CN102668345A - 转子芯和具有该转子芯的超导旋转电机 - Google Patents

Abstract

本发明提供能够有效且均匀地冷却超导线圈而在极低温度下也不引起低温脆性的转子芯、该转子芯的冷却方法和超导旋转电机。转子芯10由非磁性材料的基本中空的圆筒形构件制成，具有形成于其中并在构材的纵轴方向延伸的圆筒形空腔13。氦气300在转子芯10中从近端侧输送到远端侧，反之亦然，确保了转子芯10的均匀冷却。这还确保了超导线圈的均匀和有效的冷却。

Description

转子芯和具有该转子芯的超导旋转电机

技术领域

本发明涉及超导旋转电机使用的转子芯的结构、该转子芯的冷却方法、和具有该转子芯的超导旋转电机。

背景技术

通常，超导旋转电机具有相互电磁连接的定子和转子。转子包括多极转子芯和安装在转子芯上的一个或更多磁场线圈。转子芯由诸如铁的磁性材料制成，具有沿着旋转电机的旋转轴延伸的纵轴(例如，参照专利文献1)。

为了保持转子芯上的超导线圈的超导电性，例如，通过传导冷却将超导线圈冷却至大约30K。常规上，已知冷却转子芯的超导线圈的多种技术，例如将超导线圈浸入诸如液氦或液氮的冷媒中的方法，或者使超导线圈与制冷机的冷头接触，使得冷头中产生的冷量传递至超导线圈的方法(例如，参照专利文献2～专利文献4)。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2003-125573号公报

专利文献2：日本特开平6-302869号公报

专利文献3：日本特开平10-9696号公报

专利文献4：日本特开2003-151822号公报

发明内容

发明要解决的问题

专利文献1中公开的转子芯由重的实心构件制成，因此具有大的热容量，将转子芯整体均匀冷却至一定温度需要较长时间。而且，将超导线圈装入电磁装置中可引发非常高的磁场，从而导致由铁制成的磁性构件的磁场饱和。这阻止将这种材料用于磁性构件。此外，如上所述，为了保持超导线圈的超导电性，例如，超导线圈应该被冷却至大约30K。同时，包含铁的碳钢在30K的极低温度下可导致低温脆性。为了防止这一问题，转子芯应该由对低温脆性具有高抵抗性的材料制成。

根据专利文献2～专利文献4中公开的将超导线圈浸入诸如液氦或液氮的冷媒中的冷却方法，极低温冷媒被输送到用于容纳和冷却超导线圈的容器中，这需要用于处理极低温冷媒的种种设备和特别的注意，因此导致设备安装和维护的空间和成本的诸多不利。另外，较难控制冷却温度。

根据使制冷机的冷头与超导线圈接触以为其冷却的另一种冷却方法，制冷机安装在旋转的转子芯上，导致制冷机与转子芯一起旋转。这需要用于旋转制冷机的额外的扭矩和空间。而且，持续供应高压氦气需要将旋转密封机构安装在旋转的制冷机上。然而，实际上具有极高密封性能的旋转密封机构目前是没有的，因此，这种方法似乎是不实际的。

因此，本发明旨在克服这些问题，并且其目的在于提供使超导线圈能够有效且均匀地冷却而在极低温度下也不引起不必要的低温脆性的转子芯、该转子芯的冷却方法、和具备该转子芯的超导旋转电机。解决问题的手段

根据本发明的用于超导旋转电机的转子芯包括：由非磁性材料制成的基本中空的圆筒形构件，该圆筒形构件具有：纵向轴，形成于其中并且沿纵向轴延伸的圆筒形空腔，形成在圆筒形构件的外周面上用于收纳超导线圈的多个凹部，和邻近圆筒形空腔形成并且在圆筒形构件的近端侧与远端侧之间延伸通过的至少两个冷媒通道。

