专利名称：超导电机的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种直流电机，特别为一种超导电机。
现有的直流电机，转子线圈中的磁场方向和磁通量不断变化，产生一个反电动势，当给电机通电时，线圈两端会产生电压，使得电机输入电流时会消耗电能。造成如蜗流、线圈电阻损耗等各种损耗。
本发明的目的就是为了解决现有技术的上述不足而提供一种超导电机。
本发明的目的是通过以下技术解决方案实现的一种超导电机，它包括有定子、转子、上、下两对电刷，定子为一环形体磁体，在环形定子磁体内设有定子超导线圈，定子超导线圈的两端连接有一冷子管，在转子轴的一端连接有一冷子管，在定子超导线圈内设有转子，转子由转子超导线圈、超导体圆管、转子轴、转子基座组成，转子基座装在定子超导线圈内，转子轴穿过转子基座的中心与转子基座相连接，在转子基座上对称镶嵌有多个超导体圆管，每个超导体圆管均配置有一个矩形的超导线圈，每个矩形超导线圈均固定在转子基座上并依序相联形成一组转子超导线圈。
本发明的目的还可通过以下技术措施来实现前述的一种超导电机，其中所述的在每个矩形线圈的一侧穿过超导管的轴线位置并与超导管的外壁表面保持一定距离。
前述的一种超导电机，其中所述的与定子超导线圈的两端连接的冷子管设在定子的外侧。
前述的一种超导电机，其中所述的超导体圆管最少为2个。
前述的一种超导电机，其中所述的转子轴为一空心轴，在转子轴的两端外表面分别设有一绝缘套，在两绝缘套上分别间隔安装有两个集电环，固定在转子轴一端的冷子管的线圈两端穿过空心的转子轴与转子轴另一端的集电环分别联接，冷子管上的可控制超导芯两端与其同端转子轴上的两个集电环分别联接，转子超导线圈的两个电源输入端分别与转子轴上的冷子管芯的两端连接，转子轴两端的集电环还通过安装在轴承定位支架上的上、下两对电刷分别与电源相连接。
前述的一种超导电机，其中所述的转子基座为非磁性、非超导的材料。
本发明的优点在于转子线圈中的磁场方向和磁通量不变，消除转子线圈的反电动势，消除了电机的电能消耗，起动时，给一电源，平衡时达到不消耗电能，通过冷子管配合取消电源，自身维持运转。
下面结合附图对本发明的原理与结构做进一步的描述
图1为本发明的结构示意图。
图2为图1的A-A剖面图。
图3为本发明的原理示意图。
图4为本发明的原理又一示意图。
如图1、2所示，本发明包括有定子1、转子、上、下两对电刷2、3，定子1为一环形体磁体，在环形定子磁体1内设有定子超导线圈4，定子超导线圈4的两端连接有一冷子管5，在转子轴6的一端连接有一冷子管7，在定子超导线圈4内设有转子，转子由转子超导线圈8、超导体圆管9、转子轴6、转子基座10组成，转子基座10装在定子超导线圈4内，转子轴6穿过转子基座10的中心与转子基座10相连接，在转子基座10上对称镶嵌有多个超导体圆管9，超导体圆管9最少为2个。每个超导体圆管9均配置有一个矩形的转子超导线圈8，每个矩形转子超导线圈8均固定在转子基座10上并依序相联形成一组转子超导线圈。每个矩形转子线圈8的一侧穿过超导体圆管9的轴线位置并与超导体圆管9的外壁表面保持一定距离。与定子超导线圈4的两端连接的冷子管5设在定子1的外侧。转子轴6为一空心轴，在转子轴的两端外表面分别设有一绝缘套11、12，在两绝缘套11、12上分别间隔套有两个集电环13、14、15、16，集电环均为超导材料。固定在转子轴6一端的冷子管7的线圈两端穿过空心的转子轴6与转子轴6另一端的集电环15、16分别联接，冷子管7上的可控制超导芯两端与其同端转子轴6上的两个集电环13、14分别联接，转子导线圈8的两个电源输入端分别与转子轴6上的冷子管芯的两端连接，转子轴6两端的集电环均通过安装在上、下轴承定位支架17、18上的上、下两对电刷2、3分别与电源相连接。
