CN112420311B - 一种高温超导磁体支撑组件及其装配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高温超导磁体支撑组件，由底板以及通过支撑件安装在底板上的超导磁体构成，底板由本体和连接块组成，超导磁体由磁体下底板、磁体上盖板以及双饼线圈组成，磁体上盖板和磁体下底板分别设置有与连接块对应的固定块，连接块和固定块均为具有销钉孔的n形块，支撑组件由沿超导磁体长度方向布置在左右侧的多个支撑杆一、沿超导磁体高度方向布置在左右侧的多个支撑杆二和沿超导磁体宽度方向以X形交叉布置的多个支撑杆三组成，分别通过销钉连接n形块；还公开了其装配方法，本发明适合在高温超导电机中使用，尤其适合在大功率、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

一种高温超导磁体支撑组件及其装配方法

技术领域

本发明属于超导应用领域，具体涉及一种高温超导磁体支撑组件，以及其装配方法。

背景技术

高温超导电机指的是用高温超导线圈取代常规铜线圈的新型同步电机，由于现有高温超导材料在磁场下交流损耗较大，高温超导电机通常采用超导励磁转子和常规定子铜绕组的拓扑结构。

高温超导磁体作为转子励磁单元，安装固定于低温容器上，其工作温度为深低温（27K-35K）。要维持高温超导磁体正常运行所要求的稳定的低温环境，必须要设计合适的制冷系统来带走超导磁体工作时内部产生的热量以及外界向磁体的漏热。因此，为了降低低温制冷系统设计的难度、减小制冷功率以及提高电机效率，需要控制超导磁体的漏热。此外，在运行工况下，高温超导磁体不仅受到低温环境所致的热应力，而且受到通流所致的洛伦兹力。然而，高温超导磁体不可能直接与常温转轴相连，通常通过支撑组件与常温转轴相连。因此，磁体支撑组件在高温超导电机中起到绝热、支撑超导磁体并传递扭矩等多项重要作用，必须具有足够的强度和极低的漏热。

现有技术中，有多种高温超导电机磁体支撑组件的结构。大部分高温超导电机的超导磁体均安装固定于一个低温部件上，低温部件再通过轴向或径向支撑组件与常温端轴相连。其中，轴向支撑组件一端与低温部件相连，另一端与常温端轴相连。为了减小漏热，需要增加轴向支撑组件的长度，势必会增大电机转子的长度，进而增加电机的体积和重量。此外，与轴向支撑组件相比，径向支撑组件虽然缩短了电机转子轴向长度，但不适合在大容量高温超导电机中采用。这是由于如果所有的超导磁体均置于一个巨大的低温部件上，一方面低温部件因尺寸较大，导致加工比较困难，另一方面于电机装配车间在低温部件上现场装配超导磁体及其支撑组件，这给电机装配人员提出了较高的技术要求，并带来了很大的挑战和困难。

基于此，提出一种超导磁体的支撑组件，既能满足性能（强度和漏热）的要求，又能满足超导磁体装配工艺简单的要求，其中超导磁体在结构上是相互独立的。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明的目的之一是从超导磁体支撑组件的拓扑结构入手，考虑装配工艺，提供一种能满足实际工作需求的，并在结构上相互独立的高温超导磁体支撑组件。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种高温超导磁体支撑组件，由底板以及通过支撑件安装在底板上的超导磁体构成，所述的超导磁体通过电流引线与磁体电流源相连；所述的底板由中间开孔的本体和分别设置在本体左右侧的至少3对连接块组成；所述的超导磁体由L形截面的磁体下底板、磁体上盖板以及夹持在磁体下底板和磁体上盖板之间的多个双饼线圈组成，双饼线圈由内环、外环以及通过低温树脂固化在内环和外环之间的超导线圈组成，所述的双饼线圈通过引线串联在一起，所述的磁体上盖板和磁体下底板左右侧分别设置有与连接块对应的固定块，所述的磁体下底板或磁体上盖板通过管路与低温制冷系统相连；所述的支撑组件由沿超导磁体长度方向布置在左右侧的多个支撑杆一、沿超导磁体高度方向布置在左右侧的多个支撑杆二和沿超导磁体宽度方向以X形交叉布置的多个支撑杆三组成，所述的支撑杆一两端通过销钉分别与连接块和磁体下底板上的固定块连接，所述的支撑杆二两端通过销钉分别与连接块和磁体上盖板上的固定块连接，所述的支撑杆三两端通过销钉分别与连接块和磁体下底板上的固定块连接。

