CN101771331B

CN101771331B - 横向磁通超导同步电机

Info

Publication number: CN101771331B
Application number: CN2010101093664A
Authority: CN
Inventors: 寇宝泉; 李立毅; 李伟力
Original assignee: Harbin Institute of Technology
Current assignee: Harbin Institute of Technology
Priority date: 2010-02-11
Filing date: 2010-02-11
Publication date: 2012-05-30
Anticipated expiration: 2030-02-11
Also published as: CN101771331A

Abstract

横向磁通超导同步电机。它涉及电机领域，它解决了相与相之间存在磁耦合影响电流的控制精度的问题；以及每一相绕组通电产生的磁通所经过的磁路较长而使定子铁耗较大的缺点。定子的相单元由若干个相电枢铁心和相电枢绕组组成；每个相电枢铁心由k个铁心单元组成，每个相电枢铁心是由k个铁心单元组成带有齿孔的相电枢铁心，所述齿孔由齿槽叠加形成，每个铁心单元所述的两个齿沿轴向排列，所述的两个齿之间连接有磁轭段；k个铁心单元沿圆周方向依次等间隔排列在机壳内；线圈通过齿孔绕成一相相电枢绕组；当电机为m相电机时，则有im个相单元，相邻两个相电枢绕组轴线之间的夹角为[j-1+1/m]×180°电角度。它既可以作为电动机使用，也可以作为发电机使用。

Description

横向磁通超导同步电机

技术领域

本发明涉及电机领域，具体涉及一种永磁同步电机。

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，其结构如图30和图31所示。此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：一是超导绕组的结构及尺寸受电机的电磁结构限制，线圈的弯曲半径不能太小，否则将降低线圈的载流能力，增大线圈的交流损耗；二是线圈的数量随电机齿槽数的增加而增加，线圈的绕制成本高，冷却容器的数量多，电机的结构复杂、制造成本高；三是相与相之间存在磁耦合影响电流的控制精度。

发明内容

本发明为了解决由于超导绕组的结构及尺寸受电机的电磁结构限制的缺点，以及线圈的数量随电机齿槽数的增加而增加，线圈的绕制成本高，冷却容器的数量多，电机的结构复杂、制造成本高的问题，而提出了一种横向磁通超导同步电机。

本发明的横向磁通超导同步电机由机壳、定子和转子组成；转子由永磁体阵列和转子轭组成；定子由若干个相单元组成；相单元由若干个相单元铁心和相电枢绕组组成；每个相单元铁心由k个铁心单元组成；每个铁心单元由两个齿和磁轭组成，所述的两个齿沿轴向排列，所述的两个齿之间连接有磁轭；k个铁心单元沿圆周方向依次等间隔排列在机壳内，并且k个铁心单元在动子运动方向叠加排列形成相单元铁心的齿孔；超导电枢绕组组件通过相单元铁心的齿孔绕成一相相电枢绕组；超导电枢绕组组件由超导电枢绕组、电枢绕组低温屏蔽容器和电枢绕组支撑骨架组成；超导电枢绕组

永磁体62相邻的两块扇形永磁体65的充磁方向均为背向所述瓦片形永磁体62。其它组成和连接方式与具体实施方式一、二、三或五相同。

具体实施方式十二、结合图19说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一、二、三或五不同点在于永磁体阵列由长条形永磁体63、扇形永磁体65和瓦片形永磁体62组成，长条形永磁体63、扇形永磁体65与瓦片形永磁体62分别为切向充磁、轴向充磁与径向充磁，长条形永磁体63与瓦片形永磁体62沿圆周方向相间排列，k+1个扇形永磁体65与k个瓦片形永磁体62沿轴向相间排列，每轴向或者圆周向相邻的两块瓦片形永磁体62的充磁方向相反，每轴向或者圆周向相邻的两块长条形永磁体63的充磁方向相反，每轴向或者圆周向相邻的两块扇形永磁体65的充磁方向相反，并且与外表面为N极的瓦片形永磁体62相邻的两块扇形永磁体65和两块长条形永磁体63的充磁方向均指向所述瓦片形永磁体62；与外表面为S极的瓦片形永磁体62相邻的两块扇形永磁体65和两块长条形永磁体63的充磁方向均为背向所述瓦片形永磁体62。其它组成和连接方式与具体实施方式一、二、三或五相同。

