CN101951128B - 一种高温超导电机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电机技术领域，特别涉及一种高温超导电机。该电机包括电动机和发电机，其电枢绕组采用高温超导导线绕制而成，通过的电流具有交流分量；该电机的绝热层设置在电机的外部，电机的转子和定子之间没有绝热层或采用厚度小于10毫米的绝热层。本发明提供了集中绕组方案和非集中绕组方案，线圈端部均不会出现空间上的相互干涉现象；使用低频交流电，降低了损耗；该电机可以有效的提供电机的安全性和稳定性，特别适用于风力发电、船舶和车辆推进等领域。

Description

一种高温超导电机

技术领域

本发明涉及电机技术领域，特别涉及一种电枢绕组采用高温超导导线，转子采用传统励磁线圈或者超导磁体、或者永磁体的高温超导电机。

背景技术

高温超导材料在1986年被发现以来，科研人员就构想利用高温超导材料来制造高性能电机。在此之前也有低温超导电机面世，但由于其昂贵的成本始终没有商业化。但高温超导体与低温超导体相比，具有载流能力强，临界温度高，磁场下性能相对较好的优势，因此受到人们的广泛关注。

本专利所涉及的高温超导电机(HTS电机)是指用高温超导导线线圈代替常规铜导线线圈作为电机的励磁绕组或电枢绕组(也有用高温超导块材代替永磁体，但这种HTS电机并不普遍)而制成的新型高性能电机。高温超导材料具有高载流密度的特性，可以突破铁磁材料饱和磁密的限制，从而有效提高电机的功率密度，减小体积和降低重量。

与常规铜导线制成的电机相比，高温超导电机具有以下优势：

(1)体积小，重量轻，功率密度高。

高温超导导线通电能力(电流密度)要比铜导线大100倍以上，因此用高温超导导线制成的HTS电机绕组的重量和体积要比常规电机的小得多。另外常规电机所用到的铁芯的饱和磁感应强度一般小于2特斯拉，而HTS电机的高温超导绕组可产生大于5特斯拉的磁场强度。因而HTS电机的功率密度可以比常规电机的高得多，其体积和重量可以做到只有常规电机的30％～50％。

(2)效率高。

高温超导导线电流密度比铜导线高约2个数量级，且几乎无焦耳热损耗。一台4MW的HTS电机效率高达98.7％，比同级别的常规电机高出约2.0％。低功率输出时效率依然很高。

(3)其他优势如噪音小，维护相对简单等。

高温超导电机有直流电机、交流同步电机、直线电机、磁阻电机等多种形式。高温超导导线通过直流电流时的损耗极小、可以忽略，但在交流情况下会有较明显的损耗，如果不在结构上加以创新和优化，这些额外损耗会大幅度抵消采用超导材料获得的效率提高，甚至妨碍高温超导电机的正常运行。因此在应用高温超导导线时，人们主要将其用于直流场合，尽量避免用于交流场合。至今为止，世界上研究开发的高温超导电机绝大多数是直流同步电机，其结构通常是转子为高温超导导线绕制的直流励磁绕组，定子电枢绕组由于要通过交流电，用常规铜线圈绕制而成。为了充分发挥超导导线的优点，最好能使其能的得到广泛使用。然而大多数电机都有交流或准交流(交流分量)绕组，因此，解决高温超导导线在交流场合的应用所遇到的问题对超导电机的大规模应用十分重要。

另外高温超导电机的超导部分需要低温环境，这需要有良好的绝热手段。在超导器件中的绝热层通常是由中间抽真空的两层金属薄板制成。这种绝热层结构要占有一定的空间，会对电机的结构、性能和效率产生很大的影响。例如电机转子与定子之间的气隙的大小对电机的性能有很大的影响，如果在超导电机的气隙中还要有绝热层，处理不好的话会不得不增加气隙距离，从而严重影响电机的性能。因此如何采用好的绝热方法也是开发高温超导电机的一个关键问题。

