CN104901511B - 一种横向磁通高速超导电机系统 - Google Patents

一种横向磁通高速超导电机系统 Download PDF

Info

Publication number
CN104901511B
CN104901511B CN201510304701.9A CN201510304701A CN104901511B CN 104901511 B CN104901511 B CN 104901511B CN 201510304701 A CN201510304701 A CN 201510304701A CN 104901511 B CN104901511 B CN 104901511B
Authority
CN
China
Prior art keywords
stator
magnetic
superconducting
motor
rotor
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201510304701.9A
Other languages
English (en)
Other versions
CN104901511A (zh
Inventor
李立毅
曹继伟
张成明
潘东华
刘家曦
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Harbin Institute of Technology
Original Assignee
Harbin Institute of Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Harbin Institute of Technology filed Critical Harbin Institute of Technology
Priority to CN201510304701.9A priority Critical patent/CN104901511B/zh
Publication of CN104901511A publication Critical patent/CN104901511A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN104901511B publication Critical patent/CN104901511B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E40/00—Technologies for an efficient electrical power generation, transmission or distribution
    • Y02E40/60—Superconducting electric elements or equipment; Power systems integrating superconducting elements or equipment

Landscapes

  • Superconductive Dynamoelectric Machines (AREA)

Abstract

一种横向磁通高速超导电机系统，它为解决微型、高速、高功率密度超导电机的实用化而提出。它包括定子外部导磁环、超导线圈组、定子异型导磁块、转子磁钢组、转子、转轴组成，此种超导电机利用超导绕组的无阻特性，通入间歇性的直流电流，利用环形超导绕组的机械特性减小超导电机的外径，同时利用超导绕组的失超恢复特性提高超导绕组的直流载流能力及超导电机的转速，扩充了超导电机在高速电机领域内的应用。

