本申請(qǐng)屬于超導(dǎo)電工，更具體地，涉及一種超導(dǎo)磁懸浮電機(jī)及其運(yùn)行方法。

背景技術(shù)：

1、傳統(tǒng)電機(jī)由于機(jī)械軸承的摩擦損耗和溫升，難以實(shí)現(xiàn)高轉(zhuǎn)速，且具有運(yùn)行噪聲大、使用壽命低和維護(hù)頻繁等缺點(diǎn)。隨著磁懸浮技術(shù)的發(fā)展，使用磁懸浮軸承代替機(jī)械軸承可以消除電機(jī)定轉(zhuǎn)子的機(jī)械接觸，是電驅(qū)動(dòng)高速、高效化的理想選擇。目前電機(jī)中使用的磁懸浮軸承主要分為永磁軸承、電磁軸承和超導(dǎo)軸承三種。永磁軸承結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但無(wú)法保證所有自由度上的穩(wěn)定懸浮，需要配合其他軸承使用；電磁軸承雖然可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定懸浮，但需要復(fù)雜的反饋控制系統(tǒng)，且具有動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢、體積大和限制電機(jī)高速大容量化等缺點(diǎn)；超導(dǎo)軸承利用超導(dǎo)體的磁通釘扎效應(yīng)實(shí)現(xiàn)懸浮，是一種被動(dòng)自穩(wěn)定懸浮，為提升電機(jī)轉(zhuǎn)速和功質(zhì)化提供了新的解決方案。

2、目前超導(dǎo)磁懸浮電機(jī)主要基于高溫超導(dǎo)塊材軸承，具有懸浮力衰減，有效懸浮力低，懸浮狀態(tài)不可控等缺點(diǎn)。因此，現(xiàn)有超導(dǎo)磁懸浮電機(jī)難以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，且超導(dǎo)塊材固有的懸浮剛度無(wú)法靈活應(yīng)對(duì)電機(jī)帶有軸向或徑向變化載荷的情況。此外，由于高溫超導(dǎo)塊材難以采用外部系統(tǒng)進(jìn)行勵(lì)磁控制，因此對(duì)于電樞繞組或勵(lì)磁繞組采用超導(dǎo)線圈的電機(jī)系統(tǒng)，超導(dǎo)懸浮技術(shù)與超導(dǎo)驅(qū)動(dòng)技術(shù)相互獨(dú)立，限制了超導(dǎo)磁懸浮電機(jī)緊湊化、輕質(zhì)化和高功率密度化的發(fā)展上限。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，本申請(qǐng)的目的在于提供了一種超導(dǎo)磁懸浮電機(jī)及其運(yùn)行方法，旨在解決現(xiàn)有超導(dǎo)磁懸浮電機(jī)由于超導(dǎo)懸浮技術(shù)與超導(dǎo)驅(qū)動(dòng)技術(shù)相互獨(dú)立，導(dǎo)致超導(dǎo)磁懸浮電機(jī)低功率密度化的問(wèn)題。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，第一方面，本申請(qǐng)?zhí)峁┝艘环N超導(dǎo)磁懸浮電機(jī)，包括：同軸設(shè)置的電機(jī)和磁懸浮軸承系統(tǒng)；電機(jī)包括電機(jī)定子和電機(jī)轉(zhuǎn)子；磁懸浮軸承系統(tǒng)包括磁懸浮軸承超導(dǎo)線圈定子和磁懸浮軸承永磁轉(zhuǎn)子；電機(jī)轉(zhuǎn)子與磁懸浮軸承永磁轉(zhuǎn)子連接；

3、電機(jī)定子用于在氣隙產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，電機(jī)轉(zhuǎn)子在氣隙磁場(chǎng)的作用下旋轉(zhuǎn)；磁懸浮軸承超導(dǎo)線圈定子用于在超導(dǎo)態(tài)時(shí)，釘扎與自身交鏈的磁懸浮軸承永磁轉(zhuǎn)子的磁場(chǎng)；還用于其內(nèi)部獲取傳輸電流或在電機(jī)轉(zhuǎn)子受載荷作用發(fā)生偏移時(shí)感應(yīng)出屏蔽電流；其中，屏蔽電流和/或傳輸電流與磁懸浮軸承永磁轉(zhuǎn)子的磁場(chǎng)相互作用，使電機(jī)受到與載荷方向相反的懸浮力，電機(jī)達(dá)到磁懸浮狀態(tài)。

