CN103441648A - 一种高温超导磁悬浮电机 - Google Patents

Abstract

一种高温超导磁悬浮电机，由超导电机转子（1）、电机定子（2）、超导轴承转子（3）、永磁轴承定子（4）、旋转杜瓦（5）、电磁屏蔽（6）、力矩管（7）、机械保护轴承（8）、主轴（9）、低温进液（气）管道（10），以及低温出液（气）管道（11）构成；超导电机转子（1）和超导轴承转子（2）置于在旋转杜瓦（5）中，由液氮、液氖、液氦或冷氦气冷却；电机定子（2）和永磁轴承定子（4）在旋转杜瓦（5）的外部，与旋转杜瓦（5）同轴；采用左右两个径向机械保护轴承（8）保护超导轴承失效带来的影响。

Description

一种高温超导磁悬浮电机

技术领域

本发明涉及一种高温超导磁悬浮电机。

背景技术

要实现电机的高速可靠运转，必须解决高速轴承问题。机械轴承由于有接触，需润滑和维护，限制了它的最高转速和使用寿命，而且价格高昂，成为电驱动高速化的瓶颈。常规电磁轴承无接触、不需润滑，已在现代高速机械设备中得到有效应用。但由于电磁轴承体积及激励功率大，致使电机结构尺寸和成本增大，临界转速降低，妨碍了高速下的大容量化，动态响应也慢，限制了它的适用范围。超导磁悬浮轴承技术的出现，使得大功率高转速不再成问题。超导轴承的诞生为以轴承为基础的系统提供了升级换代的新途径。另外，超导磁悬浮轴承在低温液体泵领域也得到了广泛关注。低温液体泵用于在低温冷却系统中输送低温液体（液氮、液氧、液氦等），是核聚变、火箭、超导电磁装置等应用场合中不可或缺的设备。低温液体泵主要由电动机和泵主体组成，电动机通过漏热小的薄壁管状传动杆向叶轮传递转矩，而叶轮由机械轴承（冷端轴承）支撑定位。冷端轴承在低温下润滑性能差、损耗快，其工作寿命一般较短（如液氮泵用的冷端轴承设计寿命为5000h）。这个值远低于在水泵、纺织机械、空气压缩机中应用的机械轴承预期寿命的推荐值（20000～30000h）。因此，将冷端轴承更换为超导磁悬浮轴承具有非常积极的意义。尽管超导磁悬浮轴承的刚度较低，但随着稀土高强磁体和高温超导块材性能的提高，高温超导磁悬浮轴承的刚度可以达到5-10kN/mm，相关技术已经成熟。

在轴承实现超导磁悬浮后，大型电机面临的效率低、冷却系统复杂等问题进一步显现出来，在大型驱动电机领域，将高温超导电机取代常规电机更具优势，特别是在船舶驱动领域，超导电机所特有的体积小、重量轻、效率高等优点，使超导电机成为船舶驱动电机的最佳选择。另外，超导电机还在大容量超导风力和水力发电领域具有良好的应用前景。在风力发电领域，根据风轮的结构及其在气流中的位置，通常可将风机分为两大类，一类是水平轴风力机，另一类是垂直轴风力机。垂直轴风机和水平轴风机相比，具有良好的受风多向性，并且启动风速低、启动噪音小。相对于水平轴风机，垂直轴风力机更容易实现直接驱动，并允许发电机安装在塔架的底部，方便安装、控制和维护，同时减轻了塔架的重量和结构负载。可见，垂直轴超导风力发电机更具发展潜力。

高温超导电机通常采用高温超导线圈替换普通电机中的励磁绕组或电枢绕组，利用高温超导导线的高载流特性，较大幅度地提高电机的功率密度。相比于同功率的普通电机而言，高温超导电机具有体积小、重量轻、功率密度大等优势。现有的高温超导带材虽无直流电阻，却存在交流损耗问题，制作高温超导同步电机采用励磁超导更为合理。

