CN113067421B - 一种采用直流超导励磁的场调制型外转子游标电机及应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及游标电机领域，具体的是一种采用直流超导励磁的场调制型外转子游标电机及应用，包括超导支撑模块、超导材料、低温杜瓦绝热壁、隔热端盖、定子电枢绕组、定子铁心、定子场调制极以及外转子铁心。超导支撑模块表面设置凹槽，超导材料以往复结构铺设其中，外层以低温杜瓦绝热壁覆盖，结合隔热端盖进行封闭；定子铁心设置有定子电枢绕组，并在定子齿部设计定子场调制极，起到磁场调制作用；外转子采用凸极结构，为超导材料产生的磁场与定子电枢磁场能够产生相互作用。本发明设计的游标电机，利用直流超导提供励磁磁场，并结合场调制原理，能够增大电机转矩密度，提高功率密度和响应速度，减少损耗，降低重量，减小体积并提高电机的可靠性。

Description

一种采用直流超导励磁的场调制型外转子游标电机及应用

技术领域

本发明涉及游标电机领域，具体的是一种采用直流超导励磁的场调制型外转子游标电机及应用。

背景技术

在现有技术中，使超导材料在液氮冷却条件下，能够俘获远高于永磁体的磁场强度，这意味着超导技术能够逐步在电磁装置领域拓展其应用范围，不仅能够取代传统电机中的绕组，达到降低损耗、减小体积和重量的目的，同时按照往复规律铺设直流通电的超导材料还能够产生较强的磁场，进而替代以稀土为主的永磁材料，进一步提高电机的功率密度和可靠性。为了避免超导材料在交变电磁环境下产生交流损耗，大部分学者会考虑将超导材料置于电机的直流励磁绕组上加以应用，而利用超导材料俘获磁场的能力进行励磁的方案则相对较少。而第二代高温超导Y系线材临界电流密度的提高，意味着超导电机的应用领域和前景得到了进一步的扩大，受到了业内专家的广泛关注。

与此同时，游标电机由于能够利用磁场耦合进行机电能量转换，实现了输入和输出之间的物理隔离。场调制原理的应用，使该外转子游标电机避免安装齿轮等机械结构，在效率、传动精度和响应速度等性能方面都具有一定的优势。目前，研究相对较多的一类游标电机通常采用同轴套设结构，包括由内而外设置的同轴心低速转子、调磁环和高速转子，高低速转子均采用稀土永磁提供磁场，随转子旋转的永磁体使电机机械可靠性降低，稀土永磁材料的稀缺也限制了其应用范围；调磁环由导磁材料和非导磁材料间隔排列，放置在高低速转子之间，所带来的双层气隙结构也在一定程度上降低了气隙磁场的利用率，同时增加了游标电机的加工难度。因此，对高可靠性且加工方便的游标电机结构的研究具有重要的理论意义和工程价值。

发明内容

为解决上述背景技术中提到的不足，本发明的目的在于提供一种采用直流超导励磁的场调制型外转子游标电机及应用。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

一种采用直流超导励磁的场调制型外转子游标电机，，所述游标电机包括超导支撑模块、超导材料、低温杜瓦绝热壁、隔热端盖、定子电枢绕组、定子铁心、定子场调制极以及外转子铁心，所述超导支撑模块表面以径向往返的形式嵌设超导材料，超导支撑模块和超导材料由低温杜瓦绝热壁包裹并结合隔热端盖进行封闭；

所述定子铁心紧贴低温杜瓦绝热壁，定子齿部设有定子电枢绕组，定子铁心处设置有***齿结构形成定子场调制极，所述外转子铁心为凸极结构。

进一步地，所述超导支撑模块、低温杜瓦绝热壁、定子铁心以及外转子铁心由内向外依次同轴嵌套安装。

进一步地，所述超导支撑模块、***超导材料、低温杜瓦绝热壁、隔热端盖和定子铁心静止设置，并与外壳固定。

进一步地，所述超导支撑模块表面开设有凹槽，超导材料按照轴向平行的方式铺设在凹槽中，超导材料并在端部间隔连接，使其形成往复结构的单向电流通路，在通以直流电时，产生径向磁场。

