CN102857057A - 用于由风力涡轮机驱动的超导直流发电机的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开用于由风力涡轮机驱动的超导直流发电机的方法和设备，其包括：环形电枢，其可连接为与风力涡轮机的旋转部件一起旋转；静止的环形励磁绕组，其与电枢同轴并通过间隙与电枢隔开。励磁绕组被配置成包括超导线圈磁体和可连接到风力涡轮机塔架的上部区域的支撑结构。该直流发电机进一步包括换向器组件，其被配置成将由旋转电枢产生的DC电流传递到功率转换系统。

Description

用于由风力涡轮机驱动的超导直流发电机的方法和设备
技术领域
本发明涉及发电机，并且更具体地涉及风力涡轮机和超导直流(DC)发电机。
背景技术
由风力涡轮机的叶片驱动的直接驱动型发电机是高效的，并且由于从涡轮机叶片将转矩传送到DC发电机，所以有最小损耗。风力涡轮机塔架上的直接驱动型传统发电机通常具有6兆瓦(MW)或更小的额定功率。
传统的直接驱动型发电机典型地具有低转矩密度，对于额定功率超过大约6MW的风力涡轮机塔架则太重。齿轮箱不可靠，不适合风力涡轮机塔架的长寿命工作。
此外，交流(AC)风力发电机必须经过总功率转换以将所产生的功率转换成电网连接需要的特定电压的50-60周波的AC。此转换典型地是由电力电子(PE)转换器完成的，其由整流器组成，以在第一级中将AC转换成直流(DC)，然后在逆变级产生期望AC。
长期以来一直有对能够产生更高电功率，例如10MW的风力涡轮机的直接驱动型发电机的需求。此外，还有对允许去掉或简化第一级转换器的DC发电机的需求，从而使成本、大小和重量降低，可以允许经济运输、安装在风力涡轮机塔架上，并伴随可靠性的提高。
发明内容
本申请涉及由风力涡轮机驱动的超导直流(DC)发电机的实施例。直流(DC)发电机包括环形电枢，与电枢同轴并通过间隙与电枢隔开的静止的环形励磁绕组，用于励磁绕组的非旋转支撑件，固定支撑件和换向器组件。环形电枢可连接为与风力涡轮机的旋转部件一起旋转。静止的环形励磁绕组与电枢同轴并通过间隙与电枢隔开。励磁绕组包括超导线圈磁体。固定支撑件将所述用于励磁绕组的非旋转支撑件耦连到底座，底座固定到所述风力涡轮机的上部区域。所述固定支撑件在一个端部区域连接到所述非旋转支撑件，并在相对端部区域连接到所述底座。所述固定支撑件将所述励磁绕组悬挂在所述底座上。换向器组件被配置成将由旋转电枢产生的DC电流传递到功率转换系统。
进一步的，所述换向器组件包括第一旋转部分和第二静止部分，第一旋转部分紧邻所述环形电枢设置并被配置成随其旋转，第二静止部分耦连到静止平台并被配置成接收由旋转电枢产生的、经过所述第一旋转部分的、作为输出直流电的能量。
进一步的，所述静止平台被配置成与所述功率转换系统电联通。
进一步的，所述第一旋转部分包括紧邻所述环形电枢设置并被配置成随其旋转的至少两个换向器区段，所述至少两个换向器区段被配置成与所述旋转电枢电接触。
进一步的，所述至少两个换向器区段电连接到所述环形电枢的多个电线端。
进一步的，所述第二静止部分包括至少两个静止的换向器电刷，所述换向器电刷耦连到所述静止平台并被配置成接收由所述旋转电枢产生的、经过至少两个旋转的换向器区段的、作为输出直流电的能量。
进一步的，所述第一旋转部分包括邻近所述环形电枢设置并被配置成随其旋转的至少两个旋转的换向器电刷，所述至少两个旋转的换向器电刷被配置成与所述旋转电枢电接触。
进一步的，至少两个换向器电刷电连接到所述环形电枢的多个电线端。
进一步的，所述第二静止部分包括至少两个换向器区段，所述换向器区段耦连到所述静止平台并被配置成接收由所述旋转电枢产生的、经过至少两个旋转的换向器区段的、作为输出直流电的能量。
