一種全超導(dǎo)電勵磁低速直驅(qū)同步發(fā)電機的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于發(fā)電機領(lǐng)域，更具體地，設(shè)及一種全超導(dǎo)電勵磁低速直驅(qū)同步發(fā)電機。
【背景技術(shù)】
[0002] 傳統(tǒng)電機由于受到銅、侶等導(dǎo)體載流能力或者永磁、鐵磁材料性能的限制，銅耗和 鐵耗都較大，因此其效率很難進一步提高，此外，受電機散熱能力的限制，電機體積也很難 進一步縮小。超導(dǎo)電機與傳統(tǒng)電機相比有著突出的優(yōu)勢，超導(dǎo)線圈的載流能力為傳統(tǒng)導(dǎo)體 的幾十甚至數(shù)百倍，因此電機的磁負荷和線負荷可W取為常規(guī)電機的數(shù)倍，因此使得超導(dǎo) 電機具有極高的功率密度，與同功率等級常規(guī)電機相比，體積、重量優(yōu)勢明顯；另外由于超 導(dǎo)材料的零電阻特性，使超導(dǎo)電機的銅損很小，效率設(shè)計得非常高。目前超導(dǎo)電機技術(shù)在國 內(nèi)外被廣泛研究，并有不同功率等級不同結(jié)構(gòu)的超導(dǎo)樣機被設(shè)計、制造出來。尤其是在風(fēng)力 發(fā)電領(lǐng)域，超導(dǎo)電機技術(shù)可能成為繼續(xù)提升風(fēng)機容量、降低發(fā)電成本的關(guān)鍵技術(shù)。
[0003] 與半超導(dǎo)電機相比，全超導(dǎo)電機的勵磁繞組和電樞繞組都采用超導(dǎo)材料，因此電 機的磁負荷和電負荷都更高，電機的功率密度更高，體積更小。要維持超導(dǎo)線圈正常工作的 低溫環(huán)境，包圍超導(dǎo)材料的低溫容器和用來帶走超導(dǎo)線圈工作時內(nèi)部產(chǎn)生的熱量的制冷系 統(tǒng)是必不可少的；而對于超導(dǎo)電機來講，其主要成本由低溫容器、冷凍系統(tǒng)和超導(dǎo)材料決 定。已經(jīng)提出來的全超導(dǎo)風(fēng)力發(fā)電機，勵磁繞組和電樞繞組分別位于轉(zhuǎn)子和定子上，需要2 個恒溫容器，因此成本很高。此外，放置在轉(zhuǎn)子上的超導(dǎo)繞組由于轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)，存在結(jié)構(gòu)固 定和隔熱的難度。
[0004] 為了保持全超導(dǎo)電機高功率密度的優(yōu)點，同時盡可能地降低低溫和冷凍系統(tǒng)的成 本，有必要探索將勵磁繞組和電樞繞組都靜止且放置在同一低溫容器的新型全超導(dǎo)電機拓 撲結(jié)構(gòu)。運樣可W大幅度降低全超導(dǎo)電機的成本。
[0005] 此外，繞組一般分為端部繞組和鐵屯、部分的繞組，由于電磁能量轉(zhuǎn)換只在鐵屯、部 分完成，而端部只起到連接導(dǎo)體的作用，考慮到超導(dǎo)材料十分昂貴，因此，減小端部長度對 降低電機成本具有重要意義。
[0006] 此外，傳統(tǒng)的全超導(dǎo)電機，轉(zhuǎn)子上有繞組，因此旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子的電氣連接必須通過電刷 和滑環(huán)等裝置，降低了系統(tǒng)的可靠性和免維修性。因此，發(fā)展無刷全超導(dǎo)電機對提高電機可 靠性和降低維修費用具有比較現(xiàn)實的意義。
