专利名称：超导技术的电机和阻隔屏蔽件的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种超导技术的电机，包括一个定子，它在形成空气间隙 的情况下围绕一个可绕转子轴线旋转地支承的转子，其中转子 -包含一个冷的部分，a) 在冷的部分内设转子绕组的一些要冷却的超导体，以及b) 冷的部分被一个热的外壳包围，在外壳面朝空气间隙的外壁上存在 至少一个起阻隔屏蔽作用的部分，以及-在冷的部分与热的外壳之间有隔热装置。
技术背景由US4914328A已知一种相应的电才几。所谓的瞬时短路表示旋转电机的 一种严重的故障状况。在这种瞬时短 路时会产生过载扭矩，它是电机净扭矩的许多倍，例如在两极转子绕组中 是10至20倍。尽管采取各种预防措施，仍不能完全排除电机运行时发生 这种短路的可能性，这种短路例如可能是定子的定子绕组错接或误操作的 结果。除此之外，在电机典型试验时作为相应的预防措施还往往期望证实， 这些故障情况导致电机零件的非永久损伤。在有超导转子绕组的电机中，在这些故障情况下除了其他不希望的结 果外还在转子热的外壳沿径向的外壁内产生大的负荷，出自于隔热的原因 外壳设计为真空外壳或恒冷外壳。因此面朝定子绕组的通常用金属材料制 成的外壳外壁或恒冷外壁，同时起电磁阻隔屏蔽的作用或带一个这种屏蔽 (参见前言提及的US4914328A)。也就是说，在这里可感应大电流，尤其 当阻隔屏蔽用良好导电的材料制成时。这些电流接着与在转子与定子之间 产生的B磁场相互作用导致大的劳伦兹力。如已提及的这些负荷对阻隔屏蔽有双重作用。第一，阻隔屏蔽通过产 生的力变形。在这里阻隔屏蔽有一些遭受从外部作用的压力的区域，以及在这种情况下向内拱曲，而它在另一些区域却经历向外的相应变形。阻隔 屏蔽不允许接触定子，因为要不然会破坏定子。作为补救办法，在这里可 以通过对在定子内径与外壳外径之间的空气间隙设计相应大的尺寸达到。 其结果是，尤其在转子轴向膨胀时，需要用于空气间隙径向膨胀的量，如 在传统的电机中常见的那样，它们明显地大于若干毫米。第二，在这种故 障情况下由于变形还在阻隔屏蔽中产生材料应力。相应的负荷必须低于所选择的阻隔屏蔽材料产生塑性变形的极限值，因为要不然转子外壳在瞬时 短路后保持变形。在这里的补救办法只能采取使阻隔屏蔽有足够的壁厚。当然这两种补救措施促使(在电机转子绕组与定子绕组之间电磁相互 作用的)"磁空气间隙"因而必须相应地有大的尺寸。因为另一方面磁场随 着离转子或其超导转子绕组产生磁场的冷的部分的距离的减小而降低，所 以大的壁厚和大的空气间隙弓1起所使用的超导体材料显著变坏的利用率。发明内容因此本发明要解决的技术问题是，在一种具有本文开头所述特征的电 机中能避免此类尤其归诸于在故障情况下阻隔屏蔽变形或外壳部分相应作 用的尺寸过大。按本发明通过权利要求1中所说明的特征解决上述技术问题。据此，置设支承件，这些支承件沿径向延伸到这样的程度，即，使得-在电机无故障的运行情况下，在支承件与热的外壳或冷的部分之间分别形成一个小的距离，以及-只是在电机的一种导致热的外壳(或与之连接的阻隔部分)超过预传递。也就是说，按本发明的措施从下述考虑出发借助在热的外壳或冷的 部分上在阻隔屏蔽(或起这种作用的外壳部分)在这里经受压缩力的部位 上的支承件， 一方面外壳和/或阻隔屏蔽比较小的壁厚以及有小的机械空气 间隙便可以够用，以及另一方面可以足够可靠地克制瞬时短路的负荷。在 这里支承件的尺寸确定为，使它们在正常运行时为避免导热损失一方面与 热的外壳壁或恒冷壁或阻隔屏蔽没有机械接触，或另 一 方面与冷的部分没有机械接触。