CN103855909A - 一种采用场冷超导永磁体的超导电机 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种采用场冷超导永磁体的超导电机，包括：真空罩壳、温控模块、导热芯、超导永磁体、电枢和充磁模块；导热芯与温控模块连接，导热芯与温控模块之间可传递热量，温控模块用于通过导热芯传递热量，进而控制超导永磁体的温度；导热芯上顺着圆周方向均布固定有偶数个超导永磁体；电枢与导热芯同轴布置，电枢与导热芯可绕轴向相对转动；真空罩壳包覆于导热芯和电枢的外部；充磁模块设于真空罩壳的外侧。本发明采用场冷磁化的方法，使超导永磁体捕获强大的磁场，且不需要消耗电能维持磁场。超导永磁体可以作为电机的定子，也可以作为电机的转子，相对于现有技术，本发明采用场冷超导永磁体的超导电机的性能大幅提高，能耗降低。

Description

一种采用场冷超导永磁体的超导电机

技术领域

本发明涉及超导电机技术领域，具体涉及一种采用场冷超导永磁体的超导电机。

背景技术

业内习知，电机是通过电和磁的相互作用驱动旋转的。磁体磁感应强度越高，电机的驱动力越大，电机的性能越强。对于现有技术中的永磁电机，一般采用铁氧体或稀土永磁体，其最大磁感应强度不超过1.5T。采用常规磁体需要消耗大量电能进行励磁，这些电能最终以热量的形式被消耗。采用脉冲磁化的超导块材磁体，可以解决电能消耗的问题，但其最大捕获磁场也不超过6T。电磁作用力的面密度与磁感应强度的平方成正比，上述电机除了需要采用电源维持磁场外，很难进一步提高磁场的强度。

不难看出，现有技术还存在一定的缺陷。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种采用场冷超导永磁体的超导电机，采用场冷磁化的方法，使超导永磁体捕获强大的磁场，且不需要消耗电能维持磁场。超导永磁体可以作为电机的定子，也可以作为电机的转子，相对于现有技术，本发明采用场冷超导永磁体的超导电机的性能大幅提高，能耗降低。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种采用场冷超导永磁体的超导电机，包括：真空罩壳、温控模块、导热芯、超导永磁体、电枢和充磁模块；导热芯与温控模块连接，导热芯与温控模块之间可传递热量，温控模块用于通过导热芯传递热量，进而控制超导永磁体的温度；导热芯上顺着圆周方向均布固定有偶数个超导永磁体；电枢与导热芯同轴布置，电枢与导热芯可绕轴向相对转动；真空罩壳包覆于导热芯和电枢的外部；充磁模块设于真空罩壳的外侧。

进一步的，所述超导永磁体为超导块材。

进一步的，所述超导永磁体为自身短路的超导线圈。

进一步的，所述温控模块包括：制冷机、加热器和温度检测单元；制冷机具有一个延伸至真空罩壳内部的连接部，连接部前端设有用于导热的冷头，连接部与冷头外围套设有一用于加固连接部与冷头的中空管轴，中空管轴与连接部及冷头之间具有间隙，冷头与导热芯连接，导热芯与制冷机的冷头之间可传递热量；每个超导永磁体对应设置有一个加热器，加热器与导热芯连接，导热芯与加热器之间可传递热量，每个加热器能独立控制进行发热；每个超导永磁体还对应设置有一个温度检测单元，温度检测单元与导热芯连接，每个温度检测单元用于检测与之对应的超导永磁体的温度。

进一步的，所述真空罩壳包括：轴承、内壳、外壳、真空阀门、真空接头、密封圈、真空泵和充磁阀门；内壳呈圆桶状，具有一个圆柱形的内侧壁，内侧壁的一端面为一个圆形的内底壁，内底壁中心设有内壳轴孔，内侧壁的另一端面为开口；外壳呈圆桶状，具有一个圆柱形的外侧壁，且外侧壁的内径大于内侧壁的外径，外侧壁的一端面为一个圆形的外底壁，外底壁中心设有外壳轴孔，外侧壁的另一端面为开口；制冷机的中空管轴穿过外壳轴孔通过轴承与外壳旋转连接，且中空管轴与外壳之间设有密封圈，用于确保连接气密性；外侧壁上设有充磁开口，充磁开口处固定有充磁阀门，充磁阀门朝外壳的一端为输出端，充磁阀门背向外壳的一端为输入端；充磁模块设于充磁阀门的输入端，充磁模块与充磁阀门可分离设置；外壳套设于内壳之外，外壳的开口与内壳的开口相对设置，外壳与内壳在轴向上滑动连接，外壳与内壳之间通过密封圈连接，密封圈用于确保连接气密性；真空接头设于外壳上，真空接头通过真空阀门与真空泵连接，真空泵用于实现真空罩壳内部的真空；外壳、内壳及真空阀门三者组成一个内部真空的活动壳体。

