[发明专利]一种全超导电励磁低速直驱同步发电机

说明书

技术领域

本发明属于发电机领域，更具体地，涉及一种全超导电励磁低速直驱 同步发电机。

背景技术

传统电机由于受到铜、铝等导体载流能力或者永磁、铁磁材料性能的 限制，铜耗和铁耗都较大，因此其效率很难进一步提高，此外，受电机散 热能力的限制，电机体积也很难进一步缩小。超导电机与传统电机相比有 着突出的优势，超导线圈的载流能力为传统导体的几十甚至数百倍，因此 电机的磁负荷和线负荷可以取为常规电机的数倍，因此使得超导电机具有 极高的功率密度，与同功率等级常规电机相比，体积、重量优势明显；另 外由于超导材料的零电阻特性，使超导电机的铜损很小，效率设计得非常 高。目前超导电机技术在国内外被广泛研究，并有不同功率等级不同结构 的超导样机被设计、制造出来。尤其是在风力发电领域，超导电机技术可 能成为继续提升风机容量、降低发电成本的关键技术。

与半超导电机相比，全超导电机的励磁绕组和电枢绕组都采用超导材 料，因此电机的磁负荷和电负荷都更高，电机的功率密度更高，体积更小。 要维持超导线圈正常工作的低温环境，包围超导材料的低温容器和用来带 走超导线圈工作时内部产生的热量的制冷系统是必不可少的；而对于超导 电机来讲，其主要成本由低温容器、冷冻系统和超导材料决定。已经提出 来的全超导风力发电机，励磁绕组和电枢绕组分别位于转子和定子上，需 要2个恒温容器，因此成本很高。此外，放置在转子上的超导绕组由于转 子的旋转，存在结构固定和隔热的难度。

为了保持全超导电机高功率密度的优点，同时尽可能地降低低温和冷 冻系统的成本，有必要探索将励磁绕组和电枢绕组都静止且放置在同一低 温容器的新型全超导电机拓扑结构。这样可以大幅度降低全超导电机的成 本。

此外，绕组一般分为端部绕组和铁心部分的绕组，由于电磁能量转换 只在铁心部分完成，而端部只起到连接导体的作用，考虑到超导材料十分 昂贵，因此，减小端部长度对降低电机成本具有重要意义。

此外，传统的全超导电机，转子上有绕组，因此旋转转子的电气连接 必须通过电刷和滑环等装置，降低了系统的可靠性和免维修性。因此，发 展无刷全超导电机对提高电机可靠性和降低维修费用具有比较现实的意 义。

专利文献(公开号为US20090230690A1)公开了一种超导绕组的安装 结构，其中超导电机通过齿轮箱与风机耦合在一起，超导电机的原理采用 同极性发电机，而且只有励磁绕组采用超导材料，置于低温容器中，在该 电机结构中，整个转子分成3段，只有2端开槽的部分能产生转矩，因此 电机转矩密度受限；定子铁心沿轴向分为2段，2段中间布置有环形励磁线 圈，该超导励磁线圈的固定和安装都比较复杂；实际定子电枢绕组会有4 个端部，端部所占空间太大；

另外一篇专利文献(公开号为CN103259387A)中公开了一种超导直流 磁阻电机，端盖、杜瓦瓶及杜瓦瓶中的超导螺管构成电机的定子部分，均 采用非磁性材料做成；而轴、转子铁芯和左、右磁极圈构成电机的转子部 分，均采用导磁性能好的铁磁材料做成。超导螺管产生的磁通由两侧的呈 喷行的磁极圈和中心的转子铁芯构成完整的磁通路，由于磁极圈为斜齿结 构，所以在此部位铁芯饱和程度高；由于整个超导线圈绕在超导螺管上， 且为非磁性，因此整个磁路的磁阻很大，需要很大的励磁电流。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种全超导电励 磁低速直驱同步发电机，其提高了系统的可靠性，并且极大地简化了电机 生产工艺。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种全超导电励磁 低速直驱同步发电机，其特征在于，所述发电机沿径向由内之外依次包括 定子铁心以及转子铁心，所述定子铁心的每个定子槽中交替设置有单齿绕 单层集中超导励磁绕组以及单齿绕单层集中超导电枢绕组，其中所述发电 机还包括用于包裹所述单齿绕单层集中超导励磁绕组以及所述单齿绕单层 集中超导电枢绕组的杜瓦瓶。

进一步地，所述电枢绕组的极对数P_a与所述定子槽数N_s，转子槽数N_r之间满足关系

进一步地，所述定子铁心及所述转子铁心采用1J22等高饱和磁感应强 度软磁合金制作。