取决于阻隔屏蔽的几何尺寸和材料数据，在这里允许在没有 破坏作用的情况下一定程度的变形。也就是说，支承件的尺寸确定为，它 们从阻隔屏蔽预定的变形起才起作用。为此它们只需要承受那部分使阻隔 屏蔽大于所述预定的允许的量变形时必要的力。因此，与电机的本发明的设计相关联的优点在于，可以保持相对小的 4!空气间隙并因而可以相应高效率地充分利用所使用的超导体。此外通过 对支承件特别建议的设计，在电机正常运行时也不会或仅微量提高热负荷。由从属于权利要求1的权利要求可知按照本发明的电机的有利的扩展 设计。按权利要求1的实施方式可以与从属权利要求之一的特征组合或优 选地也可以与多项从属权利要求的特征组合。据此，尤其设计为同步电动 机，优选地设计为发电机的电机按照本发明附加地还有下列特征 优选地支承件可以设置在那些在故障情况下在这里有一个沿径向向 内作用的变形力作用在外壳上的部位上。这些位置通常处于沿轴向看转子 的中部，在那里应担心变形最大。也就是说在端侧区域外壳通常有足够大 的径向刚度。由此可限制支承件的数量并因而限制其总的导热截面。 阻隔屏蔽可以或设计为热的外壳的组成部分，或设在热的外壳的外 侧或内侧上。这两种设计可能性是众所周知的。 有利地设多个沿轴向分布地排列的支承件，它们有比较小的单个横 截面。如此也可以限制冷的部分与热的外壳之间的热传导。 优选地支承件可以用导热差的材料如尤其用玻璃纤维增强的材料制 成，为的是在有足够刚度的同时保持热传导尽可能小。 作为隔热装置尤其考虑真空和/或至少一个超导隔离体。相应的措施是众所周知的。 空气间隙径向膨胀小的优点，尤其源于一种用已知的金属氧化物HTS ( High-Tc-Superconducting )材料制的导体建造的转子绕组。当然，也 可以代之以使用由金属的LTS ( Low-Tc-Supei'conducting)材料制成的导体。 在这里可使用的导体类型可以是带状导体或索状复合导体，例如勒贝儿导 体。
下面参见附图进一步说明本发明，借助附图更详细地说明按本发明的电机一种优选的实施例。在这里本发明唯一 的示意图表示电机的纵剖面图。
具体实施方式
下面借助附图表示的电机实施方式可以尤其涉及一种同步电动机或发 电机。此电机包括一个旋转的超导励磁绕组，它原则上允许使用金属的LTS材料或金属氧化物HTS材料。本实施例基于后面那种材料。将超导材料冷 却到例如温度约30K的措施是众所周知的，所以在附图内免去表示这些措 施。绕组可以由一个线圈或一个线圈系统按一种两极、四极或此外多极的 配置组成。由附图可以看出相应的同步电动机的基本结构，在这里由相应 的电机已知的实施方式出发(参见前言提及的US4914328A或 WO02/43224A )。总体用附图标记2表示的电机包括固定的处于室温下的外壳和位置固 定的定子3,从其定子绕组端侧可以看到绕组端部3a。转子5在外壳内部和 在构成空气间隙4的情况下被定子绕组围绕，空气间隙4有沿径向的间隙 宽度w，转子5可绕转子轴线A旋转地支承。转子有一个热的通常处于室 温的外壳6，为了隔热在外壳6内按恒冷器的类型保持真空V。在因此可看 作真空外壳或恒冷外壳的外壳6内部，通过悬挂件或其他固定件7a和7b 固定一个冷的部分8。在图中没有详细描述的冷的部分按已知的方式包括一 个绕组托架，用于安装一个要用冷却剂冷却的超导励磁绕组。图中没有表 示励磁绕组所需要的冷却剂供给装置，因为这是众所周知的。在这里，冷 的部分8有一个被绕组的冷却剂直接或间接一起冷却的冷的外侧面8a。