[发明专利]带有拉杆的高温超导同步转子线圈支承结构及其组装方法

说明书

技术领域

本发明总的来说涉及同步旋转电机中的超导线圈。更具体地讲，本发明涉及一种用于同步电机转子中超导励磁绕组的支承结构。

背景技术

带有励磁线圈绕组的同步电机包括但不限于旋转发电机、旋转电动机和直线电动机。这些电机通常包括电磁耦合的定子和转子。转子可以包括一多极转子芯和安装在转子芯上的一个或多个线圈绕组。转子芯可以包括导磁固体材料，如铁芯转子。

传统的铜导线绕组通常用于同步电机的转子中。然而，铜导线绕组的电阻(虽然以传统的度量方法来说还是比较小的)足以使转子产生相当大的热量而减小电机的功率系数。近来，已经研制出用于转子的超导(SC)线圈绕组。超导体绕组实际上不带电阻，因此是非常优越的转子线圈绕组。

铁芯转子的气隙磁场强度大约为2特斯拉时饱和。已知的超导体转子采用空气芯设计，在转子中没有铁，可以达到3特斯拉或更高的气隙磁场。这些高气隙磁场提高了电机的能量密度，结果使电机的重量和尺寸显著减小。空气芯超导体转子需要大量的超导体线。大量的超导体线增加了所需要的线圈数目、线圈支座的复杂程度、以及超导线圈绕组和转子的生产成本。

高温超导线圈励磁绕组是由脆性超导材料制成的，而且必须冷却到临界温度如27开氏度或以下以实现和维持超导性。超导绕组可以由高温超导材料如铋锶钙铜氧(Bi_xSr_xCa_xCu_xO_x)基的导体制成。

超导线圈由液氦冷却。在通过转子的绕组之后，用过的变热的氦重新成为室温下的气态氦。用液态氦进行低温冷却需要不断地将返回的室温气态氦重新液化，而这种重新液化会造成显著的可靠性问题并需要有相当大的辅助能量。

早先的超导线圈冷却技术包括用低温冷却器通过固体传导路径冷却环氧树脂浸渍的超导线圈。另一种方法是，转子中的冷却管可以将液态和/或气态冷冻剂输送到浸于液态和/或气态冷冻剂流体中的多孔超导线圈绕组。然而，浸泡冷却必须使整个励磁绕组和转子结构处于低温下。因此，铁由于在低温下的脆性而不能用于转子磁路中。

需要有一种用于电机中的超导励磁绕组组件，没有已知的超导体转子中空气芯液冷式超导励磁绕组组件的缺点。

另外，高温超导(HTS)线圈在高弯曲应变和高拉伸应变下很容易损坏。这种线圈必须承受相当大的离心力，给线圈绕组带来应力和应变。电机的正常运转包括在若干年内的数千次启动和关闭循环，结果引起转子的低循环疲劳载荷。而且，高温超导转子绕组在转子平衡过程中在环境温度下应当能够承受25％的超速运转，但是在发电过程中的低温下却不能承受偶然的超速状态。这种超速状态大大增加了在正常工作状态下施加到绕组上的离心力。

用作电机中高温超导转子励磁绕组的超导线圈在冷却和正常运转过程中受到应力和应变的作用，要经受离心力载荷、扭矩传递、以及瞬时故障状态。为了承受外力、应力、应变和循环载荷，超导线圈应当用线圈支承系统适当地支承在转子中。这些支承系统将超导线圈支撑在高温超导体转子中，并保护线圈不受因转子旋转产生的巨大离心力的破坏。此外，线圈支承系统还可以保护超导线圈，并确保线圈不会过早地裂开、疲劳或断裂。

研制的高温超导线圈的支承系统在使超导线圈适合于高温超导体转子方面一直是一项艰难的挑战。在美国专利号5,548,168；5,532,663；5,672,921；5,777,420；6,169,353和6,066,906中披露了前面提到的用于高温超导体转子的线圈支承系统实例。然而，这些线圈支承系统有各种不同的问题，比如太昂贵、太复杂、以及需要过多的部件。一直就需要一种带有超导线圈支承系统的高温超导体转子。还需要线圈支承系统可用低成本和容易制造的部件生产。

发明内容

本发明公开了一种带有拉杆和U形槽壳体的线圈支承结构，用来将超导线圈安装在高温超导体转子的真空室里面。拉杆跨越线圈的两侧。槽形壳体固定在拉杆的两端并包围线圈的侧边部分。线圈由拉杆和槽形壳体支承以抵抗作用在线圈上的离心力和其它力。

高温超导体转子可以用于本来就设计成包含超导线圈的同步电机。或者，高温超导体转子可以取代现有电机如传统发电机中的铜线圈转子。转子及其超导线圈在此是结合发电机来介绍的，但是高温超导线圈转子也适用于其它的同步电机。