CN114696501A - 一种半超导超高效节能电机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及电机技术领域，公开了一种半超导超高效节能电机，包括电机外壳、转子主体和定子，所述定子包括定子主体和绕设在定子主体上的定子绕组，所述定子绕组包括中部的银铜合金材料和包裹在银铜合金材料外的超导膜，所述超导膜为铌钛复合超导材料制成；本发明提供的一种半超导超高效节能电机，解决了现有电机运行效率低的问题。

Description

一种半超导超高效节能电机
技术领域
本发明涉及电机技术领域，具体涉及一种半超导超高效节能电机。
背景技术
现在的企业常用的电动机分为：交流三相异步电动机、交流三相变频异步电动机、直流同步电动机、永磁同步电动机以及伺服电动机。
1.现在的交流三相异步电动机为感应电动机和交流三相变频异步电动机，其运行原理：当电动机的三相定子绕组(各相差120度电角度)，通入三相对称交流电后,将产生一个旋转磁场，该旋转磁场切割转子绕组,从而在转子绕组中产生感应电流(转子绕组是闭合通路)，载流的转子导体在定子旋转磁场作用下将产生电磁力,从而在电机转轴上形成电磁转矩,驱动电动机旋转,并且电机旋转方向与旋转磁场方向相同。
交流三相异步电动机和交流三相变频异步电动机的缺点是异步(定子的旋转磁场的转速与转子的转速是不同步)电动机，所以转子必须有感应励磁电流才能转动就有转差率的存在，这样此类电动机的效率就不会高，节电率极差。
2.现在的直流电机电机结构复杂，限制了体积和重量的减小，尤其是电刷和换向器的滑动接触造成了机械摩擦和火花，致使直流电机的故障率多、可靠性低、寿命短、保养维护工作量大，而且还要用直流电源，换向火花既造成了换向器的电腐蚀，还是一个无线电干扰源，会对周围的电气设备带来有害的干扰影响。电机的容量越大、转速越高，问题就越严重。所以直流电动机的电刷和换向器限制了直流电动机向高速度、大容量的发展，而且直流电动机效率非常低，节电率极差。
3.永磁同步电动机和伺服电动机要比交流异步电动机、交流变频异步电动机、直流同步电动机性能和运行效率要好，缺点是永磁同步电动机和伺服电机转子的永磁磁钢一旦电动机运行时温度升高、机械震动和供电浪涌电流的冲击就很容易发生不可逆转的失磁，也就是此电动机就马上报废，随着使用时间的推移永磁电动机的转子永磁体的磁场强度会衰减，也就是此电动机的实际输出功率会变小，而且这两种电动机做不了大型的，而且此类电动机特别娇贵，此类电动机转子永磁体用了稀土(稀土已经成为国家战略资源)，这就限制了此类电动机的发展和大面积应用，还有其运行效率也不理想。
发明内容
本发明的目的是提供一种半超导超高效节能电机，用以解决现有技术中存在的至少一个上述问题。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种半超导超高效节能电机，包括电机外壳、转子主体和定子，所述定子包括定子主体和绕设在定子主体上的定子绕组，所述定子绕组包括中部的银铜合金材料和包裹在银铜合金材料外的超导膜，所述超导膜为铌钛复合超导材料制成。所述铌钛复合超导材料包括以下组分：紫铜69％和铌钛合金材料31％。所述铌钛合金材料包括以下组分：金属铌(Nb)占比为50％－55％，所述金属钛(Ti)占比为50％－55％。
由于绕组包括中部的银铜合金材料和包裹在银铜合金材料外的超导膜，所述超导膜为铌钛复合超导材料制成，定子绕组为银铜合金线材或带材外镀13微米厚镀膜形成的高频半超导新材料，此定子绕组电流内阻非常非常小，此电机铜损耗可以忽略不计，电机更节能。
进一步的，还包括电机底座。
进一步的，所述转子主体上周向均匀设有耐高温高导磁通永磁体。
转子上加装不怕震动且可耐2000℃瞬时高温的耐高温高导磁通永磁体，不会随着电机使用时间的推移，转子磁场强度衰减导致的电机输出功率变小，这样不需要给转子提供感应励磁电流，就能产生很强扭矩，所以本电机更节能。