本发明的原理如图3、图4所示，把两个转子超导体线圈8对称地固定于同一个可在环形磁场中自由转动的物体上，在环形磁场上，同心圆上的磁感应强度B相同，线圈旋转中心与环形磁场同心，线圈平面始终与主磁场相垂直。把两个转子超导线圈8串连，通以如图3所示的直流电流，则线圈8的边ab、cd、a′b′、c′d′和端接部分bc、ad、b′c′、a′d′会同时在磁场中产生电磁力，至于端接部分的力因为它们是作用在同一直径上大小相等、方向相反的力，所以可互为抵消，可以不考虑它们的作用。由于ab边与cd边的电流大小相等，方向相反，所以产生的力的大小相等，方向相反，线圈静止不动，同样线圈a′b′c′d′也是这样静止不动。要使线圈8获得一个可转动的力，必须削弱一边导体产生的力。如以线圈8(abcd)为例，要使线圈8向ab导体的电磁力方向运动，必须削弱cd边产生的反方向电磁力，由于通电导体产生的力是导体本身产生的磁场与主磁场相互作用的结果，所以可将线圈8的cd边产生的部分磁场屏蔽起来，使屏蔽起来的磁场不得与主磁场发生相互作用，那么cd边产生的力小于ab边导体产生的力，那么线圈8就会向ab边的电磁力方向运动。为此，让导体cd边从一个超导体圆管9中穿过，如图4所示，超导体圆管9的外径大小应该大到刚好能使超导体管9内的导体产生的磁场基本限制在管径范围内时为止，超导体圆管9的端部与矩形线圈8的端部之间保留适当的距离。由于超导体圆管9的完全抗磁作用，使得主磁场不能与超导体圆管9内导体磁场发生作用，cd边导体产生的电磁力相应减小，线圈8(abcd)就会向ab边受力方向运动。同样线圈8(a′b′c′d′)采用相同的方法可获得一个与abcd线圈转向一致的力，转子就会平稳地转动。由于线圈8不在磁场中交变，线圈8内的面积不变，转子线圈8在主磁场中运动到任一处，磁场条件都相同，所以线圈8内的磁通量、磁场方向都不变化，则根据电磁感应定律可知，整个转子线圈中将不产生反电动势，所以转子线圈通上稳定的直流电运转时，线圈在超导情况下，线圈两端没有电压。因功率P=VI=0 I=0，所以这种电机也就不消耗电能，但却输出了机械能，并通过吸收热量来达到能量守恒，也就是其在输出机械能的同时，会产生制冷效应，主磁场的定子线圈也用超导线圈，也没有功率消耗，由于定、转子线圈都是无需电压的超导体线圈，所以可在冷子管的配合下，使它们的电流各自循环。
在用磁性材料做定子磁路时，电机的定、转子磁场的相互作用要完全在气隙中进行，以保证磁极上每一点的磁通量，磁场方向始终不变，避免产生电能损耗等不利影响，所以要使超导体圆管9外与磁极之间有足够的距离，转子需在大气隙中运动。为了更好地利用磁路面积，以及使主磁通始终畅通、稳定，转子线圈中的电流产生的磁场方向要与主磁场的磁场方向一致。给定子超导线圈通上适当的电流，使定子磁性材料工作在完全饱和状态下，既可使定子磁路得到充分利用，又可消除某些不利影响。
本发明工作时，首先对与定子超导线圈4并联的冷子管5的磁场线圈通电，使冷子管5处于电阻状态，这时再给定子超导线圈4通电，并保持冷子管5的电阻状态，到定子超导线圈4充电结束，当定子超导线圈4中的电流愈来愈大，达到所需的电流强度后，断掉冷子管5磁场线圈中的电流，使冷子管5回到超导状态，再断开定子超导线圈4两端的电源，这时，定子超导线圈4中的电流通过冷子管5构成自循环，产生一个定子磁场。此时，再通过电源给转子超导线圈8通电，电流通过转子轴6另一端的电刷经过集电环15、16与冷子管7磁场线圈相连通，使冷子管7处于电阻状态，此时通过冷子管7处的电刷2给转子超导线圈8通电，转子超导线圈8电流愈来愈大，转速愈来愈高，当达到要求的电流后，断开冷子管7磁场线圈中的电流，使冷子管7回到超导状态，断开转子线圈的外电源，电流通过冷子管7构成循环，转子继续保持正常运转。靠近转子冷子管7一端的定子磁场为N极，另一端为S极，转子线圈中的磁场方向与定子的磁场方向相一致。
