CN114320755B - 一种直驱式超导风力发电机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种直驱式超导风力发电机，包括定子、转子磁极、转子磁轭、防辐射冷屏、磁极支撑组件、杜瓦、制冷机冷头和转子支架，转子磁极采用超导磁体和低温铁芯极身组合结构，超导磁体由多层跑道型超导线圈沿转子直径方向堆叠而成，低温铁芯由硅钢片或镍钢片沿转子轴向堆叠成跑道形状，低温铁芯外圈与超导磁体内圈紧密贴合，转子磁轭分为低温磁轭和常温磁轭两部分，防辐射冷屏为内筒体、外筒体拼接而成的环形腔体，磁极支撑组件连接在低温磁轭和常温磁轭之间，杜瓦由与常温磁轭拼焊的平面端板、过渡圆筒和外圆筒组成；本发明可大幅降低超导电机的体积重量，获得更高功率密度，进而降低大容量超导风力发电机组的制造和运输等成本。
Description
技术领域
本发明属于超导强电应用技术和风力发电技术领域，具体涉及一种直驱式超导风力发电机，应用于直驱式风力发电机组，特别适用于大型直驱式海上风力发电机组。
背景技术
目前国内外主流风力发电机组主要分为直驱式和非直驱式，后者需要通过齿轮箱进行变速，由于齿轮箱零部件随着长时间的高速旋转，极易磨损，同时给发电机增加了额外的机械负载和损耗，进而导致后期系统的维护成本大幅增加以及发电机寿命也随之降低，随着发电机组的容量增加齿轮箱的故障率大幅增加。因此，直驱式风力发电机组将成为大型风电领域（如海上风力发电）的发展趋势。
现有的直驱式风力发电机组一般采用永磁发电机，但随着单机容量的提升，使得发电机的体积重量增加，进而导致发电机的制造、运输、组装的难度和成本随之增加，同时也将增加机舱和塔筒等的制造、运输、组装的难度和成本。因此，风力发电机的轻量化和紧凑化已成为制约大容量直驱式风力发电机组发展的难题与瓶颈。永磁发电机采用的永磁体在长期振动和发热工作条件下存在磁退化等稳定性问题，同时永磁体的激磁能力难以进一步提升，从而制约了永磁发电机容量的上升空间。
随着超导材料和超导应用技术的快速发展，采用超导线圈作为励磁绕组的超导电机可以产生更高的励磁磁场，使得发电机具有体积小、重点轻和效率高等技术优势，可提高风力发电机的转矩密度和功率密度，减小整机系统的体积和重量，降低机组的运输和组装成本。因此，超导风力发电机时未来轻量化大容量直驱式发电机组的较优解决方案，极具应用前景。
发明内容
本发明的目的在于，针对大容量直驱式风力发电机的应用场景，提供一种直驱式超导风力发电机，利用超导材料具有高载流密度和零损耗等特点，充分发挥超导磁体的励磁能力，以解决现有永磁电机励磁能力受限的问题；同时可提高风力发电机的容量等级和功率密度，以解决现有大型永磁发电机组体积重量随着单机容量的增加而大幅增加等难题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种直驱式超导风力发电机，包括定子、转子磁极、转子磁轭、防辐射冷屏、磁极支撑组件、杜瓦、制冷机冷头和转子支架等部件；所述的定子为风冷或液体冷，包括铜线圈绕组和高为铜线圈绕组一半的半深齿槽，还包括沿轴向每间隔一定距离布置带有燕尾结构用于安装固定槽楔的全深齿；所述的转子磁极由超导磁体内圈与低温铁芯极身外圈紧密贴合组成，其中定子位于整个发电机外侧，由转子磁极、转子磁轭、防辐射冷屏、磁极支撑组件、杜瓦、制冷机冷头和转子支架组成的转子位于定子内侧，转子和定子为同心圆关系；转子磁极与转子磁轭通过螺栓连接，两者均位于防辐射冷屏内部；防辐射冷屏位于杜瓦内部，两者由磁极支撑组件进行连接定位；所述的定子采用铜线圈绕组结构，冷却方式为风冷或液体冷；所述的转子磁极由超导磁体内圈与低温铁芯极身外圈紧密贴合组成，两者工作温度处于4.2K～30K之间，所述的超导磁体由沿转