进一步的，所述发电机安装在塔架的顶部上。
进一步的，进一步包括至少一个再冷凝器，所述至少一个再冷凝器安装在比所述励磁绕组更高的高度。
本申请的另一实施例涉及一种直流(DC)发电机，包括：环形电枢，其由风力涡轮机直接驱动并与所述风力涡轮机的旋转部件一起旋转；非旋转环形励磁绕组，其与所述电枢同轴并通过环形间隙与所述电枢隔开，其中所述励磁绕组包括超导线圈磁体；用于所述励磁绕组的非旋转支撑件；固定支撑件，其将用于所述励磁绕组的非旋转支撑件耦连到底座，底座固定到所述风力涡轮机的上部区域，其中所述固定支撑件在一个端部区域连接到所述非旋转支撑件，并在相对端部区域连接到所述底座，并且其中所述固定支撑件将所述励磁绕组悬挂在所述底座上；和换向器组件，其被配置成将由所述旋转电枢产生的DC电流传递到功率转换系统，所述换向器组件包括第一旋转部分和第二静止部分，第一旋转部分紧邻所述环形电枢设置并被配置成随其旋转，第二静止部分耦连到静止平台并被配置成接收由所述旋转电枢产生的通过至少两个换向器区段的直流电。
进一步的，所述第一旋转部分包括紧邻所述环形电枢设置并被配置成随其旋转的至少两个换向器区段，所述至少两个换向器区段被配置成与所述旋转电枢电接触。
进一步的，所述第二静止部分包括至少两个静止的换向器电刷，所述换向器电刷耦连到所述静止平台并被配置成接收由所述旋转电枢产生的、经过至少两个旋转的换向器区段的、作为输出直流电的能量。
进一步的，所述第一旋转部分包括至少两个旋转的换向器电刷，所述至少两个旋转的换向器电刷紧邻所述环形电枢设置并被配置成随其旋转，所述至少两个旋转的换向器电刷被配置成与所述旋转电枢电接触。
进一步的，所述第二静止部分包括至少两个换向器区段，所述换向器区段耦连到所述静止平台并被配置成接收由所述旋转电枢产生的、经过至少两个旋转的换向器区段的、作为输出直流电的能量。
本申请进一步提供一种用于安装在塔架上的风力涡轮机上以产生直流电(DC)的方法，包括：在DC发电机的非旋转环形励磁绕组中产生磁场，其中所述励磁绕组包括超导线圈磁体，且所述DC发电机安装在风力涡轮机的塔架的上部部分；施加来自风力涡轮机的转矩以使所述DC发电机的电枢旋转，其中所述电枢与所述超导励磁绕组同轴，并电磁耦连到所述超导励磁绕组；通过所述电枢绕静止励磁绕组的旋转在所述电枢中产生电流；将来自旋转电枢的直流电通过换向组件传递到功率转换系统；使用冷却液体将所述超导线圈磁体冷却到超导状态，冷却液体冷却线圈时至少部分蒸发；和在高度高于所述DC发电机的再冷凝器中使蒸发的冷却液体冷凝，其中冷凝的冷却液体通过重力流至所述超导线圈磁体。
进一步的，所述方法进一步包括通过所述换向器组件传递直流电，其中第一旋转部分紧邻环形电枢设置并被配置成随其旋转，所述第一旋转部分被配置成与所述旋转电枢电接触，第二静止部分耦连到静止平台并被配置成接收由所述第一旋转部分产生的能量。
进一步的，所述方法进一步包括通过所述换向器组件传递直流电，其中所述第一旋转部分包括紧邻所述环形电枢设置并被配置成随其旋转的至少两个换向器区段，所述至少两个换向器区段被配置成与所述旋转电枢电接触，并且其中所述第二静止部分包括至少两个静止的换向器电刷，所述至少两个静止的换向器电刷耦连到所述静止平台并被配置成接收由所述旋转电枢产生的、经过至少两个旋转的换向器区段的、作为输出直流电的能量。
进一步的，所述方法进一步包括通过所述换向器组件传递直流电，其中所述第一旋转部分包括紧邻所述环形电枢设置并被配置成随其旋转的至少两个旋转的换向器电刷，所述至少两个旋转的换向器电刷被配置成与所述旋转电枢电接触，并且其中所述第二静止部分包括至少两个换向器区段，所述至少两个换向器区段耦连到所述静止平台并被配置成接收由所述旋转电枢产生的、经过至少两个旋转的换向器区段的作为输出直流电的能量。
