CN1316517C - 转子组 - Google Patents

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Abstract

一种转子组，其包括：一个支承部件，以及一个具有一个轴、一个第一末端和一个第二末端的超导线圈，所述的超导线圈包含一个绕线圈的轴缠绕以提供沿轴向排置的多个同心匝的超导体带，多个同心匝限定了一个其尺寸沿轴向从线圈的第一末端至第二末端递减的开口，超导体带的每一匝都具有保持与线圈的轴平行的宽表面；其中，所述超导体带经缠绕使得所述超导线圈与所述支承部件的表面相配合，所述超导线圈是由具有单一连续长度或系列长度的超导体带制成，以及所述的超导体带包含至少一种各向异性的高温超导体层。

Description

转子组
关于联邦政府资助研究的声明
本发明是在政府资助下，根据能源部授予雷恩斯电气公司(Reliance Electric Co.)的基本合同号DE-FC36-93CH10580做出的。政府拥有本发明的某些权利。
技术领域
本发明涉及转子组。
背景技术
超导体可用来制造超导磁性线圈如螺线管、多极磁铁等，其中超导体被绕成线圈的形状。当线圈的温度足够低以致超导体能够以超导状态存在时，载流容量以及由线圈产生的磁场强度显著增加。
典型的超导材料包括铌-钛、铌-锡及铜氧化物陶瓷如稀土铜氧化物族(即，YBCO)、铊钡钙铜氧化物族(即，TBCCO)、汞钡钙铜氧化物族(即，HgBCCO)和铋锶钙铜氧化物族(含铅或不含铅的替代物，即(Bi，Pb)2Sr2Ca2Cu3O10、Bi2Sr2Ca2Cu3O10(BSCCO(2223)))的成员，铋锶钙铜氧化物性能特别优良，因为它们的超导特性和相应的高电流密度特性在较高的温度下实现(Tc＝108°K)。
在制造某些超导磁性线圈时，超导体可以形成薄型带的形状，薄型带使得超导体可以围绕一个核芯的直径弯曲。例如，高温超导体(HTS)通常制成薄型带，其中包含单根的超导细丝的复丝复合超导体基本上沿复丝复合超导体的长度延伸，并被一种形成基质的材料包裹，该形成基质的材料通常为银或另一种贵金属。尽管形成基质的材料导电，但它不是超导的。超导细丝与形成基质的材料共同形成复丝复合超导体。在一些应用中，超导细丝和形成基质的材料被包在一个绝缘层中(未示出)。
已知用超导带绕制磁性线圈的一种方法为扁平绕组法，其中在前面一匝的上面绕一匝超导体带，从而形成一个垂直线圈轴的匝平面。在使用多个扁平线圈形成一个线圈的应用中，扁平线圈可被绕制为双扁平线圈。
在一些应用中，使用扁平线圈(单线圈或双线圈)的超导磁性线圈组可以包含沿线圈组的长度同轴排置的几个线圈。使用由上述类型的超导材料如铜氧化物陶瓷制造的短长度的超导线或超导带将单个线圈互相连接起来。
这种排置的一个例子在转让给本发明的受让人并在此引为参考的U.S.5,581,220中有描述，该专利描述了一种具有变化的径向横截面的可变轮廓的(例如，阶梯型)超导磁性线圈。另一种具有层叠式排置的扁平线圈的超导线圈的例子是“鞍形”线圈，其为具有圆角的椭圆形或矩形。
可变轮廓的或鞍形线圈方便地用在需要超导磁性线圈与一台设备如一台旋转电机的环形区域相符或将其置于该环形区域中的应用中。
发明内容
本发明的特征是一种具有圆锥形或渐缩轮廓的超导线圈。
本发明提供一种转子组，其包括：一个支承部件，以及一个具有一个轴、一个第一末端和一个第二末端的超导线圈，所述的超导线圈包含一个绕线圈的轴缠绕以提供沿轴向排置的多个同心匝的超导体带，多个同心匝限定了一个其尺寸沿轴向从线圈的第一末端至第二末端递减的开口，超导体带的每一匝都具有保持与线圈的轴平行的宽表面；其中，所述超导体带经缠绕使得所述超导线圈与所述支承部件的表面相配合，所述超导线圈是由具有单一连续长度或系列长度的超导体带制成，以及所述的超导体带包含至少一种各向异性的高温超导体层。
