CN203352398U - 一种双气隙超导开关磁阻发电机 - Google Patents
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Abstract
本实用新型是有关于一种双气隙超导开关磁阻发电机,包括内外定子及双凸极转子;所述的内外定子分别包括定子铁芯、定子线圈支撑、超导定子线圈和低温容器,其中,超导定子线圈固定在定子线圈支撑上,超导定子线圈和线圈支撑安装在低温容器的封闭空间内,低温容器和定子线圈支撑通过绝热螺钉与定子铁芯固定连接。本实用新型定子结构简单,避免了超导定子铁芯在低温下不能导磁的现象,同时使发电机的体积和重量大大降低。
Description
技术领域
本实用新型涉及风力发电机领域,特别是涉及一种双气隙超导开关磁阻发电机。
背景技术
开关磁阻发电机为双凸极电机,定子、转子均为凸极齿槽结构,定子上设有集中绕组,转子上既无绕组也无永磁体。由此带来变频器及控制、驱动的简洁性。开关磁阻电机本身具有可控参数多、非线性、缺少明确的数学模型的特点,电机气隙磁场和相磁链随转子位置和绕组相电流而持续、周期性变化,没有传统电机的稳定磁路工作点,而是一个动态三维磁空间。
随着电机功率的增大,电机的体积将会越来越大。特别对于低速电机,例如开关磁阻风力发电机,当功率大于兆瓦或数兆瓦以上时,其体积将会变得相当庞大,以至于会对运输带来极大困难。
传统的铜导线绕组常用于开关磁阻电机的定子中,定子中的定子铁芯由硅钢片叠成或铁材料加工而成,而铜导线绕组的电阻产生的铜损耗,降低了电机的效率及功率因数。
定子超导线圈是由脆性超导材料制成的,而且必须冷却到临界温度或以下以实现和维持超导性。由硅钢片叠成或铁加工成的定子铁芯在低温下的脆性不能用于定子磁路中。
定子铁芯的气隙磁场大约为2特斯拉时饱和,若超导定子采用空气芯设计,在定子中,没有导磁的定子铁芯,可以达到3特斯拉或更高的气隙磁场。高气隙磁场提高了电机的能量密度,使电机的重量和尺寸显著地大大减小。空气芯超导体定子需要大量的超导线材,从而增加了所需的线圈匝数、线圈支撑的复杂程度、以及超导线圈和定子的生产成本。
由此可见,上述现有的一种开关磁阻发电机在结构与使用上,仍存在有不便与缺陷,亟待加以进一步改进。如何能创设一种既能避免空气芯耗材量大、线圈支撑复杂,又能使超导定子铁芯能正常工作的新的超导开关磁阻发电机,实属当前重要研发课题之一。
实用新型内容
本实用新型要解决的技术问题是提供一种双气隙超导开关磁阻发电机,使其定子铁芯临界温度下能够正常工作且线圈支撑能保护超导定子线圈,从而克服现有的超导定子铁芯临界温度下易开裂疲劳的不足。
为解决上述技术问题,本实用新型提供一种双气隙超导开关磁阻发电机,包括内外定子及双凸极转子;所述的外定子包括外定子铁芯、外定子线圈支撑、外定子超导定子线圈和外定子低温容器,其中,外定子超导定子线圈固定在外定子线圈支撑上,外定子超导定子线圈和外定子线圈支撑安装在外定子低温容器的封闭空间内,外定子低温容器和外定子线圈支撑通过外定子绝热螺钉与外定子铁芯固定连接;所述的内定子包括内定子铁芯、内定子线圈支撑、内定子超导定子线圈和内定子低温容器,其中,内定子超导定子线圈固定在内定子线圈支撑上,内定子超导定子线圈和内定子线圈支撑安装在内定子低温容器的封闭空间内,内定子低温容器和内定子线圈支撑通过内定子绝热螺钉与内定子铁芯固定连接。
作为本实用新型的一种改进,所述的内定子低温容器在连接内定子绝热螺钉的通孔处装有内定子密封垫,并在所述的内定子绝热螺钉上套有内定子绝热套管;所述的外定子低温容器在连接外定子绝热螺钉的通孔处装有外定子密封垫,并在所述的外定子绝热螺钉上套有外定子绝热套管。
