專利名稱：超導電機的冷卻結構的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種超導電機的冷卻結構。更具體地說，本發明涉及 一種用于有效地冷卻連接到安裝在船舶上的驅動電機轉子的超導線 圈，所述船舶例如是政府船只以及客船。
背景技術：
近年來，通過電氣地驅動電機來對船舶進行驅動的開發已經在抑 制燃料資源耗盡以及在抑制由于廢氣而導致環境惡化的方面取得了進 展，其中所述的燃料資源例如是汽油。具體地說，可以使用在
JP-A6-006907 (專利文獻1)中公開的超導電機，由此消除了超導線
圈中的銅耗以及實現了高效率。此外，可以實現電機本身的小型化以 及大功率輸出。
同時，當驅動超導電機時，需要將超導線圈冷卻到超低溫(例如， 77開爾文)。由此，冷卻裝置尤其重要，且需要簡單且高效的冷卻結 構。
具體地，當對連接到在電機中心處配置的轉子的超導線圈進行冷 卻時，從電機的外面對其進行冷卻是不足夠的。因此，在這種情況下， 很難充分地冷卻超導線圈。
JP-A-2002-58207 (專利文獻2)提供了一種結構，其中通過電機 的旋轉軸形成了中空部分，以及通過該中空部分傳送冷凍劑從而冷卻 連接到轉子的線圈。即使在連接到轉子的線圈是超導線圈的情況下， 該結構也能高效地將連接到轉子的線圈冷卻到必要的溫度。
然而，在專利文獻2公開的結構中，需要對旋轉軸的中心進行鉆 孔從而形成中空部分。具體地，在較大電機的情形'中，例如用于驅動 船舶的串聯同步型電機，很難通過較長的旋轉軸而形成較長的中空部 分。
專利文獻1: JP-A-6-6907 專利文獻2: JP-A-2002-5820
發明內容
本發明所要解決的問題
已經考慮到上述問題而做出了本發明，且其目的在于提供一種超 導電機的簡單的冷卻結構，其可以有效地冷卻連接到轉子的超導線圈。
解決所述問題的裝置
為了解決上述問題，本發明提供了一種超導電機的冷卻結構，該 超導電機具有連接到轉子的超導線圈，
其中在穿透且被固定到轉子的旋轉軸的外表面上凹陷地配置凹 槽，以及冷卻裝置的冷凍劑循環管被配置在該凹槽內。
根據上述結構，該凹槽被配置在該旋轉軸的外表面上，以代替通 過旋轉軸的中心而提供的中空部分，以及冷凍劑循環管被配置在凹槽 內。因此，與通過旋轉軸提供中空部分的情況相比，可以很容易地提 供該冷卻結構。
隨著電機變大，旋轉軸也相應地變長，且變得更加難于形成通過 旋轉軸中心的較長中空部分。因此，本發明的冷卻結構可以特別適用 在較大的超導電機中。
此外，由于冷凍劑循環管被配置在凹槽內，且暴露于旋轉軸的外 側，因此冷凍劑循環管可以與轉子直接接觸，以及可以被安置得接近
于連接到轉子的超導線圈。因此，與冷凍劑循環管配置在旋轉軸的中 心線上的情況相比，可以提高冷卻效果。
超導線圈的材料可以是基于鉍或者基于釔的高溫超導材料。
該冷卻裝置可以包括-
第一管道，其具有流出路徑部分以及返回路徑部分，它們聯接到 用于冷卻超導線圈的冷凍劑的供給源；
第二管道，其具有與第一管道的流出路徑部分相通的流出路徑部 分，以及具有與第一管道的返回路徑部分相通的返回路徑部分，其中 第二管道被固定到旋轉軸的軸向端，以及被可旋轉地聯接到第一管道; 以及
