專利名稱：一種超導(dǎo)塊材磁極圓筒型同步直線電機(jī)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及直線電機(jī)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(jī)。
背景技術(shù)：
電機(jī)問(wèn)世于1920年前后，當(dāng)時(shí)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(tái)直流電機(jī)樣機(jī)。1887年特斯拉發(fā)明了三相交流旋轉(zhuǎn)電機(jī)，這種電機(jī)現(xiàn)在被廣泛使用。但由于旋轉(zhuǎn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子只能旋轉(zhuǎn)，要實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)不得不通過(guò)使用滾珠或滑輪等機(jī)械系統(tǒng)轉(zhuǎn)換過(guò)來(lái)。由于想直接實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)，即將電能直接轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)機(jī)械能而不需要任何中間轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)裝置，人們很早就想到了研制直線電機(jī)。從原理上說(shuō)，直線電機(jī)就是將一臺(tái)旋轉(zhuǎn)電機(jī)按徑向剖開(kāi)，并展成平面。但相比旋轉(zhuǎn)電機(jī)機(jī)械系統(tǒng)，直線電機(jī)有很多獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。例如可實(shí)現(xiàn)非常高速和非常低速，高加速度， 幾乎零維護(hù)(無(wú)接觸零件)，高精度，無(wú)空回。而且直線電機(jī)完成直線運(yùn)動(dòng)只需電機(jī)無(wú)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(jī)從設(shè)想到實(shí)驗(yàn)到應(yīng)用，經(jīng)歷了一個(gè)不斷探索，屢遭失敗的過(guò)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(jī)。1917年出現(xiàn)了第一臺(tái)圓筒形直線電動(dòng)機(jī)，是一種具有換接初級(jí)線圈的直流磁阻電動(dòng)機(jī)。此后，直線電機(jī)才進(jìn)入了實(shí)驗(yàn)研究階段。由于實(shí)驗(yàn)的進(jìn)展；控制技術(shù)和材料的發(fā)展，1955年以后直線電機(jī)進(jìn)入了全面的開(kāi)發(fā)階段，應(yīng)用直線電機(jī)的實(shí)用設(shè)備被逐步開(kāi)發(fā)出來(lái)。此后制成了許多具有實(shí)用價(jià)值的裝置和產(chǎn)品，例如直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)的鋼管輸送機(jī)、運(yùn)煤機(jī)、起重機(jī)、空壓機(jī)、沖壓機(jī)、拉伸機(jī)、 各種電動(dòng)門(mén)、電動(dòng)窗、電動(dòng)紡織機(jī)等等。特別是利用直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(jī)按工作原理主要可以分為感應(yīng)直線電機(jī)、同步直線電機(jī)、直流直線電機(jī)、 步進(jìn)直線電機(jī)等；按結(jié)構(gòu)形式分類主要可分為扁平型、圓筒型、圓盤(pán)型和圓弧型。其中圓筒型直線電機(jī)也稱管型直線電機(jī)，為一種外形如旋轉(zhuǎn)電機(jī)的圓柱型直線電機(jī)，它是把扁平型的直線電機(jī)的初級(jí)和次級(jí)沿橫向卷成筒型，主要應(yīng)用于短行程往復(fù)運(yùn)動(dòng)的場(chǎng)合。這里研究的就是圓筒型同步直線電機(jī)。隨著高溫超導(dǎo)材料的出現(xiàn)和發(fā)展，因其有利于電機(jī)實(shí)現(xiàn)高效化、小型化、節(jié)能化， 很快應(yīng)用到電機(jī)技術(shù)領(lǐng)域。對(duì)于同步電機(jī)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(qiáng)磁場(chǎng)俘獲能力。據(jù)報(bào)道，日本ISTEC制造的 j20X30mm的YBCO塊能捕獲7. 4Τ(76· 5Κ)，8· 34Τ (59Κ)的磁場(chǎng)；美國(guó)Houston大學(xué)制造的 YBCO塊能捕獲3. 1T(77K)的磁場(chǎng)，進(jìn)一步降溫其捕獲磁場(chǎng)還會(huì)增加。用其替代永磁體制作電機(jī)磁極，可提高磁極磁場(chǎng)強(qiáng)度。并且由于其內(nèi)部的高電流密度，產(chǎn)生同等磁場(chǎng)比永磁體質(zhì)量、體積更小。高溫超導(dǎo)材料在電機(jī)中的應(yīng)用起初主要集中于旋轉(zhuǎn)電機(jī)。現(xiàn)在其電磁特性的優(yōu)越性已被實(shí)踐證明，因此更適用于側(cè)重要求高效的直線電機(jī)的制備。
現(xiàn)有超導(dǎo)直線電機(jī)多為扁平型，很少有研究其他形狀直線電機(jī)的。對(duì)于圓筒型直線電機(jī)，有研究使用高溫超導(dǎo)線材制作電樞繞組的報(bào)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(jī)磁極僅有少數(shù)文章提到這種可能性?？墒牵瑘A筒型直線電機(jī)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(jí)鐵芯兩端開(kāi)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(jī)要低。這就使得圓筒型同步直線電機(jī)更需要高效的磁極彌補(bǔ)上述缺陷。對(duì)于同步電機(jī)而言，普通永磁磁極可產(chǎn)生IT左右最高磁場(chǎng)；帶鐵芯的電磁磁極能廣生2T左右的最聞磁場(chǎng)，但要消耗電能。其最聞磁場(chǎng)都有進(jìn)一步提聞的空間，以便使得電機(jī)推力獲得提聞。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的是設(shè)計(jì)一種新型的圓筒型同步直線電機(jī)，使之能克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)。本發(fā)明的目的是通過(guò)如下的手段實(shí)現(xiàn)的。一種超導(dǎo)塊材磁極圓筒型同步直線電機(jī)，主要由圓筒型交流直線電機(jī)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(gè)超導(dǎo)塊材磁極；當(dāng)設(shè)置一個(gè)以上超導(dǎo)塊材磁極時(shí)，在兩個(gè)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(chǎng)強(qiáng)度的圓柱形高溫超導(dǎo)塊材制作圓筒型同步直線電機(jī)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(chǎng)。因此相比永磁或電磁磁極圓筒型同步直線電機(jī)，超導(dǎo)塊材磁極圓筒型同步直線電機(jī)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(chǎng)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(duì)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(jī)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(chǎng)和電渦流，影響到已充磁高溫超導(dǎo)塊材，使其磁場(chǎng)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(jī)電樞則使用普通或超導(dǎo)圓筒型交流直線電機(jī)電樞。此電機(jī)可廣泛應(yīng)用于推進(jìn)、拖動(dòng)等方面。