在本发明的一个方面，该超导线圈包含一种超导体带，该超导体带围绕线圈的轴同心缠绕，且沿线圈的轴排置，以提供多个同心匝，该同心匝限定一个其尺寸沿轴向从线圈的第一末端至第二末端递减的开口。超导体带的每一匝都具有一个保持与线圈的轴基本平行的宽的表面。
由线圈的绕制结构限定的尺寸渐缩的开口提供了一个具有渐缩轮廓的线圈。具有这种排列的渐缩超导线圈的优点很多。例如，渐缩超导线圈很适合用在线圈被置于环形体积中，如经常在旋转电机(例如，电动机或发电机)中看到的应用。一般来说，渐缩排列排除与其它层叠式排列共同的阶梯状轮廓。特别是渐缩超导线圈需要更少的层叠的单个线圈来填充环形体积。这与其它超导线圈组相反，后者需要更多的、薄的、单个线圈来填充环形体积。另外，减少单个线圈的数量又减少了单个线圈之间的电连接的数量，从而增加了使用渐缩线圈的线圈组的总性能和可靠性。
另外，本发明的超导体带是在保持其宽的表面基本上平行于线圈的轴(以及相邻的匝)的情况下进行缠绕的。当该超导体带由柔韧性较低、易碎的材料如陶瓷基高温超导材料形成时，这种特征特别有利。
此外，渐缩的结构提供更好的临界电流(Ic)保留特性(retentioncharacteristic)，并顾及更好的线圈分级(coil grading)。
在本发明的另一个方面，一种超导线圈组包含层叠式排列的多个超导线圈，每个线圈都具有上述的特性。因为每个线圈的超导体带的匝均保持其宽表面与线圈组的轴基本平行，不需垫片(spacer)或楔形物，即可轻易地层叠单个线圈。在本发明该方面的某些实施方案中，线圈基本上相同，这在一些线圈组被置于预定的环形体积中的应用(例如，旋转机械)中特别有利。
在一些层叠式排列中，在叠的每个末端的一个顶部线圈和一个底部线圈(例如，扁平型线圈)(分别为第一末端线圈和第二末端线圈)被预先选定具有比置于叠的顶部线圈和底部线圈之间的线圈更高的临界电流保留特性。类似地，线圈组顶部和底部末端的线圈群可以预先选定具有更高的临界电流保留特性。以此种方式安置具有更高临界电流保留特性的顶部和底部扁平线圈能够有效地降低整个线圈组的功率损耗。顶部和底部扁平线圈可以按其固有特性预先进行选择，或作为选择，超导体带的尺寸有微小变化。
本发明这些方面的实施方案也可以包括一个或多个下述特性。
超导体带被缠绕成跑道的形状，该形状限定了一对相对的弓形端面段和一对相对的基本直的侧面段。
超导体带包含一种复丝复合超导体，该复丝复合超导体体包含单根的超导细丝，超导细丝沿复丝复合超导体的长度延伸并被一种形成基质的材料包裹。优选超导体带包含一种各向异性的高温超导体，如(Bi，Pb)2Sr2Ca2Cu3O。在可供选择的实施方案中，超导体带包含一种铜氧化物陶瓷，如稀土铜氧化物族(即，YBCO)的那些成员。
在一些实施方案中，超导体带包含一对超导体层及至少一个机械加固层。这一对超导体层被排置在一对机械加固层之间，每个加固层都包含不锈钢。
超导线圈为扁平线圈的形式，如双扁平线圈。
在一个实施方案中，超导体带被缠绕以提供一个沿线圈的轴延伸的线性渐缩的线圈内表面。在一个可供选择的实施方案中，超导体带被缠绕以提供一个沿线圈的轴延伸的曲形线圈内表面。在该实施方案中，被缠绕的超导体带的曲形内表面在沿相对的基本直的侧面段方向为圆柱形，在沿相对的弓形端面段方向为球形。
