[发明专利]海上型超导风力发电机

说明书

技术领域

本发明涉及适用于近海的超导风力发电机，具体涉及的是一种转子由高温超导磁体组成、定子由常规铜线圈组成的海上型超导风力发电机。

背景技术

传统的风力发电机，都会因为受其机电性能的限制，在其单机容量扩容的过程中会受到诸多技术上的障碍。海上风电又因为环境恶劣，维护困难且成本极高，因此对风机的稳定性提出了极高的要求。

对于风机而言，故障率最高的是齿轮箱。齿轮箱中的零部件随着风机长年累月地高速旋转，极易磨损；同时，它增加了整个风机系统的机械负载和磨擦损耗，从而极大增加了风机系统的维护成本且减小风机的使用寿命。不仅如此，齿轮箱的故障率还随着风机容量的增大而成指数倍增长。因此，开发直驱式风力发电机组成为了世界风电技术的主要发展趋势。

现有的直驱式风力发电机一般采用永磁发电机，但由于风力发电机同额定转速低，输出扭矩大，对电机的设计提出了较高的要求。传统直驱机组的极数很多，通常在80极以上，体积和重量很大，而且永磁直驱机组的永磁部件存在长期冲击振动和大范围温度变化条件下的磁稳定性问题。同时，永磁体受到现有材料技术的限制，表面磁场难以进一步提高，从而制约了单机容量的增加。

超导技术的发展使现有超导带材的载流性能有极大的提高，相比铜导线单位面积载流能力是铜线的150倍。因而，出现了利用超导带材绕制的励磁线圈，这种结构可以产生更高的励磁磁场，从而提高了风力发电机的能量密度和功率密度，减小了整机的体积和重量。例如，公开日为2009-09-09，公开号为CN 101527498的中国专利文献，公开了一种用于发电的系统包括超导直接驱动风力发电机，它包括由第一超导材料构成的电枢线圈以及由第二超导材料构成的励磁线圈，其中，在发电机的运行期间，电枢线圈和励磁线圈进行电磁通信，并且励磁线圈响应通过其的励磁电流而产生磁场，磁场在生成电力输出的电枢线圈中感应输出电流。

发明内容

本发明为解决上述技术问题，提供了一种直驱式的海上型超导风力发电机，取缔了齿轮箱的设计，完全避免了因为齿轮箱带来的各种隐患，降低了机械故障率和定期维护的成本，同时提高了风机的效率和可靠性，解决了传统永磁直驱风机在单机容量增大时引起的体积和重量大幅增加的问题。

本发明的技术方案如下：

海上型超导风力发电机，包括定子系统和转子系统，转子系统位于定子系统的中心轴位置，转子系统绕电机中心轴转动工作，中心轴连接风轮；所述定子系统包括定子绕组组件和固定于定子绕组组件外部的定子铁轭，定子绕组组件包括铜线绕组、定子齿槽以及绕线槽楔，铜线绕组通过绕线槽楔固定在定子齿槽内；所述转子系统包括转子线圈组件、转子支承组件、转子背铁，转子线圈组件固定于转子支撑组件上，转子支撑组件固定于转子背铁上，其特征在于：所述转子线圈组件包括磁体骨架、高温超导线圈以及线圈紧固件；所述磁体骨架呈环形跑道状，中空部分为制冷介质流道，位于磁体骨架的侧面设置有环形凹槽，通过凹槽缠绕双层高温超导线圈，高温超导线圈外部设置有防止高温超导线圈向外松开的线圈紧固件，同时线圈紧固件的一端设置有电流引线接口，以便于穿过高温超导电流引线。

所述磁体骨架还在垂直于骨架的环形方向上设置有用于防止热胀冷缩使磁体骨架变形受损的骨架收缩缝，无论磁体骨架如何膨胀和收缩，都可以正常工作，使用寿命较长。

所述磁体骨架采用由黄铜加工而成；所述高温超导线圈采用钇钡铜氧化物高温超导材料（YBCO）。

为了减少高温超导磁体所承受的热负荷，所述高温超导线圈的外部为高真空环境，在高温超导线圈的外部设置有若干层绝热层。

所述转子支承组件包括转子支承、拉杆和转子支承箱体，转子支承箱体安装在转子背铁外围的凹槽内，拉杆采用导热系数低且结构强度高的非磁性材料制成，转子支承通过拉杆固定于转子线圈组件下端，用于支撑转子线圈组件。

所述转子背铁的外围均匀设置有24个凹槽，即转子系统设置有12对极。

所述铜线绕组由两个电角度相差30°的三相绕组构成。

所述定子齿槽采用非导磁材料制成，如低导磁率的不锈钢材料，如铬-镍奥氏体304在强度和导磁性能方面既可满足要求；所述定子铁轭采用叠片结构；所述定子的额定电压3.5kV，额定电流840A，每极每相数为1，具体参数见下表。