CN103532345A

CN103532345A - 一种超低损耗的超导电机

Info

Publication number: CN103532345A
Application number: CN201310503312.XA
Authority: CN
Inventors: 胡敏强; 闻程; 余海涛; 洪天琪; 梁文清; 黄磊; 陈中显; 仲伟波; 封宁君
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2013-10-23
Filing date: 2013-10-23
Publication date: 2014-01-22
Anticipated expiration: 2033-10-23
Also published as: CN103532345B

Abstract

本发明公开了一种超低损耗的超导电机，包括机壳、定子和转子，所述转子为无铁芯结构，主要是由极靴、转子支架以及空心转轴构成；在极靴上绕制有励磁绕组，所述励磁绕组为超导线圈；定子是在传统结构的基础上，在每一个定子槽内设置有一根冷却管；所述机壳包括壳体，在壳体的外侧绕制有一层螺旋线管，所述定子齿表面设置有一层防热辐射层；所述螺旋线管、冷却管、汇流管以及空心转轴内通入冷却媒质。本发明提供的超低损耗的超导电机，电机损耗极低，效率可以达到99%以上；气隙内无杜瓦，小气隙成为可能；低漏热；电机功率密度大；制冷成本低。

Description

一种超低损耗的超导电机

技术领域

本发明涉及低温传动和电机技术，尤其涉及一种超低损耗且制冷成本低廉的超导电机。

背景技术

高温超导材料在1986年被发现以来，科研人员就构想利用高温超导材料来制造高性能电机。现所研究的高温超导电机有三种：第一种全超导，定转子中都采用高温超导材料，转子中通直流无损耗，但定子中超导材料处于交变磁场中会产生较大的交流损耗；第二种，定子中采用高温超导，转子采用常规结构，它和第一种存在同样的问题；第三种是定子常规，转子采用高温超导材料，现有的技术中都是在定转子之间设置绝热层，只是冷却转子，定子还是处于室温，这样虽然转子无损耗，但是定子损耗与常规电机一样，铜耗较大。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种超低损耗的超导电机，采用无铁芯结构，并以超导导线替代常规的铜导线绕制电机的励磁绕组，结合冷却结构，使得转子几乎无损耗，而且使得定子部分的损耗降到了最低，电机的效率可以达到99%。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种超低损耗的超导电机，包括机壳、定子和转子，所述转子为无铁芯结构，包括极靴、转子支架和空心转轴，在极靴上绕制有励磁绕组，无需跑道，所述定子包括电枢绕组和定子铁芯；所述励磁绕组为超导线圈；所述定子在传统结构的基础上，在每一个定子槽内设置有一根冷却管，所述冷却管的两端各设置有一个隔离套管，避免产生涡流，所有冷却管相同的一端连通至一个汇流管，所有冷却管相同的另一端连通至另一个汇流管；所述机壳包括壳体，在壳体的外侧绕制有一层螺旋线管，所述定子的齿部表面设置有一层防热辐射层；所述螺旋线管、冷却管、汇流管以及空心转轴内通入冷却媒质。

本案基于现有的转子无铁芯结构，使用超导线圈替代了常规的铜线圈作为励磁绕组，同时增设了冷却机构，相比较现有的高温超导电机具有体积小、重量轻、同步电抗小、效率高、无谐波、维护方便、无周期热负责等优点。

由于转子无铁芯，所以无磁饱和的限制，使得励磁电流可以达到超导线圈的最大限度，从而有效提高电机的功率密度。

使用超导线圈能够设计出更紧凑、更轻的电机是由于他们有非常高的电流密度，并且几乎无直流损耗。此外，由于高温超导电机的转子部分温区肯定低于定子部分温区，因此需要防止热辐射。现有的方法通常是在超导电机中设置绝热层，而该绝热层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，比如：设置在在超导电机的气隙中的绝热层，会增加气隙距离；绝热层的固定问题等；这些问题都会影响电机的性能。本案在转子和定子之间没有设置绝热层，因此不需要考虑绝热层的固定问题和空间问题；只设置了防热辐射层，无需增加气隙距离，不会影响电机的性能和效率，这同时使得电机的结构更为紧凑、体积更小、重量更轻。

