技术领域
[0001] 本
发明主要涉及
盘式电机的技术领域，特别涉及一种盘式全超导电机，尤其涉及一种盘式定
转子全超导电机。
背景技术
[0002] 目前主流
驱动电机设计越来越向着高
密度化的趋势发展，功率密度也逐年有所攀升，较高功率密度的筒式电机将越来越难以满足高密度化的开发需求。
[0003] 传统永磁盘式电机的磁路结构为：磁感线从表贴式转子N极磁
钢发出，经过气隙穿过
定子励磁
铁芯，磁路在定子轭部产生旋转，在翻折后经由相邻定子齿部励
磁铁芯通过气隙后返回转子相邻磁钢的S极。
[0004] 传统的超导电机均为传统的筒式构型，这种超导电机的构型与电机的发展趋势相差甚远，超导电机的功率密度及转矩密度经常由于其本身系统的低密度化而难以得到提升。
发明内容
[0005] 本发明针对上述问题，提供了一种盘式全超导电机，消除了定子励磁铁芯轭部的设计，可以使得定子
磁场沿轴向无旋转变化，磁场更加均匀，同时转子表贴有不同高度的钇钡
铜氧块材，使气隙磁密较传统充磁方法有大幅度提高，提升电机效率和出
力。
[0006] 本发明的目的可以通过下述技术方案来实现：一种盘式全超导电机，包括壳体，其特征在于，壳体内设有一组对应设置的转子，转子采取非径向充磁结构，两个对应设置的转子充磁方向不同，磁极相反，两个转子之间依次设有第一定子
定位板、第一定子冷却通路、定子集中式跑道绕组、第二定子冷却通路和第二定子定位板，定子集中式跑道绕组和第二定子冷却通路之间设置有励磁铁芯阵列，定子集中式跑道绕组的结构与励磁铁芯阵列的结构对应配合设置，定子集中式跑道绕组的结构与励磁铁芯阵列的结构之间通过第一、第二定子定位板进行固定，第一、第二定子冷却通路的设置
位置与定子集中式跑道绕组和两个转子的位置相对应，对转子和定子集中式跑道绕组的材料进行降温。
[0007] 优选的，励磁铁芯阵列包括若干个沿圆周均匀分布的若干个励磁铁芯，每个励磁铁芯的两侧边分别设有绕组设置槽，定子集中式跑道绕组一一绕设于励磁铁芯上，励磁铁芯采用定子极靴的结构形状，定子极靴的厚度为4-12mm，相邻的定子极靴之间设有间隙。
[0008] 进一步，转子表面贴敷有若干块钇钡铜氧块材，转子上设有若干条沿转子半径均匀布设的
水道，水道的位置与钇钡铜氧块材的位置相对应。
[0009] 更进一步，钇钡铜氧块材的形状为圆柱形，其直径为8-25mm，相邻的钇钡铜氧块的高度不同，根据高度分为最高、居中和最低三种钇钡铜氧块，最高的四块钇钡铜氧块作为磁钢，充磁方向为竖直向上或向下，居中和最低的钇钡铜氧块分布于最高钇钡铜氧块的两侧，起到聚磁的作用，充磁方向为偏离数值45°-60°，居中和最低的钇钡铜氧块的充磁方向相反。
[0010] 相对于
现有技术，本发明的技术方案除了整体技术方案的改进，还包括很多细节方面的改进，具体而言，具有以下有益效果：1、本发明所述的改进方案，描述了一组转子采取非径向充磁结构，两个对应设置的转子充磁方向不同，磁极相反，相较于筒式电机，在功率密度、转矩密度等指标上均有显著提高；
2、本发明的技术方案中，励磁铁芯阵列包括若干个沿圆周均匀分布的定子极靴，使得定子产生的磁场更加均匀，同时取消了定子磁轭的设计，可以使得定子磁场沿轴向无旋转变化；
3、本发明转子表面贴附超导体钇钡铜氧块，通过布设在水道内的液态氮直接进行冷却，定子集中式跑道绕组由超导钇钡铜氧带材绕包而成，大幅度降低铁芯损耗，提升电机效率和出力；
4、本发明设有转子
冷却水道和定子冷却通路结构，使得转子上的超导体钇钡铜氧块和定子上的跑道型线圈降至临界
温度以下，展现超导特性，进一步降低损耗并提升电机功率密度；
5、本发明的结构设置合理，高效，便于实施和推广。
