CN102840708A - 一种基于传导冷却的超导电机的制冷系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于传导冷却技术的超导电机制冷系统，包括压缩机、制冷机冷头、密封装置、真空罩、磁体骨架、导冷带和防辐射屏，防辐射屏通过支撑结构固定安装于真空罩的内壁上；压缩机通过密封装置与制冷机冷头连接，制冷机冷头依次穿过真空罩、防辐射屏固定安装在真空罩上，制冷机冷头与真空罩、防辐射屏同步转动；防辐射屏内设置有用于安装超导磁体的磁体骨架，磁体骨架的两端分别通过力矩管穿过防辐射屏连接于真空罩的两端；磁体骨架的内壁连接有导冷带，导冷带与位于防辐射屏内的制冷机冷头连接；本发明采取了高效导冷带传导冷却磁体，免去了传统冷却方案中所用的冷却介质，从而系统的使用更加灵活，可靠性更高，有效降低系统的故障率。

Description

一种基于传导冷却的超导电机的制冷系统

技术领域

本发明涉及超导电机的制冷技术，具体涉及一种基于传导冷却的超导电机的制冷系统。

背景技术

超导技术作为一种新兴技术已经在电力应用方面逐渐表现出不可替代的优势。利用超导技术制造的风机，其转子由高温超导（HTS）线材绕制，相对常规铜线其载流密度可以提高150倍左右，使得超导电机具有极高的能量密度。这一方面大大减小了电机的体积，同时因为超导线圈可以产生极强的磁场，电机中的铁芯可以省去，电机的重量也减轻很多。据美国超导公司估计，10MW的超导直驱式风力发电机的重量仅140 t，如此轻的重量，将成为突破风机扩容技术瓶颈的关键。另外，由于超导线圈可以产生极高的磁场，从而产生更大的力矩，不需要配备成本昂贵，相对笨重的齿轮箱，这便大大提高了电机的效率和稳定性。这样，超导海上风力发电机的运输成本、安装成本及维护成本都将显著降低。

但是由于超导电性只能在一定的低温下才能够实现，所以制冷系统作为超导电机的关键辅助系统，对于整个电机的稳定运行，具有至关重要的作用。

传统的超导电机由于转速较高，因而一般采用冷冻剂作为冷却介质，利用电机转动时的离心力使冷却介质在超导磁体内部的冷却介质流道内流动，通过介质的传热，实现系统制冷的目的。然而，冷却介质的使用必然会增加系统的复杂性，降低其可靠性。另一方面，由于需要利用电机旋转时的离心力，才可以使冷却介质更好的分散在转子内部，从而达到均匀冷却超导磁体的目的。但对于，海上型超导风机中的超导电机，由于其额定转速很低，一般不超过20转每分钟，因而这种转速下的离心力不足以驱动低温液体在转子内部均匀分布，因而受到使用的局限。

传导冷却技术是利用高热导的固体材料，通过固体传导实现冷量的传递，从而实现对磁体的冷却功能。利用固体传导的方式，可以避免系统当中使用液氮，液氦等冷却介质，从而极大的降低了对系统密封性的要求，可提高整个系统的可靠性。例如，公开日为2011-11-30，公开号为CN 102262952的中国专利文献，公开了一种传导冷却超导磁体装置，其包括被收容在真空容器中的超导线圈，防辐射屏，制冷机等配件。使用此方案可以利用冷却配管使超导线圈，防辐射屏等部件得到充分冷却，并且可以有效缩短系统的初期冷却时间。但液氦等制冷机的使用，极大的降低了系统的安全性和可靠性，另一方面系统必需依赖制冷剂的使用方可以正常工作，这也降低的系统的适应性。如果单纯使用传导冷却作为冷却方案，可以摆脱对制冷剂的依赖，只需对压缩机和制冷机提供电源就可以实现制冷工作，从而降低了对制冷系统的要求，特别是对于旋转电机这样的工作需求，只需配合常温工作的旋转密封装置就可以实现，而利用液氦，液氖或液氮的制冷系统，则需要利用低温旋转密封装置才可以应用于旋转电机这类的设备之中。

发明内容

本发明提供了一种基于传导冷却技术的超导电机制冷系统，利用传导冷却的方法，将制冷机冷头和超导磁体相连接，从而实现对超导磁给进行降温冷却的目的；根据本发明，可以避免使用氦、氖和氮等制冷剂，较好的提高了系统的可靠性和稳定性。

