CN114221518B - 一种气浮轴承结构的超导电机系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种气浮轴承结构的超导电机系统，包括液氮储罐、加热器、压缩机、气浮超导电机，所述液氮储罐向所述气浮超导电机提供液氮对其进行冷却，同时也为气浮轴承模块提供工质，液氮经过所述加热器后相变为氮气并被加热到所述压缩机的许用温度，经过所述压缩机加压后向所述气浮超导电机中的气浮轴承模块供气，所述气浮超导电机，包括机壳、电机左右端盖、左右轴承端盖、一对止推气浮轴承、一对径向气浮轴承、转轴、定子、转子以及附件等，本发明将超导电机冷却系统和气浮轴承供气系统结合，利用气浮轴承解决了低温下超导电机轴承的润滑问题，具有运行稳定、可靠性高、低摩擦损耗等优点。

Description

一种气浮轴承结构的超导电机系统
技术领域
本发明涉及超导体电机领域，尤其涉及一种气浮轴承结构的超导电机系统。
背景技术
超导电机的电枢绕组由超导材料绕制而成，得益于超导材料高载流密度、低损耗特性，超导电机相较于常规电机可以达到更高的功率密度和效率。超导绕组必须在超导体临界温度以下才能正常工作，因此超导电机中必须设计有冷却系统对超导绕组进行冷却，并带走由于交流损耗和系统漏热带来的热负荷，避免失超。目前，采用高温超导材料的超导绕组一般采用常压液氮冷却的方式，这种冷却方式可使超导绕组温度保持在77K左右，交流损耗、系统漏热等产生的热负荷被流动的液氮带走。
在超导电机中不可避免地存在漏热，电机中被冷却的部分会通过导热、辐射、对流等多种方式使周围结构温度降低，最终使得超导电机的轴承工作温度太低。在低温工作条件下，润滑普通轴承的润滑油或者润滑脂失效，大温差下的热变形会使轴承游隙减小进而导致轴承静摩擦力矩增大，这些不利因素均会使轴承转动困难甚至卡死，进而导致超导电机摩擦损耗增大运行效率降低，极端的卡死状态下可能使电流超过线材临界电流密度导致失超，造成重大事故。
气体润滑轴承是将气体作为润滑剂的一种润滑方式，与传统的液体滑动轴承和滚珠轴承相比，气体润滑轴承具有高速、高精度、高寿命、低功耗、耐热、耐冷等优点，使其在航空航天惯导系统、精密测试仪器、精密机床和极端冷、热场中具有巨大的应用优势。因此，气体润滑轴承技术可用于解决超导电机中低温工作条件下的润滑问题。
为解决超导电机轴承在低温下的润滑问题，本发明提出了一种气浮轴承结构的超导电机系统。
发明内容
本发明所述的一种气浮轴承结构的超导电机系统，其特征在于，包括液氮储罐、加热器、压缩机、气浮超导电机，所述气浮超导电机中的气浮轴承模块工作介质为氮气，所述气浮超导电机冷却工质为液氮；所述液氮储罐向所述气浮超导电机提供液氮对其进行冷却，同时也为所述气浮超导电机的气浮轴承模块提供工质，液氮经过所述加热器后相变为氮气并被加热到所述压缩机的许用温度，经过所述压缩机加压后向所述气浮超导电机中的气浮轴承模块供气。
作为优选，所述加热器的加热功率Q的计算公式如下：
Q＝G[r+cp(Tout-Tsat)]
其中，G为所述气浮超导电机气浮轴承模块所需氮气的质量流量，r为液氮在工作状态下的汽化潜热，cp为氮气在工作状态下的定压比热，Tout为所述压缩机的许用最低温度，Tsat为液氮在工作状态下的饱和温度。
作为优选，所述气浮超导电机包括机壳、冷却工质出口管道、电机左端盖、左轴承盖、左止推气浮轴承、右止推气浮轴承、转轴、左径向气浮轴承、间隙调整环、超导电机绝热及冷却结构、定子、冷却工质入口管道、电机右端盖、右轴承盖、右径向气浮轴承、转子、轴向定位螺母、径向气浮轴承配合轴套，所述电机左端盖和所述电机右端盖上部开设有引气孔，下部开设有排气孔，所述左轴承盖与所述右轴承盖的相对应的位置上开设有引气孔和排气孔，所述转轴为空心结构且在侧壁开设有排气孔，所述左止推气浮轴承经由所述电机左端盖和所述左轴承盖上部的引气孔引气，所述右止推气浮轴承经由电机左端盖和左轴承盖上部的引气孔和左径向气浮轴承的小引气空腔引气，所述左止推气浮轴承和所述右止推气浮轴承经由所述左轴承盖上开设的中心孔、所述转轴上开设的排气孔及所述间隙调整环、所述电机左端盖和所述左轴承盖下部排气孔形成的三条排气通路排气，所述左径向气浮轴承从所述电机左端盖、所述左轴承盖上部开设的引气孔引气，经由所述电机左端盖、所述左轴承盖下部开设的排气孔和所述转轴上开设的排气孔排气，所述右径向气浮轴承从所述电机右端盖、所述右轴承盖上部开设的引气孔引气，经由所述电机右端盖中心孔、所述电机右端盖和所述右轴承盖下部开设的排气孔及所述转轴上开设的排气孔、所述径向气浮轴承配合轴套上开设的排气孔排气。
