CN103259383A - 一种单低温保持器的全超直线电机 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种适用于轨道交通及电磁弹射系统的单低温保持器的全超直线电机。该全超电机是一种双凸极结构，包含凸极的短动子和长定子，绕组只分布在短动子上或者只分布在长定子。该绕组由高温超导材料制成，包含电枢绕组和励磁绕组，电枢绕组由三相组成，励磁绕组中通入恒定的励磁电流。由于高温超导绕组为跑道型，为了实现电枢和励磁绕组的安装，短动子或者长定子的齿设计成“凹”字型。为了使电枢绕组中的磁通发生切换，每个“凹”字型的齿中安装两套励磁绕组。本发明的全超电机只需单一低温保持器，大大降低了全超电机的制造成本，为高温超导绕组在轨道交通及弹射系统中的应用开辟了广阔的前景。

Description

一种单低温保持器的全超直线电机
技术领域
本发明涉及电工、电机、轨道交通、弹射等技术领域，特指一种单低温保持器的全超直线电机。
背景技术
近年来，直线电机在轨道交通、电磁弹射等领域中得到了广泛的应用。现有的直线电机包括感应电机、永磁电机和超导直线电机。由于超导电机的绕组由超导材料组成，使得该类电机的电流密度大大高于以铜为材料的传统电机，且高温超导材料的零电阻特性使得绕组的铜耗大大降低，提高了电机的功率密度。同时，随着超导材料的临界温度稳步提高，高温超导电机的成本也在下降，使得制造高温超导电机成为现实。
在现有的高温超导电机中，主要应用超导材料的两大特性，分别为迈斯纳效应和零电阻效应。其中超导的迈斯纳效应使得由超导材料制成的超导块能够提供高的磁能密度。但高磁能密度的超导块的充磁必须采用超导线圈来实现。相比于超导块在电机中的应用，超导绕组更具有广泛性。在文献“Development of a 15 kW motor with a fixed YBCO superconducting field winding”中（公开发表于2007年IEEE Transactions on Applied Superconductivity 17卷，2期，1607-1610页），制造了一种利用跑道型高温超导绕组为直流励磁绕组的超导电机。为了进一步提升电机的功率密度和转矩密度，在文献“Feasibility study on a 400 kW-3600 rpm REBCO fully superconducting motor”（公开发表于2012年IEEE Transactions on Applied Superconductivity 22卷，3期，5201204-1-4页）中提出了全超电机，即定转子上的绕组均为高温超导材料制成，但转子上的旋转高温超导绕组的低温保持器增加了电机的制造成本。在文献“Electrical properties analysis and test result of windings for a fully superconducting 10 HP homopolar motor”（公开发表于2012年IEEE Transactions on Applied Superconductivity 22卷，3期，5201405-1-4页）中提出了一种全超电机。该电机中采用同极转子，使得励磁的高温超导绕组不旋转，降低了制造成本。但该全超电机的超导绕组分别分布在定子和转子上，必需采用两套冷却设备对交流电枢和直流励磁超导绕组进行冷却。
发明内容
本发明的目的是为克服上述现有技术中全超电机的不足，提出一种只需单一低温保持器的全超直线电机。
本发明采用的技术方案是：
一种单低温保持器全超直线电机，包括凸极的短动子和长定子、绕组以及一个低温保持器，绕组只分布在短动子上或者只分布在长定子上；所述绕组包括电枢绕组和励磁绕组，均采用高温超导材料；所述电枢绕组由三相组成，所述励磁绕组中通入恒定的励磁电流；所述低温保持器只包裹着短动子并随之运动，或者只包裹着长定子。
所述的绕组为跑道型，且使用的材料为钇钡铜氧化合物、Bi-2223或其它高温超导材料。
进一步地，为了使交流电枢绕组和直流励磁绕组都能够安装在短动子或者长定子上，该全超直线电机中的短动子或者长定子的齿被加工成“凹”字型。“凹”字型的齿上安装双层的高温超导励磁绕组；相邻槽内安装一套电枢绕组，即电枢绕组采用集中式结构。
