專利名稱：一種用于同步直線電機(jī)的高溫超導(dǎo)動(dòng)子的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及高溫超導(dǎo)應(yīng)用技術(shù)，特別是一種用于同步直線電機(jī)的高溫超導(dǎo)動(dòng)子。
背景技術(shù)：
目前，同步直線電機(jī)常常被用作磁懸浮列車的推進(jìn)系統(tǒng)。在這種推進(jìn)系統(tǒng)的其中 一種方式，定子線圈鋪設(shè)在地面上，可以提供正弦變化的行波磁場(chǎng)，動(dòng)子部分固定在車體的 底部。動(dòng)子可以由稀土永磁體或者電磁鐵組成，隨著定子磁場(chǎng)的變化而運(yùn)動(dòng)。從原理上來(lái) 講，動(dòng)子部分將不斷跟隨向前運(yùn)動(dòng)的定子磁場(chǎng)，進(jìn)而推動(dòng)列車向前運(yùn)動(dòng)。如果使用傳統(tǒng)的電 磁鐵，必然需要大量的銅線，而銅線圈笨重，占據(jù)大量的空間，并且產(chǎn)生大量的電阻損耗。如 果同等體積和重量的電磁鐵用高溫超導(dǎo)線圈代替，由于超導(dǎo)體可以承受的電流密度是銅導(dǎo) 體的數(shù)十甚至上百倍(4. I下超導(dǎo)體的電流密度是銅導(dǎo)體的140倍以上)，這時(shí)就可以給動(dòng) 子部分通過(guò)更大的電流，進(jìn)而產(chǎn)生更大的推力，同時(shí)可以減小動(dòng)子占據(jù)的空間和重量，并且 可以把動(dòng)子的電磁損耗降低到較低的水平。唯一增加的問(wèn)題是需要提供一個(gè)低溫環(huán)境，使 超導(dǎo)體的工作溫度處于其臨界溫度以下。雖然目前已有關(guān)于超導(dǎo)同步直線電機(jī)的諸多報(bào)道，但大多將超導(dǎo)線嵌入到直線電 機(jī)的定子電樞中，由于這種情形下超導(dǎo)線需要傳輸三相交流電，必然會(huì)在超導(dǎo)體內(nèi)引起交 流損耗。我們提出的方案中，僅有勵(lì)磁單元需要使用超導(dǎo)線，這樣超導(dǎo)線只傳輸直流電，避 免了交流損耗。目前有一種情況在動(dòng)子部分使用到超導(dǎo)線，但使用的是工作溫度為4. 2K的 低溫超導(dǎo)體。如果超導(dǎo)體的臨界溫度在30K以下，這種超導(dǎo)體被稱作為低溫超導(dǎo)體，而如果 臨界溫度在30K以上，則被稱作為高溫超導(dǎo)體。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于現(xiàn)有技術(shù)的以上缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的是提供一種同步直線電機(jī)的高溫超導(dǎo)動(dòng) 子，使之在降低動(dòng)子空間尺寸、重量、損耗以及提高系統(tǒng)推力方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。本發(fā)明的目的是通過(guò)如下的手段實(shí)現(xiàn)的。一種用于同步直線電機(jī)的高溫超導(dǎo)動(dòng)子，具有一系列由兩個(gè)跑道形超導(dǎo)線圈組成 的勵(lì)磁系統(tǒng)，超導(dǎo)線(3)將相鄰的超導(dǎo)線圈連接起來(lái)形成一個(gè)反極性的結(jié)構(gòu)，所述兩個(gè)超 導(dǎo)線圈端部連接在與勵(lì)磁電源相連的兩個(gè)銅母線接頭上，與之并聯(lián)在兩個(gè)銅母線接頭還有 一個(gè)由超導(dǎo)線(5)和控溫加熱器8構(gòu)成的超導(dǎo)開關(guān)；所述超導(dǎo)線圈中部設(shè)置有鐵芯。采用上述方式，本發(fā)明具有如下的優(yōu)點(diǎn)本發(fā)明使用可以工作在液氮溫區(qū)77K的高溫超導(dǎo)體。因此，本專利使用杜瓦裝載 液氮而不需要液氦或者其它低溫容器。因此，使用高溫超導(dǎo)體僅需要使用便宜的液氮作為 制冷劑，而同時(shí)可以帶來(lái)直線電機(jī)推力數(shù)倍的增加。高溫超導(dǎo)動(dòng)子，由一系列供給直流電的超導(dǎo)線圈串聯(lián)而成，這種情況下，所有線圈 傳輸完全相同的電流。線圈的形狀是跑道形的，這種形狀可以使電機(jī)的推力最大化(其實(shí) 質(zhì)是洛侖茲力)。本質(zhì)上講，每個(gè)線圈都是由超導(dǎo)線繞制而成的電磁鐵，最終按磁極交替的方式組成電機(jī)的動(dòng)子。本專利使浸沒在液氮杜瓦中的高溫超導(dǎo)線圈作為電機(jī)的動(dòng)子成為可能，這種新的 方案在降低動(dòng)子空間尺寸、重量、損耗以及提高系統(tǒng)推力方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。在電機(jī)重量不 超過(guò)20kg、空間尺寸小于0. OOSm3的情況，這種直線電機(jī)很容易在凈氣隙高于IOmm時(shí)實(shí)現(xiàn) 輸出300N的推力。


