一种基于超导永磁混合转子磁体的同步电动机论文和设计-黄振

全文摘要

本实用新型公开了一种基于超导永磁混合转子磁体的同步电动机，包括定子和相对于定子转动的转子，所述转子的转子磁体包括第一磁体和第二磁体；所述第一磁体包括永磁材料；所述第二磁体包括混合磁体，所述第一磁体和第二磁体均匀布置于转子铁芯；所述混合磁体包括超导磁体和永磁体，所述超导磁体与所述永磁体堆叠固定。本实用新型公开的基于超导永磁混合转子磁体的同步电动机，相对于同体积的永磁同步电动机，功率密度和磁体的磁场上限明显提高，极限转矩大；相对于同样极限转矩的超导同步电动机，不需要额外的励磁装置，制造成本和维护成本低，且安全性可靠高。

主设计要求

1.一种基于超导永磁混合转子磁体的同步电动机，包括定子和相对于定子转动的转子，其特征在于，所述转子的转子磁体包括第一磁体和第二磁体；其中，所述第一磁体包括永磁材料；所述第二磁体包括混合磁体，所述第一磁体和所述第二磁体的数量相等，沿所述转子圆周等间隔交叉布置于转子铁芯；所述混合磁体包括超导磁体和永磁体，所述超导磁体与所述永磁体堆叠固定。

设计方案

1.一种基于超导永磁混合转子磁体的同步电动机，包括定子和相对于定子转动的转子，其特征在于，所述转子的转子磁体包括第一磁体和第二磁体；

其中，所述第一磁体包括永磁材料；

所述第二磁体包括混合磁体，所述第一磁体和所述第二磁体的数量相等，沿所述转子圆周等间隔交叉布置于转子铁芯；

所述混合磁体包括超导磁体和永磁体，所述超导磁体与所述永磁体堆叠固定。

2.如权利要求1所述的基于超导永磁混合转子磁体的同步电动机，其特征在于，所述的超导磁体，由若干层超导带材堆叠组成。

3.如权利要求1所述的基于超导永磁混合转子磁体的同步电动机，其特征在于，所述超导磁体沿转子半径延伸方向堆叠固定在所述永磁体内圈或外圈。

4.如权利要求2所述的基于超导永磁混合转子磁体的同步电动机，其特征在于，所述超导带材为YBCO高温超导带材。

5.如权利要求2所述的基于超导永磁混合转子磁体的同步电动机，其特征在于，所述混合磁体的厚度为5mm。

6.如权利要求5所述的基于超导永磁混合转子磁体的同步电动机，其特征在于，超导带材堆叠的厚度为0.5mm，永磁体厚度为4.5mm。

7.如权利要求1所述的基于超导永磁混合转子磁体的同步电动机，其特征在于，所述永磁材料和所述永磁体采用基于钕铁硼或铝镍钴的稀土永磁体。

8.如权利要求1所述的基于超导永磁混合转子磁体的同步电动机，其特征在于，还包括用于保持所述超导永磁混合磁体超导性能的液氮冷却装置；所述液氮冷却装置与所述超导永磁混合磁体通过接触式交换制冷或者直接浸泡式制冷。

9.如权利要求1所述的基于超导永磁混合转子磁体的同步电动机，其特征在于，还包括用于所述超导永磁混合磁体绝热的隔热层；所述隔热层安装于定子外侧。

设计说明书

技术领域

本实用新型涉及同步电动机技术领域，尤其涉及一种基于超导永磁混合转子磁体的同步电动机。

背景技术

同步电动机是属于交流电机，定子绕组与异步电动机相同，转子旋转速度与定子绕组所产生的旋转磁场的速度相同。同步电动机的转子转速n与磁极对数p、电源频率f之间满足n＝60f\/p，即转速n决定于电源频率f。所以，当电机电源频率一定时，转速不变，与负载无关，具有运行稳定性高和过载能力大等特点，常用于多机同步传动系统、精密调速稳速系统和大型设备(如轧钢机)等。

传统同步电动机的转子磁体采用稀土永磁体，而稀土永磁体存在磁场强度上限，且功率密度相对较低，限制了同步电动机的转子磁场上限，使得电动机转矩存在上限。而在工业应用中，很多场合要求电动机产生更大的转矩，那么只能通过增大电动机的体积来实现。考虑到同体积的超导磁体明显大于稀土永磁体磁场强度，采用以超导堆叠带材作为转子磁体的同步电动机，能够克服了电动机的磁场上限与功率密度问题。但存在成本高、励磁困难和运行可靠性不高的新问题：1)为了使堆叠带材的磁场强度超过永磁体，需要大量的超导带材堆叠在一起，使得超导转子磁体是转子磁体的数倍；2)进一步地，由于定子线圈的线径和匝数限制，其产生的脉冲磁场往往不能完全磁化渗透较厚的超导堆叠带材，而额外的励磁装置会增加电动机的体积和成本；3)超导转子磁体同步电动机的转子磁场完全依赖超导堆叠带材中稳定的超导恒流。因此，超导磁体制冷系统一旦失效，引起超导堆叠带材失超，超导恒流会很快由于发热而消失，导致电动机的转子磁场消失，电动机将停转。因此，超导转子磁体同步电动机的失超问题安全隐忧限制了其应用于安全要求更高的场合，如航空电动机，船用电动机等。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种基于超导永磁混合转子磁体的同步电动机，能够兼顾较高的转子磁场强度、较小的转子体积和较高的安全可靠性，且经济成本较低。

