CN112585845A - 用于具有超导定子的风力涡轮发电机的旋转电枢 - Google Patents

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Abstract

提出了一种电枢。该电枢包括具有多个线圈的电枢绕组，其中多个线圈中的每个线圈与相邻线圈间隔开，并且包括第一侧部分和第二侧部分。该电枢还包括第一电绝缘绕组外壳。此外，该电枢包括设置在距第一电绝缘绕组外壳的径向距离处的第二电绝缘绕组外壳，其中电枢绕组设置在第一电绝缘绕组外壳和第二电绝缘绕组外壳之间。此外，电枢包括设置在电枢绕组的多个线圈的第一侧部分和第二侧部分之间的电绝缘线圈侧分隔件。还提出了包括电枢的超导发电机和具有这样的超导发电机的风力涡轮。

Description

用于具有超导定子的风力涡轮发电机的旋转电枢
技术领域
本说明书的实施例大体上涉及风力涡轮，并且特别地涉及包括超导发电机的风力涡轮。
背景技术
诸如常规超导发电机的常规超导机器典型地包括场绕组和电枢。电枢包括传统铁磁芯和设置在传统铁磁芯上的电枢绕组。电枢绕组大体上使用常规材料(例如铜或铝)形成。然而，场绕组包括超导导线，其支持非常高的电流密度而不会引起任何耗散。由于场绕组中的高电流密度，在操作时，常规的超导发电机的超导导线产生非常高的磁场，例如，大约7特斯拉或更大。由超导导线引起的这种增加的磁场大体上高于传统铁磁材料的饱和磁通密度。另外，由于电枢绕组中的电流，电枢也被加热，导致超导发电机内电枢绝缘系统的寿命缩短。
发明内容
根据本发明的一个实施例，提出了一种风力涡轮。风力涡轮包括具有多个叶片的转子。风力涡轮还包括联接到转子的轴和超导发电机，该超导发电机经由轴联接到转子并构造成经由转子操作。超导发电机包括固定发电机场、设置在固定发电机场上的超导场绕组以及与固定发电机场同心设置的电枢。电枢包括具有多个线圈的电枢绕组，其中多个线圈中的每个线圈与相邻线圈间隔开，并且包括第一侧部分和第二侧部分。电枢还包括第一电绝缘绕组外壳。此外，电枢包括设置在距第一电绝缘绕组外壳的径向距离处的第二电绝缘绕组外壳，其中电枢绕组设置在第一电绝缘绕组外壳和第二电绝缘绕组外壳之间。此外，电枢包括设置在电枢绕组的多个线圈的第一侧部分和第二侧部分之间的电绝缘线圈侧分隔件。另外，电枢包括多个电绝缘间隔件，其中至少一个电绝缘间隔件设置在相邻的第一侧部分之间以及相邻的第二侧部分之间，并且其中多个电绝缘间隔件中的一个或多个包括至少一个冷却通道，该至少一个冷却通道构造成便于冷却流体流过其中，以助于电枢绕组的冷却。
根据本发明的另一个实施例，提出了一种电枢。电枢包括具有多个线圈的电枢绕组，其中多个线圈中的每个线圈与相邻线圈间隔开。电枢还包括第一电绝缘绕组外壳。此外，电枢包括设置在距第一电绝缘绕组外壳的径向距离处的第二电绝缘绕组外壳，其中电枢绕组设置在第一电绝缘绕组外壳和第二电绝缘绕组外壳之间。
根据本发明的又一个实施例，提出了一种超导发电机。超导发电机包括固定发电机场、设置在固定发电机场上的超导场绕组以及与固定发电机场同心设置的电枢。电枢包括具有多个线圈的电枢绕组，其中多个线圈中的每个线圈与相邻线圈间隔开，并且包括第一侧部分和第二侧部分。电枢还包括第一电绝缘绕组外壳。此外，电枢包括设置在距第一电绝缘绕组外壳的径向距离处的第二电绝缘绕组外壳，其中电枢绕组设置在第一电绝缘绕组外壳和第二电绝缘绕组外壳之间。此外，电枢包括设置在电枢绕组的多个线圈的第一侧部分和第二侧部分之间的电绝缘线圈侧分隔件。
附图说明
当参考附图阅读以下详细描述时，本说明书的这些和其它特征、方面和优点将变得更好理解，在附图中，贯穿附图，相同的标记表示相同的部件，其中：
图1是根据本说明书的一个实施例的示例风力涡轮的示意图；
图2是根据本说明书的一个实施例的超导发电机的示意图；
图3是根据本说明书的一个实施例的图2的超导发电机中使用的电枢的一部分的横截面图；
图4是根据本说明书的另一个实施例的图2的超导发电机中使用的电枢的一部分的横截面图；
图5是根据本说明书的另一个实施例的图2的超导发电机中使用的电枢的一部分的横截面图；
图6是根据本说明书的又一个实施例的图2的超导发电机中使用的电枢的一部分的横截面图；
图7是描绘根据本说明书的一个实施例的具有表面特征的冷却通道的内表面的一部分的示意图；
图8是根据本说明书的一个实施例的冷却歧管的示意图，该冷却歧管可连接到具有图5中描绘的构造的电枢；
图9是根据本说明书的一个实施例的电枢的一部分的透视图；
图10是根据本说明书的一个实施例的用于组装图3至图5中的任一个所描绘的电枢的方法的流程图；和
图11A至图11G描绘了在图10的方法的各个步骤中电枢的结构。
具体实施方式
为了提供这些实施例的简明描述，在说明书中可能没有描述实际实施方式的所有特征。应当理解，在任何这种实际实施方式的开发中，如同在任何工程或设计项目中一样，可能做出许多特定于实施方式的决定来实现开发者的特定目标，诸如符合系统相关和商业相关的约束。