发明内容

本发明利用高温超导材料高载流能力的特点，提供了一种能够实现高效功率输出、体积小重量轻的高温超导电机。

本发明采用的技术方案为：该高温超导电机可以是电动机，也可以是发电机，其结构主要包括定子、转子以及制冷系统三部分。转子可以是外转子也可以是内转子。该电机的电枢绕组采用高温超导导线绕制而成，利用高温超导材料高载流能力和低损耗的特性提高电机的功率密度，并有效降低铜损耗；电枢绕组为交流绕组，其通过的电流具有交流分量；该电机的绝热层设置在电机的外部，电机的转子和定子之间没有绝热层或采用室温热导率不大于100w/(m*K)的材料，如不锈钢。

所述高温超导导线是Bi-2223/Ag高温超导带材/线材，或者是Bi-2212/Ag高温超导带材/线材，或者是Y-Ba-Cu-O涂层导体。

所述电机包括内转子电机和外转子电机。内转子电机的转子在内部、高温超导电枢绕组在外部；外转子电机的转子在外部、高温超导电枢绕组在内部。

所述内转子电机和外转子电机的转子上有高温超导导线绕制成的直流励磁绕组，或者是永磁磁体；而定子上有高温超导导线绕制成的交流电枢绕组。该交流电枢绕组的各线圈均为跑道形，为了避免线圈端部发生相互干涉，可以采用集中线圈或者嵌套形线圈。

所述永磁磁体为钕铁硼永磁体，或者是镨铁硼永磁体，或者是钐钴永磁体，或者是铁氧体永磁体，或者是铝镍钴永磁体，不仅可以获得较高的气隙磁密，而且几乎不产生损耗，工作状态稳定，故障率低。

所述交流绕组中的交流分量的主频低于50赫兹。

所述交流绕组包括带有磁性齿结构的绕组和带有非磁性齿结构的绕组。

所述交流绕组是分数槽集中绕组，或者是分数槽分布式绕组，或者是整数槽集中式绕组，或者是整数槽分布式绕组。

所述定子上的定子槽带有磁性槽楔结构，即定子槽口装有铁磁性的槽楔使之成为闭口槽结构。

所述绝热层为抽真空或填充低温冷媒的隔热杜瓦，或者是由超级隔热材料，或者是室温热导率不大于100w/(m*K)的材料，或者是以上几种结构的结合。

本发明所涉及的高温超导电机可以采用整体制冷方案，主要隔热层安放在电机的外部。其中超导材料制成的绕组采用接触制冷，不直接接触低温液体，热量通过金属结构件以及铁芯材料传导至低温液体；或者采用浸泡式制冷，即超导绕组直接浸入低温液体。永磁材料制作的部分也处于低温环境，有利于提高永磁材料的工作性能。

本发明的有益效果为：

(1)本发明提供了集中绕组方案和非集中绕组方案，线圈端部均不会出现空间上的相互干涉现象。

(2)使用低频交流电，降低了损耗。

(3)本发明提供了一种无磁性齿的结构，该结构的优点是自场漏磁通小，电枢绕组载流能力高；另外磁路不受到铁磁材料磁饱和强度的限制，从本质上来说可以在电枢绕组中链接更高的气隙磁密；本发明还解决了无磁性齿情况下的超导电枢绕组的固定和支撑问题。