附图说明
[0011] 图1为本发明电机的爆炸结构示意图。
[0012] 图2为本发明的定子与转子配合的结构示意图。
[0013] 图3为本发明的单个励磁铁芯结构示意图。
[0014] 图4为本发明励磁铁芯列阵的结构示意图。
[0015] 图5为本发明一
实施例中定子冷却通路的结构示意图。
[0016] 图6为本发明一实施例中定子集中式跑道绕组的结构示意图。
[0017] 图7为本发明实施例中第一定子定位板的结构示意图。
[0018] 图8为本发明实施例中第二定子定位板的结构示意图。
[0019] 图9为本发明实施例中定子集中式跑道绕组、励磁铁芯列阵和定子定位板之间的连接结构示意图。
[0020] 图10为本发明实施例中定子集中式跑道绕组、励磁铁芯列阵、定子定位板和定子冷却通路之间的连接结构示意图。
[0021] 图11为本发明实施例中转子背铁内外套的爆炸示意图。
[0022] 图12为本发明的转子结构示意图。
[0023] 图13为本发明实施例中转子斜极结构示意图。
[0024] 图14为本发明实施中两个转子充磁方向不同的结构示意图。
[0025] 图中标注如下：1转子、2第一定子定位板、3第一定子冷却通路、4定子集中式跑道绕组、5励磁铁芯列阵、6第二定子冷却通路、7第二定子定位板；
11钇钡铜氧块材、12水道；
21圆形卡槽；
51励磁铁芯、52绕组设置槽、53上端部、54下端部；
71圆柱形定位柱。
具体实施方式
[0026] 以下结合附图详细说明本发明的具体实施方式，使本领域的技术人员更清楚地理解如何实践本发明。尽管结合其优选的具体实施方案描述了本发明，但这些实施方案只是阐述，而不是限制本发明的范围。
[0027] 本发明所述的一种盘式全超导电机，参见图1，包括壳体，其与现有技术的区别在于，壳体内设有一组对应设置的转子1，转子采取非径向充磁结构，两个对应设置的转子充磁方向不同，磁极相反，两个转子之间依次设有第一定子定位板2、第一定子冷却通路3、定子集中式跑道绕组4、第二定子冷却通路6和第二定子定位板7，定子集中式跑道绕组4和第二定子冷却通路之间设置有励磁铁芯阵列5，定子集中式跑道绕组的结构与励磁铁芯阵列的结构对应配合设置，定子集中式跑道绕组的结构与励磁铁芯阵列的结构之间通过第一、第二定子定位板进行固定，第一、第二定子冷却通路的设置位置与定子集中式跑道绕组和两个转子的位置相对应，对转子和定子集中式跑道绕组的材料进行降温。这里所述的冷却结构是指第一、第二冷却通路共同构成的冷却结构，第一、第二冷却通路各自独立设置，互相之间不连通。这里的定子集中式跑道绕组的结构与励磁铁芯阵列的结构对应配合设置，即每个励磁铁芯外部绕设有一个由超导钇钡铜氧带材绕包而成的单个跑道绕组结构。
[0028] 具体来说，本发明消除了定子励磁铁芯轭部的设计，使磁感线由表贴式转子N极磁钢引出，后经由气隙到达定子励磁铁芯，在定子励磁铁芯内部径直穿过，经由气隙到达另一转子反向充磁的S极磁钢。由于取消掉磁轭的设计，致使转子磁场沿轴向并无旋转磁场变化，所以定子励磁铁芯可以选取
取向硅钢材料或者
各向异性的高导磁材料以替代传统无
取向硅钢，拥有更强的饱和磁密。
[0029] 同时，本发明转子表贴式不同高度的钇钡铜氧块材的充磁方式为非径向充磁，采用三维径向Halbach（赫尔巴克阵列）阵列进行聚磁，使气隙磁密较传统充磁方法有大幅度提高。同时转子背铁内部埋设有冷却回路，通过空
心轴使
冷却液充盈，使得钇钡铜氧块材冷却至
临界温度以下以展现
超导性。
