CN113841321A - 超导机器中的场线圈支承结构和模块化场线圈设计 - Google Patents
超导机器中的场线圈支承结构和模块化场线圈设计 Download PDFInfo
- Publication number
- CN113841321A CN113841321A CN201980096768.4A CN201980096768A CN113841321A CN 113841321 A CN113841321 A CN 113841321A CN 201980096768 A CN201980096768 A CN 201980096768A CN 113841321 A CN113841321 A CN 113841321A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- support structure
- superconducting
- field coil
- generator
- superconducting coils
- 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
Links
- 238000013461 design Methods 0.000 title description 10
- 238000004804 winding Methods 0.000 claims abstract description 84
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 6
- 238000001816 cooling Methods 0.000 claims description 15
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 11
- 239000000110 cooling liquid Substances 0.000 claims description 9
- 229910001374 Invar Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229910000833 kovar Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 claims 1
- 230000008602 contraction Effects 0.000 description 9
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 9
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 6
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 5
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 5
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 239000001307 helium Substances 0.000 description 5
- 229910052734 helium Inorganic materials 0.000 description 5
- SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N helium atom Chemical compound [He] SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 4
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 4
- 229910052754 neon Inorganic materials 0.000 description 4
- GKAOGPIIYCISHV-UHFFFAOYSA-N neon atom Chemical compound [Ne] GKAOGPIIYCISHV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 4
- 229910001313 Cobalt-iron alloy Inorganic materials 0.000 description 2
- KGWWEXORQXHJJQ-UHFFFAOYSA-N [Fe].[Co].[Ni] Chemical compound [Fe].[Co].[Ni] KGWWEXORQXHJJQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 2
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 235000019687 Lamb Nutrition 0.000 description 1
- 229910001275 Niobium-titanium Inorganic materials 0.000 description 1
- BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N Silver Chemical compound [Ag] BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- PZKRHHZKOQZHIO-UHFFFAOYSA-N [B].[B].[Mg] Chemical compound [B].[B].[Mg] PZKRHHZKOQZHIO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- -1 but not limited to Substances 0.000 description 1
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 1
- 229910010293 ceramic material Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002826 coolant Substances 0.000 description 1
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 1
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 1
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 1
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 1
- 238000006731 degradation reaction Methods 0.000 description 1
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 1
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 1
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 1
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010931 gold Substances 0.000 description 1
- 230000005484 gravity Effects 0.000 description 1
- 239000003562 lightweight material Substances 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- KJSMVPYGGLPWOE-UHFFFAOYSA-N niobium tin Chemical compound [Nb].[Sn] KJSMVPYGGLPWOE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- RJSRQTFBFAJJIL-UHFFFAOYSA-N niobium titanium Chemical compound [Ti].[Nb] RJSRQTFBFAJJIL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910000657 niobium-tin Inorganic materials 0.000 description 1
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 1
- 230000008569 process Effects 0.000 description 1
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 1
- 230000000717 retained effect Effects 0.000 description 1
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000004332 silver Substances 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- 229910001281 superconducting alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002887 superconductor Substances 0.000 description 1
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 1
Images
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
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
- H02K11/00—Structural association of dynamo-electric machines with electric components or with devices for shielding, monitoring or protection
- H02K11/01—Structural association of dynamo-electric machines with electric components or with devices for shielding, monitoring or protection for shielding from electromagnetic fields, i.e. structural association with shields
