專利名稱：超導磁化器的制作方法
技術領域：
本發明一般涉及磁化器(magnetizer)，并且更具體地說，涉及用于諸如電動機、發電機或諸如此類的電機(electrical machine)的超導磁化器。
背景技術：
一般情況下，磁化器(磁化脈沖生成器)包括用于生成DC電流脈沖的電源。電能從大的能量存儲設備汲取，如電容器組。能夠攜帶極高電流的開關隨后閉合以允許磁化脈沖流過磁化器線圈。增大數量的大型電氣設備利用永久性磁轉子產生鏈接安裝在轉子周圍的定子繞組的旋轉磁場。通常，阻抗磁化器用于磁化多個永久性磁體的一個或多個磁體。磁化器還包括形成磁化器的電磁極的線圈和磁化器頭。線圈經激勵以執行磁化器的磁化動作，由此產生至少部分在永久性磁體占有的體積內的磁場通量。常規阻抗磁化器具有使用阻抗系統時過度的電源要求、操作期間過度的熱管理要求以及還具有復雜的冷卻方案。由于這些和其它原因，存在對本發明的需要。
發明內容
根據本發明的一個示范實施例，公開了一種超導磁化器。所述超導磁化器包括布置在真空室內的熱護罩(thermal shield)。超導磁體布置在熱護罩內并配置成響應于供應到超導磁體的電流而生成磁場。包括熱傳導裝置和熱導管的至少一個的傳熱裝置布置成接觸所述超導磁體。制冷器(cryocooler)耦合到傳熱裝置并配置成經傳熱裝置來冷卻超導磁體。
參照附圖閱讀以下詳細描述時，將更好地理解本發明的實施例的這些和其它特征、方面和優點，附圖中類似的字符在圖形各處表示類似的部分，其中圖1是根據本發明一示范實施例的具有熱導管的超導磁化器的圖示；圖2是根據本發明一示范實施例的經柔性鏈接而耦合到熱總線(thermal bus)的超導磁體的圖示；圖3是根據本發明一示范實施例的具有另一熱導管的超導磁化器的圖示；圖4是根據本發明一示范實施例的具有布置在磁體線圈架(former)上的電不傳導涂層的超導磁化器的圖示；圖5是根據本發明一示范實施例的超導磁化器的有槽的熱護罩的圖示；圖6是根據本發明一示范實施例的超導磁化器的有槽的熱護罩的圖示；圖7是根據本發明一示范實施例的超導磁化器中冷頭(coldhead)和熱總線的設備的圖示；圖8是根據本發明一示范實施例的超導磁化器中冷頭和熱總線的設備的圖示；
圖9是根據本發明一示范實施例的超導磁化器中冷頭和熱總線的設備的圖示；圖10是根據本發明一示范實施例的支撐結構的圖示，例如，用于支撐超導磁化器中熱護罩、超導磁體的套管(nested tube)設備；圖11是根據本發明一示范實施例的支撐結構的圖示，例如，用于支撐超導磁化器中熱護罩、超導磁體的套管設備；以及圖12是根據本發明一示范實施例的支撐結構的圖示，例如，用于支撐超導磁化器中的超導磁體的多層堆疊結構。
具體實施例方式根據本文中討論的實施例，公開了一種超導磁化器。所述超導磁化器包括布置在真空室內的熱護罩。超導磁體布置在熱護罩內并配置成響應于供應到超導磁體的電流而生成磁場。包括熱傳導裝置和熱導管的至少一個的傳熱裝置布置成接觸超導磁體。制冷器耦合到傳熱裝置并配置成經傳熱裝置來冷卻超導磁體。超導磁體、熱護罩或其組合經支撐裝置靠著真空室受到支撐。示范超導磁化器在冷卻循環期間具有最小電源要求和最小熱管理要求。參照圖1，公開了根據本發明一示范實施例的超導磁化器10。在所示實施例中，磁化器10具有用于磁化例如電動機、發電機或諸如此類的電機的轉子的超導磁體12。超導磁體12包括超導線圈(未示出)和磁體線圈架13。超導線圈纏繞在磁體線圈架13上。