专利名称：超导电机的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种超导电机，并且更具体地涉及一种包括制冷机的超导电机，所述制冷机具有至少一根细管，低温制冷剂在所述细管内部流动。
背景技术：
在现有技术中，提出了包括制冷机的超导电机。例如，日本专利申请公报 No. 2010-178517 (JP-A-2010-178517)描述了一种超导电机设备，所述设备包括超导电机、 低温生成器和机壳。超导电机包括转子和定子。转子包括可旋转的旋转轴和布置在所述旋转轴的外周部分上的多个永磁体。定子具有三相超导线圈，所述超导线圈围绕定子铁芯的齿卷绕。低温生成器具有制冷机，所述制冷机在其冷头处产生低温。设置有具有高导热系数的导热部分。导热部分将冷头连接到超导电机的定子的定子铁芯，以便能够传热。导热部分的冷却圆柱形部分被冷却至低温状态，并且与定子铁芯的外周部分热接触，以便冷却所述定子铁芯。机壳形成真空绝热腔室，所述真空绝热腔室使超导线圈绝热。因此，即使当热量传递到超导线圈时，或者即使当制冷机的制冷输出没有跟上，定子铁芯也将超导线圈保持在低温状态下。另外，JP-A-2010-178517的图3示出了具有高导热系数的导热材料设置在定子铁芯的多个齿中的每一个齿以及超导线圈中的对应的一个超导线圈之间，并且 JP-A-2010-178517的图4示出了导热材料通过连接部分连接到包围定子铁芯的外周部分的导热部分。在上述构造的情况下，超导线圈可以通过被低温生成器冷却的齿来冷却。另外，国际公报No. W0/2003/001127A1描述了一种蓄冷制冷机。所述蓄冷制冷机包括压力控制装置、膨胀/压缩单元以及蓄冷单元。压力控制装置具有压缩机、高压选择阀和低压选择阀。膨胀/压缩单元具有室温端部部分和低温端部部分。蓄冷单元具有室温端部部分和低温端部部分。蓄冷制冷机将热量传递到待冷却的目标。蓄冷制冷机将膨胀/压缩单元的低温端部部分联结到蓄冷单元的低温端部部分，并且所述蓄冷制冷机具有延伸到待冷却目标的工作气体通道。另外，脉管制冷机通常作为用于冷却传感器和半导体装置的冷却装置而起到重要作用。对于JP-A-2010-178517中描述的超导电机的情况，在现有技术中，在冷却超导线圈时，通过各种方法传递低温；然而，当使用固态导热材料冷却超导线圈时，每种导热材料的导热系数是有限的，所以，当热量通过具有有限长度的导热材料传递时，将产生与被传递的热量成比例的温差，因此难以提高冷却效率。由于这个原因，在提高超导线圈的冷却效率以便较早地冷却超导线圈从而较早地产生稳定的超导状态方面，存在改进的空间。另一方面，不考虑超导电机的负荷，为了确保超导电机的冷却性能，可以想到的是实施控制使得制冷机的制冷输出随着负荷而增加。然而，即使在这种情况下，在高负荷期间，或者在负荷急剧增加的过渡电机运转状态中，发生从制冷机的输出到超导线圈的传热的反应延迟，并且超导线圈的温度升高，所以仍然存在无法保持超导状态的可能性。例如，在车辆的车轮被超导电机驱动的情况下，当超导电机因为车辆的突然加速等变得过载或者高负荷时，超导线圈的温度可能升高，所以需要开发一种能够稳定地获得超导状态的装置。
国际公报No. W0/2003/001127A1仅仅描述了一种蓄冷制冷机，但没有描述使用该制冷机来冷却超导电机的超导线圈。
发明内容
本发明有效地将超导电机的超导线圈冷却至期望的低温，即使在高负荷期间或者在过渡电机运转状态中，也有效地产生稳定的超导状态。本发明的一方面涉及一种超导电机。所述超导电机包括转子，所述转子被可旋转地布置；定子，所述定子布置在转子的径向方向上，以便面对所述转子；和制冷机，所述制冷机具有至少一根细管，低温制冷剂在所述细管的内部流动，其中所述定子具有定子芯和多个超导线圈，所述超导线圈卷绕在定子铁芯的径向端部部分处，并且所述超导线圈由超导线材材料形成，并且至少一根细管与超导线圈中的至少一个超导线圈和定子铁芯热接触。另外，在根据本发明的所述方面的超导电机中，定子铁芯可以具有环形后磁轭； 多个齿，所述齿从后磁轭的径向端部部分径向地突出；以及齿槽，所述齿槽中的每一个均设置在多个齿中的沿着定子的圆周方向毗邻的两个齿之间；超导线圈可以分别围绕齿卷绕； 至少一根细管可以具有延伸部分，所述延伸部分在齿槽中的对应的一个齿槽中沿着定子的轴向方向延伸，并且所述延伸部分可以与超导线圈中的至少一个超导线圈以及定子芯热接触。另外，在根据本发明的所述方面的超导电机中，定子芯可以具有环形后磁轭；多个齿，所述齿从后磁轭的径向端部部分径向地突出；和齿槽，所述齿槽中的每一个齿槽均设置在齿中的沿着定子的圆周方向毗邻的两个齿之间；超导线圈可以分别围绕齿卷绕；至少一根细管可以布置成与齿槽中的对应的一个齿槽的底部以及超导线圈中的至少一个超导线圈接触。另外，在根据本发明的所述方面的超导电机中，至少一根细管可以与多个齿中的至少一个齿热接触。另外，在根据本发明的所述方面的超导电机中，定子芯可以具有环形后磁轭；多个齿，所述齿从后磁轭的径向端部部分径向地突出；和齿槽，所述齿槽中的每一个齿槽均设置在齿中的沿着定子的圆周方向毗邻的两个齿之间；所述超导线圈可以分别围绕齿卷绕； 并且至少一根细管布置成不与后磁轭接触，并且布置成与齿中的至少一个齿以及在齿槽中的对应的一个齿槽中的超导线圈中的至少一个超导线圈热接触。另外，在根据本发明的所述方面的超导电机中，定子可以布置在转子的径向外侧上以便面对转子，定子芯可以具有环形后磁轭，多个齿，所述齿从后磁轭的内周端部部分径向地突出；和所述齿槽，所述齿槽中的每一个齿槽均设置在齿中的沿着定子的圆周方向毗邻的两个齿之间；所述至少一根细管可以具有曲折部分，所述曲折部分用作延伸部分，所述延伸部分在齿槽中的对应的一个齿槽中沿着定子的轴向方向延伸，并且朝向定子的外部径向地定向的所述曲折部分的外周边缘的至少一部分可以与齿槽中的对应的一个齿槽的底部接触。另外，在根据本发明的所述方面的超导电机中，树脂可以填充在齿槽中的至少一个齿槽中。
