專利名稱：超導(dǎo)電機的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種超導(dǎo)電機，并且尤其涉及一種設(shè)有用于冷卻由超導(dǎo)線材形成的線圈的制冷機的超導(dǎo)電機。
背景技術(shù)：
近來，很多注意力已被集中在依靠由車載二次電池供電的車載電機所產(chǎn)生的驅(qū)動力運行從而不排放二氧化碳、亦即實現(xiàn)“零排放”的電動車輛(下文將稱為“EV”)上。此外，使用發(fā)動機和電機兩者作為用于推進車輛的驅(qū)動力源而運行的混合動力電動車輛(下文將稱為“HEV”)已日益普及。要求用于諸如上述的EV和HEV中的電機尺寸小且輸出高，因為它們被安裝在有限的空間內(nèi)。為了維持電機的期望輸出性能，關(guān)鍵是抑制電機的升溫，并且更具體而言，冷卻電機的定子線圈。作為與上述要求相關(guān)的技術(shù)，日本專利申請公報No. 2000-125512 (JP-A-2000-125512) 記載了一種線圈端接觸冷卻型旋轉(zhuǎn)電機。在該旋轉(zhuǎn)電機中，每個定子線圈至少在線圈端具有軸向突出部分，所述部分為徑向配置的長形板狀導(dǎo)體且均在長形板狀導(dǎo)體的厚度方向與定子芯的徑向一致的這種位置從定子芯的端面突出。另外，設(shè)置了具有高導(dǎo)熱率和平坦冷卻面的冷卻部件，使得冷卻部件的冷卻面經(jīng)由電絕緣與線圈端的相應(yīng)長形板狀導(dǎo)體的平坦主面直接接觸——所述平坦主面位于線圈端的徑向最外側(cè)或徑向最內(nèi)側(cè)，從而改善了線圈端部的冷卻。同時，可使用超導(dǎo)電機作為要設(shè)置在諸如上述的EV和HEV中的電機。超導(dǎo)電機具有多個由超導(dǎo)線材形成的線圈，并且當(dāng)在線圈被冷卻使得它們的溫度維持在預(yù)定的超低溫度(例如70K)的狀態(tài)下電流、更具體而言直流電被供應(yīng)給線圈時，各線圈的電阻基本上為零。由于該原因，使用超導(dǎo)電機可有效減少電機的耗電量，從而減少EV、HEV等的耗電量。然而，在使用制冷機冷卻超導(dǎo)電機的定子線圈的情況下，如果由超導(dǎo)線材形成的線圈經(jīng)由諸如定子芯之類的具有大熱容量的其他部件被冷卻至目標(biāo)超低溫度，則要花費很多時間來將所有線圈冷卻至目標(biāo)超低溫度。另外，在制冷機的冷卻部為了冷卻而僅與定子芯的外周面的一部分接觸的結(jié)構(gòu)中，難以均勻地冷卻與定子芯的被冷卻部徑向相對的定子芯部分和設(shè)置在相同定子芯部分的線圈，并且從而視各部分的導(dǎo)熱率而定可能出現(xiàn)大的周向和軸向溫度梯度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種超導(dǎo)電機，其能夠?qū)⒕沙瑢?dǎo)線材形成的多個相線圈有效并迅速地冷卻至期望的超低溫度。本發(fā)明的一方面涉及一種超導(dǎo)電機，該超導(dǎo)電機具有被可旋轉(zhuǎn)地支承的轉(zhuǎn)子； 設(shè)置在所述轉(zhuǎn)子周圍并且設(shè)有多個線圈的定子，所述多個線圈分別由超導(dǎo)線材形成并且被卷繞在定子芯的內(nèi)周；以及具有用于冷卻所述多個線圈的冷卻部的制冷機。所述制冷機的所述冷卻部與所述多個線圈接觸。
在以上方面，所述多個線圈中每預(yù)定數(shù)目的線圈可被串聯(lián)連接，以形成多個相線圈。所述多個相線圈可在中性點與所述制冷機的所述冷卻部接觸，所述各個相線圈的一個端部在所述中性點彼此電連接。在以上方面，在所述中性點，所述各個相線圈的所述一個端部可經(jīng)由由導(dǎo)電部件制成的所述冷卻部彼此電連接而不是彼此直接連接。在以上方面，所述中性點可設(shè)置在所述多個線圈的線圈端部側(cè)，所述線圈端部是所述多個線圈的在所述超導(dǎo)電機的軸向上的軸向端部。所述制冷機可配置成使得所述各個相線圈的所述一個端部在所述多個線圈的所述線圈端部側(cè)連接到所述制冷機的所述冷卻部。在以上方面，形成所述各個線圈的所述超導(dǎo)線材的長度可彼此相等。在以上方面，所述多個線圈可設(shè)有與所述多個線圈的線圈端部接觸的環(huán)狀的傳熱部件，每個所述線圈端部位于所述多個線圈中對應(yīng)一個線圈的超導(dǎo)電機軸向端。所述制冷機的所述冷卻部可配置成與所述多個線圈接觸，并經(jīng)由所述傳熱部件從所述線圈端部冷卻所述多個線圈。在以上方面，所述超導(dǎo)電機可為三相交流電機。在以上方面，所述制冷機可具有缸和活塞。所述制冷機可構(gòu)造成使得在所述冷卻部中限定出的膨脹室中的冷卻劑被在所述缸內(nèi)往復(fù)運動的所述活塞反復(fù)壓縮和膨脹，同時所述冷卻劑的熱量經(jīng)由吸熱部件被吸收和散發(fā)，導(dǎo)致溫度下降并由此在所述冷卻部獲得期望的冷卻溫度。在以上方面，所述制冷機可具有與所述冷卻部連結(jié)的冷卻劑壓縮機。所述冷卻劑壓縮機可通過絕緣體與所述冷卻部的前端電絕緣，所述冷卻部的前端與所述多個線圈接觸，所述絕緣體設(shè)置在所述冷卻部的中間部或所述冷卻部與所述冷卻劑壓縮機之間的邊界。根據(jù)以上方面，由于制冷機的冷卻部與相線圈接觸，并且因此均由超導(dǎo)線材形成的相線圈被直接而不是經(jīng)由定子芯等冷卻，所以可將相線圈有效并迅速地冷卻至期望的超低溫度。


