专利名称：带有拉杆的高温超导同步转子线圈支承结构及其组装方法
技术领域：
本发明总的来说涉及同步旋转电机中的超导线圈。更具体地讲，本发明涉及一种用于同步电机转子中超导励磁绕组的支承结构。
传统的铜导线绕组通常用于同步电机的转子中。然而，铜导线绕组的电阻(虽然以传统的度量方法来说还是比较小的)足以使转子产生相当大的热量而减小电机的功率系数。近来，已经研制出用于转子的超导(SC)线圈绕组。超导体绕组实际上不带电阻，因此是非常优越的转子线圈绕组。
铁芯转子的气隙磁场强度大约为2特斯拉时饱和。已知的超导体转子采用空气芯设计，在转子中没有铁，可以达到3特斯拉或更高的气隙磁场。这些高气隙磁场提高了电机的能量密度，结果使电机的重量和尺寸显著减小。空气芯超导体转子需要大量的超导体线。大量的超导体线增加了所需要的线圈数目、线圈支座的复杂程度、以及超导线圈绕组和转子的生产成本。
高温超导线圈励磁绕组是由脆性超导材料制成的，而且必须冷却到临界温度如27开氏度或以下以实现和维持超导性。超导绕组可以由高温超导材料如铋锶钙铜氧(BixSrxCaxCuxOx)基的导体制成。
超导线圈由液氦冷却。在通过转子的绕组之后，用过的变热的氦重新成为室温下的气态氦。用液态氦进行低温冷却需要不断地将返回的室温气态氦重新液化，而这种重新液化会造成显著的可靠性问题并需要有相当大的辅助能量。
早先的超导线圈冷却技术包括用低温冷却器通过固体传导路径冷却环氧树脂浸渍的超导线圈。另一种方法是，转子中的冷却管可以将液态和/或气态冷冻剂输送到浸于液态和/或气态冷冻剂流体中的多孔超导线圈绕组。然而，浸泡冷却必须使整个励磁绕组和转子结构处于低温下。因此，铁由于在低温下的脆性而不能用于转子磁路中。
需要有一种用于电机中的超导励磁绕组组件，没有已知的超导体转子中空气芯液冷式超导励磁绕组组件的缺点。
另外，高温超导(HTS)线圈在高弯曲应变和高拉伸应变下很容易损坏。这种线圈必须承受相当大的离心力，给线圈绕组带来应力和应变。电机的正常运转包括在若干年内的数千次启动和关闭循环，结果引起转子的低循环疲劳载荷。而且，高温超导转子绕组在转子平衡过程中在环境温度下应当能够承受25％的超速运转，但是在发电过程中的低温下却不能承受偶然的超速状态。这种超速状态大大增加了在正常工作状态下施加到绕组上的离心力。
用作电机中高温超导转子励磁绕组的超导线圈在冷却和正常运转过程中受到应力和应变的作用，要经受离心力载荷、扭矩传递、以及瞬时故障状态。为了承受外力、应力、应变和循环载荷，超导线圈应当用线圈支承系统适当地支承在转子中。这些支承系统将超导线圈支撑在高温超导体转子中，并保护线圈不受因转子旋转产生的巨大离心力的破坏。此外，线圈支承系统还可以保护超导线圈，并确保线圈不会过早地裂开、疲劳或断裂。
研制的高温超导线圈的支承系统在使超导线圈适合于高温超导体转子方面一直是一项艰难的挑战。在美国专利号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于高温超导体转子的线圈支承系统实例。然而，这些线圈支承系统有各种不同的问题，比如太昂贵、太复杂、以及需要过多的部件。一直就需要一种带有超导线圈支承系统的高温超导体转子。还需要线圈支承系统可用低成本和容易制造的部件生产。
