CN102969873B - 一种高温超导电机 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及超导技术领域和电机技术领域，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。该电机的制冷杜瓦放置在定子铁芯外部，通过接触传导制冷的方式使高温超导线圈冷却。电机转子和定子之间没有绝热层，电机内腔抽低真空，使得转子和定子隔绝热对流和热传导。真空腔内外的扭矩传递通过磁流体密封件实现。定子绕组的分布采用集中式绕组形式。线圈采用跑道型线圈或圆角矩形线圈，线圈的端部不会出现空间相互干涉的情况；使用低频交流电，降低了损耗；其低频特性特别适用于风力发电、船舶推进动力等领域。
Description
技术领域
本发明涉及超导技术领域和电机技术领域，特别涉及一种高温超导电机。
背景技术
目前高温超导材料正逐步进入工业应用的阶段，电机技术领域更是其应用的热门领域。高温超导材料与常规导电材料相比，具有高载流能力、低损耗的特点，这些特点可以大幅度提高电机的功率密度，缩小电机的体积。
本专利涉及的高温超导电机（HTS电机）是指用高温超导导线绕制成的线圈代替常规铜导线线圈作为电机的电枢绕组而制成的新型高性能电机。
高温超导材料目前已经开始应用于电机领域。高温超导电机相对于常规电机的优势在于更高的功率密度，这可以通过提高气隙磁密或增加定子绕组线负荷来实现。目前美国等一些西方发达国家已成功研发出高温超导电机的原理样机。这些高温超导电机所遵循的技术路线是直流励磁绕组采用高温超导导线，交流电枢绕组采用常规铜导线。高温超导导线的工程电流密度为铜导线的10倍以上，且在直流情况下几乎没有焦耳热损耗，其直流励磁绕组能够产生很大的气隙磁密，理论设计气隙磁密可以达到4T以上。从而使得电机的功率密度大幅度提升，缩小了电机的体积，减轻了重量。本专利则着眼于另一条技术路线，即用高温超导线圈代替铜线圈作为定子绕组，这样就增加了定子绕组的线负荷，提高了功率密度。同时，这条技术路线也是未来研制全超导电机的必经之路。
高温超导导线在直流情况下几乎无损，但是在通以交流电的情况下会产生交流损耗。这种损耗是材料的本征性质。因此，相比直流的情况而言，高温超导导线在交流情况下的应用受到了一定的限制。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。实验表明交流损耗与频率成正比关系，在低频交流电的情况下，高温超导导线产生的交流损耗仍远小于同截面铜导线的焦耳热损耗，同时还具有高电密的特性，因此高温超导材料在交流情况下也具有广阔的应用前景。
另外高温超导导线工作需要低温环境，这需要有良好的制冷和绝热手段。在常规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。例如定、转子间气隙若存在绝热层，则势必会增大气隙，减小气隙磁通，这样就会对电机的性能有很大的影响。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的高载流能力的特性，提供了一种高效功率输出的高温超导电机。
本发明采用的技术方案为：该高温超导电机可以是发电机，也可以是电动机，其结构分为三个系统：电磁系统、制冷系统和真空系统，还包括轴承座和壳体。电磁系统采用内转子方式，主要分为转子部分和定子部分。该电机的定子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；定子电枢绕组为交流绕组，交流分量的基频低于50Hz。该电机的制冷系统设置在定子铁芯的外部，主要部件为杜瓦；杜瓦内壁紧贴定子铁芯外壁，通过接触式传导的方式使定子铁芯及超导线圈冷却至工作温度；转子和定子之间没有绝热层；低温的杜瓦和室温的轴承座之间通过玻璃钢绝热管连接，保证绝热和同轴的要求，使得转子轴承和真空腔端盖不致过冷。电磁系统和制冷系统一同置于真空腔内，通过真空的方式隔绝定子和转子的热交换，同时采取在定子内壁包覆反射薄膜的方式隔绝转子的辐射传热。
