一种Halbach阵列全超导同步电机转子结构

一种halbach阵列全超导同步电机转子结构
技术领域
1.本发明涉及电机技术领域，具体为一种halbach阵列全超导同步电机转子结构。


背景技术：

2.全超导同步电机能够充分发挥超导材料高载流的优势，进而提高电机的电磁负荷和功率密度。其在船舶、航空、风力发电等领域具有很大的应用前景。与传统同步电机类似，全超导同步电机的转子结构主要存在两种，分别为“永磁”转子结构和励磁绕组转子结构。需要指出的是，在超导电机中，“永磁”转子中的永磁体被替换为超导磁体块，励磁绕组转子中的导体也由铜导体变为超导体。事实上，除了材料上转变，目前超导同步电机的转子结构与传统电机转子结构并无明显的差别；对传统的同步永磁电机而言，一种 halbach阵列是的永磁体排列方式已经被应用于电机设计中，其目的是为了提高磁负荷即增加电机气隙的磁体密度，进而增加电机的功重比。然而由于超导电机相对于传统电机能够产生更强的磁场，人们往往忽略了对超导电机气隙磁场的优化。实际上，如果将halbach的思想应用于超导电机的设计中，充分发挥超导材料能够提高强磁场的特性，不仅能够提高电机的效率，还有可能突破电机功重比的极限，进而促进超导电机更广泛的应用，现提出一种 halbach阵列全超导同步电机转子结构。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于提供一种halbach阵列全超导同步电机转子结构，以解决上述背景技术中提出的问题。
4.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种halbach阵列全超导同步电机转子结构，包括超导直流励磁线圈、转子铁芯，转轴和辅助铜线圈，所述的转子铁芯包括两类极靴，一类为t型极靴，一类为h型极靴，且两类极靴沿转子铁芯周向依次排列；
5.作为本发明一种优选的方案，所述的转子电机结构省去包括杜瓦在内的其他转子结构。
6.作为本发明一种优选的方案，所述的超导直流励磁线圈设置有四个，并且固定于t型极靴上，产生径向磁场，在电机系统中起励磁作用。
7.作为本发明一种优选的方案，所述的辅助铜线圈固定于h型极靴上，参数切向磁场，与超导线圈共同组成转子halbach磁体系统。
8.作为本发明一种优选的方案，所述辅助铜线圈均为铜线圈，由于铜线圈机械性能较好，能够承受旋转工况下的应力，且价格便宜。
9.作为本发明一种优选的方案，所述辅助铜线圈为采用串联方式，最终有两个接头，结构简单，实用性强。
10.作为本发明一种优选的方案，所述超导直流励磁线圈为跑道型线圈，同时配有固定装置，冷却方式采用部分冷却。
11.作为本发明一种优选的方案，所述t型极靴和h型极靴的高度应在径向保持一致，
保持美观的同时，能够便于标准化结构设计。
12.本发明还提供一种halbach阵列全超导同步电机转子结构的绕线方法，包括以下步骤：
13.s1、第一辅助线圈的绕制：第一辅助线圈穿过第一h型极靴，并且在第一h型极靴上进行绕制，绕制方向相同，最终形成螺线管结构；
14.s2、第二辅助线圈的绕制：第二辅助线圈穿过第二h型极靴，并且在第二h型极靴上进行绕制，绕制方向相同，最终形成螺线管结构；
15.s3、第三辅助线圈的绕制：第三辅助线圈穿过第三h型极靴，并且在第三h型极靴上进行绕制，绕制方向相同，最终形成螺线管结构；
16.s4、第四辅助线圈的绕制：第四辅助线圈穿过第四h型极靴，并且在第四h型极靴上进行绕制，绕制方向相同，最终形成螺线管结构；
17.s5、然后依次连接第一辅助线圈、第二辅助线圈、第三辅助线圈和第四辅助线圈，最后第一辅助线圈的始端和第四辅助线圈的末端作为辅助铜线圈抽头，连接电极。
18.与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明通过在电机励磁线圈之间设置一组铜导体线圈，并通过连接方式使得相邻充磁线圈产生方向相反的切向磁场，与转子励磁线圈所产生的径向磁场共同实现超导转子系统halbach 阵列磁场特征；halbach阵列不仅能够加强气隙侧磁场强度，进一步提高电机磁负荷，也能够优化气隙磁场分布，使其更接近正弦分布，进而提高超导电机运行稳定性。
附图说明
19.图1为本发明提出的一种halbach阵列全超导同步电机转子结构的超导同步电机转子结构示意图；
20.图2为本发明提出的一种halbach阵列全超导同步电机转子结构的超导直流励磁线圈结构示意图；
21.图3为本发明提出的一种halbach阵列全超导同步电机转子结构的转轴立体结构示意图；
22.图4为本发明提出的一种halbach阵列全超导同步电机转子结构的辅助线圈结构示意图。
23.图中：1、超导直流励磁线圈；2、转子铁芯；21、第一t型极靴；22、第二t型极靴；23、第三t型极靴；24、第四t型极靴；25、第一h型极靴； 26、第二h型极靴；27、第三h型极靴；28、第四h型极靴；3、辅助铜线圈； 31、第一辅助线圈；32、第二辅助线圈，33、第三辅助线圈；34、第四辅助线圈；4、转轴。
具体实施方式
