專利名稱：海上型超導(dǎo)風(fēng)力發(fā)電機的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及適用于近海的超導(dǎo)風(fēng)力發(fā)電機，具體涉及的是一種轉(zhuǎn)子由高溫超導(dǎo)磁體組成、定子由常規(guī)銅線圈組成的海上型超導(dǎo)風(fēng)力發(fā)電機。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的風(fēng)力發(fā)電機，都會因為受其機電性能的限制，在其單機容量擴容的過程中會受到諸多技術(shù)上的障礙。海上風(fēng)電又因為環(huán)境惡劣，維護困難且成本極高，因此對風(fēng)機的穩(wěn)定性提出了極高的要求。對于風(fēng)機而言，故障率最高的是齒輪箱。齒輪箱中的零部件隨著風(fēng)機長年累月地高速旋轉(zhuǎn)，極易磨損；同時，它增加了整個風(fēng)機系統(tǒng)的機械負載和磨擦損耗，從而極大增加了風(fēng)機系統(tǒng)的維護成本且減小風(fēng)機的使用壽命。不僅如此，齒輪箱的故障率還隨著風(fēng)機容量的增大而成指數(shù)倍增長。因此，開發(fā)直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機組成為了世界風(fēng)電技術(shù)的主要發(fā)展趨勢。現(xiàn)有的直驅(qū)式風(fēng)力發(fā)電機一般采用永磁發(fā)電機，但由于風(fēng)力發(fā)電機同額定轉(zhuǎn)速低，輸出扭矩大，對電機的設(shè)計提出了較高的要求。傳統(tǒng)直驅(qū)機組的極數(shù)很多，通常在80極以上，體積和重量很大，而且永磁直驅(qū)機組的永磁部件存在長期沖擊振動和大范圍溫度變化條件下的磁穩(wěn)定性問題。同時，永磁體受到現(xiàn)有材料技術(shù)的限制，表面磁場難以進一步提高，從而制約了單機容量的增加。超導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展使現(xiàn)有超導(dǎo)帶材的載流性能有極大的提高，相比銅導(dǎo)線單位面積載流能力是銅線的150倍。因而，出現(xiàn)了利用超導(dǎo)帶材繞制的勵磁線圈，這種結(jié)構(gòu)可以產(chǎn)生更高的勵磁磁場，從而提高了風(fēng)力發(fā)電機的能量密度和功率密度，減小了整機的體積和重量。例如，
公開日為2009-09-09，公開號為CN 101527498的中國專利文獻，公開了一種用于發(fā)電的系統(tǒng)包括超導(dǎo)直接驅(qū)動風(fēng)力發(fā)電機，它包括由第一超導(dǎo)材料構(gòu)成的電樞線圈以及由第二超導(dǎo)材料構(gòu)成的勵磁線圈，其中，在發(fā)電機的運行期間，電樞線圈和勵磁線圈進行電磁通信，并且勵磁線圈響應(yīng)通過其的勵磁電流而產(chǎn)生磁場，磁場在生成電力輸出的電樞線圈中感應(yīng)輸出電流。
