CN112189299B - 超导发电机中的部分低温屏蔽组件及其组装方法 - Google Patents

超导发电机中的部分低温屏蔽组件及其组装方法 Download PDF

Info

Publication number
CN112189299B
CN112189299B CN201880094081.2A CN201880094081A CN112189299B CN 112189299 B CN112189299 B CN 112189299B CN 201880094081 A CN201880094081 A CN 201880094081A CN 112189299 B CN112189299 B CN 112189299B
Authority
CN
China
Prior art keywords
superconducting
shield
heat shield
disposed
field
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201880094081.2A
Other languages
English (en)
Other versions
CN112189299A (zh
Inventor
E·W·施陶特纳
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
General Electric Renovables Espana SL
Original Assignee
General Electric Co
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by General Electric Co filed Critical General Electric Co
Publication of CN112189299A publication Critical patent/CN112189299A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN112189299B publication Critical patent/CN112189299B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K55/00—Dynamo-electric machines having windings operating at cryogenic temperatures
    • H02K55/02—Dynamo-electric machines having windings operating at cryogenic temperatures of the synchronous type
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03D—WIND MOTORS
    • F03D80/00—Details, components or accessories not provided for in groups F03D1/00 - F03D17/00
    • F03D80/80—Arrangement of components within nacelles or towers
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F03—MACHINES OR ENGINES FOR LIQUIDS; WIND, SPRING, OR WEIGHT MOTORS; PRODUCING MECHANICAL POWER OR A REACTIVE PROPULSIVE THRUST, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F03D—WIND MOTORS
    • F03D9/00—Adaptations of wind motors for special use; Combinations of wind motors with apparatus driven thereby; Wind motors specially adapted for installation in particular locations
    • F03D9/20—Wind motors characterised by the driven apparatus
    • F03D9/25—Wind motors characterised by the driven apparatus the apparatus being an electrical generator
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K7/00—Arrangements for handling mechanical energy structurally associated with dynamo-electric machines, e.g. structural association with mechanical driving motors or auxiliary dynamo-electric machines
    • H02K7/18—Structural association of electric generators with mechanical driving motors, e.g. with turbines
    • H02K7/1807—Rotary generators
    • H02K7/1823—Rotary generators structurally associated with turbines or similar engines
    • H02K7/183—Rotary generators structurally associated with turbines or similar engines wherein the turbine is a wind turbine
    • H02K7/1838—Generators mounted in a nacelle or similar structure of a horizontal axis wind turbine
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/70—Wind energy
    • Y02E10/72—Wind turbines with rotation axis in wind direction
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E40/00—Technologies for an efficient electrical power generation, transmission or distribution
    • Y02E40/60—Superconducting electric elements or equipment; Power systems integrating superconducting elements or equipment

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Superconductive Dynamoelectric Machines (AREA)

Abstract

一种超导发电机的环形场包括部分低温屏蔽组件。环形场具有由热屏蔽件包围的超导场绕组。热屏蔽件被限定绝缘真空罩的外壳包围。环形场还包括设置在外壳内并且将热屏蔽件联接至外壳的扭矩管组件。多层热绝缘体的柔性垫设置在真空罩内，大体上包围热屏蔽件并大体上在外壳和热屏蔽件之间延伸。环形场还包括部分低温屏蔽组件，该部分低温屏蔽组件包括在外壳和热屏蔽件之间设置在真空罩内的浮动屏蔽件。浮动屏蔽件仅延伸外壳的总长度的一部分。浮动屏蔽件包括多层热绝缘体的绝缘叠层。公开了一种超导发电机和一种利用具有改进的部分屏蔽的该超导发电机的风力涡轮。