所述的一种高温超导磁体支撑组件，其连接块由不锈钢板、铝合金板、钛合金板、无氧铜板或玻璃纤维复合材料板加工而成，包括横向排列通过多个销钉孔连接支撑杆一的连接块二、设于本体边缘处通过多个销钉孔连接支撑杆二的连接块三以及纵向排列通过多个销钉孔连接支撑杆三的连接块一。

所述的一种高温超导磁体支撑组件，其磁体下底板由中间开孔的磁体下底板本体和横向排列通过多个销钉孔连接支撑杆一的固定块二以及纵向排列通过多个销钉孔连接支撑杆三的固定块三组成。

所述的一种高温超导磁体支撑组件，其磁体上盖板由中间开孔的磁体上盖板本体、设置在磁体上盖板本体左右侧外壁面的固定块一组成，所述的固定块一通过两个销钉孔与支撑杆二连接。

所述的一种高温超导磁体支撑组件，其支撑杆一、支撑杆二和支撑杆三由截面为圆形或方形的支撑杆中间段和带有销钉孔的支撑杆端部组成，由全复合材料、钛合金、不锈钢、铝合金或复合材料与金属材料形成的组合材料加工而成。

所述的一种高温超导磁体支撑组件，其内环和外环由不锈钢板、铝合金板、钛合金板、无氧铜板或玻璃纤维复合材料板加工而成。

所述的一种高温超导磁体支撑组件，其支撑杆一与超导磁体连接的低温端靠近超导磁体的几何中心，支撑杆一与底板和超导磁体的装配角度为θ（0°≤θ≤45°）。

所述的一种高温超导磁体支撑组件，其支撑杆二采用垂向连接的方式布置。

本发明的目的之二是提供上述高温超导磁体支撑组件的装配方法，步骤为：

步骤1，绕制多个双饼线圈，加工所有零部件；

步骤2，用销钉和螺栓贯穿整个内环、超导线圈和外环，将双饼线圈、磁体上盖板和磁体下底板连接成一个整体；

步骤3，将支撑杆一沿长度方向连接在磁体下底板和本体之间，将每对支撑杆三呈X形连接在磁体下底板和本体之间，放入销钉并锁紧；

步骤4，通过销钉将剩余支撑杆二的两端分别与磁体上盖板和本体连接并锁紧。

本发明的有益效果是：

首先，本发明的超导磁体及其支撑组件是一个独立单元，在结构上与其它超导磁体是分开的，而且磁体上盖板或磁体下底板通过管路与低温制冷系统相连，因此其既作为超导磁体的结构件，又作为超导磁体的冷源，降低了超导磁体维修维护的难度，提高了高温超导电机的可维修性和整机可靠性，省去了低温部件，进而降低了制造成本，减轻了整机重量。

其次，本发明所述超导磁体及其支撑组件是在设计单位装配完成的，电机装配人员无需了解低温与真空，降低了电机装配的技术要求和难度。

再次，本发明所述支撑组件的两端分别通过销钉与超导磁体和底板连接在一起，且采用间隙配合，可使支撑组件与超导磁体和底板的连接在低温环境下，处于一个紧配合，进而提高整个磁体系统在低温工作工况下的刚度。

最后，本发明支撑组件沿超导磁体长度方向布置时，在满足漏热要求的同时，极大降低了超导磁体及其支撑组件的总高度，减小了总体尺寸；支撑组件沿超导磁体宽度方向布置时，在满足漏热要求的同时，提高了系统稳定性，进而提高了系统的可靠性。

本发明在降低电机装配的技术要求和难度、减轻重量、降低维修维护难度、提高整机可靠性、提高磁体系统刚度和稳定性等方面均有较大程度的创新，特别适合在高温超导电机中使用，尤其适合在大功率、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。

