CN108809052A - 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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鲁燕青
王银顺
皮伟
夏芳敏
张立永
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Abstract

本发明公开了一种采用跑道形超导片堆叠线圈的超导电机，属于电机制作技术领域。该超导电机的基本结构包括转子、定子、传感器、轴承和机壳；其中，所述转子的绕组由跑道形铁基超导薄膜超导片堆叠而成；所述定子为电枢，由多相对称绕组绕制；组装好的转子装入杜瓦中，在所述杜瓦内填充液氮，用于给跑道形线圈提供低温运行环境；经过励磁的转子插入定子中，最后装入机；所述传感器固定在机壳内，用于把电机的转速和参数反馈给控制器。本发明的跑道形线圈制作简单，成品率高，能解决用铁基超导薄膜线材缠绕成跑道线圈所引起的受力不均匀问题，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，一种基于铁基超导薄膜(BaFe1.8Co0.2As2)堆叠的跑道形线圈的超导磁体。
背景技术
电机是进行机械能和电能相互转换的装置，是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，传统电机的效率已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两个阶段。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，受此条件限制，低温超导电机并没有得到广泛发展。1986年高温超导材料被发现，其临界温度较高，使人们看到了超导电机广泛应用的曙光。2006年，日本工业大学Hosono团队在层状化合物Lao1-xFxFeP中发现了4k的超导电性，并于2008年2月，在电子型掺杂的层状铁基材料La[O1-xFx]FeAs中发现了26K的超导电性。这一重大发现打破了之前铁磁性材料有不利于超导电性这一被广泛接受的观点，极大地拓宽了超导材料的范围。虽然铁基超导体的Tc低于液氮温度，但铁基超导体的上临界场(Hc2)最高可超过100T，与Tc超过90K的铜氧化物超导体类似；铁基超导体具有非常低的各向异性，接近甚至低于MgB2超导体的各向异性，说明铁基超导体中有接近于Hc2的非常高的不可逆场；铁基超导体出现弱连接的临界角在9°附近，比铜氧化物高温超导体高两倍以上，说明铁基超导材料对结晶角度不敏感，在材料合成上更具优势。基于铁基超导材料的显著优势，铁基超导材料表现出了广阔的应用前景，例如超导电机。
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。
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，包括转子、定子、传感器、轴承和机壳组装而成；其中，转子的绕组由跑道形的铁基超导薄膜(BaFe1.8Co0.2As2)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纤维缚扎；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铁基超导薄膜超导片堆叠而成；在堆叠过程中，在第一铁基超导薄膜超导片和第二铁基超导薄膜超导片之间放置环氧树脂和玻璃纤维的混合物，以此类推，每两片超导片之间都放置环氧树脂和玻璃纤维的混合物，直到最后一片铁基超导薄膜超导片，保证超导片之间堆叠紧实。
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，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)在缓冲层上镀上铁基超导薄膜，然后再镀银、铜薄膜保护层。所述铁基超导薄膜为AeFe2As2高场磁体材料，其中Ae为碱土元素。
本发明的有益效果：本发明用铁基超导薄膜超导片堆叠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，还能解决用铁基超导薄膜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为本发明超导电机结构示意图。
图2为本发明超导电机转子结构示意图。
图3为本发明超导电机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为本发明超导电机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，下面结合附图对本发明进一步说明。
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；其中，转子包括转轴2、导磁轭4和跑道形线圈1；跑道形线圈1包括堆叠的跑道形铁基超导薄膜超导片11；定子为电枢，由多相对称绕组绕制，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；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，传感器20可以把电机的转速以及其它参数反馈给控制器。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；所述转子包括转轴、导磁轭、跑道形线圈和紧圈，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，并用环氧树脂填充励磁孔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，以防止电机在工作时离心力使跑道形线圈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纤维缚扎。然后把转轴2安装到导磁轭4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。所述导磁轭的凸台中间有励磁孔，用于放置磁通泵的螺线管线圈；
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由跑道形的铁基超导薄膜超导片堆叠而成；在堆叠过程中，在第一铁基超导薄膜超导片11和第二铁基超导薄膜超导片12之间放置环氧树脂和玻璃纤维的混合物，以此类推，每两片超导片之间都放置环氧树脂和玻璃纤维的混合物，直到最后一片铁基超导薄膜超导片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。其中铁基超导薄膜超导片制作如下：
a.把制作铁基超导薄膜用的第二代高温超导体的衬底材料，如NiW、哈氏合金或不锈钢等。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，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铁基超导薄膜，然后再镀银、铜薄膜保护层。
以上对本发明的技术方案进行了详细说明。显然，本发明并不局限于所描述的内容。熟悉本技术领域的人员还可据此做出多种变化，但任何与本发明等同或相类似的变化都属于本发明保护的范围。

Claims (8)

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，包括转子、定子、传感器、轴承和机壳；其中，所述转子的绕组由跑道形铁基超导薄膜超导片堆叠而成；所述定子为电枢，由多相对称绕组绕制；组装好的转子装入杜瓦中，在所述杜瓦内填充液氮，用于给跑道形线圈提供低温运行环境；经过励磁的转子插入定子中，最后装入机；所述传感器固定在机壳内，用于把电机的转速和参数反馈给控制器。
2.根据权利要求1所述的超导电机，其特征在于，所述转子包括转轴、导磁轭、跑道形线圈和紧圈；所述跑道形线圈固定在所述导磁轭的凸台上，跑道形线圈与凸台之间的空隙用环氧树脂填充；跑道形线圈与凸台固定好后，在转子的外径上套所述紧圈，以防止电机在工作的时候离心力将永磁体甩出。
3.根据权利要求1所述的超导电机，其特征在于，所述紧圈的直径是0.3-0.8mm，所述紧圈的材料选用不导磁的不锈钢或环氧无纬玻璃纤维缚扎。
4.根据权利要求1所述的超导电机，其特征在于，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。
5.根据权利要求1所述的超导电机，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铁基超导薄膜超导片堆叠而成；所述铁基超导薄膜超导片之间放置环氧树脂和玻璃纤维的混合物。
6.根据权利要求1所述的超导电机，其特征在于，所述跑道形铁基超导薄膜超导片包括衬底和衬底上依次制备的缓冲层、铁基超导薄膜、保护层；
所述衬底为Ni片、NiW片、哈氏合金片或不锈钢片；
所述缓冲层为绝缘性金属氧化物；
所述铁基超导薄膜为AeFe2As2高场磁体材料，其中Ae为碱土元素；
所述保护层为铜薄膜层或银薄膜层。
7.根据权利要求6所述的超导电机，其特征在于，所述缓冲层通过离子束辅助沉积技术、倾斜基底沉积技术、表面氧化外延法、脉冲激光沉积法或溅射法在所述衬底上形成。
8.根据权利要求6所述的超导电机，其特征在于，所述铁基超导薄膜利用化学气相沉积、金属有机沉积、化学溶液沉积、金属有机化学气相沉积、溶胶-凝胶法或喷涂分解法在缓冲层上形成。
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