CN103825387B - 高温超导励磁磁通切换电机低温冷却系统 - Google Patents

Abstract

高温超导励磁磁通切换电机低温冷却系统是一种可以去除常规转子励磁型高温超导电机所必需的动态旋转密封装置的新型静态密封低温冷却系统，其关键部件异形杜瓦低温冷却单元1包含外层杜瓦1.1、内层杜瓦1.2、高温超导线圈1.3、冷却介质入口1.4、冷却介质出口1.5以及超导线圈引线端1.6；气液分离器4经液氮泵3与GM制冷机2联接；GM制冷机2联接异形杜瓦低温冷却单元1的冷却介质入口1.4；气液分离器4与冷却介质出口1.5相联接；补液罐5与气液分离器4相联接。本发明不仅去除了常规转子励磁型高温超导电机所必需的动态旋转密封装置，而且低温冷却单元安装在定子齿上的结构可以方便控制定、转子间气隙大小。

Description

高温超导励磁磁通切换电机低温冷却系统

技术领域

本发明是一种高温超导励磁磁通切换电机低温冷却系统，属于高温超导电机领域。

背景技术

随着高温超导技术的日渐成熟，已商业化生产的高温超导线材临界电流密度大大提高，这意味着用高温超导线材励磁绕组取代传统电机中的常规电励磁绕组或永磁体，能够显著提高电机的功率密度，降低电机重量，减小电机体积。因此，高温超导电机在航空航天、船舶推进及风力发电等领域得到国内外学者广泛而深入的研究，并取得了一系列的研究成果。通常，要保证超导线材的高临界电流密度特性，高温超导材料必须运行在77.3K以下的温区，因而要对高温超导励磁绕组的运行环境进行低温冷却处理。由于常规高温超导电机的高温超导励磁绕组固定在转子侧，随转子一起进行旋转运动，因此，其低温冷却系统普遍采用将整个电机转子密封绝热进行冷却的方法，即电机转子通过多层屏蔽结构（杜瓦）与外界环境绝热隔离，而低温介质则经由电机轴端的传输耦合器输入和输出转子进行冷却。这种低温冷却系统虽然能够保障高温超导材料正常运行所必需的低温环境，但由于转子的连续旋转运动，需采用专门的旋转密封装置才能够将低温制冷介质输入和输出电机转子，这种动态旋转密封装置不仅结构复杂、价格不菲，而且需要定期维护。因此，研发一种将高温超导励磁绕组及其冷却杜瓦置于静止的定子之上，无需考虑动态旋转密封问题，结构简单，并且能够保障高温超导电机持续高效运行的新型低温冷却系统，成为目前高温超导电机低温冷却系统领域的研究热点之一。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：本发明的目的是提出一种高温超导励磁磁通切换电机低温冷却系统，从而消除常规高温超导旋转电机所必须的动态旋转密封装置，实现低温制冷机与旋转电机之间的静态密封，保障高温超导电机持续、稳定安全运行。

本发明的技术方案是：本发明的高温超导励磁磁通切换电机模块化低温冷却系统组成包括多个异形杜瓦低温冷却单元、GM制冷机、液氮泵、气液分离器、补液罐五个部分；其中异形杜瓦单元包含外层杜瓦、内层杜瓦、高温超导线圈、冷却介质入口、冷却介质出口以及超导线圈引线端；气液分离器经液氮泵与GM制冷机联接；GM制冷机联接异形杜瓦低温冷却单元的冷却介质入口；气液分离器与冷却介质出口相联接；补液罐与气液分离器相联接，用以补充冷却介质。

内层杜瓦内流动有冷却介质，高温超导线圈置于内层杜瓦之中，并浸泡在低温冷却介质内以保证超导材料的临界温度；异形杜瓦低温冷却单元数目和高温超导励磁磁通切换电机定子槽数相等或为定子槽数的一半；内层杜瓦中的低温介质可以为液态氮、液氖或冷氦气等冷却介质。

系统运行时，气液分离器中的低温冷却介质经低温制冷机制冷后，由冷却介质入口向各模块化异形杜瓦冷却单元输入冷却介质，冷却介质流经跑道形杜瓦将浸泡于其中的高温超导线圈冷却至临界温度以下，然后由冷却介质出口流出。由于外层杜瓦与内层杜瓦之间的间隙内填充了绝热材料并辅以抽真空，所以能够有效隔绝外部高温环境与内部低温系统的热量传递，从而保证高温超导线圈的运行温度。当冷却介质的温度达到高温超导线圈的运行温度后，通过异形杜瓦低温冷却单元进口端的高温超导线材电流引线接口向高温超导线圈通直流电，由于超导材料处于临界温度以下，直流电阻为零，可以获得很高的电流密度，进而产生强磁场，为高温超导励磁磁通切换电机提供励磁磁场，使得高温超导励磁磁通切换电机正常运行。

由于高温超导线材必须在一定的弯曲半径以上才能保证其超导性能，所以内、外层杜瓦在转折处不能为直角，而是要做成跑道形用以获得满足高温超导线材性能要求的弯曲半径。为保证冷却介质流通顺畅，在跑道形杜瓦的两端分别设计冷却介质进口和出口，并在进口端开有两个电流引线接口。

