CN103475188B - 一种双电枢绕组超导电机 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种双电枢绕组超导电机，包括超导转子系统、定子系统和制冷系统，超导转子系统包括超导励磁绕组、超导线圈支撑、转子支承以及转轴，制冷系统包括双层杜瓦，定子系统包括外围电枢绕组、外围定子铁轭、内部电枢绕组、内部定子铁轭；所述转轴外部套接转子支撑，转子支撑上安装所述杜瓦，杜瓦外壁固定于转子支承上，超导线圈支撑固定于杜瓦内并穿过杜瓦的一端，超导励磁绕组固定于杜瓦内的超导线圈支撑上；杜瓦外壁的外侧和内侧分别安装外围电枢绕组和内部电枢绕组，外围电枢绕组的外侧安装外围定子铁轭，内部电枢绕组的内侧安装内部定子铁轭；本发明通过双电枢绕组充分利用超导励磁绕组产生的强磁场来进一步增加超导电机的功率密度。
Description
技术领域
本发明涉及超导电机技术，具体涉及的是一种双电枢绕组超导电机。
背景技术
目前的超导电机一般采用内转子结构，即将超导线圈作为电机转子的励磁绕组，在超导转子外围套装铜线电枢绕组。超导带材的载流能力比普通铜线高100倍以上，因此在不加铁芯的情况下都可产生高达2 T以上的磁场，从而极大提高电机的功率密度。
例如，中国专利文献公开号为CN102969873A，公开日为2013年3月13日的发明专利申请，公开了一种高温超导电机，包括电磁系统、制冷系统和真空系统；其中，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，通过接触传导制冷的方式使高温超导线圈冷却；真空系统包括真空腔；该电机还包括轴承座和壳体，其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，通过的电流具有交流分量；定子电枢绕组的分布采用集中式绕组形式，为交流绕组，交流分量的基频低于50Hz；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；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。
然而，在类似上述这种超导电机的结构中，超导带材在外部磁场下会出现性能衰减的情况，所以一般情况下必须为超导励磁绕组安装铁芯，使得这种结构的超导电机均只利用了超导励磁绕组外围的磁场，而超导励磁绕组内部的磁场就无法加以应用。
发明内容
本发明问题解决上述技术问题，提供了一种双电枢绕组超导电机，通过分别在超导励磁绕组内部与外部分别安装铜线电枢绕组，充分利用了超导线圈产生的内外磁场，采用双电枢绕组结构相对传统结构针对同样体积的超导电机功率将提高1.5-2倍。
本发明的技术方案如下：
一种双电枢绕组超导电机，其特征在于：包括超导转子系统、定子系统和制冷系统，超导转子系统包括超导励磁绕组、超导线圈支撑、转子支承以及转轴，制冷系统包括双层杜瓦，定子系统包括外围电枢绕组、外围定子铁轭、内部电枢绕组、内部定子铁轭；
其中，转轴外部套接转子支撑，转子支撑上安装所述杜瓦，杜瓦的外壁固定安装于转子支承上，超导线圈支撑固定于杜瓦内并穿过杜瓦的一端，超导励磁绕组固定于杜瓦内的超导线圈支撑上；杜瓦外壁的外侧和内侧分别安装外围电枢绕组和内部电枢绕组，外围电枢绕组的外侧安装外围定子铁轭，内部电枢绕组的内侧安装内部定子铁轭。
所述外围电枢绕组是在外围电枢绕组的铁芯上均开设有齿槽，将线圈根据每个齿槽的相位分布绕制在相应的齿槽上，再按照电机设计将线圈连接起来形成外围电枢绕组。同理，内部电枢绕组是在内部电枢绕组的铁芯上均开设有齿槽，将线圈根据每个齿槽的相位分布绕制在相应的齿槽上，再按照电机设计将线圈连接起来形成内部电枢绕组。这里的线圈均可以采用铜线圈，采用铜线传输电能，原因在于铜线电阻率低同时价钱便宜。所述的线圈也可以采用超导线代替，但超导线用于电枢绕组会有交流损耗的问题，这会使电机效率大大降低。因此一般情况下，超导线圈只用于电机的励磁绕组。
所述外围电枢绕组、内部电枢绕组与杜瓦外壁之间均设置有电磁屏蔽层。
