专利名称：用于轴与转子在旋转意义上固定连接的扭矩传输装置的制作方法
用于轴与转子在旋转意义上固定连接的扭矩传输装置
本发明涉及一种扭矩传输装置，该装置用于一个轴与一个旋转机 器的转子进行旋转意义上固定的连接，该旋转机器具有多个超导线匝 并且能够被冷却以产生这些线匝的超导状态，该装置具有一个可承载 扭矩的空心体，该空心体能够围绕一个旋转轴线进行旋转并且该空心 体在轴端开放进入一个轴连接之中而在转子端开放进入一个转子连 接之中。
US 6, 873, 079 B2披露了处于一个电动机形式的一种旋转机器， 该电动机具有一个定子与一个转子，转子能够在管状的定子之内围绕 一个旋转轴线旋转。转子配有多个超导线匝并且被冷却至100开尔文 以下，以便使这些超导线匪变为一种超导状态。该转子经由一个扭矩 传输装置(该装置包括由多个部分形成的一个空心体)刚性地连接到 一个轴上，该轴被推进该空心体。这些空心体部分之一是管状的并且 通过一个转子连接而连接到转子上，而另一空心体部分通过一个轴连 接而连接到轴上。这两个空心体部分是由不锈钢制造的并且在它们的 端部经通过钢法兰相互连接。成对地彼此相对的四个托架在每一情形 中被焊到这两个钢法兰的端面上。每对托架具有由玻璃纤维增强塑料 组成的绝缘元件的 一个中间层，以便防止从该空心体(它与轴相连接) 到该转子的热传导。这些绝缘元件包括多个短的圆柱形塑料件，它们 的端面被螺紋连接至这些托架的相互对立的支腿上。因为如果加载剪 力则这些绝缘元件将被毁坏，所以将这些托架安排为同心地围绕该旋 转轴线，以便当引入一个扭矩时，这些绝缘元件仅在这些相对的托架 之间被压缩加载或张力加载。
本发明的目的是提供一种扭矩传输装置，该装置具有简单的设 计，能够被容易地组装，并且在运行使用过程中即使当有大的温度差 异时仍允许扭矩的可靠传输。根据本发明，实现这一目的方式是在该轴连接与该转子连接之 间，该空心体具有一个补偿区，该补偿区在该轴连接与该转子连接之 间能够在轴向的方向上扩张以便补偿由温度差异引起的轴向长度的 变化。
在根据本发明的扭矩传输装置中，该空心体的补偿区使之有可能 对所有轴向的应力进行补偿成，这些应力的发生是因为这些区域与该 轴之间的温度差异，这些区域在高温超导体的情况中必须冷却到例如
IOO开以下的温度，而该轴总体上是处于室温下。通过举例，当使用
一种冷却装置使转子冷却下来时，由于转子的收缩而能够发生这些应 力。在该扭矩传输装置的设计中提供的补偿区使之能够在该转子冷却 下来时对该转子的长度变化进行补偿，而后者在冷却低到对于超导运 行使用所要求的温度的同时或者之后经历了这种长度变化。这还使之 有可能对由于在一个温暖环境中该轴端处的温度增加而引起的扩张 进行补偿。
转子的长度收缩在这种情况下优选地由该补偿区的形状进行适 配。在该补偿区中，优选地对该空心体配围绕该旋转轴线延伸的至少 一个折叠部。在这种情况下该折叠部用于吸收并且补偿可能发生的这 些轴向应力。该折叠部有利地允许在轴向方向上该扭矩传输装置的弹 性的长度变化，其结果是该空心体在该补偿区中能够被压缩或扩张。 根据本发明带有至少一个折叠部的扭矩传输装置的配置显著地加长 了用于在该轴连接与该转子连接之间的热传导的有效距离，因此减少 了该扭矩传输装置的总的导热性。在补偿区中，该空心体优选地处于 一个波紋管的形式。在补偿区中，它可在该轴向方向上依次地向外和 向内交替地被弯曲或被折叠，以产生多个折叠部，这样增加了扭矩传 输装置用于热传递的有效长度，同时还增加了可传输的最大扭矩。
