一种采用跑道形超导片堆叠线圈的超导电机的制作方法

本发明属于电机制作技术领域，特别涉及一种采用跑道形超导片堆叠线圈的超导电机。

背景技术：

电机是进行机械能和电能相互转换的装置，已经成为电气传动的基础设备，在轨道交通、轧钢设备、风力发电、电梯、船舶推进等诸多领域应用广泛。传统电机的定子或转子绕组由常规导体(铜、铝)制作而成，随着科学家们的深入研究，传统电机的效率基本接近常规导体性能的极限，继续提高电机的性能必然要引入新的导电材料。1911年超导电性的发现使人们想到了利用超导材料来研制电机，超导材料的发展经历了低温超导体和高温超导体，实用的低温超导体主要以nbti和nb3sn为代表，但低温超导材料的工作温度(4.2k)非常低，受此条件的限制，低温超导电机并没有得到广泛的发展。1986年高温超导材料被发现，高温超导材料的临界温度较高，实用的高温超导材料如rebco，其临界温度达到92k，这就使超导材料的临界温度达到了液氮温区，再加上液氮的价格较液氦便宜的多，使人们看到了超导电机广泛应用的曙光，开启了超导电机发展的新篇章。

超导电机分为全超导电机和半超导电机，前者的转子和定子的绕组均采用超导导线，后者只是励磁线圈采用超导导线。目前用高温超导材料rebco制作的超导电机，其转子和定子绕组多缠绕为跑道形，rebco为多层复合形材料，跑道形线圈通电后，在弯曲部分受到的力较大，容易使材料分层，使线材受到损坏，这一现象也严重制约了绕组加工的成品率，从而使绕组加工的成本大大增加。基于此，提出了一种由跑道形的rebco超导片堆叠的绕组组成的超导电机。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种采用跑道形超导片堆叠线圈的超导电机，其特征在于，所述超导电机的基本结构由转子、定子、传感器、前后端盖、螺钉、轴承和机壳组装而成；其中，转子的绕组由跑道形的rebco超导片堆叠而成；定子为电枢，由多相对称绕组绕制；将组装好的转子装入杜瓦中，在杜瓦内填充液氮，用于给跑道形线圈提供低温运行环境；对跑道形绕组进行励磁，励磁完成后，把转子插入定子中，最后装入机壳，再加装前后端盖固定；传感器固定在后端盖内，主要起把电机的转速以及其它参数反馈给控制器的作用。

所述转子主要由转轴、导磁轭以及跑道线圈组成；把制作好的跑道形线圈固定在导磁轭的凸台上，跑道形线圈与凸台之间的空隙用环氧树脂填充，跑道形线圈的个数根据所设计的电机的转子极对数来确定；跑道形线圈与凸台固定好后，在转子的外径上套一个0.3-0.8mm的紧圈，以防止电机在工作的时候离心力将永磁体甩出，紧圈的材料选用不导磁的不锈钢或环氧无纬玻璃丝缚扎；在导磁轭的凸台中间存在励磁孔，用来放置磁通泵的螺线管线圈；

所述定子绕组主要由硅钢冲压片和分布在其槽中的绕组组成；

所述跑道形线圈为超导线圈；跑道形线圈由加工成跑道形的rebco超导片堆叠而成；在堆叠过程中，在第一rebco超导片和第二rebco超导片之间放置环氧树脂和玻璃丝的混合物，以此类推，每两片超导片之间都放置环氧树脂和玻璃丝的混合物，直到最后一片rebco超导片，保证超导片之间叠加紧实。

所述跑道形超导片的加工方式：首先把第二代高温超导体的衬底切割成跑道形，然后用离子束辅助沉积技术(ibad)、倾斜基底沉积技术(isd)、表面氧化外延(soe)、脉冲激光沉积法(pld)或溅射法(sputtering)在衬底上制备出缓冲层，同上接下来利用化学气相沉积(cvd)、金属有机沉积(mod)、化学溶液沉积(csd)、金属有机化学气相沉积(mocvd)、溶胶-凝胶法(sol-gel)、或喷涂分解法(spraypyrolysis)在缓冲层上镀上rebco薄膜；现有业内所做超导线的rebco薄膜厚度为1μm,缓冲层厚度约为2μm，也有的缓冲层做成μm0.05μm的，其缓冲层常用的材料有y2o3、ceo2、mgo、srtio3、ysz、gd2o3或eu2o3；然后再镀银、铜薄膜保护层，跑道形超导片制作完成。

本发明的有益效果本发明用rebco超导片叠加成跑道形线圈经过充磁后，不需要外加能量就能产生很强的永久磁场，并且制作简单，成品率高，还能解决用rebco线材缠绕成跑道线圈所引起的受力不均匀问题。这种电机不仅效率高，而且结构简单、重量轻、可靠性高；从而解决制约超导电机绕组加工困难的问题。

附图说明

图1为超导电机结构示意图。

图2为转子结构示意图。

图3为跑道形线圈结构示意图，其中a为跑道形超导片俯视图；b为跑道形超导片的a-a剖面图；c为由跑道形超导片堆叠而成跑道形线圈结构示意图。

图4线圈励磁方法示意图。

具体实施方式

本发明提供一种采用跑道形超导片堆叠线圈的超导电机，下面结合附图及实施例对本发明作进一步说明。

图1所示为超导电机结构示意图，所述超导电机的基本结构包括转子、定子18、传感器20、前端盖16、后端盖19、螺钉17、轴承15组成；其中，转子包括转轴2、导磁轭4和跑道形线圈1组成；跑道形线圈1由跑道形的rebco超导片11堆叠而成；定子为电枢，由多相对称绕组绕制；将组装好的转子装入杜瓦9中，在杜瓦9内填充液氮，然后对外接脉冲电源进行励磁，在液氮填充完成后，给螺线管线圈8外接脉冲电源，脉冲电源的上升沿时间远小于下降沿时间。励磁时可以同时对几个跑道线圈励磁，也可以依次励磁，励磁完成后撤去脉冲电源(如图4所示)；并对杜瓦9进行密封。然后把杜瓦9插入到定子18中，转轴2两端套上轴承15，最后加装机壳，前端盖16、后端盖19由螺钉17与机壳固定；同时，传感器20固定在后端盖19内，主要起把电机的转速以及其它参数反馈给控制器的作用。杜瓦9内填充液氮是用于给跑道形线圈1提供低温运行环境；经过充磁后跑道形线圈1，不需要外加能量就能产生很强的永久磁场。

图2所示为转子结构示意图；转子由转轴、导磁轭、线圈和紧圈组成，组装时，将跑道形线圈1固定在导磁轭4的凸台5上，在跑道形线圈1和凸台5的空隙6里填充环氧树脂；跑道形线圈的个数根据所设计的电机转子的极对数来确定，在图3中转子的极对数为3对，则跑道形线圈的个数为6个。凸台上的励磁孔7是放置螺线管线圈8的位置，在每个励磁孔7中放置一个螺线管线圈8，并用环氧树脂填充孔7与螺线管线圈8之间的缝隙。在转子的外径上套一个0.3-0.8mm的紧圈3，以防止电机在工作的时候离心力将跑道形线圈1甩出，紧圈的材料可选用不导磁的不锈钢或环氧无纬玻璃丝缚扎。然后把转轴2安装到导磁轭1内。最后在转子外侧套一个圆柱形杜瓦9，杜瓦和转子中间填充液氮，用来给超导转子线圈提供低温运行环境。

图3所示为跑道形线圈结构示意图，其中a为跑道形超导片俯视图；b为跑道形超导片的a-a剖面图；c为由跑道形超导片堆叠而成跑道形线圈结构示意图。

所述跑道形线圈1由跑道形的rebco超导片堆叠而成；在堆叠过程中，在第一rebco超导片11和第二rebco超导片12之间放置环氧树脂和玻璃丝的混合物，以此类推，每两片超导片之间都放置环氧树脂和玻璃丝的混合物，直到最后一片rebco超导片13(如图3中c所示的跑道形超导片堆叠而成跑道形线圈结构示意图)，然后用机械设备把堆叠好的线圈压实。其中rebco超导片制作如下：

a.把制作rebco用的把第二代高温超导体的衬底材料，如niw、哈氏合金等。切割成矩形，其长度和宽度根据要制作的跑道形超导片的尺寸来确定。

b.把矩形的衬底切割成跑道形状。跑道的长度和宽度根据实际要制作的电机转子线圈的尺寸来确定。

然后用现有的离子束辅助沉积技术(ibad)、倾斜基底沉积技术(isd)、表面氧化外延(soe)、脉冲激光沉积法(pld)或溅射法(sputtering)等技术在跑道形衬底上制备出缓冲层，缓冲层常用的材料有y2o3、ceo2、mgo、srtio3、ysz、gd2o3或eu2o3。接下来利用化学气相沉积(cvd)、金属有机沉积(mod)、化学溶液沉积(csd)、金属有机化学气相沉积(mocvd)、溶胶-凝胶法(sol-gel)、喷涂分解法(spraypyrolysis)等技术在缓冲层上镀上rebco薄膜，rebco即是材料名称；现有业内所做超导线的rebco薄膜厚度为1μm,缓冲层厚度约为2μm，也有的缓冲层做成μm0.05μm的，然后再镀银、铜薄膜保护层。