在本发明的另一个方面，提供超导线圈的一种方法包括以下步骤。将超导体带围绕线圈的轴缠绕以提供同心匝，该同心匝限定了一个具有内部尺寸的开口，并保持超导体带的宽表面基本平行于线圈的轴。缠绕超导体带，以使开口沿轴向从第一末端至第二末端递减。
本发明的该方面的实施方案包括一个或多个以下特征。
使用具有限定渐缩表面的心轴绕制超导线圈。例如，该表面可以是线性渐缩的或曲形的(例如，圆柱形或球形)。在一种可供选择的方法中，使用一对加热板来施加热和压力，以使超导线圈成为渐缩轮廓。
根据以下的描述和权利要求，本发明的其它优点和特征将显而易见。
附图说明
图1为按照本发明的一个超导线圈的透视、部分剖面图。
图2为一种用于绕制图1的超导线圈的超导体带一部分的横截侧视图。
图3为沿图1的3-3线，超导线圈一部分的分解图。
图4为一种适于绕制图1超导线圈的的心轴的透视图。
图5A和5B说明了形成图1超导线圈的一种可供选择的方法。
图6为超导线圈的一个可供选择的实施方案的透视图。
图7为沿图6的7-7线，超导线圈一部分的分解图。
图8为适于绕制图6超导线圈的心轴的透视图。
图9为包含图6超导线圈的一台发动机的一部分的横截端视图。
具体实施方式
参照图1，一个渐缩超导线圈10包含一条超导带12，超导带通常以拉长的椭圆形或跑道形缠绕。“跑道形”的超导线圈10包含一对相对的、且通常直的侧面段14a和一对相对的、曲形的端面段14b，它们一起形成一个具有圆角的、大体为矩形的线圈。注意到尽管线圈10为“跑道形”，但其并不具有众所周知的跑道形线圈的形状或结构是重要的。按照将在下面与一种制造方法结合进行的描述，线圈10是由具有连续长度或系列长度的超导体带围绕线圈的一个轴16绕制的，因此形成了线圈的多个绕组或匝18(请参见图3)。这些匝结合在一起限定了一个开口19，按照以下将进行的详细描述，该开口从最里面的匝到最外面的匝尺寸增大。这种缠绕超导体带的方法通常被称作扁平绕组法，其中在前一匝的上面缠绕一匝超导体带，从而形成与线圈10的轴16垂直的一个匝平面。
参照图3，超导体带12包括宽边22和窄边24。在一个实施方案中，超导体带包含一个复丝复合超导体层25，该超导体层含有基本沿复丝复合超导体的长度延伸并被一种形成基质的材料如银包裹的单根超导细丝。超导细丝与形成基质的材料一起，形成复丝复合超导体。在许多应用中，超导细丝与形成基质的材料被包在一个绝缘层中(未示出)。
参照图2，在一个实施方案中，一对超导体层25被夹在一对加固构件26，例如不锈钢构件之间，该加固构件为超导体层20提供机械支承。制造以此种方式加固的超导体带的一种方法在转让给本发明的受让人美国超导体公司(American Superconductor Corporation)的美国专利申请08/701,375号中有描述，该专利在此引为参考。
参照图3，缠绕超导体带12的每一匝18，使每一匝在轴向16上与前一匝都稍微有偏差，从而从最里面的匝18a(图1)至最外面的匝18b，线圈10沿一条虚线28以渐缩的方式绕制。注意到每一匝18的宽边22互相平行并平行于轴16是重要的。
参照图4，在此形成了一个例如铝制的心轴30，心轴与承载超导体层线圈的一个绕线装置和不锈钢加固构件(未示出)一同使用以绕制超导体线圈10。心轴30包含一个中央装配区32，其被相对的渐缩侧边区34和相对的渐缩端区36包围。心轴限定了绕制线圈10的渐缩的形状和锥度。一个工具(未示出)沿心轴30的表面移动并引导超导体带12到心轴的适当位置。