圖I是本發(fā)明實(shí)施例的結(jié)構(gòu)剖視圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)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(jī)基本相同，由圓筒型直線電機(jī)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(jì)5組成的超導(dǎo)塊材磁極構(gòu)成。圓筒型直線電機(jī)電樞I使用普通銅線或超導(dǎo)線材繞制而成。圖中磁極運(yùn)行至電樞頂部，電樞僅畫(huà)出其上半部分。
因?yàn)槌瑢?dǎo)塊材磁極為單極時(shí)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，僅需一塊高溫超導(dǎo)塊材，本實(shí)施例中超導(dǎo)塊材磁極設(shè)計(jì)為三極，用以說(shuō)明磁極為多級(jí)時(shí)的情況。圓筒型直線電機(jī)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(chǎng)特點(diǎn)，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(shí)施例以圓柱形高溫超導(dǎo)塊材為例說(shuō)明。在超導(dǎo)塊材磁極制作過(guò)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(duì)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(chǎng)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?yàn)闅庀对酱笸屏υ叫?，在保證液氮流通的情況下間隙應(yīng)盡可能小。整個(gè)過(guò)程全部在液氮浸泡中進(jìn)行，電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)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(jī)電樞I極距相同，確保電機(jī)能同步運(yùn)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(chǎng)，高于普通永磁體和帶鐵芯的電磁體。若將溫度進(jìn)一步降低，高溫超導(dǎo)塊材還能產(chǎn)生更高的磁場(chǎng)。因此使用高溫超導(dǎo)塊材非常有利于制造大推力電機(jī)。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(duì)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(duì)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(wú)磁杜瓦，避免感應(yīng)產(chǎn)生磁場(chǎng)和電渦流，影響到已充磁高溫超導(dǎo)塊材，使其磁場(chǎng)發(fā)生變化。電機(jī)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(jì)5可考慮使用熱電阻制作，用于測(cè)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(hào)，控制相關(guān)裝置在超導(dǎo)塊材磁極運(yùn)動(dòng)至合適位置時(shí)通過(guò)液氮補(bǔ)給與通氣孔7給磁極補(bǔ)充液氮。超導(dǎo)塊材磁極中的各個(gè)部件均由支架支撐、固定，形成一個(gè)整體。圓筒型直線電機(jī)電樞I通三相交流電后，超導(dǎo)塊材磁極便受力作豎直運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)方向、速度、啟動(dòng)、停止等由電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(jī)，上述針對(duì)較佳實(shí)施例的描述過(guò)于具體，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將會(huì)意識(shí)到，這里所述的實(shí)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(hù)范圍并不局限于這樣的特別陳述和實(shí)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(rèn)為屬于本發(fā)明的權(quán)利要求的保護(hù)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(jī)，主要由圓筒型交流直線電機(jī)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(gè)高溫超導(dǎo)塊材；當(dāng)設(shè)置一個(gè)以上高溫超導(dǎo)塊材時(shí)，在兩個(gè)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(jī)，其特征在于所述多個(gè)高溫超導(dǎo)塊材按照?qǐng)A筒型同步直線電機(jī)軸向磁化磁極結(jié)構(gòu)依次對(duì)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(jī)，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(kāi)了一種超導(dǎo)塊材磁極圓筒型同步直線電機(jī)，主要由圓筒型交流直線電機(jī)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(gè)高溫超導(dǎo)塊材；當(dāng)設(shè)置一個(gè)以上塊材時(shí)，在兩個(gè)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(jī)，在液氮環(huán)境77K下，磁極磁場(chǎng)最高處能達(dá)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(jìn)、拖動(dòng)等方面，具有產(chǎn)生較普通圓筒型同步直線電機(jī)更大推力且更輕便的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)H02K55/02GK102594087SQ201210068369
公開(kāi)日2012年7月18日 申請(qǐng)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(yán)仲明, 桂志興, 段晚晴, 王亮, 王豫, 董亮 申請(qǐng)人:西南交通大學(xué)