定子为圆环形，好象是特殊的蹄形磁体缺口朝内围成的定子，如图1所示，在环形磁体截面上构成“口”字形主磁路，在整个气隙中的磁场是一个环形。定子1可由高导磁率的永磁材料或软磁材料制成，在圆环形定子1内部安放超导体圆形主磁场线圈4，通以适当的电流达到足够的磁动势使定子工作在完全饱和状态。线圈4与冷子管5配合，线圈4与冷子管5并联使定子线圈4中的电流自循环，制成永久磁体。其实有环形磁极的磁场是一种圆形磁场，只是中心圆环内的磁感应强度在一定的磁动势范围内比环形磁极处小得多罢了。定子主磁场也可以是均匀磁感应强度圆形，可直接用圆桶形超导线圈产生圆形定子磁场。顺序、均匀密绕的桶形线圈要达到足够的宽度，使转子线圈8的磁场与定子磁场相互作用范围内的定子磁场的磁力线是垂直于转子线圈平面的直线磁场。为了保证主磁通恒定和转子运转正常，转子上不能有磁性材料，转子线圈8和超导体圆管9固定于非磁性、非超导的转子基座上，超导体圆管9与管中的导体也要绝缘固定好，转子线圈的每边聚成紧密的一圆束，其中一侧穿过超导体圆管9的轴线位置，实际中转子采用多个对称的转子线圈8，线圈匝数的多少根据需要确定，电刷均固定在灵活控制的装置上，在转子线圈8中的电流自循环形成之后使电刷2脱离集电环13、14，电刷3脱离集电环15、16，消除电刷装置的磨损。在定子主磁场气隙足够大时，转子还可由多层转子线圈相隔适当距离串联固定于同一根转轴上组成一组合转子，每层转子线圈数目相同，线圈和超导管上下都要成一直线与转子轴向一致，转子线圈上下层串联成两个总电源输入端。当结构尺寸一定时，在超导线圈和超导体圆管的工作限度范围内，电机的功率大小取决于主磁场的磁感应强度BH和转子线圈的电流大小，超导电机的功率上限由超导材料的临界电流jc和临界磁场Bc决定。由于转子线圈两边在磁场中同时做切割磁力线运动，两边导体在一个回路中产生的反动势互相抵消，所以转子线圈的电流不受反动势和速度的限制，转子可产生极高速运动。
权利要求
1．一种超导电机，它包括有定子、转子、上、下两对电刷，其特征在于定子为一环形体磁体，在环形定子磁体内设有定子超导线圈，定子超导线圈的两端连接有一冷子管，在转子轴的一端连接有一冷子管，在定子超导线圈内设有转子，转子由转子超导线圈、超导体圆管、转子轴、转子基座组成，转子基座装在定子超导线圈内，转子轴穿过转子基座的中心与转子基座相连接，在转子基座上对称镶嵌有多个超导体圆管，每个超导体圆管均配置有一个矩形的超导线圈，每个矩形超导线圈均固定在转子基座上并依序相联形成一组转子超导线圈。
2．根据权利要求1所述的一种超导电机，其特征在于矩形线圈的每一边聚成紧密的一圆束，每个矩形线圈的一侧穿过超导管的轴线位置并与超导管的外壁表面保持一定距离。
3．根据权利要求1所述的一种超导电机，其特征在于所述的与定子超导线圈的两端连接的冷子管设在定子的外侧。
4．根据权利要求1所述的一种超导电机，其特征在于所述的超导体圆管最少为2个。
5．根据权利要求1所述的一种超导电机，其特征在于所述的转子轴为一空心轴，在转子轴的两端外表面分别设有一绝缘套，在两绝缘套上分别间隔安装有两个集电环，固定在转子轴一端的冷子管的线圈两端穿过空心的转子轴与转子轴另一端的集电环分别联接，冷子管上的可控制超导芯两端与其同端转子轴上的两个集电环分别联接，转子超导线圈的两个电源输入端分别与转子轴上的冷子管芯的两端连接，转子轴两端的集电环还通过安装在轴承定位支架上的上、下两对电刷分别与电源相连接。
6．根据权利要求3所述的一种超导电机，其特征在于所述的转子基座为非磁性、非超导的材料。
7．根据权利要求1所述的一种超导电机，其特征在于所述的在定子主磁场气隙足够大时，转子可由多层转子线圈相隔适当距离串联固定于同一根转轴上组成一组合转子，每层转子线圈数目相同，线圈和超导管上下都要成一直线与转子轴向一致，转子线圈上下层串联成两个总电源输入端。
全文摘要
本发明涉及一种超导电机,其环形定子磁体内设有定子超导线圈,定子超导线圈的两端连接有一冷子管,在转子轴的一端连接有一冷子管,在定子超导线圈内设有转子,转子由转子超导线圈、超导体圆管、转子轴、转子基座组成,转子基座装在定子超导线圈内,转子轴穿过转子基座的中心,在转子基座上对称镶嵌有多个超导体圆管,每个超导体圆管均配置有一个矩形的超导线圈,每个矩形超导线圈均固定在转子基座上并依序相联形成一组转子超导线圈。
文档编号H02K57/00GK1233879SQ9811145
公开日1999年11月3日 申请日期1998年8月13日 优先权日1998年4月30日
发明者高加富 申请人:高加富