中国专利200710048973.2提出一种基于超导电磁轴承的立式结构发电机，超导电磁轴承仍然需要电源供电和控制电路，且发电机并未采用超导电机；中国专利200910076827.X提出一种高温超导风力发电机组，将利用超导线圈励磁的超导电机应用于水平轴的直驱风力发电领域，但是该超导发电机并未采用高温超导磁悬浮轴承技术。上述专利仅仅将超导技术单纯应用于磁悬浮轴承和电机，并未将超导磁悬浮轴承和超导电机进行一体化设计，使得超导的技术优势大打折扣。

发明内容

本发明的目的是克服大型电机体积和重量大、效率低等缺点，高温超导电机存在轴承摩擦损耗大、寿命低等问题，提出一种高温超导磁悬浮电机。本发明将超导电机转子和超导轴承转子一体化设计，放置在一个旋转杜瓦内部，采用一个制冷管道，有效降低了结构的复杂性。

本发明采用的技术方案如下：

本发明高温超导磁悬浮电机可采用卧式或立式结构。对于卧式结构的超导磁悬浮电机，由超导电机转子、电机定子、超导轴承转子、永磁轴承定子、旋转杜瓦、电磁屏蔽、力矩管、径向机械保护轴承、主轴、低温进液或进气管道，以及低温出液或出气管道构成。超导电机转子和超导轴承转子置于在旋转杜瓦中，由液氮、液氖、液氦或冷氦气冷却。旋转杜瓦由内筒壁、外筒壁、内端盖和外端盖组成；内筒壁和两组内端盖组成旋转杜瓦内筒，两组内端盖分别位于内筒壁的左右两端，并与内筒壁紧密配合；外筒壁和两组外端盖组成旋转杜瓦外筒，两组外端盖分别位于外筒壁的左右两端，并与外筒壁紧密配合；杜瓦外筒包裹在杜瓦内筒外，旋转杜瓦内筒和外筒之间为真空夹层。旋转杜瓦与主轴同轴布置，和主轴转速相等。低温进液或进气管道、低温出液或出气管道位于主轴中心轴处，与主轴之间采用旋转动密封。电磁屏蔽与旋转杜瓦同轴，且紧贴旋转杜瓦的外筒壁，减少高次谐波在超导电机转子上产生的交流损耗。电机定子和永磁轴承定子位于旋转杜瓦的外部，与旋转杜瓦同轴。电机定子和永磁轴承定子在轴向上相隔一段距离，减少磁路之间的互相影响。力矩管设置在旋转杜瓦两端的内端盖和外端盖之间，将超导电机转子的力矩通过外端盖传递给主轴。两个径向机械保护轴承套在主轴上，设置在旋转杜瓦的左右两侧，保护超导轴承失效带来的影响；对于立式结构超导磁悬浮电机，则增加了轴向机械保护轴承，两个径向机械保护轴承套在主轴上，设置在旋转杜瓦的上下两侧，抑制主轴径摆对电机的损伤；一个轴向机械保护轴承设置在超导磁悬浮电机的最底端，保护超导轴承失效带来的影响。

对于卧式和立式结构的高温超导磁悬浮电机，超导电机转子可采用基于跑道型超导线圈励磁的铁芯或空气芯同步电机结构，或者基于多块异型超导块的铁芯或空气芯磁阻电机结构。所述的跑道型超导线圈采用多个的双饼线圈串并联结构，由外部电源供电。所述的异型超导块为超导块经加工和拼接制成一定的形状，以增大直轴和交轴的磁阻差异。超导轴承转子采用多层、多块瓦型超导块拼接的结构。电机定子采用铁芯或空气芯绕组结构，永磁轴承定子采用多组永磁环和多组软铁环一一交替排列的同轴结构。旋转杜瓦采用带真空夹层的双层不锈钢结构，力矩管由高强度玻璃钢制成，在传递力矩的同时减少导热。超导电机转子采用的超导线圈可采用Bi系带材或Y系带材或Gd系带材绕制；所述的磁阻电机结构采用的异型超导块，以及超导轴承转子采用的瓦型超导块采用YBCO或REBCO（RE=Nd，Sm，Gd，Dy）等超导块体材料制作。