本发明的技术方案如下：

一种基于传导冷却技术的超导电机制冷系统，其特征在于：包括压缩机、制冷机冷头、密封装置、真空罩、磁体骨架、导冷带和防辐射屏，防辐射屏通过支撑结构固定安装于真空罩的内壁上，真空罩与防辐射屏分别呈封闭状；压缩机通过密封装置与制冷机冷头连接，制冷机冷头依次穿过真空罩、防辐射屏固定安装在真空罩上，制冷机冷头与真空罩、防辐射屏同步转动；所述防辐射屏内设置有用于安装超导磁体的磁体骨架，磁体骨架的两端分别通过力矩管穿过防辐射屏的两端并连接于真空罩的两端的内壁上；所述磁体骨架的内壁连接设置有N个导冷带，每个导冷带均与位于防辐射屏内的制冷机冷头部分连接；其中，N为整数，N≥1。

所述制冷机冷头包括一级冷头和二级冷头，一级冷头和二级冷头位于真空罩内，工作时处于真空环境。

所述制冷机的一级冷头直接与防辐射屏连接，并将防辐射屏冷却到一个相对较高的温度（如60-80K），实现对于外部辐射漏热的截断。

所述制冷机的二级冷头与导冷带相连接，通过导冷带冷却磁体骨架及超导磁体。

所述超导磁体连接有两根超导电流引线，两根超导电流引线穿过防辐射屏沿防辐射屏外壁走线，并延伸穿过真空罩外部，与其他部件连接。两根超导电流引线结构相同，分别用于电流的输入与输出，超导电流引线的上端为常规引线材料，如铜，下端为高温超导材料。超导电流引线因为贴于防辐射屏走线，所以也是经一级冷头冷却。

所述磁体骨架设置用于安装超导磁体的凹槽，凹槽与超导磁体的多个面紧密接触，通过导冷带将热量传给制冷机冷头。超导电机的超导磁体及磁体骨架等部件，被密闭安装于防辐射屏内，超导磁体的热量通过导冷带传递给制冷机的二级冷头，并通过制冷机将热量带到系统外部，可以最大限度减少外部辐射漏热。

所述真空罩是一个由金属材料（如不锈钢等）制成的密闭容器，需要耐受一定的压强而不出现明显的变形。

电机运行时，真空罩内部被抽成一定的高真空，超导磁体、磁体骨架、支撑结构、导冷带、力矩管、防辐射屏等组件均存在于真空环境中，这样可以减少由于气体对流传热引起的漏热。除去气体对流传导漏热，系统主要存在的漏热来源于高温辐射和支撑部件的固体传导漏热。

所述真空罩两端的内壁设置有端板，所述力矩管则连接在端板上，制冷机的一级冷头和二级冷头均穿过端板位于真空罩内部。

所述防辐射屏通过支撑结构安装悬挂于真空罩的内壁上，用于减小外部辐射对磁体的辐射漏热；所述防辐射屏采用高热导性材料（如紫铜等材料）制成。

所述支撑结构由低热导率的材料制成，如G10环氧玻璃钢，而且其长度需要保证能有效阻止外部热量传导进入防辐射屏，使防辐射屏保持在一个较低的温度，从而保证超导磁体处在一个较低的辐射环境当中。

所述导冷带的两段设置有安装孔，采用螺栓直接与超导磁体、制冷机冷头相连接；所述导冷带采用导热性能良好的材料，例如高纯铜，高纯铝或其它导热性能良好的材料。

所述力矩管可以采用环氧玻璃钢制成；此种材料具备一定的强度，并且热导率较低，可以有效的减少外界环境对于超导磁体本身的传导漏热。

由于制冷机冷头随着转子本体进行旋转，因此密封装置设计为旋转密封装置，通过旋转密封装置将制冷机冷头和压缩机进行连接，该旋转密封装置可以耐受足够的高压，但只需满足常温要求。

所述旋转密封装置包括转动端和静止端，转动端嵌于静止端的凹槽中，转动端的外壁和静止端的槽壁之间设置有动密封的密封结构；该密封结构可以是磁流体密封，也可以是机械动密封，或其他多种密封方案。所述静止端设置有连接制冷机冷头的出气管和连接制冷机冷头的进气管；所述转动端设置有连接压缩机的进气管和连接压缩机的出气管。

