CN102594088A - 一种超导磁体磁极圆筒型同步直线电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超导磁体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低温隔热容器、低温隔热容器中心设置有圆筒型不导磁轴，至少一个高温超导磁体套置在所述圆筒型不导磁轴上；当设置一个以上磁体时，在两个磁体之间设置有一环形导磁体，导磁体同样套置在所述圆筒型不导磁轴上。本发明超导磁体磁极圆筒型同步直线电机，在低温环境下(77K以下)，磁极的磁场可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磁极轻便、节能的优点。

Description

一种超导磁体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，具体涉及一种超导磁体磁极圆筒型同步直线电机。

背景技术

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。高温超导线材具有高传导电流密度，用其替代铜线制作电枢绕组或电磁磁极线圈，可使其电流显著提高，体积减小。现在，使用superpower公司生产的YBCO高温超导线材绕制的最大的磁体在制冷剂液氮冷却下(77K)能产生超过1T的磁场，如果使用制冷机通过制冷剂氦气降温至20K-30K能产生5T左右的磁场，使用制冷剂液氦冷却(4.2K)能产生接近10T的磁场。并且，超导材料电流密度高，绕制的磁体不需要铁芯，除制冷外也不消耗电能。因此，产生相同的磁场，相比普通磁体高温超导磁体更轻且更节能。

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。

一种超导磁体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低温隔热容器，低温隔热容器中心设置有圆筒型不导磁轴，至少一个高温超导磁体套置在所述圆筒型不导磁轴上；当设置一个以上高温超导磁体时，在两个磁体之间设置有一环形导磁体，导磁体同样套置在所述圆筒型不导磁轴上。

本发明将高温超导磁体用于制作圆筒型同步直线电机磁极。由于高温超导磁体在低温环境下(77K以下)通电后，能产生高电流密度、高磁场。因此，本发明超导磁体磁极圆筒型同步直线电机，在使用制冷机通过制冷剂，或直接使用制冷剂(如液氦)将磁极降至低温后，其磁极磁场可明显高于普通圆筒型同步直线电机磁极的1-2T，从而产生更大的推力；且由于超导线材电流密度高，绕制的磁体不需要铁芯，除制冷外不消耗电能，其磁极轻便、节能，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，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。超导磁体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，超导磁体磁极具有一低温隔热容器4，低温隔热容器中心设置有圆筒型不导磁轴5，高温超导磁体2与环形导磁体3套置在所述圆筒型不导磁轴上。

因为超导磁体磁极为单极时结构简单，仅需一个高温超导磁体绕组，本实施例中超导磁体磁极设计为三极，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。由于高温超导线材本身的特点和其弯曲半径限制，只宜采用轴向磁化结构。使用的高温超导磁体为多层空心螺线管型线圈。在超导磁体磁极中，高温超导磁体2在低温下通以直流电，不同磁体电流方向不同，以确保相邻高温超导磁体对极排列。不同磁体间隔环形导磁体3，并且磁体与导磁体均套在固定于低温隔热容器4中心的圆筒型不导磁轴5上。多个高温超导磁体按圆筒型同步直线电机磁极轴向磁化结构依次对极排布。具体排布方式如图1所示。高温超导磁体2、环形导磁体3与低温隔热容器4保留微小间隙保证制冷剂流通。因为气隙越大推力越小，在保证制冷剂流通的情况下间隙应尽可能小。整个过程全部在制冷剂中进行。高温超导磁体2与环形导磁体3的高度选择要保证超导磁体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。

在低温环境高下高温超导磁体2通电后可以产生高磁场，高于普通永磁体和带铁芯的电磁体。因此使用高温超导磁体非常有利于制造大推力电机。

环形导磁体3内、外径与高温超导磁体2相同，起到将相邻两块对极高温超导磁体磁感线挤出的作用。图中，环形导磁体3上设置有通孔7、圆筒型不导磁轴5两侧设置有贯穿的小孔8，这是为了便于制冷剂流通(如图中箭头所示)，保证对高温超导磁体绕组的制冷。

低温隔热容器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，影响到高温超导磁体，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。

圆筒型不导磁轴5对磁极的各个部分起固定作用，避免出现磁极偏心等情况。之所以将其设计为圆筒型，是因为这样可以在其内部给制冷剂留下空间，保证制冷效果。其对应环形导磁体的小孔打有小孔，确保液氮流通。

制冷剂导管6连接制冷机和电机磁极，确保不间断制冷。本管应考虑使用软管，以便在电机磁极运动时有伸缩性。

圆筒型直线电机电枢1通三相交流电后，通电的超导磁体磁极便受力作垂直运动，运动方向、速度、启动、停止等由电机驱动器控制。

本发明所述的超导磁体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)

1.一种超导磁体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低温隔热容器，低温隔热容器中心设置有圆筒型不导磁轴，至少一个高温超导磁体套置在所述圆筒型不导磁轴上；当设置一个以上高温超导磁体时，在两个磁体之间设置有一环形导磁体，导磁体同样套置在所述圆筒型不导磁轴上。

2.根据权利要求1所述之超导磁体磁极圆筒型同步直线电机，其特征在于：所述多个高温超导磁体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所述之超导磁体磁极圆筒型同步直线电机，其特征在于，所述环形导磁体上和圆筒型不导磁轴上设置有供制冷剂流通的小孔。