(4)该电机可以有效的提供电机的安全性和稳定性，特别适用于风力发电、船舶和车辆推进等领域。

附图说明

图1为本发明内转子高温超导电机示意图：

图2为本发明外转子高温超导电机示意图：

图3为一种8极9槽电机的结构简化示意图；

图4为具有非等元件式绕组结构的高温超导电机示意图；

图5为定子齿槽漏磁通示意图；

图6为采用非磁性齿的定子局部结构示意图，此时气隙主磁通的切向分量会对高温超导线圈的载流能力产生较大的抑制；

图7为带有磁性槽楔的超导定子局部结构示意图；

图8为一种整体制冷的高温超导电机结构示意图；

图9为一种局部制冷的高温超导电机结构示意图；

图10为一种8极9槽分数槽集中式三相绕组交流同步电机结构示意图；

图11为一种整体制冷的外转子高温超导电机结构示意图；

图中标号：

1-高温超导电枢绕组；2-定子铁芯；3-转子；4-隔热杜瓦；5-低温冷媒；6-绝热力矩管；7-转子轴；8-旋转密封部件；9-低温冷头；10-转子磁轭；11-转子磁极；12-气隙；13-定子槽；14-定子齿；15-定子磁轭；16-永磁块；17-磁性槽楔。

具体实施方式

本发明提供了一种高温超导电机，下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

该电机包括内转子电机和外转子电机。内转子电机如图1所示，转子3在内部、高温超导电枢绕组1在外部；外转子电机如图2所示，转子3在外部，高温超导电枢绕组1在内部。

高温超导带材由于自身结构和力学性能的特点，存在一个临界弯曲半径，当弯曲半径低于这个临界值时，带材的电流传输能力将大幅度降低。同时高温超导带材也很难在其宽面所在平面内进行弯曲。因此应用于电机领域的高温超导线圈通常采用跑道形结构，该结构形状上最接近于矩形线圈，同时线圈两端有圆弧进行过渡，不会出现非常小的弯曲半径。本发明所涉及高温超导电机的超导电枢绕组采用集中绕组方案，如此每个绕组线圈均可以使用跑道形线圈，线圈端部不会出现空间上的相互干涉现象。图3给出了一种8极9槽电机的结构示意图，高温超导电枢绕组1的线圈均匀分布在转子3外围，各线圈彼此独立，在空间上不会出现位置的干涉。

本发明所涉及高温超导电机的超导电枢绕组也可以采用非集中式方案，即分布式绕组方案。该方案中高温超导电枢绕组1的线圈节距大于1，即每个线圈跨过两个以上的槽数。由于高温超导导线很难在其宽面所在平面内弯曲，故线圈的端部很难产生翘曲。如果采用这种排布方式，相邻线圈的端部很容易出现空间上的重叠而相互干涉，导致超导电枢绕组无法装配。本发明采用非等元件式绕组结构的方法解决这一问题，如图4所示，相邻高温超导电枢绕组1的线圈的面积不同，大线圈的端部伸出较远，从而就可以绕开小线圈的端部，避免了相邻线圈之间的空间干涉现象。

本发明所涉及的电机的定子槽13可以有磁性齿，但在这种情况下，齿槽部的自场漏磁通是需要特别解决的问题，如图5所示。当前的高温超导导线对外磁场很敏感，特别对于高温超导带材来说，垂直于带材宽面的磁场尤其会抑制超导带材的临界电流。有磁性定子齿14的结构比无定子齿结构所产生的自场漏磁通高，相应的，带材的载流能力也可能有一定程度的下降。因此为了提高超导电枢绕组的载流能力，其在磁性定子齿14中的摆放位置需要进行优化。本发明所得优选的电枢绕组位置为：磁性定子齿顶距超导导线距离0＜d＜8mm，磁性定子齿底距超导导线距离0＜d＜8mm，磁场定子齿边缘距超导导线距离0＜t＜1cm。超导导线和磁性定子齿之间的空隙需用高导热材料填充，以作为超导材料的制冷通路。填充材料可以是铜、铝、环氧树脂、掺氮化铝环氧树脂、掺氧化铝环氧树脂。

