CN112152420A - 具有感应馈电和持续电流的混合绕线转子电机和发电机 - Google Patents

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Abstract

具有感应馈电和持续电流的混合绕线转子电机和发电机。在一个或更多个示例中，一种在发电机模式下操作的系统包括低温制冷机以冷却超导线圈。该系统还包括磁通泵以向超导线圈提供磁通。另外，该系统包括原动机的轴以接收转矩以使转子旋转。另外，该系统包括超导线圈以通过旋转磁场与主定子线圈电相互作用。此外，该系统包括控制定子线圈以从控制器接收电流并与非超导线圈电相互作用。在一个或更多个示例中，与由超导线圈单独生成的磁场的大小、相位和/或频率相比，改变超导线圈和非超导线圈的旋转磁场的大小、相位和/或频率，以控制输出电压的大小、相位和/或频率。

Description

具有感应馈电和持续电流的混合绕线转子电机和发电机
技术领域
本公开涉及转子电机/发电机。具体地，本公开涉及一种具有感应馈电和持续电流的混合绕线转子电机/发电机。
背景技术
为了增加飞行器中的电力推进的使用，一直期望开发具有更高比功率的技术。示例包括高功率密度电机和发电机(M/G)以及功率转换设备。
为了实现高比功率，常常期望电机/发电机(M/G)中的超导绕组。超导体中的电流密度远大于诸如铜或铝的传统导体，并且功率常常是转子中的电流和定子绕组中的电流的函数。超导绕组通常实现于转子中，该转子经历基本恒定的磁场，因此具有低损耗。由于超导体需要低温温度以保持其超导状态，所以任何损耗均需要诸如低温制冷机(cryocooler)的冷却装置来去除热。然而，如果损耗非常高，则低温制冷机的重量抵消了超导装置的重量优势。
通常，用于这些超导M/G的定子绕组是传统导体，其中定子经历显著变化的磁场。在大多数设计中，由于这些变化而引起的损耗对于当今的超导体而言太高，无法将其包括在定子绕组中。
目前，在绕线转子中建立电流的一个方法是通过使用电刷。除了由于电刷的磨损而引起的维护问题之外，使电流流入超导绕组中的正常导体的存在给系统带来大量的热，其必须通过制冷系统去除。这通常意味着设计必须由许多匝组成，这生成高电感和低电流。
避免向转子中引入电流的一个方法是使用块状俘获磁通磁体形式的超导体，类似于功率永磁体。此构思的问题在于难以原位激励超导体。此外，难以短时间内关闭磁化。因此，如果定子绕组中存在短路，则来自转子的磁场将继续在这些线圈上施加电压，并且存在定子绕组将过热并且可能着火的危险。
替代方法是使用感应来激励转子绕组。然而，超导体所经历的变化场引起大的损耗，这使得冷却系统过重。
鉴于上述，需要改进的高功率密度电学M/G设计。
发明内容
本公开涉及一种用于具有感应馈电和持续电流的混合绕线转子电机/发电机的方法、系统和设备。在一个或更多个示例中，一种用于装置在发电机模式下的操作的方法包括：利用低温制冷机来冷却转子的超导线圈，直至超导线圈的绕组的温度处于超导操作温度。该方法还包括：由磁通泵向超导线圈提供磁通，直至流过超导线圈的绕组的持续电流处于持续操作电流。另外，该方法包括：从原动机的轴接收转矩以使转子旋转。另外，该方法包括：通过超导线圈的持续电流和转子的旋转来生成旋转磁场。另外，该方法包括：由超导线圈通过旋转磁场与主定子线圈电相互作用。另外，该方法包括：通过与主定子线圈耦合的超导线圈的旋转磁场在主定子线圈内生成电动势(EMF)。另外，该方法包括：由控制定子线圈从控制器接收电流。另外，该方法包括：由控制定子线圈与转子的非超导线圈电相互作用。另外，该方法包括：通过控制定子线圈的电流的磁场在非超导线圈内感应控制电流。另外，该方法包括：通过非超导线圈内的控制电流生成磁场以与主定子线圈耦合。另外，该方法包括：通过非超导线圈内的控制电流所生成的磁场来调制超导线圈所生成的磁场。此外，该方法包括：与由超导线圈单独生成的磁场的大小、相位和频率中的至少一个相比，改变线圈和非超导线圈的旋转磁场的组合的大小、相位和频率中的至少一个，以控制输出电压的大小、相位和频率中的至少一个。
在一个或更多个示例中，主定子线圈连接到配电总线并向配电总线输送电功率。在至少一个示例中，控制定子线圈端子连接到控制器。在一些示例中，控制定子线圈连接到控制器并从系统控制器接收至少一个控制信号。在一个或更多个示例中，输出电压在主定子线圈端子处输出。
在至少一个示例中，当超导线圈与主定子线圈电相互作用时，超导线圈充当恒定磁通源。在一个或更多个示例中，超导线圈与主定子线圈基本同步地电相互作用。在一些示例中，超导线圈与主定子线圈异步地电相互作用。
