海上型超導風力發電機的製作方法
2023-05-10 13:05:11 2
專利名稱：海上型超導風力發電機的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及適用於近海的超導風力發電機，具體涉及的是一種轉子由高溫超導磁體組成、定子由常規銅線圈組成的海上型超導風力發電機。
背景技術：
傳統的風力發電機，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上的障礙。海上風電又因為環境惡劣，維護困難且成本極高，因此對風機的穩定性提出了極高的要求。對於風機而言，故障率最高的是齒輪箱。齒輪箱中的零部件隨著風機長年累月地高速旋轉，極易磨損；同時，它增加了整個風機系統的機械負載和磨擦損耗，從而極大增加了風機系統的維護成本且減小風機的使用壽命。不僅如此，齒輪箱的故障率還隨著風機容量的增大而成指數倍增長。因此，開發直驅式風力發電機組成為了世界風電技術的主要發展趨勢。現有的直驅式風力發電機一般採用永磁發電機，但由於風力發電機同額定轉速低，輸出扭矩大，對電機的設計提出了較高的要求。傳統直驅機組的極數很多，通常在80極以上，體積和重量很大，而且永磁直驅機組的永磁部件存在長期衝擊振動和大範圍溫度變化條件下的磁穩定性問題。同時，永磁體受到現有材料技術的限制，表面磁場難以進一步提高，從而制約了單機容量的增加。超導技術的發展使現有超導帶材的載流性能有極大的提高，相比銅導線單位面積載流能力是銅線的150倍。因而，出現了利用超導帶材繞制的勵磁線圈，這種結構可以產生更高的勵磁磁場，從而提高了風力發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，公開了一種用於發電的系統包括超導直接驅動風力發電機，它包括由第一超導材料構成的電樞線圈以及由第二超導材料構成的勵磁線圈，其中，在發電機的運行期間，電樞線圈和勵磁線圈進行電磁通信，並且勵磁線圈響應通過其的勵磁電流而產生磁場，磁場在生成電力輸出的電樞線圈中感應輸出電流。
實用新型內容本實用新型為解決上述技術問題，提供了一種直驅式的海上型超導風力發電機， 取締了齒輪箱的設計，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，同時提高了風機的效率和可靠性，解決了傳統永磁直驅風機在單機容量增大時引起的體積和重量大幅增加的問題。本實用新型的技術方案如下海上型超導風力發電機，包括定子系統和轉子系統，轉子系統位於定子系統的中心軸位置，轉子系統繞電機中心軸轉動工作，中心軸連接風輪；所述定子系統包括定子繞組組件和固定於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；所述轉子系統包括轉子線圈組件、轉子支承組件、轉子背鐵，轉子線圈組件固定於轉子支撐組件上，轉子支撐組件固定於轉子背鐵上，其特徵在於所述轉子線圈組件包括磁體骨架、高溫超導線圈以及線圈緊固件；所述磁體骨架呈環形跑道狀，中空部分為製冷介質流道，位於磁體骨架的側面設置有環形凹槽， 通過凹槽纏繞雙層高溫超導線圈，高溫超導線圈外部設置有防止高溫超導線圈向外鬆開的線圈緊固件，同時線圈緊固件的一端設置有電流引線接口，以便於穿過高溫超導電流引線。所述磁體骨架還在垂直於骨架的環形方向上設置有用於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。