专利名称：具有非冷却式转子体、冷却式转子绕组及附属的固定和/或支承装置的电机的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种电机，所述电机具有以可绕旋转轴旋转的方式进行安装 的转子，所述转子
一 包括一非冷却式转子体，所述转子体在其外侧具有空隙或扁平部 分，所述空隙或扁平部分的截面区域内布置有至少一个可冷却至低温的转子 绕组，所述转子绕组布置在具有低温恒温器壁的低温恒温器内，
以及
一 配有一固定和/或支承装置，所述固定和/或支承装置用于通过所 述低温恒温器壁将作用在所述转子绕组上的力传递到所述转子体上， 其中，
— 所述固定和/或支承装置包括至少一个支承元件，借助所述支承元 件可以实现从所述转子体到所述转子绕组的热传导。
背景技术：
DE 10 2004 039 855 Al中公开过相应的电机。
在具有冷却至80 K以下低温的转子绕组尤其是超导转子绕组的旋转电 ^/L中，转矩部分地产生在转子的冷绕组上。为能对这部分转矩加以利用，需 要将被利用的转矩传递到热轴上。适合完成这一任务的装置一方面须具有传 递这种转矩(大型电机中的这种转矩的大小可达到几百kNm)的能力，另一 方面，超导转子绕组的固定装置须具有良好的绝热性能。只有在绝热性能充 分良好的情况下，才有可能通过有限的冷却措施将转子绕组保持在实现超导 所需的低温下。
4在现有技术的已知电机中，超导转子绕组由绕组支架固定，而绕组支架
自身又位于中央支架芯部上。DE 199 43 783 Al中公开过这种布置方式。这 种电机的转子绕组、绕组支架和支架芯部处于实现超导所需的低温下。这种 类型的电机由于冷支承结构规模较大而需要;f艮长的冷却时间，因而需要使用 高效冷却系统。W0 98/02053中^Hf过另一种这个类型的电^L。
鉴于上述技术问题，对于大型电机而言有利的做法是，转子绕组的至少 一部分支承结构不要冷却至实现超导所需的低温温度，即使用一个至少局部 为高温的支承结构。例如，DE 10 2004 039 855中/>开过这种结构类型的电 机。在这种类型的电机中，超导转子绕组位于低温恒温器内，这个低温恒温 器位于非冷却式转子体外侧的相应空隙中或相应扁平部分上。在这种具有所 谓的热支承结构的电机中，有必要借助适当的固定和/或支承装置将冷却至 低温的超导转子绕组固定在热转子体上。DE 103 03 307 Al中公开过这种固 定和/或支承装置。
在这些现有技术的已知电机中，从处于低温的超导转子绕组经固定和/ 或支承装置的不同部件而实现的热传导会引起损耗。为能在转子绕组区域内 保持实现超导所需的低温，须通过冷却系统将适当的冷却能量传输到电机的 这些区i或内。
发明内容
本发明的目的是对开篇所述类型的电机的超导转子绕组的固定和/或支 承装置进行改进，以便减小从冷超导转子绕组到非冷却式转子体的热传导所 引起的损耗。
根据本发明，这个目的通过权利要求1所述的特征而达成。据此，所述 电机具有一以可绕旋转轴旋转的方式进行安装的转子，所述转子具有一非冷 却式转子体，所述转子体在其外侧具有空隙或扁平部分，在这些空隙或扁平 部分的截面区域内，所述待冷却转子绕组被布置在低温恒温器内，此外所述 电机的转子还配有一固定和/或支承装置，所述固定和/或支承装置用于通过所述低温恒温器壁将作用在所述转子绕组上的力传递到所述转子体上。此 外，所述固定和/或支承装置包括至少一个支承元件，借助所述支承元件可 以实现从所述转子体到所述转子绕组的热传导。根据本发明，所述的至少一 个支承元件具有用于减小热导率的构件，所述构件构成了至少一部分垂直于 传热方向的截面。
通过本发明的措施可以减小从冷转子绕组到热转子体的热传导所引起 的损耗。
本发明的措施的优点在于可以减小电机冷却系统的尺寸。在此情况下， 对热传导所引起的冷却损失的最小化会对电机效率产生积极的效果。
