CN103825427B - 一种用于超导电机的力矩传导结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种用于超导电机的力矩传导结构，包括与处于低温状态超导线圈端面相连的第一环、与处于常温状态电机轴端相连的第二环，以及连接前面两者的环形力矩传导部件，其中环形力矩传导部件由多个环形传导件和多个弧形连接件组成，环形传导件同心设置在第一环与第二环之间并沿径向间隔分布；弧形连接件沿周向安装在各个环形传导件的间隙内且彼此间隔地交错分布，热通量从第二环经弧形连接件后沿着与其相连的环形传导件周向流动，再经下一弧形连接件依次进入与之相邻的下一环形传导件后继续沿周向流动。本发明在利用环形周向长度延长传热路径以降低传热效果的同时，得以承受电机定子与转子之间的电磁力，能更好地满足超导电机的需求。
Description
技术领域
本发明属于低温传动技术领域，更具体地，涉及一种用于超导电机的力矩传导结构。
背景技术
常规电机的气隙磁场受到永磁材料剩磁或者铜导体载流能力的限制而处于较低水平。鉴于超导材料的载流能力远强于铜导体，产生的磁场可能超过10特斯拉，因此国内外已经尝试采用超导材料绕制的线圈来取代常规电机中的永磁体或铜制线圈以构成超导电机，其气隙磁通密度和绕组的电流密度可比常规电机提高数倍乃至数十倍，电机性能得到突破性的提高。
为了保持超导线圈工作所需的低温环境，需要向超导线圈持续输入制冷功率以平衡超导线圈本身的发热以及外界的漏热。目前通常使用多层真空绝热的方式保持超导线圈处于低温的超导状态运行。在这种绝热方式中，被隔热的处于低温状态的超导线圈必须通过支撑结构与处于常温状态的电机轴端相连。具体而言，该支撑结构除了起到支撑和固定作用之外，还应当设计为能够承受电机定子与转子之间的电磁力作用，这一点对于电磁力较大的直驱电机来说尤为关键；此外，为了降低低温系统的热负载，该支撑结构还应当设计为具有足够低的热传导，以保证超导电机的正常工作。
现有技术中已经提出了一些方案来解决超导电机低温端-常温端之间的联接问题。例如，US7119644A中公开一种超导电机，具体如图1中所示，该超导电机采用了两个连接结构来共同完成冷铁芯与暖铁芯之间的联接，其中第一连接结构的A端嵌在暖铁心的凹口中,B端固定在冷铁心的环上；第二连接结构的A端固定在冷铁心的环上，B端则卡在暖铁心沿轴向布置的多个脊上。
然而，进一步的研究表明，上述现有技术仍然存在以下的缺陷或不足：首先，该连接系统包括多个部件，结构复杂且制造和装配难度大；其次，细长杆件的传热路径长度有限，漏热高，绝热效果较差，若减小漏热则需要增加细长杆件长度，从而增加了超导电机体积与重量；第三，其仍然没有充分考虑到电磁力的作用问题。因此，相关领域中亟需寻找更为完善的解决方案，以便更好地满足超导电机的低温超导线圈与常温电机轴端之间的联接。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种用于超导电机的力矩传导结构，其目的在于通过利用力矩传导结构的周向长度来增加传热路径长度，从而有效降低力矩传导结构的漏热，由此解决现有力矩传导结构中存在的漏热高绝热效果差的技术问题，并尤其适用于直驱电机之类电磁力偏大的应用对象。
为实现上述目的，本发明提供了一种用于超导电机的力矩传导结构，包括用于与处于低温状态的超导线圈端面相连的第一环、用于与处于常温状态的电机轴端相连的第二环，以及用于连接第一环和第二环的环形力矩传导部件，其特征在于，所述环形力矩传导部件由多个环形传导件和多个弧形连接件共同组成，其中：
环形传导件同心设置在第一环与第二环之间，并沿着径向方向以一定间隙彼此间隔；弧形连接件沿着周向方向安装在各个环形传导件之间的间隙内用于将相邻的环形传导件予以联接，并且所有弧形连接件彼此交错分布；以此方式，热通量从第二环经由与其相连的弧形连接件传导至与该弧形连接件相连的环形传导件周向流动，然后依次经下一弧形连接件进入与该弧形连接件相连的下一环形传导件后继续沿周向流动，以此方式在利用环形周向长度延长传热路径以降低传热效果的同时，得以承受电机定子与转子之间的电磁力。