附图说明

图1为本发明的示意图；

图2为本发明超导磁体的结构示意图；

图3为本发明超导磁体的横截面结构示意图；

图4为本发明超导磁体双饼线圈的结构示意图；

图5为本发明超导磁体下底板的结构示意图；

图6为本发明超导磁体上盖板的结构示意图；

图7为本发明超导磁体与支撑组件连接的结构示意图；

图8为本发明超导磁体与支撑组件连接的仰视图；

图9为本发明支撑组件的结构示意图；

图10为本发明下底板的结构示意图。

各附图标记为：1—底板，11—本体，12—连接块一，13—连接块二，14—连接块三，2—超导磁体，21—磁体下底板，211—磁体下底板本体，212—固定块二，213—固定块三，22—磁体上盖板，221—固定块一，222—磁体上盖板本体，23—双饼线圈，231—内环，232—超导线圈，233—外环，3—支撑件，31—支撑杆一，32—支撑杆二，33—支撑杆三，311—端部，312—中间段。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

本发明在降低电机装配的技术要求和难度、减轻重量、降低维修维护难度、提高整机可靠性、提高磁体系统刚度和稳定性等方面均有较大程度的创新。本发明适于高温超导磁体的应用场合，特别适于作大功率、低转速、结构紧凑、高功率密度以及高转矩密度等要求的高温超导船舶推进电动机或高温超导风力发电机。

本发明公开的一种高温超导磁体支撑组件，包括底板1、超导磁体2和M个支撑件3，其中M≥4，底板1由本体11和成对出现的连接块组成，其中连接块为具有销钉孔的n形块，n形块数量一共为M对（M≥4），超导磁体2由N个双饼线圈23、磁体上盖板22以及磁体下底板21组成，其中N≥2，磁体上盖板22和磁体下底板21均由本体11和固定块组成，其中固定块为具有销钉孔的n形块，与连接块对应，n形块数量一共为M对，M个支撑件3的两端分别置于超导磁体2和底板1的n形块内，沿超导磁体2长度方向布置的支撑件3与超导磁体2和底板1的装配角度为θ（0°≤θ≤45°），支撑件3沿超导磁体2宽度方向布置时，其成对交叉布置，呈X形，支撑件3沿超导磁体2高度方向布置时，采用垂向连接的方式。

实施例1

图1至图10所示为本发明的一个基本实施例。

一种高温超导磁体支撑组件，由底板1以及通过支撑件3安装在底板1上的超导磁体2构成，所述的超导磁体2通过电流引线与磁体电流源相连。

所述的底板1由中间开孔的本体11和分别设置在本体11左右侧的40对连接块组成，连接块分为连接块一12、连接块二13和连接块三14，均由不锈钢板、铝合金板、钛合金板、无氧铜板或玻璃纤维复合材料板加工而成的具有销钉孔的n形块；所述的超导磁体2由磁体下底板21、磁体上盖板22以及夹持在磁体下底板21和磁体上盖板22之间的8个双饼线圈23组成，三者通过销钉和螺栓贯穿连接在一起，形成一个整体，所述的8个双饼线圈23通过引线串联在一起，其中双饼线圈23由内环231、外环233以及超导线圈232组成，三者通过低温树脂固化成一体，其中内环231和外环233由不锈钢板板加工而成。

所述的磁体上盖板22和磁体下底板21均由本体（磁体下底板本体211和磁体上盖板本体222）和成对出现的固定块组成，固定块与连接块对应，均由具有销钉孔的n形块组成，n形块数量一共为40对，磁体上盖板22以及磁体下底板21结构形式为L形截面的跑道形板，其中n形块含有销钉孔，由不锈钢板板加工而成。