本发明的电机的有利建构方案由权利要求1的从属权利要求说明。其中， 可将权利要求1所述的实施方式与一个或优选两个以上的从属权利要求的特
征相结合。据此，本发明的电机还可有利地具有下列特征
_支承元件可安装在转子绕组与低温恒温器壁之间或低温恒温器壁 与转子体之间。通过本发明的这一措施可选择性地减小转子绕组与低温恒温 器壁之间或低温恒温器壁与转子体之间的热损失。
_电机的固定和/或支承装置可包括一个以上的支承元件，这些支承 元件中的至少一个支承元件安装在转子绕组与低温恒温器壁之间，至少一另 个支承元件安装在低温恒温器壁与转子体之间。通过这种结构可以实现两级 式冷却系统，在这种冷却系统中，低温恒温器壁所处的温度优选介于冷转子 绕组的温度与转子体的温度之间。通过这种方式可使传热损失进一步最小 化。
—作为用于减小热导率的构件，支承元件可具有方向基本垂直于传热 方向的层状结构。借助通过该层状结构而实现的热阻可进一步减小支承元件 在传热方向上的热导率。相比于将支承元件实施为由不良导热材料构成的实
心元件而言，il 状结构可进一步减小导热率<
6一支承元件的层状结构可进一步建构为，支承元件通过多个单独的元 件而形成，这些单独的元件接合成一个整体形成热阻。通过这种方式可在产 生于各元件之间的界面上进一步形成热阻。
—此外，支承元件的这些单独的元件优选可由玻璃纤维增强塑料构 成。其优点在于，玻璃纤维增强塑料不仅强度大，而且还具有低的热导率。
_支承元件可实施为由玻璃纤维增强塑料构成的组件，并可具有通过 塑料中的玻璃纤维层而产生的层状结构。借此可有利地通过玻璃纤维增强塑 料的微观结构实现上文所述的热阻作用方式。借此在各玻璃纤维层上形成热 阻。
—此外，支承元件可用多孔材料制成，所述多孔材料优选为烧结材料。 借此可通过存在于多孔材料内的空腔实现热阻，而无需借助上文所述的组件 的分层结构。
—支承元件进一步建构为具有必要的抵抗压力负荷的能力。 —电机的转子绕组可用超导材料制成。相比常导转子绕组而言，由于 将超导体用作转子绕组材料，使电机具有更为紧凑的结构。
_可将HTC材料用作超导材料。HTC材料是指临界温度较高的超导材 料(高Te材料)。所述临界温度通常高于氮的沸点。通过对高温超导体的应 用，可将价格低廉而又容易获得的氮用作冷却剂。
_此外还可将LTC材料用作超导材料。LTC材料指的是用于低温超导 体(低T。超导体)的材料。这类材料所经历的技术试验历史长于HTC材料， 因而具有良好的可用性。
本发明的电机的其他有利建构方案可从上文未涉及的从属权利要求和 附图中获得。
，；，、、 、、 。，、$ 、.，；、、、，、 、 作进一步说明，其中
7图1为现有^t术中的转子元件的截面图2为固定和/或支承装置的优选实施方式，所述固定和/或支承装置包 括至少一个本发明的支承元件；以及
图3至图5为本发明的支承元件的优选实施方式。
具体实施例方式
相同部件在各附图中用相同参考符号表示。
图1以截面图形式显示如DE 10 2004 039 855 Al中所^^开的电^/L的转 子2。 IO表示的是一个以可绕轴A旋转的方式进行安装的非冷却式转子体， 这个转子体优选可用铁磁材料(特别是例如铁)制成。转子体10在其外侧 具有彼此相对布置的空隙或扁平部分lla、 llb。从截面看，这些空隙或扁平 部分可以呈弓形，并沿轴向(即平行于转子体的轴A)延伸。也可根据此处 未详细说明的其它方式对这些空隙进行建构。在所述空隙或扁平部分朝向旋 转轴的一侧，转子体10上安装有底板12a、 12b，从截面看，这些底板沿着 弦或割线延伸。从截面看，用14a、 14b表示的壁段使所述弓形完整。这些 壁段与底板12a、 12b—起构成低温恒温器13a、 13b。低温恒温器13a、 13b 内部布置有整体用16表示的一个励》兹绕组的至少部分的转子绕组16a、 16b。 