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    • 1.超导电机工作原理
    • 2.超导电机组成结构
    • 3.超导电机常见类型
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超导电机

2022/12/30 作者:eefocus_3880508
阅读需 6 分钟
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超导电机,superconducting electricmachine,是指励磁绕组用超导性材料制 造的、能在强磁场下承载高密度电流的导线绕制成的一 种电机。利用超导性材料在低温环境下电阻变为零的特 点,在不很粗的导线上能通过很强的电流,以产生很强磁 场,即形成超导磁体。由于此励磁绕组中无功率损耗,从 而使电机体积显著缩小,功率密度大,效率高。可分超导 直流电机和超导交流电机两种。

1.超导电机工作原理

超导电机是指励磁绕组用超导性材料制造的、能在强磁场下承载高密度电流的导线绕制成的一种电机。

超导电机工作原理

2.超导电机组成结构

超导发电机的基本结构,由定子和转子两部分组成。

1、定子

常规发电机中,电枢绕组嵌于贴心之中,铁心是绕组的支撑件。由于电枢电流是交流电流,铁心要选用铁耗低的硅钢片。超导发电机中,由于磁通密度高,采用非磁性高强度材料支撑绕组。但是,为了构成电枢绕组的磁回路和防止磁场泄露,在定子外层需要采用铁磁材料屏蔽。

2、转子

用超导体制成的励磁绕组要运行在低温环境,超导发电机的转子一般采用多重圆筒结构,转子内筒为冷却介质储槽,然后是超导励磁绕组及其支撑筒、热辐射屏蔽筒,以及阻尼筒、真空外壳。

(1)冷却介质储槽及输送、回收系统。超导体必须运行在临界温度以下才能维持稳定的超导态。支撑超导绕组的内筒兼做冷却介质储槽。低温超导发电机中的冷却介质为液氦,高温超导发电机则可用液氮或温度在30K左右的低温氦气作为冷却介质。冷却介质从冷却系统输入到转子内部冷却超导线圈,蒸发的冷却介质通过回流通道排出,并和外部冷却系统形成循环。冷却介质储槽外为真空层,以抑制热量的侵入。

(2)转子励磁绕组。常规发电机中,由于导线的电流密度受到限制,仅靠绕组难以产生很强的磁场,必须将绕组嵌入铁心中,铁磁材料的饱和磁通密度小于2T,因此,常规发电机中的磁通密度小于2T。实用低温超导材料的允许电流密度比铜线高出两个数量级以上,临界磁场大于10T。所以,使用超导技术不仅可以省去铁心,而且可以运行在远高于铁心磁饱和的磁通密度(一般设计为5~7T)。

(3)热辐射屏蔽筒。绕组筒外为真空空间,其中设有热辐射屏蔽筒,其作用是降低从常温向低温的热传导,提高冷却效率。真空层抑制通过空气的热传导,热辐射屏蔽筒抑制从常温外筒来的热辐射。

(4)阻尼筒。超导发电机中的阻尼筒既具有常规发电机中阻尼绕组的功能——在电磁动态过程中抑制转子的非同期振荡,又具有缓解动态过程中定子的交流磁场对超导绕组影响的作用,以提高超导稳定性。为了提高阻尼性能,可采用多重阻尼筒。热辐射屏蔽筒也可兼有阻尼筒作用。

(5)力矩传导筒。在发电机中,电枢绕组切割磁力线产生感应电动势,向负载输出电能,原动机向转子提供驱动转矩。常规发电机中,转矩通过轴直接传给转子铁心,铁心带动励磁绕组旋转。但在超导发电机中,必须尽量抑制进入超导低温环境的热量,所以不能用传热量大的实心轴传递转矩,而要采用可抑制热量传导、壁厚较薄(传热量和传热截面积成正比)的力矩传导筒。

超导电机组成结构

3.超导电机常见类型

1、超导汽轮发电机

励磁绕组用超导线(铌钛Nb-Ti合金线或铌三锡Nb3Sn)绕制。选用的电流密度高达传统常规绕组的几十倍。电机的磁通气隙密度取得很高,大大超过了铁磁材料(硅钢片等)的饱和点。因而发电机重量大幅度下降,提高了发电机的电磁功率的最大值,使电机可以应付更大的功率突变,这有利于电机并网运行时的稳定性。因强磁场、大电流密度的交流超导材料尚未过关,所以只能在直流励磁绕组中采用超导线,而交流电枢绕组则仍用常规导线(铜线)。转子超导励磁绕组浸于旋转的低温液氦容器中,由多层转轴的内层输送液态氦,以冷却励磁绕组。蒸发后的气态氦从多层转轴的夹层流出。为了避免外界热量的侵入,在旋转低温容器的外壳以及多层转轴的层间均设有真空隔热夹层。整套低温系统严格密封。在转子外层还装有用金属材料制成的电阻尼屏,以屏蔽定子谐波磁场及发电机在三相不对称运行时的负序磁场进入超导励磁绕组,避免超导材料失去超导性。

2、超导单极直流电机

采用超导励磁绕组及液态电刷,可以制成高电压、大电流、大容量的直流电机。有圆盘式和折入式两种。这两种电机均可作发电机运行(由原动机驱动),也可作电动机运行(由电刷引入电流)。超导单极直流电机适用于船舶推进、轧钢、大型卷扬机和慢速压缩机等场合,很有发展前途。

超导电机常见类型

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