在一个或更多个示例中，主定子线圈是超导或非超导之一。在一些示例中，控制定子线圈是超导和非超导之一。
在至少一个示例中，磁通泵位于转子的轴向和转子的径向之一。在一些示例中，低温制冷机位于转子上和为固定的之一。
在一个或更多个示例中，该方法还包括：当低温制冷机位于转子上时，通过滑环为低温制冷机供电。在一些示例中，该方法还包括：通过感应功率传递来为低温制冷机供电。
在至少一个示例中，该方法还包括：使冷却气体从低温制冷机经由通道流到转子的包括超导线圈的冷部分。在一些示例中，该通道从低温制冷机连接到转子的外半径和转子的旋转轴线之一。
在一个或更多个示例中，控制电流控制非超导线圈以实现下列之一：增强由超导线圈在主定子线圈中生成的电压、抑制由超导线圈在主定子线圈中生成的电压以及改变由超导线圈在主定子线圈中生成的电压的相位。
在至少一个示例中，该方法还包括：检测主定子线圈中的短路。另外，该方法包括：由控制定子线圈向非超导线圈中感应控制电流，使得从非超导线圈进入主定子线圈的短路部分的磁通与从超导线圈进入主定子线圈的短路部分的磁通相反。此外，该方法包括：通过磁通泵同时减小超导线圈中的持续电流，直至超导线圈中的持续电流减小至零，并且调节控制定子线圈中的控制电流以继续消除从超导线圈进入主定子线圈的短路部分的磁通。
在一个或更多个示例中，超导线圈位于转子的冷部分中并且非超导线圈位于转子的暖部分中。在一些示例中，转子的冷部分和转子的暖部分通过隔热件分离。
在至少一个示例中，转子包括外机械壳和内机械壳，并且来自低温制冷机的冷却气体流入形成在外机械壳和内机械壳之间的空间中。
在一个或更多个示例中，一种用于在发电机模式下操作的系统包括低温制冷机，以冷却转子的超导线圈，直至超导线圈的绕组的温度处于超导操作温度。该系统还包括磁通泵，以向超导线圈提供磁通，直至流过超导线圈的绕组的持续电流处于持续操作电流。另外，该系统包括原动机的轴以接收转矩以使转子旋转。在一个或更多个示例中，超导线圈的持续电流生成旋转磁场。另外，该系统包括超导线圈以通过旋转磁场与主定子线圈电相互作用，其中与主定子线圈耦合的超导线圈的旋转磁场在主定子线圈内生成电动势(EMF)。此外，该系统包括控制定子线圈以从控制器接收电流并与转子的非超导线圈电相互作用，其中控制定子线圈的电流的磁场在非超导线圈内感应控制电流。在一个或更多个示例中，非超导线圈内的控制电流生成磁场以与主定子线圈耦合，并且由非超导线圈内的控制电流生成的磁场调制由超导线圈生成的磁场。在至少一个示例中，与由超导线圈单独生成的磁场的大小、相位和频率中的至少一个相比，超导线圈和非超导线圈的旋转磁场的组合的大小、相位和频率中的至少一个改变，以控制输出电压的大小、相位和频率中的至少一个。
在至少一个示例中，一种用于装置在电机模式下的操作的方法包括：利用低温制冷机来冷却转子的超导线圈，直至超导线圈的绕组的温度处于超导操作温度。该方法还包括：由磁通泵向超导线圈提供磁通，直至流过超导线圈的绕组的持续电流处于持续操作电流。另外，该方法包括：由主定子线圈接收从配电总线输入的交流电。另外，该方法包括：由控制定子线圈从控制器接收控制电流。另外，该方法包括：通过主定子线圈内的交流电生成旋转磁场。另外，该方法包括：由旋转磁场与超导线圈的持续电流电相互作用。另外，该方法包括：通过与持续电流相互作用的旋转磁场生成电磁转矩以使转子旋转。另外，该方法包括：由控制定子线圈在转子的非超导线圈处生成电流。另外，该方法包括：通过由非超导线圈的电流生成的磁场调制由主定子线圈的交流电生成的磁场。此外，该方法包括：与由主定子线圈单独生成的旋转磁场的大小、相位和频率中的至少一个相比，改变主定子线圈的旋转磁场和非超导线圈的磁场的组合的大小、相位和频率中的至少一个，以控制转子的速度。
在一个或更多个示例中，主定子线圈的主定子线圈端子连接到配电总线。在一些示例中，控制定子线圈的控制定子线圈端子连接到控制器。
在至少一个示例中，一种用于在电机模式下的操作的系统包括低温制冷机以冷却转子的超导线圈，直至超导线圈的绕组的温度处于超导操作温度。该系统还包括磁通泵以向超导线圈提供磁通，直至流过超导线圈的绕组的持续电流处于持续操作电流。另外，该系统包括主定子线圈以接收从配电总线输入的交流电。另外，该系统包括控制定子线圈以从控制器接收控制电流。在一个或更多个示例中，主定子线圈内的交流电生成旋转磁场，该旋转磁场与超导线圈的持续电流电相互作用，并且与持续电流相互作用的旋转磁场生成电磁转矩以使转子旋转。另外，在该系统中，控制定子线圈还在转子的非超导线圈处生成电流，其中由非超导线圈的电流生成的磁场调制由主定子线圈的交流电生成的磁场。在一个或更多个示例中，与由主定子线圈单独生成的旋转磁场的大小、相位和频率中的至少一个相比，主定子线圈的旋转磁场和非超导线圈的磁场的组合的大小、相位和频率中的至少一个改变，以控制转子的速度。