当高温超导电枢绕组处于磁性定子齿环境下时，绕组的自场漏磁通要比在空气中大，这样势必会对超导线圈的载流能力造成很大的影响。另外，定子铁芯2的材料一般都是硅钢片，这种软磁材料在低磁场下磁导率较高，但在高磁场下，材料会严重饱和，磁导率接近空气磁导率。普遍使用的硅钢片的饱和磁通密度约为2T左右。若是转子采用永磁体或者常规磁体励磁，不会有任何影响。但是如果转子也采用高温超导线圈，那么气隙磁密就会大大增加，可能会达到3T以上，这样定子铁芯2会严重饱和，影响功率的提升。所以对于超导电机，无磁性齿的定子铁芯是应该被考虑的。本发明所涉及的电机可以采用无磁性齿结构，如图6所示。该结构的优点是自场漏磁通小，电枢绕组载流能力高；另外磁路不受到铁磁材料磁饱和强度的限制，从本质上来说可以在电枢绕组中链接更高的气隙磁密。本发明还解决了无磁性齿情况下的超导电枢绕组的固定和支撑问题。选取在液氮温度以下仍然有良好机械性能的无磁性、高热导率的材料，如铝、铜等金属材料，再如环氧树脂、玻璃钢、聚四氟乙烯等非金属材料，加工成可以传统的定子槽结构，再通过低温胶粘连或者螺钉铆接的方法安装在外圈的硅钢片上。超导导线则直接绕在该非磁场齿结构上，放置位置尽可能接近气隙但不能影响永磁转子的运动。超导导线和支撑结构之间的空隙需用高导热材料填充，以作为超导材料的制冷通路。填充材料可以是铜、铝、环氧树脂、掺氮化铝环氧树脂、掺氧化铝环氧树脂。

本发明所涉及的高温超导电机由于存在主磁通切向分量，因此会对高温超导电枢绕组的载流能力产生不利影响。可以在定子槽开口处加上磁性槽楔17，如图7所示。磁性槽楔由掺杂了磁性材料(如铁粉、镍粉、氧化铁粉)的电胶木或者树脂制成，槽楔整体在电机工作状态下的相对磁导率的范围为100-10000。磁性槽楔还可以辅助固定高温超导线圈。

本发明在高温超导电枢绕组线圈中通入交流电。通常可以认为高温超导导线在直流条件下电阻为零，没有损耗；但其在交流下产生磁滞损耗。单位长度高温超导导线的损耗功率Q与频率f成正比，即频率越高，损耗功率越大。因此想要减小交流损耗，降低电枢绕组中交流电的频率是一个可行的途径。在本发明中，优选的交流电频率为低于50Hz。

本发明所涉及的高温超导电机采用整体制冷方案，这对内转子和外转子电机都适用。本发明的电机中的主要隔热层安放在电机的外部，这样可以避免在电机的转子和定子之间安放隔热层，或者可以将这部分的隔热层做得很薄(小于10毫米)，从而使电机气隙不必变得太大而影响电机的性能。以内转子电机为例，如图8所示，隔热杜瓦4位于整机外围，为内部抽成真空的双层隔热壳体；低温冷媒5和定子铁芯2直接接触，从而对高温超导电枢绕组1进行制冷；高温超导电枢绕组1和转子3之间没有额外的绝热层或者只有较薄的超级隔热材料，这大大降低了高温超导电机的气隙，提高气隙磁密，有利于提高高温超导电机的功率密度；绝热力矩管6起到向转子轴7传递力矩、同时减小热传递的作用，可以采用玻璃钢材料；绝热力矩管6和隔热杜瓦4接触部位安装旋转密封部件8，可以采用普通轴承，考虑到整体制冷时隔热杜瓦4需要有气密性，优选采用磁流体旋转密封轴承。

高温超导电枢绕组1还可采用接触制冷，不直接接触低温液体，热量通过金属结构件以及铁芯材料传导至低温液体。电机的定子绕组和转子绕组可以都用高温超导导线绕制而成。如果其中励磁绕组是直流的，则制冷源要尽量靠近交流电枢绕组。这是因为直流绕组的损耗很低，主要的发热部件是交流绕组。如果这一直流励磁绕组被而永磁材料所代替，情况仍然类似，这是因为永磁材料的损耗也很低。在这一结构下电机的永磁材料部分也处于低温环境，这还有利于提高永磁材料的工作性能及稳定性(这是由于永磁材料在应用中的一个重要问题就是其性能会随时间出现退化，环境温度越高，退化速度越快)。高温超导电枢绕组1还可以单独置于隔热杜瓦4中进行制冷，这样虽然增加了气隙，但是不会因为转子3中的额外损耗而增加制冷功耗。以内转子电机为例，如图9所示，隔热杜瓦4将整个定子铁芯2部分密封，转子3在工作时处于常温状态，转子轴7和隔热杜瓦4的接触部分采用普通轴承即可。

