CN111917261A - 一种去饱和磁场调制电机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种去饱和磁场调制电机，包括：沿径向由内向外依次分布的内定子铁心、内气隙、转子调制环、外气隙、外定子铁心；还包括：放置在内定子铁心槽中的励磁绕组，放置在内定子铁心槽开口处的磁钢，放置在外定子铁心槽中的电枢绕组，以及用于包裹所述励磁绕组的低温恒温器；其中，所述内定子铁心、所述转子调制环及所述外定子铁心均采用铁磁材料。本发明将励磁绕组和电枢绕组分别放置在两个定子上，不需要旋转励磁、电刷及滑环，减少了电机的维修成本，提高了结构的可靠性；同时，双定子和转子调制环都采用铁磁材料，能有效提高电机的转矩密度并减小超导用量；采用模块化低温恒温器，能有效减小等效气隙磁密，进一步提高电机的转矩密度。

Description

一种去饱和磁场调制电机
技术领域
本发明属于超导电磁装置领域，更具体地，涉及一种去饱和磁场调制电机。
背景技术
如今，作为清洁和可再生能源的海上风能正在迅速发展，海上风电场已在全世界引起越来越多的关注。随着风力发电从陆上向海上发展，为提高发电效率，降低单位容量的发电成本，单机容量越来越大，5MW的风力发电机组已投入运行，目前国际上正在研制10MW或更大容量的风力发电机。由于高温超导带材具有较高的载流能力，与传统的铜绕组和永磁体相比，高温超导线圈可产生更高的磁通密度，因此高温超导风力发电机具有转矩密度大，重量轻，体积小及效率高等特点。因此，超导电机被认为是大规模海上风力发电应用的最佳选择之一。
对于传统的超导发电机设计，共同的特征是超导励磁绕组或电枢绕组旋转，这可能使其在海上风力发电中的工业可行性复杂化。对于具有旋转超导励磁线圈的概念设计，除了用于直流励磁电流连接的电刷和滑环之外，需要在旋转转子和固定式低温制冷系统之间安装用于低温传输的耦合装置，以便实现循环。低温冷却系统中的低温冷却剂无疑增加了制造成本并降低了低温冷却系统的可靠性。并且对于旋转电枢线圈选项，必须通过碳刷和滑环将大电流传递到旋转绕组，这不仅非常困难，而且还会降低发电机的可靠性。因此，发展无旋转绕组的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。
授权公告号为CN 104883015A的发明专利中公开了双定子超导励磁场调制电机，该电机将励磁线圈与电枢线圈分别放置于两个定子上，该电机体积小，重量轻，效率高，既发挥了高温超导绕组适合直流电流的特性，又避免了传统转子励磁型高温超导电机中所必需的冷却液旋转密封问题；结构简单，电机定子采用模块化结构，便于运输及现场安装，在海上风电等场合有很好的应用前景。
但是，上述超导电机中超导励磁线圈产生的磁场很大，会导致定子齿部严重饱和，阻碍了电机转矩密度的提升。
发明内容
针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种去饱和磁场调制电机，其目的在于解决现有超导电机中超导励磁线圈产生的磁场很大，导致定子齿部严重饱和，从而阻碍电机转矩密度提升的技术问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种去饱和磁场调制电机，包括：
沿径向由内向外依次分布的内定子铁心、内气隙、转子调制环、外气隙、外定子铁心；
还包括：放置在内定子铁心槽中的励磁绕组，放置在内定子铁心槽开口处的磁钢，放置在外定子铁心槽中的电枢绕组，以及用于包裹所述励磁绕组的低温恒温器；
其中，所述内定子铁心、所述转子调制环及所述外定子铁心均采用铁磁材料。
