CN112803631A - 一种应用于大容量海上高温超导风机的极槽配合方法 - Google Patents

一种应用于大容量海上高温超导风机的极槽配合方法 Download PDF

Info

Publication number
CN112803631A
CN112803631A CN202011206987.4A CN202011206987A CN112803631A CN 112803631 A CN112803631 A CN 112803631A CN 202011206987 A CN202011206987 A CN 202011206987A CN 112803631 A CN112803631 A CN 112803631A
Authority
CN
China
Prior art keywords
stator
rotor
slot
temperature superconducting
slots
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.)
Pending
Application number
CN202011206987.4A
Other languages
English (en)
Inventor
王琼
李妍
邓广宇
张慧媛
李月乔
许军
王鑫
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.)
State Grid Jiangsu Electric Power Design Consultation Co ltd
North China Electric Power University
Economic and Technological Research Institute of State Grid Jiangsu Electric Power Co Ltd
Original Assignee
State Grid Jiangsu Electric Power Design Consultation Co ltd
North China Electric Power University
Economic and Technological Research Institute of State Grid Jiangsu Electric Power Co Ltd
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 State Grid Jiangsu Electric Power Design Consultation Co ltd, North China Electric Power University, Economic and Technological Research Institute of State Grid Jiangsu Electric Power Co Ltd filed Critical State Grid Jiangsu Electric Power Design Consultation Co ltd
Priority to CN202011206987.4A priority Critical patent/CN112803631A/zh
Publication of CN112803631A publication Critical patent/CN112803631A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K1/00—Details of the magnetic circuit
    • H02K1/06—Details of the magnetic circuit characterised by the shape, form or construction
    • H02K1/12—Stationary parts of the magnetic circuit
    • H02K1/16—Stator cores with slots for windings
    • H02K1/165—Shape, form or location of the slots
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K19/00—Synchronous motors or generators
    • H02K19/02—Synchronous motors
    • H02K19/10—Synchronous motors for multi-phase current
    • H02K19/12—Synchronous motors for multi-phase current characterised by the arrangement of exciting windings, e.g. for self-excitation, compounding or pole-changing
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K3/00—Details of windings
    • H02K3/02—Windings characterised by the conductor material
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K3/00—Details of windings
    • H02K3/04—Windings characterised by the conductor shape, form or construction, e.g. with bar conductors
    • H02K3/12—Windings characterised by the conductor shape, form or construction, e.g. with bar conductors arranged in slots
    • 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
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K2213/00—Specific aspects, not otherwise provided for and not covered by codes H02K2201/00 - H02K2211/00
    • H02K2213/03—Machines characterised by numerical values, ranges, mathematical expressions or similar information

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Superconductive Dynamoelectric Machines (AREA)

Abstract

本发明公开了一种应用于大容量海上高温超导风力发电机的极槽配合方法，在综合考虑气隙径向磁场谐波分量与定子损耗的情况下，用分数槽代替原有整数槽，并在多种分数槽方案中分析比较，选取相对最优的极槽配合方案：定子槽数为180，转子极数为40。该电机与普通同步风机相比，定子槽型为矩形槽，转子励磁绕组采用励磁超导线圈，并且用转子支撑结构代替普通同步发电机的转子铁齿。该方案有效降低了空载反电动势高次谐波，显著改善感了应电压畸变率和输出转矩脉动，在一定程度上提高了发电机的运行性能。同时，采用了较少的定子槽数，降低了工艺成本，提高了槽满率。