Description

超导发电机中的部分低温屏蔽组件及其组装方法
技术领域
本公开的实施例大体上涉及一种包括超导发电机的风力涡轮，并且更特别地涉及用于超导发电机的低温冷却的方法和系统。
背景技术
超导磁体用于各种设备中，所述设备诸如但不限于用于发电机和电动机的超导转子、用于医疗诊断的磁共振成像(MRI)系统、用于火车运输的磁悬浮装置、核聚变和大型故障限流装置。
常规的超导磁体包括至少一个超导线圈，该超导线圈典型地必须与环境热隔离并且必须通过低温冷却剂保持在所需的低温。通过将冷却的部件与电机的较热构件分开，可对低温冷却的部件实现有效的热隔离。典型地，这些低温冷却的部件被3-20 mm厚的刚性热屏蔽件包围，该刚性热屏蔽件由坚固的真空罩(enclosure)包围。通常由铝或铜制成的刚性热屏蔽件减少来自周围热环境并更特别是来自真空容器(300至350开尔文)的热传递，以帮助维持在超导线圈中的低的低温温度，并且其需要坚固的支撑以便使热屏蔽件与超导线圈和真空罩保持隔开，从而减少热传递。
一些超导磁体通过低温冷却器(诸如常规的Gifford-McMahon低温冷却器)进行传导冷却，该低温冷却器的外壳与真空罩密封连接，其第一级从外壳延伸至真空罩中，以与热屏蔽件热接触，并且其第二级从第一级延伸以与超导线圈热接触。
其它超导磁体通过液态冷冻剂(诸如液态氦)冷却，超导线圈组件被放入该液态冷冻剂中，即所谓的“浴冷却”。这种用于维持安装在其中的样品或装置的低的低温温度的低温容器通常被称为低温恒温器。热屏蔽件包围杜瓦瓶，并且真空罩包围热屏蔽件。为了减少液氦的蒸发，已知的是增添低温冷却器冷头，其外壳密封地连接至真空罩，其第一级与外热屏蔽件热接触，并且其第二级与内热屏蔽件热接触。注意的是，外热屏蔽件通过低温冷却器冷头的第一级冷却，以减少跨热屏蔽件的热传递，这完全(well)在本领域技术人员的理解范围内。由于真空容器的电枢加热，典型的低温恒温器具有300至350K的外真空壳体温度。真空容器的这种加热导致至热屏蔽件上的更高的热辐射。已知的是，在热屏蔽件和真空罩上和/或在热屏蔽件和真空罩之间使用多层绝缘体的垫(blanket)(诸如带金或镀铝的聚酯薄膜或塑料片的起皱或非起皱层，诸如Mylar®)以进一步减少通过来自真空容器壁的热辐射的热传递。
在超导发电机中，扭矩管和热辐射是两个主要热负载。通过进一步减小热辐射热负载，可减少对于屏蔽冷却所需的低温冷却器的数量。因而，用于进一步减小超导发电机的低温恒温器中的热辐射热负载的改进的热屏蔽是期望的。改进的热屏蔽提供用于平准化度电成本(LCOE)的降低。
发明内容
本公开的各种实施例提供用于在风力涡轮的超导发电机中使用的包括部分低温热屏蔽的固定场。根据一个示例性实施例，公开了一种固定场。该固定场包括外壳、至少一个超导场绕组、热屏蔽件、扭矩管组件、多层热绝缘体的至少一个柔性垫以及部分低温屏蔽组件。外壳延伸第一长度并在其中限定绝缘真空罩。至少一个超导场绕组设置在真空罩内并与外壳隔开。热屏蔽件设置在真空罩内并包围至少一个超导场绕组并且与至少一个超导场绕组隔开。扭矩管组件设置在外壳内并将热屏蔽件联接至外壳。多层热绝缘体的至少一个柔性垫设置在真空罩内，大体上包围热屏蔽件，大体上延伸至外壳并大体上延伸至热屏蔽件。部分低温屏蔽组件设置在真空罩内。部分低温屏蔽组件延伸第二长度，其中第二长度小于第一长度。部分低温屏蔽组件联接至外壳并部分地包围热屏蔽件且大体上与热屏蔽件隔开。
根据另一个示例性实施例，公开了一种用于在风力涡轮中使用的包括部分低温热屏蔽的超导发电机。该超导发电机包括环形电枢，环形电枢包括导电电枢绕组和环形场，环形场包括同心地设置在环形电枢外部并由气隙分开的多个超导磁体。环形场还包括外壳、至少一个超导场绕组、热屏蔽件和部分低温屏蔽组件。外壳延伸第一长度并在其中限定绝缘真空罩。至少一个超导场绕组设置在绝缘真空罩内并且大体上与外壳隔开。热屏蔽件设置在绝缘真空罩内并且大体上包围场绕组并大体上与场绕组隔开。部分低温屏蔽组件设置在真空罩内。部分低温屏蔽组件延伸第二长度，其中第二长度小于第一长度。部分低温屏蔽组件部分地包围热屏蔽件并且大体上与热屏蔽件隔开。环形电枢和环形场是可旋转的并且环形电枢和环形场中的另一者是固定的。
根据又一个示例性实施例，公开了一种风力涡轮，其包括具有部分低温热屏蔽的超导发电机。风力涡轮包括：包括多个叶片的转子、联接至转子的轴、以及经由轴联接至转子并且被配置成经由转子运行的超导发电机。超导发电机包括环形旋转电枢和设置成与环形旋转电枢同心的环形固定场。环形固定场包括外壳、超导场绕组、热屏蔽件、扭矩管组件、多层热绝缘体的柔性垫和部分低温屏蔽组件。外壳延伸第一长度并在其中限定真空罩。超导场绕组设置在真空罩内并且大体上与外壳隔开。热屏蔽件设置在真空罩内并且大体上包围固定场绕组并且大体上与固定场绕组隔开。扭矩管组件设置外壳内并将热屏蔽件联接至外壳。多层热绝缘体的柔性垫设置在真空罩内，大体上包围热屏蔽件，大体上延伸至外壳并且大体上延伸至热屏蔽件。浮动屏蔽件设置在真空罩内。部分低温屏蔽组件延伸第二长度，其中第二长度小于第一长度。部分低温屏蔽组件联接至外壳并部分地包围热屏蔽件并且大体上与热屏蔽件隔开。
