專利名稱：一種超導(dǎo)塊材磁極圓筒型同步直線電機的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及直線電機技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種超導(dǎo)塊材磁極圓筒型同步直線電機。
背景技術(shù)：
電機問世于1920年前后，當(dāng)時法拉第發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)現(xiàn)象并提出了電磁感應(yīng)定律，組裝了第一臺直流電機樣機。1887年特斯拉發(fā)明了三相交流旋轉(zhuǎn)電機，這種電機現(xiàn)在被廣泛使用。但由于旋轉(zhuǎn)電機的轉(zhuǎn)子只能旋轉(zhuǎn)，要實現(xiàn)直線運動不得不通過使用滾珠或滑輪等機械系統(tǒng)轉(zhuǎn)換過來。由于想直接實現(xiàn)直線運動，即將電能直接轉(zhuǎn)換成直線運動機械能而不需要任何中間轉(zhuǎn)換機構(gòu)的傳動裝置，人們很早就想到了研制直線電機。從原理上說，直線電機就是將一臺旋轉(zhuǎn)電機按徑向剖開，并展成平面。但相比旋轉(zhuǎn)電機機械系統(tǒng)，直線電機有很多獨特的優(yōu)勢。例如可實現(xiàn)非常高速和非常低速，高加速度， 幾乎零維護(無接觸零件)，高精度，無空回。而且直線電機完成直線運動只需電機無需齒輪、聯(lián)軸器或滑輪，可避免使用不必要或減低性能的零件。由于技術(shù)原因，直線電機從設(shè)想到實驗到應(yīng)用，經(jīng)歷了一個不斷探索，屢遭失敗的過程。1840年惠斯登提出并制作了略具雛形但并不成功的直線電機。1917年出現(xiàn)了第一臺圓筒形直線電動機，是一種具有換接初級線圈的直流磁阻電動機。此后，直線電機才進入了實驗研究階段。由于實驗的進展；控制技術(shù)和材料的發(fā)展，1955年以后直線電機進入了全面的開發(fā)階段，應(yīng)用直線電機的實用設(shè)備被逐步開發(fā)出來。此后制成了許多具有實用價值的裝置和產(chǎn)品，例如直線電機驅(qū)動的鋼管輸送機、運煤機、起重機、空壓機、沖壓機、拉伸機、 各種電動門、電動窗、電動紡織機等等。特別是利用直線電機驅(qū)動的磁懸浮列車，其速度已超500km/h，接近了航空的飛行速度。直線電機按工作原理主要可以分為感應(yīng)直線電機、同步直線電機、直流直線電機、 步進直線電機等；按結(jié)構(gòu)形式分類主要可分為扁平型、圓筒型、圓盤型和圓弧型。其中圓筒型直線電機也稱管型直線電機，為一種外形如旋轉(zhuǎn)電機的圓柱型直線電機，它是把扁平型的直線電機的初級和次級沿橫向卷成筒型，主要應(yīng)用于短行程往復(fù)運動的場合。這里研究的就是圓筒型同步直線電機。隨著高溫超導(dǎo)材料的出現(xiàn)和發(fā)展，因其有利于電機實現(xiàn)高效化、小型化、節(jié)能化， 很快應(yīng)用到電機技術(shù)領(lǐng)域。對于同步電機而言，其電樞由繞組構(gòu)成，磁極由永磁或電磁體構(gòu)成。而高溫超導(dǎo)塊材具有特殊的抗磁性和強磁場俘獲能力。據(jù)報道，日本ISTEC制造的 j20X30mm的YBCO塊能捕獲7. 4Τ(76· 5Κ)，8· 34Τ (59Κ)的磁場；美國Houston大學(xué)制造的 YBCO塊能捕獲3. 1T(77K)的磁場，進一步降溫其捕獲磁場還會增加。用其替代永磁體制作電機磁極，可提高磁極磁場強度。并且由于其內(nèi)部的高電流密度，產(chǎn)生同等磁場比永磁體質(zhì)量、體積更小。高溫超導(dǎo)材料在電機中的應(yīng)用起初主要集中于旋轉(zhuǎn)電機?，F(xiàn)在其電磁特性的優(yōu)越性已被實踐證明，因此更適用于側(cè)重要求高效的直線電機的制備。
現(xiàn)有超導(dǎo)直線電機多為扁平型，很少有研究其他形狀直線電機的。對于圓筒型直線電機，有研究使用高溫超導(dǎo)線材制作電樞繞組的報道。但使用高溫超導(dǎo)線材或塊材制作圓筒型同步直線電機磁極僅有少數(shù)文章提到這種可能性。可是，圓筒型直線電機電磁氣隙與極距的比值通常較大，所需的磁化電流也較大；初級鐵芯兩端開斷，產(chǎn)生縱向邊緣效應(yīng)， 從而引起波形畸變，導(dǎo)致?lián)p耗增加，因此其效率和功率因數(shù)比同容量的旋轉(zhuǎn)電機要低。這就使得圓筒型同步直線電機更需要高效的磁極彌補上述缺陷。對于同步電機而言，普通永磁磁極可產(chǎn)生IT左右最高磁場；帶鐵芯的電磁磁極能廣生2T左右的最聞磁場，但要消耗電能。其最聞磁場都有進一步提聞的空間，以便使得電機推力獲得提聞。