特征、功能和优点可在本公开的各种示例中独立地实现，或者可在其它示例中被组合。
附图说明
关于以下描述、所附权利要求和附图，本公开的这些和其它特征、方面和优点将变得更好理解，附图中：
图1是示出根据本公开的至少一个示例的用于在电机模式下操作的混合绕线转子电机/发电机(M/G)的所公开的系统的图，其中关联的低温制冷机是固定的。
图2是示出根据本公开的至少一个示例的用于在发电机模式下操作的混合绕线转子电机/发电机(M/G)的所公开的系统的图，其中关联的低温制冷机是固定的。
图3是示出根据本公开的至少一个示例的用于混合绕线转子电机/发电机(M/G)的所公开的系统的图，其中关联的低温制冷机位于转子上。
图4A和图4B是一起示出根据本公开的至少一个示例的所公开的混合绕线转子电机/发电机(M/G)在发电机模式下操作的所公开的方法的流程图。
图5A和图5B是一起示出根据本公开的至少一个示例的所公开的混合绕线转子电机/发电机(M/G)在电机模式下操作的所公开的方法的流程图。
图6是示出根据本公开的至少一个示例的所公开的混合绕线转子电机/发电机(M/G)的定子线圈短路操作的所公开的方法的流程图。
具体实施方式
本文所描述的方法和设备提供了一种用于具有感应馈电和持续电流的混合绕线转子电机/发电机的操作系统。在一个或更多个示例中，本公开的系统提供了一种无刷电机/发电机(M/G)，其使用由混合感应馈电组件和持续电流超导组件组成的绕线转子以实现高比功率和速度控制。利用磁通泵实现持续电流。该构思的附加优点是在定子短路的情况下易于去激励的低电感高电流转子以及在转子去激励期间减小短路的定子上的电压的能力。
本公开的系统采用超导的绕线转子。通过利用磁通泵激励绕组来避免电刷，这是向绕组中感应电流的非接触控制方法。由于这将发生在M/G的初始激励时并且仅发生在绕组的有限部分上，所以其不会像传统感应处理一样遭受长时间加热。应该注意，磁通泵可反向操作，以相对快速地去激励转子绕组。这允许设计具有低电感高电流转子，而不会伴随有电刷系统所具有的热负荷。
转子还在感应模式下使用传统非超导绕组。来自这些感应馈电线圈的磁场与从超导绕组进入定子线圈中的磁场相联系。在正常操作下，这些线圈可与超导绕组串联作用，以增加M/G的功率。如果定子绕组中发生短路，则这些线圈可与超导线圈相反作用，以抵消进入定子的全部或部分磁场，以避免任何安全问题。
除了上述优点之外，混合转子方案还具有在变化的输入条件下控制M/G的输出与负荷要求匹配的能力。在发电机模式下，如果使转子转动的机械轴的速度可变，则系统的感应部分可用于维持恒定频率输出。在电机模式下，系统的感应部分可用于更好地调节变化的速度要求。这些优点与双馈感应电机的那些类似。
在以下描述中，阐述了许多细节以便提供对系统的更彻底的描述。然而，对于本领域技术人员而言将显而易见的是，所公开的系统可在没有这些具体细节的情况下实践。在其它情况下，公知特征没有详细描述，以免不必要地模糊该系统。
本文中可从功能和/或逻辑组件和各种处理步骤方面描述本公开的示例。应该理解，这些组件可通过被配置为执行指定功能的任何数量的硬件、软件和/或固件组件来实现。例如，本公开的示例可采用可在一个或更多个处理器、微处理器或其它控制装置的控制下执行各种功能的各种集成电路组件(例如，存储器元件、数字信号处理元件、逻辑元件、查找表等)。另外，本领域技术人员将理解，本公开的示例可结合其它组件来实践，并且本文所描述的系统仅是本公开的示例。
为了简明起见，与转子电机/发电机(M/G)和系统的其它功能方面(以及系统的各个操作组件)有关的传统技术和组件在本文中可能没有详细描述。大多数电机/发电机(M/G)具有三个(3)或更多个电相位。在本公开所公开的系统中，仅示出一个电相位。然而，所公开的系统可具有超过一个电相位。此外，本文所包含的各种图中所示的连线旨在表示各种元件之间的示例功能关系和/或物理联接。应该注意，在本公开的一个或更多个示例中可存在许多替代或附加功能关系或物理连接。
