CN104852554A - 一种混合绕组高速双馈超导电机系统 - Google Patents

Abstract

一种混合绕组高速双馈超导电机系统，包括定子、超导线圈组、铜线圈组、超导冷却装置、转子机构组、转子超导块材和转轴，所述定子包括定子铁轭、超导线圈组、铜线圈组和超导冷却装置；超导线圈组和铜线圈组交替地设置在定子铁轭的线圈槽上；定子的定子铁轭具有偶数个等夹角间隔的线圈槽，转子机构组为等夹角齿形，转子超导块材粘结在转子机构组中的齿形空缺处，与转子机构组的齿形构成间隔设置。超导线圈组承载低频大电流，铜线圈承载高频小电流。采用超导线圈提供高转矩输出，采用铜绕组线圈提供高速磁场条件，利用磁阻转子的磁场调制作用，分别调制两种线圈所产生的磁场，最终实现高速大转矩的输出。

Description

一种混合绕组高速双馈超导电机系统

技术领域

本发明涉及一种电机系统，尤其涉及一种混合绕组高速双馈超导电机系统。

技术背景

随着超导技术的迅速发展，超导线材由于其无电阻、无损特性，国内外开发很多类型的超导电机用于船舶电力推进、风力发电等领域。此种类型的超导电机有使用镍钛合金的低温超导电机系统，也有使用Bi2223或者YBCO带材的高温超导电机。这种超导电机将超导体的超导电性运用到电机的转子中，使得超导线圈在低温环境中(例如4.2K或者77K)中产生高磁场密度，利用这种比传统电机磁场密度高2～3倍的磁场密度有效地减小电机的体积和质量，相关的研究证明，通过这种方式可以将同等功率的电机质量减小为原来的1/3左右。目前这种高温/低温超导电机已经成功研发并已应用到船舶推进和风力发电领域，并得到了广泛地应用。

但是这些超导电机的应用领域通常要求的转速不高，最高转速为1500转/分。其原因是目前的高温超导带材(Bi2223或者YBCO带材)或者低温超导带材(例如镍钛合金)的电载流特性都难以运行在高频电流的环境下，超导线材在高频条件下，载流能力下降且交流损耗严重，难以发挥超导电性的优势。此外，超导线圈在高频磁场条件下，超导体的临界电流也下降很多，因此，在超导线圈应用在超导电机中通常都运行在低速、低频条件下。

提高电机的功率密度也可以从提高转速上来实现，当电机运行在高速条件下时，高速电机的功率密度远远超过了超导电机的功率密度。且超导电机低速运行特性也严重限制了超导电机的应用和发展。

因此本发明专利针对这种情况，提出一种新型的超导高速电机，该电机不但采用超导绕组来增加电机的功率密度，其转速还可以运行在高速条件下，从出力条件和转速条件上两个方面提高电机的功率密度。

发明内容

本发明为解决超导线圈难以应用于高速电机中，提出一种利用超导线圈和铜绕组线圈同时应用在高速电机定子中，而转子结构采用两种不同的磁导率材料组成，通过超导线圈高载流能力、高磁场产生能力增加电机转矩，铜绕组线圈提供高频磁场使得电机转子运行在高转速条件下，利用两种线圈的不同特性实现超导电机高速旋转。

为达到以上目的，本发明提供一种混合绕组高速双馈超导电机系统，包括：

定子、超导线圈组、铜线圈组、超导冷却装置和转子，

所述定子包括定子铁轭、超导线圈组、铜线圈组和超导冷却装置；超导线圈组和铜线圈组交替地设置在定子铁轭的线圈槽内，定子的定子铁轭具有偶数个等夹角间隔的线圈槽，所述超导冷却装置用于冷却超导线圈组；

所述转子包括转子机构组、转子超导块材和转子轴；转子机构组为等夹角间隔的齿形，转子超导块材贴于转子机构组中的齿形空缺处；转子的转子轴穿过定子，转子机构组和转子超导块材位于定子内部并与转子轴紧密结合；