转子芯可具有棒状构件，各自同轴配置在冷媒通道中，在棒状构件周围留有空间。

优选地，各冷媒通道的内表面或者各棒状构件的外表面具有形成为在周向延伸的凸部或凹部。

冷媒通道具有将冷媒从近端侧引导至远端侧的第一冷媒通道以及将冷媒从远端侧引导至近端侧的第二冷媒通道。

根据本发明的具有相互电磁连接的定子和转子的超导旋转电机，包括权利要求1中所限定的转子芯。

发明的效果

根据本发明的用于超导旋转电机的转子芯提供了能够有效且均匀地冷却超导线圈而在极低温度下也不引起低温脆性的转子芯、该转子芯的冷却方法、和具备该结构的超导旋转电机。

附图说明

图1是超导电动机的整体系统的示意性结构图。

图2是根据本发明的实施例的转子芯的结构的示意性透视图。

图3是示出转子芯的冷媒的流动方向及供给通道和返回通道的透视图。

图4是示出转子芯内形成的冷媒通道的详细结构的截面图。

图5是示出安装有赛道型超导线圈的转子芯的透视图。

附图标记说明

10转子芯

11、12凸缘

13圆筒形空腔

14a、14b、15a、15b冷媒通道

16冷媒供给管

17冷媒排气管

19肋

20定子

21转子

25超导电动机

30冷媒给排装置

31制冷机

50超导线圈

70用于收纳线圈的凹部

71底部

90芯构件

95凸部

100近端侧

110远端侧

150中心轴

具体实施方式

以下，将参照附图说明根据本发明的转子芯、该转子芯的冷却方法和超导旋转电机的实施例。尽管为了更好地理解本发明，在以下说明中使用例如“近端”、“远端”和包含这些用语的任何其他用语，但是本发明的保护范围不应被这些用语的使用所限制。

在以下说明中，为了识别转子芯的结构要素的位置，将接近冷媒给排装置的转子芯的一侧或部分称为“近端侧100”，并将接近超导电动机输出轴的转子芯的另一侧或部分称为“远端侧110”。

1.转子芯的结构

如图1中所示，根据本发明的实施例的转子芯10装入具有相互电磁连接的定子20和转子21的超导电动机25中。转子芯10与连接在冷媒给排装置30和制冷机31之间的冷媒供给管16和冷媒排气管17连接，使得转子芯10的主体被从冷媒给排装置30供应的例如本实施例中的氦气的冷媒冷却，而且通过转子芯10的主体的传导冷却将安装在转子芯10上的超导线圈50冷却至大约30K，从而保持超导线圈50的超导电性。

如上所述，在电磁装置中使用超导线圈引发非常高的磁场，导致由铁等磁性材料产生的磁场饱和。而且，大约30K的极低温度在碳钢中引起低温脆性。因此，在本实施例中用于转子芯10的是具有改善的低温特性的非磁性材料，例如SUS316。

如图2中所示，因为转子芯10需要在超导电动机25内传送高扭矩，所以优选地通过将SUS316的实心圆柱形材料切削成中空圆筒体而制造。中空圆筒形转子芯10有助于减轻转子芯10的重量，与常规的实心转子芯相比减小了热容量。

如图中所示，转子芯10包括分别设置在近端侧100和远端侧110的凸缘11和12，以及形成于其中并且在沿转子芯10的中心轴150的方向上延伸的圆筒形空腔13。转子芯10还包括形成于其中的冷媒通道14a、14b、15a和15b，从转子芯10的近端侧100到远端侧110延伸通过，并且在圆筒形空腔13的圆周方向上以90度的规则间隔设置。冷媒供给管16和冷媒排气管17设置在圆筒形空腔13内从转子芯10的近端侧100到远端侧110。

转子芯10的凸缘12具有形成于其中的四个切口18。如图中所示，转子芯10具有在转子芯10的外周部与各切口18相应的位置形成的、用于收纳赛道型超导线圈50的凹部70。各凹部70通过形成在转子芯中的分隔肋19相互隔开。如图5中所示，凹部70设计成通过将线圈50放置在凹部70的底部71上，使超导线圈50嵌入相关联的凹部70。