所述超导励磁绕组由超导带材绕制而成。工作在约30 K的低温环境下，超导带材可通的电流在300 A以上，其电流密度高达150 A/mm2。通过电磁计算和有限元软件分析可知，超导线圈在没有加铁芯的情况下就可为定子系统的电枢绕组提供超过2 T的旋转磁场。
所述超导线圈支撑采用导热系数很低且结构强度高的非磁性材料，这样既能减小室温端向高温超导线圈的导热，又能承受电机在旋转时所产生的高扭矩。由于采用了内外两套电枢绕组，超导励磁绕组所受的径向应力相互抵消，因此超导线圈支撑可以采用悬臂的鼠笼结构，通过法兰盘与转子支承连接。
所述制冷系统主要是对风机的转子进行冷却，保证高温超导磁体运行在超导状态。制冷系统还包括冷源、旋转动密封组件、冷却剂管路、冷头，冷头连接至杜瓦内，冷头通过冷却剂管路连接至旋转动密封组件，旋转动密封组件连接冷源；为了保证高温超导磁体有效运行，产生足够的磁场强度，要求冷源提供冷氦气。由冷源所提供的冷氦气，通过旋转动密封组件以及冷却剂管路，传输到冷头，冷头通过传导冷却的方式为超导绕圈制冷。
为了减少高温超导磁体所承受的热负荷，超导磁体的外部空间为高真空环境，并且在高温超导磁体的外部布置有多层绝热层，用以隔绝外部传至超导磁体的热量。因此，超导励磁绕组和杜瓦的内壁之间设置有绝热层，超导线圈支撑和杜瓦的内壁之间也设置有绝热层。
本发明所涉及超导电机既可以用于发电机，也可以用于电动机：
当用于发电机时，超导励磁绕组通入直流电，在励磁绕组沿电机截面半径向外与向内空间都可产生超过2 T的径向磁场；当外部负载带动电机转子旋转时，转子内、外部磁场分别切割外围电枢绕组与转子内部电枢绕组，使得内外电枢绕组同时发电；在相同体积的情况下增加电机功率约1.5-2倍。
当用于电动机时，超导励磁绕组通入直流电，在励磁绕组沿电机截面半径向外与向内空间都可产生超过2 T的径向磁场；外围电枢绕组、内部电枢绕组同时输入三相交流电，使得双电枢绕组产生的合成磁场比单电枢绕组电机高1.5-2倍；在该磁场的作用下，电动机的电磁转矩可相应提高，因此在相同的转速下，电动机的输出功率可提高1.5-2倍。
本发明的有益效果如下：
本发明的超导励磁绕组没有铁芯，其内部产生的磁场可加以利用；因为超导励磁绕组的环形结构，通过理论分析可知，超导励磁绕组内部的磁场比其外部的磁场高约1.2-1.5倍，因此在超导励磁绕组内部加装一套电枢绕组，便可利用超导励磁绕组内部的磁场，从而可将电机的功率密度提高到原来的1.5-2倍；
当本发明作为发电机使用时，外部负载带动超导励磁绕组转动，励磁绕组产生的磁场同时与外围电枢绕组与内部电枢绕组作用，产生感应电动势，此时两套电枢绕组同时向外输出电能，从而提高了电机的输出功率；
本发明实现了双电枢绕组充分利用超导励磁绕组产生的强磁场来进一步增加超导电机的功率密度；
同时，内部电枢绕组可采用铜线，价格相对便宜，降低了超导电机的相对成本。
附图说明
图1为本发明的的结构示意图
图2为本发明超导线圈支撑的结构示意图
其中，附图标记为：1 负载端，2转轴，3转子支承，4超导线圈支撑，5杜瓦外壁， 6杜瓦内壁，7绝热层，8电磁屏蔽层，9外围电枢绕组，10外转定子铁轭，11超导励磁绕组，12内部电枢绕组，13内部定子铁轭，14冷头，15冷却剂管路，16旋转动密封组件，17冷源。
具体实施方式
如图1所示，一种双电枢绕组超导电机包括超导转子系统、定子系统和制冷系统。
超导转子系统包括超导励磁绕组11、超导线圈支撑4、转子支承3以及转轴2。
制冷系统主要是对风机的转子进行冷却，保证高温超导磁体运行在超导状态；制冷系统包括冷源17、旋转动密封组件16、冷却剂管路15、冷头14，冷头14连接至杜瓦内，冷头14通过冷却剂管路15连接至旋转动密封组件16，旋转动密封组件16连接冷源17；为了保证高温超导磁体有效运行，产生足够的磁场强度，要求冷源17提供冷氦气。由冷源17所提供的冷氦气，通过旋转动密封组件16以及冷却剂管路15，传输到冷头14，冷头14通过传导冷却的方式为超导绕圈制冷；制冷系统还包括杜瓦，杜瓦为双层杜瓦。
定子系统包括外围电枢绕组9、外围定子铁轭10、内部电枢绕组12、内部定子铁轭13。
