CN107612287B - 一种高温超导同步调相机 - Google Patents

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Abstract

本发明属于电机技术领域，尤其涉及一种高温超导同步调相机。本发明高温超导同步调相机中，低温冷却结构的第二双层结构的双层内腔部可通入冷气体，对第二双层结构的双层内腔部的高温超导磁体结构进行接触制冷，制冷后的冷气体再通过第二双层结构的第一端面的开口流入第二双层结构的双层内腔部并流出。此外，高温超导磁体结构不直接固定于转子铁芯，高温超导磁体结构与冷气体的接触面积大，有利于维持高温超导线圈运行的低温环境。

Description

一种高温超导同步调相机
技术领域
本发明属于电机技术领域，尤其涉及一种高温超导同步调相机。
背景技术
交流电力系统如果缺乏足够的无功功率支撑，容易引发电压失稳，甚至大规模电压崩溃，造成大面积电网瓦解。近年来，由于负荷的快速增长和大规模直流输电的发展，电力系统对无功功率的需求与日俱增。
在电力系统中，同步发电机是最常见的旋转设备，它在发出有功功率的同时，还可以发出无功功率，而且是性能最优越的无功电源。调相机是一种特殊运行状态下的同步发电机，它保留了同步发电机良好的无功补偿性能；由于不需发出有功，经过专门设计，调相机相对于普通同步电机的无功补偿性能也可进一步提升。
常规同步调相机转子上的励磁绕组采用铜线圈连接组成，运行过程中铜线圈通过励磁电流时产生大量的电能损耗，致使电机效率降低，并带来绝缘老化问题。高温超导同步调相机用高温超导材料制作成高温超导线圈并代替铜线圈，高温超导线圈可利用其零电阻特性减少因电阻发热而产生的损耗，从而提高电机运行效率。此外，超导材料出色的载流能力也会使得超导电机的体积和重量大幅度减小。但是，高温超导同步调相机中的高温超导线圈需要在低温环境下运行。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种高温超导同步调相机，用于解决高温超导同步调相机中的高温超导线圈需要在低温环境下运行的问题。
本发明的具体技术方案如下：
一种高温超导同步调相机，包括：转子单元和制冷单元；
所述转子单元包括转子铁芯和励磁绕组；
所述励磁绕组为高温超导线圈，所述高温超导线圈绕制在骨架上形成高温超导磁体结构；
所述制冷单元包括低温冷却结构；
所述低温冷却结构包括第一双层结构和第二双层结构；
所述第二双层结构设置于所述第一双层结构的双层内腔部，所述第一双层结构的第一端面密封，所述第二双层结构的第一端面设有开口，所述第一双层结构与所述第二双层结构固定连接；
所述高温超导磁体结构设置于所述第二双层结构的双层内腔部，所述高温超导磁体结构与所述第二双层结构固定连接；
所述转子铁芯与所述第一双层中空圆筒固定连接。
优选的，所述制冷单元还包括：低温旋转密封结构；
所述低温旋转密封结构包括：第一套筒、第二套筒、第三套筒和第四套筒；
所述第一套筒的第一端套接于所述第二套筒的第一端；
所述第一套筒的第一端外壁设有第一旋转螺纹；
所述第一套筒设置于所述第三套筒内，所述第二套筒设置于所述第四套筒内；
所述第三套筒的第一端套接于所述第四套筒的第一端；
所述第三套筒的第一端外壁设有第二旋转螺纹；
所述第一套筒的第二端与所述第二双层结构的第二端面相通，所述第一套筒与所述第二双层结构固定连接；
所述第三套筒的第二端与所述第一双层结构的第二端面相通，所述第三套筒与所述第一双层结构固定连接。
优选的，所述第三套筒与所述第四套筒的套接处的外侧为磁流体密封。
优选的，所述第一旋转螺纹为右旋螺纹；
所述第二旋转螺纹为左旋螺纹。
优选的，所述制冷单元还包括：进气轴和制冷机；
所述第二套筒的第二端通过进气轴与所述制冷机连接。
优选的，所述制冷单元还包括：出气轴和压缩机；
所述第四套筒的第二端通过所述出气轴与所述压缩机连接。
优选的，所述转子单元还包括转子转轴；
所述转子铁芯套接于所述转子转轴上；
所述高温超导磁体结构的数量为两个或两个以上；
