CN209045272U - 一种三相异步电动机的超导磁体旋转电磁场发生装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种三相异步电动机的超导磁体旋转电磁场发生装置，其主要应用在电磁动力领域，其包括由超导线圈、超导开关、磁导介质、直流电源、超导电流引线、超导线圈失超保护器、超导开关伺服控制器，由上述元器件所组成相位旋转电磁场基础单元(14)，利用所述超导开关伺服控制器(12)编程统一控制三组相位旋转电磁场基础单元(14)，不断循环产生交变的相位旋转电磁场，驱动三相异步电动机中心转子(15)转动。

Description

一种三相异步电动机的超导磁体旋转电磁场发生装置

技术领域

本实用新型涉及电磁动力领域，特别涉及一种三相异步电动机的超导磁体旋转电磁场发生装置。

背景技术

自从荷兰莱顿大学的物理学家昂纳斯(Heike Kamerlingh Onnes)在1911年首次发现物质的超导物理电学性质后，超导体的许多物理电学性质和效应相继被人们发现。随着超导技术和超导材料的蓬勃发展，超导磁体有着广阔的应用前景。由于超导磁体体积小、电流密度高、能耗低、磁场强度高的优点，在工业电力储能、医疗卫生、交通运输等领域越来越多的被应用。例如，在超导电力储能、超导核磁共振成像、超导磁悬浮列车等系统中，超导磁体就被应用来产生一个强大的均匀电磁场。

超导磁体作为一种超导领域的公知技术，它通常由一个或多个用超导线缆制成的超导线圈所组成，在通常情况下，超导磁体在转变低温Tc下具有超导电特性，即阻抗接近为零，无焦耳发热。在使用中，超导线圈在一次直接充电或者励磁充电后，超导电流可以在闭环状态的超导电路中基本上无损耗地流动，而实现超导线圈闭环运行的主要构成要件的就是超导开关。

超导开关也是一种公知技术，且应用甚广，超导开关按触发的方式可以分为机械式、温控式、磁控式、流控式和光控式等。这种由超导线圈和超导开关组成的装置就是超导磁体，也称为超导储能装置。

超导电流引线也是一种公知技术，同时它也是超导磁体系统中的重要元器件，其作用是在超导状态下连接超导装置中每一个元器件，是保证整个电路中超导电流持续流动的元器件。

为了保证超导磁体中的超导线圈在失超的时候，不被其承载的巨大电流所烧毁，超导线圈两端还连接了超导体失超保护器，该技术也是一项公知技术，其作用是在超导线圈失超时，能释放超导线圈中的超导电流。

可编程逻辑控制器PLC(Programmable Logic Controller)也是一种公知技术，其主要功能是在工业环境下，控制各种类型的机械设备运行，其控制通道可随意增减，该技术在此用于编程控制超导开关的断开与闭合连通状态。

将超导磁体优异的物理电性能和电效应运用在传统常规的电磁设备中，并充分地发挥出超导磁体最大的应用潜能，是人们一直以来努力追求的梦想。由此可见，如何控制在闭环运行状态下，超导磁体能在一次性充电后，不依赖外界的能量补给，其就可以不断循环产生超导电流和交变电磁场，将是实现这一梦想的最有效途径。

为了方便理解超导线圈并联状态的电流和电磁场分布状况，我们引用了以下学术论文文献引证，低温学术期刊论文《低温与超导》2017年06月第45卷第6期第23-28页论文《多超导线圈并联下的电流分布研究》。

实用新型内容

根据本实用新型理念，在传统超导储能电磁线圈的基础上，多加装了一组在其同一磁路上的，可以产生与原级超导储能电磁线圈性能相同，且磁场极向相反的次级超导储能电磁线圈，以及一个可操控超导电流和磁场循环再生的超导开关伺服控制器；把只能一次性储存和释放直流电能的超导储能电磁线圈，变成拥有超导电流和磁场循环再生能力的电磁动力单元装置。

由于本实用新型是根据超导闭环持续电流效应基础设计工作的，只要能保证本实用新型装置所有的超导体元器件维持稳定在超导工作状态下，则只需一次性向原级超导线圈中输入直流电能后，就可以通过所述的超导开关伺服控制器，控制超导开关不断转换其断路和通路的动作状态，来获取上下两级超导线圈中的超导电流和电磁场不断循环再生的能量，从而可以在产生的相位旋转电磁场；以超导开关伺服控制器编程控制三组相位旋转电磁场基础单元，不断循环产生交变的相位旋转电磁场，就可以驱动三相异步电动机中心转子转动。