转子采用耐高温高导磁通永磁体，耐高温、耐震动、抗电流冲击，不需要励磁电源给转子提供励磁电流，所以此电机转子没有电流损耗，没有二次磁场损耗，没有磁滞损耗，不需要定子铁芯，因此没有任何损耗，所以更节能。
电机转子为防止长期高负载运行可做热膨胀处理，这样能保证转子跟定子之间的最小间隙，这样大大减小了气隙损耗。
由于转子采用了磁场强度非常强的耐高温高导磁通永磁体，所以定子绕组通过非常小的运行电流，全超导节能电机动力输出轴就会产生非常大的扭矩，所以电机更节能。
进一步的，所述定子主体为纳晶合金材料制成。
定子主体为纳晶合金，此合金类似氧化物内电阻无穷大，所以没有涡流损耗、铁损和磁滞损耗忽略不计，电机更节能。
进一步的，所述转子主体端部的动力输出轴通过轴承与电机外壳转动连接，所述轴承采用陶瓷高精度轴承。
陶瓷高精度轴承能保证定子跟转子及基座不会产生轴电流损耗。
本电机体积小、重量轻仅是普通电机的1/3和1/5，基本杜绝了普通电机的热损、铁损、铜损、风磨损等综合损耗，故温升低、噪音小，效率比同功率电机大得多，效率值一直稳定在96％以上，75KW以上的可达99％以上的效率值，电机无励磁电流无滑差S，无功损耗非常小，功率因素近似为1，电机更节能。
本发明的有益效果为：由于绕组包括中部的银铜合金材料和包裹在银铜合金材料外的超导膜，所述超导膜为铌钛复合超导材料制成，定子绕组为银铜合金线材或带材外镀13微米厚镀膜形成的高频半超导新材料，此定子绕组电流内阻非常非常小，此电机铜损耗可以忽略不计，电机更节能。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的电机负载-效率曲线示意图。
图中：电机外壳1；转子主体2；电机底座3；耐高温高导磁通永磁体4；超导膜5；定子主体6；银铜合金材料7。
具体实施方式
实施例1：
如图1所示，本实施例提供一种半超导超高效节能电机，包括电机外壳1、转子主体2、定子和电机底座3，定子包括定子主体6和绕设在定子主体6上的定子绕组，定子绕组包括中部的银铜合金材料7和包裹在银铜合金材料7外的超导膜5，超导膜5为铌钛复合超导材料制成。铌钛复合超导材料包括以下组分：紫铜69％和铌钛合金材料31％。铌钛合金材料包括以下组分：金属铌(Nb)占比为50％－55％，金属钛(Ti)占比为50％－55％。具体的，本实施例中，金属铌(Nb)占比为53％，金属钛(Ti)占比为47％。当然可以是，金属铌(Nb)占比为52％，金属钛(Ti)占比为48％，或者金属铌(Nb)占比为54％，金属钛(Ti)占比为46％。
由于绕组包括中部的银铜合金材料7和包裹在银铜合金材料7外的超导膜5，超导膜5为铌钛复合超导材料制成，定子绕组为银铜合金线材或带材外镀13微米厚镀膜形成的高频半超导新材料，此定子绕组电流内阻非常非常小，此电机铜损耗可以忽略不计，电机更节能。
在紫铜(Cu)基体之中添加31％的铌和钛[(Nb)占比53％+/－1％，(Ti)占比47％+/－1％]，然后经过31次拉拔才能达到全超导电机的节能数据需求，因为全超导电机可以去掉定子铁芯所以没有和杜绝铁损，铜损是因为用了该材料的超导线这是节能的主导因素。
实施例2：
本实施例是在上述实施例1的基础上进行优化。
转子主体2上周向均匀设有耐高温高导磁通永磁体4。
转子上加装不怕震动且可耐2000℃瞬时高温的耐高温高导磁通永磁体4，不会随着电机使用时间的推移，转子磁场强度衰减导致的电机输出功率变小，这样不需要给转子提供感应励磁电流，就能产生很强扭矩，所以本电机更节能。
转子采用耐高温高导磁通永磁体4，耐高温、耐震动、抗电流冲击，不需要励磁电源给转子提供励磁电流，所以此电机转子没有电流损耗，没有二次磁场损耗，没有磁滞损耗，不需要定子铁芯，因此没有任何损耗，所以更节能。
电机转子为防止长期高负载运行可做热膨胀处理，这样能保证转子跟定子之间的最小间隙，这样大大减小了气隙损耗。