超導線圈的線可以為帶狀形式、矩形或圓形或任何其它適合的形狀。超導磁體12布置在真空室 16內提供的熱護罩14內。超導磁體12和熱護罩14經支撐結構18靠著真空室16受到支撐。在本文中應注意，真空室16是筒型真空室，其能夠滑入某種結構以促進用于需要磁化的組件的高磁場。支撐結構18將參照隨后的圖形更加詳細地解釋。超導磁體12包括將導電而無電阻的材料。大多數電導體具有一定的電阻。然而， 電阻是導體不希望具有的屬性，因為電阻將能量消耗為熱量。在材料冷卻到低于臨界溫度時，在材料中產生超導性。用于磁化旋轉電機的超導磁體12 —般使用流過超導線圈的電流來產生磁場。在環境溫度，超導線圈具有定義的電阻。然而，在冷卻到低于臨界溫度時，超導線圈進入超導狀態并且失去其電阻。超導磁化器10包括跑道形超導磁體12。在某些其它實施例中， 磁體12可以是圓形、橢圓形或餅形。在一些實施例中，超導磁體包括鈮錫化物(niobium starmide)、鈮-鈦、釩鎵(vanadium gallium)或其組合。在所示實施例中，熱傳導裝置20 布置成接觸超導磁體12。所示熱傳導裝置20包括耦合到超導磁體12的熱總線21以便通過熱傳導來冷卻超導磁體12。在所示實施例中，熱總線21剛性地耦合到超導磁體12。第一熱導管22布置在從超導磁體12的冷端23到熱端M延伸的傾斜位置中。第一熱導管22通過熱導管效應將熱量從超導磁體12的熱端M傳遞到冷端23。熱導管效應指基于自然對流的被動熱交換的技術，它循環流體(fluid)而無需機械泵。流體的對流移動在第一熱導管22中的流體在熱端M變熱時開始，促使它膨脹并使氣體密度變得更低，并因此相比第一熱導管22的冷端23中的更冷流體更有浮力。對流將加熱的氣體移到第一熱導管22中的冷端23，并同時替代為由于重力而返回第一熱導管22的熱端M的更冷流體。 第一熱導管22耦合到熱護罩14下的超導磁體12。熱傳導裝置20和第一熱導管22 —起形成傳熱裝置25。在某些實施例中，可使用多于一個第一熱導管22。在一個實施例中，傳熱裝置25可只包括第一熱導管22。在另一個實施例中，傳熱裝置25可只包括熱總線21。在另一個實施例中，傳熱裝置25可包括熱總線21和第一熱導管22的組合。制冷器沈耦合到熱傳導裝置20以通過熱傳導經熱傳導裝置20將超導磁體12冷卻到低于臨界溫度。制冷器26是用于通過循環氣體而獲得低溫溫度的冷凍裝置。制冷器 26可具有多級。在所示實施例中，制冷器沈是雙極制冷器，即第一級觀和第二級30。第一熱導管22經冷凝單元四(例如，帶有翼片(fin)的液化杯)耦合到熱總線21。如前面所述，第一熱導管22通過熱導管效應來冷卻磁體12。提供熱總線21以用于通過熱傳導將熱負載從超導磁體12傳遞到制冷器26。熱總線21與磁體12之間的距離針對最小磁體邊緣場(magnet fringe field)來優化，以便制冷器沈的性能在斜變(ramping)期間不降級。參照圖2，示出了熱總線21和超導磁體12。在所示實施例中，熱總線21經柔性鏈接31耦合到超導磁體12。所示柔性鏈接31是S形鏈接。也可設想其它類型的柔性鏈接。 在一個實施例中，柔性鏈接31包括堆疊于彼此之上的多個薄的高傳導銅或鋁片。在另一個實施例中，柔性鏈接31包括柔性銅編織物。在仍有的另一個實施例中，柔性鏈接31包括鋁絞合線。在仍有的另一個實施例中，柔性鏈接31包括鋁或銅條帶(strip)的堆疊。制冷器 26直接安裝在熱總線21上時，磁體12與熱總線21之間的間隙33允許震動減少和渦流生成。