[0007] 專利文獻(公開號為US 20090230690 Al)公開了一種超導(dǎo)繞組的安裝結(jié)構(gòu)，其中 超導(dǎo)電機通過齒輪箱與風(fēng)機禪合在一起，超導(dǎo)電機的原理采用同極性發(fā)電機，而且只有勵 磁繞組采用超導(dǎo)材料，置于低溫容器中，在該電機結(jié)構(gòu)中，整個轉(zhuǎn)子分成3段，只有2端開槽 的部分能產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，因此電機轉(zhuǎn)矩密度受限;定子鐵屯、沿軸向分為2段，2段中間布置有環(huán)形 勵磁線圈，該超導(dǎo)勵磁線圈的固定和安裝都比較復(fù)雜;實際定子電樞繞組會有4個端部，端 部所占空間太大；
[000引另外一篇專利文獻(公開號為CN 103259387 A)中公開了一種超導(dǎo)直流磁阻電機， 端蓋、杜瓦瓶及杜瓦瓶中的超導(dǎo)螺管構(gòu)成電機的定子部分，均采用非磁性材料做成;而軸、 轉(zhuǎn)子鐵忍和左、右磁極圈構(gòu)成電機的轉(zhuǎn)子部分，均采用導(dǎo)磁性能好的鐵磁材料做成。超導(dǎo)螺 管產(chǎn)生的磁通由兩側(cè)的呈噴行的磁極圈和中屯、的轉(zhuǎn)子鐵忍構(gòu)成完整的磁通路，由于磁極圈 為斜齒結(jié)構(gòu)，所W在此部位鐵忍飽和程度高；由于整個超導(dǎo)線圈繞在超導(dǎo)螺管上，且為非磁 性，因此整個磁路的磁阻很大，需要很大的勵磁電流。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 針對現(xiàn)有技術(shù)的W上缺陷或改進需求，本發(fā)明提供了一種全超導(dǎo)電勵磁低速直驅(qū) 同步發(fā)電機，其提高了系統(tǒng)的可靠性，并且極大地簡化了電機生產(chǎn)工藝。
[0010] 為實現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明的一個方面，提供了一種全超導(dǎo)電勵磁低速直驅(qū)同 步發(fā)電機，其特征在于，所述發(fā)電機沿徑向由內(nèi)之外依次包括定子鐵屯、W及轉(zhuǎn)子鐵屯、，所述 定子鐵屯、的每個定子槽中交替設(shè)置有單齒繞單層集中超導(dǎo)勵磁繞組W及單齒繞單層集中 超導(dǎo)電樞繞組，其中所述發(fā)電機還包括用于包裹所述單齒繞單層集中超導(dǎo)勵磁繞組W及所 述單齒繞單層集中超導(dǎo)電樞繞組的杜瓦瓶。
[0011] 進一步地，所述電樞繞組的極對數(shù)Pa與所述定子槽數(shù)化，轉(zhuǎn)子槽數(shù)Nr之間滿足關(guān)系
[0012] 進一步地，所述定子鐵屯、及所述轉(zhuǎn)子鐵屯、采用1J22等高飽和磁感應(yīng)強度軟磁合金 制作。
[0013] 總體而言，通過本發(fā)明所構(gòu)思的W上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，由于與常規(guī)全超 導(dǎo)電機相比，將必須旋轉(zhuǎn)的勵磁超導(dǎo)線圈或電樞線圈靜止化，省去了滑環(huán)和電刷，提高了系 統(tǒng)的可靠性，電機的鐵屯、結(jié)構(gòu)及繞組結(jié)構(gòu)都與常規(guī)電機完全一樣，極大地簡化了電機生產(chǎn) 工藝。而且，提出的結(jié)構(gòu)將勵磁和電樞超導(dǎo)線圈放置在同一個定子上，與同容量常規(guī)全超導(dǎo) 電機相比，低溫容器的體積大大減小，降低了低溫及其冷凍系統(tǒng)的成本。
【附圖說明】
[0014] 圖1是按照本發(fā)明實現(xiàn)的同步發(fā)電機的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0015] 在所有附圖中，相同的附圖標(biāo)記用來表示相同的元件或結(jié)構(gòu)，其中：1-轉(zhuǎn)子鐵屯、， 2-定子鐵屯、，3-超導(dǎo)電樞繞組，4-超導(dǎo)勵磁繞組，5-包裹超導(dǎo)線圈的杜瓦瓶。
【具體實施方式】
