一种全超导磁齿轮电机及其应用的制作方法

本发明属于超导电磁装置领域，具体涉及一种全超导磁齿轮电机及其应用。

技术背景

由于超导材料的高载流和零电阻特性，超导绕组可以显著提升电机的工作特性。超导电机是应用超导绕组的电机，可以是仅在直流励磁绕组上应用超导线材，也可以是同时在直流励磁绕组和交流电枢绕组上应用超导线材。但超导线材在交变电磁条件下会产生交流损耗，提高了冷却成本，导致超导电机的可行性降低。因此，大部分超导发电机是仅在直流励磁绕组上应用超导线材的半超导电机。随着超导技术的快速发展，出现了能够显著降低交流损耗的细丝化超导线材或带材，在交流和直流条件下同时应用超导材料的全超导电机逐渐受到关注。

授权公告号为CN 202334039 U的实用新型专利中公开了一种半超导电机，如图1所示，该电机拓扑由内到外依次包含转子背铁、低温杜瓦、超导励磁绕组、电磁屏蔽层、普通电枢绕组和定子铁芯。超导励磁绕组固定于低温杜瓦内，与转子背铁形成转子系统，绕电机中心轴转动。电磁屏蔽层固定在转子的杜瓦外壁上，起到屏蔽高频磁场的作用，以防超导绕组产生过多的交流损耗，使制冷功率过大。电枢绕组由铜导线制成，固定在定子槽中。在电机运行过程中，超导励磁绕组通入直流电流，由于其通流能力是铜绕组的150倍，因此在相同体积下，能够提供更强的气隙磁场，功率密度较常规同步电机更高。

但是，上述半超导电机由于低温杜瓦绝热壁穿过气隙，等效气隙更长，限制了电机功率密度的进一步提高。同时半超导电机的电枢绕组采用非超导线材，未充分利用超导材料的优势，而常规电机由于技术成熟与不断优化，其功率密度与运行效率已经可以和半超导电机相比较。其次，由于低温杜瓦的绝热壁穿过气隙，导致气隙长度过大，功率密度仍有较大的提升空间；另外由于要传送冷却介质到随转子旋转的超导励磁绕组中，需要旋转密封的活塞，而旋转密封会导致漏热，使冷却成本更高。

为了充分利用超导材料的优势，可以选择超导化程度更高的全超导电机。在全超导电机中，更易获得较高的磁负荷和电负荷，进一步提高电机的功率密度与效率。但目前全超导电机也存在一些技术难点：首先，定转子独立的低温冷却容器会造成等效气隙的进一步增大，限制功率密度；其次，旋转密封的漏热依然存在，降低了整个电机系统的效率。

技术实现要素：

针对现有电机的不足，本发明提供了一种磁齿轮电机，其通过优化的结构设计，在外转子全超导电机的基础上引入磁齿轮结构，避免杜瓦外壁位于气隙中的情况，减小气隙长度，提高了电机的功率密度；同时也避免了电机的旋转密封漏热，并提高了电机的转矩密度。

为实现上述目的，按照本发明，提供一种磁齿轮电机，其包括由内向外同轴依次套设的定子铁心，内转子铁心、低温杜瓦绝热壁以及外转子铁心，其中，

所述外转子铁心内壁在周向上设置有多个永磁体，所述低温杜瓦绝热壁相对所述永磁体的外周面上沿周向固定设置多个磁调制环；

所述内转子铁心上设置有励磁绕组且可随内转子铁心同步转动，所述定子铁心外周表面上设置有电枢绕组，且所述定子铁心及内转子铁心通过所述低温杜瓦绝热壁封闭；

所述磁调制环可改变周向上的磁导率而实现磁场调制，使永磁体磁场与励磁绕组产生的磁场相互作用，进而实现外转子铁心带动内转子铁心旋转或内转子铁心带动外转子铁心旋转，使得定子铁心内的电枢绕组产生感应电动势或者电枢绕组的能量驱动外转子铁心旋转，实现能量转换。

作为本发明的进一步优选，所述低温杜瓦绝热壁相对所述外转子铁心8和内转子铁心静止设置。

作为本发明的进一步优选，所述电枢绕组和/或励磁绕组采用超导材料。

作为本发明的进一步优选，外转子铁心与内转子铁心的速度比等于励磁绕组极数与永磁体极数的比值。

作为本发明的进一步优选，所述磁调制环用于将永磁体磁场的极对数调整为与励磁绕组产生的磁场极对数相同。

作为本发明的进一步优选，所述永磁体极数大于励磁绕组极数。

作为本发明的进一步优选，所述外转子铁心通过转轴与外部设备连接。

按照本发明的另一方面，提供一种上述磁齿轮电机在风力发电中作为风力发电机的应用。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：

1)本发明中的电机拓扑采用磁齿轮结构，能够无接触传递能量，并避免旋转漏热，而且其中的超导励磁绕组参与构成磁齿轮，利用了超导绕组可产生强磁场的能力，加强了磁齿轮结构的可靠性并提高转矩密度。

