CN107707090B - 双定子超导无刷双馈风力发电机 - Google Patents
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Abstract
本发明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。
Description
技术领域
本发明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,属于电机技术领域。
背景技术
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，本文发明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。
发明内容
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，本发明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：本发明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为本发明电机的整体装配示意图；
图2为本发明电机的单体超导磁体的装配示意图；
图3为本发明电机的单段外定子的示意图；
图4为本发明电机的外定子齿的示意图；
图5为本发明电机中由单体超导磁体和单段定子组成的单瓣定子的示意图；
图6为本发明电机的无齿时外定子的示意图；
图7为本发明电机的整体外定子的示意图；
图8为本发明电机在亚同步运行时功率绕组空载电动势波形；
图9为本发明电机在同步运行时功率绕组空载电动势波形；
图10为本发明电机在超同步运行时功率绕组空载电动势波形。
图中有：外定子1、外定子轭2、外定子齿3、转子4、转子非导磁块5、转子导磁铁心块6、内定子7、内定子齿8、功率绕组9、单体杜瓦磁体11、外层杜瓦12、内层杜瓦13、超导线圈14。
具体实施方式
本发明的双定子超导无刷双馈风力发电机，包括两个定子和一个磁阻转子，三者由内向外同心排列或者由左向右同轴排列。现以同心排列的形式进行技术方案的阐述：三个部件由内向外依次称为内定子、转子和外定子，外定子和转子之间有外气隙，内定子和转子之间有内气隙；所述外定子包括外定子轭、外定子齿、跑道型的杜瓦瓶和环形整距分布的超导控制绕组；所述的超导控制绕组放置在杜瓦瓶内；所述的外定子齿间的空隙构成外定子槽，每一个外定子槽对应有一个杜瓦瓶，杜瓦瓶环绕在外定子轭上；所述杜瓦瓶内的超导线圈通过外部导线连接，构成环形整距分布的控制绕组；所述的外定子采用分段组装方式；所述内定子包括内定子轭、内定子齿和功率绕组，功率绕组由普通铜线制作，是短距分布的形式，被安放在内定子齿间的空槽内。所述转子包括沿圆周方向均匀分布的导磁铁心块和非导磁铁心块。
为了获得无刷双馈电机的良好性能，控制绕组和功率绕组必须均采用分布式绕组。但是超导线材的机械加工性能差，端扭设计困难，不适合设计成像铜线一样的跨极距的分布式绕组，而且复杂的机械形变会严重降低超导线材的载流能力，导致超导线材的优势无法发挥。若对超导控制绕组采用整体冷却的方案，超导线圈间的连接、超导线圈上的引出线(用于测量和监测超导磁体)的设计等会很复杂。故本发明重点提出了一种单体杜瓦磁体环绕在外定子轭上，构成环形分布绕组的方案。该方案中每个超导线圈进行单独的冷却，方便设置引出线，容易实现超导磁体的在线监测，且实现了超导线圈的静态冷却，避免了复杂的冷却系统。当某个超导线圈出现问题时，只需对问题线圈进行修理维护。虽然将超导磁体套在定子轭上会使一侧的超导线材无法得到有效的利用，但是常规的跨极距的分布式绕组端部长，与环形分布式绕组相比，超导线材的用量未必少，特别是当电机的径长比大且极对数较少时。
由于是将超导磁体套在外定子轭上，所以所述的外定子必须采用分块组装的方式。外定子轭被分成若干段，其段数与单体杜瓦磁体的个数相等，每段定子轭称为单段定子，如图3所示。一个单体杜瓦磁体和一个单段定子组成一个单瓣定子，如图5所示。所有的单瓣定子按相应的键槽安装并焊接，拼装成无定子齿的外定子，如图6所示。最后将定子齿，如图4所示，安装在定子轭相应的键槽内并焊接，拼装成如图7所示的完整的外定子。
所述的功率绕组和控制绕组的位置可以互换。
所述的功率绕组采用整距分布绕组或短距分布绕组。
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。
所述功率绕组的极对数为psw，转子导磁铁心块的个数为nr，控制绕组的极对数为pcw，三者必须满足关系：nr＝psw+pcw。
如图1所示,在图中，外定子1、转子4、内定子7同心排列。由外至内，依次为同轴心的外定子、外气隙、转子、内气隙和内定子。所述的外定子1包括外定子轭2、外定子齿3和跑道型杜瓦瓶11。所述的杜瓦瓶11由外层杜瓦12和内层杜瓦13组成，内层杜瓦13内有跑道型的超导线圈14，如图2所示。所述的外定子齿3，如图4所示，一共有12个。杜瓦瓶的个数和外定子齿的个数相等，所述的杜瓦瓶11环绕在外定子轭2上。所述的12个杜瓦瓶内的超导线圈14，通过外部导线连接，构成每极每相槽数为2，极对数为1的三相环形整距分布绕组。所述的外定子1是分段组装而成的，包括12个外定子齿，如图4所示，和12个单瓣定子，如图5所示。所述的内定子7包括内定子齿8、内定子轭10和嵌入内定子槽内由铜线绕制而成的功率绕组9。所述的内定子7不采用分段组装的方式。所述的内定子齿的个数为60个，所述的功率绕组9是每极每相槽数为2，极对数为4的短距分布绕组。所述的转子4包括沿圆周均匀分布的5个非导磁块5和5个导磁铁心块6，所述的转子导磁铁心块6的尺寸和形状，可根据设计需要进行优化。
由于超导磁体需要套在外定子轭上，所以外定子必须采用分段结构。由12个单段定子、12个定子齿和12个超导磁体拼装成整个外定子。具体安装步骤为：先将一个超导磁体套在如图3所示的单段定子上，构成一个单瓣定子，如图5所示。再将12个单瓣定子拼接在一起，构成无定子齿的外定子，如图6所示。最后将如图4所示的定子齿安放在相应的卡槽中，构成完整的外定子，如图7所示。
本发明中，超导控制绕组和铜线功率绕组可以互换位置，两套绕组的极对数可根据应用需要设计成不同的极对数，转子导磁铁心块数也可根据需要取不同的块数，但超导控制绕组的极对数psc，铜线功率绕组的极对数pcw，转子导磁铁心块的个数nr，必须满足关系nr＝psc+pcw。
本发明中，外定子齿3可以采用非导磁材料制作，也可以采用隐极结构，跑道型的杜瓦瓶同样环绕在外定子轭上。
本发明中，内定子齿8可以采用隐极结构，铜线功率绕组通过环氧树脂等方式固定在内定子铁心上即可。
本发明中，功率绕组9也可以采用超导线材制作，这就产生了全超导的双定子无刷双馈发电机拓扑结构。
以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围。
Claims (9)
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)；
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。
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。
3.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)的内部
放置着超导线圈(14)，所述的控制绕组由超导线圈(14)构成。
4.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(6)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(6)的个数相等。
5.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，所述的功率绕组(9)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。
6.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，所述的内定子(7)分块或整体安装。
7.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，所述的功率绕组和控制绕组的位置可以互换。
8.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，所述的内定子和转子均可做成分块组装式。
9.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，所述的内定子和外定子均可为有齿结构或无齿结构。
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