用于冷却高极性的转子的冷却设备的制作方法

本发明涉及一种用于冷却电机的能围绕旋转轴线旋转支承的转子的冷却设备，其中，转子由中央的转子轴承载并且包括处于转子轴内部的用于容纳冷却剂的空腔。

由现有技术已知电机，它们配设有用于冷却旋转的电线圈绕组的冷却设备。尤其是具有超导转子绕组的电机通常配有冷却设备，其中，在中央转子轴内部的冷却剂，如液氮、液氦或者液氖可以按照热虹吸原理循环并且由此从转子中排出热量。通过这些冷却系统可以将超导线圈绕组、尤其是超导的旋转的励磁绕组冷却到处于超导体的转变温度以下的运行温度并且保持在所述运行温度。

在这些已知的冷却设备中，转子轴的端部区域通常用于从固定的散热设备将液化的冷却剂例如通过伸入转子轴中的固定的冷却剂管馈送到转子轴的内部空间中。从转子轴的内部空间出发，冷却剂可以通过单独的径向管路到达线圈绕组的径向更靠外的位置。这种冷却设备例如由ep2603968a1已知。

这些已知的冷却设备优选适用于冷却只具有较少数量的线圈绕组的电机。而对于具有较多数量的线圈绕组的高极性的电机，将本身的径向冷却剂管路用于每个线圈绕组会导致非常高的设备耗费。出于此原因，对于例如用于风力发电机或者水力发电机中的高极性电机，建议备选的冷却方案。这种备选的冷却设备在ep2521252a1中描述。在此，冷却设备具有多个与转子共同旋转的冷却头。需要从线圈绕组排走的热量通过热管路排出到实心的、与冷却头热学连接的铜元件中。由此完全避免了冷却剂馈送到转子轴中并且冷却剂分布在径向靠外的位置中。然而，这种冷却方案的缺点是，敏感和较重的冷却头必须设计用于较高的旋转速度。另一缺点在于，通过用于线圈散热的实心铜元件产生相对较高的共同旋转的附加质量。

因此，本发明所要解决的技术问题在于，提供一种用于冷却电机的转子的避免前述缺点的冷却设备。尤其应提供一种冷却设备，其中避免在转子上布置共同旋转的冷却头。此外，冷却设备应具有相对较小的重量并且具有尽可能少数量的径向冷却剂管路。冷却设备应尤其适用于高极性电机的转子。本发明所要解决的另一技术问题在于，提供一种具有这种冷却设备的转子或者电机。

该技术问题按本发明通过具有权利要求1所述特征的冷却设备以及具有权利要求14所述特征的转子和具有权利要求15所述特征的电机解决。

按照本发明的冷却设备设计用于冷却电机的能围绕旋转轴线旋转支承的转子，其中，转子由中央的转子轴承载并且包括处于转子轴内部的用于容纳冷却剂的空腔。冷却设备具有至少一个从空腔径向向外延伸的第一冷却剂管路和通过第一冷却剂管路与空腔连接的环形的第一分配器管路。

按照本发明的冷却设备的主要优点在于，通过环形的分配器管路实现了这种可能性，即也能以简单的方式有效地冷却具有较多数量的电线圈的转子。由转子轴的空腔、径向冷却剂管路和环形的分配器管路组成的管路系统实现了液态或者气态的冷却剂朝向需要被冷却的转子区域的循环。通过将环形的分配器管路用于冷却剂，有利地不需要将单独的径向冷却剂输入管路用于每个线圈绕组。与传统的具有实心铜元件的高极性电机的转子相比，通过使用液态或者气态的冷却剂可以减小冷却设备的重量。

冷却剂可以例如在轴向较远的区域内馈送到转子轴中。在此，冷却剂在封闭的循环中循环，其中，在转子中蒸发的冷却剂可以在静态地布置于转子外部的冷却头上再次冷凝。因为由此不需要共同旋转的冷却头，所以可以相对已知的高极性转子简化结构并且提高冷却头的使用寿命以及维护间隔。

