CN110445339A - 一种筒式串联线路单极直流电机 - Google Patents

Abstract

一种筒式串联线路单极直流电机，包括机壳(1100)、定子(1200)、转子(1300)，所述机壳包括筒式外壳(1100‑A)和该筒式外壳(1100‑A)轴向两端部的盘式端盖(1100‑B)，所述定子(1200)、转子(1300)设置在机壳内，其特征在于：所述定子(1200)包括开环式鼠笼电枢(1202)和筒式电枢固定体(1201)，所述转子包括筒式转子(1301)和环型励磁线圈(1302)；所述筒式转子(1301)上轴向间隔设置有至少2个环型励磁线圈(1302)；所述筒式电枢固定体(1201)上设置有至少1个开环式鼠笼电枢(1202)；相邻的环型励磁线圈(1302)的电流方向相反，从而形成单极径向磁场，在每个单极径向磁场的有效励磁边径向外侧对应设置有1个开环式鼠笼电枢(1202)。

Description

一种筒式串联线路单极直流电机

技术领域

本发明涉及单极电机领域，具体涉及一种筒式串联线路超导单极直流发电机或电动机或超导储能装置。

背景技术

1、目前高温超导材料正逐步进入工业化应用的发展阶段，电机技术领域更是超导材料应用的热门领域，高温超导材料有比常规导电材料高出一个数量级的载流密度和极低的电能损耗，使用超导材料制作的电机具有更高的功率密度和更小的体积及更高的效率。

2、但是使用超导材料制作的线材或带材在通过交流电时有较大的交流损耗，直流超导应用是相对较有效的发展方向，而单极式结构无疑是超导电机设计制造较优的选项，但单极电机存在着电枢电势太小的弱点，这将使电枢电流变大，可达到几万、十几万安，甚至更高，产生一个旋转集流的问题在技术上成为一个难度较大的问题，为更大范围的参数匹配和解决大电流所带来的各种弊端，提高电枢电压是必须解决的一个重要课题。

3、现在常规的单极电机一般都采用常规铜电枢绕组为转子，超导励磁线圈为定子的结构，为提高电枢电压，一般都采用电刷滑环的方式对电枢进行线路串联构造和大电流集电，但集电滑环本身又带来相应的许多技术问题，如碱金属的腐蚀、接触耦的浸润性电刷与滑环材质的配合、冷却降温、因磁路要求而对非磁性材料的选择、集电区漏磁场对液态金属或固体电刷产生电磁力所引起的各类问题、环境气氛设定等，都极大的制约了单极电机的实用化发展进程。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供一种结构简单紧凑，方便制造和实用化推广应用的单极电机，本发明人提出如下技术方案：

本发明所述的一种筒式串联线路单极直流电机，包括机壳(1100)、定子(1200)、转子(1300)，所述机壳包括筒式外壳(1100-A)和该筒式外壳(1100-A)轴向两端部的盘式端盖(1100-B)，所述定子(1200)、转子(1300)设置在机壳内，其特征在于：所述定子(1200)包括开环式鼠笼电枢(1202)和筒式电枢固定体(1201)，所述转子包括筒式转子(1301)和环型励磁线圈(1302)；所述筒式转子(1301)上轴向间隔设置有至少2个环型励磁线圈(1302)；所述筒式电枢固定体(1201)上设置有至少1个开环式鼠笼电枢(1202)；相邻的环型励磁线圈(1302)的电流方向相反，从而形成单极径向磁场，在每个单极径向磁场的有效励磁边径向外侧对应设置有1个开环式鼠笼电枢(1202)，所述开环式鼠笼电枢(1202)为超导电枢或常规铜电枢，所述环型励磁线圈(1302)为超导线圈或常规铜线圈。

