CN112510964B - 无换向装置超导直流电机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种无换向装置超导直流电机,包括外壳和贯穿外壳的转轴，转轴上安装有位于外壳内的转子组件，外壳内安装有环转子组件设置的定子组件；定子组件包括超导电枢组件，超导电枢组件的外侧设置有超导屏蔽罩，超导屏蔽罩的外周壁上设置有向所述超导电枢组件凸出的V型槽，所述超导屏蔽罩上设置有第一冷却回路，所述外壳上设置有与所述第一冷却回路连通的第一冷却端口；超导电枢组件中感应的是直流电流，转子组件中通过的也是直流电流，因此，超导电枢组件和转子组件中没有交流损耗，这不仅提高了超导电机的机械效率，降低了制造超导电机的难度，减少了制造成本和运行成本，还扩大了选择超导线材的范围。
Description
技术领域
本发明涉及一种超导电机，尤其涉及一种无换向装置超导直流电机。
背景技术
由于超导材料的高载流和零电阻特性，超导绕组可以显著提高电机的工作性能。超导电机是应用超导绕组的电机，可以是仅在直流励磁绕组上应用超导线材，也可以是同时在直流励磁绕组和交流电枢绕组上应用超导线材。但是，超导线材在交变电磁条件下会产生交流损耗，致使超导电机的可行性降低，运行成本上升，因此，大部分超导发电机和超导电动机，是仅在转子上设置的直流励磁绕组应用超导线材，而定子上设置的交流电枢绕组应用常规线材的半超导电机。
1831年，法拉第发现了电磁感应定律，两年后，皮克西（pixii）利用永久磁铁与线圈之间的相对运动和一个换向器，制成了一台旋转磁极式直流发电机，经过一百多年的改进和发展，形成了现代结构的直流电机。目前，直流电机在电解、电镀、电冶炼、轮船推进、电气轨道牵引、机械加工以及造纸等诸多领域被广泛应用，然而，由于存在换向器（包括电子换向器），它比相同功率的交流电机容量小、造价高、寿命短，使用不稳定，其应用范围受到了很大限制。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种容量大且效率高的无换向装置超导直流电机。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：无换向装置超导直流电机,包括外壳和贯穿所述外壳的转轴，所述转轴上安装有位于所述外壳内的转子组件，所述外壳内安装有环所述转子组件设置的定子组件；
所述定子组件包括超导电枢组件，所述超导电枢组件的外侧设置有超导屏蔽罩，所述超导屏蔽罩的外周壁上设置有向所述超导电枢组件凸出的V型槽，所述超导屏蔽罩上设置有第一冷却回路，所述外壳上设置有与所述第一冷却回路连通的第一冷却端口。
作为一种优选的技术方案，所述超导电枢组件包括电枢绕组固定架，所述电枢绕组固定架上安装有超导电枢绕组，所述超导电枢绕组的两侧设置有超导屏蔽环；所述超导电枢组件的外侧设置有第二冷却回路，所述第二冷却回路与所述第一冷却回路连通。
作为一种优选的技术方案，所述电枢绕组固定架内设置有真空内腔。
作为一种优选的技术方案，所述转子组件包括安装在转轴上的励磁绕组固定架，所述励磁绕组固定架上安装有多个环所述转轴周向分布且轴向延伸的磁极，所有所述磁极的磁性分布相同，所述磁极上安装有超导励磁绕组，相邻两个所述磁极之间的所述励磁绕组固定架上安装有沿所述转轴轴向延伸的超导屏蔽带，所述转子组件的外侧设置有第三冷却回路，所述第三冷却回路环所述转子组件设置。
作为一种优选的技术方案，所述转轴上安装有位于所述转子组件外侧的力矩传导筒，所述第三冷却回路位于所述转子组件和所述力矩传导筒之间。
作为一种优选的技术方案，所述转子组件的两侧设置有转子超导屏蔽盘，所述转轴为空心轴，所述超导屏蔽盘安装在所述转轴的内腔中并位于所述转子组件的两侧，所述超导屏蔽盘上设置有第四冷却回路，所述转轴上设置有与所述第四冷却回路连通的第二冷却端口；所述转轴的内腔为真空内腔。
作为一种优选的技术方案，所述第三冷却回路与所述述第四冷却回路连通。
作为一种优选的技术方案，所述外壳与所述转轴围成的内腔为真空内腔。
作为一种优选的技术方案，所述转子组件包括安装在所述转轴上的永磁体，所述转轴上设置有位于所述定子组件的两侧的磁轭。
作为一种优选的技术方案，所述定子组件还包括真空内壳，所述定子组件安装在所述真空内壳中。