根據(jù)以下參考附圖對示例性實施例的說明，本發(fā)明的前述和其他的目的、特征和優(yōu)點將變得明顯，附圖中同樣的標(biāo)號用于表示同樣的元件，并且其中圖1是沿本發(fā)明的第一實施例的超導(dǎo)電機的軸向截取的剖視圖，且還示出了該超導(dǎo)電機的側(cè)面的一部分；圖2是沿著圖1中的線I-I截取的剖視圖； 圖3是示意性地示出了 U相線圈、V相線圈和W相線圈在中性點彼此電連接的電連接狀態(tài)的視圖；圖4A是示出了構(gòu)成中性點的各個相線圈的一個端部的示例的視圖；圖4B是示出了圖4A所示的中性點與制冷機的冷卻部連接的狀態(tài)的視圖；圖5A是示出了各個相線圈的一個端部以不同于圖4B所示的方式在中性點與制冷機的冷卻部連接的結(jié)構(gòu)的視圖5B是示出了當(dāng)從圖5A中用箭頭B所示的方向看去時的圖5A中的結(jié)構(gòu)的視圖；圖6是示出了各個相線圈的一個端部以不同于圖4B、圖5A和圖5B所示的方式在中性點與制冷機的冷卻部連接的結(jié)構(gòu)的視圖；圖7是制冷機的冷卻部的放大側(cè)視圖；圖8A是示出了環(huán)狀絕緣體設(shè)置在制冷機的冷卻部的中間部的示例的剖視圖；圖8B是示出了具有較高絕緣電阻的環(huán)狀絕緣體設(shè)置在制冷機的冷卻部的中間部的示例的剖視圖；圖9是示出了環(huán)狀絕緣體設(shè)置在制冷機的冷卻部與冷卻劑壓縮機之間的邊界處的示例的剖視圖；圖10是沿包括多個制冷機的本發(fā)明的第二實施例的超導(dǎo)電機的軸向截取的剖視圖，且還示出了該超導(dǎo)電機的側(cè)面的一部分；圖11是示意性地示出了 U相線圈、V相線圈和W相線圈在兩個中性點彼此電連接的狀態(tài)的視圖；圖12是沿本發(fā)明的第三實施例的超導(dǎo)電機的軸向截取的剖視圖，且還示出了該超導(dǎo)電機的側(cè)面的某些部分；圖13是沿本發(fā)明的第四實施例的超導(dǎo)電機的軸向截取的剖視圖，且還示出了該超導(dǎo)電機的側(cè)面的某些部分。
具體實施例方式下文將參考附圖詳細說明本發(fā)明的示例性實施例。應(yīng)注意，在以下對各個示例性實施例的描述中指出的形狀、材料、值、方向等只不過是用于便于理解本發(fā)明的示例，從而它們可根據(jù)各種因素諸如產(chǎn)品的用途、使用該產(chǎn)品的目的和該產(chǎn)品的規(guī)格進行適當(dāng)更改。圖1是示出了本發(fā)明的第一實施例的超導(dǎo)電機10的剖視圖，該圖是沿著超導(dǎo)電機 10的軸向截取的，且還示出了超導(dǎo)電機10的側(cè)面的一部分。圖2是沿著圖1所示的線I-I 截取的超導(dǎo)電機10的剖視圖(應(yīng)注意，該圖中略去了定子芯的陰影線)。超導(dǎo)電機10具有以可旋轉(zhuǎn)的方式被支承的轉(zhuǎn)子12、大致呈圓筒狀且被配置成環(huán)繞轉(zhuǎn)子12的外周的定子14、 以及被固定在超導(dǎo)電機10的軸向端面上的制冷機16。應(yīng)注意，在以下對各個示例性實施例的描述中，沿著經(jīng)過轉(zhuǎn)子12中心的轉(zhuǎn)子軸18的旋轉(zhuǎn)軸線X延伸的各方向?qū)⒈环Q為“軸向 (電機軸線方向)”，與旋轉(zhuǎn)軸線X成直角相交的各徑向?qū)⒈环Q為“徑向”，并且使用旋轉(zhuǎn)軸線 X作為其中心點的沿著形成在包括上述徑向的平面上的圓延伸的各方向?qū)⒈环Q為“周向”。轉(zhuǎn)子12具有轉(zhuǎn)子芯20以及轉(zhuǎn)子軸18，該轉(zhuǎn)子芯20呈圓筒狀且通過例如層疊磁性鋼板然后通過斂縫(caulking)、焊接等將它們接合在一起而形成，該轉(zhuǎn)子軸18為例如貫通轉(zhuǎn)子芯20的中心孔延伸且被固定于轉(zhuǎn)子芯20上的圓棒狀鋼質(zhì)部件。多個永磁體22 (在第一實施例中，永磁體22的數(shù)目為六，或永磁體22設(shè)置在六個位置)等角地設(shè)置在轉(zhuǎn)子芯 20的外周面上使得它們暴露于該外周面。應(yīng)注意，永磁體22可設(shè)置在轉(zhuǎn)子芯20處使得它們未暴露于該外周面，亦即，例如，它們可被嵌埋在轉(zhuǎn)子芯20的靠近其外周面的內(nèi)部中。轉(zhuǎn)子12的轉(zhuǎn)子軸18在其兩端部19a和19b通過軸承28以可旋轉(zhuǎn)的方式被支承， 該軸承觀分別被固定在形成超導(dǎo)電機10的兩個軸向端面的圓盤狀端板M和沈上。通過這種配置，隨著定子14中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，所述磁場吸引轉(zhuǎn)子芯20的永磁體22。從而，轉(zhuǎn)子12被驅(qū)動而旋轉(zhuǎn)。定子14具有為大致圓筒狀定子芯的定子芯30。多個徑向向內(nèi)突出的齒部32 (應(yīng)注意，第一實施例中設(shè)置了九個齒部3 被等角地設(shè)置在定子芯30的內(nèi)周。形成在各個齒部32之間并沿軸向延伸的空間用作槽33。定子芯30通過例如軸向?qū)盈B多塊大致環(huán)狀的磁性鋼板然后通過斂縫、粘合、焊接等將它們接合在一起而形成。應(yīng)注意，定子芯30可通過將均具有單個齒部的九個單獨的定子芯配置成環(huán)形式然后使用管狀緊固部件從外側(cè)緊固它們而形成。這些單獨的定子芯可為壓粉磁心。線圈34設(shè)置在定子芯30的相應(yīng)齒部32上。