CN111934489A - 一种用于降低交流损耗的超导低温恒温器 - Google Patents

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李大伟
程颐
曲荣海
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    • H—ELECTRICITY
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Abstract

本发明公开了一种用于降低交流损耗的超导低温恒温器，属于超导电磁装置领域。该恒温器包括：恒温器外壳、支撑结构件、冷却区域壳体、冷却剂、导磁块和超导体；超导体浸泡在冷却剂中构成冷却浸泡区域，导磁块与冷却浸泡区域共同构成冷却区域；冷却区域包裹在冷却区域壳体内；冷却区域壳体包裹在恒温器外壳内，两者之间为真空区域；支撑结构件均匀分布在恒温器外壳与冷却区域外壳之间。本发明通过在冷却区域设置导磁块，能够吸收超导线圈周围的交变磁场，有效减小外部交变磁场对超导线圈的干扰，以及超导线圈的交流损耗，提高超导线圈的安全性与可靠性。

Description

一种用于降低交流损耗的超导低温恒温器
技术领域
本发明属于超导电磁装置领域，更具体地，涉及一种用于降低交流损耗的超导低温恒温器。
背景技术
由于拥有巨大的资源空间和相对稳定的风能，近十年来，海上风能市场得以持续发展。如今，近海风电行业有向大型直驱风力发电机(10MW或更高)发展的趋势，因为随着涡轮机尺寸的增大，其整个生命周期内的成本/MW降低。然而，大功率直接驱动风力发电机需要产生大扭矩，这导致它们对于诸如永磁电机和电励磁同步电机的常规风力发电机拓扑而言是巨大的。因此，大规模海上风力发电迫切需要开发高转矩密度的电机。而许多高转矩密度的电机中，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。
近年来，超导电机的研究迅猛发展，但主要研究拓扑为超导同步发电机，同时采用集成化低温恒温器。在集成化恒温器中，所有超导线圈都集中在同一个恒温容器里，对于大功率超导电机，这会导致运输、安装及维护的困难性。另外，由于恒温器需要较大的冷却空间，会明显增加电机的物理气隙，导致生成同样大的气隙磁密时，需要的超导带材大量增加，消耗了巨大超导成本。而采用模块化低温恒温器能有效解决上述问题，每个超导线圈都有自己单独的低温恒温器。但是，由于超导电机内部磁场复杂，在该磁场环境下，超导线圈会产生交流损耗。特别是全超导电机，超导线圈直接处于大的交变磁场中，电机交流损耗大，会明显增加超导线圈的冷却的复杂程度，特别严重的情况下，会导致超导线圈过热失超，损坏设备。因此，降低超导线圈交流损耗是超导电机设计中非常重要的研究课题。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种用于降低交流损耗的超导低温恒温器，其目的在于减小外部交流磁场导致的超导交流损耗。
为实现上述目的，本发明提供了一种用于降低交流损耗的超导低温恒温器，包括：恒温器外壳、支撑结构件、冷却区域壳体、冷却剂、导磁块和超导体；
超导体浸泡在冷却剂中构成冷却浸泡区域，导磁块与冷却浸泡区域共同构成冷却区域；冷却区域包裹在冷却区域壳体内；
冷却区域壳体包裹在恒温器外壳内，两者之间为真空区域；
支撑结构件均匀分布在恒温器外壳与冷却区域外壳之间。
进一步地，导磁块为一块，位于超导体的上方或下方。
进一步地，导磁块为多块，各个导磁块分开放置于超导体的四周，不能相连。
优选地，导磁块为立方体结构或“凹”字形结构。
进一步地，导磁块由厚度为0.1或0.2mm的硅钢片堆叠形成，或采用SMC复合材料。
优选地，导磁块的宽度为超导体宽度的3倍。
进一步地，导磁块和超导体垂直方向的最优距离以最大限度的降低交流损耗为目标选取。
本发明还提供了一种全超导电机，上述超导低温恒温器包裹在全超导电机的超导励磁绕组上；每个超导励磁绕组对应一个单独的超导低温恒温器。
本发明还提供了一种磁场调制类超导电机，上述超导低温恒温器包裹在磁场调制类超导电机的超导励磁绕组上；每个超导励磁绕组对应一个单独的超导低温恒温器。
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，能够取得下列有益效果。
1)本发明通过在冷却区域设置导磁块，能够吸收超导线圈周围的交变磁场，有效减小外部交变磁场对超导线圈的干扰，以及超导线圈的交流损耗，提高超导线圈的安全性与可靠性。
2)本发明中的低温恒温器用于大型超导风力发电机时，由于其模块化结构，能有效减小电机的物理气隙，能显著提高电机的功率密度。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种用于降低交流损耗的超导低温恒温器结构；
图2为本发明实施例提供的导磁块降交流损耗原理图，其中，(a)为无导磁块时槽内磁场分布图；(b)为有导磁块时槽内磁场分布图；
图3为本发明实施例提供的一种采用降交流损耗的超导低温恒温器的双定子磁场调制类电机结构；
图4为本发明实施例提供的一种全超导电励磁低速直驱同步发电机结构；
