专利名称：用于动力应用的超导单极感应交流发电机的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种电动机/发电机，特别涉及具有超导绕组的单极电机。
背景技术：
传统上，大多数超导电机具有安装在转子上的超导磁场线圈。超导线圈通过连续供应低温液体，例如，但不局限于氦(He)，以保持接近开氏(Kelvin)零度。如果高温超导(HTS)用于制造磁场线圈，低温液体，例如氮(N2)可以用以实现超导温度。低温液体通常通过耦合到转子一端的传递连接器从固定低温冷却器供应到超导磁场线圈。传递连接器引导低温液体从固定部分到转子旋转部分。接着低温液体通过热耦合到超导磁场线圈的冷却回路传送，然后回到传递连接器，以返回固定低温冷却器。
超导磁场线圈受到热应力，离心应力，并且具有通过转子的电连接供给超导磁场线圈动力。因此，设计、制造以及运行这样的转子是困难的。例如，超导线圈，特别是HTS线圈，可能对机械应变很敏感。特别地，由于线圈耦合到转子上，线圈会受到离心力，导致应力和降低超导的性能。进一步，由于线圈保持低温，会需要精巧的支持系统以对抗离心力而保持线圈就位，同时保持线圈和处于环境温度的转子部分之间的热绝缘的完整。进一步，这些电机的性能限制了其应用。
问题在于，能量转化的电机应用可能要求便携的军用辅助动力用于陆基、空基或海基平台，其中便携的涡轮机驱动发电机。高功率密度要求具有突极转子的高速电机。电动船舶驱动电机和发电机提供推进功率，其具有高的功率密度和高效率，并可以直接或通过齿轮箱驱动。其他应用包括船舶辅助动力(要求高功率密度，高效率)；水力发电机(要求高效率并经常是低转速)；风力发电机(高功率密度要求低转速)；频率转换器(发电机在磁场绕组中具有受控的低频交流电流，来为涡轮速度的变化产生固定频率的动力)。
发明内容
一方面，一种发电机采用固定超导磁场线圈和固定定子绕组。该设备包括产生磁场的磁场线圈，在磁场中旋转的单极转子，这样，通过旋转转子所产生的旋转磁场波和固定磁场线圈所产生的磁场之间的交互作用，在固定的定子绕组中产生旋转磁场。该发电机不局限于便携动力系统，电动船舶驱动电机和发电机以及辅助动力系统。
上述和其他的特征将通过下列附图和详细描述举例说明。
现在参照附图，其中相同的元件使用相同的附图标记附图1是单极电机示例的局部侧视剖面图，附图2是用于附图1的电机的示例转子的透视图，附图3是附图2中的转子沿图1中线3-3的端视剖面图，附图4是可以用于附图1的电机的替代示例转子的透视图，附图5是当电机采用附图4的替代示例转子时，可以用于电机的示例绕组对的局部剖视透视图，附图6是作为便携动力系统的单极电机示例应用的顶层框图，附图7是作为电动船舶驱动的单极电机示例应用的顶层框图，附图8是作为辅助动力系统的单极电机示例应用的顶层框图。
具体实施例方式
附图1是单极电机10示例性实施例的局部侧视剖面图，包括具有轴14的转子12，轴14具有长度轴线16。转子12绕轴线16旋转。在示例实施例中，轴14分段，这样轴14分为第一轴段17和第二轴段18。转子12还包括极片组件20，组件20包括多个第一极片22，该多个第一极片22在极片组件20上轴向地与多个第二极片24分离。在可替代实施例中，转子12形成单个整体结构，包括第一极片22和第二极片24，轴向分离并耦合在轴14上。在另一个替代实施例中，极片组件20，第一极片22和/或第二极片24整体成型在轴14上形成整体转子。在可替代实施例中，仅仅显示了一个极片组件20。可以理解，任何数量的极片组件20可以一前一后耦合在一起形成转子12。进一步，可以理解在整体轴14的实施例，任何数量的极片组可以耦合在轴14上，形成转子12。在可替换实施例中，每个单极极片22、24包括一附加排的多个单极极片(未示)，以提高动态性能。每个附加排的多个极片相对于轴14轴向地从每个极片22、24上位移。
转子12可旋转的支持在外壳26上，外壳26还容纳定子芯28和定子轭30。多个定子绕组32定位于界定在芯28中的轴向通道中。外壳基本上是圆柱形的并具有延伸其间的内腔34。转子12部分在内腔34中。
在第一级片22和第二级片24之间延伸的轴向分离间距36形成气隙38，该气隙38在磁场线圈40和第一级片22以及在磁场线圈40和第二级片24之间。在示例性实施例中，磁场线圈40位于耦合在定子芯28的低温保持器(未示)中。在示例实施例中，线圈40从转子12机械去耦合。在替代实施例中，磁场线圈40可以耦合到转子12。磁场线圈40以超导材料制造，这样当冷却到超导温度时，磁场线圈40对电流基本呈现零阻抗。
