[发明专利]一种高功率密度的超导电机

说明书

发明背景

本发明总体上涉及一种应用于同步旋转机器的超导线圈。具体地说，本发明涉及一种带有一常规定子、以及一个带有超导线圈的磁饱和固体铁芯转子的同步电机

带有励磁线圈的同步旋转电机包括，但不仅仅限于此，转动发电机，回转马达，以及线性电动机。这些机械通常包括一对被电磁偶合的定子和转子。转子包括一个多极转子芯和一个或多个固定在转子芯上的线圈绕组。转子芯还可以包括一个诸如铁芯转子这样的可透磁材料。

同步电机的转子中通常使用常规的铜线圈。然而，铜线圈的电阻抗(尽管常规测量结果并不高)会产生转子的基本热量并且降低机械的功效。近来，用于转子的超导(SC)线圈绕组已经产生。SC线圈没有阻抗从而成为高效的转子线圈绕组。

铁芯转子在2特斯拉的空气磁场强度下达到饱和。已知的超导转子采用在转子中不带有铁的气芯设计，以便达到3特斯拉或者更高的空气磁场强度。这些较高的空气磁场强度提高了发电机的功率密度，并且显著减少了机械的重量和大小。气芯超导转子需要大量的超导线。而大量的超导线的需求需要增加了所需的线圈，线圈支撑的复杂程度，以及转子和SC线圈的成本。

尽管在磁场饱和区域为了提高气隙磁场以及机器功率密度的时候，铁芯转子相对于气芯转子来说可以提供很多优点，然而，铁芯超导转子在工业上并无太多应用。与气芯转子相比，铁芯转子的优点是，在磁饱和铁芯转子里使用较少的超导材料也可以达到相同的高机械功率密度。

高温超导励磁线圈由易碎的超导材料构成，其必须被冷却以保持在一个例如27°K临界温度或低于这个温度以便保持其超导性。SC线圈也可以由高温超导材料构成，例如一种BSCCO(Bi_xSr_xCa_xCu_xO_x)基导体。

超导线圈并未应用于同步电机的转子中。已经有人开始致力于将SC线圈应用到高功率密度的发电机以及其他同步电机中去。将SC线圈加入到高功率密度机械上的潜在优势包括减轻机器重量并且压缩设备体积。这些高功率密度机器通常包括一个气芯转子以及一个不带定子铁齿的气芯定子。然而，高功率密度机器会非常昂贵并且从经济上来说也不实用。

SC线圈，其线圈支撑系统以及相关的冷却系统复杂而且昂贵。SC线圈使用诸如BSCCO这样的昂贵的材料。这些材料还很脆弱。SC线圈所需的线圈支撑系统必须承受一个大同步机械的转子上所遇到的巨大的力并且保护脆弱的线圈。还有，这些支撑系统还不能将基本的热量传递给低温冷却的线圈。

此外，提供低温诸如氦的低温冷却流体的冷却系统也很复杂并且昂贵。因此，将SC线圈应用到一个同步机械上的费用以及复杂程度都非常高。为了使SC线圈在经济上是可行的，其相关的成本也应该降到将SC线圈用于铜芯转子上所带来的好处之下。

随着高温超导(HTS)材料的发展，使用SC线圈的成本也变得可以接受了。由于其保持了在例如27°K这样的相对高温下的超导特性(没有阻抗)，所以与先前需要将SC线圈冷却到一个较低温度相比，冷却HTS线圈的成本已经下降。仍然需要更低成本的SC线圈以及线圈支撑系统。

超导线圈被流体氦冷却。在穿过转子的线圈之后，热的、使用过的氦以壳体温下的气态氦返回。使用液态氦用于低温冷却需要持续地对返回的壳体温气态氦进行再液化，这样的再液化产生了明显的可靠性问题以及需要大量的辅助能源。

现有的SC线圈冷却技术包括通过一个固体低温冷却机内部的传导通路来冷却一个浸渍环氧树脂的SC线圈。另外一种方案是，转子中的冷却管道中可以将流体和/或气体冷却剂输送给浸润在流体和/或固体冷却剂中的多孔SC线圈绕组。然而，浸润冷却要求整个线圈以及转子都在一个低温环境下。结果是，由于铁在低温条件下的脆性而在整个转子磁路当中都不能使用铁。

所需要的是一种比现有HTS机器更便宜的HTS电机，以及与常规铜芯电机相比，在价格上更有竞争力的电机。为了达到经济上的成功，HTS电机必须在与常规铜电机相比的时候更有价格优势。用来降低成本的潜在的技术领域进一步包括线圈支撑系统，转子设计以及使用HTS线圈改装现有电机。此外，所需要的是一种用于电机的改进的转子励磁线圈集合，该集合没有诸如现有超导转子这样的气芯以及液冷超导励磁线圈集合的缺点。