本发明的工作过程如下：

压缩机采用氦气压缩机，该压缩机产生常温高压氦气，通过连接管路连接到旋转密封装置的静止端的进气口，高压氦气通过旋转密封装置后由转动端的出气口送出，并通往旋转的制冷机头，制冷机冷头利用高压氦气进行制冷工作，并产冷量使一级冷头和二级冷头的温度下降，返回的氦气又进入旋转密封装置的转动端进气口，并从旋转密封装置的静止端出气口经连接管路回到氦气压缩机循环压缩；制冷机一级冷头与防辐射屏连接，并将防辐射屏冷却到相对低的温度如（60-80K），另一方面，其还用于冷却超导电流引线；制冷机的二级冷头通过N根导冷带，与磁体骨架连接，并冷却磁体骨架；超导磁体紧贴于磁体骨架的凹槽内，并同磁体骨架一同得到冷却。

本发明的有益效果如下：

本发明利用传导冷却的方法，将制冷机冷头和超导磁体相连接，从而实现对超导磁给进行降温冷却的目的；

本发明可以避免使用液氦、液氖和液氮等制冷剂，较好的提高了系统的可靠性和稳定性；

由于避免了使用液氦，液氖和液氮等低温制冷剂，从而降低了系统对于旋转密封装置的要求，使用常温高压旋转密封技术就可以实现氦气的旋转密封连接。而若采用其它制冷方案，很可能需要低温的旋转密封装置，而这将带来极大的技术难题；

本发明适用于海上型超导风力发电机。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图

图2为本发明的导冷带结构示意图

图3 为本发明的旋转密封装置的结构示意图

其中，附图标记为：1压缩机，2氦气管，3密封装置，4制冷机冷头，5力矩管，6真空罩，7防辐射屏，8超导磁体，9导冷带，10支撑结构，11一级冷头，12二级冷头，13，超导电流引线进线，14磁体骨架，15超导电流引线出线，16端板，17连接压缩机的进气管，18静止端，19密封结构，20转动端，21连接制冷机冷头的出气管，22连接制冷机冷头的进气管，23连接压缩机的出气管。

具体实施方式

如图1所示，一种基于传导冷却技术的超导电机制冷系统，包括压缩机1、制冷机冷头4、密封装置3、真空罩6、磁体骨架14、导冷带9和防辐射屏7，防辐射屏7通过支撑结构10固定安装于真空罩6的内壁上，真空罩6与防辐射屏7分别呈封闭状；压缩机1通过密封装置3与制冷机冷头4连接，压缩机1通过氦气管2连接制冷机冷头4；制冷机冷头4依次穿过真空罩6、防辐射屏7固定安装在真空罩6上，制冷机冷头4与真空罩6、防辐射屏7同步转动；所述防辐射屏7内设置有用于安装超导磁体8的磁体骨架14，磁体骨架14的两端分别通过力矩管5穿过防辐射屏7的两端并连接于真空罩6的两端的内壁上；所述磁体骨架14的内壁连接设置有N个导冷带9，每个导冷带9均与位于防辐射屏7内的制冷机冷头4部分连接；其中，N为整数，N≥1。

所述制冷机冷头4包括一级冷头11和二级冷头12，一级冷头11和二级冷头12位于真空罩6内，工作时处于真空环境。

所述制冷机的一级冷头11直接与防辐射屏7连接，并将防辐射屏7冷却到一个相对较高的温度（如60-80K），实现对于外部辐射漏热的截断。

所述制冷机的二级冷头12与导冷带9相连接，通过导冷带9冷却磁体骨架14及超导磁体8。

所述超导磁体8连接有两根超导电流引线，两根超导电流引线穿过防辐射屏7沿防辐射屏7外壁走线，并延伸穿过真空罩6外部，与其他部件连接。两根超导电流引线结构相同，一根是用于电流输入的超导电流引线进线13，另一根是用于电流输出的超导电流引线出线15。超导电流引线的上端为常规引线材料，如铜，下端为高温超导材料。超导电流引线因为贴于防辐射屏7走线，所以也是经一级冷头11冷却。

