CN103501104A - 一种超导电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超导电机，由定子、转子和低温冷却系统组成，所述的定子由机座、定子背铁以及定子绕组组成，所述的转子包括转轴以及设于转轴上的常温密封筒和转子绕组，常温密封筒端部设有密封端板，常温密封筒和密封端板形成真空夹层，真空夹层内设有磁体骨架以及固定在磁体骨架上的超导磁体和超导磁体线圈，多个超导磁体线圈由电流引线连接，通过一套励磁装置来提供励磁电流，与现有的超导电机相比具有大扭矩、低漏热、功率密度高等特点，适于用作并联可调电抗器、串联可调电抗器，还适合在电力传动大容量高温超导电动机和直驱风力发电用大容量高温超导发电机等要求大扭矩的场合中运用。

Description

一种超导电机

技术领域

本发明属于超导电机领域，具体涉及一种大容量高温超导电机，特别适于作大功率、低转速、结构紧凑、功率密度高、运行成本低等要求的电力传动用大容量高温超导电动机和高温超导直驱风力发电机。

背景技术

超导电机是六十年代以来发展的技术，在电机中采用超导材料可以明显提高电机的气隙磁密，进而减小电机的体积和重量，同时由于超导线材不存在损耗，可以提高系统的效率及其稳定性。

已有技术中有多种超导电机结构，但大多数相关电机的结构为轴向串连结构。即磁体及其固定结构（低温部分）与隔热支撑结构以及转轴采用串连形式。

该结构中采用常规圆筒形力矩管，该形式隔热支撑装置中，其材料受力为层间剪切，不利于发挥材料的拉压方面的优势，限制功率的提高。

在串连结构中，由于低温部分的缩短，需要在结构上对其进行补偿，通常采用滑动和弹性两种补偿结构形式，对于大型结构，其相应的补偿难度增加。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点，从电机结构形式入手，优化电机结构形式，提供一种能满足实际工作需求的大功率、低转速、结构紧凑、功率密度高的超导电机结构。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种超导电机，由定子、转子和低温冷却系统组成，所述的定子由机座、定子背铁以及定子绕组组成，所述的转子包括转轴以及设于转轴上的常温密封筒和转子绕组，常温密封筒端部设有密封端板，常温密封筒和密封端板形成真空夹层，真空夹层内设有磁体骨架以及固定在磁体骨架上的超导磁体和超导磁体线圈，多个超导磁体线圈由电流引线连接，通过一套励磁装置来提供励磁电流。

所述的一种超导电机，其励磁装置的励磁方式采用有刷或无刷励磁方式，所述的定子绕组为单层/双层的Robel线或Litz线结构，定子采用有铁齿的常规交流电机定子或气隙电枢，定子的冷却方式为水冷却或空冷。

所述的一种超导电机，其磁体骨架上同时连接有冷媒输入管和冷媒输出管，冷媒输入管和冷媒输出管的另一端与低温制冷系统连接，低温冷却系统与冷媒输入管、冷媒输出管之间连接有旋转密封装置，冷媒通过冷媒输入管提供低温冷媒，通过冷媒输出管输出较高温度冷媒到低温制冷系统，然后再通过冷媒输入管输入形成闭式循环，冷媒在外部采用低温泵提供动力。