另外，在根据本发明的所述方面的超导电机中，多个超导线圈中的每一个都可以具有两个线圈端部部分，所述线圈端部部分分别从定子芯的两个轴向端部表面轴向向外地突出，并且至少一根细管可以具有面对线圈端部的面对部分，所述面对线圈端部的面对部分布置成面对两个线圈端部部分中的至少一个线圈端部部分的轴向外端表面部分，并且与两个线圈端部部分中的至少一个线圈端部部分接触。利用根据本发明的所述方面的超导电机，为制冷机设置的并且低温制冷剂在其内部流动的至少一根细管与超导线圈中的至少一个超导线圈以及定子芯热接触，所以即使在高负荷期间或者在过渡电机运转状态中，也能够有效地将超导线圈冷却至期望的低温，并且有效地产生稳定的超导状态。
下面将参照附图描述本发明的示例性实施例的特征、优势、以及在技术和工业上的意义，在这些附图中相同的附图标记指示相同的元件，并且其中图1是示出了根据本发明的第一实施例的超导电机的轴向剖视图；图2是沿着图1中的线条II-II获得的放大剖视图；图3是示出了在所有细管成直线延伸的状态下在第一实施例中使用的制冷机的基本构造的视图；图4是沿着图3中的线条IV-IV获得的剖视图；图5是示出了根据不同于本发明的上述方面的比较性实施例的超导电机的轴向剖视图；图6是沿着图5中的线条VI-VI获得的剖视图；图7是示出了根据本发明的第二实施例的超导电机的视图，其对应于图2 ；图8是示出了在从第二实施例中的定子的径向内侧向外观察到的位于对应的一个齿槽中的每根细管的曲折部分的视图；图9A是图7中的部分IXA的局部省略的放大视图；图9B是示出了在第二实施例中每根细管都不与后磁轭接触的示例的视图，其对应于图9A ；图10是示出了根据本发明的第三实施例的超导电机的视图，其对应于图8 ；图11是当从右侧向左侧看图10时的视图；图12是示出了根据本发明的第四实施例的超导电机的视图，其对应于图2 ；图13是示出了根据本发明的第五实施例的超导电机的视图，其对应于图2 ；图14是示出了根据本发明的第六实施例的超导电机的视图，其对应于图2的半部。
具体实施例方式第一实施例在下文中，参照附图将详细描述本发明的实施例。在本说明书中，具体形状、材料、 数值、方向等仅仅是为了说明性的以便容易地理解本发明的方面，并且可以适当地调整，以便满足应用目的、对象以及规格等。
图1到图4示出了根据本发明的第一实施例的超导电机。如在图1和图2中所示，超导电机10包括电机主体12和制冷机14。制冷机14用于冷却电机主体12。电机主体12包括电机壳体16、旋转轴18和转子20。旋转轴18被电机壳体16可旋转地支撑。转子20固定到位于电机壳体16内部的旋转轴18的外侧部，并且所述转子20被能够旋转地布置。另外，电机主体12包括基本圆筒形的定子22。定子22固定到电机壳体16的内周表面，并且布置在转子20的径向外侧，以便面对所述转子20。另外，制冷机14固定到电机壳体16。需要注意的是，在以下描述中，除非另外具体说明，沿着旋转轴18的旋转中心轴线 X的方向被称作轴向方向，垂直于所述旋转中心轴线X的径向方向被称作径向方向，而沿着围绕所述旋转中心轴线X的圆的方向被称作圆周方向。转子20包括圆筒形转子芯M和多个永磁体26。转子芯M例如形成为使得平轧的磁钢片材被叠压并通过压紧、焊接等而结合成一体。永磁体沈以相等的间隔设置在转子芯对的外周表面上。即，多个(在图2示出的示例中有六个)永磁体沈沿着圆周方向以相等的间隔固定到转子芯M的外周表面，使得永磁体26露出。永磁体沈在径向方向上磁化，并且永磁体沈的磁化方向沿着圆周方向交替变化。因此，北极和南极交替布置在转子 20的外周表面上。然而，转子20的永磁体沈可以不暴露在外周表面上，并且所述永磁体 26可以在外周表面附近嵌入进内部中。如此构造的转子20被固定到由圆棒钢材料等制成的旋转轴18的外周表面。旋转轴18在其两个端部部分处被轴承32可旋转地支撑。轴承32分别固定到圆盘状端板观和30。端板观和30分别构成电机壳体16的两个端部部分。这样，当在定子 22中产生旋转磁场时，转子20便受到旋转磁场的影响而进行旋转。定子22包括定子芯34和线圈36。定子芯34具有基本圆筒形形状并且用作定子铁芯。线圈36用作超导线圈。即，定子芯34具有环形后磁轭38和多个(在图2示出的示例中有9个)齿40。齿40沿着圆周方向以相等的间隔设置在内周端部部分的多个部分处， 以便在径向方向上突出。内周端部部分是后磁轭38的一个径向端部部分。另外，定子芯34 具有多个(附图的示例中有9个)齿槽42，所述齿槽42沿着圆周方向以相等的间隔设置在多个部分处。齿槽42中的每一个都设置于在后磁轭38的内周部分处沿着圆周方向毗邻的齿40中的两个齿之间。定子芯34例如可以以使多个基本环形的平轧磁钢片材沿着轴向方向被叠压并且通过压紧、粘合、焊接等而整体地组装的方式形成。替代地，定子芯可以以使每个都具有一个齿的多个分裂芯连续地布置成环形形状并且利用圆筒形紧固构件从外侧部紧固的方式形成。分裂芯可以由粉芯形成。由超导线材材料形成的多个线圈36分别以集中绕组的方式围绕定子芯34的多个齿40卷绕。需要注意的是，多个线圈36可以分别以分布绕组的形式围绕齿40卷绕。另外， 超导线材材料可以具有圆形的横截面形状或者矩形的横截面形状。例如，线圈36可以以使超导线材材料以扁平方式卷绕的方式形成，其中所述超导线材材料是具有矩形横截面形状的扁平线材。例如，线圈36可以以使得超导线材材料以螺线管绕组(solenoidal winding) 或者盘形绕组的形式围绕齿40中的每个齿卷绕的方式形成。另外，超导线材材料可以适当地是例如钇系超导材料或者铋系超导材料。然而，构成超导线材材料的超导材料并不局限于这些材料；超导材料可以是另一种已知的超导材料或者未来开发出且在更高的温度呈现超导特性的超导材料。