所述高温超导磁体结构沿所述转子铁芯的周向均匀设置。
优选的，还包括：定子单元；
所述定子单元包括定子铁芯和定子绕组；
所述定子铁芯的内壁设置有无磁性齿，所述无磁性齿呈圆周均匀分布于所述定子铁芯的内壁；
所述定子绕组绕制于所述无磁性齿上。
优选的，还包括：启动单元；
所述启动单元为驱动电机或变频器。
优选的，所述驱动电机的输出轴通过联轴器与所述转子转轴连接。
综上所述，本发明提供了一种高温超导同步调相机，包括：转子单元和制冷单元；所述转子单元包括转子铁芯和励磁绕组；所述励磁绕组为高温超导线圈，所述高温超导线圈绕制在骨架上形成高温超导磁体结构；所述制冷单元包括低温冷却结构；所述低温冷却结构包括第一双层结构和第二双层结构；所述第二双层结构设置于所述第一双层结构的双层内腔部，所述第一双层结构的第一端面密封，所述第二双层结构的第一端面设有开口，所述第一双层结构与所述第二双层结构固定连接；所述高温超导磁体结构设置于所述第二双层结构的双层内腔部，所述高温超导磁体结构与所述第二双层结构固定连接；所述转子铁芯与所述第一双层中空圆筒固定连接。本发明中，低温冷却结构的第二双层结构的双层内腔部可通入冷气体，对第二双层结构的双层内腔部的高温超导磁体结构进行接触制冷，制冷后的冷气体再通过第二双层结构的第一端面的开口流入第一双层结构的双层内腔部并流出。此外，高温超导磁体结构不直接固定于转子铁芯，高温超导磁体结构与冷气体的接触面积大，有利于维持高温超导线圈运行的低温环境。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍。
图1为本发明实施例中提供的一种高温超导同步调相机中的制冷单元的部分结构示意图；
图2为本发明实施例中提供的一种高温超导同步调相机中的低温旋转密封结构的结构示意图；
图3为本发明实施例中提供的一种高温超导同步调相机中的超导磁体结构的结构示意图；
图4为本发明实施例中提供的一种高温超导同步调相机中的低温旋转密封结构的一种密封示意图；
图5为本发明实施例中提供的一种高温超导同步调相机中的低温旋转密封结构的另一种密封示意图；
图6为本发明实施例中提供的一种高温超导同步调相机的结构示意图；
图7为本发明实施例中提供的另一种高温超导同步调相机的结构示意图；
图示说明：101.驱动电机；102.联轴器；103.转子单元；104.定子单元；105.低温旋转密封结构；106.压缩机；107.制冷机；108.支撑架；109.高温超导磁体上盖板；110.骨架；111.高温超导磁体端块；112.高温超导磁体下盖板；113.电压传感器；114.高温超导线圈；115.磁场传感器；116.高温超导磁体铜编织带电流引线；117.铜端子；118.温度传感器；119.变频器；120.第二套筒；121.第一套筒；122.第三套筒；123.第四套筒；124.磁流体密封件；201.转子转轴；202.高温超导磁体结构；203.第二双层结构；204.第一双层结构；205.转子铁芯；206.转子轴承。
具体实施方式
本发明实施例提供了一种高温超导同步调相机，用于解决高温超导同步调相机中的高温超导线圈需要在低温环境下运行的问题。
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1至图3，分别为本发明实施例中提供的一种高温超导同步调相机中的制冷单元的部分结构示意图、本发明实施例中提供的一种高温超导同步调相机中的低温旋转密封结构的结构示意图和本发明中实施例提供的一种高温超导同步调相机中的超导磁体结构的结构示意图。
本发明实施例提供一种高温超导同步调相机，包括：转子单元103和制冷单元；
转子单元103包括转子铁芯205和励磁绕组；
励磁绕组为高温超导线圈114，高温超导线圈114绕制在骨架110上形成高温超导磁体结构202；
制冷单元包括低温冷却结构；
低温冷却结构包括第一双层结构204和第二双层结构203；
第二双层结构203设置于第一双层结构204的双层内腔部，第一双层结构204的第一端面密封，第二双层结构203的第一端面设有开口，第一双层结构204与第二双层结构203固定连接；