所述的支撑组件3结构形式为两端带有销钉孔的杆，截面为方形，由复合材料与金属材料形成的组合材料加工而成，该实施例中的支撑组件3有三种形式的支撑组件，分别为沿超导磁体2长度方向布置在左右侧的多个支撑杆一31、沿超导磁体2高度方向布置在左右侧的多个支撑杆二32和沿超导磁体2宽度方向以X形交叉布置的多个支撑杆三33组成，所述的支撑杆一31一端通过销钉连接连接块二13，一端通过销钉连接固定块二212，所述的支撑杆二32一端通过销钉连接连接块三14，一端通过销钉连接固定块一221，所述的支撑杆三33一端通过销钉连接连接块一12，一端通过销钉连接固定块三213，销钉与销钉孔的连接为间隙配合，配合公差均为H7/h6，其中支撑杆一31的低温端部311靠近超导磁体2的几何中心，常温端部311远离超导磁体2的几何中心，沿超导磁体2宽度方向的支撑杆三33沿超导磁体2高度方向布置时，采用垂向连接的方式，所述的支撑杆一31沿超导磁体2长度方向布置时，其中间段312与超导磁体2和底板1的装配角度为10°，所述的磁体上盖板22或磁体下底板21通过管路与低温制冷系统相连，因此其既作为超导磁体2的结构件，又作为超导磁体2的冷源，在高温超导电机设计时，可以将其设计成独立真空或共用真空：当将其设计成独立真空时，与所有超导磁体共用一个巨大真空容器的方案相比，如果某个超导磁体发生故障时，仅需打开发生故障超导磁体的真空容器，而无需打开其它超导磁体的真空容器，降低了超导磁体维修维护的难度，提高了高温超导电机的可维修性和整机可靠性；而当将其设计成共用真空时，与所有超导磁体均安装固定于一个低温部件上的方案相比，省去了低温部件，进而降低了制造成本，减轻了整机重量。

由于超导磁体的特殊性，其涉及到绕制工艺、低温、真空保持、刚强度以及漏热等方面，对场地和人员技术均有较高的要求，因此一般电机厂暂未配置超导磁体的绕制车间。目前，超导磁体一般由设计人员设计、绕制以及试验，试验合格后再将超导磁体由设计单位运至电机总装车间进行总装配。在此过程中，由于运输的不可控因素以及电机装配人员对超导磁体性能理解的不全面，可能会对超导磁体的性能带来一定的隐患。而且，在电机总装车间，现场装配超导磁体，也给电机装配人员带来了很大的挑战和困难。而本发明所述超导磁体及其支撑组件是在设计单位装配完成的，电机装配人员无需了解低温与真空，降低了电机装配的技术要求和难度。

本发明所述支撑组件的两端分别通过销钉与超导磁体和底板连接在一起，且采用间隙配合。该间隙稍大于过渡配合的间隙，降低了销钉装配的难度。而且当超导磁体处于低温环境时，由于材料的低温冷收缩，超导磁体无论在长度方向、宽度方向还是高度方向均有一定的缩短，而该间隙正好可以补偿超导磁体的冷收缩量，可使支撑组件与超导磁体和底板的连接在低温环境下，处于一个紧配合，进而提高整个磁体系统在低温工作工况下的刚度。

本发明所述支撑组件沿超导磁体长度方向布置时，其与底板的装配角度为θ（0°≤θ≤45°）。该布置方法在满足漏热要求的同时，极大降低了超导磁体及其支撑组件的总高度，减小了总体尺寸；此外，本发明所述支撑组件沿超导磁体宽度方向布置时，其成对交叉布置，呈X形。该布置方法在满足漏热要求的同时，提高了系统稳定性，进而提高了系统的可靠性。

上述高温超导磁体支撑组件的装配方法步骤为：

步骤1，绕制N个（N≥2）双饼线圈23，加工所有零部件。

步骤2，将N个双饼线圈23、磁体上盖板22以及磁体下底板21通过销钉和螺栓连接在一起，其中销钉和螺栓贯穿整个超导线圈232、内环231和外环233，形成一个整体。

步骤3，将沿超导磁体2长度方向的支撑杆一31和宽度方向的支撑杆三33的一端置于连接块一12和连接块二13的n形块，另一端置于固定块二212和固定块三213的n形块中，放入销钉并锁紧。

