超导石墨烯复合绕组电机的制作方法

本发明属于超导电机以及超导发电机领域，具体地涉及一种超导石墨烯复合绕组电机以及超导石墨烯复合绕组发电机。

背景技术：

超导电机是利用超导技术及超导材料制备的一种高性能电机。由于采用超导绕组线圈替代常规铜绕组线圈，显著提高了绕组线圈的载流能力，能够产生很大磁场而又几乎无焦耳热损耗。超导电机与常规电机相比较，超导电机具有显著的优点，如：体积小、重量轻、效率高、同步电抗小、噪音低、出力范围大、电机输出不含谐波、维护较简单等，使其在电力推进和风力发电等领域有广阔的应用前景。超导电机的设计一般基于超导绕组性能和冷却系统来进行的。超导电机冷却问题的实质为特殊运行状态下超导绕组线圈的冷却途径及方法，因此冷却系统和超导绕组材料的组成是超导电机最基本的部分，并直接关系到超导电机运行的效率和安全可靠性，显然是超导电机的关键部分。当前超导电机的发展也面临系列技术问题，如：超导绕组的绕制受限于超导材料的性能，超导绕组的性能受限于冷却系统及方法。多年来，人们一直关注超导绕组在给定的冷却方式和绕组所处磁场环境等条件下的稳定性，即给定的冷却方式能否满足超导绕组线圈能够正常工作时的温度要求。稳定性是限制超导电机发展的一个关键问题，超导电机的稳定性威胁主要是指超导绕组线圈在运行过程中突然退出超导态，使系统正常运行中断；在严重情况下，还可能破坏甚至烧毁系统。使超导绕组线圈退出超导态的原因有很多，包括：机械扰动、热扰动、漏热、核辐射、磁通跳跃、交流损耗等，这样会产生失超现象；因此，如何将超导绕组线圈和其它磁性材料在电机工作时产生损耗形成的热量迅速带走，保持绕组线圈处于超导工作状态，并保证超导电机持续正常工作运行，这些都是超导电机发展面临需要解决的技术问题。

技术实现要素：

针对当前超导电机存在的系列问题，本发明提供一种超导石墨烯复合绕组电机，以达到优化提升超导电机工作稳定性的目的。

本发明的一种超导石墨烯复合绕组电机的实现具体技术方案包括：

一种超导石墨烯复合绕组电机，所述超导石墨烯复合绕组电机是石墨烯复合励磁超导绕组半超导电机；所述石墨烯复合励磁超导绕组半超导电机包括：石墨烯复合励磁超导绕组转子、常规定子、冷却系统、轴承、力矩管；所述石墨烯复合励磁超导绕组转子包括：石墨烯复合励磁超导绕组线圈、导冷转子、绝热屏蔽屏；所述冷却系统包括：冷媒传输耦合器、转子冷却组件、工质；所述石墨烯复合励磁超导绕组线圈包括：石墨烯导冷层、励磁超导绕组线圈、绝缘层、导冷转子绕组骨架、导冷盘、导冷筒；所述石墨烯复合励磁超导绕组线圈的外侧面为绝缘层，绝缘层外侧面为石墨烯导冷层，它们构成石墨烯复合励磁超导绕组线圈的“三明治”形态结构；所述石墨烯复合励磁超导绕组线圈层呈有序叠置并固定在导冷转子绕组骨架的凹槽中；所述石墨烯复合励磁超导绕组中的多层石墨烯导冷层构成纵横相连接的网络状结构形态；所述石墨烯复合励磁超导绕组中的网络状石墨烯导冷层与导冷转子绕组骨架的凹槽表面紧密相连接；所述石墨烯复合励磁超导绕组线圈的外侧面有导冷盘或导冷筒，并与转子冷却组件紧密相连接，它们共同构成网络状石墨烯复合励磁超导绕组的快速导冷协同结构体。

