一种混合绕组高速双馈超导电机系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种电机系统，尤其涉及一种混合绕组高速双馈超导电机系统。 技术背景
[0002] 随着超导技术的迅速发展，超导线材由于其无电阻、无损特性，国内外开发很多类 型的超导电机用于船舶电力推进、风力发电等领域。此种类型的超导电机有使用镍钛合金 的低温超导电机系统，也有使用Bi2223或者YBCO带材的高温超导电机。这种超导电机将 超导体的超导电性运用到电机的转子中，使得超导线圈在低温环境中（例如4. 2K或者77K) 中产生高磁场密度，利用这种比传统电机磁场密度高2~3倍的磁场密度有效地减小电机 的体积和质量，相关的研宄证明，通过这种方式可以将同等功率的电机质量减小为原来的 1/3左右。目前这种高温/低温超导电机已经成功研发并已应用到船舶推进和风力发电领 域，并得到了广泛地应用。
[0003] 但是这些超导电机的应用领域通常要求的转速不高，最高转速为1500转/分。其 原因是目前的高温超导带材（Bi2223或者YBCO带材）或者低温超导带材（例如镍钛合金） 的电载流特性都难以运行在高频电流的环境下，超导线材在高频条件下，载流能力下降且 交流损耗严重，难以发挥超导电性的优势。此外，超导线圈在高频磁场条件下，超导体的临 界电流也下降很多，因此，在超导线圈应用在超导电机中通常都运行在低速、低频条件下。
[0004] 提高电机的功率密度也可以从提高转速上来实现，当电机运行在高速条件下时， 高速电机的功率密度远远超过了超导电机的功率密度。且超导电机低速运行特性也严重限 制了超导电机的应用和发展。
[0005] 因此本发明专利针对这种情况，提出一种新型的超导高速电机，该电机不但采用 超导绕组来增加电机的功率密度，其转速还可以运行在高速条件下，从出力条件和转速条 件上两个方面提高电机的功率密度。
【发明内容】
[0006] 本发明为解决超导线圈难以应用于高速电机中，提出一种利用超导线圈和铜绕组 线圈同时应用在高速电机定子中，而转子结构采用两种不同的磁导率材料组成，通过超导 线圈高载流能力、高磁场产生能力增加电机转矩，铜绕组线圈提供高频磁场使得电机转子 运行在高转速条件下，利用两种线圈的不同特性实现超导电机高速旋转。
[0007] 为达到以上目的，本发明提供一种混合绕组高速双馈超导电机系统，包括：
[0008] 定子、超导线圈组、铜线圈组、超导冷却装置和转子，
[0009] 所述定子包括定子铁轭、超导线圈组、铜线圈组和超导冷却装置；超导线圈组和铜 线圈组交替地设置在定子铁轭的线圈槽内，定子的定子铁轭具有偶数个等夹角间隔的线圈 槽，所述超导冷却装置用于冷却超导线圈组；
[0010] 所述转子包括转子机构组、转子超导块材和转子轴；转子机构组为等夹角间隔的 齿形，转子超导块材贴于转子机构组中的齿形空缺处；转子的转子轴穿过定子，转子机构组 和转子超导块材位于定子内部并与转子轴紧密结合；
[0011] 所述转子超导块材和转子机构组的齿形结构的数量相同，所述转子超导块材的数 量为超导线圈组和铜线圈组各自构成的磁极对数之和。
[0012] 优选的是，所述定子铁轭的线圈槽数为超导线圈和铜线圈所产生的各自的磁极数 的最小公倍数乘以相数再乘以整数倍。
[0013] 优选的是，所述定子铁轭包括柱状铁筒和隔板，所述隔板位于柱状铁筒上形成线 圈槽；
[0014] 两相邻的隔板之间形成一个内侧线圈槽和一个外侧线圈槽；所述超导线圈和铜线 圈采用背绕式绕法，弯曲部半径恒定地绕柱状铁筒壁的轴向缠绕。
[0015] 优选的是，两相邻隔板形成的内侧线圈槽和外侧线圈槽内的线圈为超导线圈或铜 线圈中的一种。
[0016] 优选的是，所述超导冷却装置的结构包括超导线圈冷却流道和超导线圈冷却回路 盖；嵌入于定子铁轭线圈槽内的超导线圈冷却流道与两端的超导线圈冷却回路盖紧密结合 并将超导线圈组封闭于其腔内，腔内充满冷却介质；超导线圈冷却回路盖的一侧开有与相 对应的超导线圈组相通的冷却回路接线孔；所述冷却回路接线孔同时作为冷却介质的输出 或输入孔。