即使线圈数量较多，冷却剂通过环形的分配器管路的分配也能允许对布置在转子上的电线圈进行均匀的冷却。相对于具有用于每个线圈的单独径向冷却剂管路的实施形式可以明显降低复杂度、重量和材料耗费。

按照本发明的转子配备有按照本发明的冷却设备。按照本发明的电机具有按照本发明的转子，所述转子具有这种按照本发明的冷却设备。按照本发明的转子和按照本发明的电机的优点与冷却设备的所述优点类似。

本发明的有利的设计方案和扩展设计由权利要求1的从属权利要求得出。在此，冷却设备的特征可以有利地与转子和电机的特征相结合。

所述环形的第一分配器管路可以作为封闭的环形管路围绕旋转轴线同心地布置。在这种实施形式中，以简单的方式实现了冷却剂朝向转子的所有方位角位置的运输。在此，不同的方位角位置理解为在转子的旋转方向上的不同角位置。环形的第一分配器管路为此尤其可以设计为圆形的环形管路。

所述转子可以具有多个处于不同的方位角位置上的电线圈。在此，每个线圈可以与线圈冷却管热耦合，所述线圈冷却管分别通过出口与环形的第一分配器管路流体连接。在这种实施形式中，冷却剂可以通过环形的分配器管路朝向单独线圈的不同方位角位置运输，其中，冷却剂接着沿轴向通过从分配器管路分支出来的线圈冷却管到达线圈绕组的区域中。线圈冷却管可以在不同的方位角位置上从分配器管路分支出来并且将冷却剂例如沿轴向运输到待散热的区域中。在此，包含在线圈冷却管中的冷却剂与电线圈的热耦合能够以不同的方式实现。例如，电线圈的绕组可以机械式地与线圈冷却管的外侧直接相连。作为备选或补充，线圈绕组可以通过导热的铜件与线圈冷却管相连。另一可能的备选方案是将线圈冷却管嵌入线圈绕组的绕组支架中。在此，绕组支架可以有利地由导热良好的材料构成。

所述第一分配器管路的管横截面可以设计为大于单独的线圈冷却管的管横截面。由此可以实现冷却剂在环形的分配器管路中的均匀分配。在不同的方位角位置上分支出来的线圈冷却管可以在很大程度上均匀地通流，由此可以实现对并排布置的电线圈的均匀冷却。例如，第一分配器管路的管横截面积可以有利地是单独的线圈冷却管的管横截面积的至少两倍、尤其是至少四倍。在存在第二分配器管路和一个或多个第二径向冷却剂管路时，管横截面积的所述有利比例类似地适用。

第一分配器管路的管横截面的尺寸可以与第一径向冷却剂管路的管横截面相似。例如，这两个管横截面之差不大于两个横截面积中较大的横截面积的50％。

有利地，每个线圈可以通过单独的线圈冷却管与环形的第一分配器管路热学相连。由此可以实现不同的电线圈的特别均匀的冷却，因为冷却剂平行地流过不同线圈的待冷却区域。因此，不同线圈的区域中的冷却剂处于相对统一的温度水平上。由此，与冷却剂依次流过线圈相比，在使用更少的冷却剂量的情况下实现了均匀的温度。

作为对前述实施形式的备选，单独的线圈可以组合为冷却组，其中，每个冷却组的线圈可以与共同的线圈冷却管热耦合。在这种实施形式中，可进一步降低总共需要的冷却剂管数量。也减少了在环形管路上所需的分支的数量，由此降低了冷却设备的复杂度。转子的电线圈例如可以分为确定数量的相同尺寸的冷却剂组。例如总是可以将每两个、四个或者更多的电线圈组合为一个冷却剂组。在每个冷却剂组的电线圈的数量相对较少、例如二至四个电线圈时，仍能够以此方式实现不同线圈的相对均匀的温度分布。在这种实施形式中，分别有二至四个电线圈串联地被冷却剂通流，而相应的冷却剂组彼此平行地被冷却剂通流。这导致在均匀的温度分布与冷却设备的复杂度之间形成了有利的折中。