进一步的，所述充磁模块包括一个能产生强磁场的超导线圈磁体和一个密封套；所述密封套用于与充磁阀门密封接合，密封套套设于超导线圈磁体外。

进一步的，所述充磁模块包括一个能产生强磁场的常规导线线圈磁体和一个密封套；所述密封套用于与充磁阀门密封接合，密封套套设于常规导线线圈磁体外。

进一步的，所述导热芯呈圆盘状，导热芯外围顺着圆周方向设有多个用于阻隔热量传递的隔热槽，隔热槽将导热芯的外围分割成多个导热单元，每个导热单元上固定有一个超导永磁体以及与其对应的加热器和温度检测单元，导热芯作为电机的定子固定于真空罩壳中心，导热芯与中空管轴刚性连接。

进一步的，所述电枢包括：轴承、电枢铁芯、电枢绕组和接电原件；电枢铁芯呈圆桶状，具有一个圆柱形的电枢侧壁，电枢侧壁的一端面为一个圆形的电枢底壁，电枢侧壁的另一端面为开口，电枢侧壁内侧顺着圆周方向均布有多个向径向突出的极靴，电枢底壁中心设有沿轴向向外突出的电枢轴，电枢轴穿过内壳轴孔，电枢通过轴承与内壳旋转连接，且电枢与内壳之间设有密封圈，用于保证电枢与内壳之间相对转动的密封性；电枢绕组由导线绕极靴绕制而成，每个极靴上均绕设有电枢绕组；接电原件与电枢绕组电连接，接电原件用于将外部电流接入电枢绕组；电枢侧壁套设于导热芯的外围，使导热芯上的超导永磁体正对于电枢上的电枢绕组，且超导永磁体与电枢绕组之间具有间隙；电枢作为电机的转子。

进一步的，所述导热芯呈圆桶状，具有一个圆柱形的导热芯侧壁，导热芯侧壁的一端面为一个圆形的导热芯底壁，导热芯侧壁的另一端面为开口，导热芯侧壁的内侧顺着圆周方向设有多个用于阻隔热量传递的隔热槽，隔热槽将导热芯侧壁的内侧分割成多个导热单元，每个导热单元上固定有一个超导永磁体以及与其对应的加热器和温度检测单元，导热芯作为电机的定子固定于真空罩壳的内部，导热芯与中空管轴刚性连接。

进一步的，所述电枢包括：轴承、电枢铁芯、电枢绕组和接电原件；电枢铁芯呈圆盘状，电枢外围顺着圆周方向均布有多个向径向突出的极靴，电枢中心设有沿轴向向外突出的电枢轴，电枢轴穿过内壳轴孔，电枢通过轴承与内壳旋转连接，且电枢与内壳之间设有密封圈，用于保证电枢与内壳之间相对转动的密封性；电枢绕组由导线绕极靴绕制而成，每个极靴上均绕设有电枢绕组；接电原件与电枢绕组电连接，接电原件用于将外部电流接入电枢绕组；导热芯侧壁套设于电枢的外围，使导热芯上的超导永磁体正对于电枢上的电枢绕组，且超导永磁体与电枢绕组之间具有间隙；电枢作为电机的转子。

进一步的，所述导热芯呈圆盘状，导热芯外围顺着圆周方向设有多个用于阻隔热量传递的隔热槽，隔热槽将导热芯的外围分割成多个导热单元，每个导热单元上固定有一个超导永磁体以及与其对应的加热器和温度检测单元，导热芯作为电机的转子。

进一步的，所述电枢包括：电枢铁芯、电枢绕组和接电原件；电枢铁芯呈圆环状，电枢的内壁顺着圆周方向均布有多个向径向突出的极靴，电枢铁芯与内壳刚性连接；电枢绕组由导线绕极靴绕制而成，每个极靴上均绕设有电枢绕组；接电原件与电枢绕组电连接，接电原件用于将外部电流接入电枢绕组；电枢套设于导热芯的外围，使导热芯上的超导永磁体正对于电枢上的电枢绕组，且超导永磁体与电枢绕组之间具有间隙；电枢作为电机的定子。

进一步的，所述导热芯呈圆桶状，具有一个圆柱形的导热芯侧壁，导热芯侧壁的一端面为一个圆形的导热芯底壁，导热芯侧壁的另一端面为开口，导热芯侧壁的内侧顺着圆周方向设有多个用于阻隔热量传递的隔热槽，隔热槽将导热芯侧壁的内侧分割成多个导热单元，每个导热单元上固定有一个超导永磁体以及与其对应的加热器和温度检测单元，导热芯作为电机的转子。

进一步的，所述电枢包括：电枢铁芯、电枢绕组和接电原件；电枢铁芯呈圆环状，电枢的外壁顺着圆周方向均布有多个向径向突出的极靴，电枢铁芯与内壳刚性连接；电枢绕组由导线绕极靴绕制而成，每个极靴上均绕设有电枢绕组；接电原件与电枢绕组电连接，接电原件用于将外部电流接入电枢绕组；导热芯套设于电枢的外围，使导热芯上的超导永磁体正对于电枢上的电枢绕组，且超导永磁体与电枢绕组之间具有间隙；电枢作为电机的定子。

进一步的，采用场冷超导永磁体的超导电机还包括一个导热旋转接头，冷头和中空管轴通过导热旋转接头与导热芯连接，使冷头和中空管轴与导热芯旋转连接；导热旋转接头具有导热性，可在导热芯与冷头之间传递热量。

