一種高溫超導電機的制作方法

專利名稱：一種高溫超導電機的制作方法
技術領域：
本發明涉及電機技術領域，特別涉及一種電樞繞組采用高溫超導導線，轉子采用 傳統勵磁線圈或者超導磁體、或者永磁體的高溫超導電機。
背景技術：
高溫超導材料在1986年被發現以來，科研人員就構想利用高溫超導材料來制造 高性能電機。在此之前也有低溫超導電機面世，但由于其昂貴的成本始終沒有商業化。但高 溫超導體與低溫超導體相比，具有載流能力強，臨界溫度高，磁場下性能相對較好的優勢， 因此受到人們的廣泛關注。本專利所涉及的高溫超導電機(HTS電機)是指用高溫超導導線線圈代替常規銅 導線線圈作為電機的勵磁繞組或電樞繞組(也有用高溫超導塊材代替永磁體，但這種HTS 電機并不普遍)而制成的新型高性能電機。高溫超導材料具有高載流密度的特性，可以突 破鐵磁材料飽和磁密的限制，從而有效提高電機的功率密度，減小體積和降低重量。與常規銅導線制成的電機相比，高溫超導電機具有以下優勢(1)體積小，重量輕，功率密度高。高溫超導導線通電能力(電流密度)要比銅導線大100倍以上，因此用高溫超導 導線制成的HTS電機繞組的重量和體積要比常規電機的小得多。另外常規電機所用到的鐵 芯的飽和磁感應強度一般小于2特斯拉，而HTS電機的高溫超導繞組可產生大于5特斯拉 的磁場強度。因而HTS電機的功率密度可以比常規電機的高得多，其體積和重量可以做到 只有常規電機的30% 50%。(2)效率高。高溫超導導線電流密度比銅導線高約2個數量級，且幾乎無焦耳熱損耗。一臺4MW 的HTS電機效率高達98.7%，比同級別的常規電機高出約2.0%。低功率輸出時效率依然
很 高。(3)其他優勢如噪音小，維護相對簡單等。高溫超導電機有直流電機、交流同步電機、直線電機、磁阻電機等多種形式。高溫 超導導線通過直流電流時的損耗極小、可以忽略，但在交流情況下會有較明顯的損耗，如果 不在結構上加以創新和優化，這些額外損耗會大幅度抵消采用超導材料獲得的效率提高， 甚至妨礙高溫超導電機的正常運行。因此在應用高溫超導導線時，人們主要將其用于直流 場合，盡量避免用于交流場合。至今為止，世界上研究開發的高溫超導電機絕大多數是直流 同步電機，其結構通常是轉子為高溫超導導線繞制的直流勵磁繞組，定子電樞繞組由于要 通過交流電，用常規銅線圈繞制而成。為了充分發揮超導導線的優點，最好能使其能的得到 廣泛使用。然而大多數電機都有交流或準交流(交流分量)繞組，因此，解決高溫超導導線 在交流場合的應用所遇到的問題對超導電機的大規模應用十分重要。另外高溫超導電機的超導部分需要低溫環境，這需要有良好的絕熱手段。在超導 器件中的絕熱層通常是由中間抽真空的兩層金屬薄板制成。這種絕熱層結構要占有一定的空間，會對電機的結構、性能和效率產生很大的影響。例如電機轉子與定子之間的氣隙的大 小對電機的性能有很大的影響，如果在超導電機的氣隙中還要有絕熱層，處理不好的話會 不得不增加氣隙距離，從而嚴重影響電機的性能。因此如何采用好的絕熱方法也是開發高 溫超導電機的一個關鍵問題。

發明內容