發(fā)明內(nèi)容
鑒于現(xiàn)有技術(shù)的缺點，本發(fā)明的目的是設(shè)計一種新型的圓筒型同步直線電機，使之能克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點。本發(fā)明的目的是通過如下的手段實現(xiàn)的。一種超導(dǎo)塊材磁極圓筒型同步直線電機，主要由圓筒型交流直線電機電樞和超導(dǎo)磁體磁極構(gòu)成，所述超導(dǎo)磁體磁極具有一液氮溫區(qū)隔熱容器，液氮溫區(qū)隔熱容器中心設(shè)置有至少一個超導(dǎo)塊材磁極；當(dāng)設(shè)置一個以上超導(dǎo)塊材磁極時，在兩個塊材磁極之間設(shè)置有一環(huán)形導(dǎo)磁體。采用本發(fā)明的結(jié)構(gòu)，使用多塊液氮冷卻(77K)下充磁后表面產(chǎn)生3T以上磁場強度的圓柱形高溫超導(dǎo)塊材制作圓筒型同步直線電機磁極，明顯高于普通永磁體產(chǎn)生的IT左右和帶鐵芯的電磁體產(chǎn)生的2T左右的最高磁場。因此相比永磁或電磁磁極圓筒型同步直線電機，超導(dǎo)塊材磁極圓筒型同步直線電機能產(chǎn)生更高的推力。并且由于其內(nèi)部的高電流密度，產(chǎn)生同等磁場比永磁體質(zhì)量、體積更小，即更輕便。多塊圓柱形高溫超導(dǎo)塊材浸泡在液氮中充磁，充磁后按軸向磁化結(jié)構(gòu)依次對極排列，相鄰兩塊塊材之間用環(huán)形導(dǎo)磁體連接， 然后置于液氮溫區(qū)隔熱容器中，制成電機磁極。液氮溫區(qū)隔熱容器應(yīng)使用非金屬材料制作， 避免感應(yīng)產(chǎn)生磁場和電渦流，影響到已充磁高溫超導(dǎo)塊材，使其磁場發(fā)生變化。環(huán)形導(dǎo)磁體側(cè)面打有供液氮流通的貫穿小孔，利于高溫超導(dǎo)塊材制冷。電機電樞則使用普通或超導(dǎo)圓筒型交流直線電機電樞。此電機可廣泛應(yīng)用于推進、拖動等方面。
圖I是本發(fā)明實施例的結(jié)構(gòu)剖視圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明。如圖I所示，本發(fā)明的基本結(jié)構(gòu)與軸向磁化結(jié)構(gòu)的永磁磁極圓筒型同步直線電機基本相同，由圓筒型直線電機電樞I和圓柱形高溫超導(dǎo)塊材2、環(huán)形導(dǎo)磁體3、液氮溫區(qū)隔熱容器4、液氮液面計5組成的超導(dǎo)塊材磁極構(gòu)成。圓筒型直線電機電樞I使用普通銅線或超導(dǎo)線材繞制而成。圖中磁極運行至電樞頂部，電樞僅畫出其上半部分。
因為超導(dǎo)塊材磁極為單極時結(jié)構(gòu)簡單，僅需一塊高溫超導(dǎo)塊材，本實施例中超導(dǎo)塊材磁極設(shè)計為三極，用以說明磁極為多級時的情況。圓筒型直線電機磁極主要有徑向磁化結(jié)構(gòu)、軸向磁化結(jié)構(gòu)Halbach結(jié)構(gòu)。由于高溫超導(dǎo)塊材的形狀和充磁磁場特點，只宜采用軸向磁化結(jié)構(gòu)。使用的高溫超導(dǎo)塊材為圓柱形或圓環(huán)形，本實施例以圓柱形高溫超導(dǎo)塊材為例說明。在超導(dǎo)塊材磁極制作過程中，圓柱形高溫超導(dǎo)塊材2在液氮冷卻下軸向充磁，充磁后間隔環(huán)形導(dǎo)磁體3依次對極排列，放入液氮溫區(qū)隔熱容器4中心。具體排布方式如圖所示，高溫超導(dǎo)塊材2上的箭頭即表示其充磁后的磁場方向。高溫超導(dǎo)塊材2、環(huán)形導(dǎo)磁體 3與液氮溫區(qū)隔熱容器4保留微小間隙保證液氮流通。因為氣隙越大推力越小，在保證液氮流通的情況下間隙應(yīng)盡可能小。整個過程全部在液氮浸泡中進行，電機正常運行時液氮要保證浸泡所有高溫超導(dǎo)塊材。高溫超導(dǎo)塊材2與環(huán)形導(dǎo)磁體3的高度選擇要保證超導(dǎo)塊材磁極極距與圓筒型直線電機電樞I極距相同，確保電機能同步運行。