4、進(jìn)一步優(yōu)選地，電機(jī)為直流電機(jī)、異步電機(jī)或同步電機(jī)；電機(jī)繞組為常導(dǎo)繞組或超導(dǎo)繞組。

5、進(jìn)一步優(yōu)選地，磁懸浮軸承超導(dǎo)線圈定子由超導(dǎo)導(dǎo)線繞制而成，超導(dǎo)導(dǎo)線材料為nbti、nb3sn、rebco、bi-2223、bi-2212、mgb2或鐵基超導(dǎo)體，磁懸浮軸承超導(dǎo)線圈定子可以是開(kāi)環(huán)線圈、閉環(huán)線圈或二者的結(jié)合。

6、進(jìn)一步優(yōu)選地，磁懸浮軸承超導(dǎo)線圈定子是閉合線圈時(shí)，用于獲取無(wú)線勵(lì)磁系統(tǒng)泵入的傳輸電流，無(wú)線勵(lì)磁系統(tǒng)用于根據(jù)軸向載荷的變化調(diào)節(jié)泵入磁懸浮軸承超導(dǎo)線圈定子的傳輸電流以限制電機(jī)軸向位移。

7、進(jìn)一步優(yōu)選地，電機(jī)還包括主軸；主軸連接電機(jī)轉(zhuǎn)子和磁懸浮軸承永磁轉(zhuǎn)子，用于電機(jī)轉(zhuǎn)子和磁懸浮軸承永磁轉(zhuǎn)子間的扭矩傳遞；

8、或磁懸浮軸承轉(zhuǎn)子與電機(jī)轉(zhuǎn)子一體化設(shè)置，磁懸浮軸承轉(zhuǎn)子和電機(jī)轉(zhuǎn)子固定在同一個(gè)機(jī)械支撐上，磁懸浮軸承轉(zhuǎn)子與電機(jī)轉(zhuǎn)子間的動(dòng)力傳輸與轉(zhuǎn)化通過(guò)磁懸浮軸承永磁轉(zhuǎn)子的磁場(chǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

9、進(jìn)一步優(yōu)選地，磁懸浮軸承超導(dǎo)線圈定子和電機(jī)定子繞組共用或部分共用，磁懸浮軸承永磁轉(zhuǎn)子磁極和電機(jī)轉(zhuǎn)子磁極共用或部分共用。

10、進(jìn)一步優(yōu)選地，當(dāng)電機(jī)為采用超導(dǎo)單極直流電機(jī)結(jié)構(gòu)時(shí)，超導(dǎo)磁懸浮電機(jī)包括：磁懸浮軸承超導(dǎo)線圈定子、磁懸浮軸承永磁轉(zhuǎn)子、電機(jī)轉(zhuǎn)子、轉(zhuǎn)子鐵芯和定子鐵芯；磁懸浮軸承超導(dǎo)線圈定子同時(shí)作為電機(jī)定子；電機(jī)轉(zhuǎn)子采用超導(dǎo)勵(lì)磁繞組，其磁極與磁懸浮軸承永磁轉(zhuǎn)子部分共用；磁懸浮軸承永磁轉(zhuǎn)子和電機(jī)轉(zhuǎn)子共用轉(zhuǎn)子鐵芯；

11、磁懸浮軸承永磁轉(zhuǎn)子和電機(jī)轉(zhuǎn)子的磁極共同作用在氣隙用于產(chǎn)生單極磁場(chǎng)；其中，單極磁場(chǎng)沿轉(zhuǎn)子鐵芯構(gòu)成閉合磁路方向；

12、其中，磁懸浮軸承超導(dǎo)線圈定子流過(guò)的電流與單極磁場(chǎng)相互作用，使電機(jī)轉(zhuǎn)子受到旋轉(zhuǎn)力矩，實(shí)現(xiàn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)；

13、同時(shí)，磁懸浮軸承超導(dǎo)線圈定子與磁懸浮軸承永磁轉(zhuǎn)子之間由于磁通釘扎效應(yīng)實(shí)現(xiàn)磁懸浮。

14、第二方面，相應(yīng)地，本申請(qǐng)?zhí)峁┝顺瑢?dǎo)磁懸浮電機(jī)的運(yùn)行方法，包括以下步驟：

15、步驟s1：將磁懸浮軸承超導(dǎo)線圈定子冷卻至超導(dǎo)態(tài)，磁懸浮軸承超導(dǎo)線圈定子釘扎當(dāng)前位置下與自身交鏈的磁懸浮軸承永磁轉(zhuǎn)子的磁場(chǎng)；