Description

一种横向磁通高速超导电机系统
技术领域
本发明涉及一种超导电机，尤其涉及一种横向磁通高速超导电机系统。
背景技术
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。
此外，一般的高温超导电机的体积较大，主要原因为现阶段高温超导线材的机械弯曲特性交叉，最小弯曲半径为25-30mm，弯曲半径一旦大于此限定值，超导线材容易出现不可回复性故障。因此，目前的高温超导电机都将超导线材绕制成尺寸较大的超导线圈，限制了超导电机的总体体积。
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。
发明内容
为克服现有技术的不足，本发明提供一种横向磁通高速超导电机。
本发明提供的技术方案为：
一种横向磁通高速超导电机系统，所述电机由m个相同的电机模块组成，其中m大于等于3；所述电机模块包括定子和转子；
其中，定子包括定子异形导磁体、定子外部导磁环和超导线圈；
所述定子异形导磁体有两组，分别为第一定子异形导磁体和第二定子异形导磁体；每个定子异形导磁体包括一外接环和数量为n且n大于等于1的长方瓦片形磁导板，所述长方瓦片形磁导板与外接环连接并形成等间距的齿状结构；第一定子异形导磁体和第二定子异形导磁体的长方瓦片形磁导板相互不接触地插入齿状结构的间隙，形成一圆柱形导磁结构；定子外部导磁环为圆柱形结构，定子外部导磁环位于所述圆柱形导磁结构的外表面并与所述外接环结合，所述定子外部导磁环和圆柱形导磁结构之间形成一可封闭的空腔；
所述超导线圈绕圆柱形导磁结构的径向缠绕，所述超导线圈位于定子外部导磁环和圆柱形导磁结构之间的空腔中；
转子包括瓦片形永磁体和转轴；两个不同极性的永磁体为一组，N/S极交错排列地贴于转轴上；所述N/S极的极数p等于n；
电机模块之间的定子沿同一圆周方向依次相差360/m电角度而不同电机模块间的转子同极性的永磁体排列的空间位置相同，或者电机模块之间的转子沿同一圆周方向依次相差360/m电角度而不同电机模块间定子异形导磁体排列的空间位置相同；
优选的是，当电机模块之间的定子沿同一圆周方向依次相差360/m电角度而不同电机模块间的转子同极性的永磁体排列的空间位置相同时，不同电机模块间的转子为一体结构。
优选的是，当电机模块之间的转子沿同一圆周方向依次相差360/m电角度而不同电机模块间的定子异形导磁体排列的空间位置相同时，不同电机模块间的转子为分段式结构。
优选的是，所述定子外部导磁环和圆柱形导磁结构之间形成的空腔充满液氮冷却液。
本发明的有益效果：本发明的横向磁通超导电机摆脱了传统超导电机的跑道型结构，本发明的定子采用环形超导绕组，利用环形超导线圈提供磁场，通过定子异形导磁体改变定子磁通方向，从而使定子磁通与转子磁通相耦合；超导线圈通过间歇性的直流电流，可以有效地利用超导线圈的失超恢复特性，提高超导线圈的电流承载能力。本发明的模块化、微型化、高速化的横向磁通超导电机可以应用于对电机功率密度要求严格的航空航天等领域中，本发明通过高速和超导两方面的特点，提高电机的功率密度。
附图说明
图1为本发明的横向磁通高速超导电机系统的轴向剖面示意图；
图2为本发明的横向磁通高速超导电机系统的侧面示意图；
图3为本发明的横向磁通高速超导电机系统的通电顺序示意图；
图4为本发明的横向磁通高速超导电机系统的电机模块的通电时间示意图；
图5为本发明的横向磁通高速超导电机系统的剖面图；
图6为本发明的横向磁通高速超导电机系统的定子异形导磁体(磁导板n为5)；
图7为本发明的横向磁通高速超导电机系统的转子相差360/m电角度时的结构示意图。
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、图5和图6所示，一种横向磁通高速超导电机系统，所述电机由m个相同的电机模块组成，其中m大于等于3；所述电机模块包括定子和转子。
定子包括定子异形导磁体、定子外部导磁环1和超导线圈2。
所述定子异形导磁体有两组，分别为第一定子异形导磁体3和第二定子异形导磁体4；每个定子异形导磁体包括一外接环和数量为n且n大于等于1的长方瓦片形磁导板，所述长方瓦片形磁导板与外接环5连接并形成等间距的齿状结构(本发明的电机模块之间采用的磁导板均相同)；第一定子异形导磁体3和第二定子异形导磁体4的长方瓦片形磁导板相互不接触地插入齿状结构 的间隙，形成一圆柱形导磁结构；定子外部导磁环1为圆柱形结构，定子外部导磁环1位于所述圆柱形导磁结构的外表面并与所述外接环5结合，所述定子外部导磁环1和圆柱形导磁结构之间形成一可封闭的空腔。空腔内充满液氮冷却液，冷却液使得超导线圈的温度达到70K的过冷氮温区，在此温度下超导线圈达到无阻状态。
所述超导线圈2绕由第一定子异形导磁体3和第二定子异形导磁体4构成的圆柱形导磁结构的外部径向缠绕，这样的环形绕组使得超导电机的定子外径很小，且采用机械绕线方式不影响到超导线圈2的临界电流。所述超导线圈2位于定子外部导磁环1和圆柱形导磁结构之间的空腔中。
转子包括瓦片形永磁体6和转轴7；两个不同极性的永磁体为一组，N/S极交错排列地贴于转轴上；所述N/S极的极对数p等于n。
电机模块之间的定子沿同一圆周方向依次相差360/m电角度而不同电机模块间的转子同极性的永磁体排列的空间位置相同，或者如图7所示，电机模块之间的转子沿同一圆周方向依次相差360/m电角度而不同电机模块间定子异形导磁体排列的空间位置相同。即保证电机模块之间存在360/m电角度的差值，无论是通过定还是转子，只有这样的磁差角度才能保证本发明的电机采用“接力”式的通电方式，
当电机模块之间的定子沿同一圆周方向依次相差360/m电角度而不同电机模块间的转子同极性的永磁体排列的空间位置相同时，不同电机模块间的转子为一体结构。当电机模块之间的转子沿同一圆周方向依次相差360/m电角度而不同电机模块间的定子异形导磁体排列的空间位置相同时，不同电机模块间的转子为分段式结构。
如图3所示，转子N/S极的级数与单个定子异形导磁体的长方瓦片形磁导板的数量相同，长方瓦片形磁导板与转子上的瓦片形永磁体相对应。定子超导线圈2通电后长方瓦片形磁导板呈N/S极交错排列，也可以理解为第一定子异形导磁体3和第二定子异形导磁体4分别形成N极和S极。单个电机模块的超导线圈2承载间歇性的直流电流，转子旋转360度电角度(或180/p机械角度)为一个通电周期，由于两电机模块之间的定子异型导磁体的长方瓦片形磁导板沿圆周方向依次相差360/m电角度，转子上同极性永磁体排列的空间位置相同，电机转子以旋转180度为分界线，转子旋转的前半周的通电方向与后半周的通电方向相反；具体地，按从左到右顺序的电机模块的编号为1、2、3、…、a、…、m(电机共m个电机模块)，则定子前半周的通电顺序为0～180/m、180/m～2*180/m、2*180/m～3*180/m、…、(a‐1)*180/m～a*180/m、…、(m‐1)*180/m～180，后半周按同样电机模块的顺序从左至右通以反向电流。
如图4所示，每个电机模块的超导线圈2通入的直流电流数值超过超导线圈2的临界电流，电机模块的每个周期内的不通电时间作为超导线圈的失超回复时间。超导线圈2的最大承载直流电流数值由失超回复时间及超导电机的模块数量决定(具体数值由超导线材特性及电机参数决定)；而电机转速决定于每个周期的时间长度，时间长度越短，电机转速越高。电机转速的极限值由超导线圈的最长回复时间决定,如下式所述：
式中，p为电机极对数，k为超导线圈通电时间与失超回复时间比例，t1为超导线圈半周期通电时间。

