專利名稱：具有連接超導(dǎo)線圈轉(zhuǎn)子的低溫氣體傳送連接器的同步電機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明大體上涉及一種同步旋轉(zhuǎn)電機(jī)中的超導(dǎo)線圈，更具體地涉及一種位于低溫流體源和電機(jī)轉(zhuǎn)子之間的低溫氣體連接器。
在同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子上通常采用傳統(tǒng)的銅繞組。然而，銅繞組的電阻(雖然其傳統(tǒng)的測量值較低)足以產(chǎn)生大量的轉(zhuǎn)子熱量，并降低了電機(jī)的功率效率。近來，已開發(fā)出了用于轉(zhuǎn)子的超導(dǎo)(SC)線圈繞組。SC繞組實(shí)際上不具有電阻，是非常優(yōu)良的轉(zhuǎn)子線圈繞組。
鐵芯的轉(zhuǎn)子在氣隙磁場強(qiáng)度約為2特斯拉時(shí)飽和。已知的超導(dǎo)轉(zhuǎn)子采用在轉(zhuǎn)子中沒有鐵芯的空氣芯設(shè)計(jì)，以使氣隙磁場強(qiáng)度達(dá)到3特斯拉或更高，這就增加電機(jī)了的功率密度，并導(dǎo)致其重量和尺寸顯著減小。然而，空氣芯的超導(dǎo)轉(zhuǎn)子需要大量的超導(dǎo)線，這就增加了所需的線圈數(shù)量、線圈支撐構(gòu)件的復(fù)雜性以及成本。
高溫SC勵(lì)磁線圈繞組由脆性超導(dǎo)材料制成，其必須被冷卻到臨界溫度如27K或臨界溫度以下，以獲得并保持超導(dǎo)性。這種SC繞組可由高溫超導(dǎo)材料，如BSCCO基(BixSrxCaxCuxOx)的導(dǎo)體制成。
超導(dǎo)線圈由液氦冷卻。經(jīng)過了轉(zhuǎn)子的線圈繞組后，來自繞組的熱氦回復(fù)為室溫的氣態(tài)氦。使用液氦進(jìn)行低溫冷卻要求連續(xù)地再液化已回復(fù)的室溫的氣態(tài)氦。這種再液化存在相當(dāng)大的可靠性方面的問題，并需要大量的輔助電源。
現(xiàn)有冷卻技術(shù)包括通過低溫冷卻機(jī)經(jīng)固體導(dǎo)電路徑來冷卻環(huán)氧樹脂浸漬的SC線圈。或者，轉(zhuǎn)子中的冷卻管可將液態(tài)和/或氣態(tài)冷卻劑傳送給浸入在液態(tài)和/或氣態(tài)冷卻劑流中的多孔SC線圈繞組。浸入式冷卻要求整個(gè)勵(lì)磁繞組和轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)處于低溫溫度下。結(jié)果是，由于鐵在低溫下的脆性，它不能用于轉(zhuǎn)子磁路中。
需要一種冷卻流體連接器將固定的低溫制冷單元連接到轉(zhuǎn)子及其SC線圈上。此連接器必須在固定源和轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)端軸之間傳送輸入和輸出的冷卻流體。在連接低溫冷卻系統(tǒng)和轉(zhuǎn)子及其它旋轉(zhuǎn)部件的傳送連接器中通常使用接觸密封裝置。接觸密封裝置增加了摩擦損失，降低了低溫制冷機(jī)的能力，并且由于密封磨損而限制了連接器的壽命和可靠性。在傳送冷卻流體到轉(zhuǎn)子時(shí)也使用相對運(yùn)動(dòng)間隙的密封裝置。然而，相對運(yùn)動(dòng)間隙的密封裝置具有較高的傳熱損失?？墒褂醚娱L的相對運(yùn)動(dòng)間隙的熱絕緣長度來減少低溫氣體的傳熱損失，并提高低溫制冷機(jī)的能力。然而，這些長的熱絕緣長度導(dǎo)致懸伸管較長，使其過度地振動(dòng)并與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子發(fā)生摩擦接觸。因此，對與轉(zhuǎn)子相連的更好的低溫氣體連接器的需求是長期存在的。