除非另有限定，否则本文使用的技术和科学术语具有与本说明书所属领域的普通技术人员通常理解的含义相同的含义。本文中使用的术语“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元件区分开来。另外，术语“一”和“一种”不表示数量的限制，而是表示存在至少一个引用的项目。本文使用的“包括”、“包含”或“具有”及其变型意在涵盖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，并且可包括电气连接或联接，无论是直接的还是间接的。
如本文所用，术语“可”和“可为”表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/或通过表达与限定的动词相关联的一种或多种能力、性能或可能性来限定另一动词。因此，“可”和“可为”的使用表示修饰的术语显然适合、能够实现(capable)或适于所指示的能力(capacity)、功能或用法，同时考虑到在一些情况下修饰的术语有时可能不适合、不能够实现或不合于所指示的容量、功能或用法。
如下文将详细描述的，提出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到转子的轴和超导发电机，该超导发电机经由轴联接到转子并构造成经由转子操作。在一些实施例中，超导发电机包括固定发电机场、设置在固定发电机场上的超导场绕组以及与固定发电机场同心设置的电枢。
在一些实施例中，电枢包括具有多个线圈的电枢绕组，其中多个线圈中的每个线圈与相邻线圈间隔开，并且包括第一侧部分和第二侧部分。电枢还包括第一电绝缘绕组外壳。此外，电枢包括设置在距第一电绝缘绕组外壳的径向距离处的第二电绝缘绕组外壳，其中电枢绕组设置在第一电绝缘绕组外壳和第二电绝缘绕组外壳之间。此外，电枢包括设置在电枢绕组的多个线圈的第一侧部分和第二侧部分之间的电绝缘线圈侧分隔件。
在某些实施例中，电枢可另外包括多个电绝缘间隔件，其中至少一个电绝缘间隔件设置在相邻的第一侧部分之间以及相邻的第二侧部分之间，并且其中多个电绝缘间隔件中的一个或多个包括至少一个冷却通道，该至少一个冷却通道构造成便于冷却流体流过，以助于电枢绕组的冷却。
现在参考图1，根据本说明书的一个实施例，呈现了示例风力涡轮100的示意图。风力涡轮100可构造成使用风能来产生电功率。在图1的实施例中描述和示出的风力涡轮100包括水平轴线构造。然而，在一些实施例中，除了水平轴线构造之外或作为其备选方案，风力涡轮100可包括竖直轴线构造(未示出)。风力涡轮100可联接到诸如但不限于电网，用于从电网接收电功率以驱动风力涡轮100和/或其相关联的部件的操作和/或用于向电网供应由风力涡轮100产生的电功率。风力涡轮100可联接到电气负载(未示出)，以向电气负载供应由风力涡轮100产生的电功率。
风力涡轮100可包括主体102(有时被称为“机舱”)以及联接到主体102的转子104。转子104构造成相对于主体102围绕旋转轴线106旋转。在图1的实施例中，机舱102显示为安装在塔架108上。然而，在一些其它实施例中，风力涡轮100可包括机舱，该机舱可邻近地面和/或水面设置。
转子104可包括毂110和从毂110径向地向外延伸的多个叶片112(有时被称为“翼型件”)，用于将风能转换成旋转能。尽管转子104在本文中被描述和示出为具有三个叶片112，但是转子104可具有任意数量的叶片112。转子104可具有任何形状的叶片112，并且可具有任何类型和/或任何构造的叶片112，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102可全部或部分地容纳超导发电机114和轴116中的一者或多者。超导发电机114可经由轴116联接到转子104并且构造成经由转子104操作。例如，由于风能导致的转子104的旋转继而又导致超导发电机114的旋转元件(例如，电枢)经由轴116旋转。在一些实施例中，轴116还可包括齿轮箱(未示出)。在某些实施例中，齿轮箱的使用可提高超导发电机114的操作速度，并降低给定功率水平的扭矩要求。齿轮箱的存在与否对于本说明书中描述的超导发电机114的实施例来说并不重要。
超导发电机114构造成至少基于电枢的旋转来产生电功率。根据本文描述的一些实施例，与传统发电机相比，超导发电机114可构造成处理增加的电流幅值。超导发电机114可以同步发电机的形式被实施。将结合图2更详细地描述超导发电机114。
图2是根据本说明书的一个实施例的超导发电机200的示意图。超导发电机200可代表用于图1的风力涡轮100中的超导发电机114的一个实施例。在不限制本申请的范围的情况下，超导发电机200可用于除风力涡轮之外的任何应用中。尽管图2中描绘的超导发电机200是径向场电机，但是本说明书的实施例也适用于轴向场或横向场超导发电机。
如图2所描绘，超导发电机200包括设置在壳体206中的固定发电机场202和电枢204。特别地，图2描绘了超导发电机200的分解图，以单独地示出固定发电机场202和电枢204。
固定发电机场202设置成邻近电枢204。如本文所用，在一个实施例中，关于固定发电机场202和电枢204的定位的术语“设置成邻近”是指固定发电机场202和电枢204的相对定位，使得电枢204被固定发电机场202包围(例如，如图2所示)。在另一个实施例中，术语“设置成邻近”是指固定发电机场202和电枢204的相对定位，使得固定发电机场202被电枢204包围(未示出)。在又一个实施例中，术语“设置成邻近”是指固定发电机场202和电枢204的相对定位，使得固定发电机场202和电枢204并排设置(未示出)。