Claims (4)

1.一种横向磁通高速超导电机系统，其特征在于：
所述电机由m个相同的电机模块组成，其中m大于等于3；所述电机模块包括定子和转子；
其中，定子包括定子异形导磁体、定子外部导磁环和超导线圈；
所述定子异形导磁体有两组，分别为第一定子异形导磁体和第二定子异形导磁体；每个定子异形导磁体包括一外接环和数量为n且n大于等于1的长方瓦片形磁导板，所述长方瓦片形磁导板与外接环连接并形成等间距的齿状结构；第一定子异形导磁体和第二定子异形导磁体的长方瓦片形磁导板相互不接触地插入齿状结构的间隙，形成一圆柱形导磁结构；定子外部导磁环为圆柱形结构，定子外部导磁环位于所述圆柱形导磁结构的外表面并与所述外接环结合，所述定子外部导磁环和圆柱形导磁结构之间形成一可封闭的空腔；
所述超导线圈绕圆柱形导磁结构的径向缠绕，所述超导线圈位于定子外部导磁环和圆柱形导磁结构之间的空腔中；
转子包括瓦片形永磁体和转轴；两个不同极性的永磁体为一组，N/S极交错排列地贴于转轴上；所述N/S极的极对数p等于n；
电机模块之间的定子沿同一圆周方向依次相差360/m电角度而不同电机模块间的转子同极性的永磁体排列的空间位置相同，或者电机模块之间的转子沿同一圆周方向依次相差360/m电角度而不同电机模块间定子异形导磁体排列的空间位置相同；
单个电机模块的超导线圈承载间歇性的直流电流。
2.根据权利要求1所述的横向磁通高速超导电机系统，其特征在于：
当电机模块之间的定子沿同一圆周方向依次相差360/m电角度而不同电机模块间的转子同极性的永磁体排列的空间位置相同时，不同电机模块间的转子为一体结构。
3.根据权利要求1所述的横向磁通高速超导电机系统，其特征在于：
当电机模块之间的转子沿同一圆周方向依次相差360/m电角度而不同电机模块间的定子异形导磁体排列的空间位置相同时，不同电机模块间的转子为分段式结构。
4.根据权利要求1所述的横向磁通高速超导电机系统，其特征在于：
所述定子外部导磁环和圆柱形导磁结构之间形成的空腔充满液氮冷却液。
CN201510304701.9A 2015-06-04 2015-06-04 一种横向磁通高速超导电机系统 Active CN104901511B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201510304701.9A CN104901511B (zh) 2015-06-04 2015-06-04 一种横向磁通高速超导电机系统

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201510304701.9A CN104901511B (zh) 2015-06-04 2015-06-04 一种横向磁通高速超导电机系统

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN104901511A CN104901511A (zh) 2015-09-09
CN104901511B true CN104901511B (zh) 2018-03-09

Family

ID=54033974

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201510304701.9A Active CN104901511B (zh) 2015-06-04 2015-06-04 一种横向磁通高速超导电机系统