有關(guān)用于HTS線圈的低溫氣體冷卻系統(tǒng)的傳熱損失最好應(yīng)最小，以節(jié)省制冷機(jī)的動(dòng)力。固定低溫氣體源和同步電機(jī)轉(zhuǎn)子之間的連接器是低溫氣體泄漏的潛在源。為了使連接器處的氣體泄漏最小，希望輸入和返回的氣流之間的泄漏最小，并且在低溫氣體和周圍環(huán)境溫度部件之間提供充分的熱絕緣。另外，傳送連接器的使用壽命和高可靠性應(yīng)與同步電機(jī)的預(yù)期壽命和可靠性相當(dāng)。
在第一實(shí)施例中，本發(fā)明是為同步電機(jī)的帶超導(dǎo)繞組的轉(zhuǎn)子和低溫冷卻流體源提供冷卻流體的冷卻流體連接器。此流體連接器包括位于轉(zhuǎn)子中并與轉(zhuǎn)子軸線同軸的輸入冷卻管和輸出冷卻管。輸入冷卻管具有接收來自低溫冷卻流體源的輸入冷卻流體的輸入端口。輸出冷卻管具有可將冷卻流體從轉(zhuǎn)子送回到流體源的輸出端口。旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)間隙密封裝置將連接器的輸入端口和輸出端口隔開。
在另一實(shí)施例中，本發(fā)明為位于同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子和低溫冷卻流體源之間的冷卻流體連接器。此連接器包括(i)位于轉(zhuǎn)子中并與轉(zhuǎn)子軸線同軸的旋轉(zhuǎn)輸入冷卻管和旋轉(zhuǎn)輸出冷卻管；(ii)接收來自低溫冷卻流體源的冷卻流體的輸入冷卻管；(iii)可將冷卻流體從轉(zhuǎn)子送回到流體源的輸出冷卻管；和(iv)支撐輸出冷卻管內(nèi)的輸入冷卻管的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)間隙密封裝置。
在其它實(shí)施例中，本發(fā)明為位于同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子和低溫冷卻流體源之間的冷卻流體連接器。此連接器包括(i)位于轉(zhuǎn)子中并與轉(zhuǎn)子軸線同軸的旋轉(zhuǎn)輸入冷卻管和旋轉(zhuǎn)輸出冷卻管；(ii)接收來自低溫冷卻流體源的輸入冷卻流體的輸入冷卻管；(iii)可將冷卻流體從轉(zhuǎn)子送回到冷卻流源的輸出冷卻管；(iv)支撐輸出冷卻管內(nèi)的輸入冷卻管的旋轉(zhuǎn)無接觸的運(yùn)動(dòng)間隙密封裝置；(v)圍繞輸出冷卻管的固定的第三管，所述第三管由軸承支撐；和(vi)支撐固定的第三管中的輸出冷卻管的固定磁場密封裝置。


圖1是具有超導(dǎo)轉(zhuǎn)子和定子的同步電機(jī)的示意性側(cè)視圖；圖2是具有冷卻氣體通道的跑道形SC線圈的示意圖；圖3是具有跑道形SC線圈繞組的轉(zhuǎn)子的局部剖開的示意圖；圖4和5是具有跑道形SC線圈繞組和端部軸的轉(zhuǎn)子的剖面圖；圖6，7和圖8顯示了轉(zhuǎn)子集電器側(cè)的端部軸的剖面圖。
圖9是低溫氣體傳輸連接器組件的剖面示意圖。
在圖中各標(biāo)號(hào)的含義如下10同步電機(jī)；12定子；14轉(zhuǎn)子；16定子中的轉(zhuǎn)子腔；18磁場；19定子線圈；20轉(zhuǎn)子軸線；22轉(zhuǎn)子鐵芯；24轉(zhuǎn)子端部軸(集電器側(cè))；26冷卻劑傳送連接器；30轉(zhuǎn)子的相對端部軸；32渦輪機(jī)連接器；34跑道形SC勵(lì)磁繞組線圈；35換向器/集電器；36高溫超導(dǎo)(HTS)線圈；37連接SC線圈的電觸頭；38冷卻通道；39繞組上的冷卻通道的輸入端口；40繞組側(cè)部；41繞組的冷卻輸出端口；42拉桿；44通道罩；46穿過轉(zhuǎn)子鐵芯的孔道；48轉(zhuǎn)子鐵芯的凹槽表面；52拉桿套管(絕緣管)；54跑道形線圈繞組的端部；56轉(zhuǎn)子端部；58拼合夾板；60夾板；62轉(zhuǎn)子鐵芯的軸環(huán)；64軸環(huán)上的狹槽；66軸環(huán)側(cè)壁；68薄壁管；76導(dǎo)管；150旋轉(zhuǎn)連接器部件；152固定件；154插入管；156輸入管；157流向箭頭；158插入管端部；160柔性管；162運(yùn)動(dòng)間隙密封裝置；164熱氣流；166輸出管；168套管；169圓盤；170柔性管；172真空夾套；174薄壁管；176磁密封裝置；177氣流；178連接器軸承；180油噴嘴；182放油管；184迷宮式密封裝置；186圓柱形套管；188防護(hù)罩；190固定的低溫冷凍機(jī)；196磁場密封套；198O型密封圈。
