具体实施方式

下面结合附图和实施例，进一步阐述本发明。在下面的详细描述中，只通过说明的方式描述了本发明的某些示范性实施例。毋庸置疑，本领域的普通技术人员可以认识到，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式对所描述的实施例进行修正。因此，附图和描述在本质上是说明性的，而不是用于限制权利要求的保护范围。

实施例一：

如图1和图2所示，无换向装置超导直流电机,包括外壳11和贯穿所述外壳11的转轴12，所述转轴12上安装有位于所述外壳11内的转子组件，所述外壳11内安装有环所述转子组件设置的定子组件；所述定子组件包括超导电枢组件，所述超导电枢组件的外侧设置有超导屏蔽罩21，所述超导屏蔽罩21的外周壁上设置有向所述超导电枢组件凸出的V型槽，所述超导屏蔽罩21上设置有第一冷却回路22，所述外壳11上设置有与所述第一冷却回路22连通的第一冷却端口23。

所述超导电枢组件包括电枢绕组固定架31，所述电枢绕组固定架31上安装有超导电枢绕组32，所述超导电枢绕组32的两侧设置有超导屏蔽环33；所述超导电枢组件的外侧设置有第二冷却回路34，所述第二冷却回路34与所述第一冷却回路22连通。所述电枢绕组固定架31内设置有真空内腔。

所述转子组件包括安装在转轴12上的励磁绕组固定架61，所述励磁绕组固定架61上安装有多个环所述转轴12周向分布且轴向延伸的磁极41，所有所述磁极41的磁性分布相同，所述磁极41上安装有超导励磁绕组62，相邻两个所述磁极41之间的所述励磁绕组固定架61上安装有沿所述转轴12轴向延伸的超导屏蔽带42，所述转子组件的外侧设置有第三冷却回路55，所述第三冷却回路55环所述转子组件设置。所述转轴12上安装有位于所述转子组件外侧的力矩传导筒52，所述第三冷却回路55位于所述转子组件和所述力矩传导筒52之间。

所述转子组件的两侧设置有转子超导屏蔽盘51。所述转轴12为空心轴，所述超导屏蔽盘51安装在所述转轴12的内腔中并位于所述转子组件的两侧，所述超导屏蔽盘51上设置有第四冷却回路53，所述转轴12上设置有与所述第四冷却回路53连通的第二冷却端口54；所述转轴12的内腔为真空内腔。所述外壳11与所述转轴12围成的内腔为真空内腔。所述第三冷却回路55通过所述第四冷却回路53与所述第二冷却端口54连通。

本实施例的工作原理是：如图1和图2所示，超导励磁绕组62顺绕在各个磁极41上，磁极41之间装有超导屏蔽带42，使磁极41激发的磁场沿径向延伸且极性相同，冷却系统降温后，外壳11内处在真空中的超导励磁绕组62、转子超导屏蔽盘51、装在磁极41之间的超导屏蔽带42、超导屏蔽罩21、超导电枢绕组32和超导屏蔽环33处于超导状态，根据迈斯纳效应，超导励磁绕组62输入励磁电流后激发如图1中虚线所示的磁场，即磁场由磁极41沿转子与定子之间的径向经间隙、超导电枢绕组32和电枢绕组固定架31回到磁极41，形成闭合磁通。当转轴12受外力矩作用转动时，装在电枢绕组固定架31上靠近转轴12一侧的部分超导电枢绕组32垂直“切割”磁力线，远离转轴12一侧的部分超导电枢绕组32不垂直“切割”磁力线，根据法拉第电磁感应定律，装在电枢绕组固定架31上靠近转轴12一侧的部分超导电枢绕组32感应的电动势与装在远离转轴12一侧的部分超导电枢绕组32感应的电动势绕向相反，大小不等， 前者大于后者，因此，超导电枢绕组32输出直流电流，这是超导直流发电机的工作原理。

如果超导电枢绕组32输入直流电流，由于装在电枢绕组固定架31上靠近转轴12一侧的部分超导电枢绕组32垂直于超导励磁绕组62激发的磁场，远离转轴12一侧的部分超导电枢绕组32不垂直于超导励磁绕组62激发的磁场，根据安培定律，超导励磁绕组62激发的磁场对靠近转轴12一侧的载流超导电枢绕组32产生的电磁转矩与超导励磁绕组62激发的磁场对装在远离转轴12一侧的载流超导电枢绕组32产生的电磁转矩方向相反、大小不等，前者大于后者，由于超导电枢绕组32固定不动，所以转轴12转动，这是超导直流电动机的工作原理。

通过工作原理的叙述可知，本实施例所述的超导电枢绕组32中感应的（或者输入的）是直流电流，超导励磁绕组62中通过的也是直流电流，因此，超导电枢绕组32和超导励磁绕组62中没有交流损耗，这不仅提高了超导电机的机械效率，降低了制造超导电机的难度，减少了制造成本和运行成本，还扩大了选择超导线材的范围。另外，在电机运行的瞬变过程中，超导励磁绕组62受超导电枢绕组32电磁突变的影响很小，于是，在超导电枢绕组32和超导励磁绕组62之间不需要电磁屏蔽。本实施例采用超导屏蔽罩21屏蔽磁场并改变磁力线的走向，励磁绕组和电枢绕组都使用超导线材，大大降低了超导电机的重量和体积，特别是本实施例没有传统直流电机的换向装置，省去了电刷、滑环等部件，结构非常简单，运行更稳定可靠，因此，能够制造大功率或者超大功率的直流发电机和直流电动机。总之，本实施例比现代结构的直流电机容量大、功率密度高、效率高、体积小、制造简单，造价低，使用可靠，运行稳定，输出的直流电性能好，容易控制，适用范围广。

本实施例中，沿转轴12的轴向可以增加多个超导励磁绕组62和相对应的超导电枢绕组32以及超导屏蔽罩21，增加电机的容量。

本实施例作为发电机使用时，每个超导电枢绕组32可以作为多个电源输出电能，也可以与其他超导电枢绕组32串联或者并联构成多个电源输出电能。还可以省去升压变压器，直接输出直流电流。

本实施例作为电动机使用时，调速性能好，范围宽，控制简单，容易实现无极调速，且过载能力强，机械特性优，噪音小，能耗少，使用稳定可靠，应用范围广泛。

本实施例中，也可以使所述定子组件绕轴转动，所述转子组件不动，作为发电机或者电动机使用。

在本实施例中，外壳11采用杜瓦瓶结构，其中设有热屏蔽筒和真空层，真空层抑制通过空气的传导热，热屏蔽筒抑制从常温外筒而来的辐射热，电枢绕组固定架31和外壳11由不锈钢制成，转轴12两端由非磁性钢制成，超导电枢绕组32由高温超导材料YBCO/Ag制作，超导屏蔽环33、超导屏蔽罩21、转子超导屏蔽盘51和超导屏蔽带42用YBCO与不锈钢制成，冷却系统用液态氮作为制冷剂，定子组件和转子组件均处于真空中。

实施例二：

如图3所示，所述转子组件包括安装在所述转轴12上的永磁体71，所述转轴12上设置有位于所述定子组件的两侧的磁轭72。所述定子组件还包括真空内壳73，所述定子组件安装在所述真空内壳73中。

本实施例的工作原理是，冷却系统降温后，真空内壳73内处在真空中的超导屏蔽环33、超导电枢绕组32和超导屏蔽罩21处于超导状态，根据迈斯纳效应，永磁体71激发如图3中虚线所示磁场，即磁场由永久磁体沿径向经定子组件与转子组件之间的气隙、超导电枢绕组32、电枢绕组固定架31和磁轭72回到永磁体71，形成闭合磁通。当转轴12受外力矩作用转动时，装在电枢绕组固定架31上靠近转轴12一侧的部分超导电枢绕组32垂直“切割”磁力线，远离转轴12一侧的部分超导电枢绕组32不垂直“切割”磁力线，根据法拉第电磁感应定律，装在电枢绕组固定架31上靠近转轴12一侧的部分超导电枢绕组32感应的电动势与装在远离转轴12一侧的部分超导电枢绕组32感应的电动势绕向相反，大小不等， 前者大于后者，因此，超导电枢绕组32输出直流电流，这是超导直流发电机的工作原理。

当超导电枢绕组32输入直流电流时，由于装在电枢绕组固定架31上靠近转轴12一侧的部分超导电枢绕组32垂直于永磁体71激发的磁场，远离转轴12一侧的部分超导电枢绕组32不垂直于永磁体71激发的磁场，根据安培定律，永磁体71激发的磁场对装在电枢绕组固定架31上靠近转轴12一侧的部分载流超导电枢绕组32产生的电磁转矩与永磁体71激发的磁场对装在远离转轴12一侧的部分载流超导电枢绕组32产生的电磁转矩方向相反、大小不等，前者大于后者，由于超导电枢绕组32固定不动，所以转轴12转动，这是本实施例作为超导直流电动机的工作原理。

在本实施例中，真空内壳73采用杜瓦瓶结构，其中设有热屏蔽筒和真空层，真空层抑制通过空气的传导热，热屏蔽筒抑制从常温外筒而来的辐射热，电枢绕组固定架31和外壳11由不锈钢制成，磁轭72由磁性钢制成，转轴12两端由非磁性钢制成，超导电枢绕组32由高温超导材料YBCO/Ag制作，超导屏蔽环33和超导屏蔽罩21用YBCO与不锈钢制成，沿径向辐射充磁的圆筒形永磁体71用钕铁硼制成，其内外表面激发的磁场极性相反，冷却系统用液态氮作为制冷剂，真空内壳73内的定子组件处在真空中。

本实施例中，永磁体71激发磁场，避免了密封轴承和旋转输液等复杂技术，液态氮作为制冷剂，极大的降低了电机的制造成本和运行成本，且没有换向装置，调速性能优异，因此，具有广阔的使用范围。

在本实施例中，低温恒温器和冷却回路管等为公知技术，不予细述。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定 。