本發明利用高溫超導材料高載流能力的特點，提供了一種能夠實現高效功率輸 出、體積小重量輕的高溫超導電機。本發明采用的技術方案為該高溫超導電機可以是電動機，也可以是發電機，其結 構主要包括定子、轉子以及制冷系統三部分。轉子可以是外轉子也可以是內轉子。該電機的 電樞繞組采用高溫超導導線繞制而成，利用高溫超導材料高載流能力和低損耗的特性提高 電機的功率密度，并有效降低銅損耗；電樞繞組為交流繞組，其通過的電流具有交流分量； 該電機的絕熱層設置在電機的外部，電機的轉子和定子之間沒有絕熱層或采用室溫熱導率 不大于IOOw/(m*K)的材料，如不銹鋼。所述高溫超導導線是Bi-2223/Ag高溫超導帶材/線材，或者是Bi_2212/Ag高溫 超導帶材/線材，或者是Y-Ba-Cu-O涂層導體。所述電機包括內轉子電機和外轉子電機。內轉子電機的轉子在內部、高溫超導電 樞繞組在外部；外轉子電機的轉子在外部、高溫超導電樞繞組在內部。所述內轉子電機和外轉子電機的轉子上有高溫超導導線繞制成的直流勵磁繞組， 或者是永磁磁體；而定子上有高溫超導導線繞制成的交流電樞繞組。該交流電樞繞組的各 線圈均為跑道形，為了避免線圈端部發生相互干涉，可以采用集中線圈或者嵌套形線圈。所述永磁磁體為釹鐵硼永磁體，或者是鐠鐵硼永磁體，或者是釤鈷永磁體，或者是 鐵氧體永磁體，或者是鋁鎳鈷永磁體，不僅可以獲得較高的氣隙磁密，而且幾乎不產生損 耗，工作狀態穩定，故障率低。所述交流繞組中的交流分量的主頻低于50赫茲。所述交流繞組包括帶有磁性齒結構的繞組和帶有非磁性齒結構的繞組。所述交流繞組是分數槽集中繞組，或者是分數槽分布式繞組，或者是整數槽集中 式繞組，或者是整數槽分布式繞組。所述定子上的定子槽帶有磁性槽楔結構，即定子槽口裝有鐵磁性的槽楔使之成為 閉口槽結構。所述絕熱層為抽真空或填充低溫冷媒的隔熱杜瓦，或者是由超級隔熱材料，或者 是室溫熱導率不大于IOOw/(m*K)的材料，或者是以上幾種結構的結合。本發明所涉及的高溫超導電機可以采用整體制冷方案，主要隔熱層安放在電機的 外部。其中超導材料制成的繞組采用接觸制冷，不直接接觸低溫液體，熱量通過金屬結構件 以及鐵芯材料傳導至低溫液體；或者采用浸泡式制冷，即超導繞組直接浸入低溫液體。永磁 材料制作的部分也處于低溫環境，有利于提高永磁材料的工作性能。本發明的有益效果為(1)本發明提供了集中繞組方案和非集中繞組方案，線圈端部均不會出現空間上 的相互干涉現象。
(2)使用低頻交流電，降低了損耗。(3)本發明提供了一種無磁性齒的結構，該結構的優點是自場漏磁通小，電樞繞組 載流能力高；另外磁路不受到鐵磁材料磁飽和強度的限制，從本質上來說可以在電樞繞組 中鏈接更高的氣隙磁密；本發明還解決了無磁性齒情況下的超導電樞繞組的固定和支撐問 題。(4)該電機可以有效的提供電機的安全性和穩定性，特別適用于風力發電、船舶和 車輛推進等領域。


圖1為本發明內轉子高溫超導電機示意圖圖2為本發明外轉子高溫超導電機示意圖圖3為一種8極9槽電機的結構簡化示意圖；圖4為具有非等元件式繞組結構的高溫超導電機示意圖；圖5為定子齒槽漏磁通示意圖；圖6為采用非磁性齒的定子局部結構示意圖，此時氣隙主磁通的切向分量會對高 溫超導線圈的載流能力產生較大的抑制；圖7為帶有磁性槽楔的超導定子局部結構示意圖；圖8為一種整體制冷的高溫超導電機結構示意圖；圖9為一種局部制冷的高溫超導電機結構示意圖；圖10為一種8極9槽分數槽集中式三相繞組交流同步電機結構示意圖；圖11為一種整體制冷的外轉子高溫超導電機結構示意圖；圖中標號1-高溫超導電樞繞組；2-定子鐵芯；3-轉子；4-隔熱杜瓦；5-低溫冷媒；6_絕熱 力矩管；7_轉子軸；8-旋轉密封部件；9-低溫冷頭；10-轉子磁軛；11-轉子磁極；12-氣隙； 13-定子槽；14-定子齒；15-定子磁軛；16-永磁塊；17-磁性槽楔。
