CN1426625A - 用于电机的超导电枢绕组 - Google Patents
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Abstract
一种用于电机的电枢绕组(10)，其由超导电缆(16)构成。为了使超导电线与大的交变磁场屏蔽，并且使在导电体部件上的机械作用力和扭矩达到最低，把超导电枢绕组设置在有狭缝的定子芯(22)中。超导电缆包括纵横比接近1的多丝超导电线窄带，或者替代地包括超导电线的连续电缆。设在狭缝的开口中的磁楔形体(26)使嵌入狭缝的超导绕组与交变场分量屏蔽。
Description
技术领域
本发明涉及涡轮机械，更具体地说，涉及用于采用超导材料的电机(或电子机器)的定子电枢绕组。
背景技术
在传统的发电机中，相当大部分的损失被归结于在两个主要的发电机绕组即在转子上的电场绕组和在定子上的电枢绕组中的I2R损失。超导(SC)技术，特别是高温超导(HTSC)技术的发展提供了一种导电介质，当成功地实施时，这种介质可以明显地减少，如果不是完全消除的话，在主要的发电机绕组中有关的I2R损失。
把超导技术成功地引入发电机中的关键在于：解决超导体的冷却问题，提供适当的机械支承，以及使超导的电线与交变的磁场屏蔽，从而将寄生的涡旋电流减到最小。在临界电流密度(Jc)以下超导材料保持其超导能力，如果把超导体放在强磁场中，此临界电流密度会显著降低。因为电流密度(Jc)随着磁通量密度的增加而降低，所以使超导体有效地与磁场屏蔽变得很重要。
在传统的发电机中，电枢绕组位于定子的狭缝中，并且，钢齿把主要的磁通量由空气隙引导到定子轭架。在这样的构形中，电枢导体不暴露给主磁通量，而仅只暴露给低得多的狭缝泄漏通量。磁扭矩作用在定子齿上，定子齿把扭矩传递到芯和定子框架上。小的狭缝泄漏磁场在电枢绕组的导体中产生涡旋电流损失，并产生作用在嵌入狭缝的导体上的作用力，用现有的狭缝支承方法可以处理这些作用力。
至今已经提出并实施了用于超导同步发电机的几种概念，在美国专利No.5548168中公开了一个这样的例子，该专利的内容结合在这里作为参考。
在稳定状态运行的过程中，同步发电机的转子电场绕组携带直流电流，并且只暴露给相当低的泄漏磁场。因此，电场绕组在传统上对于把超导技术用于发电机来说已经成为第一焦点。由超导体组成电场绕组消除了激发I2R损失，并对于空气隙磁场提供了一个源，在至今提出的超导发电机的所有概念中，空气隙磁场都比在传统的发电机中明显地高。在低温超导(LTSC)情况下用液氦，在高温超导(HTSC)情况下用液氮冷却绕组。用围绕转子的一个导电的屏蔽装置把在负载不平衡或过渡的过程中比如在卸掉负载的过程中随时间改变的电场与超导转子绕组屏蔽起来。
至今在文献和专利中提出的用于超导发电机的大多数现有概念都是以无齿的定子芯为基础，该芯由一个钢轭架或通量屏蔽件与一个“空气隙”电枢绕组构成(参见例如“Panel Discussion on the Impact ofSuperconducting Technologies on Future Power Systems andEquipment-Superconducting Generators”by D.Lambrecht，StudyCommittee 11，CIGRE，1990 Session)。用这种构形，电枢绕组位于主磁通量路径中(in the main magnetic flux path)，并暴露给数量高达2 Tesla或更高的空气隙通量密度的全部磁场。超导电场绕组的高安培匝数能力将大的磁空气隙磁化。此外，进而把空气隙通量密度的大小提高到在传统的发电机中使用的通量密度以上，以获得较高的功率密度，并减小发电机的整体尺寸。