此外，在一些实施例中，超导发电机200还可包括设置在固定发电机场202上的超导场绕组208。超导场绕组208可包括使用导电材料制成的一个或多个线圈，这些线圈在足够低的温度下转变为超导状态。这样的材料包括铌锡合金、铌钛合金、二硼化镁合金、已表现出超导特性的任何多种陶瓷材料、或它们的组合。通常，导电材料(包括诸如但不限于铜、铝、阳极化铝、银、金或它们的组合)与超导合金结合使用以改进机械特性。在某些实施例中，低重量导电材料可用于增加或至少保持超导发电机200的功率密度。在一些实施例中，超导发电机200还可包括用于将超导场绕组208冷却到超低温度的合适布置(未示出)。
举例来说，在一些实施例中，当超导发电机200被部署为风力涡轮100中的超导发电机114时，电枢204可经由轴116或经由轴116和齿轮箱两者联接到风力涡轮100的转子104。因此，电枢204可由于风能导致的转子104的旋转而旋转。由于电枢204的旋转，当电枢绕组移动经过由超导场绕组208建立的磁场时，超导发电机200可通过电枢绕组中感应的电压来产生电功率。将结合图3至图8描述电枢204的结构细节。
现在转到图3，根据本说明书的一个实施例，呈现了图2的超导发电机200中使用的电枢204的部分3(如在图2中所标记)的横截面图300。参考标号30和32分别代表电枢204的径向方向和轴向方向。如图3所描绘，在一些实施例中，电枢204可包括电枢绕组302、第一电绝缘绕组外壳304、第二电绝缘绕组外壳306、电绝缘线圈侧分隔件308和基座310(有时也被称为心轴)。
第一电绝缘绕组外壳304可设置在基座310上。基座310可使用一种或多种铁磁材料的实心块或叠片来形成。第二电绝缘绕组外壳306设置在距第一电绝缘绕组外壳304的径向距离(R d )处。在一些实施例中，第一电绝缘绕组外壳304和第二电绝缘绕组外壳306可使用纤维增强复合材料形成。这些纤维增强复合材料的非限制性示例可包括G-10、G-11、F-24、FR-4、其它纤维增强聚合物或它们的组合。电枢绕组302设置在第一电绝缘绕组外壳304和第二电绝缘绕组外壳306之间，如图3所描绘。
此外，任选地，在某些实施例中，电枢204可包括设置在第二电绝缘绕组外壳306上的屏蔽件311。屏蔽件311的使用维持来自超导场绕组208的磁通量以保持在径向方向30上，从而增强固定发电机场202和电枢绕组302之间的磁联接。有利地，由于电枢绕组302和固定发电机场202之间的这种改进的磁联接，超导发电机200的电磁性能可得到改进。屏蔽件311可使用铁磁材料形成。在一些实施例中，屏蔽件311可被层压以减少与感应电流相关联的损耗(如在常规电机中)。对于图3所描绘的屏蔽件311的位置，超导场绕组208可径向地位于第一电绝缘外壳304的内部。在超导场绕组208在电枢绕组的径向外部的情况下，屏蔽件311将邻近第一电绝缘外壳304。在这种情况下，在电枢组装期间，屏蔽件311可代替基座310。
电枢绕组302包括多个线圈312A、312B、312C、312D和312E。线圈312A、312B、312C、312D和312E在下文中被统称为线圈312。尽管在图3的横截面图300中描绘了五个线圈312A-312E，但是在电枢204中可采用任何数量的线圈，而不限制本说明书的范围。线圈312将被构造成相绕组，其数量由设计者确定。用于形成线圈312的导电材料的非限制性示例可包括铜、铝、银、金或它们的组合。
在一些实施例中，如图3所描绘，线圈312彼此间隔开。例如，多个线圈312中的每个线圈与相邻线圈间隔开。相邻线圈312之间的空间可充当或被用作冷却管道，在那里，诸如空气的冷却流体可穿过其中。有利地，图3所描绘的电枢204的构造有助于降低电枢204的操作温度。另外，在某些实施例中，线圈312可涂覆有电绝缘涂层，使得冷却流体的流动可能不会影响超导发电机200的电操作。
此外，线圈312中的每个包括第一侧部分、第二侧部分和端部部分。例如，线圈312A包括第一侧部分314A、第二侧部分316A和端部部分318A、320A(图3中未示出，参见图11C至图11G)。线圈312B包括第一侧部分314B、第二侧部分316B和端部部分318B、320B(图3中未示出，参见图11C至图11G)。线圈312C包括第一侧部分314C、第二侧部分316C和端部部分318C、320C(图3中未示出，参见图11C至图11G)。线圈312D包括第一侧部分314D、第二侧部分316D和端部部分318D、320D(图3中未示出，参见图11C至图11G)。线圈312E包括第一侧部分314E、第二侧部分316E和端部部分318E、320E(图3中未示出，参见图11C至图11G)。第一侧部分314A、314B、314C、314D、314E在下文中被统称为第一侧部分314。第二侧部分316A、316B、316C、316D、316E在下文中被统称为第二侧部分316。此外，端部部分318A、318B、318C、318D、318E在下文中被统称为端部部分318。此外，端部部分320A、320B、320C、320D、320E在下文中被统称为端部部分320。此外，在一些实施例中，第一侧部分314和第二侧部分316相对于彼此径向地和切向地移位，并通过端部部分(图3中未示出)连接。举例来说，在这样的构造中，径向地相邻的第一侧部分314和第二侧部分316属于不同线圈312。例如，第一侧部分314A和第二侧部分316A属于不同线圈。这些不同的线圈312可属于相同相或不同相。