在该优选的改进中，这些折叠部由多个折叠壁形成，这些折叠壁
是以v形或楔形而彼此相对的。这些折叠壁通过一个折回部相互连
接，该折回部优选是弯曲的并且尤其是圆化的。 一个折回部可将两个折叠部彼此连接。这些折叠壁可包括一个锐角。当该转子冷却下来时， 该折回部的曲率可改变，并且这些折叠壁可弯曲，以<更补4尝该轴向应 力。在一个优选的实施方案中，在该补偿区中安排至少三个折叠壁。
至少在补偿区中，该空心体优选地由一种导热不良的材料组成， 这样另外使之有可能减少从轴引入到已经冷却下来的转子的热量。该 扭矩传输装置可整个或部分地由一种纤维增强的塑料(例如一种玻璃 纤维增强的塑料)来产生，它具有的优点是以这种方式形成的空心体 的塑料部分能够在该轴向方向上扩张或收缩并且是导热不良的，尤其 是在该补偿区中。这些增强纤维被方便地包埋在塑料中而使得它们重 叠交叉，以便允许在运行使用过程中作用在该空心体上的这些扭转力 得到良好传输。在这种情况下，这可以是由重叠交叉的增强纤维组成 的一种织物或者是逐一叠放相互交叉的多个增强纤维层。
这种纤维材料也可被包埋在在塑料中，围绕该旋转轴线以螺旋形 放置或缠绕。此外，可将整个元件设计为使得该内部区域能够被抽空， 以实现更好的热绝缘。
可在该补偿区与该转子连接之间提供一个圃柱段，以便将补偿区 定位为与转子连接相比更靠近轴连接。因为在运行使用过程中轴连接
通常比转子连接更热，于是补偿区至少部分地被轴加热，其结果是该 补偿区(它由塑料材料组成)与在该转子连接(尽管该转子已经被冷 却下来)处的空心体的区域相比保持得更为柔韧。
该轴连接和/或该转子连接可以由多个金属元件形成。该轴连接 和/或该转子连接可以是多个金属环或者可以被设计为环形。该轴连 接和/或该转子连接能够被螺紋连接至该空心体上。这些金属元件还 可以被包埋在塑料部分中以将后者连接至该空心体上，这样就能够施 加一个扭矩负载。此外，该轴连接和/或该转子连接优选地具有用于 同多个连接元件进行互锁接合的多个切口 。这些切口可以在轴向方向 或径向方向上以多个凹槽的形式延伸。在这种情况下，在转子和/或轴上的多个凸起、螺栓、销钉等可以作为这些切口中的多个连接元件 进行接合，用于扭矩的传输。这些切口优选地具有一个多边形的截面， 该截面带有多个内圆角。与多个连接元件的互锁接合使得之有可能不 仅将一个扭矩(该扭矩已经被引入扭矩传输装置)可靠地从转子连接
传输至轴连接，而且还减少在一个额外的螺紋连接上的负载，该额外 的螺紋连接被用于提供在轴与轴连接之间以及转子与转子连接之间 的轴向固定。为此目的，轴连接和/或转子连接可具有多个螺紋夹持 部以允许轴连接和/或转子连接被螺紋连接到转子和/或轴上。
该空心体优选地具有 一个实质上旋转对称的形态。根据本发明的 扭矩传输装置能够有利地用于多种旋转机器中，其中该转子配有多个 超导线匝，它们优选地具有一种高温超导材料。可替代地，旋转机器 的一个定子也能够配有多个可冷却的超导线匝。该旋转机器优选地是 一个同步电动机，但还可以是一个发电机或类似机器。转子和/或定 子的这些线匪可优选地被一种适当的冷却装置进行冷却，以便允许在 运行状态中实现这些超导线匝的超导。该冷却装置可以包括适当的装 置以便冷却该旋转机器的各个部分，例如用液氮、气态氦、等等。
