高溫超導(dǎo)勵磁磁通切換電機低溫冷卻系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】高溫超導(dǎo)勵磁磁通切換電機低溫冷卻系統(tǒng)是一種可以去除常規(guī)轉(zhuǎn)子勵磁型高溫超導(dǎo)電機所必需的動態(tài)旋轉(zhuǎn)密封裝置的新型靜態(tài)密封低溫冷卻系統(tǒng)，其關(guān)鍵部件異形杜瓦低溫冷卻單元1包含外層杜瓦1.1、內(nèi)層杜瓦1.2、高溫超導(dǎo)線圈1.3、冷卻介質(zhì)入口1.4、冷卻介質(zhì)出口1.5以及超導(dǎo)線圈引線端1.6；氣液分離器4經(jīng)液氮泵3與GM制冷機2聯(lián)接；GM制冷機2聯(lián)接異形杜瓦低溫冷卻單元1的冷卻介質(zhì)入口1.4；氣液分離器4與冷卻介質(zhì)出口1.5相聯(lián)接；補液罐5與氣液分離器4相聯(lián)接。本發(fā)明不僅去除了常規(guī)轉(zhuǎn)子勵磁型高溫超導(dǎo)電機所必需的動態(tài)旋轉(zhuǎn)密封裝置，而且低溫冷卻單元安裝在定子齒上的結(jié)構(gòu)可以方便控制定、轉(zhuǎn)子間氣隙大小。
【專利說明】局溫超導(dǎo)勵磁磁通切換電機低溫冷卻系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明是一種高溫超導(dǎo)勵磁磁通切換電機低溫冷卻系統(tǒng)，屬于高溫超導(dǎo)電機領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著高溫超導(dǎo)技術(shù)的日漸成熟，已商業(yè)化生產(chǎn)的高溫超導(dǎo)線材臨界電流密度大大提高，這意味著用高溫超導(dǎo)線材勵磁繞組取代傳統(tǒng)電機中的常規(guī)電勵磁繞組或永磁體，能夠顯著提高電機的功率密度，降低電機重量，減小電機體積。因此，高溫超導(dǎo)電機在航空航天、船舶推進及風(fēng)力發(fā)電等領(lǐng)域得到國內(nèi)外學(xué)者廣泛而深入的研究，并取得了一系列的研究成果。通常，要保證超導(dǎo)線材的高臨界電流密度特性，高溫超導(dǎo)材料必須運行在77.3K以下的溫區(qū)，因而要對高溫超導(dǎo)勵磁繞組的運行環(huán)境進行低溫冷卻處理。由于常規(guī)高溫超導(dǎo)電機的高溫超導(dǎo)勵磁繞組固定在轉(zhuǎn)子側(cè)，隨轉(zhuǎn)子一起進行旋轉(zhuǎn)運動，因此，其低溫冷卻系統(tǒng)普遍采用將整個電機轉(zhuǎn)子密封絕熱進行冷卻的方法，即電機轉(zhuǎn)子通過多層屏蔽結(jié)構(gòu)(杜瓦)與外界環(huán)境絕熱隔離，而低溫介質(zhì)則經(jīng)由電機軸端的傳輸耦合器輸入和輸出轉(zhuǎn)子進行冷卻。這種低溫冷卻系統(tǒng)雖然能夠保障高溫超導(dǎo)材料正常運行所必需的低溫環(huán)境，但由于轉(zhuǎn)子的連續(xù)旋轉(zhuǎn)運動，需采用專門的旋轉(zhuǎn)密封裝置才能夠?qū)⒌蜏刂评浣橘|(zhì)輸入和輸出電機轉(zhuǎn)子，這種動態(tài)旋轉(zhuǎn)密封裝置不僅結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價格不菲，而且需要定期維護。因此，研發(fā)一種將高溫超導(dǎo)勵磁繞組及其冷卻杜瓦置于靜止的定子之上，無需考慮動態(tài)旋轉(zhuǎn)密封問題，結(jié)構(gòu)簡單，并且能夠保障高溫超導(dǎo)電機持續(xù)高效運行的新型低溫冷卻系統(tǒng)，成為目前高溫超導(dǎo)電機低溫冷卻系統(tǒng)領(lǐng)域的研究熱點之一。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是:本發(fā)明的目的是提出一種高溫超導(dǎo)勵磁磁通切換電機低溫冷卻系統(tǒng)，從而消除常規(guī)高溫超導(dǎo)旋轉(zhuǎn)電機所必須的動態(tài)旋轉(zhuǎn)密封裝置，實現(xiàn)低溫制冷機與旋轉(zhuǎn)電機之間的靜態(tài)密封，保障高溫超導(dǎo)電機持續(xù)、穩(wěn)定安全運行。
[0004]本發(fā)明的技術(shù)方案是:本發(fā)明的高溫超導(dǎo)勵磁磁通切換電機模塊化低溫冷卻系統(tǒng)組成包括多個異形杜瓦低溫冷卻單元、GM制冷機、液氮泵、氣液分離器、補液罐五個部分；其中異形杜瓦單元包含外層杜瓦、內(nèi)層杜瓦、高溫超導(dǎo)線圈、冷卻介質(zhì)入口、冷卻介質(zhì)出口以及超導(dǎo)線圈引線端；氣液分離器經(jīng)液氮泵與GM制冷機聯(lián)接；GM制冷機聯(lián)接異形杜瓦低溫冷卻單元的冷卻介質(zhì)入口 ；氣液分離器與冷卻介質(zhì)出口相聯(lián)接；補液罐與氣液分離器相聯(lián)接，用以補充冷卻介質(zhì)。
[0005]內(nèi)層杜瓦內(nèi)流動有冷卻介質(zhì)，高溫超導(dǎo)線圈置于內(nèi)層杜瓦之中，并浸泡在低溫冷卻介質(zhì)內(nèi)以保證超導(dǎo)材料的臨界溫度；異形杜瓦低溫冷卻單元數(shù)目和高溫超導(dǎo)勵磁磁通切換電機定子槽數(shù)相等或為定子槽數(shù)的一半；內(nèi)層杜瓦中的低溫介質(zhì)可以為液態(tài)氮、液氖或冷氦氣等冷卻介質(zhì)。
[0006]系統(tǒng)運行時，氣液分離器中的低溫冷卻介質(zhì)經(jīng)低溫制冷機制冷后，由冷卻介質(zhì)入口向各模塊化異形杜瓦冷卻單元輸入冷卻介質(zhì)，冷卻介質(zhì)流經(jīng)跑道形杜瓦將浸泡于其中的高溫超導(dǎo)線圈冷卻至臨界溫度以下，然后由冷卻介質(zhì)出口流出。由于外層杜瓦與內(nèi)層杜瓦之間的間隙內(nèi)填充了絕熱材料并輔以抽真空，所以能夠有效隔絕外部高溫環(huán)境與內(nèi)部低溫系統(tǒng)的熱量傳遞，從而保證高溫超導(dǎo)線圈的運行溫度。當(dāng)冷卻介質(zhì)的溫度達到高溫超導(dǎo)線圈的運行溫度后，通過異形杜瓦低溫冷卻單元進口端的高溫超導(dǎo)線材電流引線接口向高溫超導(dǎo)線圈通直流電，由于超導(dǎo)材料處于臨界溫度以下，直流電阻為零，可以獲得很高的電流密度，進而產(chǎn)生強磁場，為高溫超導(dǎo)勵磁磁通切換電機提供勵磁磁場，使得高溫超導(dǎo)勵磁磁通切換電機正常運行。
[0007]由于高溫超導(dǎo)線材必須在一定的彎曲半徑以上才能保證其超導(dǎo)性能，所以內(nèi)、夕卜層杜瓦在轉(zhuǎn)折處不能為直角，而是要做成跑道形用以獲得滿足高溫超導(dǎo)線材性能要求的彎曲半徑。為保證冷卻介質(zhì)流通順暢，在跑道形杜瓦的兩端分別設(shè)計冷卻介質(zhì)進口和出口，并在進口端開有兩個電流引線接口。
[0008]本發(fā)明充分利用了高溫超導(dǎo)勵磁磁通切換電機勵磁繞組位于定子上這一特點，提出了一種與之相匹配的模塊化高溫超導(dǎo)線圈低溫冷卻系統(tǒng)，不僅避免了常規(guī)高溫超導(dǎo)電機所必須的動態(tài)旋轉(zhuǎn)密封這一技術(shù)難題，而且具有結(jié)構(gòu)簡單、低成本的顯著優(yōu)點。此外，該低溫冷卻系統(tǒng)將各個異形杜瓦低溫冷卻單元安裝在定子齒上的模塊化設(shè)計思路，能避免常規(guī)轉(zhuǎn)子勵磁型高溫超導(dǎo)電機定、轉(zhuǎn)子氣隙過大的缺點，從而進一步提高電機功率密度。而且，當(dāng)異形杜瓦低溫冷卻單元發(fā)生故障時，可以僅僅更換故障單元便可修復(fù)，易于冷卻系統(tǒng)的維修，能夠大幅度降低整個高溫超導(dǎo)電機冷卻系統(tǒng)的運行成本。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0009]圖1為高溫超導(dǎo)勵磁磁通切換電機模塊化低溫冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
[0010]圖2為高溫超導(dǎo)勵磁磁通切換電機高溫超導(dǎo)勵磁線圈異形杜瓦冷卻單元安裝示意圖。
[0011]圖3為高溫超導(dǎo)勵磁線圈異形杜瓦冷卻單元結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0012]圖1所示為高溫超導(dǎo)勵磁磁通切換電機模塊化低溫冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，主要由五個部分組成:異形杜瓦低溫冷卻單元1、GM制冷機2、液氮泵3、氣液分離器4、補液罐5 ;其中異形杜瓦低溫冷卻單元I是該系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，該部分包含外層杜瓦1.1、內(nèi)層杜瓦1.2、高溫超導(dǎo)線圈1.3、冷卻介質(zhì)入口 1.4、冷卻介質(zhì)出口 1.5以及超導(dǎo)線圈引線端1.6 ;氣液分離器4經(jīng)液氮泵3與GM制冷機2聯(lián)接；GM制冷機2聯(lián)接異形杜瓦低溫冷卻單元I的冷卻介質(zhì)入口 1.4 ;氣液分離器4與冷卻介質(zhì)出口 1.5相聯(lián)接；補液罐5與氣液分離器4相聯(lián)接。
[0013]以一套與定子6齒/轉(zhuǎn)子7極的高溫超導(dǎo)勵磁磁通切換電機相匹配的低溫冷卻系統(tǒng)為例，該超導(dǎo)電機的異形杜瓦低溫冷卻單元I安裝正視圖和側(cè)視圖如圖2所示，冷卻系統(tǒng)包含6個異形杜瓦低溫冷卻單元I，每個異形杜瓦低溫冷卻單元I安裝在定子各齒間部位，集中式電樞繞組套在各定子齒上并穿過每個異形杜瓦低溫冷卻單元I兩端間隙，轉(zhuǎn)子各齒上無線圈。鑒于異形杜瓦低溫冷卻單元I 一經(jīng)制作完成，便成為獨立的整體而不可分割，可將電機的定子制成12個模塊，每個定子齒由兩個定子模塊組成。裝配時先將異形杜瓦低溫冷卻單元I置于其中一個定子模塊上，再將另一模塊與之配合，構(gòu)成一個完整的定子齒，然后繞上電樞繞組，最后將六個繞好繞組的異形杜瓦低溫冷卻單元I裝配成一體，則整個高溫超導(dǎo)勵磁磁通切換電機裝配完成。
[0014]圖3所示為每個異形杜瓦低溫冷卻單元I的結(jié)構(gòu)示意圖，包含外層杜瓦1.1、內(nèi)層杜瓦1.2和高溫超導(dǎo)線圈1.3 ;內(nèi)層杜瓦1.2外表面包扎絕熱材料后放置四氟支撐與外層杜瓦1.1之間形成真空夾層，高溫超導(dǎo)線圈1.3置于內(nèi)層杜瓦1.2內(nèi)，并浸泡在低溫介質(zhì)之中。系統(tǒng)運行時，預(yù)先啟動低溫制冷機，由冷卻介質(zhì)進口 1.4向每個異形杜瓦低溫冷卻單元I的內(nèi)層杜瓦1.2內(nèi)輸入低溫介質(zhì)，介質(zhì)流經(jīng)跑道形杜瓦將浸泡于其中的高溫超導(dǎo)線圈1.3冷卻至臨界溫度以下，再由冷卻介質(zhì)出口 1.5流出；然后通過進口端的電流引線接口 1.6向高溫超導(dǎo)線圈1.3通直流電，便可以得到較大的電流密度，進而在電機氣隙中產(chǎn)生強勵磁磁場，此時高溫超導(dǎo)勵磁磁通切換電機便可持續(xù)、穩(wěn)定、高效運行。
【權(quán)利要求】
1.一種高溫超導(dǎo)勵磁磁通切換電機高溫超導(dǎo)勵磁繞組低溫冷卻系統(tǒng)，其特征在于該冷卻系統(tǒng)包括異形杜瓦低溫冷卻單元(1)、GM制冷機(2)、液氮泵(3)、氣液分離器(4)、補液罐(5)五個部分；其中異形杜瓦低溫冷卻單元(I)包含外層杜瓦(1.1)、內(nèi)層杜瓦(1.2)、高溫超導(dǎo)線圈(1.3)、冷卻介質(zhì)入口(1.4)、冷卻介質(zhì)出口(1.5)以及超導(dǎo)線圈引線端(1.6);氣液分離器(4)經(jīng)液氮泵(3)與GM制冷機(2)聯(lián)接；GM制冷機(2)聯(lián)接異形杜瓦低溫冷卻單元(I)的冷卻介質(zhì)入口(1.4);氣液分離器(4)與冷卻介質(zhì)出口(1.5)相聯(lián)接；補液罐(5)與氣液分離器(4)相聯(lián)接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的低溫冷卻系統(tǒng)，其特征在于異形杜瓦低溫冷卻單元數(shù)目和高溫超導(dǎo)勵磁磁通切換電機定子槽數(shù)相等或為定子槽數(shù)的一半。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的異形杜瓦低溫冷卻單元，其特征在于其中流動的低溫介質(zhì)可以是液態(tài)氮、液氖或冷氦氣等冷卻介質(zhì)。
【文檔編號】H02K3/24GK103825387SQ201310467839
【公開日】2014年5月28日 申請日期:2013年10月9日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月9日
【發(fā)明者】王玉彬, 孫建鑫 申請人:中國石油大學(xué)(華東)