CN108390536A - 一种单低温保持器超导直线电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单低温保持器超导直线电机。该电机分为上中下三层，中间为动子，上下两层为定子，绕组分布在定子上。绕组由高温超导材料组成，包括电枢绕组和励磁绕组。为了实现电枢绕组和励磁绕组的安装，将定子分为上下两部分，电枢绕组分布在上定子，励磁绕组分布在下定子，为了便于绕组的安装，可将绕组设计成跑道型。由于定子分为上下两部分，所以单低温保持器设计成环形，并包裹着上下定子。通过在上下定子齿靴开等宽齿的方式添加调制极，起到调制上下磁场的作用。本发明的全超电机只需要一个环形单低温保持器，大大降低了生产成本，开发前景更为广阔。

Description

一种单低温保持器超导直线电机

技术领域

本发明涉及医疗电气设备，交通运输，国防，商业及家用电器等领域，尤其适应用于导弹发射和电磁弹射系统的一种单低温保持器全超直线电机。

背景技术

直线电机是一种直接将电能转换成直线运动机械能的传动装置，具有起动推力大，动态响应快，速度与加速度大等优点。超导材料在低温下电阻为零，功率损耗降至为零，解决了电枢绕组发热，温升等问题，使得电机效率大为提高；由于超导线的临界磁场强度和临界电流密度都很高，使超导电机的气隙磁通密度和绕组的电流密度比平常电机提高十几倍，大大地提高电机的功率密度，降低电机的重量，体积和材料损耗。

超导材料具有零电阻效应，同位素效应，迈斯纳效应以及约瑟夫森效应等。关于零电阻效应，一开始能斯特用熵的理论来解释金属电阻在接近零度时逐渐降低为零，而杜瓦用铂在液温区的研究结果则与之相反；中期昂内斯参与研究，通过研究低温下金属电阻的变化，实现了氦的液化而能达到4K至1K的极低温区，后续用汞作为研究对象，发现其在4.2K附近，汞的电阻已经降至无法测量的状态，这是人们第一次发现超导态；后来，法奥(J.File)和迈奥斯(R.G.Mils)利用精确核磁共振方法测量超导电流产生的磁场来研究螺线管内超导电流的衰变，结果是衰减时间不低于十万年，由此零电阻效应被确定。

发明内容

本发明的内容是为了优化全超直线电机的性能，提出一种单低温磁场调制式全超直线电机。

本发明采用的技术方案是：

一种单低温保持器超导直线电机，其特征在于，包括上下两个定子(2)(3)，一个动子(1)，两组绕组(4)(5)，一个单低温保持器；

所述定子分为两部分，上定子(2)和下定子(3)，上定子(2)和下定子(3)都为三相12极并且每极对应，动子数为10；所述电枢绕组(4)分布在上定子(2)，所述励磁绕组(5)分布在下定子(3)，两组绕组为跑道型缠绕，相邻相线圈间隔电角度公式为θ＝(2πN_r)/N_s+π，其中转子极数N_r＝10，定子极数N_s＝12故θ＝120°；所述电枢绕组(4)和励磁绕组(5)都为高温超导材料；励磁绕组(5)中通入恒定的励磁电流；所述保持器包裹着上下定子，故设计成环形。

进一步，相比于动子数为11，13，14的直线电机，在转速相同时，由于高电频，铁耗随动子数增多而增加，所以选择最小的10动子数直线电机。

进一步，动子下底与动子极距的比值为0.7，动子上底与动子极距的比值为0.67。

进一步，加入了调制极(6)，即将所述的上定子(2)和下定子(3)齿靴加厚，通过在齿靴上开一定深度的小槽，形成等距分布的等宽小齿，这些齿充当了磁齿轮中调磁环的作用，故称之为调制极。

进一步，,电枢和励磁绕组为跑道型，且两种绕组所用的材料是钇钡铜氧化合物或Bi-2223。

进一步，所述单低温保持器采用杜瓦。

本发明具有以下效果：

1.本发明中的上下定子都是凸极结构，电机结构简单易于实现，且降低了高速运行时温度和机械等方面故障的发生率。

2.本发明通过将定子分为上下两个部分，电枢绕组和励磁绕组分别分布在上下定子，充分利用了槽面积。

3.每一个上下定子齿都有绕组包裹，且为三相绕组，而动子铁片上既没有绕组也没有永磁体，在根本上消除了动子故障，容错性能也有大的提升，在高可靠领域有着重大的应用。

4.当下定子凸极齿上的励磁绕组通入正确的励磁电流，动子的电气角度从0°增到180°时，交流电枢绕组的磁通会发生正负切换，使得电机具有较高的功率密度和效率。

5.交流电枢绕组和直流励磁绕组都分布在定子上，这样只要一个环式单低温保持器就可以达到全超直线电机中超导材料的低温特性。

6.通过在上下定子齿靴开等宽小齿作为调制极的方式，调制上下定子磁场，调制极通过对内定子励磁绕组通电产生的低极对数高转速磁场调制，在上层气隙内产生能与外定子共同作用的高极对数低转速谐波磁场，从而达到低速大转矩的目的。

