CN106655548A - 一种定子励磁型高温超导场调制电机 - Google Patents

一种定子励磁型高温超导场调制电机 Download PDF

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Abstract

一种定子励磁型高温超导场调制电机，包括相对设置定子、转子、高温超导励磁绕组和电枢绕组；在定子的内侧上设置有等距排列的定子齿，相邻的定子齿之间为定子槽；所述高温超导励磁绕组隔齿绕制在所述定子齿上；在转子的外侧上设置有等距排列的转子凸极；所述电枢绕组为三相对称绕组，以跨距为2的分布绕组形式嵌放在定子槽内，所述定子与转子之间设有气隙。本发明有效解决了高温超导励磁绕组的静密封冷却问题，利用磁齿轮效应能够获得较高的功率密度，非常适合诸如风力发电等的低速大转矩直驱应用场合。本发明所涉及电机在简化制造工艺、提高电机机械可靠性和运行稳定性、降低加工和运行成本、提高机电转换能力方面具有明显优势。

Description

一种定子励磁型高温超导场调制电机
技术领域
本发明涉及一种定子励磁型高温超导场调制电机，属于电机的技术领域。
背景技术
近年来，风力发电技术日趋成熟，过去二十年里风力发电成本下降了80％，成为发电成本最接近火电的新能源发电方式，这使得风力发电具备了大规模商业化运作的基础。当前，风力发电已经成为世界各国政府的战略性产业和国内外专家学者研究的热点之一。
与采用增速齿轮增速的高速永磁风力发电系统相比，直驱型永磁风力发电系统，由于取消了增速齿轮，系统结构简单、效率高、可靠性高、动态响应快、维护费用低，在未来的风力发电系统中，具有较大的发展潜力。然而，随着风力发电系统单机容量的不断提高，传统的低速直驱永磁同步发电机，为保证其输出电压和频率在正常的范围内，往往需要采用较大的定转子直径，电机本体体积大，质量重，这给电机的设计、制造、运输和安装带来了很大难度。场调制永磁电机作为一种新型电机拓扑结构，利用磁齿轮效应，在保证转子低速旋转的情况下，能够实现定子电枢绕组的高速磁场设计，结构简单紧凑，功率密度高，非常适合诸如风力发电等的低速直驱应用场合。目前，场调制永磁电机作为一种低速大转矩直驱电机解决方案，已经成为电机领域的研究热点之一，各种新型场调制电机拓扑结构也陆续被提出和研究。
另外，高温超导技术的迅速发展，使得高温超导材料在电机、飞轮储能、磁悬浮等领域得到广泛而深入的研究。已有数据研究表面，在液氮冷却条件下，高温超导块材的俘获磁场可达2.3T(77K)，远高于目前永磁体的磁场强度，而二代高温超导钇系线材的临界电流密度也已达到3×106A/cm2(77K，0T)。这意味着采用高温超导励磁取代传统电机中的永磁励磁，能够产生强励磁磁场，可以显著提高电机的功率密度，降低电机重量，减小电机体积，非常适合大功率风力发电系统的需求。对于超导励磁电机而言，根据超导励磁绕组安放的位置，可以将其分为转子励磁型和定子励磁型两大类。对于转子励磁型高温超导电机而言，高温超导励磁绕组布置在转子上，这就需要将整个转子进行密封并通过低温介质维持低温环境。因此，转子励磁型高温超导电机必须采用动态旋转密封装置来实现低温冷却介质在旋转的转子与外部冷却设备间的流通。这种动态旋转密封装置不仅结构复杂、价格昂贵，而且为保证其密封性能还需要定期检修维护，大大增加了高温超导电机的运行成本。此外，转子励磁型高温超导电机需要通过滑环和电刷为超导励磁绕组提供直流电，这更加增加了该类电机的设计和加工难度，且降低了电机整体可靠性。与之不同，定子励磁型高温超导电机由于高温超导励磁绕组放置在静止的定子侧，不但省去了滑环和电刷等换相结构，而且能够采用静密封实现超导励磁绕组的冷却，从而大大减小了电机设计难度，降低了加工成本，提高了可靠性。