上述方案中，一种超导石墨烯复合绕组电机，所述超导石墨烯复合绕组电机是石墨烯复合电枢超导绕组半超导电机；所述石墨烯复合电枢超导绕组半超导电机包括：石墨烯复合电枢超导绕组定子、常规转子、冷却系统、轴承、力矩管；所述冷却系统包括：冷媒传输耦合器、定子冷却组件、工质；所述石墨烯复合电枢超导绕组定子包括：石墨烯复合电枢超导绕组线圈、导冷定子、绝热屏蔽屏；所述石墨烯复合电枢超导绕组线圈包括：石墨烯导冷层、电枢超导绕组线圈层、导冷定子凹槽；所述电枢超导绕组线圈层外侧面为绝缘层，绝缘层外侧面为石墨烯导冷层，它们构成石墨烯复合电枢超导绕组线圈的“三明治”形态结构；所述石墨烯复合电枢超导绕组线圈层呈有序叠置并固定在导冷定子的凹槽中；所述石墨烯复合电枢超导绕组中的多层石墨烯导冷层构成纵横相连接的网络状结构形态；所述复合电枢超导绕组中的网络状石墨烯导冷层与导冷定子凹槽表面紧密相连接，并与定子冷却组件紧密相连接，它们共同构成网络状石墨烯复合电枢超导绕组的快速导冷协同结构体。

上述方案中，所述超导石墨烯复合绕组电机是石墨烯复合超导绕组全超导电机；所述石墨烯复合超导绕组全超导电机包括：石墨烯复合励磁超导绕组线圈转子、石墨烯复合电枢超导绕组线圈定子、冷却系统、轴承、力矩管；所述冷却系统包括：冷媒传输耦合器、转子冷却组件、定子冷却组件、工质。

上述方案中，所述冷媒传输耦合器与转子冷却组件相连接；所述转子冷却组件包括：分布式旋转热管、旋转蒸发冷却管道、制冷机两级直接传导冷头；所述分布式旋转热管装配在石墨烯复合励磁超导绕组旁，并与网络状石墨烯导冷层相连接；所述旋转蒸发冷却管道装配在导冷转子中；所述制冷机两级直接传导冷头的一级冷头与导冷转子相连接，二级冷头装配在石墨烯复合励磁超导绕组旁，并与网络状石墨烯导冷层相连接；所述分布式旋转热管是半圆形旋转热管、圆形旋转热管、椭圆形旋转热管或矩形旋转热管。

上述方案中，所述石墨烯复合励磁超导绕组转子的绝热屏蔽屏包括：外真空筒、真空空间、内真空筒、屏蔽层；所述常规定子包括：定子铁芯、常规电枢绕组；所述力矩管包括采用：高强度低漏热的玻璃钢复合材料；所述冷媒传输耦合器是把气态或者液态的制冷工质输入和输出转子冷却组件。

上述方案中，所述石墨烯复合电枢超导绕组线圈包括两种类型线圈，分别为石墨烯复合电枢单相超导绕组线圈和石墨烯复合电枢三相超导绕组线圈。

上述方案中，所述冷媒传输耦合器与定子冷却组件相连接；所述定子冷却组件包括：制冷机两级直接传导冷头、低温液态物质浸泡、低温气体物质强迫冷却、管道冷却；所述制冷机两级直接冷头中的一级直接传导冷头与导冷定子相连接，其二级直接传导冷头与网络状石墨烯复合电枢超导绕组相连接；所述工质包括：低温液态物质、低温气态物质；所述低温液态物质包括：液氦、液氮；所述低温气态物质包括：氦气、氢气；所述管道冷却的管道装配在网络状石墨烯复合电枢超导绕组侧旁，并紧密相连接；所述管道冷却的管道形态结构是半圆形管、圆形管、椭圆形管或矩形管。

上述方案中，所述石墨烯复合电枢超导绕组线圈定子的绝热屏蔽屏包括：外真空筒、真空空间、内真空筒、屏蔽层。

上述方案中，所述超导石墨烯复合绕组电机是石墨烯复合励磁超导绕组发电机、石墨烯复合电枢超导绕组发电机和石墨烯复合超导绕组全超导型发电机；所述超导石墨烯复合绕组发电机的石墨烯复合励磁超导绕组线圈或石墨烯复合电枢超导绕组线圈均与冷却组件紧密相连接，它们分别构成网络状石墨烯复合超导绕组的快速导冷协同结构体；所述超导石墨烯复合绕组发电机包括：超导石墨烯复合绕组风力发电机、超导石墨烯复合绕组水力发电机、超导石墨烯复合绕组蒸气发电机、超导石墨烯复合绕组振动力发电机、超导石墨烯复合绕组机械力发电机。

上述方案中，，所述石墨烯层包括：石墨烯薄膜层、石墨烯涂层、超导石墨烯层、石墨烯复合材料层；所述超导石墨烯层具有超导特性，包括：离子插层石墨烯复合材料层。

上述方案中，所述石墨烯复合励磁超导绕组、石墨烯复合电枢超导绕组和石墨烯复合全超导绕组采用的超导体材料包括：单面超导石墨烯复合薄膜线/带材、双面超导石墨烯复合薄膜线/带材、超导线/带材；所述超导线/带材包括yba2cu3o7-x(ybco或y-123)涂层导体带材、mgb2超导线/带材、bi2sr2ca2cu3ox或(bi，pb)2sr2ca2cu3ox(bi2223)超导带材、bi2sr2cacu2ox(bi2212)超导带材、gdba2cu3o7-x(gbco)超导带材、ybco或gbco涂敷超导带材、nbti超导材料、nb3sn超导材料。

本发明的超导石墨烯复合绕组电机与现有技术相比具有以下有益效果：

a、本发明超导石墨烯复合绕组电机采用的石墨烯复合超导绕组线圈外侧面为绝缘层，绝缘层外侧面为石墨烯导冷层，它们构成石墨烯复合超导绕组线圈的“三明治”形态结构；石墨烯复合超导绕组线圈层呈有序叠置并固定在导冷骨架的凹槽中；石墨烯复合超导绕组中的多层石墨烯导冷层构成纵横相连接的网络状结构形态；石墨烯复合超导绕组中的网格状石墨烯导冷层与导冷骨架的凹槽表面紧密相连接；石墨烯复合超导绕组线圈的外侧面有导冷盘或导冷筒，并与转子冷却组件紧密相连接，它们共同构成网络状石墨烯复合超导绕组的快速导冷协同结构体。传统超导电机的超导体由于存在的机械扰动、热扰动、漏热、核辐射、磁通跳跃、交流损耗等时，可能会产生失超现象；但是本发明的超导石墨烯复合绕组电机，由于构成了有效的网络状石墨烯复合超导绕组的快速导冷协同结构体，因此能够将超导绕组线圈和其它磁性材料在电机工作时产生损耗形成的热量迅速带走，保持绕组线圈处于超导工作状态，并保证超导电机持续正常安全运行。

b、本发明超导石墨烯复合绕组电机的超导绕组线圈，由于采用多层石墨烯层构成了石墨烯复合超导绕组线圈的“三明治”形态结构，也构成了纵横相连接的网络状结构形态，因此可以优化提高超导绕组线圈的机械强度、柔韧性、侧弯性和可加工性，提高了超导绕组线圈的易组装性、工作稳定性和安全性。

附图说明

图1是石墨烯复合超导绕组全超导电机的结构剖面示意图；

图2是石墨烯复合励磁超导绕组半超导电机(旋转热管冷却)的1/4结构剖面示意图；

图3是石墨烯复合励磁超导绕组半超导电机(直接传导冷却)的1/4结构剖面示意图；

图4是石墨烯复合电枢超导绕组半超导电机(管道冷却)的1/4结构剖面示意图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。

实施例1.

本发明石墨烯复合励磁超导绕组半超导电机(旋转热管冷却)结构剖面示意图如图2所示，石墨烯复合励磁超导绕组半超导电机结构特征为：包括：石墨烯复合励磁超导绕组转子1、常规定子、冷却系统、轴承3、力矩管4；冷却系统包括：冷媒传输耦合器21、转子冷却组件、工质22；所述石墨烯复合励磁超导绕组转子1包括：石墨烯复合励磁超导绕组线圈5、导冷转子6、绝热屏蔽屏；石墨烯复合励磁超导绕组线圈5包括：石墨烯导冷层8、励磁超导绕组线圈9、绝缘层10、导冷转子绕组骨架11、导冷盘12、导冷筒13；励磁超导绕组线圈9的外侧面为绝缘层10，绝缘层10外侧面为石墨烯导冷层8，它们构成石墨烯复合励磁超导绕组线圈5的“三明治”形态结构；励磁超导绕组线圈9呈有序叠置并固定在导冷转子绕组骨架11的凹槽中；石墨烯复合励磁超导绕组线圈5中的多层石墨烯导冷层8构成纵横相连接的网络状结构形态；石墨烯复合励磁超导绕组线圈5中的网络状石墨烯导冷层8与导冷转子绕组骨架11的凹槽表面紧密相连接；励磁超导绕组线圈9的外侧面有导冷盘12或导冷筒13，并与转子冷却组件紧密相连接，它们共同构成网络状石墨烯复合励磁超导绕组线圈的快速导冷协同结构体。

本发明石墨烯复合励磁超导绕组半超导电机(旋转热管冷却)的石墨烯导冷层8采用石墨烯薄膜；励磁超导绕组线圈9采用yba2cu3o7-x(ybco)涂层导体带材；转子冷却组件采用包括：分布式旋转热管7、旋转蒸发冷却管道14；分布式旋转热管7装配在励磁超导绕组线圈9旁；分布式旋转热管7采用半圆形旋转热管，其半圆形的平面侧与与网络状石墨烯导冷层8紧密相连接；旋转蒸发冷却管道14装配在导冷转子6中；石墨烯复合励磁超导绕组转子1的绝热屏蔽屏包括：外真空筒15、真空空间16、内真空筒17、屏蔽层18；常规定子包括：定子铁芯19、常规电枢绕组20；常规电枢绕组20采用铜绕组；力矩管4采用：高强度低漏热的玻璃钢复合材料；冷媒传输耦合器21是把制冷工质22输入和输出转子冷却组件。

传统的超导电机的励磁超导绕组线圈和其它磁性材料在电机工作时由于存在的机械扰动、热扰动、漏热、核辐射、磁通跳跃、交流损耗等时，可能会产生失超现象，由于本发明的石墨烯复合励磁超导绕组半超导电机(旋转热管冷却)采用了石墨烯复合励磁超导绕组线圈的“三明治”形态结构，以及采用了有效的网络状石墨烯复合超导绕组的快速导冷协同结构体，不但可以优化提高超导绕组线圈的机械强度、柔韧性、侧弯性和易装配性；而且当超导绕组线圈出现失超现象时，能够将产生损耗形成的热量迅速带走，保持绕组线圈处于超导工作状态，并保证超导电机持续正常安全运行。

实施例2.

本发明石墨烯复合励磁超导绕组半超导电机(直接传导冷却)的1/4结构剖面示意图如图3所示，石墨烯复合励磁超导绕组半超导电机结构特征为：包括：石墨烯复合励磁超导绕组转子1、常规定子、冷却系统、轴承3、力矩管4；冷却系统包括：冷媒传输耦合器21、转子冷却组件和工质22；石墨烯复合励磁超导绕组转子1包括：石墨烯复合励磁超导绕组线圈5、导冷转子6、绝热屏蔽屏、转子冷却组件；石墨烯复合励磁超导绕组线圈5包括：石墨烯导冷层8、励磁超导绕组线圈9、绝缘层10、导冷转子绕组骨架11、导冷盘12、导冷筒13；励磁超导绕组线圈9的外侧面为绝缘层10，绝缘层10外侧面为石墨烯导冷层8，它们构成石墨烯复合励磁超导绕组线圈5的“三明治”形态结构；励磁超导绕组线圈层9呈有序叠置并固定在导冷转子绕组骨架11的凹槽中；石墨烯复合励磁超导绕组线圈5中的多层石墨烯导冷层8构成纵横相连接的网络状结构形态；石墨烯复合励磁超导绕组线圈5中的网络状石墨烯导冷层8与导冷转子绕组骨架11的凹槽表面紧密相连接；所述励磁超导绕组线圈9的外侧面有导冷盘12或导冷筒13，并与转子冷却组件紧密相连接，它们共同构成网络状石墨烯复合励磁超导绕组的快速导冷协同结构体。

本发明石墨烯复合励磁超导绕组半超导电机(直接传导冷却)的石墨烯导冷层8采用石墨烯涂层；励磁超导绕组线圈9采用(bi，pb)2sr2ca2cu3ox(bi2223)超导带材；转子冷却组件采用直接传导冷却包括：两级制冷机、一级冷头25、二级冷头26；二级冷头26装配在石墨烯复合励磁超导绕组9旁；一级冷头25装配在导冷转子6中；石墨烯复合励磁超导绕组转子的绝热屏蔽屏包括：外真空筒15、真空空间16、内真空筒17、屏蔽层18；常规定子包括：定子铁芯19、常规电枢绕组20；常规电枢绕组20采用铜绕组；力矩管4采用：高强度低漏热的玻璃钢复合材料。

传统的超导电机的励磁超导绕组线圈和其它磁性材料在电机工作时由于存在的机械扰动、热扰动、漏热、核辐射、磁通跳跃、交流损耗等时，可能会产生失超现象，由于本发明的石墨烯复合励磁超导绕组半超导电机(直接传导冷却)采用了制冷机的两级制冷头直接导冷方式，并结合石墨烯复合励磁超导绕组线圈的“三明治”形态结构，以及结合有效的网络状石墨烯复合超导绕组的快速导冷协同结构体，不但可以优化提高超导绕组线圈的机械强度、柔韧性、侧弯性和易装配性；而且当超导绕组线圈出现失超现象时，能够将产生损耗形成的热量迅速带走，保持绕组线圈处于超导工作状态，并保证超导电机持续正常安全运行。

实施例3.

本发明石墨烯复合电枢超导绕组半超导电机(管道冷却)的1/4结构剖面示意图如图4所示；石墨烯复合电枢超导绕组半超导电机，包括：石墨烯复合电枢超导绕组定子27、常规转子28、冷却系统、轴承3、力矩管4；所述石墨烯复合电枢超导绕组定子27包括：石墨烯复合电枢超导绕组线圈29、导冷定子骨架30、绝热屏蔽屏；所述冷却系统包括：冷媒传输耦合器、定子冷却组件31、工质；所述石墨烯复合电枢超导绕组线圈29包括：石墨烯导冷层33、电枢超导绕组线圈层32、导冷定子凹槽35；电枢超导绕组线圈层32外侧面为绝缘层34，绝缘层34外侧面为石墨烯导冷层33，它们构成石墨烯复合电枢超导绕组线圈29的“三明治”形态结构；电枢超导绕组线圈层32呈有序叠置并固定在导冷定子凹槽35中；石墨烯复合电枢超导绕组线圈29中的多层石墨烯导冷层33构成纵横相连接的网络状结构形态；石墨烯复合电枢超导绕组线圈29中的网格状石墨烯导冷层33与导冷定子凹槽35表面紧密相连接，并与定子冷却组件31紧密相连接，它们共同构成网络状石墨烯复合电枢超导绕组的快速导冷协同结构体。

本发明石墨烯复合电枢超导绕组半超导电机(管道冷却)的石墨烯导冷层33采用超导石墨烯层；超导石墨烯层具有超导特性，具体为离子插层石墨烯复合材料层；电枢超导绕组线圈层32采用mgb2超导线/带材；定子冷却组件31采用管道冷却，即冷却管道装配在石墨烯复合电枢超导绕组线圈29旁；石墨烯复合电枢超导绕组定子的绝热屏蔽屏包括：外真空筒36、真空空间37、内真空筒38、屏蔽层39；常规转子绕组线圈采用铜绕组；力矩管4采用：高强度低漏热的玻璃钢复合材料。

传统的超导电机的电枢超导绕组线圈和其它磁性材料在电机工作时由于存在的机械扰动、热扰动、漏热、核辐射、磁通跳跃、交流损耗等时，可能会产生失超现象，由于本发明的石墨烯复合电枢超导绕组半超导电机(管道冷却)采用了制石墨烯复合电枢超导绕组线圈的“三明治”形态结构，以及结合有效的网络状石墨烯复合超导绕组的快速导冷协同结构体，不但可以优化提高超导绕组线圈的机械强度、柔韧性、侧弯性和易装配性；而且当超导绕组线圈出现失超现象时，能够将产生损耗形成的热量迅速带走，保持绕组线圈处于超导工作状态，并保证超导电机持续正常安全运行。

实施例4.

