CN111130300B - 一种高温超导直线同步电机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高温超导直线同步电机，包括定子部件和动子部件，还包括励磁开关，动子部件包括若干个多匝高温超导线圈，相邻的高温超导线圈之间采用反向串联连接，超导线圈两端用于与外部励磁电源相连，励磁开关并联连接在超导线圈两端；利用高温超导体的零电阻特性，通过励磁开关对高温超导线圈进行预励磁使超导线圈带电，高温超导线圈的电流在工作过程中不衰减，降低了导体线圈的损耗以及减小了电机的无功功率，实现了动子线圈无须外加励磁电源的同步运行；高温超导线圈反向串联时，相邻高温超导线圈在行波磁场和动子电流共同作用下产生的推力方向一致，有利于增大动子上的总推力，实现脉冲功率型直线电机快速加速的性能。
Description
技术领域
本发明属于直线同步电机技术领域，更具体地，涉及一种高温超导直线同步电机。
背景技术
脉冲功率型直线电机可以在较短的时间内提供较大功率的推力，实现动子的短时高速运动，以满足如汽车高速碰撞试验、无人机弹射和垂直发射等特殊应用场合的短时高速发射需求。目前从电磁推力的性质来看，直线电机主要包括直线感应电机和直线同步电机。常规直线电机具有显著优点的同时，也存在一些难以克服的不足。
比如，直线感应电机的次级一般为导板，具有结构坚固、制造和运行成本低以及运行可靠的优点，其缺点是推力会随着速度的增加而减小，且功率因素较低；永磁直线同步电机具有功率因素和效率高，推力密度大，其缺点是永磁体装配困难，且存在退磁风险；也可以用电磁铁替代永磁直线同步电机中的永磁体，但如果同步直线电机动子使用传统的电磁铁，必然需要大量的铜线，而铜线圈笨重，占据大量的空间，并且会产生大量的电阻损耗。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种高温超导直线同步电机，旨在解决现有技术中电机功率损耗大、推力密度低和控制复杂的问题。
本发明提供了一种高温超导直线同步电机，包括：定子部件和动子部件，还包括：励磁开关，动子部件包括若干个多匝高温超导线圈，相邻的高温超导线圈之间采用反向串联连接，超导线圈两端用于与外部励磁电源相连，励磁开关并联连接在超导线圈两端；利用高温超导体的零电阻特性，通过所述励磁开关对高温超导线圈进行预励磁使超导线圈带电，高温超导线圈的电流在工作过程中不衰减，降低了导体线圈的损耗以及减小了电机的无功功率，实现了动子线圈无须外加励磁电源的同步运行；高温超导线圈反向串联时，相邻高温超导线圈在行波磁场和动子电流共同作用下产生的推力方向一致，有利于增大动子上的总推力，实现脉冲功率型直线电机快速加速的性能。
更进一步地，定子部件包括定子铁芯和定子绕组；定子铁芯由硅钢片横向叠片组成，且在定子铁芯上设置有一组以其纵向中心线为中心对称均匀布置的用于容纳定子绕组的绕线槽。对称布置的双边定子产生的法向力可以相互抵消，从而简化电机控制结构。
更进一步地，定子绕组为铜绕组，动子线圈采用高温超导材料，由于超导导线的通流密度远大于铜导线，通流密度大意味着电机能够产生更大的气隙磁场，从而产生更大的推力。同时，由于超导导线的零电阻特性，导体产生的铜耗很小，从而能够降低导体线圈的损耗以及减小电机的无功功率。
更进一步地，高温超导线圈可以为跑道型、椭圆形或矩形等多种形式，选型选材容易，便于加工。
更进一步地，由于超导线圈产生的磁场较强，铁芯容易饱和，因此高温超导线圈可以为空芯结构。
更进一步地，励磁开关包括：第一开关、第二开关和第三开关，所述第二开关的固定端和第三开关的固定端分别连接在高温超导线圈的两端，第二开关的第一动端a用于连接至励磁电源的负极，所述第三开关的第一动端c用于连接至励磁电源的正极，所述第二开关的第二动端b与所述第三开关的第二动端d连接，所述第一开关的一端与所述第二开关的第一动端a连接，所述第一开关的另一端与所述第三开关的第一动端c连接。
