CN105576862A - 一种全超导电励磁低速直驱同步发电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全超导电励磁低速直驱同步发电机，该发电机沿径向由内至外依次包括定子铁心以及转子铁心，定子铁心的每个定子槽中交替设置有单齿绕单层集中超导电枢绕组以及单齿绕单层集中超导励磁绕组，其中发电机还包括用于包裹单齿绕单层集中超导励磁绕组以及单齿绕单层集中超导电枢绕组的杜瓦瓶。按照本发明实现的同步发电机，提高了系统的可靠性，提出的结构将励磁和电枢超导线圈放置在同一个定子上，与同容量常规全超导电机相比，低温容器的体积大大减小，降低了低温及其冷冻系统的成本。

Description

一种全超导电励磁低速直驱同步发电机

技术领域

本发明属于发电机领域，更具体地，涉及一种全超导电励磁低速直驱同步发电机。

背景技术

传统电机由于受到铜、铝等导体载流能力或者永磁、铁磁材料性能的限制，铜耗和铁耗都较大，因此其效率很难进一步提高，此外，受电机散热能力的限制，电机体积也很难进一步缩小。超导电机与传统电机相比有着突出的优势，超导线圈的载流能力为传统导体的几十甚至数百倍，因此电机的磁负荷和线负荷可以取为常规电机的数倍，因此使得超导电机具有极高的功率密度，与同功率等级常规电机相比，体积、重量优势明显；另外由于超导材料的零电阻特性，使超导电机的铜损很小，效率设计得非常高。目前超导电机技术在国内外被广泛研究，并有不同功率等级不同结构的超导样机被设计、制造出来。尤其是在风力发电领域，超导电机技术可能成为继续提升风机容量、降低发电成本的关键技术。

与半超导电机相比，全超导电机的励磁绕组和电枢绕组都采用超导材料，因此电机的磁负荷和电负荷都更高，电机的功率密度更高，体积更小。要维持超导线圈正常工作的低温环境，包围超导材料的低温容器和用来带走超导线圈工作时内部产生的热量的制冷系统是必不可少的；而对于超导电机来讲，其主要成本由低温容器、冷冻系统和超导材料决定。已经提出来的全超导风力发电机，励磁绕组和电枢绕组分别位于转子和定子上，需要2个恒温容器，因此成本很高。此外，放置在转子上的超导绕组由于转子的旋转，存在结构固定和隔热的难度。

为了保持全超导电机高功率密度的优点，同时尽可能地降低低温和冷冻系统的成本，有必要探索将励磁绕组和电枢绕组都静止且放置在同一低温容器的新型全超导电机拓扑结构。这样可以大幅度降低全超导电机的成本。

此外，绕组一般分为端部绕组和铁心部分的绕组，由于电磁能量转换只在铁心部分完成，而端部只起到连接导体的作用，考虑到超导材料十分昂贵，因此，减小端部长度对降低电机成本具有重要意义。

此外，传统的全超导电机，转子上有绕组，因此旋转转子的电气连接必须通过电刷和滑环等装置，降低了系统的可靠性和免维修性。因此，发展无刷全超导电机对提高电机可靠性和降低维修费用具有比较现实的意义。

专利文献(公开号为US20090230690A1)公开了一种超导绕组的安装结构，其中超导电机通过齿轮箱与风机耦合在一起，超导电机的原理采用同极性发电机，而且只有励磁绕组采用超导材料，置于低温容器中，在该电机结构中，整个转子分成3段，只有2端开槽的部分能产生转矩，因此电机转矩密度受限；定子铁心沿轴向分为2段，2段中间布置有环形励磁线圈，该超导励磁线圈的固定和安装都比较复杂；实际定子电枢绕组会有4个端部，端部所占空间太大；

另外一篇专利文献(公开号为CN103259387A)中公开了一种超导直流磁阻电机，端盖、杜瓦瓶及杜瓦瓶中的超导螺管构成电机的定子部分，均采用非磁性材料做成；而轴、转子铁芯和左、右磁极圈构成电机的转子部分，均采用导磁性能好的铁磁材料做成。超导螺管产生的磁通由两侧的呈喷行的磁极圈和中心的转子铁芯构成完整的磁通路，由于磁极圈为斜齿结构，所以在此部位铁芯饱和程度高；由于整个超导线圈绕在超导螺管上，且为非磁性，因此整个磁路的磁阻很大，需要很大的励磁电流。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种全超导电励磁低速直驱同步发电机，其提高了系统的可靠性，并且极大地简化了电机生产工艺。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种全超导电励磁低速直驱同步发电机，其特征在于，所述发电机沿径向由内之外依次包括定子铁心以及转子铁心，所述定子铁心的每个定子槽中交替设置有单齿绕单层集中超导励磁绕组以及单齿绕单层集中超导电枢绕组，其中所述发电机还包括用于包裹所述单齿绕单层集中超导励磁绕组以及所述单齿绕单层集中超导电枢绕组的杜瓦瓶。