所述的内定子绝热套管和外定子绝热套管分别设有与内定子密封垫和外定子绝热套管对应的下端止口。
所述的内定子低温容器分别由低温容器Ⅰ及低温容器Ⅱ两部分通过焊接或螺栓连接组成,分别安装在内定子线圈支撑的外侧和内侧;所述的外定子低温容器分别由低温容器Ⅲ及低温容器Ⅳ两部分通过焊接或螺栓连接组成,分别安装在外定子线圈支撑的外侧和内侧。。
所述的内外定子铁芯均包括定子槽和定子齿,所述的内外定子超导定子线圈为跑道形状,所述的内外定子线圈支撑为中空的跑道形并在外圈设有与内外定子超导定子线圈对应的凹槽,安装有内定子超导定子线圈的内定子线圈支撑以及内定子低温容器套在内定子铁芯的定子齿处,安装有外定子超导定子线圈的外定子线圈支撑以及外定子低温容器套在外定子铁芯的定子齿处。
所述的定子齿端处设有槽口,并通过该槽口在定子槽开口处装有定子槽楔,分别将内外定子超导定子线圈、内外定子线圈支撑以及内外定子低温容器固定在定子槽内。
所述的内定子铁芯的轭部以及内定子低温容器和内定子线圈支撑的下端面,在靠近定子齿两侧的对应位置分别开设有通孔、螺纹孔,所述的内定子绝热螺钉穿过内定子铁芯和内定子低温容器的通孔,与内定子线圈支撑的螺纹孔螺接紧固;所述的外定子铁芯的轭部以及外定子低温容器和外定子线圈支撑的上端面,在靠近定子齿两侧的对应位置分别开设有通孔、螺纹孔,所述的外定子绝热螺钉穿过外定子铁芯和外定子低温容器的通孔,与外定子线圈支撑的螺纹孔螺接紧固。
所述内定子线圈支撑及外定子线圈支撑由耐低温的非磁性材料制成。
所述的内定子低温容器及外定子低温容器由耐低温的非磁性材料制成。
所述转子的转子支撑由耐低温的非磁性材料制成,转子铁芯由常规硅钢片叠压而成或者由导磁圆钢加工而成。
采用这样的设计后,本实用新型至少具有以下优点:
1、与传统的电机相比,本实用新型的外转子开关磁阻电机具有明显的容错能力强、组合起动与发电容易、大容量、高效率及高功率密度运行等优点。
2、外转子开关磁阻电机采用超导定子线圈绕组后,电机的体积和重量大大降低;同时,电机的效率和功率因素大大提高;应用于低速调速领域,尤其是应用于低速直驱风力发电领域,既简化了风电整机机组结构,降低了运输成本,又提高了风电整机效率及整机可靠性。
3、本实用新型采用绝热套管及绝热螺钉将定子铁芯与超导定子线圈绝热隔离,避免了定子铁芯在低温下不能导磁的现象。
4、本实用新型设计的定子铁芯结构避免了空气芯耗材量大、线圈支撑复杂的缺点,简单易行,节约了成本。
附图说明
上述仅是本实用新型技术方案的概述,为了能够更清楚了解本实用新型的技术手段,以下结合附图与具体实施方式对本实用新型作进一步的详细说明。
图1是本实用新型一种双气隙超导开关磁阻发电机的定子与转子结构图。
图2是图1中A-A向剖视图。
图3是图1中Ⅰ处局部放大图。
图4是图1中Ⅱ处局部放大图。
图5是本实用新型的外定子铁芯结构图。
图6是本实用新型的外定子超导定子线圈结构图。
图7是本实用新型的外定子线圈支撑结构图。
图8是本实用新型的外定子低温容器Ⅰ结构图。
图9是本实用新型的外定子低温容器Ⅱ结构图。
图10是本实用新型的外定子绝热套管结构图。
图11是本实用新型的外定子密封垫结构图。
图12是本实用新型的外定子槽楔结构图。
图13是本实用新型的转子铁芯结构图。
图14是本实用新型的内定子铁芯结构图。
图15是本实用新型的内定子超导定子线圈结构图。
图16是本实用新型的内定子线圈支撑结构图。
图17是本实用新型的内定子低温容器Ⅰ结构图。
图18是本实用新型的内定子低温容器Ⅱ结构图。
图19是本实用新型的内定子绝热套管结构图。
图20是本实用新型的内定子密封垫结构图。
图21是本实用新型的内定子槽楔结构图。
具体实施方式