其中，在定子绕组通电前，第一开关断开，第二开关与a侧接通，第三开关与c侧接通，励磁电源向高温超导线圈通恒定电流；在电机运行前，先将第一开关接通，再将第二开关与b侧接通，第三开关与d侧接通，使高温超导线圈沿第二开关和第三开关形成一个闭合回路；由于高温超导体的零电阻特性，动子励磁回路的电流不会随时间出现衰减，从而处于近似恒流状态，由此实现了预励磁。
其中，当定子中通入三相电流时，定子绕组在气隙中将产生行波磁场；通过定子绕组在气隙中产生的行波磁场与动子励磁磁场的共同作用，气隙磁场对动子产生电磁推力；在电磁推力的作用下且定子固定不动时，动子沿着行波磁场运动的方向作直线运动。
更进一步地，定子部件的尺寸大于动子部件的尺寸。这种“长定子短动子”的直线电机结构，由于动子较轻(一般为整块铝板或铜板)，在动子进行高速大推力运动的场合有着明显的优势。
更进一步地，定子部件为双边长定子结构，双边长定子共同作用于一个动子产生了更大的推力，双边长定子对称布置，产生的法向力相互抵消，简化了电机控制结构。采用双边长定子的直线电机具有推力密度大、效率高和结构简单等优点。且双边长定子采用铜绕组具有理论成熟、结构简单和成本较低等优点。
本发明提供的直线同步电机中，动子部件采用高温超导线圈，利用高温超导体的零电阻特性，通过励磁开关对高温超导线圈进行预励磁使超导线圈带电，高温超导线圈的电流在工作过程中不衰减，降低了导体线圈的损耗以及减小了电机的无功功率，实现了动子线圈无须外加励磁电源的同步运行。
本发明中进一步地将相邻的高温超导线圈之间采用反向串联连接，当高温超导线圈反向串联时，相邻高温超导线圈在行波磁场和动子电流共同作用下产生的推力方向一致，有利于增大动子上的总推力，实现脉冲功率型直线电机快速加速的性能。
本发明进一步地通过在定子部件中的定子铁芯上设置有一组以其纵向中心线为中心对称均匀布置的用于容纳定子绕组的绕线槽，对称布置的双边定子产生的法向力可以相互抵消，从而简化电机控制结构。
作为进一步优选地，本发明中动子线圈采用高温超导材料，定子绕组为铜绕组，由于超导材料的通流密度远大于铜导线(一般高于两个数量级)，通流密度大意味着电机能够产生更大的气隙磁场，从而产生更大的推力。同时，由于超导导线的零电阻特性，导体产生的铜耗很小，从而能够降低导体线圈的损耗以及减小电机的无功功率。
附图说明
图1为本发明实施例提供的高温超导直线同步电机的结构剖视图。
图2为本发明实施例提供的高温超导直线同步电机的励磁开关示意图。
图中相同的附图标记表示相同的物理含义，其中，1为定子铁芯，2为定子绕组，3为高温超导线圈，4为励磁开关，5为电流引线，6为励磁电源。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提供了一种高温超导直线同步电机，可以解决脉冲功率型直线感应电机功率因素、推力密度低和脉冲功率型永磁直线电机装配、控制困难及存在退磁风险的问题；可以改善常规脉冲功率型直线电机功率损耗大、推力密度低和控制复杂等性能不足，推动直线电机在汽车高速碰撞试验、无人机弹射和垂直发射等特殊应用场合下的应用和进一步的发展。
本发明将超导技术应用于脉冲功率型直线电机中能够降低线圈的损耗，提高功率密度。同时，高温超导体的容许能量密度(与超导稳定边界条件密切相关)比低温超导体大几个数量级，且具有较强的抵御扰动能力。采用超导导体的定子绕组能够产生更大的气隙磁场且自身的功率损耗很小，有利于降低了电机线圈损耗并提高功率密度。同时，高温超导对低温的要求并不像低温超导一样苛刻，具有应用于脉冲功率型短时发射的可能性。这些特点有助于将高温超导技术应用于脉冲功率型直线电机中。
