专利名称：具有真空容器和电磁屏蔽罩的高温超导转子及装配方法
技术领域：
本发明大体上涉及一种同步旋转电机中的超导转子，更具体地涉及用于同步电机的转子中超导励磁绕组的电磁屏蔽罩和真空容器。
在同步电机的转子上通常采用传统的铜绕组。然而，铜绕组的电阻(虽然其传统的测量值较低)足以产生大量的转子热量，并降低了电机的功率效率。近来，已开发出了用于转子的超导(SC)线圈绕组。SC绕组实际上不具有电阻，是非常优良的转子线圈绕组。
铁芯的转子在气隙磁场强度约为2特斯拉时饱和。已知的超导转子采用在转子中没有铁芯的空气芯设计，以使气隙磁场强度达到3特斯拉或更高。这些高的气隙磁场使电机的功率密度增加，并导致其重量和尺寸显著减小。空气芯的超导转子需要大量的超导线。这些大量的SC导线增加了所需的线圈数量、线圈支撑构件的复杂性以及SC线圈绕组和转子的成本。
高温SC(HTS)励磁线圈绕组由脆性超导材料制成，其必须被冷却到临界温度如27K或临界温度以下，以获得并保持超导性。SC绕组可由高温超导材料，如BSCCO基(BixSrxCaxCuxOx)的导体制成。
超导线圈例如由液氦冷却至低温。在经过了转子绕组后，使用过的温热的氦以气态氦回流。使用液氦进行低温冷却要求连续地再液化回流的室温的气态氦，这种再液化在可靠性方面存在相当大的问题，并需要大量的辅助电源。
另外，HTS线圈对高的弯曲应变和拉伸应变敏感，其性能会降低。这些线圈必须承受使线圈绕组产生应力和应变的巨大离心力。电机的正常运转包括几年期间的数千次起动和停机循环，使转子产生了低周疲劳载荷。此外，HTS转子绕组必须在环境温度下的转子平衡运转期间承受25％的超速运转，以及在发电操作过程中的低温下不承受超速操作状态。与正常运转状态相比，这些超速状态显著地增加了施加在绕组上的离心力载荷。
SC线圈通常必须利用真空进行热绝缘以产生超导性能。真空可防止温热的转子通过对流传热给SC线圈。SC励磁线圈必须被真空完全地包围住。形成真空要求真空容器及相关气密密封装置保持在转子上。
用作电机的HTS转子励磁绕组的SC线圈在冷却和正常操作过程中要承受应力和应变。SC线圈要承受离心载荷、扭矩传递以及瞬时故障状态。为了承受力、应力、应变和循环载荷，SC线圈必须通过线圈支撑系统适当地支撑于转子中，并且屏蔽住动态的和瞬时的磁场。这些支撑系统将SC线圈固定在HTS转子内，并且保证线圈能够承受由于转子旋转而产生的巨大离心力。而且，线圈支撑系统可保护SC线圈，保证线圈不会提前开裂、疲劳或其他破裂。
开发HTS线圈的屏蔽罩和线圈支撑系统在使SC线圈适应于HTS转子方面面临艰巨的挑战。在美国专利No.5548168、No.5532663、No.5672921、No.5777420、No.6169353和No.6066906中公开了先前提出的用于HTS转子的线圈支撑系统的示例。然而，这些线圈支撑系统存在许多问题，例如成本昂贵、结构复杂且需要过多的零件。需要一种制造成本低且零件易于制造的线圈支撑系统。
发明内容
用于HTS励磁线圈绕组的结构支撑构件的一个主要挑战是将SC线圈结合于转子中。该结构必须支撑SC线圈绕组，不会将大量的热量传给绕组。在所公开的创新概念中，线圈支撑构件的结构最小化，以便减少从转子铁芯传导至冷却SC绕组中的热量。然而，线圈支撑构件的减小也限制了支撑构件能够承受的力的水平。如果作用在转子上的力超过了线圈支撑构件所能承受的力的大小，那么就存在着线圈支撑构件失效或线圈绕组受损的极大危险。
作用在转子上的力的潜在来源之一是由栅极故障(grid fault)引起的扭矩。具有SC线圈励磁绕组的高温超导(HTS)发电机易受电气栅极故障的影响。栅极故障是与电机定子相连的动力系统栅极中的电流尖脉冲。在栅极故障的情况下，在定子中流过过大的电流。该电流在定子绕组中引起电气干扰，会感应出能穿透到转子的励磁线圈绕组中的强磁通。
穿透到转子中的励磁线圈绕组的磁场将在转子的线圈绕组上产生很大的扭矩。该扭矩将损坏SC线圈和不牢固的线圈支撑结构。除了这种机械影响之外，转子的磁场穿透还会导致在转子结构、特别是在HTS导线内的交流电(AC)耗损。最好应尽可能地减小栅极故障所感应的磁场和其他磁场穿透到转子中。减小由于栅极故障产生的转子扭矩允许线圈支撑系统最小。使穿透到转子中的磁场最小还应减少HTS转子内的AC耗损。
