CN107623420B - 一种静态密封自预防失超高温超导电机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种静态密封自预防失超高温超导电机，包括由外向内依次布置的外定子、第一气隙、转子、第二气隙及高温超导励磁内定子；外定子包括外定子铁心和电枢线圈；转子包括间隔排列的导磁铁心块和非导磁材料块；内定子包括非导磁性绕组支撑、高温超导励磁线圈以及设置于高温超导励磁线圈外侧的导磁环。导磁环既可以为高温超导励磁线圈提供径向磁路，减少高温超导线材用量，又可以为电枢反应磁场提供切向磁路，消除电枢反应磁场对高温超导励磁绕组临界电流的影响。高温超导励磁线圈外部的导磁环具有磁场屏蔽功能，可预防交变的电枢反应磁场作用在高温超导励磁线圈所引起的失超，有效保护了高温超导励磁线圈，提高了电机运行的可靠性。

Description

一种静态密封自预防失超高温超导电机
技术领域
本发明涉及一种静态密封自预防失超高温超导电机，属于高温超导电机领域。
背景技术
风能作为目前人类所掌握的开发应用技术最为成熟的可再生能源之一，以其可开发量大、分布区域广、安全环保等优点，日益受到各国政府的普遍关注和高度重视。相较陆上风力发电，海上风力发电因具有风力资源稳定、湍流强度小、风能强劲以及不占用土地资源等优点，已成为风电领域的重要发展方向。对于海上风力发电而言，为提高系统发电效率，降低单位容量发电成本，其单机容量逐渐增大，目前，5MW等级的风力发电机组已投入运行。然而，单机容量的增大，势必使得发电机组体积庞大、质量重，给整个风电机组的制造、运输、安装等带来巨大困难。因此，为减小大容量风力发电机的体积和重量，提高系统发电效率，近年来国内外学者尝试将具有高效率、高功率密度等显著优点的超导电机引入风电领域，开发研制单机容量 10MW以上等级的风力发电机，以期实现整个系统的高效率、低成本运行。
通常，旋转超导电机主要将超导线材用作励磁绕组，采用非导磁支架将其固定于电机转子上，电枢绕组则为常规铜绕组，并采用空气心电枢结构，因此，需使用大量昂贵的超导线材以提供强励磁磁场；同时，为保证超导线材的低温运行条件，必须采用低温耦合传输装置，以动态密封形式实现低温冷却介质在旋转的电机转子与静止的外部制冷设备之间循环流通。故此类超导电机不仅价格昂贵，而且为保证低温耦合传输装置的密封性能，还需对其定期维护，大大增加了运行成本，并降低了系统可靠性。为降低超导电机的加工难度及制造成本，近年来国内外学者提出了一类超导绕组静止不动的静态密封高温超导电机及其构成的风力发电系统，从而去除了结构复杂的低温传输耦合器、介于低温环境与室温环境之间的力矩管以及采集超导绕组的温度、电流及电压等检测信号所必需的滑环和电刷，因此，改善了该类电机的运行稳定性。
然而，对于上述静态密封高温超导电机而言，由于交变的电枢反应磁场直接作用于超导绕组，容易引发失超，不利于风电系统的稳定运行。因此，基于静态密封超导电机冷却系统简单的特点，结合动态密封超导电机的超导励磁绕组通以直流电流获得强磁场的特性，提出兼具高功率密度、高效率、低成本、运行可靠优点的新型具有自预防失超能力的静态密封高温超导电机，对于海上风力发电的长足发展具有重要的理论意义与工程应用价值。
发明内容