本发明提供了另一种用于超导电机的力矩传导结构，包括用于与处于低温状态的超导线圈端面相连的第一环、用于与处于常温状态的电机轴端相连的第二环，以及用于连接第一环和第二环的环形力矩传导部件，其特征在于，所述环形力矩传导部件由多个环形传导件和多个弧形连接件共同组成，其中：
环形传导件同心设置在第一环与第二环之间，并沿着轴向方向以一定间隙彼此间隔；弧形连接件沿着周向方向安装在各个环形传导件之间的间隙内用于将相邻的环形传导件予以联接，并且所有弧形连接件彼此交错分布；以此方式，热通量从第二环经由与其相连的弧形连接件传导至与该弧形连接件相连的环形传导件周向流动，然后依次经下一弧形连接件进入与该弧形连接件相连的下一环形传导件后继续沿周向流动，以此方式在利用环形周向长度延长传热路径以降低传热效果的同时，得以承受电机定子与转子之间的电磁力。
作为进一步优选地，所述用于超导电机的力矩传导结构采用一体加工成型或各部分加工拼接以得到整体构件。
作为进一步优选地，所述用于超导电机的力矩传导结构选用耐低温高强度的金属材料或复合材料作为其制作材料。
作为进一步优选地，所述金属材料为不锈钢或钛合金。
作为进一步优选地，所述复合材料为玻璃纤维。
总体而言，按照本发明的以上技术构思与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：由于利用了环形较长的周向长度，一方面增加了传热路径的长度，有效降低了该结构的传热性能，另一方面空间占有率低，减小了超导电机的重量和体积。另外，由于环形部件的个数可以随安置空间的增大而增加，从而对于大型超导电机的绝热性能也能够得到保证。本发明绝热性能优异，机械特性良好，结构简单，生产制造易于实施，装配流程简单，能更好地满足超导电机的需求。
附图说明
图1a是现有技术中一种超导电机结构示意图；
图1b是现有技术中超导电机第一连接结构的结构示意图；
图1c是现有技术中超导电机第二连接结构的结构示意图；
图2是按照本发明一种构造形式的力矩传导结构示意图；
图3是按照本发明另一种构造形式的力矩传导结构示意图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
1-第一环，2-第二环，3-环形传导件，4-弧形连接件，5-传热路径，
11-定子铁心，12-定子线圈，13-暖铁心，14-冷铁心，15-超导线圈，
16-机壳，17-低温恒温器外壳，18-冷却剂入口，19-冷却剂通道，
20-电磁屏蔽层
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
图2是按照本发明一种构造形式的力矩传导结构示意图。包括用于与处于低温状态的超导线圈端面相连的第一环1、用于与处于常温状态的电机轴端相连的第二环2，以及用于连接第一环1和第二环2的环形力矩传导部件，其中，所述环形力矩传导部件由两个环形传导件3和九个弧形连接件4共同组成，两个环形传导件3同心设置在第一环1与第二环1之间，并沿着径向方向以一定间隙彼此间隔，此时将会形成三个环形间隙；在每个环形间隙内沿周向方向安装三个弧形连接件4，分别将第二环2与环形传导件3、两个环形传导件3、环形传导件3与第一环1予以联接，并且九个弧形连接件彼此间隔地交错分布，保证每个环形传导件3两侧的弧形连接件4相互错开分布，以最大限度增加传热路径长度。
以此方式，热通量从第二环2经由与其相连的的弧形连接件4传递至与其相连的环形传导件3周向流动，然后依次经下一弧形连接件4进入与该弧形连接件相连的下一环形传导件3后继续沿周向流动，热通量从第二环2向第一环1沿此种方式的传热路径5传递，由此在利用环形周向长度延长传热路径以降低传热效果的同时，得以承受电机定子与转子之间的电磁力。
所述用于超导电机的力矩传导结构可采用一体加工成型或各部分加工拼接以得到整体构件。
所述用于超导电机的力矩传导结构选用耐低温高强度的金属材料或复合材料作为其制作材料，不锈钢、钛合金以及玻璃纤维等均可以为备选材料。该力矩传导结构的环间部件可采用相同材料，也可根据受力和绝热需要采用不同材料。环形传导件和弧形连接件个数可依据电机大小自行设置。