进一步的，采用场冷超导永磁体的超导电机还包括导热芯轴，导热芯轴轴向固定于导热芯的中心，导热芯轴穿过内壳轴孔通过轴承与内壳旋转连接，导热芯轴与内壳之间设有密封圈，用于保证导热芯轴与内壳之间相对转动时的密封性。

本发明所提供的一种采用场冷超导永磁体的超导电机，利用超导体的超导特性，通过场冷磁化的方法，使超导永磁体捕获强大的磁场，并且该磁场无需消耗电能来维持，由此大大提高电机的性能，降低电机的能耗。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例一提供的一种采用场冷超导永磁体的超导电机的整体结构示意图。

图2为制冷机的安装示意图。

图3为实施例一和实施例三的导热芯的俯视图。

图4为真空罩壳的结构示意图。

图5为实施例一的电枢的结构示意图。

图6为超导永磁体场冷磁化的步骤1）示意图。

图7为超导永磁体场冷磁化的步骤3）示意图。

图8为超导永磁体场冷磁化的步骤4）示意图

图9为超导永磁体场冷磁化的步骤5）示意图。

图10为超导永磁体场冷磁化的步骤7）示意图。

图11为超导永磁体场冷磁化完成后的整体示意图。

图12为本发明实施例二的整体结构示意图。

图13为实施例二和实施例四的导热芯的仰视图。

图14为图13的A-A剖面图。

图15为实施例二的电枢结构示意图。

图16为本发明实施例三的整体结构示意图。

图17为实施例三的电枢结构示意图。

图18为本发明实施例四的整体结构示意图。

图19为实施例四的电枢结构示意图。

附图标记说明：

1、真空罩壳   2、温控模块

3、导热芯     4、超导永磁体

5、电枢       6、充磁模块

7、制冷机     8、连接部

9、冷头       10、中空管轴

11、加热器    12、外壳

13、内壳      14、充磁阀门

15、轴承      16、充磁开口

17、外壳轴孔  18、内壳轴孔

19、电枢铁芯  20、电枢绕组

21、极靴      22、电枢轴

23、隔热槽    24、导热旋转接头

25、真空接头  26、真空阀门

27、接电原件  28、导热芯轴

29、密封套

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例和附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。需要说明的是，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

请参阅图1，本发明实施例提供的一种采用场冷超导永磁体的超导电机，包括：真空罩壳1、温控模块2、导热芯3、超导永磁体4、电枢5和充磁模块6；导热芯3与温控模块2连接，导热芯3与温控模块2之间可传递热量，温控模块2用于通过导热芯3传递热量，进而控制超导永磁体4的温度；导热芯3上顺着圆周方向均布固定有偶数个超导永磁体4；电枢5与导热芯3同轴布置，电枢5与导热芯3可绕轴向相对转动；真空罩壳1包覆于导热芯3和电枢5的外部；充磁模块6设于真空罩壳1的外侧。

温控模块2用于实时控制和检测导热芯3和超导永磁体4的温度。超导体的特性是：在不同的温度下分别表现为常态和超导态，常态与超导态之间存在一个临界温度，当超导体的温度下降至临界温度以下时，超导体进入超导态。因此，利用超导体工作的电机必须具有对温度进行控制和检测的温控模块2。

请参阅图2和图3，所述温控模块2包括：制冷机7、加热器11和温度检测单元（未图示）。

制冷机7具有一个延伸至真空罩壳1内部的连接部8，连接部8前端设有用于导热的冷头9，连接部8与冷头9外围套设有一用于加固连接部8与冷头9的中空管轴10，中空管轴10与连接部8及冷头9之间具有间隙。中空管轴10的导热率较低，可防止外部的热量经由中空管轴10传递至导热芯3。冷头9与导热芯3连接，导热芯3与制冷机7的冷头9之间可传递热量。制冷机7具有制冷的作用，通过导热芯3与冷头9之间的导热作用，导热芯3的温度将下降至超导永磁体4临界温度以下，从而使固定于导热芯3上的超导永磁体4进入超导态。由于电机在旋转时对制冷机7的连接部8和冷头9产生一定的反作用扭矩，而连接部8和冷头9仅用于传导热量，并非承受扭矩载荷的部件，为了保护连接部8和冷头9不会被反作用扭矩损坏，冷头9和连接部8外围加设中空管轴10以作加固保护作用。中空管轴10与导热芯3之间固连，导热芯3上的超导永磁体4在工作中会令导热芯3承受一个转矩。这个转矩由中空管轴10承受，从而避免连接部8和冷头9受到过大的转矩而损坏。

每个超导永磁体4对应设置有一个加热器11，加热器11与导热芯3连接，导热芯3与加热器11之间可传递热量，每个加热器11能独立控制进行发热。由于超导永磁体4一旦进入超导态，超导永磁体4自身具有抵抗外磁场进入的性质。因而在超导永磁体4捕获磁场时，需要先将超导永磁体4的温度升高，使超导永磁体4脱离超导态。电机中需要不同的磁极，为了使每个超导永磁体4捕获的磁场方向不同，每个超导永磁体4是单独进行捕获磁场的。因而单个超导永磁体4捕获磁场时仅需要一个对应的加热器11独立工作，使单个超导永磁体4脱离超导态。对于超导永磁体4捕获磁场的方法，将在下文中详述。