在液氮溫區(qū)高質(zhì)量的高溫超導(dǎo)塊材充磁后表面可以產(chǎn)生3T以上磁場，高于普通永磁體和帶鐵芯的電磁體。若將溫度進一步降低，高溫超導(dǎo)塊材還能產(chǎn)生更高的磁場。因此使用高溫超導(dǎo)塊材非常有利于制造大推力電機。環(huán)形導(dǎo)磁體3外徑與高溫超導(dǎo)塊材2相同，起到將相鄰兩塊對極高溫超導(dǎo)塊材磁感線擠出的作用。環(huán)形導(dǎo)磁體3兩側(cè)打有貫穿的小孔8，這是為了便于液氮流通(如圖中橫向小箭頭所示)，保證對圓柱形高溫超導(dǎo)塊材的制冷。液氮溫區(qū)隔熱容器4應(yīng)使用非金屬材料制作，如無磁杜瓦，避免感應(yīng)產(chǎn)生磁場和電渦流，影響到已充磁高溫超導(dǎo)塊材，使其磁場發(fā)生變化。電機氣隙越大，推力就越小，因此在保證隔熱效果的前提下，隔熱容器應(yīng)制作的盡可能薄。液氮液面計5可考慮使用熱電阻制作，用于測量液氮液面6。一旦發(fā)現(xiàn)由于蒸發(fā)導(dǎo)致液氮液面下降，其電阻阻值發(fā)生變化。便可發(fā)出信號，控制相關(guān)裝置在超導(dǎo)塊材磁極運動至合適位置時通過液氮補給與通氣孔7給磁極補充液氮。超導(dǎo)塊材磁極中的各個部件均由支架支撐、固定，形成一個整體。圓筒型直線電機電樞I通三相交流電后，超導(dǎo)塊材磁極便受力作豎直運動，運動方向、速度、啟動、停止等由電機驅(qū)動器控制。本發(fā)明所述的超導(dǎo)塊材磁極圓筒型同步直線電機，上述針對較佳實施例的描述過于具體，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將會意識到，這里所述的實施例是為了幫助讀者理解本發(fā)明的原理，應(yīng)被理解為發(fā)明的保護范圍并不局限于這樣的特別陳述和實施例。凡是根據(jù)上述描述做出各種可能的等同替換或改變，均被認為屬于本發(fā)明的權(quán)利要求的保護范圍。
權(quán)利要求
1.一種超導(dǎo)塊材磁極圓筒型同步直線電機，主要由圓筒型交流直線電機電樞和超導(dǎo)磁體磁極構(gòu)成，其特征在于，所述超導(dǎo)磁體磁極具有一液氮溫區(qū)隔熱容器，液氮溫區(qū)隔熱容器中心設(shè)置有至少一個高溫超導(dǎo)塊材；當(dāng)設(shè)置一個以上高溫超導(dǎo)塊材時，在兩個塊材之間設(shè)置有一環(huán)形導(dǎo)磁體。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述之超導(dǎo)塊材磁極圓筒型同步直線電機，其特征在于所述多個高溫超導(dǎo)塊材按照圓筒型同步直線電機軸向磁化磁極結(jié)構(gòu)依次對極排布。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述之超導(dǎo)塊材磁極圓筒型同步直線電機，其特征在于，所述環(huán)形導(dǎo)磁體上設(shè)置有供液氮流通的小孔。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種超導(dǎo)塊材磁極圓筒型同步直線電機，主要由圓筒型交流直線電機電樞和超導(dǎo)塊材磁極構(gòu)成。所述超導(dǎo)磁體磁極具有一液氮溫區(qū)隔熱容器，液氮溫區(qū)隔熱容器中心設(shè)置有至少一個高溫超導(dǎo)塊材；當(dāng)設(shè)置一個以上塊材時，在兩個塊材之間設(shè)置有一環(huán)形導(dǎo)磁體。本發(fā)明超導(dǎo)塊材磁極圓筒型同步直線電機，在液氮環(huán)境77K下，磁極磁場最高處能達到3T以上，明顯高于普通永磁和電磁磁體，可廣泛應(yīng)用于推進、拖動等方面，具有產(chǎn)生較普通圓筒型同步直線電機更大推力且更輕便的優(yōu)點。
文檔編號H02K55/02GK102594087SQ201210068369
公開日2012年7月18日 申請日期2012年3月15日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月15日
發(fā)明者嚴仲明, 桂志興, 段晚晴, 王亮, 王豫, 董亮 申請人:西南交通大學(xué)