一种基于高温超导磁力耦合传动的永磁旋转式励磁装置

技术领域

本发明涉及非接触供电技术领域，具体涉及一种基于高温超导磁力耦合传动的永磁旋转式励磁装置。

背景技术

自上个世纪发现超导现象以来，超导磁体在高速交通、电力能源、国防科技、医疗和重大科学项目等领域都有巨大的应用前景，如超导储能、超导磁浮、磁共振成像、超导电机等。随着高温超导材料的出现，由于其更高的转变温度、临界磁场、高场性能及载流能力，以及制备工艺的愈加完善，使得具有更高磁场强度及稳定性的超导磁体成为研究热点。

为了能够产生稳定的强磁场，需要往超导磁体中注入大电流。传统的方法是采用跨接于低温与室温环境间的电流引线来对超导磁体直接供电。但这种方法对供电装置的要求非常高，增加了应用成本。另外，跨接于室温与低温环境之间的电流引线形成了一个大漏热源，研究表明，其漏热量可达0.1W/A，增加了低温系统的制冷成本、并且严重影响了超导磁体的运行稳定性。同时，由于高温超导材料在运行过程中存在磁通流动和蠕动等现象，使得超导磁体存在一定的损耗而无法长时间运行在闭环恒流模式，因此无法直接应用于需要稳定强磁场的场合。

采用高温超导磁体非接触励磁方法，电源不与负载磁体直接相连，避免了大电流直接通过电流引线从室温进入低温环境，降低了电流引线的漏热。非接触励磁方法技术的优点在于，以较小电流在超导磁体中注入较大的电流，简化了复杂的电源系统，降低供电成本。可在超导磁体运行过程中为其进行无接触损耗补偿，维持恒定电流模式。

发明内容

针对现有技术的上述不足，本发明提供了一种降低系统的漏热并减少电源成本的基于高温超导磁力耦合传动的永磁旋转式励磁装置。

为达到上述发明目的，本发明所采用的技术方案为：

提供一种基于高温超导磁力耦合传动的永磁旋转式励磁装置，其包括底板，底板上设置有低温杜瓦，低温杜瓦内设置有转轴，转轴上设置有圆形的转子，转子的圆周上均匀设置有若干转子永磁体；转轴的一端固定在旋转结构内，另一端固定在磁联轴器从动端上，磁联轴器从动端上间隙设置有磁联轴器主动端，磁联轴器主动端与磁联轴器从动端同轴，低温杜瓦的壁穿过磁联轴器主动端和磁联轴器从动端之间的间隙；磁联轴器主动端与中间轴同轴连接，中间轴通过联轴器与旋转电机连接，旋转电机通过电机底座安装在底板上；转子的下方放置有定子超导带材，定子超导带材与负载超导线圈连接。

本发明的有益效果为：本发明基于法拉第电磁感应定律及高温超导材料的强非线性电磁特性，通过电机带动转子和永磁体旋转，形成的旋转磁场在带材两端产生随旋转频率线性变化的直流电压，为与之相连的超导线圈励磁，利用较小等级的磁场在超导磁体中感应出大功率直流电。不仅消除了跨越大温差的电流引线，还避免了复杂的大功率电源设备，大大降低了运行成本。

本发明基于高温超导材料的磁通钉扎效应，利用高温超导磁联轴器实现跨壁式非接触传动，利用高温超导磁浮轴承实现非接触自稳定旋转，将超导磁体运行的低温环境与室温环境彻底隔离。对高温超导磁体进行非接触供电及运行能耗补偿，避免了超导磁体励磁所需大功率电源，阻断了由电流引线、转动轴导致的接触导热，具有运行成本低，稳定性高的优势。高温超导块材与永磁体间的磁通钉扎力，远远高于传统永磁间的磁吸力，并具自稳定性、无需外界主动控制的优势。

附图说明

图1为基于高温超导磁力耦合传动的永磁旋转式励磁装置图一。

图2为基于高温超导磁力耦合传动的永磁旋转式励磁装置图二。

图3为基于高温超导磁力耦合传动的永磁旋转式励磁装置图三。

图4为基于高温超导磁力耦合传动的永磁旋转式励磁装置图四。

图5为磁联轴器主动端上的永磁体排列方式一的示意图。

图6为磁联轴器主动端上的永磁体排列方式二的示意图。

图7为磁悬浮轴承定子的结构图。

图8为轴向超导磁浮轴承定子的结构图。

图9为转子的结构图。

图10为定子超导带材与负载超导线圈连接的结构图。

其中，1、旋转电机，2、联轴器，3、中间轴，4、轴承座，5、轴承，6-1、磁联轴器主动端，6-2、永磁体，7-1、高温超导块材，7-2、磁联轴器从动端，8、转轴，9、转子，9-1、转子永磁体，10、低温杜瓦，11、底板，12、定子超导带材，13、电机底座，14、磁悬浮轴承定子，14-1、轴承超导体，14-2、轴承永磁体，15-1、轴向超导磁浮轴承转子，15-2、轴向超导磁浮轴承超导块材，16-1、轴向超导磁浮轴承定子，16-2、轴向超导磁浮轴承永磁体，17、超低温轴承。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