屏蔽转子可以防止定子的交变且随时间改变的磁场穿透转子。如果转子的励磁线圈绕组没有很好地得到屏蔽，来自定子的磁通会穿透转子并在磁转子和SC线圈上产生扭矩。虽然这种定子磁通所感应的扭矩通常不会损坏现有技术中的可延展的铜转子线圈，但这种扭矩可能损坏脆性的SC线圈。如果具有SC线圈的转子没有得到适当的屏蔽，那么必须加固线圈支撑构件以承受故障感应的扭矩。然而，加固线圈支撑构件的一个缺点是同时也增加了支撑构件的质量，导致与传导给冷却SC线圈的热量增加有关的潜在问题。
最好采用电磁(EM)屏蔽罩而不是增加线圈支撑构件的质量来防止交变磁通穿透转子并在超导线圈上产生感应扭矩。由于尺寸的原因，很难为大型SC电机制造出可覆盖整个转子铁芯的圆柱形EM屏蔽罩和真空容器。在制造圆柱形EM屏蔽罩和真空容器中的另一困难是形成具有紧密公差的大型铜或铝的圆柱体。如果EM屏蔽罩和真空容器是一个可在另一个上滑动的圆柱体，那么这两个圆柱体最好能连接在一起以便保持真空，并防止交变磁通进入转子。将不同的金属，例如不锈钢的真空容器和铜或铝制成的EM屏蔽罩连接在一起是困难的。由于它们的物理尺寸，对大型电机来说将圆柱形EM屏蔽罩和真空容器相结合存在着困难。然而，圆柱形EM屏蔽罩和真空容器可适用于小型电机，其具有足够小的转子使得EM圆柱形罩和圆柱形的真空容器相对容易制造。
对于大型电机来说，制造、装配和平衡大型连续的圆柱形屏蔽罩并保证EM屏蔽罩或真空容器所需的精度和公差是一个很大的难题。如果圆柱形电磁屏蔽罩同时也用作真空边界，那么转子主体可能被真空容器覆盖住。因此，转子的表面通常是不可接近的，不能接近转子以正确地平衡转子。
转子的平衡通常包括沿着转子主体的整个轴向长度和围绕其周边在不同位置处添加平衡重物，为此需要接近转子主体的整个表面。如果真空容器覆盖住整个转子主体，那么转子必须在容器覆盖住转子之前得到平衡。然而，在装配真空容器和EM屏蔽罩之前预平衡转子增加了生产周期和加工成本。而且，预平衡转子是环境温度下进行的，而转子在低温下操作。转子的平衡可能受到SC线圈所需的低温条件的影响。因此，最好在低温条件下平衡转子。
已经发展了一种用于大型超导电机例如电动机或发电机的新型EM屏蔽罩和真空容器的概念。电机包括具有铁芯和超导转子励磁绕组线圈的转子。线圈通过装配在线圈上的真空通道壳体所形成的真空而绝缘。真空通道并没有覆盖住转子铁芯的整个表面。因此，在低温下的转子平衡操作过程中可接近转子。
SC线圈也受到电磁屏蔽罩的保护。屏蔽罩与真空容器相隔开。EM屏蔽罩防止了交变或随时间变化的磁通穿透入转子中。这些磁场由瞬间例如突然的短路或栅极故障以及由于电机载荷不平衡造成的逆序磁场所产生。另外，EM屏蔽罩还抑制了由定子的磁动势间隔(magnetomotive force space)和时间谐波产生的谐波场。
HTS转子可以用于原始设计成包括了SC线圈的同步电机。或者，HTS转子可代替现有的电机如传统发电机中的铜线圈转子。这里介绍的转子及其SC线圈可用于发电机中，但HTS线圈转子也适用于在其它同步电机中使用。
线圈支撑系统最好与线圈和转子形成一体。此外，线圈支撑系统应促进在转子总装前容易进行线圈支撑系统、线圈和转子铁芯的预装配。预装配减少了线圈和转子的装配时间，提高了线圈支撑构件的质量，而且降低了线圈的装配偏差。
在第一实施例中，本发明是一种用于同步电机的转子，其包括转子铁芯；围绕转子铁芯的至少一部分延伸的超导线圈，该线圈具有位于转子铁芯的相对侧的线圈侧部；覆盖住至少一个线圈侧部的真空壳体，以及位于真空壳体和线圈侧部上的导电屏蔽罩。
在另一实施例中，本发明提供了一种在同步电机的转子铁芯上的超导线圈绕组的周围提供真空的方法，其包括步骤装配线圈绕组和转子铁芯；将端部轴与转子铁芯同轴地连接；将真空壳体跨置在线圈绕组的侧部上，将壳体与转子铁芯密封，将真空壳体与端部轴密封，从而形成围绕线圈绕组的真空区域。
