少一個所述線圈側部上的真空殼體，和位於所述真空殼體和所述線圈側部上的導電屏蔽罩。
2.根據權利要求1所述的轉子，其特徵在於，所述真空殼體是沿著所述轉子鐵芯縱向延伸的通道殼體。
3.根據權利要求1所述的轉子，其特徵在於，所述導電屏蔽罩由銅合金或鋁製成。
4.根據權利要求1所述的轉子，其特徵在於，所述轉子還包括具有軸環和位於所述軸環內的狹槽的轉子端部軸，所述真空殼體與所述狹槽密封，所述線圈的端部延伸到所述狹槽中。
5.根據權利要求4所述的轉子，其特徵在於，所述轉子還包括圍繞所述線圈且由所述真空殼體和所述軸環內的狹槽限定的真空。
6.根據權利要求1所述的轉子，其特徵在於，所述轉子還包括縱向穿過所述轉子鐵芯的平表面，所述線圈側部之一與所述平表面相鄰，所述真空殼體跨置在所述側部上，所述側部與所述平表面密封。
7.根據權利要求1所述的轉子，其特徵在於，所述真空容器由不鏽鋼製成，所述屏蔽罩由銅合金製成。
8.根據權利要求1所述的轉子，其特徵在於，所述轉子還包括支撐所述真空殼體和所述導電屏蔽罩的多個支架。
9.一種轉子，其包括具有軸線的轉子鐵芯；從所述鐵芯的端部軸向延伸出的端部軸，其中所述端部軸具有與所述鐵芯端部相鄰的狹槽；超導轉子線圈，其具有至少一個平行於所述鐵芯軸線的線圈側部以及至少一個橫向於所述鐵芯軸線的線圈端部，其中所述線圈端部穿過所述端部軸中的所述狹槽；位於所述線圈側部上的真空殼體，其與所述狹槽密封，形成了圍繞所述線圈的真空區域。
10.根據權利要求9所述的轉子，其特徵在於，所述轉子還包括位於所述線圈側部上的導電屏蔽罩。
11.根據權利要求9所述的轉子，其特徵在於，所述真空殼體是跨置在所述線圈側部並在所述線圈側部的兩側與所述轉子鐵芯密封的通道。
12.根據權利要求11所述的轉子，其特徵在於，所述真空殼體包括位於所述線圈側部的各側的側壁，各所述側壁與所述轉子鐵芯的表面密封。
13.根據權利要求12所述的轉子，其特徵在於，所述轉子鐵芯的所述表面上開有狹槽，以容納所述側壁。
14.根據權利要求12所述的轉子，其特徵在於，所述轉子鐵芯的所述表面是與所述線圈側部相鄰的平面。
15.根據權利要求9所述的轉子，其特徵在於，所述轉子還包括與所述真空殼體相鄰並與所述轉子鐵芯相連的多個支架。
16.根據權利要求15所述的轉子，其特徵在於，所述轉子還包括由所述支架支撐的電磁屏蔽罩。
17.一種轉子，其包括具有軸線的轉子鐵芯；從所述鐵芯的相對端部軸向延伸出的一對端部軸，其中各所述端部軸均具有與所述鐵芯端部相鄰的狹槽；超導轉子線圈，其具有至少一個平行於所述鐵芯軸線且相鄰於所述鐵芯的相對側部的線圈側部，所述線圈具有橫向於所述鐵芯軸線且相鄰於所述鐵芯端部的線圈端部，其中各所述線圈端部均穿過所述端部軸中的一個所述狹槽；位於各所述線圈側部上的真空殼體，其具有各與一個所述狹槽密封的端部，和由所述端部軸對中的所述狹槽和各所述線圈側部上的真空殼體所限定的圍繞所述線圈的真空區域。
18.根據權利要求17所述的轉子，其特徵在於，所述轉子還包括位於所述線圈側部上並與所述端部軸重疊的導電屏蔽罩。
19.根據權利要求18所述的轉子，其特徵在於，所述屏蔽罩是圍繞所述鐵芯的圓柱體。
20.根據權利要求18所述的轉子，其特徵在於，所述屏蔽罩部分地由所述真空殼體的頂部形成。
21.根據權利要求17所述的轉子，其特徵在於，所述屏蔽罩是沿所述鐵芯的長度延伸且只部分地圍繞所述鐵芯的周邊的弧形帶。
22.根據權利要求21所述的轉子，其特徵在於，所述弧形帶和第二弧形帶各覆蓋一個所述線圈側部。
23.根據權利要求18所述的轉子，其特徵在於，所述轉子還包括與所述真空殼體相鄰的支架，其與所述轉子鐵芯的表面相連並支撐所述屏蔽罩。
24.一種在同步電機的轉子鐵芯上的超導線圈繞組的周圍提供真空的方法，其包括步驟a.裝配所述線圈繞組和所述轉子鐵芯；b.將端部軸與所述鐵芯同軸地連接；c.將真空殼體跨置在所述線圈繞組的側部上，將所述殼體與所述轉子鐵芯密封，和d.將所述真空殼體與所述端部軸密封，從而形成圍繞所述線圈繞組的真空區域。
25.根據權利要求24所述的方法，其特徵在於，所述方法還包括將導電屏蔽罩放置在所述線圈上的步驟。
26.根據權利要求24所述的方法，其特徵在於，在所述端部軸的各接縫處形成狹槽，所述狹槽容納所述線圈繞組的端部，所述真空殼體與所述狹槽密封。
27.根據權利要求24所述的方法，其特徵在於，在所述轉子鐵芯上設置圓柱形屏蔽罩。
28.根據權利要求24所述的方法，其特徵在於，在所述真空殼體和所述轉子鐵芯的附近設置支架，以支撐所述導電屏蔽罩。
29.根據權利要求24所述的方法，其特徵在於，在所述線圈側部上設有弧形帶，所述帶沿所述端部軸之間的所述鐵芯延伸，所述弧形帶只部分地圍繞所述鐵芯的周邊延伸。
30.根據權利要求29所述的方法，其特徵在於，所述弧形帶和第二弧形帶各覆蓋一個所述線圈側部。
全文摘要
公開了一種用於超導同步電機的轉子,其包括:轉子鐵芯;圍繞轉子鐵芯的至少一部分延伸的超導線圈,所述線圈具有位於所述轉子鐵芯的相對側的線圈側部;覆蓋住至少一個所述線圈側部的真空殼體,以及位於所述真空殼體和線圈側部上的導電屏蔽罩。
文檔編號H02K55/04GK1385950SQ02120019
公開日2002年12月18日 申請日期2002年5月15日 優先權日2001年5月15日
發明者Y·王, K·R·維伯, K·斯瓦舒布拉馬尼爾姆, R·J·尼加爾德, X·黃 申請人:通用電氣公司