CN100583609C - 轴径向磁通全超导同步电机 - Google Patents

Abstract

轴径向磁通全超导同步电机，本发明涉及电机领域，它解决了现有该种电机结构复杂、难于制造、可靠性低的缺点。它的定子的导磁环为中间开有环形槽的环状结构，环形的超导直流励磁绕组组件嵌放在其中；电枢铁心与超导电枢绕组组件固定于机壳的内表面上；导磁轭为2p个形状大小相同的扇形体，导磁轭的N极和S极导磁轭沿圆周方向交替排列；导磁端环为四个圆环体，导磁端环的N极导磁端环的内径大于S极导磁端环的外径；N极和S极导磁端环分别与N极和S极导磁轭的扇形侧面相连；导磁轭套于转轴的外表面上；N极和S极导磁端环与导磁环之间有轴向气隙并相对。它具有结构简单、超导部件不旋转，从而简化了电机的结构和低温制冷系统的优点。

Description

轴径向磁通全超导同步电机

技术领域：

本发明涉及电机领域，具体涉及一种轴径向磁通同步电机。

背景技术

随着高温超导线材的发展，超导电力技术将给经济的发展和社会的进步带来极其深远的影响。超导电机具有功率密度高、单机极限容量大、效率高、体积小、重量轻、噪声小等优点。但传统超导电机的设计方案效仿常规同步电机，其转子上采用超导直流励磁绕组，转子内筒有冷却媒体槽，然后是超导绕组及其支撑筒、辐射热屏蔽筒以及阻尼筒。定子上采用“空气芯”铜绕组，转轴采用中空轴结构为冷冻剂提供流通路径。这种设计方案带来了低温容器的旋转密封、轴的冷收缩补偿的问题，同时也增加了电机结构的复杂程度，难于制造，又降低了系统的可靠性。

发明内容

本发明为了解决现有的超导同步电机存在的低温容器的旋转密封、轴的冷收缩补偿的问题，以及电机结构的复杂程度，难于制造，又降低了系统的可靠性的缺点，而提供一种轴径向磁通全超导同步电机。

本发明的轴径向磁通全超导同步电机由定子、转子组成；其特征在于定子由机壳、电枢铁心、超导电枢绕组组件、端盖、导磁环和超导直流励磁绕组组件组成；导磁环为中间开有环形槽的环状结构，导磁环安装在端盖的轴向位置，环形的超导直流励磁绕组组件嵌放在导磁环的环形槽中；电枢铁心与超导电枢绕组组件固定于机壳的内表面上；转子由导磁轭、导磁端环和转轴组成；导磁轭为2p个形状大小相同的扇形体，导磁轭由p个N极导磁轭和p个S极导磁轭组成，导磁轭的N极导磁轭和S极导磁轭沿圆周方向均匀交替排列；导磁端环为四个圆环体，导磁端环由两个N极导磁端环和两个S极导磁端环组成；N极导磁端环的内径大于S极导磁端环的外径；p个N极导磁轭的一侧扇形侧面与一个N极导磁端环的一个环形侧面相连，p个N极导磁轭的另一侧扇形侧面与另一个N极导磁端环的一个环形侧面相连；p个S极导磁轭的一侧扇形侧面与一个S极导磁端环的一个环形侧面相连，p个S极导磁轭的另一侧扇形侧面与另一个S极导磁端环的一个环形侧面相连；导磁轭的内底面套装于转轴的外表面上；N极导磁端环的另一个环形侧面与导磁环的环形槽外侧的外环侧面相对，S极导磁端环的另一个环形侧面与导磁环的环形槽外侧的内环侧面相对，导磁端环与导磁环之间有轴向气隙Φ；超导电枢绕组组件(1-3)由超导电枢绕组(1-3-1)、电枢绕组低温屏蔽容器(1-3-2)和电枢绕组支撑骨架(1-3-3)组成；超导电枢绕组(1-3-1)的线圈为跑道形缠绕在电枢绕组支撑骨架(1-3-3)上，超导电枢绕组(1-3-1)的线圈与电枢绕组支撑骨架(1-3-3)安装在电枢绕组低温屏蔽容器(1-3-2)的内部，超导电枢绕组组件(1-3)套装在电枢铁心(1-2)的齿上；超导直流励磁绕组组件(1-6)由超导直流励磁绕组(1-6-1)、励磁绕组低温屏蔽容器(1-6-2)和励磁绕组支撑骨架(1-6-3)组成；励磁绕组支撑骨架(1-6-3)为圆环形，超导直流励磁绕组(1-6-1)的线圈绕在励磁绕组支撑骨架(1-6-3)上，超导直流励磁绕组(1-6-1)的线圈与励磁绕组支撑骨架(1-6-3)安装在励磁绕组低温屏蔽容器(1-6-2)的内部。

