本發明涉及電機領域，具體而言，涉及一種基于階梯形超導線圈的mw級全超導同步電機。
背景技術：
1、在全球能源結構轉型驅動下，構建高效、緊湊、低損耗的動力系統已成為突破能源技術瓶頸的核心命題。超導電機憑借其近零電阻特性，可顯著降低繞組損耗（較傳統電機降幅＞50%），其功率密度（＞15kw/kg）與運行效率（＞99%）指標在航空航天全電推進器、船舶綜合電力系統及mw級以上海上風電機組等場景中展現顛覆性潛力。然而，現有超導電機技術仍面臨兩大核心挑戰：其一，復雜工況下電磁-熱-力多物理場耦合效應導致的性能劣化；其二，超導材料極端低溫環境與高功率輸出需求間的系統性矛盾。
2、具體而言，傳統超導電機多采用均一匝數線圈布局，存在顯著技術缺陷：首先是磁場畸變與諧波損耗，均勻匝數分布導致端部漏磁效應加劇，氣隙磁場高次諧波占比超15%（尤以5次、7次諧波為甚），引發附加鐵損與渦流損耗（總損耗占比＞5%額定功率）；其次是空間利用率與功率密度矛盾，受限于超導帶材臨界彎曲半徑，常規環形/跑道形線圈難以實現三維緊湊排布，致使繞組有效空間占比不足50%，功率密度長期停滯于10mw/m3量級。
技術實現思路
1、為解決以上技術問題，本發明提供一種基于階梯形超導線圈的mw級全超導同步電機，包括階梯型定子超導繞組、階梯型轉子超導繞組、定子低溫密封系統、轉子動態低溫密封系統、以及超導電機真空密封系統，以應對磁場畸變帶來的超導線圈性能劣化問題，提升運行效率與空間利用率。
2、為了實現上述目的，本發明的技術方案如下：一種基于階梯形超導線圈的mw級全超導同步電機，包括：定子超導繞組、轉子超導繞組、定子低溫密封系統、轉子動態低溫密封系統、以及超導電機真空密封系統；定子低溫密封系統與轉子動態低溫密封系統分別為定子超導繞組和轉子超導繞組提供超導溫區的工作環境，真空密封系統為定子低溫密封系統與轉子動態低溫密封系統提供隔熱工作環境。
3、本發明的有益效果在于，通過階梯型的定子、轉子超導線圈設計，提供全超導高強磁場，優化了超導電機空間利用率，能夠在有限的體積內輸出更高的功率，使得該電機在空間和能效方面具有較高的優勢。同時兼顧超導材料的工作溫區協同設計了低溫腔體與真空結構顯著減少了外部熱源對超導線圈的熱傳遞，確保了超導線圈能夠保持穩定的低溫狀態，有效減少了因溫度波動或不穩定性造成的性能劣化問題。
1.一種基于階梯形超導線圈的mw級全超導同步電機，其特征在于：包括：定子超導繞組、轉子超導繞組、定子低溫密封系統、轉子動態低溫密封系統、以及超導電機真空密封系統；定子低溫密封系統與轉子動態低溫密封系統分別為定子超導繞組和轉子超導繞組提供超導溫區的工作環境，真空密封系統為定子低溫密封系統與轉子動態低溫密封系統提供隔熱工作環境。
2.如權利要求1所述的一種基于階梯形超導線圈的mw級全超導同步電機，其特征在于，階梯型定子超導繞組包括定子繞組外骨架、定子繞組內骨架、多個外層定子雙餅超導線圈、多個內層定子雙餅超導線圈，其中外層定子雙餅超導線圈的層間匝數大于內層定子雙餅超導線圈的層間匝數，定子超導繞組由定子外骨架與內骨架焊接固定，線圈之間使用定子超導-超導接頭連接，定子超導電流引線經導線槽傳輸。
3.如權利要求1所述的一種基于階梯形超導線圈的mw級全超導同步電機，其特征在于，轉子超導繞組包括轉子繞組外骨架、轉子繞組內骨架、多個外層轉子雙餅超導線圈、多個內層轉子雙餅超導線圈，外層轉子雙餅超導線圈外層匝數少于內層轉子雙餅超導線圈匝數，由外骨架與內骨架焊接固定，線圈之間使用轉子超導-超導接頭連接，由轉子超導電流引線供電。
4.如權利要求1所述的一種基于階梯形超導線圈的mw級全超導同步電機，其特征在于，定子低溫冷卻系統包括：電磁閥、泄壓閥、定子低溫腔體、低溫泵、外支撐骨架與冷卻介質，電磁閥與泄壓閥分別安裝在定子低溫腔體軸向端部進出口處，冷卻介質由低溫泵驅動，經電磁閥進入定子低溫腔體，沿外支撐骨架的環形流道循環，吸收定子超導繞組熱量后經泄壓閥返回儲罐。
5.如權利要求4所述的一種基于階梯形超導線圈的mw級全超導同步電機，其特征在于，定子低溫冷卻系統還包括：低溫溫度傳感器、壓力傳感器、pid溫度控制系統，低溫溫度傳感器與壓力傳感器安裝在定子超導繞組端部附近的定子低溫腔體內部，實時監測溫度與壓力狀態，pid溫度控制模塊通過調節電磁閥開度與低溫泵轉速，將溫度穩定在超導線圈工作溫區。
6.如權利要求1所述的一種基于階梯形超導線圈的mw級全超導同步電機，其特征在于，轉子動態低溫冷卻系統包括：電磁閥、泄壓閥、夾層流道、轉子低溫腔體、中心流道、冷卻介質、壓力傳感器、低溫溫度傳感器、流速傳感器、低溫泵、pid溫度控制系統；電磁閥安裝在夾層流道入口處，泄壓閥安裝在中心流道出口處，壓力傳感器安裝在轉子低溫腔體內部，低溫溫度傳感器、流速傳感器均安裝在轉子超導繞組端部的轉子低溫腔體內壁上，冷卻介質通過夾層流道與中心流道實現冷卻介質的動態傳輸，冷卻介質由電磁閥控制進入轉子低溫腔體，沿夾層流道的螺旋流道離心分布，冷卻轉子超導繞組后經中心流道回流。
7.如權利要求6所述的一種基于階梯形超導線圈的mw級全超導同步電機，其特征在于，流速傳感器與低溫溫度傳感器協同反饋數據至pid溫度控制系統，動態調節電磁閥流量以維持轉子超導繞組溫度控制在超導線圈工作溫區；由低溫泵驅動制冷介質經電磁閥進入夾層流道和定子低溫腔體，沿外支撐骨架的環形夾層流道循環吸熱后從中心流道返回儲罐。
8.如權利要求6所述的一種基于階梯形超導線圈的mw級全超導同步電機，其特征在于，絕熱力矩管安裝在定子低溫腔體與軸承連接處。
9.如權利要求1所述的一種基于階梯形超導線圈的mw級全超導同步電機，其特征在于，真空密封系統由真空抽口、真空腔體、磁流體密封結構和真空泵以及真空規組成，真空規安裝在真空腔體內部，真空抽口連接真空泵，磁流體密封結構安裝于真空抽口，真空腔體包裹定子低溫腔體。
10.如權利要求9所述的一種基于階梯形超導線圈的mw級全超導同步電機，其特征在于，真空腔體與定子低溫腔體之間使用高強度合金骨架連接。