一种定子励磁型高温超导场调制电机制造技术

一种定子励磁型高温超导场调制电机，包括相对设置定子、转子、高温超导励磁绕组和电枢绕组；在定子的内侧上设置有等距排列的定子齿，相邻的定子齿之间为定子槽；所述高温超导励磁绕组隔齿绕制在所述定子齿上；在转子的外侧上设置有等距排列的转子凸极；所述电枢绕组为三相对称绕组，以跨距为2的分布绕组形式嵌放在定子槽内，所述定子与转子之间设有气隙。本发明专利技术有效解决了高温超导励磁绕组的静密封冷却问题，利用磁齿轮效应能够获得较高的功率密度，非常适合诸如风力发电等的低速大转矩直驱应用场合。本发明专利技术所涉及电机在简化制造工艺、提高电机机械可靠性和运行稳定性、降低加工和运行成本、提高机电转换能力方面具有明显优势。

Stator excitation type high temperature superconducting field modulating motor

A stator excitation type high temperature superconducting field modulated motor, including the relative set of stator and rotor and high temperature superconducting field and armature windings in the stator; the inside is arranged on the stator teeth are arranged on the stator slot between adjacent stator teeth; the high temperature superconducting field winding across the tooth wound on the stator tooth in the outer rotor; the rotor is arranged on the convex spaced poles; the armature winding for three-phase symmetrical windings, which span 2 forms of distributed winding embedded in the stator slots, and an air gap is arranged between the stator and rotor. The invention effectively solves the problem of high temperature superconducting field winding of the static seal cooling, can obtain higher power density using the magnetic gear effect, very suitable for low speed and high torque such as wind power and other direct drive applications. The motor of the invention has obvious advantages in simplifying the manufacturing process, improving the mechanical reliability and the operation stability of the motor, reducing the processing and running cost, and improving the electromechanical conversion capability.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种定子励磁型高温超导场调制电机，属于电机的