- H02K11/012—Shields associated with rotating parts, e.g. rotor cores or rotary shafts
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
- H02K21/00—Synchronous motors having permanent magnets; Synchronous generators having permanent magnets
- H02K21/02—Details
- H02K21/10—Rotating armatures
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
- H02K3/00—Details of windings
- H02K3/46—Fastening of windings on the stator or rotor structure
- H02K3/47—Air-gap windings, i.e. iron-free windings
-
- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
- H02K9/00—Arrangements for cooling or ventilating
- H02K9/19—Arrangements for cooling or ventilating for machines with closed casing and closed-circuit cooling using a liquid cooling medium, e.g. oil
- H02K9/20—Arrangements for cooling or ventilating for machines with closed casing and closed-circuit cooling using a liquid cooling medium, e.g. oil wherein the cooling medium vaporises within the machine casing
-
- 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)
- Power Engineering (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Superconductive Dynamoelectric Machines (AREA)
Abstract
本发明涉及一种电机，其包括环形电枢组件和非旋转环形场绕组组件，非旋转环形场绕组组件与电枢组件同轴并且通过间隙与电枢组件分离。场绕组组件包括场线圈支承结构，场线圈支承结构具有形成于其中并且围绕场线圈支承结构延伸的凹陷部的环形阵列。场绕组组件进一步包括各自设置于凹陷部的环形阵列的凹陷部中的多个超导线圈。公开了一种发电机和用于生成电功率的方法。
Description
背景技术
本发明涉及电力发电机，并且特别地涉及电机，所述电机包括超导绕组并且在超导磁体降温期间并且继超导磁体降温之后维持和/或减小场线圈与电枢绕组线圈之间的磁隙。
大体上描述的典型的电机(诸如马达和发电机)包括场线圈和电枢绕组线圈。一旦施加电压，磁场就耦合场线圈和电枢绕组线圈。磁场的大小取决于经过场线圈的电流的量。电机内的磁应力转变成转矩，以便导致转子的旋转。磁场越高，针对电枢绕组线圈的给定的周长，每次旋转的转矩就越大。由于由超导材料引起的增大的磁场强度的原因，使用由超导材料制作的场线圈使得电机更紧凑、轻质并且高效。在本文中特别感兴趣的是描述为场线圈内部(FCI)构造的超导发电机。
在典型的超导发电机中，场线圈形成于一般由铝形成的大型、主线圈架结构上。在将场线圈从室温降温至接近绝对零的操作温度期间，沿径向方向和轴向方向发生场线圈架结构的热收缩。场线圈架结构的径向收缩导致在场线圈与电枢绕组线圈之间的磁隙的增大。磁隙的该增大导致超导发电机的性能(以及因此效率)降级。取决于设计，这例如对于具有4 m或更大的半径的典型的场线圈架结构能够高达65 mm。
长期以来一直感到需要能够生成多兆瓦(MW)(例如10至35 MW)的电功率的超导发电机，该超导发电机将用于维持场线圈与电枢绕组线圈之间的最小磁隙的器件并入。所需要的发电机应当高度地可靠，并且具有合理的大小和重量，以允许经济的运送和安置。
发明内容
本公开的方面和优点在下文中在以下描述中阐明，或可以从描述明显可见，或可以通过实践本公开而领会。
根据一个实施例，公开了一种电机。该电机包括环形电枢组件和非旋转环形场绕组组件，非旋转环形场绕组组件与电枢组件同轴并且通过间隙与电枢组件分离。非旋转环形场绕组组件包括场线圈支承结构和多个超导线圈。场线圈支承结构包括形成于其中并且围绕场线圈支承结构延伸的凹陷部的环形阵列。多个超导线圈中的每个设置于凹陷部的环形阵列中的凹陷部中。
根据另一实施例，公开了一种发电机。该发电机包括环形电枢组件和非旋转环形场绕组组件，非旋转环形场绕组组件与电枢组件同轴并且通过间隙与电枢组件分离。非旋转环形场绕组组件包括场线圈支承结构和多个超导线圈。场线圈支承结构由具有可忽略的热膨胀系数的非收缩材料形成。多个超导线圈中的每个相对于场线圈支承结构设置。