高温超导体转子可以用于本来就设计成包含超导线圈的同步电机。或者，高温超导体转子可以取代现有电机如传统发电机中的铜线圈转子。转子及其超导线圈在此是结合发电机来介绍的，但是高温超导线圈转子也适用于其它的同步电机。
本发明的线圈支承系统用于把线圈支承系统与线圈和转子结合起来。此外，本发明的线圈支承系统有助于在转子的最后组装之前进行线圈支承系统、线圈和转子芯的预装配。预装配缩短了线圈和转子的组装时间，提高了线圈支承结构的质量，并减少了线圈组件的变化。
本发明的第一个实施例是一种包括转子芯和跑道形超导(SC)线圈绕组的转子。线圈支承系统中包括横跨在线圈绕组之间的拉杆和将线圈绕组固定到每根拉杆两端的槽形壳体。
在本发明的另一个实施例中，用于同步电机的转子包括一带有内部真空的转子；一围绕转子至少一部分的超导体线圈绕组，所述线圈绕组在转子两侧有一对侧边部分；至少一根在线圈绕组的一对侧边部分之间延伸并穿过转子中通道的拉杆；和在拉杆每一端的线圈壳体，该线圈壳体包围线圈绕组并固定在拉杆上。
本发明的另一个实施例是一种用来支承同步电机转子中超导线圈的方法，包括以下步骤将拉杆从转子芯中的通道穿过；将壳体插在线圈的一部分上；然后将拉杆的端部固定到壳体上。
本发明的还有一个实施例是一种用于同步电机的转子，包括一转子芯，带有正交于转子芯纵轴并平行于高温超导线圈构成平面的通道；一跑道形的超导(SC)线圈，其跑道形平面平行于转子芯的纵轴；一装配在通道孔里面的拉杆；和一线圈壳体，用来使高温超导线圈上的弯曲应变、拉伸应变、或弯曲和拉伸应变减到最小。
图1是带有超导体转子和定子的同步电机的示意性侧向纵剖图；图2是作为实例的跑道形超导线圈绕组的透视图；图3是高温超导体(HTS)转子的部件分解图；图4至6是图3所示高温超导体转子的示意性剖视图；图7是用于图3所示高温超导体转子的线圈支承结构中一部分的放大剖视图；图8是槽形壳体的透视图；图9至11是显示图3中高温超导体转子装配过程的透视图。
转子14包括通常沿纵向延伸的轴20和通常是实心的转子芯22。实心转子芯22具有高磁导率，一般是用铁磁性材料如铁制成的。在低功率密度的超导电机中，转子的铁芯用来减小磁动势(MMF)，因此使线圈绕组所需要的超导(SC)线圈线的数量减到最少。例如，实心转子铁芯在气隙磁场强度大约为2特斯拉时达到磁饱和。
转子14支承至少一个沿纵向延伸的跑道形状的高温超导(HTS)线圈绕组34(见图2)。高温超导线圈绕组也可以是适合于高温超导体转子具体设计的鞍状的或其它的形状。在这里介绍用于跑道形超导线圈绕组的线圈支承系统。这种线圈支承系统也适用于安装在实心转子芯上的除了跑道形线圈之外的其它线圈结构中。
转子包括在轴承25上支承转子芯22的集电器端轴24和驱动端轴30。端轴可以连接到外部设备上。例如，集电器端轴24带有连接到用来冷却转子中超导线圈绕组的低温冷却液源的冷却剂传输连接件26。冷却剂传输连接件26包括连接到低温冷却液源的静止段和将冷却液提供给高温超导线圈的旋转段。集电器端轴24还包括可电连接到转动的超导线圈绕组上的集电器78。转子的驱动端轴30可以由动力涡轮机连接件32驱动。
图2示出了作为实例的跑道形高温超导励磁线圈绕组34。转子的超导励磁线圈绕组34中包括高温超导(SC)线圈36。每个超导线圈中包括高温超导导线，如层压在固体环氧树脂浸渍绕组中的铋锶钙铜氧(BixSrxCaxCuxOx)导线。例如，可以将铋锶钙铜氧2223系列的导线层压、胶合并缠绕成固体环氧树脂浸渍线圈。