轉(zhuǎn)子14具有通常沿軸向延伸的軸線20和通常為實(shí)心的轉(zhuǎn)子鐵芯22。實(shí)心的鐵芯22具有較高的導(dǎo)磁性，通常由鐵磁材料如鐵制成。在低功率密度的超導(dǎo)電機(jī)中，可用轉(zhuǎn)子的鐵芯來減少磁動(dòng)勢(MMF)，從而減少所用的導(dǎo)線。例如，轉(zhuǎn)子鐵芯可在氣隙磁場強(qiáng)度約為2特斯拉時(shí)磁飽和。
轉(zhuǎn)子14支撐了一對通常沿軸向延伸的、跑道形的高溫超導(dǎo)(HTS)線圈34。超導(dǎo)線圈也可為鞍形，或者是可適應(yīng)特定HTS轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)的其它形狀。這里所公開的冷卻連接器也可適用于與安裝在實(shí)心轉(zhuǎn)子上的跑道形線圈不同的其它線圈繞組及轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。
轉(zhuǎn)子包括一對端部軸24，30，其可支持鐵芯22并由軸承25支撐。集電器側(cè)的端部軸24包括可與旋轉(zhuǎn)SC線圈繞組電連接的集電環(huán)35。集電器側(cè)的端部軸具有冷卻劑傳送連接器26，其與用于冷卻轉(zhuǎn)子中的SC線圈繞組的低溫冷卻流體源相連。冷卻劑傳送連接器26包括與低溫冷卻流體源相連的固定部分以及為HTS線圈提供冷卻流體的旋轉(zhuǎn)部分。驅(qū)動(dòng)側(cè)的端部軸30可由動(dòng)力渦輪機(jī)通過驅(qū)動(dòng)連接器32來驅(qū)動(dòng)。
圖2顯示了一個(gè)示例性的HTS跑道形SC勵(lì)磁線圈繞組34。轉(zhuǎn)子的SC勵(lì)磁繞組34包括高溫超導(dǎo)線圈36。各HTS線圈包括高溫超導(dǎo)體，例如層疊在固體的經(jīng)環(huán)氧樹脂浸漬的繞組組成物條帶中的BSCCO(BixSrxCaxCuxOx)導(dǎo)體。例如，可在固體的環(huán)氧樹脂浸漬的線圈中層疊、粘結(jié)并纏繞一系列BSCCO 2223導(dǎo)線。
SC線圈為典型的經(jīng)環(huán)氧浸漬的層繞SC條帶。SC條帶纏繞成精密的線圈形狀以獲得精密的尺寸公差。條帶以螺旋方式纏繞，形成一個(gè)跑道形SC線圈36。
跑道形線圈的尺寸取決于轉(zhuǎn)子鐵芯的尺寸。通常來說，各跑道形線圈包圍了轉(zhuǎn)子鐵芯的磁極，并與轉(zhuǎn)子軸線平行。線圈繞組圍繞著此跑道形是連續(xù)的。SC線圈圍繞著轉(zhuǎn)子鐵芯和在鐵芯的磁極之間形成了無電阻的電流路徑。線圈具有將線圈與集電器35電連接的電觸頭37。
在線圈繞組34內(nèi)具有低溫冷卻流體的流體通道38。這些通道可以圍繞SC線圈36的外邊緣延伸。通道可為線圈提供低溫冷卻流體，以從線圈中帶走熱量。冷卻流體，如氦，可在SC線圈繞組中保持為促進(jìn)包括線圈中的電阻消失在內(nèi)的超導(dǎo)狀態(tài)所需的低溫，如27K。冷卻通道具有位于轉(zhuǎn)子鐵芯一端的輸入端口39和輸出端口41。這些端口與SC線圈上的冷卻通道38相連，并且在與端部軸24相對的端部處與冷卻劑傳送連接器26相連。
圖3顯示了轉(zhuǎn)子鐵芯22和高溫超導(dǎo)線圈的線圈支撐系統(tǒng)的分解圖。此支撐系統(tǒng)包括與線圈罩44相連的拉桿42。此線圈罩固定并支撐轉(zhuǎn)子中線圈繞組34的側(cè)部40。雖然圖中只示出了一個(gè)拉桿和通道罩，但線圈支持系統(tǒng)通常包括多個(gè)拉桿，各拉桿的兩端均具有線圈支撐罩。拉桿和通道罩可防止在轉(zhuǎn)子運(yùn)轉(zhuǎn)的過程中損壞線圈繞組，相對離心力和其他力而支撐線圈繞組，并為線圈繞組提供了防護(hù)罩。
