双定子超导无刷双馈风力发电机制造技术

本发明专利技术是一种双定子超导无刷双馈风力发电机，该电机具有外定子(1)，转子(4)和内定子(7)，且外定子(1)需采用分段组装的结构。单体杜瓦磁体(11)环绕在外定子(1)的外定子轭(2)上，经外部连接后形成整距分布的控制绕组。每个单体杜瓦磁体(11)由一个外层杜瓦(12)和一个内层杜瓦(13)组成，内层杜瓦(13)内部放置着超导线圈(14)。内定子(7)上安放有短距分布的功率绕组(9)，可使用铜线或者超导线材制作。为使双馈电机的性能优良，控制绕组和功率绕组必须都采用分布绕组的形式。超导控制绕组的极对数psc，功率绕组的极对数pcw，转子导磁铁心块(6)的个数nr，必须满足关系nr＝psc+pcw。转子非导磁块(5)和转子导磁铁心块(6)的个数相等。

Double stator doubly fed doubly fed wind generator

The invention is a double stator superconducting brushless doubly fed wind power generator. The motor has outer stator (1), rotor (4) and inner stator (7), and the outer stator (1) needs a piecewise assembled structure. A single Dewar magnet (11) is encircled on the outer stator yoke (2) of the outer stator (1) to form a control winding with an integral distance distribution after the external connection. Each single Dewar magnet (11) consists of a outer layer of Dewar (12) and an inner layer Dewar (13), and a superconducting coil (14) is placed inside the inner layer of Dewar (13). The inner stator (7) is arranged on the power winding pitch distribution (9), using copper wire or superconducting wire production. In order to make the doubly fed motor with excellent performance, the controlled winding and the power winding must be used in the form of distributed winding. The logarithmic PSC of the superconducting winding, the pole logarithm PCW of the power winding, the number of the number NR of the rotor guide magnet core (6), must satisfy the relation NR = psc+pcw. The number of the rotor non - magnetic block (5) is equal to the number of the rotor guide magnet block (6).