參照圖3，公開了根據圖1的一示范實施例的超導磁化器10。另外，在所示實施例中，制冷器沈的第一級觀剛性地耦合到熱護罩14以便通過熱傳導來冷卻熱護罩14。在一個實施例中，熱護罩14冷卻到大約40開爾文度的溫度。在所示實施例中，制冷器沈的第一級觀經第二熱導管32耦合到熱護罩14和熱總線21，以便通過熱導管效應將超導磁體 12從室溫冷卻到預定的冷卻溫度。第二熱導管32顯著縮短了初始和隨后冷卻循環操作期間用于超導磁化器10的冷卻時間。在初始和隨后的冷卻循環操作期間，當超導磁體12冷卻到預定溫度時，第二熱導管32自動被停用。根據參照圖1和3所討論的實施例，經熱傳導裝置20和熱導管22、32促進制冷器沈與超導磁體12之間的熱傳遞。另外，磁化器10不要求低溫制冷劑(無冷凍(cryo-free)) 來冷卻超導磁體12。超導磁體12的此類冷卻有利于磁化器10的快速斜升(ramp up)/斜降(ramp down)，由此將渦流加熱及因此將熱預算降到最低。超導磁體12包括超導合金，包括鈮錫化物、鈮-鈦、釩-鎵或其組合。超導線選擇成使得磁體12能夠以最小滯后損失來激勵。參照圖4，公開了根據圖3的一示范實施例的超導磁化器10。另外，在所示實施例中，超導磁體12包括布置在磁線圈架13上的電不傳導涂層34。不傳導涂層34防止超導繞組的短路。在一個實施例中，不傳導涂層34包括布置在磁體線圈架13上的氧化鋁或類似物。在某些實施例中，超導磁體12可包括在纏繞后且在線反應與低溫環氧真空注入過程 (wire reaction and cryogenic epoxy vacuum impregnation process)前布置在磁體線圈架13上的電絕緣的熱傳導絞合線47以用于改進的熱傳輸和最小化的渦流損失。超導磁體12的熱管理中的一個問題是超導磁體12的冷端23與熱端M之間的溫度差。超導磁體12的冷端23與熱端M之間的溫度差應降到最低以便超導磁體12在其設計空間中最佳地操作。在所示實施例中，絞合線有效地將熱從熱端M傳遞到冷端23，并且在斜變期間不生成大的渦流損失。參照圖5，公開了根據本發明的一示范實施例的熱護罩14。在所示實施例中，熱護罩14包括夾在GlO條帶37之間的多個鋁條帶35。GlO條帶37固定到多個鋁條帶35上。 在某些其它實施例中，GlO條帶37可閂定或膠粘到多個鋁條帶35。還設想了其它鍵合/附連技術。在本文中應注意，鋁條帶35不相互接觸。鋁條帶35經較低的GlO條帶37的凸出部39相互分隔以防止生成渦流環。鋁條帶35充當用于傳熱的部件。此類配置提供了靈活性，并且防止熱護罩14的可塑變形(plastic deformation)。參照圖6，公開了類似于本發明的以前實施例的熱護罩14。在所示實施例中，熱護罩14包括夾在GlO條帶37之間的多個鋁條帶35。GlO條帶37固定或閂定到多個鋁條帶 35上。鋁條帶35經GlO條帶37的凸出部39相互分隔以防止生成渦流環。參照圖7，公開了用于有效冷卻超導磁體的制冷器的冷頭36和熱總線21的設備。 如以前所公開的，超導磁體線圈架13位于真空室16中。熱總線21由陰影線部分示出且位于真空室16中磁體線圈架13附近。熱總線21耦合到制冷器的冷頭36，并且配置成通過熱傳導而促進超導磁體的冷卻。參照圖8，公開了用于有效冷卻超導磁體的制冷器的冷頭36和熱總線21的設備。 在所示實施例中，熱總線21位于真空室16中的磁體線圈架13上。熱總線21耦合到制冷器的冷頭36，并且配置成通過熱傳導而促進超導磁體的冷卻。