每个超导永磁体4对应设置有一个温度检测单元，温度检测单元与导热芯3连接，每个温度检测单元用于检测与之对应的超导永磁体4的温度。

请参阅图4，真空罩壳1主要具有两个作用：其一，保护电机内部工作部件，为电机提供稳定的工作环境；其二，真空罩壳1内部为真空腔，有效阻隔真空罩壳1内外的温度传递，确保真空罩壳1内部维持合适的工作温度。

所述真空罩壳1包括：轴承15、内壳13、外壳12、真空阀门26、真空接头25、密封圈（未图示）、真空泵（未图示）和充磁阀门14；内壳13呈圆桶状，具有一个圆柱形的内侧壁，内侧壁的一端面为一个圆形的内底壁，内底壁中心设有内壳轴孔18，内侧壁的另一端面为开口；外壳12呈圆桶状，具有一个圆柱形的外侧壁，且外侧壁的内径大于内侧壁的外径，外侧壁的一端面为一个圆形的外底壁，外底壁中心设有外壳轴孔17，外侧壁的另一端面为开口；制冷机7的中空管轴10穿过外壳轴孔17通过轴承15与外壳12旋转连接，且中空管轴10与外壳12之间设有密封圈，用于确保连接气密性；外侧壁上设有充磁开口16，充磁开口16处固定有充磁阀门14，充磁阀门14朝外壳12的一端为输出端，充磁阀门14背向外壳12的一端为输入端；充磁模块6设于充磁阀门14的输入端，充磁模块6与充磁阀门14可分离设置；外壳12套设于内壳13之外，外壳12的开口与内壳13的开口相对设置，外壳12与内壳13在轴向上滑动连接，外壳12与内壳13之间通过密封圈连接，密封圈用于确保连接气密性；真空接头25设于外壳12上，真空接头25通过真空阀门26与真空泵连接，真空泵用于实现真空罩壳1内部的真空；外壳12、内壳13及充磁阀门14三者组成一个内部真空的活动壳体。

请参阅图3，所述导热芯3呈圆盘状，导热芯3外围顺着圆周方向设有多个用于阻隔热量传递的隔热槽23，隔热槽23将导热芯3的外围分割成多个导热单元，每个导热单元上固定有一个超导永磁体4以及与其对应的加热器11和温度检测单元，导热芯3作为电机的定子固定于真空罩壳1中心，导热芯3与中空管轴10刚性连接。

请参阅图5，所述电枢5包括：轴承15、电枢铁芯19、电枢绕组20和接电原件27；电枢铁芯19呈圆桶状，具有一个圆柱形的电枢侧壁，电枢侧壁的一端面为一个圆形的电枢底壁，电枢侧壁的另一端面为开口，电枢侧壁内侧顺着圆周方向均布有多个向径向突出的极靴21，电枢底壁中心设有沿轴向向外突出的电枢轴22，电枢轴22穿过内壳轴孔18，电枢5通过轴承15与内壳13旋转连接，且电枢5与内壳13之间设有密封圈，用于保证电枢5与内壳13之间相对转动时的密封性；电枢绕组20由导线绕极靴21绕制而成，每个极靴21上均绕设有电枢绕组20；接电原件27与电枢绕组20电连接，接电原件27用于将外部电流接入电枢绕组20；电枢侧壁套设于导热芯3的外围，使导热芯3上的超导永磁体4正对于电枢5上的电枢绕组20，且超导永磁体4与电枢绕组20之间具有间隙；电枢5作为电机的转子。

制冷机7的中空管轴10与外壳12旋转连接，因而制冷机7与导热芯3能作为一个整体在外壳12内绕轴向转动。

作为优选，在本实施例中，所述充磁模块6包括一个能产生强磁场的超导线圈磁体和一个密封套29；所述密封套29用于与充磁阀门密封接合，密封套29套设于超导线圈磁体外。或作为备选方案，充磁模块6包括一个能产生强磁场的常规导线线圈磁体和一个密封套29；所述密封套29用于与充磁阀门密封接合，密封套29套设于常规导线线圈磁体外。其作用在于能产生强大的磁场供超导永磁体4捕获。本发明是采用单个充磁模块6分别对超导永磁体4进行磁化的，只采用单个充磁模块6，可以节省成本；单个充磁模块6节省空间，有利于在有限的空间内产生更大的磁场。且所有超导永磁体4磁化完成后，充磁模块6可以与真空罩壳1分离，从而进一步减小超导电机本体的体积和重量。

请参阅图6至图11，下面将具体阐述超导电机通过真空罩壳1及导热芯3的活动，使超导永磁体4捕获磁场的方法：

1）请参阅图6，制冷机7打开，使整个导热芯3的温度降低至超导永磁体4的临界温度以下，打开加热器11令温度检测单元检测到所有超导永磁体4的温度高于临界温度，继而使固定在导热芯3上的所有超导永磁体4都处于非超导态。由于有隔热槽23的阻隔作用，每个加热器11的加热作用仅对所在的导热单元产生较大影响，对其余的导热单元的加热效果较小。图6中斜线阴影部分为加热器11的热影响区域。

