专利名称：一种高速磁阻电机的制作方法
技术领域：
本发明涉及旋转电机，特别涉及一种低能耗、高速特种磁阻电机。
背景技术：
磁阻电机是利用转子上交轴和直轴磁阻值不同而产生磁阻转矩的一种同步电机。与传统同步电机相比，磁阻电机转子上仅有起凸极作用部分，没有励磁绕组或永磁材料，它具有结构简单、无滑动接触、制造容易、成本低、过载能力大、运行可靠等优点，广泛用于电力传动、精密控制、电子仪器和设备等领域。常规磁阻电机通常以铝材或空气气隙做为转子交轴阻磁材料，其输出转矩，功率密度，效率和功率因数较低；同时，为了能够保证转子获得较大的直、交轴磁阻差异，需要牺牲一定的极弧系数，电机稳定运行区间小，同步性能并不理想。
自从1986年发现高温超导(HTS)现象以来，经过人们十余年的潜心研究和摸索，无论是HTS成材工艺的研究，还是性能的改善都取得了长足的进步，北京有色研究总院、西北有色研究院、德国IPHT研究所、美国超导公司和日本钢铁公司等均能批量生产并销售各种规格的高性能HTS块材和线材，为HTS在电机中的应用奠定了良好的物质基础。HTS属于非理想第II类超导体，内部钉扎中心对磁通线运动有阻碍作用，表现出良好的抗磁和磁滞特性；同时，可以俘获磁通而使超导体具有一定的剩磁而成为永磁体。HTS材料“丰富”的电磁特性、强烈的各向异性和良好的磁热稳定性，为电机的原理和结构提供了多种可能的途径。
发明内容
本发明目的是克服现有技术磁阻电机的直交轴磁阻差异不明显，导致出力和过载能力较低，以及存在轴间机械摩擦而降低电机整体效率的缺点，提出一种新型的磁阻电机。本发明采用高温超导材料作为转子交轴阻磁介质，通过结构和电磁的优化设计，增大直、交轴同步电抗比(Xd/Xq)，并利用超导磁浮和低温磁力传动机构减小机械摩擦，降低漏热，并实现超导转子的有效传导冷却。
本发明采用以下技术方案本发明电机主要由定子、内嵌高温超导(HTS)材料的转子、电机气隙间非导磁金属套筒、定子端盖、磁力联轴器组成。其中，定子结构与常规异步电机相同。转子采用内反应式结构，由硅钢或非晶合金等片状高导磁材料叠压而成，长度与定子绕组相当，转子冲压开槽，沿轴向穿通，内嵌HTS材料。冲槽的形状、位置、大小和数量可通过电机的优化设计得到。由于超导体相对磁导率接近零，相同功率等级的条件下本发明的冲槽体积远小于采用空气和铝作为阻磁材料的常规磁阻电机，在满足磁路方程并避免铁芯材料处于饱和状态的情况下，本发明转子的有效尺寸大幅度减小。转子两侧轴向端面分别固定有扇形永磁体，按极性规则排列，构成永磁环。在套筒内壁安置两组环状高温超导块材阵列，位置与转子端部永磁环相对。液氮温度下超导块材和永磁环相互作用构成无磨擦磁浮轴承，有效支撑转子重量；同时，永磁环又与负载侧永磁机构组成磁力联轴器，实现电机力矩的非接触传递。非导磁金属杜瓦将电机本体和负载隔离，起到绝热保温的作用。
高温超导(HTS)材料为熔融织构YBa2Cu3O7-x(YBCO)超导块材以及YBCO、Bi2Sr2CaCu2O8+y和Bi2Sr2Ca2Cu3O10-x超导带材，作为阻磁介质增加电机直交轴磁阻差异。熔融织构YBCO超导块材具有良好的晶体取向，可以优先选择使用。加工制作转子时，先将熔融织构YBCO超导块材沿c轴(即晶体生长方向)定向切割成片，片厚和槽宽相当，机械抛光后紧密排列，放入槽中，此时YBCO块材ab面(即晶体CuO面，该面与晶体生长方向垂直)平行于转子轴线方向。考虑到陶瓷材料的加工难度，窄槽、HTS块材与槽壁缝隙用超导带材填充，以提高超导材料的占空比，装配完成后用低温环氧固化。
本发明利用超导材料作为阻磁介质改变直交轴同步电抗而产生磁阻转矩，与常规磁阻电机相比，在相同的电机几何尺寸和结构条件下，直交轴同步电抗比值明显提高，而不必牺牲极弧系数和气隙宽度，气隙磁密有着较好的波形，输出转矩增大，电机表现出良好的同步性能。