构成每个线圈36的超导线材材料可以被绝缘涂层所覆盖。这样，当超导线材材料卷绕成相互紧密接触以便形成每个线圈36时，在每个线圈36的匝之间确保电绝缘。替代地，当超导线材材料没有被绝缘涂层覆盖时，超导线材材料可以卷绕成线圈的形状，与此同时在形成每个线圈36时将绝缘纸、绝缘薄膜等放置在超导线材材料之间，从而确保每个线圈36的匝之间电绝缘。每个线圈36均具有槽内部分44和两个线圈端部部分46。槽内部分44分别定位在设置在定子芯34的多个部分处的多个齿槽42中的对应的两个齿槽内(图幻。两个线圈端部部分46分别从定子芯34的两个轴向端面轴向向外地突出。这些线圈36中的中间放置有两个线圈36的三个线圈相互串联地连接，以便构成U相、V相和W相线圈中的任意一个相线圈。相线圈的一个端部在中性点(未示出)相互连接，并且相线圈的其它端部分别连接到相电流引入端子(未示出)。另外，电机壳体16容纳转子20和定子22。电机壳体16具有圆筒形外周的圆筒形部分48和一对端板观和30。一对端板观和30的外周边缘部分分别气密地连接到外周圆筒形部分48的两个轴向端部部分。外周圆筒形部分48和端板观和30例如由诸如不锈钢的非磁性材料形成。需要注意的是，外周圆筒形部分48和一侧的端板观(或30)可以由整体构件形成。内圆筒形构件50和中间圆筒形构件52与转子20同中心地设置在外周圆筒形部分48的内部。内圆筒形构件50和中间圆筒形构件52的每一个都具有圆筒形形状。内圆筒形构件50和中间圆筒形构件52中的每一个构件的两个轴向端部部分分别气密地联结到端板观和30的内表面。内圆筒形构件50期望地由非金属材料(例如，纤维增强塑料(FRP) 等)形成，所述非金属材料不干扰磁场的通过并且不导电。更加期望地，内圆筒形构件50 由具有较低导热系数的材料形成。需要注意的是，作为基本功能，内圆筒形构件50只需要具有使磁场通过的功能和能够在包括所述内圆筒形构件50的空间密封部分处保持真空的功能，并且所述内圆筒形构件50并不局限于使用非导电材料的那一种构件。例如，具有较低导电系数的非磁性材料(例如，不锈钢等)也可以用作构成内圆筒形构件50的材料。另一方面，中间圆筒形构件52期望地由具有较低导热系数的材料(例如，玻璃纤维增强塑料 (FRP)等)形成，并且更加期望地由具有较低导热系数的非磁性材料形成。内圆筒形构件50的内径略微大于转子20的最靠外的外接圆的直径。在内圆筒形构件50和转子20的外周表面之间形成有空隙。另外，第一真空腔室M设置在内圆筒形构件50和中间圆筒形构件52之间。第一真空腔室M是圆筒形空间。包括线圈36的定子22 容纳在第一真空腔室M中。构成定子22的定子芯34的外周表面固定到中间圆筒形构件 52的内周表面。以在组装包括稍后详细描述的制冷机14的超导电机10之后通过形成在邻接外部空间并且邻接第一真空腔室M和第二真空腔室56中的一个或两个的构件中的至少任意一个中的通气孔(未示出)抽空空气的方式，第一真空腔室M保持处于真空状态，其中所述构件例如是端板28和30和外周圆筒形部分48。以这种方式，通过不与线圈36和定子22 接触的内圆筒形构件50和具有较低导热系数的中间圆筒形构件52限定了第一真空腔室 54，并且第一真空腔室M的内部被抽空。这样，能够增强对容纳在第一真空腔室M中且包括线圈36的定子22的绝热。
此外，第二真空腔室56形成在中间圆筒形构件52和电机壳体16之间。第二真空腔室56由圆筒形空间形成。第二真空腔室56以及第一真空腔室M均处于真空状态。中间圆筒形构件52期望地设置有孔，所述孔在第一真空腔室M和第二真空腔室56之间提供流体连通。这样，包括线圈36且容纳在第一真空腔室M中的定子22额外地通过第二真空腔室56与电机的外部隔离。因此，能够进一步增强对包括线圈36的定子22的绝热效果。另外，制冷机14固定到构成超导电机10的电机主体12。下面，将参照图3和图 4描述制冷机14的基本构造。图3是示出了应用于本实施例的制冷机14的基本构造的视图，其中所述制冷机14处于所有细管66都成直线延伸的状态。图4是沿着图3中的线条 IV-IV获得的剖视图。制冷机14是自由活塞斯特林冷却器(FPSC)。制冷机14具有多个用于流动制冷剂气体的细管66。即，制冷机14包括压力振动源58、蓄冷装置68、相控制器62、 第二活塞容纳部分70以及多根细管66。压力振动源58设置在制冷机14的一个端部处，并且用作制冷机驱动源。蓄冷装置68被称作冷头(cold head)，并且所述蓄冷装置68的一个端部部分固定到压力振动源58。相控制器62设置在制冷机14的另一个端部处。第二活塞容纳部分70的一个端部部分固定到相控制器62。多根细管66连接在蓄冷装置68和第二活塞容纳部分70之间。多根细管66用作多个冷却部分，并且所述多根细管66由具有较高导热系数的材料形成。蓄冷介质(未示出)设置在蓄冷装置68的内部。另外，蓄冷装置68 和第二活塞容纳部分70都具有绝热结构，使得蓄冷装置68和第二活塞容纳部分70的外侧部都被绝热材料覆盖。制冷机14具有第一活塞74。第一活塞74在压力振动源58的汽缸72中成直线地往复运动，并且所述第一活塞74用作驱动活塞。汽缸72中的空间通过蓄冷装置68的内部与多根细管66的内部流体连通。另外，制冷机14还具有第二活塞78。