优选的，所述开环式鼠笼电枢(1202)包括至少1组并联电枢线路(1202-A)，所述并联电枢线路(1202-A)包括轴向电枢线路(1202-A1)和设置于所述轴向电枢线路(1202-A1)两端部的周向电枢线路(1202-A2)；所述轴向电枢线路(1202-A1)其中一端的周向电枢线路(1202-A2)与另一端的周向电枢线路(1202-A2)为轴向对称的1对优弧或至少2对劣弧其中之一的开环式环形结构，每对优弧或劣弧之间并联有至少2根轴向电枢线路(1202-A1)，从而构成1组并联电枢线路(1202-A)；所述周向电枢线路与环型励磁线圈(1302)位置对应设置，并且相互之间设置有径向气隙(1023)；轴向电枢线路(1202-A1)两端的周向电枢线路其中一端设置为正电线路，另一端则设置为负电线路；多组的并联电枢线路(1202-A)相邻之间通过串联电枢线路(1202-B)串联正电线路和负电线路；正电线路总始端与负电线路总末端分别连接外接电源或用电装置或储能装置的正负极；所述轴向电枢线路(1202-A1)为圆筒式均布，并且相对于所述串联电枢线路(1202-B)径向距离更靠近单极径向磁场的有效励磁边，并且相邻之间相互轴向平行，并且电流方向相同，并且为电磁转矩有效边。

优选的，所述开环式鼠笼电枢(1202)的轴向多个的相邻之间，设置为周向电枢线路(1202-A2)共用的结构。

优选的，所述开环式鼠笼电枢(1202)为超导电枢，其中的正电线路总始端与负电线路总末端连接有短路电枢线路(1202-C)，在该短路电枢线路(1202-C)的任意位置设置有电枢超导开关(1210-K)。

优选的，所述串联电枢线路(1202-B)和短路电枢线路(1202-C)的径向设置有磁屏蔽材料体(1203)。

优选的，所述环型励磁线圈(1302)轴向相邻之间设置有力矩传导筒(1303)，所述力矩传导筒(1303)为铁磁性材料。

优选的，所述筒式转子(1301)轴向两端部与盘式端盖(1100-B)之间设置有止推轴承(1306)。

优选的，所述环型励磁线圈(1302)为超导线圈，并且超导线圈线路的始端与末端电连接有励磁线圈超导开关(1310-K)。

优选的，所述超导电枢、环型超导励磁线圈(1302)、电枢超导开关(1210-K)、励磁线圈超导开关(1310-K)的冷环境工况为制冷机制冷或冷媒管道传导制冷或杜瓦传导制冷或冷媒浸泡制冷其中至少一种的方式提供支持。

本发明的基本工作原理：

设置在筒式转子(1301)上的相邻两个环型励磁线圈(1302)的电流方向相反，在环型励磁线圈的径向外侧得到一个辐射状单极磁场，设置在筒式电枢固定体(1201)上的开环式鼠笼电枢(1202)的轴向电枢线路(1202-A1)上流过同方向轴向电流，对转子(1300)产生反作用安培力的电磁转矩。

本发明的有益效果是：

1、本发明的一种筒式串联线路单极直流电机，作为发电机或电动机都为直流电做功，有效解决了超导导电材料的交流损耗问题，并且无电枢反应，提高自磁场和背景磁场交混条件下超导材料的有效载流密度及稳定性，最终有效提高主机系统(1000)的功率密度和效率。

2、所述开环式鼠笼电枢(1202)作为定子，解决了大电流无刷集电问题，串联电枢线路(1202-B)串联多组并联电枢线路(1202)解决了低电压问题。

3、所述串联电枢线路(1202-B)和短路电枢线路(1202-C)的径向设置有磁屏蔽材料体(1203)，可以有效减弱串联电枢线路(1202-B)因为反向串联电流产生的反方向电磁力矩。

4、所述超导电枢和超导线圈分别电连接有超导开关(1210-K、1310-K)，当断开外接电源同步接通超导开关时，超导电枢和超导励磁线圈当中的定向流动电流各自形成短路工况，在超导工况环境不变的情景模式下会永久无衰减存在，可作为高效超导储能装置使用、或作为对负载直接和快速放电的电源如电磁炮、或电磁弹射装置、或激光发射装置的电源，或作为受控热核聚变的电源，则可使脉冲电流的时间拉长优化核聚变装置的运行参数。