参照图5A和5B，示出了形成渐缩超导线圈10的一种可供选择的方法。在该方法中，超导线圈10首先作为一个常规的、不具渐缩边缘的扁平线圈10a而形成；即，线圈10a的每一匝都直接置于前一匝上并将其安全覆盖。在绕制扁平线圈的过程中，包含B-阶段环氧树脂的Kapton膜(E.I.duPont de Nemours and Company，Wilmington，DE的一种产品)与超导体带12一起“同时(in-hand)”缠绕。该环氧树脂具粘性，这有助于将相邻的匝贴在一起。参照图5A，将扁平线圈10a置于一对具有渐缩表面42的加热板40之间，渐缩表面42限定了超导线圈10的形状及所需要的锥度。参照图5B，加热板40被拉拢在一起(沿图5A所示的箭头43方向)，并向扁平线圈10a施加热和压力，从而形成超导线圈10。在一段预定的时间后，退除热和压力，使环氧树脂冷却，以使超导线圈10的相邻匝被粘结在一起。
参照图6，示出了超导线圈100的一个可供选择的实施方案，其由与上述用于绕制线圈10相同的超导体带12绕制而成。但是，在该实施方案中，缠绕超导体带，使沿相对的侧面段104a的带区为圆柱形渐缩，而沿相对的端面段104b的带区为球状渐缩。
参照图7，更具体地，在侧面段104a和端面段104b都以渐缩的方式、沿虚曲线106缠绕超导体带12。由于在线圈平面上侧面段104a是直的，所以沿这些段的渐缩就基于一个圆柱体。另一方面，在圆形端面段104b，渐缩基于一个球面的四分之一部分。注意到与上述线性渐缩的实施方案的情形一样，在此种情况下超导体带每一匝的宽边22互相平行并平行于轴16。
参照图8，示出了一个用于形成超导线圈100的心轴130。心轴130与上述的心轴30基本相同，区别之处在于相对的渐缩侧边区134和相对的渐缩端区136的表面是圆形的，用来限定圆形的侧面段104a和端面段104b的弯曲形状。
超导线圈10和超导线圈100两者都很适用于需要将线圈置于环形区域中的应用，这样的环形区域如电动机的转子组中常见的那些。
参照图9，在一个例子中，同步电动机的转子组200具有四极步局，而没有用于把真空层围入整个组件中的外防护罩。在该实施方案中，转子组200包含一个由高强度、可延展的非磁性材料(例如，不锈钢)制造的扭矩管220。扭矩管220的外表面支承四个超导线圈组230(只示出了两个)，每个绕组都与电动机的一个极关联。由高导磁率、高饱和磁通密度材料(例如，铁)制造的空心构件250被置于扭矩管的内体积之内，以为线圈组230产生的磁场提供低磁阻的磁能量通路。线圈组230置于由扭矩管220的外表面与极盖260的内表面所限定的环形区域240内，环形区域240与扭矩管220一起限定了一个圆柱体。
因为环形区域240的形状，所以其不适用于容纳超导线圈结构，如层叠式扁平线圈和跑道状线圈。为了用这些类型的超导线圈填充环形区域240，需要用以阶梯形式交错排列的单个线圈(例如，扁平线圈)来构造线圈组。为了有效填充环形区域，需要将较大量的单个线圈制得较薄，层叠，然后连接在一起。将单个线圈连接成这些排列方式是重要的，且通常需要将扭矩管加工成具有相应的阶梯型表面以支承线圈组，这增加了制造电动机的成本和复杂性。
因为超导线圈10和超导线圈100是以线性或曲线形式渐缩的，所以每种线圈都能够符合并填充环形区域240。与上述层叠式扁平排列不同的是需要少得多的线圈来填充该空间，因而减少了连接的数量并增加了线圈组的可靠性和性能。因此，提供了一种更有效的、易于装配的电动机结构。此外，渐缩的线圈有利地置于更靠近电动机的电枢的位置。
此外，在许多应用中，可以形成环形区域，以使层叠的渐缩超导线圈基本上相同，这进一步降低了制造成本。一套层叠的基本上相同的渐缩超导线圈被简单地连接并被置于环形区域之内。