24.为使本技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术实施例说明书中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本技术实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
25.因此，以下对在附图中提供的本技术的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护
的本技术的范围，而是仅仅表示本技术的选定实施例。基于本技术中的实施例，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他实施例，都属于本技术保护的范围。
26.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
27.需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个......”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
28.在本技术的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。
29.在本技术的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本技术中的具体含义。
30.下面结合附图，对本技术的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的各个实施例及实施例中的各个特征可以相互。
31.请参阅图1-4，本发明提供一种技术方案：一种halbach阵列全超导同步电机转子结构，包括超导直流励磁线圈1、转子铁芯2，转轴4和辅助铜线圈 3，其特征在于，所述的转子铁芯2包括两类极靴，一类为t型极靴，一类为 h型极靴，且两类极靴沿转子铁芯2周向依次排列；
32.其中，附图中的示例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例；超导直流励磁线圈1的线圈可以是单层的，也可以是多层的；线圈的个数可根据电机的极数进行调整；超导直流励磁线圈1的结构类型上可以为超导跑道型线圈，也可以是马鞍型线圈；超导直流励磁线圈1也可以替换为其他超导磁体类型如超导堆叠导体，超导块材等；转子铁芯2中的两类极靴的数量可以相等，也可以不等，例如两个“t”型极靴之间的“h”型极靴个数可以由原先的一个改为两个，即后者的个数是前者的两倍；转子铁芯2也可以替换成其他无磁性的材料，构成无铁芯电机，进一步提高电机功重比；辅助铜线圈3可以替换成磁性相同的永磁体，以构成halbach磁体阵列。
33.进一步的，所述的转子电机结构省去包括杜瓦在内的其他转子结构。
34.进一步的，所述的超导直流励磁线圈1设置有四个，并且固定于t型极靴上，产生径向磁场，在电机系统中起励磁作用。
35.进一步的，所述的辅助铜线圈3固定于h型极靴上，与超导线圈共同组成转子halbach磁体系统。
36.进一步的，所述辅助铜线圈3均为铜线圈，由于铜线圈机械性能较好，能够承受旋
转工况下的应力，且价格便宜。
37.进一步的，所述辅助铜线圈3为采用串联方式，最终有两个接头，结构简单，实用性强。
38.其中，若第一辅助线圈31的始端作为电流输入端，根据辅助线圈绕向和连接方式，第一辅助线圈31的始端至第四辅助线圈34顺时沿着切向针依次产生n-s,s-n,n-s,s-n的磁性方向；相应的超导直流励磁线圈1依次由内到外沿着径向产生的磁场方向依次为n-s,s-n,n-s,s-n；这样就构成了 halbach磁体环形混合阵列。
39.进一步的，所述超导直流励磁线圈1为跑道型线圈，同时配有固定装置，冷却方式采用部分冷却。
40.进一步的，所述t型极靴和h型极靴的高度应在径向保持一致，保持美观的同时，能够便于标准化结构设计。
41.本发明还提供一种halbach阵列全超导同步电机转子结构的绕线方法，包括以下步骤：
42.s1、第一辅助线圈的绕制：第一辅助线圈31穿过第一h型极靴25，并且在第一h型极靴25上进行绕制，绕制方向相同，最终形成螺线管结构；
43.s2、第二辅助线圈的绕制：第二辅助线圈32穿过第二h型极靴26，并且在第二h型极靴26上进行绕制，绕制方向相同，最终形成螺线管结构；
44.s3、第三辅助线圈的绕制：第三辅助线圈33穿过第三h型极靴27，并且在第三h型极靴27上进行绕制，绕制方向相同，最终形成螺线管结构；
45.s4、第四辅助线圈的绕制：第四辅助线圈34穿过第四h型极靴28，并且在第四h型极靴28上进行绕制，绕制方向相同，最终形成螺线管结构；
46.s5、然后依次连接第一辅助线圈31、第二辅助线圈32、第三辅助线圈33 和第四辅助线圈34，最后第一辅助线圈31的始端和第四辅助线圈34的末端作为辅助铜线圈3抽头，连接电极。
47.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。