一种无铁芯型兆瓦级超导电机系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种无铁芯型兆瓦级超导电机系统。该系统中的无铁芯结构超导转子包括线圈骨架，超导励磁线圈，及与线圈骨架相连的扭矩管；超导励磁线圈在线圈骨架的上下表面均有绕制，呈回旋U形结构，相邻两条有效励磁边相互平行、分别构成一对磁极中的正极或负极；线圈骨架上表面绕制的超导励磁线圈的有效励磁边与线圈骨架下表面绕制的超导励磁线圈的有效励磁边关于线圈骨架对称，且彼此对称的两条有效励磁边的励磁电流方向相同。与现有技术相比，本发明通过对超导励磁线圈及其支撑骨架和扭矩管的结构设计，具有比跑道型励磁线圈更好的励磁效果和机械性能，能够很好地解决由于去除铁芯后带来的超导励磁线圈的励磁效果、机械应力和支撑保护问题。
【专利说明】一种无铁芯型兆瓦级超导电机系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种具有回旋U形结构超导励磁线圈的无铁芯型兆瓦级超导电机系统。
【背景技术】
[0002]超导电机最大的优势在于效率高、体积小、重量轻。对于十个兆瓦以上的大型电机系统，如风机、船舶推进电机，通常转子上会采用铁芯结构来约束磁路、加强磁场，同时对超导励磁线圈起到支撑保护作用。然而，铁芯结构也有其负面作用，如存在磁饱和现象，影响气隙磁密的线性增加，同时大大增加了系统的质量，增加了运输和装配的难度。理论上，采用空心结构可以很好地解决上述由铁芯结构带来的问题，但由于去除了铁芯，不仅使得励磁效果大打折扣，而且离心力和洛伦兹力等作用力将直接作用在超导励磁线圈上，尤其对结构上相互独立的跑道型励磁线圈的作用尤为明显，恶劣情况下，如短路故障时，将会造成超导材料的形变甚至断裂，严重影响整个系统的正常工作。
【发明内容】
[0003]本发明的目的就是针对现有技术的不足，提供一种无铁芯型兆瓦级超导电机系统，通过对超导励磁线圈及其支撑骨架和扭矩管的结构设计，具有比跑道型励磁线圈更好的励磁效果和机械性能，能够很好地解决由于去除铁芯后带来的超导励磁线圈的励磁效果、机械应力和支撑保护问题。
[0004]为实现上述目的，本发明的技术方案如下:
[0005]本发明提出的一种无铁芯型兆瓦级超导电机系统，包括常规定子、无铁芯结构的超导转子和低温制冷装置；所述转子包括线圈骨架，绕制在线圈骨架上的超导励磁线圈，及与线圈骨架相连的扭矩管。超导励磁线圈在线圈骨架的上表面和下表面均有绕制(在超导电机系统中线圈骨架实为圆柱形，即线圈骨架的外侧表面和内侧表面均绕制有超导励磁线圈)；超导励磁线圈呈回旋U形结构，相邻两条有效励磁边相互平行、分别构成一对磁极中的正极或负极，连接相邻两条有效励磁边的圆弧端只要符合超导带材或线材的弯曲度即可；线圈骨架上表面(即线圈骨架外侧表面)绕制的超导励磁线圈的有效励磁边与线圈骨架下表面(即线圈骨架内侧表面)绕制的超导励磁线圈的有效励磁边关于线圈骨架对称,且彼此对称的两条有效励磁边的励磁电流方向相同。相对于相互独立的跑道型励磁线圈，本发明的超导励磁线圈由超导带材或线材串联呈回旋U形结构，构成一个整体，且绕制在线圈骨架上，这样将跑道型励磁线圈的分散应力作用到线圈骨架和整体的超导励磁线圈上，能够获得更好的机械性能，同时结构上更加紧凑的、彼此对称的两条有效励磁边，在通入同向的励磁电流后，可以获得更好磁场特性。