冷凍劑循環管道，其包括冷凍劑循環管道，該冷凍劑循環管道被 配置在凹槽內，其中第二管道的流出路徑部分以及返回路徑部分與冷 凍劑循環管道的相應端相通。
根據上述結構，用于冷卻超導線圈的冷凍劑以如下順序循環，從 供應源到第一管道的流出路徑部分，第二管道的流出路徑部分，冷凍 劑循環管道，第二管道的返回路徑部分以及第一管道的返回路徑部分， 由此可以通過經由冷凍劑循環管道循環的冷凍劑來冷卻連接到轉子的 超導線圈，其中該冷凍劑循環管道被配置在旋轉軸的凹槽內。
可以沿著轉子軸向長度在對稱位置處凹陷地配置旋轉軸外表面 上的凹槽，在所述的旋轉軸內配置有冷凍劑循環管道，以及可以通過 在凹槽內配置轉向部分而聯接流出路徑部分以及返回路徑部分，其中 沿著旋轉軸的圓周表面在轉子前端位置處形成該凹槽。
僅僅通過在旋轉軸外表面上形成凹槽以及將冷凍劑循環管道設 置在該凹槽內，就可以容易地實現上述結構。因此，可以提高超導電 機的制造效率，可以減少成本。
在需要進一步提高冷卻效果的情況下，除了沿著旋轉軸的軸向之 外，可以沿著沿圓周方向螺旋形地形成其內配置有冷凍劑循環管道的 凹槽，以及例如，可以配置柔性的折疊式的冷凍劑循環管道，以使其 圍繞該旋轉軸巻繞，由此冷凍劑循環管道的長度變長。因此，可以在 其圓周方向上寬范圍地有效地冷卻超導線圈。
為了避免冷凍劑的溫度上升，在除了其中配置有轉子的區域之外 的區域中，可以利用隔熱裝置圍繞第一管道以及第二管道的圓周表面。
可以通過利用外管包圍第一管道以及第二管道以及提供外管內 的真空絕熱層，從而由此實現該絕熱裝置。可選地，可以通過絕熱材 料覆蓋第一管道以及第二管道。
第一管道被聯接到冷凍劑的供應源，由此固定第一管道，同時第 二管道連接到旋轉軸，由此使得第二管道旋轉。因此，第一管道和第 二管道需要被可旋轉地聯接。
根據本發明，可以配置從第一管道和第二管道的相應的聯接端突 出的凸緣，其中該凸緣可旋轉地彼此接觸，以及可以配置用于在相應 的接觸方向上偏壓該凸緣的彈簧裝置。
根據上述結構，即使當第一管道和第二管道稍微未對準時，其中 一個管道的未對準聯接端中的開口也會被與另一個管道相對應的凸緣 所覆蓋。由此，可以防止冷凍劑滲漏。此外，彼此相對接觸的凸緣在 它們的接觸方向上被彈簧裝置所推壓。因此，可以去除彼此接觸的凸 緣之間的間隙，由此防止了冷凍劑的滲漏。
作為用于冷卻超導線圈的冷凍劑，可以使用液氮、氖或者氦。
當液氮被用作冷凍劑時，超導線圈可以被冷卻到超低溫，在該超 低溫處，超導線圈處于超導態。
通過利用另 一冷卻單元進行冷卻，其溫度已經由于冷卻超導線圈 而升高的液氮可以被再次用作冷凍劑。在液氮被汽化的情況下，氣化 液態氮可以被排放到外部。
超導電機可以是軸向型，其中定子被配置為在轉子的軸向上彼此 相對，由此超導線圈的磁通方向指向軸向；或者超導電機可以是徑向 型，其中轉子被配置在具有環形剖面的定子的中空部分內，由此超導 線圈的磁通方向指向徑向方向。
在超導電機是軸向式的情況下，配置在旋轉軸外表面上的凹槽內 的冷凍劑循環管道可以從轉子附近的凹槽被引出，從而沿著轉子的側 面朝著連接到轉子的超導線圈的附近延伸。因此，冷凍劑循環管道可 以被配置在超導線圈附近，由此可以提高該超導線圈的冷卻效果。
本發明的優點