结合几幅附图和所附权利要求阅读以下的具体实施方式时，本申请的这些和其它特征以及改进对本领域技术人员是显然的。
附图说明
结合附图并参照如下具体实施方式，本公开的上述和其它方面、特征和优点将变得显然，其中：
图1是具有带超导电磁部件的直接驱动型直流(DC)发电机的风力涡轮机；
图2是以截面图显示具有环形旋转电枢和由电枢围绕的静止超导励磁绕组的直接驱动型DC发电机的示意图；
图3是以截面图显示用于超导励磁绕组的低温器(cryostat)的示意图；
图4是以横截面图显示用于超导励磁绕组的低温器的一部分的示意图；
图5是支撑超导励磁绕组的线圈磁体的表壳衬圈的透视图；
图6是用于风力涡轮机的DC发电机和轮毂的后视侧视透视图；和
图7是用于风力涡轮机的机舱、DC发电机和轮毂的局部截面图。
                                  18风力涡轮机叶片
附图标记列表：                    20轮毂
10风力涡轮机
12塔架
14机舱                            22直接驱动型发电机
                                  24环形旋转电枢
26励磁绕组组件                    60两级再冷凝器
27导电绕组                        64第二再冷凝器
28导电端部线匝                    68超导线圈磁体
30圆柱形轭                        70内部热屏蔽
32圆柱形外壳                      71环形机壳
34圆盘                            72第一转矩管
35开口或孔                        74环形法兰
36环形托架                        76环形法兰
37增强环                          80第二转矩管
38环形底座                        82支撑托架
40旋转的圆柱形支撑管              83中空凹槽的环形阵列
42环形轴承                        85孔
44静止底座管                      90换向器组件
45托架                            91第一旋转部分
47安装件                          92导电区段
48盘式制动器                      93第二静止部分
50环形唇缘                        94多个电连接
52角板                            96多个换向器电刷
54励磁绕组支撑盘                  98静止平台
56低温器外壳                      100功率转换系统
58绝缘管道
具体实施方式
已经用静止(或非旋转)励磁绕组和由涡轮机(如风力涡轮机)直接驱动的旋转电枢开发出超导直流(DC)发电机。超导DC发电机可安装在风力涡轮机塔架的上部区域中，并直接耦连到风力涡轮机的旋转部件，例如叶片。直接驱动型发电机重量足够轻而可安装在传统的风力涡轮机塔架的顶部上并耦连到传统的风力涡轮机的旋转叶片。