本发明具有以下优点：

本发明高温超导磁悬浮电机保持了普通超导电机体积小、重量轻、效率高等优点。采用超导磁悬浮轴承可实现自稳定悬浮，使电机转速和重量可进一步提高，且解决了低温冷轴易损坏的难题。卧式结构超导磁悬浮电机，可应用制作大型驱动电机或发电机，特别是在船舶驱动电机、大型低温液体泵电机、水平轴的超导风力发电机和超导水力发电机领域具有很好的应用前景。立式结构超导磁悬浮电机，更多地可应用垂直轴超导风力和水力发电机，超导飞轮储能领域。

附图说明

图1为卧式结构高温超导磁悬浮电机结构图；

图2为基于超导线圈励磁的超导同步电机转子结构图；

图3为基于超导块材的超导磁阻电机转子结构图；

图4为超导轴承转子示意图；

图5为永磁轴承定子示意图；

图6为立式结构高温超导磁悬浮电机结构图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式，对本发明作进一步说明。

图1为本发明实施例1卧式结构的高温超导磁悬浮电机结构示意图。如图1所示，本发明卧式结构高温超导磁悬浮电机由超导电机转子1、电机定子2、超导轴承转子3、永磁轴承定子4、旋转杜瓦5、电磁屏蔽6、力矩管7、径向机械保护轴承8、主轴9、低温进液或进气管道10，以及低温出液或出气管道11组成。超导电机转子1和超导轴承转子2置于旋转杜瓦5中，由液氮、液氖、液氦或冷氦气冷却。旋转杜瓦5由内筒壁5-1、外筒壁5-2、内端盖5-3和外端盖5-4组成；内筒壁5-1和两组内端盖5-3组成旋转杜瓦内筒，两组内端盖5-3分别位于内筒壁5-1的左右两端，并与内筒壁5-1紧密配合；外筒壁5-2和两组外端盖5-4组成旋转杜瓦外筒，两组外端盖5-4分别位于外筒壁5-2的左右两端，并与外筒壁5-2紧密配合；杜瓦外筒包裹在杜瓦内筒外，旋转杜瓦内筒和外筒之间为真空夹层。旋转杜瓦5与主轴9同轴布置，和主轴9转速相等。低温进液或进气管道10和低温出液或出气管道11位于主轴9的中心轴处，与主轴9之间采用旋转动密封。电磁屏蔽6与旋转杜瓦5同轴，且紧贴旋转杜瓦5的外筒壁5-2，减少高次谐波在超导电机转子上产生的交流损耗。电机定子2和永磁轴承定子4位于旋转杜瓦5的外部，与旋转杜瓦5同轴；电机定子2和永磁轴承定子4在轴向上相隔一段距离，减少磁路之间的互相影响。力矩管7设置在旋转杜瓦5的内端盖5-3和外端盖5-4之间，将超导电机转子的力矩通过外端盖传递给主轴9；两个径向机械保护轴承8套于主轴9上，设置在旋转杜瓦5的左右两侧，保护超导轴承失效带来的影响。

超导电机转子1可采用基于跑道型超导线圈1-1励磁的铁芯或空气芯同步电机结构，如图2所示，或者采用基于多块异型超导块1-2的铁芯或空气芯磁阻电机结构，如图3所示。所述的跑道型超导线圈采用多个双饼线圈串并联结构，由外部电源供电。所述的异型超导块为超导块经加工和拼接制成一定的形状，以增大直轴和交轴的磁阻差异。超导轴承转子3采用多层、多块瓦型超导块3-1拼接的结构，如图4所示。永磁轴承定子采用永磁材料和软铁材料一一交替排列的同轴结构，如图5所示。旋转杜瓦采用带真空夹层的双层不锈钢结构。力矩管由高强度玻璃钢制成，在传递力矩的同时减少旋转杜瓦内外端盖之间的导热。超导电机转子采用的超导线圈可采用Bi系带材或Y系带材或Gd系带材绕制；所述的磁阻电机结构采用的异型超导块，以及超导轴承采用的瓦型超导块可采用YBCO或REBCO等超导块体材料制作，其中RE=Nd，Sm，Gd，Dy。

卧式结构超导磁悬浮电机具有体积小、重量轻、效率高等优点，可应用制作大型驱动电机或发电机，特别是在船舶驱动电机、大型低温液体泵电机、水平轴的超导风力发电机和超导水力发电机领域具有很好的应用前景。

