[发明专利]一种无铁芯型兆瓦级超导电机系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种具有回旋U形结构超导励磁线圈的无铁芯型兆瓦级超导电机系统。

背景技术

超导电机最大的优势在于效率高、体积小、重量轻。对于十个兆瓦以上的大型电机系统，如风机、船舶推进电机，通常转子上会采用铁芯结构来约束磁路、加强磁场，同时对超导励磁线圈起到支撑保护作用。然而，铁芯结构也有其负面作用，如存在磁饱和现象，影响气隙磁密的线性增加，同时大大增加了系统的质量，增加了运输和装配的难度。理论上，采用空心结构可以很好地解决上述由铁芯结构带来的问题，但由于去除了铁芯，不仅使得励磁效果大打折扣，而且离心力和洛伦兹力等作用力将直接作用在超导励磁线圈上，尤其对结构上相互独立的跑道型励磁线圈的作用尤为明显，恶劣情况下，如短路故障时，将会造成超导材料的形变甚至断裂，严重影响整个系统的正常工作。

发明内容

本发明的目的就是针对现有技术的不足，提供一种无铁芯型兆瓦级超导电机系统，通过对超导励磁线圈及其支撑骨架和扭矩管的结构设计，具有比跑道型励磁线圈更好的励磁效果和机械性能，能够很好地解决由于去除铁芯后带来的超导励磁线圈的励磁效果、机械应力和支撑保护问题。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

本发明提出的一种无铁芯型兆瓦级超导电机系统，包括常规定子、无铁芯结构的超导转子和低温制冷装置；所述转子包括线圈骨架，绕制在线圈骨架上的超导励磁线圈，及与线圈骨架相连的扭矩管。超导励磁线圈在线圈骨架的上表面和下表面均有绕制(在超导电机系统中线圈骨架实为圆柱形，即线圈骨架的外侧表面和内侧表面均绕制有超导励磁线圈)；超导励磁线圈呈回旋U形结构，相邻两条有效励磁边相互平行、分别构成一对磁极中的正极或负极，连接相邻两条有效励磁边的圆弧端只要符合超导带材或线材的弯曲度即可；线圈骨架上表面(即线圈骨架外侧表面)绕制的超导励磁线圈的有效励磁边与线圈骨架下表面(即线圈骨架内侧表面)绕制的超导励磁线圈的有效励磁边关于线圈骨架对称，且彼此对称的两条有效励磁边的励磁电流方向相同。相对于相互独立的跑道型励磁线圈，本发明的超导励磁线圈由超导带材或线材串联呈回旋U形结构，构成一个整体，且绕制在线圈骨架上，这样将跑道型励磁线圈的分散应力作用到线圈骨架和整体的超导励磁线圈上，能够获得更好的机械性能，同时结构上更加紧凑的、彼此对称的两条有效励磁边，在通入同向的励磁电流后，可以获得更好磁场特性。

绕制上述超导励磁线圈的优选方案是：在一个线圈骨架上，该线圈骨架的上下表面(即内外侧表面)均具有呈回旋U形结构、供超导带材或线材绕制的凹槽，上下表面的凹槽结构在相位上相差180°、且上下表面的凹槽连通。最终得到的结构是，线圈骨架上表面绕制的超导励磁线圈和线圈骨架下表面绕制的超导励磁线圈为以串联形式连接的超导带材或线材连续不断绕制而成的一个整体。

绕制上述超导励磁线圈的方案也可以是：在一个线圈骨架上，该线圈骨架的上下表面(即内外侧表面)均具有呈回旋U形结构、供超导带材或线材绕制的凹槽，上下表面的凹槽结构在相位上相差180°、且结构上相互独立；超导带材或线材分别绕制在线圈骨架的上下表面。最终得到的结构是，线圈骨架上表面绕制的超导励磁线圈与线圈骨架下表面绕制的超导励磁线圈彼此独立。

所述超导励磁线圈可以是由YBCO高温超导带材、BSCCO高温超导带材和MgB₂低温超导线材三种超导材料并联绕制在线圈骨架上形成，三种超导材料距离线圈骨架的距离不同(即线圈骨架为圆柱形时，三种超导材料依次沿线圈骨架的径向排布)，三种超导材料沿靠近线圈骨架1的方向依次排布为MgB₂低温超导线材、BSCCO高温超导带材和YBCO高温超导带材。目前，市场上相同长度的YBCO高温超导带材的价格是MgB₂低温超导线材的7.5倍，相同长度的BSCCO高温超导带材价格是Mg₂B低温超导线材的5倍；根据三种超导材料的临界磁场特性，并结合超导励磁线圈的“内强外弱”的磁场分布特点，将三种超导材料并联后绕制超导励磁线圈可以大大降低生产成本。另外，将三种超导材料并联成一个整体，可以在一定程度上降低垂直磁场B_⊥对超导材料特性的影响。由于三种超导材料临界磁场B_c由大到小依次为：YBCO高温超导带材、BSCCO高温超导带材和Mg₂B低温超导线材，所以按照图8所示的缠绕结构，由内(靠近线圈骨架一侧)到外，依次为YBCO高温超导带材、BSCCO高温超导带材和Mg₂B低温超导线材。