一種無鐵芯型兆瓦級超導電機系統的製作方法

2023-06-02 00:31:21 1

一種無鐵芯型兆瓦級超導電機系統的製作方法
【專利摘要】本發明公開了一種無鐵芯型兆瓦級超導電機系統。該系統中的無鐵芯結構超導轉子包括線圈骨架，超導勵磁線圈，及與線圈骨架相連的扭矩管；超導勵磁線圈在線圈骨架的上下表面均有繞制，呈迴旋U形結構，相鄰兩條有效勵磁邊相互平行、分別構成一對磁極中的正極或負極；線圈骨架上表面繞制的超導勵磁線圈的有效勵磁邊與線圈骨架下表面繞制的超導勵磁線圈的有效勵磁邊關於線圈骨架對稱，且彼此對稱的兩條有效勵磁邊的勵磁電流方向相同。與現有技術相比，本發明通過對超導勵磁線圈及其支撐骨架和扭矩管的結構設計，具有比跑道型勵磁線圈更好的勵磁效果和機械性能，能夠很好地解決由於去除鐵芯後帶來的超導勵磁線圈的勵磁效果、機械應力和支撐保護問題。
【專利說明】一種無鐵芯型兆瓦級超導電機系統
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種具有迴旋U形結構超導勵磁線圈的無鐵芯型兆瓦級超導電機系統。
【背景技術】
[0002]超導電機最大的優勢在於效率高、體積小、重量輕。對於十個兆瓦以上的大型電機系統，如風機、船舶推進電機，通常轉子上會採用鐵芯結構來約束磁路、加強磁場，同時對超導勵磁線圈起到支撐保護作用。然而，鐵芯結構也有其負面作用，如存在磁飽和現象，影響氣隙磁密的線性增加，同時大大增加了系統的質量，增加了運輸和裝配的難度。理論上，採用空心結構可以很好地解決上述由鐵芯結構帶來的問題，但由於去除了鐵芯，不僅使得勵磁效果大打折扣，而且離心力和洛倫茲力等作用力將直接作用在超導勵磁線圈上，尤其對結構上相互獨立的跑道型勵磁線圈的作用尤為明顯，惡劣情況下，如短路故障時，將會造成超導材料的形變甚至斷裂，嚴重影響整個系統的正常工作。

【發明內容】

[0003]本發明的目的就是針對現有技術的不足，提供一種無鐵芯型兆瓦級超導電機系統，通過對超導勵磁線圈及其支撐骨架和扭矩管的結構設計，具有比跑道型勵磁線圈更好的勵磁效果和機械性能，能夠很好地解決由於去除鐵芯後帶來的超導勵磁線圈的勵磁效果、機械應力和支撐保護問題。
[0004]為實現上述目的，本發明的技術方案如下:
[0005]本發明提出的一種無鐵芯型兆瓦級超導電機系統，包括常規定子、無鐵芯結構的超導轉子和低溫製冷裝置；所述轉子包括線圈骨架，繞制在線圈骨架上的超導勵磁線圈，及與線圈骨架相連的扭矩管。超導勵磁線圈在線圈骨架的上表面和下表面均有繞制(在超導電機系統中線圈骨架實為圓柱形，即線圈骨架的外側表面和內側表面均繞制有超導勵磁線圈)；超導勵磁線圈呈迴旋U形結構，相鄰兩條有效勵磁邊相互平行、分別構成一對磁極中的正極或負極，連接相鄰兩條有效勵磁邊的圓弧端只要符合超導帶材或線材的彎曲度即可；線圈骨架上表面(即線圈骨架外側表面)繞制的超導勵磁線圈的有效勵磁邊與線圈骨架下表面(即線圈骨架內側表面)繞制的超導勵磁線圈的有效勵磁邊關於線圈骨架對稱,且彼此對稱的兩條有效勵磁邊的勵磁電流方向相同。相對於相互獨立的跑道型勵磁線圈，本發明的超導勵磁線圈由超導帶材或線材串聯呈迴旋U形結構，構成一個整體，且繞制在線圈骨架上，這樣將跑道型勵磁線圈的分散應力作用到線圈骨架和整體的超導勵磁線圈上，能夠獲得更好的機械性能，同時結構上更加緊湊的、彼此對稱的兩條有效勵磁邊，在通入同向的勵磁電流後，可以獲得更好磁場特性。