本发明的另一实施例是一种转子，其包括具有轴线的转子铁芯；从铁芯的相对端部轴向延伸出的一对端部轴，其中各端部轴均具有与铁芯端部相邻的狭槽；具有平行于铁芯轴线且相邻于铁芯相对侧的线圈侧部的超导转子线圈，该线圈具有横向于铁芯轴线且相邻于铁芯端部的线圈端部，其中各线圈端部均穿过端部轴中的一个狭槽；位于各线圈侧部上的真空壳体，其具有与一个狭槽密封的端部，一对端部轴中的狭槽和各线圈侧部上的真空壳体形成了围绕线圈的真空区域。
本发明的另一实施例是一种转子，其包括具有轴线的转子铁芯；从转子铁芯的一端轴向延伸出的端部轴，其中端部轴具有与铁芯端部相邻的狭槽；具有至少一个平行于铁芯轴线的线圈侧部和至少一个横向于铁芯轴线的线圈端部的超导转子线圈，其中线圈端部穿过端部轴中的狭槽；位于在线圈侧部上的真空壳体，其与槽密封而形成了围绕线圈的真空区域。
图1是具有超导转子和定子的同步电机的示意性侧视图。
图2是示例性的跑道形超导线圈绕组的透视图。
图3是带有铁芯的高温超导(HTS)转子的部件的分解视图。
图4是显示了真空通道和EM屏蔽罩的第一实施例的转子横剖面的示意图。
图5是显示了真空通道和EM屏蔽罩的第二实施例的转子横剖面的示意图。
图6是带有真空通道的转子的透视示意图。
图7是位于转子铁芯和端部轴环之间的密封装置的放大示意图。
图8至11是显示了图3所示HTS转子的装配过程的示意图。
在图中各标号的含义如下10同步电机；12定子；14转子；16定子中的转子腔；18磁场；19定子线圈；20转子轴线；22转子铁芯；24集电器侧的转子端部轴；26冷却剂传送连接器；30驱动侧的转子端部轴；32涡轮机连接器；34转子线圈绕组；36高温超导(HTS)线圈；38冷却通道；39冷却通道的输入端口；40绕组侧部；41冷却流体的输出端口；42拉杆；43张紧螺栓；44线圈罩；46穿过转子铁芯的孔道；48转子铁芯的凹槽表面；50转子铁芯的外表面；52拉杆套管；54跑道形线圈绕组的端部；56转子端部；58拼合夹板；59拼合夹板中的通道；60夹板；62转子铁芯的轴环；64轴环上的狭槽；66轴环侧壁；68轴环上的凹入圆盘；70转子铁芯端部的凸起圆盘；72轴环的纵向螺栓孔；74转子铁芯的纵向螺栓孔；75轴环和转子铁芯之间的拉杆；76冷却连接通道的管；78集电环；79线圈的电触头；80销钉；82拉杆的宽端部；84锁定螺母；86拉杆端部的平头；88导管的大直径端部；100真空通道壳体；102EM屏蔽罩；104真空壳体的侧壁；106转子铁芯上的狭槽；108真空壳体的顶板；110EM屏蔽罩的支架；112支架的肋；114支架的中心开口；116支架上的凸缘；118穿过支架的拉杆；120第二EM屏蔽罩；122支架；124转子和轴环间的密封装置。
转子14具有通常沿轴向延伸的轴线20和通常为实心的转子铁芯22。实心的铁芯22具有较高的导磁性，通常由铁磁材料如铁制成。在低功率密度的超导电机中，可用转子的铁芯来减少磁动势，从而减少线圈绕组所需的超导(SC)导线用量。例如，实心的转子铁芯可在气隙磁场强度约为2特斯拉时磁饱和。
转子14支撑了至少一个沿轴向延伸的、跑道形的高温超导(HTS)线圈34(见图2)。超导线圈也可为鞍形，或者是可适应特定HTS转子设计的其它形状。此处公开了用于跑道形SC线圈绕组的线圈支撑系统。此线圈支撑系统也可适用于与安装在实心转子铁芯上的跑道形线圈不同的线圈结构。
转子包括集电器侧的端部轴24和驱动侧的端部轴30。端部轴可连接并支持转子铁芯，它们本身由轴承25支撑。集电器侧的端部轴包括集电环78，其为SC转子线圈提供了外部的电连接。集电器侧的端部轴24具有冷却剂传送连接器26，其与用于冷却转子中的SC线圈绕组的低温冷却流体源相连。冷却剂传送连接器26包括与低温冷却流体源相连的固定部分以及为HTS线圈提供冷却流体的旋转部分。转子的另一端部轴30可由驱动涡轮机的连接器32驱动。为便于说明，图1显示了位于集电器一侧的端部轴，其尺寸不能完全传递扭矩，它代表发电机只从一个端部轴由涡轮机驱动的传动系结构。然而，在此处公开的概念同样可应用于装配在两涡轮机之间的发电机，此处两个发电机的端部轴都传递大的扭矩。
图2显示了一个示例性的HTS跑道形励磁线圈绕组34。转子的SC励磁线圈绕组34包括高温超导(SC)线圈36。各SC线圈包括高温超导体，例如层叠在固体的经环氧树脂浸渍的绕组组成物中的BSCCO(BixSrxCaxCuxOx)导线。例如，可在固体的环氧树脂浸渍的线圈中层叠、粘结并缠绕一系列BSCCO 2223导线。