[0016] 為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，W下結(jié)合附圖及實施例，對 本發(fā)明進行進一步詳細說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅僅用W解釋本發(fā)明，并 不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個實施方式中所設(shè)及到的技術(shù)特征只要 彼此之間未構(gòu)成沖突就可W相互組合。
[0017] 如圖1所示，按照本發(fā)明實現(xiàn)的超導(dǎo)同步發(fā)電機的結(jié)構(gòu)為：1為轉(zhuǎn)子鐵屯、，2為定子 鐵屯、，3為超導(dǎo)電樞繞組，4為超導(dǎo)勵磁繞組，5是包裹超導(dǎo)線圈的杜瓦瓶。
[0018] 其中按照本發(fā)明實現(xiàn)的全超導(dǎo)電勵磁低速直驅(qū)同步發(fā)電機沿徑向由內(nèi)至外包括 定子鐵屯、2W及轉(zhuǎn)子鐵屯、1，其中超導(dǎo)電樞繞組3W及超導(dǎo)勵磁繞組交錯間隔分布于定子鐵 屯、的定子槽中，其中上述電機還包括用于包裹超導(dǎo)線圈的杜瓦瓶。
[0019] 該結(jié)構(gòu)采用外轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)形式，外轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，而轉(zhuǎn)子上只有鐵屯、，無任何繞組或磁 鋼，內(nèi)部是的靜止的定子部分，定子采用有鐵磁齒和鐵磁輛的結(jié)構(gòu)，W減小磁路磁阻，在定 子上每個槽中交替布置有超導(dǎo)電樞繞組3和超導(dǎo)勵磁繞組4,電樞繞組3和勵磁繞組4都為單 齒繞單層集中繞組，具有端部很短、無重疊的特點，方便超導(dǎo)帶材的安裝、固定。
[0020] 定子和轉(zhuǎn)子都采用鐵磁材料，W減小磁路磁阻，降低所需要的勵磁電流，減小勵磁 繞組超導(dǎo)材料用量。
[0021] 定子上靜止的各超導(dǎo)勵磁線圈和電樞線圈，可放置在不同的杜瓦瓶中，W降低低 溫容器和制冷設(shè)備的成本
[0022] 在杜瓦的外層，應(yīng)填充阻尼層，W防止外部的諧波磁場在杜瓦內(nèi)的超導(dǎo)繞組上產(chǎn) 生額外的損耗。
[0023] 按照本發(fā)明實現(xiàn)的用于全超導(dǎo)電機的定、轉(zhuǎn)子鐵屯、適宜采用高導(dǎo)磁性、低損耗的 娃鋼片材料。優(yōu)選采用1J22等高飽和磁感應(yīng)強度軟磁合金制作。
[0024] 該新型全超導(dǎo)電機結(jié)構(gòu)由若干個單元電機組成，單元電機的定子/轉(zhuǎn)子槽數(shù)配合 靈活，優(yōu)先推薦選擇12/11方案，運樣勵磁繞組和電樞繞組都為單層繞組，每個槽中只有2個 線圈邊，運樣勵磁繞組受電樞繞組的影響就比較小。
[00巧]電樞繞組4的極對數(shù)Pa與定子槽數(shù)Ns,轉(zhuǎn)子槽數(shù)化之間滿足關(guān)系 ，因 此，對單元電機為定子12槽轉(zhuǎn)子11槽的方案，可知其定子電樞繞組極對數(shù)為5,又根據(jù)分數(shù) 槽集中繞組理論，可知其電樞繞組系數(shù)為0.966.。
