[发明专利]具有连续极配置的同步超导旋转机械

说明书

本发明涉及一种具有超导转子的同步励磁旋转机械，其包括多个凸出的磁性材料第一极单元和多个具有缠绕磁性材料芯元件的超导线圈的第二极单元。每个第二极单元位于两个相邻第一极单元之间。第二极单元通过多个隔热支撑元件与护铁和第一极单元分隔开，其中此间隔被抽真空，使得其作为磁性气隙。在护铁上设置有封闭壳体，其中设有第一极单元和第二极单元，其中第二极单元的超导线圈与冷却系统流体连通。第一极单元和护铁在环境温度运行同时第二极单元在低温工作温度运行。

技术领域

本发明涉及同步超导旋转机械，其包括相对定子可旋转设置的转子，其中该转子至少包括护铁和设置在护铁上的多个第一极单元，其中，在两个相邻的第一极单元之间形成的间隙中设有至少一个第二极单元。该至少一个第二极单元包括至少一个超导转子线圈，其中当转子相对于定子转动时，该至少一个转子线圈设置为与定子中设置的至少一个定子线圈经由电磁场相互作用。

背景技术

近年来，所谓直接驱动机构已被用于多种应用，例如用于驱动电机、车辆、火车或船的电机，以及用于在风力发电领域或其他发电如水力发电领域产生电力的发电机。这些机械大多数是同步励磁旋转机械，大多数是在转子上分布有大量极单元。这种旋转机械的优点在于相对低速的高扭矩和良好的控制。在大多数电机中，激励元件是穿过由定子中绕组产生的移动磁场同步移动的转子。在大多数发电机中，励磁元件是在定子的绕组中产生电流的转子，并且因此当其相对于定子旋转时产生电功率输出。这些功能也可以反转，使得衔铁(定子)转动而励磁元件(转子)静止。

能够使用永磁体或者使用通过其能够传导电流的一组电线圈来激励这种转子。在大部分定子-转子配置中，多个极单元沿励磁元件的内表面或外表面分布，例如在由磁性材料制成的护铁上。每个极单元可包括缠绕非磁性载体的导电线圈，即气隙绕组，或者包括由导电线圈环绕的磁性材料的芯元件。在本文中，磁性材料通常是指铁磁材料。直流电流通过这些转子线圈传导，使得两个相邻的极单元之间的磁场方向相反，即第一个为北极，下一个为南极。通过将相邻极单元的转子线圈绕组设置为相反方向，能够实现这个运行状况。或者，如果这些绕组的方向是相同的且相邻极单元的转子线圈的电流方向是相反的，能够实现同样的效果。

转子的极单元的总数量通常是偶数，并且由此相邻极单元能够成对设置。单独的极单元能够设置为庶极设置，其中每个极单元的电线圈具有一致的电流方向。这些电线圈中的电流必须增高或者各个线圈的绕组数量必须至少加倍以实现相同的输出。以这种方式，相比更常见的每个单独的极单元具有一组电线圈的极设置，能够保持相同或大致相同的磁通密度。铜或铝通常用作这些线圈的导电材料。

这种旋转机械中也使用超导体。超导旋转机械能够制造得更加紧凑，并且在某种意义上需要更少的资源。然而，这种超导线圈必须在低于他们临界温度的工作温度下运行，例如在50K、30K或者甚至更低的低温工作温度。

US 2008/0197633描述了一种旋转机械，其中超导线圈位于低温恒温器中，并且冷却剂如液氦在线圈周围流动以将线圈冷却到其低温工作温度。提供另外的真空容器用于隔热，可选地具有包含其他冷却剂(例如液氮)的其他容器或热屏蔽件。该方案具有由多个容器组成的复杂设计，这又增加了制造成本。

EP 2521252B1描述了一种配置，其中磁性护铁设置有单独的凸出磁极单元。每个单独的极单元由一组超导线圈包围，而超导线圈又设置在低温恒温器内。在这种设计中，超导线圈在低温工作温度下运行，而位于低温恒温器外部的磁性材料在环境温度下运行。此外，每个单独的超导线圈必须支撑在低温恒温器的壁上。这种配置表明作用在低温恒温器壁上的力传递到相邻的极单元，并且因此需要加固单独的低温恒温器以防止它们失效。这反过来又提供了一个非常复杂且因此昂贵的设计。