CN103312124B - 一种阵列式转子磁极结构的高温超导同步电动机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种阵列式转子磁极结构的高温超导同步电动机，该电动机包括：机壳、定子铁芯、定子绕组、定子侧气隙、杜瓦、转子侧气隙、起动导条、转子芯、高温超导块材、转轴、左侧端盖、右侧端盖、左侧轴承、右侧轴承、进风口、出风口、固定拉杆、固定护圈、键、端环；该电机的制冷杜瓦放置在定子与转子之间的气隙中，通过低温氦气对高温超导块材强制冷却；定子采用普通的铜绕组结构，采用空冷结构。在低温氦气冷却下高温超导块材的损耗较小，能够俘获较高的磁通，并且定子侧采用普通铜绕组结构，不受频率的限制，该电机提高了电机的功率因数和效率，降低了能耗。适用于舰船推进、电力机车牵引以及风力发电等领域。

Description

一种阵列式转子磁极结构的高温超导同步电动机

技术领域

本发明涉及高温超导及电机技术领域，尤其涉及一种阵列式转子磁极结构的高温超导同步电动机。

背景技术

从1831年Barlow发明世界上第一台电机开始，改进电机的技术、经济特性是电机制造者不断追求的目标。经过人们二十余年的潜心研究和摸索，无论是高温超导的成材工艺的研究，还是性能的改善及应用都取得了长足的进步，与常规导线相比，高温超导带材具有载流能力强，临界温度高，磁场下性能相对较好的优势，尤其是在通过直流时损耗极小、可以忽略，但在交流情况下会有比较明显的损耗，当运行于较高频率（大于50Hz），交流损耗更加显著，尤其是在较高温度（60～77K）下，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，甚至会妨碍高温超导电机的正常运行。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：现有的采用交流励磁的高温超导电机受高温超导绕组交流损耗的较大，因此只能工作在较低的频率（通常小于50Hz）下，此外还需要配套较多的冷却介质和冷却设备，增加了电机的体积、重量同时降低了整个系统的效率。

为了解决现有技术问题，本发明实施例公开了一种阵列式转子磁极结构的高温超导同步电动机，该电动机包括：机壳、定子铁芯、定子绕组、定子侧气隙、杜瓦、转子侧气隙、起动导条、转子芯、高温超导块材、转轴、左侧端盖、右侧端盖、左侧轴承、右侧轴承、进风口、出风口、固定拉杆、固定护圈、键、端环；所述高温超导块材构成阵列安装在转子芯上，所述的转子芯上设有起动导条,所述的起动导条的端部通过端环连接,所述的转子芯位于转轴外侧，所述的转子芯与转轴通过键连接，所述的转轴轴向左右两侧分别装有左侧轴承和右侧轴承，所述的转子芯位于杜瓦内部，所述的转子芯和杜瓦之间为转子侧气隙,所述的杜瓦的轴向左右两侧分别设有进风口和出风口，所述的左侧轴承和右侧轴承分别安装在左侧端盖和右侧端盖上，所述的左侧端盖和右侧端盖安装在机壳上，所述的机壳内侧、杜瓦外侧为定子铁芯，所述的定子绕组嵌放在定子铁芯内，所述的定子铁芯与杜瓦之间隔有定子侧气隙,所述的杜瓦上安装有固定护圈，所述的固定护圈与机壳通过固定拉杆连接。

进一步，作为优选，所述电动机定子铁芯、定子绕组构成的定子为传统电动机定子结构。

进一步，作为优选，所述电动机的转子芯采用非磁性且不导电材料制作。

进一步，作为优选，所述的杜瓦为双层金属结构，其内部设有真空层，所述的杜瓦的内壁设有热屏蔽。

进一步，作为优选，在转子芯轴向上设有均匀分布的轴向通风沟，采用20-50K冷却介质对高温超导块材进行强制冷却。

进一步，作为优选，所述的阵列式转子磁极结构的高温超导同步电动机的起动导条和端环可以为传统铸铝结构，或者是铸铜结构，或者是高温超导材料。

本发明的有益效果为:转子采用非铁磁材料，大幅减小了电机重量。不受电源频率的限制，可以工作在较高的转速工况。

附图说明

当结合附图考虑时，通过参照下面的详细描述，能够更完整更好地理解本发明以及容易得知其中许多伴随的优点，但此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定，其中：