所述高温超导导线是Bi-2223/Ag高温超导带材或线材，或者是Bi-2212/Ag高温超导带材或线材，或者是Y-Ba-Cu-O涂层导体。高温超导线圈的形状为跑道型，或者是圆角矩形；线圈的n值在77K下，大于等于5。
所述电机的转子为永磁转子，或者是采用高温超导线圈作为励磁绕组的转子，或者是采用高温超导块材作为励磁磁极的转子；所述电机的转子为永磁转子时，永磁体为具有R2T14B晶体结构的稀土永磁体，其中，R为28wt％~33wt％，T为66wt％~71wt％，B为0.93wt％~1.0wt％，R为Ce、Pr、Nd、Gd、Tb、Dy、Ho、Er中的一种或多种，T为Fe、Ti、V、Cr、Mn、Co、Ni、Cu、Zn、Ga、Ge、Al、Zr 、Nb、Mo中的一种或多种；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，或者是充磁的YBCO高温超导块材或BSCCO块材，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。永磁转子上的永磁体贴在转子表面。
所述定子的定子铁芯有齿槽结构，定子槽带有磁性槽楔，即定子槽口装有铁磁性的槽楔使之成为半开口槽或闭口槽结构；定子铁芯的材料是硅钢片，或者是非晶导磁材料。
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。
所述玻璃钢绝热管的材料为玻璃纤维增强环氧树脂，或为连续玄武岩纤维材料，热导率为10-3W/(m*K)~10W/(m*K)，抗拉强度为1 MPa到1GPa。既保证一定的刚度，又保证较低的热导率，使得与转子配合的轴承和真空腔端盖不致过冷。
所述真空腔的形状是圆筒形，或是立方体，或是长方体；真空腔的真空度范围为10-7Pa~0.1MPa。
所述转子的转子轴与真空腔腔体之间通过磁流体密封件连接，将力矩传递到真空腔外。磁流体密封件是空心轴磁流体密封件，或是实心轴磁流体密封件。
所述转子的极数为4，所述定子的定子槽数为6。
本发明的有益效果为：
（1）本发明提供了集中绕组方案，线圈端部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）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。
（4）本发明展示了一种可以充分开发高温超导材料应用前景的方案。
（5）本发明解决了既要刚性连接保证扭矩传递又要保证绝热的问题。
（6）本发明解决了从真空腔内外扭距传递的问题。
附图说明
图1为本发明的高温超导电机示意图。
图2为本发明的高温超导电机的定子结构示意图。
图3为本发明的高温超导电机的制冷方案示意图。
图4为本发明的跑道型高温超导线圈示意图。
图5为本发明的圆角矩形高温超导线圈示意图。
图6为本发明的高温超导转子示意图。
图7为采用高温超导线圈作为励磁线圈的转子结构示意图。
图8为采用高温超导块材作为励磁磁极的转子结构示意图。
图中标号：
1-高温超导绕组线圈；2-转子；3-定子铁芯；4-杜瓦；5-玻璃钢绝热管；6-磁流体密封件；7-真空腔；8-轴承座；9-机座；10-液氮管；11-线圈骨架；12-高温超导导线；13-玻璃钢板；14-接线柱；15-铜编织带；16-磁性槽楔；17-转子轴；18-转子骨架；19-永磁体；20-转子外套筒；21-高温超导励磁线圈；22-转子液氮腔；23-高温超导块材。
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的说明。
高温超导导线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或者是圆角矩形结构，这两种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。
本发明所涉及的跑道形及圆角矩形高温超导线圈具体结构如图4，线圈骨架11上有切口以防止涡流。高温超导导线12绕在线圈骨架11上，采取双饼结构，即整个超导线圈分为上下两层。玻璃钢板13固定在线圈骨架11上，上面接有接线柱14。超导通过铜编织带15与接线柱14连接在一起，接线柱14上再引出电流引线。