进一步地，所述电枢绕组的极对数P_a与所述定子槽数N_s，转子槽数N_r之间满足关系

进一步地，所述定子铁心及所述转子铁心采用1J22等高饱和磁感应强度软磁合金制作。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，由于与常规全超导电机相比，将必须旋转的励磁超导线圈或电枢线圈静止化，省去了滑环和电刷，提高了系统的可靠性，电机的铁心结构及绕组结构都与常规电机完全一样，极大地简化了电机生产工艺。而且，提出的结构将励磁和电枢超导线圈放置在同一个定子上，与同容量常规全超导电机相比，低温容器的体积大大减小，降低了低温及其冷冻系统的成本。

附图说明

图1是按照本发明实现的同步发电机的结构示意图；

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-转子铁心，2-定子铁心，3-超导电枢绕组，4-超导励磁绕组，5-包裹超导线圈的杜瓦瓶。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，按照本发明实现的超导同步发电机的结构为：1为转子铁心，2为定子铁心，3为超导电枢绕组，4为超导励磁绕组，5是包裹超导线圈的杜瓦瓶。

其中按照本发明实现的全超导电励磁低速直驱同步发电机沿径向由内至外包括定子铁心2以及转子铁心1，其中超导电枢绕组3以及超导励磁绕组交错间隔分布于定子铁心的定子槽中，其中上述电机还包括用于包裹超导线圈的杜瓦瓶。

该结构采用外转子结构形式，外转子旋转，而转子上只有铁心，无任何绕组或磁钢，内部是的静止的定子部分，定子采用有铁磁齿和铁磁轭的结构，以减小磁路磁阻，在定子上每个槽中交替布置有超导电枢绕组3和超导励磁绕组4，电枢绕组3和励磁绕组4都为单齿绕单层集中绕组，具有端部很短、无重叠的特点，方便超导带材的安装、固定。

定子和转子都采用铁磁材料，以减小磁路磁阻，降低所需要的励磁电流，减小励磁绕组超导材料用量。

定子上静止的各超导励磁线圈和电枢线圈，可放置在不同的杜瓦瓶中，以降低低温容器和制冷设备的成本

在杜瓦的外层，应填充阻尼层，以防止外部的谐波磁场在杜瓦内的超导绕组上产生额外的损耗。

按照本发明实现的用于全超导电机的定、转子铁心适宜采用高导磁性、低损耗的硅钢片材料。优选采用1J22等高饱和磁感应强度软磁合金制作。

该新型全超导电机结构由若干个单元电机组成，单元电机的定子/转子槽数配合灵活，优先推荐选择12/11方案，这样励磁绕组和电枢绕组都为单层绕组，每个槽中只有2个线圈边，这样励磁绕组受电枢绕组的影响就比较小。

电枢绕组4的极对数P_a与定子槽数Ns，转子槽数Nr之间满足关系因此，对单元电机为定子12槽转子11槽的方案，可知其定子电枢绕组极对数为5，又根据分数槽集中绕组理论，可知其电枢绕组系数为0.966.。

按照本发明实现的超导同步发电机，结构励磁绕组和电枢绕组都采用超导材料，电机转矩密度更高；该超导电机的励磁绕组和电枢绕组都静止，因此无需传统超导电机所必需的电刷和滑环，可靠性更高；可以只采用一套低温制冷剂，就可以实现励磁绕组和电枢绕组超导材料所需的低温环境，因此低温容器及其制冷系统成本大幅度减小，整个电机系统成本也将减小；该拓扑的转子结构无任何绕组，只有铁心，因此结构简单，装配灵活。超导励磁绕组通入直流励磁电流，超导电枢绕组则输出三相交流电，通过变频器和变压器连接到电网，上网发电。按照本发明实现的全超导电机尤其适宜用于大功率直驱低速的风力发电场合。

按照本发明实现的发电机，电机的其他结构件，如定子机壳、转子轴、轴承等均可采用现有电机的结构件，无需重新设计。超导冷却剂及外部制冷器等也可采用现有超导电机的零件。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种全超导电励磁低速直驱同步发电机，其特征在于，所述发电机沿径向由内至外依次包括定子铁心(2)以及转子铁心(1)，所述定子铁心(2)的每个定子槽中交替设置有单齿绕单层集中超导电枢绕组(3)以及单齿绕单层集中超导励磁绕组(4)，其中所述发电机还包括用于包裹所述单齿绕单层集中超导励磁绕组(4)以及所述单齿绕单层集中超导电枢绕组(3)的杜瓦瓶(5)。

2.如权利要求1所述的全超导电励磁低速直驱同步发电机，其特征在于，所述电枢绕组(4)的极对数P_a与所述定子槽数N_s，转子槽数N_r之间满足关系 $Pa=|\frac{Ns}{2}\±Nr|.$

3.如权利要求1或2所述的全超导电励磁低速直驱同步发电机，其特征在于，所述定子铁心(2)及所述转子铁心(1)采用1J22等高饱和磁感应强度软磁合金制作。