通過將超導(dǎo)線材卷繞在各個齒部32 周圍而形成線圈34。超導(dǎo)線材可為截面呈矩形的帶形超導(dǎo)線材。超導(dǎo)線材的超導(dǎo)材料為例如釔基超導(dǎo)材料或鉍基超導(dǎo)材料。然而，應(yīng)注意，超導(dǎo)線材的超導(dǎo)材料并不局限于它們中的任何材料，亦即，其也可為任何其他公知的超導(dǎo)材料或任何今后開發(fā)的超導(dǎo)材料并且在較高的溫度呈現(xiàn)其超導(dǎo)特性。各線圈34具有均位于彼此相鄰的齒部32之間的槽33內(nèi)的內(nèi)側(cè)部分35，以及從定子芯30的相應(yīng)軸向端面向外突出的兩個線圈端部36。例如，可以使用三相同步AC(交流電)電機作為超導(dǎo)電機10。在這種情況下，各線圈34與橫跨兩個其他線圈34在周向上遠離前一線圈34設(shè)置的另一線圈34串聯(lián)連接，藉此形成U相線圈34U、V相線圈34V和W相線圈34W。應(yīng)注意，本發(fā)明的超導(dǎo)電機并不限于三相AC電機，亦即，它們可為兩相AC電機、具有四個或更多個不同相線圈的AC電機、單相AC電機、DC(直流)電機等。參考圖3，U相線圈34U的一個端部、V相線圈34V的一個端部和W相線圈34W的一個端部在中性點70彼此電連接，而U相線圈34U的另一端部、V相線圈34V的另一端部和W相線圈34W的另一端部分別與U相電流輸入端子72U、V相電流輸入端子72V和W相電流輸入端子72W連接。后文將說明在中性點70處的結(jié)構(gòu)和形成各線圈34的超導(dǎo)線材的結(jié)構(gòu)。再次參考圖1和圖2，超導(dǎo)電機10具有圓筒狀的電機殼體40，并且轉(zhuǎn)子12和定子 14設(shè)置在電機殼體40內(nèi)。電機殼體40的兩個軸端分別與端板M和沈的外周部氣密地連結(jié)。電機殼體40以及端板對和沈均由例如非磁性材料如不銹鋼制成。應(yīng)注意，電機殼體 40可與端板M或端板沈一體地形成。在電機殼體40中，內(nèi)筒部件42和外筒部件44與轉(zhuǎn)子12同心地布置。內(nèi)筒部件 42的兩軸向端部分別被氣密地固定于端板M和沈的內(nèi)面上，且外筒部件44的兩軸向端部分別被氣密地固定于端板M和26的內(nèi)面上。內(nèi)筒部件42可由不妨礙磁場通過并且不導(dǎo)電的非金屬材料制成。另一方面，外筒部件44可由低導(dǎo)熱率材料(例如FRP)或具有低導(dǎo)熱率的非磁性材料制成。內(nèi)筒部件42的內(nèi)徑略大于轉(zhuǎn)子12的轉(zhuǎn)子芯20的直徑，并且在轉(zhuǎn)子芯20的外周面與內(nèi)筒部件42的內(nèi)周面之間形成在周向上均勻的間隙。此外，在內(nèi)筒部件42與外筒部件44之間形成第一真空室46——其為圓筒狀空間。包括線圈34的定子14設(shè)置在第一真空室46內(nèi)。定子14的定子芯30的外周面被密閉地固定于外筒部件44的內(nèi)周面上。第一真空室46中的真空通過在組裝包括制冷機16的超導(dǎo)電機10之后經(jīng)形成在端板對和沈中的至少一個中的排氣孔(圖中未示出)排空第一真空室46而形成。從而，通過由均具有低導(dǎo)熱率的內(nèi)筒部件42和外筒部件44限定出第一真空室46，然后如上所述排空第一真空室46，為包括線圈34且設(shè)置在第一真空室46中的定子14提供了更好的絕熱。此外，在外筒部件44與電機殼體40之間形成第二真空室48——其為筒狀空間。 與第一真空室46 —樣，第二真空室48處于真空狀態(tài)。在該結(jié)構(gòu)中，第二真空室48將包括線圈34且設(shè)置在第一真空室46中的定子14與超導(dǎo)電機10的外側(cè)隔離。結(jié)果，進一步增強了包括線圈34的定子14的絕熱。制冷機16設(shè)置在位于超導(dǎo)電機10沿軸向的一端側(cè)的端板M處。制冷機16經(jīng)由管狀托架50被附接，該管狀托架50被氣密地固定于端板M的貫通孔的周邊上。制冷機16設(shè)有冷卻劑壓縮機56，該壓縮機56具有缸52和活塞M且冷卻劑(例如，He氣體)隨著活塞M在缸52內(nèi)線性地往復(fù)運動而在其中被反復(fù)壓縮和膨脹。此外， 制冷機16具有冷卻部58，該冷卻部58經(jīng)由端板M的貫通孔從管狀托架50的內(nèi)側(cè)延伸至第一真空室46并具有分段圓柱狀外形。冷卻部58的平坦前端面經(jīng)由傳熱部件60與線圈端部36接觸。對于線圈34與制冷機16之間的電絕緣，可在線圈端部36與傳熱部件60之間和/或在傳熱部件60與冷卻部58之間設(shè)置諸如絕緣紙之類的絕緣體。制冷機16的冷卻性能足夠高以將線圈34冷卻至期望的超低溫度(例如大約 70K)——均由超導(dǎo)線材形成的線圈34在該溫度呈現(xiàn)它們的超導(dǎo)特性，并且能夠通過控制活塞M的行程來調(diào)節(jié)冷卻溫度。在超導(dǎo)電機10設(shè)置在諸如電動汽車的電動車輛中并被用作用于推進車輛的驅(qū)動力源的情況下，可使用小型且重量輕的制冷機作為制冷機16使得其可被布置在有限的安裝空間內(nèi)并且能夠減輕車輛的重量。例如，可使用為蓄冷型制冷機的斯特林制冷機作為制冷機16。以下將簡要說明第一實施例中采用的斯特林制冷機的結(jié)構(gòu)。斯特林制冷機具有缸 52和由線性電機驅(qū)動以在缸52內(nèi)線性地往復(fù)運動的活塞M。