[發明專利]一種高功率密度的超導電機

無效

• 申請號: 02125115.0
• 申請日: 2002-05-15
• 公開（公告）號: CN1387302A
• 公開（公告）日: 2002-12-25
• 發明（設計）人: R·N·道森;Y·王;E·T·拉斯卡里斯
• 申請（專利權）人: 通用電氣公司
• 主分類號: H02K55/00
• 分類號: H02K55/00
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司
• 代理人: 黃力行

發明背景

本發明總體上涉及一種應用于同步旋轉機器的超導線圈。具體地說，本發明涉及一種帶有一常規定子、以及一個帶有超導線圈的磁飽和固體鐵芯轉子的同步電機

帶有勵磁線圈的同步旋轉電機包括，但不僅僅限于此，轉動發電機，回轉馬達，以及線性電動機。這些機械通常包括一對被電磁偶合的定子和轉子。轉子包括一個多極轉子芯和一個或多個固定在轉子芯上的線圈繞組。轉子芯還可以包括一個諸如鐵芯轉子這樣的可透磁材料。

同步電機的轉子中通常使用常規的銅線圈。然而，銅線圈的電阻抗(盡管常規測量結果并不高)會產生轉子的基本熱量并且降低機械的功效。近來，用于轉子的超導(SC)線圈繞組已經產生。SC線圈沒有阻抗從而成為高效的轉子線圈繞組。

鐵芯轉子在2特斯拉的空氣磁場強度下達到飽和。已知的超導轉子采用在轉子中不帶有鐵的氣芯設計，以便達到3特斯拉或者更高的空氣磁場強度。這些較高的空氣磁場強度提高了發電機的功率密度，并且顯著減少了機械的重量和大小。氣芯超導轉子需要大量的超導線。而大量的超導線的需求需要增加了所需的線圈，線圈支撐的復雜程度，以及轉子和SC線圈的成本。

盡管在磁場飽和區域為了提高氣隙磁場以及機器功率密度的時候，鐵芯轉子相對于氣芯轉子來說可以提供很多優點，然而，鐵芯超導轉子在工業上并無太多應用。與氣芯轉子相比，鐵芯轉子的優點是，在磁飽和鐵芯轉子里使用較少的超導材料也可以達到相同的高機械功率密度。

高溫超導勵磁線圈由易碎的超導材料構成，其必須被冷卻以保持在一個例如27°K臨界溫度或低于這個溫度以便保持其超導性。SC線圈也可以由高溫超導材料構成，例如一種BSCCO(Bi_xSr_xCa_xCu_xO_x)基導體。

超導線圈并未應用于同步電機的轉子中。已經有人開始致力于將SC線圈應用到高功率密度的發電機以及其他同步電機中去。將SC線圈加入到高功率密度機械上的潛在優勢包括減輕機器重量并且壓縮設備體積。這些高功率密度機器通常包括一個氣芯轉子以及一個不帶定子鐵齒的氣芯定子。然而，高功率密度機器會非常昂貴并且從經濟上來說也不實用。

SC線圈，其線圈支撐系統以及相關的冷卻系統復雜而且昂貴。SC線圈使用諸如BSCCO這樣的昂貴的材料。這些材料還很脆弱。SC線圈所需的線圈支撐系統必須承受一個大同步機械的轉子上所遇到的巨大的力并且保護脆弱的線圈。還有，這些支撐系統還不能將基本的熱量傳遞給低溫冷卻的線圈。

此外，提供低溫諸如氦的低溫冷卻流體的冷卻系統也很復雜并且昂貴。因此，將SC線圈應用到一個同步機械上的費用以及復雜程度都非常高。為了使SC線圈在經濟上是可行的，其相關的成本也應該降到將SC線圈用于銅芯轉子上所帶來的好處之下。

隨著高溫超導(HTS)材料的發展，使用SC線圈的成本也變得可以接受了。由于其保持了在例如27°K這樣的相對高溫下的超導特性(沒有阻抗)，所以與先前需要將SC線圈冷卻到一個較低溫度相比，冷卻HTS線圈的成本已經下降。仍然需要更低成本的SC線圈以及線圈支撐系統。

超導線圈被流體氦冷卻。在穿過轉子的線圈之后，熱的、使用過的氦以殼體溫下的氣態氦返回。使用液態氦用于低溫冷卻需要持續地對返回的殼體溫氣態氦進行再液化，這樣的再液化產生了明顯的可靠性問題以及需要大量的輔助能源。

現有的SC線圈冷卻技術包括通過一個固體低溫冷卻機內部的傳導通路來冷卻一個浸漬環氧樹脂的SC線圈。另外一種方案是，轉子中的冷卻管道中可以將流體和/或氣體冷卻劑輸送給浸潤在流體和/或固體冷卻劑中的多孔SC線圈繞組。然而，浸潤冷卻要求整個線圈以及轉子都在一個低溫環境下。結果是，由于鐵在低溫條件下的脆性而在整個轉子磁路當中都不能使用鐵。

所需要的是一種比現有HTS機器更便宜的HTS電機，以及與常規銅芯電機相比，在價格上更有競爭力的電機。為了達到經濟上的成功，HTS電機必須在與常規銅電機相比的時候更有價格優勢。用來降低成本的潛在的技術領域進一步包括線圈支撐系統，轉子設計以及使用HTS線圈改裝現有電機。此外，所需要的是一種用于電機的改進的轉子勵磁線圈集合，該集合沒有諸如現有超導轉子這樣的氣芯以及液冷超導勵磁線圈集合的缺點。