转子轴向端面固定的环形稀土永磁材料采用HALBACH构型，基于超导完全抗磁性模型和镜像法，并考虑到超导体各向异性，可以计算出磁浮轴承永磁轴向单位长度承载能力的大小，根据转子重量即可确定永磁环的长度。径向相对的环状超导块材阵列长度与之相近，其厚度约为长度的三分之一至四分之一，并不是一个需要精确控制的参数。
传统滚动轴承电主轴最高转速一般不超过100000r/min，其预紧和油气润滑技术在低温环境中将发生失效，产生巨大的摩擦损耗，去除油脂却又无法实现长期可靠的高速旋转；而高温超导块材和永磁间相互作用能够产生自稳定的悬浮力，动态刚度大，由此构成的磁浮轴承具有以下优点1、非机械接触而无磨损，轴承寿命比机械接触的应力疲劳寿命长得多；2、圆周转速高，磁悬浮轴承的转速只受离心力限制，其圆周转速可达到30 000-180 000r/min；
3、无需润滑，适应环境性强；4、运动时振动和噪声小。相对于电磁轴承，磁悬浮轴承中的磁路不需要激磁电流，不消耗电力，不需要激磁线圈，也无需供电系统，整个轴承系统的结构变得简单紧凑，体积也小。
本发明提供和维持超导材料所需低温环境的方案如下液氮冷却超导或常导定子线圈绕组，高强度、薄壁非导磁金属套筒与定子绕组保持良好的热接触，气隙间预充氦气或氢气以增加空间有效热传导系数，转子内超导材料通过传导冷却的方式达到并维持在临界温度一下，表现出强烈的抗磁性行为。此方案区别于超导定转子直接浸泡的冷却方式，避免了气隙间存在冷剂、在电机高速旋转时转子受到的巨大粘滞阻尼，减小了电机有效气隙宽度和额外的附加损耗，提高了电机的极限转速、输出功率和效率。
本发明原动机和负载的传动方式特征是采用稀土永磁材料制成的磁力联轴器，以磁力传动方式连接转子和负载，实现原动机与工作机之间的非机械接触。磁力传动基于永磁体同极相斥、异极相吸原理，借助磁场耦合构成永磁联轴器和传动器来传递圆周运动和线性位移，实现原动机与工作机之间的非机械连接，可向密封空间传动回转部件，变动密封为静密封，获得零泄漏和绝对密封，避免了液体、固体和气体泄漏或外部介质进入密封空间内。传动结构简单，体积小；传动力矩大，效率高，并具有过载保护的能力；无摩擦磨损，噪声低，具有很高的使用寿命和可靠性。结合超导磁阻电机具体结构，考虑到永磁材料低温磁学性能和高温超导块材俘获磁通能力，构造低温磁力传动机构以实现低温和室温间力的传递，避免了电机与负载间非封闭式机械连接而存在的巨大热交换，减小了低温漏热，确保了超导转子稳定地保持在临界温度以下，最大限度地提高了系统的性能和效率。磁力联轴器圆盘型永磁传动机的每半联轴器端面装有m个扇形磁块，磁极呈正反交替排列，其中m为偶数。
本发明负载运行时，通以工频三相交流电，即可正常运转，控制手段和策略与常规电机完全相同。
图1本发明电机轴向截面示意图；图2本发明具体实施方式
电机径向截面示意图；图3a本发明具体实施方式
电机内部交轴方向磁场分布图；图3b本发明具体实施方式
电机内部直轴方向磁场分布图；图4本发明具体实施方式
电机交轴方向(θ＝0°)气隙磁密分布；
图5本发明具体实施方式
电机直轴方向(θ＝90°)气隙磁密分布；图6本发明具体实施方式
启动特性曲线；图7具有不同阻磁介质转子的电机同步电抗曲线；图8本发明具体实施方式
低温磁浮轴承示意图；图9永磁联轴器传动原理模型，其中V为磁力联轴器运动方向，F1，F2为磁力联轴器间相互作用力方向；图10两极三相内反应式电机实例超导转子内部沟槽示意图(单位毫米)；其中1、超导或常导定子；2、高强度、非导磁金属套筒；3、转子；4、环形超导块材阵列；5、永磁环；6、负载侧半联轴器；7、负载侧机械传动轴；8、非导磁金属杜瓦；9、高温超导块材和带材；10、硅钢或非晶合金等高导磁材料冲片；11、定子绕组；12、电机有效气隙。
具体实施例方式
如图1所示，本发明的电机主体由超导或常导定子1、非导磁薄壁金属套筒2、内嵌超导块材和带材的转子3、超导块材环形阵列4、永磁环5和非导磁金属杜瓦8组成；高温超导块材环形阵列4、永磁环5和电机转子3构成磁浮轴承；同时，负载侧磁力联轴器6、机械传动轴7又与永磁环5构成磁力传动机构。