步骤4，将剩余支撑组件支撑杆二32（沿超导磁体高度方向）32的一端置于固定块一221中，另一端置于连接块三14的n形块中，放入销钉并锁紧，即为超导磁体支撑组件。

实施例2

与实施例1不同的是内环231和外环233均由铝合金板加工而成。还可由钛合金板、无氧铜板或玻璃纤维复合材料板加工而成。

实施例3

与实施例1不同的是支撑组件3截面为圆形，由钛合金加工而成。还可由全复合材料、不锈钢或铝合金加工而成。

实施例4

与实施例1不同的是所述的支撑杆一31的中间段312与超导磁体2和底板1的装配角度为5°。

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，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种高温超导磁体支撑组件，其特征在于：由底板（1）以及通过支撑件（3）安装在底板（1）上的超导磁体（2）构成，所述的超导磁体（2）通过电流引线与磁体电流源相连；所述的底板（1）由本体（11）和分别设置在本体（11）左右侧的至少3对连接块组成；所述的超导磁体（2）由L形截面的磁体下底板（21）、磁体上盖板（22）以及夹持在磁体下底板（21）和磁体上盖板（22）之间的多个双饼线圈（23）组成，双饼线圈（23）由内环（231）、外环（233）以及通过低温树脂固化在内环（231）和外环（233）之间的超导线圈（232）组成，所述的双饼线圈（23）通过引线串联在一起，所述的磁体上盖板（22）和磁体下底板（21）左右侧分别设置有与连接块对应的固定块，所述的磁体下底板（21）或磁体上盖板（22）通过管路与低温制冷系统相连；所述的支撑件（3）由沿超导磁体（2）长度方向布置在左右侧的多个支撑杆一（31）、沿超导磁体（2）高度方向布置在左右侧的多个支撑杆二（32）和沿超导磁体（2）宽度方向以X形交叉布置的多个支撑杆三（33）组成，所述的支撑杆一（31）两端通过销钉分别与连接块和磁体下底板（21）上的固定块连接，所述的支撑杆二（32）两端通过销钉分别与连接块和磁体上盖板（22）上的固定块连接，所述的支撑杆三（33）两端通过销钉分别与连接块和磁体下底板（21）上的固定块连接。

2.根据权利要求1所述的一种高温超导磁体支撑组件，其特征在于，所述的连接块由不锈钢板、铝合金板、钛合金板、无氧铜板或玻璃纤维复合材料板加工而成，包括通过多个销钉孔连接支撑杆一（31）的连接块二（13）、通过多个销钉孔连接支撑杆二（32）的连接块三（14）和通过多个销钉孔连接支撑杆三（33）的连接块一（12）。

3.根据权利要求1所述的一种高温超导磁体支撑组件，其特征在于，所述的磁体下底板（21）由磁体下底板本体（211）、通过多个销钉孔连接支撑杆一（31）的固定块二（212）以及通过多个销钉孔连接支撑杆三（33）的固定块三（213）组成。

4.根据权利要求1所述的一种高温超导磁体支撑组件，其特征在于，所述的磁体上盖板（22）由磁体上盖板本体（222）、设置在磁体上盖板本体（222）左右侧外壁面的固定块一（221）组成，所述的固定块一（221）通过两个销钉孔与支撑杆二（32）连接。

5.根据权利要求1或2或3或4所述的一种高温超导磁体支撑组件，其特征在于，所述的支撑杆一（31）、支撑杆二（32）和支撑杆三（33）由截面为圆形或方形的中间段（312）和带有销钉孔的端部（311）组成，由全复合材料、钛合金、不锈钢、铝合金或复合材料与金属材料形成的组合材料加工而成。

6.根据权利要求5所述的一种高温超导磁体支撑组件，其特征在于，所述的内环（231）和外环（233）由不锈钢板、铝合金板、钛合金板、无氧铜板或玻璃纤维复合材料板加工而成。

7.根据权利要求6所述的一种高温超导磁体支撑组件，其特征在于，所述的支撑杆一（31）与超导磁体（2）连接的低温端靠近超导磁体（2）的几何中心，支撑杆一（31）与底板（1）和超导磁体（2）的装配角度为0°～45°。

8.根据权利要求6所述的一种高温超导磁体支撑组件，其特征在于，所述的支撑杆二（32）采用垂向连接的方式布置。

9.一种如权利要求1所述高温超导磁体支撑组件的装配方法，其特征在于，步骤为：

步骤1，绕制多个双饼线圈（23），加工所有零部件；

步骤2，用销钉和螺栓贯穿整个内环（231）、超导线圈（232）和外环（233），将双饼线圈（23）、磁体上盖板（22）和磁体下底板（21）连接成一个整体；

步骤3，将支撑杆一（31）沿长度方向连接在磁体下底板（21）和本体（11）之间，将每对支撑杆三（33）呈X形连接在磁体下底板（21）和本体（11）之间，放入销钉并锁紧；

步骤4，通过销钉将支撑杆二（32）的两端分别与磁体上盖板（22）和本体（11）连接并锁紧。

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