在参考附图阅读以下详细描述和所附权利要求书后，本公开的其它目的和优点将变得显而易见。当结合若干附图和所附权利要求书而进行对以下详细描述的审阅后，本申请的这些和其它特征以及改进对于本领域普通技术人员而言将变得显而易见。
附图说明
根据以下结合描绘本公开的各种实施例的附图进行的对本公开的各个方面的详细描述，将更容易理解本公开的这些和其它特征，在附图中：
图1是根据本文所示或所述的一个或多个实施例的示例性风力涡轮的示意图；
图2是根据本文所示或所述的一个或多个实施例的容纳在图1所示的风力涡轮的机舱中并联接至图1所示的风力涡轮的毂的超导发电机的剖视图；
图3是根据本文所示或所述的一个或多个实施例的超导发电机的示意图；
图4是根据本文所示或所述的一个或多个实施例的图2的超导发电机的示意性横截面等距视图；
图5是根据本文所示或所述的一个或多个实施例的超导发电机的另一个实施例的示意性截面等距视图；
图6是具有部分低温屏蔽的超导发电机的热通量密度的图形表示；以及
图7是根据本文所示或所述的一个或多个实施例的至具有部分低温屏蔽的超导发电机中的热屏蔽件的最终热通量密度的图形表示。
除非另有指示，否则本文提供的附图意在示出本公开的实施例的特征。相信这些特征可应用于包括本公开的一个或多个实施例的广泛地各种系统中。因此，附图并不意在包括对于实践本文所公开的实施例所需的由本领域普通技术人员已知的所有常规特征。
注意的是，如本文所呈现的附图不一定按比例绘制。附图旨在仅描绘本公开的实施例的典型方面，因此不应被视为限制本公开的范围。在附图中，同样的编号表示附图之间的同样的元件。
具体实施方式
现在将详细参考本发明的实施例，其一个或多个示例在附图中被示出。每个示例通过解释本发明而非限制本发明的方式被提供。事实上，对于本领域技术人员将显而易见的是，在不脱离本发明的范围或精神的情况下，可对本发明进行各种修改和变型。例如，被示出或描述为一个实施例的部分的特征可与另一个实施例一起使用以产生再一个实施例。因而，旨在本发明涵盖如归入所附权利要求书的范围内的这样的修改和变型及其等同物。
为了提供对这些实施例的简要描述，在本公开中可能未描述实际实现方式的所有特征。应当意识到，在任何这样的实际实现方式的开发中(如在任何工程或设计项目中)，可做出许多特定于实现方式的决策，以实现开发人员的特定目标，诸如遵守与系统相关的约束和与业务相关的约束。
除非另有限定，否则本文所使用的技术和科学术语具有与由本公开所属领域的普通技术人员通常所理解的含义相同的含义。本文所使用的术语“第一”、“第二”等不表示任何顺序、数量或重要性，而是用于将一个元件与另一个区分开来。还有，术语“一”和“一种”不表示数量限制，而是表示存在所引用项目中的至少一个。本文中“包括”、“包含”或“具有”及其变型的使用意在包含其后列出的项目及其等同物以及另外的项目。术语“连接”和“联接”不限于物理或机械连接或联接，并且可包括电连接或电联接，无论是直接的还是间接的。
如本文所用，术语“可”和“可为”指示在一组情况内发生的可能性；拥有指定的特性、特征或功能；和/或通过表达与所修饰的另一个动词相关联的能力，性能或可能性中的一个或多个来修饰该动词。因此，“可”和“可为”的用途指示修饰的术语对于指示的能力、功能或用途显然是恰当的、能胜任的(capable)、或适合的，同时考虑到在某些情况下，修饰的术语有时可能不恰当、无法胜任或不适合。
如将在下文中详细描述的，呈现了风力涡轮的各种实施例。风力涡轮包括具有多个叶片的转子。风力涡轮还包括联接至转子的轴以及经由轴联接至转子并且配置成经由转子运行的超导发电机。超导发电机包括配置成经由轴旋转的电枢。超导发电机还包括同心地设置在电枢外部的固定场。固定场包括限定绝缘真空罩的外壳以及设置在外壳内的超导场绕组。
现在参考图1，呈现了根据本公开的一个实施例的示例性风力涡轮10的示意图。风力涡轮10可被配置成使用风能生成电功率。在图1的实施例中所述和所示的风力涡轮10包括水平轴线配置。然而，在一些实施例中，除了水平轴线配置之外或作为水平轴线配置的备选，风力涡轮10或超导发电机架构可包括竖直轴线配置(未示出)。风力涡轮10可联接至，诸如但不限于电力网(power grid)，用于将生成的电功率供应至电网。
风力涡轮10可包括有时被称为“机舱”的主体12和联接至主体12的转子14。转子14被构造成相对于主体12绕旋转轴线16旋转。在图1的实施例中，机舱12被示为安装在塔架18上。然而，在一些其它实施例中，风力涡轮10可包括可设置成邻近地面(岸上)和/或水面(离岸)的机舱。
转子14可包括毂20和从毂20沿径向向外延伸的多个叶片22(有时被称为“翼型件”)，以用于将风能转换成旋转能。尽管转子14在本文中被描述和示出为具有三个叶片22，但是转子14可具有任何数量的叶片22。转子14可具有任何形状的叶片22，并且可具有任何类型和/或任何构造的叶片22，无论这样的形状、类型和/或构造是否在本文中被描述和/或示出。
在一些实施例中，机舱12可完全地或部分地容纳超导发电机24和轴26中的一个或多个。超导发电机24可经由轴26联接至转子14并配置成经由转子14运行。例如，由于风能导致的转子14的旋转继而又导致发电机24的旋转元件(例如，电枢)经由轴26旋转。在一些实施例中，轴26还可包括齿轮箱(未示出)。在某些实施例中，齿轮箱的使用可增加超导发电机24的运行速度并降低给定功率水平的扭矩需求。对于本文公开的超导发电机实施例而言，齿轮箱的存在与否无关紧要。