根据又一实施例，公开了一种用于生成电功率的方法。该方法包括：在发电机中的非旋转环形场绕组组件中生成磁场；使发电机的电枢组件旋转；通过电枢环绕非旋转环形场绕组组件的旋转来在电枢组件中生成电流；以及使用冷却液体来使多个超导线圈冷却至超导条件，在该冷却液体使多个超导线圈冷却时该冷却液体至少部分地蒸发。场绕组组件包括场线圈支承结构和多个超导线圈。场线圈支承结构包括形成于其中并且围绕场线圈支承结构延伸的凹陷部的环形阵列。多个超导线圈中的每个设置于凹陷部的环形阵列中的凹陷部中。电枢组件与非旋转环形场绕组组件同轴，并且电磁地耦合到非旋转环形场绕组组件，其中，非旋转环形场绕组组件通过间隙与电枢组件分离。场线圈支承结构由具有低的热膨胀系数的材料组成，以在使多个超导线圈冷却至超导条件期间，维持非旋转环形场绕组组件与电枢组件之间的间隙的尺寸。
参考以下说明书和所附权利要求，本公开的这些和其它特征、方面和优点将变得更好理解。并入本说明书中并构成其部分的附图图示本公开的实施例，并与说明书一起用来解释本公开的原理。
附图说明
本公开的完整且能够实现的公开(包括其对于本领域技术人员的最佳模式)在本说明书的剩余部分中更特别地阐明，包括对附图的参考，在附图中：
图1是根据本公开的一个或多个实施例的图示电枢组件与非旋转或静止场绕组分开的超导发电机的示意图；
图2是根据本公开的一个或多个实施例的图示围绕场绕组设置并且包括模块化场线圈的电枢的超导发电机的示意图；
图3是根据本文中所提出的一个或多个实施例的以横截面示出具有环形旋转电枢并且被电枢包绕的非旋转超导场绕组的超导发电机的示意图；
图4是根据本文中所提出的一个或多个实施例的包括超导场绕组的多个模块化场线圈的线圈架结构的透视图；以及
图5是根据本文中所提出的一个或多个实施例的穿过图3的线5-5截取的横截面视图。
对应的参考字符贯穿在全部附图的若干视图中指示对应部分。
具体实施方式
将在下文中描述本公开的一个或多个具体实施例。为了提供这些实施例的简明描述，可能未在说明书中描述实际实施方式的所有特征。应当意识到，在任何这样的实际实施方式的开发中，如在任何工程或设计项目中那样，必须作出大量特定于实施方式的决策，以实现开发者的可能因实施方式而异的具体目标，诸如遵守与系统相关的约束条件和与商业相关的约束条件。此外，应当意识到，这样的开发努力可能复杂并且耗时，但对于得益于本公开的普通技术人员而言，这样的开发努力将不过是设计、制备以及制造的常规任务。
当介绍本发明的各种实施例的元件时，冠词“一”、“一个”、“该”以及“所述”旨在意味着存在元件中的一个或多个。用语“包含”、“包括”以及“具有”旨在为包括性的，并且意味着可能存在除了所列出的元件之外的额外的元件。
已开发包括围绕场线圈绕组设置的电枢绕组的超导交流(AC)发电机。
图1和图2是处于拆卸(图1)构造和组装(图2)构造的根据本公开的一个实施例的超导发电机100的示意图。超导发电机100可以代表在风力涡轮、马达或发电机中(例如在发电机由燃气涡轮驱动的应用中)使用的超导发电机的一个实施例。图1和图2中所描绘的超导发电机100是构造成具有场线圈内部(FCI)设计的径向场电机。参考标号110和112分别代表超导发电机100的径向方向和轴向方向。
如图1和图2中所描绘的，超导发电机100包括非旋转(在本文中也被称为静止)环形场绕组组件102和设置于壳体106中的环形旋转电枢组件104。特别地，图1描绘超导发电机100的分解图，以单独地示出非旋转场绕组组件102和环形旋转电枢组件104。
非旋转场绕组组件102设置成与环形旋转电枢组件104相邻。如本文中所使用的，在一个实施例中，关于非旋转场绕组组件102和环形旋转电枢组件104的定位，用语“设置成与……相邻”指的是将非旋转场绕组组件102和环形旋转电枢组件104相对定位以致于非旋转场绕组组件102被环形旋转电枢组件104包绕(如图2中所图示的那样)。
而且，非旋转场绕组组件102包括超导场绕组108。超导场绕组可以包括使用在足够低的温度下转变成超导状态的导电材料来制作的一个或多个模块化场线圈(未示出)。这样的材料包括铌锡合金、铌钛合金、二硼化镁合金、已表现出超导性质的大量陶瓷材料中的任何或它们的组合。通常，包括诸如但不限于铜、铝、阳极氧化铝、银、金或它们的组合的导电材料与超导合金组合使用，以便实现改进的机械性质。在某些实施例中，轻质的导电材料可以用于增大或至少维持超导发电机100的功率密度。在一些实施例中，超导发电机100还可以包括用于使超导场绕组冷却到冷冻温度的合适的布置(未示出)。在实施例中，旋转电枢组件104可以是超导的。
通过示例的方式，在一些实施例中，在超导发电机100被部署为风力涡轮中的超导发电机时，环形旋转电枢组件104可以联接到风力涡轮的转子。因此，环形旋转电枢组件104可能起因于由于风能而引起的转子的旋转而旋转。由于环形旋转电枢组件104的旋转，因而超导发电机100可以借助于在电枢绕组移动经过由超导场绕组108建立的磁场时在电枢绕组中感应的电压来生成电功率。
现在参考图3，以示意性横截面图示超导发电机100，该超导发电机具有被环形旋转电枢组件104包绕的非旋转超导场绕组组件102。旋转电枢组件104构造为环绕场绕组组件102的外部环形圈。电枢组件104常规地形成，并且可以包括传导绕组114(例如线圈或棒)，所述传导绕组沿着电枢组件104的长度纵向地布置，并且布置于电枢组件104的内部柱形表面上。通过示例的方式，电枢绕组114的纵向区段可以在长度上为29至30英寸，具有4至5英寸的厚度和135至136英寸之间的内径。线圈或棒可以在其相对端处通过传导端匝(endturn)116彼此连接。纵向线圈或棒之间的端匝连接件116取决于它们的数量和布置和将在电枢绕组114中生成的电力的相位。电枢绕组114的内部柱形表面通过窄空气间隙120(例如大约1-2英寸)与非旋转场绕组组件的外表面分离。
