用于旋转机器中的超导线圈的等温支承部和真空容器的制作方法

本发明涉及一种根据主权利要求的前序部分所述的旋转机器以及一种用于根据又一独立权利要求的前序部分所属的该旋转机器的制造方法，以及与此相关的用于冷却相应的旋转机器的方法。

背景技术：

在具有热电动机铁芯的旋转机器、尤其是同步发电机或同步电动机中使用深冷或冷的超导线圈时，通常必要的是，将每个线圈置于真空管中，以便起码使得足够良好的绝热成为可能。在此，在应用中施加在线圈上的力必须可靠地从冷线圈传递到位于室温或室温以上的热真空容器壁上。这样作用的力例如可以是磁力或者离心力，或者还是在故障情况下出现的，需要注意的力。

因此，常规地将导热差的材料用于单个线圈和其真空壳之间的相应的支承或牵拉元件。这种材料例如可以是钛或者优选是玻璃纤维增强塑料(GFK)。该支承或牵拉元件的在此所需的材料横截面和相应地所不希望的导热最终是根据相对于热壁而言必须被支承的力的大小来缩放的。

技术实现要素：

本发明的任务是在带有冷的超导线圈的旋转机器、尤其是同步机器中提出的，这些超导线圈为了绝热而分别定位在热的软磁性转子体中的真空容器中，其中，将在应用中施加在线圈上的力从该线圈可靠地传导至真空容器的热壁上。此外，应该有效简化真空容器的构造。

该任务通过一种根据主权利要求所述的旋转机器以及根据另两个独立权利要求所述的方法来解决。

根据第一方面，要求保护一种旋转机器、尤其是同步机器，其具有定位在热的软磁性转子体中的冷的超导线圈，其中，在两个相邻的软磁性极身之间，至少两个在两个相邻的软磁性极身之间彼此相邻地定位的线圈为了绝热而借助支承元件定位在共同的一对真空容器中，并且该至少两个线圈在其两个相互对置的侧上借助至少一个共同的支承和/或牵拉元件彼此等温连接。

超导线圈可以称为“冷的”，而软磁性转子体和真空容器壁可以称为“热的”。“冷的”在此意味着具有接近超导体的运行温度的温度，“热的”在此意味着大于或等于室温的温度。

等温连接在此尤其意味着，两个元件、尤其是在此的线圈，彼此机械耦合和/或机械连接为使得这两个元件尤其在提供等热连接的桥的区域中或者在提供等热连接的接合环节的区域中具有相同的温度。以该方式不发生借助两个元件之间的导热而实现的热传递，因为从一个到另一元件的温度曲线是常数。

旋转机器可以包括软磁性转子体，其在软磁性承载体(轭)上具有多个软磁性极身。可以将铁、钢、镍铁合金或者钴铁合金用作软磁性材料。在每两个软磁性极身之间彼此相邻定位有两个线圈。在两个软磁性极身之间可以构建有槽形间隔区域。极身可以构建为极齿或极靴-极芯组合。

转子体中的单个或成对真空容器可以关于其旋转轴具有外径和内径。

根据本发明已知的是，在将冷线圈围绕位于室温中的转子体布置，并且确切而言对于每个线圈带有一个磁性极身的情况下，相邻的线圈可以直接相互支承。有利地，因此在最佳情况下，即在所有在相反方向上出现的力可以直接用相应的冷的等温连接补偿的情况下，仅实际出现的净力在冷的线圈系统和热的转子铁芯之间传输。例如净力矩的分配到线圈系统和转子体上的分量属于实际出现的净力。根据本发明，能够实现在热负荷较小的情况下，将相应减小的材料横截面用于对此仍需的冷热连接或者支承元件。一个直接的有利结果是降低了用于所属的冷却技术和其运行成本的投资开销。

(带有由高温超导芯(HTS)和热极身构成的转子线圈的)旋转机器的各个线圈通常具有拓扑上分离的真空容器、即分离的单真空容器，根据本发明提出了，将这些真空容器借助用于牵拉和/或支承连接的合适开口彼此连接，以用于直接支承。根据具体的实施形式，由此形成多个单连接，或者在至今分离的单真空容器完全连接的情况下在线圈的直的作用区中形成总真空容器或真空管的复杂形状，并且更确切而言尤其是在线圈头部的中形成复杂形状。

根据第二方面，提出了一种用于制造旋转机器、尤其是同步机器的方法，该旋转机器具有定位在热的软磁性转子体中的冷的超导线圈，其中，每两个在两个相邻的软磁性极身之间彼此相邻定位的线圈为了绝热而借助支承元件固定在一个共同的真空容器对中，并且这两个线圈在其两个面向彼此的侧上借助至少一个共同的支承和/或牵拉元件彼此等温连接。

