一种盘式超导电机的制作方法

本实用新型涉及电机技术领域，尤其涉及一种盘式超导电机，具体地，是一种设有超导线圈的盘式电机。

背景技术：

盘式电机又叫碟式电机，具有体积小、重量轻、效率高的特点。盘式电机的定子一般放置在平的基板上，转子与定子相配合，定子包括线圈，转子是永磁体或粘有永磁体的圆盘。

传统的盘式电机的转子大多都是表贴式磁极，以N/S/N/S...顺序排列。通常为了提高电机的转矩密度、效率，主要从优化电机磁钢结构、电机优化设计、制作工艺与设备、磁路结构和高排行电工钢、高性能永磁材料等方面入手，然而由于盘式电机电磁转换原理、材料本身性能的限制，无法实现更高的转矩密度和效率，与国外盘式电机性能存在一定差距。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供一种盘式超导电机，通过对盘式电机的结构改进，在有限体积内提高了电机功率密度，使得电机获得更高的效率。

为了实现上述目的，本实用新型的技术方案是：一种盘式超导电机，所述的电机包括转子和与转子相配合的定子，其特征在于：所述的定子设置于电机壳体内，定子包括定子铁芯和定子绕组；电机壳体内设有支架,所述的支架上设有铁芯放置孔，所述的定子铁芯放置于铁芯放置孔内，定子铁芯是由多个竖向设置的取向硅钢片叠加形成的柱状铁芯，定子铁芯的中间部为支撑分割部，定子铁芯的上、下部分别对称设置有超导线圈绕设部，取向钢带绕设于定子铁芯的超导线圈绕设部并形成超导线圈；所述的超导线圈与电机壳体相接触，电机壳体内设有冷却通道，所述的冷却通道围绕铁芯放置孔设置并与超导线圈相对应设置。

优选的，每一片叠加排列的取向硅钢片的磁导方向与铁芯放置孔的轴向方向相平行，每一片的取向硅钢片为中部向两侧延伸凸起、上下部对称设置的十字形结构；柱状的定子铁芯中间部为方形立柱，上、下部为圆柱状立柱，该圆柱状的立柱外侧壁设有对称的立柱平面。

优选的，支架内设有两组冷却通道，两组冷却通道设置的高度位置与定子铁芯的两个超导线圈绕设部位置相配合，电机壳体的侧部设有冷却通道的进水口和出水口，冷却通道沿着每个超导线圈依次绕包，冷却通道内的冷却介质为液氮。

进一步，所述的铁芯放置孔沿电机壳体内壁均匀布置，铁芯放置孔的数量为3N，其中N为大于等于1的自然数。

进一步，每片取向硅钢片的中部尺寸相同，多个取向硅钢片叠加时中间部的取向硅钢片上下部宽度较宽，两端的取向硅钢片上下部的宽度较窄，使其叠加拼合而成的铁芯上、下部形成跑道状立柱。绕设于两个相邻的定子铁芯的超导线圈之间设有间隙。

更进一步，所述的每一组冷却通道包括两根支水道，每个超导线圈的内、外侧分别设有一冷却通道进水端或一冷却通道出水端；两根支水道并行进入一个超导线圈的冷却通道进水端，然后两根支水道相向而行将该超导线圈包围后在冷却通道出水端汇合，汇合后的两根支水道并行进入下一个超导线圈的冷却通道进水端，以此类推，形成一个完整的冷却通道回路。

相对于现有技术，本实用新型的技术方案除了整体技术方案的改进，还包括很多细节方面的改进，具体而言，具有以下有益效果：

1、本实用新型所述的改进方案，对电机的定子进行改进，电机壳体上设有多个铁芯放置孔，由取向硅钢叠片制成定子铁芯，在定子铁芯的两端分别绕包超导线圈，超导线圈则与电机壳体紧密贴合，电机壳体内设有冷却通道，冷却通道将超导线圈包围可以对超导线圈进行有效降温。由于设置了双向对称绕组的超导线圈，在电机尺寸不变的情况下，有限体积内极大的提高了电机功率密度；

2、采用取向硅钢，在转子极化方向上使用磁导率更高的取向硅钢叠片，同时定子极靴也使用取向硅钢叠片，实现驱动电机在较大电流情况下，定子齿部磁通仍未达到完全饱和，从而有效减少定、转子的槽漏抗，提供更大的扭矩，输出更高的功率密度；

