CN106972734A - 一种采用跑道形超导片堆叠线圈的超导电机 - Google Patents

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王银顺
侯言兵
皮伟
姜喆
李彦
阚常涛
薛济萍
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Abstract

本发明公开了属于电机制作技术领域的一种采用跑道形超导片堆叠线圈的超导电机。该超导电机的基本结构由转子、定子、传感器、前后端盖、螺钉、轴承和机壳组装而成；其中，转子的绕组由跑道形的REBCO超导片堆叠而成；定子为电枢，由多相对称绕组绕制；将组装好的转子装入杜瓦中，在杜瓦内填充液氮，对跑道形绕组进行励磁，励磁完成后，把转子插入定子中，传感器固定在后端盖内，最后装入机壳，再加装前后端盖固定；本发明的跑道形线圈制作简单，成品率高，还能解决用REBCO线材缠绕成跑道线圈所引起的受力不均匀问题。并且这种电机具有效率高、结构简单、重量轻、可靠性高等优点。

Description

一种采用跑道形超导片堆叠线圈的超导电机
技术领域
本发明属于电机制作技术领域，特别涉及一种采用跑道形超导片堆叠线圈的超导电机。
背景技术
电机是进行机械能和电能相互转换的装置，已经成为电气传动的基础设备，在轨道交通、轧钢设备、风力发电、电梯、船舶推进等诸多领域应用广泛。传统电机的定子或转子绕组由常规导体(铜、铝)制作而成，随着科学家们的深入研究，传统电机的效率基本接近常规导体性能的极限，继续提高电机的性能必然要引入新的导电材料。1911年超导电性的发现使人们想到了利用超导材料来研制电机，超导材料的发展经历了低温超导体和高温超导体，实用的低温超导体主要以NbTi和Nb3Sn为代表，但低温超导材料的工作温度(4.2K)非常低，受此条件的限制，低温超导电机并没有得到广泛的发展。1986年高温超导材料被发现，高温超导材料的临界温度较高，实用的高温超导材料如REBCO，其临界温度达到92K，这就使超导材料的临界温度达到了液氮温区，再加上液氮的价格较液氦便宜的多，使人们看到了超导电机广泛应用的曙光，开启了超导电机发展的新篇章。
超导电机分为全超导电机和半超导电机，前者的转子和定子的绕组均采用超导导线，后者只是励磁线圈采用超导导线。目前用高温超导材料REBCO制作的超导电机，其转子和定子绕组多缠绕为跑道形，REBCO为多层复合形材料，跑道形线圈通电后，在弯曲部分受到的力较大，容易使材料分层，使线材受到损坏，这一现象也严重制约了绕组加工的成品率，从而使绕组加工的成本大大增加。基于此，提出了一种由跑道形的REBCO超导片堆叠的绕组组成的超导电机。
发明内容
本发明的目的是提供一种采用跑道形超导片堆叠线圈的超导电机，其特征在于，所述超导电机的基本结构由转子、定子、传感器、前后端盖、螺钉、轴承和机壳组装而成；其中，转子的绕组由跑道形的REBCO超导片堆叠而成；定子为电枢，由多相对称绕组绕制；将组装好的转子装入杜瓦中，在杜瓦内填充液氮，用于给跑道形线圈提供低温运行环境；对跑道形绕组进行励磁，励磁完成后，把转子插入定子中，最后装入机壳，再加装前后端盖固定；传感器固定在后端盖内，主要起把电机的转速以及其它参数反馈给控制器的作用。
所述转子主要由转轴、导磁轭以及跑道线圈组成；把制作好的跑道形线圈固定在导磁轭的凸台上，跑道形线圈与凸台之间的空隙用环氧树脂填充，跑道形线圈的个数根据所设计的电机的转子极对数来确定；跑道形线圈与凸台固定好后，在转子的外径上套一个0.3-0.8mm的紧圈，以防止电机在工作的时候离心力将永磁体甩出，紧圈的材料选用不导磁的不锈钢或环氧无纬玻璃丝缚扎；在导磁轭的凸台中间存在励磁孔，用来放置磁通泵的螺线管线圈；
所述定子绕组主要由硅钢冲压片和分布在其槽中的绕组组成；
所述跑道形线圈为超导线圈；跑道形线圈由加工成跑道形的REBCO超导片堆叠而成；在堆叠过程中，在第一REBCO超导片和第二REBCO超导片之间放置环氧树脂和玻璃丝的混合物，以此类推，每两片超导片之间都放置环氧树脂和玻璃丝的混合物，直到最后一片REBCO超导片，保证超导片之间叠加紧实。
所述跑道形超导片的加工方式：首先把第二代高温超导体的衬底切割成跑道形，然后用离子束辅助沉积技术(IBAD)、倾斜基底沉积技术(ISD)、表面氧化外延(SOE)、脉冲激光沉积法(PLD)或溅射法(Sputtering)在衬底上制备出缓冲层，同上接下来利用化学气相沉积(CVD)、金属有机沉积(MOD)、化学溶液沉积(CSD)、金属有机化学气相沉积(MOCVD)、溶胶-凝胶法(Sol-Gel)、或喷涂分解法(Spray Pyrolysis)在缓冲层上镀上REBCO薄膜；现有业内所做超导线的REBCO薄膜厚度为1μm,缓冲层厚度约为2μm，也有的缓冲层做成μm 0.05μm的，其缓冲层常用的材料有Y2O3、CeO2、MgO、SrTiO3、YSZ、Gd2O3或Eu2O3；然后再镀银、铜薄膜保护层，跑道形超导片制作完成。