[0030] 在一个实施例中，本发明提出一种径向磁场的盘式定转子全超导的电机设计，转子采取非径向充磁结构，转子表面贴敷有若干块钇钡铜氧块材11，转子上设有若干条沿转子半径均匀布设的水道12，水道的位置与钇钡铜氧块材的位置相对应。水道内外嵌套结构具体参见图11中，分别为设在上部的内套和表贴式不同高度的钇钡铜氧块材的外套，冷却液通过空心轴进入转子，之后通过水道的空隙流入冷却液槽。冷却液为液氮或者液氦，其中冷却液不需要流出，只需要保持在上下两个零件构成的水路中就可以，通过控制冷却通道中的压强，就可以控制冷却液在冷却通路中的充盈程度。
[0031] 其中水道内外嵌套结构设计，保证了冷却液通路的空间，可以使得液氮或者液氦冷却液顺利流入，从而使得表贴式的钇钡铜氧块材降至临界温度以下，展现超导特性。定子结构中，定子集中式跑道绕组的结构与励磁铁芯阵列的结构一一对应配合设置，励磁铁芯阵列包括若干个沿圆周均匀分布的若干个励磁铁芯51，每个励磁铁芯的两侧边分别设有绕组设置槽52，定子集中式跑道绕组一一绕设于励磁铁芯上，定子集中式跑道绕组由超导钇钡铜氧带材绕包而成，铁芯本体采用取向硅钢材料制成或者采用钴基非晶熔液直接浇筑而成，这样可以大幅度降低铁芯损耗，提升电机功率密度。
[0032] 具体来说，本发明所述转子背铁，采用内外嵌套的方式形成转子背铁及其冷却通路，需嵌套的两部分转子材料为耐低温的
不锈钢材料制成。复杂的水道结构可由于其内外嵌套的方式，通过数控
铣床简单加工，在两原件表面简单完成，同时通过
过盈配合或
螺栓连接等方式，将两部分内外结合在一起，使得冷却通路得以结合。同时，按照表面贴敷的钇钡铜氧材料的位置依次设置有槽结构，使得冷却液可顺利在所述槽结构中进行存储，以保障钇钡铜氧块材降温至临界温度之下。在通入冷却液时，应控制冷却液通口，使得冷却液内部原有的空气可顺利排出，不会有超过1bar的
大气压对冷却液压力进行影响。排出空气后，控制冷却液压力以控制冷却液在转子冷却通路中的充盈程度。
[0033] 转子表面贴敷式的钇钡铜氧块材结构，有导热胶贴敷于转子背铁之上，两转子充磁方向不同，大体是下部转子的N极对应上部转子的S极，以此构成闭合磁路。钇钡铜氧块材的形状为圆柱形或立方体，其直径为8-25mm，相邻的钇钡铜氧块的高度不同，根据高度分为最高、居中和最低三种钇钡铜氧块，最高的四块磁钢起到磁极的作用，磁钢厚度为4 10mm，~充磁方向为竖直方向或上或下；高度居中的钇钡铜氧块材分布于高度最高的磁钢两侧，顺应转子产生的磁路方向，起到为气隙磁场进行聚磁的作用，厚度为2 8mm，充磁方向为偏离~
数值45°-60°；厚度最小的钇钡铜氧块材同样分布于高度最高的磁钢两侧，顺应转子产生的磁路方向，起到为气隙磁场进行聚磁的作用，厚度为0.5 6mm，充磁方向为偏离数值45°-~
60°，与高度居中的钇钡铜氧块材充磁方向相反，具体参见图14。
[0034] 在另一个实施例中，考虑到该方案选用的转子背铁外径为180mm，该电机极槽配合选用4极6槽，对于本发明所述电机其极槽配合满足转子级数、定子槽数的最小公倍数即Max{LCM（转子极数，定子槽数）}越大越好。转子外径也可以按照不同大小进行设计，本实施案例中，转子厚度为20mm，气隙宽度为1mm，度量方式为转子N极及S极
永磁体最高端面到定子极靴的距离，即气隙宽度。N极和S极超导材料厚度为6mm（也就是最高的四块磁钢的厚度），相应助磁超导材料厚度为5mm和4.5mm（也就是居中和最低两种钇钡铜氧块的厚度）。转子外径越大，则需要相应调整转子的厚度及气隙长度和超导块材厚度。