以下对附图中展示的示例性实施方案的描述中指明了本发明的
进一步特征与细节，在附图中
图1以透视图示出了一种扭矩传输装置；以及
图2沿该旋转轴线以一个纵断面的形式示出了图1中与一个转子 和一个轴相连接的扭矩传输装置。
图1示出了由一个空心体12形成的一种扭矩传输装置10，该空 心体围绕一个旋转轴线D是实质上旋转对称的。空心体12围绕一个 旋转轴线D界定了一个内部区域14并且开放或者终止在轴端处的一 个轴连接16中以及在转子端的一个转子连接18中。 一个同步电动机 的转子(在图中未展示)可连接至该转子连接18上并且配有多个超 导线匝，这些超导线匝为于它们的超导功能必须被冷却剂以及一种适 当的冷却装置冷却至例如低于100开的温度。轴连接16k连接至一个轴上，该轴被安排在旋转轴线D上但在图中未展示。在运行状态中， 对转子的冷却在该暖的轴连接16与冷却的转子连接18之间导致一个 相当大的温度梯度。该转子的冷却导致它的收缩。因为扭矩传输装置 IO被坚固地连接至转子和轴上，所以根据本发明，这种收缩由空心 体12的一个补偿区的长度变化来进行补偿。根据本发明，空心体12 在轴连接16与转子连接18之间具有一个补偿区20，该补偿区20在 该轴向方向上能够被压缩并且可扩张并且在轴连接16与转子连接18 之间吸收轴向应力。这些应力能够发生是由于该转子冷却至多个超导 体变到它们的超导状态的温度。
在补偿区20中，空心体12配有一个折叠部22，该折叠部围绕旋 转轴线D延伸并且被径向地向外弯曲，以补偿该长度变化并且吸收这 些应力。折叠部22加宽了补偿区20中的空心体12。折叠部22由多 个折叠壁24、 26形成，这些折叠壁是围绕旋转轴线D的环的形式并 且彼此相对形成一个V形。折叠壁24、 26在这种情况下沿空心体12 的圆周通过一个圆形折回部28被相互连接。当转子比轴冷时，于是 在轴向方向上转子收缩并且该空心体扩张，其中彼此相对形成V形的 折叠壁24、 26被这些轴向应力轻微弯曲和/或在折叠壁24、 26之间 的夹角被增大。
除轴连接16和转子连接18之外，扭矩传输装置IO是由一种导 热不良的塑料例如环氧树脂形成，其中重叠并且交叉地包埋在一种纤 维材料。轴连接16与转子连接18包括多个钢环并且被螺紋连接至空 心体12的对立端，该空心体是处于一种塑料零件的形式。在该补偿 区中，因为空心体12是由一种导热不良的塑料生产的，所以从该轴 到该冷却的转子所引入的热可保持在低点。此外，将由热能量穿行的 距离与一种管状的或圆锥形的空心体相比经过折叠壁26、折回部28 与折叠壁24而被加长。 一个进一步的优点在于，该空心体的一个圆 柱段29定位于补偿区20与转子连接18之间，其结果是使该补偿区 20的定位与该转子连接18相比更靠近轴连接16，因为这样依然允许 带有折叠部22的补偿区20被轴加热，这样塑料在补偿区20的区域中实质上保持它的弹性模量。在这种情况下，重叠并交叉地包埋纤维 材料(例如多种玻璃纤维或多种碳纤维)的过程允许扭矩传输装置
10还能可靠地并且以一种扭转刚性的形式传输大扭矩。
对于轴的连接(图中未展示)，轴连接16配有同心地围绕该旋 转轴线的多个螺紋夹持部30。此外，轴连接16配有多个切口 32，这 些切口在轴向方向上以凹槽的形式延伸，并且被用于同轴的多个连接 元件(在图中未展示)进行接合。轴连接16由一个钢环所形成并且 被螺紋连接至空心体12上。这些切口 (它们是处于凹槽的形式并且 是在该钢环之中被铣削而成)具有一个基本地多边形的截面。在这些 切口中的多个内角33被圆化。