參照圖9，公開了用于有效冷卻超導磁體的制冷器的冷頭36和熱總線21的設備。 在所示實施例中，熱總線21位于真空室16中的磁體線圈架13上。與圖8的前一實施例相比，在所示實施例中，熱總線21布置成在磁體線圈架13上沿四個不同方向延伸。熱總線21 耦合到制冷器的冷頭36，并且配置成通過熱傳導而促進超導磁體的增強冷卻。參照圖10，公開了用于支撐超導磁體12和熱護罩14的支撐結構18。如以前所公開的，超導磁體12和熱護罩14經支撐結構18靠著真空室16受到支撐。在所示實施例中， 支撐結構18包括耦合到超導磁體線圈架13并配置成靠著真空室16支撐線圈架13的套管設備38。每個套管設備38包括布置在外管42內的內管40。內管40布置成鏈接線圈架13 和熱護罩鏈接43。外管42布置成鏈接熱護罩鏈接43和真空室16。在另一示范實施例中， 套管設備38可具有以嵌套方式布置的多于兩個管。在某些實施例中，套管設備38的數量也可根據應用而變化。引用數字41指示支撐結構18中的真空區域。參照圖11，公開了用于支撐超導磁體12和熱護罩14的支撐結構18。如前一實施例中所公開的，超導磁體12和熱護罩14經支撐結構18靠著真空室16受到支撐。在所示實施例中，支撐結構18包括耦合到布置在超導磁體線圈架13周圍的夾套(clamp shell) 44 并配置成靠著真空室16支撐線圈架13的套管設備38。套管設備38包括布置在外管42內的內管40。所示套管設備38還包括布置在內管40內的另一內管45。內管45布置成鏈接夾套44和熱護罩鏈接43。引用數字49指示支撐結構18中的真空區域。根據參照圖10和 11公開的實施例，布置在真空室中的組件能夠在激勵超導磁體12時承受幾個IOOkN的大磁力。支撐結構18有利于組件承受高機械和低熱負載。在本文中應注意，與圖10的實施例相比，在所示實施例中降低了構造高度。結果，磁體線圈架13布置成更靠近需要磁化的組件。在此類實施例中，縮短了超導磁體12實現例如10特斯拉(Tesla)等高磁場所要求的線長度。組件被同質地磁化。
參照圖12，公開了用于靠著真空室50支撐超導磁體48的一備選支撐結構46。類似于前面的實施例，超導磁體48布置在真空室50內提供的熱護罩51內。在所示實施例中， 支撐結構46包括耦合到磁體48的框M的一個固定塊52和耦合到真空室50的另一個固定塊56。支撐結構46包括布置在固定塊52、56之間的多層真空堆疊結構58。多層堆疊結構58是彎曲的V形薄帶的堆疊，并且包括鎳鉻耐蝕可鍛鋼、吐弗諾(tufnol)、固態聚酯薄膜、黃銅或其組合。結構58具有顯著更高的熱接觸阻抗，其能夠在低溫溫度支持更高的壓縮負載。在超導磁體48經受機械和熱負載時，結構58被壓縮，從而導致結構58的肉眼可見平坦的表面的相互接觸。平坦表面的相互接觸僅在有限區域上發生。此類實施例對支撐磁體48對抗顯著更大的力有用，以及在磁體48需要甚至移到顯著更靠近要磁化的組件的情況下有用。雖然本文中只示出和描述了本發明的某些特征，但本領域的技術人員將想到許多修改和變化。因此，要理解隨附權利要求旨在涵蓋落在本發明真正精神內的所有此類修改
和變化。
要素列表
10超導磁化器
12超導磁體
13磁體線圈架
14熱護罩
16真空室
18支撐結構
20熱傳導裝置
21熱總線
22第一熱導管
23冷端
24熱端
25傳熱裝置
26制冷器
28第一級
29冷凝單元
30第二級
31柔性鏈接
32第二熱導管
33間隙
