[發(fā)明專利]高溫超導(dǎo)轉(zhuǎn)子線圈支撐和線圈支撐方法

無(wú)效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 02123338.1
• 申請(qǐng)日: 2002-05-15
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN1385952A
• 公開(kāi)（公告）日: 2002-12-18
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: Y·王;E·T·拉斯卡里斯;P·K·努卡拉
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 通用電氣公司
• 主分類號(hào): H02K55/02
• 分類號(hào): H02K55/02
• 代理公司: 中國(guó)專利代理(香港)有限公司
• 代理人: 黃力行

發(fā)明背景

本發(fā)明通常涉及一種同步旋轉(zhuǎn)機(jī)器中的超導(dǎo)線圈。更具體地說(shuō)，本發(fā)明涉及一種用于同步電機(jī)轉(zhuǎn)子內(nèi)的超導(dǎo)勵(lì)磁線圈繞組的支撐結(jié)構(gòu)。

具有勵(lì)磁線圈繞組的同步電機(jī)包括但不局限于轉(zhuǎn)動(dòng)的發(fā)電機(jī)、回轉(zhuǎn)馬達(dá)和線性電動(dòng)機(jī)。這些機(jī)器通常包括電磁耦合的定子和轉(zhuǎn)子。轉(zhuǎn)子可以包括多極轉(zhuǎn)子芯和一個(gè)或多個(gè)安裝在該轉(zhuǎn)子芯上的線圈繞組。該轉(zhuǎn)子芯可以包括諸如鐵芯轉(zhuǎn)子的永磁固體材料。????

通常在同步電機(jī)轉(zhuǎn)子中使用普通的銅繞組。然而銅繞組的電阻(雖然用普通方法很低)足以加熱轉(zhuǎn)子并降低設(shè)備的能量利用率。近些年來(lái)，研究出用于轉(zhuǎn)子的超導(dǎo)(SC)線圈繞組。超導(dǎo)線圈繞組有效地使電阻近似為零，是更高效的轉(zhuǎn)子線圈繞組。

在大約2特斯拉的氣隙磁場(chǎng)位置，鐵芯轉(zhuǎn)子磁飽和。眾所周知的超導(dǎo)轉(zhuǎn)子利用氣芯設(shè)計(jì)，即轉(zhuǎn)子內(nèi)沒(méi)有鐵，以實(shí)現(xiàn)3特斯拉或更大的氣隙磁場(chǎng)。這些高氣隙磁場(chǎng)使電機(jī)的能量密度增加，有效地減少了設(shè)備的重量和大小。氣芯超導(dǎo)轉(zhuǎn)子要求大量的超導(dǎo)導(dǎo)線。大量的SC線圈增加了所要求的線圈數(shù)量、線圈支撐的復(fù)雜性和SC線圈繞組以及轉(zhuǎn)子的成本。

高溫SC勵(lì)磁線圈繞組由易碎的超導(dǎo)材料制成，必須對(duì)其進(jìn)行冷卻，使其溫度在或低于臨界溫度，也就是27°K，以實(shí)現(xiàn)和保持超導(dǎo)性。所述SC線圈可以由諸如BSCCO(Bi_XSr_XCa_XCu_XO_X)基導(dǎo)體的高溫超導(dǎo)材料制成。

超導(dǎo)線圈被液態(tài)氦冷卻。通過(guò)轉(zhuǎn)子的繞組之后，熱的使用后的氦作為室溫氣態(tài)氦返回。使用用于低溫冷卻的液態(tài)氦要求對(duì)返回的室溫氣態(tài)氦進(jìn)行連續(xù)的重新液化，這種重新液化引起重要的可靠性問(wèn)題并要求可觀備用的能量。

現(xiàn)有SC線圈冷卻技術(shù)包括通過(guò)低溫冷卻機(jī)的固體傳導(dǎo)路徑對(duì)浸漬了環(huán)氧樹(shù)脂的SC線圈進(jìn)行冷卻。另一種方案是，轉(zhuǎn)子內(nèi)的冷卻管可以將液體和/或氣態(tài)冷卻劑傳輸?shù)蕉嗫椎腟C線圈繞組，該SC線圈繞組被浸泡在液體和/或氣態(tài)冷卻劑流中。然而浸泡冷卻要求整個(gè)勵(lì)磁繞組和轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)都處于低溫，因而由于鐵在低溫下易碎，所以不能在轉(zhuǎn)子磁電路中使用鐵。