图6所示为本发明实施例2立式结构高温超导磁悬浮电机的结构图。立式结构超导磁悬浮电机由超导电机转子1、电机定子2、超导轴承转子3、永磁轴承定子4、旋转杜瓦5、电磁屏蔽6、力矩管7、径向机械保护轴承8、主轴9、低温进液或进气管道10、低温出液或出气管道11和轴向机械保护轴承12组成。与实施例1相同，超导电机转子1和超导轴承转子2置于旋转杜瓦5中，由液氮、液氖、液氦或冷氦气冷却。旋转杜瓦5由内筒壁5-1、外筒壁5-2、内端盖5-3和外端盖5-4组成；内筒壁5-1和两组内端盖5-3组成旋转杜瓦内筒，两组内端盖5-3分别位于内筒壁5-1的上下两端，并与内筒壁5-1紧密配合；外筒壁5-2和两组外端盖5-4组成旋转杜瓦外筒，两组外端盖5-4分别位于外筒壁5-2的上下两端，并与外筒壁5-2紧密配合；杜瓦外筒包裹在杜瓦内筒外，旋转杜瓦内筒和外筒之间为真空夹层。旋转杜瓦5与主轴9同轴设置，和主轴9转速相等。低温进液或进气管道10、低温出液或出气管道11位于主轴9的中心轴处，与主轴9之间采用旋转动密封。电磁屏蔽6与旋转杜瓦5同轴，且紧贴旋转杜瓦5的外筒壁，减少高次谐波在超导电机转子上产生的交流损耗。电机定子2和永磁轴承定子4位于旋转杜瓦5的外部，与旋转杜瓦5同轴。电机定子2和永磁轴承定子4在轴向上相隔一段距离，减少磁路之间的互相影响；力矩管7设置在旋转杜瓦5两端的内端盖5-3和外端盖5-4之间，将超导电机转子的力矩通过外端盖传递给主轴9；两个径向机械保护轴承8套于主轴9上，设置在旋转杜瓦5的上下两侧，抑制主轴径摆对电机的损伤。

立式结构超导磁悬浮电机与卧式结构超导磁悬浮电机不同的是，立式结构超导磁悬浮电机除了采用上下两组径向机械保护轴承8外，还采用了一组轴向机械保护轴承12，轴向机械保护轴承12安装于磁悬浮电机的最底端，保护超导轴承失效带来的影响。

立式结构超导磁悬浮电机具有由于体积小、重量轻、悬浮自稳定，非常适合应用于飞轮储能、垂直轴风力发电机领域。

Claims (6)

1.一种高温超导磁悬浮电机，其特征在于：所述的超导磁悬浮电机采用卧式结构，由超导电机转子（1）、电机定子（2）、超导轴承转子（3）、永磁轴承定子（4）、旋转杜瓦（5）、电磁屏蔽（6）、力矩管（7）、径向机械保护轴承（8）、主轴（9）、低温进液或进气管道（10），以及低温出液或出气管道（11）组成；超导电机转子（1）和超导轴承转子（2）置于在旋转杜瓦（5）中，由液氮、液氖、液氦或冷氦气冷却；电机定子（2）和永磁轴承定子（4）在旋转杜瓦（5）的外部，与旋转杜瓦（5）同轴；旋转杜瓦（5）由内筒壁（5-1）、外筒壁（5-2）、内端盖（5-3）和外端盖（5-4）组成；内筒壁（5-1）和两组内端盖（5-3）组成旋转杜瓦内筒，两组内端盖（5-3）分别位于内筒壁（5-1）的左右两端，并与内筒壁（5-1）紧密配合；外筒壁（5-2）和两组外端盖（5-4）组成旋转杜瓦外筒，两组外端盖（5-4）分别位于外筒壁（5-2）的左右两端，并与外筒壁（5-2）紧密配合；杜瓦外筒包裹在杜瓦内筒外，杜瓦内筒和杜瓦外筒之间为真空夹层；旋转杜瓦（5）与主轴同轴布置，和主轴转速相等；低温进液或进气管道（10）和低温出液或出气管道（11）位于主轴中心轴处，与主轴之间采用旋转动密封；电磁屏蔽（6）与旋转杜瓦（5）同轴，且紧贴于旋转杜瓦（5）的外筒壁（5-2）；电机定子（2）和永磁轴承定子（4）位于旋转杜瓦(5)的外部，与旋转杜瓦（5）同轴；电机定子（2）和永磁轴承定子（3）在轴向上相隔一段距离；两组力矩管（7）设置在旋转杜瓦（5）的内端盖（5-3）和外端盖（5-4）之间；两个径向机械保护轴承（8）套于主轴（9）上，设置在旋转杜瓦（5）的左右两侧。