进一步地，“凹”字型的齿上的直流励磁绕组通入电流方向一致。在该方式的励磁电流下，交流电枢绕组中的磁通能够进行正负切换。
本发明具有以下效果：
1、本发明的动子结构和定子结构均为双凸极结构，电机结构简单易于加工。
2、本发明充分利用了跑道型高温超导绕组的结构特征，放在动子或定子槽里面的交流电枢绕组和放在“凹”字型的齿上双层直流励磁绕组形成了三层绕组结构，充分利用了动子的槽空间。
3、“凹”字型的齿上的直流励磁绕组通入正确的励磁电流后，交流电枢绕组中的磁通会产生正负交换，易于实现该类全超电机的反电势正弦化，降低谐波，抑制转矩脉动。
4、交流电枢绕组和直流励磁超导绕组都安装在动子或者定子上，这样只要一个低温保持器就能实现该全超直线电机的超导材料的低温特性。如在轨道交通中，短动子结构可以安装在客车上，这样能够保证该低温保持器与行驶中的客车是相对静止的，这样就避免了低温保持器的运动。
附图说明
图1是本发明结构简图，图中：1.短动子；2.长定子；3.交流电枢绕组；4.直流电枢绕组；5.低温保持器；
图2是含“凹”字型齿的动子；
图3是超导绕组叠放方式；
图4是直流励磁绕组励磁方向；
图5是交流电枢绕组的磁通切换原理；
图6是本发明实施例2的结构示意图。
具体实施方式
实施例1
如附图1所示，本发明为一种全超直线电机，该电机包含双凸极的短动子1和长定子2；短动子1和长定子2的铁芯均采用国内常用的D23材料冲片叠压而成。绕组包括三相交流电枢绕组3和双层直流励磁绕组4；所述的绕组均由Bi-2223高温超导材料制成；一个低温保持器5采用杜瓦，且低温保持器5可以包裹着动子并随之运动。
为了使超导交流电枢绕组3和直流励磁绕组4能够同时安装在短定子1上，在短定子1上开槽，短定子1芯片的剖面图如图2所示。在图2的虚线框中，短定子的齿被加工成倒“凹”字型。这样在短定子的凹口处就能安装直流励磁绕组4。
超导交流电枢绕组3和直流励磁绕组4的安装方式如图3所示，在图3中，超导交流电枢绕组3安装于短动子1的槽内，为单层集中绕组；直流励磁绕组4安装在短定子1的凹口处，为双层集中绕组。无论超导交流电枢绕组3还是直流励磁绕组4都采用跑道型的方式，跑道型高温超导材料绕组，外层包裹了绝缘和散热材料，且具有刚性支架。这样既能防止超导线材破损还能使不同绕组之间不存在接触，增强了电机的可靠性。
由于交流电枢绕组3和直流励磁绕组4安装在短动子1上，为了使交流电枢绕组3中的磁通能够切换，必需正确的激励直流励磁绕组4。图4给出了该类全超电机的直流励磁绕组4激励方式，在此激励方式下，该全超直线电机的短动子1的齿部在凹口的左右两边分成了两极，一边磁通向上，一边磁通向下。同时相邻两齿的磁通方向相反。当该全超直线电机运行与图5（a）位置时，交流电枢绕组3绕组中的磁通方向向上，当该全超直线电机运行与图5（b）位置时，交流电枢绕组3绕组中的磁通方向向下，这样交流电枢绕组3中的磁通就发生了正负切换。该实施方式能够适合轨道交通领域。
实施例2
在图6中给出了该类全超直线电机的实施方式二。从图中可以看出，本实施例与实施例1基本相同。不同之处在于此时的超导交流电枢绕组3和直流励磁绕组4安装于长定子上2。此时该全超电机发生运动的为只有凸极结构的短动子1，该实施方案适用于弹射装置。

Claims (4)

1.一种单低温保持器全超直线电机，其特征在于，包括双凸极的短动子（1）和长定子（2）、绕组以及一个低温保持器（5），绕组只分布在短动子（1）上或者只分布在长定子（2）上；所述绕组包括电枢绕组（3）和励磁绕组（4），均采用高温超导材料；所述电枢绕组（3）由三相组成，所述励磁绕组（4）中通入恒定的励磁电流；所述低温保持器（5）只包裹着短动子（1）并随之运动，或者只包裹长定子（2）。
2.根据权利要求1所述的一种单低温保持器全超直线电机，其特征在于，所述的绕组为跑道型，且使用的材料为钇钡铜氧化合物或Bi-2223。
3.根据权利要求1或2所述的一种单低温保持器全超直线电机，其特征在于，所述凸极的短动子（1）或者长定子（2）的每个齿为“凹”字型，“凹”字型的齿上安装双层的励磁绕组（4），同一“凹”字型的齿上的励磁绕组（4）通入电流方向一致；相邻的凹槽内安装一套电枢绕组（3）。
4.根据权利要求3所述的一种单低温保持器全超直线电机，其特征在于，所述低温保持器（5）采用杜瓦。
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