典型地，空气隙电枢绕组是由铜导电体组成，一个非磁性的结构支承着这些导电体。这样的概念有多个固有的问题。电枢绕组暴露给全部空气隙通量密度，在铜导电体中造成大的交流损失。因为电枢位于主空气隙场中，所以全部的标称磁扭矩直接作用在电枢绕组上，并且，径向的作用力也明显地比在传统发电机中的作用力大。这需要把电枢绕组的非磁性支承结构设计成用于标称扭矩和较大的径向作用力。在提到的美国专利中的低功率密度概念已经寻求解决这些与当采用传统的铜电枢绕组时的高功率密度超导发电机有关的问题。超导体还不能在强磁场中携带交流电流而不产生大大的交流损失的事实使得进一步用超导电线在空气隙电枢绕组中替代传统的铜导电体变得很复杂，导致超导性能的损失。因此，由一个空气隙电枢绕组的范例看来，至今在电枢绕组中使用超导体仅只取得了有限的成功。
最近这些年中，各个电缆制造商已经在交流动力电缆样机实施了超导电线(SC wires)。在这些电缆中，电线与地之间的绝缘或者是室温下的绝缘(温暖的绝缘体)，或者是低温下的绝缘(冷绝缘体)，导电体由高温超导电线(HTSC wire)组成。在这些交流动力电缆中的导电体仅只暴露给小的自身磁场，该磁场对于今天的超导材料来说足够地小。
对于电缆缠绕的发电机也已经有几种方案，其中，定子绕组由传统的铜导电体的低压或高压电缆组成。
因此希望提供一种超导电枢绕组，其可以与在传统的发电机中非常类似地把它放置到定子的狭缝中。定子齿用来使超导绕组与交变的磁场屏蔽，使得交流损失，作用在超导电线上的扭矩和作用力都达到最小。由连续的超导电线的电缆或者替代地由纵横比接近1的多丝线制作绕组也可能是有利的。采用磁楔形体进一步使超导体与交流磁场屏蔽可能有进一步的益处。
发明内容
在本发明的一个示例性的实施例中，超导同步发电机包括一个转子和一个定子。定子包括多个定子狭缝和分别设在这些定子狭缝中的电枢绕组。电枢绕组由超导电缆构成。超导电缆可以包括多丝的超导电线窄带，其纵横比大于1，或者替代地其纵横比大约为1。在一个替代的装置中，超导电缆为超导电线的连续电缆。
超导电缆可以包括基本上同心的多层结构，这种结构包括低温冷却剂通道，超导材料和绝缘体。绝缘体可以是设在电绝缘体之上的热绝缘体，或者相反是设在热绝缘体之上的电绝缘体。定子还可以包括形成定子狭缝的定子齿，在此，这些定子齿使超导电缆与在电机运行过程中产生的磁场的大部分屏蔽。
超导电缆的电枢绕组可以是环形绕组，并且，定子还可以包括狭缝磁楔形体，它们分别设在狭缝的开口中。
在本发明的另一个示例性的实施例中，用于电机的电枢绕组由超导电缆构成。
附图说明
图1为带有冷绝缘体的嵌入狭缝的超导电枢绕组的示意图；
图2为带有温暖绝缘体的嵌入狭缝的超导电枢绕组的示意图；
图3示出了用于两极发电机的一个示例的环形的嵌入狭缝的超导电枢绕组；
图4示出了由大纵横比的超导窄带制成的嵌入狭缝的超导电缆；
图5示出了由纵横比接近1的超导窄带制成的嵌入狭缝的超导电缆；以及
图6示出了设在定子狭缝的开口中的一个磁狭缝楔形体。
具体实施方式
参见图1和2，所示出的超导电枢绕组10设在一个传统的定子狭缝12中。把超导电枢绕组10做成基本同圆心的分层结构，该结构包括用来接受冷却剂的低温冷却剂通道14，超导体16和绝缘体18、20。超导定子绕组的导电体16放置在定子狭缝12中，与传统发电机的绕组设置类似。主磁通量被引导通过带齿的定子芯22，定子芯使超导电线与高的交流通量密度屏蔽。因为引导主磁场通过层叠的芯结构，所以磁作用力、扭矩和附加的交流损失限制到只有与狭缝的泄漏场所产生的数值，而不是由于主磁场所造成的数值。因此，作用在超导电线上的作用力和扭矩与在传统的机器中的作用力和扭矩可以比较，并且可以用传统的结构支承该超导导体。用这样的结构，超导电线暴露给被限制为狭缝泄漏场的交变场。还有，因为此交变场很弱，所以只需要适度地降低超导电线的临界电流密度。再有，由狭缝泄漏场在超导电线中引起的交流损失为最低，并且，不是由电枢绕组而是由磁齿将全部标称的扭矩传递到磁轭架，为的是更可靠。