高温超导磁体结构202设置于第二双层结构203的双层内腔部，高温超导磁体结构202与第二双层结构203固定连接；
转子铁芯205与第一双层中空圆筒204固定连接。
本发明实施例中，低温冷却结构的第二双层结构203的双层内腔部可通入冷气体，对第二双层结构203的双层内腔部的高温超导磁体结构202进行接触制冷，制冷后的冷气体再通过第二双层结构203的第一端面的开口流入第一双层结构204的双层内腔部并流出。此外，高温超导磁体结构202不直接固定于转子铁芯205，高温超导磁体结构202与冷气体的接触面积大，有利于维持高温超导线圈运行的低温环境。
本发明实施例中，低温冷却结构的真空度范围为10-7Pa～0.1MPa，第一双层结构204或第二双层结构203为双层圆筒或双层长方体。
进一步的，制冷单元还包括：低温旋转密封结构105；
低温旋转密封结构105包括：第一套筒121、第二套筒120、第三套筒122和第四套筒123；
第一套筒121的第一端套接于第二套筒120的第一端；
第一套筒121的第一端外壁设有第一旋转螺纹；
第一套筒121设置于第三套筒122内，第二套筒120设置于第四套筒123内；
第三套筒122的第一端套接于第四套筒123的第一端；
第三套筒122的第一端外壁设有第二旋转螺纹；
第一套筒121的第二端与第二双层结构203的第二端面相通，第一套筒121与第二双层结构203固定连接；
第三套筒122的第二端与第一双层结构204的第二端面相通，第三套筒122与第一双层结构204固定连接。
本发明实施例中，第三套筒122与第四套筒123的套接处的外侧为磁流体密封，第三套筒122与第四套筒123的套接处的外侧设有磁流体密封件124。
本发明实施例中，低温旋转密封结构105考虑了转子单元的高速旋转运动，在高温超导同步调相机工作时，第一套筒121和第三套筒122随转子单元做高速旋转运动，而第二套筒120和第四套筒123保持静止。在高温超导同步调相机工作时，第一套筒121和第二套筒120形成低温旋转密封结构105的进气通路，第三套筒122和第四套筒123形成低温旋转密封结构105的出气通路，冷气体从静止的第二套筒120的内部流入，随后经过旋转的第一套筒121流向低温冷却结构，冷气体对高温超导磁体结构202进行接触冷却后，温度较高的流体从旋转的第三套筒122和静止的第四套筒123中流出。第一套筒121的第一端外壁设有的第一旋转螺纹、第三套筒122的第一端外壁设有第二旋转螺纹和磁流体密封件124使低温旋转密封结构105形成迷宫密封结构，进而使低温旋转密封结构105隔绝了漏气和热交换，保证低温冷却结构的绝热和密闭性，对保证低温冷却结构的真空度和维持低温冷却结构的低温作用重大。
本发明实施例中，低温旋转密度结构105的漏气率小于1Pa/h。低温冷却结构和低温旋转密封结构105的绝热材料为玻璃纤维增强环氧树脂，该材料的导热性低且具有一定的强度。
请参阅图4和图5，分别为本发明实施例中提供的一种高温超导同步调相机中的低温旋转密封结构的一种密封示意图和本发明实施例中提供的一种高温超导同步调相机中的低温旋转密封结构的一种密封示意图。
第一旋转螺纹为右旋螺纹；
第二旋转螺纹为左旋螺纹。
本发明实施例中，制冷单元工作时，第一套筒121和第三套筒122顺时针旋转，第一套筒121和第二套筒120套接处为右旋螺纹密封结构，冷气体进入的气路温度低压强高，右旋螺纹向右运动，可防止冷气体从低温旋转密封结构105的进气通路向出气通路泄露；第三套筒122和第四套筒123套接处为左旋螺纹密封结构，左旋螺纹向左运动，可防止外界气体杂质进入低温旋转密封结构105的出气通路污染制冷剂；第三套筒122和第四套筒123套接处的外侧设有磁流体密封件124，进一步提高了低温旋转密封结构105的密封性能。
进一步的，制冷单元还包括：进气轴和制冷机107；
第二套筒120的第二端通过进气轴与制冷机107连接。
进一步的，制冷单元还包括：出气轴和压缩机106；
第四套筒123的第二端通过出气轴与压缩机106连接，超导高温同步调相机工作时，第四套筒123流出的气体回到压缩机106。
