一种大容量高温超导电机

摘要

本发明公开了一种大容量高温超导电机，包括定子、转子以及提供冷媒的低温冷却系统；所述的定子由机座、定子背铁和定子绕组组成；所述的转子包括常温部分和低温部分；所述的常温部分包括转轴、转轴辐板、轭部铁心和磁极铁心；所述的低温部分包括低温支撑骨架和冷媒传输耦合装置，低温支撑骨架安装有超导磁体，冷媒传输耦合装置连接转轴，所述的低温支撑骨架还设置有低温端板，低温端板通过切向支撑杆与转轴辐板连接，通过径向支撑杆连接补偿碟簧，低温支撑骨架内设有冷媒流道，端部开设的冷却孔连接有冷媒分配管；冷媒传输耦合装置设有外部冷媒入口、外部冷媒出口、内部冷媒入口和内部冷媒出口，通过冷媒汇集管分别与冷媒分配管连接。

说明书

技术领域

本发明属于超导电机领域，具体涉及一种大容量高温超导电机，特别适于作大功率、低转速、结构紧凑、功率密度高、运行成本低等要求的大容量海上直驱风力发电机或船舶推进用电动机等领域。

背景技术

超导电机是六十年代以来发展的技术。在电机中采用超导材料可以明显提高电机的气隙磁密，进而减小电机的体积和重量。同时由于超导线材不存在损耗，可以提高系统的效率及其稳定性。

已有技术中有多种超导电机结构，但大多数相关电机的结构为轴向串连结构，或者采用低温整体支撑结构。即磁体及其固定结构（低温部分）与隔热支撑结构以及转轴采用串连形式。该结构中采用常规圆筒形力矩管，该形式隔热支撑装置中，其材料受力为层间剪切，不利于发挥材料的拉压方面的优势，限制功率的提高。同时，支撑与隔热部件需要支撑所有低温部件的重量，同时传递低温部件产生的所有扭矩。

在串连结构中，由于低温部分的缩短，需要在结构上对其进行补偿，通常采用滑动和弹性两种补偿结构形式，对于大型结构，其相应的补偿难度增加。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点，从电机结构形式入手，优化电机结构形式，提供一种能满足实际工作需求的大功率、低转速、结构紧凑、功率密度高的超导电机结构。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种大容量高温超导电机，包括定子、转子以及提供冷媒的低温冷却系统；所述的定子由机座、定子背铁和定子绕组组成；所述的转子包括常温部分以及采用支撑隔热部件在端部进行连接的低温部分；所述的常温部分包括转轴以及连接转轴的转轴辐板，转轴辐板上设置有轭部铁心，轭部铁心通过热套或焊接与转轴辐板连接，轭部铁心上设置有磁极铁心，磁极铁心可以通过紧固等方式与轭部铁心相连，共同组成转子的常温部分；所述的低温部分包括低温支撑骨架和冷媒传输耦合装置，所述的低温支撑骨架安装有超导磁体，超导绕组分模块做成不同的磁体然后固定在低温支撑骨架上，所述的冷媒传输耦合装置分别连接转轴和低温冷却系统，将低温冷却系统产生的冷媒转换旋转状态用来冷却低温支撑骨架，低温支撑骨架冷却超导磁体，所述的低温支撑骨架通过紧固或焊接等方式还设置有低温端板，低温端板通过切向支撑杆与转轴辐板连接，低温端板通过径向支撑杆连接有补偿碟簧，超导磁体、低温支撑骨架通过端部的径向支撑杆保持与磁极铁心、轭部铁心的同轴度，补偿碟簧通过转轴辐板与转轴相连，超导磁体及低温支撑骨架均处于低温状态，可采用浸泡式或传导式冷却，低温支撑骨架内设有传输冷媒的流道，低温支撑骨架端部上沿轴向开设有与冷媒流道连通形成封闭回路的冷却孔，所述的冷却孔上分别连接有冷媒分配管；所述的冷媒传输耦合装置一侧设有外部冷媒入口和外部冷媒出口，用于连接低温冷却系统，另一侧设有内部冷媒入口和内部冷媒出口，所述的内部冷媒入口和内部冷媒出口通过冷媒汇集管与冷媒分配管连接；制冷系统产生的低温冷媒通过外部冷媒入口进入冷媒传输耦合装置中，并转换为旋转状态与内部冷媒入口相连，冷媒之后进入汇集管，通过冷媒分配管进入支撑骨架，并与支撑骨架进行热交换进而冷却低温支撑骨架，温度升高后的冷媒依次通过冷媒分配管、汇集管、内部冷媒出口、以及外部冷媒出口与低温系统相连，在低温系统中对冷媒再一次冷却后再循环。