16、步驟s2：當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)子在載荷的作用下帶動(dòng)磁懸浮軸承永磁轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)時(shí)，磁懸浮軸承超導(dǎo)線圈定子內(nèi)感應(yīng)出屏蔽電流；

17、或在磁懸浮軸承超導(dǎo)線圈定子中泵入傳輸電流；

18、步驟s3：屏蔽電流和/或傳輸電流與磁懸浮軸承永磁轉(zhuǎn)子的磁場(chǎng)相互作用，使電機(jī)轉(zhuǎn)子和磁懸浮軸承永磁轉(zhuǎn)子受到與載荷方向相反的懸浮力，當(dāng)載荷與懸浮力平衡時(shí)，電機(jī)達(dá)到磁懸浮狀態(tài)；

19、步驟?s4：在電機(jī)定子的繞組中通入電流，在氣隙中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，電機(jī)轉(zhuǎn)子在旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的作用下受到旋轉(zhuǎn)力矩，建立高速無(wú)摩擦轉(zhuǎn)動(dòng)的運(yùn)行狀態(tài)。

20、總體而言，通過(guò)本申請(qǐng)所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下有益效果：

21、本申請(qǐng)?zhí)峁┝艘环N超導(dǎo)磁懸浮電機(jī)，運(yùn)行過(guò)程中主要分為兩步：第一步是電機(jī)建立磁懸浮狀態(tài)，具體為：磁懸浮軸承超導(dǎo)線圈定子在超導(dǎo)態(tài)時(shí)，釘扎與自身交鏈的磁懸浮軸承永磁轉(zhuǎn)子的磁場(chǎng)；磁懸浮軸承超導(dǎo)線圈定子內(nèi)部獲取傳輸電流或在電機(jī)轉(zhuǎn)子受載荷作用發(fā)生偏移時(shí)感應(yīng)出屏蔽電流；屏蔽電流和/或傳輸電流與磁懸浮軸承永磁轉(zhuǎn)子的磁場(chǎng)相互作用，使電機(jī)受到與載荷方向相反的懸浮力，電機(jī)達(dá)到磁懸浮狀態(tài)。第二步在電機(jī)處于磁懸浮狀態(tài)的基礎(chǔ)上，電機(jī)定子用于在氣隙產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，電機(jī)轉(zhuǎn)子在氣隙磁場(chǎng)的作用下旋轉(zhuǎn)。上述超導(dǎo)磁懸浮電機(jī)的運(yùn)行方法中磁懸浮技術(shù)可以消除電機(jī)的摩擦，可以實(shí)現(xiàn)高速運(yùn)行。

22、本申請(qǐng)?zhí)峁┝艘环N超導(dǎo)磁懸浮電機(jī)，其中，磁懸浮軸承超導(dǎo)線圈定子與電機(jī)定子，以及磁懸浮軸承永磁轉(zhuǎn)子和電機(jī)轉(zhuǎn)子均可以采用一體化設(shè)計(jì)，具有結(jié)構(gòu)緊湊、布置便利等優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，這種結(jié)構(gòu)不再依賴(lài)于機(jī)械軸來(lái)傳輸動(dòng)力，而是直接通過(guò)磁場(chǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)動(dòng)力傳輸與轉(zhuǎn)化。在大型分布式驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，超導(dǎo)磁懸浮電機(jī)可以作為一個(gè)獨(dú)立的輸出單元，各單元可以獨(dú)立控制，并靈活配合，以實(shí)現(xiàn)能量的最佳輸出效率，因而具有廣闊的應(yīng)用前景。

技術(shù)特征：

1.一種超導(dǎo)磁懸浮電機(jī)，其特征在于，包括：同軸設(shè)置的電機(jī)和磁懸浮軸承系統(tǒng)；電機(jī)包括電機(jī)定子和電機(jī)轉(zhuǎn)子；磁懸浮軸承系統(tǒng)包括磁懸浮軸承超導(dǎo)線圈定子和磁懸浮軸承永磁轉(zhuǎn)子；電機(jī)轉(zhuǎn)子與磁懸浮軸承永磁轉(zhuǎn)子連接；

