專利名稱：一種用于同步直線電機的高溫超導動子的制作方法
技術領域：
本發明涉及高溫超導應用技術，特別是一種用于同步直線電機的高溫超導動子。
背景技術：
目前，同步直線電機常常被用作磁懸浮列車的推進系統。在這種推進系統的其中 一種方式，定子線圈鋪設在地面上，可以提供正弦變化的行波磁場，動子部分固定在車體的 底部。動子可以由稀土永磁體或者電磁鐵組成，隨著定子磁場的變化而運動。從原理上來 講，動子部分將不斷跟隨向前運動的定子磁場，進而推動列車向前運動。如果使用傳統的電 磁鐵，必然需要大量的銅線，而銅線圈笨重，占據大量的空間，并且產生大量的電阻損耗。如 果同等體積和重量的電磁鐵用高溫超導線圈代替，由于超導體可以承受的電流密度是銅導 體的數十甚至上百倍(4. I下超導體的電流密度是銅導體的140倍以上)，這時就可以給動 子部分通過更大的電流，進而產生更大的推力，同時可以減小動子占據的空間和重量，并且 可以把動子的電磁損耗降低到較低的水平。唯一增加的問題是需要提供一個低溫環境，使 超導體的工作溫度處于其臨界溫度以下。雖然目前已有關于超導同步直線電機的諸多報道，但大多將超導線嵌入到直線電 機的定子電樞中，由于這種情形下超導線需要傳輸三相交流電，必然會在超導體內引起交 流損耗。我們提出的方案中，僅有勵磁單元需要使用超導線，這樣超導線只傳輸直流電，避 免了交流損耗。目前有一種情況在動子部分使用到超導線，但使用的是工作溫度為4. 2K的 低溫超導體。如果超導體的臨界溫度在30K以下，這種超導體被稱作為低溫超導體，而如果 臨界溫度在30K以上，則被稱作為高溫超導體。
發明內容
鑒于現有技術的以上缺點，本發明的目的是提供一種同步直線電機的高溫超導動 子，使之在降低動子空間尺寸、重量、損耗以及提高系統推力方面具有明顯優勢。本發明的目的是通過如下的手段實現的。一種用于同步直線電機的高溫超導動子，具有一系列由兩個跑道形超導線圈組成 的勵磁系統，超導線(3)將相鄰的超導線圈連接起來形成一個反極性的結構，所述兩個超 導線圈端部連接在與勵磁電源相連的兩個銅母線接頭上，與之并聯在兩個銅母線接頭還有 一個由超導線(5)和控溫加熱器8構成的超導開關；所述超導線圈中部設置有鐵芯。采用上述方式，本發明具有如下的優點本發明使用可以工作在液氮溫區77K的高溫超導體。因此，本專利使用杜瓦裝載 液氮而不需要液氦或者其它低溫容器。因此，使用高溫超導體僅需要使用便宜的液氮作為 制冷劑，而同時可以帶來直線電機推力數倍的增加。高溫超導動子，由一系列供給直流電的超導線圈串聯而成，這種情況下，所有線圈 傳輸完全相同的電流。線圈的形狀是跑道形的，這種形狀可以使電機的推力最大化(其實 質是洛侖茲力)。本質上講，每個線圈都是由超導線繞制而成的電磁鐵，最終按磁極交替的方式組成電機的動子。本專利使浸沒在液氮杜瓦中的高溫超導線圈作為電機的動子成為可能，這種新的 方案在降低動子空間尺寸、重量、損耗以及提高系統推力方面具有明顯優勢。在電機重量不 超過20kg、空間尺寸小于0. OOSm3的情況，這種直線電機很容易在凈氣隙高于IOmm時實現 輸出300N的推力。
圖1 本發明高溫超導動子的俯視圖。圖2 圖1的A-A剖視圖。圖3 本發明高溫超導動子置于杜瓦內的剖視圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明的結構功能作進一步說明。本發明高溫超導動子9具有由兩個跑道形超導線圈1和2組成的勵磁系統，超導 線3將相鄰的超導線圈連接起來形成一個反極性的結構，所述兩個超導線圈端部連接在與 勵磁電源相連的兩個銅母線接頭4上，與之并聯在兩個銅母線接頭還有一個由超導線5和 控溫加熱器8成的超導開關。其中箭頭標示電流方向，6為線圈鐵芯。每個超導線圈可以使 用一個鐵芯6或者為整個勵磁線圈添加一個背部鐵軛7 (圖1中虛線部分所圍)。超導線圈 既可以是單餅也可以是雙餅的跑道形結構，也可以是由多個單餅或雙餅串并聯而成，其中 跑道的短軸與運動方向一致。所述勵磁系統中的超導線圈的個數可設置任意多個；繞制超 導線圈的匝數也可以是任意多。所述超導線圈既可以是單餅也可以是雙餅的跑道形結構， 還可以是由多個單餅或雙餅串并聯而成；其中跑道的短軸與運動方向一致。