一种定子超导结构

技术领域

本发明涉及电机及超导技术等技术领域，尤其涉及一种定子超导结构。

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定子超导结构，其解决了：

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。

本发明的技术方案是：对于定子超导电机，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，而转子部分也可采用超导线圈。

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。同时，在支架体上还布置了一系列的贯穿孔作为散热道。

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，转子则会不断产生转动。

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，电机内部的定子或转子一般是需要进行灌封的，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灌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、导热性更好的BMC导热材料以替代树脂灌封工艺。

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，空心腔体由热塑性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。

2、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。内部采用分布式冷却需保证腔体内部温度≤80K，优选的范围为30-50K。

3、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。

本发明的优点是：

1、由于采用YBCO超导线圈，与传统定子相比，减去铜线焦耳热部分的损耗，即，效率更高。而且，定子可通电流大，使得可以得到更大的扭矩。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。

2、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。

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为定子超导结构的正视图；

图2为定子铁心的排列示意图；

图3为定子壳体的正视图。

图4为定子固定组件的立体图；

图5为采用定子超导结构的盘式电机爆炸图；

图6为定子壳体上的水路布置截面图；

其中，1、楔形铁芯体；2、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。

具体实施方式

实施例1

如图5所示，本方案采用18个超导线圈代替定子部分传统铜线圈，40块磁钢分别位于两个转子盘上，即18槽20极的结构。对盘式电机来说，极数会直接影响电机输出扭矩，目前来看18槽20极为较优方案。

定子铁芯的结构与传统铁芯也有所不同，由于超导带材的性质导致超导线圈2需要先绕制好再安装到楔形铁芯体1上，同时楔形铁芯体1上预先套设高温超导带材保护套3，因此定子铁芯的结构采用榫卯结构方式安装到定子固定组件5上。

定子壳体的构成及原理：

1、将套好超导线圈2的楔形铁芯体1的极靴部分，通过定子固定组件5上的T字槽7插入，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、将结构件楔子6插入定子壳体4与定子固定组件5所构成的楔槽中，以保证定子外壳体相对于铁芯的同轴度；

4、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。

实施例2：

冷却系统：定子超导中，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→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和散热道。空心腔体由热塑性BMC材料或环氧树脂保证气密性，构成的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。内部采用分布式冷却需保证腔体内部温度≤80K，优选的范围为30-50K。

3、如图6，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。

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。