本发明提出的轴径向磁通全超导同步电机的电枢绕组与励磁绕组均采用高温超导材料，并且超导部件不旋转，从而简化了电机的结构和低温制冷系统，所以能很好地克服传统超导电机的缺点，而且减少了绕组铜耗，提高了电机的电负荷、功率密度和效率；需要冷却的超导绕组部分都在定子上，消除了低温容器的旋转密封、电刷和滑环装置，简化了电机的结构和低温冷却系统，提高了系统的可靠性；定转子主要磁路均采用铁心。当电机的转子采用图1所示的结构时，直流励磁磁势通过导磁环、轴向气隙和导磁端环引入转子，在气隙中建立径向的直流励磁磁场，该磁场与电枢绕组电流相互作用，就会产生电磁转矩。调节直流电流的大小，则可以控制气隙磁场增强或减弱的程度。电机的噪声低、漏磁小；电机内部虽为极低温，而电机表面却为常温，因此使用场所不受限制。在船舶电力推进系统、电力机车牵引、风力发电、大型工业轧钢机等领域，具有广泛的应用前景。

附图说明

图1是本发明的纵剖图；图2是端盖与导磁环结构示意图；图3是导磁环1-5的横截面剖视图；图4是导磁环1-5的纵向剖视图；图5是图4的A部放大图；图6是轴径向磁通全超导同步电机的转子结构示意图；图7是轴径向磁通全超导同步电机的转子结构组成方式图；图8是超导电枢绕组1-3-1与电枢绕组支撑骨架1-3-3结构示意图；图9是电枢铁心1-2的结构示意图；图10是图9的B-B剖视图。

具体实施方式

具体实施方式一：如图1～图10所示，本实施方式由定子、转子组成；其特征在于定子由机壳1-1、电枢铁心1-2、超导电枢绕组组件1-3、端盖1-4、导磁环1-5和超导直流励磁绕组组件1-6组成；导磁环1-5为中间开有环形槽1-5-1的环状结构，导磁环1-5安装在端盖1-4的轴向位置，环形的超导直流励磁绕组组件1-6嵌放在导磁环1-5的环形槽1-5-1中；电枢铁心1-2与超导电枢绕组组件1-3固定于机壳1-1的内表面上；转子由导磁轭、导磁端环和转轴2-6组成；导磁轭为2p个形状大小相同的扇形体，导磁轭由p个N极导磁轭2-2和p个S极导磁轭2-3组成，导磁轭的N极导磁轭2-2和S极导磁轭2-3沿圆周方向均匀交替排列；导磁端环为四个圆环体，导磁端环由两个N极导磁端环2-4和两个S极导磁端环2-5组成；N极导磁端环2-4的内径大于S极导磁端环2-5的外径p个N极导磁轭2-2的一侧扇形侧面与一个N极导磁端环2-4的一个环形侧面相连，p个N极导磁轭2-2的另一侧扇形侧面与另一个N极导磁端环2-4的一个环形侧面相连；p个S极导磁轭2-3的一侧扇形侧面与一个S极导磁端环2-5的一个环形侧面相连，p个S极导磁轭2-3的另一侧扇形侧面与另一个S极导磁端环2-5的一个环形侧面相连；导磁轭的内底面套装于转轴2-6的外表面上；N极导磁端环2-4的另一个环形侧面与导磁环1-5的环形槽1-5-1外侧的外环侧面1-5-2相对，S极导磁端环2-5的另一个环形侧面与导磁环1-5的环形槽1-5-1外侧的内环侧面1-5-3相对，导磁端环与导磁环1-5之间有轴向气隙Φ。