电枢组件104包括支承传导绕组114的柱形轭122。轭122的外表面固定到与电枢组件104一起旋转的柱形壳体106。壳体106的直径可以例如处于147至148英寸之间，并且具有58英寸的长度。该壳体配合到圆盘124，该圆盘支承壳体106和环形旋转电枢组件104。
旋转柱形支承管126定位于电枢绕组114的径向内部。成对的环形轴承128朝向非旋转基管130的相对端布置，从而使得电枢组件104能够围绕非旋转场绕组组件102旋转。
非旋转基管130支承场绕组支承盘132，非旋转场绕组组件102安装于该场绕组支承盘上。场绕组支承盘132可以具有切口(cut-out)或孔(未示出)，以减轻重量。场绕组支承盘132附接到低温恒温器(cryostat)壳体134的端部，低温恒温器壳体134包含超导场绕组108的超导线圈(目前描述)。低温恒温器壳体134及其冷却部件形成使超导场绕组108的超导线圈冷却的低温恒温器136。低温恒温器壳体134可以在横截面上是环形、矩形的，具有134英寸与135英寸之间的外径和49英寸的长度。低温恒温器壳体134和发电机的其它部件的尺寸是设计选择的问题，并且可能取决于发电机的设计而变化。
低温恒温器136使非旋转场绕组108的超导线圈绝缘，以致于超导线圈可以冷却至接近绝对零，例如，冷却至10开尔文(K)并且优选地冷却至4K。为了使超导线圈冷却，低温恒温器壳体134包括绝缘管道138，以接收液氦(He)或其它类似冷冻液体(被称为冷冻剂)。常规两级再冷凝器140使用重力进料来提供冷冻剂(例如液He)。冷冻剂在非旋转场绕组102的超导线圈周围流动，并且使线圈冷却，以达到超导条件。在He至少部分地蒸发时，线圈例如被冷却至4度K。He蒸汽通过管道138之一流动到再冷凝器140，在该再冷凝器处He被冷却、液化并且经由管道138返回到线圈。用于超导线圈的功率导体也穿过具有用于氦的绝缘管道138的低温恒温器壳体134。
第二再冷凝器142给用于超导绕组108的低温恒温器壳体134的内部热屏蔽件144提供第二冷却液体(例如液氮或液氖)。第二冷却液体使用于超导线圈的热屏蔽件144冷却到大约30度K至80度K。使热屏蔽件144冷却通过减少被氦吸收的热辐射热量而有助于使超导绕组108过冷。第二再冷凝器142从热屏蔽件144接收蒸发的液氮或液氖，使氮或氖液化，并且经由绝缘管道146给热屏蔽件144提供液氮或液氖。
施加转矩，以使环形旋转电枢组件104环绕非旋转场绕组组件102转动。由于电磁力(EMF)耦合，转矩通过环形旋转电枢组件104被施加到非旋转场绕组组件102。
现在参考图4和图5，在简化等距视图(图4)中图示非旋转场绕组组件102的一部分，并且更特别地，图示线圈架或支承结构150和穿过图3的线5-5截取的图3的超导体发电机的一部分的示意性横截面(图5)。图示包括用于多个超导线圈152的场线圈支承结构150的非旋转场组件102。在实施例中，多个超导线圈152大体上是跑道形状的。更具体地，每个超导线圈152由以跑道形状形成的成组导线组成。线圈152被灌封，以固持跑道形状。例如，每个跑道可以具有两个平行区段的纵向区段，其为29至30英寸长和10英寸宽。场线圈支承结构150形成支承部，以保持多个超导场线圈152。
在本文中特别关注的是，在超导场线圈152的降温期间并且继此之后场线圈支承结构150沿径向方向110(图2)的收缩。为了使场线圈支承结构150的这样的收缩最小化(若非消除)，本文中所公开的场线圈支承结构150由提供该结构在降温期间的最小(若非消除)收缩的轻质材料形成。在实施例中，场线圈支承结构150由因其相对地缺乏随着温度改变而膨胀或紧缩而已知的任何材料形成。在实施例中，场线圈支承结构150由镍钴铁合金(诸如科瓦合金或因瓦合金)以及更特别地具有保持于窄范围内以提供精确均匀热膨胀性质的化学组成的受控膨胀合金形成。这些镍钴铁合金材料因具有独特地低的热膨胀系数而已知。在另一实施例中，场线圈支承结构150由复合材料形成，诸如增强聚合物，其设计成使得它们在降温期间或继降温之后取决于复合纤维绕组角度而不收缩或仅最小程度地膨胀。
场线圈支承结构150包括中空凹陷部154的环形阵列，所述中空凹陷部各自构造成接收多个跑道状超导线圈152中的一个。每个超导线圈152被支承于环绕场线圈支承结构150延伸的环形阵列中的凹陷部154中，并且通过氦浴冷却至冷冻温度。例如，三十六(36)个线圈152可以形成充当用于发电机的定子场绕组的场绕组的环形阵列。超导线圈152可以各自由(NbTi)导线形成，所述导线环绕能够包括用于氦的冷却管道的跑道形式缠绕成螺旋线。
更特别地，多个跑道状超导线圈152中的每个通过搭扣配合设计(整体附接)来就位于相应的凹陷部154中，以使线圈152紧固于凹陷部154中。因此，多个跑道状超导线圈152中的每个相对于相应的凹陷部154定位，以形成互锁接头。超导线圈152倾向于朝向电枢线圈径向地磁性地移动。通过将超导线圈152搭扣配合到场线圈支承结构150中，超导线圈152被锁定并且固持于形成于场线圈支承结构150中的凹陷部154内。
更具体地参考图5，在实施例中，内部热屏蔽件158和外部热屏蔽件160围绕场线圈支承结构150设置。热屏蔽件158、160各自构造为管状的、柱形的结构。关注的是，在超导场线圈152的降温期间并且继此之后外部热屏蔽件160沿径向方向110(图2)的收缩。由于如本文中所公开的场线圈支承结构150缺乏收缩，因而外部热屏蔽件160沿径向方向110的收缩将导致外部热屏蔽件160触碰场线圈支承结构150，从而导致由于高热量负载而不能操作场线圈152。