Description

一种应用于大容量海上高温超导风机的极槽配合方法
技术领域
本发明专利属于电机领域，具体涉及大容量海上高温超导同步发电机的转子极数和定子槽数配合方法。
背景技术
近年来，随着超导技术，尤其是高温超导技术的不断发展，超导技术在电机中应用不断成熟，相对于常规风机，超导风机具有容量大、功率密度高、体积小、重量轻、效率高、成本低等优势。目前，世界上大部分的多极大功率风力发电机都是采用直驱式同步发电机，具有较小的转速和较大的转矩。由于直驱式风力发电机没有齿轮箱的增速作用，因此发电机需采用多极低速的形式，在转子具有多极的情况下，如何合理选择定子槽数，对于电机的运行性能来说至关重要。在已有的10MW超导风力发电机电磁设计方案中，考虑了定子铁心损耗这一因素，转子极数和定子槽数采用40/360的极槽配合方案，在此种情况下，电机运行时具有以下问题：
(1)空载反电动势波形畸变率较大；
(2)感应电压谐波次数较高，高次分量明显；
(3)电磁转矩有很明显的脉动幅度和频率。
为了解决以上问题，需要重新选择合理的海上超导发电机极槽配合方案。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供一种基于大容量(10MW)海上高温超导风力发电机的极槽配合方法，在保证电机原基本设计参数的情况下，有效降低了空载反电动势高次谐波，显著改善感了应电压畸变率和输出转矩脉动，同时，采用了较少的定子槽数，降低了工艺成本，提高了槽满率。
本发明的技术方案如下：
一种用于海上风力发电的四十极三相大容量(10MW)高温超导同步发电机极槽配合方法：转子极数为40，定子槽数为180，其中转子励磁绕组采用超导材料，定子绕组采用常规铜材料，励磁绕组的结构采用跑道型线圈，转子采用空心结构，定子铁心采用铁磁材料，槽型为矩形槽，定子和转子之间气隙为80mm。
本发明与现有技术相比具有以下优势：在不改变超导励磁绕组结构，定子槽型，定转子气隙大小以及其他材料参数的情况下，将原有的定子360槽，转子40极的极槽配合方案改进为定子180槽，转子40极的极槽配合方案，此改进方案能显著优化电机的空载反电动势波形，降低电机感应电压高次谐波分量，降低发电机的电磁转矩波形幅值与频率，在一定程度上提高发电机的运行性能，并且，较少的定子槽数有益于简化嵌线工艺和接线，在某种程度上能够降低生产成本。
附图说明
图1是现有的四十极三相海上高温超导同步发电机极槽配合结构示意图。
图2是现有的四十极三相海上高温超导同步发电机极槽配合1/20结构放大示意图。
图3是本发明提供的四十极三相海上高温超导同步发电机极槽配合结构示意图。
图4是本发明提供的四十极三相海上高温超导同步发电机极槽配合1/20结构放大示意图。
图5是定子槽数为360，转子极数为40的海上高温超导同步发电机气隙径向磁场FFT示意图。
图6是定子槽数为180，转子极数为40的海上高温超导同步发电机气隙径向磁场FFT示意图。
图7是定子槽数为360，转子极数为40的海上高温超导同步发电机空载反电动势波形图。
图8是定子槽数为180，转子极数为40的海上高温超导同步发电机空载反电动势波形图。
图9是定子槽数为360，转子极数为40的海上高温超导同步发电机空载感应电压FFT示意图。
图10是定子槽数为180，转子极数为40的海上高温超导同步发电机空载感应电压FFT示意图。
图11是定子槽数为360，转子极数为40的海上高温超导同步发电机额定负载下的电磁转矩波形图。
图12是定子槽数为180，转子极数为40的海上高温超导同步发电机额定负载下的电磁转矩波形图。
具体实施方式
以下将结合本发明专利的附图，通过具体实施例对本发明进行说明。
本发明所叙述的10MW海上高温超导同步发电机的转速很低，大约为10rpm左右，并且采取直接驱动方式，取消了风力机与交流发电机之间的齿轮箱，在此种情况下，必须采用低速多极发电机，由同步发电机频率与极数的关系式：f＝pn/60，可知发电机的频率与极数成正比，选取合适的极数，可以缩小发电机的体积、减轻其重量，经综合考虑后转子极数取值为40。
图1所示为现有的大容量四十极三相海上高温超导同步发电机整体结构示意图，定子1采用的槽数为360槽，转子2的极数为40极。
图2所示为现有的四十极三相海上高温超导同步发电机1/20结构放大示意图，考虑到与普通同步发电机不同，超导电机的励磁线圈本身能提供很强的磁场，不需要铁磁材料提供磁路，因此采用空心结构，用转子支撑结构1代替普通同步发电机的铁齿结构。定子绕组2采用双层短距绕组以减小电机尺寸和体积，并且在一定程度内降低了磁场感应电动势的谐波分量和齿谐波电动势。超导励磁绕组3采用跑道型线圈结构。4、5、6分别为绝热层、真空层和阻尼层。7为定子齿槽，8为定子背铁。
图3所示为本发明提供的的大容量四十极三相海上高温超导同步发电机整体结构示意图，定子1槽数采用180槽代替原来的360槽，转子2的极数为40极；图4为本发明提供的大容量四十极三相海上高温超导同步发电机1/20结构放大示意图。
原方案从定子铁损的因素考虑选取定子槽数，在120、240、360三种整数槽方案中对比分析，由于360槽的气隙径向磁场具有相对较大的基波幅值分量和具有相对最小的高次谐波分量，因此现有方案采取定子槽数为360，转子极数为40的极槽配合方案。
由于分数槽本身能明显降低电机的齿槽转矩，减小电机振动，因此拟采用分数槽代替整数槽，又考虑到分数槽绕组每极每相槽数q＝Z/2pm，三相交流电机m＝3，因此拟综合比较槽数分别为150、180、210、270、300、330的情况，考虑到极数相同的情况下，电机定子槽数和转子极数的最大公约数D越大，齿槽转矩越小，因此采用定子槽数为180。
如图5和图6在ANSYS MAXWELL 16.0平台仿真出定子槽数分别为360和180情况下的气隙径向磁场谐波分量，可以看出基波幅值分量相差不大，减小了0.01T，3次谐波分量没有变化，5次谐波分量增大了0.008T，此种情况下定子铁损的不多，但是槽数减少一半，定子绕组的铜损能明显减小。
综上，本发明采取定子槽数为180，转子极数为40的极槽配合方法。
用本发明提供的定子槽数/转子极数为180/40方案代替原有的360/40方案后，在ANSYS MAXWELL 16.0平台分别仿真出优化前和优化后的发电机电磁特性结果。
如图7所示为定子槽数为360，转子极数为40的海上高温超导同步发电机空载反电动势波形图，从图中可以看出正弦三相电压具有很明显的波形畸变，波形畸变率为18.77％；如图8所示为定子槽数为180，转子极数为40的海上高温超导同步发电机空载反电动势波形图，从图中可看出此时的三相电压波形更平滑，更接近于正弦波，波形畸变率为8.71％，波形畸变与原方案相比显著降低。
如图9所示为定子槽数为360，转子极数为40的海上高温超导同步发电机空载感应电压FFT示意图，从图中可以看出，此种极槽配合情况下，电机具有明显的高次谐波；如图10所示为定子槽数为180，转子极数为40的海上高温超导同步发电机空载感应电压FFT示意图，从图中可以看出与原方案相比明显削弱了高次谐波分量，且基波分量从之前的2.69kV提升到了2.75kV。
如图11所示为定子槽数为360，转子极数为40的海上高温超导同步发电机额定负载下的电磁转矩波形图，从图中可以看出，电磁转矩最终稳定在-9.4NM·m附近，波动幅值大约为±5.7％；如图12所示为定子槽数为180，转子极数为40的海上高温超导同步发电机额定负载下的电磁转矩波形图，从图中可以看出，电磁转矩最终稳定在-10.4NM·m附近，波动幅值大约为±3.6％，与原方案相比，此时的脉动频率明显比之前降低，并且电磁转矩大约提高了1NM·m。
综上所述，本发明提供的基于大容量海上高温超导风力发电机的极槽配合方法能够保证电机原有参数的情况下，有效降低空载反电动势高次谐波，显著改善感应电压畸变率和输出转矩脉动，在一定程度上提高了电机的运行性能。同时，采用了较少的定子槽数，降低了工艺成本，提高了槽满率，具有一定的工程应用价值。