技术介绍
近年来，风力发电技术日趋成熟，过去二十年里风力发电成本下降了80％，成为发电成本最接近火电的新能源发电方式，这使得风力发电具备了大规模商业化运作的基础。当前，风力发电已经成为世界各国政府的战略性产业和国内外专家学者研究的热点之一。与采用增速齿轮增速的高速永磁风力发电系统相比，直驱型永磁风力发电系统，由于取消了增速齿轮，系统结构简单、效率高、可靠性高、动态响应快、维护费用低，在未来的风力发电系统中，具有较大的发展潜力。然而，随着风力发电系统单机容量的不断提高，传统的低速直驱永磁同步发电机，为保证其输出电压和频率在正常的范围内，往往需要采用较大的定转子直径，电机本体体积大，质量重，这给电机的设计、制造、运输和安装带来了很大难度。场调制永磁电机作为一种新型电机拓扑结构，利用磁齿轮效应，在保证转子低速旋转的情况下，能够实现定子电枢绕组的高速磁场设计，结构简单紧凑，功率密度高，非常适合诸如风力发电等的低速直驱应用场合。目前，场调制永磁电机作为一种低速大转矩直驱电机解决方案，已经成为电机领域的研究热点之一，各种新型场调制电机拓扑结构也陆续被提出和研究。另外，高温超导技术的迅速发展，使得高温超导材料在电机、飞轮储能、磁悬浮等领域得到广泛而深入的研究。已有数据研究表面，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，而二代高温超导钇系线材的临界电流密度也已达到3×106A/cm2(77K，0T)。这意味着采用高温超导励磁取代传统电机中的永磁励磁，能够产生强励磁磁场，可以显著提高电机的功率密度，降低电机重量，减小电机体积，非常适合大功率风力发电系统的需求。对于超导励磁电机而言，根据超导励磁绕组安放的位置，可以将其分为转子励磁型和定子励磁型两大类。对于转子励磁型高温超导电机而言，高温超导励磁绕组布置在转子上，这就需要将整个转子进行密封并通过低温介质维持低温环境。因此，转子励磁型高温超导电机必须采用动态旋转密封装置来实现低温冷却介质在旋转的转子与外部冷却设备间的流通。这种动态旋转密封装置不仅结构复杂、价格昂贵，而且为保证其密封性能还需要定期检修维护，大大增加了高温超导电机的运行成本。此外，转子励磁型高温超导电机需要通过滑环和电刷为超导励磁绕组提供直流电，这更加增加了该类电机的设计和加工难度，且降低了电机整体可靠性。与之不同，定子励磁型高温超导电机由于高温超导励磁绕组放置在静止的定子侧，不但省去了滑环和电刷等换相结构，而且能够采用静密封实现超导励磁绕组的冷却，从而大大减小了电机设计难度，降低了加工成本，提高了可靠性。综上所述，从改善风力发电系统可靠性，进一步提高风力发电系统单机容量及电机功率密度的角度出发，基于场调制电机适合低速直驱应用的特点以及具有高功率密度的特性，并结合定子励磁型高温超导电机易于实现静密封冷却且适合大功率应用场合的优势，提出一种适合低速大转矩直驱应用的定子励磁型高温超导场调制电机拓扑结构，具有重要的理论意义和工程实用价值。中国专利CN104883015A和CN204652178U公开的“双定子超导励磁场调制电机”虽然能够实现高温超导励磁绕组的静密封以及基于磁场调制原理实现机电能量转换，但是该电机由内、外定子以及置于二者之间旋转的转子等三部分构成，转子又由间隔排列的导磁块和非导磁块组装而成，机械应力承受能力有待改善，加之两层气隙，使得该电机的加工制造困难，可靠性低，而且超导励磁绕组位于内定子，由于外部需要装配转子和外定子，这使得超导冷却液的导入也比较困难，因此，该专利所提技术方案的可行性较小。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术提供一种定子励磁型高温超导场调制电机。本专利技术为了解决传统的低速直驱永磁同步电机功率密度低以及转子励磁型高温超导电机低温冷却系统动密封结构复杂、可靠性低的问题，提供了一种结构简单、加工方便的定子励磁型高温超导场调制电机拓扑结构。本专利技术的技术方案：一种定子励磁型高温超导场调制电机，包括相对设置定子、转子、高温超导励磁绕组和电枢绕组；在定子的内侧上设置有等距排列的定子齿，相邻的定子齿之间为定子槽；内侧处形成齿槽交替结构，定子由硅钢片叠压而成；所述高温超导励磁绕组隔齿绕制在所述定子齿上；所有高温超导励磁绕组通以相同的直流电，形成的磁场方向相同，均为沿径向向内或向外；在转子的外侧上设置有等距排列的转子凸极；转子由硅钢片叠压而成，其上未布置任何绕组；所述电枢绕组为三相对称绕组，以跨距为2的分布绕组形式嵌放在定子槽内，电枢绕组通以对称三相交流电，能够形成具有一定极对数的电枢磁场；所述定子与转子之间设有气隙。根据本专利技术优选的，所述定子齿的个数为Ns、所述高温超导励磁绕组的线圈个数Nf之间满足以下关系：Ns＝2×Nf，所述定子齿的个数为Ns为3的整数倍。此处设计是为能够绕制出三相对称电枢绕组。根据本专利技术优选的，所述转子凸极的个数Nr、高温超导励磁绕组的线圈个数Nf、电枢绕组形成电枢磁场的极对数Pa之间满足以下关系：Nr＝Nf+Pa。根据本专利技术优选的，所述定子励磁型高温超导场调制电机为环形旋转电机，包括外壳，在所述外壳内且沿径向依次同轴设置有定子、转子和电机转轴；所述定子和转子均为环形导磁体，在定子的内环上设置有等距排列的定子齿；内环处形成齿槽交替结构，定子由硅钢片叠压而成；所述高温超导励磁绕组隔齿绕制在所述定子齿上；所有高温超导励磁绕组通以相同的直流电，形成的磁场方向相同，均为沿径向向内或向外；所述转子固定设置在电机转轴上，在转子的外环上设置有等距排列的转子凸极；转子由硅钢片叠压而成，其上未布置任何绕组；所述电枢绕组为三相对称绕组，以跨距为2的分布绕组形式嵌放在定子槽内，电枢绕组通以对称三相交流电，能够形成具有一定极对数的电枢磁场；所述定子与转子之间设有气隙。能够保证转子自由旋转。根据本专利技术优选的，所述外壳为铝制环形部件。用于固定定子。根据本专利技术优选的，所述定子齿的个数为Ns、所述高温超导励磁绕组的线圈个数Nf之间满足以下关系：Ns＝2×Nf，所述定子齿的个数为Ns为3的整数倍。此处设计是为能够绕制出三相对称电枢绕组。根据本专利技术优选的，所述转子凸极的个数Nr、高温超导励磁绕组的线圈个数Nf、电枢绕组形成电枢磁场的极对数Pa之间满足以下关系：Nr＝Nf+Pa根据本专利技术优选的，所述定子励磁型高温超导场调制电机为直线形电机。在本
中，所述直线形电机包括定子和动子，其动子就是对应本专利技术中所述的转子，因此下文中所述直线形电机的转子就是对应其动子部分。根据本专利技术优选的，所述定子齿的个数为Ns、所述高温超导励磁绕组的线圈个数Nf之间满足以下关系：Ns＝2×Nf，所述定子齿的个数为Ns为3的整数倍。此处设计是为能够绕制出三相对称电枢绕组。根据本专利技术优选的，所述转子凸极的个数Nr、高温超导励磁绕组的线圈个数Nf、电枢绕组形成电枢磁场的极对数Pa之间满足以下关系：Nr＝Nf+Pa。本专利技术的有益效果：1.本专利技术所述定子励磁型高温超导场调制电机能够获得理想的运行性能，有利于改善电机可靠性和稳定性，降低加工和运行成本，提高机电转换能力和功率密度，非常适合诸如风力发电等的低速大转矩直驱本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种定子励磁型高温超导场调制电机，包括相对设置定子、转子、高温超导励磁绕组和电枢绕组；其特征在于，在定子的内侧上设置有等距排列的定子齿，相邻的定子齿之间为定子槽；所述高温超导励磁绕组隔齿绕制在所述定子齿上；在转子的外侧上设置有等距排列的转子凸极；所述电枢绕组为三相对称绕组，以跨距为2的分布绕组形式嵌放在定子槽内，所述定子与转子之间设有气隙；所有高温超导励磁绕组通以相同的直流电，形成的磁场方向相同，均为沿径向向内或向外。