其中，转轴2的端部连接负载端1，转轴2的外部套接转子支撑，转子支撑上安装所述杜瓦，杜瓦外壁5固定安装于转子支承3上，超导线圈支撑4固定于杜瓦内并穿过杜瓦的一端，超导励磁绕组11固定于杜瓦内的超导线圈支撑4上；杜瓦外壁5的外侧和内侧分别安装外围电枢绕组9和内部电枢绕组12，外围电枢绕组9的外侧安装外围定子铁轭10，内部电枢绕组12的内侧安装内部定子铁轭13。
所述外围电枢绕组9是在外围电枢绕组9的铁芯上均开设有齿槽，将线圈根据每个齿槽的相位分布绕制在相应的齿槽上，再按照电机设计将线圈连接起来形成外围电枢绕组9。同理，内部电枢绕组12是在内部电枢绕组12的铁芯上均开设有齿槽，将线圈根据每个齿槽的相位分布绕制在相应的齿槽上，再按照电机设计将线圈连接起来形成内部电枢绕组12。这里的线圈均可以采用铜线圈，采用铜线传输电能，原因在于铜线电阻率低同时价钱便宜。所述的线圈也可以采用超导线代替，但超导线用于电枢绕组会有交流损耗的问题，这会使电机效率大大降低。因此一般情况下，超导线圈只用于电机的励磁绕组。
所述外围电枢绕组9、内部电枢绕组12与杜瓦外壁5之间均设置有电磁屏蔽层8。
所述超导励磁绕组11由超导带材绕制而成。工作在约30 K的低温环境下，超导带材可通的电流在300 A以上，其电流密度高达150 A/mm2。通过电磁计算和有限元软件分析可知，超导线圈在没有加铁芯的情况下就可为定子系统的电枢绕组提供超过2 T的旋转磁场。
所述超导线圈支撑4采用导热系数很低且结构强度高的非磁性材料，这样既能减小室温端向高温超导线圈的导热，又能承受电机在旋转时所产生的高扭矩。由于采用了内外两套电枢绕组，超导励磁绕组11所受的径向应力相互抵消，因此超导线圈支撑4可以采用悬臂的鼠笼结构，通过法兰盘与转子支承3连接。
为了减少高温超导磁体所承受的热负荷，超导磁体的外部空间为高真空环境，并且在高温超导磁体的外部布置有多层绝热层7，用以隔绝外部传至超导磁体的热量。因此，超导励磁绕组11和杜瓦内壁6之间设置有绝热层7，超导线圈支撑4和杜瓦内壁6之间也设置有绝热层7。
本实用新型所涉及超导电机既可以用于发电机，也可以用于电动机：
当用于发电机时，超导励磁绕组11通入直流电，在励磁绕组沿电机截面半径向外与向内空间都可产生超过2 T的径向磁场；当外部负载带动电机转子旋转时，转子内、外部磁场分别切割外围电枢绕组9与转子内部电枢绕组12，使得内外电枢绕组同时发电；在相同体积的情况下增加电机功率约1.5-2倍。
当用于电动机时，超导励磁绕组11通入直流电，在励磁绕组沿电机截面半径向外与向内空间都可产生超过2 T的径向磁场；外围电枢绕组9、内部电枢绕组12同时输入三相交流电，使得双电枢绕组产生的合成磁场比单电枢绕组电机高1.5-2倍；在该磁场的作用下，电动机的电磁转矩可相应提高，因此在相同的转速下，电动机的输出功率可提高1.5-2倍。发电机产生电能是因为转动的转子磁场切割电枢绕组的线圈而能产生感应电动势，从而有电能输出。在转子磁场一定的情况下，加装内部电枢绕组12，不会影响外围电枢绕组9的电能输出，即加装内部电枢绕组12的优势在于：在外围电枢绕组9电能输出不变的情况下，增加了内部电枢绕组12的电能输出，因此总的电机功率便增加了。
同时，内部电枢绕组12可采用铜线，价格相对便宜，降低了超导电机的相对成本。
Claims (8)
1.一种双电枢绕组超导电机，其特征在于：包括超导转子系统、定子系统和制冷系统，超导转子系统包括超导励磁绕组（11）、超导线圈支撑（4）、转子支承（3）以及转轴（2），制冷系统包括双层杜瓦，定子系统包括外围电枢绕组（9）、外围定子铁轭（10）、内部电枢绕组(12）、内部定子铁轭（13）；
其中，转轴（2）外部套接转子支撑，转子支撑上安装所述杜瓦，杜瓦外壁（5）固定安装于转子支承（3）上，超导线圈支撑（4）固定于杜瓦内并穿过杜瓦的一端，超导励磁绕组（11）固定于杜瓦内的超导线圈支撑（4）上；杜瓦外壁（5）的外侧和内侧分别安装外围电枢绕组（9）和内部电枢绕组(12），外围电枢绕组（9）的外侧安装外围定子铁轭（10），内部电枢绕组(12）的内侧安装内部定子铁轭（13）；
