一种超导盘式电机

技术领域

本发明涉及盘式电机及超导技术领域，尤其涉及一种超导盘式电机。

背景技术

盘式电机，即轴向磁通电机，其内部主要磁路方向为电机轴向。盘式电机相比与传统的径向磁通的筒式电机而言，具有体积小，重量轻，扭矩密度大以及功率密度大等优点。

现有的轴向磁通盘式电机的结构主要有单定子单转子、双定子单转子、双转子单定子以及多级电机等结构，其中定子部分由定子铁芯加铜线绕组构成，转子部分由转子支架、转子背铁以及永磁体磁钢构成。

传统的双转子单定子结构的电机可参见 CN107408875A/CN109478808A。其中CN109478808A中的电机为YASA型无轭轴向磁通电机，该专利主要为一种新型的定子铁芯的结构与生产工艺。虽然该方案在YASA型电机基础上优化了机械稳定性和/或良好或改进的冷却能力，但其绕组仍采用的是铜线，故而虽然改良了散热，但是随着通入交流电，仍会以热能的形势产生铜线损耗，使得定子部分温度升高。且转子部分由于交流电感生出的涡旋电流，也会产生损耗，使得转子部分温度升高。

专利CN101262169A虽然名称含有“轴向磁通”、与“高温超导电机”字样，但本质上是一种步进电机的拓扑结构优化。

专利 CN101599690B虽然标题中也含有“轴向磁通电机”“高温超导电机”等字样，但是其内容重点仅涉及轴向与切向的磁路优化，与YASA型轴向磁通电机的磁路形式具有本质上的区别。同时，对于超导材料的描述及使用工艺并没有进行深入的创造性设计。

专利CN107769501B为YASA型盘式电机，但其方案主要涉及内容为转子部分的磁路优化，通过在轴向额外设置永磁体达到增强电机磁链强度的目的。

综上，在盘式电机中，采用铜线绕组时铜线中电流损耗会降低电机效率，并且发热使得定子温度升高；另外，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。

发明内容

本发明提供的一种技术方案是一种超导盘式电机，其解决：

1、定子铜线产生的损耗（热能形式）将大幅度降低电机的运行效率，同时使得电机运行过程中出现温升，电机铜损增加；

2、采用可以产生更强磁场的超导材料，可以进一步增强电机的气隙磁场；

3、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；

4、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，定子部分的设计采用定子铁芯、高温超导带材（例如YBCO）线圈以及高温超导带材保护套，而转子部分也采用超导线圈。

保护套材料的可以选择表面硬度较软，导热系数较高的、绝缘性较好的结构性材料

定子超导结构具体包括：

定子壳体，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、用于嵌装楔子的楔槽。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。在相邻的嵌槽之间布置T字型的楔槽，楔槽与嵌槽的排列保持同一回转中心。

在支架体的中心孔中以同轴的方式装配定子固定组件，定子固定组件为具有端口外沿的圆筒体。在两侧端口的外沿上也布置有T字型的楔槽，支架体上的T字型楔槽与定子壳体上的T字型楔槽相对应，则方便工字型的楔子进行装配（方便利用工字型楔子将固定组件与定子壳体进行连接，并进一步地确定定子铁芯的安装位置用以保证定子铁芯的同心度）。

同时，在定子固定组件两侧端口的外沿内一侧，布置有沿径向内凹的T字槽，一个嵌槽对应一个T字槽，T字槽可以用于与楔形铁芯体的一端装配。即，楔形铁芯体可以安装至嵌槽内且通过其端部插入该T字槽从而装配到定子壳体和定子固定组件之间。

楔子，为截面呈工字型的连接件，楔子的一端卡入支架体上的T字型楔槽内，其另一端则卡入定子固定组件上的T字型楔槽内，从而可以沿定子径向拉紧定子壳体与定子固定组件。

定子铁芯，主要为楔形铁芯体，楔形铁芯体是由取向型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超导带材，具体的，楔形铁芯体两端的极靴间先套装有一层高温超导带材保护套，在高温超导带材保护套的表面卷套超导带材，例如卷套钇钡铜氧（YBCO）超导带材。由于YBCO带材中超导晶体层及薄且脆，很容易断裂以影响整体电阻特性，因此在卷绕的时候需要保持曲率大于一定的数值，一般是先绕好超导线圈，然后安装到定子铁芯上。

将定子铁芯嵌入至嵌槽中，多个定子铁芯呈回转分布形成圆盘状排列。圆盘状排列的定子铁芯与定子壳体、定子固定组件均形成同轴关系布置，而卷绕超导线圈的定子铁芯所形成的磁场，其磁场方向与上述的轴向方向平行。

当定子壳体轴端侧布置转子后，定子上超导线圈所形成的气隙磁场与转子磁场产生相互作用，驱使转子产生转动。

基于上述结构，本方案中还进一步的解决了该结构中的冷却及散热问题。

定子壳体、定子固定组件、定子铁芯、楔子、转子等均是集成于电机外壳中的，因此在外壳内需要布置一系列的冷却回路。我们知道，电机内部的定子一般是需要进行灌封，通常利用树脂灌封来达到绝缘以及固定的效果。同样，本结构中需要对外壳内的定子超导结构进行灌封。本方案中定子超导结构的灌封采用通用的环氧树脂等材料，或者可以采用注塑成型或热固性、导热性更好的BMC导热材料以替代树脂灌封工艺。

定子壳体上包括在其轴向上贯穿的结构孔，结构孔可以形成冷却腔。在定子壳体的轴侧端面上布置外附水道连通相邻的结构孔，每相邻两个结构物孔通过一个外附水道连通以形成定子内的冷却水路。外附水道可以实施为开设于板料上的流道，流道连通相邻的两个结构孔。