所述磁体骨架14设置用于安装超导磁体8的凹槽，凹槽与超导磁体8的多个面紧密接触，通过导冷带9将热量传给制冷机冷头4。超导电机的超导磁体8及磁体骨架14等部件，被密闭安装于防辐射屏7内，超导磁体8的热量通过导冷带9传递给制冷机的二级冷头12，并通过制冷机将热量带到系统外部，可以最大限度减少外部辐射漏热。

所述真空罩6是一个由金属材料（如不锈钢等）制成的密闭容器，需要耐受一定的压强而不出现明显的变形。

电机运行时，真空罩6内部被抽成一定的高真空，超导磁体8、磁体骨架14、支撑结构10、导冷带9、力矩管5、防辐射屏7等组件均存在于真空环境中，这样可以减少由于气体对流传热引起的漏热。除去气体对流传导漏热，系统主要存在的漏热来源于高温辐射和支撑部件的固体传导漏热。

所述真空罩6两端的内壁设置有端板16，所述力矩管5则连接在端板16上，制冷机的一级冷头11和二级冷头12均穿过端板16位于真空罩6内部。

所述防辐射屏7通过支撑结构10安装悬挂于真空罩6的内壁上，用于减小外部辐射对磁体的辐射漏热；所述防辐射屏7采用高热导性材料（如紫铜等材料）制成。

所述支撑结构10由低热导率的材料制成，如G10环氧玻璃钢，而且其长度需要保证能有效阻止外部热量传导进入防辐射屏7，使防辐射屏7保持在一个较低的温度，从而保证超导磁体8处在一个较低的辐射环境当中。

所述导冷带9的两段设置有安装孔，可以采用螺栓直接与超导磁体8、制冷机冷头4相连接；所述导冷带9采用导热性能良好的材料，例如高纯铜，高纯铝或其它导热性能良好的材料。

所述力矩管5可以采用环氧玻璃钢制成；此种材料具备一定的强度，并且热导率较低，可以有效的减少外界环境对于超导磁体8本身的传导漏热。

由于制冷机冷头4随着转子本体进行旋转，因此密封装置3设计为旋转密封装置，通过旋转密封装置将制冷机冷头4和压缩机1进行连接，该旋转密封装置可以耐受足够的高压，但只需满足常温要求。

所述旋转密封装置包括转动端20和静止端18，转动端20嵌于静止端18的凹槽中，转动端20的外壁和静止端18的槽壁之间设置有动密封的密封结构19；该密封结构19可以是磁流体密封，也可以是机械动密封，或其他多种密封方案。

所述静止端18设置有连接制冷机冷头的出气管21和连接制冷机冷头的进气管22。

所述转动端20设置有连接压缩机的进气管17和连接压缩机的出气管23。

本发明的工作过程如下：

压缩机1采用氦气压缩机，该压缩机1产生常温高压氦气，通过连接管路连接到旋转密封装置的静止端18的进气口，高压氦气通过旋转密封装置后由转动端20的出气口送出，并通往旋转的制冷机头，制冷机冷头4利用高压氦气进行制冷工作，并产冷量使一级冷头11和二级冷头12的温度下降，返回的氦气又进入旋转密封装置的转动端20进气口，并从旋转密封装置的静止端18出气口经连接管路回到氦气压缩机1循环压缩；制冷机一级冷头11与防辐射屏7连接，并将防辐射屏7冷却到相对低的温度如（60-80K），另一方面，其还用于冷却超导电流引线；制冷机的二级冷头12通过N根导冷带9，与磁体骨架14连接，并冷却磁体骨架14；超导磁体8紧贴于磁体骨架14的凹槽内，并同磁体骨架14一同得到冷却。

Claims (12)

1.一种基于传导冷却技术的超导电机制冷系统，其特征在于：包括压缩机（1）、制冷机冷头（4）、密封装置（3）、真空罩（6）、磁体骨架（14）、导冷带（9）和防辐射屏（7），防辐射屏（7）通过支撑结构（10）固定安装于真空罩（6）的内壁上，真空罩（6）与防辐射屏（7）分别呈封闭状；压缩机（1）通过密封装置（3）与制冷机冷头（4）连接，制冷机冷头（4）依次穿过真空罩（6）、防辐射屏（7）固定安装在真空罩（6）上，制冷机冷头（4）与真空罩（6）、防辐射屏（7）同步转动；所述防辐射屏（7）内设置有用于安装超导磁体（8）的磁体骨架（14），磁体骨架（14）的两端分别通过力矩管（5）穿过防辐射屏（7）的两端并连接于真空罩（6）的两端的内壁上；所述磁体骨架（14）的内壁连接设置有N个导冷带（9），每个导冷带（9）均与位于防辐射屏（7）内的制冷机冷头（4）部分连接；其中，N为整数，N≥1。