圆渐缩或渐缩超导线圈的另一个重要优点是，以层叠的排列方式，该结构获得的好处是屏蔽层叠线圈的内部线圈，使其免受与超导体带的宽表面垂直的场的影响。因此，可以层叠一系列渐缩的超导线圈，以使那些具有更好性能特性的线圈被置于层叠的顶部和底部。
其它实施方案在权利要求的范围内。例如，上面描述了单个排列或层叠排列的渐缩或圆渐缩超导线圈。但是，在一些应用中，需要将超导线圈绕制成单个扁平线圈，而不是具有相同宽度的多个更薄的、层叠的线圈。单个扁平线圈的排列提供自屏蔽及更高的临界电流保留特性。

Claims (19)

1.一种转子组，其包括：
一个支承部件，以及
一个具有一个轴、一个第一末端和一个第二末端的超导线圈，所述的超导线圈包含一个绕线圈的轴缠绕以提供沿轴向排置的多个同心匝的超导体带，多个同心匝限定了一个其尺寸沿轴向从线圈的第一末端至第二末端递减的开口，超导体带的每一匝都具有保持与线圈的轴平行的宽表面；
其中，所述超导体带经缠绕使得所述超导线圈与所述支承部件的表面相配合，所述超导线圈是由具有单一连续长度或系列长度的超导体带制成，以及
所述的超导体带包含至少一种各向异性的高温超导体层。
2.权利要求1所述的转子组，其中所述超导线圈的超导体带与所述支承部件的第一表面相配合并以一定的形状进行缠绕，该形状限定了一对相对的弓形端面段和一对相对的直的侧面段。
3.权利要求2所述的转子组，其中所述超导线圈的超导体带包含一种复丝复合超导体，该复丝复合超导体包含沿该复丝复合超导体的连续长度延伸并被一种形成基质的材料包裹的单根超导细丝。
4.权利要求2所述的转子组，其中所述的各向异性的高温超导体是Bi2Sr2Ca2Cu3O10。
5.权利要求2所述的转子组，其中所述的各向异性的高温超导体为稀土铜氧化物族的一个成员。
6.权利要求2所述的转子组，其中所述超导线圈的超导体带包含一种复丝复合超导体，该复丝复合超导体包含沿该复丝复合超导体的连续长度延伸并被一种形成基质的材料包裹的单根超导细丝。
7.权利要求2所述的转子组，其中所述的超导体带包含一对超导体层和至少一个机械加固层。
8.权利要求7所述的转子组，其中所述的超导线圈的超导体带包括一对机械加固层，每一个机械加固层都包含不锈钢。
9.权利要求8所述的转子组，其中所述超导线圈的超导体带包含一种复丝复合超导体，该复丝复合超导体包含沿该复丝复合超导体的连续长度延伸并被一种形成基质的材料包裹的单根超导细丝。
10.权利要求2所述的转子组，其中所述超导线圈的线圈为扁平线圈的形式。
11.权利要求10所述的转子组，其中所述超导线圈的扁平线圈为双扁平线圈。
12.权利要求2所述的转子组，其中所述超导线圈的被缠绕的超导体带限定了一个沿线圈的轴向延伸的线性渐缩的线圈内表面。
13.权利要求2所述的转子组，其中所述超导线圈的被缠绕的超导体带限定了一个沿线圈的轴向延伸的曲形的线圈内表面。
14.权利要求13所述的转子组，其中超导线圈曲形内表面沿相对的直的侧面段为圆柱形，沿相对的弓形端面段为球形渐缩形状。
15.权利要求1所述的转子组，其中至少一部分支承部件为圆渐缩形状。
16.权利要求1所述的转子组，其中至少一部分支承部件呈渐缩形状。
17.权利要求1所述的转子组，其中所述支承部件包括具有外表面的扭矩管，所述外表面支承所述超导线圈。
18.权利要求17的转子组，其中所述扭矩管的外表面限定了一个环形区，并且至少一部分超导线圈设置于所述环形区中。
19.权利要求18的转子组，其中所述超导线圈与所述环形区相配合。
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