CN109617372A - 一种双定子高温超导磁通切换电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双定子高温超导磁通切换电机，该电机由外向内包括同轴安置的外定子、转子和内定子。其中，外定子包括外定子铁心和电枢绕组；外定子铁心内侧沿圆周方向开槽形成外定子齿和外定子槽，外定子齿上绕有电枢绕组；转子包括端部使用非导磁性结构固定的多个分段铁心；内定子包括内部充满液氮的“回”字形杜瓦系统、设于“回”字形杜瓦系统内的超导线圈和紧贴“回”字形杜瓦系统内侧的用于磁场屏蔽的内环境屏。本发明的高温超导磁通切换电机低温保障可靠、结构强度大，功率密度高，有望用于航空航天、风力发电、船舶推进等领域。

Description

一种双定子高温超导磁通切换电机

技术领域

本发明涉及特种电机设计领域，尤其涉及一种一种双定子高温超导磁通切换电机。

背景技术

近年来，军事、工业技术的发展对高功率等级、高功率密度的电机产品需求迫切。如风电产业对10MW以上级别的风力发电机的需求；全电、多电飞机对高功率密度航空发电机的需求；舰船领域对大扭矩推进电机的需求；军工及其他特需领域对高功率密度电机的需求等。由于现代常规电机中磁负荷、电负荷进一步提升的空间有限，电机的功率密度较低，难以满足要求。超导电机采用无直流电阻、大通流能力的超导线(带)材，可以将同功率的电机质量和体积缩小至常规电机的1/2～1/3，以至更小。近年来，超导材料性能不断提升，价格也逐渐降低，带动了相关产业的巨大发展。超导电机作为最重要的一项超导应用技术被广泛关注。

由于超导线圈通常需要工作于低温环境下(高温超导的工作温区为液氮温区，温度为77K)，并且，超导线圈通入交流，或工作于交变磁场环境下时会产生交流损耗，影响电机效率和制冷系统效率，严重时会导致线圈失超。因此，现有超导电机多被设计为采用超导线圈励磁、常规铜导线作电枢绕组的“半超导型”超导电机。该类型电机需要使用滑环为超导线圈供电，并且其杜瓦系统需要使用考虑低温环境的旋转动密封等结构。这为超导电机的研制带来巨大困难，也限制了超导电机的进一步实用化。

发明内容

发明目的：为解决现有超导电机设计中面临的问题，本发明提供一种双定子超导磁通切换电机。

技术方案：本发明的双定子超导磁通切换电机由外向内包括同轴安置的外定子、转子和内定子；所述外定子包括外定子铁心和电枢绕组；外定子铁心内侧开槽，形成外定子齿和外定子槽，外定子齿上绕有电枢绕组；所述转子包括沿圆周分布的多个铁心，所述多个铁心的轴向端部由非导磁性结构固定；所述内定子包括内部充满液氮的“回”字形杜瓦系统、设于“回”字形杜瓦系统内的多个超导线圈，以及紧贴“回”字形杜瓦系统内侧安置的内环境屏；转子表面分别和所述外定子齿的径向内侧表面及所述”回”字形杜瓦系统的径向外侧表面之间存在气隙。

进一步地，所述电枢绕组为整距绕组，按照ABC相依次均布；作电动机运行时，三相绕组与经电机控制系统调制的三相电源连接；作发电机运行时，三相绕组输出三相电至功率调整模块或负载。

进一步地，转子中所述多个铁心个数与外定子齿数按照电机所需齿槽比进行设计；超导线圈的个数与外定子齿的个数相同，且与外定子齿沿径向一一对应排布。

进一步地，所述外定子、所述转子和所述内环境屏未处于低温环境。

进一步地，所述超导线圈由高温超导线材或温超导带材绕制，形状为跑道形或圆形；所述内环境屏由高磁导率材料制成。

工作原理：“回”字形杜瓦系统中通入液氮，使得高温超导线圈达到正常工作的低温环境。为超导励磁线圈通入直流励磁电流，在电机内部产生强磁场。作发电机运行时，原动机带动电机转子转动，由于转子为高导磁材料，它的转动使得外定子齿和超导线圈之间的磁阻发生变化。套在外定子齿上的电枢绕组中铰链的磁通也随之变化。变化的磁通在电枢绕组中感应出变化的电动势，从而实现机械能到电能的转化。同理，作电动机运行时，在电枢侧通入三相交流电，气隙中产生旋转磁场，带动电机转子转动，实现电机电能到机械能的转化。超导线圈的强磁场保证了电机的高功率密度，同时，杜瓦系统保证了超导线圈的低温环境，并进一步屏蔽了交变磁场对超导线圈的影响。