图1是本发明实施例阵列式转子磁极结构的高温超导同步电动机结构主视图。

图2是本发明实施例阵列式转子磁极结构的高温超导同步电动机结构左视图。

图3是图1中A-A剖面图。

图4是图1中B-B局部放大图。

图5是图1中C-C剖面图。

图6是图3中D-D剖视图。

图中：

机壳1、定子铁芯2、定子绕组3、定子侧气隙4、杜瓦5、转子侧气隙6、起动导条7、转子芯8、高温超导块材9、轴向通风沟10、转轴11、左侧端盖12-1、右侧端盖12-2、左侧轴承13-1、右侧轴承13-2、进风口14-1、出风口14-2、固定拉杆15、固定护圈16、热屏蔽18、键19、端环20。

具体实施方式

参照图1-6对本发明的实施例进行说明。

为使上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明所涉及的高温超导电动机是指用高温超导块材代替常规永磁体作为电机的励磁磁极而制成的新型高性能电机。高温超导块材可以俘获较高的磁场强度，突破了铁磁材料饱和磁密的限制，从而有效提高电机的功率密度，减小体积和降低重量。

另外高温超导电机的超导部分需要工作在低温环境，这需要有良好的绝热手段。高温超导电机的冷却系统分为转子的冷却系统和定子的冷却系统，其中尤以转子的冷却系统更为复杂和困难。转子冷却系统的绝热层通常是由中间抽真空的两层金属薄板制成，在定转子之间加入绝热层有可能会使电机的气隙增大，而气隙的大小会对电机的结构、性能和效率产生很大的影响，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。此外，高温超导电机的另一个技术难点是低温介质的旋转密封问题。目前采用真空磁流体密封技术可以完成高温超导电机制冷介质的传输任务。

如图1-6所示，该阵列式转子磁极结构的高温超导同步电动机可以是电动机也可以是发电机，该电机关于轴线完全对称。所述的电机包括：机壳1、定子铁芯2、定子绕组3、定子侧气隙4、杜瓦5、转子侧气隙6、起动导条7、转子芯8、高温超导块材9、轴向通风沟10、转轴11、左侧端盖12-1、右侧端盖12-2、左侧轴承13-1、右侧轴承13-2、进风口14-1、出风口14-2、固定拉杆15、固定护圈16、热屏蔽18、键19、端环20。所述的高温超导块材9安装在转子芯8上，所述的转子芯8上设有起动导条7和轴向通风沟10，所述的起动导条7的端部通过与端环20连接,所述的转子芯8与转轴11通过键19连接，所述的转轴11左右两侧分别装有左侧轴承13-1和右侧轴承13-2，所述的转子芯8位于杜瓦5内部，所述的转子芯8和杜瓦5之间为转子侧气隙6,所述的杜瓦5的左右两侧分别设有进风口14-1和出风口14-2，所述的杜瓦5为双层金属结构17-1、17-2，其内部设有真空层17-3，所述的杜瓦5的内壁设有热屏蔽18,所述的左侧轴承13-1和右侧轴承13-2分别安装在左侧端盖12-1和右侧端盖12-2上，所述的左侧端盖12-1和右侧端盖12-2安装在机壳1上，所述的机壳1的内部为定子铁芯2，所述的定子绕组3嵌放在定子铁芯2内，所述的定子铁芯2与杜瓦5之间隔有定子侧气隙4,所述的杜瓦5上安装有固定护圈16，所述的固定护圈16与机壳1通过固定拉杆15连接。

