一種無換向器的高溫超導直流電機結構的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明的目的在于提供一種無換向器的高溫超導直流電機結構，包括電機機殼、鼠籠結構、永磁體、轉子鐵芯、轉軸、液氮儲備箱；鼠籠結構包括鼠籠條導體，鼠籠條導體與鼠籠條導體之間排列成圓柱形結構，兩端分別安裝第一集電端環(huán)和第二集電端環(huán)，鼠籠條導體、第一集電端環(huán)和第二集電端環(huán)均為中空結構，每個鼠籠條導體均與第一集電端環(huán)和第二集電端環(huán)相通，第一集電端環(huán)上設置液氮流出端，第二集電端環(huán)上設置液氮流入端；轉軸通過軸承與電機機殼相配合，轉子鐵芯安裝在轉軸上，永磁體安裝在轉子鐵芯外，鼠籠結構固定在電機機殼里，且圓柱形結構位于永磁體外部，液氮儲備箱固定在電機機殼外。本發(fā)明可解決渦流損耗和磁滯損耗，提高電機效率。
【專利說明】一種無換向器的高溫超導直流電機結構

【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及的是一種電機，具體地說是直流電機。

【背景技術】
[0002]目前，無論交流發(fā)電機或直流發(fā)電機，電樞部分通過電磁感應產(chǎn)生電流幾乎均為交流電，現(xiàn)有的直流發(fā)電機由于電機內部產(chǎn)生交變的感應電流，因此均采用換向器和電刷裝置設計，以保證輸出端電流為單一方向，即輸出直流電。當電機轉動時，由于電刷摩擦，容易產(chǎn)生熱量。直流發(fā)電機的換向器也會隨著電機轉速的提高，電流的增大，而產(chǎn)生電火花。這些不利因素對于大容量直流發(fā)電機的設計和制造產(chǎn)生了限制。此外，雖然近些年隨著電力電子技術的發(fā)展，新型無刷直流電機通過引入電力電子設備代替?zhèn)鹘y(tǒng)換向器設備，但是依然存在故障率高，價格昂貴等缺陷。換向器設備大大降低了直流電機的可靠性，實際生產(chǎn)生活中直流電機故障大多發(fā)生在換向器和電刷故障，這也是近年來直流電機逐步被交流電機所取代的原因之一。此外，無論是直流電機，還是永磁直流電機都存在較大的磁滯損耗和渦流損耗。
[0003]隨著新型高溫超導材料的發(fā)現(xiàn)，高溫超導材料可以在液氮溫區(qū)實現(xiàn)超導化，這使得近年來超導電機技術得到了飛速發(fā)展。大多數(shù)超導電機具有安裝在轉子上的超導磁場線圈作為電勵磁部分，低溫液體通常通過轉子一端的傳遞連接器從固定低溫冷卻器供應到超導磁場線圈。傳遞連接器引導低溫液體從固定部分到轉子旋轉部分。之后低溫液體通過超導磁場線圈的冷卻回路傳送，然后回到傳遞連接器，以返回固定低溫冷卻器。但是，常規(guī)超導電機的冷卻系統(tǒng)結構復雜，損耗較大。而且，由于超導電機內部電樞部分為交流電，存在交流損耗這一問題，目前世界范圍內相關研究只能一定程度上降低交流損耗，尚無完全解決交流損耗的方法，這使得定子超導化與全超導電機的研究以及投入實際生產(chǎn)的可行性大大降低，這些都極大的限制了其應用。
