双定子超导励磁场调制电机

摘要

本发明公开了一种双定子超导励磁场调制电机，包括由外向内或由左向右依次布置的第一定子、转子和第二定子，所述第一定子和转子之间具有第一气隙，所述第二定子和转子之间具有第二气隙；所述第一定子包括定子轭和电枢绕组，该定子轭具有一靠近转子的第一侧面，所述电枢绕组位于该第一侧面；所述转子包括间隔排列的导磁铁心块和非导磁材料块；所述第二定子包括非导磁定子支架，及固定于定子支架上的高温超导励磁绕组。本发明体积小，重量轻，效率高，既发挥了高温超导绕组适合直流电流的特性，又避免了传统转子励磁型高温超导电机中所必需的冷却液旋转密封问题；结构简单，电机定子采用模块化结构，便于运输及现场安装，在海上风电等场合有很好的应用前景。

权利要求

1.一种双定子超导励磁场调制电机，其特征在于，包括由外向内或由左向右依次布置的第一定子（1）、转子（3）和第二定子（5），所述第一定子和转子之间具有第一气隙（2），所述第二定子和转子之间具有第二气隙（4）；

所述第一定子包括定子轭（11）和电枢绕组（13），该定子轭具有一靠近转子的第一侧面，所述电枢绕组位于该第一侧面；所述转子包括间隔排列的导磁铁心块(31)和非导磁材料块（32）；所述第二定子包括非导磁定子支架(51)，及固定于定子支架上的高温超导励磁绕组(52)；

所述第二定子超导励磁绕组的极对数psc、转子导磁铁心块的个数nr、以及电枢绕组的等效极对数ps满足以下关系：psc=nr-ps；

所述电枢绕组（13）为常规电枢绕组或高温超导绕组，所述电枢绕组（13）为集中式绕组或分布绕组；

定子铁心为凸极结构或隐极结构；

所述第一定子上靠近转子的一侧均匀设置有定子齿（12），相邻定子齿之间形成凹槽，所述电枢绕组嵌入于该凹槽中；

当超导线材进入超导状态后，其直流电阻为0，在其中通入直流励磁电流，从而在内气隙中建立极对数为psc的强磁场，经转子导磁块的调制作用，在外气隙中建立极对数为ps的磁场，该磁场匝链外定子上的电枢绕组；当转子由原动机拖动旋转，则外气隙磁场将随之发生交变，在电枢绕组中感应出电动势，对外输出电功率；当在电枢绕组中通入交流电流，则该电流与磁场相互作用，产生电磁转矩，驱动转子旋转，对外输出机械功率。

说明书

双定子超导励磁场调制电机

技术领域

[0001] 本发明属于电机技术领域，尤其是一种具有超导励磁的场调制电机。

背景技术

[0002] 随着海上风电、舰船电力推进等的快速发展，对电机系统的体积、重量、效率等技术指标提出了越来越高的要求。以风力发电机为例，随着风力发电从陆上向海上发展，为提高发电效率，降低单位容量的发电成本，单机容量越来越大，5MW的风力发电机组已入运行，目前国际上正在研制10MW或更大容量的风力发电机。随着单机容量的增大，发电机组重量和体积变得十分巨大，例如，10MW的普通永磁直驱风力发电机重量高达300 吨，直径超过10 米，对塔架提出了严峻挑战，同时使风力发电机组的制造、运输、安装等带来了更大困难。因此，如何减小风力发电机的体积和重量，提高发电效率，成为国内外关注的焦点。

[0003] 近年来，高温超导技术的迅速发展，使得高温超导材料在电机等领域得到广泛而深入的研究。已有数据表明，在液氮冷却条件下，高温超导块材的俘获磁场可达2.3T-77K，远高于目前永磁体的磁场强度，而第二代高温超导Y系线材的临界电流密度也已经达到3×106A/cm2（77K，0T）。这意味着将高温超导材料取代传统电机中的绕组和永磁体，能够显著提高电机的功率密度，降低电机重量，减小电机体积。已有研究表明，同为10MW的超导电机，其重量仅为150吨，直径低于5米，其重量和体积均可降低至常规电机的50%。

[0004] 然而，常规结构的同步电机，励磁绕组位于转子，不仅励磁电流需经过电刷和滑环导入，冷却液更需采用旋转密封输入，使电机结构复杂，成本高，可靠性降低；而在近年出现的定子励磁型电机（如磁通切换永磁电机）基础上改变而来的超导励磁磁通切换电机，其工作原理决定了该电机必须由铁磁材料构成凸极式定子和转子，铁磁材料的饱和磁密限制了超导材料性能的发挥。同时，励磁绕组和电枢绕组位于同一个定子铁心中，空间安排困难，也限制了电机功率密度的进一步提高。因此，研制高功率密度、高效率、结构简单可靠的新型超导电机具有深远的意义。

发明内容

[0005] 发明目的：提供一种双定子超导励磁场调制电机，其具有静止超导励磁绕组，且转矩密度和功率因数较高，可应用于大功率场合，从而解决现有技术存在的上述问题。

[0006] 技术方案：一种双定子超导励磁场调制电机，包括由外向内或由左向右依次布置的第一定子、转子和第二定子，所述第一定子和转子之间具有第一气隙，所述第二定子和转子之间具有第二气隙；

[0007] 所述第一定子包括定子轭和电枢绕组，该定子轭具有一靠近转子的第一侧面，所述电枢绕组位于该第一侧面；所述转子包括间隔排列的导磁铁心块和非导磁材料块；所述第二定子包括非导磁定子支架，及固定于定子支架上的高温超导励磁绕组；

[0008] 所述第二定子超导励磁绕组的极对数psc、转子导磁铁心块的个数nr、以及电枢绕组的等效极对数ps满足以下关系：psc=nr-ps。

[0009] 优选的，所述电枢绕组为常规电枢绕组或高温超导绕组。所述电枢绕组为集中式绕组或分布绕组。定子铁心可以为凸极结构或隐极结构。所述第一定子上靠近转子的一侧均匀设置有定子齿，相邻定子齿之间形成凹槽，所述电枢绕组嵌入于该凹槽中。

[0010] 有益效果：与现有同类电机相比，具有以下优点：

[0011] 1. 电枢绕组和超导励磁绕组分别置于第一定子和第二定子，空间利用率高，结构紧凑；

[0012] 2. 高温超导励磁绕组置于第二定子，静止不动，既发挥了高温超导绕组适合直流电流的特性，又避免了传统转子励磁型高温超导电机中所必需的冷却液旋转密封问题，励磁电流可直接导入，不需要经过电刷、滑环；超导冷却液可直接通入，不需要旋转密封，因此，电机结构简单，成本低，冷却效果好，可靠性高，高效节能；

[0013] 3. 第二定子为无铁心结构，气隙磁场不受铁心饱和特性的限制可高达2.5T以上，有利提高电机转矩/功率密度；

[0014] 4.利用了转子导磁块的调制作用，在第二定子超导励磁磁场极对数一定的情况下，通过合理设计调磁块数，可在外气隙中得到需要的磁场极对数，实现自增速或自减速；

[0015] 5. 电机定子易于采用模块化结构，便于运输及现场安装，在海上风电等场合有很好的应用前景。

[0016] 6. 将电枢绕组置于外定子，易于散热和冷却；将超导励磁绕组置于内定子，因超导绕组本身损耗小，加之有超导冷却液的冷却作用，克服了常规双定子电机中内定子因被包裹在转子和外定子内，导致散热困难，需要采取特别冷却措施等问题。

附图说明

[0017] 图1为本发明的截面结构示意图。

具体实施方式

[0018] 如图1所示，在图中，第一定子、转子和第二定子同心排列。由外至内，依次为同轴心的第一定子（外定子）1、第一气隙（外气隙）2、转子3、第二气隙（内气隙）4和第二定子（内定子）5；所述第一定子（外定子）1包括定子轭11、定子齿12和嵌入外定子槽内的外定子集中式绕组13；

[0019] 所述转子3包括沿圆周均匀分布的转子导磁铁心块31和非导磁块32；所述第二定子5（内定子）包括非导磁支架51和固定其上的高温超导励磁绕组52。所述第一定子1（外定子）有12个齿，每个齿上套一个集中绕组，12个齿上的绕组按一定规律进行连接，构成三相对称绕组；所述转子由8个导磁铁心块和8个非导磁块间隔排列，沿圆周均匀分布；第二定子（内定子）5上的4个超导励磁线圈通入直流电流后形成2对极磁场，经转子导磁块调制后在外气隙2中形成6对极磁场。

[0020] 本发明中，第二定子（内定子）5上的超导励磁绕组，可根据应用需要设计成不同极对数；转子导磁铁心块数可根据需要取不同块数，但超导励磁磁场极对数psc、转子导磁铁心块数nr和外定子电枢绕组等效极对数ps必须满足关系：nr = psc+ps。

[0021] 本发明中，外定子铁心可以采用隐极式结构，电枢绕组可以采用分布式绕组，将电枢绕组通过环氧浇注等方式固定在外定子铁心上即可。

[0022] 本发明中，转子导磁铁心块的尺寸和形状，可根据设计需要进行优化。

[0023] 本发明的双定子超导励磁场调制电机，外定子电枢绕组磁场极对数与内定子超导励磁磁场极对数不同。

[0024] 工作原理：当超导线材进入超导状态后，其直流电阻为0，可在其中通入很大的直流励磁电流，从而在内气隙中建立极对数为psc的强磁场，经转子导磁块的调制作用，在外气隙中建立极对数为ps的磁场，该磁场匝链外定子上的电枢绕组。如果转子由原动机拖动旋转，则外气隙磁场将随之发生交变，在电枢绕组中感应出电动势，对外输出电功率；如果在电枢绕组中通入交流电流，则该电流与磁场相互作用用，产生电磁转矩，驱动转子旋转，可对外输出机械功率。

[0025] 本发明中，双定子超导励磁场调制电机的外定子、外气隙、转子、内气隙和内定子，不仅可由外至内同心排列，也可以按由左至右（或反之）的方式排列，构成轴向磁场双定子超导励磁场调制电机。在本发明中，高温超导材料通常指在液氮温度（77 K）以上超导的材料。

[0026] 总之，本发明将高温超导励磁绕组置于内定子，电枢绕组置于外定子，并利用转子导磁铁心块的磁场调制作用，可实现电机本身的磁场自增速。与现有超导电机相比，在实现超导绕组静止，不需要电刷、滑环以及旋转密封，并利用转子导磁铁心块的场调制作用，实现自增速或自减速，结构紧凑，绕组绕制方便，电机体积和重量可显著减小，转矩密度得以提高。因此，本发明所述双定子超导励磁场调制电机具有很高的科研价值和工程实用价值。

[0027] 以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。