如上所述，根據本發明，代替在旋轉軸的中心處形成中空部分， 通過在旋轉軸外表面上形成凹槽以及在該凹槽內配置冷凍劑循環管， 從而配置了用于對連接到轉子的超導線圈進行冷卻的冷卻結構。因此， 與在旋轉軸中配置中空部分的情況相比，可以很容易地形成該冷卻結 構。
此外，冷凍劑循環管暴露于旋轉軸外表面。因此，與在旋轉軸的 中心線上提供冷凍劑循環的情況相比，可以在更接近于連接到轉子的 超導線圈的位置處循環冷凍劑。因此，可以提高冷卻效果。
圖1示出了根據本發明第一實施例的超導電機的示意性剖面圖。
圖2示出了超導電機的剖視圖。
圖3示出了從轉子延伸的旋轉軸的剖面圖。
圖4示出了第一管道以及第二管道的聯接端的相關部分的放大剖 面圖。
圖5示出了第一實施例的變型例的剖面圖。
圖6示出了根據第二實施例的超導電機的剖面圖。
圖7示出了根據第二實施例的超導電機的轉子視圖。
圖8示出了根據第二實施例的變型例的超導電機的轉子視圖。
參考數字和符號的說明
10超導電機
16定子
17轉子
19電樞線圈
22超導線圈
23旋轉軸
24， 25， 26凹槽
31第一管道
31A流出路徑部分
31A-1凸緣
31B返回路徑部分
31B-1凸緣
32第二管道
32A流出路徑部分
32A-1凸緣
32B返回路徑部分
32B-1凸緣
33冷凍劑循環管道
33A流出路徑部分
33B返回路徑部分
33C轉向部分
具體實施例方式
將參考附圖描述本發明的實施例。
圖1到4示出了本發明的第一實施例。根據本發明的超導電機10 可以被用作船舶的推進電機。
如圖1和2所示，超導電機10包括定子16和轉子17，該轉子 17可旋轉地配置在定子16的中空部分內，以及其是徑向型的，其中 連接到轉子17的超導線圈22的磁通方向指向徑向方向。
轉子17被形成為圓柱狀，以及可以由粉末磁性材料制成。旋轉 軸23穿透轉子17的中心且被固定到轉子17。旋轉軸23通過軸承18 和21向定子16的外部延伸。
由超導材料制成的超導線圈22 (或勵磁線圈)被固定到轉子17。 作為超導材料，可以適當地使用基于鉍或者基于釔的高溫超導材料。
另一方面，定子16可以由粉末磁性材料形成，例如在其上涂敷 有絕緣涂層的鐵粉。如圖2所示，定子16具有環形形狀的剖面。電樞 線圈19由例如銅線的通常的導電材料形成，且在圓周方向上以120 度的間隔角連接到定子16的內圓周表面上。向相應的電樞線圈19提 供相位彼此變化的三相交流電，從而產生旋轉磁場，由此使轉子17 旋轉。
如圖2和3所示，沿著轉子17的軸向方向的整個長度凹陷地形 成了一對凹槽24和25，其關于旋轉軸23的中心軸對稱。凹槽24和 25對在與轉子17的端部相對應的位置處通過凹槽26彼此聯接(圖1 中左側)，沿旋轉軸23的圓周方向凹陷地配置該凹槽26。由冷凍劑
循環管道33構成的冷凍劑循環管中循環有液氮，該冷凍劑循環管被配
置在凹槽24， 25和26內。
冷凍劑循環管道33的流出路徑部分33A和返回路徑部分33B被 分別配置在凹槽24和25對之內。轉向部分33C被配置在凹槽26內， 該凹槽26配置在凹槽24和25之間，其中通過該轉向部分33C，冷凍 劑循環管道33從流出路徑部分33A轉向返回路徑部分33B。用作冷 凍劑的液氮在通過冷凍劑循環管道33循環，該冷凍劑循環管道33包 括連續形成的流出路徑部分33A，返回路徑部分33B以及轉向部分 33C，由此對連接到轉子17的超導線圈22進行冷卻。
