CN102136789A

CN102136789A - 一种用于同步直线电机的高温超导动子

Info

Publication number: CN102136789A
Application number: CN 201110090061
Authority: CN
Inventors: 晏飞翔; 李婧; 郑石钧; 马光同; 林群煦; 刘伟; 陈鑫; 郑珺; 王家素; 王素玉
Original assignee: Southwest Jiaotong University
Current assignee: Southwest Jiaotong University
Priority date: 2011-04-11
Filing date: 2011-04-11
Publication date: 2011-07-27

Abstract

本发明公开了一种用于同步直线电机的高温超导动子，具有由两个跑道形超导线圈(1，2)组成的励磁系统，超导线(3)将相邻的超导线圈连接起来形成一个反极性的结构，所述两个超导线圈端部连接在与励磁电源相连的两个铜母线接头上，与之并联在两个铜母线接头还有一个由超导线(5)和控温加热器(8)构成的超导开关。本发明使用可以工作在液氮温区77K的高温超导体，在降低动子空间尺寸、重量、损耗以及提高系统推力方面具有明显优势。在电机重量不超过20kg、空间尺寸小于0.008m³的情况，所装备的直线电机很容易在净气隙高于10mm时实现输出300N的推力。

Description

一种用于同步直线电机的高温超导动子

所属技术领域

本发明涉及高温超导应用技术，特别是一种用于同步直线电机的高温超导动子。

背景技术

目前，同步直线电机常常被用作磁悬浮列车的推进系统。在这种推进系统的其中一种方式，定子线圈铺设在地面上，可以提供正弦变化的行波磁场，动子部分固定在车体的底部。动子可以由稀土永磁体或者电磁铁组成，随着定子磁场的变化而运动。从原理上来讲，动子部分将不断跟随向前运动的定子磁场，进而推动列车向前运动。如果使用传统的电磁铁，必然需要大量的铜线，而铜线圈笨重，占据大量的空间，并且产生大量的电阻损耗。如果同等体积和重量的电磁铁用高温超导线圈代替，由于超导体可以承受的电流密度是铜导体的数十甚至上百倍(4.2K下超导体的电流密度是铜导体的140倍以上)，这时就可以给动子部分通过更大的电流，进而产生更大的推力，同时可以减小动子占据的空间和重量，并且可以把动子的电磁损耗降低到较低的水平。唯一增加的问题是需要提供一个低温环境，使超导体的工作温度处于其临界温度以下。

虽然目前已有关于超导同步直线电机的诸多报道，但大多将超导线嵌入到直线电机的定子电枢中，由于这种情形下超导线需要传输三相交流电，必然会在超导体内引起交流损耗。我们提出的方案中，仅有励磁单元需要使用超导线，这样超导线只传输直流电，避免了交流损耗。目前有一种情况在动子部分使用到超导线，但使用的是工作温度为4.2K的低温超导体。如果超导体的临界温度在30K以下，这种超导体被称作为低温超导体，而如果临界温度在30K以上，则被称作为高温超导体。

发明内容

鉴于现有技术的以上缺点，本发明的目的是提供一种同步直线电机的高温超导动子，使之在降低动子空间尺寸、重量、损耗以及提高系统推力方面具有明显优势。

本发明的目的是通过如下的手段实现的。

一种用于同步直线电机的高温超导动子，具有一系列由两个跑道形超导线圈组成的励磁系统，超导线(3)将相邻的超导线圈连接起来形成一个反极性的结构，所述两个超导线圈端部连接在与励磁电源相连的两个铜母线接头上，与之并联在两个铜母线接头还有一个由超导线(5)和控温加热器8构成的超导开关；所述超导线圈中部设置有铁芯。

采用上述方式，本发明具有如下的优点：

本发明使用可以工作在液氮温区77K的高温超导体。因此，本专利使用杜瓦装载液氮而不需要液氦或者其它低温容器。因此，使用高温超导体仅需要使用便宜的液氮作为制冷剂，而同时可以带来直线电机推力数倍的增加。

高温超导动子，由一系列供给直流电的超导线圈串联而成，这种情况下，所有线圈传输完全相同的电流。线圈的形状是跑道形的，这种形状可以使电机的推力最大化(其实质是洛仑兹力)。本质上讲，每个线圈都是由超导线绕制而成的电磁铁，最终按磁极交替的方式组成电机的动子。

本专利使浸没在液氮杜瓦中的高温超导线圈作为电机的动子成为可能，这种新的方案在降低动子空间尺寸、重量、损耗以及提高系统推力方面具有明显优势。在电机重量不超过20kg、空间尺寸小于0.008m³的情况，这种直线电机很容易在净气隙高于10mm时实现输出300N的推力。