5、所述环型励磁线圈(1302)与相邻的另一个环型励磁线圈电流方向相反，产生的磁场在径向外侧利于有效衰减，可有效减少磁场屏蔽的困难。

6、所述筒式转子(1301)轴向两端与盘式端盖(1100-B)之间设置有止推轴承(1306)，可有效解决相邻2个环型励磁线圈(1302)因相互之间的轴向斥力和设置在筒式转子(1301)两端部的环型励磁线圈(1302)与盘式端盖(1100-B)之间的引力产生的支撑稳固问题。

7、所述筒式转子(1301)优选高强度、非磁性材料，有效降低转子转动惯量，强化了机械强度、优化了装置的运行参数。

8、所述环型励磁线圈(1302)轴向之间设置有力矩传导筒(1303)，所述力矩传导筒(1303)为铁磁性材料，起到磁通传导和承载电磁转矩的双重作用，可有效降低环型励磁线圈(1302)承受的电磁转矩应力，降低相邻环型励磁线圈轴向之间的斥力，获取更均匀的磁场分量Br值，减少漏磁通从而获得更稳定均匀的电枢载流密度，最终获取更平滑的电磁转矩。

附图说明：

附图1说明了本发明的轴向剖面的部件结构。

附图2说明了本发明的开环式鼠笼电枢的基本结构。

附图3说明了本发明的设置3个环型励磁线圈，形成2个单极径向磁场的轴向剖面结构。

附图4说明了本发明的设置3个环型励磁线圈，形成2个单极径向磁场情况下，设置2个开环式鼠笼电枢，共用周向电枢线路的展开结构。

附图5说明了本发明的设置3个环型励磁线圈，形成2个单极径向磁场的轴向剖面结构。

附图6说明了本发明的设置3个环型励磁线圈，形成2个单极磁场情况下，设置2个开环式鼠笼电枢的展开结构。

附图7说明了本发明的串联电枢线路和短路电枢线路的径向设置有磁屏蔽材料体的结构。

附图8说明了本发明的环型励磁线圈结构。

附图9说明了本发明的径向剖面的部件结构。

具体实施方式：

以下利用实施例仅说明本发明，但本发明不限定于这些实施例。

实施例1：参考附图1，选用铁磁性材料取向硅钢作为机壳(1100)，中空筒式玻璃钢设置在筒式外壳(1100-A)的内壁、中空盘式玻璃钢设置在盘式端盖(1100-B)的内壁，中空层抽真空达到10^-5Torr真空度进行静态真空维持作为保温绝热层，保温绝热层内为低温室(1101)，筒式玻璃钢作为筒式电枢固定体(1201)并与盘式端盖(1100-B)用紧固螺栓紧固密封，筒式玻璃钢设置有冷媒对流传导孔道(1204)，选用YBCO高温超导带材采用分段焊接或3D打印方式制作开环式鼠笼电枢(1202)，每组并联电枢线路(1202-A2)并联4根轴向电枢线路(1202-A1)，并设置在筒式定子固定体(1201)上，串联电枢线路(1202-B)串联各组并联电枢线路(1202-A2)构成开环式鼠笼结构，筒式转子(1301)也选用玻璃钢材料，选用YBCO高温超导带材绕制2个超导线圈，并设置于筒式转子(1301)轴向两端部，在筒式转子两端部分别设置有盘式止推轴承(1306)，转子轴与中空盘式玻璃钢之间设置有磁流体密封件(1304)，超导线圈电连接有光控型励磁线圈超导开关(1310-K)并连接至外部推拉式电刷滑环(1305)，通过推拉式电刷滑环(1305)连接外部常规电源和控制系统(3000)，低温室(1101)内采用(Gifford-Mcmahon)GM制冷机双级制冷，控制系统(3000)启动编程为：启动GM制冷系统(2000)，通过制冷头(2001)达到Tc＝20～30K的低温工况，再开启超导线圈外接电源并达到低于使超导材料失超的临界电流Jc范围内的额定电流密度，此额定电流产生的磁场强度须低于使超导材料失超的临界磁场强度Tc，再通过推拉式电刷滑环(1305)关断外接电源同步开启光控型励磁线圈超导开关(1310-K)使其短路，以使超导线圈内的直流电流无电阻、无损耗持续定向循环产生稳定的径向匀强电励磁场，再开启超导电枢的外接电源，有轴向电枢线路(1202-A1)和超导线圈(1302)之间产生具有反作用安培力特征的反向电磁转矩使筒式转子固定体(1301)旋转产生机械动能而输出，该实施例为全超导电机应用；

