超导机器中的场线圈支承结构和模块化场线圈设计制造技术

本发明专利技术涉及一种电机，其包括环形电枢组件和非旋转环形场绕组组件，非旋转环形场绕组组件与电枢组件同轴并且通过间隙与电枢组件分离。场绕组组件包括场线圈支承结构，场线圈支承结构具有形成于其中并且围绕场线圈支承结构延伸的凹陷部的环形阵列。场绕组组件进一步包括各自设置于凹陷部的环形阵列的凹陷部中的多个超导线圈。公开了一种发电机和用于生成电功率的方法。电功率的方法。电功率的方法。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】超导机器中的场线圈支承结构和模块化场线圈设计

技术介绍

[0001]本专利技术涉及电力发电机，并且特别地涉及电机，所述电机包括超导绕组并且在超导磁体降温期间并且继超导磁体降温之后维持和/或减小场线圈与电枢绕组线圈之间的磁隙。
[0002]大体上描述的典型的电机(诸如马达和发电机)包括场线圈和电枢绕组线圈。一旦施加电压，磁场就耦合场线圈和电枢绕组线圈。磁场的大小取决于经过场线圈的电流的量。电机内的磁应力转变成转矩，以便导致转子的旋转。磁场越高，针对电枢绕组线圈的给定的周长，每次旋转的转矩就越大。由于由超导材料引起的增大的磁场强度的原因，使用由超导材料制作的场线圈使得电机更紧凑、轻质并且高效。在本文中特别感兴趣的是描述为场线圈内部(FCI)构造的超导发电机。
[0003]在典型的超导发电机中，场线圈形成于一般由铝形成的大型、主线圈架结构上。在将场线圈从室温降温至接近绝对零的操作温度期间，沿径向方向和轴向方向发生场线圈架结构的热收缩。场线圈架结构的径向收缩导致在场线圈与电枢绕组线圈之间的磁隙的增大。磁隙的该增大导致超导发电机的性能(以及因此效率)降级。取决于设计，这例如对于具有4 m或更大的半径的典型的场线圈架结构能够高达65 mm。
[0004]长期以来一直感到需要能够生成多兆瓦(MW)(例如10至35 MW)的电功率的超导发电机，该超导发电机将用于维持场线圈与电枢绕组线圈之间的最小磁隙的器件并入。所需要的发电机应当高度地可靠，并且具有合理的大小和重量，以允许经济的运送和安置。