本实用新型采用的技术方案如下：

本实用新型从电路形式上提供了一种三相异步电动机的超导磁体旋转电磁场发生装置，包括所述第一超导线圈1、第二超导线圈2、第一超导开关3、第二超导开关4、第三超导开关5、第四超导开关6、磁导介质7、直流电源8、超导电流引线9、第一超导线圈失超保护器10、第二超导线圈失超保护器11和超导开关伺服控制器12；

所述超导线圈组包括一个产生S-N正极向电磁场的第一超导线圈1和一个产生N-S反极向电磁场的第二超导线圈2，所述第一超导线圈1和第二超导线圈2是等效电性指标的超导电磁线圈，且它们所产生的电磁场共同作用在同一磁路上；所述超导开关组包括第一超导开关3、第二超导开关4、第三超导开关5、第四超导开关6，它们的作用是连通和断开超导电流，其工作方式分为：机械式、磁控式、温控式、流控式和光控式；所述磁导介质7安装在每个超导线圈磁路中央作为导磁的介质，其作用是将电磁场引导耦合作用于同一磁路的其他电感元器件以及增加其电感元器件的磁导率；所述直流电源8是为第一超导线圈1提供启动充电电流的直流电源；所述超导电流引线9是超导体电流引导导线，其作用是保证整个电路的超导状态连接；所述第一超导线圈失超保护器10和第二超导线圈失超保护器11是保护超导线圈在失超状态的时候不被烧毁的装置；所述超导开关伺服控制器12是根据编制好的控制程序，顺序控制超导开关的连通闭合与断开状态的装置。

所述第一超导线圈1的A端接线头通过超导电流引线9与第二超导开关4的A端接线头、直流电源8负极的A端接线头相连接，第一超导线圈1的B端接线头通过超导电流引线9与第一超导开关3的B端接线头、第三超导开关5的B端接线头、第二超导线圈2的B端接线头相连接；所述第二超导线圈2的A端接线头通过超导电流引线9与第四超导开关6的A端的接线头相连接；所述第三超导开关5的接线头通过超导电流引线9与第二超导开关4的接线头、第四超导开关6的接线头组成三通连接；所述第一超导开关3的接线头通过超导电流引线9与直流电源8正极端的接线头相连接；所述磁导介质7安装在每个超导线圈磁路的中央；所述超导电流引线9连接在每个所述超导元器件之间；所述第一超导线圈失超保护器10 的两个接线端分别通过超导电流引线9与第一超导线圈1的A、B两端接线头并联连接，第二超导线圈失超保护器11的两个接线端分别通过超导电流引线9与第二超导线圈2的A、B两端接线头并联连接；所述超导开关伺服控制器12通过逻辑编程触发电信号控制第一超导开关 3、第二超导开关4、第三超导开关5、第四超导开关6的闭合连通与断开的动作。

所述一种三相异步电动机的超导磁体旋转电磁场发生装置运行的操控步骤包括，

步骤一：所述本发明装置中第一超导线圈1、第二超导线圈2、第一超导开关3、第二超导开关4、第三超导开关5、第四超导开关6、超导电流引线9均进入超导状态，且第一超导开关3、第二超导开关4、第三超导开关5、第四超导开关6处于断开的初始状态；

步骤二：所述直流电源8通过第一超导开关3闭合动作给第一超导线圈1充电；

步骤三：所述第二超导开关4、第三超导开关5同时执行闭合动作，第一超导线圈1进入预备闭环状态；

步骤四：所述第一超导开关3、第四超导开关6同时执行断开动作，第一超导线圈1完成闭环状态，该发明装置的磁路上产生S-N极向的正向电磁场；

步骤五：所述第四超导开关6执行闭合动作，两个超导线圈进入并联闭环状态；

步骤六：所述第三超导开关5执行断开动作，第一超导线圈1和第二超导线圈2形成串联闭环电路，第一超导线圈1和第二超导线圈2中同时有超导电流流动，该发明装置的磁路上产生S-N极向的正向电磁场和产生N-S极向的反向电磁场，因第一超导线圈1和第二超导线圈2所共同产生的电磁场强度相等，且两个电磁场相互作用的极向相反，并作用在同一磁路上，根据电磁自感与互感效应，第一超导线圈1和第二超导线圈2所产生的两个电磁场磁力相互抵消形成零磁通效应；