超导DC发电机提供高转矩密度，这允许DC发电机重量轻，尽管使得励磁绕组中的超导线圈冷却并绝缘而需要增加部件。静止励磁绕组包括冷却到低温温度的一连串跑道形超导线圈。旋转电枢和铁轭(iron yoke)(可选的)直接连接到风力涡轮机并由风力涡轮机转动。换向器组件将由旋转电枢产生的电流传递到可以穿过风力涡轮机的框架向下延伸的导体。
图1是风力涡轮机10的正视图，其包括固定到地面的塔架12。超导DC发电机置于安装在塔架顶部上的机舱14内。机舱可绕塔架的轴旋转以将涡轮机叶片18对准风向。叶片从轮毂20径向向外延伸。叶片18通常面向风，由风的能量来转动。DC发电机被置于机舱14内，由轮毂20和叶片18直接驱动。叶片和轮毂的旋转直接驱动DC发电机的电枢。
塔架12的高度可以在20-100米之间，顶部直径在一到二(1-2)米，地基直径四(4)米。塔架可由锥形管状钢构成，但也可由网格结构或由混凝土部分构成。涡轮机叶片18每个长度为10-45米，在毂轮20周围等间隔隔开。尽管叶片可由任何适当材料制成，但它们通常由玻璃纤维增强塑料或环氧基树脂制成。叶片可具有固定桨距或可变桨距，这取决于轮毂中是否包括可变桨距齿轮箱。塔架和叶片及它们的组成的尺寸不在本申请的范围内，其为用于发电的大规模风力涡轮机领域的技术人员所知。
图2是以横截面显示直接驱动型发电机22的示意图，发电机22具有环形旋转电枢24和由电枢围绕的静止超导励磁绕组组件26。旋转电枢24是围绕励磁绕组组件26的外环形环。电枢以传统方式制成，并可包括沿电枢的长度纵向布置并在电枢的圆柱形表面内部上布置的导电绕组27，例如线圈或棒。通过例子，电枢绕组的纵向部分长度可以是29-30英寸，厚度为4-5英寸，内径为135-136英寸。线圈或棒可在相对端通过导电的端部线匝28而彼此连接。纵向线圈或棒之间的端部线匝连接取决于它们的数量、布置和在电枢绕组中要产生的电能的相位。电枢绕组的内部圆柱形表面与静止的超导励磁绕组组件26的外表面通过狭窄的空气间隙(例如大约1-2英寸)隔开。
环形旋转电枢24包括支撑线圈和棒27的圆柱形轭30。轭30的外表面固定到与电枢一起旋转的圆柱形外壳32。外壳32的直径可以是例如147-148英寸，其长度为58英寸。外壳适配到圆盘34，圆盘34支撑外壳和电枢24。盘在其中心具有圆孔，孔安装到环形托架36，风力涡轮机的轮毂20的环形底座38附连到环形托架36。托架36和底座38可通过以圆形阵列排列的螺栓一起固定在托架和底座周围。为了减轻重量，盘34可具有开口或孔35。托架36安装在旋转圆柱形支撑管40在电枢绕组的径向内侧的一端。加强环37固定到托架36和支撑管40之间的内拐角。支撑管40的直径可以是例如在62到63英寸之间。
为了在旋转电枢24转动时将所产生的机械能转换成DC电能，电枢线圈27中的电流被换向器组件90换向以产生输出的直流电。在所图示的优选实施例中，换向器组件90被配置为紧邻外壳32或圆盘34的外表面的多个圆周环。可预料的是换向器组件90可设置在旋转外壳32外部的任何便利的位置。将换向器组件90定位到更靠近旋转轴会允许有更短的圆周。换向器组件90通常由在旋转电枢24转动时随其旋转的第一旋转部分91和保持静止的第二静止部分93组成。更具体地，在优选实施例中，换向器组件90，更具体地是第一旋转部分91由多个例如由材料铜制成的导电区段92组成。在此具体实施例中，换向器组件90由至少两个旋转换向器区段92组成。换向器区段92被配置成通过多个电连接94与旋转电枢线圈27一起旋转，并通过多个电连接94电连接到旋转电枢线圈27。区段和电连接的数目可变，其由发电机设计人员选择的电极的数目来决定。换向器组件90的第二静止部分93由保持多个换向器电刷96(在此具体实施例中是至少两个换向器电刷96)的固定装置来完成。