2）真空罩壳1的外壳12与内壳13在轴向上相对滑动，使内部的导热芯3与电枢5暂时分离，此时导热芯3上的其中一个超导永磁体4正对于外壳12的充磁开口16。此时充磁模块6进入充磁阀门14的输入端，此过程需保证充磁模块6与充磁阀门14间的接合密封性。然后打开充磁充磁阀门14，充磁模块6通过充磁阀门14和充磁开口16进入外壳12，移动至正对于充磁开口16的超导永磁体4前面，该超导永磁体4标记为待充磁的超导永磁体4。

3）请参阅图7，充磁模块6启动，使之产生一个强大的磁场。磁场的方向可以是指向超导永磁体4的，也可以是背离超导永磁体4的。

4）请参阅图8，关闭待充磁的超导永磁体4对应的加热器11，所在导热单元的温度下降，待温度检测单元检测到待充磁的超导永磁体4的温度下降至临界温度以下时，待充磁的超导永磁体4进入超导态。此时该超导永磁体4已经捕获一个强大的磁场。已经捕获磁场的超导永磁体用点划线阴影表示。

5）请参阅图9，关闭充磁模块6，旋转导热芯3，使相邻的另一个超导永磁体4正对于充磁模块6，此刻，此超导永磁体4标记为待充磁的超导永磁体4。

6）与步骤3）相似地，充磁模块6再次启动，再次产生一个强大的磁场，但磁场的方向必须与上一个磁场的磁场方向相反。

7）请参阅图10，与步骤4）相似地，关闭待充磁的超导永磁体4对应的加热器11，使待充磁的超导永磁体4进入超导态。此时该超导永磁体4已经捕获一个强大的磁场，且磁场方向与相邻的超导永磁体4磁场方向相反。

8）请参阅图11，重复步骤5）至步骤7），直至所有超导永磁体4都捕获强大的磁场，并且相邻超导永磁体4的磁场方向相反。随后关闭充磁模块6，并将充磁模块6移至充磁阀门14的输入端，然后关闭充磁充磁阀门14，再将充磁模块6完全移出充磁阀门14的输入端，并使外壳12复位，导热芯3重新套于电枢5的内部。

以上使超导永磁体4捕获磁场的方法简称场冷法，在使用场冷法让超导永磁体4捕获磁场的整个过程中，温度检测单元都保持实时检测温度的作用，从而实时掌握超导永磁体4的状态。

作为优选，在本实施例中，所述超导永磁体4为超导块材。超导块材采用场冷法捕获磁场，其总磁场为超导块材内部微小超导电流环产生磁场的总和。采用超导块材作为超导永磁体4不仅使结构更为简单，而且捕获的磁场强度极高，目前采用场冷法捕获的磁场磁感应强度最大达到了17.2T，远高于现有技术。超导永磁体4也可以为自身短路的超导线圈。

当有电流流经电枢绕组20时，根据电磁感应原理，造成电枢绕组20与超导永磁体4之间相互作用，驱动作为转子的电枢5旋转。需要说明的是，根据实际需要的不同，电枢绕组20的绕线方式可以作出相应变化，做成各种不同类型的电机，这些都属于本发明的保护范围。

实施例二

请参阅图12和图15，本实施例与实施例一的唯一区别在于：超导电机的内部结构作出了变体设计，导热芯3呈圆桶状，电枢铁芯19呈圆盘状。

请参阅图12、图13和图14，所述导热芯3呈圆桶状，具有一个圆柱形的导热芯侧壁，导热芯侧壁的一端面为一个圆形的导热芯底壁，导热芯侧壁的另一端面为开口，导热芯侧壁的顺着圆周方向设有多个用于阻隔热量传递的隔热槽23，隔热槽23将导热芯侧壁的分割成多个导热单元，每个导热单元上固定有一个超导永磁体4以及与其对应的加热器11和温度检测单元，导热芯3作为电机的定子固定于真空罩壳1的内部，导热芯3与中空管轴10刚性连接。

请参阅图12和图15，所述电枢5包括：轴承15、电枢铁芯19、电枢绕组20和接电原件27；电枢铁芯19呈圆盘状，电枢5外围顺着圆周方向均布有多个向径向突出的极靴21，电枢5中心设有沿轴向向外突出的电枢轴22，电枢轴22穿过内壳轴孔18，电枢5通过轴承15与内壳13旋转连接，且电枢5与内壳13之间设有密封圈，用于保证电枢5与内壳13之间相对转动时的密封性；电枢绕组20由导线绕极靴21绕制而成，每个极靴21上均绕设有电枢绕组20；接电原件27与电枢绕组20电连接，接电原件27用于将外部电流接入电枢绕组20；导热芯侧壁套设于电枢5的外围，使导热芯3上的超导永磁体4正对于电枢5上的电枢绕组20，且超导永磁体4与电枢绕组20之间具有间隙；电枢5作为电机的转子。

本实施例中，使超导永磁体4捕获磁场的方法，以及超导电机的工作原理与实施例一完全相同，在此不再赘述。

实施例三

请参阅图16，本实施例与实施例一的唯一区别在于：超导电机的内部结构作出了变体设计，导热芯3作为超导电机的转子，电枢5作为超导电机的定子，电枢5与内壳13之间刚性连接。

