CN109560685A - 一种块材型高温超导电机的转子冲片 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种块材型高温超导电机的转子冲片，包括转子冲片轴面最外侧的转子槽、靠近转子槽内侧的矩形槽，以及与所述矩形槽连通的圆弧形槽；所述转子冲片中心设有带键槽的轴孔；所述矩形槽之间设有螺栓孔；各种槽和孔均为对称式分布。采用本发明的块材型高温超导电机转子冲片可以实现对超导块高效、便捷、可重复的充磁，而且可以最大程度的减小超导块在电机中的漏磁现象，实现对超导块的高效利用，从而提高电机的效率、减小电机的体积和重量。

Description

一种块材型高温超导电机的转子冲片

技术领域

本发明涉及高温超导电机领域，特别是涉及一种块材型高温超导电机的转子冲片。

背景技术

对于高温超导电机，由于引入了强的磁通钉扎中心，高温超导块材可以俘获更多的磁通。而且高温超导体的磁通跳跃场比低温超导体大1-2个数量级，电流密度更大，可以承受高磁场，同时磁稳定性更好，所以利用高温超导块制作强磁场准永磁体具有巨大的优势。超导块在充磁后可以获得远高于常规永磁体的磁场强度，超导电机的磁场强度比常规电机的磁场强度提高5-6T，比常规电机体积小、质量轻、便于维护保养、工作性能更稳定。超导材料在超导状态下可以承受大电流，而且不会产生大量的焦耳热，所以将超导材料应用于电机研制中会极大改善电机的性能和效率，减小电机的损耗，降低原材料的消耗。

超导电机主要有块材型和带材型，而块材型超导电机可在体积、重量、效率、扭矩等多方面满足船舶推进产业发展的需求，必将成为船舶推进技术的重要方向之一。与传统电机相比，块材型超导电机有着体积小、重量轻、效率高、噪音低的优势。与带材型超导电机相比，块材型超导电机具有成本低的特点。在2000年之前，由于高温超导材料在工业应用方面并不成熟，世界各国在超导电机的设计制造领域的主要研究是围绕低温超导电机的设计与制造。之后随着高温超导材料的发展，由于高温超导材料相对低温超导材料的高临界温度优势，许多专家、学者们把目光投向高温超导电机的研究中。

超导电机转子是电机中的旋转部件,是磁能、电能与机械能之间的相互转换装置，转子的性能的好坏直接决定着电机的能量转换的效率。超导块材型电机是超导技术在实际工程中的典型应用，但超导块材的励磁性能往往又决定着电机性能的好坏，能否快速、高效的对块材励磁且保证励磁后持续的磁场强度是超导块材型电机的一个关键性技术。电机在运转时除了产生的振动和噪声较大外,还因涡流的存在产生大量的热量，为保持块材的超导特性，需要保证低温环境。目前，常见的超导电机往往通过将整个电机放进低温设备中进行液氮浸泡冷却，电机整体体积较大，冷却时间较长，耗费低温冷却液体。因此，改善励磁方法，提高励磁性能，降低电机的噪声、提升电机转子的性能具有积极意义。

高温超导块在充磁后俘获的磁场远高于普通永磁体的磁场，具有高磁能积和高矫顽力，磁性能更加稳定，而且产生同等大小磁场时，所需超导块的体积更小，所以可以将高温超导块作为一种新型的材料来制作永磁同步电机，从而获得更高的电机效率。超导块需要充磁后才能作为电机内的准永磁体使用，所以如何在电机整体装配完成后在电机的内部对超导块充磁，成为了块材型高温超导电机的一大技术难点。

发明内容

为解决现有技术中存在的上述缺陷，本发明提供一种块材型高温超导电机的转子冲片结构。采用本发明的块材型高温超导电机转子冲片可以在不需要拆开电机取出超导块的前提下，对超导块实现高效、便捷、可重复的充磁并保证超导块材的励磁性能和低温特性。而且，采用本发明的转子冲片还可以最大程度的减小超导块在电机中的漏磁现象，实现对超导块的高效利用，从而提高电机的效率、减小电机的体积和重量。

本发明是通过下述技术方案来实现的。

一种块材型高温超导电机的转子冲片,包括转子冲片轴面最外侧的转子槽、靠近转子槽内侧的矩形槽，以及与所述矩形槽连通的圆弧形槽；所述转子冲片中心设有带键槽的轴孔；所述矩形槽之间设有螺栓孔；各种槽和孔均为对称式分布。

对于上述技术方案，本发明还有进一步优选的方案：

进一步，所述转子槽采用半闭口的圆底梨型槽，对称分布在转子冲片外侧圆周上。

进一步，转子冲片轴面的每一组转子槽正对一个矩形槽，高温超导块材放置在矩形槽中；所述矩形槽长度大于等于超导块直径；矩形槽的宽度w大于高温超导块的厚度δ，且满足0.5mm≤w-δ≤1mm。

