CN109728708B

CN109728708B - 一种高温超导电机

Info

Publication number: CN109728708B
Application number: CN201811557314.6A
Authority: CN
Inventors: 周勇; 董琦; 代义军; 郑军; 郭祥华
Original assignee: Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion China Shipbuilding Industry Corp No 712 Institute CSIC
Current assignee: Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion China Shipbuilding Industry Corp No 712 Institute CSIC
Priority date: 2018-12-19
Filing date: 2018-12-19
Publication date: 2020-08-07
Anticipated expiration: 2038-12-19
Also published as: CN109728708A

Abstract

本发明公开了一种高温超导电机，由低温制冷系统、冷媒传输耦合装置、非驱动端轴承座及轴承、转子、端盖、定子、盘式集电环、刷架、驱动端轴承座及轴承等组成；所述定子由机座、铁芯冲片、楔形键、线圈固定件、定子线圈和槽锲组成，线圈固定件为内嵌不锈钢金属板的玻璃纤维复合材料块，线圈固定件放入铁芯冲片鸽尾槽中，通过楔形键胀紧固定；所述转子由转轴、冷媒传输管道、屏蔽层、超导磁体、低温骨架、支撑隔热装置等组成；低温制冷系统产生的冷媒先冷却低温骨架，后采用传导的方式冷却超导磁体；本发明特别适合在大功率、低转速、结构紧凑、运行成本低等要求的船舶推进用高温超导电动机或高温超导直驱风力发电机中运用。

Description

一种高温超导电机

技术领域

本发明属于电机领域，具体涉及一种高温超导电机，它是适于高转矩密度的高温超导电机，特别适于作大功率、低转速、结构紧凑、运行成本低等要求的船舶推进用高温超导电动机或高温超导直驱风力发电机。

背景技术

高温超导电机相比常规电机具有体积小、重量轻、效率高、运行稳定等显著的优势，因而国内外对其研究十分重视。特别是采用转子旋转超导磁体的同步高温超导电机的研究，取得了突破性进展。美国于2008年完成了36.5MW高温超导推进电机样机的研制，基本具备工程化研制能力。德国西门子公司在2011年又成功研制4MW高温超导电动机。

由于超导线材的强载流能力，它能在电机气隙中产生很强的磁场，常规电机中用于提高气隙磁密的铁齿会出现饱和，不再适用。因此，超导电机一般采用气隙电枢。由于取消了铁齿，定子线圈直接处于主磁场下，则线圈承受较大的电磁力，因此需要定子线圈能够被可靠固定并具有良好的绝缘性能。现有技术中有多种气隙电枢结构方案，有的采用全复合材料支撑件来支撑定子线圈并传递扭矩，但全复合材料支撑件的刚度较低，致使线圈周向位移较大，引起振动并损坏绝缘；有的采用不锈钢齿与复合材料垫块相结合的方式来固定线圈，虽然其刚度有所提高，但是其加工成本昂贵，而且安装工艺复杂，提高了制造难度。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，从气隙电枢结构形式入手，优化气隙电枢拓扑结构，提供一种能满足实际工作需求的具有气隙电枢的高温超导电机结构。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种高温超导电机，包括定子、转子、端盖、带电刷的刷架、驱动端轴承座及轴承和非驱动端轴承座及轴承，还包括盘式集电环和提供冷媒的低温制冷系统，所述刷架安装固定于驱动端轴承座上，盘式集电环和电刷之间为端面滑动接触，电刷与外部磁体电流源连接；所述的定子采用无铁齿的气隙电枢结构，主要由机座和气隙电枢组成，所述的气隙电枢由铁芯冲片、楔形键、线圈固定件、定子线圈和槽锲组成，所述的铁芯冲片为轴向带有鸽尾槽的圆环形结构，所述的线圈固定件为内嵌不导磁金属板的玻璃纤维复合材料块，与所述的鸽尾槽间隙配合，通过楔形键胀紧固定；所述的转子包括常温部件以及通过支撑隔热装置与常温部件连接在一起的低温骨架，所述的常温部件由转轴、非驱动端端板、驱动端端板和屏蔽层组成，它们焊接成一体，所述的盘式集电环通过螺钉安装固定于驱动端端板上，所述的低温骨架上安装固定有超导磁体，超导磁体上连接有电流引线，电流引线通过密封接线柱连接盘式集电环上的导电杆，用于给超导磁体供电；所述的低温骨架上还连接有冷媒传输管道，两者焊接成一体，冷媒传输管道通过冷媒传输耦合装置与低温制冷系统连接在一起，低温制冷系统产生的冷媒先冷却低温骨架，后采用传导冷却的方式冷却超导磁体。