此外，在缸52內(nèi)設(shè)有另一活塞(圖中未示出)——其為未與活塞討機械連接的自由活塞。充裝有冷卻劑的壓縮室被限定在自由活塞與活塞M之間，而充裝有冷卻劑的膨脹室被限定在自由活塞與缸52的端面之間。用作傳熱裝置的吸熱部件設(shè)置在膨脹室與壓縮室之間。隨著活塞M被驅(qū)動，自由活塞以預(yù)定的相位差往復(fù)運動，從而反復(fù)壓縮和膨脹壓縮室中的冷卻劑，同時吸熱部件吸收冷卻劑的熱量并將其散發(fā)至外部，藉此形成有膨脹室的冷卻部58 (也稱為“蓄冷部”)的前端被冷卻。在對安裝空間和重量的限制不嚴格的情況下，例如，當(dāng)超導(dǎo)電機10被用作用于諸如火車和船只之類的大型移動物體的驅(qū)動力源或用作用于位置固定的機器的驅(qū)動力源時， 可以使用尺寸和重量大的制冷機，只要該制冷機具有如上所述的冷卻性能。與制冷機16的冷卻部58的軸向前端面接觸的傳熱部件60由例如具有高導(dǎo)熱率的金屬板形成，具有在周向上連續(xù)延伸的環(huán)狀形狀，并與位于一個軸向側(cè)的所有線圈端部 36接觸。另一方面，類似于前一傳熱部件60的另一傳熱部件60設(shè)置在位于另一軸向側(cè)的線圈端部36處。從而，環(huán)狀傳熱部件60分別設(shè)置在位于各個軸向側(cè)的線圈端部36處使得傳熱部件60與線圈端部36接觸，且因此周向配置的線圈34能夠被迅速且均勻地從線圈端部36冷卻。在各傳熱部件60的與線圈34相對的面上形成凹部或溝槽，線圈端部36被嵌合于其中。這增加了各線圈端部36與傳熱部件60之間的接觸面積，從而提高了冷卻線圈34的效率。此外，各傳熱部件60可由絕緣樹脂材料制成并與線圈端部36 —體形成。通過該結(jié)構(gòu)，能夠進一步增強線圈34與制冷機16的冷卻部58之間的電絕緣。此外，在該情況下， 為了提高各傳熱部件60的導(dǎo)熱率，可以對絕緣樹脂材料分散地添加金屬顆粒或金屬粉末。接下來將參考圖4A和圖4B說明在中性點70的結(jié)構(gòu)和形成各線圈34的超導(dǎo)線材 74的結(jié)構(gòu)。圖4A示出了構(gòu)成中性點70的U相線圈34U的一個端部74U、V相線圈34V的一個端部74V和W相線圈34W的一個端部74W的示例，且圖4B示出了圖4A所示的中性點與制冷機16的冷卻部58連接的狀態(tài)。通過卷繞具有矩形截面的帶狀或條狀超導(dǎo)線材74而形成第一實施例中的各線圈 34。通過依次層疊基材76、中間層78、超導(dǎo)層80和涂覆層82而形成超導(dǎo)線材74。例如，超導(dǎo)線材74按如下方式制造。應(yīng)注意，例如可以使用Hastelloy帶基材作為基材76。在基材76以恒定速度沿其縱向傳送的同時，相繼層疊并粘合中間層78、超導(dǎo)層 80和涂覆層82。更具體而言，通過例如通過離子束輔助蒸鍍在基材76的表面上蒸鍍氧化物(例如GdJr2O7)而在基材76的表面上形成中間層78。然后，通過例如通過脈沖激光蒸鍍在中間層78的表面上蒸鍍超導(dǎo)材料(例如，氧化釔或氧化鉍)而在中間層78的表面上形成超導(dǎo)層80。最后，通過例如在超導(dǎo)層80的表面上噴鍍例如銀或銀合金而在超導(dǎo)層80 的表面上形成涂覆層82。涂覆層82既用作覆蓋超導(dǎo)層80的保護層，又用作在線圈端部36 接觸傳熱部件60的表面。應(yīng)注意，本發(fā)明中的超導(dǎo)線材的各個層的材料和形成方法并不局限于以上所述， 亦即，可以使用任何公知材料和多層成型方法或任何今后開發(fā)的材料和多層成型方法。此外，超導(dǎo)線材的截面形狀并不局限于矩形形狀，亦即，例如，可以使用具有設(shè)置在線材的中央的超導(dǎo)材料芯部且被涂覆有形成在該芯部周圍的絕緣涂層(例如，樹脂涂層)的圓形截面線材，如典型的電線。參考圖4A，中性點70由分別從對應(yīng)的線圈34拉出至線圈端部36側(cè)的相線圈34U、 34V和34W的一個端部74U、74V和74W——其為各個線圈34的一個軸向端部——構(gòu)成，使得所述一個端部74U、74V和74W的矩形端面并排對齊，亦即，使得所述一個端部74U和74V 彼此接觸且所述一個端部74V和74W彼此接觸。構(gòu)成中性點70的所述一個端部74U、74V 和74W穿過形成在傳熱部件60中的開口 61 (參考圖5B)并如圖4B所示被壓配合在嵌合孔 59內(nèi)，該嵌合孔59形成于制冷機16的冷卻部58的端部且截面呈矩形。應(yīng)注意，可通過例如通過在將所述一個端部74U、74V、74W插入嵌合孔59之后對冷卻部58斂縫而加強其間的連接，來更可靠地防止超導(dǎo)線材74從冷卻部58被去除。如上所述，在第一實施例的超導(dǎo)電機10中，形成相線圈34U、34V和34W的各個超導(dǎo)線材74的一個端部74U、74V和74W在中性點70與制冷機16的冷卻部58直接連接，亦即，各個超導(dǎo)線材74的一個端部74U、74V和74W在中性點70與制冷機16的冷卻部58接觸。通過該結(jié)構(gòu)，形成各個相線圈34U、34V和34W的線圈34的超導(dǎo)線材74的超導(dǎo)層80能夠經(jīng)由具有高導(dǎo)熱率的瀲覆層82被直接、有效并迅速地冷卻，同時抑制溫度(冷度)分散至均具有大熱容量的超導(dǎo)電機10的其他部件，如定子芯30、低溫箱(cryostat)、軸承和轉(zhuǎn)子。從而，起動超導(dǎo)電機10所需的時間比較短，并且制冷機16的耗電量比較小。