进一步，每两个矩形槽对应连通一个圆弧形槽，圆弧形槽的个数为每个圆弧形槽所对应的圆心角为β，且满足

进一步，一组转子槽的齿槽个数m为奇数，矩形槽个数p为偶数，矩形槽宽度为w，矩形槽的形心距转子冲片中心的半径为R，相邻两个矩形槽之间的夹角为m个齿槽所对应的圆心角为α，且满足

进一步，所述转子冲片为采用冲片模具或激光切割制成的冷轧低硅钢片。

进一步，多片转子冲片通过螺栓压紧，在压紧后的冲片侧面采用氩弧焊进行焊接固定，多片转子冲片堆叠起来的冲片总厚度至少应大于高温超导块的直径。

进一步，通过插入键槽与电机转轴之间的平键使得电机转轴与轴孔间隙配合，键的类型为A型键，满足强度要求为：

式中，T为传递的扭矩，N·m；K为键与轮毂键槽的接触高度，k＝0.5h，此处h为键的高度，mm；l为键的工作长度，mm，圆头平键l＝L-b,这里L为键的公称长度，mm；b为键的宽度，mm；d为轴的直径，mm；[σ_p]为键、轴、轮毂三者中最弱材料的许用应力，MPa。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下有益效果：

超导电机的磁场强度可以比一般的电机提高5-6T，比常规电机体积小、质量轻、便于维护保养、工作性能更稳定；超导电机整体结构简单紧凑、噪声小、节能效果明显；功率密度大、功率因数高，转速为同步转速。同时，超导电机的运行效率高，损耗小。本电机转子中的超导块通过充磁线圈进行励磁，转子的充磁线圈只在电机运行前对超导块进行充磁，此后就无需励磁电流了，定子绕组的损耗也较小。转子采用内置式结构，交直轴的磁阻不同，所以产生的转子磁路不对称，弱磁性能相较于表面式更好。由于是利用超导块制作的永磁同步电机，电机性能受到气隙长度的影响要远小于感应电机，气隙可以比同功率的感应电动机大许多。利用这个特性在定转子之间加入杜瓦结构，使得杜瓦对电机性能的影响可以降到最低。综合以上特点，本发明所述电机具有较宽的经济运行范围，可在其25％-120％有效额定负载范围内具有高功率因数和高效率，运行更加平稳可靠。

采用本发明的块材型高温超导电机转子冲片可以在不需要拆开电机取出超导块的前提下，对超导块实现高效、便捷、可重复的充磁并保证超导块材的励磁性能和低温特性。而且，通过本发明的转子冲片可以最大程度的减小超导块在电机中的漏磁现象，实现对超导块的高效利用，从而提高电机的效率、减小电机的体积和重量。

本发明在转子冲片的轴面上设多个转子槽和圆弧形孔，转子槽和圆弧形孔共同放置超导块材的励磁线圈，能够便捷的缠绕励磁线圈，并保证磁场垂直穿过块材，能快速对超导块进行励磁且一次性完成所有块材的励磁。冲片的圆弧形孔保留余量，不被励磁线圈占据所有空间，可降低转子质量，减少噪音，保证液氮的流通与充满，缩短块材与液氮的接触距离，进一步保证了超导块材的低温特性。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的不当限定，在附图中：

图1为一种块材型高温超导电机转子冲片结构示意图；

图2为转子单个槽形图；

附图中各部件的标记如下：1、转子槽；2、矩形槽；3、螺栓孔；4、圆弧形槽；5、轴孔；6、键槽。

具体实施方式

下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，在此本发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

如图1所示，本发明的一种块材型高温超导电机转子冲片结构示意图。包括转子冲片轴面最外侧转子槽1，靠近转子槽1的矩形槽2，冲片中心的轴孔5，轴孔上的键槽6，以及矩形槽连通的圆弧形槽4；矩形槽之间设有螺栓孔3，各种槽和孔均采用对称式分布。

本实施例中，转子冲片材料选用冷轧低硅钢片(含硅0.8-1.8％)，型号为DW310-50，硅钢片厚度为0.5mm，采用激光切割加工，加工精度为0.2mm。硅钢片的数量至少60片，才能保证将直径28mm的超导块完全嵌入到转子上的矩形槽里面，叠压系数为0.95，这样可以减小电机运行时的铁耗。硅钢片的性能要求包括，铁损要低，这是硅钢片质量的最重要参数指标；硅钢片在强磁场中的磁感应强度要高，磁导率要大，这样才能减小铁芯的体积与重量，同时节约铜线、绝缘材料和硅钢片的使用数量；硅钢片的表面要做到光滑平整、厚度均匀，只有这样才能提高铁芯的叠压系数；硅钢片表面绝缘膜的附着性和焊接性要好，才能有效防腐蚀和改善冲片性能；要做到基本无磁时效，通常硅钢片会随着硅含量的提高，导致铁损、冲片性和磁感值降低，硬度提高。