[0004]對于專利申請?zhí)枮?00610146492.0，名稱為用于動力應用的超導單極感應交流發(fā)電機，提供了一種發(fā)電機便攜動力系統(tǒng)設計方案。該專利利用超導線圈產(chǎn)生磁場，通過轉子上導磁極片使轉子旋轉時產(chǎn)生旋轉磁場切割定子繞組從而發(fā)電。該專利相對于傳統(tǒng)電機結構較為復雜，且沒有明確關鍵技術中超導線圈如何供電并維持超導臨界溫度的【具體實施方式】和結構。此外，該專利設計電磁耦合方式較為繁瑣，實施方式中指出第一極片與第二極片分別帶有不同極性，電樞部分產(chǎn)生交流電，對于大型直流電機的應用場合受到限制。對于專利申請?zhí)枮?2138969.1，名稱為無換向器直流發(fā)電兩用電機，提供了一種無換向器兩用電機，主要由“單極”轉子和定子組成，利用導線相對轉動切割“單極”轉子的磁力線產(chǎn)生感應電流的原理進行設計，用于物理教學實驗等。該專利沒有給出具體電機設計實施方案，且沒有考慮大型發(fā)電機或電動機在特定應用環(huán)境下電機結構上的特殊設計，對于工業(yè)、電力等領域實用價值不大。對于專利申請?zhí)枮?01310177220.7，名稱為一種無換向裝置的直流電機，其中冷卻系統(tǒng)采用浸入式冷卻，冷卻系統(tǒng)利用率不是很高，對電機整體效率有一定影響。
[0005]另外，對于現(xiàn)有的交流電機或直流電機，無論是電動機還是發(fā)電機，由于在機電轉換過程中，電樞部分中的電流均是交變的，這使得渦流損耗無法避免，而且由于電磁感應產(chǎn)生的交變磁場，電機中鐵心的磁滯損耗通常也是無法避免的。特別是，對于電樞部分采用超導材料時，交流損耗較大，并且復雜的冷卻系統(tǒng)降低了電機整體可靠性，并增加了設計成本，這些都成為了限制全超導電機設計和制造的關鍵性問題。


【發(fā)明內容】

[0006]本發(fā)明的目的在于提供具備冷卻系統(tǒng)回路和電機結構的一種無換向器的高溫超導直流電機結構。
[0007]本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的:
[0008]本發(fā)明一種無換向器的高溫超導直流電機結構，其特征是:包括電機機殼、鼠籠結構、永磁體、轉子鐵芯、轉軸、液氮儲備箱；鼠籠結構包括鼠籠條導體，鼠籠條導體與鼠籠條導體之間平行布置并排列成圓柱形結構，圓柱形結構的兩端分別安裝第一集電端環(huán)和第二集電端環(huán)，鼠籠條導體、第一集電端環(huán)和第二集電端環(huán)均為中空結構，每個鼠籠條導體均與第一集電端環(huán)和第二集電端環(huán)相通，第一集電端環(huán)上設置液氮流出端，第二集電端環(huán)上設置液氮流入端；轉軸穿過電機機殼并通過軸承與電機機殼相配合，轉子鐵芯安裝在轉軸上，永磁體安裝在轉子鐵芯外，鼠籠結構固定在電機機殼里，且圓柱形結構位于永磁體外部，液氮儲備箱固定在電機機殼外，液氮儲備箱與電機機殼相連的壁面上設置液氮泵流出端和液氮泵流入端，液氮流出端與液氮泵流入端相通，液氮流入端與液氮泵流出端相通，液氮儲備箱側面設置液氮輸出閥和液氮輸入閥，第一集電端環(huán)和第二集電端環(huán)分別引出電流流入端和電流流出端，電機機殼外安裝接線端子，電流流入端和電流流出端連接接線端子。
[0009]本發(fā)明還可以包括:
[0010]1、液氮儲備箱上設置氮氣排氣管。
[0011]本發(fā)明的優(yōu)勢在于:本發(fā)明定子電樞繞組采用超導帶材和鼠籠式結構，轉子側可以考慮使用常規(guī)永磁體(如釹鐵硼)，該結構能夠最大限度利用超導材料特性，并節(jié)約材料，提高電機效率。冷卻回路在定子側不需要考慮旋轉密封等問題，簡化了冷卻系統(tǒng)設計的負擔，提高了冷卻系統(tǒng)的可靠性，進而提高了電機整體可靠性。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]圖1為永磁體充磁后磁力線方向示意圖；
[0013]圖2為永磁體與電樞部分位置關系以及磁力線分布圖；
[0014]圖3為本發(fā)明的電機整體磁路示意圖；
[0015]圖4a為鼠籠條導體以及集電端環(huán)內液氮通路示意圖a，圖4b為鼠籠條導體以及集電端環(huán)內液氮通路示意圖b ;
[0016]圖5為本發(fā)明的結構示意圖。

【具體實施方式】
[0017]下面結合附圖舉例對本發(fā)明做更詳細地描述:
[0018]結合圖1?5，永磁體采用徑向充磁，充磁后永磁體磁力線方向均沿徑向發(fā)出，磁力線回路如圖1。永磁體與使用超導帶材制成的電樞部分位置關系以及磁力線分布如圖2所示。從圖2可以看出，每根鼠籠條導體I都被徑向發(fā)出的磁力線穿過，當永磁體3旋轉時，鼠籠條導體I相當于被同一極性的勻強磁場做切割運動，鼠籠條導體I中將產(chǎn)生單一方向的感應電流，即產(chǎn)生直流電，再經(jīng)過兩端的集電端環(huán)2聚集，通過導線連接電機外接線端子，從而產(chǎn)生連續(xù)穩(wěn)定的直流電。這一過程中，由于電樞部分采用高溫超導帶材，其材料特性即通入交流電時具有交流損耗，通入直流時具有零電阻特性，即零損耗。電機整體磁路規(guī)劃如圖3所示。磁力線由永磁體3的N極發(fā)出，沿徑向經(jīng)過氣隙通過定子鐵心穿過鼠籠條導體I,經(jīng)過電機機殼6到轉軸5再經(jīng)過轉子鐵心回到永磁體3的S極。由圖3可以明確看出，鼠籠條導體I被磁力線垂直穿過，當永磁體3隨軸轉動時，鼠籠條導體I將被勻強磁場做勻速切割，導體I內將產(chǎn)生直流電，經(jīng)過集電端環(huán)2的兩端引出。鼠籠條導體I以及集電端環(huán)2內液氮通路如圖4所示。鼠籠條導體I以及集電端環(huán)2加工為空心導體，電機容量較小時可考慮焊接、機械固定或密封粘結，當電機容量較大時可考慮在鼠籠條導體I與集電端環(huán)2連接處加裝密封圈或法蘭盤。電機機殼6與轉軸5連接處有支撐作用的軸承7，液氮流出端201與液氮流入端202分別與液氮儲備箱9相連，連接處具有安裝法蘭盤保證密封性，液氮儲備箱9內與液氮流出端201和液氮流入端202相連處分別有液氮泵801和802，具體連接如圖4和圖5。集電端環(huán)2兩端分別引出電流流入端601和電流流出端602與電機機殼6外接線端子603相連，具體如圖5所示。液氮儲備箱9中分別安裝液氮流出泵901和液氮流入泵902，考慮到液氮冷卻后會產(chǎn)生一部分氮氣將氣化，因此需在液氮儲備箱9中安裝排氣管903。
[0019]參見圖1對永磁體3進行徑向充磁，得到圖中磁力線所示的永磁體。參見如圖4，對鼠籠條導體I加工為中空結構，與集電端環(huán)2進行連接，電機容量較小時可以選用機械連接、焊接、粘結等方式。集電端環(huán)2中有液氮通路203，鼠籠條導體I中有101液氮通路，液氮流通方向如圖4中所示。集電端環(huán)2兩端分別有液氮流出端201與液氮流入端202。參見圖5，液氮流出端201與液氮流入端202分別與液氮儲備箱9相連，且連接處用法蘭盤8相連接，確保密封性。液氮儲備箱9內與液氮流出端201與液氮流入端202連接處分別安裝液氮泵流出端801和液氮泵流入端802。液氮儲備箱9 一側分別安裝液氮輸入閥902和液氮輸出閥901，上部連接排氣管903。集電端環(huán)2兩端分別與電流流入端601、電流流出端602相連通過電機機殼6外接線端子603向電機外輸電。轉軸5與轉子鐵心4相連,轉子鐵心4與永磁體3緊密相嵌構成轉子。電機機殼6與轉軸5之間有軸承7連接，保證轉軸5穩(wěn)定。鼠籠條導體I與集電端環(huán)2與通過定子鐵心與電機機殼6固定。