超导体丝是脆性的容易损坏。超导线圈一般是分层缠绕的环氧树脂浸渍超导体带。超导体带被缠绕成精确的线圈形状以实现精密的尺寸公差。超导体带以螺旋形缠绕，形成跑道形的超导线圈36。
跑道形线圈的尺寸取决于转子芯的尺寸。通常，每个跑道形超导线圈环绕转子芯的磁极并平行于转子轴线。线圈绕组连续地围绕跑道形状。超导线圈围绕转子芯和在转子芯的磁极之间形成无电阻的电流通路。线圈上带有将线圈电连接到集电器78的电流触点114。
线圈绕组34中包括低温冷却液的流体通道38。这些通道可以环绕超导线圈36的外侧。低温冷却液经通道送到线圈上并将热量从线圈上带走。冷却液使超导线圈绕组保持在进入超导状态所需的低温如27开氏度下，其中超导状态包括在线圈中没有电阻。冷却液通道在转子芯的一端带有输入和输出液体口112。这些液体(气体)口112将超导线圈上的冷却液通道38连接到冷却剂传输连接件26上。
每个跑道形的高温超导线圈绕组34包括一对平行于转子轴线20的大体上是直线的侧边部分40，以及一对垂直于转子轴的端部部分54。线圈的侧边部分承受最大的离心应力。因此，侧边部分支承在可抵抗作用于线圈的离心力的线圈支承系统上。
图3示出了转子芯22和用于高温超导线圈的线圈支承系统的分解图。支承系统包括连接在U形槽壳体上的拉杆42。壳体容纳并支承转子中线圈绕组34的侧边部分40。虽然在图3中示出了一根拉杆和一个槽形壳体，但线圈支承系统通常会包含一系列拉杆，且每根拉杆的两端都带有线圈支承壳体。拉杆和槽形壳体可以防止线圈绕组在转子的运转过程中遭到损坏，支承受离心力和其它力作用的线圈绕组，并给线圈绕组提供保护屏蔽。
铁芯转子中高温超导线圈绕组34的主要载荷来自转子旋转过程中的离心加速度。一个有效的线圈支承结构必须能抵消该离心力。沿线圈的侧边部分40尤其需要有线圈支承结构，因为该部分经受最大的离心加速度。为了支承线圈的侧边部分，拉杆42横跨线圈的侧边部分之间，并连在包围线圈相对侧边部分的槽形壳体44上。拉杆从转子芯中的通道46如孔中穿过，因此拉杆可以横跨同一线圈的侧边部分之间或者相连线圈之间。
通道46是转子芯中具有直线轴的大体上是圆筒形的通道。除了靠近转子凹进表面的端部之外，通道的直径基本上是不变的。通道端部的直径可以扩大以容纳不导热的圆筒形套管(绝热管)52，套管在转子芯和拉杆之间提供滑动支承面并隔热。
通道46的轴线大体上在由跑道形线圈构成的平面中。而且，通道的轴线还垂直于线圈的侧边部分，其中从通道中穿过的拉杆连接到线圈的侧边部分上。此外，在这里示出的实施例中，通道与转子轴线正交。通道的数目和通道的位置将取决于高温超导线圈的位置和支承线圈侧边部分所需的线圈壳体数目。
当拉杆在线圈绕组的侧边之间基本上沿半径方向延伸时，能够特别好地支承受离心力作用的线圈。每根拉杆是沿其轴向和在跑道形线圈的平面中连续的轴。拉杆的轴向连续性使线圈具有侧向刚性，从而使转子具有动力学上的好处。此外，侧向刚性使线圈支承结构与线圈能够成为一个整体，因此在转子的最后组装之前可以将线圈与线圈支承结构装配在一起。线圈和线圈支承结构的预装配缩短了生产周期，提高了线圈支承结构的质量，并减少了线圈组合件的变化。跑道形线圈支承在一排横跨线圈长边的受拉杆件上。线圈支承结构的拉杆是预先装配到线圈上的。
