一种超导电机和阻尼屏蔽层制备方法与流程

1.本技术涉及电机技术领域，尤其涉及一种超导电机和阻尼屏蔽层制备方法。


背景技术：

2.超导电机是将常规电机定子或转子铜线圈替换为超导线圈的一种电机，具有功率密度高、运行效率高、同步电抗小等优点。对于超导电机而言，阻尼屏蔽层是超导电机中一个关键的结构件，现有的超导电机的阻尼屏蔽层均由单一金属材料加工而成，其屏蔽效果和力学性能难以达到最佳。


技术实现要素：

3.本技术提供了一种超导电机和阻尼屏蔽层制备方法，用于改善现有的超导电机的阻尼屏蔽层均由单一金属材料加工而成，其屏蔽效果和力学性能难以达到最佳的技术问题。
4.有鉴于此，本技术第一方面提供了一种超导电机，包括：
5.转子轴、转子、阻尼屏蔽层、定子和机座；
6.所述机座内设置有所述转子，所述转子轴穿过所述转子中心与所述转子相连接；
7.所述转子的外表面包裹有所述阻尼屏蔽层，所述阻尼屏蔽层与所述机座之间设置有所述定子；
8.所述阻尼屏蔽层为两层结构，内层的材料为合金材料，外层的材料为金属材料。
9.可选的，所述金属材料为铜。
10.可选的，所述合金材料为不锈钢。
11.可选的，所述阻尼屏蔽层的形状为圆筒状，所述阻尼屏蔽层的筒体的第一端为全开口状态，第二端为封闭状态，所述筒体的第一端设置有外翻法兰，第二端中部设有连通筒体内部的通孔，该第二端还设有若干环绕该通孔圆周分布的螺栓安装孔；
12.所述转子轴与所述阻尼屏蔽层通过螺栓连接。
13.本技术第二方面提供了一种阻尼屏蔽层制备方法，包括：
14.通过合金材料制备内层部件，所述内层部件为圆筒状；
15.通过金属材料制备外层部件，所述外层部件为圆筒状，所述内层部件的外径与所述外层部件的内径相同；
16.将所述外层部件加热后从所述内层部件底端套入，使得所述外层部件和所述内层部件之间过盈配合。
17.从以上技术方案可以看出，本技术具有以下优点：
18.本技术提供了一种超导电机，其特征在于，包括：转子轴、转子、阻尼屏蔽层、定子和机座；机座内设置有转子，转子轴穿过转子中心与转子相连接；转子的外表面包裹有阻尼屏蔽层，阻尼屏蔽层与机座之间设置有定子；阻尼屏蔽层为两层结构，内层的材料为合金材料，外层的材料为金属材料。
19.本技术中阻尼屏蔽层采用两层结构，外层为金属材料，内层为合金材料，同时发挥了金属的高导电性和合金材料的高强度，获得比同等厚度的单一金属材料更好的屏蔽效果和更高的结构强度，使得阻尼屏蔽层的屏蔽效果和力学性能都得以提升，从而改善了现有的超导电机的阻尼屏蔽层均由单一金属材料加工而成，其屏蔽效果和力学性能难以达到最佳的技术问题。
附图说明
20.为了更清楚地说明本技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
21.图1为本技术实施例提供的一种超导电机的一个结构示意图；
22.图2为本技术实施例提供的一种阻尼屏蔽层的一个结构示意图；
23.图3为本技术实施例提供的不同材料和厚度的阻尼屏蔽层的屏蔽效果对比图；
24.图4为本技术实施例提供的阻尼屏蔽层的内层部件的一个结构示意图；
25.图5为本技术实施例提供的阻尼屏蔽层的内层部件的另一个结构示意图；
26.图6为本技术实施例提供的阻尼屏蔽层的外层部件的一个结构示意图；
27.图7为本技术实施例提供的阻尼屏蔽层装配过程的一个示意图。
具体实施方式
28.本技术提供了一种超导电机和阻尼屏蔽层制备方法，用于改善现有的超导电机的阻尼屏蔽层均由单一金属材料加工而成，其屏蔽效果和力学性能难以达到最佳的技术问题。
29.为了使本技术领域的人员更好地理解本技术方案，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
30.在本技术的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