此外，在一些实施例中，电绝缘线圈侧分隔件308设置在线圈312的第一侧部分314和第二侧部分316之间。电绝缘线圈侧分隔件308沿着第一侧部分314和第二侧部分316之间的长度提供电绝缘。举例来说，电绝缘线圈侧分隔件308可使用(多种)非铁磁性材料形成，诸如G-10、FR-4、G-11、F-24或其它纤维增强聚合物或它们的组合。
在一些实施例中，在如图2所描绘的电枢204的构造中，在该构造中，电枢204被固定发电机场202包围，第二电绝缘绕组外壳306可形成电枢绕组302的最外侧支撑结构，并且第一电绝缘绕组外壳304可形成设置在电枢204的基座310上的最内侧支撑结构。在这种情况下，屏蔽件311将邻近第一电绝缘外壳304。在这种情况下，在电枢组装期间，屏蔽件311可代替基座310。
在某些实施例中，第二电绝缘绕组外壳306可沿着超导发电机200的有效长度具有恒定或基本上恒定的半径。如本文所用，术语“有效长度”是指第一侧部分314或第二侧部分316中的一个的长度。此外，在电枢204的一些构造中，第二电绝缘绕组外壳306的半径可围绕线圈312中的每个的端部部分318、320变化(增加或减少)，以支撑线圈312中的每个的端部部分318、320。为端部部分318、320提供的这种支撑增强了电枢204的机械完整性。此外，第二电绝缘绕组外壳306还可充当挡板，以用于沿着线圈312引导冷却空气。在一些实施例中，可在第二电绝缘绕组外壳306上提供用于防止冷却流体从电枢204泄漏的诸如密封件(未示出)的其它元件。
在一些实施例中，使用粘结剂309将多个线圈312与第一电绝缘绕组外壳304、第二电绝缘绕组外壳306和电绝缘线圈侧分隔件308固定在一起。例如，线圈312的第一侧部分314经由粘结剂309与第一电绝缘绕组外壳304和电绝缘线圈侧分隔件308固定在一起。另外，线圈312的第二侧部分316经由粘结剂309与第二电绝缘绕组外壳306和电绝缘线圈侧分隔件308固定在一起。将理解，在面对由于在由超导场绕组208产生的磁场内的电枢绕组302中流动的电流而施加在线圈312上的切向和径向磁力的情况下，粘结剂309将多个线圈312保持在适当的位置。
此外，在一些实施例中，电枢204还可包括多个电绝缘间隔件，如图4和图5所描绘。现在参考图4，根据本说明书的另一个实施例，呈现了图2的超导发电机200中使用的电枢204的部分3(参见图2)的横截面图400。如图4所描绘，电枢204可包括多个电绝缘间隔件402A、404A、402B、404B、402C、404C、402D和404D。为了简化说明，八个电绝缘间隔件用参考标号402A、404A、402B、404B、402C、404C、402D和404D标记。电绝缘间隔件402A、402B、402C、402D在下文中被统称为电绝缘间隔件402。类似地，电绝缘间隔件404A、404B、404C、404D在下文中被统称为电绝缘间隔件404。
在一些实施例中，至少一个电绝缘间隔件设置在相邻的第一侧部分314之间以及相邻的第二侧部分316之间。例如，如图4所描绘，电绝缘间隔件402A设置在第一侧部分314A和314B之间，电绝缘间隔件402B设置在第一侧部分314B和314C之间，电绝缘间隔件402C设置在第一侧部分314C和314D之间，并且电绝缘间隔件402D设置在第一侧部分314D和314E之间。此外，电绝缘间隔件404A设置在第二侧部分316A和316B之间，电绝缘间隔件404B设置在第二侧部分316B和316C之间，电绝缘间隔件404C设置在第二侧部分316C和316D之间，并且电绝缘间隔件404D设置在第二侧部分316D和316E之间。
在某些实施例中，电绝缘间隔件402、404可包括一个或多个突出部(未示出)，以有助于改进电绝缘间隔件402、404与第一电绝缘绕组外壳304、第二电绝缘绕组外壳306和电绝缘线圈侧分隔件308中的一个或多个的夹持(grip)。举例来说，电绝缘间隔件402可包括在电绝缘间隔件402的顶表面和底表面中的一个或多个上的突出部，该顶表面和底表面分别面对电绝缘线圈侧分隔件308和第一电绝缘绕组外壳304。另外，举例来说，电绝缘间隔件404可包括在电绝缘间隔件404的顶表面和底表面中的一个或多个上的突出部，该顶表面和底表面分别面对第二电绝缘绕组外壳306和电绝缘线圈侧分隔件308。
此外，在一些实施例中，电绝缘间隔件402、404中的一个或多个可包括至少一个冷却通道，该至少一个冷却通道构造成便于冷却流体流过其中，以助于电枢绕组302的冷却。例如，在图4的实施例中，电绝缘间隔件402、404中的每个被示出为在其中包括一个冷却通道406。冷却通道406可沿着相应的电绝缘间隔件402、404的长度延伸。在某些其它实施例中，至少一个冷却通道可形成在电绝缘间隔件402、404中的一个或多个的侧壁上(参见图5)。
