CN103633816B - 一种超导同步电机 - Google Patents

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Abstract

一种超导同步电机，其超导线圈固定于圆柱形的密封的转子内腔中，转子内腔罩有密封的外罩，外罩上设有真空嘴，外罩通过轴承固定于定子外壳上；转子内腔及外罩的一端均与旋转接头相连，旋转接头的另一端同时与制冷剂的输入管和制冷剂的输出管相连；转子内腔的另一端与外罩的另一端固定联接；超导线圈的两个引出端与铜片的内端相连，铜片穿出转子内腔及外罩的外端通过电源线与电源的相接；超导线圈的两个引出端还与一个超导开关相连，其具体连接结构是：超导开关的超导线与超导线圈的两个引出端相连，超导线的一段与加热器紧贴，加热器的电源线穿出转子内腔及外罩与加热器电源相连。该种超导同步电机的可靠性高、效率高、使用寿命长。

Description

一种超导同步电机
技术领域
本发明涉及一种超导同步电机。
背景技术
同步电机是一种机械能与电能转换的装置。组成电机的两个主要部件分别是：能在周围空间产生特定磁场的转子及由线圈组成的定子。当机械能带动转子，转子自身的磁场也一起转动，旋转变化的磁场会令定子线圈感生电流，即为同步发电机。向定子线圈通入交流电，在转子周围空间产生交变磁场，转子自身的磁场随交变磁场同步运动，即为同步电动机。
同步电机在转子周围产生随转子同步运动磁场的场源，也就是通常所指的励磁绕组或励磁系统，可分为以下三种：第一种是由固定在转子上的永磁体产生磁场，但这种方式不适合高磁场密度的情况，只适用于小型发电机；第二种是直接将直流电通过电刷、滑环传输给转子的励磁线圈产生磁场；第三种是将交流电通过旋转整流模块向转子的励磁线圈输送直流电产生磁场。第三种励磁方式就是通常应用于大型发电机中的无刷励磁。
超导同步电机的励磁线圈由超导线绕制而成。因超导线材固有的高电流密度特性，能产生非常大的磁场密度。因此，超导同步电机比传统的电机具有更高的转矩密度和功率密度。例如，在发电功率相同的情况下，若超导转子采用无刷励磁，发电机包括其制冷系统的尺寸都会减小一半。但是其励磁电流仍需通过电刷/滑环或旋转整流模块引入，存在旋转接触环节，可靠性和使用寿命有待提高。对于超导同步直线电机，由于其转子需要长距离移动，转子附带的电源增加了电机的负荷，减低了电机的效率。
发明内容
本发明的目的就是提供一种采用超导开关的超导同步电机，该种超导同步电机的可靠性高、效率高、使用寿命长。
本发明实现其发明目的所采用的技术方案是，一种超导同步电机，包括定子及定子上的线圈、转子内励磁的超导线圈，其特征在于：
所述的超导线圈固定于圆柱形的密封的转子内腔中，转子内腔罩有密封的外罩，外罩上设有真空嘴，外罩通过轴承固定于定子外壳上；
转子内腔及外罩的一端均与旋转接头相连，旋转接头的另一端同时与制冷剂的输入管和制冷剂的输出管相连；转子内腔的另一端与外罩的另一端固定联接；
超导线圈的两个引出端与铜片的内端相连，铜片穿出转子内腔及外罩的外端通过电源线与电源的相接；
超导线圈的两个引出端还与一个超导开关相连，其具体连接结构是：超导开关的超导线与超导线圈的两个引出端相连，超导线的一段与加热器紧贴，加热器的电源线穿出转子内腔及外罩与加热器电源相连。
本发明的工作过程和原理是：
首先通过旋转接头向转子内腔中注入制冷剂，使转子内腔中的超导线圈、超导线均处于低温超导态。通过真空嘴将转子内腔与外罩之间的夹层抽成真空。通过加热器的电源线接通加热器电源，加热器发热，紧贴加热器的超导开关中的超导线段温度升高至其临界温度之上时，该段超导线呈阻性。
随后接通电源，该电源通过电源线、铜片同时与超导线圈支路、超导开关中的超导线连通。由于此时超导开关中的超导线呈阻性，而超导线圈支路处于超导态，因此，电流只在电源、电源线、铜片和超导线圈形成的闭合回路中流通，至超导线圈的电流达到饱和。这一过程可视为电源向超导线圈“充电”。
“充电”完成（超导线圈的电流达到饱和）后，关闭加热器电源，随后紧贴加热器的超导线段恢复超导态，此时，超导开关中的超导线的电阻远小于电源与超导线圈之间连接的铜片、常规（非超导）的电源线的电阻，“充入”超导线圈中的电流则转为在超导线圈和超导线形成的超导闭合回路中流通，而不再与电源线、电源流通。由于该超导闭合回路的电阻几乎为零，此时断开电源，超导闭合回路中的电流仍将存在，并在相当长一段时间内持续流通。从而超导线圈的励磁磁场在相当长一段时间内持续存在；实现了同步电机的无刷、也无旋转整流模块的励磁。在此期间给同步电机定子线圈通电，同步电机即作为电动机对外输出机械能。若用机械能驱动转子转动，同步电机即作为发电机对外输出电能。