所述的一种大容量高温超导电机，其定子可以根据电磁方案采用有铁齿的常规定子结构或者气隙电枢；采用液体冷却或空冷。

所述的一种大容量高温超导电机，其定子绕组可采用单层或双层、Robel线圈结构或Litz线结构。

所述的一种大容量高温超导电机，其转子采用超导线绕制的绕组进行励磁；采用冷氦气或者液氖进行传导、浸泡或对流换热冷却。可以采用1G超导线Bi2223或二代超导线YBCO或MgPb₂，其工作温度低于相应材料的超导温度，可在20K与40K之间，以保证有较高的超导载流能力。转子线圈可采用跑道形线圈或马鞍型线圈。可采用有刷或无刷方式进行励磁

所述的一种大容量高温超导电机，所述的常温部分和低温部分采用真空、热屏蔽层或包扎多层镀铝涤纶薄膜、热导率较低的复合材料或金属等方式实现隔热。

所述的一种大容量高温超导电机，其转子外部包覆有屏蔽密封层。

所述的一种大容量高温超导电机，其切向支撑杆两端分别通过常温连接扣件和低温连接扣件连接转轴辐板和低温端板。

所述的一种高温超导电机，处于低温超导线圈及其它低温部件的支撑和隔热，采用撑杆和拉杆共同作用，或者采用撑杆或拉杆单独作用，或者将撑杆和拉杆结合做出一个部件进行支撑和隔热。

本发明的有益效果是：

针对现有技术中采用常规圆筒形力矩管的隔热支撑装置不利于发挥材料的拉压方面优势的问题，本结构中，隔热材料的受力设计为拉伸方向，有助于发挥复合材料的优势，同时该结构形式的不需要传递低温部件的所有扭矩，降低了对支撑隔热部件的要求；

针对现有技术中滑动和弹性两种补偿结构形式补偿难度增加的问题，本结构中，由于结构形式的特殊，进而减小其相应的补偿量，优化了结构。

附图说明

图1为本发明的总装图；

图2为本发明定子的结构示意图；

图3为本发明常温部件的结构示意图；

图4为本发明低温部件的结构：4A为低温支撑骨架的结构图，4B为低温支撑骨架与冷媒传输耦合装置的装配图，图4C为超导磁体的装配图，图4D为冷媒传输耦合装置对超导磁体冷却的示意图；

图5为本发明低温部件的支撑结构：5A为低温部件的径向支撑，5B为低温部件的切向支撑，5C为径向和切向支撑；

图6为补偿碟簧和径向支撑杆组成的冷收缩补偿结构；

图7为本发明转子轴向剖视图；

图8为本发明转子总图：8A为斜视图，8B为轴向视图，8C为前视图。

各附图标记为：100—定子，200—转子，300—低温冷却系统，101—机座，102—定子背铁，103—定子绕组，201—磁极铁心，202—超导磁体，203—屏蔽密封层，204—转轴，205—转轴辐板，206—轭部铁心，211—补偿碟簧，212—径向支撑杆，213—切向支撑杆，214—常温连接扣件，215—低温连接扣件，221—低温端板，222—低温支撑骨架，223—冷却孔，250—冷媒传输耦合装置，251—外部冷媒入口，252—外部冷媒出口，253—内部冷媒入口，254—内部冷媒出口，255—冷媒汇集管，256—冷媒汇集管，257—冷媒分配管，258—冷媒分配管。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

结合附图和实施例对本发明作进一步说明如下：

实施例1

图1所示是本发明风力电机的总装图，它由定子100、转子200、提供冷媒的低温冷却系统300组成。

图2所示是定子100的结构示意图，它由机座101、定子背铁102和定子绕组103组成。根据电磁方案，本电机采用气隙电枢结构，即减少了铁齿的存在，采用非导磁复合材料或不锈钢等支撑。绕组103采用单层绕组，线材采用Litz线。定子100冷却采用水冷结构。

所述的转子200包括常温部分和采用支撑隔热部件连接在常温部分端部的低温部分，该连接部分分为径向支撑杆212和切向支撑杆213，径向支撑杆212保持低温部分与常温部分的同轴度，切向支撑杆213保证将低温部件产生的扭矩传递到常温部件，在工作时，通过两支撑杆传递定子绕组103产生的扭矩。

本电机转子结构较为复杂，主要可以分为常温、低温、低温与常温之间的支撑与隔热、冷却等多个部分。

图3所示为本发明的电机转子常温部分，主要由中空的转轴204、转轴辐板205，轭部铁心206和磁极铁心201等组成。其中，转轴辐板205焊接到转轴204上；轭部铁心206通过热套或焊接与转轴辐板205连接；磁极铁心201可以通过紧固等方式与轭部铁心206相连，共同组成转子的常温部分。