本发明提供了的一种气浮轴承结构的超导电机系统，将超导电机冷却系统和气浮轴承供气系统结合，由冷却工质液氮加热后形成的氮气经加压后向气浮轴承模块供气，使用静压气浮轴承解决了低温下超导电机轴承的润滑问题，具有运行稳定、可靠性高、低摩擦损耗等优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明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一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，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是本发明实施例提供的一种气浮轴承结构的超导电机系统的总体方案示意图；
图2是本发明实施例提供的气浮超导电机二维剖视图；
图3是本发明实施例提供的气浮超导电机三维模型图。
附图标记：1、液氮储罐；2、加热器；3、压缩机；4、气浮超导电机；5、机壳；6、冷却工质出口管道；7、电机左端盖；8、左轴承盖；9、左止推气浮轴承；10、右止推气浮轴承；11、转轴；12、左径向气浮轴承；13、间隙调整环；14、超导电机绝热及冷却结构；15、定子；16、冷却工质入口管道；17、电机右端盖；18、右轴承盖；19、右径向气浮轴承；20、转子；21、轴向定位螺母；22、径向气浮轴承配合轴套。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”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发明实施例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必须针对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一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
下面结合图1-图3描述本发明实施例的气浮轴承结构的超导电机系统。本发明实施例提供了一种气浮轴承结构的超导电机系统，该超导电机系统包括液氮储罐1、加热器2、压缩机3、气浮超导电机4，本发明的液氮储罐1向气浮超导电机4提供液氮对其进行冷却，同时也为气浮超导电机4的气浮轴承模块提供工质，液氮经过加热器2后相变为氮气并被加热到压缩机3的许用温度，经过压缩机3加压后向气浮超导电机4中的气浮轴承模块供气。
具体地，本实施例中的超导电机可以为定子超导电机、转子超导电机或全超导电机，本实施例中的气浮轴承可以为静压气浮轴承、动压气浮轴承或动静压混合气浮轴承。
如图1，图2，图3所示，本发明的气浮轴承结构的超导电机系统包括液氮储罐1、加热器2、压缩机3、气浮超导电机4，其中气浮超导电机4包括机壳5、冷却工质出口管道6、电机左端盖7、左轴承盖8、左止推气浮轴承9、右止推气浮轴承10、转轴11、左径向气浮轴承12、间隙调整环13、超导电机绝热及冷却结构14、定子15、冷却工质入口管道16、电机右端盖17、右轴承盖18、右径向气浮轴承19、转子20、轴向定位螺母21、径向气浮轴承配合轴套22。
本发明的液氮储罐1向气浮超导电机4提供液氮对其进行冷却，同时也为气浮超导电机4的气浮轴承模块提供工质，液氮经过加热器2后相变为氮气并被加热到压缩机3的许用温度，经过压缩机3加压后向气浮超导电机4中的左止推气浮轴承9、右止推气浮轴承10、左径向气浮轴承12和右径向气浮轴承19供气。
本发明的加热器2加热功率Q为：
Q＝G[r+cp(Tout-Tsat)]
其中，G为气浮超导电机4中气浮轴承模块所需氮气的质量流量；r为液氮在工作状态下的汽化潜热；cp为氮气在工作状态下的定压比热；Tout为压缩机的许用最低温度，一般情况下Tout应在273K以上；Tsat为液氮在工作状态下的饱和温度，加热器2入口压力接近常压时Tsat约为77K以上。
本发明的电机左端盖7、左轴承盖8、电机右端盖17和右轴承盖18上部开有引气孔，下部开有排气孔；本发明的转轴11为空心结构且在侧壁开有排气孔，径向气浮轴承配合轴套22相对应的位置也开有排气孔。
本发明的左止推气浮轴承9经由电机左端盖7和左轴承盖8上部的引气孔引气，右止推气浮轴承10经由电机左端盖7、左轴承盖8上部的引气孔和左径向气浮轴承12的小引气空腔引气，止推气浮轴承排气通路共有三条，第一条为经由左轴承盖7中心孔排气，第二条为经由转轴11上的排气孔排气，第三条为经由间隙调整环13、电机左端盖7和左轴承盖8下部排气孔形成排气通路排气。