超导发电机24被配置成基于电枢(目前描述的)相对于固定场的旋转来生成电功率。根据本文描述的一些实施例，与传统的发电机相比，超导发电机24可被配置成处理增大幅度(magnitudes)的电流。超导发电机24可以同步发电机的形式实现。
图2是根据本公开的一个实施例的示出超导发电机24的图1的机舱12和毂20的剖视图。超导发电机24可为用于在图1的风力涡轮10中使用的超导发电机的一个实施例的代表。超导发电机24容纳在机舱12中并联接至毂20。超导发电机24包括环形旋转电枢28(定子)和被环形旋转电枢28包围的固定场30(转子)。具体地，环形旋转电枢28是围绕固定场30同轴设置的外环形环。在所示的实施例中，环形旋转电枢28是可旋转的，并且固定场30是固定的。在备选实施例中，电枢可为固定的，并且场组件为可旋转的。
支撑管32联接至毂20并且联接至固定场30，其中固定场30与电枢28同轴。固定场30被构造成接收冷却剂(未示出)。
图3是根据本公开的实施例的超导发电机40的示意图。超导发电机40可为图1和图2的风力涡轮10中使用的超导发电机24的一个实施例的示意性表示。在不限制本申请的范围的情况下，超导发电机40可另外在除了风力涡轮之外的任何应用中使用。尽管图3中描绘的超导发电机40是径向场电机，但是本公开的实施例也适用于轴向场或横向场超导发电机。参考标号42和44分别表示超导发电机40的轴向方向和径向方向。
如图3描绘的，超导发电机40包括设置在圆柱形外壳50中的固定场46和环形旋转电枢48，它们大体上类似于图1和图2的固定场30和电枢28。特别地，图3描绘了超导发电机40的分解图，以单独示出固定场46和环形旋转电枢48。固定场46包括超导场绕组(参见图4)，该超导场绕组被构造成生成沿超导发电机40的径向方向44取向的磁场。环形旋转电枢48可包括非超导电枢绕组(参见图4)。
固定场46设置成邻近于环形旋转电枢48并且同心地位于环形旋转电枢48外部。如本文所使用的，关于固定场46和环形旋转电枢48的定位的术语“设置成邻近于”是指固定场46和环形旋转电枢48相对定位成使得环形旋转电枢48被固定场46包围。在另一个实施例中，术语“设置成邻近于”是指固定场46和环形旋转电枢48相对定位成使得固定场46被环形旋转电枢48包围(未示出)。
举例来说，在一些实施例中，当超导发电机40被部署为图1和图2的风力涡轮10中的超导发电机24时，电枢48可经由轴26或经由轴26和齿轮箱(未示出)两者联接至风力涡轮10的转子14。电枢48可被配置成经由轴26旋转。由于电枢48的旋转，超导发电机40可在电枢绕组移动经过由超导场绕组(目前描述的)建立的磁场时，通过电枢绕组中感生的电压而生成电功率。固定场46的另外的结构细节将结合图4来描述。
现在转到图4，其示出了根据本公开的一个实施例的图3的超导发电机40的示意性等距横截面。如先前提到的，超导发电机40可为图1的风力涡轮10中的超导发电机的一个实施例的代表。超导发电机40包括联接至毂20(图1)的毂端52和联接至塔架18(图1)的非毂端54。超导发电机40包括同心地设置在电枢48外部的固定场46。固定场46和环形旋转电枢48由气隙56分开。
环形旋转电枢48包括沿环形旋转电枢48的长度并在环形旋转电枢48的内部圆柱表面上纵向布置的导电电枢绕组58(例如，线圈或棒)。在示例性实施例中，导电电枢绕组58通过导电端部线匝60而在其相反的端部处彼此联接。
环形旋转电枢48还包括支撑导电电枢绕组58的圆柱形轭62。圆柱形轭62的外表面固定至圆柱形外壳。圆柱形外壳与环形旋转电枢48一起旋转。
固定场46包括限定绝缘真空罩66的环形外壳64和设置在环形外壳64内的多个构件。环形外壳64和设置其中的多个构件形成低温恒温器78。
更特别地，设置在环形外壳64内的是超导场绕组70，该超导场绕组70包括多个跑道形或椭圆形线圈68和承载或机械支撑各个场线圈68的场线圈架72。绝缘真空罩66围绕热屏蔽件74和超导场绕组70而形成。在一些实施例中，热屏蔽件74可设置在绝缘真空罩66内部，使得热屏蔽件74包封超导场绕组70并辅助将超导场绕组70的温度维持至低温温度。热屏蔽件74经由双扭矩管组件76悬挂在绝缘真空罩66中。扭矩管组件76被构造成使超导场绕组70热隔离并接收由超导场绕组70经历的扭矩。更特别地，在超导发电机40的运行期间，由于由固定场46产生的磁场与由环形电枢48产生的磁场之间的相互作用，可生成反作用转矩。扭矩管组件76被构造成支撑由于由固定场46产生的磁场与由环形电枢48产生的磁场之间的相互作用而导致的反作用转矩。
在所示的实施例中，扭矩管组件76包括位于热屏蔽件74内的第一扭矩管80和联接至第一扭矩管80并位于热屏蔽件74的外部的第二扭矩管82。扭矩管组件76安装在环形凸缘84上并联接至外壳64。另一个凸缘86被提供于扭矩管组件76的另一端以便于从扭矩管组件76提升热屏蔽件74，并且更特别地，以将热屏蔽件74保持在场线圈架72与超导场绕组70之间的相等距离处。扭矩管组件76的一端通过凸缘86支撑抵靠热屏蔽件74的内壁。
在实施例中，多个跑道形或椭圆形线圈68通常由超导线材或带材缠绕而成，诸如(但不限于)铌-钛超导线材。绝缘真空罩66内的典型真空范围大体上在1.10-05mbar之间。
