CN101383552A - 双边励磁全超导同步电机 - Google Patents

Abstract

双边励磁全超导同步电机，它涉及电机领域，它解决了超导绕组体积大，成本高，电机的功率密度低，以及电机铁耗大的缺点。本发明是改变了原有的轴径向磁通全超导同步电机上的永磁体，永磁体由2p个切向充磁的永磁体和2p个平行或径向充磁的永磁体组成；切向充磁的永磁体为矩形平板，切向充磁的永磁体沿圆周方向呈辐射状嵌于N极导磁轭和S极导磁轭之间，平行或径向充磁的永磁体设置在N极导磁轭和S极导磁轭上，每相邻两个主磁极的永磁体的充磁方向相反；本发明把永磁体应用到超导同步电机中，让永磁体产生空载主磁通，让超导励磁绕组补偿由电枢反应引起的去磁磁通，同时使磁导率低的永磁体位于主磁路中，来抑制电枢反应引起的气隙磁场畸变。

Description

双边励磁全超导同步电机

技术领域：

本发明涉及电机领域，具体涉及双边励磁全超导同步电机。

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。

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，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、轴的冷收缩补偿等问题，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。

为了解决上述技术问题，本发明人在中国发明专利，名称为：轴径向磁通全超导同步电机，公开号：CN101272085，公开日：2008.09.24的案件中提出了双边励磁全超导同步电机，此新型电机的优势在于电机的电枢绕组与励磁绕组均采用高温超导材料，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，气隙磁密与普通同步电机基本相同，因此电机的噪声低、漏磁小；电机内部虽为极低温，而电机表面却为常温，使用场所不受限制。所以能很好地克服传统超导电机的缺点，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。

但是上述方案还存在以下问题：一是主磁场励磁全部由端盖上的超导励磁绕组提供，需要的超导绕组体积大，成本高，电机的功率密度低，二是定转子之间的径向气隙小，当电枢绕组流过大电流时，电枢反应会引起气隙磁场严重畸变，增大了电机铁耗，降低了电机的功率密度。

发明内容

本发明为了解决现有的超导同步电机存在的需要的超导绕组体积大，成本高，电机的功率密度低的问题，以及定转子之间的径向气隙小，当电枢绕组流过大电流时，电枢反应会引起气隙磁场严重畸变，增大了电机铁耗，降低了电机的功率密度的缺点，而提供双边励磁全超导同步电机。

本发明的双边励磁全超导同步电机由定子、转子组成；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；转子由永磁体、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，永磁体由2p个切向充磁的永磁体和2p个平行或径向充磁的永磁体组成；切向充磁的永磁体为矩形平板，切向充磁的永磁体沿圆周方向呈辐射状嵌于N极导磁轭和S极导磁轭之间，平行或径向充磁的永磁体设置在N极导磁轭和S极导磁轭上，每相邻两个主磁极的永磁体的充磁方向相反；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。

本发明把永磁体应用到超导同步电机中，让永磁体产生空载主磁通，让超导励磁绕组补偿由电枢反应引起的去磁磁通，同时使磁导率低的永磁体位于主磁路中，来抑制电枢反应引起的气隙磁场畸变。这样，既节约了大量昂贵的超导线材，又抑制了电枢反应，同时还充分利用了电机内部空间，减小了电机体积，提高了电机的效率和功率密度。由于该电机同时存在定子边的电励磁与转子边的永磁体励磁，因此，称之为双边励磁。