本发明的左径向气浮轴承12从电机左端盖7、左轴承盖8上部引气孔引气，经由电机左端盖7、左轴承盖8下部排气孔和转轴11上排气孔排气。本发明的右径向气浮轴承19从电机右端盖17、右轴承盖18上部引气孔引气，经由电机右端盖17中心孔、电机右端盖17和右轴承盖18下部排气孔及转轴11上排气孔、径向气浮轴承配合轴套22上的排气孔排气。
下面以静压气浮轴承为例，进行气浮轴承结构的超导电机系统工作过程的说明：
气浮超导电机4启动前，液氮储罐1向气浮超导电机4提供液氮对其进行冷却，使得超导材料温度降至临界温度以下；启动时，液氮储罐1为气浮超导电机4的气浮轴承模块提供工质，液氮经过加热器2后相变为氮气并被加热到压缩机3的许用温度，经过压缩机3加压达到气浮超导电机4的气浮轴承模块所需供气压力，向左止推气浮轴承9、右止推气浮轴承10、左径向气浮轴承12和右径向气浮轴承19供气提供承载，上述气浮轴承正常工作后，向气浮超导电机4供电开始运行；气浮超导电机4停机时，先停止向气浮超导电机4供电，待转轴完全停止转动后，液氮储罐1停止向超导定子15提供冷却液氮，液氮储罐1停止为气浮超导电机4的气浮轴承模块提供工质，接着停止压缩机3运行，最后停止加热器2运行，至此系统完全停机。
本发明的一种气浮轴承结构的超导电机系统，将超导电机冷却系统和气浮轴承供气系统结合，使用液氮加热后形成的氮气经加压后向气浮轴承模块供气，利用气浮轴承解决了低温下超导电机的润滑问题，具有运行稳定、可靠性高、低摩擦损耗等优点。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (2)

1.一种气浮轴承结构的超导电机系统，其特征在于，包括液氮储罐(1)、加热器(2)、压缩机(3)、气浮超导电机(4)，所述气浮超导电机(4)中的气浮轴承模块工作介质为氮气，所述气浮超导电机(4)冷却工质为液氮；所述液氮储罐(1)向所述气浮超导电机(4)提供液氮对其进行冷却，同时也为所述气浮超导电机(4)的气浮轴承模块提供工质，液氮经过所述加热器(2)后相变为氮气并被加热到所述压缩机(3)的许用温度，经过所述压缩机(3)加压后向所述气浮超导电机(4)中的气浮轴承模块供气；
所述气浮超导电机(4)包括机壳(5)、冷却工质出口管道(6)、电机左端盖(7)、左轴承盖(8)、左止推气浮轴承(9)、右止推气浮轴承(10)、转轴(11)、左径向气浮轴承(12)、间隙调整环(13)、超导电机绝热及冷却结构(14)、定子(15)、冷却工质入口管道(16)、电机右端盖(17)、右轴承盖(18)、右径向气浮轴承(19)、转子(20)、轴向定位螺母(21)、径向气浮轴承配合轴套(22)；
所述电机左端盖(7)和所述电机右端盖(17)上部开设有引气孔，下部开设有排气孔，所述左轴承盖(8)与所述右轴承盖(18)的相对应的位置上开设有引气孔和排气孔；
所述转轴(11)为空心结构且在侧壁开设有排气孔；
所述左止推气浮轴承(9)经由所述电机左端盖(7)和所述左轴承盖(8)上部的引气孔引气，所述右止推气浮轴承(10)经由电机左端盖(7)和左轴承盖(8)上部的引气孔和左径向气浮轴承(12)的小引气空腔引气，所述左止推气浮轴承(9)和所述右止推气浮轴承(10)经由所述左轴承盖(8)上开设的中心孔、所述转轴(11)上开设的排气孔及所述间隙调整环(13)、所述电机左端盖(7)和所述左轴承盖(8)下部排气孔形成的三条排气通路排气；
所述左径向气浮轴承(12)从所述电机左端盖(7)、所述左轴承盖(8)上部开设的引气孔引气，经由所述电机左端盖(7)、所述左轴承盖(8)下部开设的排气孔和所述转轴(11)上开设的排气孔排气，所述右径向气浮轴承(19)从所述电机右端盖(17)、所述右轴承盖(18)上部开设的引气孔引气，经由所述电机右端盖(17)中心孔、所述电机右端盖(17)和所述右轴承盖(18)下部开设的排气孔及所述转轴(11)上开设的排气孔、所述径向气浮轴承配合轴套(22)上开设的排气孔排气。
2.根据权利要求1所述的一种气浮轴承结构的超导电机系统，其特征在于，所述加热器(2)的加热功率Q的计算公式如下：
Q＝G[r+cp(Tout-Tsat)]
其中，G为所述气浮超导电机(4)气浮轴承模块所需氮气的质量流量，r为液氮在工作状态下的汽化潜热，cp为氮气在工作状态下的定压比热，Tout为所述压缩机(3)的许用最低温度，Tsat为液氮在工作状态下的饱和温度。
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