CN110868042B - 一种高转速高功率密度机载全超导发电机方案 - Google Patents

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Abstract

本发明属于电机技术领域，是一种高转速高功率密度机载全超导发电机方案，包括转子(1)、超导冷却杜瓦结构(2)、定子铁芯结构(3)、超导励磁绕组(4)、超导电枢绕组(5)和轴向环绕磁路(6)。定子铁芯结构(3)、超导励磁绕组(4)和超导电枢绕组(5)均安装固定在超导冷却杜瓦结构(2)的低温腔(8)内，转子(1)在超导冷却杜瓦结构(2)外。此种轴向环绕磁路(6)的电磁拓扑结构设计，实现了转子(1)与超导励磁解耦、转子(1)转动与超导供电解耦，整体式转子(1)满足机载电机高转速需求，定向导磁的定子铁芯结构(3)提高了气隙磁密，此种超导电机结构方案简单紧凑、重量轻、效率高，极大地提高了大功率超导电机功率密度。

Description

一种高转速高功率密度机载全超导发电机方案
所属技术领域：
本发明属于电机技术领域，更具体地，涉及一种高转速高功率密度机载全超导发电机方案。
背景技术：
自20世纪开始，飞机改变了人们出行方式，缩短了城市间通行时间，促进了旅游业的发展，带动了国家与地区GDP的增长。据世界银行数据统计，进入21世纪以来，人们选择飞机出行方式的人数呈现指数性增长，预计2030年，年出行人次将达到50亿人次左右。飞机排放尾气中含有大量的NOx、CO2等温室气体，目前占全球总排放量的3％。伴随着人类社会的进步，全球在化石能源危机、温室效应和环境污染等方面的问题日益严峻，减少能源浪费、降低有害气体排放以及发展可再生的清洁能源成为全球范围内的共识。因此发展清洁、高效的航空产业，如多电飞机、全电飞机，将是改善全球环境的一大举措。
实现多电/全电飞机首要的是解决大功率电机难题，通常在兆瓦或几十兆瓦量级。对于常规电机，功率达到兆瓦级别及以上，其体积相当庞大。目前，大功率超导电机由于采用高载流密度和低损耗的超导材料，其体积和重量降到传统电机的1/3～1/2。大功率兆瓦级别的超导电机研究大都集中在舰船、风力发电、电力机车等行业，突出的特点是低转速、大扭矩。低转速限制了大功率超导电机功率密度的进一步提升。
当前阶段，大功率超导电机主流***是超导励磁绕组旋转，这种拓扑方案需要增加传输冷媒的旋转接头来满足超导绕组的低温工作要求，同时超导绕组的供电和检测信号需要滑环或感应传输，这导致了此种拓扑方案的超导电机***结构相当复杂，故障率高。另一种大功率超导电机拓扑方案是超导励磁绕组不动的结构，但转子电枢供电需要大电流的馈电碳刷，碳刷寿命短，更换困难。而机载电机具有高转速的特点，使得高速馈电碳刷寿命急剧下降，亦不能满足机载电机的需求。
因此本发明专利针对以上大功率超导电机面临的问题，提出一种高转速高功率密度机载全超导发电机方案，该电机采用超导励磁绕组固定结构，通过优化电磁拓扑结构，避免了滑环供电结构，同时转速可以运行在高速甚至超高速状态下(10000rpm～100000rpm)，大幅提高电机的功率密度。
发明内容：
为解决低转速的大功率电机难以满足机载电机高转速高功率密度需求的问题，同时克服超导线圈供电高速电刷寿命短的难题，本发明提供一种高转速高功率密度机载全超导发电机方案，通过电磁拓扑结构特殊设计，实现转子与励磁解耦、转子转动与超导供电解耦，并通过提高转子转速大幅提高电机功率密度。
为实现上述目的，本发明提供一种高转速高功率密度机载全超导发电机方案，包括转子(1)、超导冷却杜瓦结构(2)、定子铁芯结构(3)、超导励磁绕组(4)、超导电枢绕组(5)和轴向环绕磁路(6)。定子铁芯结构(3)、超导励磁绕组(4)和超导电枢绕组(5)均安装固定在超导冷却杜瓦结构(2)的低温腔(8)内，转子(1)在超导冷却杜瓦结构(2)外。
所述转子(1)为整体式磁性转子，表面无永磁体，无励磁线圈，转子(1)工作段中间细，两端为相对应的P对凸极(P>2)，结构简单且可靠，工作转速可以达到10000rpm～100000rpm，转子(1)采用高饱和导磁材料制成，将超导励磁绕组(4)产生的磁场沿转轴轴向从一侧导流到另一侧；