冷却设备通常可以特别有利地具有至少一个由空腔径向向外延伸的第二冷却剂管路和通过第二冷却剂管路与空腔流体连接的环形的第二分配器管路。例如，环形的第一分配器管路在此可以设计用于将冷却剂运输至电线圈，并且环形的第二分配器管路可以设计用于将冷却剂运输回转子轴的空腔。第一径向冷却剂管路用于将冷却剂馈送到第一分配器管路，并且第二径向冷却剂管路用于将冷却剂从第二分配器管路运输回转子轴的空腔。在这种具有两个分隔开的用于两个流动方向的环形分配器管路的实施形式中，能够以简单的方式实现经过待冷却的线圈区域的封闭的冷却剂循环。

环形的第一分配器管路和第二分配器管路能够以彼此不同的径向间距分别同中心地围绕旋转轴线布置。由此可以特别有利地实现两个环形的分配器管路的几何分隔，由此可以简化单独线圈的从环形管路分支出来的线圈冷却管的导引。特别有利的是，环形的第一分配器管路设计用于将冷却剂馈送到待冷却区域中并且布置在比用于往回运输冷却剂的环形的第二分配器管路径向更靠外的位置上。以此方式可以将旋转时形成的离心力用于促进冷却剂在冷却循环方向上的分布。作为备选或补充，两个环形的分配器管路也可以彼此轴向错移。

所述冷却设备可以有利地具有处于空腔与第一分配器管路之间的多个第一径向冷却剂管路以及处于空腔与第二分配器管路之间的多个第二径向冷却剂管路。以此方式提供了多条径向的冷却剂路径，以便沿两个流动方向运输冷却剂。因此通过两个环形的分配器管路使冷却剂更容易均匀分配，而不需要过多数量的径向管路。

在具有多个第一和第二径向冷却剂管路的所述实施形式中，所述第一和/或第二径向冷却剂管路可以分别在方位角上均匀分布地布置。通过这种实施形式，实现了冷却剂通过第一和/或第二分配器管路的特别均匀的分配。此外，这种布局有利于整个转子的均匀平衡。

有利地，第一径向冷却剂管路的数量可以和第二径向冷却剂管路的数量相同。在此，第一径向冷却剂管路和第二径向冷却剂管路可以沿方位角的方向分别交替地围绕旋转轴线布置。通过这种实施形式，可以实现在不同的电线圈上的特别均匀的温度分布，因为在此冷却剂在不同的方位角位置上总共经过的路程被补偿。换而言之，对于每个电线圈形成本身的平行的冷却剂路径，该冷却剂路径的经过径向冷却剂管路、两个环形的分配器管路和线圈冷却管的总长度总体上几乎相同。在环形的第一分配器管路上具有更短连接的电线圈同时具有在环形的第二分配器管路上更长的连接，并且反之亦然。

作为对前述实施形式的备选，每个第一径向冷却剂管路和每个第二径向冷却剂管路可以成对地彼此平行地导引。例如这种管路对的两个管路可以沿轴向略微错移地并排导引。在此，它们可以例如通过共同包围两个管路的真空绝缘件和/或超绝缘层共同地相对于外部环境热绝缘。作为备选，这种对的第一和第二径向冷却剂管路也可以彼此同中心地导引。例如，用于将冷却剂回引至空腔中的第二径向冷却剂管路可以同中心地包围用于将冷却剂馈送到转子中的第一径向冷却剂管路。通过这种对流布置，可以改善第一径向冷却剂管路中的仍较冷的冷却剂相对于外部环境的热绝缘。

在用于具有多个电线圈的转子的冷却设备中，线圈的数量可以有利地至少是第一径向冷却剂管路的数量的两倍。因此，相比各个电线圈的单独耦合，有利地减少了径向冷却剂管路的数量。特别有利地，线圈数量与第一径向冷却剂管路的数量之比还可以明显更大，所述比例尤其可以是至少4:1，特别优选甚至是至少10:1。在所述数量比例时，通过至少一个环形的分配器管路能够特别大程度地降低冷却系统的复杂度。

