CN103532345B - 一种超低损耗的超导电机 - Google Patents
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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
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 (9)
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8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。
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