超导电动机拓扑结构

发布时间：2024-02-21 浏览次数：1006 返回列表

径向间隙超导同步电动机

定转子间隙方向沿转子半径方向，并且磁通路径闭合面垂直于转轴的超导电机称为径向间隙超导电机，如图7所示。根据超导所处位置不同，又可细分为径向间隙转子半超导电机、径向间隙定子半超导电机和径向间隙全超导电机。

径向间隙超导电机

径向间隙转子半超导电机的定子绕组由铜线绕制，在转子上采用超导磁体进行励磁。径向间隙转子半超导电机转子需要低温冷却系统、隔热转矩结构、超导供电滑环结构以及电磁屏蔽结构等维持超导磁体正常工作，如图所示。相同尺寸的超导磁体可以产生更高的气隙磁密，励磁绕组可采用无铁芯结构减轻转子结构重量，大幅提升电机功率密度。但转子励磁无铁芯结构使得超导材料的用量以及漏磁增加。同时，超导励磁绕组随转子旋转，带来了大电流滑环电刷磨损，超导二元引线漏热，转轴冷却通道动密封以及通过转矩传递漏热等问题，严重限制了转子半超导电机的工作转速，工作转速均低于5 kr/min。

径向间隙转子半超导电机示意图

相比于转子半超导电机，径向间隙定子半超导电机的低温冷却系统相对简单，技术上更容易实现。同时，由于超导的高载流密度特性，可使超导电机趋向小型化和轻质化。为简化冷却系统和缓解转子超导励磁半超导电机低温旋转动密封的矛盾。出现了一种定子超导励磁-旋转电枢型的第1类径向间隙定子半超导电机。

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该电机采用静置的超导励磁绕组和旋转的铜电枢绕组，静置的超导励磁结构大幅降低了超导冷却系统复杂程度，但旋转电枢结构仍摆脱不了滑环电刷的制约，同时使铜损耗增加。美国和法国分别就内旋转电枢和外旋转电枢的第1类径向间隙半超导电机开展了相应的研究工作。

如果将电机的电枢绕组用超导绕组替代，转子采用常规励磁，便形成了转子常规励磁-超导电枢型的第2类径向间隙定子半超导电机。但超导电枢绕组在交变电流或交变磁场工作条件下，会产生一定的交流损耗。相对于旋转励磁型电机而言，该种结构电机的超导电枢低温冷却系统是静置的，相对简单，但是超导电枢绕组结构往往需要相对庞大的低温冷却系统。

径向间隙全超导电机可以同时拥有高载流密度和高气隙磁密，且重量较小，具有半超导电机所有的优点，也面临着半超导电机的所有难题。世界各国目前主要以全超导电机概念设计为主，图9展示了面向航空电推进的全超导电机概念设计的功率-功率密度-转速分布情况。

在理论上，考虑制冷系统重量后的全超导电机功率密度可以高达25.6 kW/kg，性能远高于常规同类电机，可以满足大型电动飞机推进系统要求。全超导电机的研制主要围绕小功率样机开展，目前报道的有英国剑桥大学中国清华大学，俄罗斯莫斯科航空学院和日本九州大学。
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