CN110518781B - 一种双定子场调制超导电机中电枢反应的屏蔽方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种双定子场调制超导电机中电枢反应的屏蔽方法，采用双定子结构，内定子、转子和外定子同轴心排列。外定子安放铜线电枢绕组，内定子上安放由超导线材绕制的超导磁体，其主要由超导线圈和低温恒温器组成。在超导磁体的外侧布置导磁环，合理设计外定子齿数、转子的凸极数和导磁环，使电枢反应磁场尽可能多的通过外定子、转子凸极和导磁环闭合，使其尽量远离超导线圈。同时在导磁环上布置鼠笼式阻尼屏蔽层，以抑制电枢反应的基波及低次谐波，在低温恒温器内侧布置铜屏蔽层，将超导线圈包围，以抑制电枢反应的高次谐波。本发明可以有效地减小超导绕组中的交流损耗，避免超导绕组因交流损耗过大而引发的失超。

Description

一种双定子场调制超导电机中电枢反应的屏蔽方法
技术领域
本发明涉及超导技术应用领域，尤其涉及一种双定子场调制超导电机中电枢反应的屏蔽方法。
背景技术
为了解决目前超导电机面临的冷却液动态密封复杂、电刷滑环可靠性低、力矩管设计困难等问题，一类基于磁场调制原理的超导电机受到了越来越多的关注，比如超导开关磁链电机、超导游标电机、超导磁齿轮电机、双定子超导场调制电机、双转子超导游标电机等。但不难发现，这类场调制超导电机在结构上存在相似性，即：电枢绕组与励磁绕组（两者均可由超导线材绕制，也可其中之一由超导线材绕制）都位于定子上（可位于同一个定子上，也可位于空间上相对独立的两个定子上），通过凸极齿的调制作用实现间接耦合。由于电枢绕组和励磁绕组都是静止的，因此可同时实现冷却液的静态密封和电流传输的无刷化。
但是磁场调制类超导电机却面临着一个共同的问题，即电枢反应磁场会降低超导绕组的载流能力、增大超导绕组的交流损耗。在传统的旋转磁场式超导励磁同步电机中，电枢反应磁场与超导绕组在时空上同步旋转，电枢反应的基波磁场相对于超导绕组是静止的，即电枢反应的基波磁场相对于超导绕组是一个外部的恒定磁场，故电枢反应的基波磁场不会在直流超导励磁绕组中引发交流损耗。但是磁场调制类超导励磁同步电机中，电枢绕组和超导励磁绕组都是静止的，电枢绕组通入交流电后产生的电枢反应磁场相对于静止的超导绕组而言是运动的。也就是说，电枢反应包含的基波和谐波磁场相对于超导绕组都是外部的交变磁场，会在超导励磁绕组中引发交流损耗。此外，电枢反应磁场还会在超导励磁绕组中引发周期性变化的感应电势，进而出现周期性的感应电流。超导励磁绕组中的直流电叠加感应电流，会造成励磁电流的波动。总之，磁场调制类超导电机中的电枢反应磁场相对于超导绕组是外部交变的磁场，既会引发超导绕组的交流损耗，还会造成超导绕组中的电流波动。如果不采取措施有效地屏蔽电枢反应磁场对超导绕组的影响，将会影响超导绕组的安全运行。
发明内容
本发明提出了一种双定子场调制超导电机中电枢反应的屏蔽方法，
首先，采用双定子结构将超导励磁绕组和电枢绕组在空间上隔离，以减弱电枢反应磁场与超导线圈的直接耦合；
然后，在超导励磁绕组外侧布置导磁环，合理设计外定子齿数、转子导磁块个数和导磁环，使尽可能多的电枢反应磁场通过外定子、转子导磁块和导磁环闭合，而使其不穿过或者不直接作用于超导线圈；
最后，利用法拉第电磁感应定律和楞次定律的原理，在导磁环上安装鼠笼式阻尼屏蔽层，以抑制电枢反应基波及低次谐波在超导线圈周围引发的交变磁场。在超导线圈外侧安装高导电率的铜或铝质金属屏蔽层，利用电枢反应高次谐波在金属屏蔽层上引发的涡流来抵消超导线圈周围的高次谐波；
其中所述双定子电机结构包括从外到内依次同心轴排列的外定子、转子、和内定子；所述外定子包括外定子轭、外定子齿、和嵌入外定子齿槽内的铜电枢绕组；
所述内定子包括内定子轭、内定子齿、和嵌套在内定子齿上的超导磁体；所述超导磁体主要由超导线圈、低温恒温器和包围超导线圈的铜屏蔽层组成；所述超导磁体的外侧安装导磁环；所述导磁环由极靴状导磁块和导磁桥组成，导磁桥将极靴状导磁块连接起来形成一个整体；