所述转子超导块材和转子机构组的齿形结构的数量相同，所述转子超导块材的数量为超导线圈组和铜线圈组各自构成的磁极对数之和。

优选的是，所述定子铁轭的线圈槽数为超导线圈和铜线圈所产生的各自的磁极数的最小公倍数乘以相数再乘以整数倍。

优选的是，所述定子铁轭包括柱状铁筒和隔板，所述隔板位于柱状铁筒上形成线圈槽；

两相邻的隔板之间形成一个内侧线圈槽和一个外侧线圈槽；所述超导线圈和铜线圈采用背绕式绕法，弯曲部半径恒定地绕柱状铁筒壁的轴向缠绕。

优选的是，两相邻隔板形成的内侧线圈槽和外侧线圈槽内的线圈为超导线圈或铜线圈中的一种。

优选的是，所述超导冷却装置的结构包括超导线圈冷却流道和超导线圈冷却回路盖；嵌入于定子铁轭线圈槽内的超导线圈冷却流道与两端的超导线圈冷却回路盖紧密结合并将超导线圈组封闭于其腔内，腔内充满冷却介质；超导线圈冷却回路盖的一侧开有与相对应的超导线圈组相通的冷却回路接线孔；所述冷却回路接线孔同时作为冷却介质的输出或输入孔。

优选的是，所述超导线圈组可根据磁极对数和绕组连接形式的需要，将所述接线孔内的超导线圈进行电连接从而对超导线圈组进行接线组合。

优选的是，所述超导线圈组冷却流道由玻璃钢制成。

优选的是，所述定子铁轭的线圈槽数为12个，相隔机械角度为30度，铜线圈组产生的磁极数为2极，超导线圈组产生的磁极数为4极，所述转子超导块材的数量为3块。

优选的是，所述转子机构组为导磁硅钢片，所述转子超导块材通过高强度树脂环氧胶粘贴于转子机构组上。

优选的是，所述定子整体在真空模具中进行低温环氧灌封，将超导线圈组、超导冷却回路装置、铜线圈组和定子铁轭统一成为一个整体，从而使得电机的铜线圈组和定子铁轭利用超导冷却回路装置进行冷却。

本发明的有益效果：本发明的双馈高速超导电机体统摆脱了传统的超导电机采用超导线圈单一应用于转子或定子结构，反而采用超导线圈提供高转矩输出，采用铜绕组线圈提供高速磁场条件，利用磁阻转子的磁场调制作用，分别调制两种线圈所产生的磁场，最终实现高速大转矩的输出。高速超导电机可以应用于航空航天的高速动力系统，通过高速和超导两方面的特点，提高电机的功率密度，使得大功率电机可以应用于航天器中。

附图说明

图1为本发明的混合绕组高速双馈超导电机系统的径向剖面图；

图2为本发明的定子中的超导冷却装置示意图；

图3为本发明的混合绕组高速双馈超导电机系统的结构示意图；

图4为本发明的转子结构示意图；

图5为本发明的定子铁轭结构示意图；

图6为本发明的转矩的数据图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

如图1、图2和图3所示，一种混合绕组高速双馈超导电机系统，包括：

定子1、超导线圈组5、铜线圈组4、超导冷却装置16和转子9；其中，

所述定子1包括定子铁轭、超导线圈组5、铜线圈组4和超导冷却装置16；超导线圈组5和铜线圈组4交替地设置在定子铁轭的线圈槽内，定子1的定子铁轭具有偶数个等夹角间隔的线圈槽，所述超导冷却装置16用于冷却超导线圈组5。定子1的外部用外罩13封闭。

所述定子铁轭的线圈槽数为超导线圈和铜线圈所产生的各自的磁极数的最小公倍数乘以相数再乘以整数倍。

如图5所示，所述定子铁轭包括柱状铁筒2和隔板3，所述隔板3位于柱状铁筒2上形成线圈槽；两相邻的隔板3之间形成一个内侧线圈槽8和一个外侧线圈槽7；所述超导线圈和铜线圈采用背绕式绕法，弯曲部半径恒定地绕柱状铁筒壁的轴向缠绕。两相邻隔板3形成的内侧线圈槽8和外侧线圈槽7内的线圈为超导线圈或铜线圈的一种，如果设两相邻隔板3之间形成的线圈槽为一组，则每组线圈槽内的线圈只有一种。本发明中提出的背绕法，是将单个线圈沿着外圈(外侧线圈槽)和内圈(内侧线圈槽)进行绕制。由于采用了背绕法，超导线圈绕制时不能像常规电机那样采用槽内穿线的方法绕制，因此可将定子铁心按照槽位置拆分成等距的弧形，将超导线材依次绕制在该弧形上，而后进行组合。