本发明石墨烯复合超导绕组全超导电机的结构剖面示意图如图1所示；石墨烯复合超导绕组全超导电机，包括：石墨烯复合励磁超导绕组线圈转子1、石墨烯复合电枢超导绕组线圈定子2、冷却系统、轴承3、力矩管4。石墨烯复合励磁超导绕组线圈转子1的组成结构以及所采用的材料类似于实施例1；石墨烯复合电枢超导绕组线圈定子2的组成结构以及所采用的材料类似于实施例3。

传统的超导电机的励磁超导绕组线圈、电枢超导绕组线圈和其它磁性材料在电机工作时由于存在的机械扰动、热扰动、漏热、核辐射、磁通跳跃、交流损耗等时，可能会产生失超现象，由于本发明的石墨烯复合励磁超导绕组线圈转子1和石墨烯复合电枢超导绕组线圈定子2均采用了石墨烯复合超导绕组线圈的“三明治”形态结构，以及结合有效的网络状石墨烯复合超导绕组的快速导冷协同结构体，不但可以优化提高超导绕组线圈的机械强度、柔韧性、侧弯性和易装配性；而且当励磁超导绕组线圈或电枢超导绕组线圈出现失超现象时，能够将产生损耗形成的热量迅速带走，保持绕组线圈处于超导工作状态，并保证超导电机持续正常安全运行。

实施例5.

本发明石墨烯复合电枢超导绕组发电机(管道冷却)的1/4结构剖面示意图如图4所示，包括：石墨烯复合电枢超导绕组定子27、常规转子28、冷却系统、轴承3、力矩管4；所述石墨烯复合电枢超导绕组定子27包括：石墨烯复合电枢超导绕组线圈29、导冷定子骨架30、绝热屏蔽屏；所述冷却系统包括：冷媒传输耦合器、定子冷却组件31、工质；所述石墨烯复合电枢超导绕组线圈29包括：石墨烯导冷层33、电枢超导绕组线圈层32、导冷定子凹槽35；电枢超导绕组线圈层32外侧面为绝缘层34，绝缘层34外侧面为石墨烯导冷层33，它们构成石墨烯复合电枢超导绕组线圈29的“三明治”形态结构；电枢超导绕组线圈层32呈有序叠置并固定在导冷定子凹槽35中；石墨烯复合电枢超导绕组29中的多层石墨烯导冷层33构成纵横相连接的网络状结构形态；石墨烯复合电枢超导绕组29中的网格状石墨烯导冷层33与导冷定子凹槽35表面紧密相连接，并与定子冷却组件31紧密相连接，它们共同构成网络状石墨烯复合电枢超导绕组的快速导冷协同结构体。

本发明石墨烯复合电枢超导绕组发电机的石墨烯导冷层33采用石墨烯涂层；电枢超导绕组线圈层32采用mgb2超导线/带材；定子冷却组件31采用管道冷却，即冷却管道装配在石墨烯复合电枢超导绕组29旁；石墨烯复合电枢超导绕组定子的绝热屏蔽屏包括：外真空筒36、真空空间37、内真空筒38、屏蔽层39；力矩管4采用：高强度低漏热的玻璃钢复合材料。

传统的超导发电机的电枢超导绕组线圈和其它磁性材料在电机工作时由于存在的机械扰动、热扰动、漏热、核辐射、磁通跳跃、交流损耗等时，可能会产生失超现象，由于本发明的石墨烯复合电枢超导绕组发电机采用了制石墨烯复合电枢超导绕组线圈的“三明治”形态结构，以及结合有效的网络状石墨烯复合超导绕组的快速导冷协同结构体，不但可以优化提高超导绕组线圈的机械强度、柔韧性、侧弯性和易装配性；而且当超导绕组线圈出现失超现象时，能够将产生损耗形成的热量迅速带走，保持绕组线圈处于超导工作状态，并保证超导发电机持续正常安全运行。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。