第二活塞78在第二活塞容纳部分70的汽缸76中成直线地往复运动，并且所述第二活塞78被称作膨胀活塞或者从动活塞。汽缸76中的空间与用作低温侧热交换部分的多根细管66的内部流体连通。 制冷剂气体(例如，氦气)填充在位于第一活塞74和第二活塞78之间的内部空间中，所述内部空间包括多根细管66。S卩，细管66每一个都构造成使低温冷却剂气体在其内部流动。另外，压力振动源58和第二活塞容纳部分70布置成相互面对，使得活塞74和78 的运动方向沿着同一条直线。第一活塞74例如连接到直线电机等的动子(未示出)，所述动子构成压力振动源58，并且直线电机用于使第一活塞74在汽缸72内部往复运动。随着第一活塞74的往复运动，冷却剂气体的压力在压力振动源58的气缸72内变化。由于压力变化，由盘簧、板簧等(未示出)所形成的弹性件悬挂在相控制器62的内部中的第二活塞 78也受控地(dependently)往复运动。冷却剂气体中的压力变化和位置变化之间的相差可以通过弹性件(未示出)的重量、第二活塞78的重量以及由第一活塞74的往复运动所导致的压力变化来调整。另外，减轻由第二活塞78的往复运动所导致的压力变化的空间设置在相控制器62的内部。这样，该空间与内部布置有第二活塞78的汽缸76内部流体连通， 以便由此能够调整制冷剂气体的压力变化和位置变化之间的相差。利用第一活塞74的往复运动，制冷剂气体绝热地膨胀并且在第二活塞容纳部分 70的靠近细管66的端部部分的一部分处冷却，所以流动通过细管66的内部的制冷剂气体也被冷却。以此种方式，在第一活塞74和第二活塞78之间重复制冷剂气体的压缩和膨胀， 以便冷却制冷剂气体流动通过的细管66。
制冷机14具有这样的冷却性能，所述冷却性能使得可以将由超导线材材料制成的线圈36冷却至期望的低温(例如，大约70开尔文)，在所述低温时线圈36呈现出超导特性。制冷机14的冷却温度可以通过控制第一活塞74的行程来调整。因此，控制单元(未示出)控制第一活塞74的行程。控制单元可以构造成根据超导电机10(图1)的负荷来控制制冷机14的冷却温度。例如，冷却温度可以随着超导电机10的负荷增加而降低。当超导电机10作为推进车辆的驱动源安装在诸如电动车辆的电力驱动车辆上时，由于受限的安装空间和车辆重量的减轻，制冷机14期望地更小且更加轻。当自由活塞斯特林冷却器 (FPSC)被用作如上所述的制冷机14时，所述制冷机14可以减小尺寸且减轻重量。在本实施例中，具有这种基本构造的制冷机14固定到电机主体12(图1)。S卩，如图1中所示，在超导电机10中， 邻构成制冷机14的压力振动源58的圆筒形第一托架60 固定到定位在一个轴向端部处的端板观，并且毗邻构成制冷机14的相控制器62的圆筒形第二托架64固定到定位在另一个轴向端部处的端板30。然后，压力振动源58和第二活塞容纳部分70沿着平行于旋转轴18的旋转轴线X的同一条直线布置，并且布置在电机主体 12的两个轴向侧部上。另外，蓄冷装置68的一个端部部分和第二活塞容纳部分70的一个端部部分分别经由第一托架60的内部和第二托架64的内部突出到第一真空腔室M中。另外，如图2中所示，多根细管66的用作低温侧热交换部分的纵向中心部分两两布置在构成定子芯34的齿槽42中的每个齿槽中。在图2中，在定子22上示出了多个箭头， 并且每个箭头都表示从细管66中的对应的一根细管传递低温的方向。这样，低温通过与细管66接触的接触部分从每根细管66传递到线圈36中对应的一个和定子芯34。这样，多根细管66中的每一根均构造成使得中心部分布置在齿槽42中的对应的一个齿槽中，所以多根细管66的一部分或者全部形成为使得中心部分弯曲成基本曲柄等的形状。如上所述，压力振动源58和第二活塞容纳部分70都布置在电机主体12的两个轴向侧上。然而，本实施例并不局限于此种构造。压力振动源58和第二活塞容纳部分70在沿着圆周方向彼此不同的位置上(例如直径方向上的相对侧部处的位置上)设置在一对端板观和30中的仅仅一侧的端板观(或30)上。压力振动源58和第二活塞容纳部分70可以设置在沿着圆周方向彼此不同的位置上，例如在直径方向上处于相对侧部处的位置，即， 在电机主体12的两个轴向侧部上相对于旋转轴18对称的位置。另外，在包括布置在齿槽42中的对应的一个齿槽中的中心部分的一部分处，每根细管66均具有直线部分80。直线部分80用作沿着定子22的轴向方向延伸的延伸部分。 因而，如图2中所示，每个直线部分80均与在后磁轭38的内周表面上的齿槽42中的对应的一个齿槽的底部表面接触，并且与构成线圈36的槽内部分44(图1)的径向外端部部分接触，使得所述每个直线部分80插设所述底部表面和所述径向外端部部分之间。即，每根细管66的直线部分80都布置在齿槽42的底部和在齿槽42中的对应的一个齿槽中的线圈36 之间，以便与线圈36和齿槽42的底部接触，并且与定子芯34和线圈36两者热接触。在上述构造的情况下，设置数量为定子芯34的齿槽42的数量的两倍的细管66。即，低温侧热交换部分由数量至少与定子芯34的齿槽42数量相同的细管66形成。另外，多根细管66中的每一根均平行于旋转轴18布置在齿槽42中的对应的一个齿槽中，并且与线圈36中的对应的一个线圈以及定子芯34热接触，以便冷却定子芯34和线圈36中的对应的一个线圈。 需要注意的是，在本说明书和所附权利要求中“热接触”不仅包括相互传递热量的多个构件之间的直接接触，而且还包括通过具有导热性的构件进行接触。在上述构造的情况下，高温侧热交换部分由布置在电机壳体16外部的第二活塞容纳部分70的端部部分形成。上述制冷机14包括压力振动源58、高温侧热交换部分、蓄冷装置68、低温侧热交换部分和第二活塞78(图3)。