技术实现思路

[0005]本公开的方面和优点在下文中在以下描述中阐明，或可以从描述明显可见，或可以通过实践本公开而领会。
[0006]根据一个实施例，公开了一种电机。该电机包括环形电枢组件和非旋转环形场绕组组件，非旋转环形场绕组组件与电枢组件同轴并且通过间隙与电枢组件分离。非旋转环形场绕组组件包括场线圈支承结构和多个超导线圈。场线圈支承结构包括形成于其中并且围绕场线圈支承结构延伸的凹陷部的环形阵列。多个超导线圈中的每个设置于凹陷部的环形阵列中的凹陷部中。
[0007]根据另一实施例，公开了一种发电机。该发电机包括环形电枢组件和非旋转环形场绕组组件，非旋转环形场绕组组件与电枢组件同轴并且通过间隙与电枢组件分离。非旋转环形场绕组组件包括场线圈支承结构和多个超导线圈。场线圈支承结构由具有可忽略的热膨胀系数的非收缩材料形成。多个超导线圈中的每个相对于场线圈支承结构设置。
[0008]根据又一实施例，公开了一种用于生成电功率的方法。该方法包括：在发电机中的非旋转环形场绕组组件中生成磁场；使发电机的电枢组件旋转；通过电枢环绕非旋转环形场绕组组件的旋转来在电枢组件中生成电流；以及使用冷却液体来使多个超导线圈冷却至超导条件，在该冷却液体使多个超导线圈冷却时该冷却液体至少部分地蒸发。场绕组组件包括场线圈支承结构和多个超导线圈。场线圈支承结构包括形成于其中并且围绕场线圈支
承结构延伸的凹陷部的环形阵列。多个超导线圈中的每个设置于凹陷部的环形阵列中的凹陷部中。电枢组件与非旋转环形场绕组组件同轴，并且电磁地耦合到非旋转环形场绕组组件，其中，非旋转环形场绕组组件通过间隙与电枢组件分离。场线圈支承结构由具有低的热膨胀系数的材料组成，以在使多个超导线圈冷却至超导条件期间，维持非旋转环形场绕组组件与电枢组件之间的间隙的尺寸。
[0009]参考以下说明书和所附权利要求，本公开的这些和其它特征、方面和优点将变得更好理解。并入本说明书中并构成其部分的附图图示本公开的实施例，并与说明书一起用来解释本公开的原理。
附图说明
[0010]本公开的完整且能够实现的公开(包括其对于本领域技术人员的最佳模式)在本说明书的剩余部分中更特别地阐明，包括对附图的参考，在附图中：图1是根据本公开的一个或多个实施例的图示电枢组件与非旋转或静止场绕组分开的超导发电机的示意图；图2是根据本公开的一个或多个实施例的图示围绕场绕组设置并且包括模块化场线圈的电枢的超导发电机的示意图；图3是根据本文中所提出的一个或多个实施例的以横截面示出具有环形旋转电枢并且被电枢包绕的非旋转超导场绕组的超导发电机的示意图；图4是根据本文中所提出的一个或多个实施例的包括超导场绕组的多个模块化场线圈的线圈架结构的透视图；以及图5是根据本文中所提出的一个或多个实施例的穿过图3的线5
‑
5截取的横截面视图。
[0011]对应的参考字符贯穿在全部附图的若干视图中指示对应部分。
具体实施方式
[0012]将在下文中描述本公开的一个或多个具体实施例。为了提供这些实施例的简明描述，可能未在说明书中描述实际实施方式的所有特征。应当意识到，在任何这样的实际实施方式的开发中，如在任何工程或设计项目中那样，必须作出大量特定于实施方式的决策，以实现开发者的可能因实施方式而异的具体目标，诸如遵守与系统相关的约束条件和与商业相关的约束条件。此外，应当意识到，这样的开发努力可能复杂并且耗时，但对于得益于本公开的普通技术人员而言，这样的开发努力将不过是设计、制备以及制造的常规任务。
[0013]当介绍本专利技术的各种实施例的元件时，冠词“一”、“一个”、“该”以及“所述”旨在意味着存在元件中的一个或多个。用语“包含”、“包括”以及“具有”旨在为包括性的，并且意味着可能存在除了所列出的元件之外的额外的元件。
[0014]已开发包括围绕场线圈绕组设置的电枢绕组的超导交流(AC)发电机。
[0015]图1和图2是处于拆卸(图1)构造和组装(图2)构造的根据本公开的一个实施例的超导发电机100的示意图。超导发电机100可以代表在风力涡轮、马达或发电机中(例如在发电机由燃气涡轮驱动的应用中)使用的超导发电机的一个实施例。图1和图2中所描绘的超导发电机100是构造成具有场线圈内部(FCI)设计的径向场电机。参考标号110和112分别代
表超导发电机100的径向方向和轴向方向。
[0016]如图1和图2中所描绘的，超导发电机100包括非旋转(在本文中也被称为静止)环形场绕组组件102和设置于壳体106中的环形旋转电枢组件104。特别地，图1描绘超导发电机100的分解图，以单独地示出非旋转场绕组组件102和环形旋转电枢组件104。
[0017]非旋转场绕组组件102设置成与环形旋转电枢组件104相邻。如本文中所使用的，在一个实施例中，关于非旋转场绕组组件102和环形旋转电枢组件104的定位，用语“设置成与
……
相邻”指的是将非旋转场绕组组件102和环形旋转电枢组件104相对定位以致于非旋转场绕组组件102被环形旋转电枢组件104包绕(如图2中所图示的那样)。
[0018]而且，非旋转场绕组组件102包括超导场绕组108。超导场绕组可以包括使用在足够低的温度下转变成超导状态的导电材料来制作的一个或多个模块化场线圈(未示出)。这样的材料包括铌锡合金、铌钛合金、二硼化镁合金、已表现出超导性质的大量陶瓷材料中的任何或它们的组合。通常，包括诸如但不本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1. 一种电机，包括：环形电枢组件；和非旋转环形场绕组组件，其与所述电枢组件同轴并且通过间隙与所述电枢组件分离，其中，所述场绕组组件包括：场线圈支承结构，其具有形成于其中并且围绕所述场线圈支承结构延伸的凹陷部的环形阵列；以及多个超导线圈，所述多个超导线圈中的每个设置于所述凹陷部的环形阵列的凹陷部中。2.根据权利要求1所述的电机，其中，所述电枢组件围绕所述非旋转环形场绕组组件形成，以限定场线圈内部(FCI)构造。3.根据权利要求1所述的电机，其中，所述多个超导线圈中的每个是跑道状超导线圈。4.根据权利要求1所述的电机，其中，所述多个超导线圈中的每个形成所述凹陷部的环形阵列中的相应一个凹陷部内的搭扣配合接头。5.根据权利要求1所述的电机，其中，所述场线圈支承结构由具有低热膨胀系数的材料形成。6.根据权利要求5所述的电机，其中，所述场线圈支承结构由因瓦合金形成。7.根据权利要求5所述的电机，其中，所述场线圈支承结构由科瓦合金形成。8.根据权利要求1所述的电机，进一步包括围绕所述多个超导线圈设置的至少一个分节段热屏蔽件和设置成相对于所述多个超导线圈支承所述至少一个分节段热屏蔽件的一个或多个支承支柱。9. 一种发电机，包括：环形电枢组件；和非旋转环形场绕组组件，其与所述电枢组件同轴并且通过间隙与所述电枢组件分离，其中，所述场绕组组件包括：场线圈支承结构，其由具有可忽略的热膨胀系数的非收缩材料形成；以及多个超导线圈，所述多个超导线圈中的每个相对于所述场线圈支承结构设置。10.根据权利要求9所述的发电机，其中，所述电枢组件围绕所述非旋转环形场绕组组件形成，以限定场线圈内部(FCI)构造。11.根据权利要求9所述的发电机，其中，所述多个超导线圈中的每个是跑道状超导线圈。12.根据权利要求9所述的发电机，其中，所述多个超导线圈中的每个联接到所述场线圈支承结构。13.根据权利要求9...

【专利技术属性】
技术研发人员：E，
申请(专利权)人：通用电气公司，
类型：发明
国别省市：