本发明的有益效果本发明用REBCO超导片叠加成跑道形线圈经过充磁后，不需要外加能量就能产生很强的永久磁场，并且制作简单，成品率高，还能解决用REBCO线材缠绕成跑道线圈所引起的受力不均匀问题。这种电机不仅效率高，而且结构简单、重量轻、可靠性高；从而解决制约超导电机绕组加工困难的问题。
附图说明
图1为超导电机结构示意图。
图2为转子结构示意图。
图3为跑道形线圈结构示意图，其中a为跑道形超导片俯视图；b为跑道形超导片的A-A剖面图；c为由跑道形超导片堆叠而成跑道形线圈结构示意图。
图4线圈励磁方法示意图。
具体实施方式
本发明提供一种采用跑道形超导片堆叠线圈的超导电机，下面结合附图及实施例对本发明作进一步说明。
图1所示为超导电机结构示意图，所述超导电机的基本结构包括转子、定子18、传感器20、前端盖16、后端盖19、螺钉17、轴承15组成；其中，转子包括转轴2、导磁轭4和跑道形线圈1组成；跑道形线圈1由跑道形的REBCO超导片11堆叠而成；定子为电枢，由多相对称绕组绕制；将组装好的转子装入杜瓦9中，在杜瓦9内填充液氮，然后对外接脉冲电源进行励磁，在液氮填充完成后，给螺线管线圈8外接脉冲电源，脉冲电源的上升沿时间远小于下降沿时间。励磁时可以同时对几个跑道线圈励磁，也可以依次励磁，励磁完成后撤去脉冲电源(如图4所示)；并对杜瓦9进行密封。然后把杜瓦9插入到定子18中，转轴2两端套上轴承15，最后加装机壳，前端盖16、后端盖19由螺钉17与机壳固定；同时，传感器20固定在后端盖19内，主要起把电机的转速以及其它参数反馈给控制器的作用。杜瓦9内填充液氮是用于给跑道形线圈1提供低温运行环境；经过充磁后跑道形线圈1，不需要外加能量就能产生很强的永久磁场。
图2所示为转子结构示意图；转子由转轴、导磁轭、线圈和紧圈组成，组装时，将跑道形线圈1固定在导磁轭4的凸台5上，在跑道形线圈1和凸台5的空隙6里填充环氧树脂；跑道形线圈的个数根据所设计的电机转子的极对数来确定，在图3中转子的极对数为3对，则跑道形线圈的个数为6个。凸台上的励磁孔7是放置螺线管线圈8的位置，在每个励磁孔7中放置一个螺线管线圈8，并用环氧树脂填充孔7与螺线管线圈8之间的缝隙。在转子的外径上套一个0.3-0.8mm的紧圈3，以防止电机在工作的时候离心力将跑道形线圈1甩出，紧圈的材料可选用不导磁的不锈钢或环氧无纬玻璃丝缚扎。然后把转轴2安装到导磁轭1内。最后在转子外侧套一个圆柱形杜瓦9，杜瓦和转子中间填充液氮，用来给超导转子线圈提供低温运行环境。
图3所示为跑道形线圈结构示意图，其中a为跑道形超导片俯视图；b为跑道形超导片的A-A剖面图；c为由跑道形超导片堆叠而成跑道形线圈结构示意图。
所述跑道形线圈1由跑道形的REBCO超导片堆叠而成；在堆叠过程中，在第一REBCO超导片11和第二REBCO超导片12之间放置环氧树脂和玻璃丝的混合物，以此类推，每两片超导片之间都放置环氧树脂和玻璃丝的混合物，直到最后一片REBCO超导片13(如图3中c所示的跑道形超导片堆叠而成跑道形线圈结构示意图)，然后用机械设备把堆叠好的线圈压实。其中REBCO超导片制作如下：
a.把制作REBCO用的把第二代高温超导体的衬底材料，如NiW、哈氏合金等。切割成矩形，其长度和宽度根据要制作的跑道形超导片的尺寸来确定。
b.把矩形的衬底切割成跑道形状。跑道的长度和宽度根据实际要制作的电机转子线圈的尺寸来确定。
然后用现有的离子束辅助沉积技术(IBAD)、倾斜基底沉积技术(ISD)、表面氧化外延(SOE)、脉冲激光沉积法(PLD)或溅射法(Sputtering)等技术在跑道形衬底上制备出缓冲层，缓冲层常用的材料有Y2O3、CeO2、MgO、SrTiO3、YSZ、Gd2O3或Eu2O3。接下来利用化学气相沉积(CVD)、金属有机沉积(MOD)、化学溶液沉积(CSD)、金属有机化学气相沉积(MOCVD)、溶胶-凝胶法(Sol-Gel)、喷涂分解法(Spray Pyrolysis)等技术在缓冲层上镀上REBCO薄膜，REBCO即是材料名称；现有业内所做超导线的REBCO薄膜厚度为1μm,缓冲层厚度约为2μm，也有的缓冲层做成μm 0.05μm的，然后再镀银、铜薄膜保护层。