综上所述，从改善风力发电系统可靠性，进一步提高风力发电系统单机容量及电机功率密度的角度出发，基于场调制电机适合低速直驱应用的特点以及具有高功率密度的特性，并结合定子励磁型高温超导电机易于实现静密封冷却且适合大功率应用场合的优势，提出一种适合低速大转矩直驱应用的定子励磁型高温超导场调制电机拓扑结构，具有重要的理论意义和工程实用价值。
中国专利CN104883015A和CN204652178U公开的“双定子超导励磁场调制电机”虽然能够实现高温超导励磁绕组的静密封以及基于磁场调制原理实现机电能量转换，但是该电机由内、外定子以及置于二者之间旋转的转子等三部分构成，转子又由间隔排列的导磁块和非导磁块组装而成，机械应力承受能力有待改善，加之两层气隙，使得该电机的加工制造困难，可靠性低，而且超导励磁绕组位于内定子，由于外部需要装配转子和外定子，这使得超导冷却液的导入也比较困难，因此，该专利所提技术方案的可行性较小。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种定子励磁型高温超导场调制电机。
本发明为了解决传统的低速直驱永磁同步电机功率密度低以及转子励磁型高温超导电机低温冷却系统动密封结构复杂、可靠性低的问题，提供了一种结构简单、加工方便的定子励磁型高温超导场调制电机拓扑结构。
本发明的技术方案：
一种定子励磁型高温超导场调制电机，包括相对设置定子、转子、高温超导励磁绕组和电枢绕组；
在定子的内侧上设置有等距排列的定子齿，相邻的定子齿之间为定子槽；内侧处形成齿槽交替结构，定子由硅钢片叠压而成；所述高温超导励磁绕组隔齿绕制在所述定子齿上；所有高温超导励磁绕组通以相同的直流电，形成的磁场方向相同，均为沿径向向内或向外；
在转子的外侧上设置有等距排列的转子凸极；转子由硅钢片叠压而成，其上未布置任何绕组；
所述电枢绕组为三相对称绕组，以跨距为2的分布绕组形式嵌放在定子槽内，电枢绕组通以对称三相交流电，能够形成具有一定极对数的电枢磁场；
所述定子与转子之间设有气隙。
根据本发明优选的，所述定子齿的个数为Ns、所述高温超导励磁绕组的线圈个数Nf之间满足以下关系：Ns＝2×Nf，所述定子齿的个数为Ns为3的整数倍。此处设计是为能够绕制出三相对称电枢绕组。
根据本发明优选的，所述转子凸极的个数Nr、高温超导励磁绕组的线圈个数Nf、电枢绕组形成电枢磁场的极对数Pa之间满足以下关系：Nr＝Nf+Pa。
根据本发明优选的，所述定子励磁型高温超导场调制电机为环形旋转电机，包括外壳，在所述外壳内且沿径向依次同轴设置有定子、转子和电机转轴；
所述定子和转子均为环形导磁体，在定子的内环上设置有等距排列的定子齿；内环处形成齿槽交替结构，定子由硅钢片叠压而成；所述高温超导励磁绕组隔齿绕制在所述定子齿上；所有高温超导励磁绕组通以相同的直流电，形成的磁场方向相同，均为沿径向向内或向外；
所述转子固定设置在电机转轴上，在转子的外环上设置有等距排列的转子凸极；转子由硅钢片叠压而成，其上未布置任何绕组；
所述电枢绕组为三相对称绕组，以跨距为2的分布绕组形式嵌放在定子槽内，电枢绕组通以对称三相交流电，能够形成具有一定极对数的电枢磁场；
所述定子与转子之间设有气隙。能够保证转子自由旋转。
根据本发明优选的，所述外壳为铝制环形部件。用于固定定子。
根据本发明优选的，所述定子齿的个数为Ns、所述高温超导励磁绕组的线圈个数Nf之间满足以下关系：Ns＝2×Nf，所述定子齿的个数为Ns为3的整数倍。此处设计是为能够绕制出三相对称电枢绕组。