电机功率P简单的计算公式为：

式中，为电机的有效磁通，其中D为轴向电枢线路(1202-A1)的内直径，Bcp为通过轴向电枢线路(1202-A1)的平均磁通密度，n为筒式转子(1301)的转速，I为通过轴向电枢线路(1202-A1)的电流密度；

电机的空载电势e的计算公式为：

式中，k为电机串联电枢线路(1202-B)的根数；v为在额定转数下，筒式转子(1301)有效半径上的线速度；Bri为环型励磁线圈(1302)径向有效励磁边ΔIi长度上磁场Br分量平均值；m为电机中轴线到周向电枢线路(1202-A2)的数值；

电机的电磁转矩T计算公式为：

式中，R为筒式转子的半径；I₁为每根轴向电枢线路(1202-A1)通过的电流密度；N₂为轴向电枢线路(1202-A1)的总根数；Br为轴向电枢线路(1202-A1)Δ_Li长度上的磁场分量平均值；N₁为并联电枢线路(1202-A2)的组数。

实施例2：与实施例1的不同之处在于，有外接原动机提供机械动能使筒式转子(1301)产生旋转，定子部件轴向电枢线路(1202-A1)切割2个环型励磁线圈(1302)产生的单极径向磁场磁力线，从而产生稳定的直流感应电流，通过连接外部储能装置或用电装置或联网电源作为发电机使用。

实施例3：与实施例1的不同之处在于，开环式鼠笼电枢(1202)的正电线路总始端与负电线路总末端连接有短路电枢线路(1202-C)，在该短路电枢线路(1202-C)的中间位置设置有电枢超导开关(1210-K)，当不需要输出机械动能时，关断外接电源同步开启电枢超导开关(1210-K)使开环式鼠笼电枢(1202)短路，以使开环式鼠笼超导电枢内的直流电流无电阻、无损耗持续定向循环与超导线圈产生的励磁场相互作用，产生具有反作用安培力特征的电磁转矩，以机械能的方式持续存在而储存。

实施例4：与实施例1的不同之处在于，2个环型励磁线圈(1302)轴向之间设置有取向硅钢制作的筒型力矩传导筒(1303)。

实施例5：与以上实施例1～4的不同之处在于，开环式鼠笼电枢(1202)选用常规铜电枢绕组，超导线圈设置在环型低温容器内，低温工况有杜瓦传导制冷提供支持。

实施例6：参考附图3和附图4，与实施例1的不同之处在于，选用3个超导线圈，形成2个径向异极S/N磁场，选用2个开环式鼠笼电枢，正电线路或负电线路共用一个周向电枢线路(1202-A2)，该实施例为全超导电动装置，可获取更大功率范围的全超导兆瓦(MW)级发电或电动装置。

实施例7：参考附图5和附图6，与实施例7的不同之处在于，正电线路或负电线路为非共用，第一单极磁场有效励磁边外侧的开环式鼠笼电枢(1202)设置有短路电枢线路，第二单极磁场有效励磁边外侧的开环式鼠笼电枢(1202)连接外部储能或用电装置，作为全超导发电机使用，该实施例的低温及真空工况皆为静态密封。

Claims (9)