與冷凍劑循環管道33 —起，第一管道31以及與第一管道31相 通的第二管道32被配置作為構成冷卻裝置的管道。
第一管道31具有流出路徑部分31A以及返回路徑部分31B，其 聯接到用作冷凍劑(在本實施例中是液氮)供給源的液氮艙ll，用于 對超導線圈進行冷卻。
用于冷卻超導線圈的冷凍劑不局限于液氮，且可以使用氖或者氦 作為冷凍劑。
第二管道32也具有流出路徑部分32A以及返回路徑部分32B， 且分別與第一管道31的流出路徑部分31A以及返回路徑31B相通且 與其可旋轉地相聯接。第二管道32被固定到旋轉軸23的其中一個軸 端，以及如圖3所示，從旋轉軸23的一端延伸到轉子17的部分第二 管道32被配置在凹槽24和25內，該凹槽24和25被凹陷地配置在旋 轉軸23上。
第一管道31以及第二管道32的外圓周表面被真空絕緣的外管34 和36所包圍，由此提供了具有真空絕熱層35和37的絕熱裝置。
如上所述，就配置在旋轉軸32的凹槽24， 25和26內的冷凍劑 循環管道33而言，流出路徑部分33A和返回路徑部分33B分別與第 二管道的流出路徑部分32A和返回路徑部分32B相通。沒有為冷凍劑 循環管道33提供絕熱裝置，由此在該非絕熱部分處通過液氮的冷和熱 對超導線圈22進行冷卻，冷和熱被通過轉子17傳送。
更具體地，如圖5所示，配置了聯接到第二管道32的第一管道 31的聯接端，由此使得流出路徑部分31A位于與旋轉軸23中心線相 同的線上，返回路徑部分31B圍繞返回路徑部分31A的外圍，且返回 路徑部分31B的外圍被真空絕緣的外管34圍繞。
類似地，配置了聯接到第一管道31的第二管道32的聯接端，由 此使得流出路徑部分32A位于與旋轉軸23中心線相同的線上，返回 路徑部分32B圍繞返回路徑部分32A的外圍，且返回路徑部分32B 的外圍被真空絕緣的外管36圍繞。
因此，在第一管道31和第二管道32的聯接端處，第一管道31 的流出路徑部分31A和返回路徑部分31B被配置為分別面對第二管道 32的流出路徑部分32A和返回路徑部分32B。因此，從液氮艙ll流 出的液氮以如下順序循環，第一管道31的流出路徑部分31A，第二管 道32的流出路徑部分32A，冷凍劑循環管道33，第二管道32的返回 路徑部分32B，和第一管道31的返回路徑部分31B。
在第一管道31和第二管道32的聯接端處，凸緣31A-1， 31B-l， 32A-1和32B-1被配置為朝著外圓周側的方向突出，以及使得凸緣 31A-1和32A-1彼此相對接觸，同時使得凸緣31B-1和32B-1彼此相 對接觸。彼此相對接觸的凸緣31B-1以及32B-1被端蓋38覆蓋，且連 接在端蓋38內的彈簧39從相應側在相應的接觸方向上推壓凸緣 31B-1以及32B-l。
根據上述結構，代替在旋轉軸23的中心配置中空部分，在旋轉
軸外表面23上配置了凹槽24， 25和26，以及其中循環有用作冷凍劑 的液氮的冷凍劑循環管道33被配置在該凹槽24， 25和26內。因此， 與在旋轉軸23中配置中空部分的情況相比，可以很容易地形成冷卻結 構。
