一种转子超导的混合超导盘式电机

技术领域

本发明涉及电机超导技术领域，尤其涉及一种转子超导的混合超导盘式电机。

背景技术

电机通常包括安装成围绕协同操作的定子旋转或在协同操作的定子内旋转的圆筒形转子。也就是说，电机可以具有安装在外定子内的大致圆筒形的内转子、或围绕内定子安装的圆筒形外转子。在超导电机中，定子和/或转子可以包括安装在励磁线圈支撑结构上的多个超导励磁线圈，从而形成与定子或转子中的另一个的表面大致相邻但间隔开的表面。

在这种转子和定子的构造中存在这样一些必须克服的问题。首先，在操作时必须将超导励磁线圈和励磁线圈支撑结构保持在低温下。相反，优选的是保持安装励磁线圈支撑结构的安装架尽可能地接近环境温度，以便允许转子或定子与在环境温度下运转的其它装置或部件连接。因此，需要改进的转子和定子构造，以便在励磁线圈支撑结构与励磁线圈支撑结构的安装架之间提供非常好的隔热性。

发明内容

本发明提供的一种技术方案是一种转子超导的混合超导盘式电机，其解决：

1、电机转子永磁体产生损耗（热能形式），使得电机运行过程中出现温升，采用超导材料虽然会存在涡流损耗，但由于低电阻特性，会大幅减少电机铜损。

2、转子盘的上磁钢的涡流损耗造成转子温升，若温度过高可能会造成磁钢退磁。

本发明的技术方案是：对于盘式超导电机，转子部分采用YBCO超导，定子部分仍采用传统的铜线线圈。

定子支架，实施为一个盘状的支架体，在其轴向上为一个贯穿的中心孔。支架体的内圈表面上则开设一系列的槽，其中包括：用于嵌装定子铁芯的嵌槽。嵌槽呈U型开口状，多个嵌槽沿着支架体内圈的回转方向均匀排列。

定子铁芯，主要为楔形铁芯体，楔形铁芯体是由硅钢层叠后粘结并焊接而成的。因为是适用在盘式电机中，固楔形铁芯体按照圆盘的分度进行切割设计的。即，楔形铁芯体呈工字型，两端为极靴，而两侧面则切割为斜面。在楔形铁芯体两端的极靴间卷套铜线线圈。

转子超导结构包括转子轴、转子背铁壳体、铜导热部件、HTS高温超导线圈。其中，转子轴为空心轴，转子轴上同轴套设有转子背铁壳体。因此，转子中给超导线圈通入直流电，使其产生一个理想状态下恒定的电磁场，此时使超导绕组降至临界温度以下已达到超导态，通过超导态下的低电阻特性，以恒定的环状电流产生稳态磁场，用以替代永磁体磁钢。而定子中用则用超导线圈替代传统的铜线圈。

转子背铁壳体，包括呈圆盘状的空心壳体，及密封装配于空心壳体后端的端板。端板封装在空心壳体后端，使转子背铁壳体内部形成一个空腔。

转子背铁壳体套装在转子轴上，因此在空心壳体及端板的中心均包括有用于密封装配转子轴的轴孔。转子轴呈阶梯轴状，因此，通过相应的轴径与转子背铁壳体上相应的轴孔进行配合可以实现结构装配。需要注意的是，为了确保空腔的密闭性，在转子轴与相应轴孔装配处加设了密封圈，密封圈可以有效保证空腔的密封效果。

铜导热部件安装于空腔内，铜导热部件包括多个与转子轴向平行的柱状端，柱状端沿转子回转方向排列呈圆环分布。在柱状端根部延伸出连接部将相邻柱状端串联起来，连接部连续串联形成了将所有柱状端串联的环状底部。

空心壳体的前端面上包括有用于配合状端的通孔，通孔对应柱状端呈圆形轨迹分布。铜导热部件通过柱状端插装在通孔中进行装配，而伸出至空心壳体外的柱状端上则卷绕有YBCO超导线圈。YBCO超导线圈通入恒定直流电流，超导低电阻态会使电流一直在跑道式绕组中绕圈，以使其产生一个理想状态下恒定的电磁场，用以替代永磁体磁钢。

