专利名称：具有多段转子芯的高温超导同步转子线圈的制作方法
背景技术：
本发明一般涉及同步转动电机中的超导场线圈绕组，特别涉及在同步电机中支撑超导场线圈绕组组件的转子芯。
具有转子场线圈绕组的同步电机包括，但不限于转动发电机、转动电动机和线性电动机。这些电机一般包括电磁耦合的定子和转子。该转子可包括一多极转子芯和装在该转子芯上的一个或多个场线圈绕组。该转子芯可包括实心透磁材料如一种铁芯转子。
同步电机的转子中通常使用公知的铜线绕组。但是，铜线绕组的电阻(尽管常规测量很低)足以造成该转子发热而降低该电机的能源效率。新近，已开发出用于转子的超导(SC)场线圈绕组。由于SC绕组实际无任何电阻，因此是极优良的转子线圈绕组。
铁芯转子在气隙磁场强度约2特斯拉时饱和。公知的超导转子使用空气芯设计，转子中没有铁，因此获得了3特斯拉或更高的气隙磁场强度。这些高气隙磁场强度产生了增加的电机的功率密度，使得电机的重量和大小大大减小。空气芯超导转子需要大量超导导线。大量SC导线增加了所需线圈数、该绕组支撑的复杂性和SC线圈绕组和转子的成本。
高温SC转子场线圈绕组由脆性材料构成，为达到并保持超导性必需将该高温SC转子场线圈绕组冷却到不高于比方说27°K的临界温度。该SC绕组可由高温超导材料如基于BSCCO(BixSrxCaxCuxOx)的导体构成。
高温超导(HTS)绕组因高的抗弯曲和抗拉伸应变的降级而受影响。这些线圈必需承受使绕组受压应力和变形的明显的离心力。电机正常操作在几年时间中包括了上千次开机和关机，导致了该转子的低周期疲劳载荷。此外，该HTS转子线圈应能承受在室温下进行转子平衡程序时的25％超速运转，以及发电时在制冷温度下偶然的超速状态。这些超速状态比正常运转状态增加了作用在该转子线圈绕组上的离心力。
用作电机的HTS转子场线圈绕组的SC线圈在冷却和正常运转时受到应力和应变。这些线圈受到离心力、转矩传递和瞬时故障情况。为承受这些力、应力、应变和周期性载荷，该SC线圈应由绕组支撑系统正确支撑在转子中，这些绕组支撑系统把该SC线圈固定在HTS转子中，确保绕组不受到由于转子转动造成的极大离心力。此外，该绕组支撑系统保护该SC绕组，确保该线圈不过早出现裂缝、疲劳或其他破坏。
在使SC线圈绕组适合于HTS转子方面，对HTS线圈的绕组支撑系统的研制一直是一个困难的挑战。此前提出的用于HTS转子的绕组支撑系统的例子在美国专利No.5,548,168；5,532,663；5,672,921；5,777,420；6,769,353和6,066,906中公开。但是，这些绕组支撑系统受到各种问题困扰，例如昂贵、复杂和需要过量的部件。早就需要一种具有用于SC线圈的绕组支撑系统的HTS转子。还存在对用成本低并且容易制造的部件组成的绕组支撑系统的需要。
本发明概述已研制出用于超导同步电机的一种多段转子芯。该转子芯包括与该转子轴线横交的多个通道。与一超导线圈绕组连接的绕组支撑杆穿过这些通道。该线圈绕组围绕该转子芯伸展，并大致位于一包括该转子轴线的平面中。该转子芯具有靠近该线圈绕组的长边的直边。
该转子芯用若干转子芯段装配而成。这些段一般呈盘形，其横截面呈T形。该转子芯段上有与相邻转子芯段中的凹槽啮合的凸起。该芯段环绕一预制的超导绕组和绕组支撑组装。除了穿过该芯轴的支撑杆通道，该转子芯段组件形成一实心芯。该芯段通过穿过该段组件的连接杆紧固在一起。该连接杆与转子芯轴线平行，伸展在该芯的长度上。
在转子线圈两侧之间伸展的拉杆可提供支撑，使得该线圈承受该转子的离心力。为支撑该线圈的对置两侧，该拉杆穿过转子芯。要求在把拉杆和线圈绕组装到转子芯上前把拉杆和线圈绕组装在一起。但是实心转子芯不容许预先装配绕组和拉件。因此需要一种可把装配好的绕组和拉件装到实心转子芯上的转子芯和装配工艺。
一转子芯段组件容许该转子芯环绕一线圈绕组组件安装。在形成该转子芯组件之前，该线圈绕组组件与绕组支撑装在一起而形成一预制线圈绕组组件。该场线圈和绕组支撑的预装配应减小转子线圈的生产周期、提高绕组支撑质量并减小线圈组件偏差。
该HTS转子可用于最初设计成包括SC线圈的同步电机。该HTS转子也可取代现存的电机如公知发电机中的铜线圈转子。这里以发电机为背景描述该转子及其SC线圈，但该HTS线圈转子也适用于其他同步电机。
在第一实施例中，本发明为一同步电机中的一转子，包括一有一线圈绕组和至少一个在该绕组对置两侧之间伸展的绕组支撑的超导场线圈绕组组件，以及一由多个转子芯段构成的转子芯，每一所述芯段有一供所述绕组支撑插入的凹槽。
在另一实施例中，本发明为一转子芯和绕组组件，包括环绕该绕组组件装配的形成所述转子芯的可分开的转子芯段，其中，所述各芯段在轴向上与所述转子芯对齐，所述绕组组件包括预先装配的一超导场线圈绕组和一中央绕组支撑。
本发明的另一个实施例为一种把一转子芯围绕一超导场线圈绕组组件装配的方法，包括下列步骤在装配转子芯前装配场线圈绕组与绕组支撑，从而制成所述场线圈绕组组件；把多段转子芯段的每一段的一部分插入到所述线圈绕组组件中；把多个转子芯段围绕所述绕组支撑装配；以及紧固转子芯段的组件。
附图简要说明在本说明书中，结合
本发明一实施例。附图包括图1为一具有一超导转子和一定子的同步电机的正视示图；图2为一例示性跑道超导线圈绕组的立体图；图3为一将转子芯与一线圈绕组组装的剖面图；图4为沿图3中4-4线剖取的装配好的转子芯的剖面图；图5为一转子芯端部的立体图；图6为一转子芯段的剖面图；图7为沿图3中7-7线剖取的转子芯的剖面图；和图8为一绕组、一拉杆的一部分和线圈壳体的剖面图。
本发明详述图1示例出一具有一定子12和一转子14的同步发电机10。该转子包括装在该定子圆柱形转子腔16中的场线圈绕组。该转子装在该定子的转子腔中。当转子在定子中转动时，由转子和转子线圈生成的磁场18(虚线所示)穿过该定子转动，从而在定子线圈的绕组19中生成电流。该电流由该发电机作为电源输出。
该转子1有一纵向延伸的轴线20和一通常为实心的多段转子芯22。该转子芯为轴向对齐的端部芯段44和中间芯段46的组件。该芯22的透磁率很高，通常由铁磁材料如铁制成。在低功率密度超导电机中，该转子的芯用来减小磁通势(MMF)，从而减小该线圈绕组所需的SC线圈导线的数量。
该转子14支撑至少一个具有一HTS绕组(见图2)的纵向伸展、跑道形、高温超导(HTS)场线圈绕组组件33。该HTS场线圈绕组也可为适合于HTS转子的具体设计的呈马鞍形或其他形状。本文公开了一用于一跑道SC场线圈绕组的转子场组件和绕组支撑。除了装在实心转子芯上的跑道场线圈绕组，该转子芯组件和绕组支撑也可用于多种绕组结构。
该转子包括一对受轴承25支撑的端轴24、30。该端轴可与外部装置连接。例如，该端轴之一24有与用来冷却转子中的SC场线圈绕组的制冷冷却流体源连接的制冷液传送联轴器26。该制冷液联轴器26包括一与制冷冷却流体源连接的固定部分和把冷却流体提供给HTS绕组的转动部分。该转子的该端24还可包括一与转动SC场线圈绕组电连接的集合器31。该转子另一端轴30可由一动力涡轮机联轴器32驱动。
图2例示出HTS跑道场线圈绕组组件33，包括一场线圈绕组34和一系列在该绕组对置两侧之间伸展的拉杆35(该绕组支撑)。该绕组组件33在插入转子芯前用场线圈绕组33和拉杆35制成。该拉杆支撑该场线圈绕组，使得场线圈绕组能承受电机运转时由转子旋转造成的作用在绕组上的离心力。因此，该拉杆用一绕组壳体36装在绕组上(如图8所示)。该壳体和拉杆限制了该线圈场线圈绕组34的膨胀否则会与拉杆35出现膨胀。
该转子的SC场线圈绕组34包括一高温超导(SC)绕组34。每一SC绕组包括一高温超导导体，例如层压在一实心环氧树脂浸渍的绕组复合体中的BSCCO(BixSrxCaxCuxOx)导线。例如，可把一系列BSCC02223导线层压、粘合在一起后卷成一实心环氧树脂浸渍绕组。
SC导线为脆性，容易受损。该SC绕组一般为用环氧树脂浸渍的层绕SC带。该SC带捆成精确绕组形，实现尺寸紧公差。该SC带以螺旋形绕成跑道SC绕组34。
跑道绕组的尺寸决定于转子芯的尺寸。一般来说，每一跑道SC绕组环绕转子芯的磁极、与转子轴线平行。该场线圈绕组连续环绕该跑道。该SC绕组形成环绕转子芯、在该芯的磁极之间的无电阻电流路径。
该场线圈绕组34中有制冷冷却流体的管路38。这些管路可环绕该SC绕组34的外边缘上。该管路向多孔绕组提供制冷冷却流体和除去该绕组中的热量。该冷却流体在需要促进超导状态、包括在绕组中无电阻的该SC场线圈绕组中保持该低温，例如27°K的低温。该冷却管路在转子芯的一端上有冷却流体的输入和输出口39。这些流体(气体)口39把SC绕组上的冷却管路38连接到制冷流体传送联轴器26上。