所述磁體骨架採用由黃銅加工而成；所述高溫超導線圈採用釔鋇銅氧化物高溫超導材料(YBCO)。為了減少高溫超導磁體所承受的熱負荷，所述高溫超導線圈的外部為高真空環境，在高溫超導線圈的外部設置有若干層絕熱層。所述轉子支承組件包括轉子支承、拉杆和轉子支承箱體，轉子支承箱體安裝在轉子背鐵外圍的凹槽內，拉杆採用導熱係數低且結構強度高的非磁性材料製成，轉子支承通過拉杆固定於轉子線圈組件下端，用於支撐轉子線圈組件。所述轉子背鐵的外圍均勻設置有M個凹槽，即轉子系統設置有12對極。所述銅線繞組由兩個電角度相差30°的三相繞組構成。所述定子齒槽採用非導磁材料製成，如低導磁率的不鏽鋼材料，如鉻-鎳奧氏體 304在強度和導磁性能方面既可滿足要求；所述定子鐵軛採用疊片結構；所述定子的額定電壓3. 5kV，額定電流840A，每極每相數為1，具體參數見下表。
額定功率P ICMW效率η97. 2%額定轉速nIlrpm額定頻率f2. 2Hz功率因數Pf0. 98為了保證高溫超導磁體有效運行，產生足夠的磁場強度，所述發電機還設置有用於冷卻轉子系統的製冷系統，該製冷系統位於超導風力發電機末端，包括壓縮機、旋轉動密封組件、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動密封組件連接， 旋轉動密封組件連接高壓氦氣傳輸管，高壓氦氣傳輸管連接製冷劑的冷頭，冷頭固定於用於安裝轉子線圈組件的杜瓦上，高壓氦氣傳輸管通過冷頭與杜瓦內的磁體骨架的製冷介質流道連通，同時杜瓦上還設置有低溫泵；當壓縮機提供冷氦氣時，冷氦氣經旋轉動密封組件、高壓氦氣傳輸管、冷頭進入製冷介質流道對高溫超導線圈進行冷卻，冷卻高溫超導線圈後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線圈後的溫度較高的氦氣重新冷卻；然後在低溫泵的驅動下，被冷頭重新冷卻的氦氣再次對高溫超導線圈進行冷卻，實現冷卻閉環工作；所述氦氣採用的製冷介質為20-30K的氦氣。所述杜瓦為雙層杜瓦，杜瓦外壁固定在轉子支承箱體上，杜瓦內壁固定在轉子支承上，這樣可以避免杜瓦在風機的旋轉過程中因承受扭矩而發生變型。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)本實用新型轉子系統的轉子線圈採用高溫超導材料，沒有電阻發熱損耗，電機效率高，可以使發電機效率提高到97%以上；( 3 )本實用新型穩定性好，而且結構牢固，抗壓力強。
圖1為本實用新型的軸向剖面結構示意圖圖2為本實用新型沿圖1中A-A方向的剖面結構示意圖圖3為本實用新型轉子線圈的結構示意圖其中附圖標記為1-風輪，2-轉子背鐵，3-轉子支承箱體，4-杜瓦外壁，5-杜瓦內壁，6-絕熱層，7-電磁屏蔽層，8-定子繞組組件，9-定子鐵軛，10-轉子線圈組件，11-轉子支承，12-拉杆，13-低溫泵，14-冷頭，15-高壓氦氣傳輸管，16-旋轉動密封組件，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，海上型超導風力發電機，包括定子系統和轉子系統，轉子系統位於定子系統的中心軸位置，轉子系統繞電機中心軸轉動工作，中心軸連接風輪1 ；所述定子系統包括定子繞組組件8和固定於定子繞組組件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；所述轉子系統包括轉子線圈組件10、轉子支承組件、轉子背鐵2，轉子線圈組件10固定於轉子支撐組件上，轉子支撐組件固定於轉子背鐵2上，所述轉子線圈組件10包括磁體骨架18、高溫超導線圈21以及線圈緊固件20 ；所述磁體骨架18呈環形跑道狀，中空部分為製冷介質流道，位於磁體骨架18的側面設置有環形凹槽，通過凹槽纏繞雙層高溫超導線圈21，高溫超導線圈21 外部設置有防止高溫超導線圈21向外鬆開的線圈緊固件20，同時線圈緊固件20的一端設置有電流引線接口 22，以便於穿過高溫超導電流引線。