子直径方向堆叠的多层跑道型（腰孔形）超导线圈构成，所述的低温铁芯极身由沿转子轴向堆叠成跑道型（腰孔形）的硅钢片或镍钢片构成；所述的转子磁轭由共轴线且径向间隙保留15mm～20mm的低温磁轭和常温磁轭两部分构成，所述的低温磁轭为厚度10mm～30mm的镍钢或者可导磁的低温用钢形成整体的圆筒结构，其轴向长度与超导磁体的直线段长度相当，所述的常温磁轭采用普通导磁钢材料，其轴向长度与低温磁轭轴向长度相当；所述的防辐射冷屏为1mm～3mm厚的铜板或纯铝板内筒体、外筒体和端板三个主要部件拼接而成的环形腔体，腔体内表面与转子磁极的外表面的间隙为5mm～10mm，腔体外表面与杜瓦内表面的间隙为13mm～20mm，工作温度处于50K～70K之间，冷屏外表面敷设多层镀铝涤纶薄膜材料，以减小冷屏到常温部件的热辐射；所述的磁极支撑组件采用若干数量的复合材料拉杆对低温磁轭和常温磁轭进行斜拉支撑，拉杆截面形状可采用圆形截面或矩形截面，一端固定在低温磁轭端部，另一端固定在常温磁轭端部，各杆件的斜拉方向和角度保持一致；所述的杜瓦由常温磁轭、平面端板、过渡圆筒和外圆筒拼焊而成，平面端板采用20mm～30mm厚钢板，外圆筒采用5mm～8mm厚钢板，过渡圆筒位于常温磁轭与平面端板之间，采用L形截面；所述的制冷机冷头采用可插拔结构的双极冷头，固定于杜瓦端部，与超导磁体的电流引出线端同侧，沿转子支架圆周均布，采用传导直冷方式对低温部件进行冷却，其中一级冷头用于防辐射冷屏的冷却，二级冷头用于超导磁体的冷却；所述的转子支架由大圆盘、梯形板、S型板和轴系接口法兰组成，采用焊接方式固定在常温磁轭内壁中间部位，两者结合部位通过若干数量的梯形板进行支撑加固，梯形板于两侧圆周均布，以增加大圆盘对转子的支撑强度，同时大圆盘中部区域通过若干数量的S型板进行加固。
所述的一种直驱式超导风力发电机，其转子磁极通过螺栓固定在低温磁轭上表面，相邻的两个转子磁极之间采用铝合金的梯形楔块进行填充，所述梯形楔块端部通过螺栓与低温磁轭进行固定连接。
所述的一种直驱式超导风力发电机，其防辐射冷屏在端部通过不锈钢支架固定在复合材料拉杆中部区域。
所述的一种直驱式超导风力发电机，其内筒体与制冷机冷头对应的区域开设通孔，双极冷头上的导冷带穿过内筒体的通孔与低温磁轭相连，实现低温磁轭的冷却。
本发明通过采取以上技术方案，具有以下优势：
1，该方案的整体效果可大幅降低超导电机的体积重量，获得更高功率密度，进而降低大容量超导风力发电机组的制造和运输等成本；
2，采用半深齿槽结构的定子可大幅降低齿频及其谐波对超导磁极及其金属结构件产生的交流损耗，进而可降低制冷机的功耗，同时亦可提高超导磁体工作时的热稳定性；
3，通过采用低温铁芯+低温磁轭+常温磁轭组合式结构，可以最大程度缩小铁芯极身与超导磁体之间的间隙，减小漏磁，有助于提高超导磁极单位体积的激磁能力，进而减小价格昂贵的超导线的用量，降低电机总成本；
4，采用防辐射冷屏可以大幅降低超导磁极等低温部件的辐射漏热，同时将冷屏固定在复合材料拉杆上，可以降低超导磁极从复合材料拉杆产生的传导漏热；
5，磁极支撑组件在承受大扭矩的基础上，可降低低温部件的漏热，以降低制冷机功耗，进而提高电机效率；
6，转子支架结构在确保结构强度的基础上，可降低结构件的重量，一定程度上提高支架的支撑刚度。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为本发明的局部截面结构示意图；
图3为本发明的磁极支撑组件结构示意图；
图4为本发明的杜瓦结构示意图；
图5为本发明的转子支架结构示意图。
各附图标记为：1—定子，1.1—铜线圈绕组，1.2—半深齿槽，1.3—全深齿，2—转子磁极，2.1—超导磁体，2.2—低温铁芯极身，2.3—梯形楔块，3.1—低温磁轭，3.2—常温磁轭，4.1—内筒体，4.2—外筒体，5.1—拉杆，5.2—不锈钢支架，6.1—平面端板、6.2—过渡圆筒、6.3—外圆筒，7—制冷机冷头，8—转子支架，8.1—大圆盘，8.2—梯形板，8.3—S型板，8.4—轴系接口法兰。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明。
参照图1、图2所示，本发明公开的一种直驱式超导风力发电机，包括定子1、转子磁极2、转子磁轭、防辐射冷屏、磁极支撑组件、杜瓦、制冷机冷头7和转子支架8等部件。
所述的定子1采用铜线圈绕组1.1结构，冷却方式为风冷或液体冷，包括铜线圈绕组和高为铜线圈绕组一半的半深齿槽1.2，还包括沿轴向每间隔一定距离布置带有燕尾结构用于安装固定槽楔的全深齿1.3。
所述的转子磁极2采用超导磁体2.1和低温铁芯极身2.2组合结构，两者工作温度处于4.2K～30K之间，超导磁体2.1由多层跑道型（腰孔形）超导线圈沿转子直径方向堆叠而成，低温铁芯2.2由硅钢片或镍钢片沿转子轴向堆叠成跑道形状（腰孔形），低温铁芯极身2.2外圈与超导磁体2.1内圈紧密贴合。该方案可以最大程度缩小铁芯极身与超导磁体2.1之间的间隙，进而减小漏磁，有助于提高超导磁极单位体积的激磁能力。
所述的转子磁轭3分为低温磁轭3.1和常温磁轭3.2两部分，两者径向间隙保留15mm～20mm，低温磁轭3.1采用厚度为10mm～30mm的镍钢或者可导磁的低温用钢形成整体圆筒结构，既能起到导磁作用又可以起到支撑超导磁体2.1的作用，其轴向长度与超导磁体2.1的直线段长度相当；常温磁轭3.2采用普通导磁钢材料形成整体圆筒结构，与低温磁轭3.1共轴线，其轴向长度与低温磁轭3.1轴向长度相当。
所述的防辐射冷屏4由1mm～3mm厚的铜板或纯铝板拼接而成的环形腔体，包括内筒体4.1、外筒体4.2和端板三个主要部件，各部件之间的拼接处采用螺栓连接，腔体内表面与转子磁极2的外表面的间隙为5mm～10mm，腔体外表面与杜瓦6内表面的间隙为13mm～20mm，工作温度处于50K～70K之间。冷屏4外表面敷设多层镀铝涤纶薄膜材料，以减小冷屏到常温部件的热辐射。
参照图3所示，所述的磁极支撑组件5采用若干数量的复合材料拉杆5.1在低温磁轭3.1和常温磁轭3.2的端部进行斜拉支撑，拉杆5.1截面形状可采用圆形截面或矩形截面，一端固定在低温磁轭3.1端部，另一端固定在常温磁轭3.2端部，各拉杆5.1的斜拉方向和角度保持一致，既可承受扭矩，又可起到隔热作用，实现了低温部件（含低温磁轭3.1、超导磁体2.1和防辐射冷屏4）的支撑与隔热。
参照图4所示，所述的杜瓦6由常温磁轭3.2、平面端板6.1、过渡圆筒6.2和外圆筒6.3拼焊而成，平面端板6.1采用20mm～30mm厚钢板，外圆筒6.3采用5mm～8mm厚钢板，过渡圆筒6.2位于常温磁轭3.2与平面端板6.1之间，过渡圆筒6.2采用L形截面，以增加端部径向空间，有利于增加复合材料杆件5.1的长度，进而减小磁极支撑组件5的传导漏热。
所述的制冷机冷头7采用可插拔结构的双极冷头，固定于杜瓦6端部，与超导磁体2.1的电流引出线端同侧，沿圆周分布，采用传导直冷方式对低温部件进行冷却，其中一级冷头用于防辐射冷屏4的冷却，二级冷头用于超导磁体2.1的冷却。
制冷机冷头7放置于转子内部只需要解决常温冷却介质的旋转密封与传输，相比于制冷机外置于转子外部的独立集成杜瓦的方式，避免了低温冷却介质在传输过程中产生损耗和低温介质对传输部件的绝热要求，简化了冷却介质的旋转密封与传输耦合结构，降低了传输过程的损耗，大幅提高了冷却介质传输的效率和可靠性。