此外，在第一實施例的超導(dǎo)電機10中，形成各個相線圈34U、34V和34W的超導(dǎo)線材74的長度大致彼此相等。因此，能夠通過從中性點70冷卻相線圈34U、34V和34W而均勻地冷卻它們。從而，能通過使用傳感器僅檢測和監(jiān)控三個相線圈中的一個而容易地確定所有三個相線圈的超導(dǎo)狀態(tài)。此外，在第一實施例的超導(dǎo)電機10中，與制冷機16的冷卻部58接觸的環(huán)狀傳熱部件60設(shè)置成接觸等角地設(shè)置的各個線圈34的線圈端部36。通過該結(jié)構(gòu)，能夠從位于軸向兩側(cè)的線圈端部36均勻并迅速地冷卻線圈34。接下來將參考圖5A和圖5B說明在中性點70的另一結(jié)構(gòu)。圖5A示出了相線圈 34U、34V和34W的一個端部74U、74V和74W以不同于圖4B所示的方式在中性點70與制冷機16的冷卻部58連接的結(jié)構(gòu)。圖5B示出了當(dāng)在圖5A中由箭頭B所示的方向上看去時的圖5A中的結(jié)構(gòu)。參考圖5A，相線圈34U、34V和34W的一個端部74U、74V和74W被拉出至冷卻端部 36側(cè)——其為各線圈34的一軸向端側(cè)，使得所述一個端部74U、74V和74W未彼此接觸。參考圖5B，所述一個端部74U、74V和74W穿過傳熱部件60的開口 61并且被分別壓合到形成在制冷機16的冷卻部58的端部處的三個嵌合孔59U、59V和59W內(nèi)。嵌合孔59U、59V和 59W在大致分別與等邊三角形的三條邊對應(yīng)的位置形成在冷卻部58的端面中。為了更可靠地防止超導(dǎo)線材74從冷卻部58被去除，例如，在將所述一個端部74U、74V和74W分別插入嵌合孔59U、59V和59W內(nèi)之后對冷卻部58斂縫，從而加強其間的連接。應(yīng)注意，配置相線圈34U、34U和34W的一個端部74U、74V和74W——其與冷卻部58連接使得它們沒有彼此接觸——的形式既不限于等邊三角形形式，也不限于如上所述的大致等邊三角形形式。亦即， 所述一個端部74U、74V和74W可采用各種其他形式配置，諸如圖6所示的形式，其中一個端部74U、74V和74W以一定間隔并排(或成縱列)布置。相線圈34U、34V和34W的所述一個端部74U、74V和74W并未彼此直接電連接，并且通過經(jīng)由冷卻部58彼此電連接而構(gòu)成中性點70，該冷卻部58是由例如銅形成的導(dǎo)電部件。在三相AC電機的中性點——三相線圈在該中性點彼此電連接——的電勢通常為零。從而，即使各個超導(dǎo)線材74的一個端部74U、74V和74W如上所述經(jīng)由導(dǎo)電的冷卻部58彼此電連接，也沒有電流流到冷卻部58和冷卻劑壓縮機56。然而，應(yīng)注意，在中性點的電勢可由于電機電流中的干擾而從零改變，該干擾可以是由例如逆變器的開關(guān)元件的開閉控制故障而造成的。因此，可設(shè)置絕緣體或絕緣結(jié)構(gòu)使得即使在這種異常狀態(tài)下也沒有電流從冷卻部58流到冷卻劑壓縮機56。后文將說明出于該目的而設(shè)置的絕緣體。即使相線圈34U、34V和34W的一個端部74U、74V和74W與制冷機16的冷卻部58 接觸使得它們未如前文所述彼此直接電連接，在相線圈;34U、34V和34W的冷卻方面也能夠?qū)崿F(xiàn)與如上所述相同的效果。此外，由于一個端部74U、74V和74W如上所述被單獨壓合在冷卻部58內(nèi)，所以各所述一個端部在其縱向端面和四個周側(cè)面與冷卻部58接觸，這使得能夠更均勻并有效地冷卻相線圈34U、34V和34W。上述超導(dǎo)電機10結(jié)合了以下兩種結(jié)構(gòu)相線圈34U、34V和34W的一個端部74U、 74V和74W在中性點70與制冷機16的冷卻部58連接，使得線圈34從中性點70側(cè)被冷卻的結(jié)構(gòu)；以及線圈34經(jīng)由與制冷機16的冷卻部58接觸的環(huán)狀傳熱部件60從線圈端36側(cè)被冷卻的結(jié)構(gòu)。然而，應(yīng)注意，本發(fā)明的超導(dǎo)電機并不局限于此。亦即，例如，超導(dǎo)電機10可適合于具有用于冷卻線圈34的這兩種結(jié)構(gòu)中的任一種。更具體而言，在超導(dǎo)電機10適合僅具有線圈34從中性點70側(cè)被冷卻的結(jié)構(gòu)的情況下，可省去傳熱部件60，而另一方面，在超導(dǎo)電機10適合僅具有經(jīng)由傳熱部件60冷卻線圈34的結(jié)構(gòu)的情況下，使相線圈34U、34V 和34W彼此電連接的中性點70可設(shè)置在遠離制冷機16的冷卻部58的位置。此外，在上述超導(dǎo)電機10中，相線圈34U、34V和34W在使相線圈34U、34V和34W 彼此電連接的中性點70與制冷機16的冷卻部58接觸。然而，應(yīng)注意，本發(fā)明并不局限于此。亦即，例如，線圈34可在線圈端部36的除中性點70以外的部分與制冷機16的冷卻部 58連接，使得相線圈34U、34V和34W彼此絕緣。此外，在上述超導(dǎo)電機10中，相線圈34U、34V和34W的一個端部74U、74V和74W 被布置成通過嵌合在制冷機16的冷卻部58中而與之接觸。然而，應(yīng)注意，本發(fā)明并不局限于此。