为了清楚表述本实用新型的结构,本文所述上、下、前、后、两侧,皆以图1为参照,即以远离发电机轴的方向为上,以靠近发电机轴的方向为下。
请参阅图1-4所示,本实用新型提供一种双气隙超导开关磁阻发电机,包括外定子、转子和内定子;所述的外定子包括外定子铁芯1、外定子线圈支撑2、外定子超导定子线圈3和外定子低温容器,其中,外定子超导定子线圈3固定在外定子线圈支撑2上,外定子超导定子线圈3和外定子线圈支撑2安装在外定子低温容器的封闭空间内,外定子低温容器和外定子线圈支撑2通过外定子绝热螺钉6与外定子铁芯1固定连接;所述的内定子包括内定子铁芯11、内定子线圈支撑12、内定子超导定子线圈13和内定子低温容器,其中,内定子超导定子线圈13固定在内定子线圈支撑12上,内定子超导定子线圈13和内定子线圈支撑12安装在内定子低温容器的封闭空间内,内定子低温容器和内定子线圈支撑12通过内定子绝热螺钉16与内定子定子铁芯11固定连接。
转子10设置于外定子与内定子之间,外定子与转子10形成第一气隙,转子10与内定子形成第二气隙。
请参阅图5所示,外定子铁芯1可由常规硅钢片叠压而成。外定子铁芯1具有定子槽101与定子齿102;外定子铁芯1的轭部开有凹槽104,在每个凹槽104的面上,沿着外定子铁芯1的轴向方向,开有一定数量的通孔105;定子齿102齿端,沿着外定子铁芯1的轴向方向,两侧开有槽口106。
请参阅图6所示,外定子超导定子线圈3由高温超导导线或低温超导导线绕制而成,外定子超导定子线圈3是一个沿纵向延伸的跑道形状。
请参阅图7所示,外定子线圈支撑2与外定子超导定子线圈3形状相似,为中空的跑道形状,外定子线圈支撑2沿外圈一周设有凹槽21,外定子超导定子线圈3缠绕固定在外定子线圈支撑2的凹槽21内。在外定子线圈支撑2的上端面靠近内环的两侧轴向方向设有螺纹孔22,可与外定子铁芯1上的通孔105配合,通过螺钉6将外定子线圈支撑2固定在外定子铁芯1上。
请参照图8、图9所示,外定子低温容器包括低温容器Ⅰ4与低温容器Ⅱ5,低温容器Ⅰ4安装在外定子线圈支撑2的外侧,上、下两面分别设有一定厚度和宽度的凸缘41;低温容器Ⅱ5安装在外定子线圈支撑2的内侧,上、下两面设有一定厚度和宽度的凸缘51,其上端轴向方向设置有一定数量并穿透上端面的通孔52,低温容器Ⅰ4与低温容器Ⅱ5配合安装,低温容器Ⅰ4的凸缘41与低温容器Ⅱ5的凸缘51通过焊接或螺栓紧固连接,使外定子线圈支撑2和外定子超导定子线圈3与外部隔绝。
参阅图10、图11所示,较优的,外定子螺钉6外套装有外定子绝热套管7,低温容器Ⅱ5上端面的通孔52内套有外定子密封垫8。外定子密封垫8为空心圆柱体结构,设有通孔82,并在外侧面设有与低温容器Ⅱ5上端面的通孔52对应的止口槽81。外定子绝热套管7为空心圆柱体结构,设有与螺钉外径相当的通孔72,并在绝热套管7的下端设置有与密封垫的通孔82对应的止口71。外定子密封垫8通过止口槽81安装在低温容器Ⅱ5上端面的通孔52处,绝热套管7套装于外定子绝热螺钉6上,外定子绝热螺钉6穿过外定子铁芯1的凹槽104上的通孔105、绝热套管的通孔72,与外定子线圈支撑2的上端面两侧轴向的螺纹孔22紧固配合,绝热套管的下端止口71穿过装有外定子密封垫8的低温容器Ⅱ5上端面通孔52,使低温容器Ⅰ、Ⅱ内部形成密闭环境。外定子绝热套管7与外定子绝热螺钉6由绝热材料制成,可使外定子铁芯1与外定子线圈支撑2及外定子超导定子线圈3绝热。
请参与图12所示,还可在外定子铁芯1的定子槽101开口处设置外定子槽楔9,与外定子铁芯1上设置的槽口106配合,将外定子线圈固定安装在定子槽101内。
参照图13所示,转子10铁芯为双凸极结构,由常规硅钢片叠压而成,或者由导磁圆钢加工而成。转子支撑由非磁性材料如铝、铬镍铁合金或钛合金或玻璃钢等耐低温的材料制成。