实施例1：

本实施例中，作为绝热层的隔热杜瓦4在最外层，转子3为缠绕高温超导电枢绕组1的直流励磁绕组，定子铁芯2为缠绕高温超导交流电枢绕组的风力发电机。具体结构为8极9槽分数槽集中式三相绕组结构。定子铁芯2由硅钢片制成，有九个定子槽，每个定子槽内安放有两个不同线圈的导体边，平行放置。槽口安装有磁性槽楔结构。每个超导线圈的节距都为1，即一个线圈只跨有一个齿，高温超导电枢绕组1的线圈形状为跑道型。电机内气隙主磁通由转子3上的高温超导电枢绕组1的直流励磁线圈产生。转子3的结构为凸极转子结构，转子线圈固定在非磁性齿结构上。定子磁轭15外部为隔热杜瓦4，与定子磁轭15的外壁共同构成环形的密封液氮容器。液氮灌注在整个隔热杜瓦中，高温超导电枢绕组1的热量通过定子磁轭15、定子铁芯2和其他热传导部件传递到液氮中，从而使高温超导线圈冷却。转子3的转矩通过转子轴7传送，转子轴7与外部空气接触的部分为普通的金属构件，在电机内部与低温环境接触的部分由玻璃钢制成，金属构件和玻璃钢构件通过低温粘合剂连接。

实施例2：

本实施例中，作为绝热层的隔热杜瓦4在最外层，转子3为永磁体，定子铁芯2为缠绕高温超导交流电枢绕组的发电机。高温超导交流电枢绕组中通有10Hz的交流电。具体结构为8极9槽分数槽集中式三相绕组结构，如图10所示。定子铁芯2为硅钢片制成，分为定子齿14和定子磁轭15两部分，共有九个定子槽13，每个定子槽内安放有两个不同线圈的导体边，平行放置。定子槽的槽口安装有磁性槽楔结构。每个高温超导线圈的跨距都为1，即一个线圈只跨过一个齿。高温超导线圈的形状为跑道型线圈。电机内气隙12的主磁通由转子3的钕铁硼永磁体产生，转子3分为转子磁轭10和转子磁极11两部分，其结构为径向磁通结构。定子磁轭15外部为隔热杜瓦4，与定子磁轭15外壁共同构成环形的密封液氮容器。液氮灌注在整个隔热杜瓦中，高温超导电枢绕组1的热量通过定子铁芯2和其他热传导部件传递到液氮中，从而使高温超导线圈冷却。转子3的转矩通过转子轴7传送，转子轴7与外部空气接触的部分为普通的金属构件，在电机内部与低温环境接触的部分由玻璃钢制成，金属构件和玻璃钢构件通过低温粘合剂连接。

实施例3：

本实施例中，转子3为永磁体，定子铁芯2为缠绕高温超导交流电枢绕组的发电机，其基本结构如图11所示。隔热杜瓦4位于最外层；高温超导电枢绕组1位于转子3的内部；定子铁芯2的内部通有低温冷媒5，可直接通入低温液体(包括液氦、液氖、液氢、液氮)，也可以和制冷系统相连；永磁块16位于气隙12的外侧，可以采用钕铁硼永磁体，或者是钐钴永磁体，或者是铁氧体永磁体，或者是铝镍钴永磁体，也可以采用充磁的YBCO高温超导块材。