所述的一种超导电机，其磁体骨架底端设有低温支撑连接部，常温密封筒外缘设有常温径向连接扣，常温径向连接扣和低温支撑连接部之间连接有径向的隔热支撑杆。

所述的一种超导电机，其常温密封筒和磁体骨架上还分别设置有常温轴向连接扣和低温轴向连接扣，常温轴向连接扣和低温轴向连接扣之间连接有轴向的隔热支撑杆。

所述的一种超导电机，其磁体骨架上开设有传输孔，超导磁体内部设置有冷媒传输管。

所述的一种超导电机，其旋转密封装置包括冷媒回流管以及与冷媒回流管同心、进入电机内部的低温管，冷媒回流管和低温管之间设有真空隔层，冷媒回流管外设有管状真空层。

所述的一种超导电机，其隔热支撑杆包括细长的杆体以及设于杆体两端的球形连接头，所述的连接扣上设有容连接头置入的型腔以及与杆体适配的型槽，所述的型腔下方设有弹簧。

所述的一种超导电机，其转子绕组固定在绕组支架上，采用浸泡式或传导式冷却，超导磁体线圈采用跑道形线圈或马鞍型线圈，转子外缘设有电磁屏蔽层。

所述的一种超导电机，其转轴端部设有轴盘，所述的磁体骨架顶端部设有多层镀铝涤纶薄膜包扎层。

本发明的有益效果是：与现有的超导电机相比，具有大扭矩、低漏热、功率密度高等特点，适于用作并联可调电抗器、串联可调电抗器，还适合在电力传动大容量高温超导电动机和直驱风力发电用大容量高温超导发电机等要求大扭矩的场合中运用。

附图说明

图1为本发明总装图；

图2为本发明定子的装配图；

图3为本发明转子去掉电磁屏蔽层和密封端板的轴测图；

图4为本发明转子去掉电磁屏蔽层和密封端板的轴向视图；

图5为本发明转子去掉电磁屏蔽层和密封端板的径向视图；

图6为本发明转子的轴向剖视图；

图7为图6中B-B方向的剖视图；

图8为图6中C-C方向的剖视图；

图9为图6中D方向的示意图；

图10为本发明旋转密封装置的结构示意图；

图11为本发明隔热支撑杆的结构示意图；

图12为本发明常温连接部分的剖视图；

图13为本发明常温连接部分的分解图。

各标记名称为：100-定子，101－机座，102－定子背铁，103－定子绕组，200-转子，201-转轴，202-常温密封筒，203－真空夹层，204－密封端板，205－磁体骨架，206－镀铝涤纶薄膜包扎层，207－低温支撑连接部，208－冷媒传输管，209－轴盘，211－常温轴向连接扣，212－低温轴向连接扣，213－电磁屏蔽层，214－冷媒输入管，215－冷媒输出管，220－超导磁体，221－超导磁体线圈，222－电流引线，230－隔热支撑杆，231－连接头，232－杆体，240－常温径向连接扣，242－弹簧，300-低温冷却系统，311－真空层，312－冷媒回流管，313－真空隔层，314－低温管。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

实施例1

如图1所示，本发明公开了一种超导电机，由定子100、转子200和低温冷却系统300组成。

如图2所示，所述的定子100由机座101、定子背铁102以及定子绕组103组成，本电机采用气隙电枢结构，减少了铁齿的存在，采用非导磁复合材料或不锈钢等作为支撑，定子绕组103采用单层绕组，线材采用Litz线，采用水冷结构来对定子冷却。

如图3至图8所示，所述的转子200包括转轴201以及设于转轴201上的常温密封筒202和转子绕组，常温密封筒202端部设有密封端板204，常温密封筒202和密封端板204形成真空夹层203，真空夹层203内设有磁体骨架205以及固定在磁体骨架205上的超导磁体220和超导磁体线圈221，所有超导磁体220采用串连形式，多个超导磁体线圈221由电流引线222连接，通过一套励磁装置来提供励磁电流，该励磁方式采用有刷或无刷励磁方式，磁绕组可以采用1G超导线Bi2223或二代超导线YBCO或MgPb2，其工作温度低于相应材料的超导温度，可在20K与40K之间，以保证有较高的超导载流能力，在本方案中采用冷媒通过传导方式对超导磁体220进行冷却，此外也可以采用液体浸泡或者气体对流换热对超导磁体220进行冷却，如采用冷氦气或者液氖进行传导、浸泡，所述的磁体骨架205上同时连接有冷媒输入管214和冷媒输出管215，冷媒输入管214和冷媒输出管215的另一端与低温制冷系统300连接，处于静态的低温冷却系统300与处于旋转的冷媒输入管214、冷媒输出管215之间连接有同心管结构形式的旋转密封装置，冷媒通过冷媒输入管214提供低温冷媒，通过冷媒输出管215输出较高温度冷媒到低温制冷系统300，然后再通过冷媒输入管214输入形成闭式循环，冷媒在外部采用低温泵提供动力。

磁体骨架205底端设有低温支撑连接部207，常温密封筒202外缘设有常温径向连接扣240，常温径向连接扣240和低温支撑连接部207之间连接有径向的隔热支撑杆230，径向支撑结构在静止时保证低温超导磁体220与转轴201的同轴度，在工作时，通过该支撑杆传递绕组产生的扭矩，所述的常温密封筒202和磁体骨架205上还分别设置有常温轴向连接扣211和低温轴向连接扣212，常温轴向连接扣211和低温轴向连接扣212之间连接有轴向的隔热支撑杆230，该轴向支撑杆保持转子200低温部分与常温部分相应的轴向位置。

进一步，还可以在磁体骨架205上开设一些传输孔，在超导磁体220内部设置冷媒传输管208实现对磁体骨架205的冷却。

图10为本发明旋转密封装置（冷媒传输耦合部分）的结构示意图，包括温度较高冷媒回流管312以及与冷媒回流管312同心、进入电机内部的低温管314，冷媒回流管312和低温管314之间设有真空隔层313，用以避免低温冷媒和高温冷媒的热交换，冷媒回流管312外设有管状真空层311，避免冷媒与外界的热交换。

图11为隔热支撑杆230的结构示意图，所述的隔热支撑杆230包括细长的杆体232以及设于杆体232两端的球形连接头231，还可将连接头231做成其他形状，采取其它的连接形式，隔热支撑杆230的材料采用玻璃纤维或碳纤维做成的玻璃钢，以减少传导漏热。

如图12、图13所示，所述的连接扣上设有容连接头231置入的型腔以及与杆体232适配的型槽，型腔内径大于球形连接头231的外径，型槽与型腔连通，所述的型腔下方设有弹簧242，以减小隔热支撑杆230受到的压力，连接扣上设有旋接在型腔上方的螺栓，可以通过旋动螺栓来调节隔热支撑杆230的安装长度。

在静止状态时通过调节径向的隔热支撑杆230的长度及位置保证磁体220与转轴201的同心，通过调节轴向的隔热支撑杆230的长度保证转轴201与磁体220的轴向位置的一致性，在工作时时超导磁体220产生的扭矩，传递到磁体骨架205上，磁体骨架205通过径向的隔热支撑杆230传递到转轴201上，通过轴盘209向外传递扭矩，在力矩传输时，和旋转方向同向的轴向隔热支撑杆230受到拉力，可以发挥玻璃钢在受拉方面的特长，和旋转方向相反的轴向隔热支撑杆230受到压力，采用弹簧242结构可避免轴向的隔热支撑杆230受压时的不稳定。

超导磁体在从常温300K降低到30K左右时，低温部件产生一定的收缩，其径向收缩可通过弹簧242进行补偿；其轴向收缩时，径向的隔热支撑杆230会有一定的伸长，在该结构中，低温部件的收缩量远大于支撑杆的伸长量，因此，轴向收缩可以不予考虑。

所述的转子绕组固定在绕组支架上，采用浸泡式或传导式冷却，超导磁体线圈221采用跑道形线圈或马鞍型线圈，转子200外缘设有电磁屏蔽层213，用于屏蔽定子100侧产生的高次谐波，同时组成真空容器的一部分，常温密封筒202、密封端板204、电磁屏蔽层213组成密封容器，用以维持真空夹层203内的真空度，以降低气体分子漏热，该真空可设计为动态真空或静态真空。

所述的转轴201端部设有轴盘209，包括超导磁体220、磁体骨架205和磁体内部冷媒传输管208在内的低温部件外部包扎有多层镀铝涤纶薄膜包扎层206，多层镀铝涤纶薄膜可减少其辐射漏热，低温与常温部分之间的隔热采用真空、热屏蔽层或包扎多层镀铝涤纶薄膜、热导率较低的复合材料或金属等。