特别有利的是，所述冷却设备使用在具有较高数量电极的转子中。例如，电线圈的数量一般可以是至少20，特别有利的是至少40。第一和/或第二径向冷却剂管路的数量在此有利地分别处于2至10之间，特别有利地处于3至6之间。

冷却设备的冷却剂可以例如包括氮、氦和/或氖。通过所述物质能够以不同的压力范围达到制冷剂运行温度的相对较大的范围。

冷却设备的不同管，也就是例如径向冷却剂管路、环形的连接管路和/或线圈冷却管可以单独地、或者也可以共同地相对于外部环境热绝缘。这例如可以通过环绕的真空绝缘件和/或通过一个或多个超级绝缘层实现。

转子的电线圈一般可以是具有超导线圈绕组的线圈，尤其是具有高温超导线圈绕组的线圈。

电机例如可以是指发动机或者电动机。

以下参照附图根据一些优选实施例描述本发明。在附图中：

图1示出按照第一实施例的具有冷却设备的转子的示意性立体图；

图2示出按照第二实施例的转子的示意性纵截面；

图3示出按照第三实施例的转子的第二连接管路区域内的示意性横截面；并且

图4示出按照第四实施例的转子的第二连接管路区域内的示意性横截面。

图1以示意性立体图示出电机的按照本发明第一实施例的具有冷却设备的转子1。所述转子1由转子轴3承载并且与转子轴共同围绕中央旋转轴线2旋转。因此，转子体4围绕转子轴3布置在径向外部。转子体4具有多个电线圈12i，所述电线圈12i在本实施例中设计为超导的线圈绕组。在此是指具有高温超导材料的绕组。超导的绕组通过冷却设备冷却到处于其转变温度以下的运行温度。为了保持所述运行温度，需要持续地从线圈12i的区域中排走热量。在所示实施例中指的是具有较高极数的电机。这种高极性的转子例如可以使用在用于由风力或者水力产生电流的发电机中。在所示实施例中，转子总共具有56个电线圈，它们沿方位角方向并排地布置。它们在转子体4内部与转子轴3间隔相对较大的径向距离地布置。

转子1的冷却设备借助液化的或者气态的冷却剂6冷却电线圈12i。在此，在所示实施例中冷却剂指的是液化的氖。所述氖在轴向距离较远并且固定地布置在转子轴外部的冷却头上冷凝，然后馈送到转子轴3的内部空间中。在所示区域中，其在转子轴3的内部空间中扩展为空腔5，在所述空腔中具有冷却剂6的贮存器。总地来说，冷却剂6在贮存器5与未显示的固定的冷却头之间在封闭的循环中例如按照热虹吸原理循环。冷却剂6进入转子轴3的馈送过程能够以不同方式进行，例如通过可自由到达的第一轴端部3a进行。然而备选地，冷却剂也可以在转子轴3的处于轴向内部的区域中径向地馈送到转子轴3的内部。