本发明的目的在于克服现有静态密封高温超导电机中存在的电枢反应磁场导致的高温超导绕组失超问题，提出一种新型静态密封自预防失超双定子高温超导电机，从而解决现有技术存在的上述问题。为达到上述目的，本发明拟采用如下技术方案：一种静态密封自预防失超高温超导电机,包括由外向内依次布置的外定子、转子及高温超导励磁内定子；所述的外定子与转子之间具有第一气隙，所述的高温超导励磁内定子与转子之间具有第二气隙；所述的外定子包括外定子铁心和固定于外定子铁心内侧面的电枢线圈；所述的转子包括间隔排列的导磁铁心块和非导磁材料块；所述的高温超导励磁内定子包括非导磁性绕组支撑及固定于非导磁性绕组支撑上的高温超导励磁线圈；所述高温超导励磁线圈的极对数psc、导磁铁心块的个数nr、以及电枢线圈的等效极对数ps满足以下关系：psc＝nr-ps；所述的高温超导励磁内定子还包括设置于高温超导励磁线圈外侧的导磁环。
导磁环既可以为高温超导励磁线圈提供径向磁路，减少高温超导线材用量，又可以为电枢反应磁场提供切向磁路，消除电枢反应磁场对高温超导励磁绕组临界电流的影响。电枢反应磁场经导磁环形成闭合磁路，使电枢反应磁场不作用于高温超导励磁线圈，从而避免电枢反应磁场所导致的温超导励磁线圈失超。因此，高温超导励磁线圈外部的导磁环具有磁场屏蔽功能，可预防交变的电枢反应磁场作用在高温超导励磁线圈所引起的失超，有效保护了高温超导励磁线圈，提高了电机运行的可靠性。
优选的，所述的导磁环一体式设置于高温超导励磁线圈外侧，导磁环由若干半径相同，弧长相同的弓形导磁块环绕构成，为了防止相邻的弓形导磁块使高温超导励磁磁场短路，导致漏磁增加，相邻弓形导磁块之间采用与弓形导磁块相同材料属性的较窄导磁条连接，故具有加工方便的优点。弓形导磁块分别与高温超导励磁线圈一一对应且每个弓形导磁块均在直径方向上完全覆盖与之对应的高温超导励磁线圈；每个弓形导磁块均与与其对应的非导磁性绕组支撑的中心线对齐，并通过螺栓把将导磁环和非铁磁性绕组支撑固定在一起。
优选的，所述的导磁环分段式设置于高温超导励磁线圈外侧，导磁环包括若干半径相同，弧长相同的独立加工的弓形导磁块，弓形导磁块分别与高温超导励磁线圈一一对应且每个弓形导磁块均在直径方向上完全覆盖与之对应的高温超导励磁线圈；每个弓形导磁块均与与其对应的非导磁性绕组支撑的中心线对齐，并通过螺栓把将每个弓形导磁块分别与非铁磁性绕组支撑固定在一起。
优选的，所述外定子铁心内侧面均匀设置有定子齿，相邻定子齿之间形成凹槽，所述电枢线圈嵌入于该凹槽中。所述电枢线圈为常规铜绕组。
优选的，所述的外定子包括24个电枢线圈，所述的转子包括间隔排列并沿圆周分布11个导磁铁心块和11个非导磁材料块；所述的高温超导励磁内定子包括6套高温超导励磁线圈，且所有高温超导励磁线圈产生的磁极间隔排列。
本发明具有以下优点：
(1)导磁环既可以为高温超导励磁线圈提供径向磁路，减少高温超导线材用量，又可以为电枢反应磁场提供切向磁路，消除电枢反应磁场对高温超导励磁绕组临界电流的影响。电枢反应磁场经导磁环形成闭合磁路，使电枢反应磁场不作用于高温超导励磁线圈，从而避免电枢反应磁场所导致的温超导励磁线圈失超。因此，高温超导励磁线圈外部的导磁环具有磁场屏蔽功能，可预防交变的电枢反应磁场作用在高温超导励磁线圈所引起的失超，有效保护了高温超导励磁线圈，提高了电机运行的可靠性；
(2)高温超导励磁内定子静止不动，采用静态密封既可获得高温超导励磁线圈运行所需低温环境，且高温超导励磁线圈通入直流电流励磁，可以充分发挥高温超导线材适合直流的特性，因此可有效降低电机的制造难度和运行成本，易于实现产业化；
