[发明专利]一种基于传导冷却的超导电机的制冷系统

说明书

技术领域

本发明涉及超导电机的制冷技术，具体涉及一种基于传导冷却的超导电机的制冷系统。

背景技术

超导技术作为一种新兴技术已经在电力应用方面逐渐表现出不可替代的优势。利用超导技术制造的风机，其转子由高温超导（HTS）线材绕制，相对常规铜线其载流密度可以提高150倍左右，使得超导电机具有极高的能量密度。这一方面大大减小了电机的体积，同时因为超导线圈可以产生极强的磁场，电机中的铁芯可以省去，电机的重量也减轻很多。据美国超导公司估计，10MW的超导直驱式风力发电机的重量仅140 t，如此轻的重量，将成为突破风机扩容技术瓶颈的关键。另外，由于超导线圈可以产生极高的磁场，从而产生更大的力矩，不需要配备成本昂贵，相对笨重的齿轮箱，这便大大提高了电机的效率和稳定性。这样，超导海上风力发电机的运输成本、安装成本及维护成本都将显著降低。

但是由于超导电性只能在一定的低温下才能够实现，所以制冷系统作为超导电机的关键辅助系统，对于整个电机的稳定运行，具有至关重要的作用。

传统的超导电机由于转速较高，因而一般采用冷冻剂作为冷却介质，利用电机转动时的离心力使冷却介质在超导磁体内部的冷却介质流道内流动，通过介质的传热，实现系统制冷的目的。然而，冷却介质的使用必然会增加系统的复杂性，降低其可靠性。另一方面，由于需要利用电机旋转时的离心力，才可以使冷却介质更好的分散在转子内部，从而达到均匀冷却超导磁体的目的。但对于，海上型超导风机中的超导电机，由于其额定转速很低，一般不超过20转每分钟，因而这种转速下的离心力不足以驱动低温液体在转子内部均匀分布，因而受到使用的局限。

传导冷却技术是利用高热导的固体材料，通过固体传导实现冷量的传递，从而实现对磁体的冷却功能。利用固体传导的方式，可以避免系统当中使用液氮，液氦等冷却介质，从而极大的降低了对系统密封性的要求，可提高整个系统的可靠性。例如，公开日为2011-11-30，公开号为CN 102262952的中国专利文献，公开了一种传导冷却超导磁体装置，其包括被收容在真空容器中的超导线圈，防辐射屏，制冷机等配件。使用此方案可以利用冷却配管使超导线圈，防辐射屏等部件得到充分冷却，并且可以有效缩短系统的初期冷却时间。但液氦等制冷机的使用，极大的降低了系统的安全性和可靠性，另一方面系统必需依赖制冷剂的使用方可以正常工作，这也降低的系统的适应性。如果单纯使用传导冷却作为冷却方案，可以摆脱对制冷剂的依赖，只需对压缩机和制冷机提供电源就可以实现制冷工作，从而降低了对制冷系统的要求，特别是对于旋转电机这样的工作需求，只需配合常温工作的旋转密封装置就可以实现，而利用液氦，液氖或液氮的制冷系统，则需要利用低温旋转密封装置才可以应用于旋转电机这类的设备之中。

发明内容

本发明提供了一种基于传导冷却技术的超导电机制冷系统，利用传导冷却的方法，将制冷机冷头和超导磁体相连接，从而实现对超导磁给进行降温冷却的目的；根据本发明，可以避免使用氦、氖和氮等制冷剂，较好的提高了系统的可靠性和稳定性。

本发明的技术方案如下：

一种基于传导冷却技术的超导电机制冷系统，其特征在于：包括压缩机、制冷机冷头、密封装置、真空罩、磁体骨架、导冷带和防辐射屏，防辐射屏通过支撑结构固定安装于真空罩的内壁上，真空罩与防辐射屏分别呈封闭状；压缩机通过密封装置与制冷机冷头连接，制冷机冷头依次穿过真空罩、防辐射屏固定安装在真空罩上，制冷机冷头与真空罩、防辐射屏同步转动；所述防辐射屏内设置有用于安装超导磁体的磁体骨架，磁体骨架的两端分别通过力矩管穿过防辐射屏的两端并连接于真空罩的两端的内壁上；所述磁体骨架的内壁连接设置有N个导冷带，每个导冷带均与位于防辐射屏内的制冷机冷头部分连接；其中，N为整数，N≥1。

所述制冷机冷头包括一级冷头和二级冷头，一级冷头和二级冷头位于真空罩内，工作时处于真空环境。

所述制冷机的一级冷头直接与防辐射屏连接，并将防辐射屏冷却到一个相对较高的温度（如60-80K），实现对于外部辐射漏热的截断。

所述制冷机的二级冷头与导冷带相连接，通过导冷带冷却磁体骨架及超导磁体。

所述超导磁体连接有两根超导电流引线，两根超导电流引线穿过防辐射屏沿防辐射屏外壁走线，并延伸穿过真空罩外部，与其他部件连接。两根超导电流引线结构相同，分别用于电流的输入与输出，超导电流引线的上端为常规引线材料，如铜，下端为高温超导材料。超导电流引线因为贴于防辐射屏走线，所以也是经一级冷头冷却。