一种块材型高温超导电机的励磁系统及励磁方法与流程

本发明涉及高温超导电机领域，特别是涉及一种块材型高温超导电机的励磁系统及励磁方法。

背景技术：

块材型高温超导电机的工作原理基于永磁同步电机，而要使用超导块来制作永磁电机，就必须先对超导块进行充磁，使超导块俘获一定的磁通后，才能将超导块作为准永磁体来使用。对超导块的充磁主要可以利用直流充磁和脉冲充磁两种方式，但经济合理的充磁方式主要是脉冲充磁，因为脉冲充磁的充磁时间极短，损耗很小，而且脉冲充磁的方法相对简单。

在块材型超导电机的制造过程中，充磁工序可以有三种情况:超导块组装到组件之前对超导块充磁，超导块组装成组件后进行充磁，或者在电机总装配完成后进行充磁。如果先充磁再装配，这样操作简单，加工方便，超导块俘获磁场较均匀，利用率高。但是这种方法不便于超导块材型电机的组装，因为超导块需要在液氮中冷却后才能充磁，并且充完磁的超导块要一直处于低温状态，避免退磁。这样，将充完磁的超导块安装到电机中将是十分困难的，且容易把一些磁性粉末带进电机和气隙中。

所以，如何在电机整体装配好后对其内部的超导块进行便捷、高效的充磁，成为了块材型高温超导电机的一个技术难点。

技术实现要素：

为解决现有技术中存在的上述缺陷，本发明的目的在于提供一种块材型高温超导电机的励磁系统及励磁方法，包括励磁线圈和外部脉冲电源两部分；其中励磁线圈由0.5mm漆包线绕制，通过转子上的齿槽和圆弧形孔绕制在高温超导块周围，每个超导块对应一个线圈绕组，相邻两个线圈绕组的绕制方向相反；脉冲电源主要基于rlc振荡电路原理，可在极短的时间内产生一个极大的电流。由于超导块需要俘获一定的磁通后才能作为准永磁体来使用，而将超导块充磁后再放入电机中是十分困难的，采用本发明可以在电机整体完全装配好的情况下，对电机内的高温超导块进行充磁，可以高效便捷的完成整个励磁过程。

本发明是通过下述技术方案来实现的。

一种块材型高温超导电机的励磁系统，包括电机转子和绕制在其上的励磁线圈，所述电机转子上设有沿其环向分布的槽体，槽体中安置高温超导块；电机转子上对应所述高温超导块的位置绕制有由相互串联的多组绕组构成的励磁线圈，相邻励磁线圈匝数相等、绕制方向相反；所述励磁线圈的引线通过中空的电机转轴引出到电机外部与脉冲电源相连。