转子绕组16a、 16b可建构为跑道式，尤其是可由两个或多个组装式部件构 成。特别地，励磁绕组16的转子绕组16a、 16b可用超导材料制成。特别是 YBCO可作为超导材料使用。在使用YBCO或BPSCCO作为超导材料的情况下， 可使用液氮、液氦或液氖作为冷却剂将转子绕组16a、 16b冷却至实现超导 所需的温度。此外，可借助整体用17表示的固定和/或支承装置的轨形或槽 形固定元件17a、 17b将转子绕组16a、 16b安装在^f氐温恒温器13a和13b中。 固定和/或支承装置17特别地可包括用于吸收压力和/或拉力的支承元件 18a、 18b。
图2显示的是整体用3表示的电机的一个部分，在这个电机中，转子绕 组16a、 16b通过多个支7 义元件21至23与一个热转子体IO相连。转子绕组16a、 16b特定而言可建构为跑道式，并至少部分地用超导材料制成。转子绕 组16a、 16b位于如图1所示的低温恒温器内部，这个低温恒温器的低温恒 温器壁20 —般位于热转子芯10与转子绕组16a、 16b之间。在此情况下， 本发明的支承元件21、 22可选择性地位于热转子芯10与低温恒温器壁20 之间，或位于低温恒温器壁20与冷转子绕组16之间。
根据本发明，支承元件21至23配有用于减小从热转子芯10到冷转子 绕组16a、 16b的热流W的措施。下文将结合图3至图5对这些措施进行详 细说明。此外，支承元件可建构为，其经过低温恒温器壁20将冷转子绕组 16a、 16b与热转子芯IO连接起来。这种实施方式在图2中用23表示。在此 情况下，支承元件23可实施为两部分。第一部分连接转子绕组16和低温恒 温器壁20,第二部分连接低温恒温器壁20和转子芯10。作为替代方案，支 承元件23也可实施成一个整体，这个组件将冷转子绕组16和热转子芯10 直接相连。本发明的支承元件21至23的可选的使用方式并不仅限于图2所 示的实施方式2。转子绕组16、低温恒温器壁20与转子芯IO之间可设置多 种不同的几何结构。也可使用不同数量的支承元件21至23。特别地，低温 恒温器壁也可直接抵靠在转子芯10上，或者由转子芯构成。
图3显示的是本发明的支承元件整体用4表示的实施方式的示意图。其 中，支承元件4具有方向基本垂直于热流W的方向的层状结构。支承元件4 用不良导热材料制成，例如玻璃纤维增强塑料。所述玻璃纤维增强塑料由基 质31和嵌入在基质31中的分层32构成。基质31可由合成树脂或浇铸树脂 构成，嵌入式分层32可由玻璃纤维构成。根据本发明，这些嵌入式玻璃纤 维构成热流W的热阻。其中，本发明的支承元件4并不仅限于使用上述材料， 还可以使用多种不同的构成基质31的材料，例如聚合物、金属、合金等等。 嵌入在基质31内的分层也可由多种不同的材料构成。可以使用各种纤维材 料，但也可使用由导热性能不同于基质的材料构成的分层。作为上述基质/ 分层结构的替代方案，支承元件4也可由多个单独的元件31构成，这些单
9独的元件接合成一个组件，从而形成热阻32。
图4显示的是本发明的支承元件整体用5表示的另一实施方式。这个实 施方式结合了上述的各热阻形成方案。支承元件5由两个或多个单独的元件 41构成，这些单独的元件接合成一个组件5形成宏观热阻42。这些单独的 元件41自身也可具有一个包括基质44和嵌入式微观热阻43的分层结构。 各热阻的总和为支承元件5的总热阻。微观热阻43例如由嵌入式玻璃纤维 毡形成。这些嵌入式玻璃纤维毡位于例如由合成树脂或浇铸树脂构成的不良 导热基质44中。所述单独的元件41又进而接合成支承元件5形成宏观热阻 42。通过这种方式可将微观热阻和宏观热阻的效果结合起来。
图5显示的是本发明的支持装置整体用6表示的另一优选实施方式。支 承元件6由多孔材料构成；特定而言，为此可用粒状材料例如珠光体或其它 烧结材料。在这个实施方式中，位于基质51中的孔隙52构成热流W的热阻。