具體實施例方式本發明提供了一種高溫超導電機，下面結合附圖和具體實施方式
對本發明做進一 步說明。該電機包括內轉子電機和外轉子電機。內轉子電機如圖1所示，轉子3在內部、高 溫超導電樞繞組1在外部；外轉子電機如圖2所示，轉子3在外部，高溫超導電樞繞組1在 內部。高溫超導帶材由于自身結構和力學性能的特點，存在一個臨界彎曲半徑，當彎曲 半徑低于這個臨界值時，帶材的電流傳輸能力將大幅度降低。同時高溫超導帶材也很難在 其寬面所在平面內進行彎曲。因此應用于電機領域的高溫超導線圈通常采用跑道形結構， 該結構形狀上最接近于矩形線圈，同時線圈兩端有圓弧進行過渡，不會出現非常小的彎曲 半徑。本發明所涉及高溫超導電機的超導電樞繞組采用集中繞組方案，如此每個繞組線圈 均可以使用跑道形線圈，線圈端部不會出現空間上的相互干涉現象。圖3給出了一種8極 9槽電機的結構示意圖，高溫超導電樞繞組1的線圈均勻分布在轉子3外圍，各線圈彼此獨立，在空間上不會出現位置的干涉。本發明所涉及高溫超導電機的超導電樞繞組也可以采用非集中式方案，即分布式 繞組方案。該方案中高溫超導電樞繞組1的線圈節距大于1，即每個線圈跨過兩個以上的槽 數。由于高溫超導導線很難在其寬面所在平面內彎曲，故線圈的端部很難產生翹曲。如果 采用這種排布方式，相鄰線圈的端部很容易出現空間上的重疊而相互干涉，導致超導電樞 繞組無法裝配。本發明采用非等元件式繞組結構的方法解決這一問題，如圖4所示，相鄰高 溫超導電樞繞組1的線圈的面積不同，大線圈的端部伸出較遠，從而就可以繞開小線圈的 端部，避免了相鄰線圈之間的空間干涉現象。本發明所涉及的電機的定子槽13可以有磁性齒，但在這種情況下，齒槽部的自場 漏磁通是需要特別解決的問題，如圖5所示。當前的高溫超導導線對外磁場很敏感，特別對 于高溫超導帶材來說，垂直于帶材寬面的磁場尤其會抑制超導帶材的臨界電流。有磁性定 子齒14的結構比無定子齒結構所產生的自場漏磁通高，相應的，帶材的載流能力也可能有 一定程度的下降。因此為了提高超導電樞繞組的載流能力，其在磁性定子齒14中的擺放位 置需要進行優化。本發明所得優選的電樞繞組位置為磁性定子齒頂距超導導線距離0 < d
<8mm,磁性定子齒底距超導導線距離0 < d < 8mm，磁場定子齒邊緣距超導導線距離0 < t
<1cm。超導導線和磁性定子齒之間的空隙需用高導熱材料填充，以作為超導材料的制冷通 路。填充材料可以是銅、鋁、環氧樹脂、摻氮化鋁環氧樹脂、摻氧化鋁環氧樹脂。當高溫超導電樞繞組處于磁性定子齒環境下時，繞組的自場漏磁通要比在空氣中 大，這樣勢必會對超導線圈的載流能力造成很大的影響。另外，定子鐵芯2的材料一般都是 硅鋼片，這種軟磁材料在低磁場下磁導率較高，但在高磁場下，材料會嚴重飽和，磁導率接 近空氣磁導率。普遍使用的硅鋼片的飽和磁通密度約為2T左右。若是轉子采用永磁體或 者常規磁體勵磁，不會有任何影響。