换向器电刷96通常包括碳，保持静止，并由静止平台98保持，静止平台98被配置成将来自换向器电刷96的输出电流送到功率转换系统100。换向器电刷96被配置成在旋转时骑过或刷过旋转的换向器区段92。换向器电刷96可通过弹簧张力保持就位，并且可包括接地和不接地电刷。当产生电能时，该能量通过换向器电刷96和旋转的换向器区段92传导到静止平台98，并最终传导到耦连到电力公用网、工厂或其它电力负载的功率转换系统100，使得可以使用电力。在可替代实施例中，如图3中的局部示意横截面图最佳图示的，与旋转电枢24一起旋转的换向器组件90的第一旋转部分91可由多个换向器电刷96组成，保持静止的换向器组件90的第二静止部分93可由多个换向器区段92组成。在此可替代实施例中，多个旋转换向器电刷96被配置成在旋转时骑过或刷过静止的换向器区段92。与之前公开的换向器组件90的第一部分91和第二部分93的相反配置类似，当产生电能时，该能量通过换向器区段和旋转换向器电刷传导到静止平台98，并最终传导到与电力公用网、工厂或其它电力负荷耦连的功率转换系统100，使得可以使用电力。
朝可旋转地将支撑管40支撑在静止底管44上的支撑管40的相对端而布置的一对环形轴承42被附连到由机舱的底板支撑的安装件47。环形托架46可将安装件47附连到底座管的托架45。螺栓将托架45、46固定在一起。一对轴承42可以是相同类型。可替代地，邻近轮毂20的环形轴承42可具有比邻近塔架的环形轴承42(可具有8英寸的长度)更长的长度，例如15-16英寸。邻近轮毂的轴承42更长的原因是它更直接地接收轮毂和叶片以及风的向下的力，这可以是500,000磅的力，并接收轮毂和叶片以及风的弯曲力矩，该力矩可以是在底座38和托架36处的127×106英寸-磅。
支撑管40沿其长度可具有不变厚度。可替代地，底座管44在邻近塔架处可以厚，例如2英寸，在邻近轮毂处可以薄，例如1英寸。底座管的厚度可以台阶或以锥度形式而降低。厚度的降低降低了管的重量。类似的重量降低特征可包括盘34中的开口或孔，外壳32中的轻量材料，例如合成物。
盘式制动器48将环形唇缘50紧握在外壳32的一端。制动器可在风过多、叶片旋转太快时，降低或停止叶片的旋转。薄的轻量角板52从圆盘34延伸到支撑管40。角板从结构上增强盘34。
底座管44支撑励磁绕组支撑盘54，静止励磁绕组组件26安装在支撑盘54上。底座管44和支撑盘的组件是用于励磁绕组组件26的一个示例性非旋转支撑件。该盘可具有开口或孔55以减轻重量。盘54附连到包含励磁绕组26的超导线圈的低温器外壳56的一端。外壳56和其冷却组件形成对励磁绕组的超导线圈进行冷却的低温器。低温器的外壳56的截面可以是环形、矩形，其外径在134-135英寸之间，其长度为49英寸。外壳56和DC发电机和风力涡轮机的其它组件的尺寸与设计选项有关，可根据风力涡轮机的设计而变化。
低温器56使超导线圈绝缘，使得它们可被冷却到接近绝对零度，例如冷却到10开氏度(K)，优选冷却到4开氏度。为了冷却绕组，外壳56包括绝缘导管58以接收液态氦(He)或其它类似低温液体(称作冷冻剂)。传统的两级再冷凝器60安装在机舱的上部区域、机舱的顶部上或塔架的顶部上，以及励磁绕组上面，使用重力馈送提供冷冻剂，例如液态He。冷冻剂在励磁绕组的超导线圈磁体周围流动并冷却线圈磁体，以获得超导状态。随着He至少部分蒸发，线圈被冷却到例如4开氏度。He蒸汽流动通过管道58中的一个管道到达再冷凝器60，在此He被冷却、液化并通过管道58返回线圈磁体。用于超导线圈的电导体也与用于氦的绝缘管道58一起穿过外壳56。