图4所示为本发明的电机转子低温部分。

图4A所示的低温支撑骨架222通过紧固或焊接等方式与低温端板221相连，也可以将将低温支撑骨架222与低温端板221做成一体，但加工较为复杂。该部分材料可以采用铝合金、不锈钢、铜等金属材料等导热较好的材料。低温支撑骨架222上沿轴向开设冷却孔223，该孔为封闭回路，采用冷媒分配管257和冷媒分配管258与该孔连接。

图4B所示的冷媒传输耦合装置250主要功能是将低温冷却系统300中产生的冷媒由静止转换为旋转状态，其主要包括外部冷媒入口251和外部冷媒出口252，以及内部冷媒入口253、内部冷媒出口254，以及环形的冷媒汇集管255和冷媒汇集管256。制冷系统300产生的低温冷媒通过外部冷媒入口251进入冷媒传输耦合装置250中，并转换为旋转状态与内部冷媒入口253相连，冷媒之后进入汇集管256，通过冷媒分配管257进入支撑骨架222，并与支撑骨架222进行热交换进而冷却低温支撑骨架222，温度升高后的冷媒依次通过冷媒分配管258，汇集管255，内部冷媒出口254，以及外部冷媒出口252与低温系统300相连，在低温系统300中对冷媒再一次冷却后再循环。

图4C所示的超导磁体202安装到低温支撑骨架222上，通过传导方式由低温支撑骨架222对超导磁体202进行冷却。

图4D所示为冷媒传输耦合装置对超导磁体冷却的示意图，其主要原理是低温冷却系统300产生的冷媒，通过冷媒传输耦合装置250将冷媒转换旋转状态，冷媒冷却低温支撑骨架222，低温支撑骨架222冷却超导磁体202。

图5所示为低温部件的支撑与隔热系统。通过在两端部放置的低温支撑与隔热部件连接低温与常温部件。其中径向支撑杆212一端连接低温端板221，一端连接补偿碟簧211，补偿碟簧211通过转轴辐板205与转轴204相连。该部件的主要作用是保证低温部件与常温部件的同轴度。其中径向支撑杆212采用的玻璃钢等导热差强度高的材料阻隔低温与常温之间的漏热。切向支撑杆213一端连接低温端部221，另一端连接转轴辐板205，分别通过常温连接扣件214和低温连接扣件215与这两个部件相连。低温部件与常温部件之间的径向切向连接系统详见图5A、5B和5C。

图6所示为补偿碟簧211和径向支撑杆212组成的低温系统的冷收缩补偿结构。当温度降低后，低温部件会沿轴向和径向两个方向收缩，通过补偿碟簧211的变形和扭曲，降低结构部件的热应力。

图7所示为转子200的剖面图。主要由低温部件超导磁体202、低温支撑骨架222通过端部径向支撑杆212保持与常温部件磁极铁心201、轭部铁心206的同轴度。其中低温支撑骨架222上的冷却孔223为冷媒的传输孔。所有直接与常温部件相对的低温部件外均包扎有多层镀铝薄膜，以减少辐射漏热。屏蔽密封层203包围在转子200外部，用于屏蔽定子100侧的高次谐波，同时提供真空环境。

图8所示为转子200整体装配后的示意图（部分隐藏电磁屏蔽层和密封端板）。其中8A为斜视图，8B为轴向视图，8C为前视图。

本发明定子采用交流电机定子，转子采用高温超导线材作为励磁绕组。为方便接线和简化励磁设备的设计，本电机转子磁体均采用串连结构，有一路励磁电源对其提供励磁电流。本发明的高温超导电机，由于具有大扭矩、低漏热、功率密度高等特点，特别适合船舶推进用大容量高温超导电动机和直驱风力发电用大容量高温超导发电机等要求大扭矩的场合中运用。

处于低温超导线圈及其它低温部件的支撑和隔热，采用撑杆和拉杆共同作用，或者采用撑杆或拉杆单独作用，或者将撑杆和拉杆结合做出一个部件进行支撑和隔热。

实施例2

与上述实施例不同的是：本电机定子采用普通交流电机定子，采用铁齿材料。

实施例3

与上述实施例不同的是：本电机定子采用风冷结构，定子采用Robel线圈。

实施例4

与上述实施例不同的是：转子低温部分（超导磁体等）外面不包扎多层镀铝涤纶薄膜，在低温与常温之间采用不锈钢等较为光亮的金属做的防辐射屏。

实施例5

与上述实施例不同的是：超导磁体202采用液体浸泡或气体对流换热方式进行冷却。

实施例6

与上述实施例不同的是：径向支撑杆212和切向支撑杆213的材料采用不锈钢。

实施例7

与上述实施例不同的是：径向支撑杆212和切向支撑杆213的材料采用尼龙绳、玻璃丝带、碳纤维等强度高强度高漏热低的非金属材料。

实施例8

与上述实施例不同的是：将磁极铁心201和轭部铁心206放置到低温与支撑骨架222合并，共同采用端部支撑杆212和213进行支撑。

本发明保护范围不限于上述实施例。