进一步地，所述内定子铁心与所述外定子铁心槽数相同，且所述内定子铁心的槽中心线与所述外定子铁心的齿中心线对齐。
进一步地，所述励磁绕组为超导励磁绕组，所述电枢绕组为超导电枢绕组；或者所述励磁绕组为超导励磁绕组，所述电枢绕组为铜电枢绕组；或者所述励磁绕组为铜励磁绕组，所述电枢绕组为超导电枢绕组；其中，所述励磁绕组采用直流励磁，所述电枢绕组流过的是交流电流。
进一步地，所述励磁绕组为单层绕组或双层绕组，所述电枢绕组为集中绕组或分布绕组。
进一步地，所述转子调制环包括多个调制块，所述多个调制块在径向平面内等间隔分布，呈环状，并通过两个圆环状的端环连接在一起；
所述调制块在径向平面的形状为以下之一：瓦片形、矩形、梯形、圆形。
进一步地，所述电枢绕组的极对数Pa、定子槽数Ns、转子调制块个数Nr满足：
Figure BDA0002606546620000031
本发明还提供了另一种去饱和磁场调制电机，包括：
沿径向由内向外依次分布的内定子铁心、内气隙、转子调制环、外气隙、外定子铁心；
还包括：放置在外定子铁心槽中的励磁绕组，放置在外定子铁心槽开口处的磁钢，放置在内定子铁心槽中的电枢绕组，以及用于包裹所述励磁绕组的低温恒温器；
其中，所述内定子铁心、所述转子调制环及所述外定子铁心均采用铁磁材料。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：
(1)本发明将励磁绕组和电枢绕组分别放置在两个定子上，形成物理隔离，因此不需要旋转励磁、电刷及滑环，很大程度上减少了电机的维修成本，提高了结构的可靠性；同时，双定子和转子调制环都采用铁磁材料，能有效提高电机的转矩密度并减小超导用量；采用模块化低温恒温器，能有效减小等效气隙磁密，进一步提高电机的转矩密度。如此，本发明能够削弱由励磁线圈导致的定子齿饱和，有效提高电机的转矩密度并减小超导用量。
(2)本发明中转子调制环各个调制块之间在径向平面内并无接触与连接，沿着电机轴向拉伸，调制块呈长条状，并通过两个圆环状的端环将所有调制块组装在一起；转子调制环结构与异步电机转子鼠笼结构类似。采用该鼠笼结构的调制环，各调制块之间在径向平面无需磁桥连接，能消除磁桥漏磁，增大电机输出能力。
(3)本发明中的励磁绕组和电枢绕组都可采用超导材料，能大大提高电机的功率密度，充分发挥超导材料的优势。
(4)本发明中磁钢与励磁绕组放置在同一个定子上，磁钢产生的磁场方向与励磁绕组磁场方向相反，同时，磁钢产生的磁场沿着定子齿闭合，不穿过径向气隙。因此，磁钢能有效减小由超导电励磁导致的内定子齿饱和程度，从而有效提高电机的转矩密度。
附图说明
图1为本发明提供的一种去饱和磁场调制电机结构示意图；
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-内定子铁心，2-低温恒温器，3-励磁绕组，4-磁钢，5-转子调制环，6-电枢绕组，7-外定子铁心。
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。
图1所示为本发明实施例的一种去饱和磁场调制电机拓扑图，该电机环形结构由内向外依次包括内定子铁心1，低温恒温器2，励磁绕组3、磁钢4、转子调制环5、电枢绕组6以及外定子铁心7。
以半超导电机为例，内定子上放置超导励磁线圈，外定子上放置电枢铜线圈。其中，磁钢放置于内定子槽开口处，外定子设有半闭口槽。超导励磁线圈采用单层绕组，每个励磁线圈缠绕在单独的一个定子齿上。另外，内定子槽数与外定子槽数相同，并且内定子槽中心线与外定子齿中心线对齐。同时，每一个超导励磁线圈都有单独的低温恒温器包裹。
双定子和转子调制环都采用铁磁材料，例如硅钢片，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，减小电机成本。