实用新型内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本实用新型所要解决的技术问题是如何通过合理的设计，能够兼顾转子磁场强度高、转子体积小、安全可靠性高且经济成本低的基于超导永磁混合转子磁体的同步电动机。

为实现上述目的，本实用新型提供了一种基于超导永磁混合转子磁体的同步电动机，包括定子和相对于定子转动的转子，所述转子的转子磁体包括第一磁体和第二磁体；其中，所述第一磁体包括永磁材料；所述第二磁体包括混合磁体，所述第一磁体和所述第二磁体的数量相等，沿所述转子圆周等间隔交叉布置于转子铁芯；所述混合磁体包括超导磁体和永磁体，所述超导磁体与所述永磁体堆叠固定。

可选地，所述的超导磁体，由若干层超导带材堆叠组成。

可选地，所述超导磁体沿转子半径延伸方向堆叠固定在所述永磁体内圈或外圈。

可选地，所述超导带材为YBCO高温超导带材。

可选地，所述混合磁体的厚度为5mm。

可选地，超导带材堆叠的厚度为0.5mm，永磁体厚度为4.5mm。

可选地，所述永磁材料和所述永磁体采用基于钕铁硼或铝镍钴的稀土永磁体。

可选地，还包括用于保持所述超导永磁混合磁体超导性能的液氮冷却装置；所述液氮冷却装置与所述超导永磁混合磁体通过接触式交换制冷或者直接浸泡式制冷。

可选地，还包括用于所述超导永磁混合磁体绝热的隔热层；所述隔热层安装于定子外侧。

和现有技术相比，本实用新型具有如下有益效果：

(1)采用混合磁体，相较于相同体积的永磁同步电动机，由于同体积的超导混合磁体产生的磁场大于稀土永磁，电动机的输出转矩大为增加；

(2)采用混合磁体，相较于相同输出转矩的永磁同步电动机，电动机的体积大为减小；

(3)采用混合磁体，相较于转子磁体全部采用超导堆叠带材的同步电动机，成本大为降低；且在堆叠带材失超时，混合磁体中的永磁体可以继续产生磁场，电动机可以继续产生转矩，安全可靠性性大为提升。

以下将结合附图对本实用新型的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本实用新型的目的、特征和效果。

附图说明

图1是本实用新型的一个较佳实施例的一种基于超导永磁混合转子磁体的同步电动机的轴向切面图；

图2是图1所示实施例的转子示意图；

图3是图2所示的转子磁体示意图；

图4是图3所示的转子磁体的第二磁体构成示意图

图5是本实用新型的另一个较佳实施例的一种基于永磁混合转子磁体的同步电动机的磁场强度的测试结果。

其中，1-定子；1.1-定子铁芯；1.2-定子绕组；2-转子；2.1-转子铁芯；2.2-第一磁体，2.3-第二磁体；2.4-转子转轴；3-超导堆叠带材；4-稀土永磁块材。

具体实施方式

以下参考说明书附图介绍本实用新型的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本实用新型可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本实用新型的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。

在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本实用新型并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。

实施例一

如图1所示是本实用新型的一个较佳实施例的基于永磁混合转子磁体的同步电动机的轴向切面示意图，图2和图3分别为本实施例的转子示意图和转子磁体示意图。

本实施例中，所述的基于永磁混合转子磁体的同步电动机包括定子1和相对于定子转动的转子2；定子1包括定子铁芯1.1和定子绕组1.2；转子2包括转子铁芯2.1、转子磁体和转子转轴2.4。定子铁芯1.1由硅钢片叠压而成，作用是提供磁路。定子绕组1.2为双层叠绕组，双层叠绕组由绝缘铜线绕制而成，在其中通有三相交流电，从而在定子1与转子2的气隙中产生旋转的定子磁场。转子铁芯2.1同样由硅钢片叠压而成，在避免涡流损耗的同时提供磁路。转子磁体用来在气隙中产生恒定的转子磁场。转子磁场和定子旋转磁场相互作用，使得转子2在磁力的牵引下以同步速旋转，并产生转矩。

其中，转子磁体包括第一磁体2.2和第二磁体2.3；所述的第一磁体2.2为永磁体，第二磁体2.3，为超导永磁混合磁体。

为保证转子磁场的对称性，优选地，转子磁体的第一磁体2.2和第二磁体2.3为偶数个，且沿转子圆周等间隔交叉分布；第一磁体2.2和第二磁体2.3的具体数量，应根据应用场合，计算驱动转矩后，综合考虑转自转轴的稳定性指标后再行决定。本实施例中，第一磁体2.2和第二磁体2.3各4组，沿转子2的圆周等间隔交叉分布如图2、