请参阅图3和图16，所述导热芯3呈圆盘状，导热芯3外围顺着圆周方向设有多个用于阻隔热量传递的隔热槽23，隔热槽23将导热芯3的外围分割成多个导热单元，每个导热单元上固定有一个超导永磁体4以及与其对应的加热器11和温度检测单元，导热芯3作为电机的转子。

请参阅图16和图17，所述电枢5包括：电枢铁芯19、电枢绕组20和接电原件27；电枢铁芯19呈圆环状，电枢5的内壁顺着圆周方向均布有多个向径向突出的极靴21，电枢铁芯19与内壳13刚性连接；电枢绕组20由导线绕极靴21绕制而成，每个极靴21上均绕设有电枢绕组20；接电原件27与电枢绕组20电连接，接电原件27用于将外部电流接入电枢绕组20；电枢5套设于导热芯3的外围，使导热芯3上的超导永磁体4正对于电枢5上的电枢绕组20，且超导永磁体4与电枢绕组20之间具有间隙；电枢5作为电机的定子。

对于本实施例的超导电机，还包括导热芯轴28，导热芯轴28轴向固定于导热芯3的中心，导热芯轴28穿过内壳轴孔18，导热芯3与导热芯轴28构成一个整体通过轴承15与内壳13旋转连接。导热芯轴28与内壳13之间设有密封圈，用于保证导热芯轴28与内壳13之间相对转动时的密封性。导热芯轴28采用导热率很低的材料制成。由于导热芯轴28需要作为电机的旋转轴与导热芯3同步旋转，如果导热芯轴28与导热芯3之间能传递热量，则外露的导热芯轴28会从外界吸收热量，并传递至导热芯3，使超导永磁体4因温度升高进入非超导态而失效。

导热芯3作为转子旋转时，制冷机7是保持静止的，因而造成冷头9与导热芯3之间的相对转动。为了确保冷头9与导热芯3之间能传递热量，同时又能保证转动顺畅，所述的采用场冷超导永磁体4的超导电机还包括一个导热旋转接头24。冷头9和中空管轴10通过导热旋转接头24与导热芯3连接，使冷头9和中空管轴10与导热芯3旋转连接；导热旋转接头24具有导热性，可在导热芯3与冷头9之间传递热量。

本实施例中，使超导永磁体4捕获磁场的方法，以及超导电机的工作原理与实施例一完全相同，在此不再赘述。

实施例四

请参阅图18，本实施例与实施例一的唯一区别在于：超导电机的内部结构作出了变体设计，导热芯3作为超导电机的转子，且导热芯3呈圆桶状套设于电枢5外围，电枢5作为超导电机的定子，电枢铁芯19呈圆盘状。

请参阅图13、图14和图18，所述导热芯3呈圆桶状，具有一个圆柱形的导热芯侧壁，导热芯侧壁的一端面为一个圆形的导热芯底壁，导热芯侧壁的另一端面为开口，导热芯侧壁的顺着圆周方向设有多个用于阻隔热量传递的隔热槽23，隔热槽23将导热芯侧壁的分割成多个导热单元，每个导热单元上固定有一个超导永磁体4以及与其对应的加热器11和温度检测单元，导热芯3作为电机的转子。

请参阅图18和图19，所述电枢5包括：电枢铁芯19、电枢绕组20和接电原件27；电枢铁芯19呈圆环状，电枢5的外壁顺着圆周方向均布有多个向径向突出的极靴21，电枢铁芯19与内壳13刚性连接；电枢绕组20由导线绕极靴21绕制而成，每个极靴21上均绕设有电枢绕组20；接电原件27与电枢绕组20电连接，接电原件27用于将外部电流接入电枢绕组20；导热芯3套设于电枢5的外围，使导热芯3上的超导永磁体4正对于电枢5上的电枢绕组20，且超导永磁体4与电枢绕组20之间具有间隙；电枢5作为电机的定子。

对于本实施例的超导电机，还包括导热芯轴28，导热芯轴28轴向固定于导热芯3的中心，导热芯轴28穿过内壳轴孔18，导热芯3与导热芯轴28构成一个整体通过轴承15与内壳13旋转连接。导热芯轴28与内壳13之间设有密封圈，用于保证导热芯轴28与内壳13之间相对转动时的密封性。导热芯轴28采用导热率很低的材料制成。由于导热芯轴28需要作为电机的旋转轴与导热芯3同步旋转，如果导热芯轴28与导热芯3之间能传递热量，则外露的导热芯轴28会从外界吸收热量，并传递至导热芯3，使超导永磁体4因温度升高进入非超导态而失效。

导热芯3作为转子旋转时，制冷机7是保持静止的，因而造成冷头9与导热芯3之间的相对转动。为了确保冷头9与导热芯3之间能传递热量，同时又能保证转动顺畅，所述的采用场冷超导永磁体4的超导电机还包括一个导热旋转接头24。冷头9和中空管轴10通过导热旋转接头24与导热芯3连接，使冷头9和中空管轴10与导热芯3旋转连接；导热旋转接头24具有导热性，可在导热芯3与冷头9之间传递热量。