所述超导冷却杜瓦结构(2)由两层不导磁不锈钢制成的中空结构，分为真空腔(7)与低温腔(8)，超导冷却杜瓦结构(2)内壁承担支撑与固定定子铁芯结构(3)、超导励磁绕组(4)和超导电枢绕组(5)的作用。真空腔(7)隔绝与外界的换热，低温腔(8)为超导励磁绕组(4)和超导电枢绕组(5)提供低温环境，低温腔(8)充满低温液体，浸泡冷却为超导线圈提供一个稳定的工作环境；
所述定子铁芯结构(3)由M(M≥3)个环绕均布的定子铁芯叠片组构成，定子铁芯结构(3)位于上述超导冷却杜瓦结构(2)的低温腔(8)内，定子铁芯结构(3)采用高饱和导磁材料制成，将超导励磁绕组(4)产生的磁场沿定子铁芯从一侧导流到另一侧，与转子(1)导流形成轴向环绕闭合磁路(6)；
所述超导励磁绕组(4)由多饼圆形超导线圈组成，位于全超导电机中心位置，通直流为超导电机工作提供励磁磁场；
所述超导电枢绕组(5)由2M个多饼超导线圈组成，其固定在定子叠片组铁轭上，每两个多饼超导线圈与上述一个定子铁芯叠片组组成一个基本单元，一个基本单元的超导线圈串联组成一个绕组，形成M个电枢绕组线圈；
优选的是，所述转子(1)为整体式磁性转子，结构简单，稳定可靠，适合高转速下工作，采用高饱和导磁材料将磁场能量大部分汇聚在转轴里，并且定向导磁。
优选的是，所述超导冷却杜瓦结构(2)的低温腔(8)充满低温液体，浸泡冷却结构简单，同时承担支撑与固定定子铁芯结构(3)、超导励磁绕组(4)和超导电枢绕组(5)作用。
优选的是，所述定子铁芯结构(3)采用高饱和导磁材料将磁场能量大部分汇聚在铁芯里，其定向导磁与转子(1)的定向导磁形成磁阻较小的轴向环绕闭合磁路(6)。
优选的是，所述超导励磁绕组(4)固定于上述超导冷却杜瓦结构(2)低温腔(8)内，通直流产生比传统电机更强的气隙磁密，提高电机功率密度。
优选的是，所述超导电枢绕组(5)固定于上述超导冷却杜瓦结构(2)低温腔(8)内，超导线圈相比普通铜绕组缩减了体积，为超导电机减重，提高电机功率密度。
总体而言，通过本发明所的高转速高功率密度机载全超导发电机方案与现有超导电机相比，能够取得下列有效增益：
1、本发明提供的一种高转速高功率密度机载全超导发电机方案，整体式转子结构简单可靠，适合高速工作条件，满足机载电机需求；
2、本发明提供的一种高转速高功率密度机载全超导发电机方案，固定的超导励磁绕组摆脱了主流超导电机超导线圈供电电刷寿命短，故障率高的现状，同时增加通流能力可以提高气隙磁密，进而提高电机功率密度。
附图说明
为了更清楚的说明本发明实施例，下面对实施例中的附图作简要介绍，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。
图1是实施例提供的高转速高功率密度机载全超导发电机方案示意图；
图2是实施例提供的高转速高功率密度机载全超导发电机方案结构示意图；
图3是实施例提供的高转速高功率密度机载全超导发电机方案转子结构示意图。
图中，1、转子；2、超导冷却杜瓦结构；3、定子铁芯结构；4、超导励磁绕组；5、超导电枢绕组；6、轴向环绕闭合磁路；7、真空腔；8、低温腔。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用以限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
图1和图2分别是实施例提供的高转速高功率密度机载全超导发电机方案示意图和结构示意图，包括转子(1)、超导冷却杜瓦结构(2)、定子铁芯结构(3)、超导励磁绕组(4)、超导电枢绕组(5)和轴向环绕磁路(6)。定子铁芯结构(3)、超导励磁绕组(4)和超导电枢绕组(5)均安装固定在超导冷却杜瓦结构(2)的低温腔(8)内，转子(1)在超导冷却杜瓦结构(2)外。
所述转子(1)为整体式磁性转子，如图3所示，表面无永磁体，无励磁线圈，转子(1)工作段中间细，两端为相对应的P对凸极(P≥2)，结构简单且可靠，工作转速可以达到10000rpm～100000rpm，转子(1)采用高饱和导磁材料制成，将超导励磁绕组(4)产生的磁场沿转轴轴向从一侧导流到另一侧；