为了使外部热屏蔽件160的这样的收缩最小化(若非消除)，外部热屏蔽件由多个径向地分节段的铝屏蔽件162组成。在实施例中，内部热屏蔽件158可以另外由多个径向地分节段的铝屏蔽件162组成，从而使真空封壳能够保持尽可能小且紧。通过将外部热屏蔽件160形成为径向分节段结构162，沿径向方向110的任何收缩(或直径收缩)将“被破坏”，并且外部热屏蔽件160的每个节段162将仅易受相对于每个节段162的厚度的收缩的影响。在实施例中，外部热屏蔽件160的每个热屏蔽件节段162是大约5至10 mm。对于该最小尺寸的屏蔽件厚度，降温之后的收缩将为千分之4.3，这意味着，对于5 mm壁厚，它将收缩0.0215 mm。
如在5中最佳地图示的，在实施例中，多个短且低导热性的支承支柱156设置成将外部热屏蔽件160的分节段热屏蔽件结构162相对于场线圈支承结构150支承并且稳定。多个支承支柱156中的每个充当承载相应的分节段热屏蔽件结构162的重量的热支承柱。取决于低温恒温器设计，支承支柱156中的每个可以设计成膨胀而非收缩。在实施例中，能够提供这样的支承的支承支柱一般被称为海姆柱。
在生成电功率的过程期间，在非旋转环形场绕组组件中生成磁场。电枢组件正围绕非旋转环形场绕组组件旋转，以在电枢组件中生成电流。非旋转环形场绕组组件的多个超导线圈使用冷却液体来冷却至超导条件，在该冷却液体使多个超导线圈冷却时该冷却液体至少部分地蒸发。非旋转环形场绕组组件的场线圈支承结构由具有低的热膨胀系数的材料组成，以在使多个超导线圈冷却至超导条件期间维持非旋转环形场绕组组件与电枢组件之间的磁隙的尺寸。
具有包括多个模块化半导体场线圈、场线圈支承结构以及外部电枢的超导场绕组组件的发电机和操作方法(如以上所描述的那样)将具有高转矩密度并且属于相对轻质。发电机可以达到10 MW或更大的功率输出并且是轻质的。在实施例中，超导发电机能够生成多兆瓦(MW)(例如10-35 MW)的电功率，诸如在风力应用中。在另一实施例中，超导发电机能够生成多MW(例如100 MW或更大)的电功率，诸如在超导船舶推进系统中。
超导场绕组组件使在超导磁体降温期间(和继此之后)的形成于半导体组件与电枢组件之间的磁隙的收缩最小化(若非消除)。通过将磁隙维持成使得该间隙不变宽，维持使超导场绕组磁场延伸到磁隙中的益处，并且获得更高的通量密度，从而引起成本益处。另外，作为额外的成本益处，可以在超导系统中节省一定百分比的超导导线成本。如果不维持磁隙并且增大间隙大小，则超导发电机的性能和效率可能严重地降级。
虽然本发明已与目前被认为是最实用并且优选的实施例的内容结合而描述，但将理解的是，本发明将不限于所公开的实施例，而是相反地旨在涵盖包括在所附权利要求的精神和范围内的各种修改和等同布置。
Claims (20)
1. 一种电机，包括：
环形电枢组件；和
非旋转环形场绕组组件，其与所述电枢组件同轴并且通过间隙与所述电枢组件分离，其中，所述场绕组组件包括：
场线圈支承结构，其具有形成于其中并且围绕所述场线圈支承结构延伸的凹陷部的环形阵列；以及
多个超导线圈，所述多个超导线圈中的每个设置于所述凹陷部的环形阵列的凹陷部中。
2.根据权利要求1所述的电机，其中，所述电枢组件围绕所述非旋转环形场绕组组件形成，以限定场线圈内部(FCI)构造。
3.根据权利要求1所述的电机，其中，所述多个超导线圈中的每个是跑道状超导线圈。
4.根据权利要求1所述的电机，其中，所述多个超导线圈中的每个形成所述凹陷部的环形阵列中的相应一个凹陷部内的搭扣配合接头。
5.根据权利要求1所述的电机，其中，所述场线圈支承结构由具有低热膨胀系数的材料形成。
6.根据权利要求5所述的电机，其中，所述场线圈支承结构由因瓦合金形成。
7.根据权利要求5所述的电机，其中，所述场线圈支承结构由科瓦合金形成。
8.根据权利要求1所述的电机，进一步包括围绕所述多个超导线圈设置的至少一个分节段热屏蔽件和设置成相对于所述多个超导线圈支承所述至少一个分节段热屏蔽件的一个或多个支承支柱。
9. 一种发电机，包括：
环形电枢组件；和
非旋转环形场绕组组件，其与所述电枢组件同轴并且通过间隙与所述电枢组件分离，其中，所述场绕组组件包括：
场线圈支承结构，其由具有可忽略的热膨胀系数的非收缩材料形成；以及
多个超导线圈，所述多个超导线圈中的每个相对于所述场线圈支承结构设置。
10.根据权利要求9所述的发电机，其中，所述电枢组件围绕所述非旋转环形场绕组组件形成，以限定场线圈内部(FCI)构造。
11.根据权利要求9所述的发电机，其中，所述多个超导线圈中的每个是跑道状超导线圈。
12.根据权利要求9所述的发电机，其中，所述多个超导线圈中的每个联接到所述场线圈支承结构。
13.根据权利要求9所述的发电机，其中，所述场线圈支承结构包括形成于其中并且围绕所述场线圈支承结构延伸的凹陷部的环形阵列。
14.根据权利要求13所述的发电机，其中，所述多个超导线圈中的每个设置于所述凹陷部的环形阵列的凹陷部中。
15.根据权利要求14所述的发电机，其中，所述多个超导线圈中的每个形成所述凹陷部的环形阵列中的相应一个凹陷部内的搭扣配合接头。
16.根据权利要求14所述的发电机，进一步包括围绕所述多个超导线圈设置的至少一个分节段热屏蔽件和设置成相对于所述多个超导线圈支承所述至少一个分节段热屏蔽件中的每个的一个或多个支承支柱。
17.根据权利要求9所述的发电机，其中，所述场线圈支承结构由因瓦合金形成。
18.根据权利要求9所述的发电机，其中，所述场线圈支承结构由科瓦合金形成。
19. 根据权利要求9所述的发电机，其中，所述发电机达到10 MW或更高的功率输出。
20.一种用于生成电功率的方法，包括：
在发电机中的非旋转环形场绕组组件中生成磁场，其中，所述非旋转环形场绕组组件包括：
场线圈支承结构，其具有形成于其中并且围绕所述场线圈支承结构延伸的凹陷部的环形阵列；以及
多个超导线圈，所述多个超导线圈中的每个设置于所述凹陷部的环形阵列的凹陷部中；
