CN113285578A - 一种静密封励磁单回路超导磁齿轮电机及应用 - Google Patents

Abstract

本公开公开一种静密封励磁单回路超导磁齿轮电机及应用，属于游标电机领域，包括定子铁心、定子电枢绕组、隔热端盖、超导材料、超导支撑模块、低温杜瓦绝热壁以及外转子铁心，定子铁心为凸极结构，在定子齿部设有单齿绕线的电枢绕组；单回路超导材料以往复结构铺设，提供磁齿轮电机的场调制磁场，与超导支撑模块一同置于低温杜瓦绝热壁中，结合两端的隔热端盖进行封闭；定子铁心、定子电枢绕组与超导材料及其支撑和隔热结构一同构成电机的静止部分；外转子采用凸极结构，为超导材料产生的磁场与定子电枢磁场能够产生相互作用；利用单回路直流超导提供励磁磁场，显著简化了励磁回路复杂程度，采用冷却液静密封，极大降低了密封难度。

Description

一种静密封励磁单回路超导磁齿轮电机及应用

技术领域

本公开属于磁齿轮电机领域，具体涉及一种静密封励磁单回路超导磁齿轮电机及应用。

背景技术

在现有技术中，使超导材料在液氮冷却条件下，能够俘获远高于永磁体的磁场强度，这意味着超导技术能够逐步在电磁装置领域拓展其应用范围，不仅能够取代传统电机中的绕组，达到降低损耗、减小体积和重量的目的，同时按照往复规律铺设直流通电的超导材料还能够产生较强的极性交替的径向磁场，进而替代以稀土为主的永磁材料，对定子电枢磁场进行调制，进一步提高电机的功率密度和可靠性。为了避免超导材料在交变电磁环境下产生交流损耗，大部分学者会考虑将超导材料置于电机的直流励磁绕组上加以应用，而利用超导材料俘获磁场的能力进行励磁的方案则相对较少。而第二代高温超导Y系线材临界电流密度的提高，意味着超导电机的应用领域和前景得到了进一步的扩大，受到了业内专家的广泛关注。

与此同时，磁齿轮电机由于能够利用磁场耦合进行机电能量转换，实现了输入和输出之间的物理隔离。场调制原理的应用，使该外转子磁齿轮电机避免安装齿轮等机械结构，在效率、传动精度和响应速度等性能方面都具有一定的优势。目前，研究相对较多的一类磁齿轮电机通常采用同轴套设结构，包括由内而外设置的同轴心低速转子、调磁环和高速转子，高低速转子均采用稀土永磁提供磁场，随转子旋转的永磁体使电机机械可靠性降低，稀土永磁材料的稀缺也限制了其应用范围；调磁环由导磁材料和非导磁材料间隔排列，放置在高低速转子之间，所带来的双层气隙结构也在一定程度上降低了气隙磁场的利用率，同时增加了磁齿轮电机的加工难度。因此，对高可靠性且加工方便的磁齿轮电机结构的研究具有重要的理论意义和工程价值。

另外，冷却液随其所在的转子旋转，需要动密封处理，对密封件的性能要求极高，加工难度大，也限制了其在苛刻环境中的应用，降低了系统寿命。因此，寻求冷却液静密封的结构将极大降低系统加工难度，提高可靠性和寿命。

公开内容

针对现有技术的不足，本公开的目的在于提供一种静密封励磁单回路超导磁齿轮电机及应用，解决了现有技术中磁齿轮电机结构复杂程度和加工难度的问题。

本公开的目的可以通过以下技术方案实现：一种静密封励磁单回路超导磁齿轮电机，所述磁齿轮电机包括定子铁心、定子电枢绕组、隔热端盖、单回路超导材料、超导支撑模块、静密封低温杜瓦绝热壁以及外转子铁心。所述定子铁心、定子电枢绕组、隔热端盖、超导材料、超导支撑模块以及低温杜瓦绝热壁静止设置。

所述定子铁心齿部设有定子电枢绕组，用于产生定子电枢磁场。

所述单回路超导材料以径向往返的形式铺设在低温杜瓦绝热壁中，相邻单回路超导材料之间嵌入软磁材料作为超导支撑模块，并结合两端的隔热端盖进行封闭，并整体安装在定子铁心外侧。

所述外转子铁心为凸极结构，与内侧的低温杜瓦绝热壁之间设有气隙。

超导材料通直流电，产生磁场构成磁调制环对定子电枢磁场进行调制

进一步地，所述定子铁心、隔热端盖、单回路超导材料、低温杜瓦绝热壁以及外转子铁心由内向外依次同轴嵌套安装。

进一步地，所述定子铁心、定子电枢绕组、隔热端盖、单回路超导材料、超导支撑模块以及低温杜瓦绝热壁静止设置，并与电机外壳固定，低温杜瓦为静密封。

进一步地，所述超导材料按照轴向平行的方式铺设在低温杜瓦绝热壁中，并使超导材料在端部间隔连接，相邻超导材料嵌入超导支撑模块，使其形成往复结构的单向电流通路，在通以直流电时，能够产生径向磁场。