此外，與冷凍劑循環管道33被配置在旋轉軸23的中心線上的情 況相比，冷凍劑循環管道33被安置得更接近于外表面，因此冷凍劑循 環管道33可以被配置為更接近于超導線圈22，由此可以提高冷卻效 果。
如圖5所示，在第一管道31的流出路徑部分31A的聯接端處突 出的凸緣31A-1的端部31A-la和在第二管道32的流出路徑部分32A 的聯接端處突出的凸緣32A-1的端部32A-la可以朝著轉子彎曲，由 此凸緣32A-1的端部32A-la被另一凸緣31A-1的端部31A-la覆蓋，
由此可以更安全地防止聯接部分處的冷凍劑滲漏。
圖6和7示出了本發明的第二實施例。
與第一實施例的差別在于，第二實施例是其中在轉子的軸向方向 上彼此相對地安置定子的軸向型電機，由此超導線圈的磁通方向指向 該軸向方向。
在根據該實施例的超導電機50中，設置了一對定子53和54，以 使其在相應側上彼此相對，轉子52以預定間隙固定到旋轉軸51，其 中在轉子52的相應側配置了該預定間隙。
以如下方式形成轉子52，即在其軸中心部分處具有通孔52a，以 及通過通孔52a插入旋轉軸51且將旋轉軸51固定到通孔52a，由此
轉子52和旋轉軸51 —同旋轉。
在轉子52上在圍繞其軸的圓周方向上間隔地形成磁場元件安裝 孔52b。用于勵磁的超導線圈55被裝配到每個磁場元件安裝孔52b中， 且在其中固定，由此磁通的方向指向軸向方向。
旋轉軸51通過軸承穿透對稱的圓盤形定子53和54。在定子53 和54上在圍繞其軸的圓周方向上間隔地設置了多個由通常的導電材 料(例如，銅導線)形成的多個電樞線圈56和57。利用粘合劑將每 個電樞線圈56和57的一端固定到定子53或者54的表面上面對轉子 的一側，且電樞線圈56和57在軸向方向上朝著轉子52的方向突出。
類似于第一實施例，凹槽58和59被凹陷地配置在旋轉軸51外 表面上的對稱位置處，但是沒有配置聯接凹槽58和59的第一實施例 的圓周槽。可選地，配置在凹槽58和59內的冷凍劑循環管的冷凍劑 循環管道61從轉子52側上的凹槽端處的凹槽被引出，且被設置為沿 著轉子52的側面延伸。冷凍劑循環管道61被交替地設置在連接到轉 子52的超導線圈55的外側(轉子52的圓周凸緣側)和內側(旋轉軸 51側)，以使其被配置在超導線圈55附近。S卩，如圖7所示，冷凍 劑循環管道61被設置為依次通過相鄰的超導線圈55之間的空間，超 導線圈55和轉子52的圓周凸緣之間的空間，相鄰的超導線圈55之間 的空間，以及超導線圈55和旋轉軸51之間的空間。可以利用粘合劑 將冷凍劑循環管道61連接到轉子52的側面，或者可以將其配置在形 成在轉子52上的凹槽內。
根據上述結構，即使對于軸向型電機，也可以通過冷卻結構對連 接到轉子的超導線圈進行冷卻，其中通過將冷凍劑循環管道配置在凹 槽內而形成該冷卻結構，而其中所述凹槽配置在旋轉軸外表面上。此 外，由于從旋轉軸51上的凹槽58和59引出冷凍劑循環管道61，以 及該引出的冷凍劑循環管道61被配置在超導線圈55的附近，因此可以增強超導線圈55的冷卻效果。
由于第一管道，第二管道以及冷凍劑循環管的其余結構類似于第 一實施例的冷凍劑循環管，因此將省略其說明。
圖8示出了第二實施例的變型例。