[0017] 优选的是，所述超导线圈组可根据磁极对数和绕组连接形式的需要，将所述接线 孔内的超导线圈进行电连接从而对超导线圈组进行接线组合。
[0018] 优选的是，所述超导线圈组冷却流道由玻璃钢制成。
[0019] 优选的是，所述定子铁轭的线圈槽数为12个，相隔机械角度为30度，铜线圈组产 生的磁极数为2极，超导线圈组产生的磁极数为4极，所述转子超导块材的数量为3块。
[0020] 优选的是，所述转子机构组为导磁硅钢片，所述转子超导块材通过高强度树脂环 氧胶粘贴于转子机构组上。
[0021] 优选的是，所述定子整体在真空模具中进行低温环氧灌封，将超导线圈组、超导冷 却回路装置、铜线圈组和定子铁轭统一成为一个整体，从而使得电机的铜线圈组和定子铁 轭利用超导冷却回路装置进行冷却。
[0022] 本发明的有益效果：本发明的双馈高速超导电机体统摆脱了传统的超导电机采用 超导线圈单一应用于转子或定子结构，反而采用超导线圈提供高转矩输出，采用铜绕组线 圈提供高速磁场条件，利用磁阻转子的磁场调制作用，分别调制两种线圈所产生的磁场，最 终实现高速大转矩的输出。高速超导电机可以应用于航空航天的高速动力系统，通过高速 和超导两方面的特点，提高电机的功率密度，使得大功率电机可以应用于航天器中。
【附图说明】
[0023] 图1为本发明的混合绕组高速双馈超导电机系统的径向剖面图；
[0024] 图2为本发明的定子中的超导冷却装置示意图；
[0025] 图3为本发明的混合绕组高速双馈超导电机系统的结构示意图；
[0026] 图4为本发明的转子结构示意图；
[0027] 图5为本发明的定子铁轭结构示意图；
[0028] 图6为本发明的转矩的数据图。
【具体实施方式】
[0029] 下面结合附图对本发明作进一步说明：
[0030] 如图1、图2和图3所示，一种混合绕组高速双馈超导电机系统，包括：
[0031] 定子1、超导线圈组5、铜线圈组4、超导冷却装置16和转子9 ;其中，
[0032] 所述定子1包括定子铁轭、超导线圈组5、铜线圈组4和超导冷却装置16 ;超导线 圈组5和铜线圈组4交替地设置在定子铁轭的线圈槽内，定子1的定子铁轭具有偶数个等 夹角间隔的线圈槽，所述超导冷却装置16用于冷却超导线圈组5。定子1的外部用外罩13 封闭。
[0033] 所述定子铁轭的线圈槽数为超导线圈和铜线圈所产生的各自的磁极数的最小公 倍数乘以相数再乘以整数倍。
[0034] 如图5所示，所述定子铁轭包括柱状铁筒2和隔板3,所述隔板3位于柱状铁筒2 上形成线圈槽；两相邻的隔板3之间形成一个内侧线圈槽8和一个外侧线圈槽7 ;所述超导 线圈和铜线圈采用背绕式绕法，弯曲部半径恒定地绕柱状铁筒壁的轴向缠绕。两相邻隔板3 形成的内侧线圈槽8和外侧线圈槽7内的线圈为超导线圈或铜线圈的一种，如果设两相邻 隔板3之间形成的线圈槽为一组，则每组线圈槽内的线圈只有一种。本发明中提出的背绕 法，是将单个线圈沿着外圈（外侧线圈槽）和内圈（内侧线圈槽）进行绕制。由于采用了 背绕法，超导线圈绕制时不能像常规电机那样采用槽内穿线的方法绕制，因此可将定子铁 心按照槽位置拆分成等距的弧形，将超导线材依次绕制在该弧形上，而后进行组合。
[0035] 所述超导冷却装置16的结构包括超导线圈冷却流道6和超导线圈冷却回路盖14 ; 嵌入于定子铁轭线圈槽（包括内侧线圈槽8和外侧线圈槽7)内的超导线圈冷却流道6与 两端的超导线圈冷却回路盖14紧密结合并将超导线圈组5封闭于其腔内，腔内充满冷却介 质；超导线圈冷却回路盖14的一侧开有与相对应的超导线圈组5相通的冷却回路接线孔 15 ;所述冷却回路接线孔15与用于输出液氮的冷却孔为同一个孔，即超导线圈组5通过冷 却回路接线孔15与外部电源连接，同时，接线孔也作为液氮的流动通道。