[0006]绕制上述超导励磁线圈的优选方案是:在一个线圈骨架上，该线圈骨架的上下表面(即内外侧表面)均具有呈回旋U形结构、供超导带材或线材绕制的凹槽，上下表面的凹槽结构在相位上相差180°、且上下表面的凹槽连通。最终得到的结构是，线圈骨架上表面绕制的超导励磁线圈和线圈骨架下表面绕制的超导励磁线圈为以串联形式连接的超导带材或线材连续不断绕制而成的一个整体。
[0007]绕制上述超导励磁线圈的方案也可以是:在一个线圈骨架上，该线圈骨架的上下表面(即内外侧表面)均具有呈回旋U形结构、供超导带材或线材绕制的凹槽，上下表面的凹槽结构在相位上相差180°、且结构上相互独立；超导带材或线材分别绕制在线圈骨架的上下表面。最终得到的结构是，线圈骨架上表面绕制的超导励磁线圈与线圈骨架下表面绕制的超导励磁线圈彼此独立。
[0008]所述超导励磁线圈可以是由YBCO高温超导带材、BSCCO高温超导带材和MgB2低温超导线材三种超导材料并联绕制在线圈骨架上形成，三种超导材料距离线圈骨架的距离不同(即线圈骨架为圆柱形时，三种超导材料依次沿线圈骨架的径向排布)，三种超导材料沿靠近线圈骨架I的方向依次排布为MgB2低温超导线材、BSCCO高温超导带材和YBCO高温超导带材。目前，市场上相同长度的YBCO高温超导带材的价格是MgBdS温超导线材的7.5倍，相同长度的BSCCO高温超导带材价格是Mg2B低温超导线材的5倍；根据三种超导材料的临界磁场特性，并结合超导励磁线圈的“内强外弱”的磁场分布特点，将三种超导材料并联后绕制超导励磁线圈可以大大降低生产成本。另外，将三种超导材料并联成一个整体，可以在一定程度上降低垂直磁场B I对超导材料特性的影响。由于三种超导材料临界磁场B。由大到小依次为=YBCO高温超导带材、BSCCO高温超导带材和Mg2B低温超导线材，所以按照图8所示的缠绕结构，由内(靠近线圈骨架一侧)到外，依次为YBCO高温超导带材、BSCCO高温超导带材和Mg2B低温超导线材。
[0009]超导励磁线圈与线圈骨架通过环氧树脂浸溃、或其他一切可行的封装技术封装为一个整体，并通过辅助结构加固。
[0010]所述扭矩管为折叠式双层结构，沿超导励磁线圈的有效励磁边延伸；扭矩管在沿超导励磁线圈有效励磁边的方向上开有矩形孔，以减小扭矩管的等效面积和热辐射。扭矩管的顶部固定端与线圈骨架固定连接，扭矩管的底部固定端与转子支撑结构固定连接；扭矩管实现对超导励磁线圈的支撑和扭矩传递，并实现从“低温端”(扭矩管的底部固定端)向“常温端”(转子支撑结构)的过渡，最终与常温转子支撑结构固定，实现对整个转子结构的支撑。所述扭矩管由机械强度大、导热率低的玻璃纤维复合材料制成；扭矩管结构上首尾相连，保证了机械强度；等效面积小，沿超导励磁线圈的有效励磁边延展，降低了由扭矩管向超导线圈的热辐射。
[0011]设有与扭矩管结构相匹配的冷屏，用于降低热辐射，所述冷屏有三层绝热板；其中顶层绝热板置于线圈骨架上表面绕制的超导励磁线圈上方(即置于线圈骨架外侧表面绕制的超导励磁线圈外侧)，用于防止电枢绕组的热辐射；另外两层绝热板分别置于扭矩管的内外两层之间和扭矩管下方(即扭矩管内侧)，用于对来自扭矩管的热辐射进行充分的屏蔽。所述冷屏由一级冷头制冷，温度在40K左右；超导励磁线圈由二级冷头制冷。
[0012]所述兆瓦级超导电机系统的转子轴向长度与径向长度之比大于I (即“长轴型”兆瓦级超导电机系统)，转子直径为1.2-1.5m。此类大容量超导电机系统多用于船舶推进。针对“长轴”型兆瓦级超导电机系统，对其低温制冷装置的结构进行特殊设计，使低温制冷装置随转子同步旋转，有效避开低温旋转接头密封、热辐射及对流换热等问题对制冷系统的负面影响。所述低温制冷装置包括依次相连的有油涡旋压缩机、其上缠有冷却水管的后冷器、油分离器、缓冲罐和冷头；冷头固定在转子上，有油涡旋压缩机、后冷器、油分离器和缓冲罐固定在转轴的固定板上，随转子和转轴同步旋转；为冷却水管引入引出循环冷却水的旋转接头与转子转轴相连，为压缩机供电的滑环复合在旋转接头上；冷头深入真空屏对超导励磁线圈和冷屏进行传导冷却。
[0013]与现有技术相比，本发明的有益效果是:采用线圈骨架上下表面均绕制回旋U形结构超导励磁线圈、且上下对称的两条有效励磁边励磁电流方向相同，使得本发明的超导励磁线圈结构具有比传统跑道型励磁线圈更好的励磁效果；采用构成一个整体的超导励磁线圈，且绕制在线圈骨架上，将跑道型励磁线圈的分散应力作用到线圈骨架和整体的超导励磁线圈上，能够获得更好的机械性能；由于线圈骨架的支撑作用、并采用了折叠式双层结构的扭矩管，能够很好地解决由于去除铁芯后带来的超导励磁线圈的机械应力和支撑保护问题；采用与扭矩管结构相匹配的、具有三层绝热板的冷屏，能够很好地解决扭矩传输结构的热辐射问题，保证超导励磁线圈稳定的低温环境；针对兆瓦级超导电机“长轴”的特点，采用随转子和转轴同步旋转的低温制冷装置，有效地避开了低温旋转接头密封、热辐射及对流换热等问题对制冷系统的负面影响。
【专利附图】
【附图说明】
[0014]图1是无铁芯型兆瓦级超导电机系统的结构不意图。
[0015]图2是绕制在线圈骨架上下表面的超导励磁线圈连为一个整体时的结构示意图。
[0016]图3是绕制在线圈骨架上下表面的超导励磁线圈彼此独立时的立体结构示意图。
[0017]图4是成型后实际在无铁芯型兆瓦级超导电机系统中使用的线圈骨架和超导励磁线圈的立体结构示意图。
[0018]图5是扭矩管的立体结构示意图。
[0019]图6是冷屏的立体结构示意图。
[0020]图7是无铁芯型兆瓦级超导电机系统的立体结构示意图。
[0021]图8是实施例3中三种超导材料绕制的超导励磁线圈的结构示意图。
[0022]图中标号如下:
[0023]I线圈骨架2超导励磁线圈
[0024]3扭矩管4有效励磁边
[0025]5顶部固定端6矩形孔
[0026]7底部固定端8转子支撑结构
[0027]9绝热板10 —级冷头
[0028]11 二级冷头12压缩机
[0029]13后冷器14油分离器
[0030]15缓冲罐16转轴
[0031]17旋转接头18真空屏
[0032]19固定板20 MgB2低温超导线材
[0033]21 BSCCO高温超导带材 22 YBCO高温超导带材
【具体实施方式】[0034]下面结合附图，对本发明的优选实施例作进一步的描述。
[0035]实施例1
[0036]如图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7所示。搭建一无铁芯型兆瓦级超导电机系统，包括常规定子、无铁芯结构的超导转子和低温制冷装置；所述转子轴向长度为1.5m，转子直径为1.2m。具体结构:定子为双层结构的铜制电枢绕组。所述转子包括线圈骨架1，采用YBCO高温超导带材绕制在线圈骨架I上的超导励磁线圈2，及与线圈骨架I相连的扭矩管3。在一块线圈骨架I的上下表面均开设有呈回旋U形结构的凹槽，上下表面的凹槽结构在相位上相差180°、且相互连通；YBC0超导带材从上表面凹槽始端开始绕制，绕制到上表面凹槽末端，然后经上下表面凹槽连通段过渡到下表面凹槽继续绕制，当绕制到下表面凹槽末端时，再经上下表面凹槽连通段过渡到上表面凹槽继续绕制，最终线圈骨架I上表面绕制的超导励磁线圈2和线圈骨架I下表面绕制的超导励磁线圈2为以串联形式连接的YBCO超导带材连续不断绕制而成的一个整体；然后将绕制好超导励磁线圈2的线圈骨架I弯曲成圆柱形，即线圈骨架I的外侧表面和内侧表面均绕制有超导励磁线圈2。形成的超导励磁线圈2在结构上具有如下特点:超导励磁线圈2呈回旋U形结构，相邻两条有效励磁边4相互平行、分别构成一对磁极中的正极或负极；线圈骨架I上表面(即外侧表面)绕制的超导励磁线圈2的有效励磁边4与线圈骨架I下表面(即内侧表面)绕制的超导励磁线圈2的有效励磁边4关于线圈骨架I对称，且彼此对称的两条有效励磁边4的励磁电流方向相同。内外侧表面的超导励磁线圈2分别具有13条有效励磁边4，构成6对极。
[0037]超导励磁线圈2与线圈骨架I通过环氧树脂浸溃封装为一个整体，通过线圈骨架I与扭矩管3的顶部固定端5固定连接，扭矩管3的底部固定端7与转子支撑结构8固定连接，由转子支撑结构8实现对整个转子结构的支撑。扭矩管3由GlO玻璃纤维复合材料制成，为折叠式双层结构，沿超导励磁线圈2的有效励磁边4延伸，在沿超导励磁线圈2有效励磁边4的方向上开有矩形孔6。
[0038]设有与扭矩管3结构相匹配的冷屏，所述冷屏有三层绝热板9，顶层绝热板9置于线圈骨架I外侧表面绕制的超导励磁线圈2外侧，其中两层绝热板9分别置于扭矩管3的内外两层之间和扭矩管3内侧。所述冷屏由一级冷头10制冷，温度为40K ;超导励磁线圈2由二级冷头11制冷。
[0039]所述低温制冷装置包括依次相连的有油涡旋压缩机12、其上缠有冷却水管的后冷器13、油分离器14、缓冲罐15和冷头；冷头固定在转子上，有油涡旋压缩机12、后冷器13、油分离器14和缓冲罐15固定在转轴16的固定板19上，随转子和转轴16同步旋转；为冷却水管引入引出循环冷却水的旋转接头17与转子转轴16相连，为压缩机12供电的滑环复合在旋转接头17上；冷头深入真空屏18对超导励磁线圈2和冷屏进行传导冷却。
[0040]实施例2
[0041]与实施例1相同的地方不再重复叙述，不同之处在于:所述转子轴向长度为2.0m,转子直径为1.5m。采用低温超导材料MgB2线材绕制在线圈骨架I上成为超导励磁线圈2。线圈骨架I上下表面的凹槽结构上相互独立，MgB2线材分别绕制在线圈骨架I的上下表面，最终线圈骨架I上表面绕制的超导励磁线圈2与线圈骨架I下表面绕制的超导励磁线圈2彼此独立。
[0042]实施例3[0043]与实施例1相同的地方不再重复叙述，不同之处在于JfYBCO高温超导带材22、BSCCO高温超导带材21和MgB2低温超导线材20三种超导材料并联，绕制在线圈骨架I上形成超导励磁线圈2，三种超导材料沿靠近线圈骨架I的方向依次排布为MgB2低温超导线材20、BSCC0高温超导带材21和YBCO高温超导带材22 (具体结构如图8所示)，即离线圈骨架I最远的为MgB2低温超导线材20、最靠近线圈骨架I的为YBCO高温超导带材22 ;最终线圈骨架I上下表面绕制的超导励磁线圈2为以串联形式连接的并联超导材料连续不断绕制而成的一个整体。
【权利要求】