被安排在空心体12的相对端并且由一个钢环形成的转子连接18 具有多个螺紋凹陷34，这些凹陷被结合在转子连接18的一个凹陷的 端面36中。端面36由一个连接环38所界定，该连接环超过该端面 轴向地伸出。在连接环38的圆周上安排四个凹槽40，在每一情况下 这些凹槽彼此相对偏移90°。
图2示出了穿过一个转子200 (该转子有一个轴202与其相连) 的纵断面，它们由如图1所示的扭矩传输装置10以一种旋转意义上 固定的的方式相互连接。转子200具有一个圆柱形的壳体204，在该 壳体中容纳一个线圈成形器206，该线圈成形器带有由一种超导材料 组成的多个绕阻208。线圏成形器206包围一个空腔218，该空腔由 一个终端件209所界定。带有绕阻208的线圈成形器206由一个套管 210所包围，该套管进而被容纳在壳体204中。套管210收窄并且包 围扭矩传输装置IO，该装置通过转子连接18被连接至终端件209上。
在轴端处，通过轴连接16以一种旋转意义上固定的方式将空心 体12连接至轴202上，但是通过螺紋连接是可拆卸的(在图中未展 示)，并且在该转子端，通过转子连接18将该空心体连接至转子200 的终端件209上。带有折叠部22的补偿区20 (该补偿区处于波紋管的形式或者被形成波状)经由圆柱段29终止在转子连接218中，该 圆柱段由套管210所包围，该套管朝向空心体12变窄。该补偿区由 三个折叠壁24、 26、 27形成，这些4斤叠壁通过两个4斤回部28彼此连 接。轴连接16被螺紋连接至折叠壁27上，其结果是轴连接16具有 大于转子连接18的内径。在本实施方案中，补偿区20是由一个半折 叠部形成的。
当转子200和/或转子200的邻近区域在运行使用过程中通过一 种冷却装置(在图中未展示)被冷却下来时，因为温度的变化使转子 收缩，其结果是空心体12 (它被螺紋连接至转子200与轴202上) 在带有折叠部22 (该折叠部能够被轴向地扩张或压缩)的补偿区20 中被扩张，并且于是在转子200与轴202之间的轴向应力被补偿，以 使扭矩被可靠地传输。当该冷却装置已经关掉之后转子200再次被加 热至轴202的环境温度时，转子200扩张并且空心体12因为其改变 长度的能力而再收缩至它原始的尺寸。由于补偿区20被形成波状或 者处于波紋管的形式，该空心体的有效长度大于圆柱形的或圆锥形的 空心体的有效长度。在补偿区20 (该补偿区比起一种圆锥形的或圆 柱形的扭矩传输装置要远离该旋转轴线D)的多个部分中，因为与该 旋转轴线有较大的距离，所以由该扭矩引入的这些剪切力被减小。
从以上说明中很多的改变对于本领域的普通技术人员来说将是 明显的，并且这些改变旨在是处于所附权利要求的保护范围之内。例 如，可使用比所述示例性实施方案中更多或者更少数目的折叠部。另 外，这些折叠部的侧壁可以是弯曲的。代替在该空心体与该轴连接与 该转子连接之间提供一种螺紋连接，当该空心体由纤维增强的塑料制 造时，这些金属元件用于连接的目的能够被包埋在在该空心体中。包 括轴连接和转子连接的扭矩传输装置还可用塑料或者其他导热不良 的材料来生产。该旋转机器可以是一种同步电动机，该电动机具有一 个转子，该转子带有优选地由一种高温超导材料所组成的多个线匝。
权利要求
