CN109639103B - 旋转极靴式高温超导同步电机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种旋转极靴式高温超导同步电机，该电机将同步电机转子铁心极身与极靴分离，仅旋转极靴，励磁绕组采用高温超导带材；电机由外向内包括同轴安置的外定子、转子和内定子，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，外定子嵌有电枢绕组；转子包括转子铁心；内定子包括内定子铁心、杜瓦、设置于杜瓦内的超导线圈以及液氮入口；杜瓦系统呈回字形。本发明的旋转极靴式高温超导电机具有低温保障可靠、转子结构强度大且转动惯量小、功率密度高的特点，有望用于航空航天、装甲车等具有高功率密度、高转速、高振动电机需求的领域。

Description

旋转极靴式高温超导同步电机
技术领域
本发明涉及特种电机领域，尤其是一种旋转极靴式高温超导同步电机。
背景技术
近年来，随着军民工业中动力、执行机构的多电、全电化改进，对高功率密度、高功率等级、高可靠性电机产品需求迫切，如航空发电机、起动发电机，装甲车载发电机等。此类电机还具备运转速度高、机械振动大、可靠性要求高等特点。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，导致电机的功率密度或电机效率的进一步提升困难，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，主要用于船舶推进、风力发电等低转速领域。该类型电机需要使用为超导线圈提供励磁电流的滑环，使用带有低温旋转动密封的杜瓦系统等复杂结构。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；有的超导电机将绕有超导绕组的定子结构全部置于低温环境中，这就使其中的铁心结构受到低温下导磁材料性能限制，电机功率密度将受到影响；此外，现有超导电机中定转子结构较为复杂，超导线圈数量较多，只能适用于风电等更大功率等级、低转速、运行环境可靠的领域，对于高速、高振动应用环境的适应能力较差。
发明内容
发明目的：为解决现有技术中面临的上述问题，本发明的目的是提供一种旋转极靴式高温超导同步电机，其对铁心使用更充分，具有更高的功率密度，同时超导磁体和杜瓦结构更为简单，可靠，更适用于高速、高振动领域。
技术方案：为实现以上目的，本发明所述的旋转极靴式高温超导同步电机包括由外向内同轴设置的外定子、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；所述转子包括转子铁心；所述内定子包括杜瓦系统、超导线圈、内定子铁心；超导线圈设置于杜瓦系统内；外定子和转子之间设有与第一气隙，转子和内定子之间设有第二气隙。
进一步地，杜瓦系统为双层薄壁结构，呈“回”字形，双层薄壁之间为真空层，其空腔内充液氮，杜瓦系统壁面上设置有电磁屏蔽层，用来屏蔽电枢侧交变磁场。
进一步地，所述电枢绕组为分布绕组，按照ABC相依次均布，经第一气隙与切割转子侧磁场相交链；作电动机运行时，电枢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，电枢绕组输出三相电至功率调整模块或负载。
进一步地，超导线圈在内定子中产生轴向磁场，经第二气隙与转子铁心形成磁路，在转子悬臂中产生N、S交叉出现的径向分布的磁场；旋转的转子与静止的内定子共同组成了电机的励磁系统。
进一步地，所述外定子铁心、所述转子铁心和所述内定子铁心未处于低温环境，使用常温高磁导率材料。
进一步地，所述外定子铁心、所述转子铁心和所述内定子铁心采用冷轧硅钢材料或非晶合金制成。
进一步地，所述超导线圈为圆形，由高温超导线材或高温超导带材绕制而成。
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，在内定子铁心中产生轴向的强磁场，通过第二气隙传至转子，在转子悬臂中产生N、S磁极交变的磁场。作发电机运行时，原动机带动电机转子转动，转子磁场通过第一气隙与电枢绕组相交链，在电枢绕组中感生电势，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，第一气隙中产生旋转磁场，与转子中的磁场发生作用带动电机转子转动，实现电机电能到机械能的转化。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下显著优点：
(1)电机为超导同步电机，采用超导线圈励磁，损耗极小，减小了电机的励磁铜损，可以较大程度的提供电机效率或电机功率密度；
(2)电机将极靴从同步电机转子中分离形成独立转子，结构简单坚固、重量相对更轻，电机转动惯量更低，适用于高转速、高振动的航空航天、装甲车等领域；
(3)超导线圈与电枢绕组分别安置在内、外定子上，不互相挤占空间，超导线圈不受电枢绕组产生的交变磁场干扰，产生交流损耗小；电机中只有超导线圈处于低温环境中，铁心结构不会受到低温下导磁材料性能限制，避免了电机功率密度所受的影响，结构更可靠；
(4)电机采用双定子结构，超导线圈和杜瓦工作在静止状态，避免了滑环和低温下动密封的使用，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和制造成本，有助于超导电机的实用化。
附图说明
图1为本发明旋转极靴式高温超导同步电机总体外观结构示意图；
图2为本发明外定子结构爆炸图；
图3为本发明转子结构爆炸图；
图4为现有电机磁极结构示意图；
图5为本发明电机磁极结构示意图；
图6为本发明内定子结构爆炸图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。
如图1-4所示，本发明旋转极靴式高温超导同步电机由外向内包括同轴安置的外定子1、转子2和内定子3(附图中编号首数字为1则代表外定子组成结构件，首数字为2则代表转子组成结构件，首数字为3代表内定子组成结构件)，旋转的转子与静止的内定子共同组成了电机的励磁系统。
如图2所示，外定子工作在室温环境，包括外定子铁心11和电枢绕组12。外定子铁心11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12绕制在外定子齿上。外定子铁心11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12为分布绕组，且其中的相邻三相绕组分别为ABC相；121为电枢绕组中的一个线圈。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。
如图3所示，转子2包括前端轴承22、力矩轴21、铁心一23、铁心二24、不锈钢结构件25、后端轴26和后端轴承27。转子2安装在外定子1和内定子3之间，且转子与内外定子之间均由第一气隙隔开，可以转动。在现有的常规同步电机中，如图4所示，磁极是由极靴211、极身212以及转子磁轭213构成的整体，因此在工作时极靴与极身同时进行旋转；而在本发明的旋转极靴式超导电机中，如图5所示，将极靴设置为转子，极身设置为内定子，因此将极身与极靴分离，工作时仅极靴进行旋转；该设置方式使转子结构简单坚固、重量相对更轻，电机转动惯量更低。超导线圈32通电感生磁场，经内定子铁心33和第二气隙28传导至转子2，在两个对称的转子铁心23、24中分别产生N、S极。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。
如图6所示，内定子3包括内部充满液氮的“回”字形杜瓦系统34、设于“回”字形杜瓦系统内的超导线圈32、内定子铁心33、内定子前端轴35、内定子前端轴承36以及后端轴31等；杜瓦系统34为双层薄壁结构，中间为真空层，内充液氮。杜瓦系统壁上设置电磁屏蔽层，用来屏蔽电枢侧交变磁场。超导线圈32置于杜瓦系统34中，以使超导线圈32能在液氮的低温环境下工作。超导线圈32为电机励磁机构，由高温超导线(带)材绕制，形状是圆形。优选地，超导线圈32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，超导带材外侧可以包裹绝缘层也可以不包裹。内定子铁心33使用高磁导率材料制成，用于为超导线圈32产生的磁场提供磁路。
工作时，超导线圈32通入直流电，产生轴向磁场，磁场经第二气隙在转子悬臂中产生径向呈N、S交叉分布的径向磁场。当在发电机状态下运行时，转子2转动，转子侧磁场经第一气隙与电枢绕组12交链，在电枢绕组12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12中通入三相电，产生旋转磁场带动转子2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32设置在内定子侧的杜瓦34中且处于静止状态，超导线圈32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32与电枢绕组12分别安置在内、外定子，不互相挤占空间，且超导线圈32不受电枢绕组12产生的交变磁场干扰，产生交流损耗小。电机中只有超导线圈32处于低温环境中，且静止、结构可靠。此外，转子2仅由铁心组成，结构简单坚固、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、装甲车等高转速、高功率密度电机需求领域。