[0006]繞制上述超導勵磁線圈的優選方案是:在一個線圈骨架上，該線圈骨架的上下表面(即內外側表面)均具有呈迴旋U形結構、供超導帶材或線材繞制的凹槽，上下表面的凹槽結構在相位上相差180°、且上下表面的凹槽連通。最終得到的結構是，線圈骨架上表面繞制的超導勵磁線圈和線圈骨架下表面繞制的超導勵磁線圈為以串聯形式連接的超導帶材或線材連續不斷繞制而成的一個整體。
[0007]繞制上述超導勵磁線圈的方案也可以是:在一個線圈骨架上，該線圈骨架的上下表面(即內外側表面)均具有呈迴旋U形結構、供超導帶材或線材繞制的凹槽，上下表面的凹槽結構在相位上相差180°、且結構上相互獨立；超導帶材或線材分別繞制在線圈骨架的上下表面。最終得到的結構是，線圈骨架上表面繞制的超導勵磁線圈與線圈骨架下表面繞制的超導勵磁線圈彼此獨立。
[0008]所述超導勵磁線圈可以是由YBCO高溫超導帶材、BSCCO高溫超導帶材和MgB2低溫超導線材三種超導材料並聯繞制在線圈骨架上形成，三種超導材料距離線圈骨架的距離不同(即線圈骨架為圓柱形時，三種超導材料依次沿線圈骨架的徑向排布)，三種超導材料沿靠近線圈骨架I的方向依次排布為MgB2低溫超導線材、BSCCO高溫超導帶材和YBCO高溫超導帶材。目前，市場上相同長度的YBCO高溫超導帶材的價格是MgBdS溫超導線材的7.5倍，相同長度的BSCCO高溫超導帶材價格是Mg2B低溫超導線材的5倍；根據三種超導材料的臨界磁場特性，並結合超導勵磁線圈的「內強外弱」的磁場分布特點，將三種超導材料並聯後繞制超導勵磁線圈可以大大降低生產成本。另外，將三種超導材料並聯成一個整體，可以在一定程度上降低垂直磁場B I對超導材料特性的影響。由於三種超導材料臨界磁場B。由大到小依次為=YBCO高溫超導帶材、BSCCO高溫超導帶材和Mg2B低溫超導線材，所以按照圖8所示的纏繞結構，由內(靠近線圈骨架一側)到外，依次為YBCO高溫超導帶材、BSCCO高溫超導帶材和Mg2B低溫超導線材。
[0009]超導勵磁線圈與線圈骨架通過環氧樹脂浸潰、或其他一切可行的封裝技術封裝為一個整體，並通過輔助結構加固。
[0010]所述扭矩管為摺疊式雙層結構，沿超導勵磁線圈的有效勵磁邊延伸；扭矩管在沿超導勵磁線圈有效勵磁邊的方向上開有矩形孔，以減小扭矩管的等效面積和熱輻射。扭矩管的頂部固定端與線圈骨架固定連接，扭矩管的底部固定端與轉子支撐結構固定連接；扭矩管實現對超導勵磁線圈的支撐和扭矩傳遞，並實現從「低溫端」(扭矩管的底部固定端)向「常溫端」(轉子支撐結構)的過渡，最終與常溫轉子支撐結構固定，實現對整個轉子結構的支撐。所述扭矩管由機械強度大、導熱率低的玻璃纖維複合材料製成；扭矩管結構上首尾相連，保證了機械強度；等效面積小，沿超導勵磁線圈的有效勵磁邊延展，降低了由扭矩管向超導線圈的熱輻射。
[0011]設有與扭矩管結構相匹配的冷屏，用於降低熱輻射，所述冷屏有三層絕熱板；其中頂層絕熱板置於線圈骨架上表面繞制的超導勵磁線圈上方(即置於線圈骨架外側表面繞制的超導勵磁線圈外側)，用於防止電樞繞組的熱輻射；另外兩層絕熱板分別置於扭矩管的內外兩層之間和扭矩管下方(即扭矩管內側)，用於對來自扭矩管的熱輻射進行充分的屏蔽。所述冷屏由一級冷頭製冷，溫度在40K左右；超導勵磁線圈由二級冷頭製冷。
[0012]所述兆瓦級超導電機系統的轉子軸向長度與徑向長度之比大於I (即「長軸型」兆瓦級超導電機系統)，轉子直徑為1.2-1.5m。此類大容量超導電機系統多用於船舶推進。針對「長軸」型兆瓦級超導電機系統，對其低溫製冷裝置的結構進行特殊設計，使低溫製冷裝置隨轉子同步旋轉，有效避開低溫旋轉接頭密封、熱輻射及對流換熱等問題對製冷系統的負面影響。所述低溫製冷裝置包括依次相連的有油渦旋壓縮機、其上纏有冷卻水管的後冷器、油分離器、緩衝罐和冷頭；冷頭固定在轉子上，有油渦旋壓縮機、後冷器、油分離器和緩衝罐固定在轉軸的固定板上，隨轉子和轉軸同步旋轉；為冷卻水管引入引出循環冷卻水的旋轉接頭與轉子轉軸相連，為壓縮機供電的滑環複合在旋轉接頭上；冷頭深入真空屏對超導勵磁線圈和冷屏進行傳導冷卻。
[0013]與現有技術相比，本發明的有益效果是:採用線圈骨架上下表面均繞制迴旋U形結構超導勵磁線圈、且上下對稱的兩條有效勵磁邊勵磁電流方向相同，使得本發明的超導勵磁線圈結構具有比傳統跑道型勵磁線圈更好的勵磁效果；採用構成一個整體的超導勵磁線圈，且繞制在線圈骨架上，將跑道型勵磁線圈的分散應力作用到線圈骨架和整體的超導勵磁線圈上，能夠獲得更好的機械性能；由於線圈骨架的支撐作用、並採用了摺疊式雙層結構的扭矩管，能夠很好地解決由於去除鐵芯後帶來的超導勵磁線圈的機械應力和支撐保護問題；採用與扭矩管結構相匹配的、具有三層絕熱板的冷屏，能夠很好地解決扭矩傳輸結構的熱輻射問題，保證超導勵磁線圈穩定的低溫環境；針對兆瓦級超導電機「長軸」的特點，採用隨轉子和轉軸同步旋轉的低溫製冷裝置，有效地避開了低溫旋轉接頭密封、熱輻射及對流換熱等問題對製冷系統的負面影響。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1是無鐵芯型兆瓦級超導電機系統的結構不意圖。
[0015]圖2是繞制在線圈骨架上下表面的超導勵磁線圈連為一個整體時的結構示意圖。
[0016]圖3是繞制在線圈骨架上下表面的超導勵磁線圈彼此獨立時的立體結構示意圖。
[0017]圖4是成型後實際在無鐵芯型兆瓦級超導電機系統中使用的線圈骨架和超導勵磁線圈的立體結構示意圖。
[0018]圖5是扭矩管的立體結構示意圖。
[0019]圖6是冷屏的立體結構示意圖。
[0020]圖7是無鐵芯型兆瓦級超導電機系統的立體結構示意圖。
[0021]圖8是實施例3中三種超導材料繞制的超導勵磁線圈的結構示意圖。
[0022]圖中標號如下:
[0023]I線圈骨架2超導勵磁線圈
[0024]3扭矩管4有效勵磁邊
[0025]5頂部固定端6矩形孔
[0026]7底部固定端8轉子支撐結構
[0027]9絕熱板10 —級冷頭
[0028]11 二級冷頭12壓縮機
[0029]13後冷器14油分離器
[0030]15緩衝罐16轉軸
[0031]17旋轉接頭18真空屏
[0032]19固定板20 MgB2低溫超導線材
[0033]21 BSCCO高溫超導帶材 22 YBCO高溫超導帶材
【具體實施方式】[0034]下面結合附圖，對本發明的優選實施例作進一步的描述。
[0035]實施例1
[0036]如圖1、圖2、圖3、圖4、圖5、圖6、圖7所示。搭建一無鐵芯型兆瓦級超導電機系統，包括常規定子、無鐵芯結構的超導轉子和低溫製冷裝置；所述轉子軸向長度為1.5m，轉子直徑為1.2m。具體結構:定子為雙層結構的銅製電樞繞組。所述轉子包括線圈骨架1，採用YBCO高溫超導帶材繞制在線圈骨架I上的超導勵磁線圈2，及與線圈骨架I相連的扭矩管3。在一塊線圈骨架I的上下表面均開設有呈迴旋U形結構的凹槽，上下表面的凹槽結構在相位上相差180°、且相互連通；YBC0超導帶材從上表面凹槽始端開始繞制，繞制到上表面凹槽末端，然後經上下表面凹槽連通段過渡到下表面凹槽繼續繞制，當繞制到下表面凹槽末端時，再經上下表面凹槽連通段過渡到上表面凹槽繼續繞制，最終線圈骨架I上表面繞制的超導勵磁線圈2和線圈骨架I下表面繞制的超導勵磁線圈2為以串聯形式連接的YBCO超導帶材連續不斷繞制而成的一個整體；然後將繞制好超導勵磁線圈2的線圈骨架I彎曲成圓柱形，即線圈骨架I的外側表面和內側表面均繞制有超導勵磁線圈2。形成的超導勵磁線圈2在結構上具有如下特點:超導勵磁線圈2呈迴旋U形結構，相鄰兩條有效勵磁邊4相互平行、分別構成一對磁極中的正極或負極；線圈骨架I上表面(即外側表面)繞制的超導勵磁線圈2的有效勵磁邊4與線圈骨架I下表面(即內側表面)繞制的超導勵磁線圈2的有效勵磁邊4關於線圈骨架I對稱，且彼此對稱的兩條有效勵磁邊4的勵磁電流方向相同。內外側表面的超導勵磁線圈2分別具有13條有效勵磁邊4，構成6對極。
[0037]超導勵磁線圈2與線圈骨架I通過環氧樹脂浸潰封裝為一個整體，通過線圈骨架I與扭矩管3的頂部固定端5固定連接，扭矩管3的底部固定端7與轉子支撐結構8固定連接，由轉子支撐結構8實現對整個轉子結構的支撐。扭矩管3由GlO玻璃纖維複合材料製成，為摺疊式雙層結構，沿超導勵磁線圈2的有效勵磁邊4延伸，在沿超導勵磁線圈2有效勵磁邊4的方向上開有矩形孔6。
[0038]設有與扭矩管3結構相匹配的冷屏，所述冷屏有三層絕熱板9，頂層絕熱板9置於線圈骨架I外側表面繞制的超導勵磁線圈2外側，其中兩層絕熱板9分別置於扭矩管3的內外兩層之間和扭矩管3內側。所述冷屏由一級冷頭10製冷，溫度為40K ;超導勵磁線圈2由二級冷頭11製冷。
[0039]所述低溫製冷裝置包括依次相連的有油渦旋壓縮機12、其上纏有冷卻水管的後冷器13、油分離器14、緩衝罐15和冷頭；冷頭固定在轉子上，有油渦旋壓縮機12、後冷器13、油分離器14和緩衝罐15固定在轉軸16的固定板19上，隨轉子和轉軸16同步旋轉；為冷卻水管引入引出循環冷卻水的旋轉接頭17與轉子轉軸16相連，為壓縮機12供電的滑環複合在旋轉接頭17上；冷頭深入真空屏18對超導勵磁線圈2和冷屏進行傳導冷卻。
[0040]實施例2
[0041]與實施例1相同的地方不再重複敘述，不同之處在於:所述轉子軸向長度為2.0m,轉子直徑為1.5m。採用低溫超導材料MgB2線材繞制在線圈骨架I上成為超導勵磁線圈2。線圈骨架I上下表面的凹槽結構上相互獨立，MgB2線材分別繞制在線圈骨架I的上下表面，最終線圈骨架I上表面繞制的超導勵磁線圈2與線圈骨架I下表面繞制的超導勵磁線圈2彼此獨立。
[0042]實施例3[0043]與實施例1相同的地方不再重複敘述，不同之處在於JfYBCO高溫超導帶材22、BSCCO高溫超導帶材21和MgB2低溫超導線材20三種超導材料並聯，繞制在線圈骨架I上形成超導勵磁線圈2，三種超導材料沿靠近線圈骨架I的方向依次排布為MgB2低溫超導線材20、BSCC0高溫超導帶材21和YBCO高溫超導帶材22 (具體結構如圖8所示)，即離線圈骨架I最遠的為MgB2低溫超導線材20、最靠近線圈骨架I的為YBCO高溫超導帶材22 ;最終線圈骨架I上下表面繞制的超導勵磁線圈2為以串聯形式連接的並聯超導材料連續不斷繞制而成的一個整體。
【權利要求】
1.一種無鐵芯型兆瓦級超導電機系統，包括常規定子、無鐵芯結構的超導轉子和低溫製冷裝置，其特徵在於:所述轉子包括線圈骨架(1)，繞制在線圈骨架(1)上的超導勵磁線圈(2)，及與線圈骨架⑴相連的扭矩管(3);超導勵磁線圈(2)在線圈骨架⑴的上表面和下表面均有繞制；超導勵磁線圈(2)呈迴旋U形結構，相鄰兩條有效勵磁邊(4)相互平行、分別構成一對磁極中的正極或負極；線圈骨架(1)上表面繞制的超導勵磁線圈(2)的有效勵磁邊(4)與線圈骨架(1)下表面繞制的超導勵磁線圈(2)的有效勵磁邊(4)關於線圈骨架(1)對稱，且彼此對稱的兩條有效勵磁邊(4)的勵磁電流方向相同。
2.根據權利要求1所述的無鐵芯型兆瓦級超導電機系統，其特徵在於:線圈骨架(1)上表面繞制的超導勵磁線圈(2)和線圈骨架(1)下表面繞制的超導勵磁線圈(2)為以串聯形式連接的超導帶材或線材連續不斷繞制而成的一個整體；或線圈骨架(1)上表面繞制的超導勵磁線圈(2)與線圈骨架(1)下表面繞制的超導勵磁線圈(2)彼此獨立。
3.根據權利要求2所述的無鐵芯型兆瓦級超導電機系統，其特徵在於:超導勵磁線圈(2)由YBCO高溫超導帶材(22)、BSCC0高溫超導帶材(21)和MgB2低溫超導線材(20)三種超導材料並聯繞制在線圈骨架(1)上形成，三種超導材料沿靠近線圈骨架I的方向依次排布為MgB2低溫超導線材(20)、BSCCO高溫超導帶材(21)和YBCO高溫超導帶材(22)。
4.根據權利要求2所述的無鐵芯型兆瓦級超導電機系統，其特徵在於:扭矩管(3)為摺疊式雙層結構，沿超導勵磁線圈(2)的有效勵磁邊(4)延伸；扭矩管(3)的頂部固定端(5)與線圈骨架(1)固定連接，扭矩管(3)的底部固定端(7)與轉子支撐結構(8)固定連接。
5.根據權利要求4 所述的無鐵芯型兆瓦級超導電機系統，其特徵在於:扭矩管(3)在沿超導勵磁線圈(2)有效勵磁邊(4)的方向上開有矩形孔(6)。
6.根據權利要求5所述的無鐵芯型兆瓦級超導電機系統，其特徵在於:設有與扭矩管(3)結構相匹配的冷屏，所述冷屏有三層絕熱板(9)，其中兩層絕熱板(9)分別置於扭矩管(3)的內外兩層之間和扭矩管(3)下方。
7.根據權利要求6所述的無鐵芯型兆瓦級超導電機系統，其特徵在於:所述冷屏由一級冷頭(10)製冷，超導勵磁線圈⑵由二級冷頭(11)製冷。
8.根據權利要求1-7任一所述的無鐵芯型兆瓦級超導電機系統，其特徵在於:超導勵磁線圈(2)與線圈骨架(1)通過環氧樹脂浸潰封裝為一個整體。
9.根據權利要求1-7任一所述的無鐵芯型兆瓦級超導電機系統，其特徵在於:所述轉子軸向長度與徑向長度之比大於1，轉子直徑為1.2-1.5m。
10.根據權利要求9所述的無鐵芯型兆瓦級超導電機系統，其特徵在於:所述低溫製冷裝置包括依次相連的有油渦旋壓縮機(12)、其上纏有冷卻水管的後冷器(13)、油分離器(14)、緩衝罐(15)和冷頭；冷頭固定在轉子上，有油渦旋壓縮機(12)、後冷器(13)、油分離器(14)和緩衝罐(15)固定在轉軸(16)的固定板(19)上，隨轉子和轉軸(16)同步旋轉；為冷卻水管引入引出循環冷卻水的旋轉接頭(17)與轉子轉軸(16)相連，為壓縮機(12)供電的滑環複合在旋轉接頭(17)上；冷頭深入真空屏(18)對超導勵磁線圈(2)和冷屏進行傳導冷卻。
【文檔編號】H02K55/00GK104038028SQ201410290433
【公開日】2014年9月10日 申請日期:2014年6月25日 優先權日:2014年6月25日
【發明者】金建勳, 姜在強 申請人:電子科技大學