对于上述技术方案，本发明还有进一步优选的方案：

进一步，所述电机转子包括分布在其外圆周上分组均布的齿槽，对应两两一组齿槽的电机转子内侧设有圆弧形槽，圆弧形槽的内侧电机转子的中心为电机转轴轴孔。

进一步，各圆弧形槽上设有一对延伸至齿槽方向的矩形槽，高温超导块放置在矩形槽中。

进一步，所述高温超导块为直径不大于28mm的ybco超导块；超导块在轴向上由绕制在其周围的线圈固定，沿超导块表面的法线方向与线圈产生的磁场方向一致。

进一步，所述相互串联的多组绕组分别绕制在电机转子的齿槽和圆弧形槽之间；励磁线圈由漆包线绕制。

进一步，所述绕组线圈匝数不少于300匝；线圈的层数不小于7层，每层匝数不大于50匝。

进一步，所述励磁线圈工作在液氮环境中。

进一步，所述脉冲电源包括并联在电源v0上的电容c、电感l和电阻r构成的一个rlc振荡电路；所述电容c两端并联有一个二极管。

本发明相应地给出了一种块材型高温超导电机的励磁方法，包括如下步骤：

1)将超导块放置在矩形槽中，通过电机转子上的齿槽和圆弧形槽将漆包线绕制在超导块周围形成匝数相等的励磁线圈，沿电机转子圆周方向相邻线圈的绕制方向相反；

2)将励磁线圈相互串联，两端的引线通过电机转轴上的小孔，并沿着中空的电机转轴引出至电机外部；

3)完成电机的整体装配，通过电机转轴上的小孔向电机内部通入液氮，使超导块充分冷却至超导态；

4)将励磁线圈的引线与脉冲电源相连，待脉冲电流充电完成后按下开关，完成对电机内部超导块的励磁过程。

进一步，每个线圈均匀绕300-350匝。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下有益效果：

本发明提供了块材型高温超导电机在整体装配好后，对其内部超导块进行充磁的可行方案。由于超导块需要俘获一定的磁通后才能作为准永磁体来使用，而将超导块充磁后再放入电机中是十分困难的。采用本发明可以在电机整体完全装配好的情况下，对电机内的高温超导块进行充磁，可以高效便捷的完成整个励磁过程。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的不当限定，在附图中：

图1为一种块材型高温超导电机的励磁线圈示意图；

图2为线圈提供支持的转子结构图；

图3是脉冲电源电路原理图；

图4是线圈引出线示意图；

图5是线圈绕制在转子上的示意图。

图中：11、转子槽；12、矩形槽；13、螺栓孔；14、圆弧形槽；15、轴孔；16、键槽。

1、转子；2、螺栓；3、线圈引出线；4、转轴；5、a型键。

具体实施方式

下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本发明。在此本发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

如图1-4所示，本发明的一种块材型高温超导电机的励磁系统，包括电机转子和绕制在其上的励磁线圈，电机转子上设有沿其环向分布的槽体，槽体中安置高温超导块；电机转子上对应所述高温超导块的位置电机转子上绕制有由相互串联的多组绕组构成的励磁线圈，各组绕组线圈匝数相等、绕制方向相反；励磁线圈绕组引线通过中空的电机转轴引出到电机外部与脉冲电源相连。

图1是一种块材型高温超导电机的励磁线圈示意图。由6个绕制方向依次相反的线圈组成。

图2是为线圈提供支持的转子结构图。电机转子的齿槽11沿圆周向分组均布，对应两两一组齿槽11的电机转子内侧设有圆弧形槽14，圆弧形槽14的内侧电机转子的中心为电机转轴轴孔15。各圆弧形槽14上设有一对延伸至齿槽11方向的矩形槽12。高温超导块放置在矩形槽12中，在本实施例中，高温超导块为直径不大于28mm的ybco超导块；超导块在轴向上由绕制在其周围的线圈固定，沿超导块表面的法线方向与线圈产生的磁场方向一致。在电机转子上还设有均布的螺栓孔13。电机转轴轴孔上设有键槽16。励磁线圈按照相互串联的多组绕组分别绕制在电机转子的齿槽11和圆弧形槽14之间；励磁线圈由漆包线绕制。

图3是脉冲电源电路图。包括并联在电源v0上的电容c、电感l和电阻r构成的一个rlc振荡电路；电容c两端或再并联一个二极管。

在本实施例中，因为线圈匝数对充磁强度有着直接的影响，所以要想使磁场强度最大，就要尽量增大匝数。但如果不断增加匝数将使得电路中的阻抗增加，使得放电回路的峰值电流减小。线圈匝数也不能太少，否则线圈产生的磁场强度将不足以满足要求，同时对电路中元件的参数要求更高，让系统设计的难度加大。经过计算和仿真，在本实施例中，设计的线圈匝数采用315匝左右，线圈的层数不小于7层，每层匝数不大于50匝。在保持充电电压和电路参数不变的情况下，这种设计的安匝数最大，产生的磁场也最强。在匝数一定时，线圈较短将会使得线圈外径增加，这样会使得漏磁增大，降低充磁的效率。

在充磁时，超导块需要处于线圈内部。经过理论分析，充磁线圈两端产生的磁场强度是线圈中心磁场强度的一半，所以为了使磁场能量最大化并得到利用，设计时要将超导块放在线圈中心处。线圈长度至少要超过超导块厚度的2倍，线圈长度也不需要太长。

在本实施例中，设计的充磁线圈做到了匝数尽可能多，层数多、每层匝数尽量少。增加了线圈的电感值，降低了脉冲峰值电流，但产生的磁场强度峰值却很大。利用这种设计可以降低对电路元件参数的要求，因为脉冲峰值电流被降低了。此时线圈产生的热量也会随之减少，整个系统结构简化，提高了系统的可靠性。

在本实施例中，图2所示，励磁线圈通过齿槽和圆弧孔绕制在转子上，同时将超导块包绕在其内部。在绕制相同的匝数时，采用细绞线绕制的线圈可以忽略集肤效应，这样产生的磁场将会更强。当绕线的铜线线径太细时，线圈电阻就会增大，此时线圈的压降增大，放电回路的电流也会降低，损耗增大，同时产生的热量也会增多，导致充磁的效率低下。通过对比分析，在本实施例中选择线径为0.5mm的铜线最合适。要使线圈产生的磁场均匀集中，让更多的磁力线穿过超导块，所以线圈内径就要尽可能小，这样也可以降低涡流损耗。因为采用的超导块是直径28mm的ybco超导块，所以线圈内径尽可能设计的接近超导块直径。

在本实施例中，图3所示，利用大容量的电容或者电容组充放电来产生一个瞬时的大电流，从而在充磁线圈中产生一个强磁场来对超导块充磁，因为充磁时间只有短短的几毫秒，损耗非常小，所以产生的强脉冲电流是不会烧坏线圈的，而且充磁线圈是处于液氮当中的，进一步提高了铜线的通流能力。如图3所示，首先将开关投向左边，使用一个直流电源或者经过整流的交流电给电容充电，当电容器充满电后，把开关投向右边位置，此时电容开始放电，电路构成一个rlc振荡电路，从而在一瞬间产生一个极大电流。为了防止脉冲线圈对电容器反向充电，可以在电容两端并联一个二极管。

在本实施例中，电路处于欠阻尼减幅振荡状态。脉冲电路一共存在四种工作状态，分别是无损耗状态、临界阻尼状态、过阻尼状态、欠阻尼减幅振荡状态。以上四种状态中，第一种状态是一种理想状态，在实际中并不存在。第二和第三种状态虽然电流没有反向可以防止振荡，但是这两种状态峰值电流较小，而且能量消耗较大。第四种状态是一种欠阻尼减幅振荡状态，对比几种状态的脉冲放电情况可以知道，在欠阻尼状态时产生第一个峰值电流最大，时间最短。而且在定量充磁时主要用到第一个峰值电流，之后的电流会在线圈中产生许多热量，从而影响充磁，所以在脉冲电路的设计时尽量让电路参数满足欠阻尼状态，可以利用二极管的单向导电性来获取第一个脉冲峰值，同时阻止峰值之后的电流对充磁线圈反向充磁。

图4是线圈引出线示意图。电机的转子1通过a型键5定位在转轴4上，转子1上贯穿有螺栓2，线圈引出线3通过转轴4上的中心孔引出。

图5为本实施例线圈绕制在转子上的整体结构示意图。

在本实施例中，该块材型高温超导电机励磁系统的安装步骤和方法如下：

(1)将超导块放置在矩形槽中，通过转子上的齿槽和圆弧孔将漆包线绕制在超导块周围，每绕完一个线圈后下一个线圈的绕制方向与前一个相反，每个线圈均匀绕315匝，在绕制时注意不要损坏漆包线；

(2)将励磁线圈最后的引线通过转轴上的小孔，沿着中空的电机转轴引出到电机外部；

(3)完成电机的整体装配，通过转轴上的小孔向电机内部通入液氮，使超导块充分冷却至超导态；

(4)将励磁线圈的引出线与脉冲电源相连，待脉冲电流充电完成后按下开关，完成对电机内部超导块的励磁过程。

本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。