超导发电机40还包括用于冷却超导场绕组70并将超导场绕组70维持在低温温度的冷却组件90。冷却组件90可包括用于接收例如液氦的低温液体94的多个导管92和间接联接至超导场绕组70和扭矩管组件76的一个或多个低温冷却器96。罐98典型地被用来存储低温液体94。尽管固定场46被示为包括单个罐98，但是在本公开的范围内也设想使用两个或不止两个这样的罐来保存低温液体94。低温液体94的非限制性示例可包括任何类型的气态或冷凝的冷却流体，诸如先前提到的液氦。导管92可环形地设置在绝缘真空罩66内部并且流体地联接至罐98。导管92被构造成便于低温液体94在固定场46内的流动。低温液体94被进给至超导场绕组70周围，以便冷却超导场绕组70，从而实现针对超导场绕组70的超导条件。特别地，低温液体94受密度梯度和相变的驱动而通过导管92在固定场46内部被动地进行环形循环。在循环的同时，低温液体94除去沉积在低温结构和超导场绕组70上或沉积在其中的任何热量(诸如来自辐射或传导热传递或来自由发电机运行产生的涡流加热)，从而将超导场绕组70维持在低温温度。
冷却组件90还被构造成保持并吸收扭矩，以及承受超导发电机40的重量。此外，冷却组件90被构造成使扭矩管组件76的热端与超导场绕组70绝缘，使得超导场绕组70被冷却至接近绝对零度(例如4 K)。
举例来说，在一些实施例中，当超导发电机40被部署为风力涡轮(诸如图1的风力涡轮10)中的超导发电机40时，环形旋转电枢48可经由轴26(图1)或经由轴26和齿轮箱(未示出)两者联接至风力涡轮的转子14(图1)。因此，环形旋转电枢48可由于由风能导致的转子14的旋转而旋转。由于环形旋转电枢48的旋转，超导发电机40可在导电电枢绕组58移动经过由固定场46建立的磁场时，通过在导电电枢绕组58中感生的电压而生成电功率。
在运行期间，涡轮10施加扭矩以使环形旋转电枢48围绕固定场46旋转。由于电磁力偶，扭矩从环形旋转电枢48施加至固定场46。施加到固定场46上的扭矩由低温恒温器外壳64传递到底座(未示出)。如先前指示的，在另一个实施例中，环形电枢48是固定的并且固定场46是可旋转的。
固定场46还包括多层热绝缘体(MLI)的一个或多个柔性绝缘垫100。在实施例中，一个或多个柔性绝缘垫100设置在真空罩66内，并大体上绕低温恒温器外壳64的内部包围热屏蔽件74。一个或多个柔性绝缘垫100在50开尔文的温度和一毫托的压力下具有不高于一微瓦/厘米-开尔文的有效导热系数。在实施例中，一个或多个柔性绝缘垫100包括四十(40)个MLI的层，并且可以任何数量的分段部分形成。
如技术人员已知的，关于真空罩中多层热绝缘体的有效表观导热系数涉及通过绝缘层之间的固体接触传导进行的热传递、通过真空罩中的残余气体传导进行的热传递以及通过绝缘层之间的辐射进行的热传递。在实施例中，另外的柔性绝缘垫100可设置在形成于扭矩管组件76的外表面中的一个或多个凹部102内、在扭矩管组件76的面对场绕组70的内表面上、在外表面上和/或场线圈架72的外表面上、在接近第一扭矩管80/第二扭矩管82/热屏蔽件74组装点的扭矩管组件76上。用于一个或多个柔性绝缘垫100的优选的多层热绝缘体是镀铝聚酯薄膜或塑料片，诸如Mylar®，其具有在万分之二英寸与千分之一英寸之间的单层厚度。其它选择包括其它反射性金属化复合薄膜，在该薄膜中，每个层或是非起皱的，或是起皱的(或邻接层具有介于中间的丝或人造丝网或网状间隔件层)，以用于实现层间距目的，从而提高绝缘有效性，这样的间距在本领域中是已知的。每个绝缘层可具有两个部分，该两个部分具有重叠的、胶粘在一起的边缘(在图中未示出)。
如先前陈述的，扭矩管组件76的热传导和热辐射是超导发电机40上的两个主要热负载。在实施例中，固定场46具有大约9米的直径，并且因而具有辐射到热屏蔽件74上和超导场绕组70上的大的外表面面积。通过减少热辐射热负载，减少了用于热屏蔽件冷却所需的低温冷却器96的数量，并且降低了平准化度电成本(LCOE)。在超导发电机40中，在多个柔性绝缘垫100中的每个中，最佳地使用四十(40)个MLI的层，以将热负载减小到最小。柔性绝缘垫100中层数的增加将增加热负载，而不是降低热负载。为了进一步减小超导发电机40上的热负载，需要引入另外的MLI层。为了提供这些(to provide for such)，如本文公开的固定场46还包括部分低温屏蔽组件。
仍然参考图4，本文提供了部分低温屏蔽组件110，该部分低温屏蔽组件110大体上包括限定载体114的热浮动屏蔽件112，其可配有进一步优化的MLI的层密度以便。
如示出的，热浮动屏蔽件112被构造为大体上环形的结构，其在真空腔室壁(且更特别地，低温恒温器外壳64)与热屏蔽件74之间设置在绝缘真空罩66内。由于低温恒温器壳体64、热屏蔽件74和扭矩管组件76之间的空间限制，浮动屏蔽件112仅延伸固定场46的总长度“L1”的部分长度“L2”(L2<L1)。在实施例中，载体114独自将热屏蔽件上的热负载减少到1/2。为了实现甚至更多的热量减少，在实施例中，载体114被用作用于多层热绝缘体的载体。