图1是示出根据本公开的至少一个示例的用于在电机模式下操作的混合绕线转子电机/发电机(M/G)的所公开的系统(或装置)100，其中关联的低温制冷机170是固定的。具体地，图1中示意性地示出系统100的基本配置。大多数电机/发电机(M/G)具有多个操作模式。在图1中，所公开的系统100在电机模式下操作以使转子120旋转。
在图1中，系统100包括定子110和转子120。定子110包括主定子线圈130和控制定子线圈140。转子120包括持续电流超导线圈150和非超导线圈160。超导线圈150仅与主定子线圈130相互作用。控制定子线圈140仅与非超导线圈160相互作用。非超导线圈160与两个定子线圈(即，主定子线圈130和控制定子线圈140)相互作用。并且，主定子线圈130与两个转子线圈(即，超导线圈150和非超导线圈160)相互作用。
转子120被分成两个部分：冷部分123和暖部分124。这两个部分通过隔热件126分离。超导线圈150位于转子120的冷部分123中，非超导线圈160位于转子120的暖部分124中。
转子120还包括支撑转子线圈(即，超导线圈150和非超导线圈160)的内机械壳127。另外，转子120包括外机械壳128，其与内机械壳127一起形成空间122，冷却气体可从连接到低温制冷机170的通道175流入或流出该空间122。
在图1的配置中，低温制冷机170是固定的。为了方便(例如，为了易于例示)，通道175在图1中被示出为在外半径上连接到转子120，但是通道175将优选沿着转子120的旋转轴线连接。可通过感应功率传递向低温制冷机170供电。在其它示例中，当低温制冷机170位于转子120上时(参照图3)，可通过滑环377向低温制冷机170供电。
应该注意，图1中未示出附加电机/发电机组件，例如支撑轴承、线圈架、定子线圈的冷却等。另外，应该注意，除了如所示的隔热件126之外，内壳127和外壳128还可通过其它组件机械连接。
超导线圈150包括区段155，其与磁通泵180相互作用以向超导线圈150中感应持续电流。主要电相互作用在超导线圈150和主定子线圈130之间。当超导线圈150与主定子线圈130电相互作用时，超导线圈150充当恒定磁通源。超导线圈150与主定子线圈130基本同步地(或异步地)相互作用。
控制定子线圈140向非超导线圈160中感应电流，使得非超导线圈160起到增强由超导线圈150在主定子线圈130中生成的电压的作用或者可反作用于其，或者可起到改变相互作用的有效相位的作用。因此，控制电流控制非超导线圈160以实现下列之一：增强由超导线圈150在主定子线圈130中生成的电压，抑制由超导线圈150在主定子线圈130中生成的电压，或者改变由超导线圈150在主定子线圈130中生成的电压的相位。
在一个或更多个示例中，定子线圈(即，主定子线圈130和控制定子线圈140)可以是超导的或非超导的。
在图1中，磁通泵180被示出为位于转子120的轴向。在本发明的单独示例中(参照图3)，磁通泵180位于转子120的径向。
另外，在图1中，电机负载(例如，螺旋桨)195被示出为经由轴190连接到转子120。在系统100在电机模式下操作期间，转子旋转以驱动电机负载195。
图1中还示出，主定子线圈130经由主定子线圈端子131连接到外部配电总线192。电源193向配电总线192输送功率。另外，控制定子线圈140经由控制定子线圈端子141连接到控制器194。系统控制器196连接到控制器194，并且发送至少一个控制信号198以控制控制定子线圈140。
图2是示出根据本公开的至少一个示例的用于在发电机模式下操作的混合绕线转子电机/发电机(M/G)的所公开的系统(或装置)200的图，其中(类似于图1)关联的低温制冷机170是固定的。图2的系统200的大多数组件与示出基本配置的图1的系统100的组件相同。在图2中，所公开的系统200在发电机模式下操作以生成输出电压。
在图2中，原动机295被示出为经由轴190连接到转子120。在系统200在发电机模式下操作期间，原动机295的轴190输送转矩以使转子120旋转。所生成的输出电压在主定子线圈端子131处输出。主定子线圈130连接到(经由主定子线圈端子131)配电总线192并向配电总线192输送功率。配电总线192连接到接收功率的电负载293。
图3是示出根据本公开的至少一个示例的用于混合绕线转子电机/发电机(M/G)的所公开的系统(或装置)300的图，其中关联的低温制冷机170位于转子120上。为了方便(例如，为了易于例示)，图3中并未示出所公开的系统300的所有组件。参照图1和图2以查看系统300的所有组件。