由于采用了上述技术方案，无换向装置超导直流电机,包括外壳和贯穿所述外壳的转轴，所述转轴上安装有位于所述外壳内的转子组件，所述外壳内安装有环所述转子组件设置的定子组件；所述定子组件包括超导电枢组件，所述超导电枢组件的外侧设置有超导屏蔽罩，所述超导屏蔽罩的外周壁上设置有向所述超导电枢组件凸出的V型槽，所述超导屏蔽罩上设置有第一冷却回路，所述外壳上设置有与所述第一冷却回路连通的第一冷却端口；超导电枢组件中感应的是直流电流，转子组件中通过的也是直流电流，因此，超导电枢组件和转子组件中没有交流损耗，这不仅提高了超导电机的机械效率，降低了制造超导电机的难度，减少了制造成本和运行成本，还扩大了选择超导线材的范围。
附图说明
以下附图仅旨在于对本发明做示意性说明和解释，并不限定本发明的范围。其中：
图1是本发明实施例一的结构示意图；
图2是本发明实施例一的转子组件剖视图；
图3是本发明实施例二的结构示意图；
图中：11-外壳；12-转轴；21-超导屏蔽罩；22-第一冷却回路；23-第一冷却端口；31-电枢绕组固定架；32-超导电枢绕组；33-超导屏蔽环；34-第二冷却回路；41-磁极；42-超导屏蔽带；51-转子超导屏蔽盘；52-力矩传导筒；53-第四冷却回路；54-第二冷却端口；55-第三冷却回路；61-励磁绕组固定架；62-超导励磁绕组；71-永磁体；72-磁轭；73-真空内壳。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，进一步阐述本发明。在下面的详细描述中，只通过说明的方式描述了本发明的某些示范性实施例。毋庸置疑，本领域的普通技术人员可以认识到，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式对所描述的实施例进行修正。因此，附图和描述在本质上是说明性的，而不是用于限制权利要求的保护范围。
实施例一：
如图1和图2所示，无换向装置超导直流电机,包括外壳11和贯穿所述外壳11的转轴12，所述转轴12上安装有位于所述外壳11内的转子组件，所述外壳11内安装有环所述转子组件设置的定子组件；所述定子组件包括超导电枢组件，所述超导电枢组件的外侧设置有超导屏蔽罩21，所述超导屏蔽罩21的外周壁上设置有向所述超导电枢组件凸出的V型槽，所述超导屏蔽罩21上设置有第一冷却回路22，所述外壳11上设置有与所述第一冷却回路22连通的第一冷却端口23。
所述超导电枢组件包括电枢绕组固定架31，所述电枢绕组固定架31上安装有超导电枢绕组32，所述超导电枢绕组32的两侧设置有超导屏蔽环33；所述超导电枢组件的外侧设置有第二冷却回路34，所述第二冷却回路34与所述第一冷却回路22连通。所述电枢绕组固定架31内设置有真空内腔。
所述转子组件包括安装在转轴12上的励磁绕组固定架61，所述励磁绕组固定架61上安装有多个环所述转轴12周向分布且轴向延伸的磁极41，所有所述磁极41的磁性分布相同，所述磁极41上安装有超导励磁绕组62，相邻两个所述磁极41之间的所述励磁绕组固定架61上安装有沿所述转轴12轴向延伸的超导屏蔽带42，所述转子组件的外侧设置有第三冷却回路55，所述第三冷却回路55环所述转子组件设置。所述转轴12上安装有位于所述转子组件外侧的力矩传导筒52，所述第三冷却回路55位于所述转子组件和所述力矩传导筒52之间。
所述转子组件的两侧设置有转子超导屏蔽盘51。所述转轴12为空心轴，所述超导屏蔽盘51安装在所述转轴12的内腔中并位于所述转子组件的两侧，所述超导屏蔽盘51上设置有第四冷却回路53，所述转轴12上设置有与所述第四冷却回路53连通的第二冷却端口54；所述转轴12的内腔为真空内腔。所述外壳11与所述转轴12围成的内腔为真空内腔。所述第三冷却回路55通过所述第四冷却回路53与所述第二冷却端口54连通。