本发明所涉及高温超导电机的超导电枢绕组采用集中式绕组方案，或者是分布式绕组方案，每个绕组线圈均可以使用跑道形线圈，或者是圆角矩形线圈，线圈端部不会出现空间上的相互干涉现象。图2给出了一种4极6槽电机的定子结构示意图，定子铁芯3有齿槽结构，高温超导绕组线圈1的线圈均匀分布在定子铁芯3的齿上，各线圈彼此独立，在空间上不会出现位置的干涉。
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；但其在交流下产生交流损耗。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，优选的交流电频率低于50 Hz。
本发明所涉及的制冷方案采用接触传导式制冷方案，如图3。高温超导绕组线圈1采用接触式制冷，不直接接触低温冷媒，定子铁芯3与高温超导绕组线圈1产生的热量通过金属结构件以及铁芯材料传导至低温液体。定子铁芯3外壁通过过盈配合紧贴着环状杜瓦4，杜瓦4内腔盛装低温液体，如液氮等。杜瓦4的一侧连接着液氮管10，通过密封连接的方式伸到真空腔7外，通过液氮管10向腔内注入液氮。定子铁芯3和转子2之间没有绝热材料做成的绝热层。
定子、转子和杜瓦等主要部件均置于圆筒形的真空腔内，这样定子转子之间的气隙也是真空状态，可以有效地隔绝热传导和热对流。转子扭矩通过真空腔端盖上的磁流体密封件传递到真空腔外。
本发明所涉及的高温超导电机有玻璃钢绝热管5。玻璃钢绝热管5位于轴承座8和杜瓦4之间。一方面玻璃钢绝热管有足够的刚度和强度可以保证定转子之间的同轴性，另一方面其热导率相对较低，可以保证轴承座的温度不致过低。玻璃钢绝热管与杜瓦、轴承座之间有止口配合保证同轴性，还有螺钉连接以保证扭矩传递。
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16，如图2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。
本发明所涉及的高温超导电机的转子为永磁转子，或者是采用高温超导线圈作为励磁线圈的转子，或者是采用高温超导块材作为励磁磁极的转子。永磁转子结构如图6，包括转子轴17，转子骨架18，永磁体19，转子外套筒20。采用高温超导线圈作为励磁线圈的转子结构如图7，包括转子轴17，转子骨架18，转子外套筒20，高温超导励磁线圈21，转子液氮腔22。采用高温超导块材作为励磁磁极的转子结构如图8，包括转子轴17，转子骨架18，转子外套筒20，高温超导块材23。
实施例1：
本实施例中，高温超导绕组线圈1采用Bi-2223/Ag带材绕制成，形状为跑道形。转子2为永磁转子，转子上的永磁体19采用钕铁硼永磁体。定子铁芯上的绕组采用分数槽集中式绕组。杜瓦4采用与定子铁芯3之间通过压装的方式组装起来。定子槽内填充stycast1266。在磁性槽楔16和高温超导绕组线圈1之间插入非磁性槽楔以固定高温超导线圈。转子2与定子铁芯3之间的气隙为5mm。定子铁芯材料采用硅钢片。杜瓦4为不锈钢环状杜瓦，采用单层厚壁结构，杜瓦内壁为12mm。真空腔7和轴承座8均采用不锈钢。杜瓦4与玻璃钢绝热管5采用间隙配合，以防止冷却收缩压裂玻璃钢。轴承采用低温轴承。液氮通过液氮管10注入到杜瓦4中，通过接触式传导冷却的方式将定子铁芯3和高温超导绕组线圈1冷却。
实施例2：
本实施例中，高温超导绕组线圈1采用Bi-2223/Ag带材绕制成，形状为跑道形。转子2为采用高温超导线圈作为励磁线圈的转子，转子上的高温超导励磁线圈21采用YBCO涂层导体绕制而成的高温超导线圈。定子铁芯3上的绕组采用分数槽分布式绕组。杜瓦4采用与定子铁芯3之间通过压装的方式组装起来。定子槽内填充stycast1266。在磁性槽楔16和高温超导绕组线圈1之间插入非磁性槽楔以固定高温超导线圈。转子2与定子铁芯3之间的气隙为10mm。定子铁芯材料采用无磁奥氏体不锈钢。杜瓦4为不锈钢环状杜瓦，采用单层厚壁结构，杜瓦内壁为15mm。真空腔7和轴承座8均采用不锈钢。杜瓦4与玻璃钢绝热管5采用间隙配合，以防止冷却收缩压裂玻璃钢。轴承采用低温轴承。液氮通过液氮管10注入到杜瓦4中，通过接触式传导冷却的方式将定子铁芯3和高温超导绕组线圈1冷却。
实施例3：