在上述超导电机10的情况下，构成制冷机14且低温制冷剂气体在其内部流动的细管66中的每一根的至少一部分与线圈36中的对应的一个线圈和定子芯34热接触。因此，不同于低温固体传热部分通过定子芯与线圈中的对应一个线圈热接触以便冷却线圈中的对应的一个线圈的构造，能够有效地将由超导线材材料制成的线圈36冷却至期望的低温。另外，即使在超导电机10处于高负荷期间或者在超导电机10的过渡电机运转状态中， 细管66也与具有高热容量的定子芯34相接触。因此，可以使定子芯34起到缓冲的功能， 从而有效地防止使用细管66的冷却不能跟从线圈36的温度升高的情况。这样，能够稳定地继续冷却线圈36。结果是，可以有效地产生稳定的超导状态。另外，每根细管66均具有轴向直线部分80，所述轴向直线部分80用作延伸部分， 所述延伸部分在齿槽42中的对应的一个齿槽中沿着定子22的轴向方向延伸，并且每个直线部分80均与定子芯34的齿槽42的底部以及线圈36中的对应的一个线圈接触，以便与线圈36中的对应的一个线圈和定子芯34热接触。通常，超导线圈与构成在正常室温下使用的电机的线圈的铜制电线相比具有极低的导热系数，因此难以均勻地冷却超导线圈。与此相比，根据上述所构造的本实施例，例如，在线圈中，与仅仅冷却线圈端部的构造的情况不同，可以有效地冷却线圈36的槽内部分44，所以易于更加均勻地冷却用作超导线圈的整个线圈36。S卩，可以在降低整个线圈36中的不均衡(biased)的温度分布的同时冷却线圈 36。需要注意的是，在上述描述中，每根细管66均具有仅一个在轴向方向上延伸且被设置在齿槽42中的对应的一个齿槽中的直线部分80。然而，本实施例并不局限于这种构造。同样适用的是，每根细管均具有两个或者更多个布置在齿槽42中的对应的一个齿槽中的直线部分。另外，同样适用的是，每根细管均具有大体U形部分，所述大体U形部分围绕齿40中的对应的一个齿安装，并且所述大体U形部分具有直线部分，所述直线部分在轴向方向上延伸且分别插入到毗邻的齿槽42中。图5是示出了根据不同于本发明的上述方面的比较性实施例的超导电机的轴向剖视图。图6是沿着图5中的线条VI-VI获得的剖视图。根据在图5和图6中示出的比较性实施例的超导电机10与本实施例的结构的超导电机的不同之处在于，代替制冷机14(图 1等)，一对制冷机82设置在电机主体12的两个侧部上。即，与制冷机14不同，每个制冷机82均是自由活塞斯特林冷却器(FPSC)，但是不具有供制冷剂流动的细管，并且所述制冷机82包括气体压缩机84，所述气体压缩机84用作压力振动源；和蓄冷装置86，所述蓄冷装置86用作连接到气体压缩机84的冷却部分。另外，每个蓄冷装置86的远端部分通过固定到端板观或者端板30的圆筒形托架88的内部与盘状的传热构件90接触。每个传热构件90的一侧的表面与线圈端部部分46的轴向外部端部部分接触。以活塞(未示出)在设置于气体压缩机84内部的气缸中往复运动以便重复地压缩和膨胀制冷剂气体的方式，每个制冷机82均通过蓄冷装置86和传热构件90冷却线圈 36。同样在上述构造的情况下，可以冷却线圈36 ；然而，在易于均勻地冷却整个线圈36方面存在改进的空间。另外，每个传热构件90仅使用固态物质将热量传递到待冷却的目标， 这与使用的制冷剂在其内部流动的细管的构造不同，所以在均勻冷却多个线圈36方面存在改进的空间。根据上述的本实施例，可以改进这些应当被改进的点中的任意一个。需要注意的是，在上述描述中，制冷机14是被动(passive)制冷机，在所述被动制冷机中第二活塞78随着第一活塞74的位移而受控地位移。然而，制冷机可以设置有诸如直线电机的第二驱动源，所述第二驱动源在相控制器62的侧部处迫使第二活塞78位移，使得当第一活塞74往复地位移时，第二活塞78以与第一活塞74的往复位移的周期移位大约 90度到120度的相位位移。这种情况下，构造出主动(active)制冷机，并且可以进一步地节能。另外，除了自由活塞斯特林冷却器(FPSC)之外的制冷机可以用作制冷机14。例如，当对制冷机的安装空间和重量方面有限制较小时，例如当超导电机10用作用于诸如电动火车和电动船的大尺寸移动单元的电源时，或者当用于安装位置固定的机器的电源时， 只要制冷机具有多根细管并且具有冷却性能，使得可以将待冷却的目标冷却至低温(例如，大约70开尔文)，那么便可以使用大且重的制冷机。另外，每个都具有细管的斯特林脉管制冷机、GM制冷机等可以用作制冷机。例如， 在脉管制冷机中，取代第二活塞容纳部分70，使用了连接在细管66和相控制器62之间的脉管。在脉管内部没有设置活塞。在脉管制冷机中，通过开启和关闭阀振动压力的结构可以用作压力振动源58。另外，对于GM制冷机，旋转压缩机或者通过开启和关闭阀振动压力的结构可以在自由活塞斯特林冷却器(FPSC)制冷机中用作压力振动源58。另外，在这种结构中，省略相控制器62，并且为连接到细管66的与压力振动源58相对的端部部分的膨胀/ 压缩单元能够往复地位移地提供用作膨胀活塞的位移器。在制冷机运转期间，例如通过诸如步进电机等的电机使位移器往复运动。以此种方式，根据本发明的上述方面，只要制冷机具有制冷剂在其内部流动的细管，那么各种类型的制冷机都可以被用作制冷机。第二实施例图7是示出了根据本发明的第二实施例的超导电机且对应于图2的视图。图8是示出了当从在第二实施例中的定子的径向内侧部向外观察时，在齿槽中的对应的一个齿槽中的每根细管的曲折部分的视图。图9A是图7中的部分IXA的局部省略的放大视图。根据本实施例的超导电机10与第一实施例的不同之处在于，多根细管中的每一根细管都不具有在齿槽42中的对应的一个齿槽中沿着轴向方向在整个长度上延伸的直线部分。