图1示出了本发明实施例提供的高温超导直线同步电机的结构，为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分，详述如下：
本发明实施例提供的高温超导直线同步电机包括：定子部件，动子部件和励磁开关；其中，定子部件包括：定子铁芯1和定子绕组2，定子铁芯1由硅钢片横向叠片组成，定子铁芯1开有一组按其纵向中心线对称均匀布置的绕线槽，称为齿槽，以容纳定子绕组2，定子绕组2可以为常规铜绕组。
当电机工作时，定子绕组2中通入交变电流，并产生一个交变的磁通，变化的磁通在定子铁芯1中产生感应电流。定子铁芯1中产生的感应电流(即涡流)在垂直于磁通方向的平面内环流并使定子铁芯1发热。定子铁芯1可以采用彼此绝缘的横向硅钢片叠压可以使涡流在狭长形的回路通过较小的截面，以增大涡流通路上的电阻，从而减小涡流损耗。
其中，如图2所示，动子部件由若干个多匝高温超导线圈3组成，高温超导线圈3的端部连接在与励磁电源相连的两个铜电流引线接头上。
作为本发明的一个实施例，超导线圈可以采用高温电流引线材绕制，线圈的结构可以采用跑道型、椭圆形和矩形等多种形式，相邻超导线圈采用反向串联形式，超导线圈端部由电流引线5连接在与励磁电源6相连的两个铜电流引线接头上。考虑到超导线圈产生的磁场较强，铁芯容易饱和，因此采用空芯结构。
本发明中之所以采用高温超导材料来制作直线电机的线圈，其目的是可以极大增加导线的通流密度，降低线圈的损耗，提高功率密度。采用高温超导材料来制作动子线圈，利用高温超导体的零电阻特性，通过对超导线圈进行预励磁使超导线圈带电，线圈的电流在工作过程中不衰减，可以实现动子线圈无须外加励磁电源的同步运行。同时，利用脉冲功率发射的高速短时特点和超导材料临界电流磁场温度特性，可实现无外加制冷设备下直线电机在脉冲功率场合的低温运行，减小了装置的重量、降低了低温制冷技术的难度、提高了直线电机的功率密度和工作效率。
在本发明实施例中，超导线圈个数和单个线圈的匝数与推力需求和实际的尺寸等因素有关，个数和匝数越多，产生的推力越大，但线圈占用的空间增大，且所用的超导线圈成本也相应增大。因此，可以根据实际中具体使用的电机的性能指标来确定合适的高温超导线圈的个数以及高温超导线圈的匝数。
本发明实施例中，采用高温超导材料来制作动子线圈，在运行前，通过外部励磁电源对超导线圈进行励磁使超导线圈带电，闭合励磁开关，使超导线圈两端部直接短路连接，此时可以切断外部励磁电源电路，由于高温超导体具有零电阻特性，超导线圈的电流在工作过程中不衰减，实现了动子线圈无须外加励磁电源的同步运行。
在本发明提供的直线同步电机中，利用脉冲功率发射的高速短时特点和超导材料临界电流磁场温度特性，脉冲功率发射时超导线圈的工作时间很短，认为线圈在该时间段内的温度基本保持恒定。因此只要在电机工作前将超导线圈降温至临界温度以下，超导线圈在工作时即使不拖曳制冷设备也能保持超导特性，即可实现无外加制冷设备下直线电机在脉冲功率场合的低温运行，可减小装置的重量和低温技术难度，并提高功率密度和工作效率。
为了更进一步的说明本发明实施例提供的若干个多匝高温超导线圈3，现以两个高温超导线圈反向串联连接的情况为例详述如下：
如图1和图2所示，该高温超导直线同步电机运行的具体实施过程是：在定子绕组通电前，通过对动子超导线圈进行预励磁，使动子超导线圈在运动过程中线圈闭环流通恒定的直流，以实现在发射过程中无外加直流电源励磁的同步运动。预励磁过程主要由励磁开关完成，具体过程是：在定子绕组通电前，第一开关断开，第二开关和第三开关分别与a和c侧(预励磁侧)接通，由直流电源向高温超导线圈通恒定电流。一旦达到了启动条件即电机运行前，先将第一开关接通，再迅速将第二开关和第三开关分别与b和d侧(自回路侧)接通，使高温超导线圈沿第二开关和第三开关形成一个闭合回路，由于高温超导体的零电阻特性，动子励磁回路的电流不会随时间出现衰减，从而处于近似恒流状态，由此实现了预励磁，在发射过程中，超导线圈即可不需要外加电源而一直保持在近似恒定载流状态。