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-恒温器外壳，2-真空区域，3-支撑结构件，4-导磁块，5-超导体，6-冷却区域壳体，7-冷却剂，8-导磁块宽度，9-导磁块厚度，10-超导体宽度，11-内定子铁心，12-槽开口漏磁，13为缠绕的超导带材，14-槽内漏磁，15-内定子，16-低温恒温器模块，17-超导励磁线圈，18-转子调制环，19-铜三相电枢绕组，20-外定子，21-转子铁心，22-定子铁心，23-超导电枢绕组，24-超导励磁绕组，25-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，本发明提供了一种用于降低交流损耗的超导低温恒温器，包括：恒温器外壳1、支撑结构件3、导磁块4、超导体5、冷却区域壳体6和冷却剂7；超导体5浸泡在冷却剂7中构成冷却浸泡区域，导磁块4与冷却浸泡区域共同构成冷却区域；冷却区域包裹在冷却区域壳体6内；冷却区域壳体6包裹在恒温器外壳1内，两者之间为真空区域2；支撑结构件3均匀分布在恒温器外壳1与冷却区域外壳6之间。
其中，导磁块4可以为立方体结构或“凹”字形结构，内凹部分可以为直角也可为弧形扇面，考虑到实际加工与安装的方便性，一般采用立方体或“凹”字形结构。
导磁块4的厚度9取决于所处环境的磁密大小，应该在保证导磁块处于未磁饱和状态的情况下，使导磁块的导磁能力尽可能高。导磁块4的宽度8与超导体的宽度10有关，为了保证导磁及交流损耗的降低效果，导磁块的宽度为超导体宽度的3倍左右。
导磁块4与超导体5的相对距离影响降交流损耗能力，两者相对距离不宜太近或太远；若两者相距太近，由于导磁块表面漏磁影响，反而会增大超导体的交流损耗；若两者相距太远，导磁块无法充分引导超导体周围的交变磁场。在实际应用中，以最大限度的降低交流损耗为目标选取最优相对距离。其中，相对距离为导磁块4与超导体5垂直方向的相对距离；当导磁块4内凹部分为弧形扇面时，将扇面最低点距离超导体表面的距离作为相对距离。
导磁块的放置位置与超导体的缠绕方式有关。目前高温超导线大多为扁平的带材形状，超导带材缠绕后的横截面与槽底垂直。空间中的磁场可以分解为垂直于超导横截面的磁场与平行于超导横截面的磁场，由超导交流损耗理论可知，垂直于超导横截面的交变磁场产生的交流损耗占总交流损耗的绝大部分。因此，实际设计中以降低垂直于超导横截面的交变磁场为主。经研究表明，导磁块放置区域与超导横截面垂直时能有效降低垂直交流磁场，即超导体的上下区域；放置区域与超导横截面平行时能有效降低平行交流磁场，即超导体的左右区域。导磁块一般只需要在上区域或者下区域中选择一个区域放置，也可以上、下区域各放一块，根据实际的降交流损耗效果而定。当上、下区域各放一块时，两个导磁块的厚度需要根据所处磁场环境大小分别调节。若超导体四周同时存在导磁块时，四个导磁块需要分开放置，不能相连，避免磁场在四个导磁块中闭合，无法起到对交变磁场的方向性引导。图2中(a)为无导磁块时槽内磁场分布图；(b)为有导磁块时槽内磁场分布图，其中，11为内定子铁心，12为槽开口漏磁，13为缠绕的超导带材，14为槽内漏磁，可以看出，未加导磁块之前，漏磁场会直接经过超导体，并在超导体上产生交流损耗；添加导磁块后，交流磁场经过导磁块的引导而不穿过超导体，能有效减小交流损耗。
导磁块4采用铁磁材料，例如硅钢片，为减小导磁块的铁耗，需采用较薄的硅钢片(0.1或0.2mm)堆叠形成，或采用片状模塑料复合材料(Sheet Molding Compound，SMC)制成。仿真验证表明，相对于超导体的交流损耗而言，导磁块的铁耗可以忽略不计。
对于具有超导励磁线圈的常规半超导同步电机，超导线圈与三相对称的电枢绕组产生的基波旋转磁场始终保持相对静止，在此类电机中，超导线圈的交流损耗仅由较小的交流纹波磁场例如齿谐波产生，该谐波频率较高，可以简单的用电磁屏蔽层直接过滤掉，电磁屏蔽层一般由导电不导磁材料(铝或铜)制成，置于电机的物理气隙之中，包裹整个电机转子。但是，对于全超导或磁场调制类电机，基波旋转磁场与超导线圈相对运动，而且该交变磁场频率较低，无法用电磁屏蔽层过滤，因此利用导磁块能引导磁场的性能，通过合理的设计与布置导磁块，有效降低超导线圈上的交流损耗。因此，本发明提供的低温恒温器应用于全超导或磁场调制类超导电机中。
本发明实施例以一款双定子磁场调制类电机为例对本发明的超低低温恒温器减小交流损耗的原理进行具体分析；电机结构如图3所示，这款电机由内至外分别包含内定子15、转子调制环18及外定子20。其中，超导励磁线圈17及低温恒温器模块16置于内定子，铜三相电枢绕组19置于外定子。外定子三相电枢绕组产生的旋转磁场相对于内定子是运动的，因此，内定子槽内会存在交变磁场，该交流磁场主要来源于两种情况，即槽口漏磁、槽间漏磁，未加导磁块之前，漏磁场会直接经过超导体，并在超导体上产生交流损耗；添加导磁块后，交流磁场经过导磁块的引导而不穿过超导体，能有效减小交流损耗。
除能减小交流损耗外，本发明提供的低温恒温器单独冷却一个超导体，一个恒温器加上一个被冷却的超导体，构成一个超导恒温器模块，该模块体积小，可以直接放置在超导电机定子槽中，能有效减小电机的物理气隙，显著提高电机的功率密度。具体原因如下：由于低温恒温器在定子槽中，不占据定子与转子之间的物理气隙空间，因此定转子物理气隙可以做的比较小。而传统的集成式恒温器，只用一个恒温器冷却超导电机中所有的超导体，该恒温器体积大，安装空间大。如图4所示杜瓦瓶，其中，21为转子铁心，22为定子铁心，23为超导电枢绕组，24为超导励磁绕组，25为包裹超导线圈的杜瓦瓶，由于定转子气隙中还包含恒温器壳体及电磁屏蔽层的厚度，总的物理气隙很大。若产生相同的磁负荷时，集成式恒温器需要更多超导材料，成本增加。另外，本发明提供的低温恒温器便于运输、安装及维修。
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 (9)