所述磁體骨架18還在垂直於骨架的環形方向上設置有用於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採用由黃銅加工而成；所述高溫超導線圈21採用釔鋇銅氧化物高溫超導材料(YBCO)。為了減少高溫超導磁體所承受的熱負荷，所述高溫超導線圈21的外部為高真空環境，在高溫超導線圈21的外部設置有若干層絕熱層6。所述轉子支承組件包括轉子支承11、拉杆12和轉子支承箱體3，轉子支承箱體3 安裝在轉子背鐵2外圍的凹槽內，拉杆12採用導熱係數低且結構強度高的非磁性材料製成，轉子支承11通過拉杆12固定於轉子線圈組件10下端，用於支撐轉子線圈組件10。所述轉子背鐵2的外圍均勻設置有24個凹槽，即轉子系統設置有12對極。所述銅線繞組由兩個電角度相差30°的三相繞組構成。所述定子齒槽採用非導磁材料製成，如低導磁率的不鏽鋼材料，如鉻-鎳奧氏體 304在強度和導磁性能方面既可滿足要求；所述定子鐵軛9採用疊片結構；所述定子的額定電壓3. 5kV，額定電流840A，每極每相數為1。為了保證高溫超導磁體有效運行，產生足夠的磁場強度，所述發電機還設置有用於冷卻轉子系統的製冷系統，該製冷系統位於超導風力發電機末端，包括壓縮機17、旋轉動密封組件16、高壓氦氣傳輸管15、制冷機的冷頭14、低溫泵13，壓縮機17通過管線與旋轉動密封組件16連接，旋轉動密封組件16連接高壓氦氣傳輸管15，高壓氦氣傳輸管15連接製冷劑的冷頭14，冷頭14固定於用於安裝轉子線圈組件10的杜瓦上，高壓氦氣傳輸管15 通過冷頭14與杜瓦內的磁體骨架18的製冷介質流道連通，同時杜瓦上還設置有低溫泵13 ； 當壓縮機17提供冷氦氣時，冷氦氣經旋轉動密封組件16、高壓氦氣傳輸管15、冷頭14進入製冷介質流道對高溫超導線圈21進行冷卻，冷卻高溫超導線圈21後的溫度較高的氦氣又被傳輸至冷頭14，由冷頭14將冷卻高溫超導線圈21後的溫度較高的氦氣重新冷卻；然後在低溫泵13的驅動下，被冷頭14重新冷卻的氦氣再次對高溫超導線圈21進行冷卻，實現冷卻閉環工作；所述氦氣採用的製冷介質為20-30K的氦氣。所述杜瓦為雙層杜瓦，杜瓦外壁4固定在轉子支承箱體3上，杜瓦內壁5固定在轉子支承11上，這樣可以避免杜瓦在風機的旋轉過程中因承受扭矩而發生變型。所述定子繞組組件8和杜瓦外壁4之間設置有電磁屏蔽層7。
權利要求1.海上型超導風力發電機，包括定子系統和轉子系統，轉子系統位於定子系統的中心軸位置，轉子系統繞電機中心軸轉動工作，中心軸連接風輪；所述定子系統包括定子繞組組件和固定於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；所述轉子系統包括轉子線圈組件、轉子支承組件、轉子背鐵，轉子線圈組件固定於轉子支撐組件上，轉子支撐組件固定於轉子背鐵上，其特徵在於所述轉子線圈組件包括磁體骨架、高溫超導線圈以及線圈緊固件；所述磁體骨架呈環形跑道狀，中空部分為製冷介質流道，位於磁體骨架的側面設置有環形凹槽，通過凹槽纏繞雙層高溫超導線圈，高溫超導線圈外部設置有防止高溫超導線圈向外鬆開的線圈緊固件，同時線圈緊固件的一端設置有電流引線接口，以便於穿過高溫超導電流引線。
2.根據權利要求1所述的海上型超導風力發電機，其特徵在於所述磁體骨架還在垂直於骨架的環形方向上設置有用於防止熱脹冷縮使磁體骨架變形受損的骨架收縮縫。
3.根據權利要求1或2所述的海上型超導風力發電機，其特徵在於所述磁體骨架採用由黃銅加工而成；所述高溫超導線圈採用釔鋇銅氧化物高溫超導材料。
4.根據權利要求3所述的海上型超導風力發電機，其特徵在於所述高溫超導線圈的外部為高真空環境，在高溫超導線圈的外部設置有若干層絕熱層。
5.根據權利要求4所述的海上型超導風力發電機，其特徵在於所述轉子支承組件包括轉子支承、拉杆和轉子支承箱體，轉子支承箱體安裝在轉子背鐵外圍的凹槽內，拉杆採用導熱係數低且結構強度高的非磁性材料製成，轉子支承通過拉杆固定於轉子線圈組件下端，用於支撐轉子線圈組件。
6.根據權利要求5所述的海上型超導風力發電機，其特徵在於所述轉子背鐵的外圍均勻設置有M個凹槽，即轉子系統設置有12對極。
7.根據權利要求1或6所述的海上型超導風力發電機，其特徵在於所述銅線繞組由兩個電角度相差30°的三相繞組構成。
8.根據權利要求7所述的海上型超導風力發電機，其特徵在於所述定子齒槽採用非導磁材料製成；所述定子鐵軛採用疊片結構；所述定子的額定電壓3. 5kV，額定電流840A，每極每相數為1。
9.根據權利要求1或8所述的海上型超導風力發電機，其特徵在於所述發電機還設置有用於冷卻轉子系統的製冷系統，該製冷系統位於超導風力發電機末端，包括壓縮機、旋轉動密封組件、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動密封組件連接，旋轉動密封組件連接高壓氦氣傳輸管，高壓氦氣傳輸管連接製冷劑的冷頭，冷頭固定於用於安裝轉子線圈組件的杜瓦上，高壓氦氣傳輸管通過冷頭與杜瓦內的磁體骨架的製冷介質流道連通，同時杜瓦上還設置有低溫泵；當壓縮機提供冷氦氣時，冷氦氣經旋轉動密封組件、高壓氦氣傳輸管、冷頭進入製冷介質流道對高溫超導線圈進行冷卻，冷卻高溫超導線圈後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線圈後的溫度較高的氦氣重新冷卻；然後在低溫泵的驅動下，被冷頭重新冷卻的氦氣再次對高溫超導線圈進行冷卻，實現冷卻閉環工作；所述氦氣採用的製冷介質為20-30K的氦氣。
10.根據權利要求9所述的海上型超導風力發電機，其特徵在於所述杜瓦為雙層杜瓦，杜瓦外壁固定在轉子支承箱體上，杜瓦內壁固定在轉子支承上。
專利摘要本實用新型涉及適用於近海的海上型超導風力發電機，包括定子系統、轉子系統和冷卻系統，轉子系統的轉子線圈組件包括磁體骨架、高溫超導線圈以及線圈緊固件；所述磁體骨架呈環形跑道狀，中空部分為製冷介質流道，位於磁體骨架的側面設置有環形凹槽，通過凹槽纏繞雙層高溫超導線圈，高溫超導線圈外部設置有防止高溫超導線圈向外鬆開的線圈緊固件，同時線圈緊固件的一端設置有電流引線接口，以便於穿過高溫超導電流引線；冷卻系統用於冷卻轉子系統，實現閉環冷卻工作；本實用新型單機容量大，體積小、重量輕，即功率密度高；轉子系統的轉子線圈採用高溫超導材料，沒有電阻發熱損耗，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 優先權日2011年12月5日
發明者馮玲, 況明偉, 吳建東, 宋曉衛, 楊燁, 王立聞, 蔣煜東 申請人:中國東方電氣集團有限公司