所述防热辐射层能防热辐射，但是不一定必须防漏热；优选的，所述防热辐射层为聚四氟乙烯薄膜层。

如现有技术的转子结构，所述转子主要包括极靴、转子支架和空心转轴，本案要求所述极靴和转子支架为导热但非导磁材质，优选的，所述极靴和转子支架的材质为铝合金或钛合金。

优选的，所述冷却管为导热但非导电材质，所述螺旋线管为导热材质。

优选的，所述冷却媒质为液氮、液氦、液氢或液氖中的一种。

优选的，所述超导线圈由二硼化镁超导线材、Bi-2223/Ag高温超导带材/线材、Bi-2212/Ag高温超导带材/线材、Y-Ba-Cu-O涂层导体中的一种材质绕制而成。

优选的，所述机壳的外部覆罩有一层隔热层；更为优选的，所述隔热层为抽真空的隔热杜瓦、室温下导热率不大于100w/(m*K)的材料（比如超级隔热材料）中的一种材料或两种材料组合的结构。

有益效果：本发明提供的超低损耗的超导电机，转子几乎无损耗且定子部分的损耗降到了最低，电机的效率可达到99%；采用无铁芯转子结构，无磁饱和的限制，使得励磁电流可以达到超导线材的最大限度，从而有效提高电机的功率密度；转子和定子之间没有设置绝热层，不需要考虑绝热层的固定问题和空间问题，只设置了防热辐射层，无需增加气隙距离，不会影响电机的性能和效率，且电机的结构更为紧凑，电机的体积更小，重量更轻；由于电机的损耗低，因此对使用环境中的制冷机的冷量要求就低，降低了使用成本。

附图说明

图1为本发明沿定子齿剖面的结构示意图；

图2为沿定子槽剖面的结构示意图；

图3为一个6极72槽超导电机的结构示意图；

图4为超导电机的总成爆炸图；

图5为极靴的结构示意图；

图6为机壳的结构示意图；

图7为冷却管相关部分的结构示意图。

图中标号：1-隔热层；2-机壳；2.1-壳体；2.2-螺旋线管；3-冷却机构；3.1-冷却管；3.2-隔离套管；3.3汇流管；4-冷却媒质；5-极靴；6-超导线圈；7-转子支架；8-空心转轴；9-定子；10-防热辐射层；11-转子；12-电枢绕组；13-定子铁芯；。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1、2、3、4、5、6、7所示，为一种超低损耗的超导电机，包括机壳2、定子9和转子11，所述转子11为无铁芯结构，主要由极靴5、转子支架7和空心转轴8构成，在极靴5上绕制有励磁绕组6，所述励磁绕组6为超导线圈；定子9主要由电枢绕组12和定子铁芯13构成，在定子9的每一个定子槽底部设置有一根冷却管3.1，所述冷却管3.1的两端各设置有一个隔离套管3.2，所有冷却管3.1相同的一端连通至一个汇流管3.3，所有冷却管3.1相同的另一端连通至另一个汇流管3.3；所述机壳2包括壳体2.1，在壳体2.1的外侧绕制有一层螺旋线管2.2，所述机壳2覆罩在隔热层1内；所述定子9的齿部表面设置有一层防热辐射层10；所述螺旋线管2.2、冷却管3.1、汇流管3.3以及空心转轴8内通入冷却媒质4。

所述防热辐射层10为聚四氟乙烯薄膜层；所述极靴5和转子支架7为铝合金或钛合金材质，所述冷却管3.1为铜管，所述螺旋线管2.2为导热材质；所述冷却媒质4为液氮、液氦、液氢或液氖中的一种；所述超导线圈由二硼化镁超导线材、Bi-2223/Ag高温超导带材/线材、Bi-2212/Ag高温超导带材/线材、Y-Ba-Cu-O涂层导体中的一种材质绕制而成；所述隔热层1为抽真空的隔热杜瓦、室温下导热率不大于100w/(m*K)的材料中的一种材料或两种材料组合的结构。