由处于内部空腔5中的液化冷却剂6的贮存器出发，冷却剂通过多个第一径向冷却剂管路7a径向向外地运输。通过所述第一径向冷却剂管路7a，冷却剂到达第一分配器管路11a。所述第一分配器管路11a设计为环形的封闭的管路。因此通过所述分配器管路，液化的冷却剂6可以在转子3的径向外部区域中到达所有的方位角位置。在这些不同的方位角位置上，分配器管路11a配设有多个出口15i，该多个出口15i出于直观性原因未在图1中画出。通过所述出口15i，液化的冷却剂到达待冷却的电线圈12i的这个区域中，冷却剂可以从所述这个区域通过在此同样未示出的入口17i回到第二分配器管路11b中。所述第二分配器管路11b与第一分配器管路11a类似地设计为环形的封闭的管路。所述第二分配器管路11b与用于收集在电线圈12i的区域中变热的并且在此可能部分蒸发的冷却剂6。由此变热的冷却剂从第二分配器管路11b通过多个第二径向冷却剂管路7b回到转子轴3内部的空腔5中。因此，通过由两个环形的分配器管路和多个径向冷却剂管路组成的系统在内部空腔5与待冷却的转子区域之间形成封闭循环。在图1的例子中，分别显示了四个第一径向冷却剂管路7a和同样四个第二径向冷却剂管路7b。这四个第一径向冷却剂管路7a和四个第二径向冷却剂管路7b分别成对地组合，其中，每个第一和每个第二径向冷却剂管路形成一对。得到的四对管路以轮辐状的构造均匀地围绕旋转轴线2布置，因此对于管路7a和7b形成总共四重的对称性。径向冷却剂管路7a和7b的数量在此明显小于电线圈的数量。因此，相比线圈12i分别与本身的管路耦合，明显降低了系统的复杂度和所需管路的数量。尽管如此仍能通过环形的分配器管路11a和11b实现线圈12i通过冷却剂6的相对均匀的迎流。因此，能够将超导线圈冷却到相对彼此类似的运行温度上。

图2示出类似的转子1的示意性纵截面，该转子1例如可以与图1所示的转子类似地设计。所述截面示出两个相对置的、分别由一个第一径向冷却剂管路7a和一根第二径向冷却剂管路7b组成的对的区域。所述两个冷却剂管路分别连接在环形的第一或第二分配器管路11a和11b上。在图2的截面图中可以看出，出口15i从环形的第一分配器管路11a中分支出来，第一分配器管路11a通过出口15i与线圈冷却管13i流体连接。所述线圈冷却管13i热学地接触电线圈12i的区域并因此冷却线圈绕组，以便将超导的导体材料冷却到其运行温度。线圈冷却管13i贯穿回环形式的线圈12i的区域并且在其端部与第二分配器管路11b的入口17i相连。由此，在此期间变热的冷却剂6回到循环中。第二实施例的转子不仅在所示的剖切平面中，而且在所有布置有电线圈12i的方位角位置中具有这些出口15i、线圈冷却管13i和入口17i。在此，每个电线圈12i配置有本身的出口15i、本身的线圈冷却管13i和本身的入口17i。例如又能够以这种方式平行地冷却20至100个这种电线圈，优选至少40个这种线圈。为此只需要较少的径向冷却剂管路。第一径向冷却剂管路7a以及第二径向冷却剂管路7b的数量在此分别可以有利地在二至八个之间。

如在图1和图2的实施例中所示，转子轴2内部的空腔5不必在转子轴2的整个轴向长度上延伸。与馈送冷却剂6的第一轴端部3a邻接地，在此首先具有空心的轴区段3c，在该空心的轴区段3c中布置有空腔5。与空心的轴区段3c邻接地具有实心的轴区段3d，由此实现比在连续的空心轴情况下更高的转子轴机械稳定性。在所示实施例中，与区域3d邻接地具有另一空心的轴区段3e，然而该另一空心的轴区段3e不设计用于冷却剂的循环，而是用于转子所需的其它功能性，例如用于铺设液压管路。