本实施例中，转子冲片一共有42个圆底梨形状的转子槽，对称分布在转子冲片外侧圆周上，梨形槽如图2所示；齿槽分为6组，每组7个齿槽对应着一个高温超导块，每个槽中绕制45根0.5mm的铜线，此时槽满率在80％左右。转子冲片轴面的每一组转子槽正对一个矩形槽，高温超导块材放置在矩形槽中；超导块上方的齿槽紧贴矩形槽，这样可以将超导块上部的漏磁降到最低，使反电势和气隙的波形更平滑一些；而且这样可以尽可能的减小充磁线圈的内径，使线圈产生的磁场均匀集中，让更多的磁力线穿过超导块，降低涡流损耗。每组7个齿槽绕制的充磁线圈长度可以保证至少超过超导块厚度的两倍，做到匝数多、层数多、每层匝数尽量少的设计；这种设计会增加线圈的电感值，降低脉冲峰值电流，但产生的磁场强度峰值却很大。

在本实施例中，矩形槽长度大于等于超导块直径；矩形槽的宽度w大于高温超导块的厚度δ，且满足0.5mm≤w-δ≤1mm。每两个矩形槽对应连通一个圆弧形槽，圆弧形槽的个数为每个圆弧形槽所对应的圆心角为β，且满足一组转子槽的齿槽个数m为奇数，矩形槽个数p为偶数，矩形槽宽度为w，矩形槽的形心距转子冲片中心的半径为R，相邻两个矩形槽之间的夹角为m个齿槽所对应的圆心角为α，且满足

利用这种设计可以降低对电路元件参数的要求，因为脉冲峰值电流被降低了，此时线圈产生的热量也会随之减少，让整个系统结构简化，提高了系统的可靠性。

如上所述的块材型高温超导电机转子冲片，圆弧形槽和外侧对应的转子槽相互配合，共同起着让脉冲磁化线圈绕制在超导块周围，保证磁场垂直穿过超导块的作用；还有固定超导块，减小超导块底部漏磁的作用；同时，绕制完脉冲磁化线圈后的圆弧形槽还留有一定的空间，这部分没有被脉冲磁化线圈占据的空间可以保证液氮的流通和充满，而且可以降低转子质量，减小噪音，进一步保证了超导块材的低温特性。

在本实施例中，多个转子冲片采用同一套冲片模具或激光切割制成，且在转子基底上的布置方式相同，转子冲片采用冷轧低硅钢片，堆叠起来的冲片总厚度至少应大于高温超导块的直径。

在本实施例中，每两个矩形槽对应分布着一个圆弧形槽，且此圆弧形孔与两个方形槽是连通在一起的。矩形槽一共6个，对应放置6块高温超导块，即三对磁极；矩形槽的宽度比超导块的厚度大，留有余量便于超导块能顺利放入的同时，又能保证超导块不会因间隙过大而在槽中振动，损坏超导块。因为超导电机的转轴为了通液氮是设计成中空的，为了降低超导同步电机转轴材料和设计成本，超导同步电机的转速不宜设计过快，所以采用6极结构，电机转速为1000r/min。转子采用内置切向式结构，交直轴的磁阻不同，所以产生的转子磁路不对称，弱磁性能相较于表面式更好，增大了磁通量，有很好的聚磁作用，同时便于对超导块进行固定和充磁。

在转子冲片上对称分布着螺栓孔，在本实施例中，三个螺栓孔的直径为9mm，将放入三颗M8*100的普通螺栓来实现转子冲片的压紧和定位。螺栓孔的位置处于冲片材料多的地方，这样可以使放入其中的螺栓到各个槽的距离相对均匀，便于受力均匀；采用螺栓组可以方便快捷地对转子冲片进行压紧和定位，以此来提高导磁性能、减少磁滞损失，否则铁芯就会严重发热。利用螺栓压紧后，为了进一步固定好超导块，防止硅钢片之间发生相对转动，在压紧装叠好的冲片侧面采用氩弧焊进行焊接固定，保证在电机的高速旋转过程中硅钢片不会发生错动。因为使用的超导块属于陶瓷材料，强度低，如果振动较大或者硅钢片发生错动，将会导致超导块碎裂。氩弧焊是利用氩气作为保护气体，在焊接时可以隔离空气，从而保护焊件。同时，氩弧焊的焊接效率高，速度快，损耗小，焊接后表面比较光滑，从而保证了转子外径不会因为焊接而有所增加。

