专利名称：用于同步电机的并绕超导线圈的制作方法
技术领域：
根据能源部的合同第DE-FC36-02GO11100号，美国政府可享有本申请的某些权利。
本发明大体上涉及同步旋转电机中的超导线圈。更具体地说，本发明涉及将超导导线缠绕成两个或多个串联或并联的超导线圈，以用于同步电机或类似设备的超导转子。
背景技术：
具有励磁绕组的同步电机包括但不限于旋转发电机、旋转电动机和线性电动机。这些电机通常包括相互间电磁耦合的定子和转子。转子通常包括多磁极的转子芯和安装在转子芯上的一个或多个励磁绕组。转子芯可包括可透磁的固体材料，例如铁心转子。
除了磁阻电机以外，同步电机的基本特征是可产生与其自身成固定关系的磁通量的转子。换句话说，当转子旋转时，磁通量随转子旋转。在一类带有励磁绕组的同步电机中，由流经设置为形成了磁体的一个或多个线圈的电流而产生了磁通量。各线圈的“磁轴”相互对准，使其磁效应叠加起来。在许多情况下，线圈相互串联地电连接，使得相同的电流流经各线圈。在其它情况下，线圈以并联或串/并联的设置进行连接。当线圈并联连接时，线圈通常位于不同的磁极上。
铜绕组普遍应用于同步电机的转子中。然而，铜绕组的电阻(虽然通过传统措施而较低)足以促成转子的显著发热，并因此降低了同步电机的功率效率。最近已经研发出高温超导(HTS)导线，其可用于转子上的绕组线圈。HTS导线实际上没有电阻，并且非常有利于在缠绕超导(SC)线圈时使用。
为了达到并保持超导性能，必须将SC线圈冷却到临界温度即27K或更低的温度。SC线圈可由液态氦冷却。在冷却SC线圈的绕组以后，热的用过液态氦回复成气态氦，这需要连续的再液化以便进一步冷却SC线圈。然而，再液化存在重大的可靠性问题，并需要极大的辅助功率。
具有包括了SC线圈组件的绕组的同步电机现在是众所周知的。这些电机的励磁绕组通常在每个磁极上具有单个SC线圈组件，SC线圈组件的每个SC线圈串联连接。一种用于发电机的设置包括带有包含单个SC线圈的励磁绕组的转子，该SC线圈穿过通常为磁性的结构芯。在SC线圈中流动的电流产生磁场，而磁通量以正常的方式穿过转子到达定子。也就是说，在转子的旋转期间，来自转子的磁通量在定子中感应出电流，其形成了发电机的输出。
电感可测量对电流变化的阻抗。励磁绕组的电感与整体磁结构的渗透性和匝数的平方成正比。在传统物理学中，增加线圈中的匝数可减少产生给定磁场所需的电流。为了达到相同的磁场，SC线圈需要10倍于传统线圈的匝数，这是因为SC线圈的每匝HTS导线同传统线圈相比只能承载约十分之一的电流(即SC线圈中的100A对比于传统线圈中的1000A到3000A)。另外，线圈的电感与线圈匝数的平方成正比。因此，线圈匝数例如增加10倍会导致整体电感相应地增加100倍。
电网上的大型电气设备的起动和停止会引起电网中的发电机的电流需求的瞬息变化。为了迅速地控制线圈中的电流，具有大电感的线圈需要有高电压的励磁系统。这样，由电网状态的瞬息变化所驱动的励磁电流的任何变化都需要高电压来驱动电流的变化或瞬变电流。由于提供这种高电压所必需的高额定电压的缘故，驱动瞬变电流所需的最终励磁系统往往非常昂贵。
因此，带有SC线圈的典型SC转子很可能具有较高的有效电感，因此要求较高的最大励磁电压。这种较高的最大励磁电压可能导致产生该电压的激励器的成本很高。如果典型SC线圈组件具有两个或多个并联电路，那么穿过用作线圈组件的每个并联线圈的电流将可能具有不同的值。
因此，所需要的是一种具有较低有效电感的带有SC线圈的SC转子，从而消除对用来控制瞬变电流的昂贵的高电压励磁系统的需求。用作线圈组件的若干并联线圈还需要传导基本上相同的电流。
发明内容
本发明的示例性实施例包括超导线圈组件。该超导线圈组件包括多个分支电路。该多个分支电路中的每个分支电路相互间并联地电连接。每个分支电路都设置于结构芯中。该多个分支电路中的每个分支电路均包括由超导导线缠绕而成的线圈和用于为线圈提供电阻的装置。每个分支电路的线圈形成了相对于该多个分支电路的多个线圈。