图3示出按照本发明的第三实施例的转子1在环形的分配器管路11a和11b的区域中的示意形横截面。在此只呈现了不同管路的拓扑结构，转子的其余部件出于清晰原因被省去。第一分配器管路11a通过三个第一径向冷却剂管路7a与转子轴的空腔5流体相连。同样地，环形的第二分配器管路11b通过三个第二径向冷却剂管路7b与空腔5相连。在此，第一径向冷却剂管路7a分别与第二径向冷却剂管路7b共同地导引，其中，第二径向冷却剂管路7b分别同中心地包围第一径向冷却剂管路7a。冷却剂的流动方向在图3中通过箭头表示。在此，第一冷却剂管路7a分别设计为输入管路，而第二冷却剂管路7b分别设计为返回管路。仍液化的较冷的冷却剂6在管路7a的内部运输并且按照对流原理的方式由回流到第二径向冷却剂管路7b中的冷却剂包围。由此已经实现相对于仍较热的外部环境的热绝缘。附加地，所有管路、也就是径向冷却剂管路7a和7b、分配器管路11a和11b以及由此分支出的线圈冷却管13i被其它的绝缘件包绕。由图3可以看出，两个环形的分配器管路11a和11b布置在不同的半径上。在此，用作冷却剂输入管路的第一分配器管路11a布置得比用于返回的分配器管路11b更靠外。两个分配器管路11a和11b中的每一个管路通过24个分支与相应的线圈冷却管相连，所述线圈冷却管导引至单独的电线圈。所述分支设计为第一分配器管路11a的出口15i和第二分配器管路11b的入口17i。在图3的例子中，24个邻接的线圈冷却管中的每个线圈冷却管用于冷却分别具有两个电线圈的组，线圈冷却管的冷却剂依次地流过所述电线圈。

图3所示的第一和第二径向冷却剂管路7a和7b的成对布置特别有利于尽可能多地降低所需的轮辐状径向连接的数量。在所示的各三个轮辐状布置的连接中，已经在管数量较少的同时形成了有利的机械力分布。入口和出口15i和17i的数量与径向冷却剂管路7a和7b的数量之比在此为8:1。在此，对于不同的入口和出口15i和17i形成不同的流动情况。示例性地在图3中标记第一出口15ˋ和第一入口17ˋ，它们两者对于径向冷却剂管路7a和7b相对较近。因此，对于相应的方位角位置上的电线圈，形成相对较短的用于冷却剂的总流动路径。与之不同，在图3中用15〝标记第二出口和用17〝标记第二入口，它们的方位角位置距离径向冷却剂管路7a和7b明显地更远。因此，对于配属于分支15〝和17〝的线圈，存在总体上明显更长的用于冷却剂6的流动路径。为了补偿用于冷却不同线圈的流动情况并且尽管如此仍达到尽可能均匀的运行温度分布，可以采取不同的措施。例如有利的是，第一和第二管路11a和11b的管横截面大于分别与其邻接的线圈冷却管13i的管横截面。这两个管横截面的比一般可以有利地为至少2:1。此外，分配器管路11a和11b的管横截面也可以在环形管路的周向上改变。因此，横截面例如可以在距离较远的分支15〝和17〝的区域内设计为比在径向冷却剂管路7a和7b附近更大。分支的横截面也可以改变，以便由此适配流动阻力。

图4示出按照本发明的第四实施例的两个分配器管路11a和11b的类似的示意性横截面。在本实施例中，两个分配器管路11a和11b分别又通过三个第一或者第二径向冷却剂管路7a或者7b连接在空腔5上。在此，第一径向冷却剂管路7a也分别设计为冷却剂输入管路，第二径向冷却剂管路分别设计为冷却剂返回管路，这通过箭头在附图中示出。然而，来回的管路在此不成对地导引，而是交替地分布在不同的角位置上。由此总共需要更多的轮辐状连接，但在本实施变型方案中在不同线圈的不同方位角位置上的流动情况更相似。示例性地在第一分配器管路11a上通过15ˋ标出第一出口，该第一出口靠近输入管路7a。在该处分支出来的线圈冷却管在相应的角位置上通过入口17ˋ通入第二分配器管路11b。然而，第一入口17ˋ与下一个第二径向冷却剂管路17b距离相对较远，因此总共必须通过两个分配器管路11a和11b共同地使整个60°角部段被通流。为了比较，在图4中标记第二出口15〝以及第二入口17〝，它们两者靠近第二径向冷却剂管路7b。在所述角位置上，与冷却剂输入管路7a的连接更长，但与冷却剂返回管路7b的连接相应地更短。总地来说，对于分支15i和17i的不同方位角位置，形成基本上被补偿的流动路径，这使得更容易在不同的线圈12i上形成均匀的温度分布。