[0035] 具体来说，励磁铁芯阵列包括若干个沿圆周均匀分布的若干个励磁铁芯，每个励磁铁芯的两侧边分别设有绕组设置槽，定子集中式跑道绕组一一绕设于励磁铁芯上，励磁铁芯采用定子极靴的结构形状，相邻的定子极靴之间设有间隙。定子集中式跑道绕组绕与励磁铁芯阵列之间通过第一、第二定子定位板来进行定位固定，形成一个整体，这里的第二定子定位板上设有凸起的圆柱形定位柱71，第一定子定位板上设有与定位柱相配合的圆形卡槽21，第一、第二定子定位板呈正多边形，其外形结构与定子极靴的梯形结构的一侧底边相吻合，定位柱的高度与定子极靴的高度相配合，使得第一、第二定子定位板恰好能够对励磁铁芯阵列的高度方向起到固定作用。
[0036] 定子集中式跑道绕组由超导钇钡铜氧带材绕包而成，超导钇钡铜氧带材在绕包时加入铜制
支架用以
支撑绕组成型，这里的通知支架可以为圆弧段，可以互相连续或者不连续。若干片取向硅钢沿垂直
轧制面堆叠而成，轧制方向顺应磁路方向，形成的定子极靴包括中间的铁芯本体和上设在设在铁芯本体两端的上、下端部，铁芯本体由两个梯形部底边对接拼合而成，上、下端部呈梯形结构。上、下端部也呈与梯形部对应的等腰梯形结构，上、下端部的面积大于铁芯本体的横截面面积。铁芯本体采用取向硅钢材料制成或者采用钴基非晶熔液直接浇筑而成，这样可以大幅度降低铁芯损耗，提升电机功率密度。
[0037] 在又一个实施例中，转子采取斜极结构设置，钇钡铜氧块为分段结构，斜极
角度在0.5°30°的倾斜范围，内经过验证，该种方式对转矩脉动的消除率在10% 87.2%之间，具体~ ~
参见图13。由于盘式电机的斜极结构与筒式电机不同，相同点就是两排磁钢圆周排列错开一定角度，错开的角度是斜极角度，最大值小于采用2对极3组磁钢的赫尔巴克阵列（共12块）每块磁钢之间的角度，斜极角度越大，对转矩脉动的削弱能力越强，但会减小平均输出转矩。这里表贴式的钇钡铜氧块材旨在替代钕铁
硼材料的永磁体磁钢，可采用的形式为长方形或圆柱形都可以，该应用案例中是圆柱形，磁钢分块可以减少磁钢内部产生的
涡流，因为块状永磁体的体积越大，产生的涡流越大。分块结构第一可以使斜极技术得到应用，二可以有效减少磁钢涡流损耗，进一步提升电机密度。
[0038] 第一、第二定子冷却通路结构相同，第一、第二定子冷却通路互相错开绕设在相邻的励磁铁芯之间，使得每个励磁铁芯的内、外侧边至少与一条定子冷却通路的位置相对应。这里的相对应设置只是冷却通路能对定子集中式跑道绕组产生有效的降温效果，使得绕设在励磁铁芯上的定子集中式跑道绕组能够在定子冷却通路的作用下降至临界温度以下，展现超导特性，进一步降低损耗并提升电机功率密度。
[0039] 具体来说，第一、第二定子冷却通道采用玻璃
纤维或者铜管制成，第一、第二定子冷却通道各自独立设置，内部为中空结构，第一、第二定子冷却通道设有进液口，第一、第二定子冷却通道内通设有冷却液，冷却液为液氮或者液氦。进一步的，冷却液可顺利在管道结构中进行存储，以保障钇钡铜氧带材降温至临界温度之下。在通入冷却液时，应控制冷却液通口，使得冷却液内部原有的空气可顺利排出，不会有超过1bar的大气压对冷却液压力进行影响。排出空气后，控制冷却液压力以控制冷却液在定子冷却通路中的充盈程度。
[0040] 所述定子结构，相邻极靴间的距离为：距离较近边3 10mm，距离较远边8 20mm，极~ ~靴厚度为4 12mm，其中定位板构件为耐低温的
树脂材料，其尖角形状与定子铁芯两短边相~
贴合，以起到定位的作用。定子斜边倾角θ为6°40°，整个定子励磁铁芯厚度为30 80mm厚，~ ~
具体厚度可根据极槽配合及定子外径进行调整。比如整个定子励磁铁芯厚度为30 80mm厚，~
具体厚度可根据极槽配合极槽配合中槽指两个定子极靴的那部分间距。槽数可用来表示定子采用几个绕组及铁芯组件，比如本实施案例中采用六个绕组及铁芯组件，那槽数就是6，定子极数是4，共有2个对极。