转子3的两侧轴向端面分别固定有扇形永磁体，按极性规则排列，构成永磁环5。在套筒2内壁安置两组环状高温超导块材阵列4，位置与转子3端部永磁环5相对。
位于定子1和转子3之间的套筒2以电机主轴为对称轴，与定子1机械上固定为一体并保持良好的热接触；套筒2和转子3间存在气隙12，气隙12长度为毫米量级，内部空间充满一大气压氦气或氢气，可有效增加定转子之间热传导速率，借助传导和对流机制实现转子3的冷却；转子3内存在沟槽，沟槽中填充高温超导材料。设计时可考虑超导体的非线性磁学性质和强烈的各向异性，利用有限元方法求解电机内部电磁场和应力分布，借助电抗曲线分析电机启动和稳态工作特性，通过性能优化确定沟槽的形状、位置、大小和深度。
图2所示为本发明具体实施方式
两极三相内反应式电机径向截面图，高温超导材料9在高导磁材料10叠压而成的转子3中对称分布，定子绕组11和套筒2紧密接触减小电机气隙，定子结构与传统异步电机相同，电机主体置于非导磁金属杜瓦8中。
转子3制作时选择高导磁率取向硅钢或非晶合金，施加预应力高密度迭压成形。转子3沿轴向机械冲槽并完全穿通，然后根据沟槽的几何形状对高温超导块材9进行定向切割和研磨，使高温超导块材9排列组合放入沟槽后，其ab晶面平行于电机主轴，以便获得最佳的阻磁效果。由于高温超导材料属于陶瓷材料，块材9切割成0.5毫米厚薄片难度较大，因此0.5毫米以下窄槽，以及块材9与沟槽的间隙则用约0.2毫米厚高温超导带材填充，完成后用低温环氧浸渍固化，并对转子3表面打磨抛光成为标准的圆柱体。在转子3两端固定永磁环5，如图8所示永磁环5中扇区永磁极性沿径向交替排列，与套筒2内壁固定的高温超导块材阵列4相对，永磁环5和超导块材阵列4相互作用产生磁浮力，构成自稳定的磁浮轴承，永磁环5和超导块材阵列4两者轴向长度相等。设计时基于超导体临界态模型采用镜像法计算磁浮力，磁浮力应与转子3重量相平衡，以此确定两者轴向长度的大小；转子3其中一端的永磁环5又充当半联轴器，与同轴负载侧半联轴器6和机械传动轴7组合，实现无接触磁力传动和功率输出。传动的作用原理如图9所示，静止时磁极异性相吸，自动对中，磁极间夹角θ为0，无传动力矩，随着θ增大传动扭矩增加，θ＝π/m时传动力矩达到极大，在0＜θ(π/m区间传动圆周力F=F1+F2,-]]>扭矩T=Σ1mF·R,]]>式中F1为主动盘对从动盘单对磁极的吸力， 为主动盘对从动盘单对磁极的斥力，R为永磁环4的平均半径。电机主体置于金属杜瓦8中，运行时液氮直接冷却定子绕组1，传导冷却超导转子3和高温超导块材阵列4，整体保持在77K温度，杜瓦8壁厚仅为3毫米，具有非导磁特性，将不会增加电机体积、降低磁力传动的输出功率和效率。
在电机学中，通常利用时空相量图分析不同负载情况下的电枢反应，评价电机的性能和运行特性，其中相量图磁极轴线方向称为直轴，用d表示；而相邻一对磁极的中性线位置称为交轴，用q表示。本发明电机转子3中的高温超导材料9，在临界温度以下具有完全抗磁性，如图3a、3b分别显示了具体实施方式
电机内部交、直轴方向气隙磁密分布，可以看出超导材料的存在有效阻隔了q轴磁通，q轴等效磁路长度增加，而d轴磁通分布并未因超导材料9的填充明显改变。
图4和图5分别显示了Fourier变换后得到的本发明具体实施方式
电机交直轴方向气隙磁密基波，q轴气隙磁密基波幅值约为0.6T，d轴气隙磁密基波幅值约为0.05T，说明本发明采用超导材料作为交轴阻磁介质，使得转子磁阻表现出强烈的各向异性，明显提高了同步电抗比(Xd/Xq)值，转矩密度增加；同时，气隙磁密比常规同类电机更接近正弦波，因此在设计时不需牺牲极弧系数和气隙宽度而保持较好的波形，电机转矩脉动小，能够更快地进入自同步。如图6所示，本发明具有较一般同步电机更为优良的动态响应性能，采用内反应式转子结构的同时又不失外反应式电机的优点。