接下来，将参照图3详细说明从冷媒给排装置30供给的氦气通过转子芯10中的冷媒通道14a、14b和15a、15b输送，然后再返回装置30的流通路径。如图中所示，从装置30到转子芯10供应氦气的冷媒供给管16被分成两个供给支管160和161。供给支管160在邻近装置30的转子芯10的近端侧100设置的连接器90a分成子支管160a和160b，分别连接于冷媒通道14a和14b的近端。

冷媒通道14a和14b的远端分别与子支管170a和170b的一端连接。子支管170a和170b的另一端在邻近电动机输出轴的转子芯10的远端侧110设置的连接器90b，连接于延伸通过转子芯10的圆筒形空腔13的返回支管170。

供给支管161在转子芯10的圆筒形空腔13内延伸通过，然后在邻近电动机输出轴的转子芯10的远端侧110设置的连接器91a分成子支管161a和161b，分别连接于冷媒通道15a和15b的远端。

冷媒通道15a和15b的近端分别与子支管171a和171b的一端连接。子支管171a和171b的另一端在邻近装置30的转子芯10的近端侧100设置的连接器91b连接于返回支管171。返回支管170和171在近端侧100的规定位置相互连接，以形成冷媒排气管17。

如上所述，直径上相反的冷媒通道14a和14b形成一对通道，其中氦气从近端侧100向远端侧110，即，在从冷媒给排装置30到电动机输出轴的方向上流动。直径上相反的冷媒通道15a和15b形成一对通道，其中氦气从远端侧110向近端侧100，即，在从电动机输出轴到冷媒给排装置30的方向上流动。

在本实施例中，转子芯10具有设置在转子芯10的圆筒形空腔13外周的第一和第二冷媒通道，即，第一冷媒通道将在近端侧100径向向外分支的冷媒从近端侧100引导到远端侧110，并且第二冷媒通道通过转子芯10的圆筒形空腔13，将在远端侧110径向向外分支的冷媒从远端侧110引导到近端侧100，从而允许将冷媒从近端侧100输送到远端侧110且反之亦然，结果确保纵向伸长的转子芯被均匀地冷却。

尽管在转子芯10的圆筒形空腔13的外周设置四个冷媒通道14a、14b、15a、15b，然而可对本实施例做出各种修改。例如，可为转子芯设置六个或八个冷媒通道。

接着将参照图4说明冷媒通道14a、14b、15a、15b的内部结构。应当注意，图4示出冷媒通道14a和14b的内部结构，而通道14a和14b与通道15a和15b之间的差异仅在于氦气300在相反方向上流动。

如图4中所示，在各冷媒通道14a和14b内配置有实心芯构件90，其与通道的纵轴同轴地延伸，在芯构件周围留出圆筒形空间200。芯构件90具有在纵向上以规则间隔布置的多个环状凸部95。芯构件90可由例如空心管或方棒的棒状构件制成，而非实心圆柱体。

芯构件90上的凸部95的存在抑制在冷媒通道14a、14b的内表面上形成边界层，边界层会损害传热并减小在通道内流动的冷媒或氦气300与转子芯10之间的传热效率。凸部95还促进通道14a、14b中湍流的形成，从而引起氦气300的主湍流与通道14a、14b的内表面频繁接触，并提高由此产生的传热效率。

尽管在本实施例中，在芯构件90的外周纵向上以规则间隔设置了多个凸部95，然而其可被螺旋板，在芯构件90的外周面上形成的多个凹陷或凹部，在冷媒通道的内周面上周向延伸的多个突起或凸部，或者能够抑制边界层形成的其它各种结构取代。

2.转子芯的冷却操作

接着将参照图1-4说明转子芯10的冷却操作。在该操作中，例如通过两级制冷机30将氦气300冷却至一定温度，然后通过冷媒给排装置30供应给冷媒供给管16。然后，如图3中所示，从冷媒供给管16供应的氦气300被供应给一个供给支管160和与供给支管160分开并延伸通过转子芯10的空腔的另一个供给支管161。