Claims (6)

1.一种旋转极靴式高温超导同步电机，其特征在于：包括由外向内同轴安置的外定子(1)、转子(2)和内定子(3)；所述外定子包括外定子铁心(11)和电枢绕组(12)；所述外定子铁心(11)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(12)；所述转子(2)包括转子铁心；所述内定子(3)包括杜瓦系统(34)、超导线圈(32)、内定子铁心(33)；超导线圈(32)设置于杜瓦系统(34)内；外定子(1)和转子(2)之间设有第一气隙，转子(2)和内定子(3)之间设有第二气隙；所述超导线圈(32)在内定子铁心(33)中产生轴向磁场，经第二气隙与转子铁心形成磁路，在转子铁心悬臂中产生N、S交叉出现的径向分布磁场；旋转的转子(2)与静止的内定子(3)共同组成了电机的励磁系统。
2.根据权利要求1所述的旋转极靴式高温超导同步电机，其特征在于：杜瓦系统(34)为双层薄壁结构，呈“回”字形，双层薄壁之间为真空层，其空腔内充液氮，杜瓦系统壁面上设置有电磁屏蔽层。
3.根据权利要求1所述的旋转极靴式高温超导同步电机，其特征在于：所述电枢绕组(12)为分布绕组，按照ABC相依次均布，经第一气隙与转子侧磁场相交链；作电动机运行时，电枢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，电枢绕组输出三相电至功率调整模块或负载。
4.根据权利要求1所述的旋转极靴式高温超导同步电机，其特征在于：外定子铁心(11)、转子铁心和内定子铁心(33)采用常温高磁导率材料制成。
5.根据权利要求4所述的旋转极靴式高温超导同步电机，其特征在于：所述外定子铁心(11)、转子铁心和内定子铁心(33)采用冷轧硅钢材料或非晶合金制成。
6.根据权利要求1所述的旋转极靴式高温超导同步电机，其特征在于：所述超导线圈为圆形，由高温超导线材或高温超导带材绕制而成。
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