CN102099986B - 并入用于超导和电阻绕组的双螺旋线圈设计的电动装置 - Google Patents

Abstract

一种产生磁场或感生电压的交流电装置。在一个装置中包括围绕轴设置的定子和转子。定子包括三组线圈，每组线圈包括串联布线的至少第一对线圈排，并且第一对的第一和第二构件被构造成在相反方向上产生轴向场。每组线圈的第一对中的线圈排均被布置成距轴不同的距离。一对第二组线圈排的第一构件被设置在一对第一组线圈排的第一与第二构件之间。轴与第二对线圈排的第一构件之间的距离在第一对线圈排的构件与轴之间的距离中间。

Description

并入用于超导和电阻绕组的双螺旋线圈设计的电动装置

相关申请的交叉引用

本申请要求2008年6月2日提交的临时专利申请US61/130,649的优先权，其全部内容通过引用结合于此。

技术领域

本发明涉及电磁系统，通常包括产生磁场的系统、产生电力的系统、马达和磁体。更具体地，本发明涉及包括导体组件类型的电动装置系统，其在传导电流时产生磁场，或者在存在变化的磁场的情况下感生电压。

背景技术

各式各样的磁体设计用于包括诸如用于发电的旋转装置的机电应用。电动马达和发电机的应用可以受益于超导磁体的使用，该超导磁体较高的磁场提高性能并实质上降低这样的设备的尺寸和成本。

在电阻和超导应用中，常规的电动设备采用例如跑道形线圈的常规分布绕组，以在定子中产生旋转磁场。常规的多极转子和定子包含用于每个极的线圈绕组的单独的组。例如，在常规的三相电动装置中，三组定子线圈绕组中的每一组构造有串联布线的例如形成为跑道构造的多个偶极磁体组件，以便为每个绕组产生偶极或高阶场构造。由于该构造，所以气隙磁场包含不容忽视的谐波含量，该谐波含量在定子磁场的旋转期间，在其他考虑中，影响作用于装置部件上的振动引发的应力。

用于这些应用的常规超导偶极磁体采用跑道形线圈，其能够产生在3-10T范围内的大磁场。这样的线圈通常用扁平Rutherford风格的超导股绞线缆或扁平带状导体制成，以便在小的体积中提供高的电流密度。这样的扁平线缆线圈的几何形状规定它们从内（或最小半径）匝开始向最外面匝缠绕，以形成马鞍形线圈半部。将两个这样的半部彼此相对安装，以形成偶极构造。制造马鞍形跑道线圈（我们称作“常规”线圈）的方法具有如'042中所描述的许多缺点。

与常规装置相比，电动设备（诸如感应马达和发电机）中超导绕组的使用能够在小的尺寸中提供高输出装置。超导绕组能够产生通常比用正常的电阻绕组能获得的强2-5倍的磁场。由于能量密度随磁场的平方上升，所以这样的装置每单位场体积能够被认为比正常类型的装置强4-25倍。授予Herd的美国专利No.5,672,921描述了用于旋转发电机的旋转电枢中的跑道形环氧浸渍超导线圈的使用。授予Gamble的美国专利No.5,777,420示出了一种超导同步马达转子，其由以条带形式的高温超导（HTS）材料缠绕的跑道形线圈组成。

成本是依赖于马鞍形或跑道形线圈的常规超导磁体技术的主要约束。改善可靠性的设计显著增加成本。举例来说，对于给定的操作条件组，必须付出相当大的设计工作，以确保在正常的系统使用期间不会出现失超。低温超导线圈分组必须在装置上非常稳定，以便防止导致超导线圈失超的导体运动。

不管未来系统采用电阻或超导绕组，总存在改善电动设备的设计效率和可靠性这两者的需求。在包括MEM、发电机和大马达应用的各种尺寸的电动设备中需要这样改善的性能。

发明内容

根据本发明的示例性实施例，提供一种如下类型的导体组件，其在传导电流时产生磁场，或者在存在变化的磁场的情况下感生电压。还提供用于构造该导体组件的相关方法。

在一系列实施例中，产生电力或由电流驱动类型的交流电装置包括围绕轴设置的定子和相对于定子围绕旋转轴转动设置的转子。定子包括多个线圈排，每个线圈排都按序以轴为中心。定子包括以同心状构造围绕轴设置的至少第一、第二和第三组线圈。每组线圈至少包括串联布线的第一对线圈排，其中该第一对的第一和第二构件构造成在相反方向上产生轴向场。第一组的第一对、第二组的第一对和第三组的第一对中的线圈排均被布置成距轴不同的距离并按序布置，使得一对第二组线圈排的第一构件被设置在一对第一组的线圈排的第一与第二构件之间。轴与第二组线圈排的第一构件之间的距离在第一对线圈排的构件与轴之间的距离中间。在一个这样的实施例中，第三组的所述对的第一构件被设置在第一组线圈排的第一与第二构件之间，使得轴与第三对线圈排的第一构件之间的距离也在第一对线圈排的构件与轴之间的距离中间。在另一实施例中，第三组的所述对的第一构件也在第二组线圈排的第一与第二构件之间，使得轴与第三对线圈排的第一构件之间的距离在第二对线圈排的构件与轴之间的距离中间。在又一实施例中，第一组的所述对的第二构件被设置在第三组线圈排的第一与第二构件之间，使得轴与第三对线圈排的第一构件之间的距离也在第一对线圈排的构件与轴之间的距离中间。

在又一实施例中，每组线圈均包括串联布线的至少两对线圈排，并且在每组中至少两对线圈排中的每对线圈排的第一和第二构件构造成在相反方向上产生轴向场。所有三组线圈中至少两对线圈排中的每对线圈排的所有线圈排均布置成距轴不同的径向距离并按序布置，其中第二组线圈排的至少一个线圈对的至少一个构件在第一组线圈中的一对线圈排的两个构件之间。

在又一示例实施例中，每组线圈均至少包括串联布线的两对线圈排，在每组中至少两对线圈排中的每对线圈排的第一和第二构件构造成沿相反方向产生轴向场。所有三组线圈中至少两对线圈排中的每对线圈排的所有线圈排均布置成距轴不同的径向距离并按序布置，其中第二组线圈排的至少一个线圈对的第一构件被设置在第一组线圈中的第一对线圈排的两个构件之间、并被设置在第一组线圈中的第二对线圈排的两个构件之间。第二组线圈排的至少一个线圈对的第二构件被设置在第一组线圈排的所述对的第二构件与第三组线圈排中的所述各对中的一对的各构件中的一个构件之间。

此外，该装置能够构造成马达，其中定子仅包括围绕轴设置的三组线圈，并且每组线圈相对于其他组线圈围绕轴旋转，使得随着经由线圈中的每个线圈的电流输入，所述定子产生旋转磁场。