超导线是脆性的且易于受到损坏。SC线圈为典型的经环氧浸渍的层绕SC带。SC带缠绕成精密的线圈形状以获得精密的尺寸公差。条带以螺旋方式缠绕以形成跑道形SC线圈36。然而，SC扁平线圈可由几组扁平线圈组成。
跑道形线圈的尺寸取决于转子铁芯的尺寸。通常来说，各跑道形SC线圈包围了转子铁芯的磁极，并与转子轴线平行。线圈绕组围绕着此跑道形是连续的。SC线圈围绕着转子铁芯和在铁芯的磁极之间形成了无电阻的电流路径。线圈具有将线圈与集电环78电连接的电触头79。
在线圈绕组34内具有低温冷却流体的流体通道38。这些通道可围绕SC线圈36的外边缘延伸。通道可为线圈提供低温冷却流体，以从线圈中带走热量。冷却流体可在SC线圈绕组中保持为促进包括线圈中的电阻消失在内的超导状态所需的低温，如27K。冷却通道具有输入端口39和输出端口41。这些端口将SC线圈上的冷却通道38与冷却剂传送连接器26相连。
各跑道形HTS线圈绕组34具有一对与转子轴线20平行的直的侧部40，以及一对与转子轴线正交的端部54。线圈的侧部承受最大的离心应力。因此，侧部由能抵消作用在线圈上的离心力的线圈支撑系统所支撑。
图3显示了转子铁芯22和高温超导线圈的线圈支撑系统的局部剖开视图。此支撑系统包括与线圈罩44相连的拉杆42。线圈罩固定并支撑转子中线圈绕组34的侧部40。虽然图中只示出了一个拉杆和线圈罩，但线圈支持系统通常包括多个拉杆，各拉杆的两端均具有线圈支撑罩。而且为便于说明，图3显示了延伸出线圈之外的拉杆端部。在实际应用中，拉杆端部靠在线圈朝向转子铁芯表面上。拉杆和线圈罩可防止在转子运转的过程中损坏线圈绕组，相对离心力和其他力而支撑线圈绕组，并为线圈绕组提供了防护罩。
铁芯转子内HTS线圈绕组34的主要载荷来自于转子运转过程中的离心加速度。需要有效的线圈结构支撑构件来抵消离心力。沿承受最大离心加速度的线圈侧部40处尤其需要线圈支撑构件。为支撑线圈侧部，拉杆42横跨在线圈侧部之间，并与固定线圈的两相对侧部的线圈罩44相连。拉杆穿过转子铁芯内的孔道46，比如开口，使得拉杆可以横跨在同一线圈的侧部之间或相邻线圈之间。
孔道46一般是转子铁芯内具有直的轴线的圆柱形通道。除了在靠近转子的凹槽表面的端部外，孔道的直径基本上不变。在其端部，孔道可扩大至较大直径以容纳隔热管52。该管与孔道内的拉杆42对准，并在转子铁芯和拉杆之间提供热绝缘。
孔道46的数量和它们在转子铁芯上的位置取决于HTS线圈的位置和需要支撑线圈侧部的线圈罩的数量。孔道46的轴线一般位于跑道形线圈所定义的平面内。此外，孔道的轴线正交于线圈的侧部。而且，在这里所示的实施例中，孔道与转子轴线正交且相交。
这里公开的示例性冷支撑系统是冷支撑构件，其中拉杆和相关的线圈罩44保持在低温或接近于此低温的温度下。由于支撑件是冷的，因此这些构件例如通过隔热管52与转子的其他“热”部件热绝缘。
转子铁芯处于周围的“高”温下。线圈支撑构件是热传导的潜在源，它可使热量从转子铁芯传到HTS线圈。转子在操作中变热。由于线圈将处于超低温状态，因此应避免热量传导到线圈中。
线圈支撑系统与转子铁芯热绝缘。例如，拉杆和螺栓不与转子直接接触。这种不接触避免了热量从转子传导至拉杆和线圈。此外，线圈支撑系统结构的质量被尽可能地减小，以减少从转子铁芯通过支撑组件传给线圈绕组的热量。
各拉杆42是沿杆的纵向具有连续性并位于跑道形线圈的平面内轴。拉杆一般由高强度非磁性合金例如钛、铝或铬镍铁合金制成。拉杆的纵向连续性为线圈提供了有利于转子的动力学特性的横向刚性。而且，拉杆42的横向刚性允许线圈支撑构件与线圈形成一体，这样线圈可以在转子总装前与转子铁芯上的线圈支撑构件组装在一起。
拉杆端部的平表面86支撑线圈绕组一侧的内表面。线圈罩44将作用在线圈上的力例如离心力整体地分布在各线圈的基本整个侧部40上。
多个线圈罩44可以有效地将线圈固定住而不受离心力的影响。虽然所示的线圈罩相互之间很接近，但罩之间只需必要的接近，以防止线圈在离心载荷、扭矩传递和瞬时故障状态中由高的弯曲应变和拉伸应变而引起性能降低。