使所述发电机的电枢组件旋转，其中，所述电枢组件与所述非旋转环形场绕组组件同轴，并且电磁地耦合到所述非旋转环形场绕组组件，其中，所述非旋转环形场绕组组件通过间隙与所述电枢组件分离；
通过使所述电枢组件环绕所述非旋转环形场绕组组件旋转而在所述电枢组件中生成电流；以及
使用冷却液体来使所述多个超导线圈冷却至超导条件，在所述冷却液体使所述多个超导线圈冷却时所述冷却液体至少部分地蒸发，
其中，所述场线圈支承结构由具有低热膨胀系数的材料组成，以在使所述多个超导线圈冷却至所述超导条件期间维持所述非旋转环形场绕组组件与所述电枢组件之间的间隙的尺寸。
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| PCT/US2019/034022 WO2020242445A1 (en) | 2019-05-24 | 2019-05-24 | Field coil support structure and modular field coil design in a superconducting machine |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN113841321A true CN113841321A (zh) | 2021-12-24 |
Family
ID=66999903
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201980096768.4A Pending CN113841321A (zh) | 2019-05-24 | 2019-05-24 | 超导机器中的场线圈支承结构和模块化场线圈设计 |
Country Status (5)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US20220302815A1 (zh) |
| EP (1) | EP3977599A1 (zh) |
| JP (1) | JP7437579B2 (zh) |
| CN (1) | CN113841321A (zh) |
| WO (1) | WO2020242445A1 (zh) |
Family Cites Families (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4319149A (en) * | 1980-04-24 | 1982-03-09 | Electric Power Research Institute, Inc. | Superconducting generator with improved thermal transient response |
| JPS61196762A (ja) * | 1985-02-25 | 1986-08-30 | Fuji Electric Co Ltd | 超電導回転機の回転子 |
| US7821164B2 (en) * | 2007-02-15 | 2010-10-26 | General Electric Company | Method and apparatus for a superconducting generator driven by wind turbine |
| DE102009016745A1 (de) * | 2008-12-08 | 2010-06-10 | Thyssenkrupp Transrapid Gmbh | Statorpaket für eine Magnetschwebebahn |
| KR101294821B1 (ko) * | 2011-12-29 | 2013-08-08 | (주)유로코리아 | 방열효과가 향상된 코어리스 고정자 구비 에이에프피엠 발전기 |
| US20150207365A1 (en) * | 2013-12-05 | 2015-07-23 | General Electric Company | Superconducting power generation system and associated method for generating power |
| EP3518386B1 (en) * | 2018-01-12 | 2022-04-20 | Carrier Corporation | Universal electromagnetic machine |
| JP7003674B2 (ja) * | 2018-01-15 | 2022-01-20 | トヨタ自動車株式会社 | 回転電機のステータおよびステータコイルの製造方法 |
-
2019
- 2019-05-24 CN CN201980096768.4A patent/CN113841321A/zh active Pending
- 2019-05-24 JP JP2021568867A patent/JP7437579B2/ja active Active
- 2019-05-24 EP EP19732497.3A patent/EP3977599A1/en active Pending
- 2019-05-24 WO PCT/US2019/034022 patent/WO2020242445A1/en unknown
- 2019-05-24 US US17/612,334 patent/US20220302815A1/en active Pending
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| WO2020242445A1 (en) | 2020-12-03 |