34電不傳導涂層
35鋁條帶
36冷頭
37GlO條帶
38套管設備
39凸出部
7
40內管
41真空區域
42外管
43熱護罩鏈接
44夾套
46支撐結構
47絞合線
48超導磁體
49真空區域
50真空室
51熱護罩
52固定塊
54線圈架
56固定塊
58多層真空堆疊結構
權利要求
1.一種超導磁化器(10)，包括真空室(16)；熱護罩(14)，布置在所述真空室(16)內，超導磁體(12)，布置在所述熱護罩(14)內并配置成響應于供應到所述超導磁體(12) 的電流而生成磁場；傳熱裝置(25)，包括熱傳導裝置00)和熱導管02，32)的至少一個，布置成接觸所述超導磁體(12)；以及制冷器(沈)，耦合到所述傳熱裝置0 并配置成經所述傳熱裝置0 來冷卻所述超導磁體(12)。
2.如權利要求1所述的超導磁化器(10)，其中所述熱傳導裝置OO)包括耦合到所述制冷器06)和所述超導磁體(12)的熱總線01)。
3.如權利要求2所述的超導磁化器(10)，其中所述熱總線(21)剛性地耦合到所述超導磁體(12)。
4.如權利要求2所述的超導磁化器(10)，其中所述熱總線經柔鏈接(31)耦合到所述超導磁體(12)。
5.如權利要求1所述的超導磁化器(10)，其中所述熱護罩(14)包括有槽的熱護罩，包括以使得多個鋁條帶(3 不相互接觸的此類方式接合在GlO條帶(37)之間的所述鋁條帶 (35)。
6.如權利要求1所述的超導磁化器(10)，還包括用于靠著所述真空室(16)支撐所述超導磁體(12)、所述熱護罩(14)或其組合的支撐裝置。
7.如權利要求6所述的超導磁化器(10)，其中所述支撐結構(18)包括耦合到超導磁體線圈架并配置成靠著所述真空室(16)支撐所述超導磁體(12)的至少一個套管設備 (38)。
8.如權利要求6所述的超導磁化器(10)，其中所述支撐結構(18)包括耦合到布置在超導磁體線圈架周圍的夾套G4)并配置成靠著所述真空室(16)支撐所述超導磁體(12) 的至少一個套管設備(38)。
9.如權利要求6所述的超導磁化器，其中所述支撐結構(18)包括耦合到超導磁體線圈架并配置成靠著所述真空室(16)支撐所述超導磁體(12)的多層堆疊結構(58)。
10.一種超導磁化器(10)，包括真空室(50)；熱護罩(51)，布置在所述真空室(50)內，超導磁體(48)，布置在所述熱護罩(51)內并配置成響應于供應到所述超導磁體G8) 的電流而生成磁場；其中所述超導磁體G8)包括磁體線圈架和布置在所述磁體線圈架上的電不傳導涂層(34)；傳熱裝置(25)，包括熱傳導裝置OO)和熱導管02，32)的至少一個，布置成接觸所述超導磁體G8)；以及制冷器(沈)，耦合到所述傳熱裝置0 并配置成經所述傳熱裝置0 來冷卻所述超導磁體(48)。
全文摘要
本發明超導磁化器。一種超導磁化器(10)包括布置在真空室(16)內的熱護罩(14)。超導磁體(12)布置在熱護罩(14)內并配置成響應于供應到超導磁體(12)的電流而生成磁場。包括熱傳導裝置(20)和熱導管(22，32)的至少一個的傳熱裝置(25)布置成接觸超導磁體(12)。制冷器(26)耦合到傳熱裝置(25)并配置成經傳熱裝置(25)來冷卻超導磁體(12)。
文檔編號H01F6/04GK102360711SQ20111015208
公開日2012年2月22日 申請日期2011年5月25日 優先權日2010年5月25日
發明者E·W·斯陶特納, K·S·哈蘭 申請人:通用電氣公司