3、本实用新型利用超导线圈磁体可以将发电机的磁场强度提高到5万～6万高斯，并且几乎没有能量损失。利用超导线圈的发电机单机发电容量比常规发电机提高5～10倍，达1万兆瓦，而体积却减少1/2，整机重量减轻1/3，发电效率提高50％；

4、本实用新型的技术方案的取向钢带在轧制方向的铁损仅为横向的1/3，磁导率之比为6：1，其铁损约为热轧带的1/2，磁导率为后者的2.5倍，不仅降低驱动电机铁损而且通过取向硅钢在其磁化方向上具有超高磁感实现感应驱动电机获得更高的扭矩输出；

5、取向硅钢片采用十字形结构，制备取向钢带时更节省材质，轧制工艺也更为简便可行，取向硅钢片叠加时，中间的取向硅钢片宽度较宽，两端的取向硅钢片宽度较窄，使得拼合后形成的铁芯两端部形成跑道状的立柱，这样的跑道状立柱有利于超导线圈的绕设，降低了磁损耗，提高了电机驱动效率；

6、由于每个铁芯上设有两组对称绕设的超导线圈，因此电机壳体内设有两组对应的冷却通道，每一组冷却通道均有两根支水道构成，支水道将超导线圈绕包后进行汇合，然后再流向下一个超导线圈进行冷却绕包，这样的冷却通道分布合理、占地空间小，同时冷却效果好，可以快速降温，长效稳定。

附图说明

图1是本实用新型的结构示意图。

图2是本实用新型所述的定子横截面结构示意图。

图3是本实用新型所述的定子横截面局部结构示意图。

图4是本实用新型所述的定子横截面又一结构示意图。

图5是本实用新型所述的电机壳体去除部分外壳后与冷却通道、超导线圈的配合示意图。

图6是本实用新型铁芯的结构示意图。

图7是本实用新型的取向硅钢片的冲片结构示意图。

图8是本实用新型的铁芯绕设超导线圈后形成磁钢的剖视图。

图9是本实用新型的定子绕组与冷却通道的配合示意图。

图10是本实用新型的超导线圈与支架的结合示意图。

图11是本实用新型的总装结构示意图。

图12是本实用新型的总装结构剖视图。

图13是本实用新型的总装结构局部剖视图。

附图标记：

1 电机壳体、2铁芯、3超导线圈、4冷却通道、7冷却通道的进、出水口；

2-1取向硅钢片的上部、2-2取向硅钢片的磁导方形、2-3取向硅钢片的中部；

1 电机壳体、2铁芯、3超导线圈、4冷却通道（上下）、5电机轴、6电机轴承、7冷却通道的进、出水口（上下）、8电机三相线接插件、9铁芯固定压板；

2-1取向硅钢片的上部、2-2取向硅钢片的磁导方形、2-3取向硅钢片的中部。

具体实施方式

下面将结合附图对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

本实用新型提供了一种盘式超导电机，参考图1中，所述的电机包括转子和与转子相配合的定子，其与现有技术的区别在于：所述的定子设置于电机壳体内，定子包括定子铁芯和定子绕组；电机壳体内设有支架,所述的支架上设有铁芯放置孔，所述的定子铁芯放置于铁芯放置孔内，定子铁芯是由多个竖向设置的取向硅钢片叠加形成的柱状铁芯，定子铁芯的中间部为支撑分割部，支撑分割部将定子铁芯分分割为上、下两个部分，定子铁芯的上、下部分别对称设置有超导线圈绕设部，取向钢带绕设于定子铁芯的超导线圈绕设部并形成超导线圈，这里的沿着定子铁芯上、下对称设置的超导线圈即是定子绕组结构。

由于采用超导线圈，超导线圈在临界温度T、临界磁场强度H及临界电流密度J值以内时具有超导性，其电阻为零。这将使超导电机绕组的电阻损耗降为零，既解决了电枢绕组发热、温升问题，又使电机效率大为提高。更重要的是超导线圈的临界磁场强度和临界电流密度都很高，使超导电机的气隙磁通密度和绕组的电流密度可比传统常规电机提高数倍乃至数十倍。这就大大提高电机的功率密度，降低电机的重量、体积和材料消耗。