HTS線圈和結(jié)構(gòu)支撐部件處于低溫下。相反，轉(zhuǎn)子鐵芯處于周圍的“高”溫下。線圈支撐構(gòu)件是熱傳導(dǎo)的潛在源，它可使熱量從轉(zhuǎn)子鐵芯傳到HTS線圈。轉(zhuǎn)子在操作中變熱。由于線圈將處于超低溫狀態(tài)，因此應(yīng)避免熱量傳導(dǎo)到線圈中。拉桿穿過轉(zhuǎn)子中的孔道46，但不與轉(zhuǎn)子接觸。這種不接觸減小了從轉(zhuǎn)子到拉桿和線圈的熱傳導(dǎo)。
為了減少線圈的熱傳導(dǎo)，線圈的支撐構(gòu)件應(yīng)最小，以減小從熱源如轉(zhuǎn)子鐵芯經(jīng)支撐構(gòu)件的熱傳導(dǎo)。通常有兩類用于超導(dǎo)線圈的支撐構(gòu)件(i)“溫”支撐構(gòu)件和(ii)“冷”支撐構(gòu)件。在溫支撐構(gòu)件中，支撐結(jié)構(gòu)與冷卻的SC繞組熱絕緣。通過溫支撐構(gòu)件，超導(dǎo)(SC)線圈的大部分機(jī)械載荷由橫跨從冷到熱的部件的構(gòu)件所支撐。
在冷支撐系統(tǒng)中，支撐系統(tǒng)處于或接近處于SC線圈的冷卻低溫下。在冷支撐構(gòu)件中，SC線圈的大部分機(jī)械載荷由處于或接近處于低溫下的構(gòu)件所支撐。這里公開的示例性冷支撐系統(tǒng)是冷支撐構(gòu)件，其中拉桿和將拉桿與SC線圈相連的罩保持在低溫或接近于此低溫的溫度下。由于支撐件是冷的，因此這些構(gòu)件例如通過穿過轉(zhuǎn)子鐵芯的無接觸孔道與轉(zhuǎn)子的其他“熱”部件熱絕緣。絕緣管52將拉桿42與轉(zhuǎn)子鐵芯中的孔道壁分離。這些絕緣管插入到各孔道42的端部。拉桿穿過管的中心。絕緣管52將拉桿置于孔道的中心，并防止熱量從熱的轉(zhuǎn)子鐵芯傳導(dǎo)到冷的拉桿。
單個(gè)支撐件包括拉桿42(其可能為在一端部帶有一對螺栓的桿)、通道罩44和連接通道罩與拉桿端部的銷釘80。各通道罩44為U形托架，其帶有與拉桿相連的支腳和用于容納線圈繞組34的溝槽。U形罩可使支撐系統(tǒng)與線圈精密且方便地進(jìn)行裝配。沿線圈繞組的側(cè)部可從頭到尾地設(shè)置一組溝槽架。線圈罩44將作用在線圈上的力例如離心力整體地分布在各線圈的基本整個(gè)側(cè)部40上。
銷釘80穿過通道罩和拉桿上的開口。銷可以為中空的，以減輕重量。鎖定螺母84與銷釘?shù)亩瞬柯菁y連接，從而緊固罩44以防止罩的側(cè)部在載荷下脫開。銷釘可由高強(qiáng)度的鉻鎳鐵合金或鈦合金制成。拉桿制成具有大直徑端部82，此端部的端面被機(jī)加工成兩個(gè)平面86，以便與U形罩和線圈寬度相配。當(dāng)拉桿、線圈和線圈罩裝配在一起時(shí)，拉桿的平端部86靠在HTS線圈的內(nèi)表面上。這種線圈支撐組件減小了拉桿中容納銷釘?shù)目滋幍膽?yīng)力集中。
轉(zhuǎn)子鐵芯22通常由磁性材料如鐵制成，而轉(zhuǎn)子側(cè)端部軸通常由非磁性材料如不銹鋼制成。端部軸24，30可由不銹鋼制成。轉(zhuǎn)子鐵芯和端部軸是通常為可通過螺紋連接或焊接裝配并牢固地連接在一起的分開的零件。
轉(zhuǎn)子鐵芯22通常具有圓柱形的形狀，以適于在定子12的轉(zhuǎn)子腔16中旋轉(zhuǎn)。為了容納線圈繞組34，轉(zhuǎn)子鐵芯具有凹槽表面48，例如平的或三角形的區(qū)域或狹槽。這些表面48位于圓柱鐵芯的曲面上并沿轉(zhuǎn)子鐵芯縱向地延伸。線圈繞組34安裝在轉(zhuǎn)子上鄰近于凹槽區(qū)域48的位置。線圈通常沿凹槽區(qū)域的外表面縱向地延伸，并圍繞轉(zhuǎn)子鐵芯的端部。轉(zhuǎn)子鐵芯的凹槽表面48可容納線圈繞組。凹槽區(qū)域的形狀應(yīng)與線圈繞組相符合。例如，如果線圈繞組為鞍形或其它形狀，轉(zhuǎn)子鐵芯上的凹槽應(yīng)設(shè)成能容納這些形狀的繞組。