圖1 本發(fā)明高溫超導(dǎo)動(dòng)子的俯視圖。圖2 圖1的A-A剖視圖。圖3 本發(fā)明高溫超導(dǎo)動(dòng)子置于杜瓦內(nèi)的剖視圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的結(jié)構(gòu)功能作進(jìn)一步說(shuō)明。本發(fā)明高溫超導(dǎo)動(dòng)子9具有由兩個(gè)跑道形超導(dǎo)線圈1和2組成的勵(lì)磁系統(tǒng)，超導(dǎo) 線3將相鄰的超導(dǎo)線圈連接起來(lái)形成一個(gè)反極性的結(jié)構(gòu)，所述兩個(gè)超導(dǎo)線圈端部連接在與 勵(lì)磁電源相連的兩個(gè)銅母線接頭4上，與之并聯(lián)在兩個(gè)銅母線接頭還有一個(gè)由超導(dǎo)線5和 控溫加熱器8成的超導(dǎo)開關(guān)。其中箭頭標(biāo)示電流方向，6為線圈鐵芯。每個(gè)超導(dǎo)線圈可以使 用一個(gè)鐵芯6或者為整個(gè)勵(lì)磁線圈添加一個(gè)背部鐵軛7 (圖1中虛線部分所圍)。超導(dǎo)線圈 既可以是單餅也可以是雙餅的跑道形結(jié)構(gòu)，也可以是由多個(gè)單餅或雙餅串并聯(lián)而成，其中 跑道的短軸與運(yùn)動(dòng)方向一致。所述勵(lì)磁系統(tǒng)中的超導(dǎo)線圈的個(gè)數(shù)可設(shè)置任意多個(gè)；繞制超 導(dǎo)線圈的匝數(shù)也可以是任意多。所述超導(dǎo)線圈既可以是單餅也可以是雙餅的跑道形結(jié)構(gòu)， 還可以是由多個(gè)單餅或雙餅串并聯(lián)而成；其中跑道的短軸與運(yùn)動(dòng)方向一致。為簡(jiǎn)化起見，圖1僅給出了兩個(gè)超導(dǎo)線圈串聯(lián)的情況，一并給出的還有超導(dǎo)開關(guān) 和大電流高功率恒流源。具體實(shí)施過(guò)程是一旦達(dá)到了供電要求，控溫加熱器8提供溫度變 化控制超導(dǎo)線5的超導(dǎo)狀態(tài)，即可閉合超導(dǎo)開關(guān)斷開電源，這樣電流就在一個(gè)很低磁場(chǎng)環(huán) 境下和無(wú)損耗的全超導(dǎo)電路中流動(dòng)。由于超導(dǎo)回路的電阻幾乎為零，動(dòng)子勵(lì)磁回路的電流 不會(huì)隨時(shí)間出現(xiàn)衰減，從而處于“恒流”狀態(tài)。如果將這種直線電機(jī)應(yīng)用于磁懸浮列車系統(tǒng) 中，可以先在一個(gè)車站中為超導(dǎo)線圈充電，由于實(shí)際運(yùn)行中不需要額外的電能輸入，因此在 充電完成后，可以拔去充電插頭。待經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的運(yùn)行進(jìn)入另一個(gè)車站后，根據(jù)需要，可 以將超導(dǎo)線圈的充電接頭插入到當(dāng)前車站的供電電源中，為超導(dǎo)線圈重新充電。以這種方 式，列車將不需要裝載額外的供電電源，從而有助于提高車體的載重能力。為保證超導(dǎo)線圈和超導(dǎo)開關(guān)可以被冷卻到工作溫度，需要配備一個(gè)用于儲(chǔ)存液氮 的雙層杜瓦容器。超導(dǎo)線圈將被固定在杜瓦容器的真空腔中以便于超導(dǎo)線圈能夠更接近放 置于地面軌道上的定子電樞部分，從而實(shí)現(xiàn)動(dòng)子和定子之間更強(qiáng)的電磁作用，產(chǎn)生更大的 推力。這種情況下，超導(dǎo)線圈必須經(jīng)由傳導(dǎo)冷卻。超導(dǎo)開關(guān)和供電電源的銅電流母線部分 緊扣在杜瓦內(nèi)壁的里層，浸沒在液氮內(nèi)。為了實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)線圈和超導(dǎo)開關(guān)的電連接，可以在杜 瓦的內(nèi)壁上鉆洞，然后在連接線的周圍灌注環(huán)氧樹脂以保護(hù)真空腔。