本实施例中，使超导永磁体4捕获磁场的方法，以及超导电机的工作原理与实施例一完全相同，在此不再赘述。

本发明所提供的一种采用场冷超导永磁体4的超导电机，利用超导体的超导特性，通过场冷法使超导永磁体4捕获强大的磁场。目前采用场冷法捕获的磁场磁感应强度最大达到了17.2T，远高于现有技术，并且该磁场无需消耗电能来维持。在远高于现有技术的强大磁场作用下，电机的性能被大大提高。同时具备低能耗，体积小的优点。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (17)

1.一种采用场冷超导永磁体的超导电机，其特征在于，包括：真空罩壳、温控模块、导热芯、超导永磁体、电枢和充磁模块；导热芯与温控模块连接，导热芯与温控模块之间可传递热量，温控模块用于通过导热芯传递热量，进而控制超导永磁体的温度；导热芯上顺着圆周方向均布固定有偶数个超导永磁体；电枢与导热芯同轴布置，电枢与导热芯可绕轴向相对转动；真空罩壳包覆于导热芯和电枢的外部；充磁模块设于真空罩壳的外侧。

2.根据权利要求1所述的采用场冷超导永磁体的超导电机，其特征在于：所述超导永磁体为超导块材。

3.根据权利要求1所述的采用场冷超导永磁体的超导电机，其特征在于：所述超导永磁体为自身短路的超导线圈。

4.根据权利要求1所述的采用场冷超导永磁体的超导电机，其特征在于，所述温控模块包括：制冷机、加热器和温度检测单元；制冷机具有一个延伸至真空罩壳内部的连接部，连接部端部设有用于导热的冷头，连接部与冷头外围套设有一用于加固连接部与冷头的中空管轴，中空管轴与连接部及冷头之间具有间隙，冷头与导热芯连接，导热芯与制冷机的冷头之间可传递热量；每个超导永磁体对应设置有一个加热器，加热器与导热芯连接，导热芯与加热器之间可传递热量，每个加热器能独立控制进行发热；每个超导永磁体还对应设置有一个温度检测单元，温度检测单元与导热芯连接，每个温度检测单元用于检测与之对应的超导永磁体的温度。

5.根据权利要求4所述的采用场冷超导永磁体的超导电机，其特征在于，所述真空罩壳包括：轴承、内壳、外壳、真空阀门、真空接头、密封圈、真空泵和充磁阀门；内壳呈圆桶状，具有一个圆柱形的内侧壁，内侧壁的一端面为一个圆形的内底壁，内底壁中心设有内壳轴孔，内侧壁的另一端面为开口；外壳呈圆桶状，具有一个圆柱形的外侧壁，且外侧壁的内径大于内侧壁的外径，外侧壁的一端面为一个圆形的外底壁，外底壁中心设有外壳轴孔，外侧壁的另一端面为开口；制冷机的中空管轴穿过外壳轴孔通过轴承与外壳旋转连接，且中空管轴与外壳之间设有密封圈，用于确保连接气密性；外侧壁上设有充磁开口，充磁开口处固定有充磁阀门，充磁阀门朝外壳的一端为输出端，充磁阀门背向外壳的一端为输入端；充磁模块设于充磁阀门的输入端，充磁模块与充磁阀门可分离设置；外壳套设于内壳之外，外壳的开口与内壳的开口相对设置，外壳与内壳在轴向上滑动连接，外壳与内壳之间通过密封圈连接，密封圈用于确保连接气密性；真空接头设于外壳上，真空接头通过真空阀门与真空泵连接，真空泵用于实现真空罩壳内部的真空；外壳、内壳及真空阀门三者组成一个内部真空的活动壳体。

6.根据权利要求5所述的采用场冷超导永磁体的超导电机，其特征在于：所述充磁模块包括一个能产生强磁场的超导线圈磁体和一个密封套；所述密封套用于与充磁阀门密封接合，密封套套设于超导线圈磁体外。

7.根据权利要求5所述的采用场冷超导永磁体的超导电机，其特征在于：所述充磁模块包括一个能产生强磁场的常规导线线圈磁体和一个密封套；所述密封套用于与充磁阀门密封接合，密封套套设于常规导线线圈磁体外。

8.根据权利要求5所述的采用场冷超导永磁体的超导电机，其特征在于：所述导热芯呈圆盘状，导热芯外围顺着圆周方向设有多个用于阻隔热量传递的隔热槽，隔热槽将导热芯的外围分割成多个导热单元，每个导热单元上固定有一个超导永磁体以及与其对应的加热器和温度检测单元，导热芯作为电机的定子固定于真空罩壳中心，导热芯与中空管轴刚性连接。