所述外围电枢绕组（9）是在外围电枢绕组（9）的铁芯上均开设有齿槽，线圈根据每个齿槽的相位分布绕制在相应的齿槽上，再按照电机设计将线圈连接起来形成外围电枢绕组（9）；所述内部电枢绕组(12）是在内部电枢绕组(12）的铁芯上均开设有齿槽，将线圈根据每个齿槽的相位分布绕制在相应的齿槽上，再按照电机设计将线圈连接起来形成内部电枢绕组(12）；
所述超导电机用于发电机时，超导励磁绕组（11）通入直流电，超导励磁绕组（11）沿电机截面半径向外与向内空间均产生超过2 T的径向磁场；当外部负载端（1）带动转子旋转时，转子的内、外部磁场分别切割外围电枢绕组（9）与内部电枢绕组（12），使得外围电枢绕组（9）与内部电枢绕组（12）同时发电，在相同体积的情况下增加电机功率约1.5-2倍；
所述超导电机用于电动机时，超导励磁绕组（11）通入直流电，超导励磁绕组（11）沿电机截面半径向外与向内空间均产生超过2 T的径向磁场；这时，外围电枢绕组（9）和内部电枢绕组（12）同时输入三相交流电，使得外围电枢绕组（9）、内部电枢绕组（12）产生的合成磁场比单电枢绕组电机高1.5-2倍；在所述合成磁场的作用下，电动机的电磁转矩相应提高，因此在相同的转速下，电动机的输出功率提高1.5-2倍。
2.根据权利要求1所述的一种双电枢绕组超导电机，其特征在于：所述线圈采用铜线圈。
3.根据权利要求1所述的一种双电枢绕组超导电机，其特征在于：所述线圈采用超导线。
4.根据权利要求1所述的一种双电枢绕组超导电机，其特征在于：所述外围电枢绕组（9）、内部电枢绕组(12）与杜瓦外壁（5）之间均设置有电磁屏蔽层（8）。
5.根据权利要求1所述的一种双电枢绕组超导电机，其特征在于：所述超导励磁绕组（11）由超导带材绕制而成。
6.根据权利要求1所述的一种双电枢绕组超导电机，其特征在于：所述超导线圈支撑（4）采用导热系数低且结构强度高的非磁性材料；超导线圈支撑（4）采用悬臂的鼠笼结构，通过法兰盘与转子支承（3）连接。
7.根据权利要求1所述的一种双电枢绕组超导电机，其特征在于：所述制冷系统还包括冷源（17）、旋转动密封组件（16）、冷却剂管路（15）、冷头（14），冷头（14）连接至杜瓦内，冷头（14）通过冷却剂管路（15）连接至旋转动密封组件（16），旋转动密封组件（16）连接冷源（17）；冷源（17）提供冷氦气。
8.根据权利要求1所述的一种双电枢绕组超导电机，其特征在于：所述超导励磁绕组（11）和杜瓦内壁（6）之间设置有绝热层（7），超导线圈支撑（4）和杜瓦内壁（6）之间也设置有绝热层（7）。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| C06 | Publication | ||
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| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
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Effective date of registration: 20180423 Address after: 610000, No. 18, West core road, hi tech West District, Sichuan, Chengdu Patentee after: Dongfang Electric Co., Ltd. Address before: Jinniu District Chengdu City, Sichuan province 610036 Shu Road No. 333 Patentee before: Dongfang Electric Corporation |
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| TR01 | Transfer of patent right |