图3是按照本发明另一种构造形式的力矩传导结构示意图。包括用于与处于低温状态的超导线圈端面相连的第一环1、用于与处于常温状态的电机轴端相连的第二环2，以及用于连接第一环1和第二环2的环形力矩传导部件，其中，所述环形力矩传导部件由四个环形传导件3和多个弧形连接件4共同组成，环形传导件3同心设置在第一环与第二环之间，并沿着轴向方向以一定间隙彼此间隔，由此形成五个环间间隙；弧形连接件4沿着周向方向安装在各个环形传导件3之间的间隙内用于将相邻的环形传导件予以联接，并且所有弧形连接件彼此间隔地交错分布。
以此方式，热通量从第二环2经由与其相连的的弧形连接件4传递至与其相连的环形传导件3周向流动，然后依次经下一弧形连接件4进入与该弧形连接件相连的下一环形传导件3后继续沿周向流动，热通量从第二环2向第一环1沿此种方式的传热路径5传递，由此在利用环形周向长度延长传热路径以降低传热效果的同时，得以承受电机定子与转子之间的电磁力。
所述用于超导电机的力矩传导结构可采用一体加工成型或各部分加工拼接以得到整体构件。
所述用于超导电机的力矩传导结构选用耐低温高强度的金属材料或复合材料作为其制作材料，不锈钢、钛合金以及玻璃纤维等均可以为备选材料。该力矩传导结构的环间部件可采用相同材料，也可根据受力和绝热需要采用不同材料。
该力矩传导结构的环形传导件可采用相同材料，也可根据受力和绝热需要采用不同材料。环形传导件和弧形连接件个数可依据电机大小自行设置。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种用于超导电机的力矩传导结构，包括用于与处于低温状态的超导线圈端面相连的第一环、用于与处于常温状态的电机轴端相连的第二环，以及用于连接第一环和第二环的环形力矩传导部件，其特征在于，所述环形力矩传导部件由多个环形传导件和多个弧形连接件共同组成，其中：
环形传导件同心设置在第一环与第二环之间，并沿着径向方向以一定间隙彼此间隔；弧形连接件沿着周向方向安装在各个环形传导件之间的间隙内用于将相邻的环形传导件予以联接，并且所有弧形连接件彼此交错分布；以此方式，热通量从第二环经由与其相连的弧形连接件传导至与该弧形连接件相连的环形传导件周向流动，然后依次经下一弧形连接件进入与该弧形连接件相连的下一环形传导件后继续沿周向流动，以此方式在利用环形周向长度延长传热路径以降低传热效果的同时，得以承受电机定子与转子之间的电磁力。
2.一种用于超导电机的力矩传导结构，包括用于与处于低温状态的超导线圈端面相连的第一环、用于与处于常温状态的电机轴端相连的第二环，以及用于连接第一环和第二环的环形力矩传导部件，其特征在于，所述环形力矩传导部件由多个环形传导件和多个弧形连接件共同组成，其中：
环形传导件同心设置在第一环与第二环之间，并沿着轴向方向以一定间隙彼此间隔；弧形连接件沿着周向方向安装在各个环形传导件之间的间隙内用于将相邻的环形传导件予以联接，并且所有弧形连接件彼此交错分布；以此方式，热通量从第二环经由与其相连的弧形连接件传导至与该弧形连接件相连的环形传导件周向流动，然后依次经下一弧形连接件进入与该弧形连接件相连的下一环形传导件后继续沿周向流动，以此方式在利用环形周向长度延长传热路径以降低传热效果的同时，得以承受电机定子与转子之间的电磁力。
3.如权利要求1或2所述的用于超导电机的力矩传导结构，其特征在于，所述用于超导电机的力矩传导结构采用一体加工成型或各部分加工拼接以得到整体构件。
4.如权利要求1或2所述的用于超导电机的力矩传导结构，其特征在于，所述用于超导电机的力矩传导结构选用耐低温高强度的金属材料或复合材料作为其制作材料。
5.如权利要求4所述的用于超导电机的力矩传导结构，其特征在于，所述金属材料为不锈钢或钛合金。
6.如权利要求4所述的用于超导电机的力矩传导结构，其特征在于，所述复合材料优选为玻璃纤维。
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