[00%]按照本發(fā)明實現(xiàn)的超導(dǎo)同步發(fā)電機，結(jié)構(gòu)勵磁繞組和電樞繞組都采用超導(dǎo)材料， 電機轉(zhuǎn)矩密度更高;該超導(dǎo)電機的勵磁繞組和電樞繞組都靜止，因此無需傳統(tǒng)超導(dǎo)電機所 必需的電刷和滑環(huán)，可靠性更高;可W只采用一套低溫制冷劑，就可W實現(xiàn)勵磁繞組和電樞 繞組超導(dǎo)材料所需的低溫環(huán)境，因此低溫容器及其制冷系統(tǒng)成本大幅度減小，整個電機系 統(tǒng)成本也將減小;該拓撲的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)無任何繞組，只有鐵屯、，因此結(jié)構(gòu)簡單，裝配靈活。超導(dǎo) 勵磁繞組通入直流勵磁電流，超導(dǎo)電樞繞組則輸出=相交流電，通過變頻器和變壓器連接 到電網(wǎng)，上網(wǎng)發(fā)電。按照本發(fā)明實現(xiàn)的全超導(dǎo)電機尤其適宜用于大功率直驅(qū)低速的風(fēng)力發(fā) 電場合。
[0027] 按照本發(fā)明實現(xiàn)的發(fā)電機，電機的其他結(jié)構(gòu)件，如定子機殼、轉(zhuǎn)子軸、軸承等均可 采用現(xiàn)有電機的結(jié)構(gòu)件，無需重新設(shè)計。超導(dǎo)冷卻劑及外部制冷器等也可采用現(xiàn)有超導(dǎo)電 機的零件。
[0028] 本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，W上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用W 限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進等，均應(yīng)包含 在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1. 一種全超導(dǎo)電勵磁低速直驅(qū)同步發(fā)電機，其特征在于，所述發(fā)電機沿徑向由內(nèi)至外 依次包括定子鐵屯、（2) W及轉(zhuǎn)子鐵屯、（1)，所述定子鐵屯、（2)的每個定子槽中交替設(shè)置有單 齒繞單層集中超導(dǎo)電樞繞組(3) W及單齒繞單層集中超導(dǎo)勵磁繞組(4)，其中所述發(fā)電機還 包括用于包裹所述單齒繞單層集中超導(dǎo)勵磁繞組(4) W及所述單齒繞單層集中超導(dǎo)電樞繞 組(3)的杜瓦瓶(5)。2. 如權(quán)利要求1所述的全超導(dǎo)電勵磁低速直驅(qū)同步發(fā)電機，其特征在于，所述電樞繞組 (4)的極對數(shù)Pa與所述定子槽數(shù)化，轉(zhuǎn)子槽數(shù)Nr之間滿足關(guān)系Pa = |y±/Vr。3. 如權(quán)利要求1或2所述的全超導(dǎo)電勵磁低速直驅(qū)同步發(fā)電機，其特征在于，所述定子 鐵屯、(2)及所述轉(zhuǎn)子鐵屯、（1)采用1J22等高飽和磁感應(yīng)強度軟磁合金制作。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種全超導(dǎo)電勵磁低速直驅(qū)同步發(fā)電機，該發(fā)電機沿徑向由內(nèi)至外依次包括定子鐵心以及轉(zhuǎn)子鐵心，定子鐵心的每個定子槽中交替設(shè)置有單齒繞單層集中超導(dǎo)電樞繞組以及單齒繞單層集中超導(dǎo)勵磁繞組，其中發(fā)電機還包括用于包裹單齒繞單層集中超導(dǎo)勵磁繞組以及單齒繞單層集中超導(dǎo)電樞繞組的杜瓦瓶。按照本發(fā)明實現(xiàn)的同步發(fā)電機，提高了系統(tǒng)的可靠性，提出的結(jié)構(gòu)將勵磁和電樞超導(dǎo)線圈放置在同一個定子上，與同容量常規(guī)全超導(dǎo)電機相比，低溫容器的體積大大減小，降低了低溫及其冷凍系統(tǒng)的成本。
【IPC分類】H02K1/16, H02K55/02, H02K3/48, H02K1/18
【公開號】CN105576862
【申請?zhí)枴緾N201510999440
【發(fā)明人】曲榮海, 賈少鋒, 李健, 方海洋, 李大偉
【申請人】華中科技大學(xué)
【公開日】2016年5月11日
【申請日】2015年12月25日