CN109639092A - 一种应用高温超导堆叠磁体的新型双边直线同步电机 - Google Patents

一种应用高温超导堆叠磁体的新型双边直线同步电机 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种应用高温超导堆叠磁体的新型双边直线同步电机，包括作为次级的多个高温超导带材堆叠结构、冷却系统和双边对置初级单元；高温超导带材堆叠结构为多片超导带材片体堆砌、封装或热熔形成的块状结构；冷却系统包括内装冷却液的低温容器，低温容器左右两侧壁上均设有多个安装凹槽，高温超导带材堆叠结构嵌设于各安装凹槽内；双边对置初级单元包括双边铁芯和铜绕组；双边铁芯为对称结构，左右两侧板内侧均设有多个定子齿；铜绕组采用整距排布方式绕制于定子齿上；冷却系统设置于双边铁芯的气隙内，且各高温超导带材堆叠结构分别正对于同侧的定子齿。本发明推力密度高，电能损耗小，带负载能力强，运行速度快，便于磁体磁化。

Description

一种应用高温超导堆叠磁体的新型双边直线同步电机
技术领域
本发明涉及直线电机技术领域，具体为一种应用高温超导堆叠磁体的新型双边直线同步电机。
背景技术
受限于传统永磁材料的发展，常规永磁材料产生的最大磁场在1.5 T左右；这也在很长一段时间限制了永磁同步直线电机的发展。高温超导磁体的出现改善了这一局面，如何将超导磁体应用于直线电机也成了一个研究热点，现有报道，将超导带材裁剪成片状并制成块状结构，经过磁化后能够产生的磁场高达17.7 T， 用其替换传统永磁直线电机上永磁材料，能够在大气隙的情况下，极大的提升电机的推力密度和运行效率。
尽管将堆叠磁体应用于直线电机优势明显，但是同样面临着一个问题：充磁机每次只能对一个磁体进行磁化，磁化后又如何装配固定也是个问题。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于提供一种推力密度高，电能损耗小，带负载能力强，运行速度快，便于磁体磁化及次级采用了高温超导带材堆叠结构的直线驱动装置。技术方案如下：
一种应用高温超导堆叠磁体的新型双边直线同步电机，包括作为次级的多个高温超导带材堆叠结构、冷却系统和双边对置初级单元；
所述高温超导带材堆叠结构为多片超导带材片体堆砌后，封装或热熔形成的块状结构；
所述冷却系统包括内部装有冷却液的低温容器，低温容器左右两侧壁上均设有多个横向排布的安装凹槽，所述高温超导带材堆叠结构嵌设于各安装凹槽内；
所述双边对置初级单元包括双边铁芯和铜绕组；所述双边铁芯为对称结构，包括底板和竖直固定于底板上的左右两侧板，左右两侧板内侧均设有多个呈横向排布的定子齿；所述铜绕组采用整距排布方式绕制于定子齿上；
所述冷却系统设置于双边铁芯左右两侧定子齿间的气隙内，且各高温超导带材堆叠结构分别正对于同侧的定子齿。
进一步的，所述低温容器顶部设有容器盖，容器盖上设有冷却液进出口和温度传感器安装口。
更进一步的，所述低温容器外侧还设有用于固定高温超导带材堆叠结构的封装壳体，所述封装壳体由具有真空夹层的保温材料制成。
更进一步的，所述整距排布方式为：每个定子齿上只绕制一个绕组线圈，且相邻两绕组线圈的电流方向相反。
更进一步的，所述超导带材片体为含有YBCO材料的涂层超导带材，采用平行纵向放置。
本发明的有益效果是：本发明采用了超导带材堆叠磁体作为直线电机的次级，堆叠磁体经过磁化后，产生的磁场强度远远超过传统永磁材料，在大气隙工况下，能极大的提高电机的推力密度以及效率；其次，采用双边对置初级，在气隙中能产生较大的磁场强度，整距绕组结构绕线简单更能减少铜线的用量和降低铜耗；当往绕组接头通入直流电或者特定波形的交变电流时，整个初级就是一个多级阵列式的恒定充磁机或者脉冲充磁机，当往绕组接头通入逆变后交流电时，整个初级又是一个双边定子；极大的简化了带材堆叠结构的磁化过程以及解决了一直以来，磁体磁化后的装配困难的问题。
附图说明
图1为采用了高温超导带材堆叠结构的双边直线电机整体结构示意图。
图2为高温超导带材堆叠结构的结构示意图。
图3为次级的轴测图。
图4为次级的三维爆炸图。
图5 为低温容器的结构示意图。
图6 为双边对置初级单元侧视图。
图7图6中A-A处的剖面图。
图中：1-高温超导带材堆叠结构；101-超导带材片体；2-冷却系统；201-容器盖；202-冷却液进出口；203-温度传感器安装口；204-冷却液；205-低温容器；206-安装凹槽；207-封装壳体；3双边对置初级单元；301-双边铁芯；302-铜绕组；303-绕组接头；304-定子齿；4-气隙。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。如图1所示，一种应用高温超导堆叠磁体的新型双边直线同步电机，包括作为次级的多个高温超导带材堆叠结构1、冷却系统2和双边对置初级单元3。
所述高温超导带材堆叠结构1为多片超导带材片体101堆砌后，封装或热熔形成的块状物。如图2所示，高温超导带材堆叠结构1主要是将高温超导带材进行裁剪后堆砌而成，所选高温超导体材料为含有YBCO材料的涂层超导带材，可以根据实际应用情况选择裁剪的尺寸和堆叠的方式，本发明采用了平行纵向放置，堆叠成块状后可以进一步对其压制,并对其加热让带材内部的焊料熔化，层与层焊料的融合又可以起到固化作用，固化后的堆叠结构内部仍含有金属基底，有利于冷却和散热。
如图3，图4和图5所示，冷却系统2包括内部装有冷却液204的低温容器205，低温容器205左右两侧壁上均设有多个横向排布的安装凹槽206，所述高温超导带材堆叠结构1嵌设于各安装凹槽206内。
其中，低温容器205顶部设有容器盖201，容器盖201上设有冷却液进出口202和温度传感器安装口203。低温容器205外侧还设有用于固定高温超导带材堆叠结构1的封装壳体207，所述封装壳体207由具有真空夹层的保温材料制成。冷却液进出口202用于添加冷却液以及后期运行过程中冷却液204的蒸发，低温容器205主要采用导热性能较好的铜材料制成且壳壁较薄，内部用来盛放冷却液，安装凹槽206用来放置高温超导带材堆叠结构1，冷却液通过铜传导对高温超导带材堆叠结构进行冷却，安装凹槽206结构加大了冷却的有效面积。封装壳体207主要采用具有真空夹层的保温材料制成，一方面用来固定带材堆叠磁体，一方面用来保温。温度传感器安装口203主要用来安装温度传感器，用于监测内部温度。
如图6和图7所示，双边对置初级单元3包括高磁导率的双边铁芯301和铜绕组302；所述双边铁芯301为对称结构，包括底板，和竖直固定于底板上的左右两侧板，左右两侧板内侧均设有多个呈横向排布的定子齿304；所述铜绕组302采用整距排布方式绕制于定子齿304上。双边铁芯301成对称布置，形成闭合磁路。铜绕组采用整距方式布置，即一个齿304上只有一个线圈，采用此方式不仅绕线方便，而且能减少总用铜量，降低铜耗，提升电机效率。
针对应用，本发明的铁芯采用双边对置结构，绕组采用整距排布方式，即每个定子的齿上只绕制一个线圈，每个绕组线圈的电流方向如图7中的环形箭头所示。当往线圈内通直流电或者特定波形的脉冲电流时，此时的初级就是一个阵列式恒定充磁机或者脉冲充磁机；通以逆变后的三相交流电时，就是传统的双边定子。
所述冷却系统2设置于双边铁芯301左右两侧定子齿304间的气隙4内，且各高温超导带材堆叠结构1分别正对于同侧的定子齿304。
首先是对带材堆叠结构进行磁化最后变成磁体的过程。该过程可以通过两种方式达到，一是当带材堆叠结构正对初级的定子齿304时，此时往定子线圈通入直流电，待稳定后，向低温容器中注入冷却剂，待堆叠结构完全冷却进入超导态后，撤去直流电，此时的堆叠结构就变成了一个磁体。二是当带材堆叠结构正对初级的定子齿304时，先向低温容器注入冷却剂，待堆叠结构状完全冷却进入超导态后，此时往定子线圈通入脉冲电流，对堆叠结构进行脉冲磁化，完全磁化后再撤去脉冲电流，此时的堆叠结构也会变成了一个磁体。
其次再往线圈中通入逆变后的三相交流电，线圈中电流产生的磁场与堆叠磁体作用会产生较大的力驱动次级运动。