所述的阵列式转子磁极结构的高温超导同步电动机的定子为传统电机定子结构。

所述的阵列式转子磁极结构的高温超导同步电动机的转子磁极由阵列式高温超导块材组合而成。

所述的阵列式转子磁极结构的高温超导同步电动机的转子芯8采用非磁性且不导电材料制作。

所述的阵列式转子磁极结构的高温超导同步电动机的绝热结构位于电机的定、转子之间，绝热结构为真空杜瓦5结构，且其内壁设有热屏蔽18。

所述的阵列式转子磁极结构的高温超导同步电动机的转子芯8上设有均匀分布的轴向通风沟，采用低温（20-50K）冷却介质对高温超导块材进行强制冷却。

所述的阵列式转子磁极结构的高温超导同步电动机的起动导条7可以为传统铸铝结构，或者是铸铜结构，或者是其他合金材料，或者是高温超导材料。

下面以4极36槽的阵列式转子磁极结构的高温超导同步电动机为例对电机的工作方式进行说明：

在本实施例中，作为绝热层的隔热杜瓦5在定子铁芯2和转子芯8之间，所述的杜瓦5固定在固定护圈16，并且通过固定拉杆15固定在机壳1上，定子为传统的结构，接入50Hz的三相对称交流电源，在截面方向上高温超导块材9沿图3中虚线路径排列，高温超导块材9的磁化方向沿虚线的切线方向，相邻路径上的磁通在气隙6中合成，使得气隙中的磁场加强，由于高温超导块材9的俘获磁场高达5T以上，因此远远突破了铁磁材料的饱和磁密，所以采用非磁性材料制作转子芯8，此外，为了减少电机运行中转子芯8的涡流损耗，减轻冷却系统的负担，转子芯8的材料应采用不导电材料如高强度玻璃钢制作，起动导条7在端部通过端环20连接从而构成闭合回路，为了增大启动转矩同时减小起动时启动导条7的损耗，在本实施力中启动导条7和端环20采用高温超导材料制作，低温冷却介质经过进风口14-1进入杜瓦5内，经由轴向通风沟10和转子侧气隙6对高温超导块材9进行冷却，通过出风口14-2回到循环冷却系统中，杜瓦5的中间隔层抽成真空进行隔热，杜瓦5的内壁设有热屏蔽18可以进一步减小热量损失，杜瓦5与转轴11之间采用真空磁流体密封技术来减少热量损失。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些具体实施方式仅是举例说明，本领域的技术人员在不脱离本发明的原理和实质的情况下，可以对上述方法和系统的细节进行各种省略、替换和改变。例如，合并上述方法步骤，从而按照实质相同的方法执行实质相同的功能以实现实质相同的结果则属于本发明的范围。因此，本发明的范围仅由所附权利要求书限定。

Claims (3)

1.一种阵列式转子磁极结构的高温超导同步电动机，其特征在于：该电动机包括：机壳(1)、定子铁芯(2)、定子绕组(3)、定子侧气隙(4)、杜瓦(5)、转子侧气隙(6)、起动导条(7)、转子芯(8)、高温超导块材(9)、转轴(11)、左侧端盖(12-1)、右侧端盖(12-2)、左侧轴承(13-1)、右侧轴承(13-2)、进风口(14-1)、出风口(14-2)、固定拉杆(15)、固定护圈(16)、键(19)、端环(20)；所述高温超导块材(9)构成阵列安装在转子芯(8)上，所述的转子芯(8)上设有起动导条(7),所述的起动导条(7)的端部通过端环(20)连接,所述的转子芯(8)位于转轴(11)外侧，所述的转子芯(8)与转轴(11)通过键(19)连接，所述的转轴(11)轴向左右两侧分别装有左侧轴承(13-1)和右侧轴承(13-2)，所述的转子芯(8)位于杜瓦(5)内部，所述的转子芯(8)和杜瓦(5)之间为转子侧气隙(6),所述的杜瓦(5)的轴向左右两侧分别设有进风口(14-1)和出风口(14-2)，所述的左侧轴承(13-1)和右侧轴承(13-2)分别安装在左侧端盖(12-1)和右侧端盖(12-2)上，所述的左侧端盖(12-1)和右侧端盖(12-2)安装在机壳(1)上，所述的机壳内侧、杜瓦(5)外侧为定子铁芯(2)，所述的定子绕组(3)嵌放在定子铁芯(2)内，所述的定子铁芯(2)与杜瓦(5)之间隔有定子侧气隙(4),所述的杜瓦(5)上安装有固定护圈(16)，所述的固定护圈(16)与机壳(1)通过固定拉杆(15)连接；

所述的杜瓦(5)为双层金属结构，其内部设有真空层(17-3)，所述的杜瓦(5)的内壁设有热屏蔽(18)；

在转子芯(8)轴向上设有均匀分布的轴向通风沟(10)，采用20-50K冷却介质对高温超导块材进行强制冷却；

所述电动机的转子芯(8)采用非磁性且不导电材料制作。

2.根据权利要求1所述的阵列式转子磁极结构的高温超导同步电动机，其特征在于，所述电动机定子铁芯(2)、定子绕组(3)构成的定子为传统电动机定子结构。

3.根据权利要求1所述的阵列式转子磁极结构的高温超导同步电动机，其特征在于，所述起动导条(7)和端环(20)采用传统铸铝结构或者铸铜结构或者是高温超导材料。