由图还可看出，至少在冷的部分8的中部区域，在其外侧面Sa安置一 个个沿径向延伸的例如形式上为一个个间隔件或间隔环的支承件9a至9d。 这些支承件可以同心地围绕所述外侧面。在这里按本发明它们没有 一直延 伸到真空外壳6的管形外壳壁6a内侧；确切地说，在此壁6a与每个支承件 的相应端侧之间保持一个预定的空隙或距离a，以便在电机正常运行时避免 或限制通过这些构件的导热损失。除此以外在图中还如粗线所示，外壳壁6a本身按已知的方式设计为阻 隔屏蔽(部分)10,在这里外壳可例如用钢制成。或在外壳6a的内侧或外 侧安置用铜(Cu)或铝(Al)或必要时也可以用所列材料之一的合金制成 的特殊阻隔屏蔽。当然，阻隔屏蔽或起这种作用的外壳也可以由多个部分组成(参见前言提及的US4914328A或EP0087263A2 )。然后将支承件9a 至9d优选地装在冷的部分8在故障情况下、例如定子绕组短路时在阻隔屏 蔽10上作用压缩的亦即沿径向向内的力的那些部位上。按照本实施例出发 点在于，冷的部分8的沿轴向看的中部区域可以作用这种压缩力。取决于 几何形状和阻隔屏蔽选择的材料，例如Cu,允许一定量的没有破坏作用的 径向变形，例如2mm。因此支^R件的尺寸应确定为，^f吏它们只是从超过预 定量例如1.5mm变形起才起作用。因此它们也只需要承受阻隔屏蔽比所述 预定量更多地变形时必需的力的部分。为了限制通过支承件9a至9d在与热的外壳6和冷的部分8机械接触 时传热，支承件优选地应该用至少一种导热差的材料制成。在这里适用的 材料尤其是玻璃纤维增强的塑料材料。为了在正常运行时，亦即在所述三个部分(也就是说冷的部分8、支承 件9a至9d、外壳6)之间没有这种机械接触的情况下，能保持低的由于辐 射损失造成的热负荷，应该或者将支承件9a至9d安置在必要的超导隔离体 (Superisolation) 11下方，亦即在其内部。必要时也可以将在有些情况下 由于技术原因不能位于超导隔离体11下方以及面朝阻隔屏蔽的那部分支承 件的表面，通过适当的结构设计，例如通过横截面减小，保持得较小。这 些相应的措施尤其当应取消围绕冷的部分8的超导隔离体时是有利的。也 就是说，在没有围绕的超导隔离体时辐射损失可达约500w/m2。图中还表示了另一个超导隔离体12,它安置为使支承件9a至9d部分 穿过超导隔离体12地伸出。若应仅设一个这种超导隔离体，则特别有利于 遭受阻隔屏蔽辐射的支承件表面的最小化。除此之外还应考虑， 一个宽〗又10cm的设计为环形支承件、例如元件 9b的环形支承环面，甚至在冷的部分的周长仅lm时已经可以引起约50W 的损失。在经常由冷却头已知的电机约30K的情况下几乎不能提供相应的 冷却能力。除了由此引起的高成本外，还要面临为此必要的例如约6kW的 压缩机连接负载。由于这一原因，有利的是在例如10xl0crr^面积上设置多 个，例如10个，分别有小的例如1 cm2的横截面的柱状支承件9a至9d，以 取代一个几乎无效的大的横截面积为1 Ocmx 1 Ocm-100 cm2的支承装置。支承件可以或在转子冷的部分8包扎后安装在扎线上；或在包扎前将 它固定在冷的部分上，从而它们此时实际上按层叠的方式安装在扎线内。图示实施例的出发点在于，支承件9a至9d安装在冷的部分8上以及 相对于外壳壁6a或阻隔屏蔽IO形成距离a。当然支承件也可以固定在阻隔 屏蔽内侧或相应的外壳壁热的部分上，从而此时相对于冷的部分8遵守间 距a。有关辐射损失最小化的考虑，此时也适用与在图中表示的电机实施方 式中类似的考虑。
权利要求