| KR20220011707A (ko) | 2022-01-28 |
| US20220302815A1 (en) | 2022-09-22 |
| JP7437579B2 (ja) | 2024-02-26 |
| EP3977599A1 (en) | 2022-04-06 |
| JP2022539294A (ja) | 2022-09-08 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US7554240B2 (en) | Tubular electrical machines | |
| US6066906A (en) | Rotating machine having superconducting windings | |
| US7492073B2 (en) | Superconducting rotating machines with stationary field coils | |
| JP2004266988A (ja) | 超伝導界磁コイル巻線を有する多極ロータのための極低温構造エンクロージャ | |
| US10910920B2 (en) | Magnetic shield for a superconducting generator | |
| WO2004102769A2 (en) | Homopolar machine with shaft axial thrust compensation for reduced thrust bearing wear and noise | |
| EP2611007A2 (en) | A superconductive synchronous motor generator | |
| US4176292A (en) | Auxiliary field winding for a superconductive alternating current electrical machine and method of exciting same | |
| US6628033B1 (en) | Reduction of induced magnetic forces on current collectors in homopolar machines having high magnetic fields | |
| US11303194B1 (en) | Wound field synchronous machine | |
| EP2309627A2 (en) | Methods and apparatus for assembling homopolar inductor alternators including superconducting windings | |
| 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 | |
| KR102677348B1 (ko) | 초전도 기계의 계자 코일 지지 구조체 및 모듈식 계자 코일 설계 | |
| JP7437579B2 (ja) | 超電導機械における界磁コイル支持構造およびモジュール式界磁コイル設計 | |
| KR102622718B1 (ko) | 풍력 터빈에 의해 구동되는 초전도 발전기 | |
| KR101497825B1 (ko) | 초전도 발전 시스템 | |
| US20210408888A1 (en) | Rotor with superconducting winding for continuous current mode operation | |
| Rodenbush et al. | Performance of high temperature superconducting coils for implementation into megawatt class generators | |
| US20210203203A1 (en) | Rotor and machine with a cylindrical carrying body | |
| Colle et al. | Construction of a Flux Modulation Superconducting Machine for Aircraft | |
| Colle et al. | Construction and Test of a Flux Modulation Superconducting Machine for Aircraft | |
| CN112106283A (zh) | 具有绕组载体和嵌入在所述绕组载体中的线圈元件的转子 |
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 | ||
| TA01 | Transfer of patent application right |
Effective date of registration: 20240104 Address after: Barcelona, Spain Applicant after: Ge renewable energy Spain Ltd. Address before: New York State, USA Applicant before: General Electric Co. |
|
| TA01 | Transfer of patent application right |