一种无换向器的高温超导直流电机结构的制作方法
【专利摘要】本发明的目的在于提供一种无换向器的高温超导直流电机结构，包括电机机壳、鼠笼结构、永磁体、转子铁芯、转轴、液氮储备箱；鼠笼结构包括鼠笼条导体，鼠笼条导体与鼠笼条导体之间排列成圆柱形结构，两端分别安装第一集电端环和第二集电端环，鼠笼条导体、第一集电端环和第二集电端环均为中空结构，每个鼠笼条导体均与第一集电端环和第二集电端环相通，第一集电端环上设置液氮流出端，第二集电端环上设置液氮流入端；转轴通过轴承与电机机壳相配合，转子铁芯安装在转轴上，永磁体安装在转子铁芯外，鼠笼结构固定在电机机壳里，且圆柱形结构位于永磁体外部，液氮储备箱固定在电机机壳外。本发明可解决涡流损耗和磁滞损耗，提高电机效率。
【专利说明】一种无换向器的高温超导直流电机结构
【技术领域】
[0001]本发明涉及的是一种电机，具体地说是直流电机。
【背景技术】
[0002]目前，无论交流发电机或直流发电机，电枢部分通过电磁感应产生电流几乎均为交流电，现有的直流发电机由于电机内部产生交变的感应电流，因此均采用换向器和电刷装置设计，以保证输出端电流为单一方向，即输出直流电。当电机转动时，由于电刷摩擦，容易产生热量。直流发电机的换向器也会随着电机转速的提高，电流的增大，而产生电火花。这些不利因素对于大容量直流发电机的设计和制造产生了限制。此外，虽然近些年随着电力电子技术的发展，新型无刷直流电机通过引入电力电子设备代替传统换向器设备，但是依然存在故障率高，价格昂贵等缺陷。换向器设备大大降低了直流电机的可靠性，实际生产生活中直流电机故障大多发生在换向器和电刷故障，这也是近年来直流电机逐步被交流电机所取代的原因之一。此外，无论是直流电机，还是永磁直流电机都存在较大的磁滞损耗和涡流损耗。
[0003]随着新型高温超导材料的发现，高温超导材料可以在液氮温区实现超导化，这使得近年来超导电机技术得到了飞速发展。大多数超导电机具有安装在转子上的超导磁场线圈作为电励磁部分，低温液体通常通过转子一端的传递连接器从固定低温冷却器供应到超导磁场线圈。传递连接器引导低温液体从固定部分到转子旋转部分。之后低温液体通过超导磁场线圈的冷却回路传送，然后回到传递连接器，以返回固定低温冷却器。但是，常规超导电机的冷却系统结构复杂，损耗较大。而且，由于超导电机内部电枢部分为交流电，存在交流损耗这一问题，目前世界范围内相关研究只能一定程度上降低交流损耗，尚无完全解决交流损耗的方法，这使得定子超导化与全超导电机的研究以及投入实际生产的可行性大大降低，这些都极大的限制了其应用。
[0004]对于专利申请号为200610146492.0，名称为用于动力应用的超导单极感应交流发电机，提供了一种发电机便携动力系统设计方案。该专利利用超导线圈产生磁场，通过转子上导磁极片使转子旋转时产生旋转磁场切割定子绕组从而发电。该专利相对于传统电机结构较为复杂，且没有明确关键技术中超导线圈如何供电并维持超导临界温度的【具体实施方式】和结构。此外，该专利设计电磁耦合方式较为繁琐，实施方式中指出第一极片与第二极片分别带有不同极性，电枢部分产生交流电，对于大型直流电机的应用场合受到限制。对于专利申请号为02138969.1，名称为无换向器直流发电两用电机，提供了一种无换向器两用电机，主要由“单极”转子和定子组成，利用导线相对转动切割“单极”转子的磁力线产生感应电流的原理进行设计，用于物理教学实验等。该专利没有给出具体电机设计实施方案，且没有考虑大型发电机或电动机在特定应用环境下电机结构上的特殊设计，对于工业、电力等领域实用价值不大。对于专利申请号为201310177220.7，名称为一种无换向装置的直流电机，其中冷却系统采用浸入式冷却，冷却系统利用率不是很高，对电机整体效率有一定影响。
[0005]另外，对于现有的交流电机或直流电机，无论是电动机还是发电机，由于在机电转换过程中，电枢部分中的电流均是交变的，这使得涡流损耗无法避免，而且由于电磁感应产生的交变磁场，电机中铁心的磁滞损耗通常也是无法避免的。特别是，对于电枢部分采用超导材料时，交流损耗较大，并且复杂的冷却系统降低了电机整体可靠性，并增加了设计成本，这些都成为了限制全超导电机设计和制造的关键性问题。