替代地，在本实施例中，多根细管92中的每一根在其布置在齿槽42中的对应的一个齿槽中的中心部分处都具有曲折部分94，所述曲折部分94具有曲折的形状。曲折部分94 用作在定子22的轴向方向上延伸的延伸部分。如图8中所示，制冷剂气体在每个曲折部分 94内部流动，并且每个曲折部分94都具有多个周向部分96和多个基本U形的联结部分98。 多个周向部分96沿着定子22的圆周方向(图8中的竖直方向)延伸。每个联结部分98 联结毗邻的周向部分96的端部部分。每个曲折部分1 都作为整体在定子22的轴向方向 (图8中的水平方向)上延伸。另外，在每个曲折部分94中，在定子22的轴向方向上延伸的直线部分100分别联结到定位在齿槽42的两个轴向端部处的周向部分96的端部部分。 直线部分100中的一个的一个端部(图8中的右侧)连接到蓄冷装置68 (图1)，且直线部分100中的另一个的一个端部(图8中的左侧)连接到第二活塞容纳部分70(图1)。
如图9A中所示，在布置于每个齿槽42中的曲折部分94中，在定子22的径向方向上的外周边缘(在图9A中的右端边缘)与齿槽42的底部接触。另外，如图8中所示，在每个曲折部分94的每个周向部分96中，在定子22的圆周方向上的两个端部部分分别与在定子22的径向方向上沿着圆周毗邻的两个线圈36的外端部部分接触。即，每根细管66都插设在两个线圈36的端部部分和定子芯34之间，并且所述每根细管66都与两个线圈36的端部部分和定子芯34热接触。在图8的示例中，每个曲折部分94的每个周向部分96的两个端部部分分别与线圈36接触。另外，如图9A中所示，每个曲折部分94都弯曲成大体圆弧形状，使得当在定子22 的轴向方向上观察时，每个周向部分96都沿着齿槽42的具有圆弧横截面形状的底部排列， 并且每个周向部分96都被压靠在底部上。例如，在每个曲折部分94的自由状态中，即，在每个曲折部分94都从齿槽42中移走的状态中，包括周向部分96并且面对齿槽42底部的圆弧状部分的圆弧的曲率半径可以大于齿槽42的底部的圆弧形状的曲率半径Rl。即，在每个曲折部分94中，朝向定子22的外部径向定向的曲折部分94的外周边缘被弯曲成圆弧形状，并且曲折部分94的外端部圆的一部分或者全部与齿槽42的底部沿着圆周方向相接触。 此外，处于自由状态的每个曲折部分94的外周边缘的直径大于齿槽42的的底部的圆弧横截面形状的直径。在上述构造的情况下，齿槽42的底部和曲折部分94之间的接触压力增力口，因此改进了传热，即，改进了低温的传递效率。还在上述本实施例的情况下，将由超导线材材料形成的线圈36有效地冷却至期望的低温，即使在高负荷期间或者在过渡电机运转状态中，也可以有效地产生稳定的超导状态。另外，每根细管92都具有曲折部分94，所述曲折部分94用作延伸部分，所述延伸部分在齿槽42中的对应的一个齿槽中沿着定子22的轴向方向延伸，并且每个曲折部分94 都与定子芯34的齿槽42的底部以及线圈36接触，以便与定子芯34和线圈36热接触。因此，与仅仅冷却线圈端部的构造不同，每个线圈36的全部部分易于被更加均勻地冷却。艮口， 在降低整个线圈36中的不均衡的温度分布的同时，可以冷却线圈36。另外，如用图7中箭头指示的那样，低温可以从每个曲折部分94传递到线圈36中的对应的两个线圈和定子芯 34。在上述本实施例中，制冷机14的细管92的数量可以等于齿槽42的数量。在通过曲折部分94将低温传递到定子芯34和线圈36的构造的情况下，适当地改变每个曲折部分94 的形状，以调整定子芯34和线圈36之间的冷却分布程度，以便易于调整从制冷机14开始运转时到制冷机14进入到超导态时的时间。因此，能够有效地防止超导状态失效。其它构造和功能与第一实施例中的那些构造和功能相同。 需要注意的是，在本实施例中，在每根细管92的曲折部分94中，可以使在定子22 的在圆周方向上的两个端部部分中的一个或者两个端部部分与齿40的面对曲折部分94的沿着圆周方向的端部部分的对应的一个侧表面或者两个侧表面热接触。例如，具有电绝缘特性的绝缘件(未示出)围绕每个齿40设置，并且每个曲折部分94通过绝缘件与齿40中的对应的一个齿接触，以便由此能够使每个曲折部分94与齿40中的对应的一个齿热接触。 例如，绝缘件可以由高导热系数的材料形成，例如含有填料的树脂，填料例如是硅石、氧化铝以及具有较高导热系数的非磁性材料。在这种情况下，每根细管92都与定子芯34的齿槽42中的对应的一个齿槽的底部、齿40中的对应的两个齿以及线圈36中的对应的两个线圈热接触。需要注意的是，在这种情况下，每个曲折部分94的面对齿40或者面对绝缘件的多个部分形成为平坦部分，以便使所述平坦部分与齿40中的对应的两个齿或者绝缘件面接触，由此能够提高导热系数。另外，如在图9B中示出的另一个示例的情况那样，在每根细管92的曲折部分94和齿槽42中的对应的一个齿槽的底部之间设置有空隙，从而能够使每根细管92与齿40中的对应的两个齿以及线圈36中的对应的一个线圈热接触，而没有使每个曲折部分94与齿槽42中的对应的一个齿槽的底部接触。S卩，每根细管92均可以布置在齿槽42中的对应的一个齿槽中，使得细管92不与后磁轭38接触，而是仅与齿40中的对应的两个齿以及线圈36中的对应的一个线圈热接触。另外，即使当每根细管都不具有曲折部分94时，同样适用的是，布置在齿槽42中的对应的一个齿槽中的每根细管都具有形成为大体U形的U形部分，并且位于所述U形部分的两侧上的平行的直线部分与沿着圆周毗邻的两个齿或者绝缘件以及两个超导线圈热接触。另外，在这种情况下，在每个齿槽42中，在每根细管和后磁轭之间设置空隙，以便能够使每根细管不与后磁轭接触。第三实施例图10是示出了根据本发明的第三实施例的超导电机且对应于图8的视图。