所述支承元件在热流W的优选方向上的空间延伸度可以大于其在垂直于 热流W的优选方向上的空间延伸度。此外，通过对支承元件的结构和/或所 用材料进行选择，还可使支承元件优选具有吸收压力的能力。
本发明的支承元件特定而言可在具有冷却式超导转子绕组的电机中用 作冷超导转子绕组的固定和/或支承装置的部件。这类电机可以用作电动机 或发电机。这种配有超导转子绕组^由如"ffi洽$ ,i,
绕组的可类比电机的已知应用领域。
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权利要求
1. 一种电机，所述电机具有以可绕旋转轴旋转的方式进行安装的转子，所述转子包括一个非冷却式转子体，所述转子体在其外侧具有空隙或扁平部分，这些空隙或扁平部分的截面区域内布置有至少一个待冷却至低温的转子绕组，所述转子绕组安置在具有低温恒温器壁的低温恒温器内，以及具有一个固定和/或支承装置，所述固定和/或支承装置用于经所述低温恒温器壁将作用在所述转子绕组上的力传递到所述转子体上，其中，所述固定和/或支承装置包括至少一个支承元件，所述支承元件用以实现从所述转子体到所述转子绕组的热传导，其特征在于，所述的至少一个支承元件具有用于减小热导率的构件，所述构件构成至少一部分垂直于传热方向的截面。
2. 根据权利要求l所述的电机，其特征在于，所述的至少一个支承元件安装在所述转子绕组与所述低温恒温器壁之间，或安装在所述低温恒温器壁与所述转子体之间。
3. 根据权利要求1所述的电机，其特征在于，所述固定和/或支承装置包括两个或多个支承元件，其中，至少一个支承元件安装在所述转子绕组与所述低温恒温器壁之间，至少一个支承元件安装在所述低温恒温器壁与所述转子体之间。
4. 根据权利要求1至3中任一项权利要求所述的电机，其特征在于，作为所述用于减小热导率的构件，所述支承元件具有方向基本垂直于所述传热方向的层状结构或分层结构。
5. 根据权利要求4所述的电机，其特征在于，所述支承元件的层状结构由两个或多个单独的元件构成，这些单独的元件通过其彼此间的接触面接合成一个整体从而形成热阻。
6. 根据权利要求5所述的电机，其特征在于，所述支承元件的各单独的元件由玻璃纤维增强塑料构成。
7. 根据权利要求4所述的电机，其特征在于，所述支承元件为由玻璃纤维增强塑料构成的组件，所述支承元件的层状结构通过所述玻璃纤维增强塑料内的玻璃纤维的相应布置而产生。
8. 根据权利要求1至3中任一项权利要求所述的电机，其特征在于，所述的至少一个支承元件用多孔材料制成。
9. 根据权利要求8所述的电机，其特征在于，所述多孔材料为粒状材料或烧结材料。
10. 根据上述权利要求中任一项权利要求所述的电机，其特征在于，所述支承元件必要地受到压力负荷。
11. 根据上述权利要求中任一项权利要求所述的电机，其特征在于，所述的至少一个转子绕组由超导材料构成。
12. 根据权利要求11所述的电机，其特征在于，所述超导材料为LTC材料。
13. 根据权利要求11所述的电机，其特征在于，所述超导材料为HTC材料。
全文摘要
本发明涉及一种电机，所述电机具有一个以可绕旋转轴旋转的方式进行安装的未冷却转子，所述转子在其外侧具有空隙或扁平部分。这些扁平部分的截面区域内布置有至少一个待冷却至低温的转子绕组，所述转子绕组布置在具有低温恒温器壁的低温恒温器内。一固定和/或支承装置用于将作用在所述转子绕组上的力越过所述低温恒温器壁传递到所述转子体上。为减小冷却系统中由于热传导而产生的损耗，所述固定和/或支承装置包括至少一个支承元件，所述支承元件具有减小热导率的构件。
文档编号H02K55/00GK101467339SQ200780022096
公开日2009年6月24日 申请日期2007年5月4日 优先权日2006年6月12日
发明者彼得·范哈塞尔特, 迈克尔·弗兰克 申请人:西门子公司