根据本发明优选的，所述转子凸极的个数Nr、高温超导励磁绕组的线圈个数Nf、电枢绕组形成电枢磁场的极对数Pa之间满足以下关系：Nr＝Nf+Pa
根据本发明优选的，所述定子励磁型高温超导场调制电机为直线形电机。在本技术领域中，所述直线形电机包括定子和动子，其动子就是对应本发明中所述的转子，因此下文中所述直线形电机的转子就是对应其动子部分。
根据本发明优选的，所述定子齿的个数为Ns、所述高温超导励磁绕组的线圈个数Nf之间满足以下关系：Ns＝2×Nf，所述定子齿的个数为Ns为3的整数倍。此处设计是为能够绕制出三相对称电枢绕组。
根据本发明优选的，所述转子凸极的个数Nr、高温超导励磁绕组的线圈个数Nf、电枢绕组形成电枢磁场的极对数Pa之间满足以下关系：Nr＝Nf+Pa。
本发明的有益效果：
1.本发明所述定子励磁型高温超导场调制电机能够获得理想的运行性能，有利于改善电机可靠性和稳定性，降低加工和运行成本，提高机电转换能力和功率密度，非常适合诸如风力发电等的低速大转矩直驱应用场合。本发明还将高温超导励磁绕组位于定子上，转子仅为由单一导磁材料制成的外缘带凸极的环形导磁体，机械可靠性高，稳定性强。
2.高温超导励磁绕组置于定子侧，易于实现超导冷却液的静密封，方便冷却介质的流通，避免了传统转子励磁型高温超导电机所面临的动态旋转密封问题，大大降低了电机设计难度和加工成本。
3.本发明的定子励磁型高温超导场调制电机，能够利用磁场调制作用产生磁齿轮效应，即转子旋转在较低转速时，磁场调制作用能够使气隙内产生具有较高旋转速度的有效谐波磁场，电枢绕组则根据该高速旋转的有效谐波磁场极对数进行绕制，能够同时满足转子低速直驱的要求和定子电枢绕组磁场的高速设计需求，在不增加结构复杂性的前提下，能够有效提高电机功率密度。
4.本发明的定子励磁型高温超导场调制电机由于采用了超导励磁产生强励磁磁场，以及磁场调制作用产生的磁齿轮效应能够使气隙基波磁场和有效谐波磁场共同作用实现机电能量转换，其功率密度可达传统永磁同步电机的2～3倍。
附图说明
图1为本发明实施例2中所述电机的截面结构示意图；
图2为本发明实施例4中所述电机的横向截面结构示意图；
图1、2中有：定子1，定子齿11，转子2，转子凸极21，高温超导励磁绕组3，电枢绕组4，外壳5，电机转轴6，气隙7，高温超导励磁绕组线圈301～310，电枢绕组线圈401～418。图中“×”表示励磁电流流入、“·”表示励磁电流流出。
具体实施方式
下面结合实施例和说明书附图对本发明做详细的说明，但不限于此。
如图1、2所示。
实施例1、
一种定子励磁型高温超导场调制电机，包括相对设置定子1、转子2、高温超导励磁绕组3和电枢绕组4；所述的定子1、转子2由硅钢叠片或其它导磁材料构成，与普通永磁同步电机的定转子铁芯制造工艺相同；
在定子1的内侧上设置有等距排列的定子齿11，相邻的定子齿11之间为定子槽；内侧处形成齿槽交替结构，定子由硅钢片叠压而成；所述高温超导励磁绕组3隔齿绕制在所述定子齿11上；所有高温超导励磁绕组通以相同的直流电，形成的磁场方向相同，均为沿径向向内或向外；
在转子2的外侧上设置有等距排列的转子凸极21；转子2由硅钢片叠压而成，其上未布置任何绕组；
所述电枢绕组4为三相对称绕组，以跨距为2的分布绕组形式嵌放在定子槽内，电枢绕组通以对称三相交流电，能够形成具有一定极对数的电枢磁场；
所述定子1与转子2之间设有气隙。
所述定子齿11的个数为Ns、所述高温超导励磁绕组3的线圈个数Nf之间满足以下关系：Ns＝2×Nf，所述定子齿11的个数为Ns为3的整数倍。此处设计是为能够绕制出三相对称电枢绕组。所述的高温超导励磁绕组3为集中绕组，由第一代铋系或第二代钇系高温超导线材绕制而成，放置于跑道型冷却杜瓦内，通入低温液氮进行冷却，跑道型冷却杜瓦则隔齿套放在单个定子齿上，所以，定子齿11的个数为高温超导励磁绕组3线圈个数的两倍。