1.一种用于降低交流损耗的超导低温恒温器，其特征在于，包括：恒温器外壳(1)、支撑结构件(3)、导磁块(4)、超导体(5)、冷却区域壳体(6)和冷却剂(7)；
超导体(5)浸泡在冷却剂(7)中构成冷却浸泡区域，导磁块(4)与冷却浸泡区域共同构成冷却区域；冷却区域包裹在冷却区域壳体(6)内；
冷却区域壳体(6)包裹在恒温器外壳(1)内，两者之间为真空区域；
支撑结构件(3)均匀分布在恒温器外壳(1)与冷却区域外壳(6)之间。
2.根据权利要求1所述的一种用于降低交流损耗的超导低温恒温器，其特征在于，导磁块为一块，位于超导体的上方或下方。
3.根据权利要求1所述的一种用于降低交流损耗的超导低温恒温器，其特征在于，导磁块为多块，各个导磁块分开放置于超导体的四周，不能相连。
4.根据权利要求1-3任一项所述的一种用于降低交流损耗的超导低温恒温器，其特征在于，导磁块为立方体结构或“凹”字形结构。
5.根据权利要求1-4任一项所述的一种用于降低交流损耗的超导低温恒温器，其特征在于，导磁块由厚度为0.1或0.2mm的硅钢片堆叠形成，或采用SMC复合材料。
6.根据权利要求1-5任一项所述的一种用于降低交流损耗的超导低温恒温器，其特征在于，导磁块的宽度为超导体宽度的3倍。
7.根据权利要求6所述的一种用于降低交流损耗的超导低温恒温器，其特征在于，导磁块和超导体垂直方向的最优距离以最大限度的降低交流损耗为目标选取。
8.一种全超导电机，其特征在于，权利要求1至7任一项所述的超导低温恒温器包裹在所述全超导电机的超导励磁绕组上；每个超导励磁绕组对应一个单独的超导低温恒温器。
9.一种磁场调制类超导电机，其特征在于，权利要求1至7任一项所述的超导低温恒温器包裹在所述磁场调制类超导电机的超导励磁绕组上；每个超导励磁绕组对应一个单独的超导低温恒温器。
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