實用新型內(nèi)容本實用新型為解決上述技術(shù)問題，提供了一種直驅(qū)式的海上型超導(dǎo)風(fēng)力發(fā)電機， 取締了齒輪箱的設(shè)計，完全避免了因為齒輪箱帶來的各種隱患，降低了機械故障率和定期維護的成本，同時提高了風(fēng)機的效率和可靠性，解決了傳統(tǒng)永磁直驅(qū)風(fēng)機在單機容量增大時引起的體積和重量大幅增加的問題。本實用新型的技術(shù)方案如下海上型超導(dǎo)風(fēng)力發(fā)電機，包括定子系統(tǒng)和轉(zhuǎn)子系統(tǒng)，轉(zhuǎn)子系統(tǒng)位于定子系統(tǒng)的中心軸位置，轉(zhuǎn)子系統(tǒng)繞電機中心軸轉(zhuǎn)動工作，中心軸連接風(fēng)輪；所述定子系統(tǒng)包括定子繞組組件和固定于定子繞組組件外部的定子鐵軛，定子繞組組件包括銅線繞組、定子齒槽以及繞線槽楔，銅線繞組通過繞線槽楔固定在定子齒槽內(nèi)；所述轉(zhuǎn)子系統(tǒng)包括轉(zhuǎn)子線圈組件、轉(zhuǎn)子支承組件、轉(zhuǎn)子背鐵，轉(zhuǎn)子線圈組件固定于轉(zhuǎn)子支撐組件上，轉(zhuǎn)子支撐組件固定于轉(zhuǎn)子背鐵上，其特征在于所述轉(zhuǎn)子線圈組件包括磁體骨架、高溫超導(dǎo)線圈以及線圈緊固件；所述磁體骨架呈環(huán)形跑道狀，中空部分為制冷介質(zhì)流道，位于磁體骨架的側(cè)面設(shè)置有環(huán)形凹槽， 通過凹槽纏繞雙層高溫超導(dǎo)線圈，高溫超導(dǎo)線圈外部設(shè)置有防止高溫超導(dǎo)線圈向外松開的線圈緊固件，同時線圈緊固件的一端設(shè)置有電流引線接口，以便于穿過高溫超導(dǎo)電流引線。所述磁體骨架還在垂直于骨架的環(huán)形方向上設(shè)置有用于防止熱脹冷縮使磁體骨架變形受損的骨架收縮縫，無論磁體骨架如何膨脹和收縮，都可以正常工作，使用壽命較長。所述磁體骨架采用由黃銅加工而成；所述高溫超導(dǎo)線圈采用釔鋇銅氧化物高溫超導(dǎo)材料(YBCO)。為了減少高溫超導(dǎo)磁體所承受的熱負荷，所述高溫超導(dǎo)線圈的外部為高真空環(huán)境，在高溫超導(dǎo)線圈的外部設(shè)置有若干層絕熱層。所述轉(zhuǎn)子支承組件包括轉(zhuǎn)子支承、拉桿和轉(zhuǎn)子支承箱體，轉(zhuǎn)子支承箱體安裝在轉(zhuǎn)子背鐵外圍的凹槽內(nèi)，拉桿采用導(dǎo)熱系數(shù)低且結(jié)構(gòu)強度高的非磁性材料制成，轉(zhuǎn)子支承通過拉桿固定于轉(zhuǎn)子線圈組件下端，用于支撐轉(zhuǎn)子線圈組件。所述轉(zhuǎn)子背鐵的外圍均勻設(shè)置有M個凹槽，即轉(zhuǎn)子系統(tǒng)設(shè)置有12對極。所述銅線繞組由兩個電角度相差30°的三相繞組構(gòu)成。所述定子齒槽采用非導(dǎo)磁材料制成，如低導(dǎo)磁率的不銹鋼材料，如鉻-鎳奧氏體 304在強度和導(dǎo)磁性能方面既可滿足要求；所述定子鐵軛采用疊片結(jié)構(gòu)；所述定子的額定電壓3. 5kV，額定電流840A，每極每相數(shù)為1，具體參數(shù)見下表。
額定功率P ICMW效率η97. 2%額定轉(zhuǎn)速nIlrpm額定頻率f2. 2Hz功率因數(shù)Pf0. 98為了保證高溫超導(dǎo)磁體有效運行，產(chǎn)生足夠的磁場強度，所述發(fā)電機還設(shè)置有用于冷卻轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的制冷系統(tǒng)，該制冷系統(tǒng)位于超導(dǎo)風(fēng)力發(fā)電機末端，包括壓縮機、旋轉(zhuǎn)動密封組件、高壓氦氣傳輸管、制冷機的冷頭、低溫泵，壓縮機通過管線與旋轉(zhuǎn)動密封組件連接， 