1.一种超导技术的电机(2)，包括一个定子(3)，它在形成空气间隙(4)的情况下围绕一个可绕转子轴线(A)旋转地支承的转子(5)，其中转子(5)-包含一个冷的部分(8)，a)在冷的部分内设转子绕组的一些要冷却的超导体，以及b)冷的部分被一个热的外壳(6)包围，在外壳面朝空气间隙(4)的外壁(6a)上存在至少一个起阻隔屏蔽(10)作用的部分，以及-在冷的部分(8)与热的外壳(6)之间有隔热装置，其特征在于在热的外壳(6)与冷的部分(8)之间在预定的位置上设支承件(9a至9d)，这些支承件沿径向延伸到这样的程度，即，使得-在电机(2)无故障的运行情况下，在支承件(9a至9d)与热的外壳(6)或冷的部分(8)之间分别形成一个小的距离(a)，以及-只是在电机(2)处于一种导致热的外壳(6)超过预定量变形的故障情况下，才在热的外壳(6)与冷的部分(8)之间通过支承件(9a至9d)造成力传递。
2. 按照权利要求1所述的电机，其特征为，在支承件(9a至9d)与热 的外壳(6)之间分别设计有距离(a)。
3. 按照权利要求1所述的电机，其特征为，在支承件(9a至9d)与冷 的部分(8)之间分别设计有距离(a)。
4. 按照前列诸权利要求之一所述的电机，其特征为，支承件(9a至9d) 设置在那些在故障情况下在这里有一个沿径向向内作用的变形力作用在热 的外壳(6)上的部位上。
5. 按照前列诸权利要求之一所述的电机，其特征为，阻隔屏蔽(IO) :没计为热的外壳(6)的一个组成部分。
6. 按照权利要求1至4之一所述的电机，其特征为，阻隔屏蔽(IO) 设在热的外壳(6)的外侧或内侧上。
7. 按照前列诸权利要求之一所述的电机，其特征为，设多个沿轴向分 布地排列的支承件(9a至9d )。
8. 按照前列诸权利要求之一所述的电机，其特征为，支承件(9a至9d) 用导热差的材料制成。
9. 按照权利要求8所述的电机，其特征为，支承件(9a至9d)用玻璃 纤维增强的材料制成。
10. 按照前列诸权利要求之一所述的电机，其特征为，转子绕组用LTS 材料制成的导体建造。
11. 按照权利要求1至9之一所述的电机，其特征为，转子绕组用HTS 材料制成的导体建造。
12. 按照权利要求11所述的电机，其特征为，采用HTS带状导体或 HTS索状复合导体。
13. 按照权利要求1至12之一所述的电机，其特征为，所述隔热装置 为真空(V)。
14. 按照权利要求1至13之一所述的电机，其特征为，所述隔热装置 是至少一个超导隔离体(11, 12)。
15. 按照权利要求1至14之一所述的电机，其特征为，设计成同步电 机，优选设计成发电机。
全文摘要
本发明涉及一种含有一个转子(5)的电机(2)，转子有一个热的转子外壳(6)，一个有超导转子绕组的冷的部分(8)处于其中。在转子外壳(6)的面朝定子(3)的外侧，存在一个起阻隔屏蔽(10)作用的部分。在热的外壳(6)与冷的部分(8)之间应在预定的位置设支承件(9a至9d)，这些支承件沿径向延伸到这样的程度，即，使得在电机(2)无故障的运行情况下，在支承件(9a至9d)与热的外壳(6)或冷的部分(8)之间分别形成一个小的距离(a)，以及，只是在电机(2)处于一种导致热的外壳(6)变形的故障情况下，才在热的外壳(6)与冷的部分(8)之间通过支承件(9a至9d)造成力传递。
文档编号F17C13/00GK101268602SQ200680034258
公开日2008年9月17日 申请日期2006年8月3日 优先权日2005年9月23日
发明者彼得·马塞克, 沃尔夫冈·尼克, 迈克尔·弗兰克 申请人:西门子公司