在第二系列实施例中，产生电力或由电流驱动类型的交流电装置还包括围绕轴设置的定子和相对于定子围绕旋转轴转动设置的转子。定子包括多个线圈排，并且每排都按序以轴为中心，其中该定子包括以同心状构造围绕轴设置的至少第一、第二和第三组线圈。每组包括串联布线的至少两对线圈排，并且在每对中的第一和第二构件被构造成在相反方向上产生轴向场。所有三组线圈中的两对的每对中的所有线圈排均被布置成距轴不同的径向距离并按序布置，并且第二组线圈排的至少一个线圈对被设置在第一组线圈中的不同的两对线圈排之间。在线圈排的序列中，第一组的至少一对线圈排的构件可以被设置成在序列中彼此相邻而之间没有设置其他线圈排。在此例如参考为A'_i、B'_i、C'_i、A'_i、B'_i、C'_i的不同双螺旋线圈对被理解为属于用于不同电相位的不同线圈组。

在第三系列实施例中，产生电力或由电流驱动类型的交流电装置还包括围绕轴设置的定子和相对于定子围绕旋转轴转动设置的转子。定子包括多个线圈排，并且每个线圈排都按序以轴为中心。定子包括以同心状构造围绕轴设置的多组线圈排。每组n都包括串联布线的一对或多对，即k对线圈排C_k,n和C'_k,n，并且定子中的线圈排被构造成在相反方向上产生轴向场，以部分地或完全地抵消轴向场分量。线圈排C_k,n中的每一个均被定位于径向向外距轴距离R_k,n，线圈排C'_k,n中的每一个均被定位于径向向外距轴距离R'_k,n，以及，随着（i）至少（nk/2）-1个线圈排位于距轴小于R_C的距离处、以及（ii）至少（nk/2）-1个线圈排位于距轴大于R_C的距离处，总体来说，线圈排的序列的特征在于距轴的距离R_C的中心位置，而：

$R_c=\frac{1}{\mathrm{nk}}\underset{k,n}{\mathrm{\Σ}}\frac{R_{k,n}+R_{k,n}^{\′}}{2}.$

在第四系列实施例中，产生电力或由电流驱动类型的交流电装置包括围绕轴设置的定子，并包括相对于定子围绕旋转轴转动设置的转子。定子包括多个线圈排，每排都按序以轴为中心。定子包括以同心状构造围绕轴设置的多组线圈排、包括第一、第二和第三组线圈排。每组n均包括串联布线的一对或多对，即k对线圈排C_k,n和C'_k,n，定子中的线圈排被构造成在相反方向上产生轴向场，以部分地或完全地抵消轴向场分量。线圈排C_k,n中的每一个都径向向外距轴距离R_k,n定位，线圈排C'_k,n中的每一个都径向向外距轴距离R'_k,n定位，以及，随着（i）至少（nk/2）-1个线圈排位于距轴小于R_C的距离处、以及（ii）至少（nk/2）-1个线圈排位于距轴大于R_C的距离处，总体来说，线圈排的序列的特征在于距轴的距离R_C的中心位置。根据以下方程来构造一对第一组线圈排的第一和第二构件中的每个构件：

X(θ)=[h/(2*π)]θ±A_nsin(nθ)

Y(θ)=Rcos(θ)

Z(θ)=Rsin(θ)。

如果定子厚度与R_C的比率大于25%，则各组线圈排的第一组的互感能够在这些组线圈排的第二组的互感的10%以内。在一个示例中，在操作期间，由第一组线圈排产生的轴向场可以小于由第二组线圈排产生的横向场的10%。此外，第二组中的一对线圈排的第一构件C_2,n或C'_2,n可以设置在第一组中的一对线圈排的构件C_1,n与C'_1,n之间的序列中。此外，第一组中的第一对线圈排的第一构件C_1,n或C'_1,n可以设置在第三组中的一对线圈排的构件C_3,n与C'_3,n之间的序列中。在第一组线圈排内，第一组中的第一对线圈排的第一构件C_1,n或C'_1,n与第一组中的第一对线圈排的其他构件相比较可以具有不同的匝数、或在与轴平行的方向上可以具有不同的每匝前移的速率。

附图说明

图1是在沿结合有本发明的特征的超导风力发电系统的纵向轴的横截面图；

图2是进一步图示图1所示的系统中的发电机部分的特征的示意图；

图3是在根据本发明的示例性定子-转子构造的横截面中的局部视图；

图4是图3所示的横截面的局部放大视图，以进一步图示转子和定子中的线圈排；

图5是在结合有本发明的特征的定子64'的横截面图；

图6是在根据本发明的系统中可以用于形成单独的定子和转子的线圈排的扭转多极布线图案的透视图；

图7是根据本发明的线圈排的序列的示意图；

图8是根据本发明的实施例的线圈排的另一序列的示意图；

图9和10是根据本发明的其他实施例的线圈排的其他序列的示意图；以及

图11和12是图示根据本发明对于定子中的双螺旋线圈排的对的构件相对于转子位置的互感的图表。

相同的附图标记贯穿各附图用于表示相同的部件。示意性地图示许多部件，但应理解的是，没有示出明显特性的各种细节、连接和部件，以便强调本发明的特征。没有按比例地示出各附图中所示的各种特征，以便强调本发明的特征。

具体实施方式

在详细描述与本发明的实施例相关的特定方法和设备之前，应指出的是，本发明主要在于部件和工序步骤的新颖的和非显而易见的组合。以求不使本公开与对本领域的技术人员显而易见的细节搞混，在附图和说明书更详细地描述与本发明的理解有关的其他元件和步骤的同时，省略或不太详细地介绍某些常规的部件和步骤。此外，随后的各实施例并未定义关于根据本发明的结构和方法的限制，而是仅提供包括容许的而非强制性的和说明性的而非详尽的特征的示例。

以下全部转让给本发明的受让人的专利和专利申请通过引用结合于此：美国专利No.6,921,042（以下称为'042专利）；2008年4月3日提交的美国专利申请No.12/061,870“Structure For A WiringAssembly And Method Suitable For Forming Multiple Coil Rows WithSplice Free Conductor”（以下称为'870专利）；2008年6月5日提交的美国专利申请No.12/133,676“Method of Reducing Multipole ContentIn A Conductor Assembly During Manufacture”（以下称为'676专利）；2008年8月29日提交的美国专利申请No.12/200,964“HighTemperature Superconducting Electromechanical System With FrequencyControlled Commutation For Rotor Excitation”（以下称为'964专利）；2009年2月18日提交的美国专利申请No.12/388,306“Helical CoilDesign and Process For Direct Fabrication From A Conductive Layer”（以下称为'306专利）；以及2009年5月21日提交的美国专利申请No.12/470,328“Coil Magnets With Constant or Variable Phase Shifts”（以下称为'328专利）。

在不考虑如何适当地形成材料的情况下，使用如适用于由各种导体和/或绝缘材料形成的物理实施例的、诸如绕组、螺旋绕组、布线图案和线圈构造的术语。也就是说，尽管常规的在螺旋构造中物理地缠绕导体绞合，但如在此所使用的前述术语指的是得到的构造而不是用于形成图案的方法论。因此，例如线圈或绕组可以通过本体材料的去除由圆柱体形成，这产生对应于螺旋绕组的形状。由材料的去除产生的空隙也可以对应于螺旋形状。如在'306专利中所公开并要求保护地，这样的设计在此统称为直接螺旋设计或直接螺旋线圈排，所述直接螺旋设计或直接螺旋线圈排在以一系列同心设置的线圈排装配时称为直接螺旋组件。

许多横截面导体形状可以用于构造线圈排。导体可以是实心的或者多股绞合导体，可以具有圆形横截面、方形横截面、矩形横截面或相对扁平轮廓的带状形式。例如，高温超导体YBCO基导线可以具有带状轮廓，并且该带状轮廓具有例如在2mm至5mm之间的范围内的宽度尺寸以及例如在0.09mm至0.3mm的范围内的厚度。也设想了更大的尺寸。

通常，如在此所使用地，措辞“横截面外形”表示具有根据视图描述的形状的外形，该视图沿与诸如沟道路径或导体路径的方向或轴延伸的方向的相关方向横向的平面。在曲线几何形状的情况下，路径基于所关心的点处的切线矢量的方向。图示的实施例中的导体分段包括多股绞合和实心的多样性，并通常是与厚度尺寸成比例地具有相对大的长度尺寸的细丝状的。沿横截面的外形可测量导体分段的厚度尺寸，该外形通常被理解成沿与长度尺寸横向的平面，但该分段能够跟随着诸如沟道30的路径的曲线路径。

在本发明的背景下，在'042专利和在'870专利中描述了构造成产生磁场的螺旋缠绕的大致圆柱形线圈排（例如，各线圈排对具有相对的倾斜角）的序列。然而，在与横向场结合能够产生轴向场的导体组件中，代替具有相对倾斜角的线圈排对，了解公开了使用具有单独的线圈排的导体组件的'676专利。通常，在这样的独立构件对被称为双螺旋线圈排的情况下，前述参考所公开的在文献中被称为双螺旋线圈排或构造，其中依照方程1、方程2或方程3，X方向与主轴重合，围绕该主轴彼此同心地形成具有相对倾斜角的线圈排对。对于相对简单的实施例，用于在现有技术的双螺旋线圈排的对中找到的单独线圈的三维空间曲线可以是依照方程1产生的规则螺旋几何形状：

1A X(θ)=[h/(2*π)]θ+A_nSin(nθ)

1B Y(θ)=Rcos(θ)

1C Z(θ)=Rsin(θ)。

其中，X坐标沿与对称轴平行的纵向方向，以及Y和Z坐标沿与对称轴横向并彼此正交的方向；并且θ是在与X轴横向的Y-Z平面中测量的方位角。参数h限定每匝沿X方向的前移。R是绕组图案的孔径的半径。也就是说，对于具有规则形状的实施例，R对应于从对称轴至曲线上的点的径向距离，而孔径包含由螺旋图案形成的形状内的圆柱形体积。

在X(θ)方程中，与项A_n的量值和符号成比例，项A_nsin(nθ)是向相对于Y-Z平面的每一匝给予正倾斜或负倾斜的调制分量。根据n的值，项A_nsin(nθ)还在围绕轴的曲线的每360度的一匝中引入调制、即正弦变化。对于n=1，向每匝赋予椭圆形状，这限定'042专利的图1所示的两个线圈形导体图案，并适于产生偶极场。用与n=2相对应的正弦分量产生'328专利的图2所示的更复杂的图案，这适于产生四极场。对于n的更大值，更高频率的正弦分量调制每个匝的形状。通常，在倾斜角顺序交替使得每个线圈排之前和之后均为具有相对倾斜角的线圈排的情况下，现有技术的依据方程1、方程2或方程3的线圈排的组件是从中心轴延伸的两个或多个双螺旋线圈排对的序列。

如已在偶极构造的文献中所说明地，在对于项A_nsin(nθ)而言n=1的情况下，线圈包括相对于与图示的X轴正交的平面的倾斜。这产生在轴向方向上的相当大的电流分量。因此，与轴向场分量一起产生横向磁场。横向在该背景下表示磁场的仅与形成导体所沿的主轴横向的平面中的分量。对于本发明的实施例，在横向场分量在YZ平面上延伸的情况下，在笛卡尔坐标系中，这对应于围绕X轴对称形成的圆柱形形状的螺旋线圈。通过第二层匝的并入和通过相对于YZ平面具有相对倾斜角的两个图案（即在具有相反符号的两个线圈中的每个线圈中提供项A_n），可以产生大致纯的横向场并实际上抵消了轴向场分量。如果依照'306专利制成直接螺旋线圈排，则该对线圈排被称为直接双螺旋线圈排对。应理解的是，一对双螺旋线圈排中的独立构件对于相应的振幅A_n可以具有不同的值，以便考虑场1/R^n-1的相关性，以便抵消轴向场分量。

更一般地，对于本发明的实施例，如在此所使用的术语线圈排表示遵循用方程2产生的三维空间曲线的导体的螺旋状线圈：

2A X(θ)=[h/(2*π)]θ+ΣA_nsin（nθ+φ_n）

2B Y(θ)=Rcos(θ)

2C Z(θ)=Rsin(θ)

与在前限定的项一致，A_n是调制的振幅，而φ_n确定正弦分量之间的相移。通常，A_n可以是θ、X(θ)、Y(θ)或Z(θ)的函数，即A_n=f(θ、X(θ)、Y(θ)、Z(θ))。R确定绕组图案的从圆柱形线圈的轴测量的半径，而θ是方位角。在该背景下，术语线圈和线圈排是等同的，指的是具有大致圆柱形形状的螺旋导体图案。形容词螺旋可以一般地说指的是依照方程1或方程2能够装配到同心设置的线圈排中的各种螺旋状形状，但应理解的是其他的三角或数值表达式可以用于限定沟道路径和导体路径。场的与n的一个或多个值相对应的单独的或组合的成分通常称为多级分量。

如在此所使用的线圈排在假定螺旋状的线圈形状的情况下指的是连续系列的导体匝。在过去，除了在序列中彼此相邻设置之外，双螺旋对的线圈排具有相同的匝数N。

由用双螺旋线圈排对形成的绕组构造产生并根据方程2的与不同的值n相对应的场分量彼此大致或完全正交。对于纯偶极场，多个调制上的总和限于一项、即n=1，其中线圈图案形成单独的匝相对于横向的Y-Z平面倾斜的螺旋构造。该倾斜角α由振幅A₁确定。当A₁等于R时，得到的倾斜角α为45度，并且随振幅的大小而增大。

如所指出地，单层双螺旋线圈能够同时产生横向和轴向磁场。如在此所使用地，对于双螺旋组件的参考表示线圈组件，该线圈组件包括具有依照方程1或方程2或方程3构造的对的每个构件的一对或多对双螺旋线圈排并沿公共轴设置，使得由一个线圈排产生的轴向场被设置在与由另一线圈排产生的轴向场的方向相反的方向上，以便彼此完全或部分地抵消轴向场。如在此所进一步描述地，可以选择单独的双螺旋线圈排（例如包括导体的层）中的流向，使得在高度抵消轴向场的同时，各层的横向磁场累加。因此，变得有时为通过横向平面中的二维多极来描述磁场所共有。如果场沿X方向改变，例如接近线圈端的情形，则二维多极展开仍能够用于描述该场，并且确定不同轴向位置的多级成分。依照方程2A，能够用得到的线圈图案产生的多极场分量对应于每个A_n是非零的n的值。

在包括双螺旋线圈排对的足够长的绕组构造中，在能够忽略线圈端效应的情况下，n=1的图案产生没有高阶分量的大致纯的偶极场。类似地，四极图案（n=2）、六极图案（n=3）和其他甚至更高阶的图案产生具有由n的值限定的多极阶的纯场。能够依照上述数学产生几乎任意形状和质量的磁场。然而，用于产生具有较高的多极阶（n＞1）的场或者包含超过一个多极阶的场的线圈的结构、例如产生偶极和四极场的叠加的线圈的结构受几何约束限制、诸如要求用以避免导体碰撞的导体之间的最小间隔。线圈中的导体间隔由项h控制。为了增大h的值，沿X轴的方向将导体进一步间隔开。最小导体间隔对应于当相邻导体正好彼此接触时。导体间隔的任何进一步的减小将导致相邻导体的干涉。

更一般地，还可以依照方程3产生螺旋形导体的三维空间曲线：

3A X(θ)=[h/(2*π)]θ±ΣA_nf₁(nθ)

3B Y(θ)=Rf₂(θ)

3C Z(θ)=Rf₃(θ)

其中f₁、f₂和f₃是任意函数，所述任意函数可以是三角或数值表达式，但并不受此限制。对于图示的实施例，f₁、f₂和f₃如公开地用于根据方程2的三维空间曲线、即用于导体的单层或线圈排。在线圈围绕轴螺旋缠绕以产生与轴横向的磁场分量的情况下，能够通过线圈排在具有相反倾斜角的同心设置的双螺旋对中的形成实现轴向场分量的抵消，这有时产生高质量的横向场、例如大致不具有高阶分量的均匀偶极。例如参考Goodzeit等的“The Double-Helix Dipole-A NovelApproach to Accelerator Magnet Design”,IEEE Transactions on AppliedSuperconductivity,Vol.12,No.2,June2003,pp.1365-1368，其描述了对于双螺旋线圈对磁体几何形状的分析。还参考'042专利，其公开了用于磁体的直线线圈排、即沿具有场的直轴形成的线圈排，该场沿如适于并入转子或定子的磁体轴恒定。在此公开的发明构思能够结合在'870专利中公开的设计和制造构思来实践；并且还能够结合在'306专利中公开的直接螺旋设计来实践。

'870专利的图1以及'306专利的图2-6和8图示了例如通过导致轴向场分量部分的、相当大的或完全的抵消的相反倾斜角、用于构造本发明的实施例的双螺旋线圈排的制造特征，以便利用每个双螺旋线圈排对产生占优势的横向场。

根据在'870专利中更充分地描述的示例性设计和制造程序，首先限定用于预期线圈排的初始线圈几何形状。该初始线圈几何形状将是多个参数的函数、包括导体横截面的形状、导体尺寸以及线圈排中导体的匝数N。随后，对于沿层的圆柱形表面的例如复合树脂的绝缘材料层的每个限定层，在其中用工具加工对应的沟道几何形状，以接纳导体。举例来说，CNC装置中的对于复合材料中合适的沟道轮廓和沟道路径的应用，能够部分地基于导体路径轨迹、X(θ)、Y(θ)、Z(θ)产生G代码指令。可以以足够的精度完成工具加工，使得在每个复合层中形成每个线圈排的导体的分段的布置以足够的精度来确保所有的分段的设置，以便确保由排图案的组合产生的场与为线圈设计模制的场紧密地对应。

采用该方法论，能够形成各种沟道轮廓和导体横截面形状，以形成线圈设计。绝缘层中沟道的提供在线圈排中能够实现任意形状的导体沿绝缘层的设置。对于任意横截面形状的导体，形成有线圈排的绝缘材料中的沟道的提供在不依赖于底层线圈排中提供的任何导体情况下预先限定了用于导体的路径。如图示实施例所示，现在可以更充分地利用更加优化的布线图案，以在不危及可靠性的情况下、通过将所有的线圈排与绝缘层分离和通过在绝缘层中形成的沟道预先限定布线图案来形成电动装置更高效的设计。因为例如MgB₂的这样的材料的设置能确保稳定性，所以这对于诸如高温陶瓷超导体的脆性导体尤其有利。

用于设置导体的沟道的形成在还将导体的部分与导体的其他部分隔离的同时，提供了精确的位置和导体稳定。沟道可以被构造成匹配导体的横截面形状。可以相对紧的螺旋构造形成导体图案和对应的沟道路径，其中每匝在轴向方向上的前移的h小，使得相邻的匝中的导体的一部分接触。在这样的实施例中，导体具有绝缘涂层。沟道能够容纳方形或矩形横截面，以允许电流密度相对于线圈体积的优化，这以较短的导体长度产生较高的场。

为了使具有矩形横截面形状的导体上的变形最小，能够相对于中心轴或基准面以可变角度形成沟道。在这样的实施例中，部分地由于用于圆形形状导体的沟道不遵循与容纳矩形导体的沟道相同的路径，所以得到的场将不同于对于圆形横截面形状的常规导体产生的场。在其他实施例中，能够相对于该层表面以正常的不变取向来形成具有矩形横截面形状的沟道。在这些实施例中，导体能够与路径一致，以便保证更优化的载流能力。沟道能够形成为各种形状，并能够形成在包括金属、复合物和陶瓷的各种材料类型的层中。沟道可以通过设备加工或包括模制、铸造、蚀刻或激光切割的其他技术来形成。

导体的如由沟道限定的位置预定场的“形状”和场的质量（例如均匀性）。在沟道中能够限定导体路径，以获得整个导体路径的理论最佳位置。根据本发明的实施例，这对于产生装置的最佳设计尤其重要，其中该装置产生旋转场。当线圈排具有距公共轴不同的距离时，获得理论设置在去除系统误差的预期多极阶和为场的径向相关性提供补偿方面提供最佳场质量。也就是说，沟道设计能够充分地使线圈排中的“随机”误差的引入最小，并通过将导体设置成充分地靠近理论正确的位置使得能够实现例如h、A_n的最佳参数值。采用该方法，能用线圈排产生多相定子绕组，以形成调整，该调整抵消由不同线圈排相对于转子中的线圈排在不同的径向距离处的顺序布置引起的效应。

在这点上，此时认识到的需求是提供一阶方法，以避免在某些设计中否则可能由磁场的径向相关性引起的问题。根据一阶方法，为定子中的多个双螺旋线圈对之中限定相等的径向位置并在所述多个双螺旋线圈对之中调节相等的径向位置，使得从与各相位相关的线圈对的组得到的磁通量在转子处和在转子周围能够具有近似或相同的值。通过将该特征结合在发电机的定子中，在不同相位之中的电压和电流振幅能够变得更均匀。

还认识到的需求是提供二阶方法，以进一步为与不同的相位相关的线圈对所处的不同径向距离调节。根据二阶方法，能够调节定子中线圈排对的独立构件的设计，以在转子处和在转子周围提供来自均与多相定子绕组的不同相位相关的线圈对的组的更均匀的磁通量场强。通过并入该特征，单独地或与一阶方法结合，在发电机的定子中，在不同相位之中的电压和电流振幅能够变得更均匀。

就基于一阶和二阶方法寻找最佳设计来说，导体在距公共轴的精确距离处的布置准确度以及在线圈排的圆柱形平面中复制预先限定的调制的准确度仅受现代加工中心的精确度限制。

将线圈排导体稳定在沟道中还防止导体的能够由温度的改变和洛伦兹力所引起的运动。对于超导定子，沟道的提供使得能够更可靠形成磁体，所述更可靠的磁体在与不同的相位相关的线圈排对之中具有优化的磁通量均匀性。除了直接双螺旋实施例之外，在不提供用于将导体固定在线圈排中的沟道的情况下，低温超导体设计中的导体更倾向于滑动并在磁体中形成“失超”，这潜在地导致磁体灾难性的破坏。

对于超导磁体，根据'870专利或'306专利机加工的沟道提供了具有附加的稳定性的导体，以减轻在温度周期变化时的运动。依照'870专利，通过用复合材料的覆盖层覆盖用于线圈排的机加工凹槽中的导体的分组，获得附加的粘附和稳定性。此外，相同的线圈排内或在相邻的线圈排之间的导体环的隔离对于隔离的和对于某些非隔离的导体减少或消除了匝之间潜在的电短路。此外，如'870专利和'306专利所描述地，可以围绕各线圈排限定沟道，以提供围绕导体的冷却路径。合适的冷却源包括液态氮、液态和气态氢、液态和气态氖、液态和气态氦以及在线圈排设计用于电阻应用情况下的水。

图1示意性地图示在三相定子和在相关的转子中并入双螺旋线圈排的全超导风力发电系统10。系统的涡轮部12包括经由安装在轴承22上的杆状物20通过转矩管24连接至发电机部26的一组风力叶片16。涡轮部和发电机部安装在塔28上。图示的容纳在低温恒温器29中的发电机部在通过冷却管线30获得的低温超导状态下操作，该冷却管线30引入用于遍及转子和定子绕组的循环的气态氦。发电机部12还包括能够与在'964专利中公开的实施例一致的磁通泵32。同样参考图2，其进一步图示发电机部26。发电机部设计成以大约10RPM的转子速度操作，但结合系统10描述的设计原理同样适用于高RPM的电动旋转装置系统。发电机部26是并入本发明的特征的机电系统。发电机部26还包括在该说明集中于与提供本发明的理解更相关的特征的情况下、为清楚起见而省略的多个常规部件。同样安装在轴承22上的转子54通过无刷励磁机60操作。

在图3和图4的横截面视图中进一步示出发电机部的定子-转子组合的示例实施例，并且转子54包括五对双螺旋线圈排，以及定子64包括六对双螺旋线圈排。在常规的方式中，转子的双螺旋线圈排串联布线，以及定子的六对双螺旋线圈排被构造成为三相操作而布线的三组绕组。也就是说，每个线圈组包括两对双螺旋线圈排。转子54为相对于围绕该转子54的定子64的旋转运动而围绕杆状物20和转矩管24安装。护铁屏蔽66示出为被设置成围绕定子64。转子54和定子64均为直接双螺旋设计，但在其他实施例中，转子可以作为电阻绕组。

采用构造成三相双螺旋设计的定子，所有的线圈排可以具有如'328专利所描述的扭转多极设计。举例来说，线圈排可以依照诸如在此由结合'328专利的方程5的方程2所描述的相变而均遵循围绕X轴的不同的空间曲线，其中对于除n=2以外的所有n的值，A_n=0产生偶极场。在其他实施例中，定子线圈排可以利用仅等于3或4的n来构造，以在此分别依照方程2或方程3产生四极或六极场。还设想用于线圈排的高阶多极几何形状（八极等）。此外，线圈排可以遵循空间曲线，其中n的多值为非零。

示例性转子54可以包括任意数目对的双螺旋线圈排（C1_转子和C1'_转子）、（C2_转子和C2'_转子）…（Cm_转子和Cm'_转子）。尽管在图3和4中示出了五个这样的对，但其他图中描述的实施例图示了同样串联布线的不同数目的转子线圈排。除了定子64的实施例之外，适于系统10（以及其他电动旋转装置系统）中的操作的其他定子包括两组或超过三组的线圈绕组，并且每组均包括一对或多对双螺旋线圈排。为了初始地描述本发明的特征，在图5所示的能够与图1、2和3的定子64互换的定子64'的简化图中示意性地示出单对线圈排A、A'、B、B'、C、C'。定子64'是在如'870专利所描述的复合树脂层内形成的一系列同心形成的线圈排。标识A的最里面的一个线圈排示出与定子的壳或结构化内芯一体地形成。标识A'的最外面的一个线圈层覆盖有绝缘包装层。在本发明的示例实施例中，转子和定子线圈排中的每个线圈排都可以被构造成扭转多极线圈排70，并且发电机中所有的线圈排具有相同或几乎相同的扭转和相同的多极阶。每个线圈排包括与线圈排中的匝数N一致的多个互连开环71。例如，参考图6的示例性扭转四极线圈排，该图6图示了用于线圈排的扭转四极螺旋图案。图6的线圈排70遵循代替每隔360度重复而沿环71循环出现的四极图案。线圈排70示出具有46个导体环71，但匝数N能够取决于应用从少于10个变化至几百或几千或更多匝。

再次参考图5的横截面图，构造成三相定子的定子64'具有均与三对双螺旋线圈排72、74和76中不同的对对应的三个线圈组。每对线圈排72、74和76对应于三相中单独的一个相。线圈A、A'是对72的构件，线圈B、B'是对74的构件，以及线圈C、C'是对76的构件。每对线圈排相对于所述对中的另一对提供120度的旋转间隔设置的相位激励。对于马达应用，代替构造成发电机部26，每对线圈排72、74和76能够独立地连接至不同的电源，并且引入到每对的电力相对于其他两个源有120度的相位差。

由于定子64和64'的线圈排彼此同心设置，所以由每个线圈排产生的磁场作为定子线圈排距转子或公共轴的距离的函数逐渐远离转子场。为了使每个相提供由转子经受的合成磁场的等同的径向位置，示出每个线圈对的独立构件按序设置（定位），使得每对中的两个构件中的每个构件与转子之间的平均距离（或每对中的两个构件中的每个构件与轴之间的平均距离）相同。根据本发明的多个实施例，线圈的不同对距转子的平均距离相同。再次参考图4和5。结果，以以下序列定制图5的定子64'的线圈排：A、B、C、C'、B'、A'。因此，对于本发明的一个实施例（即，定子64'具有三对双螺旋线圈，并且一对双螺旋线圈对应于三个不同相位中的每个相位），一对或多对中的线圈相对于至少一个其他对径向向内和向外。例如，线圈B'相对于线圈对CC'径向向内，而线圈B相对于线圈对CC'径向向外。更一般地说，三相定子可以包括多个图示的三对线圈排（A、A'）、（B、B'）和（C、C'），并且各对中的构件相对于一个或多个其他对径向向内和向外。双螺旋线圈排可以在超过三个的线圈组之中构造（例如，以提供六相或12相构造），或者可以被布线以在每个线圈组中提供两个或更多双螺旋线圈排对。

在图5的构造中，三个不同的线圈组72、74和76中的每个线圈组的径向中心线、即A-A'、B-B'和C-C'在制造期间设置成具有根据需要调节的间隔的序列A、B、C、C'、B'、A'，使得示出每个线圈对的独立构件相对于转子设置在每对中的两个构件中的每个构件与转子（或轴）之间的平均距离相同的距离处。

不同对的线圈距转子的平均距离是从转子起相同的径向距离的情况下，平均距离完全与公共中心线位置R_C重合，使得三对线圈排之中的互感能够近似相等。距离R_C在图5中图示出为从轴（X=0）向线圈排C与C'之间的中点延伸的矢量。在无轴（X=0）的图示的情况下，在图7、9和10中示意性地示出这样的线圈排图案的多个示例。图示的线圈排对具有公共的中心线R_C（即，在相同的对中的构件之中，距轴相同的平均距离）。通常，根据本发明的许多实施例，每对中的构件距公共轴的平均距离是距公共轴的相同距离R_C。将上述情形与图8所示的布置相比较，其中线圈对处于序列A、B、C、A'、B'、C'中，以产生每对中的两个构件A和A'、B和B'、C和C'中的每个构件与转子之间的平均距离R_AA'、R_BB'、R_CC'不同的布置。可以用前述二阶方法改进依照图8所示的序列的实施例，以在双螺旋线圈排的对之中或更一般地在多相定子的多个线圈组的线圈排之中获得令人满意的互感平衡。

通常，即使每个线圈相对于公共轴或转子的径向距离通常不同，在多个线圈组之中也能够具有大致相等的互感。这通过每对双螺旋线圈的设置来实现，使得每个线圈组中的每个线圈对的构件相对于公共轴的距离的平均值相同。通过提供这些径向距离R_C相等的平均值、并通过使所有线圈排之间的间隔最小，对于线圈排72、74和76的线圈对中的每个线圈对能够具有相同的最大互感值。在图5的实施例中，各线圈排还被称为线圈组72、74和76。为了例证起见，夸大并未按比例绘制图7的序列A、B、C、C'、B'、A'中的线圈排之间的径向分离。

依照上述二阶方法例如通过调节每个线圈排中的匝数能够具有更高的精度，以获得相等的互感。基于图7的示例，通过在R_C处为任何数目的线圈组中的任何线圈排中的每个线圈排提供这些对的径向距离相等的平均值，并通过使所有线圈排之间的间隔最小：对于线圈组72、74和76中的每个线圈组都能够具有在具有不同相位的线圈组之间相同的最大互感值。

对于具有定子和转子的交流电装置的系统10及其他实施例，在定子包括以同心状构造围绕轴设置的多组线圈排的情况下，线圈排的每组n都包括串联布线的一对或多对，即k对线圈排C_k,n和C'_k,n，并且定子中的线圈可以构造成在相反方向上产生轴向场，以部分地或完全地抵消轴向场分量。线圈C_k,n中的每一个均被定位于径向向外距轴距离R_k,n，而线圈C'_k,n中的每一个均被定位于径向向外距轴距离R'_k,n。总体来说，线圈序列的特征在于距公共轴的距离R_C的中心位置。至少（nk/2）-1个线圈位于距轴小于R_C的距离处，以及至少（nk/2）-1个其他的线圈位于距轴大于R_C的距离处，而：

$R_c=\frac{1}{\mathrm{nk}}\underset{k,n}{\mathrm{\Σ}}\frac{R_{k,n}+R_{k,n}^{\′}}{2}.$

为获得可能的最大互感，用于系统10的转子和定子的实施例可以包括比在图形中图示的更多的线圈排的双螺旋对。参考图9和10，本发明的其他实施例包括适于发电机部126的其他定子设计，包括转子中的任意许多双螺旋线圈排C_i转子和C_i'_转子以及每个线圈组中的n对双螺旋线圈排。在图10的示例中，不同的线圈组A_i、A_i'、B_i、B_i'和C_i、C_i'的线圈排为A₁…A_n、B₁…B_n、C₁…C_n、A₁'…A_n'、B₁'…B_n'和C₁'…C_n'的序列。在图9的示例中，不同的线圈组A_i、A_i'、B_i、B_i'和C_i、C_i'的线圈排是更一般的序列的示例：A₁、A₁'…A_i、A_i'、B₁、B₁'…B_i、B_i'、C₁、C₁'…C_n、C_n'、B_j、B_j'…B_n、B_n'、A_j、A_j'…A_n、A_n'。

在其他的实施例中，如果不需要轴向场分量的抵消或轴向场分量的抵消是更有利的，则能够在定子线圈组之中使用奇数个线圈排。

用于平衡转子与定子绕组之间的互感的方法包括首先对于给定的装置尺寸确定作为径向距离的函数的转子与定子之间的互感。如图11所示，所得到的互感相对距离的曲线说明了，对于各双螺旋线圈排对（例如A_i、A_i'、B_i、B_i'和C_i、C_i'）的互感的和在依据图10的序列的对与对之间能够大致或完全相等（例如，在大约2%以内）。类似地，图12说明了，根据另一序列（A1、B1、C1、C1'、B1'、A1'、B2、C2、C2'、B2'、A2'）的双螺旋线圈排对的互感的和能够大致或完全相等（例如，在大约0.5%以内）。

通常，根据本发明的实施例，前述用于多个定子和转子线圈排的布置能够被构造成均等化在转子与定子线圈之间补偿互感、即通量共享。

认识到如'870专利和'306专利所描述的制造技术的发展是相对新的，还没有将双螺旋技术应用于发电机和其他电动设备的设计能力。用双螺旋线圈排理论地可获得的固有的高的场均匀性需要设计中精确的线圈排的制造，该设计在线圈激励期间经历的强力下稳定。在系统10的情况下，用于创建高的场均匀性的能力使输出电压谐波失真最小。在使不期望的谐波最小的情况下，还减小了振动和振动引发的应力。采用'870专利和'306专利的工艺的双螺旋线圈排的制造还使得能够在一层中制造连续的定子绕组，以基于选定的值n形成任意数量的极。

在并入双螺旋线圈对的定子中，常常优选的是，大致或完全地抵消磁通密度的轴向分量。这能通过调节形成双螺旋的单独的线圈排中的匝数（N）或调制振幅（A_n）来实现。通过调节由一对中的每个线圈排产生的场的轴向分量量值，得到的场能够是完美横向的、即径向的。对于每个相位相等的自感以及对于每个相位与转子绕组之间相等的互感，可以与每个双螺旋对的线圈排的径向设置相比需要更多，即相对于为所有对所共有的平均半径R_C彼此对称地设置线圈排对。由于在径向方向上的非线性场变化，所以该设计还可以需要层数n和/或调制振幅（A_n）的变化。

在电动装置中，当定子绕组的厚度T与该装置总的径向尺寸成比例增大时，互感影响以其他方式抵消轴向通量的相同参数。当完美地平衡互感时存在的轴向场能够为横向场的百分之几。可替选地，采用完全抵消轴向场的设计，例如能够导致不同定子绕组之中互感的大约百分之几的不平衡。该效应能够在连接定子以将电力馈送到电网（grid）时可能是成问题的。为了使该效应最小化，能够进行优化，以同时使互感的不平衡最小化和使轴向场分量的抵消最大化。该优化能够通过改变如下参数来操作：线圈排中的匝数和/或调制振幅A_n和/或匝前移h、以及当可能时线圈排相对于定子绕组的平均半径的径向位置。也就是说，线圈排可以不处于完美地对称于定子绕组的平均半径R_C的位置中。

举例来说，通过以下形式中的一种形式使复合目标函数最小化，能够以最小的误差获得伴随轴向场抵消的互感和自感的平衡。

·当改变匝数N时：

·当改变调制振幅A_n时：

·当改变匝前移h时：

其中：

N_i是层i的匝数

N_i’是与层i形成双螺旋的层i'的匝数

A_ni是层i的调制振幅

A_ni'是层i'的调制振幅

h_i是层i的匝前移

h_i'是层i'的匝前移

M_ir是层i与转子绕组之间的互感

M_i'r是层i'与转子绕组之间的互感

M_ref是期望的互感

B_轴,i,x是在良好的场区的位置x处由层i的双螺旋对产生的通量密度的轴向分量

N是各层的对的数目

L是良好的场区的长度

α是调整参数

R_i是线圈i相对于公共轴的径向位置

R_i'是线圈i'相对于公共轴的径向位置

尽管已参考特定的实施例描述了本发明，但本领域的技术人员应理解的是，在不偏离本发明的范围的情况下，可以作出各种改变和等同物代替本发明的各元件。

Claims (24)

1.一种产生电力或由电流驱动类型的交流电装置，包括：

定子，所述定子围绕第一轴定位；以及

转子，所述转子被设置成相对于所述定子围绕旋转的所述轴转动，所述定子包括多个线圈排，每个线圈排都按序以所述第一轴为中心且包括利用围绕所述第一轴螺旋的连续一系列匝形成的导电线圈，其中：

所述定子包括以同心状构造围绕所述轴设置的至少第一、第二和第三组线圈排，每组都包括串联布线的至少第一对导电线圈，并且所述第一对导电线圈中的第一和第二构件被构造成在相反方向上产生轴向场，

其中所述第一对导电线圈中的第一构件布置成距所述第一轴第一距离，所述第一对导电线圈中的第二构件布置成距所述第一轴第二距离，且其中，对于每对第一对导电线圈，在同样的第一对导电线圈中所述第一距离均不同于所述第二距离，且第一组、第二组和第三组的线圈排相对于所述第一轴按序布置，使得所述第二组线圈排的导电线圈对的第一构件被设置在所述第一组线圈排的导电线圈对的第一与第二构件之间，以使得所述第一轴与所述第二组线圈排的导电线圈对的第一构件之间的距离介于所述第一组线圈排的导电线圈对的所述第一距离和所述第一组线圈排的导电线圈对的所述第二距离中间。

2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述第三组线圈排的导电线圈对的第一构件被设置在所述第一组线圈排的第一与第二构件之间，使得所述轴与所述第三组线圈排的导电线圈对的第一构件之间的距离也介于所述第一组线圈排的导电线圈对的各构件与所述轴之间的距离中间。

3.根据权利要求2所述的装置，其中，所述第三组线圈排的导电线圈对的第一构件也被设置在所述第二组线圈排的第一与第二构件之间，使得所述轴与所述第三组线圈排的导电线圈对的第一构件之间的距离介于所述第二组线圈排的导电线圈对的各构件与所述轴之间的距离中间。

4.根据权利要求1所述的装置，其中，所述第一组线圈排的导电线圈对的第二构件被设置在所述第三组线圈排的第一与第二构件之间，使得所述轴与所述第三线圈排的导电线圈对的第一构件之间的距离也介于所述第一组线圈排的导电线圈对的各构件与所述轴之间的距离中间。

5.根据权利要求3所述的装置，其中，所述第一组线圈排的导电线圈对的第二构件被设置在所述第三组线圈排的第一与第二构件之间，使得所述轴与所述第三组线圈排的导电线圈对的第一构件之间的距离也介于所述第一组线圈排的导电线圈对的各构件与所述轴之间的距离中间。

6.根据权利要求5所述的装置，其中，所述第二组线圈排的导电线圈对的第二构件被设置在所述第一组线圈排的第二构件与所述第三组线圈排的第二构件之间。

7.根据权利要求6所述的装置，其中，所述第二组线圈排的导电线圈对的第二构件被设置在所述第三组线圈排的第一构件与所述第三组线圈排的第二构件之间。

8.根据权利要求1所述的装置，其中，每组线圈排都包括串联布线的至少两对线圈排，并且每组中的所述至少两对线圈排中的每对线圈排中的第一和第二构件构造成在相反方向上产生轴向场，以及

其中在所有三组线圈排中的所述至少两对线圈排中的每对线圈排中所有线圈排都被布置成距所述轴不同的径向距离并按序布置，其中所述第二组线圈排的至少一对线圈排的至少一个构件被设置在所述第一组线圈排中的一对线圈排的两个构件之间。

9.根据权利要求1所述的装置，其中：

每组线圈排包括串联布线的至少两对线圈排，每组中所述至少两对线圈排中的每对线圈排的第一和第二构件被构造成在相反方向上产生轴向场，以及

在所有三组线圈排中的所述至少两对线圈排中的每对线圈排中的所有线圈排都被布置成距所述轴不同的径向距离并按序布置，其中所述第二组线圈排的至少一对线圈排的第一构件被设置在所述第一组线圈中的第一对线圈排的各构件之间、并被设置在所述第一组线圈排中的第二对线圈排的各构件之间。

10.根据权利要求9所述的装置，其中，所述第二组线圈排的至少一对线圈的第二构件被设置在所述第一组线圈排的所述对的第二构件与所述第三组线圈排的各对中的一个的各构件中的一个之间。

11.根据权利要求1所述的装置，所述装置被构造成马达，其中所述定子仅包括围绕所述轴的三组线圈，每组线圈都相对于其他组的线圈围绕所述轴旋转，使得随着经由所述三组线圈排的每组中的每个线圈排的电流输入，所述定子产生旋转磁场。

12.根据权利要求1所述的装置，所述装置被构造成全超导风力发电系统，其中所述定子围绕所述转子设置。

13.根据权利要求2所述的装置，其中，所述第三组线圈排的导电线圈对的第一和第二构件被设置在所述第二组线圈排的第一与第二构件之间，使得所述轴与所述第三对线圈排的第一和第二构件中的每一个之间的距离介于所述第一对线圈排的各构件与所述轴之间的距离中间。

14.一种产生电力或由电流驱动类型的交流电装置，包括：

定子，所述定子围绕第一轴定位；以及

转子，所述转子被设置成相对于所述定子围绕旋转的所述轴转动，所述定子包括多个线圈排，而每个线圈排都按序以所述轴为中心，其中：

每个线圈排包括利用围绕所述第一轴螺旋的连续一系列匝形成的导电线圈；以及

所述定子包括以同心状构造围绕所述轴设置的至少第一、第二和第三组线圈排，每组线圈排都包括串联布线的至少两对线圈排，每对线圈排中的第一和第二构件被构造成在相反方向上产生轴向场，其中在所有三组线圈排中所述两对中每对中的所有线圈排都布置成距所述轴不同的径向距离并按序布置，其中所述第二组线圈排的至少一对线圈排被设置在所述第一组线圈排中的不同的两对线圈排之间。

15.根据权利要求14所述的装置，其中，在所述线圈排的序列中，所述第一组线圈排的至少一对线圈排的各构件被设置成在所述序列中彼此相邻、而之间没有设置其他线圈排。

16.一种产生电力或由电流驱动类型的交流电装置，包括：

定子，所述定子围绕轴定位；以及

转子，所述转子被设置成相对于所述定子围绕旋转的所述轴转动，所述定子包括多个线圈排，而每个线圈排都按序以轴为中心，其中：

所述定子包括以同心状构造围绕所述轴设置的多组线圈排，每组n都包括串联布线的一对或多对，即k对线圈排C_k,n和C'_k,n，所述定子中的各线圈排被构造成在相反方向上产生轴向场，以部分地或完全地抵消轴向场分量，其中所述线圈排C_k,n中的每一个均被定位于径向向外距所述轴距离R_k,n，所述线圈排C'_k,n中的每一个均被定位于径向向外距所述轴距离R'_k,n，以及，随着（i）至少（nk/2）-1个线圈排位于距所述轴小于R_C的距离处、以及（ii）至少（nk/2）-1个线圈排位于距所述轴大于R_C的距离处，总体来说，所述线圈排的序列的特征在于距所述轴的距离R_C的中心位置，而：

$R_c=\frac{1}{\mathrm{nk}}\underset{k,n}{\mathrm{\Σ}}\frac{R_{k,n}+R_{k,n}^{\′}}{2}.$

17.根据权利要求16所述的装置，其中，所述定子的所述各组线圈排都被构造成为超导。

18.根据权利要求16所述的装置，其中，所述定子和所述转子这两者的所述各组线圈排都被构造成超导。

19.根据权利要求16所述的装置，还包括风力涡轮机并且被构造成产生电力。

20.一种产生电力或由电流驱动类型的交流电装置，包括：

定子，所述定子围绕轴定位；以及

转子，所述转子被设置成相对于所述定子围绕旋转的所述轴转动，所述定子包括多个线圈排，而每个线圈排都按序以轴为中心，其中：

所述定子包括以同心状构造围绕所述轴设置的、包括第一、第二和第三组线圈排的多组线圈排，每组n都包括串联布线的一对或多对，即k对线圈排C_k,n和C'_k,n，并且所述定子中的各线圈排都被构造成在相反方向上产生轴向场，以部分地或完全地抵消轴向场分量，其中所述线圈排C_k,n中的每一个均被定位于径向向外距所述轴距离R_k,n，所述线圈排C'_k,n中的每一个均被定位于径向向外距所述轴距离R'_k,n，以及，随着（i）至少（nk/2）-1个线圈排位于距所述轴小于R_C的距离处、以及（ii）至少（nk/2）-1个线圈排位于距所述轴大于R_C的距离处，所述线圈排的序列的特征在于距所述轴的距离R_C的中心位置；

根据以下方程来构造一对所述第一组线圈排的第一和第二构件中的每个构件：

X(θ)=[h/(2*π)]θ±Asin(nθ)

Y(θ)=Rcos(θ)

Z(θ)=Rsin(θ)；

定子厚度与R_C的比率大于25%；以及

所述各组线圈排的第一组的互感在所述各组线圈排的第二组的互感的10%以内，其中：

A是调制的振幅，

θ是在与所述轴横向的平面中的方位角，

R是从所述轴到所述线圈排上的点的径向距离，

R_C是所述线圈排的序列的中心位置距所述轴的距离，以及

h限定每匝在沿所述轴的方向上的前移。

21.根据权利要求20所述的装置，其中，在操作期间，由所述第一组线圈排产生的轴向场小于由所述第二组线圈排产生的横向场的10%，以及所述各组线圈排的第一组的互感在所述各组线圈排的第二组的互感的0.5%以内。

22.根据权利要求20所述的装置，其中，所述第二组线圈排中的一对线圈排的第一构件C_2,n或C'_2,n被设置在所述第一组中的一对线圈排的构件C_1,n与C'_1,n之间的序列中。

23.根据权利要求22所述的装置，其中，所述第一组线圈排中的第一对线圈排的第一构件C_1,n或C'_1,n被设置在所述第三组中的一对线圈排的构件C_3,n与C'_3,n之间的序列中。

24.根据权利要求23所述的装置，其中，在所述第一组线圈排内，所述第一组线圈排中的所述第一对线圈排的第一构件C_1,n或C'_1,n与所述第一组线圈排中的所述第一对线圈排的其他构件相比较具有不同的匝数、或在与所述轴平行的方向上具有不同的每匝前移的速率。