附图说明

图1：本发明高温超导动子的俯视图。

图2：图1的A-A剖视图。

图3：本发明高温超导动子置于杜瓦内的剖视图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的结构功能作进一步说明。

本发明高温超导动子9具有由两个跑道形超导线圈1和2组成的励磁系统，超导线3将相邻的超导线圈连接起来形成一个反极性的结构，所述两个超导线圈端部连接在与励磁电源相连的两个铜母线接头4上，与之并联在两个铜母线接头还有一个由超导线5和控温加热器8成的超导开关。其中箭头标示电流方向，6为线圈铁芯。每个超导线圈可以使用一个铁芯6或者为整个励磁线圈添加一个背部铁轭7(图1中虚线部分所围)。超导线圈既可以是单饼也可以是双饼的跑道形结构，也可以是由多个单饼或双饼串并联而成，其中跑道的短轴与运动方向一致。所述励磁系统中的超导线圈的个数可设置任意多个；绕制超导线圈的匝数也可以是任意多。所述超导线圈既可以是单饼也可以是双饼的跑道形结构，还可以是由多个单饼或双饼串并联而成；其中跑道的短轴与运动方向一致。

为简化起见，图1仅给出了两个超导线圈串联的情况，一并给出的还有超导开关和大电流高功率恒流源。具体实施过程是：一旦达到了供电要求，控温加热器8提供温度变化控制超导线5的超导状态，即可闭合超导开关断开电源，这样电流就在一个很低磁场环境下和无损耗的全超导电路中流动。由于超导回路的电阻几乎为零，动子励磁回路的电流不会随时间出现衰减，从而处于“恒流”状态。如果将这种直线电机应用于磁悬浮列车系统中，可以先在一个车站中为超导线圈充电，由于实际运行中不需要额外的电能输入，因此在充电完成后，可以拔去充电插头。待经过一段时间的运行进入另一个车站后，根据需要，可以将超导线圈的充电接头插入到当前车站的供电电源中，为超导线圈重新充电。以这种方式，列车将不需要装载额外的供电电源，从而有助于提高车体的载重能力。

为保证超导线圈和超导开关可以被冷却到工作温度，需要配备一个用于储存液氮的双层杜瓦容器。超导线圈将被固定在杜瓦容器的真空腔中以便于超导线圈能够更接近放置于地面轨道上的定子电枢部分，从而实现动子和定子之间更强的电磁作用，产生更大的推力。这种情况下，超导线圈必须经由传导冷却。超导开关和供电电源的铜电流母线部分紧扣在杜瓦内壁的里层，浸没在液氮内。为了实现超导线圈和超导开关的电连接，可以在杜瓦的内壁上钻洞，然后在连接线的周围灌注环氧树脂以保护真空腔。杜瓦将被固定在磁悬浮列车的底部，装载其内的超导线圈用作列车的推进系统。

图2为本发明实际使用环境的一个例子，高温超导动子9置于真空腔10内时的杜瓦断面图。利用由绝热材料制成的顶部法兰连接杜瓦的内壁11和外壁12。利用橡胶垫片13密封真空腔10。端部的两个超导线圈1和2分别与电源的铜母线接头4连接。顶部法兰14有两个用于注入冷制的注入孔和排放气体的排气口15。利用真空嘴16为真空腔10抽真空。内壁的底部可以由铁磁材料制作而成以作为超导线圈的背部铁轭。电流母线4的一部分和加热器8浸没在液体容器17中。

Claims

1.一种用于同步直线电机的高温超导动子，其特征在于，具有一系列由两个跑道形超导线圈组成的励磁系统，超导线(3)将相邻的超导线圈连接起来形成一个反极性的结构，所述两个超导线圈端部连接在与励磁电源相连的两个铜母线接头上，与之并联在两个铜母线接头还有一个由超导线(5)和控温加热器(8)构成的超导开关；所述超导线圈中部设置有铁芯。

2.根据权利要求1所述之用于同步直线电机的高温超导动子，其特征在于，所述超导线圈中部的铁芯可同时再加或者单独使用背部铁轭替代。

3.根据权利要求1所述之用于同步直线电机的高温超导动子，其特征在于，所述超导线圈既可以是单饼也可以是双饼的跑道形结构，也可以是由多个单饼或双饼串并联而成，其中跑道的短轴与运动方向一致。

4.根据权利要求1所述之用于同步直线电机的高温超导动子，其特征在于，所述励磁系统中的超导线圈的个数可设置任意多个；绕制超导线圈的匝数也可以是任意多。

5.根据权利要求1所述之用于同步直线电机的高温超导动子，其特征在于，所述超导线圈既可以是单饼也可以是双饼的跑道形结构，还可以是由多个单饼或双饼串并联而成；其中跑道的短轴与运动方向一致。