亦即，例如，所述一個端部74U、74V和74W各者可僅在其一個端面(例如縱向端面) 與制冷機16的冷卻部58直接連接，盡管在這種情況下有助于傳熱的接觸面積比較小。接下來將參考圖7至圖9說明制冷機16的絕緣結(jié)構(gòu)。圖7示出了制冷機16的冷卻部58的放大側(cè)視圖。圖8A是示出了環(huán)狀絕緣體84設(shè)置于冷卻部58的中間部的示例的剖視圖。圖8B是示出了具有比較高的絕緣電阻的環(huán)狀絕緣體8 設(shè)置于冷卻部58的中間部分的示例的剖視圖。圖9是示出了環(huán)狀絕緣體84b設(shè)置于冷卻劑壓縮機56與冷卻部58 之間的邊界處的示例的剖視圖。參考圖7，制冷機16由冷卻劑壓縮機56和冷卻部58構(gòu)成，并且冷卻部58的前端部(即，圖7中在右側(cè)的端部)與相線圈34U、34V和34W的中性點70接觸。冷卻部58的形狀為前端閉合的分段圓筒狀，且呈環(huán)狀或圈形的絕緣體84設(shè)置在冷卻部58的在其軸向 (即圖7中的左右方向)上的中間部分。參考圖8A，制冷機16的冷卻部58由以下部分構(gòu)成前端部86，其由例如具有高導(dǎo)熱率和高導(dǎo)電率的銅制成；圓筒狀中間部件88，其由例如不銹鋼制成；絕緣體84，其具有短圓筒形狀并由絕緣材料(例如陶瓷)制成；以及圓筒狀基端部90，其經(jīng)由凸緣部92與冷卻劑壓縮機56氣密地連結(jié)并由例如不銹鋼制成。前端部86、中間部件88、絕緣體84和基端部90利用釬焊金屬如釬焊金、釬焊銀和釬焊鎳而氣密地結(jié)合。此外，希望絕緣體84由具有低導(dǎo)熱率的材料制成，且由于該原因，在各種陶瓷材料當(dāng)中尤其優(yōu)選氧化鋁(礬土)。在如上所述構(gòu)成的冷卻部58中，絕緣體84用作與線圈34接觸的前端部86和與冷卻劑壓縮機56連接的基端部90之間的絕緣結(jié)構(gòu)。因此，即使當(dāng)在中性點70的電勢已由于可能是由于某些原因造成的電機電流的干擾而從零改變時，也可防止大電流從冷卻部58 流到冷卻劑壓縮機56，并從而保護結(jié)合有線性電機的制冷機16等。此外，在圖8B所示的示例中，絕緣體84a的內(nèi)徑等于中間部件88和基端部90的直徑，并且絕緣體8 的周壁徑向向外突出，使得絕緣體84a的總壁長相對較大。從而，絕緣體84a的使用提供了更高的絕緣電阻并提高了絕緣性能。此外，在圖9所示的示例中，具有短圓筒形狀的絕緣體84b被布置在冷卻劑壓縮機 56的附接部57——冷卻部58的基端部90與該附接部連接——與冷卻部58的基端部90 之間，而不是布置在冷卻部58的中間部分，亦即，絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)置在冷卻部58與冷卻劑壓縮機56之間的邊界處。這種結(jié)構(gòu)減小了要使用釬焊金屬結(jié)合的部分的數(shù)量，從而簡化了冷卻部58的制造。
接下來將參考圖10和圖11描述本發(fā)明的第二實施例的超導(dǎo)電機10a。下面將主要描述與上述第一實施例的超導(dǎo)電機10不同的超導(dǎo)電機IOa的結(jié)構(gòu)和歸功于該不同結(jié)構(gòu)而實現(xiàn)的效果。在以下描述中，超導(dǎo)電機IOa的與超導(dǎo)電機10中完全相同或類似的結(jié)構(gòu)元件將由相同或類似的參考標(biāo)號表示，并且將省略對它們的描述以避免重復(fù)。圖10示出了第二實施例的超導(dǎo)電機IOa的沿其軸向截取的剖視圖，并且還示出了超導(dǎo)電機IOa的某些部分的側(cè)面。圖11是示意性地示出了圖10所示的超導(dǎo)電機IOa中的電連接的視圖，其中相線圈34U、34V和34W在兩個中性點70a和70b彼此連接。第二實施例的超導(dǎo)電機IOa除制冷機16外還具有制冷機17。在以下描述中，制冷機16和17將分別被稱為“第一制冷機16”和“第二制冷機17”。第二制冷機17經(jīng)由與制冷機16相同的結(jié)構(gòu)被附接在位于另一軸向側(cè)的端板沈上。第一制冷機16和第二制冷機17彼此對向配置，使得第一制冷機16中的活塞討和第二制冷機17中的活塞M在同一直線上移動。亦即，第一制冷機16和第二制冷機17在軸向上彼此相對。在制冷機16和第二制冷機17中，各個冷卻劑壓縮機56被驅(qū)動使得各個活塞M沿相反的方向移動。更具體而言，第一制冷機16和第二制冷機17被驅(qū)動以使得第一制冷機16中的活塞M以及第二制冷機17中的活塞M的壓縮和膨脹沖程彼此同步。通過這種配置和驅(qū)動方式，能使當(dāng)活塞M移動時分別由第一制冷機16和第二制冷機17施加在超導(dǎo)電機IOa上的轉(zhuǎn)矩抵消，從而能減少振動和噪音。此夕卜，參考圖11，超導(dǎo)電機1 Oa具有兩個中性點，亦即，第一中性點70a和第二中性點70b。更具體而言，兩組相線圈34U、34V和34W彼此并聯(lián)連接，并且該兩組之一中的相線圈34U、34V和34W在第一中性點70a彼此電連接，而另一組中的相線圈34U、34V和34W在第二中性點70b彼此電連接。第一中性點70a與上述第一實施例的超導(dǎo)電機10的中性點 70對應(yīng)，且第二中性點70b設(shè)置在位于另一軸向側(cè)的線圈端部36并由第二制冷機17的冷卻部58冷卻。超導(dǎo)電機IOa的其他結(jié)構(gòu)與超導(dǎo)電機10相同。