相对于现有技术，本发明的有益效果是：

(1)超导线圈损耗极小，减小了电机的励磁铜损，提高了电机效率。

(2)超导线圈可以产生强磁场，节约了电机中铁磁材料的使用，提高了电机的功率密度。

(3)采用双定子结构，使得超导线圈和杜瓦系统工作在静止状态，避免了滑环和动密封的使用，大大简化了超导电机的制造难度，提高了超导电机的可靠性。

(4)转子结构简单，有望用于高速电机领域。

(5)杜瓦系统结构简单可靠，将降低制冷成本，有助于超导电机实用化。

附图说明

图1为本发明双定子高温超导磁通切换电机的截面结构示意图；

图2为内定子中的杜瓦系统内部超导线圈分布示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步阐述。

如图1，本发明的双定子高温超导磁通切换电机由外向内包括同轴安置的外定子、转子3和内定子。

外定子工作在室温环境，包括外定子铁心1和电枢绕组2。外定子铁心1内侧开槽，具有沿圆周方向分布的多个外定子齿和外定子槽，电枢绕组2绕制在外定子齿上。外定子铁心1可优选采用高导磁材料冷轧硅钢片叠制而成或采用非晶合金，减小外定子侧铁损。电枢绕组2为整距绕组，且其中的相邻三相绕组分别为ABC相。当切换电机处在电动机状态下运行时，三相绕组与经电机控制系统调制的三相电源连接，当处在发电机运行时，三相绕组输出三相电至功率调整模块或负载。

转子3包括沿圆周分布的多个铁心结构，铁心的轴向端部均由非导磁性结构固定，该非导磁性结构与外部机械接口连接，以使转子与外部机械装置交换机械能。转子3安装在外定子1和杜瓦系统4之间，且有气隙隔开，可以转动。根据加工精度和电机运行条件，两个气隙可以尽量小，以减小漏磁和提高电机的功率密度。

内定子包括杜瓦系统4、超导线圈5和内环境屏6。杜瓦系统4为双层薄壁结构，中间为真空层，内充液氮。杜瓦壁上设置双层阻尼屏蔽系统，用来屏蔽电枢侧交变磁场，以及为电机提供必要的阻尼。超导线圈5置于杜瓦系统中，以使超导线圈5能在液氮的低温环境下工作。超导线圈5为电机励磁机构，由高温超导线(带)材绕制，形状可以是跑道型或圆形，沿圆周方向均匀布置，如图2所示。优选地，超导线圈5采用第二代高温超导带材，使用环氧浇注，从而增加线圈绝缘性能、导热性能及机械强度。内环境屏6紧贴”回”字形杜瓦系统4内侧，处于常温区(位于图1中中央孔心部分)。内环境屏6使用高磁导率材料制成，用于为超导线圈5产生的磁场提供磁路，且起到屏蔽磁场的作用。内环境屏6的厚度与超导线圈产生磁场强度有关。

特别地，为了使转子3能够正常运转，转子3中分段式铁心个数与外定子齿数按照电机所需极槽比设计。超导线圈5的个数与外定子齿的个数相同，且与外定子齿沿径向一一对应排布。

工作时，超导线圈5通入直流电，产生磁场。当在发电机状态下运行时，转子3转动，由于磁阻变化，电枢绕组2中感应出交变的电动势，实现机械能到电能的转化。当在电动机状态下运行时，电枢绕组2中通入三相电，产生旋转磁场带动转子3转动，实现电能到机械能的转化。

由于在各种状态下运行时，超导线圈5设置在内定子侧的杜瓦系统4中且处于静止状态，超导线圈5供电不需采用导电滑环。采用一套完整静止的“回”字形杜瓦系统，避免了旋转动密封的使用，可靠保证了超导线圈的低温工作环境。同时，超导线圈5不占用电枢绕组2的空间，且不受电枢绕组2产生的交变磁场干扰，产生交流损耗小。内环境屏6在运行时也处于静止且工作于常温环境，可以采用高导磁性能的材料。此外，转子3的结构简单、可靠。因此，该超导电机低温保障可靠、结构强度大，功率密度高，有望用于航空航天、风力发电、船舶推进等领域。

应当理解，上述实施例仅仅是示例性的。在不脱离本发明原理的条件下，还可以做出诸多改进和优化，这些改进和优化也视作本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种双定子高温超导磁通切换电机，其特征在于：由外向内包括同轴安置的外定子、转子(3)和内定子；

所述外定子包括外定子铁心(1)和电枢绕组(2)；

外定子铁心(1)内侧开槽形成外定子齿和外定子槽，外定子齿上绕有电枢绕组(2)；

所述转子(3)包括沿圆周分布的多个铁心，所述多个铁心的轴向端部由非导磁性结构固定；

所述内定子包括内部充满液氮的“回”字形杜瓦系统(4)、设于“回”字形杜瓦系统内的多个超导线圈(5)，以及紧贴“回”字形杜瓦系统(4)内侧安置的内环境屏(6)；

转子(3)表面分别和所述外定子齿的径向内侧表面及所述”回”字形杜瓦系统的径向外侧表面之间存在气隙。

2.根据权利要1所述的双定子高温超导磁通切换电机，其特征在于，所述电枢绕组(2)为整距绕组，按照ABC相依次均布；作电动机运行时，三相绕组与经电机控制系统调制的三相电源连接；作发电机运行时，三相绕组输出三相电至功率调整模块或负载。

3.根据权利要求1所述的双定子高温超导磁通切换电机，其特征在于，转子(3)中所述多个铁心个数与外定子齿数按照电机所需齿槽比进行设计；超导线圈(5)的个数与外定子齿的个数相同，且与外定子齿沿径向一一对应排布。

4.根据权利要求1所述的双定子高温超导磁通切换电机，其特征在于，所述外定子、所述转子和所述内环境屏(6)未处于低温环境。

5.根据权利要求1所述的双定子高温超导磁通切换电机，其特征在于，所述超导线圈(5)由高温超导线材或温超导带材绕制，形状为跑道形或圆形；所述内环境屏(6)由高磁导率材料制成。