由于转子采用了磁场强度非常强的耐高温高导磁通永磁体4，所以定子绕组通过非常小的运行电流，全超导节能电机动力输出轴就会产生非常大的扭矩，所以电机更节能。
实施例3：
本实施例是在上述实施例2的基础上进行优化。
定子主体6为纳晶合金材料制成。
定子主体6为纳晶合金，此合金类似氧化物内电阻无穷大，所以没有涡流损耗、铁损和磁滞损耗忽略不计，电机更节能。
采用纳晶合金材料制作铁芯，该材料生产工艺是将高温铁水通过窄缝喷射至高速旋转的冷却铜辊表面，通过极冷方式获得非晶态合金材料，再进一步通过适当的热处理工艺后，获得具有软磁性能的纳米晶合金带材，该带材的初始磁导率为11万－13万，磁饱和密度1.3T，是最优质硅钢片的好多倍。
实施例4：
本实施例是在上述实施例3的基础上进行优化。
转子主体2端部的动力输出轴通过轴承与电机外壳1转动连接，轴承采用陶瓷高精度轴承。
陶瓷高精度轴承能保证定子跟转子及基座不会产生轴电流损耗。
本电机体积小、重量轻仅是普通电机的1/3和1/5，基本杜绝了普通电机的热损、铁损、铜损、风磨损等综合损耗，故温升低、噪音小，效率比同功率电机大得多，效率值一直稳定在96％以上，75KW以上的可达99％以上的效率值，电机无励磁电流无滑差S，无功损耗非常小，功率因素近似为1，电机更节能。
现在世界范围内大规模使用的异步电动机效率曲线都是呈抛物线状，高效区很窄且受外部电压、电流、频率、温度、功率因数、负载率大小等影响，高效区一直在波动，异步电动机在以上各项电力指标都在最佳状态其负载率达到80％－90％时效率最高，但是此电动机温度温升也在持续升高，具有引起火灾的安全隐患，所以为安全起见，设计时直接配置功率大一点的异步电动机可避开此电机的高效区，让电机一直运行在低负载率的低效区等因素，所以现在世界范围内大规模使用的异步电动机的耗电量很多。
如图2所示，经验证，本电机的技术效率曲线近似为一条水平直线，电机运行的负载率从1％－150％，此电机的效率曲线变化不明显，几乎就是一条水平线直线。
电机效率高且恒定：在负荷0％～150％变化过程中，效率值都大于0.96，75kW以上电机效率值大于0.99。
电机长期运行温升低、噪音小，比传统电机温度低40℃、噪音至少低30分贝，维护简单可用20年。
同时，本电机具有普适性，可以广泛应用在高耗能的工业企业中，且节能率都在30％－80％，此技术在工业节能领域的推广将彻底改变工业企业节能降耗效果不明显，大气环境污染压力逐年增加，工业电力能源消耗增长过快的问题。
最后应说明的是：以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种半超导超高效节能电机，其特征在于：包括电机外壳、转子主体和定子，所述定子包括定子主体和绕设在定子主体上的定子绕组，所述定子绕组包括中部的银铜合金材料和包裹在银铜合金材料外的超导膜，所述超导膜为铌钛复合超导材料制成。
2.根据权利要求1所述的一种半超导超高效节能电机，其特征在于：还包括电机底座。
3.根据权利要求1所述的一种半超导超高效节能电机，其特征在于：所述转子主体上周向均匀设有耐高温高导磁通永磁体。
4.根据权利要求1所述的一种半超导超高效节能电机，其特征在于：所述定子主体为纳晶合金材料制成。
5.根据权利要求1所述的一种半超导超高效节能电机，其特征在于：所述转子主体端部的动力输出轴通过轴承与电机外壳转动连接，所述轴承采用陶瓷高精度轴承。
6.根据权利要求1所述的一种半超导超高效节能电机，其特征在于：所述铌钛复合超导材料包括以下组分：紫铜69％和铌钛合金材料31％。
7.根据权利要求6所述的一种半超导超高效节能电机，其特征在于：所述铌钛合金材料包括以下组分：金属铌(Nb)占比为50％－55％，所述金属钛(Ti)占比为50％－55％。
8.根据权利要求7所述的一种半超导超高效节能电机，其特征在于：所述金属铌(Nb)占比为53％，所述金属钛(Ti)占比为47％。
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