如上所述，在第二實施例的超導(dǎo)電機IOa中，通過兩個制冷機16和17，亦即，不經(jīng)由諸如定子芯30之類的具有大熱容量的部件和部分，能夠從設(shè)置在軸向兩側(cè)的中性點70a 和70b有效并迅速地將相線圈34U、34V和34W的線圈34冷卻至期望的超低溫度。從而，起動超導(dǎo)電機IOa所需的時間比較短，并且各制冷機16和17的耗電量比較小。此外，在超導(dǎo)電機IOa中，第一制冷機16的活塞M和第二制冷機17的活塞M被配置成在同一直線上移動，并且各個冷卻劑壓縮機56被驅(qū)動以使得各個活塞M沿相反的方向移動。因此，能使當(dāng)活塞討移動時分別由第一制冷機16和第二制冷機17施加在超導(dǎo)電機IOa上的轉(zhuǎn)矩抵消，從而能減少振動和噪音。接下來將參考圖12描述本發(fā)明的第三實施例的超導(dǎo)電機IOb。第三實施例的超導(dǎo)電機IOb與第二實施例的超導(dǎo)電機IOa的不同之處僅在于制冷機16和17的配置，并且因此，以下將只說明它們之間的差別，并且超導(dǎo)電機IOb的其他結(jié)構(gòu)元件、亦即超導(dǎo)電機IOb 的與超導(dǎo)電機IOa中相同的結(jié)構(gòu)元件將由相同的參考標(biāo)號表示，并且將略去對它們的描述以避免重復(fù)。在超導(dǎo)電機IOb中，第一制冷機16和第二制冷機17的冷卻劑壓縮機56被附接在電機殼體40的外周壁上，并且從各個冷卻劑壓縮機56延伸的冷卻劑管62與各個冷卻部58 連接。在該情況下，第一制冷機16中的活塞M和第二制冷機17中的活塞M也被驅(qū)動成沿相反的方向移動。超導(dǎo)電機IOb的其他結(jié)構(gòu)與超導(dǎo)電機IOa相同。通過第三實施例的超導(dǎo)電機10b，能夠?qū)崿F(xiàn)與第二實施例的超導(dǎo)電機IOa相同的效果，并且此外，超導(dǎo)電機IOb的軸向長度比超導(dǎo)電機IOa的軸向長度短，這增加了將超導(dǎo)電機安裝在車輛內(nèi)的自由度。接下來將參考圖13描述本發(fā)明的第四實施例的超導(dǎo)電機IOc。第四實施例的超導(dǎo)電機IOc與第二實施例的超導(dǎo)電機IOa的不同之處僅在于制冷機16和17的配置，并且因此，以下將只描述它們之間的差別，并且超導(dǎo)電機IOc的其他結(jié)構(gòu)元件、亦即超導(dǎo)電機IOc 的與超導(dǎo)電機IOa中相同的結(jié)構(gòu)元件將由相同的參考標(biāo)號表示，并且將略去對它們的描述以避免重復(fù)。在超導(dǎo)電機IOc中，第一制冷機16和第二制冷機17分別被配置在沿定子14的徑向彼此相對的位置，并且冷卻劑壓縮機56被驅(qū)動以使得活塞54沿相同的方向移動。在該情況下，第一制冷機16中的活塞M和第二制冷機17中的活塞M同樣軸向地往復(fù)運動，盡管與上述超導(dǎo)電機IOa中不一樣，不是在同一直線上。超導(dǎo)電機IOc的其他結(jié)構(gòu)與超導(dǎo)電機IOa相同。更具體而言，在超導(dǎo)電機IOc中，第一制冷機16配置在沿周向與第二制冷機17隔開180度的位置并與第二制冷機17相對。在該情況下，當(dāng)?shù)谝恢评錂C16中的活塞M在其壓縮沖程上朝圖13的右側(cè)移動時，第二制冷機17中的活塞M在其膨脹沖程上朝圖13的右側(cè)移動，而另一方面，當(dāng)?shù)谝恢评錂C16中的活塞M在其膨脹沖程上朝圖13的左側(cè)移動時，第二制冷機17中的活塞M在其壓縮沖程上朝圖13的左側(cè)移動。亦即，活塞M沿相同的方向移動。由于第一制冷機16和第二制冷機17的冷卻劑壓縮機56如上所述被驅(qū)動，所以能使當(dāng)活塞討移動時分別由第一制冷機16和第二制冷機17施加在超導(dǎo)電機IOc上的轉(zhuǎn)矩抵消或減小，從而能減少振動和噪音。此外，在超導(dǎo)電機IOc中，第一制冷機16和第二制冷機17如上所述分別配置在彼此相對的位置。因此，冷卻部58在彼此徑向相對的位置(即，彼此沿周向隔開180度的位置)接觸各個傳熱部件60，并冷卻分別設(shè)置在這些位置的中性點70a和70b。因此，與第二實施例的超導(dǎo)電機IOa相比，能夠進一步減少將周向配置的線圈34的整個部分均勻地冷卻至期望的超低溫度所需的時間。雖然在上述示例性實施例的超導(dǎo)電機10a、10b和IOc中使用兩個制冷機16和17 從軸向兩側(cè)冷卻由各個超導(dǎo)線材形成的線圈34，但本發(fā)明并不局限于此。亦即，例如，可使用三個或更多個制冷機從軸向兩側(cè)冷卻線圈；34。雖然已參考本發(fā)明的示例性實施例描述了本發(fā)明，但應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明并不限于所述的實施例或結(jié)構(gòu)。相反，本發(fā)明旨在涵蓋各種變型和等同配置。此外，雖然在各種示例性組合和構(gòu)造中示出所披露的發(fā)明的各種元件，但包括或多或少或僅單個元件的其他組合和構(gòu)造也在所附權(quán)利要求的范圍內(nèi)。
1權(quán)利要求
