一种块材型高温超导电机的低温旋转杜瓦结构制造技术

本发明专利技术公开了一种块材型高温超导电机的低温旋转杜瓦结构，包括左右两个结构相同相互对接固定在电机转轴上的圆筒，对接处通过密封圈密封；圆筒非对接端设有电机转轴通过的中心孔；两个圆筒为夹层结构，夹层侧面开有抽气口，夹层中加入有吸气剂；当杜瓦处于旋转状态时，在杜瓦端面上，随着两个圆筒半径增大，所述圆筒的筒壁的径向应力先增大后减小；环向应力从中心孔至圆筒外沿最大半径处之间呈递减分布，且任意一点的环向应力值始终大于径向应力值。本发明专利技术旋转杜瓦与轴一起旋转，保证了杜瓦中充入的液氮可以持续高效的冷却电机转子冲片上的超导块材且在电机转子旋转时阻尼很小，具有较高的能量转换效率。

A Low Temperature Rotating Dewar Structure for Block High Temperature Superconducting Motor

The invention discloses a low-temperature rotating Dewar structure of a block high-temperature superconducting motor, which comprises two cylinders fixed on the rotating axle of the motor with the same left and right structures and sealed by a sealing ring at the butt joint; a central hole through the rotating axle of the motor is arranged at the non-butt end of the cylinder; two cylinders are sandwich structures, with an air-suction opening on the side of the sandwich and an air-suction agent added into the sandwich. In the rotating state, with the increase of the radius of the two cylinders, the radial stress of the cylinder wall increases first and then decreases; the circumferential stress decreases from the center hole to the maximum radius of the cylinder, and the circumferential stress at any point is always greater than the radial stress. The rotating Dewar rotates with the shaft to ensure that the liquid nitrogen filled in the dewar can continuously and efficiently cool the superconducting block on the punch sheet of the motor rotor, and has low damping when the motor rotor rotates, and high energy conversion efficiency.

【技术实现步骤摘要】
一种块材型高温超导电机的低温旋转杜瓦结构
本专利技术涉及高温超导电机领域，特别是涉及一种块材型高温超导电机的低温旋转杜瓦结构。
技术介绍
块材型高温超导电机的高效率制冷方案和保温结构是电机设计中的核心问题之一，在维持正常的工作状态、提高输出功率、减小整机体积等方面起到关键的作用，并且和电机的电磁设计密切相关。电机的制冷方案主要是指电机冷却回路的布置方式、冷却介质的形式，以及冷却介质的推动方法等。考虑到成本与加工可行性，在设计超导电机的时候必须尽早考虑制冷系统的设计，因其影响着电机整体大小以及后续的电磁方案细化。超导电机中不论采用超导线材还是超导块材，都需要制冷装置来保证超导材料所需要的低温环境。首先对普通电机的散热和超导电机的制冷作一个区别，传统电机需要将电机里热量散出去，这些热量的来源是定子及转子绕组上电流产生的焦耳热，还有电机里由于涡流损耗、磁滞损耗和摩擦所产生的热量。这些热量的聚集会使得电机里面的许多敏感元件和绝缘材料发生破坏，所以需要将这些热量排出去。而超导电机首先要求电机温度低于采用超导材料的临界温度，保证超导材料处于超导状态，其次要保证电机内部不和外界环境有热量交换，保持恒定的低温。所以传统电机需要散热，一般采用传导和对流直接与外界进行热量交换，超导电机需要制冷，采用制冷机和保温装置来维持一个恒定的低温环境。
技术实现思路
为解决现有技术中存在的上述缺陷，本专利技术的目的在于提供一种块材型高温超导电机的低温旋转杜瓦结构。本专利技术旋转杜瓦与轴一起旋转，保证了杜瓦中充入的液氨可以持续高效的冷却电机转子冲片上的超导块材且在电机转子旋转时阻尼很小，具有较高的能量转换效率。因此，可以采用新型的冷却设备和灵活的安装位置，能够为超导块材转子提供一个高转换效率、安全、稳定运行的低温环境，对提高电机性能具有积极的意义。本专利技术是通过下述技术方案来实现的。一种块材型高温超导电机的低温旋转杜瓦结构，杜瓦包括左右两个结构相同的圆筒，所述左右两个圆筒相互对接固定在电机轴上，对接处通过密封圈密封；圆筒非对接端设有电机轴通过的中心孔；所述两个圆筒为夹层结构，夹层侧面开有抽气口，夹层中加入有吸气剂；当杜瓦处于旋转状态时，在杜瓦端面上，随着两个圆筒半径增大，所述圆筒的筒壁的径向应力先增大后减小；环向应力从中心孔至圆筒外沿最大半径处之间呈递减分布，且任意一点的环向应力值始终大于径向应力值。对于上述技术方案，本专利技术还有进一步优选的方案：进一步，所述夹层中通过抽气口抽真空后加入吸气剂包括活性炭、分子筛或钛金属粉。进一步，所述左边圆筒通过内挡圈顶在电机转轴轴肩上固定，右边圆筒通过螺纹挡圈压紧。进一步，所述圆筒固定在电机转轴上，置于电机转子与定子之间的气隙中间，定子和转子之间的磁场穿过圆筒，并且圆筒随电机转子高速旋转；自电机转轴轴端充入至圆筒中的液氮用以持续冷却电机转子上的超导块材。进一步，所述圆筒材料为无磁性不锈钢或环氧树脂加强玻璃钢。本专利技术由于采取以上技术方案，其具有以下有益效果：本专利技术低温旋转杜瓦与轴一起旋转，保证了杜瓦中充入的液氨可以持续高效的冷却电机转子上的超导块材，而且由于杜瓦只放入电机转子部分，所以在电机转子旋转时阻尼很小，具有较高的能量转换效率。因此，可以采用新型的冷却设备和灵活的安装位置，能够为超导块材转子提供一个高转换效率、安全、稳定运行的低温环境，对提高电机性能具有积极的意义。此外还能节省空间，结构简单易于加工。附图说明此处所说明的附图用来提供对本专利技术的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本专利技术的不当限定，在附图中：图1(a)、(b)为一种块材型高温超导电机的低温旋转杜瓦结构示意图；图2(a)、(b)为螺纹挡圈示意图；图3(a)、(b)为普通无螺纹挡圈示意图；图4为杜瓦与轴的装配图。图中：11、杜瓦外层；12、杜瓦内层；13、抽气孔；14、轴孔。图中：1、无螺纹挡圈；2、内挡圈；3、杜瓦；4、螺纹挡圈；5、轴肩；6、密封圈；7、轴上外螺纹；8、转轴中空部分。具体实施方式下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本专利技术，在此本专利技术的示意性实施例以及说明用来解释本专利技术，但并不作为对本专利技术的限定。图1(a)、(b)是一种块材型高温超导电机的低温旋转杜瓦结构示意图。包括左右两个结构相同的圆筒，左右两个圆筒相互对接固定在电机转轴上，对接处通过密封圈6密封；圆筒非对接端设有电机转轴通过的轴孔14；两个圆筒由杜瓦外层11和杜瓦内层12构成夹层结构，夹层侧面开有抽气孔13，夹层中加入有吸气剂，吸气剂如活性炭、分子筛或钛金属粉等，种类不限于所列范围；抽真空设备通过抽气孔13将杜瓦夹层抽至真空，然后用真空塞将抽气孔13密封。在本实施例中，杜瓦采用奥氏体不锈钢中的304无磁性不锈钢制作，采用双层结构，分为两部分组成，外径178mm，内径174mm；杜瓦工作在77K的液氮温区，同时处于高磁场的环境下，所以杜瓦材料必须要求磁导率低、磁化率小且稳定的材料，即使在极低温、高磁场下也要保证一定的磁化率，从而保证磁场稳定均匀，满足要求。杜瓦双层结构抽真空后，加入吸气剂(如活性炭等)保证杜瓦夹层的真空度，并对抽气孔进行密封。因为通入液氮以后，杜瓦里面温度会急速降低到零下196摄氏度左右，与外界室温达到200摄氏度以上的温差，这会对外界设施产生巨大影响，所以保持杜瓦的真空度十分重要。由于杜瓦左右两部分没有法兰进行横向的连接，因此左边杜瓦采用顶在电机轴肩上固定的方式，右边部分用带螺纹的挡圈螺纹旋进方式压紧，使得杜瓦可以和轴一起高速旋转，保证了充入杜瓦中的液氨可以持续冷却电机转子中的超导块材。在本实施例中，杜瓦要有良好的保温效果，既要保证其密封性，还要防止环境温度的影响。因为杜瓦是放置在电机定子和转子之间的气隙磁场当中，所以杜瓦的存在不能破坏电机的气隙磁场。而电机定子绕组在通电时会有大量的焦耳热产生，这些热量会破坏杜瓦结构，影响杜瓦的使用寿命，所以电机本身的散热也要做好。在本实施例中，旋转杜瓦要尽可能薄才可以减小气隙的大小。气隙磁场是电机转子与定子之间空隙间的磁场，直接影响电机的转矩与效率，所以杜瓦太厚将直接导致电机性能下降。旋转杜瓦是随着电机转子一起高速转动，必然会因为杜瓦自身的转动惯量发生一定振动，所以杜瓦薄而轻才能有效减小转动惯量，从而减少振动对于电机的不利影响；同时旋转杜瓦要尽可能对称，才能在高速旋转时保持稳定，减少振动，提高杜瓦的使用寿命。在本实施例中，杜瓦的圆筒材料为304无磁性不锈钢或环氧树脂加强玻璃钢，不锈钢低温强度高于室温，强度计算均按由室温强度确定的许用应力进行，因而只要求检验室温强度合格即可。在进行应力分析时，将旋转杜瓦分成三部分，两个端盖和一个圆筒，并将它们简化为空心圆盘和薄壁圆筒模型，按照空心圆盘应力计算。由于径向应力和环向应力都是拉应力，随着半径增大，径向应力先增大后减小，环向应力从中心孔至外沿最大半径处呈递减分布，且任意一点的环向应力值始终大于径向应力值，判断出影响强度的危险点在中心孔的孔壁上。在危险点处应力状态是单向受拉，对于塑性材料304不锈钢的校核采用第三强度理论公式。本实施例中，杜瓦端面的径向应力σr和环向应力σθ通过下式得到：式中，a为中心孔半径，b为外半径，ρ为材料密度，r为所求点半径，w为角速度，σr为径向应本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种块材型高温超导电机的低温旋转杜瓦结构，其特征在于，杜瓦包括左右两个结构相同的圆筒，所述左右两个圆筒相互对接固定在电机转轴上，对接处通过密封圈密封；圆筒非对接端设有电机转轴通过的中心孔；所述两个圆筒为夹层结构，夹层侧面开有抽气口，夹层中加入有吸气剂；当杜瓦处于旋转状态时，在杜瓦端面上，随着两个圆筒半径增大，所述圆筒的筒壁的径向应力先增大后减小；环向应力从中心孔至圆筒外沿最大半径处之间呈递减分布，且任意一点的环向应力值始终大于径向应力值。

【技术特征摘要】
1.一种块材型高温超导电机的低温旋转杜瓦结构，其特征在于，杜瓦包括左右两个结构相同的圆筒，所述左右两个圆筒相互对接固定在电机转轴上，对接处通过密封圈密封；圆筒非对接端设有电机转轴通过的中心孔；所述两个圆筒为夹层结构，夹层侧面开有抽气口，夹层中加入有吸气剂；当杜瓦处于旋转状态时，在杜瓦端面上，随着两个圆筒半径增大，所述圆筒的筒壁的径向应力先增大后减小；环向应力从中心孔至圆筒外沿最大半径处之间呈递减分布，且任意一点的环向应力值始终大于径向应力值。2.根据权利要求1所述的一种块材型高温超导电机的低温旋转杜瓦结构，其特征在于，所述径向应力σr和环向应力σθ通过下式得到：式中，a为中心孔半径，b为外半径，ρ为材料密度，r为所求点半径，w为角速度，σr为径向应力，σθ为环向应力，u为泊松比。3.根据权利要求2所述的一种块材型高温超导电机的低温旋转杜瓦结构，其特征在于，当时径向应力最大，值为当r＝a时环向应力最大，值为因为环向应力σθ始终大于径向应力σr，故根据第三强度理论，环向应力的最大值需满足下式：式中，[σ]为无磁性不...

【专利技术属性】
技术研发人员：王胜龙，杨勇，李晓航，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61