2.一种高温超导磁悬浮电机，其特征在于：所述的超导磁悬浮电机采用立式结构，由超导电机转子（1）、电机定子（2）、超导轴承转子（3）、永磁轴承定子（4）、旋转杜瓦（5）、电磁屏蔽（6）、力矩管（7）、径向机械保护轴承（8）、主轴（9）、低温进液（气）管道（10）、低温出液（气）管道（11）和轴向机械保护轴承（12）组成；超导电机转子（1）和超导轴承转子（2）置于在旋转杜瓦（5）中，由液氮、液氖、液氦或冷氦气冷却；电机定子（2）和永磁轴承定子（4）在旋转杜瓦（5）的外部，与旋转杜瓦（5）同轴；旋转杜瓦（5）由内筒壁（5-1）、外筒壁（5-2）、内端盖（5-3）和外端盖（5-4）组成；内筒壁（5-1）和两组内端盖（5-3）组成旋转杜瓦内筒，两组内端盖（5-3）分别位于内筒壁（5-1）的上下两端，并与内筒壁（5-1）紧密配合；外筒壁（5-2）和两组外端盖（5-4）组成旋转杜瓦外筒，两组外端盖（5-4）分别位于外筒壁（5-2）的上下两端，并与外筒壁（5-2）紧密配合；杜瓦外筒包裹在杜瓦内筒外，旋转杜瓦内筒和外筒之间为真空夹层；旋转杜瓦（5）与主轴同轴布置，和主轴转速相等；低温进液或进气管道（10）和低温出液或出气管道（11）位于主轴中心轴处，与主轴之间采用旋转动密封；电磁屏蔽（6）与旋转杜瓦（5）同轴，且紧贴于旋转杜瓦（5）的外筒壁；电机定子（2）和永磁轴承定子（4）位于旋转杜瓦(5)的外部，与旋转杜瓦（5）同轴；电机定子（2）和永磁轴承定子（3）在轴向上相隔一段距离；力矩管（7）设置在旋转杜瓦（5）的内端盖（5-3）和外端盖（5-4）之间；两个径向机械保护轴承（8）套于主轴（9）上，设置在旋转杜瓦的上下两侧；轴向机械保护轴承（12）安装于所述磁悬浮电机的最底端。

3.如权利要求1或2所述的高温超导磁悬浮电机，其特征在于：超导电机转子（1）采用基于跑道型超导线圈（1-1）励磁的铁芯或空气芯同步电机结构，或者基于多块异型超导块（1-2）的铁芯或空气芯磁阻电机结构；所述的跑道型超导线圈采用多个的双饼线圈串并联结构，由外部电源供电；所述的异型超导块为超导块经加工和拼接制成一定的形状；所述的超导轴承转子（3）采用多层、多块瓦型超导块（3-1）拼接的结构。

4.如权利要求3所述的高温超导磁悬浮电机，其特征在于：所述的超导电机转子（1）采用的超导线圈（1-1）采用Bi系带材或Y系带材或Gd系带材绕制；所述的异型超导块（1-2）和瓦型超导块（3-1）采用YBCO或REBCO制作，RE=Nd，Sm，Gd，Dy。

5.如权利要求1或2所述的高温超导磁悬浮电机，其特征在于：电机定子（2）采用铁芯或空气芯绕组结构，永磁轴承定子（4）采用多组永磁环（4-1）和多组软铁环（4-2）一一交替排列的同轴结构。

6.如权利要求1或2所述的高温超导磁悬浮电机，其特征在于：所述的旋转杜瓦（5）采用带真空夹层的双层不锈钢结构，力矩管（7）由玻璃钢制成，通过力矩管（7）将超导电机转子（1）的力矩传递给主轴（9）。

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