在运行中，电机10作为发电机或电动机。转子12被耦合到轴14的原动机(未示)施加的扭矩驱动而绕轴线16旋转。电流供应到固定超导磁场线圈40。电流产生围绕磁场线圈40的磁场。铁磁轴14通过磁场线圈40的轴线，并且因此磁耦合到磁场线圈40。磁场线圈40和第一以及第二极片22和24的方位在线圈40的磁场和旋转铁磁极22和24的磁场波之间产生交互作用，这样第一极片22被磁化为第一极，例如N极，第二极片24被磁化为第二极，例如S极。旋转单极磁场磁耦合到定子绕组32。
在示例实施例中，磁场线圈40相对于转子12固定，这样转子12和磁场线圈40产生的磁场的相对转速差就是转子12的转速。
附图2为透视图，显示了可以用于电机10(附图1所示)的示例转子12。转子12包括轴14，第一极片22和第二极片24。极片22和24形成极片组。转子结构为单极，这样多个第一极片22具有相同的磁极，以及多个第二极片24也具有相同的磁极。在示例实施例中，多个第一极片22中每一个对应于多个第二极片24中相应的一个。例如，如附图2所示，转子12仅包括多个第一极片22和多个第二极片24中的三个。但是，可以替代地，每个第一极片22在转子12的旋转方向上，相对于第二极片24对应的一个，偏移大约一个极节距的角度。极22和24的偏移形成了对于定子绕组32变化大小和颠倒磁极的旋转磁场，其促使产生交流输出，例如电机10输出正弦波。
在运行中，电流供给固定超导磁场线圈40。电流通过线圈40的超导体产生环绕线圈40的磁场。第一极片22和第二极片24接近线圈40旋转并磁耦合到线圈40。线圈40产生的磁场和转子12的旋转铁磁极片22和24的磁场波之间所交互作用产生旋转磁场，其中，第一极片22定向为第一磁极(例如N极)，第二极片24定向为第二磁极(例如为S极)。从极片22和24流出的磁力线经过定子绕组32(附图1所示)，产生流过定子绕组32的电流。
附图3为沿附图1的线3-3的转子12的剖视图。角度302代表第一极片22和第二极片24之间偏移的角度。在示例实施例中，角度302代表大约一个极节距的偏移角度。
附图4为透视图，显示了可以用于电机10(附图1所示)的转子12的替代示例实施例。在替代实施例中，每个第一极片22相对对应的第二极片24同轴。磁场线圈40产生磁场，该磁场和每个第一极片22和每个第二极片24产生交互作用以在每个第一极片22中生成第一极的磁极，在每个第二极片24产生第二相反极的磁极。在示例实施例中，定子绕组32偏移大约一个极节距以在定子绕组32中产生辅助电流。例如，如果定子绕组32基本轴向定位在定子芯28中，第一极片22的磁场将在定子绕组32产生第一极电流，第二极片24将在定子绕组32的每个绕组产生第二相反极电流。定子绕组32的每个绕组中流过的相反电流的最终结果将基本为零。因此，第一极片22的每个极片和第二极片24每个相应极片偏移大约一个极节距来易于消除定子绕组32中的相反电流。
附图5是局部剖视图，显示了可以用于电机10的示例绕组对500，电机10使用了附图4显示的转子12的替代实施例。显示了第一绕组502，在接近绕组502的第一部分506的方向505上通过N极504。通过转动的N极磁极504和绕组502的交互作用，在第一绕组502产生电流508。第一绕组502从部分506到部分510大约通过一个极节距，其接近第二极片24之间的空间。没有极片接近部分510，在部分510产生的电流基本为零，因此，电流流过绕组502。同样，第二绕组512显示具有S极磁极514，经过接近第一部分516的方向505。旋转磁极514和绕组512产生交互作用以在第二绕组512产生电流518。第二绕组512从部分516到部分520被引导过一个极节距，其接近第一极片24之间的空间。因部分520附近没有极片，在部分520中产生电流基本为零，因此，电流流过绕组512。
上述方法和设备提供了通过固定磁场线圈和单极转子发电的、成本高效和可靠的措施。更特别地，该方法和设备促进了利用相对电机转子固定的超导磁场线圈。结果，在此描述的该方法和设备以成本高效和可靠的方式发电。
进一步，定位磁场线圈40和转子14机械分立，并保持线圈40固定还带来很多优点，该优点包括使电机10简单和可靠。例如，固定的磁场线圈不会受到可能由旋转磁场线圈产生的相对较大的离心力，因此简化了线圈支持组件。由于磁场线圈支持的简化，固定磁场线圈和环境温度之间的热绝缘可得以简化。没有相对大的力作用于磁场线圈，超导线圈中的合应力减小，HTS线圈可靠性提高了。固定线圈包围了转子，磁场线圈可以设计成简单的螺线管线圈而不是复杂的“跑道式(racetrack)”线圈。冷却固定磁场线圈的低温保持器也是固定的，可以简化低温保持器的设计。例如，不需要复杂的传递连接器引导冷媒到旋转冷却电路，可以使用简单的直接冷却连接。线圈还可以使用已形成的、更可靠的方式冷却，包括传导冷却。热绝缘所期望的真空是固有的，促进了制造和组装的简化和可靠性。同样，绝缘系统的其他部分由于无需考虑、相对大的离心力而更加可靠。不需要滑动环组件从固定励磁器传递电流到磁场线圈。线圈电压更易预测，并且易于通过可靠的固定保护电路来测量、冷却和保护线圈更加容易。另外，不需要使用旋转无刷励磁器。