【技术实现步骤摘要】
双定子超导无刷双馈风力发电机
本专利技术涉及一种双定子结构且应用了超导材料的无刷双馈风力发电机技术,属于电机

技术介绍
确保能源供应安全，是保证国家经济健康、快速发展的基础。为应对化石能源危机、环境污染等现实问题，国家出台了一系列相关政策，大力推动风能、太阳能、水能、先进核能等清洁能源发展，其中风能是发展最快的新能源之一。在《中国制造2025-能源装备实施方案》中，对风电装备的主要任务和实施方案做了详细描述：开发适用于轮毂中心高度100-200米大型陆上风力发电机组，开发10MW级海上大功率风力发电机组、海上漂浮式风力发电机组及各种基础结构，掌握自主知识产权的5-7MW大型风电机组、10MW级大型风电机组(双馈和直驱)及关键部件，重点突破超长低风速叶片、超大功率高温超导风力发电机、大功率直驱永磁同步风力发电机等。海上风资源丰富、风速高、风速稳定，且不抢占陆上资源，运行噪声对陆上环境影响小，因此成为了风电发展的新方向。为降低度电成本，发展10MW及以上的海上风电机组成为业界公认的技术趋势。若采用普通的永磁直驱方案研发10MW的风电机组，其重量和体积将对风力发电机组的制造、运输、安装带来重大的困难。超导材料在其要求的条件下具有零电阻的特性，能承受很大的电流密度。若将超导材料应用于电机中，可使电机的磁负荷或者电负荷提高2-3倍，从而减小电机的重量和体积，而且为避免铁磁材料的饱和问题，超导电机多采用空气绕组，进一步减小了电机的重量和体积，这使超大功率海上风电机组的研发成为可能。已有研究表明，同为10MW的电机，超导电机的重量仅为150吨，直径低于5米，与常规电机相比降低了50％左右。随着高温超导材料的快速发展，高温超导电机也得到了广泛研究，其中研究最广、最深入的是基于常规电机结构的超导励磁同步电机。将超导励磁安装在转子上，称为转磁式超导电机，它的励磁电流需经过电刷和滑环导入，冷却液也需要采用旋转密封输入，设计难度大。将超导励磁安装在定子上，称为转枢式超导电机，虽解决了旋转密封的问题，但电枢电流的输出仍需要电刷与滑环，也降低了电机的可靠性。近年来出现的超导励磁磁通切换电机、超导励磁游标电机是在定子励磁型电机的基础上发展来的，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，铁磁材料的饱和问题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。不论是传统结构的超导同步电机还是定子励磁型的超导同步电机，都需要全功率的变流器进行控制，全功率变流器的使用进一步提高了超导电机系统的成本，不利于其推广使用。近年来无刷双馈电机也是学术界的研究热点，它不但去除了异步双馈电机的电枢与滑环，而且保留了只需部分功率变换器进行控制的优势，但其功率密度比异步电机低。如果将超导技术和无刷双馈电机技术结合起来，开发一款超导无刷双馈电机，例如使用超导材料制作无刷双馈电机的控制绕组。当电机容量达到10MW的级别时，超导控制绕组的容量大约有3MW左右，因超导体在一定的条件下具有零电阻特性，所以与铜线控制绕组相比，将有明显的节能效果，能显著提高电机的效率。同时，与10MW超导直流励磁同步电机相比，10MW的超导无刷双馈电机的功率变换器的容量只需3MW左右，大大降低了超导发电系统的成本。基于上述优势，本文专利技术了一种超导无刷双馈电机，重点针对大功率的海上风力发电机。传统的单定转子结构的无刷双馈电机，控制绕组和功率绕组位于同一定子铁心，绕组间存在空间竞争，安排困难，并且两套绕组间容易出现直接耦合。为此本文采用双定子的结构型式，控制绕组和功率绕组分别位于内外定子上，简单凸极转子嵌套在两个定子之间。超导无刷双馈电机的显著优势，使其在学术研究和工业应用上具有光明的前景。
技术实现思路
技术问题：为了避免动态旋转密封的冷却系统存在的安装复杂、可靠性低等诸多问题，本专利技术提出的一种双定子超导无刷双馈风力电机，实现了超导磁体冷却系统的静态密封，同时降低了系统损耗，提高了电机的功率密度和效率，根据变速恒频双馈电机工作原理，应用部分功率变换器控制电机实现变速恒频发电功能，进一步减小了发电系统的成本。技术方案：本专利技术的双定子超导无刷双馈风力发电机具有两个定子和一个磁阻转子，分别是外定子、转子和内定子；其中，转子位于外定子与内定子之间，转子包括顺序依次重复设置的转子非导磁块和转子导磁铁心块，外定子包括外定子轭和环绕在外定子轭上的单体杜瓦磁体构成，单体杜瓦磁体的个数要能构成整数槽的整距分布绕组，内定子上设有短距分布的功率绕组。其中，所述的外定子采用分段组装的形式，单体杜瓦磁体环绕在外定子的外定子轭上，经外部连接后形成整距分布的控制绕组。所述的控制绕组是由跑道型的超导线圈构成的环形整距分布绕组。所述的单体杜瓦磁体由一个外层杜瓦和一个内层杜瓦组成，内层杜瓦的内部放置着超导线圈，所述的控制绕组由超导线圈构成。所述的控制绕组和功率绕组都采用分布绕组的形式，控制绕组的极对数psc、功率绕组的极对数pcw、转子导磁铁心块的个数nr满足关系nr＝psc+pcw，转子非导磁块(5)和转子导磁铁心块的个数相等。所述的功率绕组采用整距分布绕组或短距分布绕组，使用铜线或者超导线材制作。所述的功率绕组和控制绕组的位置可以互换。所述的内定子和转子均可做成分块组装式。所述的内定子和外定子均可为有齿结构或无齿结构。工作原理：当超导线材进入超导状态后，在超导临界状态内，可向其中通入很大的交流励磁电流。向超导控制绕组中通入三相对称交流电，频率为fc，在外气隙中产生极对数为psc，旋转速度为的磁场，经转子导磁铁心块的调制作用，在内气隙中会建立极对数为pcw的磁场，与内定子上的功率绕组匝链。如果原动机拖动转子以速度n旋转，会在功率绕组中感应出感应电动势，对外输出电功率，电动势的频率为经公式变换可得，转子速度从而可看出，当转子速度变化时，通过调节频率fc，可使功率绕组频率fw保持不变，实现变速恒频运行。同理，如果在功率绕组中通入交流电，该电流会与磁场相互作用，产生电磁转矩，驱动转子旋转，对外输出机械功率，通过调节频率fc，可实现变速运行。有益效果：与现有同类电机相比，具有以下优点：1.功率绕组和控制绕组分别位于内外定子上，空间利于率高，结构紧凑；2.高温超导控制绕组置于定子上，静止不动，绕组的电流可直接导入，不需要经过电刷与滑环；超导冷却液也可直接导入，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；3.与大功率高温超导同步电机相比，使用部分功率变换器，大大降低超导发电系统的成本；4.与传统无刷双馈电机相比，使用超导线材制作控制绕组，减小了电机的铜耗，提高了电机的效率，尤其是超大功率的电机，高效节能效果更加明显；5.定子可为无齿结构，磁场受齿饱和特性的限制小，有利于提高电机的转矩/功率密度；6.每个超导线圈进行单独冷却，便于在线监测，当超导线圈发生故障时，只需对问题线圈进行修理、维护，操作方便；7.电机的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。附图说明图1为本专利技术电机的整体装配示意图；图2为本专利技术电机的单体超导磁体的装配示意图；图3为本专利技术电机的单段外定子的示意图；图本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种双定子超导无刷双馈风力发电机，其特征在于该发电机具有两个定子和一个磁阻转子，分别是外定子(1)、转子(4)和内定子(7)；其中，转子(4)位于外定子(1)与内定子(7)之间，转子(4)包括顺序依次重复设置的转子非导磁块(5)和转子导磁铁心块(6)，外定子(1)包括外定子轭(2)和环绕在外定子轭(2)上的单体杜瓦磁体(11)构成，单体杜瓦磁体的个数要能构成整数槽的整距分布绕组，内定子(7)上设有短距分布的功率绕组(9)。