Claims (4)

1.本发明提供了一种大容量海上高温超导风力同步发电机定子与转子的极槽配合方法，其特征是：极槽配合采用分数槽，定子槽数为180，转子极数为40。
2.本发明提供了一种大容量海上高温超导风力同步发电机定子与转子的极槽配合方法，其特征是：在综合考虑气隙径向磁场谐波分量与定子损耗的情况下，用分数槽代替原有整数槽，并在多种分数槽方案中分析比较，选取相对最优的极槽配合方案。
3.本发明提供了一种大容量海上高温超导风力发电机定子与转子的极槽配合方法，其特征是：定子槽型为矩形槽，转子励磁绕组采用励磁超导线圈，并且用转子支撑结构代替普通同步发电机的转子铁齿。
4.本发明提供了一种大容量海上高温超导风力发电机定子与转子的极槽配合方法，其特征是：在保证电机原基本设计参数的情况下，有效降低了空载反电动势高次谐波，显著改善感了应电压畸变率和输出转矩脉动，在一定程度上提高了发电机的运行性能。同时，采用了较少的定子槽数，降低了工艺成本，提高了槽满率。
CN202011206987.4A 2020-11-03 2020-11-03 一种应用于大容量海上高温超导风机的极槽配合方法 Pending CN112803631A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202011206987.4A CN112803631A (zh) 2020-11-03 2020-11-03 一种应用于大容量海上高温超导风机的极槽配合方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202011206987.4A CN112803631A (zh) 2020-11-03 2020-11-03 一种应用于大容量海上高温超导风机的极槽配合方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN112803631A true CN112803631A (zh) 2021-05-14

