[发明专利]带有拼合线圈壳体的高温超导转子线圈支撑体和安装方法

说明书

技术领域

本发明总的来讲涉及一种同步转动电机的超导线圈。具体来讲，本发明涉及一种同步转动电机转子中的超导激励绕组的线圈支撑结构。

背景技术

具有激励线圈绕组的同步电机包括但不限于旋转发电机，旋转电动机和线性电动机。这些电机通常包括电磁偶合的定子和转子。转子可包括多极转子芯和固定在转子芯上的一个或多个线圈绕组。转子芯包括可以导磁的固体材料，比如铁心转子。

传统的铜绕组一般用于同步电机的转子。然而，铜绕组的电阻(虽然根据传统的度量标准电阻不高)足以使转子产生大量热量并降低电机的能量效率。近来，已经开发出超导(SC)线圈绕组供转子使用，SC线圈绕组实际上没有电阻，是具有很大优越性的转子线圈绕组。

铁心转子在空气隙磁场强度大约为2特斯拉时饱和。一种应用空气芯设计的已知超导转子，在转子中没有铁心，其空气隙磁场强度可达到3特斯拉或更高。这些高空气隙磁场使电机产生更高的能量密度，并使电机的尺寸和重量大量减少。空气芯超导转子要求大量的超导导线。而大量的超导导线增加了所需线圈的数量、线圈支撑体的复杂性、和超导线圈绕组和转子的成本。

高温超导线圈激励绕组是由脆性的超导材料制成，而超导材料必须冷却到不高于临界温度如27°K，以取得和保持超导性。超导绕组可以由高温超导材料制成，如铋锶钙铜氧(Bi_xSr_xCa_xCu_xO_x)基导线。

超导线圈可以用液氦来冷却。液氦在通过转子绕组后，用过的热氦可返回到室温下的气体氦。使用液氦进行低温冷却需要对返回的室温下的气体氦连续地进行重新液化。这种重新液化带来很大的可靠性问题并要求有大量的辅助能量。

以前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来冷却环氧树脂浸渍的超导线圈。或者，通过转子中的冷却管传输液体和/或气体致冷剂到超导线圈绕组，超导线圈浸没在流动的液体和/或气体致冷剂中。然而，浸没冷却需要使整个激励绕组和转子结构处于低温。其结果是，在转子磁回路中不能使用铁，因为铁在低温下具有脆性。

需要的是一种可用于电机的超导激励绕组组件，其没有已知的空气芯和超导转子的液体冷却的超导激励绕组组件的缺点。

另外，高温超导(HTS)线圈受到高弯曲和拉伸应变易于损坏。而这些线圈必须承受可使所述线圈绕组产生应力和应变的相当大的离心力，电机的一般操作涉及在数年时间里成千上万次的启动和结束的循环，这将产生转子的低循环疲劳载荷。另外，HTS转子绕组能够在转子平衡操作中在环境温度下经受25％的超速操作，而在发电操作过程中在低温条件下则不能承受超速状态。在超速状态下作用在绕组上的离心力要大大超过一般操作情况下的离心力。

用于电机的HTS转子激励绕组的超导线圈在冷却和正常操作时要承受应力和应变。要承受离心载荷，扭矩传递，和瞬间故障。为了承受作用力，应力，应变和循环载荷，超导线圈应当通过线圈支撑系统适当地支撑在转子上。这些线圈支撑系统应将超导线圈固定在HTS转子上并确保线圈能够抵抗由于转子的转动而产生的巨大的离心力。此外，线圈支撑系统应保护超导线圈，并确保线圈不会过早地出现裂纹、疲劳、或其它形式的开裂。

研发HTS线圈的支撑系统，尤其是在使超导线圈适合HTS转子方面存在很大的挑战。早先提出的HTS转子的线圈支撑系统的示例公开在美国专利No.5,548,168；5,532,663；5,672,921；5,777,420；6,169,353；和6,066,906中。然而，这些线圈支撑系统存在不少的问题，比如，价格高、结构复杂和要求的部件过多。早就存在着对具有超导线圈的线圈支撑系统的HTS转子的需求。还存在着对可用低价和容易制造的元件制造的线圈支撑系统的需求。

发明内容

已经开发出一种线圈支撑系统，可用于电机的两极转子的跑道形状的高温超导(HTS)线圈绕组。线圈支撑系统可防止转子操作时线圈绕组损坏，支撑线圈绕组承担离心力和其它力，并为线圈绕组提供了保护屏蔽。线圈支撑系统相对转子固定线圈绕组。HTS线圈绕组和线圈支撑系统处于低温而转子处于环境温度。