CN102882352B - 一种超导爪极电机 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种超导爪极电机，其定子部分包括空心支撑轴、固定在空心支撑轴上的n只超导励磁绕组支架及杜瓦结构，每只励磁绕组支架内设置有超导励磁绕组，空心支撑轴内设置有冷媒管路及超导引出线；转子部分包括转子轴和n只转子磁轭组；每只转子磁轭组包括A磁轭和B磁轭，两只磁轭上的爪极交错分布，并对扣在对应超导励磁绕组的两侧，所述转子轴和n只转子磁轭组均可绕转子轴的中心轴线同步旋转。不同功率等级的电机可沿径向扩大直径或沿轴向叠加爪极组件数量实现。本发明在满足超导电机工作的前提下，具有结构简单、成本低、易加工、励磁绕组供电直接连接、无需碳刷或感应电路、重量和体积小等特点，提高了系统可靠性和效率。

Description

一种超导爪极电机

技术领域

本发明属于电机技术领域，特别涉及一种新型的超导爪极电机。

背景技术

大功率超导电机由于具有高效节能和体积和重量只有传统电机的1/3到1/2等优点，在舰船、电力机车等行业正日臻受到用户的欢迎，但超导绕组工作中需要在绕组的周围形成冷媒循环空间及绝热结构，故增加了系统复杂性。

现有超导电机主流是超导励磁绕组旋转，需要增加传输冷媒的旋转接头来满足超导绕组的低温工作要求，同时超导绕组的供电和检测信号需要滑环或感应传输，导致系统结构复杂，故障率高。另一种超导电机是超导励磁绕组不动的结构，但转子电枢供电需要大电流的馈电碳刷，碳刷寿命短，更换困难。为了解决以上难题，催生了本发明的设计思想。

发明内容

本发明目的在于解决现有超导电机应用中存在的超导励磁绕组旋转时，需要配套的传输冷媒旋转接头、以及用于超导绕组的供电和检测信号的滑环或感应传输装置的问题，提供一种超导爪极电机，该电机在应用中省去了大电流的馈电碳刷和传输冷媒的旋转接头，降低了电机的制造成本、重量和体积，并提高了电机运行可靠性和效率。

为实现上述发明目的而采用的技术解决方案是这样的：所提供的超导爪极电机，包括定子部分、转子部分和机壳，其中，(一)、所述的定子部分包括一只空心支撑轴、定子电枢及磁轭组件和固定在空心支撑轴上的n只励磁绕组支架及杜瓦结构；所述的空心支撑轴和定子电枢及磁轭组件固定在机壳上，所述每只励磁绕组支架及杜瓦结构内设置有超导励磁绕组以及包容超导励磁绕组的冷腔，所述空心支撑轴内设置有冷媒管路及超导引出线，所述的冷媒管路与超导励磁绕组的冷腔相通；所述的超导励磁绕组与超导引出线相联；(二)、所述的转子部分包括一只转子轴和串联安装在空心支撑轴上的n只转子磁轭组；所述每只转子磁轭组包括A磁轭、B磁轭和联接A磁轭和B磁轭的固定架；所述的A磁轭和B磁轭在环片结构一侧的外圆处均布有多只爪极，每只转子磁轭组中的两只磁轭的爪极交错分布，并对扣在对应超导励磁绕组的两侧；所述转子轴通过旋转部件安装在机壳上并与转子磁轭组相连，所述n只转子磁轭组通过旋转部件套装在空心支撑轴上，所述转子轴和n只转子磁轭组均可绕转子轴的中心轴线同步旋转；所述的A磁轭和B磁轭在超导励磁绕组通电时，在A磁轭和B磁轭内产生磁场，并在各自的爪极上分别形成N磁极和S磁极。

本发明的技术解决方案还包括：所述的转子轴与A磁轭连接，A磁轭和B磁轭由固定架连接成为一体构成转子，可在定子电枢产生的旋转磁场引导下旋转。

本发明的技术解决方案还包括：所述的n大于或等于1。

本发明的技术解决方案还包括：所述超导励磁绕组为以轴线为中心的环形绕组结构；超导励磁绕组由超导带材或线材制成。

本发明的技术解决方案还包括：所述的旋转部件为滚动轴承或滑动轴承。

本发明的技术解决方案还包括：所述的转子磁轭由导磁而不导电的材料制成，如氧化铁粉。

本发明具有的有益效果如下所述。

1、本发明采用超导励磁绕组和空心支撑轴固定不动，而依靠超导励磁绕组外围设置的转子磁轭组在定子电枢旋转磁场引导下，实现转子磁轭带动转子轴旋转，而构成超导电机的设计思路，具有结构简单的优点。

2、本发明采用在超导励磁绕组周围设置冷腔，形成了超导磁体工作时需要的冷媒循环空间及杜瓦结构，同时在空心支撑轴内设置冷媒管路及超导引出线，解决了以往需要冷媒传输旋转接头、大电流馈电碳刷及信号传输滑环应用中存在的寿命和更换问题，提高了系统可靠性。