線圈繞組34的端部54與轉(zhuǎn)子鐵芯的相對端部56相鄰。拼合夾板58固定住轉(zhuǎn)子中線圈的各個(gè)端部。各線圈端部54處的拼合夾板包括一對可夾住線圈34的相對的平板60。拼合夾板的表面包括可容納線圈繞組的溝槽和連接繞組的接頭112，124。
拼合夾板58可由非磁性材料如鋁或鉻鎳鐵合金制成?？梢杂孟嗤蛳嗨频姆谴判圆牧蟻碇谱骼瓧U、線圈罩和線圈支撐系統(tǒng)的其它部分。線圈支撐系統(tǒng)最好為非磁性的以便在低溫下保持韌性，這是因?yàn)殍F磁材料在低于居里轉(zhuǎn)變溫度的溫度下變脆，不能用作承載結(jié)構(gòu)。
各端部軸的軸環(huán)62包圍拼合夾板58，但不與之相接觸。雖然圖3中僅示出了一個(gè)軸環(huán)，但在轉(zhuǎn)子芯22的兩端均連接了軸環(huán)62。軸環(huán)是非磁性材料如不銹鋼的厚圓盤，此非磁性材料與制成轉(zhuǎn)子軸的材料相同或相似。
軸環(huán)具有正交于轉(zhuǎn)子軸線的狹槽64，此狹槽較寬，足以容納且不接觸拼合夾板58。開槽軸環(huán)的熱的側(cè)壁66與冷的拼合夾板相隔開，使得它們互不接觸。
圖4和圖5是轉(zhuǎn)子的剖視圖，其中圖5顯示了圍繞轉(zhuǎn)子鐵芯的線圈繞組的平面圖，圖4顯示了正交于圖5的視圖。圖6，7和8是集電器側(cè)的端部軸24的放大剖視圖。特別是這些圖顯示了穿過轉(zhuǎn)子的集電器側(cè)的端部軸24的導(dǎo)管76。導(dǎo)管76為冷卻管和連接SC繞組的電觸頭提供了通道。導(dǎo)管76從軸環(huán)62穿過端部軸24延伸到冷卻連接器26處的相對的端部軸。圖6和7顯示了鄰近轉(zhuǎn)子鐵芯22和端部軸24的導(dǎo)管76。圖8顯示了連接線圈繞組34的冷卻輸入和輸出端口39，41的放大視圖。
線圈繞組34的電接頭37與電線相連，電線沿端部軸24的長度朝向集電環(huán)35延伸。電線穿過軸中的導(dǎo)管76，且被支撐在薄壁管174內(nèi)。
線圈的冷卻輸入和輸出端口39，41連接到沿端部軸長度延伸的輸入和輸出冷卻管156，166上。輸入管156延伸到與轉(zhuǎn)子軸線同軸的輸入端口39。冷卻氣體輸出端口41與轉(zhuǎn)子軸線偏離，并通過氣體傳輸連接器與環(huán)形輸出管166相連接。輸出管166與輸入管同軸，并位于輸入管之外。
圖9顯示了示例性的傳送連接器26，其具有旋轉(zhuǎn)軸件150和圍繞此軸件的靜止部件152。傳送連接器將轉(zhuǎn)子端部軸24與用于冷卻轉(zhuǎn)子中的SC線圈繞組的低溫冷卻流體的固定的供應(yīng)源相連。
冷卻低溫氣體從固定的低溫制冷機(jī)190(示意性示出)通過固定插入管154連接到隨端部軸24一起旋轉(zhuǎn)的輸入管156中。右向箭頭157顯示了輸入冷卻氣體穿過連接器并沿轉(zhuǎn)子軸線20朝向HTS線圈流動(dòng)。插入管與轉(zhuǎn)子軸線20同軸。插入管的端部158提供了與輸入管156的無接觸密封。插入管的另一端連接到與低溫制冷機(jī)相連接的柔性管160，并提供輸入冷卻氦氣的供應(yīng)源。由圍繞插入管形成的間隙密封的旋轉(zhuǎn)相對運(yùn)動(dòng)間隙密封裝置162限制了輸入冷卻氣體向低壓返回氣體的泄漏。
熱的冷卻氣體(由圖中左向箭頭164示出)在冷卻輸入管156和冷卻輸出管166之間形成的環(huán)狀通路中流動(dòng)，環(huán)狀通路與輸入管同軸。熱的冷卻氣體穿過HTS線圈繞組并從那些繞組中帶走熱量。
熱的冷卻氣體離開旋轉(zhuǎn)輸出管166，并在間隙密封裝置162和圍繞此間隙密封裝置的固定的圓柱形套管168之間流過。套管的端部圓盤169具與轉(zhuǎn)子軸線偏離且與返回柔性管170相連的輸出端口，用于將熱的低溫氣體從轉(zhuǎn)子傳遞到低溫制冷機(jī)190。熱的冷卻氣體進(jìn)入到與低溫制冷機(jī)相連的柔性管170中。柔性管與轉(zhuǎn)子軸線20偏離。