线圈支撑构件不限制在气体涡轮机正常的起动/停止操作过程中发生纵向的热膨胀和收缩。特别地，热膨胀主要沿侧部的长度方向发生。因此，线圈的侧部相对于线圈罩和拉杆纵向轻微地滑移。
U形线圈罩44由在低温下为可延展的轻的高强度材料形成。用于线圈罩的典型材料是非磁性的铝、铬镍铁合金或钛合金。U形线圈罩的形状可进行优化以降低重量和提高强度。
销钉80延伸穿过线圈罩和拉杆的开口。为减轻重量，销钉可以是中空的。在销钉的端部拧入或连接了锁定螺母(未示出)，以固定U形壳体以及防止线圈罩的侧边在载荷下分离。销钉可由高强度铬镍铁合金或钛合金制成。当拉杆、线圈和线圈罩装配在一起时，拉杆的平端部86靠在HTS线圈的内表面上。这种组件减小了拉杆中容纳销钉的孔处的应力集中。
转子铁芯22通常由磁性材料如铁制成，而转子侧端部轴通常由非磁性材料如不锈钢制成。转子铁芯和端部轴是通常为可通过螺纹连接或焊接装配并牢固地连接在一起的分开的零件。
转子铁芯22通常具有圆柱形的形状，以适于在定子12的转子腔16中旋转。为了容纳线圈绕组，转子铁芯具有凹槽表面48，例如平的或三角形的区域或狭槽。这些表面48位于圆柱形铁芯的曲面上并沿转子铁芯纵向地延伸。线圈绕组34安装在转子上邻近于凹槽区域48的位置。线圈通常沿凹槽区域的外表面纵向地延伸，并围绕转子铁芯的端部。转子铁芯的凹槽表面48可容纳线圈绕组。凹槽区域的形状应与线圈绕组相符合。例如，如果线圈绕组为鞍形或其它形状，转子铁芯上的凹槽应设成能容纳这些形状的绕组。
凹槽表面48容纳线圈绕组，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络面。转子铁芯的外曲面50在旋转时形成圆柱形的包络面。转子的此旋转包络面具有与定子中的转子腔16(见图1)基本相同的直径。
由于转子不要求通风冷却，转子包络面和定子腔16之间的间隙为一个相对较小的空隙，其根据需要只用于对定子进行强制通风冷却。希望能减小转子和定子之间的间隙，以增强转子线圈绕组和定子绕组之间的电磁耦合。而且，转子线圈绕组的位置最好使其可延伸到由转子所形成的包络面，这样，转子线圈绕组和定子间仅通过转子和定子之间的间隙隔开。
线圈绕组34的端部54与转子铁芯的相对端部56相邻。拼合夹板58固定住转子线圈绕组的各端部。在各线圈端部54处的拼合夹板包括一对其间夹有线圈绕组34的相对的夹板60。夹板的表面包括容纳线圈绕组34的沟槽59和与绕组相连的连接件39，41和79。沟槽59形成了位于夹板侧边上的开口，其与穿过集电器侧的端部轴的薄壁管76的一端相邻。冷却流体通道和在集电环78和线圈触头79之间的电触头穿过管76。
拼合夹板58可由非磁性材料如铝或铬镍铁合金制成。可以用相同或相似的非磁性材料来制作拉杆、线圈罩和线圈支撑系统的其它部分。线圈支撑系统最好为非磁性的以便在低温下保持韧性，这是因为铁磁材料在低于居里转变温度的温度下变脆，不能用作承载结构。
拼合夹板58被端部轴的轴环62围绕。但是，拼合夹板和线圈不与轴环62物理接触。虽然在图3中只示出了一个轴环，但在转子铁芯22的各端部均设有一个轴环62。轴环是非磁性材料例如不锈钢制成的厚圆盘，其材料与形成转子轴的材料相同或类似。实际上，轴环是转子轴的一部分。轴环具有正交于转子轴线的狭槽64，其足够宽从而可容纳拼合夹板58且不与之接触。狭槽环的热的侧壁66被冷拼合夹板的间隙间隔开，使得它们之间不相互接触。狭槽66的侧壁66、拼合夹板58和线圈端部54之间的间隙保持在真空中。因此，在转子轴环和拼合夹板之间的真空间隙是可防止热量在轴环、拼合夹板和SC线圈之间传递的隔热器。
轴环62可包括凹入圆盘区域68(其被狭槽64对切开)，以容纳转子铁芯的凸起圆盘区域70(见转子铁芯的相边侧，其可将凸起圆盘区域插入相对的轴环中)。将转子铁芯端部56上的凸起圆盘区域插入凹入圆盘68中，可为轴环内的转子铁芯提供支撑，并有助于使转子铁芯和轴环对准。另外，轴环可具有纵向穿过轴环且围绕在轴环边缘上的呈圆周形排列的螺栓孔72。这些螺栓孔与部分地穿过转子铁芯的带螺纹的螺栓孔74相对应。带螺纹的螺栓75穿过这些纵向的螺栓孔72，74，并将轴环固定在转子铁芯上。