為簡化起見，圖1僅給出了兩個超導線圈串聯的情況，一并給出的還有超導開關 和大電流高功率恒流源。具體實施過程是一旦達到了供電要求，控溫加熱器8提供溫度變 化控制超導線5的超導狀態，即可閉合超導開關斷開電源，這樣電流就在一個很低磁場環 境下和無損耗的全超導電路中流動。由于超導回路的電阻幾乎為零，動子勵磁回路的電流 不會隨時間出現衰減，從而處于“恒流”狀態。如果將這種直線電機應用于磁懸浮列車系統 中，可以先在一個車站中為超導線圈充電，由于實際運行中不需要額外的電能輸入，因此在 充電完成后，可以拔去充電插頭。待經過一段時間的運行進入另一個車站后，根據需要，可 以將超導線圈的充電接頭插入到當前車站的供電電源中，為超導線圈重新充電。以這種方 式，列車將不需要裝載額外的供電電源，從而有助于提高車體的載重能力。為保證超導線圈和超導開關可以被冷卻到工作溫度，需要配備一個用于儲存液氮 的雙層杜瓦容器。超導線圈將被固定在杜瓦容器的真空腔中以便于超導線圈能夠更接近放 置于地面軌道上的定子電樞部分，從而實現動子和定子之間更強的電磁作用，產生更大的 推力。這種情況下，超導線圈必須經由傳導冷卻。超導開關和供電電源的銅電流母線部分 緊扣在杜瓦內壁的里層，浸沒在液氮內。為了實現超導線圈和超導開關的電連接，可以在杜 瓦的內壁上鉆洞，然后在連接線的周圍灌注環氧樹脂以保護真空腔。杜瓦將被固定在磁懸 浮列車的底部，裝載其內的超導線圈用作列車的推進系統。圖2為本發明實際使用環境的一個例子，高溫超導動子9置于真空腔10內時的杜瓦斷面圖。利用由絕熱材料制成的頂部法蘭連接杜瓦的內壁11和外壁12。利用橡膠墊片 13密封真空腔10。端部的兩個超導線圈1和2分別與電源的銅母線接頭4連接。頂部法 蘭14有兩個用于注入冷制的注入孔和排放氣體的排氣口 15。利用真空嘴16為真空腔10 抽真空。內壁的底部可以由鐵磁材料制作而成以作為超導線圈的背部鐵軛。電流母線4的 一部分和加熱器8浸沒在液體容器17中。
權利要求
1.一種用于同步直線電機的高溫超導動子，其特征在于，具有一系列由兩個跑道形超 導線圈組成的勵磁系統，超導線(3)將相鄰的超導線圈連接起來形成一個反極性的結構， 所述兩個超導線圈端部連接在與勵磁電源相連的兩個銅母線接頭上，與之并聯在兩個銅母 線接頭還有一個由超導線(5)和控溫加熱器(8)構成的超導開關；所述超導線圈中部設置 有鐵芯。
2.根據權利要求1所述之用于同步直線電機的高溫超導動子，其特征在于，所述超導 線圈中部的鐵芯可同時再加或者單獨使用背部鐵軛替代。
3.根據權利要求1所述之用于同步直線電機的高溫超導動子，其特征在于，所述超導 線圈既可以是單餅也可以是雙餅的跑道形結構，也可以是由多個單餅或雙餅串并聯而成， 其中跑道的短軸與運動方向一致。
4.根據權利要求1所述之用于同步直線電機的高溫超導動子，其特征在于，所述勵磁 系統中的超導線圈的個數可設置任意多個；繞制超導線圈的匝數也可以是任意多。
5.根據權利要求1所述之用于同步直線電機的高溫超導動子，其特征在于，所述超導 線圈既可以是單餅也可以是雙餅的跑道形結構，還可以是由多個單餅或雙餅串并聯而成； 其中跑道的短軸與運動方向一致。
全文摘要
本發明公開了一種用于同步直線電機的高溫超導動子，具有由兩個跑道形超導線圈(1，2)組成的勵磁系統，超導線(3)將相鄰的超導線圈連接起來形成一個反極性的結構，所述兩個超導線圈端部連接在與勵磁電源相連的兩個銅母線接頭上，與之并聯在兩個銅母線接頭還有一個由超導線(5)和控溫加熱器(8)構成的超導開關。本發明使用可以工作在液氮溫區77K的高溫超導體，在降低動子空間尺寸、重量、損耗以及提高系統推力方面具有明顯優勢。在電機重量不超過20kg、空間尺寸小于0.008m3的情況，所裝備的直線電機很容易在凈氣隙高于10mm時實現輸出300N的推力。
文檔編號H02K41/03GK102136789SQ20111009006
公開日2011年7月27日 申請日期2011年4月11日 優先權日2011年4月11日
發明者劉偉, 晏飛翔, 李婧, 林群煦, 王家素, 王素玉, 鄭珺, 鄭石鈞, 陳鑫, 馬光同 申請人:西南交通大學