图7所示为不同阻磁介质转子的电机同步电抗曲线，可以看出本发明转子交轴磁阻远大于传统以铝、空气为阻磁介质的电机，可以获得比常规电机更大的输出转矩和功率密度。
本发明各部件制作完成后，按照图1进行装配。电机运行时，先用液氮预冷电机定子1，转子3和超导块材阵列4中的热量则通过热传导机制由液氮带走，电机本体最终达到77K温度，此时超导块材阵列4和永磁环5相互作用使得超导转子3处于自稳定的悬浮状态；给电机定子绕组通以工频交流电或利用变频器启动，电机将无磨擦地高速旋转，噪声小，转动力矩和输出功率借助磁力传动高效地输送给负载。
本发明一两极三相内反应式电机实例的技术参数如下额定功率150W，额定相电压220V，额定转速3000r/m，相数3，频率50Hz，接法Y，过载能力KC＞2.0，额定效率η≥90％，额定功率因数cosφ≥0.35。设计时，依据同功率等级异步电机利用系数C和铁芯有效长度与极距比值λ，确定该台电机定子冲片内、外径和铁芯有效长度等基本尺寸定子内径47mm，外径76.6mm，槽数24，槽形圆底梨形，槽口宽1.5mm，槽口高0.3mm，槽肩角30°，槽肩宽2.9mm，槽深7.5mm，槽梯形高5mm，槽底半径1.9mm，齿距6.15mm，槽间电角度15°，槽面积22.5mm2，定子绕组线规格聚酯亚酰胺/聚酰胺酰亚胺复合漆包铜圆线，标称直径0.28毫米，最大漆包外径0.329mm，常温阻值0.2776Ω/m，单层叠绕，每相两组绕组，绕组系数0.958，极距12，节距1-11，接法Y，槽满率65％，每槽153匝。超导转子外径45mm，轴长62mm，内反应式结构，内部沟槽位置、形状和大小如图10所示。电机气隙长度1mm，金属套筒壁厚0.5mm；定转子冲片均采用50W270型号硅钢片，片厚0.5mm，叠压系数0.95；永磁环由8个扇形N42号NdFeB组成，内径5mm，外径15mm，磁极交替排列。环状超导块材阵列内径16mm，外径23mm，永磁环和超导块材阵列轴向长度均为5mm。负载侧磁力联轴器永磁材料型号、结构和尺寸与永磁环相同。
权利要求
1.一种高速磁阻电机，主要包括定子(1)、气隙间套筒(2)、转子(3)、磁力传动器(6)，其特征在于还包括磁浮轴承和低温杜瓦(8)；转子(3)内嵌对称分布的高温超导材料(9)，两侧轴向端面分别固定有扇形永磁体，扇形永磁体按HALBACH排列，构成永磁环(5)；永磁环(5)与套筒(2)内壁端部的高温超导块材阵列(4)构成无磨擦高速磁浮轴承；转子(3)其中一端的永磁环(5)又充当半联轴器，与同轴负载侧半联轴器(6)和机械传动轴(7)组合，实现无接触磁力传动和功率输出；永磁环(5)与高温超导块材阵列(4)径向位置相对，轴向长度相等；电机主体置于非导磁金属杜瓦8中。
2.按照权利要求1所说的高速磁阻电机，其特征在于高导磁率软磁材料(10)叠压而成的转子(3)沿轴向冲槽贯通，槽中放置高温超导材料(9)，高温超导材料(9)的ab晶面平行于电机主轴，并低温环氧固化。
3.按照权利要求1所说的高速磁阻电机，其特征在于转子(3)支承形式采用磁浮结构，气隙(12)长度为毫米量级，气隙(12)空间充有氦气或氢气。
全文摘要
一种高速磁阻电机，其特征在于转子(3)内嵌高温超导材料(9)，高温超导材料(9)的ab面平行于转子轴线，作为阻磁介质增加直交轴磁阻差异，提高电机输出转矩和功率密度。气隙间套筒(2)内壁高温超导块材阵列(4)与转子(3)端部永磁环(5)构成磁浮机构，确保转子(3)低阻尼、高速运转。气隙(12)空间充有氦气或氢气，传导冷却超导转子(3)。永磁环(5)与负载侧同轴半磁力联轴器(6)相互作用，实现电机的无接触转矩和功率输出。无接触磁力传动避免了转轴低温漏热，显著提高了电机的效率，并有利于简化杜瓦(8)结构。
文档编号H02K7/10GK1988324SQ20051013071
公开日2007年6月27日 申请日期2005年12月23日 优先权日2005年12月23日
发明者丘明, 姚志豪, 夏东, 徐喆 申请人:中国科学院电工研究所