请参阅图14所示,内定子铁芯11可由常规硅钢片叠压而成。定子铁芯11具有定子槽111与定子齿112;内定子铁芯11的轭部开有的凹槽114,在每个凹槽114的面上,沿着内定子铁芯11的轴向方向,开有一定数量的通孔115;定子齿112面向气隙的下部,沿着内定子铁芯11的轴向方向,两侧开有槽口116。
请参阅图15所示,内定子超导定子线圈13由高温超导导线或低温超导导线绕制而成,内定子超导定子线圈13是一个沿纵向延伸的跑道形状。
请参阅图16所示,内定子线圈支撑12与内定子超导定子线圈13形状相似,为中空的跑道形状,内定子线圈支撑12沿内圈一周设有凹槽121,内定子超导定子线圈13缠绕固定在内定子线圈支撑12的凹槽121内。在内定子线圈支撑2的上端面靠近内环的两侧轴向方向设有螺纹孔122,可与内定子铁芯11上的通孔115配合,通过内定子绝热螺钉16将内定子线圈支撑12固定在内定子铁芯11上。
请参照图17、图18所示,内定子低温容器包括低温容器Ⅲ14与低温容器Ⅳ15,低温容器Ⅲ14安装在内定子线圈支撑2的外侧,上、下两面分别设有一定厚度和宽度的凸缘141;低温容器Ⅳ15安装在内定子线圈支撑2的内侧,上、下两面设有一定厚度和宽度的凸缘151,其上端轴向方向设置有一定数量并穿透上端面的通孔152,低温容器Ⅲ14与低温容器Ⅳ15配合安装,低温容器Ⅲ14的凸缘141与低温容器Ⅳ15的凸缘151通过焊接或紧固螺栓紧固连接,使内定子线圈支撑12和内定子超导定子线圈13与内部隔绝。
参阅图19、图20所示,较优的,内定子绝热螺钉16外套装有内定子绝热套管17,低温容器Ⅳ15上端面的通孔152内套有内定子密封垫18。内定子密封垫18为空心圆柱体结构,设有通孔182,并在外侧面设有与低温容器Ⅳ15上端面的通孔152对应的止口槽181。内定子绝热套管17为空心圆柱体结构,设有与螺钉外径相当的通孔172,并在内定子绝热套管17的下端设置有与密封垫的通孔182对应的止口171。内定子密封垫18通过止口槽181安装在低温容器Ⅳ15上端面的通孔152处,内定子绝热套管17套装于内定子绝热螺钉16上,内定子绝热螺钉16穿过内定子铁芯11的凹槽114上的通孔115、绝热套管的通孔172,与内定子线圈支撑12的上端面两侧轴向的螺纹孔122紧固配合,绝热套管的下端止口71穿过装有内定子密封垫18的低温容器Ⅳ15上端面通孔152,使低温容器Ⅲ、Ⅳ内部形成密闭环境。内定子绝热套管17与内定子绝热螺钉16由绝热材料制成,可使内定子铁芯11与内定子线圈支撑12及内定子超导定子线圈13绝热。
请参与图21所示,还可在外定子铁芯11的定子槽111开口处设置内定子槽楔19,与内定子铁芯11上设置的槽口116配合,将内定子线圈固定安装在定子槽111内。
内外定子线圈支撑由非磁性材料如铝、铬镍铁合金或钛合金或玻璃钢等耐低温的材料制成。
外定子低温容器和内定子低温容器用非磁性材料如铝、铬镍铁合金或钛合金或玻璃钢等耐低温的材料制成。
所述转子10通过转子支撑安装在所述发电机内,转子支撑由耐低温的非磁性材料制成,转子的铁芯由常规硅钢片叠压而成或者由导磁圆钢加工而成。
以上所述,仅是本实用新型的较佳实施例而已,并非对本实用新型作任何形式上的限制,本领域技术人员利用上述揭示的技术内容做出些许简单修改、等同变化或修饰,均落在本实用新型的保护范围内。
Claims (10)
1.一种双气隙超导开关磁阻发电机,其特征在于:包括内外定子及双凸极转子;
所述的外定子包括外定子铁芯、外定子线圈支撑、外定子超导定子线圈和外定子低温容器,其中,外定子超导定子线圈固定在外定子线圈支撑上,外定子超导定子线圈和外定子线圈支撑安装在外定子低温容器的封闭空间内,外定子低温容器和外定子线圈支撑通过外定子绝热螺钉与外定子铁芯固定连接;