第二再冷凝器64向用于励磁绕组的外壳56的内部热屏蔽70提供第二冷却液体，例如液体氮或氖。第二冷却液体将用于超导磁体的热屏蔽70冷却到大约30-80开氏度。冷却热屏蔽有助于通过降低由氦吸收的热辐射来过度冷却超导绕组。第二再冷凝器64接收来自热屏蔽70的汽化液态氮或氖，使氮或氖液化，并通过绝缘管道66向热屏蔽提供液态氮或氖。第二再冷凝器在重力馈送下提供液态氖或氮，并且第二再冷凝器安装在比外壳56更高的塔架上。
转矩通过轮毂20施加以使旋转电枢24绕静止的超导励磁绕组组件26转动。旋转支撑盘34将转矩从轮毂传送到旋转电枢24。由于电磁力(EMF，electromagnetic force)耦合，转矩通过旋转电枢24施加到静止超导励磁绕组组件26。施加到静止超导励磁绕组组件26的转矩通过励磁绕组外壳56传送到静止支撑盘54和塔架12的安装件47。
图4是以横截面显示用于超导线圈68的低温器外壳56的示意图。外壳的内部被抽真空，在热屏蔽70周围形成绝缘真空。第一转矩管72将热屏蔽70悬挂在低温器外壳56的真空内部。转矩管72安装到外壳内部的环形法兰74。该法兰将管从外壳56的内壁抬高。在转矩管72的相对端的另一环形法兰76将热屏蔽70从管抬高，并使热屏蔽集中在外壳56的内部的中央。转矩管72还将转矩从热屏蔽70传送到外壳56，并向低温热屏蔽提供与环境温度的外壳56的热绝缘。热屏蔽70由轻重量的铝制成。
环形机壳71悬挂于热屏蔽70中。热屏蔽70具有以液态氮或氖冷却的一个法兰，以将机壳71与热辐射热传递进行热绝缘。液态氖或氮从第二再冷凝器64被提供到热屏蔽70，第二再冷凝器高于外壳56。管道66提供为液态氖或氮预留的到热屏蔽的重力馈送，和为再冷凝器提供预留的蒸汽返回。液态氖或氮通过附连到热屏蔽的一个法兰的管道而循环。当液态氖或氮冷却热屏蔽时，液体蒸发，然后返回再冷凝器。蒸汽在再冷凝器中被冷凝，然后反馈回到热屏蔽70。
第二转矩管80在一端上通过法兰76在热屏蔽70的内壁上而支撑。法兰76可延伸到室70的内部中，或可包括两个法兰(一个在热屏蔽内部，另一个在热屏蔽外部)。法兰可由绝缘材料制成。第二转矩管80热绝缘，并将环形壳71悬挂于热屏蔽上。第二转矩管80将转矩从线圈传送到第一转矩管72。第一、第二转矩管都可由钛合金制成。
用于超导线圈68的绝缘管道58、66和电缆(未显示)穿过外壳56、热屏蔽70中的密封孔，第一管道58到达超导线圈的机壳71。外壳、热屏蔽和机壳提供绝缘冷却环境，在该环境中超导线圈可被冷却到低温温度，例如4开氏度。设置在相对方向的转矩管将绕组和它们的机壳与环境条件热绝缘和机械隔离。
图5是机壳71的透视图，其形成保持与液态He接触的线圈磁体68的容器。机壳71可由轻重量的铝制成。机壳的横截面可以是环形、矩形。机壳的曲率符合环形室70的曲率。机壳可包括中空槽83的环形阵列，每个槽接收跑道形线圈68和接收液态氦的供应。支撑托架82就位于凹槽中，并在每个线圈磁体上。支撑托架符合线圈的形式，并将线圈固定在机壳的凹槽83中。支撑托架使冷却液体在超导线圈上并流过其中。用于超导线圈的冷却通道是常规的并众所周知的，如使用作为磁共振成像(MRI)装置的超导线圈磁体。
圆柱形盖壳84密封机壳71的中空中心。机壳71、热屏蔽70和外壳56相对薄，以使静止的超导励磁绕组26可位于旋转电枢24的旋转绕组附近。在所公开的实施例中，静止的超导励磁绕组可具有大约2-3英寸的厚度，可在2-4英寸的电枢绕组内。
每个超导线圈68可以是形成跑道形状的一组电线。线圈被装入以保持跑道形状。每个跑道可具有例如长为29-30英寸并且宽为10英寸的两个并行区段的纵向区段。