附图说明

图1是本发明结构简图，图中：1.动子；2.上定子；3.下定子；4.电枢绕组；5.励磁绕组；6.调制极；

图2是单低温保持器径向图；

图3是上定子交流超导电枢绕组叠放方式；

图4是下定子直流超导励磁绕组叠放方式；

图5是动子电气角度为0°时电枢绕组中的磁链；a为A1相的磁链，b为A2相的磁链；

图6是动子电气角度为90°时电枢绕组中的磁链；a为A1相的磁链，b为A2相的磁链；

图7是动子电气角度为180°时电枢绕组中的磁链；a为A1相的磁链，b为A2相的磁链；

图8是下定子励磁绕组励磁方向。

具体实施方式

本发明为一种单低温磁场调制式全超直线电机，其中调制极起到调制内外定子磁场的作用，使在各层气隙内都能具有相对应的谐波与该层气隙临近的动子相互作用产生恒定有效的输出转矩。对下定子来说，调制前内层气隙磁场含量最大的为基波，经过调制后，在外层气隙磁场得到幅值明显高于其他谐波的谐波次数(即外层气隙磁场未调制前含量最大的基波次数)，继而谐波与上定子产生的磁场共同作用产生转矩。

如附图1所示，本发明为一种全超直线电机，该电机包括凸极的上下长定子2和3和动子1；动子1和上下定子2，3均采用D23材料冲片叠压而成；绕组包括单层交流电枢绕组4和单层直流励磁绕组5，所述绕组由Bi-2223高温超导材料制成；一个环式低温保持器采用杜瓦，可包裹着上下定子一起运动。

为了能安装电枢绕组4和励磁绕组5，决定将定子分为上下两部分，用以扩大槽面积。超导交流电枢绕组4的安装方式如图2所示，在图中，超导交流电枢绕组4安装在上定子2。

超导直流励磁绕组5的安装方式如图3所示，在图中，超导直流励磁绕组安装在下定子。无论超导交流电枢绕组4还是直流励磁绕组5，他们都采用跑道型的方式，跑道型外面包裹了绝缘和散热材料，可防止超导材料受损以及绕组间接触，提高了稳定性。

为了使交流电枢绕组4的磁通能够切换，励磁绕组5中需通入正确的恒定的励磁电流。图4给出了该类全超电机励磁绕组5的励磁方式，在此激励下，相邻凸极齿的磁通方向相反。以A1，A2电枢绕组为例，当该全超直线电机中动子运行至图4时，交流电枢绕组A1，A2的磁通方向都向上且为最大值，两者磁通之和为正最大值；当该全超直线电机中动子运行至图5时，交流电枢绕组A1，A2的磁通方向相反，大小相等，两者磁通之和为0；当全超直线电机中动子运行至图6时，交流电枢绕组A1，A2的磁通方向都向下且为最小值，两者磁通之和为负最大值；这样交流电枢绕组4的磁通方向就发生了正负切换，该实施方式适用于轨道交通领域。

在实际应用中，由于长定子与动子间有气隙，防止铁屑等异物，可用防尘罩，定子过热造成退磁等，可用水循环冷却。由于长定子与短动子12/10的组合，将两者制造成不同的长度，以保证在所需行程范围内两者间的耦合保持不变,实现电机的高效率，宽调速范围。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (5)

1.一种单低温保持器超导直线电机，其特征在于，包括上下两个定子，一个动子(1)，两组绕组，一个单低温保持器；

所述定子分为两部分，上定子(2)和下定子(3)，上定子(2)和下定子(3)都为三相12极并且每极对应，动子(1)数为10；所述电枢绕组(4)分布在上定子(2)，所述励磁绕组(5)分布在下定子(3)，相邻线圈间隔电角度公式为θ＝(2πN_r)/N_s+π，其中动子极数N_r＝10，定子极数N_s＝12故θ＝120゜；所述电枢绕组(4)和励磁绕组(5)都为高温超导材料；励磁绕组(5)中通入恒定的励磁电流；所述单低温保持器包裹着上下定子，设计成环形。

2.根据权利要求1所述的一种单低温保持器超导直线电机，其特征在于，动子横截面为梯形，动子下底与动子极距的比值为0.7，动子上底与动子极距的比值为0.67。

3.根据权利要求1所述的一种单低温保持器超导直线电机，其特征在于，加入了调制极(6)，即将所述的上定子(2)和下定子(3)齿靴加厚，通过在齿靴上开一定深度的小槽，形成等距分布的等宽小齿，这些齿充当了磁齿轮中调磁环。

4.根据权利要求1所述的一种单低温保持器超导直线电机，其特征在于，电枢绕组和励磁绕组为跑道型，且两种绕组所用的材料是钇钡铜氧化合物或Bi-2223。

5.根据权利要求1所述的一种单低温保持器超导直线电机，其特征在于，所述单低温保持器采用杜瓦。