所有低溫氣體傳送管156，166被真空夾套172套住，以減小傳給氣體的熱量。返回氣流164通過帶有小的相對運(yùn)動(dòng)間隙(在薄壁管174和旋轉(zhuǎn)真空套管166之間)的一段薄壁管174而與周圍環(huán)境溫度熱絕緣，以使對流傳熱最小。施加給薄壁管174和圓柱套管186之間的間隙的真空提供了進(jìn)一步的熱絕緣。
在軸174的端部處的磁流體密封裝置176提供了加壓氣體系統(tǒng)的無接觸的可靠密封。由外部供應(yīng)源提供的氣流177起緩沖作用，可以隔離軸承178的油與磁性密封裝置的磁流體，因此軸承油不能與磁流體接觸。
低溫氣體傳送連接器26由可限制懸伸管的振動(dòng)和徑向跳動(dòng)的精密軸承178支撐在轉(zhuǎn)子軸上，以防止在相對運(yùn)動(dòng)間隙處密封裝置的摩擦。油噴嘴180可為軸承提供潤滑。放油管182可允許排出用過和過量的軸承油。迷宮式密封裝置184可防止油從軸承中泄漏。
圓柱形套管186包圍了冷卻傳送連接器26的插入管末端和柔性管160，170。套管連接到與低溫制冷機(jī)190相連的柔性圓柱形波紋管188上。套管186內(nèi)保持真空，以在環(huán)境溫度、柔性管和氣體傳送連接器之間提供熱絕緣。
在圓柱套管196中裝入了磁流體密封裝置176，其用O型密封圈198相對于連接器26的非旋轉(zhuǎn)部件密封，以防止返回氣體的泄漏。
旋轉(zhuǎn)管156，166通過真空夾套172相互熱絕緣。通過固定運(yùn)動(dòng)間隙密封裝置162(以及被真空夾套套著的進(jìn)氣管156的雙層壁)，冷卻進(jìn)氣管156與流出的氣體保持隔離。類似地，雙層壁的外層旋轉(zhuǎn)管(冷卻輸出管166)也被真空夾套172套住，并位于薄壁固定管174的內(nèi)部。這些輸入和輸出管156，166從連接器延伸到HTS線圈繞組的輸入和輸出端口39，41。
為在連接器26的旋轉(zhuǎn)和固定部件之間提供氣流密封，將無接觸的間隙密封和磁場流體密封結(jié)合精密軸承和帶有狹小相對運(yùn)動(dòng)間隙的短懸伸管一起使用。氣體傳送連接器26的這些特性防止了摩擦生熱。由于摩擦或振動(dòng)，在接觸密封系統(tǒng)中會(huì)產(chǎn)生這種摩擦熱。無接觸密封系統(tǒng)的其它優(yōu)點(diǎn)為連接器壽命長、氣體密封的可靠性高，以及氣體連接器中的熱量損失低。
在運(yùn)轉(zhuǎn)中，傳送連接器26的插入管154經(jīng)柔性管160與低溫冷卻流體源相連。類似地，輸出管166和氣體密封的套管168與輸出柔性管170相連。低溫密封套管186連接到傳送連接器26的圓柱形套管上。在套管186內(nèi)和旋轉(zhuǎn)管的真空夾套172內(nèi)形成了真空。
冷卻氣體通常為惰性氣體，如氦、氖或氫。HTS超導(dǎo)體的適宜溫度通常低于30K，最好在27K左右。冷卻劑流在溫度27K左右的溫度下從低溫制冷機(jī)中排出。冷卻流體(箭頭157)從柔性輸入管160通過插入管154和輸入管156流到轉(zhuǎn)子和HTS線圈繞組34中。
冷卻低溫流體經(jīng)過轉(zhuǎn)子中的通道進(jìn)入HTS線圈36的冷卻通道38中。冷卻氣體將熱從HTS線圈帶走，保持線圈在足夠低的溫度以達(dá)到線圈的超導(dǎo)特性。冷卻管道具有輸入和輸出端口39，41，其位于轉(zhuǎn)子鐵芯的與冷卻流體連接器26相連的端部。
應(yīng)減小低溫氣體的傳熱損失以節(jié)省制冷動(dòng)力，并保持SC線圈所需的操作低溫。通過使冷卻流體的泄漏最小和使低溫冷卻流體的熱傳導(dǎo)最小來使熱量損失最小。
相對運(yùn)動(dòng)間隙密封裝置162圍繞插入管154形成間隙密封，其限制了輸入低溫氣體(箭頭157)到低壓的流出返回氣體(箭頭164)的泄漏。冷卻流體的泄漏會(huì)將不希望有的熱量傳送給冷卻系統(tǒng)。因此，應(yīng)減少冷卻流體的泄漏以提高熱絕緣和低溫冷卻系統(tǒng)26的總冷卻效率。
除了冷卻流體的泄漏外，無效傳熱的第二個(gè)來源是轉(zhuǎn)子中周圍部件的熱傳導(dǎo)。在低溫冷卻氣體和周圍環(huán)境溫度部件之間應(yīng)提供足夠的熱絕緣，以使傳給低溫氣體的熱量最小。例如，可用真空夾套172套住低溫氣體傳送管156，166，以確保高的熱絕緣。