(3)高温超导励磁内定子位于电机内部，充分利用了电机的内部空间，能够节省大量空间提高电负载，同时该定子采用无铁心结构，既减轻了电机重量，又降低了电机铁耗，因此该电机具有高效率、高功率密度的优点。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为一体式导磁环的分布示意图；
图3为分段式导磁环的分布示意图；
其中，1、外定子铁心，2、电枢线圈，3、第一气隙，4、导磁铁心块，5、非导磁材料块，6、第二气隙，7、导磁环，8、非导磁性绕组支撑，9、高温超导励磁线圈；
701～706六个弓形导磁块，801～806六个非导磁性绕组支撑。
具体实施方式
.一种静态密封自预防失超高温超导电机,如图1所示，包括由外向内同心布置的外定子、转子及高温超导励磁内定子；所述的外定子与转子之间具有第一气隙3，所述的高温超导励磁内定子与转子之间具有第二气隙6；所述的外定子包括外定子铁心1和固定于外定子铁心1 内侧面的电枢线圈2，所述外定子铁心1内侧面均匀设置有24个定子齿，相邻定子齿之间形成凹槽，所述的外定子包括24个电枢线圈 2；每个电枢线圈2均依次直接安装在外定子齿上并嵌入于凹槽中， 24个定子齿上的电枢线圈按一定规律进行连接，构成三相对称绕组。所述的转子包括间隔排列并沿圆周分布11个导磁铁心块4和11个非导磁材料块5；所述的高温超导励磁内定子包括非导磁性绕组支撑8 及固定于非导磁性绕组支撑8上的高温超导励磁线圈9；所述的高温超导励磁内定子包括分别固定于6个非导磁性绕组支撑801～806的6 套高温超导励磁线圈9，且所有高温超导励磁线圈产生的磁极间隔排列。
所述的高温超导励磁内定子还包括设置于高温超导励磁线圈9外侧的导磁环7。
如图2所示，所述的导磁环7一体式设置于高温超导励磁线圈9外侧，导磁环7由6个半径相同，弧长相同的弓形导磁块701～706环绕构成，相邻弓形导磁块701～706之间采用与弓形导磁块相同材料属性的较窄导磁条连接，弓形导磁块701～706分别与高温超导励磁线圈9 一一对应且每个弓形导磁块701～706均在直径方向上完全覆盖与之对应的高温超导励磁线圈9；每个弓形导磁块701～706均与与其对应的非导磁性绕组支撑801～806的中心线对齐，并通过螺栓把将导磁环7和非铁磁性绕组支撑8固定在一起。
如图3所示，所述的导磁环7分段式设置于高温超导励磁线圈9外侧，导磁环7包括6个半径相同，弧长相同的独立加工的弓形导磁块 701～706，弓形导磁块701～706分别与高温超导励磁线圈9一一对应且每个弓形导磁块701～706均在直径方向上完全覆盖与之对应的高温超导励磁线圈9；每个弓形导磁块701～706均与与其对应的非导磁性绕组支撑801～806的中心线对齐，并通过螺栓把将每个弓形导磁块 701～706分别与非铁磁性绕组支撑801～806固定在一起。
工作原理：高温超导励磁线圈9通入励磁电流，产生穿过第一气隙3及第二气隙6从而交链电枢线圈的强磁场，当由原动机拖动电机转子旋转时，旋转的电机转子对气隙磁场进行调制，在电枢线圈2中产生感应电动势，对外输出电功率，实现发电运行；反之，若在电枢绕组中通入交流电流，则该电流产生的电枢反应磁场与高温超导励磁线圈产生的励磁磁场相互作用，产生驱动性质的电磁转矩，驱动转子旋转，从而对外输出机械功率，实现电动运行。