31.除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本技术中的具体含义。
32.为了便于理解，请参阅图1，本技术实施例提供了一种超导电机，包括：转子轴、转子、阻尼屏蔽层、定子和机座；
33.机座内设置有转子，转子轴穿过转子中心与转子相连接；
34.转子的外表面包裹有阻尼屏蔽层，阻尼屏蔽层与机座之间设置有定子；
35.阻尼屏蔽层的形状为圆筒状，阻尼屏蔽层为两层结构，内层的材料为合金材料，外层的材料为金属材料。
36.作为进一步地改进，金属材料为铜。
37.作为进一步地改进，合金材料为不锈钢。
38.作为进一步地改进，阻尼屏蔽层的形状为圆筒状，阻尼屏蔽层的筒体的第一端为全开口状态，第二端为封闭状态，筒体的第二端中部设有连通筒体内部的通孔，该第二端还设有若干环绕该通孔圆周分布的螺栓安装孔；
39.转子轴与阻尼屏蔽层通过螺栓连接。
40.超导电机一般由转子轴、转子、定子、机座等部分构成，转子励磁绕组和定子电枢绕组均可由超导材料组成。针对转子励磁绕组由超导材料组成的超导电机，转子超导线圈连同支撑结构和低温结构共同组成超导磁体，由低温系统冷却并维持在低温环境(一般为77k以下)。
41.对于超导电机而言，阻尼屏蔽层是超导电机中一个关键的结构件，它位于超导电机转子最外侧，呈圆筒状，请参考图2。首端开口开口较大且有法兰结构，法兰上有数个螺栓安装孔，底端开孔较小，沿开孔圆周上也有螺栓安装孔。阻尼屏蔽层最终与转子轴通过螺栓安装在一起，形成包围超导磁体的真空结构。
42.阻尼屏蔽层主要有电学和热学两方面的作用。热学方面是指阻尼屏蔽层内部是真空环境，转子内部的超导磁体依靠真空环境阻止外部热量传入。因此，阻尼屏蔽层必须满足气密性且具有一定的机械强度，承受大气压而不发生变形。一旦发生变形，转子在高速旋转下与定子发生刮擦将造成严重损毁。
43.电学方面的作用主要是电磁屏蔽，保护转子内部的超导磁体；另外，对比常规同步电机的结构，该层金属结构在电气上也相当于同步电机的阻尼绕组，因此称之为阻尼屏蔽层。
44.阻尼屏蔽层不仅可以屏蔽定子侧的谐波影响，还可以减小削弱定子突然短路时产生的瞬变磁场对超导磁体的影响，减缓短路磁场在超导磁体处的上升速度。阻尼屏蔽层对某频率交变磁场的衰减效果用函数s(f)来表示：
[0045][0046]
式中，ω为交变磁场的角频率，t为阻尼屏蔽层的时间常数，其可以表示为：
[0047][0048]
式中，rd是屏蔽层的半径，h是屏蔽层厚度，ρ是屏蔽层的体电阻率。s(f)表示的是励磁绕组上某处在有、无屏蔽层时的交变磁场幅值的比例。选取几种典型的屏蔽层参数配置来计算屏蔽效果，其中，选取的参数请参考表1。
[0049]
表1不同材料、厚度的阻尼屏蔽层的参数
[0050]
材料铝合金6061不锈钢铜厚度(mm)2012010
半径(mm)400400400温度(℃)2222-195电阻率(ωm)4.19
×
10-8
72.3
×
10-8
0.21
×
10-8
时间常数t(s)0.1200.04171.196
[0051]
不同材料和厚度的阻尼屏蔽层的屏蔽效果请参考图3，从图3可知，当定子谐波磁场相对于转子屏蔽层频率高于50hz时，各种材料的屏蔽层的衰减系数均好于0.1，频率越高衰减效果越好。当谐波的衰减系数高于0.1时已可以满足超导电机正常工作的要求。因此20mm厚的铝合金屏蔽层足以满足谐波屏蔽的要求。除此之外，当定子短路发生时，定子脉冲磁场会使得转子超导励磁绕组处的磁场急剧上升，产生交流损耗并使超导绕组产生很高的感应电动势。阻尼屏蔽层则可以减缓磁场上升的趋势，起到保护超导磁体的作用。
[0052]