转子由调制环及支撑调制环的材料组成。转子调制环5由若干个调制块组成，调制块径向平面形状可以为瓦片形、矩形、梯形及圆形等多种形状。如图1所示，各个调制块之间在此径向平面内并无接触与连接。沿着电机轴向拉伸，调制块呈长条状，并通过两个圆环状的端环将所有调制块组装在一起。转子调制环结构与异步电机转子鼠笼结构类似。采用该鼠笼结构的调制环，各调制块之间在径向平面无需磁桥连接，能消除磁桥漏磁，增大电机输出能力。
电枢绕组的极对数Pa、内定子或外定子槽数Ns、转子调制块个数Nr满足：
Figure BDA0002606546620000051
当双定子的槽数确定后，可以根据改变转子调制块的个数来改变电枢绕组的极对数。根据电枢极对数大小，电枢绕组可以是整数槽分布绕组，也可以为分数槽集中绕组。
磁钢与励磁绕组放置在同一个定子上，磁钢产生的磁场方向与励磁绕组磁场方向相反，同时，磁钢产生的磁场沿着定子齿闭合，不穿过径向气隙。因此，磁钢能有效减小由超导电励磁导致的内定子齿饱和程度，从而有效提高电机的转矩密度。
需要说明的是，海上风力发电可作为本发明最典型的应用场合，但本发明不限于应用在海上风力发电领域。
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 (7)

1.一种去饱和磁场调制电机，其特征在于，包括：
沿径向由内向外依次分布的内定子铁心(1)、内气隙、转子调制环(5)、外气隙、外定子铁心(7)；
还包括：放置在内定子铁心槽中的励磁绕组(3)，放置在内定子铁心槽开口处的磁钢(4)，放置在外定子铁心槽中的电枢绕组(6)，以及用于包裹所述励磁绕组(3)的低温恒温器(2)；
其中，所述内定子铁心(1)、所述转子调制环(5)及所述外定子铁心(7)均采用铁磁材料。
2.根据权利要求1所述的去饱和磁场调制电机，其特征在于，所述内定子铁心(1)与所述外定子铁心(7)槽数相同，且所述内定子铁心(1)的槽中心线与所述外定子铁心(7)的齿中心线对齐。
3.根据权利要求1或2所述的去饱和磁场调制电机，其特征在于，
所述励磁绕组(3)为超导励磁绕组，所述电枢绕组(6)为超导电枢绕组；或者
所述励磁绕组(3)为超导励磁绕组，所述电枢绕组(6)为铜电枢绕组；或者
所述励磁绕组(3)为铜励磁绕组，所述电枢绕组(6)为超导电枢绕组；
其中，所述励磁绕组(3)采用直流励磁，所述电枢绕组(6)流过的是交流电流。
4.根据权利要求1所述的去饱和磁场调制电机，其特征在于，
所述励磁绕组(3)为单层绕组或双层绕组，所述电枢绕组(6)为集中绕组或分布绕组。
5.根据权利要求1所述的去饱和磁场调制电机，其特征在于，所述转子调制环(5)包括多个调制块，所述多个调制块在径向平面内等间隔分布，呈环状，并通过两个圆环状的端环连接在一起；
所述调制块在径向平面的形状为以下之一：瓦片形、矩形、梯形、圆形。
6.根据权利要求1所述的去饱和磁场调制电机，其特征在于，
所述电枢绕组(6)的极对数Pa、定子槽数Ns、转子调制块个数Nr满足：
Figure FDA0002606546610000021
7.一种去饱和磁场调制电机，其特征在于，包括：
沿径向由内向外依次分布的内定子铁心、内气隙、转子调制环、外气隙、外定子铁心；
还包括：放置在外定子铁心槽中的励磁绕组，放置在外定子铁心槽开口处的磁钢，放置在内定子铁心槽中的电枢绕组，以及用于包裹所述励磁绕组的低温恒温器；
其中，所述内定子铁心、所述转子调制环及所述外定子铁心均采用铁磁材料。
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