流入供给支管160的氦气300在转子芯10的近端侧100分流进入子支管160a和160b，然后从近端流入冷媒通道14a和14b中。如图4中所示，流入冷媒通道14a和14b的氦气300与芯构件90上的凸部95接触，从而抑制通道14a和14b的内表面上边界层的形成并且促进湍流的形成。这导致湍流氦气300的主体与通道14a和14b的内表面接触，从而有效地冷却转子芯10的主体。

在通道14a和14b内热交换之后，氦气300从通道14a和14b的远端排出，通过子支管170a和170b汇流到转子芯10的远端侧110的返回支管170中。氦气300从返回支管170排出到冷媒排气管17中。

流入供给支管161的氦气300在转子芯10的远端侧110分流，并通过远端流入通道15a和15b中。如上所述，通道15a和15b中的氦气300有效地冷却转子芯10的主体。

在通道15a和15b中热交换后的氦气300从近端排出，并通过转子芯10的近端侧100的子支管171a和171b汇流进入返回支管171中，然后排出到冷媒排气管17中。

如上所述，根据本实施例的转子芯10将冷媒从近端侧100输送到远端侧110，反之亦然，从而使伸长的转子芯10被均匀地冷却。

结果，流入通道14a、14b和15a、15b的冷媒的冷量通过转子芯10的底部71全部传递给嵌入凹部70中的超导线圈50，使得线圈50被均匀、有效地冷却到一定温度。

如上所述，因为根据本发明的实施例的转子芯10由具有纵向延伸的圆筒形空腔的基本中空的圆筒形非磁性构件制成，所以比常规的转子芯轻。而且，在极低温度下也不会发生低温脆性。

另外，根据本实施例的转子芯10具有在近端侧100与远端侧110之间延伸的冷媒通道，使得在超导旋转电机中不使用复杂的结构而能充分地冷却转子芯10。

此外，在根据本实施例的转子芯10中，棒状构件配置在各冷媒通道内，周围留出一定间隙，从而减小了通道的横截面积并增加了冷媒的流速和冷媒所产生的热交换效率。

此外，根据本实施例的转子芯10在冷媒通道的内表面或在棒状构件的外周面具有多个凸部或凹部。这抑制在冷媒通道的内表面上形成会降低能量传递效率的边界层，并且使冷媒的主要部分与冷媒通道的内表面发生湍流接触，从而进一步增加热交换效率。

另外，根据本实施例的转子芯10具有将冷媒从转子芯10的近端侧100输送到远端侧110的第一冷媒通道，以及将冷媒从远端侧110输送到近端侧100的第二冷媒通道，使得轴向延伸的伸长的转子芯10被均匀地冷却。

上述实施例不对本发明进行限制。而且，本发明包含本发明的权利要求范围内的所有改型和等效形式。

Claims (5)

1.一种用于超导旋转电机的转子芯，包括：

由非磁性材料制成的基本中空的圆筒形构件，

所述圆筒形构件具有

纵轴，

形成在所述圆筒形构件中并沿所述纵轴延伸的圆筒形空腔，

形成在所述圆筒形构件的外周面上用于收纳超导线圈的多个凹部，和

邻近所述圆筒形空腔形成并在所述圆筒形构件的近端侧与远端侧之间延伸通过的至少两个冷媒通道。

2.根据权利要求1所述的转子芯，还包括棒状构件，各自同轴配置在所述冷媒通道中，在所述棒状构件的周围留出空间。

3.根据权利要求1所述的转子芯，其中各所述冷媒通道的内表面或者各所述棒状构件的外表面具有形成为在周向延伸的凸部或凹部。

4.根据权利要求1所述的转子芯，其中所述冷媒通道具有将冷媒从所述近端侧引导到所述远端侧的第一冷媒通道，以及将冷媒从所述远端侧引导到所述近端侧的第二冷媒通道。

5.一种具有相互电磁连接的定子和转子的超导旋转电机，包括根据权利要求1所述的转子芯。

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