步骤七：所述第三超导开关5执行闭合动作，两个超导线圈进入并联闭环状态；

步骤八：所述第二超导开关4执行断开动作，第一超导线圈1失去超导电流闭环状态后，超导电流停止流动，第二超导线圈2则形成单独超导电流闭环流动状态，该发明装置的磁路上产生N-S极向的反向电磁场；

步骤九：所述第二超导开关4执行闭合动作，两个超导线圈进入并联闭环状态；

步骤十：所述第三超导开关5执行断开动作，第一超导线圈1和第二超导线圈2形成串联闭环电路，第一超导线圈1和第二超导线圈2同时有超导电流流动，该发明装置的磁路上产生S-N极向的正向电磁场和产生N-S极向的反向电磁场，因第一超导线圈1和第二超导线圈2所共同产生的电磁场强度相等，且两个电磁场相互作用的极向相反，并作用在同一磁路上，根据电磁自感与互感效应，第一超导线圈1和第二超导线圈2产生的两个电磁场磁力相互抵消形成零磁通效应；

步骤十一：所述第三超导开关5执行闭合动作，两个超导线圈进入并联闭环状态；

到此返回所述步骤四，之后无限循环顺序执行步骤四→步骤五→步骤六→步骤七→步骤八→步骤九→步骤十→步骤十一。反复循环执行上述步骤，即可实现本实用新型的实用新型目的。

综上所述，相较于现有技术，本实用新型的有益效果是：

本实用新型利用进入超导状态的超导线圈、超导开关、超导连线所构成的超导电磁储能装置，通过超导开关伺服控制器的控制，在完成一次性充电后，可以实现脱离外部电源的补给，循环再生出超导电流和电磁场的能力，从而摆脱了传统超导电磁储能装置只能一次性充放电的不足，使超导磁体中的直流电经过控制后，在所述相位旋转电磁场基础单元产生可控变频的三相旋转电磁场驱动三相异步电动机中心转子旋转。这样的三相异步超导电动机的能量转换效率比传统三相异步电动机要高出许多。

附图说明

为了更加清楚地理解本实用新型的具体实施方式，下面将描述本实用新型具体实施方式时用到的附图做一简要说明。显而易见地，这些附图仅是本实用新型的部分实施例，本领域技术人员在未付出创造性劳动的前提下还可以获得这些附图的变型方案，其中：

图1为本实用新型一种三相异步电动机的超导磁体旋转电磁场发生装置一实施例的电路原理图；

图2为本实用新型的一种三相异步电动机的超导磁体旋转电磁场发生装置又一实施例的三相异步超导电动机原理简图；

具体实施方式

为了更加清楚地理解本实用新型的目的、技术方案和技术效果，下面结合附图对本实用新型的具体实施方式进行详细描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的结构或具有相同或类似功能的结构。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本实用新型，而不能解释为对本实用新型的限制。

此外，本实用新型可以在不同具体实施方式中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。

本实用新型相关说明：

所述实用新型装置中第一超导线圈1、第二超导线圈2、第一超导开关3、第二超导开关 4、第三超导开关5、第四超导开关6、超导电流引线9所处的工作环境温度不得高于其制成物质的临界转变温度Tc；

所述实用新型装置中第一超导线圈1、第二超导线圈2、第一超导开关3、第二超导开关 4、第三超导开关5、第四超导开关6、超导电流引线9的电流承载量由其制成物质的物理电流密度Jc参数决定；

所述实用新型装置中第一超导线圈1、第二超导线圈2、第一超导开关3、第二超导开关 4、第三超导开关5、第四超导开关6、超导电流引线9能承受磁场强度的上限能力由其制成物质的物理上临界场Hc和不可逆场Hirr的参数决定；

所述实用新型装置中第一超导线圈1、第二超导线圈2产生的电磁场与磁控式超导开关控制电磁场隔离；

所述实用新型装置中第一超导线圈1、第二超导线圈2产生的电磁场极向由电流流动方向决定；

所述实用新型装置中第一超导线圈1、第二超导线圈2产生的电磁场极向还由线圈绕制的绕制方向决定；

所述一个产生S-N极向的正向电磁场第一超导线圈1和一个产生N-S极向的反向电磁场第二超导线圈2，其电磁极性正、反方向根据“电磁右手定律”判定，本实用新型装置只要求其两个超导线圈相互异向磁极作用即可；