[0020]電機運行時，鼠籠條導體I與集電端環(huán)2作為定子電樞固定不動，永磁體3隨著轉子鐵心4與轉軸5旋轉產(chǎn)生徑向運動的旋轉磁場，鼠籠條導體I被同一極性勻強磁場垂直切割，產(chǎn)生感應直流電，經(jīng)過集電端環(huán)2聚集再由電流流入端601、電流流出端602引出，通過電機機殼6外的接線端子603引出，向電機外輸出直流電。同時，通過液氮輸入閥902向液氮儲備箱9注滿液氮，通過液氮泵流出端801向液氮流入端202輸入液氮，經(jīng)過集電端環(huán)2和鼠籠條導體I中的液氮通路回到液氮流出端201，由液氮泵流入端802回到9液氮儲備箱完成冷卻系統(tǒng)回路。由于該過程中具有熱交換，因此一部分液氮將氣化，氣化的液氮經(jīng)氮氣排氣管903排出。
[0021 ] 電機的勵磁部分采用永磁體，通過徑向充磁，獲得空心圓柱狀磁體,磁力線方向沿磁體徑向。這樣可獲得空心圓柱永磁體側面為單一磁極的磁體,充磁后空心圓柱狀磁體磁力線分布如圖1所示。本發(fā)明所設計的電機結構利用電磁感應原理，即導體在垂直磁場中相對運動產(chǎn)生感應電流。通過結構上的設計使導體在單向、恒定、均勻磁場中做相對運動，切割磁力線，從而獲得單一方向直流電。
[0022]轉子側采用徑向充磁的空心圓柱永磁體，與軸同步旋轉構成旋轉磁場，定子側采用鼠籠式結構，這樣定子側每根籠條導體均與垂直磁場做相對運動，同步同向切割磁力線，產(chǎn)生方向相同的感應電流，通過鼠籠式條狀導體兩端集電端環(huán)引出，向電機外輸送直流電。定子側鼠籠式和集電端環(huán)均采用高溫超導帶材，并且加工為空心結構，作為液氮回路的一部分，籠條導體兩端與集電端環(huán)焊接或粘結，大型電機的鼠籠條和集電端環(huán)部分可考慮在連接處加裝法蘭等密封部件。
【權利要求】
1.一種無換向器的高溫超導直流電機結構，其特征是:包括電機機殼、鼠籠結構、永磁體、轉子鐵芯、轉軸、液氮儲備箱；鼠籠結構包括鼠籠條導體，鼠籠條導體與鼠籠條導體之間平行布置并排列成圓柱形結構，圓柱形結構的兩端分別安裝第一集電端環(huán)和第二集電端環(huán)，鼠籠條導體、第一集電端環(huán)和第二集電端環(huán)均為中空結構，每個鼠籠條導體均與第一集電端環(huán)和第二集電端環(huán)相通，第一集電端環(huán)上設置液氮流出端，第二集電端環(huán)上設置液氮流入端；轉軸穿過電機機殼并通過軸承與電機機殼相配合，轉子鐵芯安裝在轉軸上，永磁體安裝在轉子鐵芯外，鼠籠結構固定在電機機殼里，且圓柱形結構位于永磁體外部，液氮儲備箱固定在電機機殼外，液氮儲備箱與電機機殼相連的壁面上設置液氮泵流出端和液氮泵流入端，液氮流出端與液氮泵流入端相通，液氮流入端與液氮泵流出端相通，液氮儲備箱側面設置液氮輸出閥和液氮輸入閥，第一集電端環(huán)和第二集電端環(huán)分別引出電流流入端和電流流出端，電機機殼外安裝接線端子，電流流入端和電流流出端連接接線端子。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種無換向器的高溫超導直流電機結構，其特征是:液氮儲備箱上設置氮氣排氣管。
【文檔編號】H02K55/00GK104052243SQ201410293358
【公開日】2014年9月17日 申請日期:2014年6月25日 優(yōu)先權日:2014年6月25日
【發(fā)明者】程鵬, 王庚, 田思慶, 蘭海, 黃曼磊, 張敬南, 宋首男, 李洪坤, 侯艷雪, 陶麗楠 申請人:哈爾濱工程大學