当定子中通入三相电流，定子绕组在气隙中将产生行波磁场。通过定子绕组在气隙中产生的行波磁场与动子励磁磁场的共同作用，气隙磁场对动子产生电磁推力。在这个电磁推力的作用下，如果定子是固定不动的，那么动子就沿着行波磁场运动的方向作直线运动。
其中，与励磁电源相连的两个铜电流引线接头并联在两个铜电流引线的还有励磁开关4，其中，励磁开关4包括若干个低电阻开关。作为本发明的一个实施例，如图2所示，励磁开关4包括：第一开关、第二开关和第三开关；第二开关的固定端和第三开关的固定端分别连接在高温超导线圈的两端，第二开关的第一动端a用于连接至励磁电源6的负极，第三开关的第一动端c用于连接至励磁电源6的正极，第二开关的第二动端b与第三开关的第二动端d连接，第一开关的一端与第二开关的第一动端a连接，第一开关的另一端与第三开关的第一动端c连接。
在定子绕组通电前，第一开关断开，第二开关与a侧接通，第三开关与c侧接通，励磁电源6向高温超导线圈通恒定电流；在电机运行前，先将第一开关接通，再将第二开关与b侧接通，第三开关与d侧接通，使高温超导线圈沿第二开关和第三开关形成一个闭合回路；由于高温超导体的零电阻特性，动子励磁回路的电流不会随时间出现衰减，从而处于近似恒流状态，由此实现了预励磁。
当定子中通入三相电流时，定子绕组在气隙中将产生行波磁场；通过定子绕组在气隙中产生的行波磁场与动子励磁磁场的共同作用，气隙磁场对动子产生电磁推力；在电磁推力的作用下且定子固定不动时，动子沿着行波磁场运动的方向作直线运动。
在本发明实施例中，定子部件可以采用双边长定子，其中长定子是指定子尺寸比动子尺寸长；为了更进一步说明本发明实施例提供的高温超导直线同步电机，现以双边长定子为例对本发明的高温超导直线同步电机进行详细描述如下：
高温超导直线同步电机包括：双边长定子、高温超导动子和励磁开关；双边长定子包括定子铁芯和定子绕组，定子绕组为常规铜绕组。“长定子短动子”的直线电机结构由于动子较轻(一般为整块铝板或铜板)，在动子进行高速大推力运动的场合有着明显的优势，特别是在汽车碰撞试验或电磁发射等领域有着广阔的前景。
同时，双边长定子共同作用于一个动子，较单边定子结构能够产生更大的推力，且对称布置的双边定子产生的法向力可以相互抵消，从而简化电机控制结构，因此采用双边长定子的直线电机具有推力密度大、效率高和结构简单等优点。
同时，双边长定子采用常规铜绕组具有理论成熟、结构简单和成本较低等优点；动子由若干多匝高温超导线圈组成，线圈可采用跑道型、椭圆形和矩形等多种形式，线圈形式对该脉冲功率型高温超导直线同步电机推力等性能影响不大。
相邻的超导线圈采用反向串联形式，采用反向串联时相邻超导线圈在行波磁场和动子电流共同作用下产生的推力方向一致，有利于增大动子上的总推力，进而实现脉冲功率型直线电机快速加速的性能；超导线圈两端部通过两根铜电流引线与外部励磁电源相连，以实现外部电源给超导线圈的励磁。在两根电流引线之间并联连接一个由若干低电阻开关构成的励磁开关。
在电机工作前，通过调节励磁开关使外部电源与超导线圈接通，实现外部电源给超导线圈的励磁，即对超导线圈进行预励磁。当电机工作时，首先调节励磁开关使外部电源与超导线圈断开并使超导线圈形成闭合回路，利用高温超导体的零电阻特性，线圈电流在工作过程中不衰减，可以实现动子线圈无须外加励磁电源的同步运行。
本发明实施例中，超导导线的通流密度远大于铜导线(一般高于两个数量级)，将超导技术应用于脉冲功率型直线电机中，降低线圈的损耗，提高功率密度。同时，高温超导体的容许能量密度(与超导稳定边界条件密切相关)比低温超导体大几个数量级，且具有较强的抵御扰动能力，这些特点有助于将高温超导技术应用于脉冲功率型直线电机中。