具体地，图3示出所公开的系统300的另一示例，其中对于系统300，低温制冷机170位于转子120上。另外，图3的示例还示出位于转子120的径向的磁通泵180。
在此配置中，低温制冷机170可对超导线圈150进行传导冷却。在这种情况下，通过滑环377向低温制冷机170供电。另选地，如先前上面提及的，可通过感应功率传递向低温制冷机170供电，类似于电动汽车的充电。
图4A和图4B是一起示出根据本公开的至少一个示例的所公开的混合绕线转子电机/发电机(M/G)(例如，图2的系统(或装置)200)在发电机模式下操作的所公开的方法400的流程图。当在发电机模式下操作时，所公开的混合绕线转子电机/发电机(M/G)作为发电机操作以生成输出电压。对于图4A和图4B的方法，参考图2所示的组件。
在方法开始405时，在步骤410，低温制冷机170冷却转子120的超导线圈150，直至超导线圈150的绕组的温度处于超导操作温度(例如，超导线圈150的预定操作温度)。在步骤415，磁通泵180向超导线圈150提供磁通，直至流过超导线圈150的绕组的持续电流处于持续操作电流(例如，预定持续操作电流)。在步骤420，原动机295的轴190接收转矩以使转子120旋转。
在步骤425，超导线圈150的持续电流生成旋转磁场。在步骤430，超导线圈150通过旋转磁场与主定子线圈130电相互作用。在步骤435，与主定子线圈130耦合的超导线圈150的旋转磁场在主定子线圈130内生成电动势(EMF)。
在步骤440，控制定子线圈140从控制器194接收电流。在步骤445，控制定子线圈140与转子120的非超导线圈160电相互作用。在步骤450，控制定子线圈140的电流的磁场在非超导线圈160内感应控制电流。在步骤455，非超导线圈160内的控制电流生成磁场以与主定子线圈130耦合。在步骤460，由非超导线圈160内的控制电流生成的磁场调节由超导线圈150生成的磁场。
在步骤465，与由超导线圈150单独生成的磁场的大小、相位和频率中的至少一个相比，改变超导线圈150和非超导线圈160的旋转磁场的组合的大小、相位和频率中的至少一个，以控制输出电压的大小、相位和频率中的至少一个。然后，方法在470结束。
图5A和图5B是一起示出根据本公开的至少一个示例的所公开的混合绕线转子电机/发电机(M/G)(例如，图1的系统(或装置)100)在电机模式下操作的所公开的方法500的流程图。当在电机模式下操作时，所公开的混合绕线转子电机/发电机(M/G)作为电机操作以使转子120旋转。对于图5A和图5B的方法，参考图1所示的组件。
在方法开始505时，在步骤510，低温制冷机170冷却转子120的超导线圈150，直至超导线圈150的绕组的温度处于超导操作温度(例如，预定操作温度)。在步骤515，磁通泵180向超导线圈150提供磁通，直至流过超导线圈150的绕组的持续电流处于持续操作电流。
在步骤520，主定子线圈130接收从配电总线192输入的交流电(AC)。在步骤525，控制定子线圈140从控制器194接收控制电流。在步骤530，主定子线圈130内的交流电(AC)生成旋转磁场。在步骤535，旋转磁场与超导线圈150的持续电流电相互作用。在步骤540，与持续电流相互作用的旋转磁场生成电磁转矩以使转子120旋转。
在步骤545，控制定子线圈140在转子120的非超导线圈160处生成电流。在步骤550，由非超导线圈160的电流生成的磁场调制由主定子线圈130的交流电(AC)生成的磁场。在步骤555，与由主定子线圈130单独生成的旋转磁场的大小、相位和频率中的至少一个相比，改变主定子线圈130的旋转磁场和非超导线圈160的磁场的组合的大小、相位和频率中的至少一个，以控制转子120的速度。然后，方法在560结束。
图6是示出根据本公开的至少一个示例的所公开的混合绕线转子电机/发电机(M/G)(例如，图1和图2的系统(或装置)100、200)的定子线圈短路操作的所公开的方法600的流程图。当所公开的混合绕线转子电机/发电机(M/G)在电机模式或发电机模式下操作时，主定子线圈130中可能发生短路。利用图6的方法来消除进入主定子线圈130的短路部分中的磁通。对于图6的方法，参考图1和图2所示的组件。