在本实施例中，由于电机转轴相当于标准件，所以采用基轴制，为了便于安装，采用间隙配合，参考了电机常用公差设计后，最后选择轴和转子冲片的配合公差为H8/h6。

在本实施例中，电机转子与轴的连接采用普通平键连接，键的类型为A型键，这种圆头平键适合放在轴上用铣刀铣出的键槽中，在键槽中的轴向固定良好。选择键的尺寸为14*9，键长可根据转子铁芯的长度和键的长度系列表进行选择。对于采用常见的材料组合和按标准选取尺寸的普通平键连接，在传递扭矩时，其主要的失效形式是工作面被压溃，除非有严重过载，一般不会出现键的剪断。因此，通常只按照工作面上的挤压应力进行强度校核计算。

假定载荷在键的工作面上均匀分布，普通平键连接的强度条件为

式中：T为传递的扭矩，N·m；K为键与轮毂键槽的接触高度，k＝0.5h，此处h为键的高度，mm；l为键的工作长度，mm，圆头平键l＝L-b,这里L为键的公称长度，mm；b为键的宽度，mm；d为轴的直径，mm；[σ_p]为键、轴、轮毂三者中最弱材料的许用应力，MPa。按照电机输出最大扭矩代入公式计算，σ_p＝20Mpa，查键连接的许用应力表可知，在静连接有冲击时，钢材的[σ_p]＝60-90Mpa，所以采用14*9的普通A型平键连接是满足强度要求的。

图2是单个转子槽形图，转子槽为圆底梨形槽，绕制充磁线圈后槽满率在80％左右，这种槽面积利用率高，冲模的使用寿命长，而且槽绝缘的弯曲程度也较小，不容易被损伤。

本实施例中，该块材型高温超导电机转子冲片的安装步骤和方法如下：

(1)利用带定位孔的支架将转子冲片整齐堆叠起来并用螺栓组压紧；

(2)在装叠好的硅钢片侧面采用氩弧焊的方式进一步固定，防止转子冲片之间发生相对错动；

(3)在矩形槽中放入高温超导块；

(4)利用电机绕线工具在转子槽和圆弧形孔之间绕制充磁线圈，将超导块包裹并固定在线圈中，绕制时注意不要破坏线圈的绝缘漆，每绕制完一组转子槽后要反向绕制下一组；

(5)将转子通过键连接安装固定到电机转轴上。

本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种块材型高温超导电机的转子冲片,其特征在于，包括转子冲片轴面最外侧的转子槽、靠近转子槽内侧的矩形槽，以及与所述矩形槽连通的圆弧形槽；所述转子冲片中心设有带键槽的轴孔；所述矩形槽之间设有螺栓孔；各种槽和孔均为对称式分布。

2.如权利要求1所述的一种块材型高温超导电机的转子冲片,其特征在于，所述转子槽采用半闭口的圆底梨型槽，对称分布在转子冲片外侧圆周上。

3.如权利要求1所述的一种块材型高温超导电机的转子冲片,其特征在于，转子冲片轴面的每一组转子槽正对一个矩形槽，高温超导块材放置在矩形槽中；所述矩形槽长度大于等于超导块直径；矩形槽的宽度w大于高温超导块的厚度δ，且满足0.5mm≤w-δ≤1mm。

4.如权利要求3所述的一种块材型高温超导电机的转子冲片,其特征在于，每两个矩形槽对应连通一个圆弧形槽，圆弧形槽的个数为每个圆弧形槽所对应的圆心角为β，且满足

5.如权利要求1所述的一种块材型高温超导电机的转子冲片,其特征在于，一组转子槽的齿槽个数m为奇数，矩形槽个数p为偶数，矩形槽宽度为w，矩形槽的形心距转子冲片中心的半径为R，相邻两个矩形槽之间的夹角为m个齿槽所对应的圆心角为α，且满足

6.如权利要求1所述的一种块材型高温超导电机的转子冲片,其特征在于，所述转子冲片为采用冲片模具或激光切割制成的冷轧低硅钢片。

7.如权利要求1-6任一项所述的一种块材型高温超导电机的转子冲片,其特征在于，多片转子冲片通过螺栓压紧，在压紧后的冲片侧面采用氩弧焊进行焊接固定，多片转子冲片堆叠起来的冲片总厚度至少应大于高温超导块的直径。

8.如权利要求1所述的一种块材型高温超导电机的转子冲片,其特征在于，通过插入键槽与电机转轴之间的平键使得电机转轴与轴孔间隙配合，键的类型为A型键，满足强度要求为：

式中，T为传递的扭矩，N·m；K为键与轮毂键槽的接触高度，k＝0.5h，此处h为键的高度，mm；l为键的工作长度，mm，圆头平键l＝L-b,这里L为键的公称长度，mm；b为键的宽度，mm；d为轴的直径，mm；[σ_p]为键、轴、轮毂三者中最弱材料的许用应力，MPa。