参照图5所示，所述转子支架8由大圆盘8.1、梯形板8.2和S型板8.3组成，采用焊接方式固定在常温磁轭3.2内壁中间部位，两者结合部位通过若干数量的梯形板8.2进行支撑加固，梯形板8.2于两侧圆周均布，以增加大圆盘8.1对转子的支撑强度。大圆盘8.1中心开孔处为轴系接口法兰8.4，大圆盘8.1中部区域通过若干数量的S型板8.3进行加固，可增强大圆盘8.1在承受扭矩作用下的刚度。
所述的转子磁极2通过螺栓固定在低温磁轭3.1上表面，相邻的两个磁极之间采用铝合金梯形楔块2.3进行填充，梯形楔块2.3端部通过螺栓与低温磁轭3.1进行固定连接。
所述的防辐射冷屏4在端部通过不锈钢支架5.2固定在复合材料支撑拉杆5.1中部区域。可以降低超导磁极从复合材料拉杆产生的传导漏热。
内筒体4.1与制冷机冷头7对应的区域开设通孔，二级冷头上的导冷带穿过内筒体4.1的通孔与低温磁轭3.1相连，实现低温磁轭3.1的冷却。
以上所述的仅为本发明的较佳实施例，并不说明本发明的局限性，对于类似于该结构的超导风力发电机都应视为本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种直驱式超导风力发电机，包括位于外侧采用铜线圈绕组（1.1）结构的定子（1）和与定子（1）同心的转子，其特征在于：所述的定子（1）为风冷或液体冷，所述的转子由转子磁极（2）、转子磁轭、防辐射冷屏、磁极支撑组件、杜瓦、制冷机冷头（7）和转子支架（8）组成，所述的防辐射冷屏通过磁极支撑组件连接在杜瓦内部，所述的转子磁极（2）和转子磁轭位于防辐射冷屏内部；
所述的转子磁极（2）由超导磁体（2.1）与低温铁芯极身（2.2）紧密贴合组成，所述的超导磁体（2.1）由沿转子直径方向堆叠的多层跑道型超导线圈构成，所述的低温铁芯极身（2.2）由沿转子轴向堆叠成跑道型的硅钢片或镍钢片构成；
所述的转子磁轭由共轴线的低温磁轭（3.1）和常温磁轭（3.2）构成，所述的低温磁轭（3.1）为导磁钢形成的圆筒结构，其轴向长度与超导磁体（2.1）的直线段长度相同，所述的常温磁轭（3.2）为导磁钢；
所述的防辐射冷屏为铜板或纯铝板的内筒体（4.1）、外筒体（4.2）拼接而成的环形腔体，腔体内表面与转子磁极（2）外表面之间存在间隙，腔体外表面敷设多层镀铝涤纶薄膜材料，腔体外表面与杜瓦内表面之间存在间隙；
所述的磁极支撑组件包括两端分别与低温磁轭（3.1）和常温磁轭（3.2）连接的若干拉杆（5.1），拉杆（5.1）截面为圆形或矩形；
所述的杜瓦由与常温磁轭（3.2）拼焊的平面端板（6.1）、过渡圆筒（6.2）和外圆筒（6.3）组成，L形截面的过渡圆筒（6.2）位于常温磁轭（3.2）与平面端板（6.1）之间；
所述的制冷机冷头（7）为固定于杜瓦端部的双极冷头，沿转子支架（8）圆周均布；
所述的转子支架（8）固定在常温磁轭（3.2）中间部位，由大圆盘（8.1）、设置在大圆盘（8.1）中心开口处的轴系接口法兰（8.4）和交替设置在大圆盘（8.1）表面的梯形板（8.2）及S型板（8.3）组成。
2.根据权利要求1所述的一种直驱式超导风力发电机，其特征在于，所述的转子磁极（2）通过螺栓固定在低温磁轭（3.1）上表面，相邻的两个转子磁极（2）之间采用铝合金的梯形楔块（2.3）进行填充，所述梯形楔块（2.3）端部通过螺栓与低温磁轭（3.1）进行固定连接。
3.根据权利要求1所述的一种直驱式超导风力发电机，其特征在于，所述的防辐射冷屏在端部通过不锈钢支架（5.2）固定在拉杆（5.1）中部区域。
4.根据权利要求1所述的一种直驱式超导风力发电机，其特征在于，所述的内筒体（4.1）与制冷机冷头（7）对应的区域开设通孔，双极冷头上的导冷带穿过通孔与低温磁轭（3.1）相连，实现低温磁轭（3.1）的冷却。
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