进一步的，转子单元103还包括转子转轴201；
转子铁芯205套接于转子转轴201上；
高温超导磁体结构202的数量为两个或两个以上；
高温超导磁体结构202沿转子铁芯205的周向均匀设置。
需要说明的是，高温超导磁体结构202的磁体型式和磁体材料可根据实际应用进行选择。高温超导磁体结构202可选用高温超导涂层导体，如ReBCO、YBCO等，高温超导涂层导体具备更强的机械性能。对于中温区运行的高温超导磁体结构202，可以采用铁、铜或合金等高强金属包套的MgB2导体，该导体价格较低，大规模使用时优势明显。高温超导磁体结构202的工作温度在10-30K时，可选用ReBCO涂层导体、BSCCO多芯导体或铁基超导体，高温超导磁体结构202的工作温度在60K以上，可选用ReBCO涂层导体或BSCCO多芯导体。高温超导磁体结构202的磁体型式包括跑道型结构、圆形结构、椭圆型结构等。高温超导线圈的绕制形式还可以选用螺线管型、单线单饼型以及单线双饼型等。
本发明实施例中，高温超导磁体结构202的数量为4个，高温超导磁体结构202为跑道型结构。
本发明实施例高温超导磁体结构202中，高温超导线圈114绕制在骨架110上，高温超导线圈上下安装有高温超导磁体上盖板109和高温超导磁体下盖板112，高温超导磁体结构202还在高温超导线圈114的两侧安装有高温超导磁体端块111和铜端子117，高温超导线圈114还焊接有高温超导磁体铜编织带电流引线116。高温超导磁体上盖板109、高温超导磁体下盖板112与高温超导磁体端块111及侧边压边设计将高温超导线圈封装在工装之中，从而有效隔绝外界环境对高温超导线圈磁体性能的影响。并且，高温超导磁体结构202中还布置有电压传感器113、磁场传感器115和温度传感器118，能实时对高温超导磁体结构202的电压、磁场及温度进行检测，对监测高温超导磁体结构202的运行状态及失超保护等方面具有重要作用，电压传感器113、磁场传感器115和温度传感器118作为高温超导磁体结构202独立运行的支撑，使得高温超导磁体结构202作为一个智能化模块进行运行。
高温超导磁体结构的高温超导线圈排布采用集中绕组式结构，以防止高温超导线圈端部互相干涉。
请参阅图6和图7，分别为本发明实施例中提供的一种高温超导同步调相机的结构示意图和本发明实施例中提供的另一种高温超导同步调相机的结构示意图。
进一步的，还包括：定子单元104；
定子单元104包括定子铁芯和定子绕组；
定子铁芯的内壁设置有无磁性齿，无磁性齿呈圆周均匀分布于定子铁芯的内壁；
定子绕组绕制于无磁性齿上。
本实施例中，定子铁芯的内壁的无磁性齿结构能够减小电枢电抗并消除齿谐波对转子单元的影响，定子绕组采用铜线圈，定子铁芯的材料为硅钢片或非晶导磁材料。
进一步的，还包括：启动单元；
启动单元为驱动电机101或变频器119，支撑架108对转子单元和驱动单元的连接处提供有效支撑。
驱动电机101的输出轴通过联轴器与转子转轴201连接。
启动单元为驱动电机101时，高温超导同步调相机启动过程中，驱动电机101和联轴器102驱动转子单元103的转动。
启动电机为变频器119时，变频器119进行变频励磁启动。
以上是对本发明实施例提供的一种高温超导同步调相机的一个实施例进行详细的描述，以下将对本发明实施例提供的一种高温超导同步调相机的另一个实施例进行详细的描述。
请参阅图6，为本发明实施例中提供的一种高温超导同步调相机的结构示意图。高温超导同步调相机的额定容量为10MVA，额定线电压为11kV，空载励磁电流为255A。启动电机为驱动电机101，高温超导磁体结构202的磁体型式为跑道型结构，高温超导线圈的材料宽度为10mm的YBCO涂层导体。高温超导磁体结构202的数量为4个，即转子极数为4极，工作温度为室温。定子铁芯的内壁设置有无磁性齿，定子的槽数为36槽，每个定子绕组的匝数为6。高温超导同步调相机的转速为1500rpm，空载下的气隙磁密为1.3T，高温超导磁体结构202的工作温度为25～35K。定子铁芯的内径为700mm，定子铁芯的外径为1040mm，定子铁芯的有效长度为1000mm。