图4是转子铁芯、线圈支撑构件和线圈的第一横截面示意图。另外，图中还显示了真空壳体100和电磁(EM)屏蔽罩102的横截面的第一实施例。真空壳体是装配在线圈绕组的长侧部40上并沿转子的长度方向延伸的通道。真空壳体可由非磁性材料例如不锈钢制成。线圈34的各长侧部40具有真空通道壳体100，以在线圈的那部分上形成隔热真空。
壳体100具有一对侧壁104，其各具有装在沿转子铁芯的平表面48的长度方向延伸的狭槽106内的燕尾支脚。在线圈绕组和线圈支撑构件之一上设有狭槽106。在侧壁的燕尾与转子铁芯的表面48上的狭槽106之间的接合形成了气密密封。
在图4所示的实施例中，在真空容器、线圈和线圈支撑结构上形成有EM屏蔽罩102。该屏蔽罩是可导电的并可由铝形成，它也可提供结构支撑。屏蔽罩形成了从转子铁芯的平表面48的一侧延伸到平表面的另一侧的弧形。屏蔽罩的弧形在真空容器上延伸。真空容器的顶板108具有曲面并为EM屏蔽罩提供支撑。或者，真空容器的顶板也可形成EM屏蔽罩的一部分，其与覆盖转子其它部分的EM屏蔽罩部分相连。
EM屏蔽罩还被三角支架110支撑，支架110安装在EM屏蔽罩之下并位于由铁芯表面48和通道壳体的侧壁所形成的角部内。支架具有为EM屏蔽罩和真空通道提供结构支撑的肋112。另外，支架可具有开口的中心区域114以减少其质量。支架位于真空通道的两侧并沿转子铁芯的长度间隔开。支架的数目被选择成可支撑屏蔽罩，使支撑罩能承受施加在其上的很大的力。
支架靠在转子平表面48和通道壳体的侧壁104上的侧边具有凸缘116，其与转子表面和通道侧壁的配合凸缘相接合。这些凸缘之间的接合有助于将通道壳体固定在支架和转子表面的狭槽106上。另外，张紧螺栓118穿过支架并进入转子铁芯中，将支架连接在转子铁芯上。真空壳体还包括与侧壁形成一体并在SC线圈34和线圈支撑构件上延伸的顶板108。真空通道的端部是开口的，并在铁芯22的相对端部与轴环62的狭槽66密封。
在图4所示的实施例中，支架和EM屏蔽罩形成一体。EM屏蔽罩102和支架由装在通道壳体100上的加工出的单个铝合金件形成，并用螺栓118连接在转子表面48上。在另一实施例中，EM屏蔽罩可部分地由真空容器的顶板108形成。EM屏蔽罩还包括覆盖住支架并位于顶板各侧上的弧形条。EM屏蔽罩的弧形面与由转子铁芯的弧形面50形成的圆柱形表面之间是连续的。EM屏蔽罩不在转子铁芯的弧形面50上延伸。当两个EM屏蔽罩102都连接在转子铁芯上时，由转子铁芯和两个EM屏蔽罩形成完整的圆柱形表面。尽管在图4中只示出一个电磁屏蔽罩102，在完成电磁屏蔽罩时可能会在线圈的两侧40上都设有屏蔽罩。
电磁(EM)屏蔽罩并不用作真空边界。内部真空边界如真空通道壳体制成可围绕超导线圈。在轴的连接缝处，采用密封带将真空壳体与端部轴的轴环内的狭槽密封。这些狭槽容纳了拼合夹板58和线圈罩的端部。EM屏蔽罩和屏蔽罩的支撑构件装配在真空通道壳体附近或真空通道壳体上。该屏蔽罩可由单个或多个圆柱形部分制成，它们相互之间电连接以提供EM屏蔽。
图5显示了与支架122分开的EM屏蔽罩120的第二实施例。图5所示的通道壳体100与图4所示的壳体100相同。在该实施例中，EM屏蔽罩120是装配在转子铁芯上的圆柱体，并覆盖弧形面50和转子铁芯的平表面48。支架122是用螺栓118连接在转子表面48上的单独的三角形铝件。支架将通道壳体固定在转子的狭槽106上并支撑壳体的侧壁104。此外支架还支撑EM屏蔽罩120。支架122的数目和它们沿各真空壳体两侧的间距在设计中选择。内支架122主要用于结构支撑，并可由铝或非导电性材料制成。EM屏蔽罩提供了为进行平衡而通过EM屏蔽罩102上的孔接近钢锻件的途径，可以通过EM屏蔽罩102直接地接近转子。
图6是部分装配的转子铁芯22和端部轴24的示意图。在图6中转子铁芯、绕组、真空壳体和其它零件的尺寸被放大以便于说明。转子铁芯22与端部轴的轴环62相连，使得线圈绕组34(部分被真空壳体100遮住)装配到轴环的狭槽64(见图3)中。密封装置124在轴环和转子铁芯之间提供了气密连接。在图7中显示了密封装置的截面。密封装置保证在真空通道壳体100的端部与轴环之间不发生空气泄露。真空通道壳体的端部与轴环狭槽64的边缘密封，使得当线圈34围绕转子铁芯延伸时在其周围形成真空。
