一種混合繞組高速雙饋超導(dǎo)電機(jī)系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種電機(jī)系統(tǒng)，尤其涉及一種混合繞組高速雙饋超導(dǎo)電機(jī)系統(tǒng)。 技術(shù)背景
[0002] 隨著超導(dǎo)技術(shù)的迅速發(fā)展，超導(dǎo)線材由于其無(wú)電阻、無(wú)損特性，國(guó)內(nèi)外開發(fā)很多類 型的超導(dǎo)電機(jī)用于船舶電力推進(jìn)、風(fēng)力發(fā)電等領(lǐng)域。此種類型的超導(dǎo)電機(jī)有使用鎳鈦合金 的低溫超導(dǎo)電機(jī)系統(tǒng)，也有使用Bi2223或者YBCO帶材的高溫超導(dǎo)電機(jī)。這種超導(dǎo)電機(jī)將 超導(dǎo)體的超導(dǎo)電性運(yùn)用到電機(jī)的轉(zhuǎn)子中，使得超導(dǎo)線圈在低溫環(huán)境中（例如4. 2K或者77K) 中產(chǎn)生高磁場(chǎng)密度，利用這種比傳統(tǒng)電機(jī)磁場(chǎng)密度高2~3倍的磁場(chǎng)密度有效地減小電機(jī) 的體積和質(zhì)量，相關(guān)的研宄證明，通過(guò)這種方式可以將同等功率的電機(jī)質(zhì)量減小為原來(lái)的 1/3左右。目前這種高溫/低溫超導(dǎo)電機(jī)已經(jīng)成功研發(fā)并已應(yīng)用到船舶推進(jìn)和風(fēng)力發(fā)電領(lǐng) 域，并得到了廣泛地應(yīng)用。
[0003] 但是這些超導(dǎo)電機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域通常要求的轉(zhuǎn)速不高，最高轉(zhuǎn)速為1500轉(zhuǎn)/分。其 原因是目前的高溫超導(dǎo)帶材（Bi2223或者YBCO帶材）或者低溫超導(dǎo)帶材（例如鎳鈦合金） 的電載流特性都難以運(yùn)行在高頻電流的環(huán)境下，超導(dǎo)線材在高頻條件下，載流能力下降且 交流損耗嚴(yán)重，難以發(fā)揮超導(dǎo)電性的優(yōu)勢(shì)。此外，超導(dǎo)線圈在高頻磁場(chǎng)條件下，超導(dǎo)體的臨 界電流也下降很多，因此，在超導(dǎo)線圈應(yīng)用在超導(dǎo)電機(jī)中通常都運(yùn)行在低速、低頻條件下。
[0004] 提高電機(jī)的功率密度也可以從提高轉(zhuǎn)速上來(lái)實(shí)現(xiàn)，當(dāng)電機(jī)運(yùn)行在高速條件下時(shí)， 高速電機(jī)的功率密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了超導(dǎo)電機(jī)的功率密度。且超導(dǎo)電機(jī)低速運(yùn)行特性也嚴(yán)重限 制了超導(dǎo)電機(jī)的應(yīng)用和發(fā)展。
[0005] 因此本發(fā)明專利針對(duì)這種情況，提出一種新型的超導(dǎo)高速電機(jī)，該電機(jī)不但采用 超導(dǎo)繞組來(lái)增加電機(jī)的功率密度，其轉(zhuǎn)速還可以運(yùn)行在高速條件下，從出力條件和轉(zhuǎn)速條 件上兩個(gè)方面提高電機(jī)的功率密度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明為解決超導(dǎo)線圈難以應(yīng)用于高速電機(jī)中，提出一種利用超導(dǎo)線圈和銅繞組 線圈同時(shí)應(yīng)用在高速電機(jī)定子中，而轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)采用兩種不同的磁導(dǎo)率材料組成，通過(guò)超導(dǎo) 線圈高載流能力、高磁場(chǎng)產(chǎn)生能力增加電機(jī)轉(zhuǎn)矩，銅繞組線圈提供高頻磁場(chǎng)使得電機(jī)轉(zhuǎn)子 運(yùn)行在高轉(zhuǎn)速條件下，利用兩種線圈的不同特性實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)電機(jī)高速旋轉(zhuǎn)。
[0007] 為達(dá)到以上目的，本發(fā)明提供一種混合繞組高速雙饋超導(dǎo)電機(jī)系統(tǒng)，包括：
[0008] 定子、超導(dǎo)線圈組、銅線圈組、超導(dǎo)冷卻裝置和轉(zhuǎn)子，
[0009] 所述定子包括定子鐵軛、超導(dǎo)線圈組、銅線圈組和超導(dǎo)冷卻裝置；超導(dǎo)線圈組和銅 線圈組交替地設(shè)置在定子鐵軛的線圈槽內(nèi)，定子的定子鐵軛具有偶數(shù)個(gè)等夾角間隔的線圈 槽，所述超導(dǎo)冷卻裝置用于冷卻超導(dǎo)線圈組；
[0010] 所述轉(zhuǎn)子包括轉(zhuǎn)子機(jī)構(gòu)組、轉(zhuǎn)子超導(dǎo)塊材和轉(zhuǎn)子軸；轉(zhuǎn)子機(jī)構(gòu)組為等夾角間隔的 齒形，轉(zhuǎn)子超導(dǎo)塊材貼于轉(zhuǎn)子機(jī)構(gòu)組中的齒形空缺處；轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)子軸穿過(guò)定子，轉(zhuǎn)子機(jī)構(gòu)組 和轉(zhuǎn)子超導(dǎo)塊材位于定子內(nèi)部并與轉(zhuǎn)子軸緊密結(jié)合；
[0011] 所述轉(zhuǎn)子超導(dǎo)塊材和轉(zhuǎn)子機(jī)構(gòu)組的齒形結(jié)構(gòu)的數(shù)量相同，所述轉(zhuǎn)子超導(dǎo)塊材的數(shù) 量為超導(dǎo)線圈組和銅線圈組各自構(gòu)成的磁極對(duì)數(shù)之和。
[0012] 優(yōu)選的是，所述定子鐵軛的線圈槽數(shù)為超導(dǎo)線圈和銅線圈所產(chǎn)生的各自的磁極數(shù) 的最小公倍數(shù)乘以相數(shù)再乘以整數(shù)倍。
[0013] 優(yōu)選的是，所述定子鐵軛包括柱狀鐵筒和隔板，所述隔板位于柱狀鐵筒上形成線 圈槽；
[0014] 兩相鄰的隔板之間形成一個(gè)內(nèi)側(cè)線圈槽和一個(gè)外側(cè)線圈槽；所述超導(dǎo)線圈和銅線 圈采用背繞式繞法，彎曲部半徑恒定地繞柱狀鐵筒壁的軸向纏繞。
[0015] 優(yōu)選的是，兩相鄰隔板形成的內(nèi)側(cè)線圈槽和外側(cè)線圈槽內(nèi)的線圈為超導(dǎo)線圈或銅 線圈中的一種。
[0016] 優(yōu)選的是，所述超導(dǎo)冷卻裝置的結(jié)構(gòu)包括超導(dǎo)線圈冷卻流道和超導(dǎo)線圈冷卻回路 蓋；嵌入于定子鐵軛線圈槽內(nèi)的超導(dǎo)線圈冷卻流道與兩端的超導(dǎo)線圈冷卻回路蓋緊密結(jié)合 并將超導(dǎo)線圈組封閉于其腔內(nèi)，腔內(nèi)充滿冷卻介質(zhì)；超導(dǎo)線圈冷卻回路蓋的一側(cè)開有與相 對(duì)應(yīng)的超導(dǎo)線圈組相通的冷卻回路接線孔；所述冷卻回路接線孔同時(shí)作為冷卻介質(zhì)的輸出 或輸入孔。
[0017] 優(yōu)選的是，所述超導(dǎo)線圈組可根據(jù)磁極對(duì)數(shù)和繞組連接形式的需要，將所述接線 孔內(nèi)的超導(dǎo)線圈進(jìn)行電連接從而對(duì)超導(dǎo)線圈組進(jìn)行接線組合。
[0018] 優(yōu)選的是，所述超導(dǎo)線圈組冷卻流道由玻璃鋼制成。
[0019] 優(yōu)選的是，所述定子鐵軛的線圈槽數(shù)為12個(gè)，相隔機(jī)械角度為30度，銅線圈組產(chǎn) 生的磁極數(shù)為2極，超導(dǎo)線圈組產(chǎn)生的磁極數(shù)為4極，所述轉(zhuǎn)子超導(dǎo)塊材的數(shù)量為3塊。
[0020] 優(yōu)選的是，所述轉(zhuǎn)子機(jī)構(gòu)組為導(dǎo)磁硅鋼片，所述轉(zhuǎn)子超導(dǎo)塊材通過(guò)高強(qiáng)度樹脂環(huán) 氧膠粘貼于轉(zhuǎn)子機(jī)構(gòu)組上。
[0021] 優(yōu)選的是，所述定子整體在真空模具中進(jìn)行低溫環(huán)氧灌封，將超導(dǎo)線圈組、超導(dǎo)冷 卻回路裝置、銅線圈組和定子鐵軛統(tǒng)一成為一個(gè)整體，從而使得電機(jī)的銅線圈組和定子鐵 軛利用超導(dǎo)冷卻回路裝置進(jìn)行冷卻。
[0022] 本發(fā)明的有益效果：本發(fā)明的雙饋高速超導(dǎo)電機(jī)體統(tǒng)擺脫了傳統(tǒng)的超導(dǎo)電機(jī)采用 超導(dǎo)線圈單一應(yīng)用于轉(zhuǎn)子或定子結(jié)構(gòu)，反而采用超導(dǎo)線圈提供高轉(zhuǎn)矩輸出，采用銅繞組線 圈提供高速磁場(chǎng)條件，利用磁阻轉(zhuǎn)子的磁場(chǎng)調(diào)制作用，分別調(diào)制兩種線圈所產(chǎn)生的磁場(chǎng)，最 終實(shí)現(xiàn)高速大轉(zhuǎn)矩的輸出。高速超導(dǎo)電機(jī)可以應(yīng)用于航空航天的高速動(dòng)力系統(tǒng)，通過(guò)高速 和超導(dǎo)兩方面的特點(diǎn)，提高電機(jī)的功率密度，使得大功率電機(jī)可以應(yīng)用于航天器中。
【附圖說(shuō)明】
[0023] 圖1為本發(fā)明的混合繞組高速雙饋超導(dǎo)電機(jī)系統(tǒng)的徑向剖面圖；
[0024] 圖2為本發(fā)明的定子中的超導(dǎo)冷卻裝置示意圖；
[0025] 圖3為本發(fā)明的混合繞組高速雙饋超導(dǎo)電機(jī)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0026] 圖4為本發(fā)明的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)示意圖；
[0027] 圖5為本發(fā)明的定子鐵軛結(jié)構(gòu)示意圖；
[0028] 圖6為本發(fā)明的轉(zhuǎn)矩的數(shù)據(jù)圖。
【具體實(shí)施方式】
[0029] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明：
[0030] 如圖1、圖2和圖3所示，一種混合繞組高速雙饋超導(dǎo)電機(jī)系統(tǒng)，包括：
[0031] 定子1、超導(dǎo)線圈組5、銅線圈組4、超導(dǎo)冷卻裝置16和轉(zhuǎn)子9 ;其中，
[0032] 所述定子1包括定子鐵軛、超導(dǎo)線圈組5、銅線圈組4和超導(dǎo)冷卻裝置16 ;超導(dǎo)線 圈組5和銅線圈組4交替地設(shè)置在定子鐵軛的線圈槽內(nèi)，定子1的定子鐵軛具有偶數(shù)個(gè)等 夾角間隔的線圈槽，所述超導(dǎo)冷卻裝置16用于冷卻超導(dǎo)線圈組5。定子1的外部用外罩13 封閉。
[0033] 所述定子鐵軛的線圈槽數(shù)為超導(dǎo)線圈和銅線圈所產(chǎn)生的各自的磁極數(shù)的最小公 倍數(shù)乘以相數(shù)再乘以整數(shù)倍。
[0034] 如圖5所示，所述定子鐵軛包括柱狀鐵筒2和隔板3,所述隔板3位于柱狀鐵筒2 上形成線圈槽；兩相鄰的隔板3之間形成一個(gè)內(nèi)側(cè)線圈槽8和一個(gè)外側(cè)線圈槽7 ;所述超導(dǎo) 線圈和銅線圈采用背繞式繞法，彎曲部半徑恒定地繞柱狀鐵筒壁的軸向纏繞。兩相鄰隔板3 形成的內(nèi)側(cè)線圈槽8和外側(cè)線圈槽7內(nèi)的線圈為超導(dǎo)線圈或銅線圈的一種，如果設(shè)兩相鄰 隔板3之間形成的線圈槽為一組，則每組線圈槽內(nèi)的線圈只有一種。本發(fā)明中提出的背繞 法，是將單個(gè)線圈沿著外圈（外側(cè)線圈槽）和內(nèi)圈（內(nèi)側(cè)線圈槽）進(jìn)行繞制。由于采用了 背繞法，超導(dǎo)線圈繞制時(shí)不能像常規(guī)電機(jī)那樣采用槽內(nèi)穿線的方法繞制，因此可將定子鐵 心按照槽位置拆分成等距的弧形，將超導(dǎo)線材依次繞制在該弧形上，而后進(jìn)行組合。
[0035] 所述超導(dǎo)冷卻裝置16的結(jié)構(gòu)包括超導(dǎo)線圈冷卻流道6和超導(dǎo)線圈冷卻回路蓋14 ; 嵌入于定子鐵軛線圈槽（包括內(nèi)側(cè)線圈槽8和外側(cè)線圈槽7)內(nèi)的超導(dǎo)線圈冷卻流道6與 兩端的超導(dǎo)線圈冷卻回路蓋14緊密結(jié)合并將超導(dǎo)線圈組5封閉于其腔內(nèi)，腔內(nèi)充滿冷卻介 質(zhì)；超導(dǎo)線圈冷卻回路蓋14的一側(cè)開有與相對(duì)應(yīng)的超導(dǎo)線圈組5相通的冷卻回路接線孔 15 ;所述冷卻回路接線孔15與用于輸出液氮的冷卻孔為同一個(gè)孔，即超導(dǎo)線圈組5通過(guò)冷 卻回路接線孔15與外部電源連接，同時(shí)，接線孔也作為液氮的流動(dòng)通道。