进一步地，所述外转子铁心外侧套设机壳，外转子铁心与机壳之间以轴承连接。

进一步地，所述外转子铁心凸极的个数为pr，超导材料产生磁场的极数为Ns，定子电枢绕组的极数为ps，满足外转子极数pr为超导材料产生磁场的极数Ns与定子电枢绕组极数ps的差值，即：

pr＝Ns-ps，外转子极数大于所述定子电枢绕组极数；

高低转速比Gr满足：

Gr＝(mps+kNs)/mps，m＝1,3,5,…,∞，k＝0,±1,±2,…,±∞。

进一步地，所述超导材料产生的径向磁场用于将定子电枢绕组极对数调整为与外转子铁心极对数相同。

进一步地，一种静密封励磁单回路超导磁齿轮电机的应用，包括上述任一项所述的磁齿轮电机，所述磁齿轮电机应用在风力发电及船舰驱动领域。

本公开的有益效果：

1、本发明将单回路超导材料通直流电，产生磁场构成磁调制环对定子电枢磁场进行调制，能够在损耗较低的情况下产生较强的磁场；超导材料采用单个回路设计，显著降低了结构复杂程度和加工难度。

2、本发明利用低温杜瓦绝热壁结合隔热端盖将超导材料进行封闭，并保持静止，为静密封结构，极大降低了旋转结构带来的冷却液封闭的加工难度；

3、本发明中的定子电枢绕组采用单齿绕线形式，端部较短，在相同的体积下相比分布式绕组具有更长的电机有效长度；

4、本发明中整个电机不含永磁体，能够减少磁滞损耗，并节约永磁体用量，同时具备较好的电磁性能；

5、本发明设计的外转子结构简单无绕组，具有较高的机械强度和较低的加工难度。

附图说明

为了更清楚地说明本公开实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明磁齿轮电机剖视示意图；

图2是本发明磁齿轮电机侧视示意图；

图3是本发明磁齿轮电机整体结构示意图；

图4是本发明磁齿轮电机整体结构侧视示意图；

其中，附图标记如下：1、定子铁心，2、定子电枢绕组，3、隔热端盖，3-1、隔热端盖一端部，3-2、隔热端盖另一端部，4、单回路超导材料，5、超导支撑模块，6、静密封低温杜瓦绝热壁，7、外转子铁心。

具体实施方式

下面将结合本公开实施例中的附图，对本公开实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本公开保护的范围。

如图1-4所示，一种静密封励磁单回路超导磁齿轮电机，本发明设计的磁齿轮电机采用同轴环形结构，由定子铁心1、定子电枢绕组2、隔热端盖3、超导材料4、超导支撑模块5、低温杜瓦绝热壁6以及外转子铁心7组成，外转子铁心7外侧套设机壳，外转子铁心7与机壳之间以轴承连接。

其中，定子铁心1、定子电枢绕组2、隔热端盖3、超导材料4、低温杜瓦绝热壁6以及外转子铁心7从内而外依次同轴嵌套设置。定子铁心1、定子电枢绕组2、隔热端盖3、超导材料4、超导支撑材料5和低温杜瓦绝热壁6静止设置，并与外壳固定。

定子铁心1齿部设有定子电枢绕组2，用于产生定子电枢磁场。定子铁心1外边缘紧贴低温杜瓦绝热壁6的内侧，以避免不必要的漏磁。低温杜瓦绝热壁6内侧铺设超导材料4，并在相邻超导材料4之间放入软磁材料构成超导支撑模块5，铺设的超导材料4能够向外引线并连接外部直流电源，其冷却设备可以一并安装。超导支撑模块5和单回路超导材料4由静密封低温杜瓦绝热壁6包裹，并结合隔热端盖3进行封闭。单回路超导材料4按照轴向平行的方式往复铺设，并在端部间隔连接，使其形成往复结构的单向电流通路，在通以直流电时，能够产生径向磁场。超导支撑模块5的作用在于为单回路超导材料4产生的磁场提供导磁通路，以实现其磁场调制作用。

隔热端盖3分为隔热端盖一端部3-1和隔热端盖另一端部3-2，二者配合形成隔热端盖3整体。低温杜瓦绝热壁6紧贴定子铁心1外侧安装，定子齿上绕制定子电枢绕组2，单回路超导材料4及超导支撑模块5构成磁调制环，对定子电枢磁场进行调制，使其具有与外转子7相同的磁场极数。

外转子铁心7为凸极结构，与内侧的静密封低温杜瓦绝热壁6之间设有气隙，并与机壳以轴承连接，使超导材料4产生的磁场能够对定子电枢绕组2产生的磁场进行调制，进而带动外转子铁心7旋转，实现机电能量转换。