从不锈钢、铝合金和铜三种常用材料来比较，导电性方面，铜最好，铝合金次之，不锈钢最差；而力学性能方面则相反，不锈钢的强度最高，铝合金次之，铜最差。从屏蔽效果来看，应选用铜作为阻尼屏蔽层的材料；但从结构强度考虑，若选用铜则需要较大的厚度才能防止发生变形。而从电机设计的角度，阻尼屏蔽层应当越薄越好，否则增加了气隙尺寸，定子线圈与转子线圈之间的耦合程度降低。
[0053]
现有的超导电机的阻尼屏蔽层均由单一金属材料加工而成。在不锈钢、铝合金和铜等三种常见金属材料中，导电性能与力学性能排序完全相反。选用铜或者不锈钢均不能达到最佳的屏蔽效果和力学性能，铝合金是一种折中的选择，但其屏蔽效果和力学性能也不能达到最佳。基于此，本技术实施例中阻尼屏蔽层采用两层结构，内层的材料为合金材料，外层的材料为金属材料，内层和外层采用过盈配合。
[0054]
进一步，本技术实施例中的外层优选采用铜，内层优选采用不锈钢。本技术实施例中的阻尼屏蔽层采用两种材料制成，外层为导电性好的铜，内层为机械性能好的不锈钢，同时发挥了铜的高导电性和不锈钢的高强度，获得比同等厚度的铝合金材料更好的屏蔽效果和更高的结构强度，从而提高阻尼屏蔽层的屏蔽效果。
[0055]
以上为本技术提供的一种超导电机的一个实施例，以下为本技术提供的一种阻尼屏蔽层制备方法的一个实施例。
[0056]
本技术实施例提供的一种阻尼屏蔽层制备方法，包括：
[0057]
通过合金材料制备内层部件，内层部件为圆筒状；通过金属材料制备外层部件，外层部件为圆筒状，内层部件的外径与外层部件的内径相同；将外层部件加热后从内层部件底端套入，使得外层部件和内层部件之间过盈配合。
[0058]
本技术实施例制备的内层部件1的结构如图4和5所示，其形状为圆筒状，内层部件1的筒体的第一端(前端)为全开口状态，设置有外翻法兰(1-a)，外翻法兰上设置有若干个螺栓安装孔(1-b)，如图4所示，第二端(底端)为封闭状态，内层部件1的筒体的第二端中部设有连通筒体内部的通孔，该第二端还设有若干环绕该通孔圆周分布的螺栓安装孔(1-c)，如图5所示。内层部件1优选采用不锈钢材料，其厚度主要从机械性能方面考虑，满足在自重、大气压力等静态载荷和快速励磁、定子短路等暂态工况的冲击转矩下的变形量，并校核发热情况下的结构强度。
[0059]
外层部件2如图6所示，为薄壁长筒结构，两头贯穿，其内径与内层部件外径1相同(采用过盈配合)，优选采用纯铜，其厚度主要从屏蔽效果考虑。
[0060]
内层部件1与外层部件2的装配可采用热套方法，即将薄壁铜层加热后从内层部件的底端套入，如图7所示，冷却后铜层收缩则与内层部件紧密贴合，装配后的效果如图2所示。
[0061]
本技术中阻尼屏蔽层采用两层结构，外层为金属材料，内层为合金材料，同时发挥了金属的高导电性和合金材料的高强度，获得比同等厚度的单一金属材料更好的屏蔽效果和更高的结构强度，使得阻尼屏蔽层的屏蔽效果和力学性能都得以提升，从而改善了现有的超导电机的阻尼屏蔽层均由单一金属材料加工而成，其屏蔽效果和力学性能难以达到最佳的技术问题。
[0062]
本技术实施例采用双层金属结构，与传统的单一金属结构相比具有以下优点：
[0063]
1)复合型的阻尼屏蔽层同时发挥了铜的高导电性和不锈钢的高强度，获得比同等厚度的铝合金材料更好的屏蔽效果和更高的结构强度；
[0064]
2)通过优化设计，复合型阻尼屏蔽层可以根据需要调整两层金属的厚度，从而平衡屏蔽效果和机械性能，最终减小阻尼屏蔽层的总厚度，改善电机整体性能；
[0065]
3)由于不锈钢的材料成本和加工成本较低，还可以降低制造成本。
[0066]
以上各实施例仅用以说明本技术的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本技术进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本技术各实施例技术方案的范围。