本发明充分利用了高温超导励磁磁通切换电机励磁绕组位于定子上这一特点，提出了一种与之相匹配的模块化高温超导线圈低温冷却系统，不仅避免了常规高温超导电机所必须的动态旋转密封这一技术难题，而且具有结构简单、低成本的显著优点。此外，该低温冷却系统将各个异形杜瓦低温冷却单元安装在定子齿上的模块化设计思路，能避免常规转子励磁型高温超导电机定、转子气隙过大的缺点，从而进一步提高电机功率密度。而且，当异形杜瓦低温冷却单元发生故障时，可以仅仅更换故障单元便可修复，易于冷却系统的维修，能够大幅度降低整个高温超导电机冷却系统的运行成本。

附图说明

图1为高温超导励磁磁通切换电机模块化低温冷却系统结构图

图2为高温超导励磁磁通切换电机高温超导励磁线圈异形杜瓦冷却单元安装示意图。

图3为高温超导励磁线圈异形杜瓦冷却单元结构示意图。

具体实施方式

图1所示为高温超导励磁磁通切换电机模块化低温冷却系统结构图，主要由五个部分组成：异形杜瓦低温冷却单元1、GM制冷机2、液氮泵3、气液分离器4、补液罐5；其中异形杜瓦低温冷却单元1是该系统的关键部件，该部分包含外层杜瓦1.1、内层杜瓦1.2、高温超导线圈1.3、冷却介质入口1.4、冷却介质出口1.5以及超导线圈引线端1.6；气液分离器4经液氮泵3与GM制冷机2联接；GM制冷机2联接异形杜瓦低温冷却单元1的冷却介质入口1.4；气液分离器4与冷却介质出口1.5相联接；补液罐5与气液分离器4相联接。

以一套与定子6齿/转子7极的高温超导励磁磁通切换电机相匹配的低温冷却系统为例，该超导电机的异形杜瓦低温冷却单元1安装正视图和侧视图如图2所示，冷却系统包含6个异形杜瓦低温冷却单元1，每个异形杜瓦低温冷却单元1安装在定子各齿间部位，集中式电枢绕组套在各定子齿上并穿过每个异形杜瓦低温冷却单元1两端间隙，转子各齿上无线圈。鉴于异形杜瓦低温冷却单元1一经制作完成，便成为独立的整体而不可分割，可将电机的定子制成12个模块，每个定子齿由两个定子模块组成。装配时先将异形杜瓦低温冷却单元1置于其中一个定子模块上，再将另一模块与之配合，构成一个完整的定子齿，然后绕上电枢绕组，最后将六个绕好绕组的异形杜瓦低温冷却单元1装配成一体，则整个高温超导励磁磁通切换电机装配完成。

图3所示为每个异形杜瓦低温冷却单元1的结构示意图，包含外层杜瓦1.1、内层杜瓦1.2和高温超导线圈1.3；内层杜瓦1.2外表面包扎绝热材料后放置四氟支撑与外层杜瓦1.1之间形成真空夹层，高温超导线圈1.3置于内层杜瓦1.2内，并浸泡在低温介质之中。系统运行时，预先启动低温制冷机，由冷却介质进口1.4向每个异形杜瓦低温冷却单元1的内层杜瓦1.2内输入低温介质，介质流经跑道形杜瓦将浸泡于其中的高温超导线圈1.3冷却至临界温度以下，再由冷却介质出口1.5流出；然后通过进口端的电流引线接口1.6向高温超导线圈1.3通直流电，便可以得到较大的电流密度，进而在电机气隙中产生强励磁磁场，此时高温超导励磁磁通切换电机便可持续、稳定、高效运行。

Claims (2)

1.一种高温超导励磁磁通切换电机高温超导励磁绕组低温冷却系统，其特征在于该冷却系统包括异形杜瓦低温冷却单元(1)、GM制冷机(2)、液氮泵(3)、气液分离器(4)、补液罐(5)五个部分；其中异形杜瓦低温冷却单元(1)包含外层杜瓦(1.1)、内层杜瓦(1.2)、高温超导线圈(1.3)、冷却介质入口(1.4)、冷却介质出口(1.5)以及超导线圈引线端(1.6)；气液分离器(4)经液氮泵(3)与GM制冷机(2)联接；GM制冷机(2)联接异形杜瓦低温冷却单元(1)的冷却介质入口(1.4)；气液分离器(4)与冷却介质出口(1.5)相联接；补液罐(5)与气液分离器(4)相联接；

内层杜瓦(1.2)的两端分别设计冷却介质入口(1.4)、冷却介质出口(1.5)，并在冷却介质入口(1.4)端开有两个超导线圈引线端(1.6)；所述的外层杜瓦(1.1)和内层杜瓦(1.2)均为跑道形；

异形杜瓦低温冷却单元数目和高温超导励磁磁通切换电机定子槽数相等或为定子槽数的一半。

2.根据权利要求1所述的一种高温超导励磁磁通切换电机高温超导励磁绕组低温冷却系统，其特征在于异形杜瓦低温冷却单元中流动的低温介质为液态氮或液氖或冷氦气。