9.根据权利要求8所述的采用场冷超导永磁体的超导电机，其特征在于，所述电枢包括：轴承、电枢铁芯、电枢绕组和接电原件；电枢铁芯呈圆桶状，具有一个圆柱形的电枢侧壁，电枢侧壁的一端面为一个圆形的电枢底壁，电枢侧壁的另一端面为开口，电枢侧壁内侧顺着圆周方向均布有多个向径向突出的极靴，电枢底壁中心设有沿轴向向外突出的电枢轴，电枢轴穿过内壳轴孔，电枢通过轴承与内壳旋转连接，且电枢与内壳之间设有密封圈，用于保证电枢与内壳之间相对转动的密封性；电枢绕组由导线绕极靴绕制而成，每个极靴上均绕设有电枢绕组；接电原件与电枢绕组电连接，接电原件用于将外部电流接入电枢绕组；电枢侧壁套设于导热芯的外围，使导热芯上的超导永磁体正对于电枢上的电枢绕组，且超导永磁体与电枢绕组之间具有间隙；电枢作为电机的转子。

10.根据权利要求5所述的采用场冷超导永磁体的超导电机，其特征在于：所述导热芯呈圆桶状，具有一个圆柱形的导热芯侧壁，导热芯侧壁的一端面为一个圆形的导热芯底壁，导热芯侧壁的另一端面为开口，导热芯侧壁的内侧顺着圆周方向设有多个用于阻隔热量传递的隔热槽，隔热槽将导热芯侧壁的内侧分割成多个导热单元，每个导热单元上固定有一个超导永磁体以及与其对应的加热器和温度检测单元，导热芯作为电机的定子固定于真空罩壳的内部，导热芯与中空管轴刚性连接。

11.根据权利要求10所述的采用场冷超导永磁体的超导电机，其特征在于，所述电枢包括：轴承、电枢铁芯、电枢绕组和接电原件；电枢铁芯呈圆盘状，电枢外围顺着圆周方向均布有多个向径向突出的极靴，电枢中心设有沿轴向向外突出的电枢轴，电枢轴穿过内壳轴孔，电枢通过轴承与内壳旋转连接，且电枢与内壳之间设有密封圈，用于保证电枢与内壳之间相对转动的密封性；电枢绕组由导线绕极靴绕制而成，每个极靴上均绕设有电枢绕组；接电原件与电枢绕组电连接，接电原件用于将外部电流接入电枢绕组；导热芯侧壁套设于电枢的外围，使导热芯上的超导永磁体正对于电枢上的电枢绕组，且超导永磁体与电枢绕组之间具有间隙；电枢作为电机的转子。

12.根据权利要求5所述的采用场冷超导永磁体的超导电机，其特征在于：所述导热芯呈圆盘状，导热芯外围顺着圆周方向设有多个用于阻隔热量传递的隔热槽，隔热槽将导热芯的外围分割成多个导热单元，每个导热单元上固定有一个超导永磁体以及与其对应的加热器和温度检测单元，导热芯作为电机的转子。

13.根据权利要求12所述的采用场冷超导永磁体的超导电机，其特征在于，所述电枢包括：电枢铁芯、电枢绕组和接电原件；电枢铁芯呈圆环状，电枢的内壁顺着圆周方向均布有多个向径向突出的极靴，电枢铁芯与内壳刚性连接；电枢绕组由导线绕极靴绕制而成，每个极靴上均绕设有电枢绕组；接电原件与电枢绕组电连接，接电原件用于将外部电流接入电枢绕组；电枢套设于导热芯的外围，使导热芯上的超导永磁体正对于电枢上的电枢绕组，且超导永磁体与电枢绕组之间具有间隙；电枢作为电机的定子。

14.根据权利要求5所述的采用场冷超导永磁体的超导电机，其特征在于：所述导热芯呈圆桶状，具有一个圆柱形的导热芯侧壁，导热芯侧壁的一端面为一个圆形的导热芯底壁，导热芯侧壁的另一端面为开口，导热芯侧壁的内侧顺着圆周方向设有多个用于阻隔热量传递的隔热槽，隔热槽将导热芯侧壁的内侧分割成多个导热单元，每个导热单元上固定有一个超导永磁体以及与其对应的加热器和温度检测单元，导热芯作为电机的转子。

15.根据权利要求14所述的采用场冷超导永磁体的超导电机，其特征在于，所述电枢包括：电枢铁芯、电枢绕组和接电原件；电枢铁芯呈圆环状，电枢的外壁顺着圆周方向均布有多个向径向突出的极靴，电枢铁芯与内壳刚性连接；电枢绕组由导线绕极靴绕制而成，每个极靴上均绕设有电枢绕组；接电原件与电枢绕组电连接，接电原件用于将外部电流接入电枢绕组；导热芯套设于电枢的外围，使导热芯上的超导永磁体正对于电枢上的电枢绕组，且超导永磁体与电枢绕组之间具有间隙；电枢作为电机的定子。

16.根据权利要求12或14所述的采用场冷超导永磁体的超导电机，其特征在于：还包括一个导热旋转接头，冷头和中空管轴通过导热旋转接头与导热芯连接，使冷头和中空管轴与导热芯旋转连接；导热旋转接头具有导热性，可在导热芯与冷头之间传递热量。

17.根据权利要求12或14所述的采用场冷超导永磁体的超导电机，其特征在于：还包括导热芯轴，导热芯轴轴向固定于导热芯的中心，导热芯轴穿过内壳轴孔，导热芯与导热芯轴构成一个整体通过轴承与内壳旋转连接，导热芯轴与内壳之间设有密封圈，用于保证导热芯轴与内壳之间相对转动时的密封性。

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