现在参考图5，根据本说明书的又一个实施例，提供了图2的超导发电机200中使用的电枢204的部分3的横截面图500。例如，在图5的实施例中，电绝缘间隔件402、404中的每个被示出为在其侧壁504、506上包括多个冷却通道502。冷却通道502可沿着相应的电绝缘间隔件402、404的长度延伸。在超导发电机200的操作期间，冷却流体可穿过这样的冷却通道406、502，以便于电枢204的冷却。将理解，内部流动冷却通道406可支持任何类型的气态或冷凝的冷却流体，诸如空气或乙二醇-水混合物。在某些实施例中，由于冷却通道502与线圈312接近，冷却通道502可被使用以便于气态冷却流体的流动。
此外，在图3至图5的实施例中，一组电枢绕组302、电绝缘线圈侧分隔件308和第二电绝缘绕组外壳306被示出为设置在第一电绝缘绕组外壳304和屏蔽件311之间。然而，在一些其它实施例中，电枢绕组302、电绝缘线圈侧分隔件308和第二电绝缘绕组外壳306的两个或多于两个的这样的组可设置在第一电绝缘绕组外壳304和屏蔽件311之间，以产生具有多于两层的绕组，而不会限制本说明书的范围。
在图3至图5和图11A至图11G的实施例中，电枢绕组302被示出为以双层叠分布构造布置。然而，在不限制本说明书的范围的情况下，电枢绕组302可以各种其它构造来布置，包括但不限于多层绕组、整数槽绕组、整数槽弦绕组、分数节距线圈绕组、全节距线圈绕组、诸如半线圈同心绕组或全线圈同心绕组的单层绕组(参见图6)、软绕组、分数槽绕组、分数槽集中绕组、分布绕组、螺旋绕组或它们的组合。此外，电枢绕组302可为单相绕组或多相绕组，例如三相绕组。现在参考图6，根据本说明书的又一个实施例，提供了图2的超导发电机中使用的电枢204的部分3的横截面图600。根据图6的实施例，电枢204可包括具有线圈604A、604B、604C、604D和604E的电枢绕组602。这些线圈604A、604B、604C、604D和604E是单层线圈，如图6所示。线圈604A、604B、604C、604D和604E设置在第一电绝缘绕组外壳304和第二电绝缘绕组外壳306之间。电枢绕组602可为单相绕组或多相绕组，例如三相绕组。
尽管在图6中未示出，但是在一些实施例中，也可设想在线圈604A、604B、604C、604D和604E中的相邻线圈之间使用电绝缘间隔件，诸如电绝缘间隔件402。此外，设置在线圈604A、604B、604C、604D和604E中的相邻线圈之间的电绝缘间隔件还可包括至少一个冷却通道，诸如冷却通道406或502，以便于冷却流体流过其中，从而助于电枢绕组602的冷却。
为了便于增强电枢204的冷却，在一些实施例中，冷却通道406、502可包括某些表面特征。举例来说，图7示出了示意图700，其描绘了根据本说明书的一个实施例的包括这种表面特征704的冷却通道406、502的内表面702的一部分。举例来说，如图7所示的表面特征704形成为浅凹(dimples)的形状。应当注意，在不限制本说明书的范围的情况下，也可在冷却通道406、502的内表面中形成表面特征，诸如一个或多个翅片、一个或多个凸起(bump)、一个或多个脊。有利地，这些表面特征704增加了用于与流过冷却通道406、502的冷却流体接触的冷却通道406、502的表面积，从而增强了电枢204的冷却。
现在参考图8，根据本说明书的一个实施例，呈现了可连接到图5的电枢的冷却歧管800的示意图。冷却歧管800可附接到电枢204，以向冷却通道502供应冷却流体。当穿过冷却通道502时，冷却流体从电枢绕组302吸收热量。在一些实施例中，冷却歧管800还可为这种加热的冷却流体提供返回路径。
如图8所描绘，冷却歧管800可包括诸如导管802、804的一个或多个导管、以及包括一个或多个出口808的分配器806。分配器806可构造成将从导管802、804接收的冷却流体分成一股或多股冷却流体，其中一股流被供应到一个或多个出口808中的每个。在一些实施例中，冷却歧管800可设计成具有与电绝缘间隔件402、404中的一个的冷却通道502的数量相等数量的出口808。
在一些实施例中，导管802和804可用于通过在电枢204的一个端部上的分配器806和出口808供应冷却流体。在电枢204的另一端部上，类似于冷却歧管800的其它冷却歧管可联接到导管802和804可便于经由冷却通道406或502收集冷却流体的地方。备选地，在某些实施例中，可能不需要收集冷却流体，在这种情况下，冷却歧管800仅需要向冷却通道406或502供应冷却流体。
在一些实施例中，多个这样的冷却歧管800可连接到电枢204。例如，一个冷却歧管800可连接到图5的电绝缘间隔件402、404中的每个。在一些其它实施例中，电枢204中的冷却通道502可流体连接到彼此。在电枢204的这种构造中，冷却歧管800可流体联接到电绝缘间隔件402、404中的一个的冷却通道502。
图9是根据本说明书的一个实施例的电枢902的一部分的透视图900。如图9所描绘，电枢902可具有与图3至图5中的任一个所描绘的构造类似的构造。另外，电枢902可包括容器904、充气系统906、压力传感器908和减压阀910。