如先前陈述的，在实施例中，浮动屏蔽件112包括载体114，在载体114上设置有绝缘叠层116，该绝缘叠层116包括多层热绝缘体(MLI)。如图4中最佳示出的，在实施例中，绝缘叠层116设置在载体114的外表面118上，以便设置在载体114和外壳64之间。在备选实施例中，如图5中最佳示出的，绝缘叠层116设置在载体114的内表面120上，以便设置在载体114和热屏蔽件74之间。在又一备选实施例(未示出)中，多个绝缘叠层116设置在载体114的外表面118和内表面120中的每个上，并且可选地可包围载体114。一个或多个支撑杆122，例如G10或Vespel®、或任何其它低传导性塑料材料，被提供以支撑载体主体114和绝缘叠层116。
在实施例中，在五十开尔文的温度和一毫托的压力下，绝缘叠层116具有不高于一微瓦/厘米-开尔文的有效导热系数。在实施例中，绝缘叠层116包括四十(40)个MLI的层。在另一个实施例中，绝缘叠层116被优化并且包括任何数量的MLI层。用于绝缘叠层116的优选的多层热绝缘体包括镀铝聚酯薄膜或塑料片(诸如Mylar®)，其具有在万分之二英寸与千分之一英寸之间的单层厚度。其它选择包括其它反射性金属化复合薄膜，在该薄膜中，每个层是非起皱的或是起皱的(或邻接层具有介于中间的丝或人造丝网或网状间隔件层)，以用于实现层间距目的，从而提高绝缘有效性，这样的间距在本领域中是已知的。在实施例中，包括浮动屏蔽件112的载体114和绝缘叠层116具有大约14 mm的总径向厚度尺寸。
现在参考图6和图7，它们分别以图形方式示出了在包括部分低温屏蔽组件的情况下的实施例中的热通量计算(参考标记为150)和至主要热屏蔽件74的最终热通量(参考标记为160)。
在低温中使用多层绝缘体时，Lockheed方程通常被用于实际的热通量计算。返回参考图4，将绝缘叠层116增添到包括浮动屏蔽件112的载体114上的主要目的是显著降低浮动屏蔽件112的表面温度。通过降低主要热屏蔽件74周围的温度，进一步减小至主要热屏蔽件74上的热通量密度。
例如，对于超导发电机，加热的真空容器对热屏蔽件的热负载减少典型地根据通过绝缘体垫的叠层的热通量密度给出。例如，如果真空容器的外表面(诸如限定绝缘真空罩66的环形外壳64的外表面)维持在350 K，且浮动屏蔽件112的温度维持在200 K，那么可预计通过绝缘叠层116的最终热通量(thermal heat flux)密度为1.75 W/m2，如图6所示的。由于浮动屏蔽件112的边界温度维持在200K，该降低的表面温度辐射通过绝缘叠层116而到达主要热屏蔽件74的表面75(其通过使用低温冷却器保持在50 K)，并得到(results in)热通量密度。
在实施例中，对于350 K至200 K的温度区域，浮动屏蔽件112将最佳地需要30 层/cm以达到1.75 W/m2，而在200 K和50 K之间时，仅需要20层以实现0.25 W/m2，如图7中最佳示出的。
假设浮动屏蔽件112的典型面积为50 m2，则计算得出浮动屏蔽件112接收87.5 W的热辐射，而50 K的主要热屏蔽件74接收12.5 W的热辐射。
在实施例中，如本文所述，在不结合浮动屏蔽件112的情况下，可基于组装经验(从350 K到50 K)使用1.5 W/m2的平均值。在该情况下，75 W将直接辐射到主要热屏蔽件74上，这导致增大的外部冷却功率需求和更高的LCOE。通过在需要的地方引入浮动屏蔽件112，可将需要来自低温冷却器96的冷却功率减少至大约1/6。浮动屏蔽件112的另外的益处是减小主要热屏蔽件74中从在上部部分的在0度处与低温冷却器96接触的点到在180度处的主要热屏蔽件74的下部部分的圆周温度梯度。
根据本文所述的实施例，提供了改进的风力涡轮(诸如风力涡轮10)和改进的超导发电机(诸如超导发电机40)。根据本公开的实施例，至少部分地由于将部分低温屏蔽组件110添加至固定场46，风力涡轮10和超导发电机40的改进可被实现。如先前陈述的，扭矩管组件76和热辐射是超导发电机46上的两个主要热负载。本公开提供超导发电机40，并且更特别地提供具有低成本的部分低温屏蔽组件110的固定场46，该部分低温屏蔽组件110易于安装并提供固定场46上的热辐射热负载的另外的减少。部分低温屏蔽组件110提供改进的热屏蔽，进而减少平准化度电成本(LCOE)、减少对低温冷却器96的需求、提高可靠性、延长使用寿命(ridethrough)并减少超导场绕组70上的总热负载。
为了说明的目的，已呈现了本发明的若干优选实施例的前述描述。并不旨在穷举本发明或将本发明限制为所公开的精确形式，并且根据上述教导，许多修改和变型显然是可行的。旨在本发明的范围由附于此的权利要求书限定。
本书面描述使用示例来公开本发明，包括优选实施例，并且还使本领域任何技术人员能够实践本发明，包括制作并使用任何装置或系统和执行任何结合的方法。本发明的可专利性范围由权利要求书限定，并且可包括本领域技术人员所想到的其它示例。如果这样的其它示例包括不异于权利要求书的字面语言的结构要素，或如果它们包括与权利要求书的字面语言无实质性差异的等同结构要素，则这样的其它示例旨在处于权利要求书的范围内。本领域普通技术人员可混合和匹配来自所述的各种实施例的方面以及对于每个这样的方面而言的其它已知等同物，以根据本申请的原理构造出其它实施例和技术。