如图20至23，本发明的电机为单相并联结构，相邻两线圈的绕向相反。如图24至28，电机为多相并联结构，各相单元铁心、相绕组结构相同，各相单元的次级永磁体沿动子运动方向错开τ_p/m长度。如图29，电机为双边结构，相电枢对称地布置在次级的两侧，两侧的线圈串联或并联。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。

Claims

1.横向磁通超导同步电机，它由机壳(1)、定子和转子(6)组成；转子由永磁体阵列和转子轭(61)组成；其特征在于定子由若干个相单元(2)组成；相单元(2)由若干个相单元铁心(3)和相电枢绕组(4)组成；每个相单元铁心(3)由k个铁心单元(5)组成；每个铁心单元(5)由两个齿和磁轭组成，所述的两个齿沿轴向排列，所述的两个齿之间连接有磁轭；k个铁心单元(5)沿圆周方向依次等间隔排列在机壳(1)内，并且k个铁心单元(5)在圆周方向叠加排列形成相单元铁心(3)的齿孔(71)；超导电枢绕组组件(41)通过相单元铁心(3)的齿孔(71)绕成一相相电枢绕组(4)；超导电枢绕组组件(41)由超导电枢绕组(42)、电枢绕组低温屏蔽容器(43)和电枢绕组支撑骨架(44)组成；超导电枢绕组(42)的线圈为跑道形缠绕在电枢绕组支撑骨架(44)上，超导电枢绕组(42)的线圈与电枢绕组支撑骨架(44)安装在电枢绕组低温屏蔽容器(43)的内部；当电机为m相电机时，则有i×m个相单元(2)，相邻两个相电枢绕组(4)之间为[(j-1)+1/m]×180°电角度，其中j、k、m、i均为自然数。

2.根据权利要求1所述的横向磁通超导同步电机，其特征在于相电枢绕组(4)为圆形相电枢绕组，圆形相电枢绕组缠绕于相单元铁心(3)上，并且圆形相电枢绕组位于相单元铁心(3)上的径向横截面为圆形截面。

3.根据权利要求1所述的横向磁通超导同步电机，其特征在于相电枢绕组(4)为椭圆形相电枢绕组，椭圆形相电枢绕组缠绕于相单元铁心(3)上，并且椭圆形相电枢绕组位于相单元铁心(3)上的径向横截面为弧形截面。

4.根据权利要求2或3所述的横向磁通超导同步电机，其特征在于所述的相单元铁心(3)中每个铁心单元(5)的两个齿分别为一个长齿(51)和一个短齿(52)，所述的磁轭由一个高水平磁轭段(53)、一个低水平磁轭段(54)和一个垂向磁轭段(55)组成；所述的长齿(51)与短齿(52)之间均依次连接有高水平磁轭段(53)、垂向磁轭段(55)和低水平磁轭段(54)，所述的长齿(51)侧面根部与所述的高水平磁轭段(53)的一端侧面相连，所述的高水平磁轭段(53)的另一端侧面与所述的垂向磁轭段(55)一侧侧面根部相连，所述的垂向磁轭段(55)的另一侧侧面端部与所述的低水平磁轭段(54)的一端侧面相连，所述的低水平磁轭段(54)的另一端侧面与所述的短齿(52)侧面顶部相连，并且高水平磁轭段(53)、垂向磁轭段(55)和低水平磁轭段(54)形成Z字形；铁心单元(5)的长齿(51)、短齿(52)、高水平磁轭段(53)、低水平磁轭段(54)和垂向磁轭段(55)构成的半封闭空间为齿槽(72)；相单元铁心(3)中每相邻两个铁心单元(5)中任意一个铁心单元相对于另一个铁心单元的沿机壳(”的动子运动方向的中轴线翻转180°；相单元铁心(3)中k个铁心单元(5)的齿槽(72)叠加形成两个齿孔(71)。

5.根据权利要求4所述的横向磁通超导同步电机，其特征在于永磁体阵列由长条形永磁体(63)和瓦片形导磁轭(64)组成，长条形永磁体(63)的充磁方向为切向充磁，所述长条形永磁体(63)和瓦片形导磁轭(64)沿圆周方向相间排列，k个长条形永磁体(63)沿轴向相邻排列，k个瓦片形导磁轭(64)沿轴向相邻排列，轴向相邻或者圆周向相邻的两块长条形永磁体(63)的充磁方向相反。