所述的一种高温超导电机，其电流引线通过热锚安装固定在低温骨架上，用于减小电流引线漏热。

所述的一种高温超导电机，其非驱动端端板上安装固定有无线测控装置，通过盘式集电环供电。

所述的一种高温超导电机，其定子线圈可采用单层换位线圈结构。

所述的一种高温超导电机，其支撑隔热装置由钛合金加工制造而成。

所述的一种高温超导电机，其支撑隔热装置采用轴向连接与径向连接相结合的方式将转轴与低温骨架连接在一起。

所述的一种高温超导电机，其超导磁体可以采用高温超导线材绕制而成或采用超导块材组装而成。

所述的一种高温超导电机，其冷媒可以采用冷氦气或液氖。

本发明产生的有益效果是：

气隙电枢线圈固定件采用内嵌不导磁金属板的等腰梯形复合材料块。与全复合材料的方案相比，内嵌的不导磁金属板提高了固定件整体刚度，降低了周向振动；与不锈钢齿与复合材料楔形条相结合的方案对比，由于线圈固定件与定子线圈接触部分为全复合材料，相对增强了定子线圈绝缘性能。而且，线圈固定件与铁芯冲片鸽尾槽间隙配合，通过楔形键来胀紧固定，简化了安装工艺，降低了制造难度；同时，线圈固定件顶面为不导磁金属平面，在打入楔形键时，不易损坏线圈固定件整体结构。

此外，采用盘式集电环，在缩短集电环轴向长度的同时，提高了集电环的刚强度，进而缩短了电机转子长度，提高了转子刚度和运行稳定性，降低了制造难度和材料成本，同时提高了电机功率密度。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明盘式集电环与刷架的安装局部放大图；

图3为本发明的转子结构示意图；

图4为本发明的气隙电枢结构示意图；

图5为本发明气隙电枢线圈固定件结构示意图。

各附图标记为：1—低温制冷系统，2—冷媒传输耦合装置，3—非驱动端轴承座，4—转子，5—端盖，6—定子，7—盘式集电环，8—带电刷的刷架，9—驱动端轴承座，10—螺钉，401—转轴，402—冷媒传输管道，403—非驱动端端板，404—无线测控装置，405—屏蔽层，406—超导磁体，407—低温骨架，408—支撑隔热装置，409—热锚，410—电流引线，411—密封接线柱，412—驱动端端板，61—铁芯冲片，62—楔形键，63—线圈固定件，64—定子线圈，65—槽锲，621—不导磁金属板，622—复合材料块。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

实施例1

如图1至图5所示，是本发明的一个基本实施例。

一种高温超导电机，由低温制冷系统1、冷媒传输耦合装置2、非驱动端轴承座3及轴承、转子4、端盖5、定子6、盘式集电环7、带电刷的刷架8、驱动端轴承座9及轴承等组成。

所述定子6采用无铁齿的气隙电枢结构，由机座、铁芯冲片61、楔形键62、线圈固定件63、定子线圈64和槽锲65组成，线圈固定件63为内嵌不锈钢金属板621的玻璃纤维复合材料块622，定子线圈64可采用单层换位线圈结构，线圈固定件63放入铁芯冲片61鸽尾槽中，通过楔形键62胀紧固定，电枢绕组的冷却采用液体内冷却。

所述转子4由转轴401、冷媒传输管道402、非驱动端端板403、无线测控装置404、屏蔽层405、超导磁体406、低温骨架407、支撑隔热装置408、热锚409、电流引线410、密封接线柱411、驱动端端板412等组成。所述转轴401与非驱动端端板403、驱动端端板412和屏蔽层405焊接成一体，形成真空隔热层，作为常温部件为超导磁体406提供真空环境；所述低温骨架407与冷媒传输管道402焊接成一体，冷媒传输管道402通过冷媒传输耦合装置2与低温制冷系统1连接在一起，冷媒选择为冷氦气；所述超导磁体406安装固定于低温骨架407上，低温制冷系统1产生的冷媒先冷却低温骨架407，后采用传导冷却的方式冷却超导磁体406，所述超导磁体406采用高温超导线材绕制而成；所述支撑隔热装置408为全复合材料结构件（楔形条），采用径向连接的方式将转轴401与低温骨架407连接在一起，起到支撑、隔热及传递力矩的作用；所述无线测控装置404安装固定于转子4的非驱动端端板403上，通过盘式集电环7供电，盘式集电环7通过螺钉10安装固定于驱动端端板412上；所述密封接线柱411一端与电流引线410连接，用于给超导磁体406供电，另一端与盘式集电环7的导电杆连接；所述热锚409将电流引线410安装固定于低温骨架407上，用于减小电流引线410漏热；所述刷架8安装固定于驱动端轴承座9上，其中盘式集电环7和电刷之间为端面滑动接触，电刷与外部磁体电流源连接。