本发明的其它示例性实施例包括超导转子。超导转子包括具有磁芯的转子芯、从转子芯的相对侧轴向延伸出来并连接在转子芯上的轴，以及设置在转子芯上的线圈组件。该线圈组件是环形的，并设置在与转子芯的旋转轴线重合的平面上。线圈组件设置成当将电流施加到线圈上时形成了转子芯上的磁北极和磁南极。线圈组件包括多个分支电路。该多个分支电路中的每个分支电路相互间并联地电连接。每个分支电路都设置于结构芯中。该多个分支电路中的每个分支电路均包括由超导导线缠绕而成的线圈和用于为线圈提供电阻的装置。每个分支电路的线圈形成了相对于该多个分支电路的多个线圈。
本发明的另一示例性实施例是同步电机，其包括定子、与定子磁耦合的转子、冷却系统、励磁系统、从转子的相对侧轴向延伸出来并连接在转子上的轴，以及线圈组件。冷却系统构造成可将线圈组件保持在约20K到约80K之间的温度。线圈组件包括多个分支电路。该多个分支电路中的每个分支电路相互间并联地电连接。每个分支电路都设置于结构芯中。该多个分支电路中的每个分支电路均包括由超导导线缠绕而成的线圈和用于为线圈提供电阻的装置。每个分支电路的线圈形成了相对于该多个分支电路的多个线圈。
从以下结合附图的描述中可以清楚本发明的上述及其它的目的、特征和优点，其中相同的标号表示相同的零件。
现在来看附图，其中在所有图中相同的标号表示相似的零件。
图1是具有超导转子和定子的同步电机的示意侧视图；图2是超导(SC)线圈组件的一个示例性实施例的透视图；图3是带有线圈组件的SC转子的截面图，该线圈组件包括两个并联电连接的线圈；图4是图3所示线圈组件的一侧的放大图，其显示了用于各线圈的多个匝；图5是图3所示线圈组件中的两个线圈的电路图；图6是具有两个并联电连接线圈的线圈组件的截面图，其显示了围绕着线圈组件的传导涂层和线圈之间的传导板；图7是显示了三个并联电连接线圈的线圈组件的截面图，其显示围绕着线圈组件的传导涂层；图8是显示图7所示线圈组件的电路图；图9是带有形成了线圈组件的三个并联电连接线圈的SC转子的截面图，其中各线圈相互间隔开；图10是串联地堆叠在线圈组件中的六个相邻线圈的截面图；图11是显示了平衡电阻器的设置的示意图，其设置在转子的集电器端轴上，并与三个并联电连接线圈中的相应线圈电连接；和图12是显示了平衡电阻器的设置的示意图，其远离转子的集电器端轴，并与三个并联电连接线圈中的相应线圈电连接。
图中各标号含义如下10同步电机；12定子；14转子；16圆柱形的转子气穴；18磁场；19定子线圈；20轴线；22转子芯；24集电器端轴；25轴承；26制冷剂传送接头；30驱动端轴；32动力接头；34SC线圈组件；36多个线圈；38流体通道；42北极；44南极；45电磁屏蔽罩；50箭头；78集电环；100电路图；102第一线圈；104第二线圈；111输入端口；112输出端口；114电触头；122第一线圈电阻；124第二线圈电阻；132第一电流平衡电阻器；134第二电流平衡电阻器；137传导板；138传导涂层；191第一分支电路；192第二分支电路；200电路图；201输入端子；202第一线圈；203输出端子；204第二线圈；206第三线圈；222第一线圈电阻；224第二线圈电阻；226第三线圈电阻；232第一电流平衡电阻器；234第二电流平衡电阻器；236第三电流平衡电阻器；260转子轴孔；280励磁系统；282励磁绕组端子；291第一分支电路；292第二分支电路；293第三分支电路；302第一线圈；304第二线圈；306第三线圈；308第四线圈；310第五线圈；312第六线圈。
具体实施例方式
典型的同步电机包括定子和带励磁绕组的转子，其中励磁绕组包括绕在磁结构周围的线圈。定子与转子电磁耦合。超导(SC)转子还包括用来传递扭矩的装置、一个或多个冷却回路、热绝缘系统和电磁屏蔽罩。
图1显示了具有定子12和转子14的示例性同步电机10。转子14设置在定子12的圆柱形的转子气穴16中。转子14具有通常纵向延伸的轴线20和大致实心的转子芯22。转子芯22具有较高的磁导率，并由铁磁材料如铁制成。在低功率密度的超导电机中，转子14的铁芯用于减少磁动势(MMF)，从而减少缠绕线圈所需的HTS导线的数量。转子14支撑了至少一个纵向延伸的环形SC线圈组件34。虽然这个示例性的实施例是同步发电机，但是可以预期其它涉及到利用了SC线圈的设备的示例性实施例也是可行的。其它的示例性实施例例如包括同步电动机。