附图6的示意框图显示了附图1-5描述的单极电机10实施例的示例应用。特别地，系统600描述了便携动力系统，其可以应用于，例如(军用)陆基、海基、空基平台。如图所示，系统600包括涡轮机601，其和单极电机10相连以构成发电机603。例如发电机为数兆瓦的发电机，以3600rpm或更高转速产生2-40兆瓦电能的系统。
另外，对于系统604，附图7描述了为船舶驱动系统提供动力的船舶推进系统。涡轮机601提供机械能到发电机608，发电机608提供电能到构造为电动机605的单极电机10。如果期望，发电机608可以是构造为发电机的单极电机10。上述单极电机10提供船舶的推进动力。
在另一种应用中，系统606描述了一种辅助动力系统(例如可以应用在船舶、车辆、航空器中)，包括涡轮机601，其连接到构造成发电模块607的单极电机10。若期望，动力模块可以为几兆瓦。系统606设计成为环形分布的三相交流系统或其他类型动力模块提供动力。直流和交流负载可以从同样的环通过适当的变压器或/和功率电子转换器来供电。
上述详细描述了发电系统的示例实施例。该系统并不局限于此处描述的特殊实施例，相反，每个系统的元件可以单独使用，以及独立于此处描述的系统。每个系统元件也可以和其他系统元件联合使用。
高速单极电机10的主要优点是高频应用于连接变压器的磁路。这可以减少系统的尺寸和重量。高频AC可以按需转化为DC。高频电能是先进大功率雷达和直接能量武器的优选能源。
虽然说明书参照了示例实施例，但可以理解，本领域技术人员可以在说明书的范围内作出各种不同的变形和等效替换。另外，在不背离本说明书主旨的情况下，可以作出修改适应特定环境或材料。因此，说明书不局限在作为最佳实施方式公开的特殊实施例中，公开的内容包括落入权利要求保护的范围的所有实施例。
元件列表10 单极电机12 转子14 轴16 轴线17 第一轴段18 第二轴段20 极片组件22 第一极片24 第二极片26 外壳28 定子芯30 定子轭32 定子绕组34 内腔36 轴向分离间距38 气隙40 磁场线圈302 角度500 绕组对502 第一绕组504 N极磁极505 方向，接近第一部分506 第一部分508 电流510 部分512 第二绕组514 S极磁极516 第一部分518 电流
520 附近没有极片的部分600 便携动力系统601 涡轮机603 发电机605 电动机604 电跳(electric skip)驱动电动机/发电机606 辅助动力系统607 发电模块608 发电机
权利要求
1.一种便携动力系统(600)，其包括涡轮机(601)，产生机械能；单极电机(10)，接受所述机械能；所述单极电机(10)进一步包括单个固定超导磁场线圈(40)以产生磁场；单极转子(12)在所述磁场中旋转，这样，通过所述单极转子(12)产生的旋转磁场波和所述单个固定磁场线圈(40)产生的所述磁场之间的交互作用，以在固定绕组(40)中生成旋转磁场。所述单极电机(10)被构造作为发电机(603)；以及所述发电机(603)为便携动力系统(600)产生电能。
2.根据权利要求1的便携动力系统(600)，其中所述便携动力系统(600)为陆基便携动力系统。
3.根据权利要求1的便携动力系统(600)，其中所述便携动力系统(600)为空基便携动力系统。
4.根据权利要求1的便携动力系统(600)，其中所述便携动力系统(600)为海基便携动力系统。
5.根据权利要求1的便携动力系统(600)，其中所述磁场线圈(40)被冷却。
6.根据权利要求5的便携动力系统(600)，其中所述磁场线圈(40)被冷却到预定的低温。
7.根据权利要求6的便携动力系统(600)，进一步包括位于低温保持器中的所述磁场线圈(40)。
全文摘要
一种便携动力系统(600)，具有产生机械能的涡轮机(601)。单极电机(10)接受该机械能。单极电机(10)具有单个固定超导磁场线圈(40)以产生磁场。单极转子(12)在磁场中旋转，这样，通过所述单极转子(12)产生的旋转磁场波和所述单个固定磁场线圈(40)产生的磁场之间产生交互作用，以在固定绕组(40)中生成旋转磁场。单极电机(10)被构造作为发电机并且为便携电机系统(600)产生电能。
文档编号H02K55/06GK1956302SQ20061014649
公开日2007年5月2日 申请日期2006年10月19日 优先权日2005年10月19日
发明者K·西瓦苏布拉马尼亚姆, E·T·拉斯卡里斯, J·W·布雷, J·M·福加蒂 申请人:通用电气公司