以上是对本发明实施例提供的一种高温超导同步调相机的一个实施例进行详细的描述，以下将对本发明实施例提供的一种高温超导同步调相机的另一个实施例进行详细的描述。
请参阅图6，为本发明实施例中提供的另一种高温超导同步调相机的结构示意图。高温超导同步调相机的额定容量为10MVA，额定线电压为11kV，空载励磁电流为255A。启动电机为变频器119，高温超导磁体结构202的磁体型式为跑道型结构，高温超导线圈的材料宽度为10mm的YBCO涂层导体。高温超导磁体结构202的数量为4个，即转子极数为4极，工作温度为室温。定子铁芯的内壁设置有无磁性齿，定子的槽数为36槽，每个定子绕组的匝数为6。高温超导同步调相机的转速为1500rpm，空载下的气隙磁密为1.3T，高温超导磁体结构202的工作温度为25～35K。定子铁芯的内径为700mm，定子铁芯的外径为1040mm，定子铁芯的有效长度为1000mm。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种高温超导同步调相机，其特征在于，包括：转子单元和制冷单元；
所述转子单元包括转子铁芯和励磁绕组；
所述励磁绕组为高温超导线圈，所述高温超导线圈绕制在骨架上形成高温超导磁体结构；
所述制冷单元包括低温冷却结构；
所述低温冷却结构包括第一双层结构和第二双层结构；
所述第二双层结构设置于所述第一双层结构的双层内腔部，所述第一双层结构的第一端面密封，所述第二双层结构的第一端面设有开口，所述第一双层结构与所述第二双层结构固定连接；
所述高温超导磁体结构设置于所述第二双层结构的双层内腔部，所述高温超导磁体结构与所述第二双层结构固定连接；
所述转子铁芯与所述第一双层中空圆筒固定连接。
2.根据权利要求1所述的高温超导同步调相机，其特征在于，所述制冷单元还包括：低温旋转密封结构；
所述低温旋转密封结构包括：第一套筒、第二套筒、第三套筒和第四套筒；
所述第一套筒的第一端套接于所述第二套筒的第一端；
所述第一套筒的第一端外壁设有第一旋转螺纹；
所述第一套筒设置于所述第三套筒内，所述第二套筒设置于所述第四套筒内；
所述第三套筒的第一端套接于所述第四套筒的第一端；
所述第三套筒的第一端外壁设有第二旋转螺纹；
所述第一套筒的第二端与所述第二双层结构的第二端面相通，所述第一套筒与所述第二双层结构固定连接；
所述第三套筒的第二端与所述第一双层结构的第二端面相通，所述第三套筒与所述第一双层结构固定连接。
3.根据权利要求2所述的高温超导同步调相机，其特征在于，所述第三套筒与所述第四套筒的套接处的外侧为磁流体密封。
4.根据权利要求3所述的高温超导同步调相机，其特征在于，所述第一旋转螺纹为右旋螺纹；
所述第二旋转螺纹为左旋螺纹。
5.根据权利要求4所述的高温超导同步调相机，其特征在于，所述制冷单元还包括：进气轴和制冷机；
所述第二套筒的第二端通过进气轴与所述制冷机连接。
6.根据权利要求5所述的高温超导同步调相机，其特征在于，所述制冷单元还包括：出气轴和压缩机；
所述第四套筒的第二端通过所述出气轴与所述压缩机连接。
7.根据权利要求6所述的高温超导同步调相机，其特征在于，所述转子单元还包括转子转轴；
所述转子铁芯套接于所述转子转轴上；
所述高温超导磁体结构的数量为两个或两个以上；
所述高温超导磁体结构沿所述转子铁芯的周向均匀设置。
8.根据权利要求7所述的高温超导同步调相机，其特征在于，还包括：定子单元；
所述定子单元包括定子铁芯和定子绕组；
所述定子铁芯的内壁设置有无磁性齿，所述无磁性齿呈圆周均匀分布于所述定子铁芯的内壁；
所述定子绕组绕制于所述无磁性齿上。
9.根据权利要求8所述的高温超导同步调相机，其特征在于，还包括：
启动单元；
所述启动单元为驱动电机或变频器。
10.根据权利要求9所述的高温超导同步调相机，其特征在于，所述驱动电机的输出轴通过联轴器与所述转子转轴连接。
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