[0041] 在一个具体的实施例中，定子外径为180mm，极靴厚度为5mm，定子极靴包括中间的铁芯本体和上设在设在铁芯本体两端的上、下端部，铁芯本体由两个梯形部底边对接拼合而成，所以铁芯本体有三个宽度，分别为16mm、47mm和24mm，其中47mm为底边的宽度，分别是两个梯形部对接处，16mm和24mm分别为两个梯形部的顶边长度，详见图3中的结构。气隙宽度为1mm，度量方式为转子N极及S极永磁体最高端面到定子极靴的距离。跑道式超导带材宽度为30mm，采取集中式绕组，
匝数为120匝，其中超导带材由于其脆性，所以本拓扑结构的跑道式绕组最大伸缩长率不超过0.2%，其内部可采用断开的铜制支架进行支撑，但本实施案例中无支撑。定子励磁铁芯采用的材料为无机涂层耐低温的取向硅钢材料，N极和S极超导材料厚度为6mm，相应助磁超导材料厚度为5mm和4.5mm。转子外径越大，则需要相应调整转子的厚度及气隙长度和超导块材厚度。
[0042] 本发明所述转子表面贴敷材料为钇钡铜氧块材，采用导热胶进行贴敷，厚度为0.510mm不等，临界温度为77K以上，该温度远低于液氮沸点，可以由液氮冷却液或者冷却效果~
更好的液氦冷却液进行冷却。由于钇钡铜氧块材是一种脆性极高的超导材料，所以块状钇钡铜氧材料的伸长率需小于0.2%，所以钇钡铜氧块材的拓扑结构选用为圆柱形，既能保证磁密高度的均一性，又能顺应钇钡铜氧材料的脆性。本发明所述的钇钡铜氧块材的形状为圆柱形，其直径长度根据转子背铁的大小而定，在8 25mm范围内，如过大会产生过高的转动~
惯量，比例与扁平式的电机结构。本发明所述电机其气隙长度为0.5 4mm，其计算方式为厚~
度最高的钇钡铜氧块材的上端面到定子励磁铁芯的端面长度。
[0043] 定子水道部分采用未相连的形式，上下分别紧贴定子极靴部分的下端面上下分布，从整体来来看可以对各个线圈进行充分环绕冷却。该管道结构采用耐低温的玻璃纤维结构，可是定子跑道线圈的运行温度降低到临界温度之下，使线圈产生超导性。转子水道为中心发散性，有数控铣床经简单操作形成复杂结构，水道构成采取内外嵌套的形式。在本实施案例中，内外嵌套形式为公差配合进行装配，相应的其他专配方式如螺丝紧固连接也同样可行。本发明所述电机，其转子定子极槽配合最小公倍数越大，对于转矩脉动的抑制效果将会越好。
[0044] 转子空心轴通过转子圆盘上的
螺纹孔进行传动，转子圆盘带动转子空间轴进行旋转，将转子产生的机械能传出。转子采取非径向充磁，转子共设置12的整数倍枚块状钇钡铜氧材料，共四极结构。四个彼此垂直的方向上的钇钡铜块材充磁方向为竖直向上或向下，相邻两枚钇钡铜氧材料充磁方向沿聚磁方向的
磁力线分布，两个转子充磁方向不同，磁极相反，具体参见图14。
[0045] 进一步的，上下两个转子制造完成时，应不具备
磁性。通过非径向充磁的大
电流电容式充磁机对转子进行充磁。此时，液氮冷却液经由空心轴内部通入转子背铁，通过控制通口的冷却液内部压强来控制转子内部冷却液通路的充盈程度。此时由于液氮的冷却使表面
传热胶贴敷的钇钡铜氧块材展现超导特性，由于超导材料的完全
抗磁性，充磁电流产生的闭合磁场将会被超导材料密封在块材内部，此时块材可等效为磁能积超高的永磁体结构。
[0046] 应当指出，对于经充分说明的本发明来说，还可具有多种变换及改型的实施方案，并不局限于上述实施方式的具体实施例。上述实施例仅仅作为本发明的说明，而不是对本发明的限制。总之，本发明的保护范围应包括那些对于本领域普通技术人员来说显而易见的变换或替代以及改型，且以所附
权利要求为准。