3、本发明的超导爪极电机可根据输出功率的大小选择由一只或多只超导励磁绕组和转子磁轭组构成，方便了大功率输出的扩展应用，满足了不同场合的要求，同样具有结构简单，成本低的优点。

4、本发明的转子磁轭由导磁而不导电的材料制成，只在超导励磁绕组通电时在其各自的爪极上分别形成N和S磁极，因A、B磁轭不导电，故在运行中几乎无涡流损耗，提高了电转换效率；另外A磁轭和B磁轭可以使用模具成型，加工量小，制造成本低。

附图说明

附图1为本发明的一个具体实施例——单组超导爪极电机的结构示意图；

附图2为本发明超导爪极电机核心部件结构组成及安装示意图；

附图3为本发明超导爪极电机磁场分布及超导绕线示意图；

附图4为本发明超导爪极电机局部剖面磁场示意图；

附图5为本发明的另一个实施例——双组超导爪极电机的结构示意图。

附图中各标号名称分别是：1―转子轴，2―A磁轭，3―B磁轭，4―超导励磁绕组，5―励磁绕组支架及杜瓦结构，6―固定架，7―空心支撑轴,8―定子电枢及磁轭组件,9―冷媒管路,10―机壳，11―超导引出线。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。因为文章撰写的非穷举，所述的实施方式、爪极极对数、N和S磁极的位置、转子磁轭的材料和成型方法、定子电枢及磁轭的数量，无论用于电动机还是发电机，都不对本发明具体实施的类似变体造成限制。

本发明提供了一种超导电机的新型设计方法，是将超导带材或线材以轴线为中心环形绕在一个固定不动的支架上，支架安装在空心支撑轴上，并在超导绕组周围形成冷媒循环空间及杜瓦结构而形成超导励磁部件，两个对应的磁轭爪极对扣在超导励磁绕组的两侧，超导励磁绕组通电时，在A、B磁轭内产生磁场，并在A、B磁轭的爪极上分别形成N磁极和S磁极。A、B磁轭和固定架连接构成的转子，在定子电枢旋转磁场的引导下旋转。本发明的特点是超导磁体结构简单，冷媒传输方便，采集信号容易传送，不需要冷媒旋转接头、滑环和碳刷，加工量小，制造成本低，可靠性高。

对于输出普通功率的电机，可采用如图1所示的单组超导爪极电机的结构，它由定子部分、转子部分和机壳1 0组成。其中定子部分包括空心支撑轴7、定子电枢及磁轭组件8和励磁绕组支架及杜瓦结构5。励磁绕组支架及杜瓦结构5固定在空心支撑轴7上，其内设置有超导励磁绕组4，超导励磁绕组4为以轴线为中心的环形绕组结构，在超导励磁绕组4的四周设置有冷腔，冷腔与空心支撑轴7内设置的冷媒管路9相联；此外空心支撑轴7内还设置有超导引出线11，并与超导励磁绕组4相联。空心支撑轴7、定子电枢及磁轭组件8均固定在机壳10上，励磁绕组支架及杜瓦结构5则固定在空心支撑轴7上保持不动。转子部分包括转子轴1和转子磁轭组，每只制造磁轭组包括A磁轭2、B磁轭3和联接A磁轭2和B磁轭3的固定架6。如图2所示，A磁轭2和B磁轭3均为在环片结构一侧的外圆处均布有多只爪极，每只转子磁轭组中的两只磁轭(A磁轭2和B磁轭3)的爪极交错分布，对扣在对应超导励磁绕组4的两侧。转子轴1通过旋转部件安装在机壳10上并与转子磁轭组相连，转子磁轭组也通过旋转部件套装在空心支撑轴7上，转子轴1和转子磁轭组均可绕转子轴1的中心轴线同步旋转。

如图3和图4所示，当超导励磁绕组4通电时，两个转子磁轭内产生磁场，在其对应的爪极上分别形成N磁极和S磁极，磁场经A磁轭→N磁极→定子电枢→定子磁轭→定子电枢→S磁极→B磁轭→A磁轭构成磁回路，在定子电枢旋转磁场的引导下旋转构成超导电机。

本发明具体应用例中，提高单组爪极输出功率的方法也可以由改变超导励磁绕组，磁轭以及定子电枢的直径来实现。

实际应用中，根据定子的不同类型，该电机的工作原理稍有区别。具体表现在：(一)、对于有齿定子，超导励磁绕组4通电后，励磁绕组产生轴向磁场，此磁场依靠爪极的引导转化为径向磁场，其主磁场的路径为：主磁场经A磁轭→N磁极→气隙→定子齿到定子轭，再经定子齿→气隙到S磁极，经过B磁轭回到A磁轭从而形成一个磁回路；(一)、对于无齿定子，超导励磁绕组4通电后，励磁绕组产生轴向磁场，此磁场依靠爪极的引导转化为径向磁场，其主磁场的路径为：主磁场经A磁轭→N磁极→气隙到定子轭，再经气隙到S磁极，经过B磁轭，回到A磁轭从而形成一个磁回路。需要说明的是，随超导励磁绕组的绕制方向的不同，N磁极和S磁极位置也可以不同。