所述的极靴状导磁块的个数与超导磁体的个数相等，且位于超导磁体的正上方，鼠笼式阻尼屏蔽层安装在导磁环上；所述鼠笼式阻尼屏蔽层由布置在极靴状导磁块上的若干铜阻尼条组成；所述的转子由矩形状导磁块和非导磁块沿圆周方向均匀排列组成。
进一步改进在于：在双定子场调制超导电机中采用铜屏蔽层、导磁环和鼠笼式阻尼屏蔽层的组合方法抑制电枢反应对超导线圈的影响。
进一步改进在于：利用了电枢反应的基波和各次谐波在鼠笼式阻尼屏蔽层和铜屏蔽层上产生的感应电流，在空间上产生与电枢反应反向的感应磁场，以抑制电枢反应的影响。
进一步改进在于：所述铜屏蔽层可安装于低温恒温器的内部或外部，并可采用铝等高导电性材料制作。
进一步改进在于：所述极靴状导磁块的中心线与超导磁体的中心线对齐。
进一步改进在于：所述铜阻尼条的个数可进行适应性设计；所述铜阻尼条可等间距均匀分布在极靴状导磁块上，也可以不等间距不均匀地分布；所述铜阻尼条可以部分短接也可以全部短接；铜阻尼条也可采用铝等高导电性材料替代。
进一步改进在于：所述外定子的齿数Nt，转子中的导磁块个数Nr，导磁环中的极靴状导磁块个数Np，可根据应用需要设计，但外定子齿数Nt须使电枢绕组构成Ps对极的分数槽集中绕组；而且，电枢绕组的极对数Ps、转子导磁块的个数Nr、和导磁环上导磁块的个数Np，三者间必须满足关系：Nr>Ps>Np和Ps+Np/2= Nr。
所述内定子轭和内定子齿均可选用导磁材料或非导磁材料制造。
本发明采用双定子结构，分别称之为内定子和外定子，两个定子之间安装凸极转子，内定子、转子和外定子同轴心排列。外定子安放铜线电枢绕组，内定子上安放由超导线材绕制的超导磁体，其主要由超导线圈和低温恒温器组成。在超导磁体的外侧布置导磁环，合理设计外定子齿数、转子的凸极数和导磁环，使电枢反应磁场尽可能多的通过外定子、转子凸极和导磁环闭合，使其尽量远离超导线圈。同时在导磁环上布置鼠笼式阻尼屏蔽层，以抑制电枢反应的基波及低次谐波。另外，在低温恒温器内侧布置铜屏蔽层，将超导线圈包围，以抑制电枢反应的高次谐波。
有益效果：在磁场调制类超导电机中，采用上述的屏蔽电枢反应的设计方法可以有效的减小超导绕组中的交流损耗，避免超导绕组因交流损耗过大而引发的失超。具体地反映在以下两点：
1. 能避免电枢反应直接作用在超导绕组上，既可保证超导绕组的载流能力，又可避免因电枢反应引发的超导绕组的磁滞损耗。
2. 能抑制超导绕组中由电枢反应引发的感应电流，可减弱超导绕组内部的电流波动，从而减弱超导绕组中的传输损耗。
附图说明
图1为本发明的总体结构截面示意图。
图2为鼠笼式阻尼屏蔽层和导磁环的示意图。
图3为铜屏蔽层的截面示意图。
图4为双定子场调制超导电机采用本专利提出的抑制方法前后的超导线圈上某点的谐波磁场的比较图；
图5为双定子场调制超导电机采用本专利提出的抑制方法前后的某个超导线圈中的感应电势的比较图（抑制前）；
图6为为双定子场调制超导电机采用本专利提出的抑制方法前后的某个超导线圈中的感应电势的比较图（抑制后）。
具体实施方式
本实施例的一种双定子场调制超导电机中电枢反应的屏蔽方法，首先，采用双定子结构将超导励磁绕组和电枢绕组在空间上隔离，以减弱电枢反应磁场与超导线圈的直接耦合；
然后，在超导励磁绕组外侧布置导磁环，合理设计外定子齿数、转子导磁块个数和导磁环，使尽可能多的电枢反应磁场通过外定子、转子导磁块和导磁环闭合，而使其不穿过或者不直接作用于超导线圈；
利用法拉第电磁感应定律和楞次定律的原理，在导磁环上安装鼠笼式阻尼屏蔽层，以抑制电枢反应基波及低次谐波在超导线圈周围引发的交变磁场；
最后，在超导线圈外侧安装高导电率的铜或铝质金属屏蔽层，利用电枢反应高次谐波在金属屏蔽层上引发的涡流来抵消超导线圈周围的高次谐波。
其中所述双定子电机结构包括从外到内依次同心轴排列的外定子1、转子2、和内定子3；所述外定子1包括外定子轭4、外定子齿5和嵌入外定子齿5槽内的铜电枢绕组6；