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN104901511B (zh)

Families Citing this family (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106452014B (zh) * 2016-12-09 2019-02-26 邹九大 一种超导磁能电动机
CN107623420B (zh) * 2017-10-18 2019-11-29 中国石油大学(华东) 一种静态密封自预防失超高温超导电机
CN108418396B (zh) * 2018-03-28 2020-02-07 中国石油大学(华东) 一种定子分段单体励磁分极式高温超导电机
EP3813248A4 (en) * 2018-07-02 2021-06-16 SZ DJI Technology Co., Ltd. METHOD AND SYSTEM FOR DETERMINING THE MECHANICAL STARTING ANGLE OF AN ELECTRIC MOTOR
CN108871301B (zh) * 2018-07-18 2021-03-23 哈尔滨工业大学 磁场方位测量方法
CN110011518A (zh) * 2019-03-20 2019-07-12 武汉轻工大学 一种热管冷却式环绕型超导电机
CN110380533A (zh) * 2019-06-21 2019-10-25 侯唯敏 一种电机及包括该电机的设备

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH04207963A (ja) * 1990-11-30 1992-07-29 Aisin Aw Co Ltd 横置き超電導モータ
DE10039466A1 (de) * 2000-05-05 2001-11-08 Bosch Gmbh Robert Unipolar-Transversalflußmaschine
DE10317993B4 (de) * 2003-04-19 2019-08-29 Oswald Elektromotoren Gmbh Supraleitende elektrische Maschine
JP4890119B2 (ja) * 2006-06-23 2012-03-07 株式会社Ｉｈｉ 超電導コイル装置及び誘導子型同期機
JP4983561B2 (ja) * 2007-11-15 2012-07-25 住友電気工業株式会社 超電導モータ
CN101262169A (zh) * 2008-04-28 2008-09-10 哈尔滨工业大学 轴向磁通电磁减速式高温超导电动机
CN101795050A (zh) * 2010-03-31 2010-08-04 哈尔滨工业大学 超导型高动态直接驱动电动作动器
CN102420515B (zh) * 2011-11-30 2013-08-21 哈尔滨工业大学 磁场调制式横向磁通多相永磁电机

Also Published As

Publication number Publication date
CN104901511A (zh) 2015-09-09

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN104901511B (zh) 一种横向磁通高速超导电机系统
Moon et al. Development of a MW-class 2G HTS ship propulsion motor
CN104883015B (zh) 双定子超导励磁场调制电机
Li et al. Design and analysis of a new HTS dual-rotor flux-switching machine
Wang et al. Design and analysis of a HTS flux-switching machine for wind energy conversion
AU2005271044A1 (en) Superconducting electrical machines
CN104852554B (zh) 一种混合绕组高速双馈超导电机系统
Li et al. A superconducting vernier motor for electric ship propulsion
US11502590B2 (en) Radial-gap type superconducting synchronous machine, magnetizing apparatus, and magnetizing method
CN106533096B (zh) 一种全超导磁齿轮电机及其应用
Liu et al. Electromagnetic characteristic analysis and optimization design of a novel HTS coreless induction motor for high-speed operation
Ohsaki et al. Electromagnetic characteristics of 10 MW class superconducting wind turbine generators
Wang et al. Design and analysis of a new HTS axial-field flux-switching machine
CN108233563B (zh) 一种多相混合励磁同步电机
Li et al. Design and analysis of a stator HTS field-modulated machine for direct-drive applications
Cheng et al. Electromagnetic design of a large-scale double-stator direct driving HTS wind generator
Wang et al. Design and experiment of an HTS flux-switching machine with stationary seal
Li et al. Design and optimization of high‐temperature superconducting racetrack magnet for the rotor of a 100‐kW generator
CN103401393A (zh) 一种无换向装置的直流电机
CN101771331B (zh) 横向磁通超导同步电机
CN207382174U (zh) 一种高温超导同步调相机
RU2648677C1 (ru) Электрическая машина с постоянными магнитами и обмотками из высокотемпературного сверхпроводникового материала
RU169041U1 (ru) Сверхпроводниковая синхронная электрическая машина
Lin et al. A novel fully superconducting geared machine
Xu et al. Stator-excited vernier high-temperature superconducting machine for direct drive propulsion

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant