CN102412640A - 海上型超导风力发电机 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及适用于近海的海上型超导风力发电机，包括定子系统、转子系统和冷却系统，转子系统的转子线圈组件包括磁体骨架、高温超导线圈以及线圈紧固件；所述磁体骨架呈环形跑道状，中空部分为制冷介质流道，位于磁体骨架的侧面设置有环形凹槽，通过凹槽缠绕双层高温超导线圈，高温超导线圈外部设置有防止高温超导线圈向外松开的线圈紧固件，同时线圈紧固件的一端设置有电流引线接口，以便于穿过高温超导电流引线；冷却系统用于冷却转子系统，实现闭环冷却工作；本发明单机容量大，体积小、重量轻，即功率密度高；转子系统的转子线圈采用高温超导材料，没有电阻发热损耗，电机效率高。
Description
技术领域
本发明涉及适用于近海的超导风力发电机，具体涉及的是一种转子由高温超导磁体组成、定子由常规铜线圈组成的海上型超导风力发电机。
背景技术
传统的风力发电机，都会因为受其机电性能的限制，在其单机容量扩容的过程中会受到诸多技术上的障碍。海上风电又因为环境恶劣，维护困难且成本极高，因此对风机的稳定性提出了极高的要求。
对于风机而言，故障率最高的是齿轮箱。齿轮箱中的零部件随着风机长年累月地高速旋转，极易磨损；同时，它增加了整个风机系统的机械负载和磨擦损耗，从而极大增加了风机系统的维护成本且减小风机的使用寿命。不仅如此，齿轮箱的故障率还随着风机容量的增大而成指数倍增长。因此，开发直驱式风力发电机组成为了世界风电技术的主要发展趋势。
现有的直驱式风力发电机一般采用永磁发电机，但由于风力发电机同额定转速低，输出扭矩大，对电机的设计提出了较高的要求。传统直驱机组的极数很多，通常在80极以上，体积和重量很大，而且永磁直驱机组的永磁部件存在长期冲击振动和大范围温度变化条件下的磁稳定性问题。同时，永磁体受到现有材料技术的限制，表面磁场难以进一步提高，从而制约了单机容量的增加。
超导技术的发展使现有超导带材的载流性能有极大的提高，相比铜导线单位面积载流能力是铜线的150倍。因而，出现了利用超导带材绕制的励磁线圈，这种结构可以产生更高的励磁磁场，从而提高了风力发电机的能量密度和功率密度，减小了整机的体积和重量。例如，公开日为2009-09-09，公开号为CN 101527498的中国专利文献，公开了一种用于发电的系统包括超导直接驱动风力发电机，它包括由第一超导材料构成的电枢线圈以及由第二超导材料构成的励磁线圈，其中，在发电机的运行期间，电枢线圈和励磁线圈进行电磁通信，并且励磁线圈响应通过其的励磁电流而产生磁场，磁场在生成电力输出的电枢线圈中感应输出电流。
发明内容
本发明为解决上述技术问题，提供了一种直驱式的海上型超导风力发电机，取缔了齿轮箱的设计，完全避免了因为齿轮箱带来的各种隐患，降低了机械故障率和定期维护的成本，同时提高了风机的效率和可靠性，解决了传统永磁直驱风机在单机容量增大时引起的体积和重量大幅增加的问题。
本发明的技术方案如下：
海上型超导风力发电机，包括定子系统和转子系统，转子系统位于定子系统的中心轴位置，转子系统绕电机中心轴转动工作，中心轴连接风轮；所述定子系统包括定子绕组组件和固定于定子绕组组件外部的定子铁轭，定子绕组组件包括铜线绕组、定子齿槽以及绕线槽楔，铜线绕组通过绕线槽楔固定在定子齿槽内；所述转子系统包括转子线圈组件、转子支承组件、转子背铁，转子线圈组件固定于转子支撑组件上，转子支撑组件固定于转子背铁上，其特征在于：所述转子线圈组件包括磁体骨架、高温超导线圈以及线圈紧固件；所述磁体骨架呈环形跑道状，中空部分为制冷介质流道，位于磁体骨架的侧面设置有环形凹槽，通过凹槽缠绕双层高温超导线圈，高温超导线圈外部设置有防止高温超导线圈向外松开的线圈紧固件，同时线圈紧固件的一端设置有电流引线接口，以便于穿过高温超导电流引线。
所述磁体骨架还在垂直于骨架的环形方向上设置有用于防止热胀冷缩使磁体骨架变形受损的骨架收缩缝，无论磁体骨架如何膨胀和收缩，都可以正常工作，使用寿命较长。
所述磁体骨架采用由黄铜加工而成；所述高温超导线圈采用钇钡铜氧化物高温超导材料（YBCO）。
为了减少高温超导磁体所承受的热负荷，所述高温超导线圈的外部为高真空环境，在高温超导线圈的外部设置有若干层绝热层。
所述转子支承组件包括转子支承、拉杆和转子支承箱体，转子支承箱体安装在转子背铁外围的凹槽内，拉杆采用导热系数低且结构强度高的非磁性材料制成，转子支承通过拉杆固定于转子线圈组件下端，用于支撑转子线圈组件。
所述转子背铁的外围均匀设置有24个凹槽，即转子系统设置有12对极。
所述铜线绕组由两个电角度相差30°的三相绕组构成。
所述定子齿槽采用非导磁材料制成，如低导磁率的不锈钢材料，如铬-镍奥氏体304在强度和导磁性能方面既可满足要求；所述定子铁轭采用叠片结构；所述定子的额定电压3.5kV，额定电流840A，每极每相数为1，具体参数见下表。
| 额定功率P： | 10 MW |
| 效率η | 97.2% |
| 额定转速n | 11 rpm |
| 额定频率f | 2.2 Hz |
| 功率因数pf | 0.98 |
为了保证高温超导磁体有效运行，产生足够的磁场强度，所述发电机还设置有用于冷却转子系统的制冷系统，该制冷系统位于超导风力发电机末端，包括压缩机、旋转动密封组件、高压氦气传输管、制冷机的冷头、低温泵，压缩机通过管线与旋转动密封组件连接，旋转动密封组件连接高压氦气传输管，高压氦气传输管连接制冷剂的冷头，冷头固定于用于安装转子线圈组件的杜瓦上，高压氦气传输管通过冷头与杜瓦内的磁体骨架的制冷介质流道连通，同时杜瓦上还设置有低温泵；当压缩机提供冷氦气时，冷氦气经旋转动密封组件、高压氦气传输管、冷头进入制冷介质流道对高温超导线圈进行冷却，冷却高温超导线圈后的温度较高的氦气又被传输至冷头，由冷头将冷却高温超导线圈后的温度较高的氦气重新冷却；然后在低温泵的驱动下，被冷头重新冷却的氦气再次对高温超导线圈进行冷却，实现冷却闭环工作；所述氦气采用的制冷介质为20-30K的氦气。
所述杜瓦为双层杜瓦，杜瓦外壁固定在转子支承箱体上，杜瓦内壁固定在转子支承上，这样可以避免杜瓦在风机的旋转过程中因承受扭矩而发生变型。
本发明的有益效果如下：
（1）本发明单机容量大，体积小、重量轻，功率密度高；
（2）本发明转子系统的转子线圈采用高温超导材料，没有电阻发热损耗，电机效率高，可以使发电机效率提高到97%以上；
（3）本发明稳定性好，而且结构牢固，抗压力强。
附图说明
图1为本发明的轴向剖面结构示意图
图2为本发明沿图1中A-A方向的剖面结构示意图
图3为本发明转子线圈的结构示意图
其中附图标记为：1-风轮，2-转子背铁，3-转子支承箱体，4-杜瓦外壁，5-杜瓦内壁，6-绝热层，7-电磁屏蔽层，8-定子绕组组件，9-定子铁轭，10-转子线圈组件，11-转子支承，12-拉杆，13-低温泵，14-冷头，15-高压氦气传输管，16-旋转动密封组件，17-压缩机，18-磁体骨架，19-骨架收缩缝，20-线圈紧固件，21-超导线圈，22-电流引线接口。
具体实施方式
如图1-3所示，海上型超导风力发电机，包括定子系统和转子系统，转子系统位于定子系统的中心轴位置，转子系统绕电机中心轴转动工作，中心轴连接风轮1；所述定子系统包括定子绕组组件8和固定于定子绕组组件8外部的定子铁轭9，定子绕组组件8包括铜线绕组、定子齿槽以及绕线槽楔，铜线绕组通过绕线槽楔固定在定子齿槽内；所述转子系统包括转子线圈组件10、转子支承组件、转子背铁2，转子线圈组件10固定于转子支撑组件上，转子支撑组件固定于转子背铁2上，所述转子线圈组件10包括磁体骨架18、高温超导线圈21以及线圈紧固件20；所述磁体骨架18呈环形跑道状，中空部分为制冷介质流道，位于磁体骨架18的侧面设置有环形凹槽，通过凹槽缠绕双层高温超导线圈21，高温超导线圈21外部设置有防止高温超导线圈21向外松开的线圈紧固件20，同时线圈紧固件20的一端设置有电流引线接口22，以便于穿过高温超导电流引线。
所述磁体骨架18还在垂直于骨架的环形方向上设置有用于防止热胀冷缩使磁体骨架18变形受损的骨架收缩缝19，无论磁体骨架18如何膨胀和收缩，都可以正常工作，使用寿命较长。
所述磁体骨架18采用由黄铜加工而成；所述高温超导线圈21采用钇钡铜氧化物高温超导材料（YBCO）。
为了减少高温超导磁体所承受的热负荷，所述高温超导线圈21的外部为高真空环境，在高温超导线圈21的外部设置有若干层绝热层6。
所述转子支承组件包括转子支承11、拉杆12和转子支承箱体3，转子支承箱体3安装在转子背铁2外围的凹槽内，拉杆12采用导热系数低且结构强度高的非磁性材料制成，转子支承11通过拉杆12固定于转子线圈组件10下端，用于支撑转子线圈组件10。
所述转子背铁2的外围均匀设置有24个凹槽，即转子系统设置有12对极。
所述铜线绕组由两个电角度相差30°的三相绕组构成。
所述定子齿槽采用非导磁材料制成，如低导磁率的不锈钢材料，如铬-镍奥氏体304在强度和导磁性能方面既可满足要求；所述定子铁轭9采用叠片结构；所述定子的额定电压3.5kV，额定电流840A，每极每相数为1。
为了保证高温超导磁体有效运行，产生足够的磁场强度，所述发电机还设置有用于冷却转子系统的制冷系统，该制冷系统位于超导风力发电机末端，包括压缩机17、旋转动密封组件16、高压氦气传输管15、制冷机的冷头14、低温泵13，压缩机17通过管线与旋转动密封组件16连接，旋转动密封组件16连接高压氦气传输管15，高压氦气传输管15连接制冷剂的冷头14，冷头14固定于用于安装转子线圈组件10的杜瓦上，高压氦气传输管15通过冷头14与杜瓦内的磁体骨架18的制冷介质流道连通，同时杜瓦上还设置有低温泵13；当压缩机17提供冷氦气时，冷氦气经旋转动密封组件16、高压氦气传输管15、冷头14进入制冷介质流道对高温超导线圈21进行冷却，冷却高温超导线圈21后的温度较高的氦气又被传输至冷头14，由冷头14将冷却高温超导线圈21后的温度较高的氦气重新冷却；然后在低温泵13的驱动下，被冷头14重新冷却的氦气再次对高温超导线圈21进行冷却，实现冷却闭环工作；所述氦气采用的制冷介质为20-30K的氦气。
所述杜瓦为双层杜瓦，杜瓦外壁4固定在转子支承箱体3上，杜瓦内壁5固定在转子支承11上，这样可以避免杜瓦在风机的旋转过程中因承受扭矩而发生变型。