Family

ID=75807383

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202011206987.4A Pending CN112803631A (zh) 2020-11-03 2020-11-03 一种应用于大容量海上高温超导风机的极槽配合方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN112803631A (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113326622A (zh) * 2021-06-07 2021-08-31 哈尔滨理工大学 一种适用于五相异步电动机的槽配合及绕组型式选取方法

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106208549A (zh) * 2016-07-06 2016-12-07 河南理工大学 基于高温超导励磁线圈的凸极式海上风机参数优化方法
CN111490615A (zh) * 2020-04-28 2020-08-04 沈阳工业大学 一种10mw级外转子分瓣式多相永磁直驱风力发电机

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN106208549A (zh) * 2016-07-06 2016-12-07 河南理工大学 基于高温超导励磁线圈的凸极式海上风机参数优化方法
CN111490615A (zh) * 2020-04-28 2020-08-04 沈阳工业大学 一种10mw级外转子分瓣式多相永磁直驱风力发电机

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
朱英娜: "10MW超导风机的并网分析", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库 工程科技Ⅱ辑》, 15 March 2016 (2016-03-15), pages 9 - 25 *
王俊成: ""1.5MW半直驱永磁同步风力发电机设计及关键技术研究"", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库 工程科技Ⅱ辑》, 15 September 2010 (2010-09-15), pages 29 - 53 *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113326622A (zh) * 2021-06-07 2021-08-31 哈尔滨理工大学 一种适用于五相异步电动机的槽配合及绕组型式选取方法

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Li et al. A new efficient permanent-magnet vernier machine for wind power generation
Li et al. Nine-phase flux-switching permanent magnet brushless machine for low-speed and high-torque applications
CN202488301U (zh) 双气隙混合励磁直驱开关磁阻风力发电机及其机组系统
Gao et al. HTS vernier machine for direct-drive wind power generation
CN107707090B (zh) 双定子超导无刷双馈风力发电机
CN201786562U (zh) 双定子直驱永磁风力发电机
CN109639204A (zh) 基于十二相永磁同步电机的飞轮储能控制系统及控制方法
Liu et al. Feasibility study of a superconducting DC direct-drive wind generator
addin Yousefian et al. A unique optimized double-stator permanent-magnet synchronous generator in high-power wind plants
Jebaseeli et al. Performance Analysis of various configurations of switched reluctance machine for wind energy applications
CN112803631A (zh) 一种应用于大容量海上高温超导风机的极槽配合方法
Anitha et al. Design and analysis of axial flux permanent magnet machine for wind power applications
Xinghe et al. Design and analysis of linear rotary permanent magnet generator for wind-wave combined power generation system
Liu et al. Effect of the number of slots per pole on performance of permanent magnet generator direct-driven by wind turbine
Yuan et al. Research on Slot-pole Combination in High-power Direct-drive PM Vernier Generator for Fractional Frequency Transmission System
Fengxiang et al. Design features of low speed permanent magnet generator direct driven by wind turbine
Madani et al. A permanent magnet synchronous generator for a small scale vertical axis wind turbine
Ji et al. MPPT control of variable speed wind power generation system using switched reluctance generator and AC-AC converter
Abdi et al. Performance characterisation of brushless doubly-fed generator
Kumar et al. Performance Evaluation of Dual Stator De-coupled Rotor Six-Phase Permanent Magnet Synchronous Generator for Wind Power Application
CN210577970U (zh) 一种直发电机
CN109931221B (zh) 一种双速永磁风力发电系统
Fang et al. Design of dual-rotor PMSG for wave energy conversion
Chirca et al. Design optimization and prototyping of a double-rotor axial-flux spoke-type ferrite-magnet micro-wind generator
CN112821736A (zh) 盘式对转永磁水力发电机的机侧变流器谐波抑制方法、系统及介质

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
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Application publication date: 20210514

WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication