一種無(wú)換向器的高溫超導(dǎo)直流電機(jī)結(jié)構(gòu)的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明的目的在于提供一種無(wú)換向器的高溫超導(dǎo)直流電機(jī)結(jié)構(gòu)，包括電機(jī)機(jī)殼、鼠籠結(jié)構(gòu)、永磁體、轉(zhuǎn)子鐵芯、轉(zhuǎn)軸、液氮儲(chǔ)備箱；鼠籠結(jié)構(gòu)包括鼠籠條導(dǎo)體，鼠籠條導(dǎo)體與鼠籠條導(dǎo)體之間排列成圓柱形結(jié)構(gòu)，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(dǎo)體、第一集電端環(huán)和第二集電端環(huán)均為中空結(jié)構(gòu)，每個(gè)鼠籠條導(dǎo)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(shè)置液氮流出端，第二集電端環(huán)上設(shè)置液氮流入端；轉(zhuǎn)軸通過(guò)軸承與電機(jī)機(jī)殼相配合，轉(zhuǎn)子鐵芯安裝在轉(zhuǎn)軸上，永磁體安裝在轉(zhuǎn)子鐵芯外，鼠籠結(jié)構(gòu)固定在電機(jī)機(jī)殼里，且圓柱形結(jié)構(gòu)位于永磁體外部，液氮儲(chǔ)備箱固定在電機(jī)機(jī)殼外。本發(fā)明可解決渦流損耗和磁滯損耗，提高電機(jī)效率。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種無(wú)換向器的高溫超導(dǎo)直流電機(jī)結(jié)構(gòu)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及的是一種電機(jī)，具體地說(shuō)是直流電機(jī)。

【背景技術(shù)】
[0002]目前，無(wú)論交流發(fā)電機(jī)或直流發(fā)電機(jī)，電樞部分通過(guò)電磁感應(yīng)產(chǎn)生電流幾乎均為交流電，現(xiàn)有的直流發(fā)電機(jī)由于電機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生交變的感應(yīng)電流，因此均采用換向器和電刷裝置設(shè)計(jì)，以保證輸出端電流為單一方向，即輸出直流電。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，由于電刷摩擦，容易產(chǎn)生熱量。直流發(fā)電機(jī)的換向器也會(huì)隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的提高，電流的增大，而產(chǎn)生電火花。這些不利因素對(duì)于大容量直流發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)和制造產(chǎn)生了限制。此外，雖然近些年隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，新型無(wú)刷直流電機(jī)通過(guò)引入電力電子設(shè)備代替?zhèn)鹘y(tǒng)換向器設(shè)備，但是依然存在故障率高，價(jià)格昂貴等缺陷。換向器設(shè)備大大降低了直流電機(jī)的可靠性，實(shí)際生產(chǎn)生活中直流電機(jī)故障大多發(fā)生在換向器和電刷故障，這也是近年來(lái)直流電機(jī)逐步被交流電機(jī)所取代的原因之一。此外，無(wú)論是直流電機(jī)，還是永磁直流電機(jī)都存在較大的磁滯損耗和渦流損耗。
[0003]隨著新型高溫超導(dǎo)材料的發(fā)現(xiàn)，高溫超導(dǎo)材料可以在液氮溫區(qū)實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)化，這使得近年來(lái)超導(dǎo)電機(jī)技術(shù)得到了飛速發(fā)展。大多數(shù)超導(dǎo)電機(jī)具有安裝在轉(zhuǎn)子上的超導(dǎo)磁場(chǎng)線圈作為電勵(lì)磁部分，低溫液體通常通過(guò)轉(zhuǎn)子一端的傳遞連接器從固定低溫冷卻器供應(yīng)到超導(dǎo)磁場(chǎng)線圈。傳遞連接器引導(dǎo)低溫液體從固定部分到轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)部分。之后低溫液體通過(guò)超導(dǎo)磁場(chǎng)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(dǎo)電機(jī)的冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，損耗較大。而且，由于超導(dǎo)電機(jī)內(nèi)部電樞部分為交流電，存在交流損耗這一問(wèn)題，目前世界范圍內(nèi)相關(guān)研究只能一定程度上降低交流損耗，尚無(wú)完全解決交流損耗的方法，這使得定子超導(dǎo)化與全超導(dǎo)電機(jī)的研究以及投入實(shí)際生產(chǎn)的可行性大大降低，這些都極大的限制了其應(yīng)用。
[0004]對(duì)于專(zhuān)利申請(qǐng)?zhí)枮?00610146492.0，名稱(chēng)為用于動(dòng)力應(yīng)用的超導(dǎo)單極感應(yīng)交流發(fā)電機(jī)，提供了一種發(fā)電機(jī)便攜動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。該專(zhuān)利利用超導(dǎo)線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)，通過(guò)轉(zhuǎn)子上導(dǎo)磁極片使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)切割定子繞組從而發(fā)電。該專(zhuān)利相對(duì)于傳統(tǒng)電機(jī)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，且沒(méi)有明確關(guān)鍵技術(shù)中超導(dǎo)線圈如何供電并維持超導(dǎo)臨界溫度的【具體實(shí)施方式】和結(jié)構(gòu)。此外，該專(zhuān)利設(shè)計(jì)電磁耦合方式較為繁瑣，實(shí)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(duì)于大型直流電機(jī)的應(yīng)用場(chǎng)合受到限制。對(duì)于專(zhuān)利申請(qǐng)?zhí)枮?2138969.1，名稱(chēng)為無(wú)換向器直流發(fā)電兩用電機(jī)，提供了一種無(wú)換向器兩用電機(jī)，主要由“單極”轉(zhuǎn)子和定子組成，利用導(dǎo)線相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)切割“單極”轉(zhuǎn)子的磁力線產(chǎn)生感應(yīng)電流的原理進(jìn)行設(shè)計(jì)，用于物理教學(xué)實(shí)驗(yàn)等。該專(zhuān)利沒(méi)有給出具體電機(jī)設(shè)計(jì)實(shí)施方案，且沒(méi)有考慮大型發(fā)電機(jī)或電動(dòng)機(jī)在特定應(yīng)用環(huán)境下電機(jī)結(jié)構(gòu)上的特殊設(shè)計(jì)，對(duì)于工業(yè)、電力等領(lǐng)域?qū)嵱脙r(jià)值不大。對(duì)于專(zhuān)利申請(qǐng)?zhí)枮?01310177220.7，名稱(chēng)為一種無(wú)換向裝置的直流電機(jī)，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(duì)電機(jī)整體效率有一定影響。
[0005]另外，對(duì)于現(xiàn)有的交流電機(jī)或直流電機(jī)，無(wú)論是電動(dòng)機(jī)還是發(fā)電機(jī)，由于在機(jī)電轉(zhuǎn)換過(guò)程中，電樞部分中的電流均是交變的，這使得渦流損耗無(wú)法避免，而且由于電磁感應(yīng)產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)，電機(jī)中鐵心的磁滯損耗通常也是無(wú)法避免的。特別是，對(duì)于電樞部分采用超導(dǎo)材料時(shí)，交流損耗較大，并且復(fù)雜的冷卻系統(tǒng)降低了電機(jī)整體可靠性，并增加了設(shè)計(jì)成本，這些都成為了限制全超導(dǎo)電機(jī)設(shè)計(jì)和制造的關(guān)鍵性問(wèn)題。


【發(fā)明內(nèi)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(jī)結(jié)構(gòu)的一種無(wú)換向器的高溫超導(dǎo)直流電機(jī)結(jié)構(gòu)。
[0007]本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的:
[0008]本發(fā)明一種無(wú)換向器的高溫超導(dǎo)直流電機(jī)結(jié)構(gòu)，其特征是:包括電機(jī)機(jī)殼、鼠籠結(jié)構(gòu)、永磁體、轉(zhuǎn)子鐵芯、轉(zhuǎn)軸、液氮儲(chǔ)備箱；鼠籠結(jié)構(gòu)包括鼠籠條導(dǎo)體，鼠籠條導(dǎo)體與鼠籠條導(dǎo)體之間平行布置并排列成圓柱形結(jié)構(gòu)，圓柱形結(jié)構(gòu)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(dǎo)體、第一集電端環(huán)和第二集電端環(huán)均為中空結(jié)構(gòu)，每個(gè)鼠籠條導(dǎo)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(shè)置液氮流出端，第二集電端環(huán)上設(shè)置液氮流入端；轉(zhuǎn)軸穿過(guò)電機(jī)機(jī)殼并通過(guò)軸承與電機(jī)機(jī)殼相配合，轉(zhuǎn)子鐵芯安裝在轉(zhuǎn)軸上，永磁體安裝在轉(zhuǎn)子鐵芯外，鼠籠結(jié)構(gòu)固定在電機(jī)機(jī)殼里，且圓柱形結(jié)構(gòu)位于永磁體外部，液氮儲(chǔ)備箱固定在電機(jī)機(jī)殼外，液氮儲(chǔ)備箱與電機(jī)機(jī)殼相連的壁面上設(shè)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(chǔ)備箱側(cè)面設(shè)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(jī)機(jī)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(chǔ)備箱上設(shè)置氮?dú)馀艢夤堋?br> [0011]本發(fā)明的優(yōu)勢(shì)在于:本發(fā)明定子電樞繞組采用超導(dǎo)帶材和鼠籠式結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)子側(cè)可以考慮使用常規(guī)永磁體(如釹鐵硼)，該結(jié)構(gòu)能夠最大限度利用超導(dǎo)材料特性，并節(jié)約材料，提高電機(jī)效率。冷卻回路在定子側(cè)不需要考慮旋轉(zhuǎn)密封等問(wèn)題，簡(jiǎn)化了冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)的負(fù)擔(dān)，提高了冷卻系統(tǒng)的可靠性，進(jìn)而提高了電機(jī)整體可靠性。

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)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(guān)系以及磁力線分布圖；
[0014]圖3為本發(fā)明的電機(jī)整體磁路示意圖；
[0015]圖4a為鼠籠條導(dǎo)體以及集電端環(huán)內(nèi)液氮通路示意圖a，圖4b為鼠籠條導(dǎo)體以及集電端環(huán)內(nèi)液氮通路示意圖b ;
[0016]圖5為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0017]下面結(jié)合附圖舉例對(duì)本發(fā)明做更詳細(xì)地描述:
[0018]結(jié)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(dǎo)帶材制成的電樞部分位置關(guān)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(dǎo)體I都被徑向發(fā)出的磁力線穿過(guò)，當(dāng)永磁體3旋轉(zhuǎn)時(shí)，鼠籠條導(dǎo)體I相當(dāng)于被同一極性的勻強(qiáng)磁場(chǎng)做切割運(yùn)動(dòng)，鼠籠條導(dǎo)體I中將產(chǎn)生單一方向的感應(yīng)電流，即產(chǎn)生直流電，再經(jīng)過(guò)兩端的集電端環(huán)2聚集，通過(guò)導(dǎo)線連接電機(jī)外接線端子，從而產(chǎn)生連續(xù)穩(wěn)定的直流電。這一過(guò)程中，由于電樞部分采用高溫超導(dǎo)帶材，其材料特性即通入交流電時(shí)具有交流損耗，通入直流時(shí)具有零電阻特性，即零損耗。電機(jī)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(guò)氣隙通過(guò)定子鐵心穿過(guò)鼠籠條導(dǎo)體I,經(jīng)過(guò)電機(jī)機(jī)殼6到轉(zhuǎn)軸5再經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)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(dǎo)體I被磁力線垂直穿過(guò)，當(dāng)永磁體3隨軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，鼠籠條導(dǎo)體I將被勻強(qiáng)磁場(chǎng)做勻速切割，導(dǎo)體I內(nèi)將產(chǎn)生直流電，經(jīng)過(guò)集電端環(huán)2的兩端引出。鼠籠條導(dǎo)體I以及集電端環(huán)2內(nèi)液氮通路如圖4所示。鼠籠條導(dǎo)體I以及集電端環(huán)2加工為空心導(dǎo)體，電機(jī)容量較小時(shí)可考慮焊接、機(jī)械固定或密封粘結(jié)，當(dāng)電機(jī)容量較大時(shí)可考慮在鼠籠條導(dǎo)體I與集電端環(huán)2連接處加裝密封圈或法蘭盤(pán)。電機(jī)機(jī)殼6與轉(zhuǎn)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(chǔ)備箱9相連，連接處具有安裝法蘭盤(pán)保證密封性，液氮儲(chǔ)備箱9內(nèi)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(jī)機(jī)殼6外接線端子603相連，具體如圖5所示。液氮儲(chǔ)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(huì)產(chǎn)生一部分氮?dú)鈱饣?，因此需在液氮?chǔ)備箱9中安裝排氣管903。
[0019]參見(jiàn)圖1對(duì)永磁體3進(jìn)行徑向充磁，得到圖中磁力線所示的永磁體。參見(jiàn)如圖4，對(duì)鼠籠條導(dǎo)體I加工為中空結(jié)構(gòu)，與集電端環(huán)2進(jìn)行連接，電機(jī)容量較小時(shí)可以選用機(jī)械連接、焊接、粘結(jié)等方式。集電端環(huán)2中有液氮通路203，鼠籠條導(dǎo)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(jiàn)圖5，液氮流出端201與液氮流入端202分別與液氮儲(chǔ)備箱9相連，且連接處用法蘭盤(pán)8相連接，確保密封性。液氮儲(chǔ)備箱9內(nèi)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(chǔ)備箱9 一側(cè)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(guò)電機(jī)機(jī)殼6外接線端子603向電機(jī)外輸電。轉(zhuǎn)軸5與轉(zhuǎn)子鐵心4相連,轉(zhuǎn)子鐵心4與永磁體3緊密相嵌構(gòu)成轉(zhuǎn)子。電機(jī)機(jī)殼6與轉(zhuǎn)軸5之間有軸承7連接，保證轉(zhuǎn)軸5穩(wěn)定。鼠籠條導(dǎo)體I與集電端環(huán)2與通過(guò)定子鐵心與電機(jī)機(jī)殼6固定。
[0020]電機(jī)運(yùn)行時(shí)，鼠籠條導(dǎo)體I與集電端環(huán)2作為定子電樞固定不動(dòng)，永磁體3隨著轉(zhuǎn)子鐵心4與轉(zhuǎn)軸5旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生徑向運(yùn)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，鼠籠條導(dǎo)體I被同一極性勻強(qiáng)磁場(chǎng)垂直切割，產(chǎn)生感應(yīng)直流電，經(jīng)過(guò)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(guò)電機(jī)機(jī)殼6外的接線端子603引出，向電機(jī)外輸出直流電。同時(shí)，通過(guò)液氮輸入閥902向液氮儲(chǔ)備箱9注滿液氮，通過(guò)液氮泵流出端801向液氮流入端202輸入液氮，經(jīng)過(guò)集電端環(huán)2和鼠籠條導(dǎo)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(chǔ)備箱完成冷卻系統(tǒng)回路。由于該過(guò)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?dú)馀艢夤?03排出。
[0021 ] 電機(jī)的勵(lì)磁部分采用永磁體，通過(guò)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(cè)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(shè)計(jì)的電機(jī)結(jié)構(gòu)利用電磁感應(yīng)原理，即導(dǎo)體在垂直磁場(chǎng)中相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生感應(yīng)電流。通過(guò)結(jié)構(gòu)上的設(shè)計(jì)使導(dǎo)體在單向、恒定、均勻磁場(chǎng)中做相對(duì)運(yùn)動(dòng)，切割磁力線，從而獲得單一方向直流電。
[0022]轉(zhuǎn)子側(cè)采用徑向充磁的空心圓柱永磁體，與軸同步旋轉(zhuǎn)構(gòu)成旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，定子側(cè)采用鼠籠式結(jié)構(gòu)，這樣定子側(cè)每根籠條導(dǎo)體均與垂直磁場(chǎng)做相對(duì)運(yùn)動(dòng)，同步同向切割磁力線，產(chǎn)生方向相同的感應(yīng)電流，通過(guò)鼠籠式條狀導(dǎo)體兩端集電端環(huán)引出，向電機(jī)外輸送直流電。定子側(cè)鼠籠式和集電端環(huán)均采用高溫超導(dǎo)帶材，并且加工為空心結(jié)構(gòu)，作為液氮回路的一部分，籠條導(dǎo)體兩端與集電端環(huán)焊接或粘結(jié)，大型電機(jī)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(quán)利要求】
1.一種無(wú)換向器的高溫超導(dǎo)直流電機(jī)結(jié)構(gòu)，其特征是:包括電機(jī)機(jī)殼、鼠籠結(jié)構(gòu)、永磁體、轉(zhuǎn)子鐵芯、轉(zhuǎn)軸、液氮儲(chǔ)備箱；鼠籠結(jié)構(gòu)包括鼠籠條導(dǎo)體，鼠籠條導(dǎo)體與鼠籠條導(dǎo)體之間平行布置并排列成圓柱形結(jié)構(gòu)，圓柱形結(jié)構(gòu)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(dǎo)體、第一集電端環(huán)和第二集電端環(huán)均為中空結(jié)構(gòu)，每個(gè)鼠籠條導(dǎo)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(shè)置液氮流出端，第二集電端環(huán)上設(shè)置液氮流入端；轉(zhuǎn)軸穿過(guò)電機(jī)機(jī)殼并通過(guò)軸承與電機(jī)機(jī)殼相配合，轉(zhuǎn)子鐵芯安裝在轉(zhuǎn)軸上，永磁體安裝在轉(zhuǎn)子鐵芯外，鼠籠結(jié)構(gòu)固定在電機(jī)機(jī)殼里，且圓柱形結(jié)構(gòu)位于永磁體外部，液氮儲(chǔ)備箱固定在電機(jī)機(jī)殼外，液氮儲(chǔ)備箱與電機(jī)機(jī)殼相連的壁面上設(shè)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(chǔ)備箱側(cè)面設(shè)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(jī)機(jī)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(quán)利要求1所述的一種無(wú)換向器的高溫超導(dǎo)直流電機(jī)結(jié)構(gòu)，其特征是:液氮儲(chǔ)備箱上設(shè)置氮?dú)馀艢夤堋?br> 【文檔編號(hào)】H02K55/00GK104052243SQ201410293358
【公開(kāi)日】2014年9月17日 申請(qǐng)日期:2014年6月25日 優(yōu)先權(quán)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(qǐng)人:哈爾濱工程大學(xué)