在转子背铁壳体内形成的空腔中包括分布式冷却气/液回路，在分布式冷却气/液回路中通入的冷却液气可以选择为：气/液态氮、气/液态氦气或其他低温冷却剂。

本发明的优点是：

1、转子部分采用YBCO超导线圈替代永磁体，可改善转子部分温升，避免由于转子温度过高可能造成的永磁体退磁。且照比传统电机，输出扭矩更大。

2、冷却回路更加简单，通过内置腔体进行超导冷却，其冷却效果更加突出。

3、与传统电机相比，损耗较低，且可以避免温升问题，使得电机的整体性能得到提升；与全超导相比，成本低，且可以适应功率需求比传统电机大但比全超导小的工况。

附图说明

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

图1为混合超导盘式电机的结构爆炸图；

图2为转子超导结构的爆炸图；

图3为双侧转子超导结构的装配图；

图4为双侧转子超导结构的剖面图；

其中，1、空心壳体；2、端板；3、铜柱导热结构；4、铜端子；5、密封圈；6、超导线圈；7、空心轴；8、楔形铁芯体；9、铜线线圈。

具体实施方式

实施例1

转子部分采用YBCO超导，定子部分仍采用传统的铜线线圈。

转子的结构如图显示，其包括套装在空心轴7上的：空心壳体1、端板2，铜柱导热结构3（冷却及固定转子超导线圈）和密封圈5。

首先将铜柱导热结构3（即铜导热部件）放入转子背铁壳体，铜端子4伸出转子背铁壳体，再安装密封圈5及端板2，使得转子背铁壳体内部形成一个空腔用以容纳分布式冷却气/液回路。组成的空腔上、下表面均由奥氏体钢/硬铝/钛合金等结构性强且磁导率低的材料构成，形成的腔体因此具有较高的结构强度。

由于腔体可以保证其密闭性，因此可以采用干粉式制冷机直接对空心轴7的空腔进行冷却，而转子部分通过铜端子传热，分布式冷却气/液回路也可对转子的超导线圈6进行直接地、有效地冷却。

超导线圈6通入恒定直流电流，超导低电阻态会使电流一直在跑道式绕组中绕圈，以使其产生一个理想状态下恒定的电磁场，用以替代永磁体磁钢。

转轴采用空心轴结构，可以通过空心轴7对转子部分进行维护（如通入液氮或给超导线圈通电流）。

转子超导的结构中冷却系统：

分布式冷却气/液回路也可对转子的超导线圈6进行直接地、有效地冷却，由于腔体可以保证其密闭性，因此可以而转子部分通过铜端子传热。

定子的结构则包括定子支架、定子铁芯。

定子支架，实施为一个盘状的支架体，在其轴向上为一个贯穿的中心孔。支架体的内圈表面上则开设一系列的槽，其中包括：用于嵌装定子铁芯的嵌槽。嵌槽呈U型开口状，多个嵌槽沿着支架体内圈的回转方向均匀排列。

定子铁芯，主要为楔形铁芯体8，楔形铁芯体8是由硅钢层叠后粘结并焊接而成的。因为是适用在盘式电机中，固楔形铁芯体按照圆盘的分度进行切割设计的。即，楔形铁芯体8呈工字型，两端为极靴，而两侧面则切割为斜面。在楔形铁芯体两端的极靴间卷套铜线线圈9。

实施例2：

本方案定子部分采用18个定子铁芯与传统铜线绕组，转子部分由于超导材料较脆弱，故而由超导带材卷绕而成的线圈来替代永磁体时，超导线圈的尺寸相较于永磁体磁钢来说会较大，最终本方案转子部分采用的是12极。同时，转子的冷却结构采用了转子背铁壳体空腔以及空心轴的组合。

本发明实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明的。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明的所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。