所述超导开关伺服控制器12是可编程逻辑控制器PLC，其控制通道数量由本实用新型装置的需求增减，其控制反应速度由实际电气输出需求值设定，本实用新型装置不作限定；

因为温超、过压和过流等因素都会对超导线圈造成不可逆的损坏，所述超导线圈失超保护器通过CPLD或者FPGA芯片实现，所述超导线圈失超保护器包括过流过压模块、误动作模块、误跳变模块、或门电路、保护电路；

所述磁导介质7在实际运行当中会产生大量的涡流热能，其应拥有不影响本发明装置第一超导线圈1、第二超导线圈2、第一超导开关3、第二超导开关4、第三超导开关5、第四超导开关6、超导电流引线9运行的散热性能。

实施例一：如图1所示，一种三相异步电动机的超导磁体旋转电磁场发生装置，其包括所述第一超导线圈1、第二超导线圈2、第一超导开关3、第二超导开关4、第三超导开关5、第四超导开关6、磁导介质7、直流电源8、超导电流引线9、第一超导线圈失超保护器10、第二超导线圈失超保护器11和超导开关伺服控制器12；

所述第一超导线圈1和第二超导线圈2是等效电性且绕制方向相反的超导电磁线圈；所述第一超导线圈1的A端接线头通过超导电流引线9与第二超导开关4的A端接线头、直流电源8负极的A端接线头相连接，第一超导线圈1的B端接线头通过超导电流引线9与第一超导开关3的B端接线头、第三超导开关5的B端接线头、第二超导线圈2的B端接线头相连接；所述第二超导线圈2的A端接线头通过超导电流引线9与第四超导开关6的A端的接线头相连接；所述第三超导开关5的接线头通过超导电流引线9与第二超导开关4的接线头、第四超导开关6的接线头组成三通连接；所述第一超导开关3的接线头通过超导电流引线9 与直流电源8正极端的接线头相连接；所述磁导介质7安装在每个超导线圈磁路的中央；所述超导电流引线9连接在每个所述超导元器件之间；所述第一超导线圈失超保护器10的两个接线端分别通过超导电流引线9与第一超导线圈1的A、B两端接线头并联连接，第二超导线圈失超保护器11的两个接线端分别通过超导电流引线9与第二超导线圈2的A、B两端接线头并联连接；所述超导开关伺服控制器12通过逻辑编程触发电信号控制第一超导开关3、第二超导开关4、第三超导开关5、第四超导开关6的闭合连通与断开的动作。

所述三相异步电动机的超导磁体旋转电磁场发生装置操控过程包括，

所述第一超导开关3、第二超导开关4、第三超导开关5、第四超导开关6的组合，以磁控方式为超导开关伺服控制器12设置了七种状态值，其中以数字“0”和“1”表示四个超导开关的逻辑状态；“0”表示所控制的超导开关断开，其控制端输出为高电平电信号；“1”表示所控制的超导开关闭合，其控制端输出为低电平电信号；在这里用“0000”顺序代表第一超导开关3、第二超导开关4、第三超导开关5、第四超导开关6顺序的初始复位状态，

步骤一：“0000”代表初始复位状态；

步骤二：“1000”代表复位状态到第一超导线圈1的充电状态；

步骤三：“1110”代表第一超导线圈1的充电状态与储能状态之间的暂态；

步骤四：“0110”代表第一超导线圈1单独的储能状态；

步骤五：“0111”代表第一超导线圈1与第二超导线圈2的并联储能状态；

步骤六：“0101”代表第一超导线圈1与第二超导线圈2的串联储能状态；

步骤七：“0111”代表第一超导线圈1与第二超导线圈2的并联储能状态；

步骤八：“0011”代表第二超导线圈2单独的储能状态；

步骤九：“0111”代表第一超导线圈1与第二超导线圈2的并联储能状态；

步骤十：“0101”代表第一超导线圈1与第二超导线圈2的串联储能状态；

步骤十一：“0111”代表第一超导线圈1与第二超导线圈2的并联储能状态；

到此返回所述步骤四，之后无限循环顺序执行步骤四→步骤五→步骤六→步骤七→步骤八→步骤九→步骤十→步骤十一。为了匹配交变电磁场的波形输出，其中步骤一、步骤二、步骤三、步骤五、步骤六、步骤七、步骤九、步骤十、步骤十一的程序执行时间单位为一个时间单位，步骤四和步骤八的程序执行时间单位为三个时间单位，这个数值也可以根据实际应用进行调整，本发明并不对此进行限定。由此步骤工作运行即可产生不断循环交变的电磁场，从而实现本实用新型实施例一的目的。