現(xiàn)在需要這樣一種電機(jī)的超導(dǎo)勵(lì)磁繞組裝配，所述電機(jī)沒(méi)有例如眾所周知的超導(dǎo)轉(zhuǎn)子氣芯和液體冷卻超導(dǎo)勵(lì)磁繞組裝置的缺點(diǎn)。

此外，高溫超導(dǎo)線圈(HTS)對(duì)高撓度和拉伸應(yīng)變所引起的老化很敏感。這些線圈必須經(jīng)受給線圈帶來(lái)應(yīng)力和應(yīng)變的離心力。正常情況下在幾年內(nèi)，電機(jī)的正常操作涉及成千上萬(wàn)次開(kāi)機(jī)和停機(jī)，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子的低周期的疲勞負(fù)載，并施加導(dǎo)致轉(zhuǎn)子線圈產(chǎn)生應(yīng)變的撓矩。此外，在環(huán)境溫度下，在轉(zhuǎn)子平衡過(guò)程期間，HTS轉(zhuǎn)子繞組應(yīng)該能夠抵御25％的超速，在發(fā)電期間，在低溫條件下不能夠抵御瞬時(shí)產(chǎn)生的超速。在正常操作情況下，這些超速情況通常增加了線圈的離心力負(fù)載。

在冷卻和正常操作期間，被用作電機(jī)的HTS轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組的SC線圈經(jīng)受應(yīng)力和應(yīng)變。它們經(jīng)受離心負(fù)載、撓矩、扭矩傳輸和瞬時(shí)的故障狀態(tài)。為了抵御力、應(yīng)力、應(yīng)變和周期性負(fù)載，應(yīng)該利用線圈支撐系統(tǒng)合適地支撐轉(zhuǎn)子內(nèi)地SC線圈。這些支撐系統(tǒng)保持HTS轉(zhuǎn)子內(nèi)的SC線圈，固定線圈，以對(duì)抗轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)所引起的巨大的離心負(fù)載和其它加速力。此外，線圈支撐系統(tǒng)保護(hù)SC線圈，確保線圈不過(guò)早地出現(xiàn)裂紋、疲勞或其它損壞。

發(fā)展高溫超導(dǎo)(HTS)電機(jī)所遇到的一個(gè)挑戰(zhàn)是保持超導(dǎo)勵(lì)磁繞組的結(jié)構(gòu)完整性。由于易碎的線圈，BSCCO基線圈的臨界電流對(duì)線圈內(nèi)的機(jī)械應(yīng)變等級(jí)很敏感。因此應(yīng)該使SC線圈內(nèi)的應(yīng)變最小化，以保持臨界電流的最佳水平。

需要一種堅(jiān)固的線圈支撐，消除同步電機(jī)內(nèi)轉(zhuǎn)子SC線圈內(nèi)的應(yīng)變。通過(guò)消除線圈應(yīng)變，線圈支撐確保線圈保持它的臨界電流能力。除了消除線圈應(yīng)變之外，線圈支撐應(yīng)該不將熱量從轉(zhuǎn)子傳給低溫線圈。

研制用于HTS線圈的支撐系統(tǒng)一直是使SC線圈適用于HTS轉(zhuǎn)子過(guò)程中一項(xiàng)困難任務(wù)。美國(guó)專利US5,548,168；US5,532,663；US5,672,921；US5,777,420；US6,169,353和US6,066,906介紹了用于HTS轉(zhuǎn)子的線圈支撐系統(tǒng)。然而這些線圈支撐系統(tǒng)具有嚴(yán)重的問(wèn)題，例如成本高、復(fù)雜并要求過(guò)多的元件。長(zhǎng)期需求一種具有用于SC線圈的線圈支撐系統(tǒng)的HTS轉(zhuǎn)子。也需求一種成本低并容易制造的線圈支撐系統(tǒng)。

發(fā)明概述

一種具有夾住跑道形SC線圈端部的對(duì)開(kāi)夾的線圈支撐系統(tǒng)研制已經(jīng)被研制出來(lái)。所述對(duì)開(kāi)夾提供給線圈剛度和剛性，阻止線圈在離心加速期間彎曲。通過(guò)使線圈具有剛度，所述對(duì)開(kāi)夾消除了線圈內(nèi)的應(yīng)力，因此保持了線圈的臨界電流能力。