容器904可布置成使得电枢绕组302至少部分地被容器904包封。容器904可至少在电枢绕组302的线圈312的端部部分318、320周围提供耐压密封。在一些实施例中，容器904可包括第一半容器912和第二半容器914。第一半容器912可设置成使得线圈312的端部部分318被第一半容器912包封。此外，第二半容器914可设置成使得线圈312的端部部分320被第二半容器914包封。
充气系统906可流体联接到容器904，并且构造成向电枢绕组302供应加压流体。加压流体的非限制性示例可包括空气、氦(He)、氖(Ne)、氩(Ar)、氢(H2)、氮(N2)、六氟化硫(SF6)或它们的组合。举例来说，充气系统906可包括泵(未示出)或压缩机(未示出)，以产生将被供应到容器904的加压流体。如将理解的，由于电枢绕组302周围存在加压流体，电枢绕组302的电压能力可增加。结果，与没有容器904和充气系统906的这种布置的电枢相比，电枢绕组302可在增加的电压下操作。
此外，在某些实施例中，压力传感器908可流体联接到容器904，以感测容器904内的加压流体的压力。关于感测到的压力的信息可由与超导发电机200相关联的控制器(未示出)使用，以对应于感测到的压力增加电枢绕组302的电压水平。此外，向容器904供应加压流体也可有利地冷却电枢902和/或提高使用这种电枢902的超导发电机的效率。在某些实施例中，减压阀910可被操作以将容器904内的加压流体的压力限制到阈值流体压力值904。举例来说，当加压流体的压力达到阈值流体压力值以上时，减压阀910可被启动以释放容器904内的加压流体的压力。举例来说，阈值流体压力值可小于或等于容器904可承受的安全操作压力。
图10是根据本说明书的一个实施例的用于组装图3至图5中的任一个所描绘的电枢的方法的流程图1000。图11A至图11G描绘了在图10的流程图1000的对应步骤中电枢的结构。因此，结合图11A至图11G中描绘的结构来描述图10的流程图1000。应当注意，为了简化说明，图10的方法和图11A至图11G中描绘的结构是参照电枢204的一部分来描述的。此外，根据电绝缘间隔件402、404中的冷却通道的构造，可执行图10的方法以形成具有图4或图5中的任一个所描绘的构造的电枢204。为了简化说明，在图11A至图11G中使用了与图4中所使用的相同的参考标号。
在步骤1002，提供基座310。举例来说，基座310(参见图11A)可具有圆柱形形状。在图11A中，描绘了基座310的一部分1100。用于形成基座310的材料的非限制性示例可包括纤维增强聚合物，诸如G-10。在一些实施例中，基座310可通过机加工实心材料块来形成。在一些其它实施例中，基座310可通过堆叠多个层压物形成，诸如形成屏蔽件311的层压物。此外，如由步骤1004所指示，第一电绝缘绕组外壳304可设置在基座310上。举例来说，在步骤1004，可获得如图11B所描绘的结构1102。在一些实施例中，呈材料薄片形式的第一电绝缘绕组外壳304可缠绕在基座310上，如图11B所描绘。如将理解的，第一电绝缘绕组外壳304不需要被限为具有恒定半径的管。在一些实施例中，第一电绝缘绕组外壳304的半径可沿着电枢204的长度调节，以支撑线圈312的端部部分318、320。
此外，在步骤1006，电枢绕组302设置在第一电绝缘绕组外壳304上，其中电枢绕组302包括具有第一侧部分314和第二侧部分316的多个线圈312。更特别地，线圈312可设置成使得线圈312的第一侧部分314可固定到第一电绝缘绕组外壳304。任选地，在一些实施例中，在步骤1007，可设置多个第一电绝缘间隔件，诸如电绝缘间隔件402，使得多个第一电绝缘间隔件402中的至少一个第一电绝缘间隔件402设置在多个线圈312的相邻第一侧部分314之间。举例来说，在步骤1007，可获得如图11C所描绘的结构1104。在一些实施例中，线圈312和电绝缘间隔件402被交替地设置。电绝缘间隔件402可使用包括但不限于挤出、拉挤成型、机加工、冲压、喷水切割或增材制造的技术来形成。电绝缘间隔件402用于围绕电枢204的外围适当地间隔第一侧部分314。在一个实施例中，电绝缘间隔件402可包括冷却通道406。在另一个实施例中，电绝缘间隔件402可包括冷却通道502。在又一个实施例中，电绝缘间隔件402可延伸超过线圈312的直部段(例如，侧部分314、316)，并进入线圈312的端部部分318、320，以便于冷却流体沿着线圈312的较长部段流动。
此外，在步骤1008，电绝缘线圈侧分隔件308可设置在线圈312的第一侧部分314和第二侧部分316之间。因此，在步骤1008，可获得图11D所描绘的结构1106。由于每个线圈312是闭合的，电绝缘线圈侧分隔件308可作为被拉动穿过每个线圈312的薄片插入。薄片的端部可重叠，以提供足够的绝缘完整性。电绝缘线圈侧分隔件308构造成保持线圈312的第一侧部分314和第二侧部分316之间的间距，使得它们不会物理接触。另外，在一些实施例中，可选择电绝缘线圈侧分隔件308的轴向长度，使得电绝缘线圈侧分隔件308达到线圈312的端部部分318、320。此外，电绝缘线圈侧分隔件308可充当用于分离电枢内部的空气流的流分隔件。分离流导致线圈312的端部部分318、320的更有效冷却。在一些实施例中，电绝缘线圈侧分隔件308可设计成当端部部分318、320在相应线圈312的轴向范围(extent)处环绕通过圆形螺旋时围绕端部部分318、320跟随(follow)线圈312，从而产生用于引导诸如空气的冷却流体的成轮廓的(contoured)挡板。在这种构造中，当在r-z横截面(未示出)中观察时，电绝缘线圈侧分隔件308可具有类似于泪滴形状的形状。
