[发明专利]一种高温超导电机

说明书

技术领域

本发明涉及电机技术领域，特别涉及一种电枢绕组采用高温超导导线，转子采用传统励磁线圈或者超导磁体、或者永磁体的高温超导电机。

背景技术

高温超导材料在1986年被发现以来，科研人员就构想利用高温超导材料来制造高性能电机。在此之前也有低温超导电机面世，但由于其昂贵的成本始终没有商业化。但高温超导体与低温超导体相比，具有载流能力强，临界温度高，磁场下性能相对较好的优势，因此受到人们的广泛关注。

本专利所涉及的高温超导电机(HTS电机)是指用高温超导导线线圈代替常规铜导线线圈作为电机的励磁绕组或电枢绕组(也有用高温超导块材代替永磁体，但这种HTS电机并不普遍)而制成的新型高性能电机。高温超导材料具有高载流密度的特性，可以突破铁磁材料饱和磁密的限制，从而有效提高电机的功率密度，减小体积和降低重量。

与常规铜导线制成的电机相比，高温超导电机具有以下优势：

(1)体积小，重量轻，功率密度高。

高温超导导线通电能力(电流密度)要比铜导线大100倍以上，因此用高温超导导线制成的HTS电机绕组的重量和体积要比常规电机的小得多。另外常规电机所用到的铁芯的饱和磁感应强度一般小于2特斯拉，而HTS电机的高温超导绕组可产生大于5特斯拉的磁场强度。因而HTS电机的功率密度可以比常规电机的高得多，其体积和重量可以做到只有常规电机的30％～50％。

(2)效率高。

高温超导导线电流密度比铜导线高约2个数量级，且几乎无焦耳热损耗。一台4MW的HTS电机效率高达98.7％，比同级别的常规电机高出约2.0％。低功率输出时效率依然很高。

(3)其他优势如噪音小，维护相对简单等。

高温超导电机有直流电机、交流同步电机、直线电机、磁阻电机等多种形式。高温超导导线通过直流电流时的损耗极小、可以忽略，但在交流情况下会有较明显的损耗，如果不在结构上加以创新和优化，这些额外损耗会大幅度抵消采用超导材料获得的效率提高，甚至妨碍高温超导电机的正常运行。因此在应用高温超导导线时，人们主要将其用于直流场合，尽量避免用于交流场合。至今为止，世界上研究开发的高温超导电机绝大多数是直流同步电机，其结构通常是转子为高温超导导线绕制的直流励磁绕组，定子电枢绕组由于要通过交流电，用常规铜线圈绕制而成。为了充分发挥超导导线的优点，最好能使其能的得到广泛使用。然而大多数电机都有交流或准交流(交流分量)绕组，因此，解决高温超导导线在交流场合的应用所遇到的问题对超导电机的大规模应用十分重要。

另外高温超导电机的超导部分需要低温环境，这需要有良好的绝热手段。在超导器件中的绝热层通常是由中间抽真空的两层金属薄板制成。这种绝热层结构要占有一定的空间，会对电机的结构、性能和效率产生很大的影响。例如电机转子与定子之间的气隙的大小对电机的性能有很大的影响，如果在超导电机的气隙中还要有绝热层，处理不好的话会不得不增加气隙距离，从而严重影响电机的性能。因此如何采用好的绝热方法也是开发高温超导电机的一个关键问题。

发明内容

本发明利用高温超导材料高载流能力的特点，提供了一种能够实现高效功率输出、体积小重量轻的高温超导电机。

本发明采用的技术方案为：该高温超导电机可以是电动机，也可以是发电机，其结构主要包括定子、转子以及制冷系统三部分。转子可以是外转子也可以是内转子。该电机的电枢绕组采用高温超导导线绕制而成，利用高温超导材料高载流能力和低损耗的特性提高电机的功率密度，并有效降低铜损耗；电枢绕组为交流绕组，其通过的电流具有交流分量；该电机的绝热层设置在电机的外部，电机的转子和定子之间没有绝热层或采用室温热导率不大于100w/(m*K)的材料，如不锈钢。

所述高温超导导线是Bi-2223/Ag高温超导带材/线材，或者是Bi-2212/Ag高温超导带材/线材，或者是Y-Ba-Cu-O涂层导体。

所述电机包括内转子电机和外转子电机。内转子电机的转子在内部、高温超导电枢绕组在外部；外转子电机的转子在外部、高温超导电枢绕组在内部。

所述内转子电机和外转子电机的转子上有高温超导导线绕制成的直流励磁绕组，或者是永磁磁体；而定子上有高温超导导线绕制成的交流电枢绕组。该交流电枢绕组的各线圈均为跑道形，为了避免线圈端部发生相互干涉，可以采用集中线圈或者嵌套形线圈。

所述永磁磁体为钕铁硼永磁体，或者是镨铁硼永磁体，或者是钐钴永磁体，或者是铁氧体永磁体，或者是铝镍钴永磁体，不仅可以获得较高的气隙磁密，而且几乎不产生损耗，工作状态稳定，故障率低。