本实例的特点在于，发电机工作时，只有转子3转动，隔热杜瓦4和高温超导电枢绕组1均保持静止，便于对高温超导线圈进行制冷。

实施例4：

本实施例中，作为绝热层的隔热杜瓦4在最外层，转子3为缠绕高温超导电枢绕组1的直流励磁绕组，定子铁芯2为缠绕高温超导交流电枢绕组的船舶推进电动机。电机的基本结构和实施例3基本相同，只是转子3采用高温超导线圈代替永磁材料，转子线圈固定在非磁性齿结构上，气隙磁通可达1-4T。

Claims (9)

1.一种高温超导电机，包括电动机和发电机，其特征在于，该电机的励磁绕组或电枢绕组采用高温超导导线绕制而成；励磁绕组或电枢绕组为交流绕组，其通过的电流具有交流分量；该电机的绝热层设置在电机的外部，电机的转子和定子之间没有绝热层，或采用厚度小于10毫米、室温热导率低于100w/(m*K)的材料制成的绝热层；

所述励磁绕组或电枢绕组采用集中绕组或非集中绕组方案：集中绕组方案为：每个绕组线圈均使用跑道形线圈，励磁绕组或电枢绕组的线圈均匀分布在转子外围，各线圈彼此独立，在空间上不会出现位置的干涉；非集中绕组方案为分布式绕组，具体为：励磁绕组或电枢绕组的线圈节距大于1，即每个线圈跨过两个以上的槽数，相邻励磁绕组或电枢绕组的线圈的面积不同，大线圈的端部伸出较小线圈远，从而就可以绕开小线圈的端部，避免了相邻线圈之间的空间干涉现象；

所述交流绕组为带有磁性齿结构的绕组或带有非磁性齿结构的绕组：采用带有磁性齿结构的绕组时，电枢绕组位置为：磁性定子齿顶距超导导线距离0＜d＜8mm，磁性定子齿底距超导导线距离0＜d＜gmm，磁场定子齿边缘距超导导线距离0＜t＜1cm；采用带有非磁性齿结构的绕组时，选取在液氮温度以下有良好机械性能的无磁性、高热导率的材料，加工成传统的定子槽结构，再通过低温胶粘连或者螺钉铆接的方法安装在外圈的硅钢片上，超导导线则直接绕在该非磁性齿结构上，放置在尽可能接近气隙但不影响永磁转子运动的位置。

2.根据权利要求1所述的一种高温超导电机，其特征在于，所述高温超导导线是Bi-2223/Ag高温超导带材/线材，或者是Bi-2212/Ag高温超导带材/线材，或者是Y-Ba-Cu-O涂层导体。

3.根据权利要求1所述的一种高温超导电机，其特征在于，所述电机为内转子电机或外转子电机。

4.根据权利要求3所述的一种高温超导电机，其特征在于，所述内转子电机和外转子电机的转子上有高温超导导线绕制成的直流励磁绕组，或者采用永磁磁体；而定子上有高温超导导线绕制成的交流电枢绕组。

5.根据权利要求4所述的一种高温超导电机，其特征在于，所述永磁磁体为钕铁硼永磁体，或者是镨铁硼永磁体，或者是钐钴永磁体，或者是铁氧体永磁体，或者是铝镍钴永磁体。

6.根据权利要求1所述的一种高温超导电机，其特征在于，所述交流绕组中的交流分量的主频低于50赫兹。

7.根据权利要求1所述的一种高温超导电机，其特征在于，所述交流绕组是分数槽集中绕组，或者是分数槽分布式绕组，或者是整数槽集中式绕组，或者是整数槽分布式绕组。

8.根据权利要求1所述的一种高温超导电机，其特征在于，所述定子上的定子槽带有磁性槽楔结构，即定子槽口装有铁磁性的槽楔使之成为闭口槽结构。

9.根据权利要求1所述的一种高温超导电机，其特征在于，所述电机采用整体制冷方案，主要隔热层安放在电机的外部，隔热层为抽真空的隔热杜瓦，或者是室温下热导率不大于100w/(m*K)的材料，或者是以上几种结构的结合。

Images