总之，本发明所提出的静态密封自预防失超双定子高温超导电机将静止的导磁环置于高温超导励磁内定子外部，既消除了电枢反应磁场对高温超导绕组临界电流的影响，又取消了动态密封高温超导电机中所必需的低温耦合传输装置，将高温超导励磁内定子的自预防失超优势与静态密封超导电机低温冷却系统结构简单的优点有机地统一，实现了真正的优势互补。基于静态密封自预防失超双定子高温超导电机本体的独特结构，可构建出高性能直驱风力发电系统。

Claims (5)

1.一种静态密封自预防失超高温超导电机,包括由外向内依次布置的外定子、转子及高温超导励磁内定子；所述的外定子与转子之间具有第一气隙(3)，所述的高温超导励磁内定子与转子之间具有第二气隙(6)；所述的外定子包括外定子铁心(1)和固定于外定子铁心(1)内侧面的电枢线圈(2)；所述的转子包括间隔排列的导磁铁心块(4)和非导磁材料块(5)；所述的高温超导励磁内定子包括非导磁性绕组支撑(8)及固定于非导磁性绕组支撑(8)上的高温超导励磁线圈(9)；所述高温超导励磁线圈(9)的极对数psc、导磁铁心块(4)的个数nr以及电枢线圈(2)的等效极对数ps满足以下关系：psc＝nr-ps；其特征在于，所述的高温超导励磁内定子还包括设置于高温超导励磁线圈(9)外侧的导磁环(7)，所述导磁环既为高温超导励磁线圈(9)提供径向励磁磁路，减少高温超导线材用量，又为电枢反应磁场提供切向磁路，屏蔽电枢反应磁场，消除电枢反应磁场对高温超导励磁线圈(9)临界电流的影响，从而避免电枢反应磁场所导致的高温超导励磁线圈(9)失超。
2.根据权利要求1所述的静态密封自预防失超高温超导电机,其特征在于，所述的导磁环(7)一体式设置于高温超导励磁线圈(9)外侧，导磁环(7)由若干半径相同，弧长相同的弓形导磁块环绕构成，相邻弓形导磁块之间采用与弓形导磁块相同材料属性的较窄导磁条连接，弓形导磁块分别与高温超导励磁线圈(9)一一对应且每个弓形导磁块均在直径方向上完全覆盖与之对应的高温超导励磁线圈(9)；每个弓形导磁块均与与其对应的非导磁性绕组支撑(8)的中心线对齐，并通过螺栓将导磁环(7)和非铁磁性绕组支撑(8)固定在一起。
3.根据权利要求1所述的静态密封自预防失超高温超导电机,其特征在于，所述的导磁环(7)分段式设置于高温超导励磁线圈(9)外侧，导磁环(7)包括若干半径相同，弧长相同的独立加工的弓形导磁块，弓形导磁块分别与高温超导励磁线圈(9)一一对应且每个弓形导磁块均在直径方向上完全覆盖与之对应的高温超导励磁线圈(9)；每个弓形导磁块均与与其对应的非导磁性绕组支撑(8)的中心线对齐，并通过螺栓将每个弓形导磁块分别与非铁磁性绕组支撑(8)固定在一起。
4.根据权利要求1所述的静态密封自预防失超高温超导电机,其特征在于，外定子铁心(1)内侧面均匀设置有定子齿，相邻定子齿之间形成凹槽，所述电枢线圈嵌入于该凹槽中。
5.根据权利要求1所述的静态密封自预防失超高温超导电机,其特征在于，所述的外定子包括24个电枢线圈(2)，所述的转子包括间隔排列并沿圆周分布11个导磁铁心块(4)和11个非导磁材料块(5)；所述的高温超导励磁内定子包括6套高温超导励磁线圈(9)，且所有高温超导励磁线圈产生的磁极间隔排列。
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