每一HTS跑道场线圈绕组34有一对与转子轴线20平行的直边部40和一对与转子轴线垂直的端部42。该场线圈绕组的直边部受到的离芯应力最大。因此，直边部受拉杆和壳体的支撑。这些拉杆和壳体构成抵销作用在绕组上的离心力的绕组支撑系统。
图3为一多段转子芯22和包括跑道超导场线圈绕组34和拉杆35的绕组组件33的示意图。该芯由一般为若干中间段44和一对端段46的多段芯段构成。每一芯段呈半矩形(见图7)，包括一对相对的直边50和一对相对的弧形边52。
装配好后，该芯段的直边50互相对齐，同样弧形边也对齐。两端段之外的中间芯段44的横截面一般呈“T”形(比较图5和6)。端段46的横截面一般呈L形。
该转子芯段围绕绕组组件33装配。每一中间段的窄头45在绕组组件中的相邻两拉杆35之间滑动。端部转子芯段46的窄头在一拉杆35与线圈绕组34的一端42之间滑动。每一芯段有至少一个拉杆凹槽53(中间段44有一对相对的凹槽)，该凹槽与一相对芯段中的凹槽配合时形成一用于拉杆35的孔55。把各转子芯段装配在一起，使得可把装配好的整个绕组组件33(例如包括场线圈绕组34和拉杆35)与转子芯装配成一体。
该芯段44、46可为铁芯锻件。用榫头把各铁芯段装配成同芯和对齐。每一芯段有至少一个嵌入相邻铁芯段上一凹槽56中的凸起54(中间铁芯段有一对相对凸起)。各芯段之间的凸起-凹槽连接使得各芯段在转子芯中对齐。若干连接杆58在转子芯长度上横向穿过连接杆孔60。连接杆的两端上有螺母或其他紧固件把各芯段压紧在一起。
一旦各转子芯段围绕绕组组件装配好，可在场线圈绕组34上装配一真空壳体64。绕组四周的真空便于该绕组实现超导性。该真空壳体在该整个跑道形线圈绕组上形成真空。
尽管以上结合当前看来最实际和优选的实施例说明了本发明，但应指出，本发明不限于所公开实施例，而是相反，本发明应看成覆盖后附权利要求精神内的所有实施例。
权利要求
1.一同步电机中的一转子，包括一有一线圈绕组和至少一个伸展在该绕组相对侧面之间的绕组支撑的超导场线圈绕组组件，以及一由多段转子芯段构成的转子芯，每一所述芯段有一供所述绕组支撑插入的凹槽。
2.根据权利要求1所述的转子，其特征在于，所述多段转子芯段在轴向上与所述转子芯的轴线对齐。
3.根据权利要求1所述的转子，其特征在于，所述转子芯段包括对置端部芯段和至少一个中间芯段。
4.根据权利要求3所述的转子，其特征在于，所述端部芯段的横截面大致呈L形，所述至少一个中间芯段的横截面呈大致T形。
5.根据权利要求3所述的转子，其特征在于，至少一个中间芯段的横截面形状有一窄头，该窄头装在所述绕组支撑的一对杆之间。
6.根据权利要求1所述的转子，其特征在于，进一步包括在所述场线圈绕组上的一真空壳体。
7.一转子芯和绕组组件，包括围绕该绕组组件装配形成的所述转子芯的可分开转子芯段，其中，所述各芯段在所述转子芯中轴向对齐，以及所述绕组组件包括预先装配的一超导场线圈绕组和一绕组支撑，其中，该绕组支撑穿过所述转子芯。
8.根据权利要求7所述的转子，其特征在于，所述转子芯段包括对置端部芯段和至少一个中间芯段。
9.一种把一转子芯环绕一超导场线圈绕组组件安装的方法，包括下列步骤a，在装配转子芯前装配一场线圈绕组与一绕组支撑，从而制成所述场线圈绕组组件；b，把多段转子芯段的每一段的一部分插入所述绕组组件中；c，把多段转子芯段围绕所述绕组支撑安装；以及d，紧固这些转子芯段。
10.根据权利要求9所述的转子芯装配方法，其特征在于，插入多段转子芯段的每一段的一部分包括把所述转子芯段之一的窄头插入在该绕组支撑的相邻两杆之间。
全文摘要
同步电机的一种转子，包括一具有一绕组和至少一个伸展在该绕组两对置侧面之间的绕组支撑的超导场线圈绕组组件，和一由多段转子芯段构成的转子芯，每一所述芯段有一供所述至少一个拉杆插入的拉杆凹槽。
文档编号H02K55/04GK1407699SQ0213019
公开日2003年4月2日 申请日期2002年8月23日 优先权日2001年8月24日
发明者Y·王 申请人:通用电气公司