定子9和励磁绕组6中的热量通过冷却管3.1传递到冷却媒质4中，从而使定子9冷却，大大减少了损耗；励磁绕组6缠绕在极靴5上，超导线材都会有弯曲半径，常规是绕制在跑道型骨架上，但本案中极靴5的下端类似于矩形柱子且两端有圆弧过渡，因此不会出现过小的弯曲半径，如图5所示；在定子9与转子11之间没有设置绝热层，但为了避免定子9温区的温度热辐射到转子11，以至于影响超导励磁绕组6的冷却，在定子9的齿部表面贴了一层防止热辐射的聚四氟乙烯薄膜10。转矩通过转轴8传送，转轴8与外部空气接触的部分为普通的金属构件，在电机内部与低温环境接触的部分由玻璃钢制成，金属构件和玻璃钢件通过低温粘合剂连接。

总的来说，本案的超导电机，其结构主要包括定子、转子以及冷却机构三部分。定子是在传统定子的基础上，在定子槽底部安放冷却管，并电机机壳背部缠绕一圈螺线管，帮助定子的制冷，以降低定子部分的损耗；转子采用无铁芯结构，励磁绕组缠绕在极靴上；同时可以在转轴中通入冷却媒质，用于转子的制冷；转子与定子之间不设置绝热层而设置防热辐射层；电机外部设置隔热层。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种超低损耗的超导电机，包括机壳（2）、定子（9）和转子（11），所述转子（11）为无铁芯结构，包括极靴（5）、转子支架（7）和空心转轴（8），在极靴（5）上绕制有励磁绕组（6），所述定子（9）包括电枢绕组（12）和定子铁芯（13）；其特征在于：所述励磁绕组（6）为超导线圈；在定子（9）的每一个定子槽内设置有一根冷却管（3.1），所述冷却管（3.1）的两端各设置有一个隔离套管（3.2），所有冷却管（3.1）相同的一端连通至一个汇流管（3.3），所有冷却管（3.1）相同的另一端连通至另一个汇流管（3.3）；所述机壳（2）包括壳体（2.1），在壳体（2.1）的外侧绕制有一层螺旋线管（2.2），所述定子（9）的齿部表面设置有一层防热辐射层（10）；所述螺旋线管（2.2）、冷却管（3.1）、汇流管（3.3）以及空心转轴（8）内通入冷却媒质（4）。

2.根据权利要求1所述的超低损耗的超导电机，其特征在于：所述防热辐射层（10）为聚四氟乙烯薄膜层。

3.根据权利要求1所述的超低损耗的超导电机，其特征在于：所述极靴（5）和转子支架（7）为导热但非导磁材质。

4.根据权利要求3所述的超低损耗的超导电机，其特征在于：所述极靴（5）和转子支架（7）的材质为铝合金或钛合金。

5.根据权利要求1所述的超低损耗的超导电机，其特征在于：所述冷却管（3.1）为导热但非导电材质，所述螺旋线管为导热材质。

6.根据权利要求1所述的超低损耗的超导电机，其特征在于：所述冷却媒质（4）为液氮、液氦、液氢或液氖中的一种。

7.根据权利要求1所述的超低损耗的超导电机，其特征在于：所述超导线圈由二硼化镁超导线材、Bi-2223/Ag高温超导带材/线材、Bi-2212/Ag高温超导带材/线材、Y-Ba-Cu-O涂层导体中的一种材质绕制而成。

8.根据权利要求1所述的超低损耗的超导电机，其特征在于：所述机壳（2）的外部覆罩有一层隔热层（1）。

9.根据权利要求1所述的超低损耗的超导电机，其特征在于：所述隔热层（1）为抽真空的隔热杜瓦、室温下导热率不大于100w/(m*K)的材料中的一种材料或两种材料组合的结构。