2.根据权利要求1所述的超导电机制冷系统，其特征在于：所述制冷机冷头（4）包括一级冷头（11）和二级冷头（12），一级冷头（11）和二级冷头（12）位于真空罩（6）内，工作时处于真空环境；制冷机的一级冷头（11）直接与防辐射屏（7）连接；制冷机的二级冷头（12）与导冷带（9）相连接，通过导冷带（9）冷却磁体骨架（14）及超导磁体（8）。

3.根据权利要求1所述的超导电机制冷系统，其特征在于：所述超导磁体（8）连接有两根超导电流引线，两根超导电流引线穿过防辐射屏（7）沿防辐射屏（7）外壁走线，并延伸穿过真空罩（6）外部；两根超导电流引线结构相同，分别用于电流的输入与输出；超导电流引线的上端为常规引线材料，下端为高温超导材料。

4.根据权利要求1所述的超导电机制冷系统，其特征在于：所述磁体骨架（14）设置用于安装超导磁体（8）的凹槽，凹槽与超导磁体（8）紧密接触，通过导冷带（9）将热量传给制冷机冷头（4）。

5.根据权利要求1所述的超导电机制冷系统，其特征在于：所述真空罩（6）是一个由金属材料制成的密闭容器。

6.根据权利要求5所述的超导电机制冷系统，其特征在于：所述真空罩（6）两端的内壁设置有端板（16），所述力矩管（5）则连接在端板（16）上，一级冷头（11）和二级冷头（12）均穿过端板（16）位于真空罩（6）内部。

7.根据权利要求1所述的超导电机制冷系统，其特征在于：所述防辐射屏（7）采用高热导性材料制成。

8.根据权利要求1所述的超导电机制冷系统，其特征在于：所述支撑结构（10）由低热导率的材料制成。

9.根据权利要求1所述的超导电机制冷系统，其特征在于：所述导冷带（9）的两段设置有安装孔，通过螺栓连接磁体骨架（14）、制冷机冷头（4）；所述导冷带（9）采用导热性能良好的材料。

10.根据权利要求1所述的超导电机制冷系统，其特征在于：所述力矩管（5）采用环氧玻璃钢制成。

11.根据权利要求1所述的超导电机制冷系统，其特征在于：所述密封装置（3）设计为旋转密封装置，通过旋转密封装置将制冷机冷头（4）和压缩机（1）进行连接；所述旋转密封装置包括转动端（20）和静止端（18），转动端（20）嵌于静止端（18）的凹槽中，转动端（20）的外壁和静止端（18）的槽壁之间设置有动密封的密封结构（19）；所述静止端（18）设置有连接制冷机冷头的出气管（21）和连接制冷机冷头的进气管（22）；所述转动端（20）设置有连接压缩机的进气管（17）和连接压缩机的出气管（23）。

12.根据权利要求1-11任意一项所述的超导电机制冷系统，其特征在于工作过程如下：压缩机（1）采用氦气压缩机，用于产生常温高压氦气；氦气压缩机连接到旋转密封装置的静止端（18）的进气口，高压氦气通过旋转密封装置后由转动端（20）的出气口送出，并通往旋转的制冷机头；制冷机冷头（4）利用高压氦气进行制冷工作，并产冷量使一级冷头（11）和二级冷头（12）的温度下降；返回的氦气又进入旋转密封装置的转动端（20）进气口，并从旋转密封装置的静止端（18）出气口经连接管路回到氦气压缩机循环压缩；制冷机一级冷头（11）与防辐射屏（7）连接，并将防辐射屏（7）冷却到相对低的温度，另一方面，还用于冷却超导电流引线；制冷机的二级冷头（12）通过N根导冷带（9），与磁体骨架（14）连接，并冷却磁体骨架（14）；超导磁体（8）紧贴于磁体骨架（14）的凹槽内，并同磁体骨架（14）一同得到冷却。

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