本实施例的工作原理是：如图1和图2所示，超导励磁绕组62顺绕在各个磁极41上，磁极41之间装有超导屏蔽带42，使磁极41激发的磁场沿径向延伸且极性相同，冷却系统降温后，外壳11内处在真空中的超导励磁绕组62、转子超导屏蔽盘51、装在磁极41之间的超导屏蔽带42、超导屏蔽罩21、超导电枢绕组32和超导屏蔽环33处于超导状态，根据迈斯纳效应，超导励磁绕组62输入励磁电流后激发如图1中虚线所示的磁场，即磁场由磁极41沿转子与定子之间的径向经间隙、超导电枢绕组32和电枢绕组固定架31回到磁极41，形成闭合磁通。当转轴12受外力矩作用转动时，装在电枢绕组固定架31上靠近转轴12一侧的部分超导电枢绕组32垂直“切割”磁力线，远离转轴12一侧的部分超导电枢绕组32不垂直“切割”磁力线，根据法拉第电磁感应定律，装在电枢绕组固定架31上靠近转轴12一侧的部分超导电枢绕组32感应的电动势与装在远离转轴12一侧的部分超导电枢绕组32感应的电动势绕向相反，大小不等， 前者大于后者，因此，超导电枢绕组32输出直流电流，这是超导直流发电机的工作原理。
如果超导电枢绕组32输入直流电流，由于装在电枢绕组固定架31上靠近转轴12一侧的部分超导电枢绕组32垂直于超导励磁绕组62激发的磁场，远离转轴12一侧的部分超导电枢绕组32不垂直于超导励磁绕组62激发的磁场，根据安培定律，超导励磁绕组62激发的磁场对靠近转轴12一侧的载流超导电枢绕组32产生的电磁转矩与超导励磁绕组62激发的磁场对装在远离转轴12一侧的载流超导电枢绕组32产生的电磁转矩方向相反、大小不等，前者大于后者，由于超导电枢绕组32固定不动，所以转轴12转动，这是超导直流电动机的工作原理。
通过工作原理的叙述可知，本实施例所述的超导电枢绕组32中感应的（或者输入的）是直流电流，超导励磁绕组62中通过的也是直流电流，因此，超导电枢绕组32和超导励磁绕组62中没有交流损耗，这不仅提高了超导电机的机械效率，降低了制造超导电机的难度，减少了制造成本和运行成本，还扩大了选择超导线材的范围。另外，在电机运行的瞬变过程中，超导励磁绕组62受超导电枢绕组32电磁突变的影响很小，于是，在超导电枢绕组32和超导励磁绕组62之间不需要电磁屏蔽。本实施例采用超导屏蔽罩21屏蔽磁场并改变磁力线的走向，励磁绕组和电枢绕组都使用超导线材，大大降低了超导电机的重量和体积，特别是本实施例没有传统直流电机的换向装置，省去了电刷、滑环等部件，结构非常简单，运行更稳定可靠，因此，能够制造大功率或者超大功率的直流发电机和直流电动机。总之，本实施例比现代结构的直流电机容量大、功率密度高、效率高、体积小、制造简单，造价低，使用可靠，运行稳定，输出的直流电性能好，容易控制，适用范围广。
本实施例中，沿转轴12的轴向可以增加多个超导励磁绕组62和相对应的超导电枢绕组32以及超导屏蔽罩21，增加电机的容量。
本实施例作为发电机使用时，每个超导电枢绕组32可以作为多个电源输出电能，也可以与其他超导电枢绕组32串联或者并联构成多个电源输出电能。还可以省去升压变压器，直接输出直流电流。
本实施例作为电动机使用时，调速性能好，范围宽，控制简单，容易实现无极调速，且过载能力强，机械特性优，噪音小，能耗少，使用稳定可靠，应用范围广泛。
本实施例中，也可以使所述定子组件绕轴转动，所述转子组件不动，作为发电机或者电动机使用。
在本实施例中，外壳11采用杜瓦瓶结构，其中设有热屏蔽筒和真空层，真空层抑制通过空气的传导热，热屏蔽筒抑制从常温外筒而来的辐射热，电枢绕组固定架31和外壳11由不锈钢制成，转轴12两端由非磁性钢制成，超导电枢绕组32由高温超导材料YBCO/Ag制作，超导屏蔽环33、超导屏蔽罩21、转子超导屏蔽盘51和超导屏蔽带42用YBCO与不锈钢制成，冷却系统用液态氮作为制冷剂，定子组件和转子组件均处于真空中。
实施例二：
如图3所示，所述转子组件包括安装在所述转轴12上的永磁体71，所述转轴12上设置有位于所述定子组件的两侧的磁轭72。所述定子组件还包括真空内壳73，所述定子组件安装在所述真空内壳73中。
本实施例的工作原理是，冷却系统降温后，真空内壳73内处在真空中的超导屏蔽环33、超导电枢绕组32和超导屏蔽罩21处于超导状态，根据迈斯纳效应，永磁体71激发如图3中虚线所示磁场，即磁场由永久磁体沿径向经定子组件与转子组件之间的气隙、超导电枢绕组32、电枢绕组固定架31和磁轭72回到永磁体71，形成闭合磁通。当转轴12受外力矩作用转动时，装在电枢绕组固定架31上靠近转轴12一侧的部分超导电枢绕组32垂直“切割”磁力线，远离转轴12一侧的部分超导电枢绕组32不垂直“切割”磁力线，根据法拉第电磁感应定律，装在电枢绕组固定架31上靠近转轴12一侧的部分超导电枢绕组32感应的电动势与装在远离转轴12一侧的部分超导电枢绕组32感应的电动势绕向相反，大小不等， 前者大于后者，因此，超导电枢绕组32输出直流电流，这是超导直流发电机的工作原理。