【技术特征摘要】
1.一种定子励磁型高温超导场调制电机，包括相对设置定子、转子、高温超导励磁绕组和电枢绕组；其特征在于，在定子的内侧上设置有等距排列的定子齿，相邻的定子齿之间为定子槽；所述高温超导励磁绕组隔齿绕制在所述定子齿上；在转子的外侧上设置有等距排列的转子凸极；所述电枢绕组为三相对称绕组，以跨距为2的分布绕组形式嵌放在定子槽内，所述定子与转子之间设有气隙；所有高温超导励磁绕组通以相同的直流电，形成的磁场方向相同，均为沿径向向内或向外。2.根据权利要求1所述的一种定子励磁型高温超导场调制电机，其特征在于，所述定子齿的个数为Ns、所述高温超导励磁绕组的线圈个数Nf之间满足以下关系：Ns＝2×Nf，所述定子齿的个数为Ns为3的整数倍。3.根据权利要求2所述的一种定子励磁型高温超导场调制电机，其特征在于，所述转子凸极的个数Nr、高温超导励磁绕组的线圈个数Nf、电枢绕组形成电枢磁场的极对数Pa之间满足以下关系：Nr＝Nf+Pa。4.根据权利要求1所述的一种定子励磁型高温超导场调制电机，其特征在于，所述定子励磁型高温超导场调制电机为环形旋转电机，包括外壳，在所述外壳内且沿径向依次同轴设置有定子、转子和电机转轴；所述定子和转子均为环形导磁体，在定子的内环上设置有等距排列的定子齿；所述高温超导励磁绕组隔齿绕制在所述定子齿上；所述转子固定设置在电机转...

【专利技术属性】
技术研发人员：李祥林，刘圣炜，王玉彬，
申请(专利权)人：中国石油大学华东，
类型：发明
国别省市：山东;37