[发明专利]具有对其超导转子绕组的温差环流冷却的电机装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种电机装置，其具有

-可围绕旋转轴旋转地支撑且被定子环绕的转子，该转子具有至少一个转子绕组，该转子绕组的超导性导体传热地耦合在中央的沿轴向延伸的圆柱形转子空腔上，

-位于转子之外位置固定的具有冷凝腔的冷却单元以及

-在所述中央的转子空腔与冷却单元的冷凝腔之间延伸的管形管道部分。

在此，转子空腔、管形管道部分以及冷凝腔构成一个封闭的管路系统，冷却介质可以在其中利用温差环流效应循环循环。

背景技术

一种相应的电机装置已由德国专利申请DE 10057664A1公开。

自从1987年以来已对具有77K以上越变温度T_c的金属氧化物超导材料有所了解。因此这些材料也被称为高越变温度T_c的超导材料或HTS材料并且原则上可以实现利用液态氮(LN₂)的冷却技术。

人们还试图通过采用这样的HTS材料制成的导体，来制造电机的超导绕组。但是业已表明，迄今已知的HTS导体在通过Tesla范围内的感应的磁场中具有相对较小的载流能力。这通常要求，这类绕组的导体尽管所采用的材料本身具有高的越变温度T_c，但是必须保持处于一个低于77K的温度水平，例如界于10与50K之间，以便因此在出现高场强时能够承载大的电流。这样的温度水平明显高于4.2K(液态氦LHe的沸点)，而利用液态氦冷却已知的具有相对低越变温度T_c的金属超导材料，所谓的低越变温度T_c材料或LTS材料。

为了冷却具有在上述低于77K温度范围内的HTS导体的绕组优选采用具有封闭的氦-压缩气体回路的所谓的低温冷却器形式的冷却设备。这样的低温冷却器尤其是Gifford McMahon或Stirling类型的或者设计为所谓的脉冲管冷却器。此外这样的低温冷却器具有的优点是，其冷却功率几乎可以通过按钮控制提供使用以及避免运用深冷流体。在采用这样的冷却设备时超导绕组仅通过向一个相应的冷凝器的冷却头传热来直接冷却(例如参见“Proc.16^th Int.Cryog.Engig.Conf.(ICEC 16)”，Kitakyushu，JP，20.-24.05.1996，Elsevier Science出版社，1997，1109至1129页)。

相应的冷却技术也可用于由本文开头所述的DE10057664A1中得知的电机转子。该转子包括由HTS导体制成的旋转绕组，所述HTS导体位于导热的绕组支架内。该绕组支架设有中央的沿轴向延伸的圆柱形转子腔，在该转子腔上连接有侧向从绕组支架导出的管形管道部分。这些管道部分通入到一个冷却单元的在测量学上地位高的冷凝腔内，以及与该冷凝腔及所述中央转子腔一起构成一个封闭的单管管道系统。在该管道系统中存在冷却介质，该冷却介质利用温差环流效应循环。在此，在冷凝腔内冷凝的冷却介质通过管形的管道部分被传导到中央转子腔中，冷却介质在那里由于与绕组支架的热耦合以及进而与待冷却的HTS绕组的热耦合而吸收热量，并且至少部分汽化。已汽化的冷却介质随后通过相同的管道部分返回到冷凝腔中，在那里重新冷凝。为此所需要的冷却功率由一台制冷机提供，该制冷机的冷却头热耦合地与所述冷凝腔连接。其中朝制冷机的起冷凝器作用的构件方向的冷却介质回流通过一略微的过压驱动，该过压是在起汽化件作用的中央转子腔中形成的。通过在该汽化件内气体的生成以及在冷凝腔内的液化所产生的过压，导致所期望的冷却介质回流。相应的循环也被称为自然对流。

代替这种已知的其中有液态和气态冷却介质流过相同管件的单管温差环流管道系统，也已知一些利用利用温差环流效应进行冷却介质循环的双管管道系统(例如参见WO 00/13296A)。其中在转子的空心轴区域内设有用于气态冷却介质的附加管件。

也就是说，在利用温差环流冷却的已知电机中冷却介质的传输仅仅是利用自然的对流实现的，从而不需要其他的泵系统。若希望将这类电机装置应用在船舶或海上设备上，则必须要经常考虑到沿纵向达±5°的静态倾斜、即所谓的“纵倾(Trim)”和/或达±7.5°的动态船位。为了允许分级公司使用船，所以必须使这样的电机装置的冷却系统确保可靠的冷却。若允许电机存在所谓的倾斜，但是仍存在中央转子腔与冷却单元之间的管形管道部分的区域比该中央转子腔本身所处的位置更低的危险。其后果是，冷却介质在重力作用下不再能到达所述待冷却的转子腔。因此不再能够确保对电机的冷却以及进而不能确保其正常运行。