Claims (20)

1.一种固定场，包括：
外壳，其延伸第一长度并在其中限定绝缘真空罩；
至少一个超导场绕组，其设置在所述真空罩内并与所述外壳隔开；
热屏蔽件，其设置在所述真空罩内并包围所述至少一个超导场绕组并且与所述至少一个超导场绕组隔开；
扭矩管组件，其设置在所述外壳内并将所述热屏蔽件联接至所述外壳；
多层热绝缘体的至少一个柔性垫，其设置在所述真空罩内，包围所述热屏蔽件，延伸至所述外壳且延伸至所述热屏蔽件；和
部分低温屏蔽组件，其设置在所述真空罩内，所述部分低温屏蔽组件延伸第二长度，其中所述第二长度小于所述第一长度，所述部分低温屏蔽组件联接至所述外壳并部分地包围所述热屏蔽件并且与所述热屏蔽件隔开。
2.根据权利要求1所述的固定场，其中所述部分低温屏蔽组件包括设置在所述外壳和所述热屏蔽件之间的浮动屏蔽件，所述浮动屏蔽件由载体限定。
3.根据权利要求1所述的固定场，其中所述部分低温屏蔽组件联接至低温恒温器外壳。
4.根据权利要求2所述的固定场，其中所述部分低温屏蔽组件还包括多层热绝缘体的绝缘叠层。
5.根据权利要求4所述的固定场，其中所述多层热绝缘体的绝缘叠层包括多个反射性金属化复合薄膜的层。
6.根据权利要求5所述的固定场，其中所述多个反射性金属化复合薄膜的层包括多个镀铝聚酯薄膜或塑料片中的至少一者的层。
7.根据权利要求5所述的固定场，其中所述多个反射性金属化复合薄膜的层中的每个层具有在万分之二和千分之一英寸之间的层厚度。
8.根据权利要求1所述的固定场，其中所述扭矩管组件包括：
第一扭矩管，其位于所述热屏蔽件内；和
第二扭矩管，其联接至所述第一扭矩管并位于所述热屏蔽件的外部，
其中所述第一扭矩管和所述第二扭矩管被构造成与所述至少一个超导场绕组热隔离并接收由所述至少一个超导场绕组经历的扭矩。
9.一种超导发电机，包括：
环形电枢，其包括导电电枢绕组；和
环形场，其包括同心地设置在所述环形电枢外部并由气隙分开的多个超导磁体，所述环形场还包括：
外壳，其延伸第一长度并在其中限定绝缘真空罩；
至少一个超导场绕组，其设置在所述绝缘真空罩内并与所述外壳隔开；
热屏蔽件，其设置在所述绝缘真空罩内并包围所述至少一个超导场绕组并且与所述至少一个超导场绕组隔开；
多层热绝缘体的柔性垫，其设置在所述真空罩内，包围所述热屏蔽件并延伸至所述外壳且延伸至所述热屏蔽件；和
部分低温屏蔽组件，其设置在所述真空罩内，所述部分低温屏蔽组件延伸第二长度，其中所述第二长度小于所述第一长度，所述部分低温屏蔽组件部分地包围所述热屏蔽件并且与所述热屏蔽件隔开，
其中所述环形电枢和所述环形场中的一者是可旋转的以及所述环形电枢和所述环形场中的另一者是固定的。
10.根据权利要求9所述的超导发电机，其中所述环形场还包括扭矩管组件，其设置在所述外壳内，所述扭矩管组件包括：
第一扭矩管，其位于所述热屏蔽件内；和
第二扭矩管，其联接至所述第一扭矩管并位于所述热屏蔽件的外部。
11.根据权利要求9所述的超导发电机，其中所述环形电枢是可旋转的并且所述环形场是固定的。
12.根据权利要求9所述的超导发电机，其中所述部分低温屏蔽组件包括设置在所述外壳和所述热屏蔽件之间的浮动屏蔽件，所述浮动屏蔽件由载体限定。
13.根据权利要求9所述的超导发电机，其中所述部分低温屏蔽组件联接至所述外壳。
14.根据权利要求9所述的超导发电机，其中所述部分低温屏蔽组件还包括多层热绝缘体的绝缘叠层。
15.根据权利要求14所述的超导发电机，其中所述多层热绝缘体的绝缘叠层包括多个反射性金属化复合薄膜的层，并且其中所述多个反射性金属化复合薄膜的层中的每个层具有在万分之二和千分之一英寸之间的层厚度。
16.根据权利要求9所述的超导发电机，其中所述环形场还包括冷却组件，所述冷却组件被构造成将所述至少一个超导场绕组维持在低于阈值温度的温度。
17.一种风力涡轮，包括：
转子，其包括多个叶片；
轴，其联接至所述转子；和
超导发电机，其经由所述轴联接至所述转子并被配置成经由所述转子运行，其中所述超导发电机包括：
环形旋转电枢；和
环形固定场，其被设置成与所述环形旋转电枢同心，其中所述环形固定场包括：
外壳，其延伸第一长度并在其中限定真空罩；
超导场绕组，其设置在所述真空罩内并且与所述外壳隔开；
热屏蔽件，其设置在所述真空罩内并且包围所述超导场绕组并且与所述超导场绕组隔开；
扭矩管组件，其设置在所述外壳内并将所述热屏蔽件联接至所述外壳；
多层热绝缘体的柔性垫，其设置在所述真空罩内，包围所述热屏蔽件，延伸至所述外壳且延伸至所述热屏蔽件；和
部分低温屏蔽组件，其设置在所述真空罩内，所述部分低温屏蔽组件延伸第二长度，其中所述第二长度小于所述第一长度，所述部分低温屏蔽组件联接至所述外壳并部分地包围所述热屏蔽件且与所述热屏蔽件隔开。
18.根据权利要求17所述的风力涡轮，其中所述部分低温屏蔽组件包括设置在所述外壳和所述热屏蔽件之间的浮动屏蔽件，所述浮动屏蔽件由载体限定。
19.根据权利要求17所述的风力涡轮，其中所述部分低温屏蔽组件联接至低温恒温器外壳。
20.根据权利要求17所述的风力涡轮，其中所述部分低温屏蔽组件还包括多层热绝缘体的绝缘叠层。
CN201880094081.2A 2018-06-01 2018-06-01 超导发电机中的部分低温屏蔽组件及其组装方法 Active CN112189299B (zh)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/US2018/035558 WO2019231461A1 (en) 2018-06-01 2018-06-01 Partial cryogenic shielding assembly in a superconducting generator and methods of assembling the same

