CN102594087A - 一种超导块材磁极圆筒型同步直线电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超导块材磁极圆筒型同步直线电机，主要由圆筒型交流直线电机电枢和超导块材磁极构成。所述超导磁体磁极具有一液氮温区隔热容器，液氮温区隔热容器中心设置有至少一个高温超导块材；当设置一个以上块材时，在两个块材之间设置有一环形导磁体。本发明超导块材磁极圆筒型同步直线电机，在液氮环境77K下，磁极磁场最高处能达到3T以上，明显高于普通永磁和电磁磁体，可广泛应用于推进、拖动等方面，具有产生较普通圆筒型同步直线电机更大推力且更轻便的优点。

Description

一种超导块材磁极圆筒型同步直线电机

所属技术领域

本发明涉及直线电机技术领域，具体涉及一种超导块材磁极圆筒型同步直线电机。

背景技术

电机问世于1920年前后，当时法拉第发现了电磁感应现象并提出了电磁感应定律，组装了第一台直流电机样机。1887年特斯拉发明了三相交流旋转电机，这种电机现在被广泛使用。但由于旋转电机的转子只能旋转，要实现直线运动不得不通过使用滚珠或滑轮等机械系统转换过来。由于想直接实现直线运动，即将电能直接转换成直线运动机械能而不需要任何中间转换机构的传动装置，人们很早就想到了研制直线电机。

从原理上说，直线电机就是将一台旋转电机按径向剖开，并展成平面。但相比旋转电机机械系统，直线电机有很多独特的优势。例如可实现非常高速和非常低速，高加速度，几乎零维护(无接触零件)，高精度，无空回。而且直线电机完成直线运动只需电机无需齿轮、联轴器或滑轮，可避免使用不必要或减低性能的零件。

由于技术原因，直线电机从设想到实验到应用，经历了一个不断探索，屡遭失败的过程。1840年惠斯登提出并制作了略具雏形但并不成功的直线电机。1917年出现了第一台圆筒形直线电动机，是一种具有换接初级线圈的直流磁阻电动机。此后，直线电机才进入了实验研究阶段。由于实验的进展；控制技术和材料的发展，1955年以后直线电机进入了全面的开发阶段，应用直线电机的实用设备被逐步开发出来。此后制成了许多具有实用价值的装置和产品，例如直线电机驱动的钢管输送机、运煤机、起重机、空压机、冲压机、拉伸机、各种电动门、电动窗、电动纺织机等等。特别是利用直线电机驱动的磁悬浮列车，其速度已超500km/h，接近了航空的飞行速度。

直线电机按工作原理主要可以分为感应直线电机、同步直线电机、直流直线电机、步进直线电机等；按结构形式分类主要可分为扁平型、圆筒型、圆盘型和圆弧型。其中圆筒型直线电机也称管型直线电机，为一种外形如旋转电机的圆柱型直线电机，它是把扁平型的直线电机的初级和次级沿横向卷成筒型，主要应用于短行程往复运动的场合。这里研究的就是圆筒型同步直线电机。

随着高温超导材料的出现和发展，因其有利于电机实现高效化、小型化、节能化，很快应用到电机技术领域。对于同步电机而言，其电枢由绕组构成，磁极由永磁或电磁体构成。而高温超导块材具有特殊的抗磁性和强磁场俘获能力。据报道，日本ISTEC制造的j20×30mm的YBCO块能捕获7.4T(76.5K)，8.34T(59K)的磁场；美国Houston大学制造的YBCO块能捕获3.1T(77K)的磁场，进一步降温其捕获磁场还会增加。用其替代永磁体制作电机磁极，可提高磁极磁场强度。并且由于其内部的高电流密度，产生同等磁场比永磁体质量、体积更小。

高温超导材料在电机中的应用起初主要集中于旋转电机。现在其电磁特性的优越性已被实践证明，因此更适用于侧重要求高效的直线电机的制备。

现有超导直线电机多为扁平型，很少有研究其他形状直线电机的。对于圆筒型直线电机，有研究使用高温超导线材制作电枢绕组的报道。但使用高温超导线材或块材制作圆筒型同步直线电机磁极仅有少数文章提到这种可能性。可是，圆筒型直线电机电磁气隙与极距的比值通常较大，所需的磁化电流也较大；初级铁芯两端开断，产生纵向边缘效应，从而引起波形畸变，导致损耗增加，因此其效率和功率因数比同容量的旋转电机要低。这就使得圆筒型同步直线电机更需要高效的磁极弥补上述缺陷。

对于同步电机而言，普通永磁磁极可产生1T左右最高磁场；带铁芯的电磁磁极能产生2T左右的最高磁场，但要消耗电能。其最高磁场都有进一步提高的空间，以便使得电机推力获得提高。

发明内容

鉴于现有技术的缺点，本发明的目的是设计一种新型的圆筒型同步直线电机，使之能克服现有技术的缺点。

本发明的目的是通过如下的手段实现的。

一种超导块材磁极圆筒型同步直线电机，主要由圆筒型交流直线电机电枢和超导磁体磁极构成，所述超导磁体磁极具有一液氮温区隔热容器，液氮温区隔热容器中心设置有至少一个超导块材磁极；当设置一个以上超导块材磁极时，在两个块材磁极之间设置有一环形导磁体。