【技术特征摘要】
1.一种双定子超导无刷双馈风力发电机，其特征在于该发电机具有两个定子和一个磁阻转子，分别是外定子(1)、转子(4)和内定子(7)；其中，转子(4)位于外定子(1)与内定子(7)之间，转子(4)包括顺序依次重复设置的转子非导磁块(5)和转子导磁铁心块(6)，外定子(1)包括外定子轭(2)和环绕在外定子轭(2)上的单体杜瓦磁体(11)构成，单体杜瓦磁体的个数要能构成整数槽的整距分布绕组，内定子(7)上设有短距分布的功率绕组(9)。2.如权利要求1所述的双定子超导无刷双馈风力发电机，其特征在于，所述的外定子(1)采用分段组装的形式，单体杜瓦磁体(11)环绕在外定子(1)的外定子轭(2)上，经外部连接后形成整距分布的控制绕组。3.如权利要求2所述的双定子超导无刷双馈风力发电机，其特征在于，所述的控制绕组是由跑道型的超导线圈构成的环形整距分布绕组。4.如权利要求1或2所述的双定子超导无刷双馈风力发电机，其特征在于，所述的单体杜瓦磁体(11)由一个外层杜瓦(12)和一个内层杜瓦(13)组成，内层杜瓦(13...

【专利技术属性】
技术研发人员：程明，朱新凯，韩鹏，魏新迟，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32