每个超导线圈68支撑于机壳70的凹槽83中，并由氦浴来冷却到低温温度。超导线圈68并排设置成在机壳的周围延伸的环形阵列。例如，三十六(36)个线圈可形成环形阵列的励磁绕组，其用作DC发电机的定子励磁绕组。超导线圈68可分别由在跑道形状周围以螺旋线缠绕的(NbTi)线制成，该跑道形状可包括用于氦的冷却管道。
图6是DC发电机22和其与轮毂20连接的放大的后视侧视图。轮毂具有用于叶片的孔85。叶片根部具有圆柱形安装座，其适配到孔的边缘。叶片可固定到鼻部，或向轮毂提供传动装置，其用于叶片的可变桨距的安装。轮毂20包括安装到DC发电机22的法兰36的底座38。圆形阵列的螺栓可穿过底座中的槽以将轮毂固定到法兰36。
图7是置于机舱14中并直接连接到风力涡轮机的轮毂20的DC发电机22的局部横截面透视图。支撑管40直接连接到轮毂。支撑管还支撑电枢及电枢绕组27、28和轭30。电枢绕组27、28与超导线圈磁体68同轴并绕其旋转。这些线圈磁体被封装到机壳71中，通过冷却通道83接收冷冻剂。机壳71支撑于低温器外壳56中，低温器外壳56固定到底座管44。安装件47将底座管44支撑于机舱14中。
冷冻剂再冷凝器60、64可容纳于机舱中，只要再冷凝器中的冷冻剂冷却液体至少部分升高到高于静止超导励磁绕组26以为绕组提供冷冻剂的重力馈送。可替代地，再冷凝器60、64可安装在机舱的顶部上。
如上文所述的具有静止超导励磁绕组和外旋转电枢的DC发电机具有高转矩密度，并有相对轻的重量。DC发电机可达到10MW或更大的功率输出，且重量轻以适配到风力涡轮机的塔架顶部上。DC发电机由风力涡轮机的叶片直接驱动。10MW或更大的功率从电枢通过换向器组件传递到功率逆变系统，功率逆变系统包括沿塔架向下延伸到塔架底座电耦连件的电导体。电耦连件可连接到建筑物、工厂或家庭的公用电力、电力负荷或其它电力负荷。包括换向器组件以形成DC发电机，这允许去掉或简化第一级PE转换器，可带来成本、尺寸和重量的降低以及转换器可靠性的提高。
尽管已经参照示例性实施例描述了本公开，但本领域技术人员应理解在不偏离本公开的范围下可进行各种变化，并可用等同物来代替其元件。此外，可进行许多修改以将具体情况或材料适应于本公开的教导，而不偏离其实质范围。因此，本公开旨在不限于作为为实施此公开考虑的最佳模式公开的具体实施例，而是本公开旨在包括落入所附权利要求的范围内的所有实施例。

Claims (10)

1.一种直流DC发电机(22)，包括：
环形电枢(24)，其可连接为与风力涡轮机(10)的旋转部件(18)一起旋转；
静止的环形励磁绕组(26)，其与所述电枢(24)同轴并通过间隙与所述电枢(24)隔开，其中所述励磁绕组(26)包括超导线圈磁体(68)；
用于所述励磁绕组(26)的非旋转支撑件(44，54)；
固定支撑件(40)，其将所述用于励磁绕组(26)的非旋转支撑件(44，54)耦连到底座(38)，所述底座(38)固定到所述风力涡轮机(10)的上部区域，其中所述固定支撑件(40)在一个端部区域连接到所述非旋转支撑件(44，54)，并在相对端部区域连接到所述底座(38)，并且其中所述固定支撑件(40)将所述励磁绕组(26)悬挂在所述底座(38)上；和
换向器组件(90)，其被配置成将由旋转电枢(24)产生的DC电流传递到功率转换系统(100)。
2.根据权利要求1所述的DC发电机(22)，其特征在于：所述换向器组件(90)包括第一旋转部分(91)和第二静止部分(93)，第一旋转部分(91)紧邻所述环形电枢(24)设置并被配置成随其旋转，第二静止部分(93)耦连到静止平台(98)并被配置成接收由所述旋转电枢(24)产生的、经过所述第一旋转部分(91)的、作为输出直流电的能量。
3.根据权利要求2所述的DC发电机(22)，其特征在于：所述静止平台(98)被配置成与所述功率转换系统(100)电联通。