1.一種超導(dǎo)電機(10 ； 10a；IOb ；10c)，具有被可旋轉(zhuǎn)地支承的轉(zhuǎn)子(12)；設(shè)置在所述轉(zhuǎn)子(12)周圍并且設(shè)有多個線圈(34)的定子(14)，所述多個線圈(34)分別由超導(dǎo)線材 (74)形成并且被卷繞在定子芯(30)的內(nèi)周；以及具有用于冷卻所述多個線圈(34)的冷卻部(58)的制冷機(16，17)；所述超導(dǎo)電機(10;10a;10b;10c)的特征在于，所述制冷機(16，17)的所述冷卻部 (58)與所述多個線圈(34)接觸。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超導(dǎo)電機(10;10a;10b;10c)，其中所述多個線圈(34)中每預(yù)定數(shù)目的線圈被串聯(lián)連接，以形成多個相線圈(34U，34V， 34W)；并且所述多個相線圈(34U，34V，34W)在中性點(70 ；70a, 70b)與所述制冷機(16，17)的所述冷卻部(58)接觸，所述各個相線圈(34U，34V，34W)的一個端部(74U，74V，74W)在所述中性點(70 ；70a, 70b)彼此電連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的超導(dǎo)電機(10；IOa ；IOb ；IOc)，其中，在所述中性點(70 ；70a, 70b)，所述各個相線圈(34U，34V，34W)的所述一個端部(74U，74V，74W)經(jīng)由由導(dǎo)電部件制成的所述冷卻部(58)彼此電連接而不是彼此直接連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的超導(dǎo)電機(10;10a; 10b; 10c)，其中所述中性點(70 ；70a, 70b)設(shè)置在所述多個線圈(34)的線圈端部(36)側(cè)，所述線圈端部是所述多個線圈(34)的在所述超導(dǎo)電機(10 ；IOa ；IOb ；IOc)的軸向上的軸向端部；并且所述制冷機(16，17)配置成使得所述各個相線圈(34U，34V，34W)的所述一個端部 (74U，74V，74W)在所述多個線圈(34)的所述線圈端部(36)側(cè)連接到所述制冷機(16，17) 的所述冷卻部(58)。
5.根據(jù)權(quán)利要求2至4中任一項所述的超導(dǎo)電機(10； IOa ； IOb ； IOc)，其中，形成所述各個線圈(34)的所述超導(dǎo)線材(74)的長度彼此相等。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任一項所述的超導(dǎo)電機(10;10a; 10b; 10c)，其中所述多個線圈(34)設(shè)有與所述多個線圈(34)的線圈端部(36)接觸的環(huán)狀的傳熱部件(60)，每個所述線圈端部(36)位于所述多個線圈(34)中對應(yīng)一個線圈的超導(dǎo)電機軸向端；并且所述制冷機(16，17)的所述冷卻部(58)配置成與所述多個線圈接觸，并經(jīng)由所述傳熱部件(60)從所述線圈端部(36)冷卻所述多個線圈(34)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6中任一項所述的超導(dǎo)電機(10； IOa ； IOb ；IOc)，其中，所述超導(dǎo)電機(10 ；IOa ；IOb ；IOc)為三相交流電機。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至7中任一項所述的超導(dǎo)電機(10;10a;10b;10c)，其中所述制冷機(16，17)具有缸(52)和活塞(54)；并且所述制冷機(16，17)構(gòu)造成使得在所述冷卻部(58)中限定出的膨脹室中的冷卻劑被在所述缸(5 內(nèi)往復(fù)運動的所述活塞(54)反復(fù)壓縮和膨脹，同時所述冷卻劑的熱量經(jīng)由吸熱部件被吸收和散發(fā)，導(dǎo)致溫度下降并由此在所述冷卻部(58)獲得期望的冷卻溫度。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至8中任一項所述的超導(dǎo)電機(10;10a;10b ;10c)，其中所述制冷機(16，17)具有與所述冷卻部(58)連結(jié)的冷卻劑壓縮機(56)；并且所述冷卻劑壓縮機(56)通過絕緣體與所述冷卻部(58)的前端電絕緣，所述冷卻部的前端與所述多個線圈(34)接觸，所述絕緣體設(shè)置在所述冷卻部(58)的中間部或所述冷卻部(58)與所述冷卻劑壓縮機(56)之間的邊界處。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種超導(dǎo)電機(10)，該超導(dǎo)電機設(shè)有被可旋轉(zhuǎn)地支承的轉(zhuǎn)子(12)；設(shè)置在所述轉(zhuǎn)子(12)周圍且設(shè)有多個線圈(34)的定子(14)，所述多個線圈(34)分別由超導(dǎo)線材(74)形成并被卷繞在定子芯(30)的內(nèi)周；以及具有用于冷卻所述多個線圈(34)的冷卻部(58)的制冷機(16)。所述制冷機(16)的冷卻部(58)與各個相線圈(34U，34V，34W)的一個端部(74U，74V，74W)接觸。
文檔編號H02K55/00GK102244457SQ20111012278
公開日2011年11月16日 申請日期2011年5月12日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月14日
發(fā)明者大橋義正, 奧村暢朗, 水谷良治, 石田賢司 申請人:豐田自動車株式會社, 愛信精機株式會社