另外，在步骤1010，任选地，设置多个第二电绝缘间隔件，诸如电绝缘间隔件404，使得至少一个第二电绝缘间隔件404设置在多个线圈312的相邻第二侧部分316之间。电绝缘间隔件404可使用包括但不限于挤出、拉挤成型、机加工、冲压、用喷水切割或增材制造的技术来形成。电绝缘间隔件404用于围绕电枢的外围适当地间隔第一侧部分314(图4或图5所描绘)，使得在步骤1010可获得如图11E所描绘的结构1108。在一个实施例中，电绝缘间隔件404可包括冷却通道406。在另一个实施例中，电绝缘间隔件404可包括冷却通道502。在又一个实施例中，电绝缘间隔件404可延伸进入线圈312的端部部分318、320，以便于冷却流体沿着线圈312在更长的长度上流动。
此外，在步骤1012，第二电绝缘绕组外壳306可设置在线圈312的第二侧部分316上。特别地，第二电绝缘绕组外壳306可设置在图11E的所得结构1108上。在一些实施例中，第二电绝缘绕组外壳306可缠绕在结构1108上以获得结构1110，如图11F所描绘。如将理解的，第二电绝缘绕组外壳306不需要被限为具有恒定半径的管。在一些实施例中，第二电绝缘绕组外壳306的半径可沿着电枢204的长度调节，以支撑线圈312的端部部分318、320。
在一些实施例中，当复合纤维的薄片用作第一电绝缘绕组外壳304、第二电绝缘绕组外壳306和电绝缘线圈侧分隔件308时，所得电枢结构可用合适的树脂浸渍，并且然后固化以形成电枢204的实心结构。这种复合纤维薄片可用确定量的树脂预增粘，以给出改进的结构稳定性的电枢204，并有助于电枢组装。在某些实施例中，硅橡胶填料可用于保持冷却通道406、502。硅橡胶填料可在电枢204固化后被移除。
在一些其它实施例中，预浸渍有树脂的薄片可用作第一电绝缘绕组外壳304、第二电绝缘绕组外壳306和电绝缘线圈侧分隔件308。当使用预浸渍有树脂的薄片时，可加热所得电枢204以固化树脂，从而将电枢204的元件粘结在一起。在某些实施例中，一旦设置了电绝缘线圈侧分隔件308，就在电绝缘线圈侧分隔件308中切出一个或多个槽。线圈312然后被插入槽中。在线圈312被插入之后，槽可被密封。
此外，任选地，在步骤1014，屏蔽件311设置在第二电绝缘绕组外壳306上。举例来说，无源屏蔽件围绕结构1110设置，以获得如图11G所描绘的结构1112。有利地，屏蔽件311的使用改进了使用电枢204的超导发电机200的电磁性能。屏蔽件311可使用铁磁材料形成。在一些实施例中，屏蔽件311可通过在第二电绝缘绕组外壳306周围堆叠多个叠片来形成。
在一些实施例中，在图10的方法中，如果省略步骤1007和1010，则图10的方法可导致形成类似于图3的电枢300的电枢。
根据本文描述的实施例，提供了诸如风力涡轮100的改进的风力涡轮和诸如超导发电机114、200的改进的超导发电机。根据本说明书的一些实施例，风力涡轮100和超导发电机114、200中的改进可至少部分地由于电枢204的增强构造而实现。
如前所指出的，电枢204包括各种元件，诸如第一电绝缘绕组外壳304和第二电绝缘绕组外壳306、电绝缘线圈侧分隔件308和电绝缘间隔件314、316，它们使用非铁磁和电绝缘材料形成。此外，电枢204不包括铁磁齿。有利地，电枢绕组312附近没有铁磁材料降低了电枢绕组312的绝缘要求。此外，经由使用电绝缘间隔件314、316，相邻电枢绕组312之间的空间被更好地用于结构支撑、绝缘和冷却，而不减损电枢绕组的磁操作。此外，由于使用非铁磁和电绝缘材料，电枢绕组312可在由超导场绕组208产生的增加的磁场下操作。另外，使用电绝缘间隔件314、316代替铁磁齿降低了固定发电机场202和电枢204之间的气隙中磁场的谐波频谱。
本书面描述使用示例来公开本发明，包括优选实施例，并且还使得本领域的任何技术人员能够实践本发明，包括制造和使用任何设备或系统以及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想到的其它示例。如果此类其它示例具有不异于权利要求书的字面语言的结构要素，或者如果它们包括与权利要求书的字面语言具有非实质性差别的等同结构要素，则此类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所描述的各种实施例的方面以及每个这样的方面的其它已知等同物，以根据本申请的原理构造另外的实施例和技术。

Claims (23)

1.一种风力涡轮，包括：
转子，其包括多个叶片；
轴，其联接到所述转子；和
超导发电机，其经由所述轴联接到所述转子，并且构造成经由所述转子操作，其中，所述超导发电机包括：
固定发电机场；
超导场绕组，其设置在所述固定发电机场上；和
电枢，其与所述固定发电机场同心设置，其中，所述电枢包括：
电枢绕组，其包括多个线圈，其中，所述多个线圈中的每个线圈与相邻线圈间隔开，并且包括第一侧部分和第二侧部分；
第一电绝缘绕组外壳；