旋轉(zhuǎn)動密封組件連接高壓氦氣傳輸管，高壓氦氣傳輸管連接制冷劑的冷頭，冷頭固定于用于安裝轉(zhuǎn)子線圈組件的杜瓦上，高壓氦氣傳輸管通過冷頭與杜瓦內(nèi)的磁體骨架的制冷介質(zhì)流道連通，同時杜瓦上還設(shè)置有低溫泵；當(dāng)壓縮機提供冷氦氣時，冷氦氣經(jīng)旋轉(zhuǎn)動密封組件、高壓氦氣傳輸管、冷頭進入制冷介質(zhì)流道對高溫超導(dǎo)線圈進行冷卻，冷卻高溫超導(dǎo)線圈后的溫度較高的氦氣又被傳輸至冷頭，由冷頭將冷卻高溫超導(dǎo)線圈后的溫度較高的氦氣重新冷卻；然后在低溫泵的驅(qū)動下，被冷頭重新冷卻的氦氣再次對高溫超導(dǎo)線圈進行冷卻，實現(xiàn)冷卻閉環(huán)工作；所述氦氣采用的制冷介質(zhì)為20-30K的氦氣。所述杜瓦為雙層杜瓦，杜瓦外壁固定在轉(zhuǎn)子支承箱體上，杜瓦內(nèi)壁固定在轉(zhuǎn)子支承上，這樣可以避免杜瓦在風(fēng)機的旋轉(zhuǎn)過程中因承受扭矩而發(fā)生變型。本實用新型的有益效果如下[0020](1)本實用新型單機容量大，體積小、重量輕，功率密度高；(2)本實用新型轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的轉(zhuǎn)子線圈采用高溫超導(dǎo)材料，沒有電阻發(fā)熱損耗，電機效率高，可以使發(fā)電機效率提高到97%以上；( 3 )本實用新型穩(wěn)定性好，而且結(jié)構(gòu)牢固，抗壓力強。
圖1為本實用新型的軸向剖面結(jié)構(gòu)示意圖圖2為本實用新型沿圖1中A-A方向的剖面結(jié)構(gòu)示意圖圖3為本實用新型轉(zhuǎn)子線圈的結(jié)構(gòu)示意圖其中附圖標記為1-風(fēng)輪，2-轉(zhuǎn)子背鐵，3-轉(zhuǎn)子支承箱體，4-杜瓦外壁，5-杜瓦內(nèi)壁，6-絕熱層，7-電磁屏蔽層，8-定子繞組組件，9-定子鐵軛，10-轉(zhuǎn)子線圈組件，11-轉(zhuǎn)子支承，12-拉桿，13-低溫泵，14-冷頭，15-高壓氦氣傳輸管，16-旋轉(zhuǎn)動密封組件，17-壓縮機，18-磁體骨架，19-骨架收縮縫，20-線圈緊固件，21-高溫超導(dǎo)線圈，22-電流引線接口。
具體實施方式
如圖1-3所示，海上型超導(dǎo)風(fēng)力發(fā)電機，包括定子系統(tǒng)和轉(zhuǎn)子系統(tǒng)，轉(zhuǎn)子系統(tǒng)位于定子系統(tǒng)的中心軸位置，轉(zhuǎn)子系統(tǒng)繞電機中心軸轉(zhuǎn)動工作，中心軸連接風(fēng)輪1 ；所述定子系統(tǒng)包括定子繞組組件8和固定于定子繞組組件8外部的定子鐵軛9，定子繞組組件8包括銅線繞組、定子齒槽以及繞線槽楔，銅線繞組通過繞線槽楔固定在定子齒槽內(nèi)；所述轉(zhuǎn)子系統(tǒng)包括轉(zhuǎn)子線圈組件10、轉(zhuǎn)子支承組件、轉(zhuǎn)子背鐵2，轉(zhuǎn)子線圈組件10固定于轉(zhuǎn)子支撐組件上，轉(zhuǎn)子支撐組件固定于轉(zhuǎn)子背鐵2上，所述轉(zhuǎn)子線圈組件10包括磁體骨架18、高溫超導(dǎo)線圈21以及線圈緊固件20 ；所述磁體骨架18呈環(huán)形跑道狀，中空部分為制冷介質(zhì)流道，位于磁體骨架18的側(cè)面設(shè)置有環(huán)形凹槽，通過凹槽纏繞雙層高溫超導(dǎo)線圈21，高溫超導(dǎo)線圈21 外部設(shè)置有防止高溫超導(dǎo)線圈21向外松開的線圈緊固件20，同時線圈緊固件20的一端設(shè)置有電流引線接口 22，以便于穿過高溫超導(dǎo)電流引線。所述磁體骨架18還在垂直于骨架的環(huán)形方向上設(shè)置有用于防止熱脹冷縮使磁體骨架18變形受損的骨架收縮縫19，無論磁體骨架18如何膨脹和收縮，都可以正常工作，使用壽命較長。所述磁體骨架18采用由黃銅加工而成；所述高溫超導(dǎo)線圈21采用釔鋇銅氧化物高溫超導(dǎo)材料(YBCO)。為了減少高溫超導(dǎo)磁體所承受的熱負荷，所述高溫超導(dǎo)線圈21的外部為高真空環(huán)境，在高溫超導(dǎo)線圈21的外部設(shè)置有若干層絕熱層6。所述轉(zhuǎn)子支承組件包括轉(zhuǎn)子支承11、拉桿12和轉(zhuǎn)子支承箱體3，轉(zhuǎn)子支承箱體3 安裝在轉(zhuǎn)子背鐵2外圍的凹槽內(nèi)，拉桿12采用導(dǎo)熱系數(shù)低且結(jié)構(gòu)強度高的非磁性材料制成，轉(zhuǎn)子支承11通過拉桿12固定于轉(zhuǎn)子線圈組件10下端，用于支撐轉(zhuǎn)子線圈組件10。所述轉(zhuǎn)子背鐵2的外圍均勻設(shè)置有24個凹槽，即轉(zhuǎn)子系統(tǒng)設(shè)置有12對極。所述銅線繞組由兩個電角度相差30°的三相繞組構(gòu)成。所述定子齒槽采用非導(dǎo)磁材料制成，如低導(dǎo)磁率的不銹鋼材料，如鉻-鎳奧氏體 304在強度和導(dǎo)磁性能方面既可滿足要求；所述定子鐵軛9采用疊片結(jié)構(gòu)；所述定子的額定電壓3. 5kV，額定電流840A，每極每相數(shù)為1。為了保證高溫超導(dǎo)磁體有效運行，產(chǎn)生足夠的磁場強度，所述發(fā)電機還設(shè)置有用于冷卻轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的制冷系統(tǒng)，該制冷系統(tǒng)位于超導(dǎo)風(fēng)力發(fā)電機末端，包括壓縮機17、旋轉(zhuǎn)動密封組件16、高壓氦氣傳輸管15、制冷機的冷頭14、低溫泵13，壓縮機17通過管線與旋轉(zhuǎn)動密封組件16連接，旋轉(zhuǎn)動密封組件16連接高壓氦氣傳輸管15，高壓氦氣傳輸管15連接制冷劑的冷頭14，冷頭14固定于用于安裝轉(zhuǎn)子線圈組件10的杜瓦上，高壓氦氣傳輸管15 通過冷頭14與杜瓦內(nèi)的磁體骨架18的制冷介質(zhì)流道連通，同時杜瓦上還設(shè)置有低溫泵13 ； 當(dāng)壓縮機17提供冷氦氣時，冷氦氣經(jīng)旋轉(zhuǎn)動密封組件16、高壓氦氣傳輸管15、冷頭14進入制冷介質(zhì)流道對高溫超導(dǎo)線圈21進行冷卻，冷卻高溫超導(dǎo)線圈21后的溫度較高的氦氣又被傳輸至冷頭14，由冷頭14將冷卻高溫超導(dǎo)線圈21后的溫度較高的氦氣重新冷卻；然后在低溫泵13的驅(qū)動下，被冷頭14重新冷卻的氦氣再次對高溫超導(dǎo)線圈21進行冷卻，實現(xiàn)冷卻閉環(huán)工作；所述氦氣采用的制冷介質(zhì)為20-30K的氦氣。所述杜瓦為雙層杜瓦，杜瓦外壁4固定在轉(zhuǎn)子支承箱體3上，杜瓦內(nèi)壁5固定在轉(zhuǎn)子支承11上，這樣可以避免杜瓦在風(fēng)機的旋轉(zhuǎn)過程中因承受扭矩而發(fā)生變型。所述定子繞組組件8和杜瓦外壁4之間設(shè)置有電磁屏蔽層7。
權(quán)利要求1.海上型超導(dǎo)風(fēng)力發(fā)電機，包括定子系統(tǒng)和轉(zhuǎn)子系統(tǒng)，轉(zhuǎn)子系統(tǒng)位于定子系統(tǒng)的中心軸位置，轉(zhuǎn)子系統(tǒng)繞電機中心軸轉(zhuǎn)動工作，中心軸連接風(fēng)輪；所述定子系統(tǒng)包括定子繞組組件和固定于定子繞組組件外部的定子鐵軛，定子繞組組件包括銅線繞組、定子齒槽以及繞線槽楔，銅線繞組通過繞線槽楔固定在定子齒槽內(nèi)；所述轉(zhuǎn)子系統(tǒng)包括轉(zhuǎn)子線圈組件、轉(zhuǎn)子支承組件、轉(zhuǎn)子背鐵，轉(zhuǎn)子線圈組件固定于轉(zhuǎn)子支撐組件上，轉(zhuǎn)子支撐組件固定于轉(zhuǎn)子背鐵上，其特征在于所述轉(zhuǎn)子線圈組件包括磁體骨架、高溫超導(dǎo)線圈以及線圈緊固件；所述磁體骨架呈環(huán)形跑道狀，中空部分為制冷介質(zhì)流道，位于磁體骨架的側(cè)面設(shè)置有環(huán)形凹槽，通過凹槽纏繞雙層高溫超導(dǎo)線圈，高溫超導(dǎo)線圈外部設(shè)置有防止高溫超導(dǎo)線圈向外松開的線圈緊固件，同時線圈緊固件的一端設(shè)置有電流引線接口，以便于穿過高溫超導(dǎo)電流引線。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的海上型超導(dǎo)風(fēng)力發(fā)電機，其特征在于所述磁體骨架還在垂直于骨架的環(huán)形方向上設(shè)置有用于防止熱脹冷縮使磁體骨架變形受損的骨架收縮縫。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的海上型超導(dǎo)風(fēng)力發(fā)電機，其特征在于所述磁體骨架采用由黃銅加工而成；所述高溫超導(dǎo)線圈采用釔鋇銅氧化物高溫超導(dǎo)材料。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的海上型超導(dǎo)風(fēng)力發(fā)電機，其特征在于所述高溫超導(dǎo)線圈的外部為高真空環(huán)境，在高溫超導(dǎo)線圈的外部設(shè)置有若干層絕熱層。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的海上型超導(dǎo)風(fēng)力發(fā)電機，其特征在于所述轉(zhuǎn)子支承組件包括轉(zhuǎn)子支承、拉桿和轉(zhuǎn)子支承箱體，轉(zhuǎn)子支承箱體安裝在轉(zhuǎn)子背鐵外圍的凹槽內(nèi)，拉桿采用導(dǎo)熱系數(shù)低且結(jié)構(gòu)強度高的非磁性材料制成，轉(zhuǎn)子支承通過拉桿固定于轉(zhuǎn)子線圈組件下端，用于支撐轉(zhuǎn)子線圈組件。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的海上型超導(dǎo)風(fēng)力發(fā)電機，其特征在于所述轉(zhuǎn)子背鐵的外圍均勻設(shè)置有M個凹槽，即轉(zhuǎn)子系統(tǒng)設(shè)置有12對極。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或6所述的海上型超導(dǎo)風(fēng)力發(fā)電機，其特征在于所述銅線繞組由兩個電角度相差30°的三相繞組構(gòu)成。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的海上型超導(dǎo)風(fēng)力發(fā)電機，其特征在于所述定子齒槽采用非導(dǎo)磁材料制成；所述定子鐵軛采用疊片結(jié)構(gòu)；所述定子的額定電壓3. 5kV，額定電流840A，每極每相數(shù)為1。
9.根據(jù)權(quán)利要求1或8所述的海上型超導(dǎo)風(fēng)力發(fā)電機，其特征在于所述發(fā)電機還設(shè)置有用于冷卻轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的制冷系統(tǒng)，該制冷系統(tǒng)位于超導(dǎo)風(fēng)力發(fā)電機末端，包括壓縮機、旋轉(zhuǎn)動密封組件、高壓氦氣傳輸管、制冷機的冷頭、低溫泵，壓縮機通過管線與旋轉(zhuǎn)動密封組件連接，旋轉(zhuǎn)動密封組件連接高壓氦氣傳輸管，高壓氦氣傳輸管連接制冷劑的冷頭，冷頭固定于用于安裝轉(zhuǎn)子線圈組件的杜瓦上，高壓氦氣傳輸管通過冷頭與杜瓦內(nèi)的磁體骨架的制冷介質(zhì)流道連通，同時杜瓦上還設(shè)置有低溫泵；當(dāng)壓縮機提供冷氦氣時，冷氦氣經(jīng)旋轉(zhuǎn)動密封組件、高壓氦氣傳輸管、冷頭進入制冷介質(zhì)流道對高溫超導(dǎo)線圈進行冷卻，冷卻高溫超導(dǎo)線圈后的溫度較高的氦氣又被傳輸至冷頭，由冷頭將冷卻高溫超導(dǎo)線圈后的溫度較高的氦氣重新冷卻；然后在低溫泵的驅(qū)動下，被冷頭重新冷卻的氦氣再次對高溫超導(dǎo)線圈進行冷卻，實現(xiàn)冷卻閉環(huán)工作；所述氦氣采用的制冷介質(zhì)為20-30K的氦氣。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的海上型超導(dǎo)風(fēng)力發(fā)電機，其特征在于所述杜瓦為雙層杜瓦，杜瓦外壁固定在轉(zhuǎn)子支承箱體上，杜瓦內(nèi)壁固定在轉(zhuǎn)子支承上。
專利摘要本實用新型涉及適用于近海的海上型超導(dǎo)風(fēng)力發(fā)電機，包括定子系統(tǒng)、轉(zhuǎn)子系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)，轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的轉(zhuǎn)子線圈組件包括磁體骨架、高溫超導(dǎo)線圈以及線圈緊固件；所述磁體骨架呈環(huán)形跑道狀，中空部分為制冷介質(zhì)流道，位于磁體骨架的側(cè)面設(shè)置有環(huán)形凹槽，通過凹槽纏繞雙層高溫超導(dǎo)線圈，高溫超導(dǎo)線圈外部設(shè)置有防止高溫超導(dǎo)線圈向外松開的線圈緊固件，同時線圈緊固件的一端設(shè)置有電流引線接口，以便于穿過高溫超導(dǎo)電流引線；冷卻系統(tǒng)用于冷卻轉(zhuǎn)子系統(tǒng)，實現(xiàn)閉環(huán)冷卻工作；本實用新型單機容量大，體積小、重量輕，即功率密度高；轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的轉(zhuǎn)子線圈采用高溫超導(dǎo)材料，沒有電阻發(fā)熱損耗，電機效率高。
文檔編號H02K3/02GK202334039SQ201120497210
公開日2012年7月11日 申請日期2011年12月5日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月5日
發(fā)明者馮玲, 況明偉, 吳建東, 宋曉衛(wèi), 楊燁, 王立聞, 蔣煜東 申請人:中國東方電氣集團有限公司