高温超导线圈绕组和支承结构部件处于低温下。相比之下，转子芯处于“较高的”环境温度下。线圈支承结构是潜在的导热源，使得热量可能从转子芯传到高温超导线圈上。转子在运转过程中变热。因为线圈要保持在超冷状态下，所以应避免热量传到线圈中。拉杆从转子中的孔即通道里面穿过，但并不与转子接触。这种不接触的状态可以避免热量从转子传导到拉杆和线圈上。
为了减少到线圈损失的热量，线圈支承结构进行最小化以减少通过支承结构从热源如转子芯传导的热量。通常超导绕组有两种支承结构(i)“热”支承和(ii)“冷”支承。在热支承中，支承结构与冷却的超导体绕组是绝热的。对于热支承，超导(SC)线圈的大部分机械载荷是由跨越冷热部件的结构件支承的。
在冷支承系统中，支承系统处于与超导线圈相同或接近的低温下。在冷支承结构中，超导线圈的大部分机械载荷是由处于或接近低温的结构件支承的。在此作为实例公开的线圈支承系统是一种冷支承结构，拉杆以及将拉杆连接到超导线圈绕组上的壳体维持在低温或接近低温的水平。由于支承构件是冷的，可以用穿过转子芯的无接触通道使这些构件与转子中的其它“热”部件隔绝热。
单独的支承件包括拉杆42(可以是一根在末端带有螺栓的圆棒)、槽形壳体44、和将壳体连接到拉杆端部的接合销钉80。各槽形壳体44是U形的壳体，带有可连接到拉杆上的支腿和用来容纳线圈绕组34的凹槽。U形槽壳体可以精确和方便地组装用于线圈的支承系统。一系列槽形壳体可以沿线圈绕组的侧边首尾相连地布置。这些槽形壳体一起将作用在线圈上的力如离心力分布到每个线圈绕组的几乎整个侧边部分40上。
槽形壳体44可以防止线圈的侧边部分40由于离心力而过度挠曲和弯曲。线圈支承结构不会限制线圈在燃气涡轮机的正常启/停动作过程中所产生的纵向热膨胀及热收缩。尤其是，热膨胀主要是沿侧边部分的长度方向进行的。因此，线圈的侧边部分沿纵向相对于槽形壳体和拉杆略微滑动。
离心载荷是通过槽形壳体从线圈结构传递到支承杆上的，其中槽形壳体装配在线圈的外表面和侧边直线段周围，并用销钉80接合到拉杆的大直径端上。U形槽壳体是用在低温下具有延展性的轻质高强度材料制成的。用于槽形壳体的典型材料是无磁性的铝、铬镍铁合金、或钛合金。可以对U形壳体的形状进行优化以减轻重量和增加强度。
接合销钉80从槽形壳体和拉杆中的孔中穿过。销钉可以是空心的以减轻重量。锁紧螺母(未示出)被拧到或装到接合销钉的端部以固定U形壳体并防止壳体的侧边在载荷下张开。接合销钉可以用高强度的铬镍铁合金或钛合金制造。拉杆的大直径端部82被加工成带有可与U形壳体和线圈宽度相配的两个平面86。当拉杆、线圈和壳体装配在一起时，拉杆的端部平面86靠着高温超导线圈的内表面。这种装配方式可以减少拉杆中装有销钉的圆孔处的应力集中。
当线圈支承系统和线圈绕组34都安装在转子芯22上时，由拉杆42、槽形壳体44和拼合夹具58构成的线圈支承系统可以与高温超导线圈绕组34装配在一起。拉杆、槽形壳体和夹具形成一个用来支承线圈绕组和使线圈绕组相对于转子芯固定在适当位置的相当坚固的结构。
每根拉杆42从转子芯中穿过，并可以正交转子的轴线20延伸。穿过转子芯的通道46构成可使拉杆穿过的通道。通道的直径应足够大以避免转子中热的通道侧壁与冷的拉杆接触。避免这种接触可以提高拉杆和转子芯之间的绝热程度。
转子芯22一般是用磁性材料如铁制成的，而转子的端轴一般是用非磁性材料如不锈钢制成的。转子芯和端轴一般是独立的部件，它们通过螺栓连接或焊接装配起来并牢固地连在一起。