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是具体实施方式六中双边励磁全超导同步电机的转子结构示意图；图7是具体实施方式六中双边励磁全超导同步电机的转子结构组成方式图；图8是具体实施方式七中双边励磁全超导同步电机的转子结构示意图；图9是具体实施方式七中双边励磁全超导同步电机的转子结构组成方式图；图10是具体实施方式八中双边励磁全超导同步电机的转子结构示意图；图11是具体实施方式八中双边励磁全超导同步电机的转子结构组成方式图；图12是具体实施方式十中双边励磁全超导同步电机的转子结构示意图；图13是具体实施方式十中双边励磁全超导同步电机的转子结构组成方式图；图14是具体实施方式十一中双边励磁全超导同步电机的转子结构示意图；图15是具体实施方式十一中双边励磁全超导同步电机的转子结构组成方式图；图16是具体实施方式十二中双边励磁全超导同步电机的转子结构示意图；图17是具体实施方式十二中双边励磁全超导同步电机的转子结构组成方式图；图18是具体实施方式十三中双边励磁全超导同步电机的转子结构示意图；图19是具体实施方式十三中双边励磁全超导同步电机的转子结构组成方式图；图20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21是电枢铁心1-2的结构示意图；图22是图21的B-B剖视图。

具体实施方式

具体实施方式一：如图1～图22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；转子由永磁体2-1、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，永磁体2-1由2p个切向充磁的永磁体2-1-1和2p个平行充磁的永磁体2-1-2组成；切向充磁的永磁体2-1-1为矩形平板，切向充磁的永磁体2-1-1沿圆周方向呈辐射状嵌于N极导磁轭2-2和S极导磁轭2-3之间，平行充磁的永磁体2-1-2设置在N极导磁轭2-2和S极导磁轭2-3轴向方向上，每相邻两个主磁极的永磁体2-1的充磁方向相反；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20～图22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：如图6和图7所示，本实施方式与具体实施方式一不同点在于平行或径向充磁的永磁体2-1-2为矩形平板，导磁轭的轴向方向开有与所述导磁轭扇形体外圆弧的弦平行的矩形孔2-8，平行或径向充磁的永磁体2-1-2嵌于N极导磁轭2-2和S极导磁轭2-3的轴向矩形孔2-8内。其它组成和连接方式与具体实施方式一相同。

具体实施方式七：如图8和图9所示，本实施方式与具体实施方式一不同点在于平行或径向充磁的永磁体2-1-2为圆弧形板，平行或径向充磁的永磁体2-1-2的N极面和S极面分别粘贴于N极导磁轭2-2和S极导磁轭2-3的径向外表面上。其它组成和连接方式与具体实施方式一相同。

具体实施方式八：如图10和图11所示，本实施方式与具体实施方式一不同点在于平行或径向充磁的永磁体2-1-2为圆弧形板，导磁轭的外表面轴向方向开有圆弧形台肩2-7，平行或径向充磁的永磁体2-1-2的N极面和S极面分别粘贴于N极导磁轭2-2和S极导磁轭2-3的圆弧形台肩2-7内。其它组成和连接方式与具体实施方式一相同。

具体实施方式九：如图12～图19所示，本实施方式与具体实施方式一不同点在于平行或径向充磁的永磁体2-1-2为2n块小永磁体，其中n为大于1的自然数，每相邻两块小永磁体之间设置有导磁的磁桥2-9；磁桥2-9宽度为0.5mm～L/2mm，其中L为每块小永磁体的宽度，每块小永磁体的宽度L为2mm～30mm。其它组成和连接方式与具体实施方式一相同。小永磁体采用高磁能积的稀土永磁体，其中磁桥采用导磁材料。采用带有磁桥2-9的结构可以拓宽电机的弱磁范围，提高电机的效率、功率密度和可靠性。

具体实施方式十：如图12和图13所示，本实施方式与具体实施方式九不同点在于平行充磁的永磁体2-1为2n块小矩形平板永磁体，其中n为大于1的自然数，导磁轭的轴向方向开有与所述导磁轭扇形体外圆弧的弦平行、并在同一水平面的上的2n个矩形孔2-8，2n块小矩形平板永磁体嵌于N极导磁轭2-2和S极导磁轭2-3的2n个矩形孔2-8内，所述矩形孔2-8之间的孔壁为磁桥2-9。其它组成和连接方式与具体实施方式九相同。

具体实施方式十一：如图14和图15所示，本实施方式与具体实施方式九不同点在于平行或径向充磁的永磁体2-1-2为2n块小圆弧形板永磁体，每相邻两块小圆弧形板永磁体之间设置有一个磁桥2-9，小圆弧形板永磁体和磁桥2-9粘贴于N极导磁轭2-2和S极导磁轭2-3的径向外表面上。其它组成和连接方式与具体实施方式九相同。