由于采用超导线圈，使绕组提高了载流能力，产生比常规线圈大数倍的磁场而又几乎无焦耳热损耗，因而具有一系列先进的技术经济特性。如用于同步发电机可以提高电机效率，大约比常规电机提高0.5%～0.8%；体积小、重量轻，整机重量可减小1/3～1/2；电机电抗可减少到1/4，从而提高电机运行稳定性。更由于气隙磁通密度可比常规电机大4～5倍，单机容量可达百万千伏安以上。

具体来说，所述的上、下部超导线圈双向对称绕组设置，这样就能在有限的体积内大大提高了电机功率密度，同时由于支撑分割部的存在，超导线圈的绕设更为便捷、有序，并可以根据电机的尺寸、规格来设定超导线圈的尺寸、支撑分割部的尺寸，使得电机功率密度达到最佳值。同时，所述的超导线圈与电机壳体相接触，电机壳体内设有冷却通道，所述的冷却通道围绕铁芯放置孔设置并与超导线圈相对应设置，冷却通道内的冷却介质可以随时对铁芯进行有效冷却。上述对于盘式电机的颠覆性结构改进，在有限体积内提高了电机功率密度，使得电机获得更高的凸极率。

在实施中，本实用新型的方案也可以制成单转子的结构，也就是在定子铁芯上设置单侧的超导线圈，这里超导线圈采用取向钢带绕设而成，提高了电机功率密度，支架内设有与超导线圈相配合的冷却通道，冷却通道沿着每一个超导线圈绕包设置，冷却通道将超导线圈包围可以对超导线圈进行有效降温。由于采用取向硅钢，在转子极化方向上使用磁导率更高的取向硅钢叠片，同时定子极靴也使用取向硅钢叠片，实现驱动电机在较大电流情况下仍然具有较高的凸极率，有效减少定、转子的槽漏抗，提供更大的扭矩，输出更高的功率密度。

在一个实施例中，参见图6、图7，每一片叠加排列的取向硅钢片的磁导方向与铁芯放置孔的轴向方向相平行，每一片的取向硅钢片为中部向两侧延伸凸起、上下部对称设置的十字形结构；这里的中部向两侧延伸凸起形成方形或者长方形结构，每一片取向硅钢片的中部大小尺寸是一致的，这样能保证叠加后的形成的铁芯立柱中部能形成有效的支撑分割部，这个支撑分割部既起到分割上下超导线圈的作用，也起到支撑超导线圈为了使超导线圈与冷却水路更紧密贴合的作用，但每一个取向硅钢片的上、下部则是渐变的过程，设置在铁芯两端的取向硅钢片的上、下部宽度较窄，设置在铁芯中部的取向硅钢片的上、下部宽度较宽，使得叠加后形成的铁芯上、下部成为圆柱状的立柱，同时该圆柱状的立柱外侧壁设有对称的立柱平面，这样的圆柱状立柱从端面来看，就形成闭合的圆形跑道，这样跑道状的结构了有利于超导线圈的绕包，可以固定的更牢固、缠绕时稳定性更佳、减少材料损耗，因为超导线圈的材料非常昂贵，因此有效的节省材料，充分利用材料也是设计中必须要考虑的因素。

同时，取向硅钢片采用十字形结构，制备取向钢带时更节省材质，轧制工艺也更为简便可行，取向硅钢片叠加时，中间的取向硅钢片宽度大于两端的取向硅钢片宽度，使得拼合后形成的铁芯两端部形成跑道状的立柱，这样的跑道状立柱有利于超导线圈的绕设，降低了磁损耗，提高了电机驱动效率。

在另一个实施例中，参见图1，电机壳体上设有9个铁芯放置孔，所述的定子铁芯放置于铁芯放置孔内，这里的铁芯放置孔可以是圆形孔或者是椭圆形孔，定子铁芯与铁芯放置孔之间的配合关系具体可以参见图5所示，定子铁芯是由多个竖向设置的取向硅钢片叠加形成的柱状铁芯，定子铁芯的中间部为支撑分割部，支撑分割部将定子铁芯分分割为上、下两个部分，定子铁芯的上、下部分别对称设置有超导线圈绕设部，取向钢带绕设于定子铁芯的超导线圈绕设部并形成超导线圈。电机壳体内设有两组冷却通道，两组冷却通道设置的高度位置与定子铁芯的两个超导线圈绕设部位置相配合，由于铁芯的特殊结构，使得每个铁芯的上、下部分别设有对称设置的超导线圈，两组冷却通道则分别对应超导线圈设置，并对每一个超导线圈进行有效绕包和冷却降温，电机壳体的侧部设有冷却通道的进水口和出水口，冷却通道沿着每个超导线圈依次绕包，冷却通道内的冷却介质为液氮。

下面具体来说冷却水路的设置，参见图5、图9，所述的每一组冷却通道包括两根支水道，每个超导线圈的内、外侧分别设有一冷却通道进水端或一冷却通道出水端，比如第一个超导线圈内侧设有冷却通道进水端，外侧设有冷却通道出水端，则第二个超导线圈的内侧设有冷却通道出水端，外侧设有冷却通道进水端，依次类推，冷却通道进水端和出水端反向交替设置在两个相邻的超导线圈侧部，这样设置后，当两根支水道并行进入第一个超导线圈的冷却通道进水端，然后两根支水道相向而行将该超导线圈包围后在冷却通道出水端汇合，汇合后的两根支水道并行进入下一个超导线圈的冷却通道进水端，以此类推，形成一个完整的冷却通道回路。两根支水道则进行分、合、分、合这样的交替过程，这样的好处是两根支水道在分开时可以同时快速冷却一个超导线圈，在过弯道的时候流速不减，两根支水道在合并时又能互相进行一个热交换，达到冷却通道之间的热平衡，为下一次冷却做好准备，同时这样设置不仅节省流道布局的空间，同时流到布局与超导线圈之间完美匹配，功效加强。

在一个具体的实施例中，所述的铁芯放置孔沿电机壳体内壁均匀布置，铁芯放置孔的数量为3N，其中N为大于等于1的自然数，其中N的较佳值为2-12个。定子铁芯的中部为支撑分割部，上、下部为对称设置的圆柱状立柱，圆柱状立柱外绕包有超导线圈，这样一种布局，使得电机的定子结构非常稳固，在情况复杂下的工况下可以平稳运行。

进一步，取向硅钢片采用十字形结构，制备取向钢带时更节省材质，轧制工艺也更为简便可行，取向硅钢片叠加时，中间的取向硅钢片宽度较宽，两端的取向硅钢片宽度较窄，使得拼合后形成的铁芯两端部形成跑道状的立柱，这样的跑道状立柱有利于超导线圈的绕设，降低了磁损耗，提高了电机驱动效率。超导线圈绕制时，超导线绕着立柱层层盘设，一般需要盘设4-8层，每一层绕设的层厚度基本一致，使得绕制后的超导线圈外表面能够与支架相贴合，进一步有利于冷却通道对于超导线圈的降温效果。绕设于两个相邻的定子铁芯的超导线圈之间设有间隙。通过绕设上述超导线圈，产生的效果非常明显，由于超导线圈在临界温度T、临界磁场强度H及临界电流密度J值以内时具有超导性，其电阻为零。这将使超导电机绕组的电阻损耗降为零，既解决了电枢绕组发热、温升问题，又使电机效率大为提高。更重要的是超导线圈的临界磁场强度和临界电流密度都很高，使超导电机的气隙磁通密度和绕组的电流密度可比传统常规电机提高数倍乃至数十倍。这就大大提高电机的功率密度，降低电机的重量、体积和材料消耗。

本实用新型的技术方案的取向钢带在轧制方向的铁损仅为横向的1/3，磁导率之比为6：1，其铁损约为热轧带的1/2，磁导率为后者的2.5倍，不仅降低驱动电机铁损而且通过取向硅钢在其磁化方向上具有超高磁感实现感应驱动电机获得更高的扭矩输出。

以上对本实用新型的具体实施例进行了详细描述，但其只是作为范例，本实用新型并不限制于以上描述的具体实施例。对于本领域技术人员而言，任何对本实用新型进行的等同修改和替代也都在本实用新型的范畴之中。因此，在不脱离本实用新型的精神和范围下所作的均等变换和修改，都应涵盖在本实用新型的范围内。