所述内定子3包括内定子轭7、内定子齿8和嵌套在内定子齿8上的超导磁体9；所述超导磁体9主要由超导线圈10、低温恒温器11和包围超导线圈10的铜屏蔽层12组成，超导磁体9的外侧安装导磁环13；所述导磁环13由极靴状导磁块14和导磁桥15组成，导磁桥将导磁块连接起来形成一个整体；
所述的极靴状导磁块14的个数与超导磁体9的个数相等，且位于超导磁体9的正上方，鼠笼式阻尼屏蔽层16安装在导磁环13上；所述鼠笼式阻尼屏蔽层16由布置在极靴状导磁块14上的若干铜阻尼条17组成；所述的转子2由矩形状的导磁块18和非导磁块19沿圆周方向均匀排列组成。
在双定子场调制超导电机中采用铜屏蔽层12、导磁环13和鼠笼式阻尼屏蔽层16的组合方法抑制电枢反应对超导线圈的影响。利用了电枢反应的基波和各次谐波在鼠笼式阻尼屏蔽层16和铜屏蔽层12上产生的感应电流，在空间上产生与电枢反应反向的感应磁场，以抑制电枢反应的影响。
所述铜屏蔽层12可安装于低温恒温器11的内部或外部并采用铝等高导电性材料制。
所述极靴状导磁块14的中心线与超导磁体9的中心线对齐。
所述铜阻尼条17的个数可进行适应性设计；所述铜阻尼条17可等间距均匀分布在极靴状导磁块14上，也可以不等间距不均匀地分布；所述铜阻尼条17可以部分短接也可以全部短接；所述铜阻尼条17可采用铝等高导电性材料替代。
所述外定子1的齿数Nt，转子2中的导磁块个数Nr，导磁环13中的极靴状导磁块14个数Np，可根据应用需要设计，但外定子齿数Nt须使电枢绕组6构成Ps对极的分数槽集中绕组；而且，电枢绕组的极对数Ps、转子导磁块的个数Nr、和导磁环上导磁块的个数Np，三者间必须满足关系：Nr>Ps>Np和Ps+Np/2= Nr。
所述内定子轭7和内定子齿8均可选用导磁材料或非导磁材料制造。
实施例1
采用发明内容中的技术方案对一台10 kW的磁场调制超导电机进行设计，以阐述本发明的具体实施方法。
如图1所示，该电机采用双定子结构，外定子1、转子2、和内定子3同轴心排列；所述外定子1包括外定子轭4、外定子齿5、和嵌入外定子槽内的铜电枢绕组6；所述内定子3包括内定子轭7、内定子齿8、和嵌套在内定子齿上的超导磁体9；所述超导磁体9主要由超导线圈10、低温恒温器11、和包围超导线圈的铜屏蔽层12组成，其外侧安装导磁环13；所述导磁环13由极靴状导磁块14和导磁桥15组成，导磁桥将导磁块连接起来形成一个整体；所述的极靴状导磁块14的个数与超导磁体9的个数相等，且位于超导磁体的正上方；鼠笼式阻尼屏蔽层16安装在导磁环13上，其由布置在极靴状导磁块14上的若干铜阻尼条17组成，阻尼条的端部被短路连接；所述的转子2由矩形状的导磁块18和非导磁块19沿圆周方向均匀排列组成；
所述外定子1有42个外定子齿5，每个外定子齿5上套嵌入外定子槽内的铜电枢绕组6，42个外定子齿5上的绕组按一定规律连接，构成14对极的三相对称绕组；所述转子2由18个矩形状的导磁块18和18个非导磁块19间隔排列组成，沿圆周方向均匀分布；所述导磁环13由8个极靴状导磁块14和8个导磁桥15间隔排列组成，沿圆周方向均匀分布，安装在超导磁体9的正上方，且极靴状导磁块14的中心线与超导磁体9的中心线对齐；所述的超导磁体9共有8个，磁极交替布置，即N-S-N-S-N-S-N-S-N-S。
如图2所示，所述的极靴状导磁块14上布置有8个等间距均匀分布的铜阻尼条17，其端部短路连接在一起。
如图3所示，所述的铜屏蔽层12安装在低温恒温器11内部，且将超导线圈10包围。
本发明中，外定子1的齿数N t ，转子2中的导磁块个数N r ，导磁环13中的极靴状导磁块个数N p 可根据应用需要设计，但外定子齿数N t 须使电枢绕组6构成P s 对极的分数槽集中绕组；而且，电枢绕组的极对数P s 、转子导磁块的个数N r 和导磁环上导磁块的个数N p ，三者间必须满足关系：N r >P s >N p 和P s +N p /2= N r 。
如图4-6所示的比较图，本发明提出了在双定子场调制超导电机中同时利用鼠笼式阻尼屏蔽层和铜屏蔽层的复合方案抑制电枢反应对超导线圈的影响，其工作原理是：磁场调制类超导电机的电枢反应相对于静止的超导线圈是运动的，所以电枢反应的基波和各次谐波在鼠笼式阻尼屏蔽层和铜屏蔽层上会产生感应电流，利用感应电流在空间上产生的感应磁场来抵消电枢反应对超导线圈的影响。