第二电绝缘绕组外壳，其设置在距所述第一电绝缘绕组外壳的径向距离处，其中，所述电枢绕组设置在所述第一电绝缘绕组外壳和所述第二电绝缘绕组外壳之间；
电绝缘线圈侧分隔件，其设置在所述电枢绕组的所述多个线圈的所述第一侧部分和所述第二侧部分之间；和
多个电绝缘间隔件，其中，至少一个电绝缘间隔件设置在相邻的第一侧部分之间以及相邻的第二侧部分之间，并且其中，所述多个电绝缘间隔件中的一个或多个包括至少一个冷却通道，所述至少一个冷却通道构造成便于冷却流体流过其中，以助于所述电枢绕组的冷却。
2.根据权利要求1所述的风力涡轮，其特征在于，所述第一电绝缘绕组外壳和所述第二电绝缘绕组外壳包括纤维增强复合材料。
3.根据权利要求1所述的风力涡轮，其特征在于，电绝缘线圈侧分隔件包括非铁磁材料。
4.根据权利要求1所述的风力涡轮，其特征在于，所述至少一个冷却通道定位在所述一个或多个间隔件的一个或多个侧壁处、所述一个或多个间隔件的主体内、或两者。
5.根据权利要求1所述的风力涡轮，其特征在于，所述多个线圈经由粘结剂与所述第一电绝缘绕组外壳、所述第二电绝缘绕组外壳和所述电绝缘线圈侧分隔件固定在一起。
6.根据权利要求1所述的风力涡轮，其特征在于，还包括一个或多个冷却歧管，所述一个或多个冷却歧管流体联接到所述至少一个冷却通道以向所述至少一个冷却通道供应所述冷却流体。
7.根据权利要求1所述的风力涡轮，其特征在于，所述至少一个冷却通道包括至少一个表面特征，以便于所述电枢绕组的冷却。
8.根据权利要求7所述的风力涡轮，其特征在于，所述至少一个表面特征包括一个或多个浅凹、一个或多个翅片、一个或多个凸起、一个或多个脊或它们的组合。
9. 根据权利要求1所述的风力涡轮，其特征在于，所述超导发电机还包括：
容器，其至少部分地包封所述电枢绕组；和
充气系统，其流体联接到所述容器，并且构造成向所述电枢绕组供应加压流体。
10.根据权利要求9所述的风力涡轮，其特征在于，所述超导发电机还包括压力传感器，所述压力传感器联接到所述容器以感测所述容器内的所述加压流体的压力。
11.根据权利要求10所述的风力涡轮，其特征在于，所述超导发电机还包括减压阀，以将所述容器内的所述加压流体的压力限制到阈值流体压力值。
12.一种用于电机的电枢，包括：
电枢绕组，其包括多个线圈，其中，所述多个线圈中的每个线圈与相邻线圈间隔开；
第一电绝缘绕组外壳；和
第二电绝缘绕组外壳，其设置在距所述第一电绝缘绕组外壳的径向距离处，其中，所述电枢绕组设置在所述第一电绝缘绕组外壳和所述第二电绝缘绕组外壳之间。
13.根据权利要求12所述的电枢，其特征在于，还包括设置在相邻线圈之间的多个电绝缘间隔件。
14.根据权利要求13所述的电枢，且其特征在于，所述多个电绝缘间隔件中的一个或多个包括至少一个冷却通道，所述至少一个冷却通道构造成便于冷却流体流过其中，以助于所述电枢绕组的冷却。
15.根据权利要求14所述的电枢，其特征在于，还包括一个或多个冷却歧管，所述一个或多个冷却歧管流体联接到所述至少一个冷却通道以向所述至少一个冷却通道供应所述冷却流体。
16.根据权利要求14所述的电枢，其特征在于，所述至少一个冷却通道包括至少一个表面特征，以便于所述电枢绕组的冷却。
17.一种超导发电机，包括：
固定发电机场；
超导场绕组，其设置在所述固定发电机场上；和
电枢，其与所述固定发电机场同心设置，其中，所述电枢包括：
电枢绕组，其包括多个线圈，其中，所述多个线圈中的每个线圈与相邻线圈间隔开，并且包括第一侧部分和第二侧部分；
第一电绝缘绕组外壳；
第二电绝缘绕组外壳，其设置在距所述第一电绝缘绕组外壳的径向距离处，其中，所述电枢绕组设置在所述第一电绝缘绕组外壳和所述第二电绝缘绕组外壳之间；和
电绝缘线圈侧分隔件，其设置在所述电枢绕组的所述多个线圈的所述第一侧部分和所述第二侧部分之间。
18.根据权利要求17所述的电枢，其特征在于，所述电枢还包括多个电绝缘间隔件，其中，所述多个电绝缘间隔件中的至少一个电绝缘间隔件设置在相邻的第一侧部分之间以及相邻的第二侧部分之间。
19.根据权利要求18所述的电枢，其特征在于，所述多个电绝缘间隔件中的一个或多个包括至少一个冷却通道，所述至少一个冷却通道构造成便于冷却流体流过其中，以助于所述电枢绕组的冷却。
20.一种形成电枢的方法，所述方法包括：
将第一电绝缘外壳设置在基座上；
将电枢绕组设置在所述第一电绝缘绕组外壳上，其中，所述电枢绕组包括多个线圈，所述多个线圈包括第一侧部分和第二侧部分；
将电绝缘线圈侧分隔件设置在所述多个线圈的所述第一侧部分和所述第二侧部分之间；和
将第二电绝缘外壳设置在所述多个线圈的所述第二侧部分上。
21.根据权利要求20所述的方法，其特征在于，还包括将多个第一电绝缘间隔件设置成使得所述多个第一电绝缘间隔件中的至少一个第一电绝缘间隔件设置在所述多个线圈的相邻第一侧部分之间。
22.根据权利要求20所述的方法，其特征在于，还包括设置多个第二电绝缘间隔件，使得所述多个第二电绝缘间隔件中的至少一个第二电绝缘间隔件设置在所述多个线圈的相邻第二侧部分之间。
23.根据权利要求20所述的方法，其特征在于，还包括将屏蔽件设置在所述第二电绝缘外壳上。
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