所述超导冷却装置16的结构包括超导线圈冷却流道6和超导线圈冷却回路盖14；嵌入于定子铁轭线圈槽(包括内侧线圈槽8和外侧线圈槽7)内的超导线圈冷却流道6与两端的超导线圈冷却回路盖14紧密结合并将超导线圈组5封闭于其腔内，腔内充满冷却介质；超导线圈冷却回路盖14的一侧开有与相对应的超导线圈组5相通的冷却回路接线孔15；所述冷却回路接线孔15与用于输出液氮的冷却孔为同一个孔，即超导线圈组5通过冷却回路接线孔15与外部电源连接，同时，接线孔也作为液氮的流动通道。同时，所述超导线圈组5可根据磁极对数和绕组连接形式的需要(如星角连接)，将所述接线孔内的超导线圈进行电连接，从而对超导线圈组进行接线组合。所述超导线圈组冷却流道6由玻璃钢制成。本发明的超导线圈冷却流道6采用整体近似长方体设置，这样其有三个面与定子铁轭接触，增强对定子铁轭的冷却效果。

本发明绕制的超导线圈采用跑道型结构，超导线圈的电流输入端和输出端均在同一侧，因此需要一个接线孔便能够将相应的超导线圈导通；同时由于单纯的超导电流引线不能完全占有冷却回路接线孔15，其余的面积可以作为液氮的流入或流出使用，因此冷却回路接线孔15也可用于传导超导线圈的冷却介质。本实发明采用六个冷却回路接线孔15，接线孔分成两组，三个为液氮输入孔，另三个为液氮输出孔。

超导线圈组5与超导冷却装置16搭配使用，使得超导线圈组5的温度能够达到70K的过冷液氮温区，在此温区下，超导线圈组5达到无电阻状态，其承载低频大电流(或者直流)；每个铜线圈安放在与超导线圈相隔360/Z度(Z为电机槽数)机械角度的位置，呈现间隔放置，同时承载高频小电流，承载高频小电流。通常情况超导电流频率为0-20Hz，而铜绕组电流为500-1000Hz。当本发明的超导线圈通直流电流，而铜线圈通过600Hz交流电流，在超导电流50A，铜绕组电流1A的情况下，得到电机的转矩如图6所示。

所述定子1整体在真空模具中进行低温环氧灌封，将超导线圈组5、超导冷却回路装置16、铜线圈组4和定子铁轭统一成为一个整体，从而使得电机的铜线圈组4和定子铁轭利用超导冷却回路装置16进行冷却。铜线圈组4及定子铁轭在整体完成后，利用低温环氧树脂统一密封，由于超导冷却装置16的超导线圈冷却流道6与定子铁轭直接连接，从而可以利用超导冷却装置16中的液氮的低温漏热为定子铁轭进行降温，随之也冷却了铜线圈组。

本发明的高速超导电机的定子铁轭的线圈槽数为12个，相隔机械角度为30度，铜线圈组产生的磁极数为2极，超导线圈组产生的磁极数为4极，所述转子超导块材的数量为3块。

如图4所示，所述转子9包括转子机构组12、转子超导块材10和转子轴11；转子机构组12为等夹角间隔的齿形，转子超导块材10贴于转子机构组中的齿形空缺处；转子9的转子轴11穿过定子1，转子机构组12和转子超导块材10位于定子1内部并与转子轴1紧密结合。

所述转子超导块材10和转子机构组12的齿形结构的数量相同，所述转子超导块材10的数量为超导线圈组5和铜线圈组4各自构成的磁极对数之和。所述转子机构组12为导磁硅钢片，所述转子超导块材10通过高强度树脂环氧胶粘贴于转子机构组上。

所述转子的结构形式为导磁硅钢片与超导块材统一的整体，且超导块材组利用定子中超导冷却回路的漏热量进行冷却。超导块材10在低温条件下(约98K)可以实现迈纳斯态，从而超导块材构成绝对抗磁回路，为整个磁路提供不导磁磁路，让定子磁场只从转子机构组12中通过。利用转子机构组12和超导块材10的高导磁率差值增加电机的磁阻转矩；转子机构组及转子超导块材统一固定地安装在转子轴上，向外传递转矩。

超导块材组10在低温约98K(约-173摄氏度)下运行，其温度依靠定子超导冷却系统在空间中的漏热提供，辅助降温，不需要额外的冷却机构为其提供冷却，简化了电机的体积和结构。

本发明的超导电机基于无刷双馈电机的原理提出，将电机定子中两种不同磁场极数的绕组，分别定义为2p和2q极，其中2p极绕组通以角频率为wp，电流有效值为Ip的三相对称电流，以A相绕组轴向为空间参考坐标，其在空间中建立的2p极基波旋转磁动势为：