【发明内容】
[0006]本发明的目的在于提供具备冷却系统回路和电机结构的一种无换向器的高温超导直流电机结构。
[0007]本发明的目的是这样实现的:
[0008]本发明一种无换向器的高温超导直流电机结构，其特征是:包括电机机壳、鼠笼结构、永磁体、转子铁芯、转轴、液氮储备箱；鼠笼结构包括鼠笼条导体，鼠笼条导体与鼠笼条导体之间平行布置并排列成圆柱形结构，圆柱形结构的两端分别安装第一集电端环和第二集电端环，鼠笼条导体、第一集电端环和第二集电端环均为中空结构，每个鼠笼条导体均与第一集电端环和第二集电端环相通，第一集电端环上设置液氮流出端，第二集电端环上设置液氮流入端；转轴穿过电机机壳并通过轴承与电机机壳相配合，转子铁芯安装在转轴上，永磁体安装在转子铁芯外，鼠笼结构固定在电机机壳里，且圆柱形结构位于永磁体外部，液氮储备箱固定在电机机壳外，液氮储备箱与电机机壳相连的壁面上设置液氮泵流出端和液氮泵流入端，液氮流出端与液氮泵流入端相通，液氮流入端与液氮泵流出端相通，液氮储备箱侧面设置液氮输出阀和液氮输入阀，第一集电端环和第二集电端环分别引出电流流入端和电流流出端，电机机壳外安装接线端子，电流流入端和电流流出端连接接线端子。
[0009]本发明还可以包括:
[0010]1、液氮储备箱上设置氮气排气管。
[0011]本发明的优势在于:本发明定子电枢绕组采用超导带材和鼠笼式结构，转子侧可以考虑使用常规永磁体(如钕铁硼)，该结构能够最大限度利用超导材料特性，并节约材料，提高电机效率。冷却回路在定子侧不需要考虑旋转密封等问题，简化了冷却系统设计的负担，提高了冷却系统的可靠性，进而提高了电机整体可靠性。
【专利附图】
【附图说明】
[0012]图1为永磁体充磁后磁力线方向示意图；
[0013]图2为永磁体与电枢部分位置关系以及磁力线分布图；
[0014]图3为本发明的电机整体磁路示意图；
[0015]图4a为鼠笼条导体以及集电端环内液氮通路示意图a，图4b为鼠笼条导体以及集电端环内液氮通路示意图b ;
[0016]图5为本发明的结构示意图。
【具体实施方式】
[0017]下面结合附图举例对本发明做更详细地描述:
[0018]结合图1?5，永磁体采用径向充磁，充磁后永磁体磁力线方向均沿径向发出，磁力线回路如图1。永磁体与使用超导带材制成的电枢部分位置关系以及磁力线分布如图2所示。从图2可以看出，每根鼠笼条导体I都被径向发出的磁力线穿过，当永磁体3旋转时，鼠笼条导体I相当于被同一极性的勻强磁场做切割运动，鼠笼条导体I中将产生单一方向的感应电流，即产生直流电，再经过两端的集电端环2聚集，通过导线连接电机外接线端子，从而产生连续稳定的直流电。这一过程中，由于电枢部分采用高温超导带材，其材料特性即通入交流电时具有交流损耗，通入直流时具有零电阻特性，即零损耗。电机整体磁路规划如图3所示。磁力线由永磁体3的N极发出，沿径向经过气隙通过定子铁心穿过鼠笼条导体I,经过电机机壳6到转轴5再经过转子铁心回到永磁体3的S极。由图3可以明确看出，鼠笼条导体I被磁力线垂直穿过，当永磁体3随轴转动时，鼠笼条导体I将被匀强磁场做匀速切割，导体I内将产生直流电，经过集电端环2的两端引出。鼠笼条导体I以及集电端环2内液氮通路如图4所示。鼠笼条导体I以及集电端环2加工为空心导体，电机容量较小时可考虑焊接、机械固定或密封粘结，当电机容量较大时可考虑在鼠笼条导体I与集电端环2连接处加装密封圈或法兰盘。电机机壳6与转轴5连接处有支撑作用的轴承7，液氮流出端201与液氮流入端202分别与液氮储备箱9相连，连接处具有安装法兰盘保证密封性，液氮储备箱9内与液氮流出端201和液氮流入端202相连处分别有液氮泵801和802，具体连接如图4和图5。集电端环2两端分别引出电流流入端601和电流流出端602与电机机壳6外接线端子603相连，具体如图5所示。液氮储备箱9中分别安装液氮流出泵901和液氮流入泵902，考虑到液氮冷却后会产生一部分氮气将气化，因此需在液氮储备箱9中安装排气管903。