在方法开始605时，在步骤610，在主定子线圈130中检测短路。在步骤620，控制定子线圈140向非超导线圈160中感应控制电流，使得从非超导线圈160进入主定子线圈130的短路部分中的磁通与从超导线圈150进入主定子线圈130的短路部分中的磁通相反。在步骤630，磁通泵180同时减小超导线圈150中的持续电流，直至超导线圈150中的持续电流减小至零，并且在此期间，调节控制定子线圈140中的控制电流以继续消除超导线圈150中进入主定子线圈130的短路部分中的磁通。然后，方法在640结束。
此外，本公开包括根据以下条款的示例：
条款1.一种用于装置在发电机模式下的操作的方法，该方法包括：利用低温制冷机冷却转子的超导线圈，直至超导线圈的绕组的温度处于超导操作温度；由磁通泵向超导线圈提供磁通，直至流过超导线圈的绕组的持续电流处于持续操作电流；从原动机的轴接收转矩以使转子旋转；通过超导线圈的持续电流生成旋转磁场；由超导线圈通过旋转磁场与主定子线圈电相互作用；通过与主定子线圈耦合的超导线圈的旋转磁场在主定子线圈内生成电动势(EMF)；由控制定子线圈从控制器接收电流；由控制定子线圈与转子的非超导线圈电相互作用；通过控制定子线圈的电流的磁场在非超导线圈内感应控制电流；通过非超导线圈内的控制电流生成磁场以与主定子线圈耦合；通过由非超导线圈内的控制电流生成的磁场调制由超导线圈生成的磁场；以及与由超导线圈单独生成的磁场的大小、相位和频率中的至少一个相比，改变超导线圈和非超导线圈的旋转磁场的组合的大小、相位和频率中的至少一个，以控制输出电压的大小、相位和频率中的至少一个。
条款2.根据条款1所述的方法，其中，主定子线圈连接到配电总线并向配电总线输送电功率。
条款3.根据条款1至2中的任一项所述的方法，其中，控制定子线圈端子连接到控制器。
条款4.根据条款1至3中的任一项所述的方法，其中，控制定子线圈连接到控制器并从系统控制器接收至少一个控制信号。
条款5.根据条款1至4中的任一项所述的方法，其中，输出电压在主定子线圈端子处输出。
条款6.根据条款1至5中的任一项所述的方法，其中，当超导线圈与主定子线圈电相互作用时，超导线圈充当恒定磁通源。
条款7.根据条款1至6中的任一项所述的方法，其中，超导线圈与主定子线圈基本同步地电相互作用。
条款8.根据条款1至7中的任一项所述的方法，其中，超导线圈与主定子线圈异步地电相互作用。
条款9.根据条款1至8中的任一项所述的方法，其中，主定子线圈是超导和非超导之一。
条款10.根据条款1至9中的任一项所述的方法，其中，控制定子线圈是超导和非超导之一。
条款11.根据条款1至10中的任一项所述的方法，其中，磁通泵位于转子的轴向和转子的径向之一。
条款12.根据条款1至11中的任一项所述的方法，其中，低温制冷机是位于转子上和为固定的之一。
条款13.根据条款1至12中的任一项所述的方法，其中，该方法还包括：当低温制冷机位于转子上时通过滑环向低温制冷机供电。
条款14.根据条款1至13中的任一项所述的方法，其中，该方法还包括：通过感应功率传递向低温制冷机供电。
条款15.根据条款1至14中的任一项所述的方法，其中，该方法还包括：使冷却气体从低温制冷机经由通道流到转子的包括超导线圈的冷部分。
条款16.根据条款15所述的方法，其中，所述通道从低温制冷机连接到转子的外半径和转子的旋转轴线之一。
条款17.根据条款1至16中的任一项所述的方法，其中，所述控制电流控制非超导线圈以实现下列之一：增强由超导线圈在主定子线圈中生成的电压，抑制由超导线圈在主定子线圈中生成的电压，以及改变由超导线圈在主定子线圈中生成的电压的相位。
条款18.根据条款1至17中的任一项所述的方法，其中，该方法还包括：检测主定子线圈中的短路；由控制定子线圈向非超导线圈中感应控制电流，使得从非超导线圈进入主定子线圈的短路部分中的磁通与从超导线圈进入主定子线圈的短路部分中的磁通相反；以及由磁通泵同时减小超导线圈中的持续电流，直至超导线圈中的持续电流减小至零，并且调节控制定子线圈中的控制电流以继续消除从超导线圈进入主定子线圈的短路部分中的磁通。
条款19.根据条款1至18中的任一项所述的方法，其中，超导线圈位于转子的冷部分中并且非超导线圈位于转子的暖部分中。
条款20.根据条款19所述的方法，其中，转子的冷部分和转子的暖部分通过隔热件分离。
条款21.根据条款1至20中的任一项所述的方法，其中，转子包括外机械壳和内机械壳，并且其中，来自低温制冷机的冷却气体流入形成在外机械壳和内机械壳之间的空间中。