由于超导励磁绕组4不动而构成爪极的磁轭旋转，且空心支撑轴7内的冷媒传输管可方便将保持超导工作环境的冷媒传输，以及对超导励磁绕组4的电信号进行传递，使得超导电机的结构简单，制造成本低，省去了大电流馈电碳刷及信号传输滑环应用中存在的寿命和维修问题，提高了系统可靠性。

此外本发明的A、B两个磁轭均由导磁而不导电的材料(如氧化铁粉压铸成型)制成，只在超导励磁绕组4通电时在其各自的爪极上分别形成N和S磁极，由于A、B磁轭不导电，故在运行中几乎无涡流损耗，从而提高了电机的电转换效率。

除上所述外，采用本发明技术方案的更大功率的超导爪极电机可以沿径向扩大A磁轭2，B磁轭3，超导励磁绕组4，励磁绕组支架及杜瓦结构5，固定架6，空心支撑轴7，电枢及定子磁轭8和机壳10的径向尺寸实现。上述的更大功率的超导爪极电机也可以用多组(n组，n≥1)由A磁轭2，B磁轭3，超导励磁绕组4，励磁绕组支架及杜瓦结构5，固定架6组成的转子部件安装在空心支撑轴7上串联构成。

图5提供了一种适用于更大功率输出的双组超导爪极电机结构，其工作原理与图1的单组超导爪极电机结构类似，二者的主要区别在于：双组超导爪极电机的定子部分包含两只励磁绕组支架及杜瓦结构5，每只励磁绕组支架及杜瓦结构5各包括一只超导励磁绕组4、支架和杜瓦结构；每只杜瓦结构内的冷腔分别与空心支撑轴7内的冷媒管路9相联；两只超导励磁绕组4也分别与空心支撑轴7内的超导引出线11相联；转子部分，在空心支撑轴7上包含了多只转子磁轭组，每只磁轭组内安装一只超导励磁绕组4。这种双绕组的方法，在只增加少量部件的基础上，有效地提高了电机的转矩和输出功率，并具有结构简单、成本低等特点。

除了增加绕组的方法外，也可以通过改变单组超导爪极电机的超导励磁绕组4、转子磁轭以及定子电枢的直径来实现输出功率的提高。

上述描述对本发明进行了示例性的描述，显然本发明具体实施不受上述方式的限制。只要采用了本发明的方法构思和技术进行各种改进，或未经更改用于其它场合的，均在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种超导爪极电机，包括定子部分、转子部分和机壳(10)，其特征在于：

所述的定子部分包括一只空心支撑轴(7)、定子电枢及磁轭组件(8)和固定在空心支撑轴(7)上的n只励磁绕组支架及杜瓦结构(5)；所述的空心支撑轴(7)和定子电枢及磁轭组件(8)固定在机壳(10)上，所述n只励磁绕组支架及杜瓦结构中的每只励磁绕组支架及杜瓦结构(5)内设置有超导励磁绕组(4)以及包容超导励磁绕组(4)的冷腔，所述空心支撑轴(7)内设置有冷媒管路(9)及超导引出线(11)，所述的冷媒管路(9)与超导励磁绕组(4)的冷腔相通；所述的超导励磁绕组(4)与超导引出线(11)相联；

所述的转子部分包括一只转子轴(1)和串联设置在空心支撑轴(7)上的n只转子磁轭组；所述n只转子磁轭组中的每只转子磁轭组包括：A磁轭(2)、B磁轭(3)和联接A磁轭(2)和B磁轭(3)的固定架(6)；所述的A磁轭(2)和B磁轭(3)在环片结构一侧的外圆处均布有多只爪极，每只磁轭组中的两只磁轭(2、3)的爪极交错分布，并对扣在对应超导励磁绕组(4)的两侧；所述转子轴(1)通过旋转部件安装在机壳(10)上并与转子磁轭组相连，所述n只转子磁轭组通过旋转部件套装在空心支撑轴(7)上，所述转子轴(1)和n只转子磁轭组串联，且均可绕转子轴(1)的中心轴线同步旋转；所述的A磁轭(2)和B磁轭(3)在超导励磁绕组(4)通电时，在A磁轭(2)和B磁轭(3)内产生磁场，并在各自的爪极上分别形成N磁极和S磁极。

2.根据权利要求1所述的超导爪极电机，其特征在于：所述的转子轴(1)与A磁轭(2)连接，A磁轭(2)和B磁轭(3)由固定架(6)连接成为一体构成转子。

3.根据权利要求1所述的超导爪极电机，其特征在于：所述的n大于或等于1。

4.根据权利要求1所述的超导爪极电机，其特征在于：所述的超导励磁绕组(4)为以轴线为中心的环形绕组结构。

5.根据权利要求4所述的超导爪极电机，其特征在于：所述的超导励磁绕组(4)由超导带材或线材绕成。

6.根据权利要求1所述的超导爪极电机，其特征在于：所述的旋转部件为滚动轴承或滑动轴承。

7.根据权利要求1所述的超导爪极电机，其特征在于：所述的磁轭(2、3)由导磁而不导电的材料制成。

8.根据权利要求7所述的超导爪极电机，其特征在于：所述的磁轭材料为氧化铁粉。