Claims (5)

1.一种采用跑道形超导片堆叠线圈的超导电机，其特征在于，所述超导电机的基本结构由转子、定子、传感器、前后端盖、螺钉、轴承和机壳组装而成；其中，转子的绕组由跑道形的REBCO超导片堆叠而成；定子为电枢，由多相对称绕组绕制；将组装好的转子装入杜瓦中，在杜瓦内填充液氮，用于给跑道形线圈提供低温运行环境；对跑道形绕组进行励磁，励磁完成后，把转子插入定子中，最后装入机壳，再加装前后端盖固定；传感器固定在后端盖内，主要起把电机的转速以及其它参数反馈给控制器的作用。
2.根据权利要求1所述一种采用跑道形超导片堆叠线圈的超导电机，其特征在于，所述转子主要由转轴、导磁轭以及跑道线圈组成；把制作好的跑道形线圈固定在导磁轭的凸台上，跑道形线圈与凸台之间的空隙用环氧树脂填充，跑道形线圈的个数根据所设计的电机的转子极对数来确定；跑道形线圈与凸台固定好后，在转子的外径上套一个0.3-0.8mm的紧圈，以防止电机在工作的时候离心力将永磁体甩出，紧圈的材料选用不导磁的不锈钢或环氧无纬玻璃丝缚扎；在导磁轭的凸台中间存在励磁孔，用来放置磁通泵的螺线管线圈。
3.根据权利要求1所述一种采用跑道形超导片堆叠线圈的超导电机，其特征在于，所述跑道形线圈为超导线圈；跑道形线圈由加工成跑道形的REBCO超导片堆叠而成；在堆叠过程中，在第一REBCO超导片和第二REBCO超导片之间放置环氧树脂和玻璃丝的混合物，以此类推，每两片超导片之间都放置环氧树脂和玻璃丝的混合物，直到最后一片REBCO超导片，保证超导片之间叠加紧实。
4.根据权利要求1所述一种采用跑道形超导片堆叠线圈的超导电机，其特征在于，所述跑道形REBCO超导片的制作，首先把第二代高温超导体的衬底切割成跑道形，然后用离子束辅助沉积技术(IBAD)、倾斜基底沉积技术(ISD)、表面氧化外延(SOE)、脉冲激光沉积法(PLD)或溅射法(Sputtering)在衬底上制备出缓冲层接下来利用化学气相沉积(CVD)、金属有机沉积(MOD)、化学溶液沉积(CSD)、金属有机化学气相沉积(MOCVD)、溶胶-凝胶法(Sol-Gel)、或喷涂分解法(Spray Pyrolysis)在缓冲层上镀上REBCO薄膜；现有业内所做超导线的REBCO薄膜厚度为1μm,缓冲层厚度约为2μm，也有的缓冲层做成μm 0.05μm的，然后再镀银、铜薄膜保护层，跑道形超导片制作完成。
5.根据权利要求4所述一种采用跑道形超导片堆叠线圈的超导电机，其特征在于，缓冲层常用的材料有Y2O3、CeO2、MgO、SrTiO3、YSZ、Gd2O3或Eu2O3。
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