转子14包括形成了多个线圈36(参见图2)的励磁绕组(未示出)。当电流流经该多个线圈36时，在转子14的周围形成了磁场18(由虚线所示)，其从转子14中径向延伸出来并与转子14形成固定关系。当转子旋转时，线圈组件34所产生的磁场18相对定子12旋转，并在定子线圈19的绕组中产生了电流。该电流是供下游使用的发电机输出。
与转子芯22相连的端轴支撑了转子芯22。转子14包括集电器端轴24和驱动端轴30。集电器端轴24和驱动端轴30均由轴承25支撑。端轴24和30可连接到外部设备上。集电器端轴24包括集电环78，其提供了到多个线圈36中的外部电连接。集电器端轴24还具有适合于与低温冷却流体源相连的制冷剂传送接头26，其中该冷却流体用于冷却转子14上的多个线圈36。动力涡轮通过动力接头32来驱动转子14的驱动端轴30。虽然在上文中描述了两个单独的端轴，但是也可构思出延伸穿过转子芯22的一根轴。
图2显示了环形SC线圈组件34的一个示例性实施例。该SC线圈组件34包括多个线圈36和围绕着该多个线圈36并用于对其进行低温冷却的流体通道38。线圈36的尺寸依赖于转子芯22的尺寸。通常来说，线圈36环绕着位于转子芯22的相对端处的磁极，并平行于转子轴线20。线圈36形成了环绕转子芯22并位于转子芯磁极之间的电流路径。该多个线圈36具有电触头114，其将该多个线圈36电连接在集电器78上。
流体通道38环绕着多个线圈36的外边缘而延伸。流体通道38为多个线圈36提供了低温冷却流体如氦，并从多个线圈36中带走热量。冷却流体将多个线圈36保持在约20K至约80K的温度，以便有利于超导状态。流体通道38包括分别与制冷剂传送接头26相连的输入端口111和输出端口112。应当理解，虽然只显示了一个流体通道38，但是可构思出任意数量的流体通道，并不限于图中所示的一个流体通道38。
参见图3和4，其显示了转子14的横剖面，其中已经单独地制成了两个线圈102和104并之后将它们粘结在一起，以形成完整的多个线圈36。在转子14的这一示例性实施例中，多个线圈36以环型方式纵向地缠绕在转子芯22的周围。换句话说，通常将多个线圈36设置在对应于端轴24和30的旋转轴线所处的平面中。如上所述，在转子芯22的周围设置多个线圈36可在转子14上形成北极42和南极44。由高传导性的材料如铝或铜制成的电磁屏蔽罩45将转子芯22和多个线圈36封闭起来。应当注意到，图4是图3中转子芯22右侧的第一线圈102和第二线圈104的放大图。应当注意，虽然这一示例性实施例中所示的转子芯22具有两个磁极，但是可以预期，本说明书也可适用于包括超过两个磁极的其它示例性实施例。另外，虽然示例性实施例中的转子芯22由磁性材料制成，但是应当注意的是，在备选实施例中可构思出非磁性的结构。
图5显示了图3所示多个线圈36的电路图100。电路图100包括并联电连接的第一分支电路191和第二分支电路192。第一分支电路191包括具有第一线圈电阻122的第一线圈102和串联的第一电流平衡电阻器132。第二个分支电路192包括具有第二线圈电阻124的第二线圈104和串联的第二电流平衡电阻器134。箭头50表明电流流经电路的方向。
图6显示了将传导板137设置在第一线圈102和第二线圈104之间的备选的示例性实施例。传导板137增强了从多个线圈36的未露出表面中的散热，以保持第一线圈102和第二线圈104的温度均匀。另外，在多个线圈36的露出表面上设有传导涂层138。传导板137和传导涂层138由铜材料制成，然而也可使用其它高传导性的材料。
图7显示了将第一线圈202、第二线圈204和第三线圈206并联连接但装配到多个线圈36的单个整体组件中的备选的示例性实施例。这一示例性实施例的传导涂层138设置在多个线圈36的露出表面上。
图8显示了图7所示多个线圈36的电路图200。电路图200包括并联电连接的第一分支电路291、第二分支电路292和第三分支电路293。第一分支电路291包括具有第一线圈电阻222的第一线圈202和串联的第一电流平衡电阻器232。第二个分支电路292包括具有第二线圈电阻224的第二线圈204和串联的第二电流平衡电阻器234。第三分支电路293包括具有第三线圈电阻226的第三线圈206和串联的第三电流平衡电阻器236。箭头50表明电流流经电路的方向。
图9显示了将多个线圈36以不同的排列设置在转子芯22周围的转子14的备选示例性实施例。第一线圈202、第二线圈204和第三线圈206如图3所示地并联电连接，但物理上相互间隔开。在这种情况下，采用不同结构的流体通道38来进行冷却。
图10显示了六个以“薄煎饼”样式缠绕的相邻线圈。薄煎饼样式指一种例如将第一线圈302、第二线圈304、第三线圈306、第四线圈308、第五线圈310和第六线圈312以串联堆叠的方式一个设在另一个上的布置。缠绕成薄煎饼样式结构的线圈302-312包括缠绕各线圈以使它们在第一方向A上具有许多匝的深度，但在第二方向B上只有一匝的宽度，其中第二方向B大致垂直于第一方向A。这样，各线圈缠绕成使其所有匝共面。各线圈还彼此平行，并以与相邻线圈形成热接触的方式堆叠起来，使得各线圈的最大表面区域暴露于另一相邻线圈的最大表面区域。该堆叠件在第二方向B上延伸。可在绕线设备上容易地形成各线圈，其中工程师可选择以串联、并联或串并联的一定组合的方式来连接线圈，从而形成多个线圈36。在本发明的示例性实施例中，选择了并联或串并联的线圈布置。当使用两个或三个并联组时，可使线圈交错以更完全地保证磁对称。在一个示例性实施例中，可将第一线圈302、第三线圈306和第五线圈310串联连接，而将第二线圈304、第四线圈308和第六线圈312串联连接。这样，串联的第一线圈302、第三线圈306和第五线圈310与串联连接的第二线圈304、第四线圈308和第六线圈312并联。在另一示例性实施例中，串联连接的第一线圈302和第四线圈308形成了第一分支电路，串联连接的第二线圈304和第五线圈310形成了第二分支电路，而串联连接的第三线圈306和第六线圈312形成了第三分支电路。第一、第二和第三分支电路进行电连接，使得各分支电路相互间并联起来。
再次来看图8，在各线圈中存在有瞬变电流和直流电(DC)。DC对于稳态扭矩和有效功率的传送是必需的。瞬变电流对于根据负载、功率输入、功率因数或电压的变化来改变机器状态是必须的。各线圈的电感很大，以至于其在所有实用频率下的阻抗处于比总电阻更大的数量级，该总电阻对应于各线圈电阻222，224和226以及各电流平衡电阻器232，234和236的总和。由于机器状态的变化所引起的励磁电压上的任意变化都会施加到并联连接的各线圈上，并且各线圈中的瞬变电流的变化率相等(在线圈的电感对称极限内)。直流或缓慢变化的电流由各个电流平衡电阻器232，234和236来平衡。
各电流平衡电阻器232，234和236选择成具有比相应线圈202，204和206的对应线圈电阻222，224和226大得多的电阻。各电流平衡电阻器232，234和236还选择成可在各并联分支电路291，292和293中保证平衡的电阻。各并联分支电路291，292和293之间的电阻净差异希望最大为约1％。各电流平衡电阻器232，234和236还选择成具有足够小的电阻，以保证在各电流平衡电阻器232，234和236中不会耗散大量的功率。耗散在各电流平衡电阻器232，234和236中的功率产生的热量增加了由流体通道38所提供的低温冷却系统上的热负荷。
图11显示了将各电流平衡电阻器232，234和236设置在集电器端轴24的转子轴孔260中的实施例。转子轴孔260包括集电器端轴24的空腔。该空腔沿着集电器端轴24的旋转轴线延伸穿过集电器端轴24的中心部分。箭头50显示了电流从励磁系统280(参见图12)穿过设置在集电器端轴24上的励磁绕组终端282并进入各个并联分支电路291，292和293中的流动方向。将各电流平衡电阻器232，234和236设置在转子轴孔260内要求去除热量，以及与也穿过转子轴孔260的低温冷却系统隔离开。因而，根据一个备选的示例性实施例，如图12所示，也可将电流平衡电阻器232，234和236与转子轴孔260分开来安装。
图12显示了与集电器端轴24分开来安装并可选择地与励磁系统280一起设在单独的设备箱中的各个电流平衡电阻器232，234和236。励磁系统280经由励磁绕组终端282而为线圈202，204和206提供励磁电压，产生在箭头50的方向上流动的电流。应当理解，如果具有“n”个并联支路，那么必须有至少“n+1”个励磁绕组终端282，以便为各并联支路中的电流提供通路。
举例来说，本发明与包含3N个匝的可承载电流“i”的单个基准线圈的比较将说明把各个分支电路291，292和293如图8所示地并联设置的效果。假设图8中的各线圈202，204和206包含N个匝，并与其它线圈并联连接。这样，如果电流I从输入端子201流入电路至输出端子203，那么各电流平衡电阻器222，224和226将电流I分成对三个相等的电流i1，i2和i3，其流过各个相应的并联分支电路291，292和293。由于流经各线圈202，204和206的电流产生了通量，因此各线圈202，204和206在一定程度上与各个其它线圈磁耦合。根据安培定律，各线圈中的通量与另一线圈部分地相关。线圈202的总磁链可通过因线圈202的自感L202导致的分量(由线圈202中的电流引起的线圈202的磁链(λ202))、因互感M204导致的分量(由线圈204中的电流引起的线圈202的磁链(λ202))以及因互感M206导致的分量(由线圈206中的电流引起的线圈202的磁链(λ202))来表征。这样，各线圈202，204和206的整体磁链由下述矩阵关系来限定λ202λ204λ206=L202M204M206M202L204M206M202M204L206i1i2i3]]>各电流平衡电阻器232，234和236保证了i1＝i2＝i3＝I/3。这样，线圈202的磁链为λ202=L202+M204+M2063*I.]]>假设线圈由于共同的磁极结构而以较高的程度磁耦合，那么自感和互感实际上是相等的，即(L202＝M204＝M206)。这样，视在线圈电感(L)(磁链与终端电流之比)为L＝λ202/I＝L202。
本说明书中的各线圈202，204和206都具有比以上提到的单个基准线圈少三分之一的匝数。电感与匝数的平方成正比。另外，串联电感的有效电感是串联电感的总和。例如，如果具有电感L的各线圈202，204和206串联连接，那么有效电感是3L。然而，如果具有电感L的各线圈202，204和206并联连接，那么有效电感是L/3。这样，本说明书中的各线圈即线圈202具有为各线圈串联设置时的电感的九分之一的自感。
线圈结构的瞬变特性对线圈结构的励磁系统的额定电流和电压有显著影响。各线圈202，204和206的并联连接需要三倍的在多个线圈36的终端处所提供的电流，以保证各线圈202，204和206具有适当的电流。在瞬变过程中，施加在多个线圈36上以影响电流的某一变化的电压是e=LdIdt]]>这样，由于多个线圈36的有效电感是串联值的九分之一，并且电流大了三倍，因此整体效果是，影响电流的一定变化所需的电压是在串联连接设置中影响该一定变化所需的电压的三分之一。电压的减少意味着只需要较低的可能影响励磁系统280的额定值、构造和成本的励磁电压。
另外，虽然已经参照示例性的实施例来描述了本发明，但是本领域的技术人员应当理解，在不脱离本发明范围的条件下，可进行各种变化并用等效设置来替代其零件。另外，在不脱离本发明的基本范围的条件下，可作出许多改动以使本发明所授知识适应特定的情况或材料。因此，本发明并不局限于所构思的作为实施本发明的最佳模式所公开的特定实施例，相反，本发明将包括属于所附权利要求范围内的所有实施例。而且，用语“第一”、“第二”等的使用并不表示任何次序或重要性，而只是使用用语“第一”、“第二”等来区别零件。
权利要求