具体实施方式十二：如图16和图17所示，本实施方式与具体实施方式九不同点在于平行或径向充磁的永磁体2-1-2为2n块小圆弧形板永磁体，导磁轭的径向外表面轴向方向开有2n个凹槽2-10，2n块小圆弧形板永磁体粘贴于N极导磁轭2-2和S极导磁轭2-3的2n个凹槽2-10内。其它组成和连接方式与具体实施方式九相同。

具体实施方式十三：如图18和图19所示，本实施方式与具体实施方式九不同点在于平行或径向充磁的永磁体2-1-2为2n块小圆弧形板永磁体，导磁轭的外表面轴向方向开有圆弧形台肩2-7，每相邻两块小圆弧形板永磁体之间设置有一个磁桥2-9，小圆弧形板永磁体和磁桥2-9粘贴于N极导磁轭2-2和S极导磁轭2-3的圆弧形台肩2-7内。其它组成和连接方式与具体实施方式九相同。

具体实施方式十四：本实施方式与具体实施方式一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一相同。

本发明内容不仅限于上述各实施方式的内容，其中一个或几个具体实施方式的组合同样也可以实现发明的目的。当需要提高电机的输出转矩时，可以把多个上述电机沿轴向串联起来，转子转矩输出用同一个输出轴。

Claims (10)

1、双边励磁全超导同步电机，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；转子由永磁体、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，永磁体由2p个切向充磁的永磁体(2-1-1)和2p个平行或径向充磁的永磁体(2-1-2)组成；切向充磁的永磁体(2-1-1)为矩形平板，切向充磁的永磁体(2-1-1)沿圆周方向呈辐射状嵌于N极导磁轭(2-2)和S极导磁轭(2-3)之间，平行充磁的永磁体(2-1-2)设置在N极导磁轭(2-2)和S极导磁轭(2-3)轴向方向上，每相邻两个主磁极的永磁体的充磁方向相反；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。

2、根据权利要求1所述的双边励磁全超导同步电机，其特征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。

3、根据权利要求2所述的双边励磁全超导同步电机，其特征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。

4、根据权利要求1或3所述的双边励磁全超导同步电机，其特征在于平行或径向充磁的永磁体(2-1-2)为矩形平板，导磁轭的轴向方向开有矩形孔(2-8)，平行或径向充磁的永磁体(2-1-2)嵌于N极导磁轭(2-2)和S极导磁轭(2-3)的轴向矩形孔(2-8)内。

5、根据权利要求1或3所述的双边励磁全超导同步电机，其特征在于平行或径向充磁的永磁体(2-1-2)为圆弧形板，平行或径向充磁的永磁体(2-1-2)的N极面和S极面分别粘贴于N极导磁轭(2-2)和S极导磁轭(2-3)的径向外表面上。

6、根据权利要求1或3所述的双边励磁全超导同步电机，其特征在于平行或径向充磁的永磁体(2-1-2)为圆弧形板，导磁轭的外表面轴向方向开有圆弧形台肩(2-7)，平行或径向充磁的永磁体(2-1-2)的N极面和S极面分别粘贴于N极导磁轭(2-2)和S极导磁轭(2-3)的圆弧形台肩(2-7)内。

7、根据权利要求1所述的双边励磁全超导同步电机，其特征在于平行或径向充磁的永磁体(2-1-2)为2n块小永磁体，其中n为大于1的自然数，每相邻两块小永磁体之间设置有导磁的磁桥(2-9)。

8、根据权利要求7所述的双边励磁全超导同步电机，其特征在于磁桥(2-9)宽度为0.5mm～L/2mm，其中每块小永磁体的宽度L为2mm～30mm。

9、根据权利要求1所述的双边励磁全超导同步电机，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。

10、根据权利要求1所述的双边励磁全超导同步电机，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。

Images