图11 是从右侧朝向左侧观察图10时的视图。需要注意的是，在图10中，线圈和曲折部分94之间的重叠部分以透视图示出。在图8示出的第二实施例中，在定子22的圆周方向上的每个曲折部分94的每个周向部分96的两个端部部分分别与线圈36中的沿着圆周方向毗邻的两个线圈的端部部分接触。与此相比，在本实施例中，在设置于齿槽42中的对应的一个齿槽中的曲折部分94中， 设置在沿着定子22的圆周方向的两个端部部分处的大体U形联结部分98被夹在线圈36 的端部部分和齿槽42的底部之间，并且与线圈36的端部部分和定子芯34接触。与在图7 到图9B中示出的第二实施例相比，线圈36的端部部分与U形联结部分98以这种方式相接触增大了线圈36和曲折部分94之间的接触面积，从而能够改进冷却线圈36的冷却性能。 考虑使每个曲折部分94与线圈36相接触的方式和接触部分，以便调整定子芯34和线圈36 之间的冷却分布程度，从而易于调整从制冷机14开始运转到制冷机14进入超导状态的时间。因此，能够有效地防止超导状态失效。其它构造和功能与图7到图9B中示出的第二实施例的那些构造和功能相同。需要注意的是，在本实施例中，在每根细管92的曲折部分94 中，如第二实施例的情况那样，可以使在定子22的圆周方向上的两个端部部分中的一个端部部分或者两个端部部分与齿40的面对曲折部分94的沿着圆周方向的端部部分的对应的一个侧表面或者两个侧表面热接触。第四实施例图12是示出了根据本发明的第四实施例的超导电机且对应于图2的视图。本实施例与图1到图4中示出的第一实施例的不同之处在于，设置了树脂部分102，所述树脂部分102由填充在构成定子芯34的齿槽42中的树脂形成。尽管树脂的类型并不受限制，但是该树脂期望地是具有高导热系数的高导热性树脂，所述树脂包含填料，例如硅石、氧化铝和具有高导热系数的非磁性材料。另外，在被模制在树脂中的状态下，构成每根细管92的直线部分80的布置在齿槽42中的对应一个齿槽中的一部分与齿槽42的底部以及线圈36 中的对应的一个线圈接触，以便插设在齿槽42的底部和线圈36的在定子22的径向方向上的外端部部分之间。
在上述构造的情况下，由树脂部分102形成的附加冷却路径形成在靠近定子22的径向内侧且定位成在齿槽42中的对应的一个齿槽中离开构成制冷机14的每一根细管66 的部分处，所以，与由于树脂部分102产生的将低温从细管66传递到线圈36的部分的传热面积的增大相结合，很难发生线圈36的不均衡的温度分布。另外，更期望地，通过树脂注射模式等消除了线圈36和定子芯34之间的空气层，即，树脂被填充到齿槽42中的每一个齿槽的全部空间中，从而能够获得冷却性能更高的有利效果。其它构造和功能与图1到图4 中示出的第一实施例的那些构造和功能相同。第五实施例图13是示出了根据本发明的第五实施例的超导电机且对应于图2的视图。本实施例与图12示出的第四实施例的不同之处在于，设置在构成定子芯34的对应的齿槽42中的树脂部分102的至少一部分具有空心部分104。每个空心部分104的形状不受限制。例如，如图13中所示，空心部分104设置在齿槽42中的对应的一个齿槽中，所述空心部分104 具有大体椭圆形的横截面形状或者具有将多个矩形横截面部分相互联结的形状，使得所述空心部分104轴向地穿过树脂部分102。然而，空心部分可以形成为不穿过在齿槽42中的对应的一个齿槽中的树脂部分102的形状。另外，在附图的示例中，为齿槽42中的树脂部分102的仅一部分设置空心部分104 ；替代地，可以为齿槽42中的所有树脂部分102设置有空心部分104。在上述构造的情况下，空心部分104设置在设置成填充在对应的齿槽42中的树脂部分102的至少一部分中，以便易于调整将低温从细管66传递到线圈36的传热路径，并且防止热量传递到多余的部分，从而改进冷却线圈36的冷却性能。另外，树脂部分102的热容量可以通过空心部分104来调整，从而易于调整冷却性能。其它构造和功能与图12中示出的第四实施例的那些构造和功能相同。第六实施例图14是示出了根据本发明的第六实施例的超导电机且对应于图2的半部的视图。 本实施例与图1到图4中示出的第一实施例的不同之处在于，具有布置在构成定子芯34的齿槽42中的对应的一个齿槽中的直线部分80的每根细管66，在从齿槽42中的对应的一个齿槽向外突出的部分处具有面对线圈端部的面对部分106。面对线圈端部的面对部分106 布置成面对线圈端部部分46的轴向外端表面部分。在附图的示例中，每根细管66的每个面对线圈端部的面对部分106都具有第一径向部分108、周向部分110和第二径向部分112。 第一径向部分108向定子22的内部径向地弯曲，以便沿着线圈端部部分46的轴向外端表面部分在径向方向上延伸。周向部分110联结到第一径向部分108的径向内端部部分，并且在对应的齿40的圆周中心附近沿着圆周方向延伸。第二径向部分112联结到周向部分 110的与第一径向部分108相对的端部部分，并且向外径向地延伸。因此，周向部分110和第二径向部分112以及第一径向部分108的至少一部分与线圈端部部分46的轴向外侧部表面部分相接触，以便与线圈端部部分46的轴向外侧部表面部分热接触。S卩，每根细管66 都布置成在两个侧部上(在图14的前后方向上的两个侧部上)与线圈端部部分46相接触。利用上述构造，可以进一步改进冷却线圈36的冷却性能，并且可以易于更均勻地冷却整个线圈36。即，可以在降低整个线圈36中的不均衡的温度分布的同时，冷却线圈36。需要注意的是，可以构造成使得每根细管仅仅与一对线圈端部部分46中的一个的轴向外端部部分相接触。其它构造和功能与在图1到图4中示出的第一实施例中的那些构造和功能相同。需要注意的是，使每根细管66与线圈端部部分46的轴向外侧表面部分相接触的部分的结构并不局限于具有例示出的形状的结构；替代地，可以应用多种结构。