实施例二：需要说明，实施例二所述的三相异步超导电动机与实施例一所述的三相异步电动机的超导磁体旋转电磁场发生装置有诸多相似之处，为了简要起见，本实用新型实施例仅对其不同之处进行详细描述，其相似之处请参见实施例一的相关描述。

如图2所示，所述的三相异步超导电动机包括：三组与实施例一相同的所述三相异步电动机的超导磁体旋转电磁场发生装置；不同的是由一个超导开关伺服控制器12控制三组没有所述超导开关伺服控制器12的三相异步电动机的超导磁体旋转电磁场发生装置，来作为每个旋转电磁场相位的超导电磁场交变基础单元14；集中由一个超导开关伺服控制器12控制其每个基础单元产生相位旋转电磁场驱动三相异步电动机中心转子15转动，其控制步骤与前面实施例一所述的控制步骤相同。其结构原理，由三组所述三相异步电动机的超导电磁场交变基础单元14，安装在以所述三相异步电动机中心转子15为轴心的三相电磁场相位线圈的位置，以所述超导开关伺服控制器12集中控制第一超导开关3、第二超导开关4、第三超导开关5、第四超导开关6的动作，产生可控变频的三相旋转电磁场驱动三相异步电动机中心转子15旋转，即可实现本实用新型实施例二的目的。

以上为本实用新型的优选实施例。应当指出，对于本领域技术人员来说，在不脱离本实用新型构思方案的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (3)

1.一种三相异步电动机的超导磁体旋转电磁场发生装置，其特征在于包括第一超导线圈(1)、第二超导线圈(2)、第一超导开关(3)、第二超导开关(4)、第三超导开关(5)、第四超导开关(6)、磁导介质(7)、直流电源(8)、超导电流引线(9)、第一超导线圈失超保护器(10)、第二超导线圈失超保护器(11)以及超导开关伺服控制器(12)；

所述第一超导线圈(1)和第二超导线圈(2)是等效电性且电磁极性互为相反的超导电磁线圈；所述第一超导线圈(1)的A端接线头通过超导电流引线(9)与第二超导开关(4)的A端接线头、直流电源(8)负极的A端接线头相连接，第一超导线圈(1)的B端接线头通过超导电流引线(9)与第一超导开关(3)的B端接线头、第三超导开关(5)的B端接线头、第二超导线圈(2)的B端接线头相连接；所述第二超导线圈(2)的A端接线头通过超导电流引线(9)与第四超导开关(6)的A端的接线头相连接；所述第三超导开关(5)的接线头通过超导电流引线(9)与第二超导开关(4)的接线头、第四超导开关(6)的接线头组成三通连接；所述第一超导开关(3)的接线头通过超导电流引线(9)与直流电源(8)正极的接线头相连接；所述磁导介质(7)安装在第一超导线圈(1)、第二超导线圈(2)的磁路中央；所述第一超导线圈失超保护器(10)的两个接线端分别通过超导电流引线(9)与第一超导线圈(1)的A、B两端接线头并联连接，第二超导线圈失超保护器(11)的两个接线端分别通过超导电流引线(9)与第二超导线圈(2)的A、B两端接线头并联连接；所述超导开关伺服控制器(12)通过逻辑编程触发电信号控制第一超导开关(3)、第二超导开关(4)、第三超导开关(5)、第四超导开关(6)的闭合连通与断开的动作。

2.根据权利要求1所述的一种三相异步电动机的超导磁体旋转电磁场发生装置，其特征在于包括三相异步电动机的超导磁体旋转电磁场发生装置组成的相位旋转电磁场基础单元(14)和三相异步电动机中心转子(15)；所述超导开关伺服控制器(12)控制三组没有所述超导开关伺服控制器(12)的相位旋转电磁场基础单元(14)，使其产生相位旋转电磁场，驱动三相异步电动机中心转子(15)旋转。

3.根据权利要求1所述的一种三相异步电动机的超导磁体旋转电磁场发生装置，其特征在于所述第一超导线圈(1)、第二超导线圈(2)产生的电磁场极向由电流流动方向决定；所述第一超导线圈(1)、第二超导线圈(2)产生的电磁场极向还由其线圈绕制的绕制方向决定。