如图1、图9和图10所示，本方案的基于高温超导磁力耦合传动的永磁旋转式励磁装置包括底板11，底板11上设置有低温杜瓦10，低温杜瓦10内设置有转轴8，转轴8上设置有圆形的转子9，转子9的圆周上均匀设置有若干转子永磁体9-1；转轴8的一端固定在旋转结构内，另一端固定在磁联轴器从动端7-2上，磁联轴器从动端7-2上间隙设置有磁联轴器主动端6-1，磁联轴器主动端6-1与磁联轴器从动端7-2同轴，低温杜瓦10的壁穿过磁联轴器主动端6-1和磁联轴器从动端7-2之间；磁联轴器主动端6-1与中间轴3同轴连接，中间轴3通过联轴器2与旋转电机1连接，旋转电机1通过电机底座13安装在底板11上；转子9的下方放置有定子超导带材12，定子超导带材12与负载超导线圈连接。转子9通过转轴8上设置的轴肩和轴环进行固定。

如图1所示，旋转结构也包括磁联轴器从动端7-2和磁联轴器主动端6-1，转轴8固定在磁联轴器从动端7-2上，磁联轴器从动端7-2上间隙设置有同轴的磁联轴器主动端6-1，低温杜瓦10的壁穿过磁联轴器从动端7-2和磁联轴器主动端6-1之间，磁联轴器主动端6-1与中间轴3连接，中间轴3通过轴承5安装在轴承座4上，轴承座4固定在底板11上。

如图5和图6所示，磁联轴器从动端7-2的端面上均匀设置有若干高温超导块材7-1，磁联轴器主动端6-1的圆周上均匀设置有若干永磁体6-2，永磁体6-2使用耐低温的环氧树脂胶粘在磁联轴器主动端6-1上，若干永磁体6-2之间成S极和N极交替排列，若干永磁体6-2之间还可成Halbach阵列排列。转轴8通过高温超导块材7-1与永磁体6-2之间的钉扎力自稳定悬浮于低温杜瓦10中。

旋转电机1在电源的驱动下，通过联轴器2与中间轴3带动超导磁联轴器主动端6-1旋转，超导磁联轴器主动端6-1通过永磁体6-2与高温超导块材7-1之间的钉扎力作用，带动磁联轴器从动端7-2、与其相连的转轴8及安装在转轴8上的转子9旋转，旋转中的转子永磁体9-1在高温超导带材表面产生旋转磁场，利用超导带材的强非线性导电特性，在其两端产生电动势，从而为与之相连的负载超导磁体励磁。

如图2和图7所示，本方案的旋转结构还可以为：包括磁悬浮轴承定子14，磁悬浮轴承定子14安装在低温杜瓦10的内壁上，转轴8的端部安装在磁悬浮轴承定子14上开设的轴孔内，转轴8端部的圆周上均匀设置有若干轴承永磁体14-2，轴孔内壁的圆周上设置有轴承超导体14-1。

如图3所示，本方案的旋转结构还可以为：包括轴承座4，转轴8的端部通过超低温轴承17固定在轴承座4上，转子9与磁联轴器从动端7-2之间也设置有轴承座4，轴承座4固定在低温杜瓦10内。转轴8需要利用可以工作在液氮环境下的超低温轴承17来进行支撑固定，同时轴承座4需要与低温杜瓦10底面紧密连接。

如图4和图8所示，本方案的旋转结构还可以为：包括同轴的轴向超导磁浮轴承定子16-1和轴向超导磁浮轴承转子15-1，轴向超导磁浮轴承定子16-1的圆周上设置有若干圈同轴的轴向超导磁浮轴承永磁体16-2，若干轴向超导磁浮轴承永磁体16-2之间的磁极交叉排列，轴向超导磁浮轴承转子15-1的圆周上设置有若干圈轴向超导磁浮轴承超导块材15-2；转轴8的端部固定在轴向超导磁浮轴承转子15-1上，轴向超导磁浮轴承定子16-1固定在低温杜瓦10的外壁上。

本发明利用高温超导材料的磁通钉扎效应，高磁联轴器2和高温超导磁浮轴承5的非接触传动特性，通过低温杜瓦10将超导磁体运行的低温环境与室温环境彻底隔离开，降低系统的漏热并减少电源成本。实现高温超导磁体的无接触励磁以及能耗补偿。

本发明利用了高温超导材料的强非线性电磁特性以及法拉第电磁感应定律，通过电机带动转子9旋转，旋转的永磁体6-2在超导带材表面产生旋转磁场，为超导磁体励磁，可以以小电流在超导磁体中感应出大电流，省去了复杂的电源设备，降低了成本。

超导磁联轴器2可以实现跨壁式无接触传动，并将室温环境与低温环境完全分离开，省去了跨越大温差的电流引线，大大降低了系统的漏热，减少了制冷成本。利用高温超导块材7-1与永磁体6-2之间特有的钉扎力，实现了稳定的无接触传动，磁通钉扎力相较于传统永磁体6-2之间的磁力，稳定性更高，不需要外界主动控制。