本发明采用高温超导材料来制作动子线圈，在运行前，通过外部励磁电源对超导线圈进行励磁使超导线圈带电，闭合励磁开关，使超导线圈两端部直接短路连接，此时可以切断外部励磁电源电路，由于高温超导体具有零电阻特性，超导线圈的电流在工作过程中不衰减，实现动子线圈无须外加励磁电源的同步运行。
本发明利用脉冲功率发射的高速短时特点和超导材料临界电流磁场温度特性，可实现无外加制冷设备下直线电机在脉冲功率场合的低温运行，可减小装置的重量和低温技术难度，并提高功率密度和工作效率。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种高温超导直线同步电机，用于在较短的时间内提供较大功率的推力，实现动子的短时高速运动；包括：定子部件和动子部件，其特征在于，还包括：励磁开关，所述动子部件包括若干个多匝高温超导线圈（3），相邻的高温超导线圈之间采用反向串联连接，超导线圈两端用于与外部励磁电源相连，励磁开关并联连接在超导线圈两端；
所述定子部件为双边长定子结构，双边长定子共同作用于一个动子产生了更大的推力，双边长定子对称布置，产生的法向力相互抵消，简化了电机控制结构；
工作时利用高温超导体的零电阻特性，通过所述励磁开关对高温超导线圈（3）进行预励磁使超导线圈带电，高温超导线圈（3）的电流在工作过程中不衰减，降低了导体线圈的损耗以及减小了电机的无功功率，实现了动子线圈无须外加励磁电源的同步运行；
所述高温超导线圈（3）无需外加制冷设备维持低温环境，针对脉冲功率应用场合，利用高温超导材料的临界电流磁场温度特性，仅利用自身的临界电流裕度即可完成电磁加速运动，消除了超导装置因制冷设备所带来的不足以及显著降低了低温技术难度，极大提高了功率密度和工作效率，提高了采用超导的技术优势；
所述励磁开关包括：第一开关、第二开关和第三开关；所述第二开关的固定端和第三开关的固定端分别连接在高温超导线圈（3）的两端，所述第二开关的第一动端a用于连接至励磁电源（6）的负极，所述第三开关的第一动端c用于连接至励磁电源（6）的正极，所述第二开关的第二动端b与所述第三开关的第二动端d连接，所述第一开关的一端与所述第二开关的第一动端a连接，所述第一开关的另一端与所述第三开关的第一动端c连接；
在定子绕组通电前，第一开关断开，第二开关与a侧接通，第三开关与c侧接通，励磁电源（6）向高温超导线圈通恒定电流；在电机运行前，先将第一开关接通，再将第二开关与b侧接通，第三开关与d侧接通，使高温超导线圈沿第二开关和第三开关形成一个闭合回路；由于高温超导体的零电阻特性，动子励磁回路的电流不会随时间出现衰减，从而处于近似恒流状态，由此实现了预励磁；
当定子中通入三相电流时，定子绕组在气隙中将产生行波磁场；通过定子绕组在气隙中产生的行波磁场与动子励磁磁场的共同作用，气隙磁场对动子产生电磁推力；在电磁推力的作用下且定子固定不动时，动子沿着行波磁场运动的方向作直线运动。
2.如权利要求1所述的高温超导直线同步电机，其特征在于，所述定子部件包括定子铁芯（1）和定子绕组（2）；
所述定子铁芯（1）由硅钢片横向叠片组成，且在所述定子铁芯（1）上设置有一组以其纵向中心线为中心对称均匀布置的用于容纳所述定子绕组（2）的绕线槽。
3.如权利要求2所述的高温超导直线同步电机，其特征在于，所述定子绕组（2）为铜绕组。
4.如权利要求1-3任一项所述的高温超导直线同步电机，其特征在于，所述高温超导线圈（3）为跑道型、椭圆形或矩形。
5.如权利要求1-3任一项所述的高温超导直线同步电机，其特征在于，所述高温超导线圈（3）为空芯结构。
6.如权利要求1-3任一项所述的高温超导直线同步电机，其特征在于，所述定子部件的尺寸大于所述动子部件的尺寸。
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