[0019]参见图1对永磁体3进行径向充磁，得到图中磁力线所示的永磁体。参见如图4，对鼠笼条导体I加工为中空结构，与集电端环2进行连接，电机容量较小时可以选用机械连接、焊接、粘结等方式。集电端环2中有液氮通路203，鼠笼条导体I中有101液氮通路，液氮流通方向如图4中所示。集电端环2两端分别有液氮流出端201与液氮流入端202。参见图5，液氮流出端201与液氮流入端202分别与液氮储备箱9相连，且连接处用法兰盘8相连接，确保密封性。液氮储备箱9内与液氮流出端201与液氮流入端202连接处分别安装液氮泵流出端801和液氮泵流入端802。液氮储备箱9 一侧分别安装液氮输入阀902和液氮输出阀901，上部连接排气管903。集电端环2两端分别与电流流入端601、电流流出端602相连通过电机机壳6外接线端子603向电机外输电。转轴5与转子铁心4相连,转子铁心4与永磁体3紧密相嵌构成转子。电机机壳6与转轴5之间有轴承7连接，保证转轴5稳定。鼠笼条导体I与集电端环2与通过定子铁心与电机机壳6固定。
[0020]电机运行时，鼠笼条导体I与集电端环2作为定子电枢固定不动，永磁体3随着转子铁心4与转轴5旋转产生径向运动的旋转磁场，鼠笼条导体I被同一极性勻强磁场垂直切割，产生感应直流电，经过集电端环2聚集再由电流流入端601、电流流出端602引出，通过电机机壳6外的接线端子603引出，向电机外输出直流电。同时，通过液氮输入阀902向液氮储备箱9注满液氮，通过液氮泵流出端801向液氮流入端202输入液氮，经过集电端环2和鼠笼条导体I中的液氮通路回到液氮流出端201，由液氮泵流入端802回到9液氮储备箱完成冷却系统回路。由于该过程中具有热交换，因此一部分液氮将气化，气化的液氮经氮气排气管903排出。
[0021 ] 电机的励磁部分采用永磁体，通过径向充磁，获得空心圆柱状磁体,磁力线方向沿磁体径向。这样可获得空心圆柱永磁体侧面为单一磁极的磁体,充磁后空心圆柱状磁体磁力线分布如图1所示。本发明所设计的电机结构利用电磁感应原理，即导体在垂直磁场中相对运动产生感应电流。通过结构上的设计使导体在单向、恒定、均匀磁场中做相对运动，切割磁力线，从而获得单一方向直流电。
[0022]转子侧采用径向充磁的空心圆柱永磁体，与轴同步旋转构成旋转磁场，定子侧采用鼠笼式结构，这样定子侧每根笼条导体均与垂直磁场做相对运动，同步同向切割磁力线，产生方向相同的感应电流，通过鼠笼式条状导体两端集电端环引出，向电机外输送直流电。定子侧鼠笼式和集电端环均采用高温超导带材，并且加工为空心结构，作为液氮回路的一部分，笼条导体两端与集电端环焊接或粘结，大型电机的鼠笼条和集电端环部分可考虑在连接处加装法兰等密封部件。
【权利要求】
1.一种无换向器的高温超导直流电机结构，其特征是:包括电机机壳、鼠笼结构、永磁体、转子铁芯、转轴、液氮储备箱；鼠笼结构包括鼠笼条导体，鼠笼条导体与鼠笼条导体之间平行布置并排列成圆柱形结构，圆柱形结构的两端分别安装第一集电端环和第二集电端环，鼠笼条导体、第一集电端环和第二集电端环均为中空结构，每个鼠笼条导体均与第一集电端环和第二集电端环相通，第一集电端环上设置液氮流出端，第二集电端环上设置液氮流入端；转轴穿过电机机壳并通过轴承与电机机壳相配合，转子铁芯安装在转轴上，永磁体安装在转子铁芯外，鼠笼结构固定在电机机壳里，且圆柱形结构位于永磁体外部，液氮储备箱固定在电机机壳外，液氮储备箱与电机机壳相连的壁面上设置液氮泵流出端和液氮泵流入端，液氮流出端与液氮泵流入端相通，液氮流入端与液氮泵流出端相通，液氮储备箱侧面设置液氮输出阀和液氮输入阀，第一集电端环和第二集电端环分别引出电流流入端和电流流出端，电机机壳外安装接线端子，电流流入端和电流流出端连接接线端子。
2.根据权利要求1所述的一种无换向器的高温超导直流电机结构，其特征是:液氮储备箱上设置氮气排气管。
【文档编号】H02K55/00GK104052243SQ201410293358
【公开日】2014年9月17日 申请日期:2014年6月25日 优先权日:2014年6月25日
【发明者】程鹏, 王庚, 田思庆, 兰海, 黄曼磊, 张敬南, 宋首男, 李洪坤, 侯艳雪, 陶丽楠 申请人:哈尔滨工程大学