所述超导冷却杜瓦结构(2)由两层不导磁不锈钢制成的中空结构，分为真空腔(7)与低温腔(8)，超导冷却杜瓦结构(2)内壁承担支撑与固定定子铁芯结构(3)、超导励磁绕组(4)和超导电枢绕组(5)的作用。真空腔(7)隔绝与外界的换热，低温腔(8)为超导励磁绕组(4)和超导电枢绕组(5)提供低温环境，低温腔(8)充满低温液体，浸泡冷却为超导线圈提供一个稳定的工作环境；
所述定子铁芯结构(3)由M(M≥3)个环绕均布的定子铁芯叠片组构成，定子铁芯结构(3)位于上述超导冷却杜瓦结构(2)的低温腔(8)内，定子铁芯结构(3)采用高饱和导磁材料制成，将超导励磁绕组(4)产生的磁场沿定子铁芯从一侧导流到另一侧，与转子(1)导流形成轴向环绕闭合磁路(6)；
所述超导励磁绕组(4)由多饼圆形超导线圈组成，位于全超导电机中心位置，通直流为超导电机工作提供励磁磁场；
所述超导电枢绕组(5)由2M个多饼超导线圈组成，其固定在定子叠片组铁轭上，每两个多饼超导线圈与上述一个定子铁芯叠片组组成一个基本单元，一个基本单元的超导线圈串联组成一个绕组，形成M个电枢绕组线圈。
所述的轴向环绕闭合磁路(6)：超导励磁绕组(4)通直流产生磁场，在高饱和导磁转子(1)中汇聚，然后从右侧凸极进入气隙，穿过超导冷却杜瓦结构(2)进入到定子铁芯结构(3)右侧铁轭，沿着定子铁芯叠片组定向导流到左侧铁轭，再次穿过超导冷却杜瓦结构(2)和气隙，回到转子(1)左侧凸极，再到转子(1)形成轴向环绕闭合磁路(6)。
以上实施例仅用以清楚说明本发明的技术及特点，以便所属领域的普通技术人员容易理解并加以实施，并不用以限制本发明，凡是未脱离本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种高转速高功率密度机载全超导发电机，其特征在于，包括转子(1)、超导冷却杜瓦结构(2)、定子铁芯结构(3)、超导励磁绕组(4)、超导电枢绕组(5)和轴向环绕闭合磁路(6)；其中，定子铁芯结构(3)、超导励磁绕组(4)和超导电枢绕组(5)均安装固定在超导冷却杜瓦结构(2)的低温腔(8)内，转子(1)在超导冷却杜瓦结构(2)外；所述转子(1)为整体式磁性转子，表面无永磁体，无励磁线圈，转子(1)工作段中间细，两端为相对应的P对凸极，其中P的数量不小于2，转子(1)采用高饱和导磁材料制成，将超导励磁绕组(4)产生的磁场沿转轴轴向从一侧导流到另一侧；
所述定子铁芯结构(3)由M个环绕均布的定子铁芯叠片组构成，其中的M数量不小于3；
所述超导电枢绕组(5)由2M个多饼超导线圈组成，其固定在定子铁芯叠片组的铁轭上，每两个多饼超导线圈与一个所述定子铁芯叠片组组成一个基本单元，一个基本单元的超导线圈串联组成一个绕组，形成M个电枢绕组线圈。
2.如权利要求1所述的高转速高功率密度机载全超导发电机，其特征在于，所述超导冷却杜瓦结构(2)由两层不导磁不锈钢制成的中空结构，分为真空腔(7)与低温腔(8)，超导冷却杜瓦结构(2)内壁承担支撑与固定定子铁芯结构(3)、超导励磁绕组(4)和超导电枢绕组(5)的作用，真空腔(7)隔绝与外界的换热，低温腔(8)为超导励磁绕组(4)和超导电枢绕组(5)提供低温环境，低温腔(8)充满低温液体。
3.如权利要求2所述的高转速高功率密度机载全超导发电机，其特征在于，定子铁芯结构(3)位于上述超导冷却杜瓦结构(2)的低温腔(8)内，定子铁芯结构(3)采用高饱和导磁材料制成，将超导励磁绕组(4)产生的磁场沿定子铁芯从一侧导流到另一侧，与转子(1)导流形成轴向环绕闭合磁路(6)。
4.如权利要求1所述的高转速高功率密度机载全超导发电机，其特征在于，所述超导励磁绕组(4)由多饼圆形超导线圈组成，位于所述高转速高功率密度机载全超导发电机中心位置，通直流为所述高转速高功率密度机载全超导发电机工作提供励磁磁场。
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