4.根据权利要求2所述的DC发电机(22)，其特征在于：所述第一旋转部分(91)包括至少两个换向器区段(92)，所述至少两个换向器区段电连接至所述环形电枢(24)的多个电线端、紧邻所述环形电枢(24)设置并被配置成随其旋转，所述至少两个换向器区段(92)被配置成与所述旋转电枢(24)电接触。
5.根据权利要求4所述的DC发电机(22)，其特征在于：所述第二静止部分(93)包括至少两个静止的换向器电刷(96)，所述至少两个静止的换向器电刷(96)耦连到所述静止平台(98)并被配置成接收由所述旋转电枢(24)产生的、经过至少两个旋转的换向器区段(92)的作为输出直流电的能量。
6.根据权利要求2所述的DC发电机(22)，其特征在于：所述第一旋转部分(91)包括紧邻所述旋转电枢(24)设置并被配置成随其旋转的至少两个旋转的换向器电刷(96)，所述至少两个旋转的换向器电刷(96)被配置成与所述旋转电枢(24)的多个电线端电接触。
7.根据权利要求7所述的DC发电机(22)，其特征在于：所述第二静止部分(93)包括至少两个换向器区段(92)，所述至少两个换向器区段(92)耦连到所述静止平台(98)并被配置成接收由所述旋转电枢(24)产生的、经过至少两个旋转的换向器区段(92)的、作为输出直流电的能量。
8.一种用于风力涡轮机(10)产生直流电DC的方法，包括：
在DC发电机(22)的非旋转环形励磁绕组(26)中产生磁场，其中所述励磁绕组(26)包括超导线圈磁体(68)，且所述DC发电机(22)安装在风力涡轮机(10)的塔架(12)的上部部分；
施加来自所述风力涡轮机(10)的转矩以使所述DC发电机(22)的电枢(24)旋转，其中所述电枢(24)与所述超导励磁绕组(26)同轴且电磁耦连到所述超导励磁绕组(26)；
通过所述电枢(24)绕静止励磁绕组(26)的旋转在所述电枢(24)中产生电流；
将来自旋转电枢(24)的直流电通过换向组件(90)传递到功率转换系统(100)；
使用冷却液体将所述超导线圈磁体(68)冷却到超导状态，所述冷却液体在其冷却线圈(68)时至少部分蒸发；和
在高度高于所述DC发电机(22)的再冷凝器(60)中使蒸发的冷却液体冷凝，其中冷凝的冷却液体通过重力流至所述超导线圈磁体(68)。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于：所述方法进一步包括通过所述换向器组件(90)传递直流电，其中第一旋转部分(91)包括至少两个换向器区段(92)，第一旋转部分(91)紧邻所述环形电枢(24)设置并被配置成随其旋转，第一旋转部分(91)被配置成与所述旋转电枢(24)电接触，第二静止部分(93)包括至少两个静止的换向器电刷(96)，所述至少两个静止的换向器电刷(96)耦连到静止平台(98)并被配置成接收由所述第一旋转部分(91)产生的作为输出直流电的能量。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于：所述方法进一步包括通过所述换向器组件(90)传递直流电，其中第一旋转部分(91)包括至少两个换向器区段(92)，第一旋转部分(91)紧邻所述环形电枢(24)设置并被配置成随其旋转，所述第一旋转部分(91)被配置成与所述旋转电枢(24)电接触，所述第二静止部分(93)包括至少两个静止的换向器电刷(96)，所述至少两个静止的电刷(96)耦连到静止平台(98)并被配置成接收由所述旋转电枢(24)产生的作为输出直流电的能量。
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