条款22.一种用于在发电机模式下操作的系统，该系统包括：低温制冷机，其冷却转子的超导线圈，直至超导线圈的绕组的温度处于超导操作温度；磁通泵，其向超导线圈提供磁通，直至流过超导线圈的绕组的持续电流处于持续操作电流；接收转矩以使转子旋转的原动机的轴，其中，超导线圈的持续电流生成旋转磁场；通过旋转磁场与主定子线圈电相互作用的超导线圈，其中，与主定子线圈耦合的超导线圈的旋转磁场在主定子线圈内生成电动势(EMF)；以及控制定子线圈，其从控制器接收电流并与转子的非超导线圈电相互作用，其中，控制定子线圈的电流的磁场在非超导线圈内感应控制电流，其中，非超导线圈内的控制电流生成磁场以与主定子线圈耦合，并且其中，由非超导线圈内的控制电流生成的磁场调制由超导线圈生成的磁场，并且其中，与由超导线圈单独生成的磁场的大小、相位和频率中的至少一个相比，超导线圈和非超导线圈的旋转磁场的组合的大小、相位和频率中的至少一个改变，以控制输出电压的大小、相位和频率中的至少一个。
尽管已示出和描述了特定示例，但应该理解，以上讨论并非旨在限制这些示例的范围。尽管本文已公开和描述了本发明的许多方面的示例和变化，但提供这样的公开仅是为了说明和例示。因此，在不脱离权利要求的范围的情况下，可进行各种改变和修改。
在上述方法指示特定事件按照特定顺序发生的情况下，受益于本公开的本领域普通技术人员将认识到，可修改顺序，并且这些修改符合本公开的变化。另外，除了顺序执行之外，方法的部分可在可能的情况下在并行处理中同时执行。另外，可执行方法的更多步骤或更少步骤。
因此，示例旨在举例说明可落入权利要求的范围内的替代、修改和等同物。
尽管本文已公开了特定例示性示例和方法，对于本领域技术人员而言可从以上公开显而易见的是，可在不脱离本公开的真实精神和范围的情况下对这些示例和方法进行变化和修改。存在许多其它示例，各个示例仅在细节方面与其它示例不同。因此，本公开旨在仅限于所附权利要求以及适用法律的规则和原则所要求的范围。

Claims (15)

1.一种用于装置(200)在发电机模式下的操作的方法(400)，该方法(400)包括以下步骤：
利用低温制冷机(170)冷却(410)转子(120)的超导线圈(150)，直至所述超导线圈(150)的绕组的温度处于超导操作温度；
由磁通泵(180)向所述超导线圈(150)提供(415)磁通，直至流过所述超导线圈(150)的所述绕组的持续电流处于持续操作电流；
从原动机(295)的轴(190)接收(420)转矩以使所述转子(120)旋转；
通过所述超导线圈(150)的所述持续电流生成(425)旋转磁场；
由所述超导线圈(150)通过所述旋转磁场与主定子线圈(130)电相互作用(430)；
通过与所述主定子线圈(130)耦合的所述超导线圈(150)的所述旋转磁场在所述主定子线圈(130)内生成(435)电动势EMF；
由控制定子线圈(140)从控制器(194)接收(440)电流；
由所述控制定子线圈(140)与所述转子(120)的非超导线圈(160)电相互作用(445)；
通过所述控制定子线圈(140)的电流的磁场在所述非超导线圈(160)内感应(450)控制电流；
通过所述非超导线圈(160)内的所述控制电流生成(445)磁场以与所述主定子线圈(130)耦合；
通过由所述非超导线圈(160)内的所述控制电流生成的所述磁场调制(460)由所述超导线圈(150)生成的磁场；以及
与由所述超导线圈(150)单独生成的所述磁场的大小、相位和频率中的至少一个相比，改变(465)所述超导线圈(150)和所述非超导线圈(160)的旋转磁场的组合的大小、相位和频率中的至少一个，以控制输出电压的大小、相位和频率中的至少一个。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述主定子线圈(130)连接到配电总线(192)并向所述配电总线(192)输送电功率。
3.根据权利要求1至2中的任一项所述的方法，其中，所述控制定子线圈(140)连接到所述控制器(194)并从系统控制器(196)接收至少一个控制信号(198)。
4.根据权利要求1至3中的任一项所述的方法，其中，所述输出电压在主定子线圈端子(131)处输出。
5.根据权利要求1至4中的任一项所述的方法，其中，下列中的至少一个成立：
当所述超导线圈(150)与所述主定子线圈(130)电相互作用时，所述超导线圈(150)充当恒定磁通源；
与所述主定子线圈(130)基本同步地电相互作用；以及
与所述主定子线圈(130)异步地电相互作用。
6.根据权利要求1至5中的任一项所述的方法，其中，所述主定子线圈(130)和所述控制定子线圈(140)中的每一个是超导和非超导之一。