6.根据权利要求4所述的横向磁通超导同步电机，其特征在于永磁体阵列由扇形永磁体(65)和瓦片形导磁轭(64)组成，扇形永磁体(65)的充磁方向为轴向充磁，多个扇形永磁体(65)沿圆周方向排列组成一个永磁体环，多个瓦片形导磁轭(64)沿圆周排列组成一个导磁轭筒，k个永磁体环与k个导磁轭筒沿轴相间排列，每轴向相邻或者圆周向相邻的两块扇形永磁体(65)的充磁方向相反。

7.根据权利要求4所述的横向磁通超导同步电机，其特征在于永磁体阵列由长条形永磁体(63)、瓦片形导磁轭(64)和扇形永磁体(65)组成，长条形永磁体(63)和扇形永磁体(65)分别为切向充磁与轴向充磁，长条形永磁体(63)与瓦片形导磁轭(64)沿圆周方向相间排列，k个扇形永磁体(65)与k个瓦片形导磁轭(64)沿轴向相间排列，每轴向或者圆周向相邻的两块长条形永磁体(63)的充磁方向相反，每轴向或者圆周向相邻的两块扇形永磁体(65)的充磁方向相反，并且与同一块瓦片形导磁轭(64)相邻的两块长条形永磁体(63)和两块扇形永磁体(65)的充磁方向均为指向所述瓦片形导磁轭(64)或者均为背向所述瓦片形导磁轭(64)。

8.根据权利要求4所述的横向磁通超导同步电机，其特征在于永磁体阵列由长条形永磁体(63)和瓦片形永磁体(62)组成，长条形永磁体(63)与瓦片形永磁体(62)分别为切向充磁与径向充磁，长条形永磁体(63)与瓦片形永磁体(62)沿圆周方向相间排列，k个长条形永磁体(63)沿轴向相邻排列，k个瓦片形永磁体(62)沿轴向相邻排列，每轴向或者圆周向相邻的两块长条形永磁体(63)的充磁方向相反；每轴向或者圆周向相邻的两块瓦片形永磁体(62)的充磁方向相反；并且与外表面为N极的瓦片形永磁体(62)相邻的两块长条形永磁体(63)的充磁方向均指向所述瓦片形永磁体(62)；与外表面为S极的瓦片形永磁体(62)相邻的两块长条形永磁体(63)的充磁方向均为背向所述瓦片形永磁体(62)。

9.根据权利要求4所述的横向磁通超导同步电机，其特征在于永磁体阵列由扇形永磁体(65)和瓦片形永磁体(62)组成，扇形永磁体(65)与瓦片形永磁体(62)分别为轴向充磁与径向充磁，扇形永磁体(65)沿圆周方向相邻排列，瓦片形永磁体(62)沿圆周方向相邻排列，k个扇形永磁体(65)和k个瓦片形永磁体(62)沿轴向相间排列，每轴向或者圆周向相邻的两块扇形永磁体(65)的充磁方向相反；每轴向或者圆周向相邻的两块瓦片形永磁体(62)的充磁方向相反；并且与外表面为N极的瓦片形永磁体(62)相邻的两块扇形永磁体(65)的充磁方向均指向所述瓦片形永磁体(62)；与外表面为S极的瓦片形永磁体(62)相邻的两块扇形永磁体(65)的充磁方向均为背向所述瓦片形永磁体(62)。

10.根据权利要求4所述的横向磁通超导同步电机，其特征在于永磁体阵列由长条形永磁体(63)、扇形永磁体(65)和瓦片形永磁体(62)组成，长条形永磁体(63)、扇形永磁体(65)与瓦片形永磁体(62)分别为切向充磁、轴向充磁与径向充磁，长条形永磁体(63)与瓦片形永磁体(62)沿圆周方向相间排列，k+1个扇形永磁体(65)与k个瓦片形永磁体(62)沿轴向相间排列，每轴向或者圆周向相邻的两块瓦片形永磁体(62)的充磁方向相反，每轴向或者圆周向相邻的两块长条形永磁体(63)的充磁方向相反，每轴向或者圆周向相邻的两块扇形永磁体(65)的充磁方向相反，并且与外表面为N极的瓦片形永磁体(62)相邻的两块扇形永磁体(65)和两块长条形永磁体(63)的充磁方向均指向所述瓦片形永磁体(62)；与外表面为S极的瓦片形永磁体(62)相邻的两块扇形永磁体(65)和两块长条形永磁体(63)的充磁方向均为背向所述瓦片形永磁体(62)。