在狭缝中可以用多种不同的构形设置超导体，或者用一种冷绝缘体(在电绝缘体18周围的热绝缘体20，如在图1中所示出的那样)，或者用一种温暖的绝缘体(在热绝缘体20周围的电绝缘体18，如在图2中所示出的那样)，导电体可以有长方形、圆形或者其它形状的构形。
最好，按照任何已知的技术布置在一圈或线圈中的超导电线，这样将降低或消除在电线中的循环电流。一种这样的技术采用“Roebel”布置，对于这种技术Ringland(Allis Chalmers)和Willyoung(General Electric)的长期有效的专利是典型的。在对于超导电缆的特殊应用中，最好以螺旋形方式缠绕电线，以实现循环电流的抵消。
可以以任何典型的连接方案连接嵌入狭缝的超导导电体，比如单独的棒，或者连接成一个环形绕组的单圈或多圈线圈，或者单层或多层绕组，它们由以波浪形绕组或叠置绕组图案连接起来的相等的或同心的线圈构成。嵌入狭缝的超导导电体的概念也用于凸出电极的定子绕组以及螺旋形的电枢绕组。
参见图3，环形绕组23包括围绕定子芯22的轭架24伸展的许多圈。在传统发电机中的环形绕组的缺点在于：对于每个感应电压它们需要大约两倍的线圈长度，造成线圈的两倍的I2R损失。使用如图3所示的超导电线消除了这个两倍I2R损失的缺点，并且，优点是以几个狭缝/电极/相设置的环形绕组很紧凑。这样绕组的狭缝内容物可以实现图1和2的概念。
可以以多种构形实现用于超导体的低温冷却路径14。在一种构形中，电枢绕组的每个线路形成一个连续的低温环路。在这种情况下，每个低温线路包括相同的导电体，作为每个电路。在另一种构形中，低温线路和电路可以包括不同的连接方案。低温线路可以由或者单独的线圈或棒或者线圈组或棒组的平行连接构成。
超导电枢绕组由连续的超导电缆组成。电缆由被连续地伸出的绝缘系统围绕的多层超导电线组成。在这种方案中，超导电线在每个相的两个终端之间或在它们的部段之间连续地伸展。与由单个的棒或线圈组成的绕组相比，这种方案使所需要的超导电线的拼接降到最低。在超导电缆绕组的不同实施例中，冷却剂可以或者作为连续电缆的一个整体的部件循环，或者围绕伸出的电缆作为电缆的狭缝内容物的一部分循环。在后者的情况下，可以将一个或几个电缆没入在一个狭缝内的相同的冷却线路中。
超导电缆绕组的概念适用于所有的绕组构形和连接方案，其包括单层和多层绕组、波浪形绕组和叠置绕组、环形绕组、凸出电极绕组以及螺旋形绕组。
有高纵横比的多丝超导线窄带构成这里的超导电缆样品，即窄带的宽度为窄带厚度的几倍。导电部段16最好由这样的超导窄带缠绕，如在图4中所示出的那样，在这种情况下，单个的窄带在电缆的轴向方向上缠绕。箭头A表示电缆在空气中所形成的自身磁场，而箭头B表示嵌入狭缝的电缆的自身磁场。在这种构形中，泄漏磁场A在与电缆垂直的方向上伸展，且只在它的厚度上与超导窄带相交。因此，寄生涡旋电流被降到最低。
在嵌入狭缝的电枢绕组中，泄漏磁场B与电缆的轴线垂直。如果使用图4的传统电缆，泄漏磁场可能在一大段超导区域与超导电线窄带的宽度垂直。这可能造成过大的涡旋电流损失，该漩涡电流损失是与垂直于磁场的窄带尺寸的平方成正比的。为了使在嵌入狭缝的电缆中的这种涡旋电流减到最小，提出了一种新的电线窄带构形，其中多丝的超导电线的截面的纵横比接近1，比如正方形的或圆形截面的线束，如在图5所示出的那样。