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超導(dǎo)磁懸浮電機(jī)，其特征在于，電機(jī)為直流電機(jī)、異步電機(jī)或同步電機(jī)；電機(jī)繞組為常導(dǎo)繞組或超導(dǎo)繞組。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的超導(dǎo)磁懸浮電機(jī)，其特征在于，磁懸浮軸承超導(dǎo)線圈定子由超導(dǎo)導(dǎo)線繞制而成，超導(dǎo)導(dǎo)線材料為nbti、nb3sn、rebco、bi-2223、bi-2212、mgb2或鐵基超導(dǎo)體，磁懸浮軸承超導(dǎo)線圈定子是開(kāi)環(huán)線圈、閉環(huán)線圈或二者的結(jié)合。

4.根據(jù)權(quán)利要求1至3任一所述的超導(dǎo)磁懸浮電機(jī)，其特征在于，磁懸浮軸承超導(dǎo)線圈定子是閉合線圈時(shí)，用于獲取無(wú)線勵(lì)磁系統(tǒng)泵入的傳輸電流，無(wú)線勵(lì)磁系統(tǒng)用于根據(jù)軸向載荷的變化調(diào)節(jié)泵入磁懸浮軸承超導(dǎo)線圈定子的傳輸電流以限制電機(jī)軸向位移。

5.根據(jù)權(quán)利要求1至3任一所述的超導(dǎo)磁懸浮電機(jī)，其特征在于，電機(jī)還包括主軸；主軸連接電機(jī)轉(zhuǎn)子和磁懸浮軸承永磁轉(zhuǎn)子，用于電機(jī)轉(zhuǎn)子和磁懸浮軸承永磁轉(zhuǎn)子間的扭矩傳遞；

6.根據(jù)權(quán)利要求1至3任一所述的超導(dǎo)磁懸浮電機(jī)，其特征在于，磁懸浮軸承超導(dǎo)線圈定子和電機(jī)定子繞組共用或部分共用，磁懸浮軸承永磁轉(zhuǎn)子磁極和電機(jī)轉(zhuǎn)子磁極共用或部分共用。

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的超導(dǎo)磁懸浮電機(jī)，其特征在于，當(dāng)電機(jī)為采用超導(dǎo)單極直流電機(jī)結(jié)構(gòu)時(shí)，超導(dǎo)磁懸浮電機(jī)包括：磁懸浮軸承超導(dǎo)線圈定子、磁懸浮軸承永磁轉(zhuǎn)子、電機(jī)轉(zhuǎn)子、轉(zhuǎn)子鐵芯和定子鐵芯；磁懸浮軸承超導(dǎo)線圈定子同時(shí)作為電機(jī)定子；電機(jī)轉(zhuǎn)子采用超導(dǎo)勵(lì)磁繞組，其磁極與磁懸浮軸承永磁轉(zhuǎn)子部分共用；磁懸浮軸承永磁轉(zhuǎn)子和電機(jī)轉(zhuǎn)子共用轉(zhuǎn)子鐵芯；

8.一種基于權(quán)利要求1至7任一所述的超導(dǎo)磁懸浮電機(jī)的運(yùn)行方法，其特征在于，包括以下步驟：

技術(shù)總結(jié)
本申請(qǐng)屬于超導(dǎo)電工技術(shù)領(lǐng)域，具體公開(kāi)了一種超導(dǎo)磁懸浮電機(jī)及其運(yùn)行方法，其中，磁懸浮軸承超導(dǎo)線圈定子用于在冷卻至超導(dǎo)態(tài)時(shí)，釘扎當(dāng)前位置下與自身交鏈的磁懸浮軸承永磁轉(zhuǎn)子的磁場(chǎng)；當(dāng)電機(jī)和磁懸浮軸承永磁轉(zhuǎn)子在載荷的作用下運(yùn)動(dòng)時(shí)，磁懸浮軸承超導(dǎo)線圈定子用于感應(yīng)屏蔽電流，或磁懸浮軸承超導(dǎo)線圈定子用于獲取泵入的傳輸電流改變其內(nèi)部總磁通；屏蔽電流和/或傳輸電流與磁場(chǎng)相互作用，使電機(jī)受到與載荷方向相反的懸浮力，當(dāng)載荷與懸浮力平衡時(shí)，電機(jī)達(dá)到磁懸浮狀態(tài)。本申請(qǐng)?zhí)峁┝艘环N高功率密度化的超導(dǎo)磁懸浮電機(jī)。

技術(shù)研發(fā)人員：許琪,耿建昭,林毅,金正昊
受保護(hù)的技術(shù)使用者：華中科技大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/5/15