图3所示。

所述的第二磁体2.3为超导永磁混合磁体，由在转子2半径方向分布的内部的永磁体和外部的超导磁体固定而成；所述的超导磁体经过励磁后，可以产生恒定的磁场，与所述的内部的永磁体产生的磁场叠加后，形成第二磁体2.3的超导永磁混合磁体的总磁场。所述的超导永磁混合磁体，磁场强度与励磁电流幅值正相关，且磁场强度上限和功率密度均优于单纯仅由永磁体构成的同体积的磁体；相对于单纯仅由超导材料构成的超导磁体，超导材料因工作温度高于临界温度、励磁磁场高于临界磁场，或工作电流大于临界电流而导致失超后，超导永磁混合磁体仍因有永磁体保持的剩磁，而能够继续保持一定的输出转矩，安全性能能大为提高。

此外，第一磁体2.2采用的永磁体，和第二磁体2.3的内部的永磁体，可以采用相同的材料，也可以采用不同的材料。

目前，根据超导体的临界温度，可以将超导体分为低温超导体(临界温度为0-10K)和高温超导体(临界温度为30K-77K甚至更高)。考虑到高温超导体在液氮环境下即可使材料进入超导态，对制冷要求大大降低，且高温超导带材和块材已经实现工业化量产，优选地，本实施例中第二磁体2.3的超导磁体，采用临界温度不低于30K的高温超导堆叠带材。同样地，综合考虑商业成本和电气性能，永磁体采用稀土永磁体，常用的稀土永磁体包括钕铁硼、铝镍钴。

图4所示为本实施中第二磁体2.3的构成示意图，第二磁体2.3由采用稀土永磁块材4的内部的永磁体和采用超导堆叠带材3的外部的超导磁体固定而成。为兼顾超导堆叠带材3的临界温度、临界电流密度、生产难度和成本，优选地，所述的超导堆叠带材3选用基于钇钡铜氧(简称YBCO)的带材；多层YBCO超导带材堆叠并固定形成的超导堆叠带材3，与下部的稀土永磁块材4固定在一起，形成第二磁体2.3。应当注意，超导带材3是由基底层、超导层、缓冲层、封装层等组成的多层结构的长带状超导体。

为保证第二磁体2.3的超导堆叠带材3处于超导态，还需加装额外的制冷装置，保证超导堆叠带材3的工作温度不高于临界温度。优选地，所述冷却装置采用液氮冷却装置，与第二磁体2.3或超导堆叠带材3通过接触式交换制冷或者直接浸泡式制冷。

为进一步提高电动机的“保冷”效果，优选地，定子1的外层还设置有隔热层，所述隔热层使用抽真空的隔热杜瓦。

实施例二

为进一步说明本实用新型公开的基于超导永磁混合磁体的转子磁体的磁场强度上限优于同体积的永磁体，本实施例通过重复试验，验证本实用新型的技术效果。

本实施例中，第二磁体2.3宽度为10mm，径向厚度为5mm；超导堆叠带材3材料为YBCO堆叠带，稀土永磁块材4材料为钕铁硼。

以30K温度为例，在保持第二磁体2.3径向厚度为5mm不变的情况下，不同厚度比例的第二磁体2.3与同形状、采用稀土永磁块材4同材料的永磁体的磁场数据如表1所示，磁场数据为距离第二磁体上(外)表面0.5mm的中心点，堆叠带材厚度为0mm对应为与第二磁体2.3同形状、采用稀土永磁块材4同材料的永磁体磁场数据。将与第二磁体2.3同形状、采用稀土永磁块材4同材料的永磁体磁场数据，称为对比组数据。

表1第二磁体2.3不同厚度比的磁场性能对比表

由表1，在第二磁体2.3的YBCO堆叠带材厚度为0.5mm、稀土永磁块材4厚度为4.5mm时，第二磁体2.3的磁场强度为达到相同厚度永磁体的2.5倍。

结合本实施例的测试结果，以及电动机工作时的实际情况不同，优选地，第二磁体2.3的稀土永磁块材4和超导堆叠带材3径向厚度，应根据实际情况具体选择。应当注意，除了厚度比，在低于临界温度的前提下，第二磁体2.3的工作温度不同，也对第二磁体2.3的磁场强度上限有影响。

实施例三

图5所示为同样实验条件下，本实用新型与永磁同步电动机及超导同步电动机的气隙磁场的磁场强度测试结果。本实施例中，永磁同步电动机转子磁体的材料与第二磁体2.3的稀土永磁块材4材料相同，永磁同步电动机的转子磁体与第二磁体2.3形状体积相同；超导同步电动机转子磁体的材料与第二磁体2.3的超导堆叠带材3材料相同，永磁同步电动机的转子磁体与第二磁体2.3形状体积相同。

由图5得知，同位置同条件下，基于超导永磁混合磁体的转子磁体和纯超导材料的转子磁场，相对于纯永磁材料的转子磁场，气隙磁场明显增大，从而增大了同步电动机的转矩和功率密度。此外，虽然纯超导材料的转子磁场的气隙磁场最大值为基于超导永磁混合磁体的气隙磁场强度的1.2倍，增加幅度有限。

以上详细描述了本实用新型的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本实用新型的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本实用新型的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

设计图

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