当超导线圈中的电流衰减到临界值后，可重复进行以上操作，同步电机即可重新进入可工作状态。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
一、巧妙的通过加热器与超导线构成的超导开关，实现了对超导线圈的“充电”。“充入”超导线圈的电流在相当长一段时间内持续存在，从而实现了同步电机的无刷、无旋转整流模块励磁。在励磁电流（“充入”超导线圈的电流）存在的整个过程中，无旋转接触环节，可靠性高、运行维护费用低和使用寿命长。
二、对于超导同步直线电机，由于“充电”后的超导线圈无需再与外部电源相连，其励磁电流持续存在。因此，在电机运行时可卸下电源，电源不再随转子长距离移动，减小了电机负荷，提高了电机效率。
三、转子内腔和转子外罩之间形成的真空夹层，进一步减小了转子内腔与外界的漏热，提高了转子的保温性能，延长了超导线圈的电流衰减时间和重新注入制冷剂的时间，进一步提高了电机的效率。
上述的超导线圈为四个串联的超导线圈构成，四个超导线圈的长度方向与转子内腔的轴线平行，四个超导线圈均匀分布于转子内腔中。
这样产生的励磁磁场强度大，且均匀的分布在转子周围，使得电机的运转更平稳。
上述的每个超导线圈的中心设有铁磁体。
这样，可以增强其磁场密度，使励磁电流持续时间更长。
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的详细说明。
附图说明
图1是本发明实施例的剖视结构示意图。
图2是图1的A-A剖视图。
图3是本发明实施例中转子部分的电路原理图。
具体实施方式
实施例
图1-3示出，本发明的一种实施方式是：一种超导同步电机，包括定子12及定子12上的线圈13、转子内励磁的超导线圈6。其超导线圈6固定于圆柱形的密封的转子内腔5中，转子内腔5罩有密封的外罩1，外罩1上设有真空嘴7，外罩1通过轴承11固定于定子外壳12上；转子内腔5及外罩1的一端均与旋转接头2相连，旋转接头的另一端同时与制冷剂的输入管3和制冷剂的输出管4相连；转子内腔5的另一端与外罩1的另一端固定联接；超导线圈6的两个引出端a、b与铜片8的内端相连，铜片8穿出转子内腔5及外罩的外端通过电源线14a与电源14的相接；超导线圈6的两个引出端a、b还与一个超导开关相连，其具体连接结构是：超导开关的超导线9a与超导线圈6的两个引出端a、b相连，超导线9a的一段与加热器9紧贴，加热器的电源线10穿出转子内腔5及外罩1与加热器电源15相连。
本例的超导线圈6为四个串联的超导线圈构成，四个超导线圈的长度方向与转子内腔5的轴线平行，四个超导线圈6均匀分布于转子内腔5中。
本例的超导线圈6的中心设有铁磁体。
本例的超导线圈6为四个串联的超导线圈构成，四个超导线圈6的长度方向与转子内腔5的轴线平行，四个超导线圈6均匀分布于转子内腔5中。
本例的超导线圈6的中心设有铁磁体。
本例的工作过程和原理是：
首先通过旋转接头2向转子内腔5中注入制冷剂，使转子内腔5中的超导线圈6处于低温超导态。通过真空嘴7将转子内腔5与外罩1之间的夹层抽成真空。通过加热器9的电源线10接通加热器电源15，加热器9发热，紧贴加热器9的超导开关中的超导线9a的一段温度升高至其临界温度之上时，该段超导线9a呈阻性。
随后接通电源14，该电源14通过电源线14a、铜片8同时与超导线圈6支路、超导开关中的超导线9a连通。由于此时超导开关中的超导线9a呈阻性，而超导线圈6的支路处于超导态，因此，电流只在电源14、电源线14a、铜片8和超导线圈6形成的闭合回路中流通，至超导线圈6的电流达到饱和；这一过程可视为电源向超导线圈“充电”。
“充电”完成（超导线圈6的电流达到饱和）后，关闭加热器电源15，随后紧贴加热器9的超导线9a恢复超导态，此时，超导开关中的超导线9a的电阻远小于电源14与超导线圈6之间连接的铜片8、常规（非超导）电源线14a的电阻，“充入”超导线圈6中的电流则转为在超导线圈6和超导线9a形成的超导闭合回路中流通，而不再与电源线14a、电源14流通。由于该超导闭合回路的电阻几乎为零，此时断开电源14，超导闭合回路中的电流仍将存在，并在相当长一段时间内持续流通。从而超导线圈6的励磁磁场在相当长一段时间内持续存在；实现了同步电机的无刷、也无旋转整流模块的励磁。在此期间给同步电机定子线圈通电，同步电机即作为电动机对外输出机械能。若用机械能驱动转子转动，同步电机即作为发电机对外输出电能。
当超导线圈6中的电流衰减到临界值后，可重复进行以上操作，同步电机即可重新进入可工作状态。