1.一种超导线圈组件(34)，包括多个分支电路，所述多个分支电路中的每个分支电路(191，192，291，292，293)相互间并联地电连接，所述每个分支电路(191，192，291，292，293)都设置于结构芯中，所述多个分支电路中的每个分支电路(191，192，291，292，293)都包括由超导导线缠绕而成的线圈(102，104，202，204，206，302，304，306，308，310，312)；和用于为所述线圈(102，104，202，204，206，302，304，306，308，310，312)提供电阻(122，124，222，224，226)的装置，其中，所述每个分支电路(191，192，291，292，293)的所述线圈(102，104，202，204，206，302，304，306，308，310，312)形成了相对于所述多个分支电路的多个线圈(36)。
2.根据权利要求1所述的超导线圈组件(34)，其特征在于，所述芯设置在同步电机(10)的转子处，并且所述芯是磁芯。
3.根据权利要求1所述的超导线圈组件(34)，其特征在于，用于提供所述电阻(122，124，222，224，226)的所述装置具有比所述线圈(102，104，202，204，206，302，304，306，308，310，312)的电阻(122，124，222，224，226)更大的电阻(122，124，222，224，226)。
4.根据权利要求1所述的超导线圈组件(34)，其特征在于，用于提供所述电阻(122，124，222，224，226)的所述装置包括电流平衡电阻器(132，134，232，234，236)，其选择成可保证所述每个分支电路(191，192，291，292，293)之间的净电流差异小于约1％。
5.根据权利要求4所述的超导线圈组件(34)，其特征在于，所述每个分支电路(191，192，291，292，293)还包括至少一个与所述电流平衡电阻器(132，134，232，234，236)串联连接的额外线圈(102，104，202，204，206，302，304，306，308，310，312)。
6.根据权利要求1所述的超导线圈组件(34)，其特征在于，所述多个线圈(36)通过冷却系统而保持在约20K到约80K之间的温度。
7.根据权利要求1所述的超导线圈组件(34)，其特征在于，所述多个线圈(36)的每个所述线圈(102，104，202，204，206，302，304，306，308，310，312)设置成相互间串联地堆叠起来。
8.根据权利要求7所述的超导线圈组件(34)，其特征在于，在所述多个线圈(36)的露出表面上设有热传导涂层(138)。
9.根据权利要求8所述的超导线圈组件(34)，其特征在于，在每个所述线圈(102，104，202，204，206，302，304，306，308，310，312)之间设有热传导板(137)，以增强所述多个线圈(36)的散热。
10.根据权利要求8所述的超导线圈组件(34)，其特征在于，所述冷却系统与所述热传导涂层(138)和所述热传导板(137)热接触。
全文摘要
一种超导线圈组件(34)，包括多个分支电路。所述多个分支电路中的每个分支电路(191，192，291，292，293)相互并联地电连接。每个分支电路(191，192，291，292，293)都设置在结构芯中。多个分支电路中的每个分支电路(191，192，291，292，293)都包括由超导导线缠绕而成的线圈(102，104，202，204，206，302，304，306，308，310，312)，以及与线圈(102，104，202，204，206，302，304，306，308，310，312)串联电连接的电阻装置。每个分支电路(191，192，291，292，293)的线圈(102，104，202，204，206，302，304，306，308，310，312)形成了相对于所述多个分支电路的多个线圈(36)。
文档编号H02K3/02GK1787336SQ20051010769
公开日2006年6月14日 申请日期2005年9月30日 优先权日2004年12月7日
发明者E·T·拉斯卡里斯, J·M·福加蒂, X·黄, J·W·布雷 申请人:通用电气公司