[发明专利]具有电磁屏蔽的高温超导同步转子及用于装配的方法

说明书

技术领域

本发明一般涉及同步旋转机械中的超导线圈。尤其是，本发明涉及一种用于具有超导励磁线圈转子的电磁屏蔽。

背景技术

具有励磁线圈绕组的同步电机包括，但不限于旋转发电机、旋转马达和线性马达。这些机械通常包括彼此电磁耦合的定子和转子。转子可以包括一个多极转子铁芯和一个或多个安装在转子铁芯上的线圈绕组。转子铁芯可以包括一种永磁固体材料，例如铁芯转子。

传统的铜绕组一般被用在同步电机的转子中。但是，铜绕组的电阻(尽管通过传统措施很低)足以给转子带来相当的热并减小机械的能量效率。最近，超导(SC)线圈绕组已经被用于转子。SC绕组没有电阻而且是更高效的转子线圈绕组。

铁芯转子在约2特斯拉的气隙磁场强度处饱和。已知的超导转子使用气芯设计，在转子中没有铁，用以实现3特斯拉或更高的气隙磁场。这些高气隙磁场产生增大的电机能量密度，并导致机械的重量和尺寸大大降低。气芯超导转子需要大量的超导线圈。大量的SC线圈增加了所需的线圈数量、线圈支撑的复杂性以及SC线圈绕组和转子的成本。

高温SC线圈励磁线圈由易碎的超导材料制成，而且必须被冷却到位于或低于临界温度，例如27°K的温度，以实现或维持超导性。SC绕组可以由高温超导材料制成，例如一种BSCCO(Bi_XSr_XCa_XCu_XO_X)基导体。

超导线圈已经被液体氦冷却。在通过转子绕组后，热的已经用过的氦被复原为室温气态氦。使用用于低温冷却的液体氦需要复原的、室温气态氦的连续重新液化(religuefation)，而且这种重新液化提出了重要的可靠性问题并需要大量的附加能量。

以前的SC线圈冷却技术包括从低温冷却机通过一个固体导电电路冷却注入环氧树脂的SC线圈。或者，转子中的冷却管可以传递液态和/或气态冷却剂到多孔的SC线圈绕组，所述绕组被浸在液态和/或气态冷却剂流中。但是，浸入冷却需要整个励磁线圈和转子结构处于低温，由于低温时铁易碎，不能在转子磁路中使用铁。

对于电机所需要的是超导励磁线圈装置，该电机没有如已知的超导转子的气芯和液体冷却超导励磁线圈装置的缺点。

另外，高温超导(HTS)线圈对于高弯曲和拉伸应变所引起的老化是敏感的。这些线圈必须经受很大的压及拉伸线圈绕组的离心力。电机的正常操作包括数年期间的数千次启动和切断循环，这会导致转子的低循环疲劳负载。而且，HTS转子绕组应该能经得住环境温度下转子平衡操作期间25％的超速运行，而且经不住产生能量期间低温时的临时超速状况。这些超速状况实际上增加了正常操作状态时作用在绕组上的离心力。

用作电机HTS转子励磁线圈的SC线圈在冷却和正常操作期间受到压力和应变。它们受到离心载荷、扭矩传递及瞬态故障状况。为了经受所述力、应力、应变及循环载荷，SC线圈应该通过一中线圈支撑系统被正确地支撑在转子上。这些支撑系统将SC线圈保持在HTS转子中并确保线圈抵抗由转子旋转所引起的很大的离心力。而且，线圈支撑系统保护SC线圈，并确保线圈不会过早地裂缝、疲劳或其他断裂。

用于HTS线圈的支撑系统在将SC线圈应用到HTS转子时有一定的困难。用于以前已经被提出的HTS转子的线圈支撑系统的例子被披露在美国专利5,548,168；5,532,663；5,672,921；5,777,420；6,169,353及6,066,906。但是，这些线圈支撑系统有各种问题，如昂贵、复杂并需要过多数量的零件。长期需求一种具有用于SC线圈的线圈支撑系统的HTS转子。也需求一种低成本并易于制造零件的线圈支撑系统。

发明内容

用于HTS励磁线圈绕组的支撑结构已经成为将SC线圈用到转子中的主要问题。该结构必须支撑SC线圈绕组，同时不传导大量的热量给绕组。线圈支撑的结构已经被最小化，以便减小从转子铁芯到冷却的SC绕组传递热量的数量。但是，使线圈支撑最小化限制了支撑可以经受的力的大小。如果作用在转子上的力超出了线圈支撑的力承受能力，那么会有很大的危险，即线圈支撑将损坏或线圈绕组将被损坏。

作用在转子上的潜在力源是由栅极故障所引起的扭矩。一种高温超导(HTS)发电机有一个对电栅极故障敏感的励磁线圈SC。栅极故障是能量系统栅极中的电流峰值，设备的定子与其耦合。在栅极故障情况下，过大的电流流入定子。该电流引起定子绕组中的电扰动，将诱发强的瞬态磁通进入转子励磁线圈绕组。