所述定子绕组组件8和杜瓦外壁4之间设置有电磁屏蔽层7。
Claims (10)
1.海上型超导风力发电机，包括定子系统和转子系统，转子系统位于定子系统的中心轴位置，转子系统绕电机中心轴转动工作，中心轴连接风轮；所述定子系统包括定子绕组组件和固定于定子绕组组件外部的定子铁轭，定子绕组组件包括铜线绕组、定子齿槽以及绕线槽楔，铜线绕组通过绕线槽楔固定在定子齿槽内；所述转子系统包括转子线圈组件、转子支承组件、转子背铁，转子线圈组件固定于转子支撑组件上，转子支撑组件固定于转子背铁上，其特征在于：所述转子线圈组件包括磁体骨架、高温超导线圈以及线圈紧固件；所述磁体骨架呈环形跑道状，中空部分为制冷介质流道，位于磁体骨架的侧面设置有环形凹槽，通过凹槽缠绕双层高温超导线圈，高温超导线圈外部设置有防止高温超导线圈向外松开的线圈紧固件，同时线圈紧固件的一端设置有电流引线接口，以便于穿过高温超导电流引线。
2.根据权利要求1所述的海上型超导风力发电机，其特征在于：所述磁体骨架还在垂直于骨架的环形方向上设置有用于防止热胀冷缩使磁体骨架变形受损的骨架收缩缝。
3.根据权利要求1或2所述的海上型超导风力发电机，其特征在于：所述磁体骨架采用由黄铜加工而成；所述高温超导线圈采用钇钡铜氧化物高温超导材料。
4.根据权利要求3所述的海上型超导风力发电机，其特征在于：所述高温超导线圈的外部为高真空环境，在高温超导线圈的外部设置有若干层绝热层。
5.根据权利要求4所述的海上型超导风力发电机，其特征在于：所述转子支承组件包括转子支承、拉杆和转子支承箱体，转子支承箱体安装在转子背铁外围的凹槽内，拉杆采用导热系数低且结构强度高的非磁性材料制成，转子支承通过拉杆固定于转子线圈组件下端，用于支撑转子线圈组件。
6.根据权利要求5所述的海上型超导风力发电机，其特征在于：所述转子背铁的外围均匀设置有24个凹槽，即转子系统设置有12对极。
7.根据权利要求1或6所述的海上型超导风力发电机，其特征在于：所述铜线绕组由两个电角度相差30°的三相绕组构成。
8.根据权利要求7所述的海上型超导风力发电机，其特征在于：所述定子齿槽采用非导磁材料制成；所述定子铁轭采用叠片结构；所述定子的额定电压3.5kV，额定电流840A，每极每相数为1。
9.根据权利要求1或8所述的海上型超导风力发电机，其特征在于：所述发电机还设置有用于冷却转子系统的制冷系统，该制冷系统位于超导风力发电机末端，包括压缩机、旋转动密封组件、高压氦气传输管、制冷机的冷头、低温泵，压缩机通过管线与旋转动密封组件连接，旋转动密封组件连接高压氦气传输管，高压氦气传输管连接制冷剂的冷头，冷头固定于用于安装转子线圈组件的杜瓦上，高压氦气传输管通过冷头与杜瓦内的磁体骨架的制冷介质流道连通，同时杜瓦上还设置有低温泵；当压缩机提供冷氦气时，冷氦气经旋转动密封组件、高压氦气传输管、冷头进入制冷介质流道对高温超导线圈进行冷却，冷却高温超导线圈后的温度较高的氦气又被传输至冷头，由冷头将冷却高温超导线圈后的温度较高的氦气重新冷却；然后在低温泵的驱动下，被冷头重新冷却的氦气再次对高温超导线圈进行冷却，实现冷却闭环工作；所述氦气采用的制冷介质为20-30K的氦气。
10.根据权利要求9所述的海上型超导风力发电机，其特征在于：所述杜瓦为双层杜瓦，杜瓦外壁固定在转子支承箱体上，杜瓦内壁固定在转子支承上。
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