采用本发明的结构，使用多块液氮冷却(77K)下充磁后表面产生3T以上磁场强度的圆柱形高温超导块材制作圆筒型同步直线电机磁极，明显高于普通永磁体产生的1T左右和带铁芯的电磁体产生的2T左右的最高磁场。因此相比永磁或电磁磁极圆筒型同步直线电机，超导块材磁极圆筒型同步直线电机能产生更高的推力。并且由于其内部的高电流密度，产生同等磁场比永磁体质量、体积更小，即更轻便。多块圆柱形高温超导块材浸泡在液氮中充磁，充磁后按轴向磁化结构依次对极排列，相邻两块块材之间用环形导磁体连接，然后置于液氮温区隔热容器中，制成电机磁极。液氮温区隔热容器应使用非金属材料制作，避免感应产生磁场和电涡流，影响到已充磁高温超导块材，使其磁场发生变化。环形导磁体侧面打有供液氮流通的贯穿小孔，利于高温超导块材制冷。电机电枢则使用普通或超导圆筒型交流直线电机电枢。此电机可广泛应用于推进、拖动等方面。

附图说明

图1是本发明实施例的结构剖视图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明的基本结构与轴向磁化结构的永磁磁极圆筒型同步直线电机基本相同，由圆筒型直线电机电枢1和圆柱形高温超导块材2、环形导磁体3、液氮温区隔热容器4、液氮液面计5组成的超导块材磁极构成。

圆筒型直线电机电枢1使用普通铜线或超导线材绕制而成。图中磁极运行至电枢顶部，电枢仅画出其上半部分。

因为超导块材磁极为单极时结构简单，仅需一块高温超导块材，本实施例中超导块材磁极设计为三极，用以说明磁极为多级时的情况。圆筒型直线电机磁极主要有径向磁化结构、轴向磁化结构Halbach结构。由于高温超导块材的形状和充磁磁场特点，只宜采用轴向磁化结构。使用的高温超导块材为圆柱形或圆环形，本实施例以圆柱形高温超导块材为例说明。在超导块材磁极制作过程中，圆柱形高温超导块材2在液氮冷却下轴向充磁，充磁后间隔环形导磁体3依次对极排列，放入液氮温区隔热容器4中心。具体排布方式如图所示，高温超导块材2上的箭头即表示其充磁后的磁场方向。高温超导块材2、环形导磁体3与液氮温区隔热容器4保留微小间隙保证液氮流通。因为气隙越大推力越小，在保证液氮流通的情况下间隙应尽可能小。整个过程全部在液氮浸泡中进行，电机正常运行时液氮要保证浸泡所有高温超导块材。高温超导块材2与环形导磁体3的高度选择要保证超导块材磁极极距与圆筒型直线电机电枢1极距相同，确保电机能同步运行。

在液氮温区高质量的高温超导块材充磁后表面可以产生3T以上磁场，高于普通永磁体和带铁芯的电磁体。若将温度进一步降低，高温超导块材还能产生更高的磁场。因此使用高温超导块材非常有利于制造大推力电机。

环形导磁体3外径与高温超导块材2相同，起到将相邻两块对极高温超导块材磁感线挤出的作用。环形导磁体3两侧打有贯穿的小孔8，这是为了便于液氮流通(如图中横向小箭头所示)，保证对圆柱形高温超导块材的制冷。

液氮温区隔热容器4应使用非金属材料制作，如无磁杜瓦，避免感应产生磁场和电涡流，影响到已充磁高温超导块材，使其磁场发生变化。电机气隙越大，推力就越小，因此在保证隔热效果的前提下，隔热容器应制作的尽可能薄。

液氮液面计5可考虑使用热电阻制作，用于测量液氮液面6。一旦发现由于蒸发导致液氮液面下降，其电阻阻值发生变化。便可发出信号，控制相关装置在超导块材磁极运动至合适位置时通过液氮补给与通气孔7给磁极补充液氮。

超导块材磁极中的各个部件均由支架支撑、固定，形成一个整体。圆筒型直线电机电枢1通三相交流电后，超导块材磁极便受力作竖直运动，运动方向、速度、启动、停止等由电机驱动器控制。

本发明所述的超导块材磁极圆筒型同步直线电机，上述针对较佳实施例的描述过于具体，本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。凡是根据上述描述做出各种可能的等同替换或改变，均被认为属于本发明的权利要求的保护范围。

Claims (3)

1.一种超导块材磁极圆筒型同步直线电机，主要由圆筒型交流直线电机电枢和超导磁体磁极构成，其特征在于，所述超导磁体磁极具有一液氮温区隔热容器，液氮温区隔热容器中心设置有至少一个高温超导块材；当设置一个以上高温超导块材时，在两个块材之间设置有一环形导磁体。

2.根据权利要求1所述之超导块材磁极圆筒型同步直线电机，其特征在于：所述多个高温超导块材按照圆筒型同步直线电机轴向磁化磁极结构依次对极排布。

3.根据权利要求1所述之超导块材磁极圆筒型同步直线电机，其特征在于，所述环形导磁体上设置有供液氮流通的小孔。

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