当把超导技术扩展到交流应用时，重要的是使超导电线不要暴露给交变磁场。在传统的机器中，采用磁狭缝楔形体降低定子狭缝的磁导率。在本发明的超导发电机结构中，参见图6，把磁狭缝楔形体26设在狭缝12的开口中。此楔形体26还用于使嵌入定子狭缝中的超导电线与由于转子MMF的空气隙场谐波分量和磁导谐波分量屏蔽的附加目的。非各向同性的楔形体可以用来降低穿过该楔形体的狭缝泄漏场，这通过把非各向同性的楔形体对磁场有利的方向与狭缝的径向方向对准来实现。在图6中示出了磁通量线。
用本发明的结构，可以把超导定子电枢绕组组装进传统的定子狭缝中。定子的齿用来使超导绕组与交变的磁场屏蔽，使得交流损失、作用在超导电线上的作用力和扭矩降到最低。该绕组由超导电线的连续电缆制造，或者另外地由纵横比接近1的多丝电线制作。磁楔形体进一步使超导导电体与交变磁场屏蔽。
尽管已经与当前认为是最实际和优选的实施例联系起来描述了本发明，但是应该理解到，本发明并不限于所描述的实施例，而是相反，希望本发明包括在所附的权利要求书的精神和范围以内涵盖各种改型和等价设置。例如，本发明可以用于各种类型的电机，不只是同步型电机，这包括但不限于直流马达和发电机，以及感应电动机，等等。
Claims (19)
1.一种超导电机，其包括一个转子和一个定子，定子包括多个定子狭缝(12)和分别设在这些定子狭缝中的电枢绕组(10)，其中，电枢绕组由超导电缆(16)构成。
2.按照权利要求1所述的超导电机，其特征在于，超导电缆(16)为多丝的超导电线窄带。
3.按照权利要求2所述的超导电机，其特征在于，多丝的超导窄带的纵横比大约为1。
4.按照权利要求1所述的超导电机，其特征在于，超导电缆(16)为超导电线的连续电缆。
5.按照权利要求1所述的超导电机，其特征在于，超导电缆(16)包括基本上同心的成层结构，该结构包括低温冷却剂通道(14)、超导材料(16)和绝缘体(18、20)。
6.按照权利要求5所述的超导电机，其特征在于，绝缘体包括设在电绝缘体(18)之上的热绝缘体(20)。
7.按照权利要求5所述的超导电机，其特征在于，绝缘体包括设在热绝缘体(20)之上的电绝缘体(18)。
8.按照权利要求1所述的超导电机，其特征在于，定子还包括形成定子狭缝(12)的定子齿(22)，这些定子齿使超导电缆(16)与在电机运行过程中产生的磁场的大部分屏蔽。
9.按照权利要求1所述的超导电机，其特征在于，超导电缆的电枢绕组是环形绕组(23)。
10.按照权利要求1所述的超导电机，其特征在于，定子还包括狭缝磁楔形体(26)，它们分别设在狭缝的开口中。
11.一种用于电机的电枢绕组(10)，该电枢绕组由超导电缆构成。
12.按照权利要求11所述的电枢绕组，其特征在于，超导电缆(16)为多丝的超导电线窄带。
13.按照权利要求12所述的电枢绕组，其特征在于，多丝的超导窄带的纵横比大约为1。
14.按照权利要求11所述的电枢绕组，其特征在于，超导电缆(16)包括超导电线的连续电缆。
15.按照权利要求14所述的电枢绕组，其特征在于，超导电缆(16)包括由连续地伸出的绝缘系统(18，20)包围的多层超导电线(16)。
16.按照权利要求11所述的电枢绕组，其特征在于，超导电缆(16)包括基本上同心的成层结构，该结构包括低温冷却剂通道(14)、超导材料(16)和绝缘体(18，20)。
17.按照权利要求16所述的电枢绕组，其特征在于，绝缘体包括设在电绝缘体(18)之上的热绝缘体(20)。
18.按照权利要求16所述的电枢绕组，其特征在于，绝缘体包括设在热绝缘体(20)之上的电绝缘体(18)。
19.一种构成用于电机的电枢绕组的方法，此方法包括用超导电缆构成电枢绕组。
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