本实施例中，高温超导绕组线圈1采用Bi-2223/Ag带材绕制成，形状为圆角矩形。转子2为采用高温超导块材作为励磁磁极的转子，转子上的高温超导块材23采用YBCO块材。定子铁芯3上的绕组采用整数槽分布式绕组。杜瓦4采用与定子铁芯3之间通过压装的方式组装起来。定子槽内填充stycast1266。在磁性槽楔16和高温超导绕组线圈1之间插入非磁性槽楔以固定高温超导线圈。转子2与定子铁芯3之间的气隙为15mm。定子铁芯材料采用无磁奥氏体不锈钢。杜瓦4为不锈钢环状杜瓦，采用单层厚壁结构，杜瓦内壁为20mm。真空腔7和轴承座8均采用不锈钢。杜瓦4与玻璃钢绝热管5采用间隙配合，以防止冷却收缩压裂玻璃钢。轴承采用低温轴承。液氮通过液氮管10注入到杜瓦4中，通过接触式传导冷却的方式将定子铁芯3和高温超导绕组线圈1冷却。
Claims (10)
1.一种高温超导电机，其结构包括电磁系统、制冷系统和真空系统，电磁系统采用内转子方式，包括定子部分和转子部分；制冷系统设置在定子铁芯的外部，包括杜瓦；真空系统包括真空腔；该电机还包括轴承座和壳体，其特征在于，该电机的定子电枢绕组为高温超导线圈，采用高温超导导线绕制而成；高温超导线圈的形状为跑道型，或者是圆角矩形，线圈的n值在77K下，大于等于5；高温超导线圈的具体结构为：线圈骨架上有切口以防止涡流，高温超导导线绕在线圈骨架上，采取双饼结构，即整个超导线圈分为上下两层。玻璃钢板固定在线圈骨架上，上面接有接线柱；定子电枢绕组为交流绕组，交流分量的基频低于50Hz；电磁系统和制冷系统一同置于真空腔内，通过真空的方式隔绝定子和转子的热交换；低温的杜瓦和室温的轴承座之间通过玻璃钢绝热管连接，保证绝热和同轴的要求，使得转子轴承和真空腔端盖不致过冷，同时采取在定子内壁包覆反射薄膜的方式隔绝转子的辐射传热。
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高温超导带材或线材，或者是Bi-2212/Ag高温超导带材或线材，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，所述电机的转子为永磁转子，或者是采用高温超导线圈作为励磁绕组的转子，或者是采用高温超导块材作为励磁磁极的转子。
4.根据权利要求3所述的一种高温超导电机，其特征在于，所述电机的转子为永磁转子时，永磁体为具有R2T14B晶体结构的稀土永磁体，其中，R为28wt％～33wt％，T为66wt％～71wt％，B为0.93wt％～1.0wt％，R为Ce、Pr、Nd、Gd、Tb、Dy、Ho、Er中的一种或多种，T为Fe、Ti、V、Cr、Mn、Co、Ni、Cu、Zn、Ga、Ge、Al、Zr、Nb、Mo中的一种或多种；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，或者是充磁的YBCO高温超导块材或BSCCO块材；永磁转子上的永磁体贴在转子表面。
5.根据权利要求1所述的一种高温超导电机，其特征在于，所述定子的定子铁芯有齿槽结构，定子槽带有磁性槽楔，即定子槽口装有铁磁性的槽楔使之成为半开口槽或闭口槽结构；定子铁芯的材料是硅钢片，或者是非晶导磁材料。
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。
7.根据权利要求1所述的一种高温超导电机，其特征在于，所述杜瓦为环状杜瓦，放置于定子的定子铁芯外侧，并与定子铁芯紧密配合。
8.根据权利要求1所述的一种高温超导电机，其特征在于，所述轴承座和杜瓦之间由玻璃钢绝热管连接，玻璃钢绝热管的材料为玻璃纤维增强环氧树脂，热导率为10-3W/(m*K)～10W/(m*K)，抗拉强度为1MPa到1GPa。
9.根据权利要求1所述的一种高温超导电机，其特征在于，所述真空腔的形状是圆筒形，或是立方体，或是长方体；真空腔的真空度范围为10-7Pa～0.1MPa。
10.根据权利要求1所述的一种高温超导电机，其特征在于，所述转子的转子轴与真空腔的腔体之间通过磁流体密封件连接，磁流体密封件是空心轴磁流体密封件，或是实心轴磁流体密封件。
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