进一步地，所述外转子铁心外侧套设机壳，外转子铁心与机壳之间以轴承连接。

进一步地，所述外转子铁心凸极的个数为p_r，定子场调制极的个数为N_s，定子电枢绕组的极数为p_s，满足外转子极数p_r为定子场调制极的个数N_s与定子电枢绕组极数p_s的差值，即：

p_r＝N_s-p_s，外转子极数大于所述定子电枢绕组极数；

高低转速比G_r满足：

G_r＝(mp_s+kN_s)/mp_s，m＝1,3,5,…,∞，k＝0,±1,±2,…,±∞。

进一步地，所述定子场调制极用于将定子电枢绕组极对数调整为与外转子铁心极对数相同。

一种采用直流超导励磁的场调制型外转子游标电机的应用，游标电机应用在风力发电及船舰驱动领域。

本发明的有益效果：

1、本发明将超导材料封闭在内侧，不仅方便低温杜瓦绝热壁进行封闭，同时避免了原有将超导置于中间的两层气隙结构，单个气隙结构不仅简单，能够提高气隙磁场的利用率；

2、本发明中的超导材料通直流电，能够降低超导材料在交流环境下的损耗；

3、本发明中的定子电枢绕组采用单齿绕线形式，端部较短，在相同的体积下相比分布式绕组具有更长的电机有效长度；

4、本发明中整个电机不含永磁体，能够减少磁滞损耗，并节约永磁体用量；

5、本发明设计的外转子结构简单无绕组，具有较高的机械强度和较低的加工难度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图；

图1是本发明游标电机剖视示意图；

图2是本发明游标电机侧视示意图；

图3是本发明游标电机整体结构示意图；

图4是本发明游标电机整体结构侧视示意图；

其中，附图标记如下：1、超导支撑模块，2、超导材料，3、低温杜瓦绝热壁，4、隔热端盖，4-1、隔热端盖一端部，4-2、隔热端盖另一端部，5-定子电枢绕组，6-定子铁心，7-定子场调制极，8-外转子铁心。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

一种采用直流超导励磁的场调制型外转子游标电机，如图1-4所示，本发明设计的游标电机采用同轴环形结构，由超导支撑模块1、超导材料2、低温杜瓦绝热壁3、隔热端盖4、定子电枢绕组5、定子铁心6、定子场调制极7以及外转子铁心8组成，外转子铁心8外侧套设机壳，外转子铁心8与机壳之间以轴承连接。其中，超导支撑模块1、低温杜瓦绝热壁3、定子电枢绕组5、定子铁心6以及外转子铁心8从内而外依次同轴嵌套设置。超导支撑模块1、超导材料2、低温杜瓦绝热壁3、隔热端盖4和定子铁心6静止设置，并与外壳固定。

超导支撑模块1由导磁材料制成，优选硅钢片材料，表面开设有凹槽，便于超导材料2容置超导支撑模块1的凹槽中，超导支撑模块1表面以径向往返的形式嵌设超导材料2，便于向外引线并在端部设置直流电源，并可以一并安装其冷却设备，超导支撑模块1和超导材料2由低温杜瓦绝热壁3包裹并结合隔热端盖4封闭。超导材料2的铺设按照轴向平行的方式，超导材料2在端部间隔连接，使其形成往复结构的单向电流通路，在通以直流电时，能够产生径向磁场。

定子铁心6紧贴在低温杜瓦绝热壁3上，定子齿部上设置有定子电枢绕组5，定子铁心6处设置有***齿结构形成定子场调制极7，外转子铁心8为凸极结构，能够在定子电枢电流和磁场调制的作用下进行旋转，使超导材料2产生的磁场能够与定子电枢绕组5产生的磁场相互作用，带动外转子铁心8旋转，实现机电能量转换。

外转子铁心8凸极的个数为p_r，定子场调制极7的个数为N_s，定子电枢绕组5的极数为p_s，满足外转子极数p_r为定子场调制极7的个数N_s与定子电枢绕组5极数p_s的差值，即：

p_r＝N_s-p_s。

高低转速比G_r满足：

G_r＝(mp_s+kN_s)/mp_s，m＝1,3,5,…,∞，k＝0,±1,±2,…,±∞。

本实施例中的定子电枢绕组5优选为八个线圈，可通以极对数为三的三相电枢电流，每个定子齿分为三极，定子场调制极7共二十四极，由公式可知外转子优选为二十一极，外转子极数大于定子电枢绕组5极数。本发明的定子场调制极7的个数及定转子极对数并不限于此，可根据实际情况及需求进行选择。其中，定子场调制极7用于将定子电枢绕组5极对数调整为与外转子铁心8极对数相同。