而且，返回氣流164(箭頭164)通過薄壁管174和帶有小的相對運(yùn)動(dòng)間隙(在固定管174和旋轉(zhuǎn)真空夾套管166之間)的真空夾套管166而與周圍環(huán)境溫度熱絕緣，以使對流傳熱最小。這些相對運(yùn)動(dòng)間隙的熱絕緣長度如管之間的真空夾套間隙減小了低溫流體的傳熱，并提高了低溫制冷機(jī)的能力(通過減少熱損失)。長的熱絕緣長度會(huì)導(dǎo)致長懸伸管發(fā)生過度振動(dòng)，并可能發(fā)生摩擦接觸。
低溫氣體傳送連接器26的支撐系統(tǒng)設(shè)計(jì)成可減小與管道振動(dòng)相關(guān)的問題。連接器26由精密軸承178支撐在轉(zhuǎn)子軸上，精密軸承可限制懸伸管的振動(dòng)和徑向跳動(dòng)。
雖然在上文中結(jié)合目前被認(rèn)為是最實(shí)用和優(yōu)選的實(shí)施例來介紹了此發(fā)明，但是可以理解，此發(fā)明并不限于所公開的實(shí)施例。相反，本發(fā)明覆蓋了在所附權(quán)利要求的精神實(shí)質(zhì)內(nèi)的所有實(shí)施例。
權(quán)利要求
1.一種位于同步電機(jī)(10)的轉(zhuǎn)子(14)和低溫冷卻流體源(190)之間的冷卻流體連接器(26)，其包括位于所述轉(zhuǎn)子中并與所述轉(zhuǎn)子的軸線(20)同軸的旋轉(zhuǎn)輸入冷卻管(156)和旋轉(zhuǎn)輸出冷卻管(166)；所述輸入冷卻管(156)具有可接收來自所述低溫冷卻流體源(190)的輸入冷卻流體的輸入端口；所述輸出冷卻管具有可將所述冷卻流體從所述轉(zhuǎn)子送回到所述冷卻流體源中的輸出端口；和將所述輸入端口和所述輸出端口隔開的固定運(yùn)動(dòng)間隙密封裝置(162)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的冷卻流體連接器，其特征在于，所述連接器還包括磁流體密封裝置(176)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的冷卻流體連接器，其特征在于，所述連接器還包括位于所述輸入冷卻管和所述輸出冷卻管之間的真空夾套(172)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的冷卻流體連接器，其特征在于，所述連接器還包括延伸到所述輸入冷卻管內(nèi)的插入管(154)，所述插入管與所述低溫冷卻流體源(190)相連。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的冷卻流體連接器，其特征在于，所述低溫冷卻流體為氦氣。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的冷卻流體連接器，其特征在于，所述連接器還包括與所述轉(zhuǎn)子軸線偏離并與所述輸出冷卻管相連的柔性管(170)，以及相鄰于所述第一管并與所述輸入冷卻管相連的第二柔性管(160)，其中所述第二柔性管與所述轉(zhuǎn)子軸線同軸。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的冷卻流體連接器，其特征在于，所述連接器還包括位于所述輸入冷卻管和所述輸出冷卻管之間的真空夾套(172)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的冷卻流體連接器，其特征在于，所述連接器還包括圍繞所述輸出冷卻管并與其同軸的固定管(152)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的冷卻流體連接器，其特征在于，所述連接器還包括位于所述輸出冷卻管和所述固定管之間的真空夾套(172)。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的冷卻流體連接器，其特征在于，所述連接器還包括支撐所述固定管的軸承(178)。