Claims (3)

1.一种超导同步电机，包括定子(12)及定子(12)上的线圈(13)、转子内励磁的超导线圈(6)，其特征在于：
所述的超导线圈(6)固定于圆柱形的密封的转子内腔(5)中，转子内腔(5)罩有密封的外罩(1)，外罩(1)上设有真空嘴(7)，外罩(1)通过轴承(11)固定于定子(12)上；
转子内腔(5)及外罩(1)的一端均与旋转接头(2)相连，旋转接头的另一端同时与制冷剂的输入管(3)和制冷剂的输出管(4)相连；转子内腔(5)的另一端与外罩(1)的另一端固定联接；
超导线圈(6)的两个引出端(a、b)与铜片(8)的内端相连，铜片(8)穿出转子内腔(5)及外罩的外端通过电源线(14a)与电源(14)的相接；
超导线圈(6)的两个引出端(a、b)还与一个超导开关相连，其具体连接结构是：超导开关的超导线(9a)与超导线圈(6)的两个引出端(a、b)相连，超导线(9a)的一段与加热器(9)紧贴，加热器的电源线(10)穿出转子内腔(5)及外罩(1)与加热器电源(15)相连。
2.根据权利要求1所述的一种超导同步电机，其特征在于：所述的超导线圈(6)为四个串联的超导线圈构成，四个超导线圈的长度方向与转子内腔(5)的轴线平行，四个超导线圈(6)均匀分布于转子内腔(5)中。
3.根据权利要求2所述的一种超导同步电机，其特征在于：所述的超导线圈(6)的中心设有铁磁体。
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