Claims (5)

1.一种应用高温超导堆叠磁体的新型双边直线同步电机，其特征在于，包括作为次级的多个高温超导带材堆叠结构（1）、冷却系统（2）和双边对置初级单元（3）；
所述高温超导带材堆叠结构（1）为多片超导带材片体（101）堆砌后，封装或热熔形成的块状结构；
所述冷却系统（2）包括内部装有冷却液（204）的低温容器（205），低温容器（205）左右两侧壁上均设有多个横向排布的安装凹槽（206），所述高温超导带材堆叠结构（1）嵌设于各安装凹槽（206）内；
所述双边对置初级单元（3）包括双边铁芯（301）和铜绕组（302）；所述双边铁芯（301）为对称结构，包括底板和竖直固定于底板上的左右两侧板，左右两侧板内侧均设有多个呈横向排布的定子齿（304）；所述铜绕组（302）采用整距排布方式绕制于定子齿（304）上；
所述冷却系统（2）设置于双边铁芯（301）左右两侧定子齿（304）间的气隙（4）内，且各高温超导带材堆叠结构（1）分别正对于同侧的定子齿（304）。
2.根据权利要求1所述的应用高温超导堆叠磁体的新型双边直线同步电机，其特征在于，所述低温容器（205）顶部设有容器盖（201），容器盖（201）上设有冷却液进出口（202）和温度传感器安装口（203）。
3.根据权利要求1所述的应用高温超导堆叠磁体的新型双边直线同步电机，其特征在于，所述低温容器（205）外侧还设有用于固定高温超导带材堆叠结构（1）的封装壳体（207），所述封装壳体（207）由具有真空夹层的保温材料制成。
4.根据权利要求1所述的应用高温超导堆叠磁体的新型双边直线同步电机，其特征在于，所述整距排布方式为：每个定子齿（304）上只绕制一个绕组线圈，且相邻两绕组线圈的电流方向相反。
5.根据权利要求1所述的应用高温超导堆叠磁体的新型双边直线同步电机，其特征在于，所述超导带材片体（101）为含有YBCO材料的涂层超导带材，采用平行纵向放置。
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