但是如果轉子也采用高溫超導線圈，那么氣隙磁密就會 大大增加，可能會達到3T以上，這樣定子鐵芯2會嚴重飽和，影響功率的提升。所以對于超 導電機，無磁性齒的定子鐵芯是應該被考慮的。本發明所涉及的電機可以采用無磁性齒結 構，如圖6所示。該結構的優點是自場漏磁通小，電樞繞組載流能力高；另外磁路不受到鐵 磁材料磁飽和強度的限制，從本質上來說可以在電樞繞組中鏈接更高的氣隙磁密。本發明 還解決了無磁性齒情況下的超導電樞繞組的固定和支撐問題。選取在液氮溫度以下仍然有 良好機械性能的無磁性、高熱導率的材料，如鋁、銅等金屬材料，再如環氧樹脂、玻璃鋼、聚 四氟乙烯等非金屬材料，加工成可以傳統的定子槽結構，再通過低溫膠粘連或者螺釘鉚接 的方法安裝在外圈的硅鋼片上。超導導線則直接繞在該非磁場齒結構上，放置位置盡可能 接近氣隙但不能影響永磁轉子的運動。超導導線和支撐結構之間的空隙需用高導熱材料填 充，以作為超導材料的制冷通路。填充材料可以是銅、鋁、環氧樹脂、摻氮化鋁環氧樹脂、摻 氧化鋁環氧樹脂。本發明所涉及的高溫超導電機由于存在主磁通切向分量，因此會對高溫超導電樞 繞組的載流能力產生不利影響。可以在定子槽開口處加上磁性槽楔17，如圖7所示。磁性 槽楔由摻雜了磁性材料(如鐵粉、鎳粉、氧化鐵粉)的電膠木或者樹脂制成，槽楔整體在電 機工作狀態下的相對磁導率的范圍為100-10000。磁性槽楔還可以輔助固定高溫超導線圈。本發明在高溫超導電樞繞組線圈中通入交流電。通常可以認為高溫超導導線在直 流條件下電阻為零，沒有損耗；但其在交流下產生磁滯損耗。單位長度高溫超導導線的損耗功率Q與頻率f成正比，即頻率越高，損耗功率越大。因此想要減小交流損耗，降低電樞繞 組中交流電的頻率是一個可行的途徑。在本發明中，優選的交流電頻率為低于50Hz。本發明所涉及的高溫超導電機采用整體制冷方案，這對內轉子和外轉子電機都適 用。本發明的電機中的主要隔熱層安放在電機的外部，這樣可以避免在電機的轉子和定子 之間安放隔熱層，或者可以將這部分的隔熱層做得很薄(小于10毫米)，從而使電機氣隙 不必變得太大而影響電機的性能。以內轉子電機為例，如圖8所示，隔熱杜瓦4位于整機外 圍，為內部抽成真空的雙層隔熱殼體；低溫冷媒5和定子鐵芯2直接接觸，從而對高溫超導 電樞繞組1進行制冷；高溫超導電樞繞組1和轉子3之間沒有額外的絕熱層或者只有較薄 的超級隔熱材料，這大大降低了高溫超導電機的氣隙，提高氣隙磁密，有利于提高高溫超導 電機的功率密度；絕熱力矩管6起到向轉子軸7傳遞力矩、同時減小熱傳遞的作用，可以采 用玻璃鋼材料；絕熱力矩管6和隔熱杜瓦4接觸部位安裝旋轉密封部件8，可以采用普通軸 承，考慮到整體制冷時隔熱杜瓦4需要有氣密性，優選采用磁流體旋轉密封軸承。高溫超導電樞繞組1還可采用接觸制冷，不直接接觸低溫液體，熱量通過金屬結 構件以及鐵芯材料傳導至低溫液體。電機的定子繞組和轉子繞組可以都用高溫超導導線繞 制而成。如果其中勵磁繞組是直流的，則制冷源要盡量靠近交流電樞繞組。這是因為直流 繞組的損耗很低，主要的發熱部件是交流繞組。如果這一直流勵磁繞組被而永磁材料所代 替，情況仍然類似，這是因為永磁材料的損耗也很低。在這一結構下電機的永磁材料部分也 處于低溫環境，這還有利于提高永磁材料的工作性能及穩定性(這是由于永磁材料在應用 中的一個重要問題就是其性能會隨時間出現退化，環境溫度越高，退化速度越快)。