需要注意的是，在上述实施例中，本发明的上述方面应用于定子布置在转子的径向外侧部上以便面对转子的内转子结构。然而，本发明的上述方面并不局限于这种构造。本发明的上述方面可以应用于定子布置在转子的径向内侧部以便面对转子的外转子结构。在这种情况下，超导线圈卷绕在外周端部部分处，所述外周端部部分是定子芯的一个径向端部部分。
权利要求
1.一种超导电机(10)，其特征在于，所述超导电机包括 转子(20)，所述转子能够旋转地布置；定子(22)，所述定子布置在所述转子00)的径向方向上，以便面对所述转子00)；和制冷机(14)，所述制冷机具有至少一根细管(66)，低温制冷剂在所述细管的内部流动，其中所述定子02)具有定子芯(34)和多个超导线圈(36)，所述多个超导线圈卷绕在所述定子芯(34)的径向端部部分处，并且所述多个超导线圈由超导线材材料形成，并且所述至少一根细管(66)与所述多个超导线圈(36)中的至少一个超导线圈和所述定子芯(34)热接触。
2.根据权利要求1所述的超导电机(10)，其中所述定子芯(34)具有环形后磁轭(38)；多个齿(40)，所述多个齿从所述后磁轭(38) 的径向端部部分径向地突出；和齿槽(42)，每个所述齿槽均设置在所述多个齿00)中的沿着所述定子0 的圆周方向毗邻的两个齿之间，所述多个超导线圈(36)分别围绕所述齿00)卷绕，所述至少一根细管(66)具有延伸部分，所述延伸部分在所述齿槽G2)中的对应的一个齿槽中沿着所述定子02)的轴向方向延伸，并且所述延伸部分与所述多个超导线圈(36)中的至少一个超导线圈以及所述定子芯(34) 热接触。
3.根据权利要求2所述的超导电机(10)，其中所述延伸部分是直线部分(80)和曲折部分(94)之一。
4.根据权利要求1或者2所述的超导电机(10)，其中所述定子芯(34)具有环形后磁轭(38)；多个齿(40)，所述齿从所述后磁轭(38)的径向端部部分径向地突出；和齿槽(42)，每个所述齿槽均设置在所述多个齿00)中的沿着所述定子02)的圆周方向毗邻的两个齿之间，所述多个超导线圈(36)分别围绕所述齿00)卷绕，并且所述至少一根细管(66)布置成与所述齿槽0 中的对应的一个齿槽的底部以及所述多个超导线圈(36)中的至少一个超导线圈接触。
5.根据权利要求4所述的超导电机(10)，其中所述至少一根细管(66)与所述多个齿00)中的至少一个齿热接触。
6.根据权利要求1或者2所述的超导电机(10)，其中所述定子芯(34)具有环形后磁轭(38)；多个齿(40)，所述多个齿从所述后磁轭(38) 的径向端部部分径向地突出；和齿槽(42)，每个所述齿槽均设置在所述多个齿00)中的沿着所述定子0 的圆周方向毗邻的两个齿之间，所述多个超导线圈(36)分别围绕所述齿00)卷绕，并且所述至少一根细管(66)布置成不与所述后磁轭(38)接触，并且布置成在所述齿槽 (42)中的对应的一个齿槽中与所述多个齿GO)中的至少一个齿以及所述多个超导线圈 (36)中的至少一个超导线圈热接触。
7.根据权利要求2所述的超导电机(10)，其中所述定子0 布置在所述转子(20)的径向外侧部上，以便面对所述转子00)，所述定子芯(34)具有所述环形后磁轭(38)；所述多个齿(40)，所述多个齿从所述后磁轭(38)的内周端部部分径向地突出；和所述齿槽(42)，每个所述齿槽均设置在所述多个齿GO)中的沿着所述定子02)的圆周方向毗邻的两个齿之间，所述至少一根细管(66)具有曲折部分(94)，所述曲折部分用作在所述齿槽0 中的对应的一个齿槽中沿着所述定子02)的轴向方向延伸的延伸部分，并且所述曲折部分(94)的外周边缘的朝向所述定子0 的径向外部的至少一部分与所述齿槽0 中的对应的一个齿槽的底部接触。
8.根据权利要求7所述的超导电机(10)，其中所述曲折部分(94)的面向所述齿槽0 中的对应的一个齿槽的底部的圆弧部分的圆弧的曲率半径，大于所述齿槽0 中的对应的一个齿槽的底部的圆弧形状的曲率半径。
9.根据权利要求1到8中的任一项所述的超导电机(10)，其中在所述齿槽0 中的至少一个齿槽中填充有树脂。
10.根据权利要求1到9中的任一项所述的超导电机(10)，其中所述多个超导线圈(36)中的每一个都具有两个线圈端部部分(46)，所述两个线圈端部部分分别从所述定子芯(34)的两个轴向端面轴向向外地突出，并且所述至少一根细管(66)具有面对线圈端部的面对部分(106)，所述面对部分布置成面对所述两个线圈端部部分G6)中的至少一个线圈端部部分的轴向外端表面部分，并且与所述两个线圈端部部分G6)中的所述至少一个线圈端部部分接触。
全文摘要
一种超导电机(10)，包括转子(20)，所述转子被能够旋转地布置；和定子(22)，所述定子布置在所述转子(20)的径向方向上，以便面对所述转子(20)。所述定子(22)具有多个超导线圈(36)，所述超导线圈卷绕在定子芯(34)的径向端部部分处，并且所述超导线圈由超导线材材料制成。所述超导电机(10)包括制冷机(14)，所述制冷机具有至少一根细管(66)，低温制冷剂在所述细管内流动。至少一根细管(66)与所述线圈(36)中的至少一个线圈和所述定子芯(34)热接触。
文档编号H02K9/08GK102545542SQ20111044596
公开日2012年7月4日 申请日期2011年12月28日 优先权日2010年12月28日
发明者大桥义正, 奥村畅朗, 水谷良治, 石田贤司 申请人:丰田自动车株式会社