2)本发明中的电机励磁绕组和电枢绕组都可采用超导材料，能大大提高电机的功率密度，充分发挥超导线材的优势；

3)本发明中的电机结构中，采用磁齿轮结构，使得电机气隙长度更小，有助于增加功率密度。

附图说明

图1所示为现有技术中的一种半超导电机结构示意图；

图2为本发明实施例的全超导磁齿轮电机拓扑结构；

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-定子铁心，2-电枢绕组，3-励磁绕组，4-低温杜瓦绝热壁，5-低温杜瓦绝热壁，6-磁调制环，7-永磁体，8-外转子铁心。

具体实施方式

为了更加清晰地解释本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明，以下实施例仅是用于解释本发明，并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

图2所示为本发明实施例的一种全超导磁齿轮电机拓扑图。如图2所示，本实施例的一种全超导磁齿轮电机，其优选为径向磁场式环形结构，如图2所示，该电机环形结构由内向外依次包括定子铁心1，电枢绕组2、励磁绕组3、内转子铁心4、低温杜瓦绝热壁5、磁调制环6、永磁体7以及外转子铁心8。

其中，定子铁心外周面设有开口槽，电枢绕组2容置其中，内转子铁心4同轴套设在定子铁心1外周，内转子铁心4上开有开口槽，励磁绕组3设置在该开口槽中，该励磁绕组3与内转子铁心4同步旋转。

如图2所示，内转子铁心4外周同轴套设有低温杜瓦绝热壁5，该低温杜瓦绝热壁5外周表面沿周向间隔设置有多个磁调制环6。在本实施例中，磁调制环6是由若干硅钢片叠压而成的长条形结构，附着于低温杜瓦绝热壁5的外表面上，本实施例中磁调制块数目优选为12块，沿圆周均匀分布，但本发明中磁调制块数目并不限于此，可根据具体需求选择。

如图2所示，磁调制环6外周还套设有与所述低温杜瓦绝热壁5同轴的外转子8，外转子8内壁沿周向间隔固定布置有多个永磁体7，永磁体7可与外转子8同步旋转。

本发明实施例的全超导电机为外转子、内定子结构，包括两个转动部分和两个静止部分，其中转动部分包括最外侧的外转子铁心8和永磁体7组成的部分，以及由内转子铁心4和超导励磁绕组3组成的部分。静止部分包含位于杜瓦外壁5上的铁磁调制环6和位于杜瓦内部的定子铁心1及超导电枢绕组2，即本实施例电机结构中的定子铁心1、电枢绕组2、低温杜瓦绝热壁5以及磁调制环6保持静止。其中，励磁绕组4与电枢绕组2均采用超导材料，该电机结构封闭在静止的单层低温杜瓦内，与外界无物理转轴连接。另外，低温杜瓦的外表面上贴合了一层铁磁调制环6，该调制环6向外是外部气隙以及贴合永磁体7的转子铁心结构，该超导励磁绕组3与调制环6及外部转子8上的永磁体7共同构成了磁齿轮。

电机运行时，由外部动力源通过外转子铁心8向电机传输机械功率，随外转子铁心8运动的永磁体7产生较高极对数的旋转磁场，通过铁磁调制环6作用改变圆周方向上的磁导率，将高极对数磁场调制为低极对数旋转磁场，并与由励磁绕组3产生的相同极对数的磁场产生力的作用，带动内转子铁心4旋转。而由励磁绕组3产生的旋转磁场会在定子电枢绕组2上作用产生感生电动势，完成机械能量到电磁能量的转换。

本发明电机运行过程中，外转子8通常以较低速运行，而内转子4以较高速运行，外转子与内转子的速度比等于励磁绕组极数与永磁体极数的比值。

本发明的上述电机拓扑，可以使需要在低温环境下工作的两组超导绕组放置于同一个低温杜瓦内，避免了杜瓦壁穿过电机气隙，减小了等效气隙。可以通过原动轴通过外转子铁心向全超导电机传输机械功率。随外转子铁心运动的永磁体产生较高极对数的旋转磁场，通过铁磁调制环改变圆周方向上的磁导率，将高极对数磁场调制为低极对数旋转磁场并与内转子上的励磁绕组产生的相同极对数的磁场产生电磁力的作用，带动其旋转。而由该励磁绕组产生的旋转磁场会在定子电枢绕组上作用产生感生电动势，完成机械能量到电磁能量的转换。由于能量通过磁齿轮无物理接触的传递，因此内转子无需通过转轴与外部连接，杜瓦静止的同时不需要转动活塞连接转轴，不存在旋转漏热。

本发明的电机在励磁绕组和电枢绕组上同时使用超导材料，大大提高电负荷密度的同时，不存在铜耗，而且内转子上和定子上的超导绕组放置于同一个低温杜瓦中冷却，气隙中不存在杜瓦外壁，能够显著减小气隙长度，提高磁负荷。

本发明的全超导磁齿轮电机，通过在外转子全超导电机的基础上，引入磁齿轮结构，提高来电机的功率密度，避免了旋转密封漏热以及充分利用超导材料的目的。

海上风力发电可作为本技术最典型的应用场合，但本发明不限于应用在海上风力发电领域。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。