以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围。

Claims (8)

1.一种双定子场调制超导电机中电枢反应的屏蔽方法，其特征在于:
首先，采用双定子结构将超导励磁绕组和电枢绕组在空间上隔离，以减弱电枢反应磁场与超导线圈的直接耦合；
然后，在超导励磁绕组外侧布置导磁环，合理设计外定子齿数、转子导磁块个数和导磁环，使尽可能多的电枢反应磁场通过外定子、转子导磁块和导磁环闭合，而使其不穿过或者不直接作用于超导线圈；
最后，利用法拉第电磁感应定律和楞次定律的原理，在导磁环上安装鼠笼式阻尼屏蔽层，以抑制电枢反应基波及低次谐波在超导线圈周围引发的交变磁场；
在超导线圈外侧安装高导电率的铜或铝质金属屏蔽层，利用电枢反应高次谐波在金属屏蔽层上引发的涡流来抵消超导线圈周围的高次谐波；
其中所述双定子电机结构包括从外到内依次同心轴排列的外定子（1）、转子（2）、和内定子（3）；所述外定子（1）包括外定子轭（4）、外定子齿（5）、和嵌入外定子齿（5）槽内的铜电枢绕组（6）；
所述内定子（3）包括内定子轭（7）、内定子齿（8）、和嵌套在内定子齿（8）上的超导磁体（9）；所述超导磁体（9）主要由超导线圈（10）、低温恒温器（11）和包围超导线圈（10）的金属屏蔽层（12）组成，超导磁体（9）的外侧安装导磁环（13）；所述导磁环（13）由极靴状导磁块（14）和导磁桥（15）组成，导磁桥将导磁块连接起来形成一个整体；
所述的极靴状导磁块（14）的个数与超导磁体（9）的个数相等，且位于超导磁体（9）的正上方，鼠笼式阻尼屏蔽层（16）安装在导磁环（13）上；所述鼠笼式阻尼屏蔽层（16）由布置在极靴状导磁块（14）上的若干阻尼条（17）组成；所述的转子（2）由矩形状的导磁块（18）和非导磁块（19）沿圆周方向均匀排列组成。
2.根据权利要求1所述的一种双定子场调制超导电机中电枢反应的屏蔽方法，其特征在于：在双定子场调制超导电机中采用金属屏蔽层（12）、导磁环（13）和鼠笼式阻尼屏蔽层（16）的组合方法抑制电枢反应对超导线圈的影响。
3.根据权利要求1所述的一种双定子场调制超导电机中电枢反应的屏蔽方法，其特征在于：利用了电枢反应的基波和各次谐波在鼠笼式阻尼屏蔽层（16）和金属屏蔽层（12）上产生的感应电流，在空间上产生与电枢反应反向的感应磁场，以抑制电枢反应的影响。
4.如权利要求1所述的一种双定子场调制超导电机中电枢反应的屏蔽方法，其特征在于，所述金属屏蔽层（12）可安装于低温恒温器（11）的内部或外部，并可采用铝等高导电性材料制作。
5.如权利要求1所述的一种双定子场调制超导电机中电枢反应的屏蔽方法，其特征在于：所述极靴状导磁块（14）的中心线与超导磁体（9）的中心线对齐。
6.如权利要求1所述的一种双定子场调制超导电机中电枢反应的屏蔽方法，其特征在于，所述阻尼条（17）的个数可进行适应性设计；所述阻尼条（17）可等间距均匀分布在极靴状导磁块（14）上，也可以不等间距不均匀地分布；所述阻尼条（17）可以部分短接也可以全部短接；阻尼条（17）也可采用铝等高导电性材料替代。
7.如权利要求1所述的一种双定子场调制超导电机中电枢反应的屏蔽方法，其特征在于，所述外定子（1）的齿数Nt，转子（2）中的导磁块个数Nr，导磁环（13）中的极靴状导磁块（14）个数Np，但外定子齿数Nt须使电枢绕组（6）构成Ps对极的分数槽集中绕组；而且，电枢绕组的极对数Ps、转子导磁块的个数Nr、和导磁环上导磁块的个数Np，三者间必须满足关系：Nr>Ps>Np和Ps+Np/2= Nr。
8.如权利要求1所述的一种双定子场调制超导电机中电枢反应的屏蔽方法，其特征在于，所述内定子轭（7）和内定子齿（8）均可选用导磁材料或非导磁材料制造。
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