转子铁芯22的形状大体上是适合于在定子12的转子空腔16中旋转的圆柱形。为了安装线圈绕组，转子芯带有凹面48，如平的或三角形的区域，或凹槽。这些表面48是在圆柱形转子芯的曲面50中形成的，并在转子芯的整个长度纵向延伸。线圈绕组34贴近凹面48安装在转子上。线圈大体上沿凹进区域的外表面纵向延伸并围绕转子芯的端部。转子芯的凹面48上装有线圈绕组。凹进区域的形状与线圈绕组相适合。举例来说，如果线圈绕组是鞍状的或其它形状的，那么转子芯中凹进部分的形状应形成可以接受线圈绕组的形状。
凹面48接纳线圈绕组，使得线圈绕组的外表面基本上延伸到由转子旋转所形成的包面上。转子芯的弯曲外表面50当旋转时形成圆柱形包面。转子的旋转包面与定子中的转子空腔16(见图1)具有大体上相同的直径。
转子包面和转子空腔16之间的间隙是相对较小的空隙，只是用于定子的强制流动通风冷却，因为转子不需要通风冷却。希望将转子和定子之间的空隙减到最小以增强转子线圈绕组和定子绕组之间的电磁耦合。而且，转子线圈绕组最好是这样布置，可以延伸到由转子旋转所形成的包面上，因此转子线圈绕组与定子只相距转子和定子之间的间隙距离。
线圈绕组34的端部部分54贴近转子芯的两端56。拼合夹具58将线圈绕组的每一个末端部分固定在转子上。每一线圈端部54的拼合夹具包含一对相对的夹板60，线圈绕组34夹在它们中间。夹板的表面上带有凹槽116、118(图11)以容纳线圈绕组和绕组上的连接件112、114。
拼合夹具58可以用非磁性材料如铝或镍铬铁合金制成。相同的或类似的非磁性材料可以用来制成拉杆、槽形壳体和线圈支承系统的其它部分。线圈支承系统最好是非磁性的以便在低温下保持延展性，因为铁磁体在低于居里转变温度时会变为脆性而不能用作承载结构。
拼合夹具58被套环62包围，但并不与其接触。在转子芯22的每一端都有一个套环62，虽然图3中只示出了一个套环。套环是用非磁性材料如不锈钢制成的厚圆盘，这些材料与制造转子轴的材料相同或类似。实际上，套环属于转子轴的一部分。套环带有正交于转子轴线的凹槽64，其宽度足以容纳拼合夹具58和留有间隙。热的套环凹槽的侧壁66与冷的拼合夹具是隔开的，因此它们相互不接触。
套环62可以带有一盘形凹进区域68(被凹槽64分成两个相等的部分)以容纳转子芯上的盘形凸出部分70(在转子芯的另一侧可见要插入相应套环的盘形凸出部分)。将转子芯端部56上的盘形凸出部分插入盘形凹进区域68中可以形成对套环中转子芯的支承，并有助于对准转子芯和套环。另外，套环可以带有环形排列的螺栓孔72，其沿纵向穿过套环并位于套环边缘附近。这些螺栓孔对应于部分穿过转子芯的配对螺纹孔74。螺栓75(见图5)从这些纵向螺栓孔72、74中穿过，并将套环固定到转子芯上。
图4是转子芯和套环的第一个剖视图。图5是正交于第一个视图的转子和套环的第二个剖视图。电线通道和冷却液通道由薄壁套管76保护，薄壁套管76沿转子轴线从线圈的端部部分54延伸穿过套环62。套管76中的冷却液通道通过冷却剂传输连接件26连接到线圈绕组上冷却液通道38的输入和输出口112。线圈的电连接件114与冷却剂传输接头26设在线圈的同一个端部部分上。
跑道形线圈绕组34的侧边部分40支承在从转子芯中的通道46里面穿过的一系列拉杆42上。拉杆是在同一个线圈的两个侧边部分之间或在两个线圈的侧边部分之间延伸的非磁性直棒。拉杆可以用高强度的非磁性合金如Inconel X718制成。拉杆的每一端与包围并固定线圈绕组侧边40的槽形壳体44相连。通过槽形壳体44和拉杆42可以调整施加到线圈绕组侧边部分上的拉力。比如，拉杆可以由从转子芯中穿过的拉力棒制成，该拉力棒的每一端带有一个可安装拉力螺栓的螺纹孔。每个拉力螺栓带有与线圈绕组对接的平面86。
线圈绕组34由横跨线圈两个侧边部分40的拉杆42(图4中只示出了其中一根)支承。槽形壳体44通过接合销钉80连接到拉杆的端部。为了便于说明，图6中拉杆的左边没有槽形壳体。类似地，图4所示拉杆42的上端没有槽形壳体；但是，下端有固定在拉杆上的槽形壳体。拉杆42从转子芯22中的通道46里面穿过。这些通道在其相应的端部88直径增大。这些扩大的端部88可以容纳作为拉杆套管的绝热材料管52。绝热材料管使拉杆42与热的转子芯22隔热。
如图5所示，通道46垂直穿过转子轴线并沿转子芯的长度方向均匀排列。通道46的数目和它们在转子芯上相互之间的排列方式是一个设计选择的问题。
转子芯可以被包围在金属圆筒形屏蔽罩90中，该屏蔽罩能保护超导线圈绕组34不受涡流电流和其它围绕转子电流的影响，并形成在转子的低温部件周围保持高度真空所需要的真空密封外壳。圆筒形屏蔽罩90可以用高导电性的材料如铜合金或铝制成。
超导线圈绕组34保持在真空中。真空可以借助于屏蔽罩90形成，该屏蔽罩可以带有圆筒形的不锈钢表层，在线圈和转子芯周围形成一个真空室。图7是垂直于转子轴线的局部剖视图，示出了放大的转子芯22、拉杆42、线圈绕组34和相关的结构。拉杆的端部平面86靠紧在线圈绕组34的内表面上。拉杆的另一端(未在图7中示出)靠紧在线圈绕组另一个侧边的类似内表面上。因此，拉杆横跨在线圈绕组之间并形成支承线圈绕组的固定表面86。
虽然每根拉杆42沿其长度方向一般是圆柱形的，但是带有端部平面86，使得能够与线圈绕组和U形槽壳体44紧密接合。每根拉杆通过接合销钉80与槽形壳体44相连，接合销钉80可以防止壳体沿半径方向向外滑离拉杆。槽形壳体在转子旋转时可以防止离心力弯曲或扭曲线圈。锁紧螺母(未示出)被拧到接合销钉80的端部以防止壳体44的侧支腿106在载荷下张开。接合销钉可以用高强度的铬镍铁合金或钛合金制造。每根拉杆42装配在无接触的通道46里面，使得拉杆不会与转子芯接触。在每根拉杆的末端可以有绝热套管52，用来将线圈支承结构固定到热的转子上，并减少在它们之间的热传导。另外，可以将锁紧螺母84拧在连接到绝热套管52的拉杆42上，用来固定和调整拉杆42在通道46内的位置。锁紧螺母84和套管52将拉杆和槽形壳体固定到转子芯上，同时使从热的转子到壳体结构的热传导减到最少。
绝热套管是用绝热材料制成的。套管的一端带有与通道端部88侧壁对接的外环120。套管的另一端带有与固定拉杆的锁紧螺母84接合的内环122。转子上的热量在到达拉杆之前必须在绝热套管52的整个长度和锁紧螺母84上传导。因此，绝热套管使拉杆和转子芯绝热。
线圈绕组还由槽形壳体44(见图8)支承。槽形壳体支承线圈绕组克服离心力(图7中的箭头100)和切向扭力(箭头102)。槽形壳体可以用非磁性的金属材料如铝、铬镍铁合金和钛合金制成。槽形壳体通过从拉杆端部的圆孔104中穿过的销钉80固定在拉杆上。槽形壳体的支腿106可以比较厚，而且带有突肋在容纳销钉的圆孔108周围形成支撑结构。离心力是由于转子的旋转而产生的。切向力是由于转子的加速和减速以及转矩传递而产生的。由于线圈绕组的侧边部分40是被槽形壳体44和拉杆的端部平面86包住的，所以线圈绕组的侧边部分完全支承在转子中。
设置了支架124，用来帮助拉杆和槽形壳体承受当电网发生故障情况时所可能产生的巨大径向力。径向支撑可以是装配在线圈绕组的侧边40周围并在拼合夹具58上延续的矩形盒子。支架带有一对用燕尾槽接合到凹面的凹槽里面的侧壁。侧壁从转子芯的凹面48延伸到外壳90而使外壳具有结构强度。
图9至11示意性地示出了转子中线圈支承结构和线圈绕组的装配过程。如图9所示，在将转子芯与套环和转子的其它部件组装起来之前，先将拉杆42插入从转子芯中每一个通道46中。将每根拉杆两端的绝热套管52放到通道46两端的扩大端部88中。用一个止动锁紧螺母84将套管52锁定在适当位置上。当拉杆被装配在转子芯22中后，就可以将线圈绕组套到转子芯上。
如图10所示，超导线圈36被套在转子芯上，于是拉杆42的端部平面86紧靠在超导线圈侧边部分40的内表面上。当绕组已经装在拉杆的端部上面之后，将槽形壳体44套到超导线圈上。插入销钉80分别穿过拉杆和槽形壳体中的圆孔104、108，使槽形壳体固定到拉杆的端部。
沿槽形壳体44的上内表面有一个凹槽110，用来容纳冷却液通道38并使通道固定在线圈36上。
若干个槽形壳体可以有效地使线圈保持在适当的位置上而不受离心力的影响。所示槽形壳体需尽可能地接近，但其接近程度只需能够防止线圈因离心力载荷、转矩传递、以及瞬时故障状态中出现的弯曲和拉伸应变而引起的破坏。
在将转子芯和线圈与套环和转子的其它部件组装起来之前，可以将槽形壳体和拉杆与线圈绕组装配在一起。因此，在组装转子和同步电机的其它部件之前，可以将转子芯、线圈绕组和线圈支承系统装配成一个单元。
图11示出了由夹板60构成的拼合夹具58的装配过程。夹板60将线圈绕组的末端部分54夹在中间。拼合夹具形成线圈绕组34端部的支承结构。拼合夹具的夹板60内表面上带有用来容纳线圈绕组的凹槽116。类似地，夹板上还带有用于冷却液输入/输出管路112和线圈输入/输出电连接件114的凹槽118。当线圈支承结构、线圈、套环和转子芯组装好之后，可以将这个单元容易地装配到转子和同步电机中。
虽然本发明是结合目前被认为最实际和最优选的实施例来说明的，但是应当知道本发明并不限于所介绍的实施例，而是包括所附权利要求的精神实质之内的所有实施例。
附录
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权利要求
1.一种用于同步电机的转子，包括一转子芯；一围绕所述转子芯至少一部分的超导线圈绕组，所述线圈绕组在所述转子芯的两侧有一对侧边部分；至少一根在所述线圈绕组的所述对侧边部分之间延伸并穿过所述转子的拉杆；在所述拉杆每一端的线圈壳体，其中，所述线圈壳体包围所述线圈绕组并固定在所述拉杆上。
2.根据权利要求1所述的转子，其特征在于，所述线圈壳体是一U形槽。
3.根据权利要求1所述的转子，其特征在于，所述转子芯处于内部真空中。
4.根据权利要求1所述的转子，还包括向所述线圈绕组提供冷却液的冷却剂传输连接件，其特征在于，所述壳体和拉杆是通过所述线圈绕组的传导来冷却的。
5.根据权利要求1所述的转子，还包括将所述壳体连接到所述拉杆的销钉。
6.根据权利要求1所述的转子，还包括将所述壳体连接到所述拉杆的空心销。