所述转子凸极21的个数Nr、高温超导励磁绕组3的线圈个数Nf、电枢绕组4形成电枢磁场的极对数Pa之间满足以下关系：Nr＝Nf+Pa。
实施例2、
如图1所示。
如实施例1所述的一种定子励磁型高温超导场调制电机，其区别在于，所述定子励磁型高温超导场调制电机为环形旋转电机，包括外壳5，在所述外壳5内且沿径向依次同轴设置有定子1、转子2和电机转轴6；
所述定子1和转子2均为环形导磁体，在定子1的内环上设置有等距排列的定子齿11；内环处形成齿槽交替结构，定子由硅钢片叠压而成；所述高温超导励磁绕组3隔齿绕制在所述定子齿11上；所有高温超导励磁绕组通以相同的直流电，形成的磁场方向相同，均为沿径向向内或向外；
所述转子2固定设置在电机转轴6上，在转子2的外环上设置有等距排列的转子凸极21；转子由硅钢片叠压而成，其上未布置任何绕组；
所述电枢绕组4为三相对称绕组，以跨距为2的分布绕组形式嵌放在定子槽内，电枢绕组通以对称三相交流电，能够形成具有一定极对数的电枢磁场；
所述定子1与转子2之间设有气隙7。能够保证转子自由旋转。
实施例3、
如图1所示。
如实施例2所述的一种定子励磁型高温超导场调制电机，其区别在于，所述外壳5为铝制环形部件。用于固定定子。
所述定子齿11的个数为Ns、所述高温超导励磁绕组3的线圈个数Nf之间满足以下关系：Ns＝2×Nf，所述定子齿11的个数为Ns为3的整数倍。此处设计是为能够绕制出三相对称电枢绕组。
所述转子凸极21的个数Nr、高温超导励磁绕组3的线圈个数Nf、电枢绕组4形成电枢磁场的极对数Pa之间满足以下关系：Nr＝Nf+Pa。
如实施例2、3所述，结合图1所示：
其中，第一高温超导励磁线圈301、第二高温超导励磁线圈302、第三高温超导励磁线圈303、第四高温超导励磁线圈304、第五高温超导励磁线圈305、第六高温超导励磁线圈306、第七高温超导励磁线圈307、第八高温超导励磁线圈308和第九高温超导励磁线圈309均通入相同的直流电，所产生的励磁磁场方向相同，均为沿径向方向向内或向外。以图1为例，上述高温超导励磁线圈301～309所产生的励磁磁场的方向均为沿径向向内。
图1给出的电枢绕组4为分布绕组，由常规铜导线绕制而成，电枢绕组4包含十八套电枢线圈，按照一定规律排列，构成三相，通以对称的三相交流电，能够形成具有一定极对数的电枢磁场。其中，第一电枢线圈401、第六电枢线圈406、第八电枢线圈408和第十电枢线圈410、第十五电枢线圈415和第十七电枢线圈417构成A相；第三电枢线圈403、第五电枢线圈405、第七电枢线圈407、第十二电枢线圈412、第十四电枢线圈414和第十六电枢线圈416构成B相；第二电枢线圈402、第四电枢线圈404、第九电枢线圈409、第十一电枢线圈411、第十三电枢线圈413和第十八电枢线圈418构成C相。
所述电机转轴6由钢或其它非导磁材料构成，与普通永磁同步电机的转轴制造工艺相同。
所述外壳5紧密包围在定子1的外部，用以固定安装定子1，外壳5由铝或其它非导磁材料构成，与普通永磁同步电机的外壳制造工艺相同。
转子凸极21的磁场调制功能，能够将高温超导励磁绕组3产生的励磁磁场，在气隙7中调制出一系列空间谐波磁场。为了利用磁齿轮效应，实现转子的低速直驱以及定子电枢绕组的高速磁场设计，同时，考虑到利用幅值最大的谐波旋转磁场实现机电能量转换，以期最大程度改善电机的功率密度，所述转子凸极21的个数Nr、高温超导励磁绕组3的线圈个数Nf、电枢绕组形成电枢磁场的极对数Pa之间满足以下关系：Nr＝Nf+Pa(1)