1.一种筒式串联线路单极直流电机，包括机壳(1100)、定子(1200)、转子(1300)，所述机壳包括筒式外壳(1100-A)和该筒式外壳(1100-A)轴向两端部的盘式端盖(1100-B)，所述定子(1200)、转子(1300)设置在机壳内，其特征在于：所述定子(1200)包括开环式鼠笼电枢(1202)和筒式电枢固定体(1201)，所述转子包括筒式转子(1301)和环型励磁线圈(1302)；所述筒式转子(1301)上轴向间隔设置有至少2个环型励磁线圈(1302)；所述筒式电枢固定体(1201)上设置有至少1个开环式鼠笼电枢(1202)；相邻的环型励磁线圈(1302)的电流方向相反，从而形成单极径向磁场，在每个单极径向磁场的有效励磁边径向外侧对应设置有1个开环式鼠笼电枢(1202)，所述开环式鼠笼电枢(1202)为超导电枢或常规铜电枢，所述环型励磁线圈(1302)为超导线圈或常规铜线圈。

2.根据权利要求1所述的一种筒式串联线路单极直流电机，其特征在于：所述开环式鼠笼电枢(1202)包括至少1组并联电枢线路(1202-A)，所述并联电枢线路(1202-A)包括轴向电枢线路(1202-A1)和设置于所述轴向电枢线路(1202-A1)两端部的周向电枢线路(1202-A2)；所述轴向电枢线路(1202-A1)其中一端的周向电枢线路(1202-A2)与另一端的周向电枢线路(1202-A2)为轴向对称的1对优弧或至少2对劣弧其中之一的开环式环形结构，每对优弧或劣弧之间并联有至少2根轴向电枢线路(1202-A1)，从而构成1组并联电枢线路(1202-A)；所述周向电枢线路与环型励磁线圈(1302)位置对应设置，并且相互之间设置有径向气隙(1023)；轴向电枢线路(1202-A1)两端的周向电枢线路其中一端设置为正电线路，另一端则设置为负电线路；多组的并联电枢线路(1202-A)相邻之间通过串联电枢线路(1202-B)串联正电线路和负电线路；正电线路总始端与负电线路总末端分别连接外接电源或用电装置或储能装置的正负极；所述轴向电枢线路(1202-A1)为圆筒式均布，并且相对于所述串联电枢线路(1202-B)径向距离更靠近单极径向磁场的有效励磁边，并且相邻之间相互轴向平行，并且电流方向相同，并且为电磁转矩有效边。

3.根据权利要求2所述的一种筒式串联线路单极直流电机，其特征在于：所述开环式鼠笼电枢(1202)的轴向多个的相邻之间，设置为周向电枢线路(1202-A2)共用的结构。

4.根据权利要求2所述的一种筒式串联线路单极直流电机，其特征在于：所述开环式鼠笼电枢(1202)为超导电枢，其中的正电线路总始端与负电线路总末端连接有短路电枢线路(1202-C)，在该短路电枢线路(1202-C)的任意位置设置有电枢超导开关(1210-K)。

5.根据权利要求2所述的一种筒式串联线路单极直流电机，其特征在于：所述串联电枢线路(1202-B)和短路电枢线路(1202-C)的径向设置有磁屏蔽材料体(1203)。

6.根据权利要求1所述的一种筒式串联线路单极直流电机，其特征在于：所述环型励磁线圈(1302)轴向相邻之间设置有力矩传导筒(1303)，所述力矩传导筒(1303)为铁磁性材料。

7.根据权利要求1所述的一种筒式串联线路单极直流电机，其特征在于：所述筒式转子(1301)轴向两端部与盘式端盖(1100-B)之间设置有止推轴承(1306)。

8.根据权利要求1所述的一种筒式串联线路单极直流电机，其特征在于：所述环型励磁线圈(1302)为超导线圈，并且超导线圈线路的始端与末端电连接有励磁线圈超导开关(1310-K)。

9.根据权利要求1到8任意一项所述的一种筒式串联线路单极直流电机，其特征在于：所述超导电枢、环型超导励磁线圈(1302)、电枢超导开关(1210-K)、励磁线圈超导开关(1310-K)的冷环境工况为制冷机制冷或冷媒管道传导制冷或杜瓦传导制冷或冷媒浸泡制冷其中至少一种的方式提供支持。