7.根据权利要求1至6中的任一项所述的方法，其中，所述磁通泵(180)位于所述转子(120)的轴向和所述转子(120)的径向之一。
8.根据权利要求1至7中的任一项所述的方法，其中，所述低温制冷机(170)是位于所述转子(120)上的和为固定的之一。
9.根据权利要求1至8中的任一项所述的方法，其中，该方法还包括下列步骤中的至少一个：
当所述低温制冷机(170)位于所述转子(120)上时，通过滑环(377)向所述低温制冷机(170)供电；以及
通过感应功率传递向所述低温制冷机(170)供电。
10.根据权利要求1至9中的任一项所述的方法，其中，所述方法还包括：使冷却气体从所述低温制冷机(170)经由通道(175)流到所述转子(120)的包括所述超导线圈(150)的冷部分(123)，并且其中，所述通道(175)从所述低温制冷机(170)连接到所述转子(120)的外半径和所述转子(120)的旋转轴线之一。
11.根据权利要求1至10中的任一项所述的方法，其中，所述控制电流控制所述非超导线圈(160)以实现下列之一：增强由所述超导线圈(150)在所述主定子线圈(130)中生成的电压，抑制由所述超导线圈(150)在所述主定子线圈(130)中生成的所述电压，以及，改变由所述超导线圈(150)在所述主定子线圈(130)中生成的所述电压的相位。
12.根据权利要求1至11中的任一项所述的方法，其中，该方法还包括以下步骤：
检测(610)所述主定子线圈(130)中的短路；
由所述控制定子线圈(140)向所述非超导线圈(160)中感应(620)所述控制电流，使得从所述非超导线圈(160)进入所述主定子线圈(130)的短路部分中的磁通与从所述超导线圈(150)进入所述主定子线圈(130)的所述短路部分中的磁通相反；以及
由所述磁通泵(180)同时减小(630)所述超导线圈(150)中的所述持续电流，直至所述超导线圈(150)中的所述持续电流减小至零，并且调节所述控制定子线圈(140)中的所述控制电流以继续消除从所述超导线圈(150)进入所述主定子线圈(130)的所述短路部分中的所述磁通。
13.根据权利要求1至12中的任一项所述的方法，其中，所述超导线圈(150)位于所述转子(120)的冷部分(123)中并且所述非超导线圈(160)位于所述转子(120)的暖部分(124)中，并且其中，所述转子(120)的所述冷部分(123)和所述转子(120)的所述暖部分(124)通过隔热件(126)分离。
14.根据权利要求1至13中的任一项所述的方法，其中，所述转子(120)包括外机械壳(128)和内机械壳(127)，并且其中，来自所述低温制冷机(170)的冷却气体流入形成在所述外机械壳(128)和所述内机械壳(127)之间的空间(122)中。
15.一种用于在发电机模式下操作的系统(200)，该系统(200)包括：
低温制冷机(170)，该低温制冷机(170)冷却转子(120)的超导线圈(150)，直至所述超导线圈(150)的绕组的温度处于超导操作温度；
磁通泵(180)，该磁通泵(180)向所述超导线圈(150)提供磁通，直至流过所述超导线圈(150)的所述绕组的持续电流处于持续操作电流；
原动机(295)的轴(190)，该轴(190)接收转矩以使所述转子(120)旋转，其中，所述超导线圈(150)的所述持续电流生成旋转磁场；
所述超导线圈(150)，所述超导线圈(150)通过所述旋转磁场与主定子线圈(130)电相互作用，其中，与所述主定子线圈(130)耦合的所述超导线圈(150)的所述旋转磁场在所述主定子线圈(130)内生成电动势EMF；以及
控制定子线圈(140)，该控制定子线圈(140)从控制器(194)接收电流并与所述转子(120)的非超导线圈(160)电相互作用，其中，所述控制定子线圈(140)的电流的磁场在所述非超导线圈(160)内感应控制电流，
其中，所述非超导线圈(160)内的所述控制电流生成磁场以与所述主定子线圈(130)耦合，并且其中，由所述非超导线圈(160)内的所述控制电流生成的所述磁场调制由所述超导线圈(150)生成的磁场，并且
其中，与由所述超导线圈(150)单独生成的所述磁场的大小、相位和频率中的至少一个相比，所述超导线圈(150)和所述非超导线圈(160)的旋转磁场的组合的大小、相位和频率中的至少一个改变，以控制输出电压的大小、相位和频率中的至少一个。
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