7.根据权利要求1所述的转子，还包括将所述壳体连接到所述拉杆的销钉，其特征在于，所述销钉从所述拉杆端部的孔中以及所述线圈壳体侧翼缘的孔中穿过。
8.根据权利要求1所述的转子，还包括将所述壳体连接到所述拉杆的销钉，其特征在于，所述销钉从所述拉杆端部的孔中以及所述线圈壳体中穿过，并且通过锁紧螺母将所述销钉固定在所述壳体上。
9.根据权利要求1所述的转子，还包括用高强度金属材料如铬镍铁合金或钛合金制成的空心销。
10.根据权利要求1所述的转子，其特征在于，所述壳体是用金属材料如铝、铬镍铁合金或钛合金制成的。
11.根据权利要求1所述的转子，其特征在于，所述拉杆是用高强度的非磁性金属合金制成的。
12.根据权利要求1所述的转子，其特征在于，所述拉杆是用铬镍铁合金制成的。
13.根据权利要求1所述的转子，其特征在于，所述拉杆从所述转子的纵轴中穿过。
14.根据权利要求1所述的转子，其特征在于，所述拉杆从所述转子芯中的通道里面穿过。
15.根据权利要求14所述的通道，其特征在于，所述拉杆是与所述转子中所述通道的侧壁隔开的。
16.一种用来支承同步电机转子芯上的超导线圈绕组的方法，包括以下步骤将拉杆从所述转子芯中的通道里面穿过；将壳体插到所述线圈的一部分上；将所述拉杆的一端固定到所述壳体上。
17.根据权利要求16所述的方法，还包括将第二壳体插到所述线圈的第二部分上，并将所述第二壳体固定到所述拉杆的另一端上。
18.根据权利要求16所述的方法，还包括将第二壳体插到所述线圈的第二部分上，并将所述第二壳体固定到所述拉杆的另一端上，其特征在于，所述拉杆从所述转子芯的旋转轴中穿过，且所述线圈的所述第一部分和所述第二部分位于所述转子的两侧。
19.根据权利要求16所述的方法，还包括通过将接合销钉插入所述拉杆和所述壳体端部中的孔，而使所述拉杆的端部固定到所述壳体上。
20.根据权利要求16所述的方法，还包括低温冷却所述线圈，并通过所述线圈与所述壳体和所述拉杆之间的传导来冷却所述壳体和所述拉杆。
21.一种用于同步电机的转子，包括一转子芯，带有正交于所述转子纵轴的通道；一跑道形超导(SC)线圈绕组，其跑道形平面平行于所述转子的纵轴；在所述转子芯的所述通道里面的拉杆；和将所述线圈绕组连接到所述拉杆上的壳体。
22.根据权利要求21所述的转子，还包括位于所述线圈绕组两端的夹具。
23.根据权利要求21所述的转子，还包括若干正交于所述转子芯纵轴并位于所述超导线圈绕组构成平面中的通道。
24.根据权利要求21所述的转子，其特征在于，所述拉杆带有与所述线圈绕组对接的平面端部。
25.根据权利要求21所述的转子，还包括将所述壳体固定到所述拉杆的接合销钉。
26.根据权利要求21所述的转子，其特征在于，所述销钉是空心的。
27.根据权利要求21所述的转子，还包括在所述转子芯和所述拉杆之间的绝热套管。
全文摘要
本发明公开了一种用于同步电机的转子,包括:一转子芯;一围绕转子芯至少一部分的超导线圈绕组,该线圈绕组在转子芯两侧带有一对侧边部分;至少一根在线圈绕组的一对侧边部分之间延伸并穿过转子芯中通道的拉杆;和在拉杆每一端的线圈壳体,该线圈壳体包围线圈绕组并固定在拉杆上。
文档编号H02K55/04GK1387303SQ0212000
公开日2002年12月25日 申请日期2002年5月15日 优先权日2001年5月15日
发明者E·T·拉斯卡里斯, J·P·亚历山大, P·K·努卡拉, R·加姆布赫拉 申请人:通用电气公司