图8，9，10和11示意性地显示了转子内的线圈支撑构件和线圈绕组的装配过程。如图8所示，在转子铁芯与转子端部轴和转子的其它部件装配之前，拉杆42插入穿过转子铁芯而延伸的各孔道46中。在各拉杆的各端部的隔热管52放置在孔道46各端部的扩大端部88内。管52被锁定螺母84锁住。在拉杆插入转子铁芯的孔道之前或之后，将螺栓43插入。
如图9所示，超导线圈34插入在转子铁芯上，使得拉杆42的平端部86靠在超导线圈的侧部42的内表面上。一旦线圈绕组插入拉杆端部，将线圈罩44也插在SC线圈上。通过将销钉80分别穿过拉杆和线圈罩的开口，将线圈罩固定在拉杆端部。
多个线圈罩可有效地固定线圈而不受离心力的影响。虽然所示的线圈罩相互之间靠得很近，但线圈罩之间只需必要的接近，以防止线圈在离心载荷、传递扭矩和瞬时故障状态中由高的弯曲应变和拉伸应变而造成性能降低。
线圈罩和拉杆可在转子铁芯及线圈与轴环及转子的其它部件装配之前与线圈绕组装配在一起。因此，在装配转子和同步电机的其它部件之前，转子铁芯、线圈绕组和线圈支撑系统可装配成一个组件。
图10显示了由夹板60形成的拼合夹板58的组件。夹板60将线圈绕组的端部54夹在中间。拼合夹板为线圈绕组34的端部提供结构支撑。拼合夹板的夹板60在其内表面包括用于容纳线圈绕组的通道。类似地，夹板包括用于气体的输入/输出冷却线39，49和与线圈相连的电接头79的通道。穿过管76(图3)的这些线和接头设于集电器侧的端部轴34内。
图11显示了装在线圈的侧部40上的真空通道壳体100。支架118放置在壳体的两侧并通过螺栓连接在转子铁芯的表面48上。轴环通过螺栓75与转子铁芯相连，使得线圈端部和真空壳体与轴环狭槽64对准。密封装置124(见图6)设在轴环、转子铁芯和真空壳体之间的接缝。一旦装配好线圈支撑构件、线圈、轴环和转子铁芯，就可在包括侧部40和端部56的线圈34的周围形成真空。真空壳体由位于转子铁芯的任一侧的一对真空通道壳体、轴环62中的狭槽64以及轴环与真空壳体的端部之间的密封装置124形成。一旦装配好后，转子就可在冷却线圈的状态下进行平衡。
在图4的结构中，EM屏蔽罩不覆盖磁极22，因此为提供了接近转子锻件以放置平衡重物的不受限制的途径。在图5的结构中，EM屏蔽罩围绕整个转子的周边延伸。由于EM屏蔽罩不用于真空封闭，因此它可以制造成带有数个孔，从而提供了接近转子锻件以放置平衡重物的不受限制的途径。因此，在图4和5所示的屏蔽罩概念中，EM屏蔽罩提供了接近的转子铁芯以进行平衡的不受限制的途径。因此，转子可在低温状态下进行平衡。
虽然在上文中结合目前被认为是最实用和优选的实施例来介绍了此发明，但是可以理解，此发明并不限于所公开的实施例。相反，本发明覆盖了在所附权利要求的精神实质内的所有实施例。
权利要求
1.一种同步电机中的转子，其包括转子铁芯；安装在所述转子铁芯上的超导线圈；覆盖在至少一个所述线圈侧部上的真空壳体，和位于所述真空壳体和所述线圈侧部上的导电屏蔽罩。
2.根据权利要求1所述的转子，其特征在于，所述真空壳体是沿着所述转子铁芯纵向延伸的通道壳体。
3.根据权利要求1所述的转子，其特征在于，所述导电屏蔽罩由铜合金或铝制成。
4.根据权利要求1所述的转子，其特征在于，所述转子还包括具有轴环和位于所述轴环内的狭槽的转子端部轴，所述真空壳体与所述狭槽密封，所述线圈的端部延伸到所述狭槽中。
5.根据权利要求4所述的转子，其特征在于，所述转子还包括围绕所述线圈且由所述真空壳体和所述轴环内的狭槽限定的真空。
6.根据权利要求1所述的转子，其特征在于，所述转子还包括纵向穿过所述转子铁芯的平表面，所述线圈侧部之一与所述平表面相邻，所述真空壳体跨置在所述侧部上，所述侧部与所述平表面密封。
7.根据权利要求1所述的转子，其特征在于，所述真空容器由不锈钢制成，所述屏蔽罩由铜合金制成。
8.根据权利要求1所述的转子，其特征在于，所述转子还包括支撑所述真空壳体和所述导电屏蔽罩的多个支架。