外转子铁心7凸极的个数为p_r，超导材料4产生的磁场极数为N_s，定子电枢绕组2的极数为p_s，满足外转子极数p_r为磁场极数N_s与定子电枢绕组2极数p_s的差值，即：

p_r＝N_s-p_s。

高低转速比G_r满足：

G_r＝(mp_s+kN_s)/mp_s，m＝1,3,5,…,∞，k＝0,±1,±2,…,±∞。

本实施例中的定子电枢绕组2优选为八个线圈，可通以极对数为三的三相电枢电流，单回路超导材料4产生磁场共二十四极，由公式可知外转子优选为二十一极，外转子极数大于定子电枢绕组2极数。本发明的单回路超导材料4产生的磁场极数及定转子极对数并不限于此，可根据实际情况及需求进行选择。其中，超导材料4产生的磁场用于将定子电枢绕组2极数调整为与外转子铁心7极数相同。

电机运行时，由外部直流电源向单回路超导材料4通入电流，形成固定磁场，定子电枢绕组2通以三相电流，产生三相旋转磁场，单回路超导材料4产生的磁场作为调制环能够对气隙磁场空间谐波进行调制，以实现电枢的高速旋转磁场和外转子的低速磁场的调节作用。

工作原理

本发明的实施例给出了静密封励磁单回路超导磁齿轮电机的结构设计，在传统磁齿轮电机的基础上，引入直流单回路超导材料4的设计，用以提高电机的电磁性能，避免电机旋转密封漏热，以及提高电机可靠性的目的。

风力发电和船舶驱动可以作为本发明实施例的典型应用场合，但本发明并不限于上述领域的应用。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本公开的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上显示和描述了本公开的基本原理、主要特征和本公开的优点。本行业的技术人员应该了解，本公开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公开的原理，在不脱离本公开精神和范围的前提下，本公开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公开范围内。

Claims (10)

1.一种静密封励磁单回路超导磁齿轮电机，其特征在于，所述齿轮电机包括单回路超导材料(4)，所述单回路超导材料(4)以径向往返的形式铺设在定子外侧。

2.根据权利要求1所述的一种静密封励磁单回路超导磁齿轮电机，其特征在于，所述单回路超导材料(4)以径向往返的形式铺设在低温杜瓦绝热壁(6)中，相邻单回路超导材料(4)之间嵌入软磁材料作为超导支撑模块(5)，并结合两端的隔热端盖(3)进行封闭，并整体安装在定子铁心(1)外侧。

3.根据权利要求2所述的一种静密封励磁单回路超导磁齿轮电机，其特征在于，所述低温杜瓦绝热壁(6)安装在外转子铁心(7)内，外转子铁心(7)为凸极结构，与内侧的低温杜瓦绝热壁(6)之间设有气隙。

4.根据权利要求3所述的一种静密封励磁单回路超导磁齿轮电机，其特征在于，所述定子铁心(1)齿部安装有定子电枢绕组(2)，定子铁心(1)、隔热端盖(3)、单回路超导材料(4)、低温杜瓦绝热壁(6)以及外转子铁心(7)由内向外依次同轴嵌套安装。

5.根据权利要求4所述的一种静密封励磁单回路超导磁齿轮电机，其特征在于，所述定子铁心(1)、定子电枢绕组(2)、隔热端盖(3)、单回路超导材料(4)、超导支撑模块(5)以及低温杜瓦绝热壁(6)静止设置，并与电机外壳固定，低温杜瓦为静密封。

6.根据权利要求3所述的一种静密封励磁单回路超导磁齿轮电机，其特征在于，所述超导材料(4)按照轴向平行的方式铺设在低温杜瓦绝热壁(6)中，并使超导材料(4)在端部间隔连接，相邻超导材料(4)嵌入超导支撑模块(5)。

7.根据权利要求3所述的一种静密封励磁单回路超导磁齿轮电机，其特征在于，所述外转子铁心(7)外侧套设机壳，外转子铁心(7)与机壳之间以轴承连接。

8.根据权利要求3所述的一种静密封励磁单回路超导磁齿轮电机，其特征在于，所述外转子铁心(7)凸极的个数为pr，超导材料(4)产生磁场的极数为Ns，定子电枢绕组(2)的极数为ps，满足外转子极数pr为超导材料(4)产生磁场的极数Ns与定子电枢绕组(2)极数ps的差值，即：

pr＝Ns-ps，外转子极数大于所述定子电枢绕组(2)极数；

高低转速比Gr满足：

Gr＝(mps+kNs)/mps，m＝1,3,5,…,∞，k＝0,±1,±2,…,±∞。

9.根据权利要求3所述的一种静密封励磁单回路超导磁齿轮电机，其特征在于，所述超导材料(4)产生的径向磁场用于将定子电枢绕组(2)极对数调整为与外转子铁心(7)极对数相同。

10.一种静密封励磁单回路超导磁齿轮电机的应用，其特征在于，包括如权利要求1-9任一项所述的磁齿轮电机，所述磁齿轮电机应用在风力发电及船舰驱动领域。

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