与现有气隙电枢不同的是，该气隙电枢线圈固定件63为内嵌不导磁金属板621的复合材料块622。这样，提高了线圈固定件63刚度，增强了定子线圈64的绝缘性能。此外，铁芯冲片61为轴向带有鸽尾槽的圆环形结构，线圈固定件63与铁芯冲片61的鸽尾槽间隙配合，并通过楔形键62来胀紧固定，简化了安装工艺，降低了制造难度，提高了电机功率密度，能满足电机运行成本低、结构紧凑、功率密度高等要求。

实施例2

与实施例1不同的是：线圈固定件63为内嵌高强度铝合金板的玻璃纤维复合材料块622。

实施例3

与实施例1不同的是：定子电枢绕组采用双层换位线圈结构。

实施例4

与实施例1不同的是：定子电枢绕组冷却采用空冷。

实施例5

与实施例1不同的是：超导磁体406采用液氖进行冷却。

实施例6

与实施例1不同的是：支撑隔热装置408采用复合材料与金属相结合的结构件。

实施例7

与实施例1不同的是：支撑隔热装置408采用轴向连接与径向连接相结合的方式将转轴与低温骨架连接在一起。

以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，比如支撑隔热装置408采用钛合金，超导磁体406采用高温超导块材组装而成，这些都属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种高温超导电机，包括定子（6）、转子（4）、端盖（5）、带电刷的刷架（8）、驱动端轴承座（9）及轴承和非驱动端轴承座（3）及轴承，其特征在于：还包括盘式集电环（7）和提供冷媒的低温制冷系统（1）；所述刷架（8）安装固定于驱动端轴承座（9）上，盘式集电环（7）和电刷之间为端面滑动接触，电刷与外部磁体电流源连接；

所述的定子（6）采用无铁齿的气隙电枢结构，由机座和气隙电枢组成，所述的气隙电枢由铁芯冲片（61）、楔形键（62）、线圈固定件（63）、定子线圈（64）和槽锲（65）组成，所述的铁芯冲片（61）为轴向带有鸽尾槽的圆环形结构，所述的线圈固定件（63）为内嵌不导磁金属板（621）的玻璃纤维复合材料块（622），与所述的鸽尾槽间隙配合，通过楔形键（62）胀紧固定；

所述的转子（4）包括常温部件以及通过支撑隔热装置（408）与常温部件连接的低温骨架（407），所述的常温部件由转轴（401）、非驱动端端板（403）、驱动端端板（412）和屏蔽层（405）组成，所述的盘式集电环（7）安装固定于驱动端端板（412）上，低温骨架（407）上安装有超导磁体（406），超导磁体（406）上连接有电流引线（410），电流引线（410）通过密封接线柱（411）连接盘式集电环（7）上的导电杆，用于给超导磁体（406）供电；

所述的低温骨架（407）上还连接有冷媒传输管道（402），冷媒传输管道（402）通过冷媒传输耦合装置（2）与低温制冷系统（1）连接，低温制冷系统（1）产生的冷媒先冷却低温骨架（407），后采用传导的方式冷却超导磁体（406）。

2.根据权利要求1所述的一种高温超导电机，其特征在于，所述的电流引线（410）通过热锚（409）安装在低温骨架（407）上。

3.根据权利要求1所述的一种高温超导电机，其特征在于，所述的非驱动端端板（403）上安装有无线测控装置（404），通过盘式集电环（7）供电。

4.根据权利要求1所述的一种高温超导电机，其特征在于，所述的定子线圈（64）采用单层换位线圈结构。

5.根据权利要求1所述的一种高温超导电机，其特征在于，所述的支撑隔热装置（408）由钛合金加工制造而成。

6.根据权利要求1所述的一种高温超导电机，其特征在于，所述的支撑隔热装置（408）采用轴向连接与径向连接相结合的方式将转轴（401）与低温骨架（407）连接在一起。

7.根据权利要求1所述的一种高温超导电机，其特征在于，所述的超导磁体（406）采用高温超导线材绕制而成或采用超导块材组装而成。

8.根据权利要求1所述的一种高温超导电机，其特征在于，所述的冷媒采用冷氦气或液氖。