9.一种转子，其包括具有轴线的转子铁芯；从所述铁芯的端部轴向延伸出的端部轴，其中所述端部轴具有与所述铁芯端部相邻的狭槽；超导转子线圈，其具有至少一个平行于所述铁芯轴线的线圈侧部以及至少一个横向于所述铁芯轴线的线圈端部，其中所述线圈端部穿过所述端部轴中的所述狭槽；位于所述线圈侧部上的真空壳体，其与所述狭槽密封，形成了围绕所述线圈的真空区域。
10.根据权利要求9所述的转子，其特征在于，所述转子还包括位于所述线圈侧部上的导电屏蔽罩。
11.根据权利要求9所述的转子，其特征在于，所述真空壳体是跨置在所述线圈侧部并在所述线圈侧部的两侧与所述转子铁芯密封的通道。
12.根据权利要求11所述的转子，其特征在于，所述真空壳体包括位于所述线圈侧部的各侧的侧壁，各所述侧壁与所述转子铁芯的表面密封。
13.根据权利要求12所述的转子，其特征在于，所述转子铁芯的所述表面上开有狭槽，以容纳所述侧壁。
14.根据权利要求12所述的转子，其特征在于，所述转子铁芯的所述表面是与所述线圈侧部相邻的平面。
15.根据权利要求9所述的转子，其特征在于，所述转子还包括与所述真空壳体相邻并与所述转子铁芯相连的多个支架。
16.根据权利要求15所述的转子，其特征在于，所述转子还包括由所述支架支撑的电磁屏蔽罩。
17.一种转子，其包括具有轴线的转子铁芯；从所述铁芯的相对端部轴向延伸出的一对端部轴，其中各所述端部轴均具有与所述铁芯端部相邻的狭槽；超导转子线圈，其具有至少一个平行于所述铁芯轴线且相邻于所述铁芯的相对侧部的线圈侧部，所述线圈具有横向于所述铁芯轴线且相邻于所述铁芯端部的线圈端部，其中各所述线圈端部均穿过所述端部轴中的一个所述狭槽；位于各所述线圈侧部上的真空壳体，其具有各与一个所述狭槽密封的端部，和由所述端部轴对中的所述狭槽和各所述线圈侧部上的真空壳体所限定的围绕所述线圈的真空区域。
18.根据权利要求17所述的转子，其特征在于，所述转子还包括位于所述线圈侧部上并与所述端部轴重叠的导电屏蔽罩。
19.根据权利要求18所述的转子，其特征在于，所述屏蔽罩是围绕所述铁芯的圆柱体。
20.根据权利要求18所述的转子，其特征在于，所述屏蔽罩部分地由所述真空壳体的顶部形成。
21.根据权利要求17所述的转子，其特征在于，所述屏蔽罩是沿所述铁芯的长度延伸且只部分地围绕所述铁芯的周边的弧形带。
22.根据权利要求21所述的转子，其特征在于，所述弧形带和第二弧形带各覆盖一个所述线圈侧部。
23.根据权利要求18所述的转子，其特征在于，所述转子还包括与所述真空壳体相邻的支架，其与所述转子铁芯的表面相连并支撑所述屏蔽罩。
24.一种在同步电机的转子铁芯上的超导线圈绕组的周围提供真空的方法，其包括步骤a.装配所述线圈绕组和所述转子铁芯；b.将端部轴与所述铁芯同轴地连接；c.将真空壳体跨置在所述线圈绕组的侧部上，将所述壳体与所述转子铁芯密封，和d.将所述真空壳体与所述端部轴密封，从而形成围绕所述线圈绕组的真空区域。
25.根据权利要求24所述的方法，其特征在于，所述方法还包括将导电屏蔽罩放置在所述线圈上的步骤。
26.根据权利要求24所述的方法，其特征在于，在所述端部轴的各接缝处形成狭槽，所述狭槽容纳所述线圈绕组的端部，所述真空壳体与所述狭槽密封。
27.根据权利要求24所述的方法，其特征在于，在所述转子铁芯上设置圆柱形屏蔽罩。
28.根据权利要求24所述的方法，其特征在于，在所述真空壳体和所述转子铁芯的附近设置支架，以支撑所述导电屏蔽罩。
29.根据权利要求24所述的方法，其特征在于，在所述线圈侧部上设有弧形带，所述带沿所述端部轴之间的所述铁芯延伸，所述弧形带只部分地围绕所述铁芯的周边延伸。
30.根据权利要求29所述的方法，其特征在于，所述弧形带和第二弧形带各覆盖一个所述线圈侧部。
全文摘要
公开了一种用于超导同步电机的转子,其包括:转子铁芯;围绕转子铁芯的至少一部分延伸的超导线圈,所述线圈具有位于所述转子铁芯的相对侧的线圈侧部;覆盖住至少一个所述线圈侧部的真空壳体,以及位于所述真空壳体和线圈侧部上的导电屏蔽罩。
文档编号H02K55/04GK1385950SQ02120019
公开日2002年12月18日 申请日期2002年5月15日 优先权日2001年5月15日
发明者Y·王, K·R·维伯, K·斯瓦舒布拉马尼尔姆, R·J·尼加尔德, X·黄 申请人:通用电气公司