根据第三方面，提出了一种用于冷却旋转机器的方法，其中，将软磁性转子体的封入在总真空容器中的区域所产生的热量借助热传导和/或热辐射传递给空心圆柱体的内壁。

结合从属权利要求来要求保护其他有利的方案。

根据一个有利的构型，可以用一个共同的总真空容器或者总真空管来替代所有真空容器对，在该总真空容器或者总真空管中封入或者说包括了所有真空容器容积对以及软磁性转子体的至少部分。有利地认识到，通常将热的、即处于室温或室温以上的磁铁或软磁性转子体安置在用于冷的线圈的绝缘真空外部。通过在真空管容器室中引入软磁性材料、例如铁，显著简化了常规真空管的构造并且能够实现简单的真空容器。高度真空密封的钎焊或电弧焊连接部的所需的总长度被有效减小，并且由此引起相对于现有技术而言的更快速和更成本低廉的制造。这种优点在多极(hochpoligen)的旋转机器中特别有效。

根据又一有利的构型，可以通过在两个各围绕一个线圈的单真空容器之间构建真空密封的连接通道来产生相应的真空容器对，其中，连接通道容纳共同的支承和/或牵拉元件。

根据另一有利构型，可以通过移除两个各围绕一个线圈的单真空容器之间的两个中间壁来产生真空容器对，其中，两个这样形成的真空容器部分被真空密封地彼此连接。

根据又一有利的构型，总真空容器可以以具有外壁和内壁的空心圆柱体的形式构建，该空心圆柱体在其底面的区域中可以借助环形盖来封闭。

根据又一有利的构型，空心圆柱体的外壁半径可以等于或对应于真空容器对的外半径。外壁的半径在此可以被适配为使得极身、尤其是极帽(Polkappen)或极靴的外部区域并不包含在总真空容器中。

根据又一有利的构型，空心圆柱体的外壁半径可以等于或对应于转子体的极身的外半径。空心圆柱体的外壁在此可以被提供为使得极身、尤其是极帽或极靴的外部区域包含在总真空容器中。

根据又一有利的构型，空心圆柱体的内壁半径可以等于或对应于真空容器对的内半径。根据该实施形式，由软磁性材料制成的轭或者软磁性承载体并不包含在总真空容器中。

根据又一有利的构型，空心圆柱体的内壁半径可以等于或对应于转子体的软磁性承载体的内半径。根据该实施形式，由软磁性材料制成的轭或者转子体的相应的承载体包含在总真空容器中，该总真空容器也可以称作总真空管。

根据又一有利的构型，由软磁性转子体的包封在总真空容器中的区域产生的热可以借助风冷被从空心圆柱体的外壁导散。

根据又一有利的构型，由软磁性转子体的包封在总真空容器中的区域产生的热可以借助布置在转子体上的、带有冷却剂的循环冷却部导出到伸至该区域的管道中。

根据又一有利的构型，总真空容器的邻接于软磁性转子体的区域的材料可以是磁性的。软磁性转子体的区域同样可以称为“被切割“。

附图说明

结合附图借助实施例详细描述本发明。其中：

图1示出了常规的旋转机器的实施例，其中，1b是根据图1a所示的横截面的两个单真空容器的放大视图；

图2a示出了根据本发明的旋转机器的第一实施例的横截面；

图2b示出了图2a的放大图；

图3示出了根据本发明的旋转机器的第二实施例；

图4示出了根据本发明的总真空容器的示图；

图5示出了根据本发明的制造方法的实施例；

图6示出了根据本发明的冷却方法的示图。

具体实施方式

图1a示出了常规的旋转机器1的一个实施例。该所示出的旋转机器1具有热的软磁性转子体3，在该软磁性转子体3中将冷的超导线圈9借助支承元件7(参见图1b)定位在分离的单真空容器5中以实现绝热。软磁性转子体3由软磁性承载体21(也称作轭)以及(也是由软磁性材料产生的)极身11构成。旋转机器1的定子用附图标记2来标记。

图1b示出了图1a的放大截图，包括两个分离的单真空容器5，其定位在转子体3中并且借助支承元件7或支承和/或牵拉元件7将线圈9的力传到至转子体3。

图2a示出了旋转机器1的根据本发明的第一实施例。与图1a相同的元件表示旋转机器1的相同的元件。与根据图1a和1b的现有技术不同，现在对于两个定位在两个软磁性极身11之间的、彼此相邻的线圈9产生共同的真空容器对13。此外，两个线圈9在其两个面对的侧上借助共同的支承和/或牵拉元件7a彼此等温连接。这在图2b尤其示出了，在图2b中示出了支承元件7和7a。