在該變型例中，沿著轉子52的圓周連接超導線圈55。沿著超導 線圈55的內側(旋轉軸51側)設置從旋轉軸51的凹槽58和59引出 的冷凍劑循環管道61。
根據上述結構，冷凍劑循環管道61被配置在超導線圈55附近， 由此可以提高該超導線圈55的冷卻效果。
工業實用性
根據本發明的電機設備可以被適當地用作需要大功率輸出的較 大船舶等的電源。具體地說，當如圖6所示的軸向氣隙型電機應用了 串聯同步型結構時，可以維持該電機的大功率輸出，在該串聯耦合同 步型結構中，定子和轉子交替地堆疊在旋轉軸上，由此高密度地設置 了定子和轉子，并且高溫超導塊磁鐵連接到相應的轉子，并利用通過 冷凍劑循環管循環的冷凍劑對其進行冷卻，其中所述冷凍劑循環管配 置在旋轉軸上。相應地，上述電機可以被適當地用作較大船舶的推進 電動機，例如政府船舶或者客輪。
權利要求
1.一種超導電機的冷卻結構，該超導電機具有連接到轉子的超導線圈，其中在穿透且固定到轉子的旋轉軸的外表面上凹陷地配置了凹槽，以及冷卻裝置的冷凍劑循環管被配置在該凹槽內。
2. 根據權利要求1的超導電機的冷卻裝置，其中該冷卻裝置包括第一管道，其具有流出路徑部分以及返回路徑部分，它們聯接到 用于冷卻超導線圈的冷凍劑的供給源；第二管道，其具有與第一管道的流出路徑部分相通的流出路徑部 分，以及具有與第一管道的返回路徑部分相通的返回路徑部分，其中 第二管道被固定到旋轉軸的軸向端，以及被可旋轉地聯接到第一管道； 以及冷凍劑循環管，其包括冷凍劑循環管道，該冷凍劑循環管道被配 置在該凹槽內，其中第二管道的流出路徑部分以及返回路徑部分與冷 凍劑循環管道的相應端相通。
3. 根據權利要求2的超導電機的冷卻結構，其中冷凍劑循環管道 被配置在旋轉軸外表面上的凹槽處，沿著轉子的軸向方向的整個長度 在對稱位置處凹陷地配置了該凹槽，以及通過將轉向部分配置在凹槽 內而聯接了流出路徑部分和返回路徑部分，其中沿著旋轉軸的圓周表 面在轉子的前端位置處形成了所述凹槽。
4. 根據權利要求2或3的超導電機的冷卻結構，其中第一管道和 第二管道的圓周表面由絕熱裝置圍繞。
5. 根據權利要求4的超導電機的冷卻結構，其中絕熱裝置包括包 圍第一管道和第二管道的外管，該外管提供了真空絕熱。
6. 根據權利要求2到5的任意一項的超導電機的冷卻結構，其中 凸緣從第一管道和第二管道的相應的聯接端突出，該凸緣可旋轉地彼 此接觸，以及配置了用于在相應的接觸方向上偏壓該凸緣的彈簧裝置。
7. 根據權利要求l到6的任意一項的超導電機的冷卻結構，其中液氮、氖或氦被用作冷凍劑，用于冷卻該超導線圈。
8. 根據權利要求1到7的超導電機的冷卻結構，其中超導電機是 軸向型或徑向型。
全文摘要
在一種超導電機的冷卻結構中，其中超導線圈(22)連接到轉子，凹槽(24，25以及26)被凹陷地配置在旋轉軸(23)的外表面上，該旋轉軸(23)穿透并且被固定到轉子(17)上。冷凍劑在冷凍劑循環管道(33)中循環，該冷凍劑循環管道配置在凹槽(24，25以及26)內，由此通過冷凍劑冷卻超導線圈(22)。
文檔編號H02K9/19GK101107763SQ200580044578
公開日2008年1月16日 申請日期2005年12月16日 優先權日2004年12月24日
發明者岡崎徹, 大橋紳悟, 杉本英彥, 竹田敏雄 申請人:住友電氣工業株式會社