1.一种扭矩传输装置(10)，该装置用于一个轴(202)与一个旋转机器的一个转子(200)的在旋转意义上固定的连接，该旋转机器具有多个超导线匝并且能够被冷却以产生这些线匝的超导状态，该装置具有一个可承载扭矩的空心体(12)，该空心体具有一个旋转轴线(D)并且终止在一个轴连接(16)中的轴端以及在一个转子连接(18)中的转子端，其特征在于，在该轴连接(16)与该转子连接(18)之间，该空心体(12)具有一个补偿区(20)，该补偿区在该轴连接(16)与该转子连接(18)之间能够在轴向的方向上扩张以便补偿由温度差异引起的轴向长度的变化。
2. 如权利要求1所述的扭矩传输装置，其特征在于，该空心体(12)配有至少一个折叠部(22)，该折叠部围绕该旋转轴线(D)延伸。
3. 如权利要求1所述的扭矩传输装置，其特征在于，该空心体(12)在该补偿区(20)中是处于波紋管的形式。
4. 如权利要求2或3所述的扭矩传输装置，其特征在于，这些折叠部(22)是由多个折叠壁(24， 26， 27)形成，这些折叠壁优选地通过汇合在彼此之中的多个圆化的折回部(28 )彼此相对地形成一个V形。
5. 如权利要求1至4之一所述的扭矩传输装置，其特征在于，至少该补偿区(20),优选地该空心体(12)，是由一种导热不良的材料组成。
6. 如权利要求1至5之一所述的扭矩传输装置，其特征在于，该空体(12)是从一种纤维增强的，具体地是从玻璃纤维增强的塑料材料产生的。
7. 如权利要求6所述的扭矩传输装置，其特征在于，这些增强纤维被包埋在该塑料纤维中而使它们重叠交叉。
8. 如权利要求1至7之一所述的扭矩传输装置，其特征在于，一个圆柱段(29 )被定位于该补偿区(20 )与该转子连接(18 )之间。
9. 如权利要求1至8之一所述的扭矩传输装置，其特征在于，该轴连接(16)和/或该转子连接(18)是用多个金属元件形成的。
10. 如权利要求1至9之一所述的扭矩传输装置，其特征在于，该轴连接(16)和/或该转子连接(18)具有多个切口 (32， 4Q， 51),这些切口用于同多个转子端或轴端连接元件互锁接合。
11. 如权利要求IO所述的扭矩传输装置，其特征在于，这些切口 ( 32, 40， 52)在轴向方向或径向方向上以多个凹槽的形式延伸。
12. 如权利要求1至ll之一所述的扭矩传输装置，其特征在于，这些切口具有一个多边形的截面，该多边形的截面带多个内圆角(33)。
全文摘要
本发明涉及一种扭矩传输装置(10)，该装置用于一个轴与一个旋转机器的一个转子的旋转意义上固定的连接，该旋转机器包括多个超导绕阻并且能够被冷却以诱发所述绕阻的超导状态，该装置带有一个可承载扭矩的空心体(12)，该空心体具有一个旋转轴线D，该空心体终止在一个轴连接(16)中的轴侧以及在一个转子连接(18)中的转子侧。为了创造一种扭矩传输装置，它的结构简单并且容易安装、并且它在运行时即使在大的温度差异中仍有利于该扭矩的可靠传输，该空心体(12)具有一个补偿区(20)，该补偿区位于轴连接(16)与转子连接(18)之间并且它在轴向方向上是可延伸的，用于补偿由温度差异引起的轴向长度的变化。
文档编号H02K55/00GK101627527SQ200780052127
公开日2010年1月13日 申请日期2007年3月14日 优先权日2007年3月14日
发明者J·科勒斯, J·穆勒 申请人:泽奈基电力公司