高溫超 導電樞繞組1還可以單獨置于隔熱杜瓦4中進行制冷，這樣雖然增加了氣隙，但是不會因為 轉子3中的額外損耗而增加制冷功耗。以內轉子電機為例，如圖9所示，隔熱杜瓦4將整個 定子鐵芯2部分密封，轉子3在工作時處于常溫狀態，轉子軸7和隔熱杜瓦4的接觸部分采 用普通軸承即可。實施例1 本實施例中，作為絕熱層的隔熱杜瓦4在最外層，轉子3為纏繞高溫超導電樞繞組 1的直流勵磁繞組，定子鐵芯2為纏繞高溫超導交流電樞繞組的風力發電機。具體結構為8 極9槽分數槽集中式三相繞組結構。定子鐵芯2由硅鋼片制成，有九個定子槽，每個定子槽 內安放有兩個不同線圈的導體邊，平行放置。槽口安裝有磁性槽楔結構。每個超導線圈的 節距都為1，即一個線圈只跨有一個齒，高溫超導電樞繞組1的線圈形狀為跑道型。電機內 氣隙主磁通由轉子3上的高溫超導電樞繞組1的直流勵磁線圈產生。轉子3的結構為凸極 轉子結構，轉子線圈固定在非磁性齒結構上。定子磁軛15外部為隔熱杜瓦4，與定子磁軛 15的外壁共同構成環形的密封液氮容器。液氮灌注在整個隔熱杜瓦中，高溫超導電樞繞組 1的熱量通過定子磁軛15、定子鐵芯2和其他熱傳導部件傳遞到液氮中，從而使高溫超導線 圈冷卻。轉子3的轉矩通過轉子軸7傳送，轉子軸7與外部空氣接觸的部分為普通的金屬 構件，在電機內部與低溫環境接觸的部分由玻璃鋼制成，金屬構件和玻璃鋼構件通過低溫 粘合劑連接。實施例2 本實施例中，作為絕熱層的隔熱杜瓦4在最外層，轉子3為永磁體，定子鐵芯2為 纏繞高溫超導交流電樞繞組的發電機。高溫超導交流電樞繞組中通有IOHz的交流電。具體結構為8極9槽分數槽集中式三相繞組結構，如圖10所示。定子鐵芯2為硅鋼片制成， 分為定子齒14和定子磁軛15兩部分，共有九個定子槽13，每個定子槽內安放有兩個不同線 圈的導體邊，平行放置。定子槽的槽口安裝有磁性槽楔結構。每個高溫超導線圈的跨距都 為1，即一個線圈只跨過一個齒。高溫超導線圈的形狀為跑道型線圈。電機內氣隙12的主 磁通由轉子3的釹鐵硼永磁體產生，轉子3分為轉子磁軛10和轉子磁極11兩部分，其結構 為徑向磁通結構。定子磁軛15外部為隔熱杜瓦4，與定子磁軛15外壁共同構成環形的密封 液氮容器。液氮灌注在整個隔熱杜瓦中，高溫超導電樞繞組1的熱量通過定子鐵芯2和其 他熱傳導部件傳遞到液氮中，從而使高溫超導線圈冷卻。轉子3的轉矩通過轉子軸7傳送， 轉子軸7與外部空氣接觸的部分為普通的金屬構件，在電機內部與低溫環境接觸的部分由 玻璃鋼制成，金屬構件和玻璃鋼構件通過低溫粘合劑連接。實施例3 本實施例中，轉子3為永磁體，定子鐵芯2為纏繞高溫超導交流電樞繞組的發電 機，其基本結構如圖11所示。隔熱杜瓦4位于最外層；高溫超導電樞繞組1位于轉子3的 內部；定子鐵芯2的內部通有低溫冷媒5，可直接通入低溫液體(包括液氦、液氖、液氫、液 氮)，也可以和制冷系統相連；永磁塊16位于氣隙12的外側，可以采用釹鐵硼永磁體，或者 是釤鈷永磁體，或者是鐵氧體永磁體，或者是鋁鎳鈷永磁體，也可以采用充磁的YBCO高溫 超導塊材。本實例的特點在于，發電機工作時，只有轉子3轉動，隔熱杜瓦4和高溫超導電樞 繞組1均保持靜止，便于對高溫超導線圈進行制冷。實施例4 本實施例中，作為絕熱層的隔熱杜瓦4在最外層，轉子3為纏繞高溫超導電樞繞組 1的直流勵磁繞組，定子鐵芯2為纏繞高溫超導交流電樞繞組的船舶推進電動機。電機的基 本結構和實施例3基本相同，只是轉子3采用高溫超導線圈代替永磁材料，轉子線圈固定在 非磁性齒結構上，氣隙磁通可達1-4T。