图1给出的转子凸极21的个数为13，高温超导励磁绕组3的线圈个数为9，电枢绕组4绕制的极对数为4，完全满足上述表达式(1)。
实施例4、
如图2所示。
如实施例1所述的一种定子励磁型高温超导场调制电机，其区别在于，所述定子励磁型高温超导场调制电机为直线形电机。
但无论旋转电机类型还是直线电机类型，都在本发明的保护范围之内。
本发明涉及的定子励磁型高温超导场调制电机采用定子励磁型结构，有效解决了高温超导励磁绕组的静密封冷却问题，利用磁齿轮效应能够获得较高的功率密度，非常适合诸如风力发电等的低速大转矩直驱应用场合。本发明所涉及电机在简化制造工艺、提高电机机械可靠性和运行稳定性、降低加工和运行成本、提高机电转换能力方面具有明显优势。

Claims (10)

1.一种定子励磁型高温超导场调制电机，包括相对设置定子、转子、高温超导励磁绕组和电枢绕组；其特征在于，在定子的内侧上设置有等距排列的定子齿，相邻的定子齿之间为定子槽；所述高温超导励磁绕组隔齿绕制在所述定子齿上；在转子的外侧上设置有等距排列的转子凸极；所述电枢绕组为三相对称绕组，以跨距为2的分布绕组形式嵌放在定子槽内，所述定子与转子之间设有气隙；所有高温超导励磁绕组通以相同的直流电，形成的磁场方向相同，均为沿径向向内或向外。
2.根据权利要求1所述的一种定子励磁型高温超导场调制电机，其特征在于，所述定子齿的个数为Ns、所述高温超导励磁绕组的线圈个数Nf之间满足以下关系：Ns＝2×Nf，所述定子齿的个数为Ns为3的整数倍。
3.根据权利要求2所述的一种定子励磁型高温超导场调制电机，其特征在于，所述转子凸极的个数Nr、高温超导励磁绕组的线圈个数Nf、电枢绕组形成电枢磁场的极对数Pa之间满足以下关系：Nr＝Nf+Pa。
4.根据权利要求1所述的一种定子励磁型高温超导场调制电机，其特征在于，所述定子励磁型高温超导场调制电机为环形旋转电机，包括外壳，在所述外壳内且沿径向依次同轴设置有定子、转子和电机转轴；
所述定子和转子均为环形导磁体，在定子的内环上设置有等距排列的定子齿；所述高温超导励磁绕组隔齿绕制在所述定子齿上；
所述转子固定设置在电机转轴上，在转子的外环上设置有等距排列的转子凸极；
所述电枢绕组为三相对称绕组，以跨距为2的分布绕组形式嵌放在定子槽内；
所述定子与转子之间设有气隙。
5.根据权利要求4所述的一种定子励磁型高温超导场调制电机，其特征在于，所述外壳为铝制环形部件。
6.根据权利要求4所述的一种定子励磁型高温超导场调制电机，其特征在于，所述定子齿的个数为Ns、所述高温超导励磁绕组的线圈个数Nf之间满足以下关系：Ns＝2×Nf，所述定子齿的个数为Ns为3的整数倍。
7.根据权利要求6所述的一种定子励磁型高温超导场调制电机，其特征在于，所述转子凸极的个数Nr、高温超导励磁绕组的线圈个数Nf、电枢绕组形成电枢磁场的极对数Pa之间满足以下关系：Nr＝Nf+Pa。
8.根据权利要求1所述的一种定子励磁型高温超导场调制电机，其特征在于，所述定子励磁型高温超导场调制电机为直线形电机。
9.根据权利要求8所述的一种定子励磁型高温超导场调制电机，其特征在于，所述定子齿的个数为Ns、所述高温超导励磁绕组的线圈个数Nf之间满足以下关系：Ns＝2×Nf，所述定子齿的个数为Ns为3的整数倍。
10.根据权利要求9所述的一种定子励磁型高温超导场调制电机，其特征在于，所述转子凸极的个数Nr、高温超导励磁绕组的线圈个数Nf、电枢绕组形成电枢磁场的极对数Pa之间满足以下关系：Nr＝Nf+Pa。
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