1.一种无铁芯型兆瓦级超导电机系统，包括常规定子、无铁芯结构的超导转子和低温制冷装置，其特征在于:所述转子包括线圈骨架(1)，绕制在线圈骨架(1)上的超导励磁线圈(2)，及与线圈骨架⑴相连的扭矩管(3);超导励磁线圈(2)在线圈骨架⑴的上表面和下表面均有绕制；超导励磁线圈(2)呈回旋U形结构，相邻两条有效励磁边(4)相互平行、分别构成一对磁极中的正极或负极；线圈骨架(1)上表面绕制的超导励磁线圈(2)的有效励磁边(4)与线圈骨架(1)下表面绕制的超导励磁线圈(2)的有效励磁边(4)关于线圈骨架(1)对称，且彼此对称的两条有效励磁边(4)的励磁电流方向相同。
2.根据权利要求1所述的无铁芯型兆瓦级超导电机系统，其特征在于:线圈骨架(1)上表面绕制的超导励磁线圈(2)和线圈骨架(1)下表面绕制的超导励磁线圈(2)为以串联形式连接的超导带材或线材连续不断绕制而成的一个整体；或线圈骨架(1)上表面绕制的超导励磁线圈(2)与线圈骨架(1)下表面绕制的超导励磁线圈(2)彼此独立。
3.根据权利要求2所述的无铁芯型兆瓦级超导电机系统，其特征在于:超导励磁线圈(2)由YBCO高温超导带材(22)、BSCC0高温超导带材(21)和MgB2低温超导线材(20)三种超导材料并联绕制在线圈骨架(1)上形成，三种超导材料沿靠近线圈骨架I的方向依次排布为MgB2低温超导线材(20)、BSCCO高温超导带材(21)和YBCO高温超导带材(22)。
4.根据权利要求2所述的无铁芯型兆瓦级超导电机系统，其特征在于:扭矩管(3)为折叠式双层结构，沿超导励磁线圈(2)的有效励磁边(4)延伸；扭矩管(3)的顶部固定端(5)与线圈骨架(1)固定连接，扭矩管(3)的底部固定端(7)与转子支撑结构(8)固定连接。
5.根据权利要求4 所述的无铁芯型兆瓦级超导电机系统，其特征在于:扭矩管(3)在沿超导励磁线圈(2)有效励磁边(4)的方向上开有矩形孔(6)。
6.根据权利要求5所述的无铁芯型兆瓦级超导电机系统，其特征在于:设有与扭矩管(3)结构相匹配的冷屏，所述冷屏有三层绝热板(9)，其中两层绝热板(9)分别置于扭矩管(3)的内外两层之间和扭矩管(3)下方。
7.根据权利要求6所述的无铁芯型兆瓦级超导电机系统，其特征在于:所述冷屏由一级冷头(10)制冷，超导励磁线圈⑵由二级冷头(11)制冷。
8.根据权利要求1-7任一所述的无铁芯型兆瓦级超导电机系统，其特征在于:超导励磁线圈(2)与线圈骨架(1)通过环氧树脂浸溃封装为一个整体。
9.根据权利要求1-7任一所述的无铁芯型兆瓦级超导电机系统，其特征在于:所述转子轴向长度与径向长度之比大于1，转子直径为1.2-1.5m。
10.根据权利要求9所述的无铁芯型兆瓦级超导电机系统，其特征在于:所述低温制冷装置包括依次相连的有油涡旋压缩机(12)、其上缠有冷却水管的后冷器(13)、油分离器(14)、缓冲罐(15)和冷头；冷头固定在转子上，有油涡旋压缩机(12)、后冷器(13)、油分离器(14)和缓冲罐(15)固定在转轴(16)的固定板(19)上，随转子和转轴(16)同步旋转；为冷却水管引入引出循环冷却水的旋转接头(17)与转子转轴(16)相连，为压缩机(12)供电的滑环复合在旋转接头(17)上；冷头深入真空屏(18)对超导励磁线圈(2)和冷屏进行传导冷却。
【文档编号】H02K55/00GK104038028SQ201410290433
【公开日】2014年9月10日 申请日期:2014年6月25日 优先权日:2014年6月25日
【发明者】金建勋, 姜在强 申请人:电子科技大学