当超导电枢绕组32输入直流电流时，由于装在电枢绕组固定架31上靠近转轴12一侧的部分超导电枢绕组32垂直于永磁体71激发的磁场，远离转轴12一侧的部分超导电枢绕组32不垂直于永磁体71激发的磁场，根据安培定律，永磁体71激发的磁场对装在电枢绕组固定架31上靠近转轴12一侧的部分载流超导电枢绕组32产生的电磁转矩与永磁体71激发的磁场对装在远离转轴12一侧的部分载流超导电枢绕组32产生的电磁转矩方向相反、大小不等，前者大于后者，由于超导电枢绕组32固定不动，所以转轴12转动，这是本实施例作为超导直流电动机的工作原理。
在本实施例中，真空内壳73采用杜瓦瓶结构，其中设有热屏蔽筒和真空层，真空层抑制通过空气的传导热，热屏蔽筒抑制从常温外筒而来的辐射热，电枢绕组固定架31和外壳11由不锈钢制成，磁轭72由磁性钢制成，转轴12两端由非磁性钢制成，超导电枢绕组32由高温超导材料YBCO/Ag制作，超导屏蔽环33和超导屏蔽罩21用YBCO与不锈钢制成，沿径向辐射充磁的圆筒形永磁体71用钕铁硼制成，其内外表面激发的磁场极性相反，冷却系统用液态氮作为制冷剂，真空内壳73内的定子组件处在真空中。
本实施例中，永磁体71激发磁场，避免了密封轴承和旋转输液等复杂技术，液态氮作为制冷剂，极大的降低了电机的制造成本和运行成本，且没有换向装置，调速性能优异，因此，具有广阔的使用范围。
在本实施例中，低温恒温器和冷却回路管等为公知技术，不予细述。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定 。
Claims (9)
1.无换向装置超导直流电机,包括外壳和贯穿所述外壳的转轴，其特征在于：所述转轴上安装有位于所述外壳内的转子组件，所述外壳内安装有环所述转子组件设置的定子组件；
所述定子组件包括超导电枢组件，所述超导电枢组件的外侧设置有超导屏蔽罩，所述超导屏蔽罩的外周壁上设置有向所述超导电枢组件凸出的V型槽，所述超导屏蔽罩上设置有第一冷却回路，所述外壳上设置有与所述第一冷却回路连通的第一冷却端口；
所述转子组件包括安装在转轴上的励磁绕组固定架，所述励磁绕组固定架上安装有多个环所述转轴周向分布且轴向延伸的磁极，所有所述磁极的磁性分布相同，所述磁极上安装有超导励磁绕组，相邻两个所述磁极之间的所述励磁绕组固定架上安装有沿所述转轴轴向延伸的超导屏蔽带，所述转子组件的外侧设置有第三冷却回路，所述第三冷却回路环所述转子组件设置。
2.如权利要求1所述的无换向装置超导直流电机，其特征在于：所述超导电枢组件包括电枢绕组固定架，所述电枢绕组固定架上安装有超导电枢绕组，所述超导电枢绕组的两侧设置有超导屏蔽环；所述超导电枢组件的外侧设置有第二冷却回路，所述第二冷却回路与所述第一冷却回路连通。
3.如权利要求2所述的无换向装置超导直流电机，其特征在于：所述电枢绕组固定架内设置有真空内腔。
4.如权利要求1所述的无换向装置超导直流电机，其特征在于：所述转轴上安装有位于所述转子组件外侧的力矩传导筒，所述第三冷却回路位于所述转子组件和所述力矩传导筒之间。
5.如权利要求4所述的无换向装置超导直流电机，其特征在于：所述转子组件的两侧设置有转子超导屏蔽盘，所述转轴为空心轴，所述超导屏蔽盘安装在所述转轴的内腔中并位于所述转子组件的两侧，所述超导屏蔽盘上设置有第四冷却回路，所述转轴上设置有与所述第四冷却回路连通的第二冷却端口；所述转轴的内腔为真空内腔。
6.如权利要求5所述的无换向装置超导直流电机，其特征在于：所述第三冷却回路与所述第四冷却回路连通。
7.如权利要求1所述的无换向装置超导直流电机，其特征在于：所述外壳与所述转轴围成的内腔为真空内腔。
8.如权利要求1或2所述的无换向装置超导直流电机，其特征在于：所述转子组件包括安装在所述转轴上的永磁体，所述转轴上设置有位于所述定子组件的两侧的磁轭。
9.如权利要求1或2所述的无换向装置超导直流电机，其特征在于：所述定子组件还包括真空内壳，所述定子组件安装在所述真空内壳中。
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