所述的内定子包括内定子铁芯、内定子线圈支撑、内定子超导定子线圈和内定子低温容器,其中,内定子超导定子线圈固定在内定子线圈支撑上,内定子超导定子线圈和内定子线圈支撑安装在内定子低温容器的封闭空间内,内定子低温容器和内定子线圈支撑通过内定子绝热螺钉与内定子铁芯固定连接。
2.根据权利要求1所述的一种双气隙超导开关磁阻发电机,其特征在于:所述的内定子低温容器在连接内定子绝热螺钉的通孔处装有内定子密封垫,并在所述的内定子绝热螺钉上套有内定子绝热套管;
所述的外定子低温容器在连接外定子绝热螺钉的通孔处装有外定子密封垫,并在所述的外定子绝热螺钉上套有外定子绝热套管。
3.根据权利要求2所述的一种双气隙超导开关磁阻发电机,其特征在于:所述的内定子绝热套管和外定子绝热套管分别设有与内定子密封垫和外定子绝热套管对应的下端止口。
4.根据权利要求1所述的一种双气隙超导开关磁阻发电机,其特征在于:所述的内定子低温容器分别由低温容器Ⅰ及低温容器Ⅱ两部分通过焊 接或螺栓连接组成,分别安装在内定子线圈支撑的外侧和内侧;
所述的外定子低温容器分别由低温容器Ⅲ及低温容器Ⅳ两部分通过焊接或螺栓连接组成,分别安装在外定子线圈支撑的外侧和内侧。
5.根据权利要求1所述的一种双气隙超导开关磁阻发电机,其特征在于:所述的内外定子铁芯均包括定子槽和定子齿,所述的内外定子超导定子线圈为跑道形状,所述的内外定子线圈支撑为中空的跑道形并在外圈设有与内外定子超导定子线圈对应的凹槽,安装有内定子超导定子线圈的内定子线圈支撑以及内定子低温容器套在内定子铁芯的定子齿处,安装有外定子超导定子线圈的外定子线圈支撑以及外定子低温容器套在外定子铁芯的定子齿处。
6.根据权利要求5所述的一种双气隙超导开关磁阻发电机,其特征在于:所述的定子齿端处设有槽口,并通过该槽口在定子槽开口处装有定子槽楔,分别将内外定子超导定子线圈、内外定子线圈支撑以及内外定子低温容器固定在定子槽内。
7.根据权利要求5所述的一种双气隙超导开关磁阻发电机,其特征在于:所述的内定子铁芯的轭部以及内定子低温容器和内定子线圈支撑的下端面,在靠近定子齿两侧的对应位置分别开设有通孔、螺纹孔,所述的内定子绝热螺钉穿过内定子铁芯和内定子低温容器的通孔,与内定子线圈支撑的螺纹孔螺接紧固;
所述的外定子铁芯的轭部以及外定子低温容器和外定子线圈支撑的上端面,在靠近定子齿两侧的对应位置分别开设有通孔、螺纹孔,所述的外定子绝热螺钉穿过外定子铁芯和外定子低温容器的通孔,与外定子线圈支撑的螺纹孔螺接紧固。
8.根据权利要求1所述的一种双气隙超导开关磁阻发电机,其特征在于:所述内定子线圈支撑及外定子线圈支撑由耐低温的非磁性材料制成。
9.根据权利要求1所述的一种双气隙超导开关磁阻发电机,其特征在于:所述的内定子低温容器及外定子低温容器由耐低温的非磁性材料制成。
10.根据权利要求1所述的一种双气隙超导开关磁阻发电机,其特征在于:所述转子通过转子支撑安装在所述发电机内,所述的转子支撑由耐低温的非磁性材料制成,转子的铁芯由常规硅钢片叠压而成或者由导磁圆钢加工而成。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
C14 | Grant of patent or utility model | ||
GR01 | Patent grant | ||
CX01 | Expiry of patent term | ||
CX01 | Expiry of patent term |
Granted publication date: 20131218 |