当端盖1-4为导磁材料时，导磁环1-5一体加工在端盖1-4的内侧中轴位置，导磁环1-5的内径与端盖1-4的轴孔内径相同。当端盖1-4为非磁性材料时，端盖1-4的中轴上开有向端盖内侧延伸的环形孔肩1-8，导磁环1-5安装在端盖1-4的环形孔肩1-8的外径侧面上。

转子N极导磁轭2-2、S极导磁轭2-3和导磁环1-5采用磁导率高的导磁材料。转轴2-6采用非导磁材料。

具体实施方式二：如图8～图10所示，本实施方式与具体实施方式一不同点在于超导电枢绕组组件1-3由超导电枢绕组1-3-1、电枢绕组低温屏蔽容器1-3-2和电枢绕组支撑骨架1-3-3组成；超导电枢绕组1-3-1的线圈为跑道形缠绕在电枢绕组支撑骨架1-3-3上，超导电枢绕组1-3-1的线圈与电枢绕组支撑骨架1-3-3安装在电枢绕组低温屏蔽容器1-3-2的内部，超导电枢绕组组件1-3套装在电枢铁心1-2的齿上。其它组成和连接方式与具体实施方式一相同。超导电枢绕组1-3-1的线圈的两个有效边相当于嵌放在两个相邻的铁心槽内。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式二不同点在于超导电枢绕组1-3-1采用分数槽集中绕组。其它组成和连接方式与具体实施方式二相同。

具体实施方式四：如图2～图5所示，本实施方式与具体实施方式二不同点在于超导直流励磁绕组组件1-6由超导直流励磁绕组1-6-1、励磁绕组低温屏蔽容器1-6-2和励磁绕组支撑骨架1-6-3组成；励磁绕组支撑骨架1-6-3为圆环形，超导直流励磁绕组1-6-1的线圈绕在励磁绕组支撑骨架1-6-3上，超导直流励磁绕组1-6-1的线圈与励磁绕组支撑骨架1-6-3安装在励磁绕组低温屏蔽容器1-6-2的内部。其它组成和连接方式与具体实施方式二相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式四不同点在于超导电枢绕组1-3-1的线圈和超导直流励磁绕组1-6-1的线圈都采用超导线材绕成。其它组成和连接方式与具体实施方式四相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式四不同点在于电枢绕组低温屏蔽容器1-3-2、电枢绕组支撑骨架1-3-3、励磁绕组低温屏蔽容器1-6-2和励磁绕组支撑骨架1-6-3都采用非磁性材料。其它组成和连接方式与具体实施方式四相同。

Claims (7)

1、一种轴径向磁通全超导同步电机，它由定子、转子组成；其特征在于定子由机壳(1-1)、电枢铁心(1-2)、超导电枢绕组组件(1-3)、端盖(1-4)、导磁环(1-5)和超导直流励磁绕组组件(1-6)组成；导磁环(1-5)为中间开有环形槽(1-5-1)的环状结构，导磁环(1-5)安装在端盖(1-4)的轴向位置，环形的超导直流励磁绕组组件(1-6)嵌放在导磁环(1-5)的环形槽(1-5-1)中；电枢铁心(1-2)与超导电枢绕组组件(1-3)固定于机壳(1-1)的内表面上；转子由导磁轭、导磁端环和转轴(2-6)组成；导磁轭为2p个形状大小相同的扇形体，导磁轭由p个N极导磁轭(2-2)和p个S极导磁轭(2-3)组成，导磁轭的N极导磁轭(2-2)和S极导磁轭(2-3)沿圆周方向均匀交替排列；导磁端环为四个圆环体，导磁端环由两个N极导磁端环(2-4)和两个S极导磁端环(2-5)组成；N极导磁端环(2-4)的内径大于S极导磁端环(2-5)的外径；p个N极导磁轭(2-2)的一侧扇形侧面与一个N极导磁端环(2-4)的一个环形侧面相连，p个N极导磁轭(2-2)的另一侧扇形侧面与另一个N极导磁端环(2-4)的一个环形侧面相连；p个S极导磁轭(2-3)的一侧扇形侧面与一个S极导磁端环(2-5)的一个环形侧面相连，p个S极导磁轭(2-3)的另一侧扇形侧面与另一个S极导磁端环(2-5)的一个环形侧面相连；导磁轭的内底面套装于转轴(2-6)的外表面上；N极导磁端环(2-4)的另一个环形侧面与导磁环(1-5)的环形槽(1-5-1)外侧的外环侧面(1-5-2)相对，S极导磁端环(2-5)的另一个环形侧面与导磁环(1-5)的环形槽(1-5-1)外侧的内环侧面(1-5-3)相对，导磁端环与导磁环(1-5)之间有轴向气隙Φ；超导电枢绕组组件(1-3)由超导电枢绕组(1-3-1)、电枢绕组低温屏蔽容器(1-3-2)和电枢绕组支撑骨架(1-3-3)组成；超导电枢绕组(1-3-1)的线圈为跑道形缠绕在电枢绕组支撑骨架(1-3-3)上，超导电枢绕组(1-3-1)的线圈与电枢绕组支撑骨架(1-3-3)安装在电枢绕组低温屏蔽容器(1-3-2)的内部，超导电枢绕组组件(1-3)套装在电枢铁心(1-2)的齿上；超导直流励磁绕组组件(1-6)由超导直流励磁绕组(1-6-1)、励磁绕组低温屏蔽容器(1-6-2)和励磁绕组支撑骨架(1-6-3)组成；励磁绕组支撑骨架(1-6-3)为圆环形，超导直流励磁绕组(1-6-1)的线圈绕在励磁绕组支撑骨架(1-6-3)上，超导直流励磁绕组(1-6-1)的线圈与励磁绕组支撑骨架(1-6-3)安装在励磁绕组低温屏蔽容器(1-6-2)的内部。

2、根据权利要求1所述的轴径向磁通全超导同步电机，其特征在于超导电枢绕组(1-3-1)的线圈和超导直流励磁绕组(1-6-1)的线圈都采用超导线材绕成。

3、根据权利要求1所述的轴径向磁通全超导同步电机，其特征在于电枢绕组低温屏蔽容器(1-3-2)、电枢绕组支撑骨架(1-3-3)、励磁绕组低温屏蔽容器(1-6-2)和励磁绕组支撑骨架(1-6-3)都采用非磁性材料。

4、根据权利要求1所述的轴径向磁通全超导同步电机，其特征在于转子N极导磁轭(2-2)、S极导磁轭(2-3)和导磁环(1-5)采用磁导率高的导磁材料。

5、根据权利要求1所述的轴径向磁通全超导同步电机，其特征在于转轴(2-6)采用非导磁材料。

6、根据权利要求1所述的轴径向磁通全超导同步电机，其特征在于端盖(1-4)为导磁材料，导磁环(1-5)一体加工在端盖(1-4)的内侧中轴位置，导磁环(1-5)的内径与端盖(1-4)的轴孔内径相同。

7、根据权利要求1所述的轴径向磁通全超导同步电机，其特征在于端盖(1-4)为非磁性材料，端盖(1-4)的中轴上开有向端盖内侧延伸的环形孔肩(1-8)，导磁环(1-5)安装在端盖(1-4)的环形孔肩(1-8)的外径侧面上。

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