超导支撑模块1表面凹槽便于嵌入超导材料2，超导材料2以轴向平行的往复形式铺设，端部间隔相连，形成超导线圈，仅用通以直流电流即可提供定子内部的励磁磁场，超导材料2可以和超导支撑模块1结合隔热端盖4一并封入低温杜瓦绝热壁3，隔热端盖4分为隔热端盖一端部4-1和隔热端盖另一端部4-2，二者配合形成隔热端盖4整体。定子铁心6紧贴低温杜瓦绝热壁3外侧安装，定子齿上绕制定子电枢绕组5，并设置定子场调制极7，超导材料2产生的磁场在定子场调制极7的作用下，带动外转子旋转。

电机运行时，由外部直流电源向超导材料2通入电流，形成固定磁场，定子电枢绕组5通以三相电流，产生三相旋转磁场，定子场调制极7能够调制气隙磁场空间谐波，以调节电枢的高速旋转磁场和外转子的低速磁场。

与其他传统游标电机相比，本发明的实施例具有以下几点优势：

1、将超导材料2封闭在内侧，不仅方便低温杜瓦绝热壁3进行封闭，同时避免了原有将超导置于中间的两层气隙结构，单个气隙结构不仅简单，能够提高气隙磁场的利用率；

2、超导材料2通直流电，能够降低超导材料2在交流环境下的损耗；

3、定子电枢绕组5采用单齿绕线形式，端部较短，在相同的体积下相比分布式绕组具有更长的电机有效长度；

4、整个电机不含永磁体，能够减少磁滞损耗，并节约永磁体用量；

5、外转子结构简单无绕组，具有较高的机械强度和较低的加工难度。

本发明的实施例给出了采用直流超导励磁的场调制型外转子游标电机的结构设计，在传统游标电机的基础上，引入直流超导材料2的设计，用以提高电机的电磁性能，避免电机旋转密封漏热，以及提高电机可靠性的目的。

风力发电和船舶驱动可以作为本发明实施例的典型应用场合，但本发明并不限于上述领域的应用。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

Claims (4)

1.一种采用直流超导励磁的场调制型外转子游标电机，其特征在于，所述游标电机包括超导支撑模块（1）、超导材料（2）、低温杜瓦绝热壁（3）、隔热端盖（4）、定子电枢绕组（5）、定子铁心（6）、定子场调制极（7）以及外转子铁心（8），所述超导支撑模块（1）表面以径向往返的形式嵌设超导材料（2），超导支撑模块（1）和超导材料（2）由低温杜瓦绝热壁（3）包裹并结合隔热端盖（4）进行封闭；

所述定子铁心（6）紧贴低温杜瓦绝热壁（3），定子齿部设有定子电枢绕组（5），定子铁心（6）处设置有***齿结构形成定子场调制极（7），所述外转子铁心（8）为凸极结构；

所述超导支撑模块（1）、低温杜瓦绝热壁（3）、定子铁心（6）以及外转子铁心（8）由内向外依次同轴嵌套安装；

所述超导支撑模块（1）、超导材料（2）、低温杜瓦绝热壁（3）、隔热端盖（4）和定子铁心（6）静止设置，并与外壳固定；

所述超导支撑模块（1）表面开设有凹槽，超导材料（2）按照轴向平行的方式铺设在凹槽中，超导材料（2）并在端部间隔连接，使其形成往复结构的单向电流通路，在通以直流电时，产生径向磁场；

所述外转子铁心（8）外侧套设机壳，外转子铁心（8）与机壳之间以轴承连接。

2.根据权利要求1所述的一种采用直流超导励磁的场调制型外转子游标电机，其特征在于，所述外转子铁心（8）凸极的个数为p _r ，定子场调制极（7）的个数为N _s ，定子电枢绕组（5）的极数为p _s ，满足外转子极数p _r 为定子场调制极（7）的个数N _s 与定子电枢绕组（5）极数p _s 的差值，即：

p _r =N _s −p _s ，外转子极数大于所述定子电枢绕组（5）极数；

高低转速比G _r 满足：

G _r =(mp _s +kN _s )/mp _s ，m=1,3,5,… ,∞，k=0, ±1, ±2, …, ±∞。

3.根据权利要求2所述的一种采用直流超导励磁的场调制型外转子游标电机，其特征在于，所述定子场调制极（7）用于将定子电枢绕组（5）极对数调整为与外转子铁心（8）极对数相同。

4.一种采用直流超导励磁的场调制型外转子游标电机的应用，其特征在于，包括如权利要求1-3任一项所述的游标电机，所述游标电机应用在风力发电及船舰驱动领域。

Images