实施例2

与上述实施例不同的是，本电机定子100采用普通交流电机定子，采用铁齿材料。

实施例3

与上述实施例不同的是，定子100采用风冷结构，定子采用单层的Robel线圈、双层的Robel线圈或双层的Litz线圈。

实施例4

与上述实施例不同的是：转子低温部分（超导磁体等）外面不包扎多层镀铝涤纶薄膜，在低温与常温之间采用不锈钢等较为光亮的金属做的防辐射屏。

 以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种超导电机，由定子（100）、转子（200）和低温冷却系统（300）组成，所述的定子（100）由机座（101）、定子背铁（102）以及定子绕组（103）组成，其特征在于：所述的转子（200）包括转轴（201）以及设于转轴（201）上的常温密封筒（202）和转子绕组，常温密封筒（202）端部设有密封端板（204），常温密封筒（202）和密封端板（204）形成真空夹层（203），真空夹层（203）内设有磁体骨架（205）以及固定在磁体骨架（205）上的超导磁体（220）和超导磁体线圈（221），多个超导磁体线圈（221）由电流引线（222）连接，通过一套励磁装置来提供励磁电流。

2.根据权利要求1所述的一种超导电机，其特征在于，所述励磁装置的励磁方式采用有刷或无刷励磁方式，所述的定子绕组（103）为单层/双层的Robel线或Litz线结构，定子（100）采用有铁齿的常规交流电机定子或气隙电枢，定子（100）的冷却方式为水冷却或空冷。

3.根据权利要求2所述的一种超导电机，其特征在于，所述的磁体骨架（205）上同时连接有冷媒输入管（214）和冷媒输出管（215），冷媒输入管（214）和冷媒输出管（215）的另一端与低温制冷系统（300）连接，低温冷却系统（300）与冷媒输入管（214）、冷媒输出管（215）之间连接有旋转密封装置，冷媒通过冷媒输入管（214）提供低温冷媒，通过冷媒输出管（215）输出较高温度冷媒到低温制冷系统（300），然后再通过冷媒输入管（214）输入形成闭式循环，冷媒在外部采用低温泵提供动力。

4.根据权利要求3所述的一种超导电机，其特征在于，所述的磁体骨架（205）底端设有低温支撑连接部（207），常温密封筒（202）外缘设有常温径向连接扣（240），常温径向连接扣（240）和低温支撑连接部（207）之间连接有径向的隔热支撑杆（230）。

5.根据权利要求4所述的一种超导电机，其特征在于，所述的常温密封筒（202）和磁体骨架（205）上还分别设置有常温轴向连接扣（211）和低温轴向连接扣（212），常温轴向连接扣（211）和低温轴向连接扣（212）之间连接有轴向的隔热支撑杆（230）。

6.根据权利要求5所述的一种超导电机，其特征在于，所述的磁体骨架（205）上开设有传输孔，超导磁体（220）内部设置有冷媒传输管（208）。

7.根据权利要求6所述的一种超导电机，其特征在于，所述的旋转密封装置包括冷媒回流管（312）以及与冷媒回流管（312）同心、进入电机内部的低温管（314），冷媒回流管（312）和低温管（314）之间设有真空隔层（313），冷媒回流管（312）外设有管状真空层（311）。

8.根据权利要求7所述的一种超导电机，其特征在于，所述的隔热支撑杆（230）包括细长的杆体（232）以及设于杆体（232）两端的球形连接头（231），所述的连接扣上设有容连接头（231）置入的型腔以及与杆体（232）适配的型槽，所述的型腔下方设有弹簧（242）。

9.根据权利要求8所述的一种超导电机，其特征在于，所述的转子绕组固定在绕组支架上，采用浸泡式或传导式冷却，超导磁体线圈（221）采用跑道形线圈或马鞍型线圈，转子（200）外缘设有电磁屏蔽层（213）。

10.根据权利要求9所述的一种超导电机，其特征在于，所述的转轴（201）端部设有轴盘（209），所述的磁体骨架（205）顶端部设有多层镀铝涤纶薄膜包扎层（206）。

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