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權利要求
一種高溫超導電機，包括電動機和發電機，其特征在于，該電機的勵磁繞組或電樞繞組采用高溫超導導線繞制而成；勵磁繞組或電樞繞組為交流繞組，其通過的電流具有交流分量；該電機的絕熱層設置在電機的外部，電機的轉子和定子之間沒有絕熱層，或采用厚度小于10毫米、室溫熱導率低于100w/(m*K)的材料制成的絕熱層。
2.根據權利要求1所述的一種高溫超導電機，其特征在于，所述高溫超導導線是 Bi-2223/Ag高溫超導帶材/線材，或者是Bi-2212/Ag高溫超導帶材/線材，或者是 Y-Ba-Cu-O涂層導體。
3.根據權利要求1所述的一種高溫超導電機，其特征在于，所述電機包括內轉子電機 和外轉子電機。
4.根據權利要求3所述的一種高溫超導電機，其特征在于，所述內轉子電機和外轉子 電機的轉子上有高溫超導導線繞制成的直流勵磁繞組，或者采用永磁磁體；而定子上有高 溫超導導線繞制成的交流電樞繞組。
5.根據權利要求4所述的一種高溫超導電機，其特征在于，所述永磁磁體為釹鐵硼永 磁體，或者是鐠鐵硼永磁體，或者是釤鈷永磁體，或者是鐵氧體永磁體，或者是鋁鎳鈷永磁 體。
6.根據權利要求1所述的一種高溫超導電機，其特征在于，所述交流繞組中的交流分 量的主頻低于50赫茲。
7.根據權利要求1所述的一種高溫超導電機，其特征在于，所述交流繞組包括帶有磁 性齒結構的繞組和帶有非磁性齒結構的繞組。
8.根據權利要求1所述的一種高溫超導電機，其特征在于，所述交流繞組是分數槽集 中繞組，或者是分數槽分布式繞組，或者是整數槽集中式繞組，或者是整數槽分布式繞組。
9.根據權利要求1所述的一種高溫超導電機，其特征在于，所述定子上的定子槽帶有 磁性槽楔結構，即定子槽口裝有鐵磁性的槽楔使之成為閉口槽結構。
10.根據權利要求1所述的一種高溫超導電機，其特征在于，所述電機采用整體制冷方 案，主要隔熱層安放在電機的外部，隔熱層為抽真空的隔熱杜瓦，或者是超級隔熱材料，或 者是室溫下熱導率不大于IOOw/(m*K)的材料，或者是以上幾種結構的結合。
全文摘要
本發明涉及電機技術領域，特別涉及一種高溫超導電機。該電機包括電動機和發電機，其電樞繞組采用高溫超導導線繞制而成，通過的電流具有交流分量；該電機的絕熱層設置在電機的外部，電機的轉子和定子之間沒有絕熱層或采用厚度小于10毫米的的絕熱層。本發明提供了集中繞組方案和非集中繞組方案，線圈端部均不會出現空間上的相互干涉現象；使用低頻交流電，降低了損耗；該電機可以有效的提供電機的安全性和穩定性，特別適用于風力發電、船舶和車輛推進等領域。
文檔編號H02K3/02GK101951128SQ20101027356
公開日2011年1月19日 申請日期2010年9月6日 優先權日2010年9月6日
發明者宋彭, 瞿體明, 韓征和, 顧晨 申請人:清華大學