杜瓦將被固定在磁懸 浮列車的底部，裝載其內(nèi)的超導(dǎo)線圈用作列車的推進(jìn)系統(tǒng)。圖2為本發(fā)明實(shí)際使用環(huán)境的一個(gè)例子，高溫超導(dǎo)動(dòng)子9置于真空腔10內(nèi)時(shí)的杜瓦斷面圖。利用由絕熱材料制成的頂部法蘭連接杜瓦的內(nèi)壁11和外壁12。利用橡膠墊片 13密封真空腔10。端部的兩個(gè)超導(dǎo)線圈1和2分別與電源的銅母線接頭4連接。頂部法 蘭14有兩個(gè)用于注入冷制的注入孔和排放氣體的排氣口 15。利用真空嘴16為真空腔10 抽真空。內(nèi)壁的底部可以由鐵磁材料制作而成以作為超導(dǎo)線圈的背部鐵軛。電流母線4的 一部分和加熱器8浸沒在液體容器17中。
權(quán)利要求
1.一種用于同步直線電機(jī)的高溫超導(dǎo)動(dòng)子，其特征在于，具有一系列由兩個(gè)跑道形超 導(dǎo)線圈組成的勵(lì)磁系統(tǒng)，超導(dǎo)線(3)將相鄰的超導(dǎo)線圈連接起來(lái)形成一個(gè)反極性的結(jié)構(gòu)， 所述兩個(gè)超導(dǎo)線圈端部連接在與勵(lì)磁電源相連的兩個(gè)銅母線接頭上，與之并聯(lián)在兩個(gè)銅母 線接頭還有一個(gè)由超導(dǎo)線(5)和控溫加熱器(8)構(gòu)成的超導(dǎo)開關(guān)；所述超導(dǎo)線圈中部設(shè)置 有鐵芯。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述之用于同步直線電機(jī)的高溫超導(dǎo)動(dòng)子，其特征在于，所述超導(dǎo) 線圈中部的鐵芯可同時(shí)再加或者單獨(dú)使用背部鐵軛替代。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述之用于同步直線電機(jī)的高溫超導(dǎo)動(dòng)子，其特征在于，所述超導(dǎo) 線圈既可以是單餅也可以是雙餅的跑道形結(jié)構(gòu)，也可以是由多個(gè)單餅或雙餅串并聯(lián)而成， 其中跑道的短軸與運(yùn)動(dòng)方向一致。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述之用于同步直線電機(jī)的高溫超導(dǎo)動(dòng)子，其特征在于，所述勵(lì)磁 系統(tǒng)中的超導(dǎo)線圈的個(gè)數(shù)可設(shè)置任意多個(gè)；繞制超導(dǎo)線圈的匝數(shù)也可以是任意多。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述之用于同步直線電機(jī)的高溫超導(dǎo)動(dòng)子，其特征在于，所述超導(dǎo) 線圈既可以是單餅也可以是雙餅的跑道形結(jié)構(gòu)，還可以是由多個(gè)單餅或雙餅串并聯(lián)而成； 其中跑道的短軸與運(yùn)動(dòng)方向一致。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于同步直線電機(jī)的高溫超導(dǎo)動(dòng)子，具有由兩個(gè)跑道形超導(dǎo)線圈(1，2)組成的勵(lì)磁系統(tǒng)，超導(dǎo)線(3)將相鄰的超導(dǎo)線圈連接起來(lái)形成一個(gè)反極性的結(jié)構(gòu)，所述兩個(gè)超導(dǎo)線圈端部連接在與勵(lì)磁電源相連的兩個(gè)銅母線接頭上，與之并聯(lián)在兩個(gè)銅母線接頭還有一個(gè)由超導(dǎo)線(5)和控溫加熱器(8)構(gòu)成的超導(dǎo)開關(guān)。本發(fā)明使用可以工作在液氮溫區(qū)77K的高溫超導(dǎo)體，在降低動(dòng)子空間尺寸、重量、損耗以及提高系統(tǒng)推力方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。在電機(jī)重量不超過(guò)20kg、空間尺寸小于0.008m3的情況，所裝備的直線電機(jī)很容易在凈氣隙高于10mm時(shí)實(shí)現(xiàn)輸出300N的推力。
文檔編號(hào)H02K41/03GK102136789SQ20111009006
公開日2011年7月27日 申請(qǐng)日期2011年4月11日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月11日
發(fā)明者劉偉, 晏飛翔, 李婧, 林群煦, 王家素, 王素玉, 鄭珺, 鄭石鈞, 陳鑫, 馬光同 申請(qǐng)人:西南交通大學(xué)