本方案的特点在于，通过楔子、机壳以及定子铁芯的极靴部分的端面相互定位，完成灌封。灌封时，定子超导结构中预留一部分空心腔体，空心腔体由热固性BMC材料或环氧树脂保证气密性。

对定子超导结构采用的冷却方法包括：

1、在机壳中预留出的大口径空隙为冷却液通路，与机壳上下部分共同构成冷却液的循环分布式冷却回路，或有内外套组合形式构成冷却回路。冷却液气的选择可以为：气态氮气→液态氮气→气态氦气的方式。

对空心腔体可由干粉式制冷机或上步中描述的循环分布式冷却方式进行冷却。由于腔体上下表面结构强度较低，因此需保证腔体内部的合理压强。内部采用分步式冷却需保证定转子超导绕组温度≤80K，优选的范围为30-50K。

转子超导结构具体包括：

转子轴为空心轴，转子轴穿过定子，转子轴上同轴套设有转子背铁壳体，则在定子的两侧均布置转子背铁壳体。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、由于采用超导线圈，减去铜线焦耳热部分的损耗，即，效率更高。而且，电机可通电流大，使得可以得到更大的扭矩。

2、同时，新的定子超导结构及灌封方式便于超导线圈的安装，冷却回路及空腔的组合使得冷却效果更加理想。

3、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。因为在样机生产中，永磁体涡流与磁场密度B的大小呈指数关系，因此在电机运行时，较大的激励磁场会造成永磁体局部涡流较大，使得永磁体表面产生较强的局部涡流，这种温度不平衡特性将造成永磁体的局部永久性退磁；同样地、在转子极数较大或转速较快导致的工作频率较高时，会产生较大的转子涡流损耗导致永磁体的永久性退磁。在本发明设计中，由于超导定子可以通入极大的电流以产生极强的磁场，如果使用常规高牌号钕铁硼永磁体的话，可能存在退磁隐患。因此本专利使用环绕恒电流的超导线圈以替代传统永磁体，不但可以产生更强的磁场，且消除永久退磁的风险。

4、同时，新的转子超导结构冷却回路更加简单，通过内置腔体进行超导冷却，其冷却效果更加突出。

5、综上，该超导电机与传统电机相比，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。

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为超导盘式电机的定子与转子装配图；

图2为超导盘式电机的定子与转子装配爆炸图；

图3为超导结构定子（无固定组件）的装配图；

图4为定子铁芯的结构图；

图5为定子壳体的正视图；

图6为定子固定组件的结构图；

图7为转子超导结构的爆炸图；

图8为双侧转子超导结构的装配图；

图9为双侧转子超导结构的剖面图；

图10为定子壳体上的水路布置截面图；

其中，1、楔形铁芯体；2、定子超导线圈；3、高温超导带材保护套；4、定子壳体；5、定子固定组件；6、楔子；7、T字槽；8、空心壳体；9、端板；10、铜柱导热结构；11、铜端子；12、密封圈；13、空心轴；14、转子超导线圈。

具体实施方式

实施例1

本方案采用18槽12极的结构，即定子部分采用18个超导线圈替代传统铜线圈，转子部分采用12个超导线圈替代永磁体磁钢。

具体的，定子部分包括：定子壳体、定子固定组件、楔子、定子铁心。

定子铁芯及超导线圈：

由于超导材料的性质，我们需要先将定子超导线圈2绕制好，然后将高温超导带材保护套3套于铁芯下半部分，将超导线圈套于高温超导带材保护套外，最后将上半部分利用榫卯配合/间隙配合的方式嵌入或拼接。

定子壳体的装配及原理：

1、将套好定子超导线圈2的楔形铁芯体1的极靴部分，插入定子固定组件5上的T字槽7内，通过定子壳体4的定位设计可以保证定子铁芯的同心度；

2、将拼差好的定子铁芯及上下内定位板放入定子机壳中；

3、将楔子6插入定子组件与定子固定组件所构成的空隙中，以保证定子外壳体相对于铁芯的同轴度；

4、通过楔子6、机壳以及定子铁芯的极靴部分的端面相互定位，完成灌封，灌封可以采用通用的环氧树脂等材料，或者可以采用注塑成型或热固性好的BMC导热材料以替代灌封工艺。

定子超导的结构中冷却系统：定子可以采用分布式冷却结构：

1、在定子机壳中预留出的大口径空隙为冷却液通路，与机壳上下部分共同构成冷却液回路，或有内外套组合形式构成冷却回路。冷却液气的选择可以为：气态氮气→液态氮→气态氦气的方式。

2、可以以定子极靴端面构成的气隙平面对定子进行局部灌封或者采用BMC材料进行绝缘塑封，并在定子中预留一部分空心腔体。空心腔体由热塑性BMC材料或环氧树脂保证气密性，内部采用分步式冷却需保证腔体内部温度≤80K，优选的范围为30-50K。

3、如图10，在定子壳体上包括在其轴向上贯穿的结构孔，结构孔可以形成冷却腔。在定子壳体的轴侧端面上布置外附水道连通相邻的结构孔，每相邻两个结构物孔通过一个外附水道连通以形成定子内的冷却水路。

具体的，转子部分包括套装在空心轴13上的：空心壳体8、端板9，铜柱导热结构10（冷却及固定转子超导线圈）和密封圈12。

首先将铜柱导热结构10（即铜导热部件）放入转子背铁壳体，铜端子11伸出转子背铁壳体，再安装密封圈12及端板9，使得转子背铁壳体内部形成一个空腔用以容纳分步式冷却气/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。

转子超导线圈14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（如通入液氮或给转子超导线圈通电流）。

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。

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。