图2a尤其示出了，在带有大量的极数的同步机器1中，单线圈9的磁力在正常运行中基本上是朝着软磁性材料的。在此，在环周方向上直接相邻的线圈9的位于两个极身11之间的共同的槽中的部分经受几乎正好方向相反的磁力。

根据本发明现在认识到如下：替代仅支承根据图1b的单真空容器5的热壁上的力，现在提出了，将两个深冷的线圈9在该区域中借助共同的支承和/或牵拉元件7a等温连接，并且以该方式完全省去之前出现的热传导。为此仅需的是，将至今对于每个单线圈9单独的单真空容器5相应地连接。

根据要传递的力的大小和从中形成的等温连接系统，例如可以通过在原来的单真空容器5的两个热壁中构建相应开口来产生各个连接，这些单真空容器例如通过也是真空密封的连接管道来连接。

图2b示出了又一替换方案，其中，支承不同线圈9的两个相邻的线圈部分9是有利的，其中，在原来的单真空容器5之间的双热壁被完全取消，其中，在合适的位置上，所形成的真空管部分或者真空容器部分又需要被相应地真空密封地连接。后者尤其可以借助合适的焊接件来实施。

图3示出了根据本发明的旋转机器1的第二实施例。图3示出了所有的例如根据图2a所示的真空容器对13可以被一个共同的总真空容器15所替代。这是通过如下方式进行的，即，待构建的共同的总真空容器15包封了所有真空容器对13以及软磁性转子体3的至少部分。

在一个特别的构型中，总真空容器15是图4中示出的、具有外壁17和内壁19的空心圆柱体的形式，该空心圆柱体在其底面的区域中可以借助环形盖20封闭。空心圆柱体的外壁17的半径Ra1适配于真空容器对13的外半径。根据图4，空心圆柱体的内壁19的半径Ri1对应于真空容器对13的内半径。根据图4，示出了总真空容器15的根据本发明的实施例，其中，承载体21或轭以及极身11(尤其是极帽或极靴)的外部区域并不包含在总真空容器15中。

图3附加地示出了又一实施例，其中，附加地示出了根据图4的空心圆柱体的外壁17的半径Ra2，该半径等于转子体3的极身11的外半径。图3同样示出了实施形式，其中根据图4所示的空心圆柱体的内壁19的半径Ri2对应于转子体3的承载体21的内半径。根据该实施形式，极身11的外部区域和承载体21包含在总真空容器15中。在图3中用虚线示出了半径Ra1和半径Ra2。

图4示出了根据图3的示图的图形简化。附加地，图4示出了总真空容器15在其底面的区域中可以借助环形盖20来封闭。

图4示出了，当热的软磁性材料至少部分地放置在真空容器对内时，可以显著简化真空容器的构造。例如，可以得到拓扑上双壁的空心圆柱体，其在两个端部上利用环形盖来制凸缘或者用比较短的焊钉来封闭。

有利地，真空壁在“切割”软磁性转子材料的区域中的材料是用磁性材料制成的，以便将磁性气隙的长度保持为尽可能小。

图5示出了一种用于制造旋转机器1的根据本发明的方法的实施例。应借助支承元件7将冷的超导线圈9定位在热的软磁性转子体3中。为此，从原来已经构建的单真空容器5中分别形成真空容器对13(步骤S1)。借助第二步骤S2借助支承元件7将每两个定位在两个软磁性极身11之间的、彼此相邻的线圈9固定在一个共同的真空容器对13中。借助第三步骤S3，可以将两个线圈9在其两个彼此面对的侧上借助共同的支承和/或牵拉元件7a彼此等温连接。

图6是用于将旋转机器1在其运行中冷却的图。T1示出了，借助热传导和/或热辐射将软磁性转子体3的包封在总真空容器15中的区域产生的热导出至空心圆柱体19的内壁。

T2示出了，借助风冷将软磁性转子体3的包封在总真空容器15中的区域产生的热从空心圆柱体17的外壁导散。冷却同样可以借助未示出的、布置在转子体3上的、带有冷却剂的循环冷却部导出到伸至该区域的管道中。

图6示出了，安置在真空空间中的软磁性材料应该将那里形成的热量良好导散，这些热量例如是由铁损或可能的阻尼棒等形成的。根据该损耗的水平，可以例如通过向内真空壁19进行热传导和/或热辐射，由例如真空管的外壁处的风冷实现该散热。另一实施形式是布置在转子体3上的主动或被动的循环冷却部，其带有管道中的冷却剂，这些管道伸到真空空间中或其上，并且由此伸到待冷却的软磁性材料上，并且将那里形成的热量从被隔绝的区域中运输出来并且在其它位置导出。