11.根據(jù)權(quán)利要求8所述的冷卻流體連接器，其特征在于，所述連接器還包括支撐所述固定管(152)的軸承，支撐所述固定管中的所述輸出冷卻管的磁場密封裝置(176)，和支撐所述輸出冷卻管中的所述輸入冷卻管的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)間隙密封裝置。
12.一種位于同步電機(jī)(10)的轉(zhuǎn)子(14)和低溫冷卻流體源(190)之間的冷卻流體連接器(26)，其包括位于所述轉(zhuǎn)子中并與所述轉(zhuǎn)子的軸線同軸的旋轉(zhuǎn)輸入冷卻管(156)和旋轉(zhuǎn)輸出冷卻管(166)；所述輸入冷卻管(156)可接收來自所述低溫冷卻流體源的輸入冷卻流體；所述輸出冷卻管可將所述冷卻流體從所述轉(zhuǎn)子送回到所述冷卻流體源中；和支撐所述輸出冷卻管中的所述輸入冷卻管的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)間隙密封裝置。
13.一種位于同步電機(jī)(10)的轉(zhuǎn)子(14)和低溫冷卻流體源(190)之間的冷卻流體連接器(26)，其包括位于所述轉(zhuǎn)子中并與所述轉(zhuǎn)子的軸線同軸的旋轉(zhuǎn)輸入冷卻管(156)和旋轉(zhuǎn)輸出冷卻管(166)；所述輸入冷卻管可接收來自所述低溫冷卻流體源的輸入冷卻流體；所述輸出冷卻管可將所述冷卻流體從所述轉(zhuǎn)子送回到所述冷卻流體源中；支撐所述輸出冷卻管中的所述輸入冷卻管的旋轉(zhuǎn)無接觸運(yùn)動(dòng)間隙密封裝置；圍繞所述輸出冷卻管的第三管，所述第三管由軸承(178)所支撐，和支撐所述固定管中的所述輸出冷卻管的磁場密封裝置。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的冷卻流體連接器，其特征在于，所述連接器還包括位于所述輸入冷卻管和所述輸出冷卻管之間的真空夾套。
15.根據(jù)權(quán)利要求13所述的冷卻流體連接器，其特征在于，所述連接器還包括延伸到所述輸入冷卻管內(nèi)的插入管，所述插入管與所述低溫冷卻流體源相連。
16.根據(jù)權(quán)利要求13所述的冷卻流體連接器，其特征在于，所述低溫冷卻流體為氦氣。
17.根據(jù)權(quán)利要求13所述的冷卻流體連接器，其特征在于，所述連接器還包括與所述轉(zhuǎn)子軸線偏離并與所述輸出冷卻管相連的柔性管，以及相鄰于所述第一管并與所述輸入冷卻管相連的第二柔性管，其中所述第二柔性管與所述轉(zhuǎn)子軸線同軸。
18.根據(jù)權(quán)利要求13所述的冷卻流體連接器，其特征在于，所述連接器還包括位于所述第三管和所述輸出冷卻管之間的真空夾套。
19.根據(jù)權(quán)利要求13所述的冷卻流體連接器，其特征在于，所述第三管是固定的。
20.根據(jù)權(quán)利要求13所述的冷卻流體連接器，其特征在于，所述連接器還包括位于所述輸入冷卻管和所述輸出冷卻管之間的真空夾套。
全文摘要
公開了一種冷卻流體連接器(26),其用于提供冷卻流體給同步電機(jī)的具有超導(dǎo)繞組的轉(zhuǎn)子和低溫冷卻流體源。流體連接器包括位于轉(zhuǎn)子中并與轉(zhuǎn)子軸線同軸的輸入冷卻管(156)和輸出冷卻管(166)。輸入冷卻管具有可接收來自低溫冷卻流體源(190)的輸入冷卻流體(157)的輸入端口。輸出冷卻管具有可將冷卻流體(164)從轉(zhuǎn)子送回到流體源的輸出端口。連接器的輸入端口和輸出端口由固定的運(yùn)動(dòng)間隙密封裝置(162)隔開。
文檔編號(hào)H02K55/00GK1388632SQ0212001
公開日2003年1月1日 申請日期2002年5月15日 優(yōu)先權(quán)日2001年5月15日
發(fā)明者E·T·拉斯卡里斯, J·P·亞歷山大, R·A·阿克曼 申請人:通用電氣公司