其中，Fpm为基波磁动势的幅值：

其中，Ф为以机械角度表示的相对于定子参考坐标点的位置较；

同理，可以得到2q极绕组产生的旋转磁动势为：

其中，а为两种磁动势之间的夹角；

而转子采用的磁阻式，因此，其气隙比磁导相对于定子坐标可以表达为：

其中，ωrm为电机的机械角速度。从而得到的电机气隙磁密为：

将其进行整合后，同次频率作为一个表达式，得到：

从而可以看出，通过气隙磁导的调制作用，使得气隙磁场存在六种分量，其幅值与相对定子的旋转速度各不相同，分别与定子绕组的极数、绕组电流的频率、幅值、相位和相序，以及磁阻电机的结构，极数等参数相关。

因此，本发明中针对这种原理，提出两种绕组频率的超导-常导的高速超导电机形式。

Claims (10)

1.一种混合绕组高速双馈超导电机系统，包括定子、超导线圈组、铜线圈组、超导冷却装置和转子，其特征在于：

所述定子包括定子铁轭、超导线圈组、铜线圈组和超导冷却装置；超导线圈组和铜线圈组交替地设置在定子铁轭的线圈槽内，定子的定子铁轭具有偶数个等夹角间隔的线圈槽，所述超导冷却装置用于冷却超导线圈组；

所述转子包括转子机构组、转子超导块材和转子轴；转子机构组为等夹角间隔的齿形，转子超导块材贴于转子机构组中的齿形空缺处；转子的转子轴穿过定子，转子机构组和转子超导块材位于定子内部并与转子轴紧密结合；

所述转子超导块材和转子机构组的齿形结构的数量相同，所述转子超导块材的数量为超导线圈组和铜线圈组各自构成的磁极对数之和。

2.根据权利要求1所述的混合绕组高速双馈超导电机系统，其特征在于：

所述定子铁轭的线圈槽数为超导线圈和铜线圈所产生的各自的磁极数的最小公倍数乘以相数再乘以整数倍。

3.根据权利要求1所述的混合绕组高速双馈超导电机系统，其特征在于：

所述定子铁轭包括柱状铁筒和隔板，所述隔板位于柱状铁筒上形成线圈槽；

两相邻的隔板之间形成一个内侧线圈槽和一个外侧线圈槽；所述超导线圈和铜线圈采用背绕式绕法，弯曲部半径恒定地绕柱状铁筒壁的轴向缠绕。

4.根据权利要求3所述的混合绕组高速双馈超导电机系统，其特征在于：

两相邻隔板形成的内侧线圈槽和外侧线圈槽内的线圈为超导线圈或铜线圈中的一种。

5.根据权利要求3所述的混合绕组高速双馈超导电机系统，其特征在于：

所述超导冷却装置的结构包括超导线圈冷却流道和超导线圈冷却回路盖；嵌入于定子铁轭线圈槽内的超导线圈冷却流道与两端的超导线圈冷却回路盖紧密结合并将超导线圈组封闭于其腔内，腔内充满冷却介质；超导线圈冷却回路盖的一侧开有与相对应的超导线圈组相通的冷却回路接线孔；所述冷却回路接线孔同时作为冷却介质的输出或输入孔。

6.根据权利要求5所述的混合绕组高速双馈超导电机系统，其特征在于：

所述超导线圈组可根据磁极对数和绕组连接形式的需要，将所述接线孔内的超导线圈进行电连接从而对超导线圈组进行接线组合。

7.根据权利要求5所述的混合绕组高速双馈超导电机系统，其特征在于：

所述超导线圈组冷却流道由玻璃钢制成。

8.根据权利要求1所述的混合绕组高速双馈超导电机系统，其特征在于：

所述定子铁轭的线圈槽数为12个，相隔机械角度为30度，铜线圈组产生的磁极数为2极，超导线圈组产生的磁极数为4极，所述转子超导块材的数量为3块。

9.根据权利要求1所述的混合绕组高速双馈超导电机系统，其特征在于：

所述转子机构组为导磁硅钢片，所述转子超导块材通过高强度树脂环氧胶粘贴于转子机构组上。

10.根据权利要求1所述的混合绕组高速双馈超导电机系统，其特征在于：

所述定子整体在真空模具中进行低温环氧灌封，将超导线圈组、超导冷却回路装置、铜线圈组和定子铁轭统一成为一个整体，从而使得电机的铜线圈组和定子铁轭利用超导冷却回路装置进行冷却。