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN112189299A CN112189299A (zh) 2021-01-05
CN112189299B true CN112189299B (zh) 2023-10-31

Family

ID=68698367

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201880094081.2A Active CN112189299B (zh) 2018-06-01 2018-06-01 超导发电机中的部分低温屏蔽组件及其组装方法

Country Status (4)

Country Link
US (1) US11205945B2 (zh)
EP (1) EP3804108A4 (zh)
CN (1) CN112189299B (zh)
WO (1) WO2019231461A1 (zh)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2024144764A1 (en) * 2022-12-27 2024-07-04 General Electric Company Forced flow cooling system for a superconducting machine

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4808864A (en) * 1986-09-25 1989-02-28 Alsthom Superconducting electric rotating machine and its thermal insulation
US5651256A (en) * 1996-05-31 1997-07-29 General Electric Company Superconductive magnet having a thermal shield
CN101247070A (zh) * 2007-02-15 2008-08-20 通用电气公司 用于由风轮机驱动的超导发电机的方法和设备
CN101268602A (zh) * 2005-09-23 2008-09-17 西门子公司 超导技术的电机和阻隔屏蔽件
CN102780382A (zh) * 2011-04-27 2012-11-14 通用电气公司 具有超导电枢线圈和其它部件的电机
CN104038028A (zh) * 2014-06-25 2014-09-10 电子科技大学 一种无铁芯型兆瓦级超导电机系统
CN107612287A (zh) * 2017-10-25 2018-01-19 广东电网有限责任公司电力科学研究院 一种高温超导同步调相机

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3521091A (en) * 1965-10-01 1970-07-21 Edward Halas Superconducting apparatus
US4156580A (en) * 1977-08-18 1979-05-29 Pohl Lothar L Wind-turbines
US5774032A (en) * 1996-08-23 1998-06-30 General Electric Company Cooling arrangement for a superconducting coil
US8338979B2 (en) * 2011-06-30 2012-12-25 General Electric Company Method and apparatus for a superconducting direct current generator driven by a wind turbine
US10224799B2 (en) 2012-10-08 2019-03-05 General Electric Company Cooling assembly for electrical machines and methods of assembling the same
US9570220B2 (en) * 2012-10-08 2017-02-14 General Electric Company Remote actuated cryocooler for superconducting generator and method of assembling the same
US20140374136A1 (en) * 2013-03-14 2014-12-25 Pst Associates, Llc Superconductive trace patterns

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4808864A (en) * 1986-09-25 1989-02-28 Alsthom Superconducting electric rotating machine and its thermal insulation
US5651256A (en) * 1996-05-31 1997-07-29 General Electric Company Superconductive magnet having a thermal shield
CN101268602A (zh) * 2005-09-23 2008-09-17 西门子公司 超导技术的电机和阻隔屏蔽件
CN101247070A (zh) * 2007-02-15 2008-08-20 通用电气公司 用于由风轮机驱动的超导发电机的方法和设备
CN102780382A (zh) * 2011-04-27 2012-11-14 通用电气公司 具有超导电枢线圈和其它部件的电机
CN104038028A (zh) * 2014-06-25 2014-09-10 电子科技大学 一种无铁芯型兆瓦级超导电机系统
CN107612287A (zh) * 2017-10-25 2018-01-19 广东电网有限责任公司电力科学研究院 一种高温超导同步调相机

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
PARMA,V."Cryostat Design".《http://cds.cern.ch/record/1974062/files/arXiv:1501.07154.pdf》.2015, *
张之川.超导发电机研究的进展情况.电力建设.2000,(第12期),17-22. *

Also Published As

Publication number Publication date
US20210211036A1 (en) 2021-07-08
WO2019231461A1 (en) 2019-12-05
US11205945B2 (en) 2021-12-21
EP3804108A1 (en) 2021-04-14
CN112189299A (zh) 2021-01-05
EP3804108A4 (en) 2022-01-19

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US8022798B2 (en) Coil with superconductive windings cooled without cryogenic fluids
US3679920A (en) Superconducting dynamo-electric machines
JP4247273B2 (ja) 回転子と超伝導性の回転子巻線とを備えた機械
US10910920B2 (en) Magnetic shield for a superconducting generator
US10077955B2 (en) Superconducting electrical machine with double re-entrant ends for minimizing heat leak
EP3186505B1 (en) Synchronous superconductive rotary machine having a slidable pole assembly and methods thereof
US10270311B2 (en) Superconducting electrical machine with two part rotor with center shaft capable of handling bending loads
CN112189299B (zh) 超导发电机中的部分低温屏蔽组件及其组装方法
US10224799B2 (en) Cooling assembly for electrical machines and methods of assembling the same
US10079534B2 (en) Superconducting electrical machine with rotor and stator having separate cryostats
JP7318096B2 (ja) 磁性材料で作製された真空容器を含む超伝導発電機
CN112313410A (zh) 具有超导发电机的风力涡轮及操作其的方法
KR101445034B1 (ko) 초전도 발전 시스템
KR102622718B1 (ko) 풍력 터빈에 의해 구동되는 초전도 발전기
KR102705150B1 (ko) 자성 재료로 형성된 진공 용기를 포함하는 초전도 발전기
WO2024144764A1 (en) Forced flow cooling system for a superconducting machine
WO2024043876A1 (en) Gas tank cooling for a thermal shield of a superconducting machine
US20220302815A1 (en) Field coil support structure and modular field coil design in a superconducting machine
WO2024072381A1 (en) Cooling system for a superconducting generator
Makida et al. Cryogenic performance of ultra-thin superconducting solenoids for cosmic-ray observation with ballooning

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant
TR01 Transfer of patent right
TR01 Transfer of patent right

Effective date of registration: 20240103

Address after: Barcelona, Spain

Patentee after: Ge renewable energy Spain Ltd.

Address before: New York State, USA

Patentee before: General Electric Co.