[发明专利]一种超导风力发电机的励磁绕组

说明书

本发明提出一种超导风力发电机的励磁绕组，该励磁绕组中内线圈与外线圈由不同临界电流值的超导材料制成，且内线圈的临界电流值大于外线圈；和/或内线圈和外线圈的宽度不同，且内线圈的宽度大于外线圈，充分利用超导材料的载流特性，大幅降低超导材料的用量，进而降低超导励磁绕组的成本。本发明的励磁绕组中内线圈与外线圈分别与一对电流引线单元连接，两线圈分别通过与对应一对电流引线单元的电连接实现分别励磁，实现了不同的励磁特性，增强励磁绕组调节的灵活性。

技术领域：

本发明涉及一种超导风力发电机的励磁绕组，属于发电机结构技术领域。

背景技术：

超导发电机的超导励磁绕组的基本结构有不同的形式，但都是采用跑道型单饼或双饼线圈进行堆叠，根据截面形状的不同可以分为矩形截面、金字塔形截面和平铺式截面。其中，如图1所示现有技术中通常采用的矩形截面跑道型线圈堆叠结构形式，可参见《高温超导海上风力发电机绕组设计》，何洁，华中科技大学。这种结构形式的超导励磁绕组，其优势是空间利用率高，同时具有更高的机械稳定性，容易加固。劣势是超导带材用量相对较大，不便于导冷，可通过励磁绕组优化设计和制冷系统设计尽量减小这两个劣势对高温超导电机的经济性和稳定性造成的影响。

为提高超导材料的利用率，一种常用的方法是将上述单个矩形截面的线圈拆分成不同尺寸的多个线圈，从而可以优化超导线圈的磁场分布，进而提高超导材料的利用率。

如图2和图3所示，由于超导材料在不同磁场强度、不同温度下的电流特性有较大差异，但实际超导线圈上的磁场分布并不一致，可参见《高温超导海上风力发电机绕组设计》，何洁，华中科技大学。

如图4和图5所示，超导线圈中心侧的磁场强度较高，而外侧的磁场强度远低于内侧，可参见《10MW高温超导风力发电机关键技术研究》，姜在强，电子科技大学。

对于单个线圈而言，由于用一根超导带材绕制，那么整个超导线圈能够承载的电流将取决于内侧最高磁场位置超导带材允许传输的电流。以图2中AMSC公司生产的YBCO超导材料为例，其在0.1T背景磁场下可传输的电流约为自场条件下的0.8倍，而在0.5T背景磁场下可传输的电流约为自场下的0.3倍。不难理解，由于线圈中的导体为串联，则线圈的通流将被高磁场区域限制，而低磁场区域的导体则无法充分发挥其作用。由此导致超导材料的利用率大幅降低，而超导材料的成本一般占据超导装备成本的50％以上。

因此，如何充分利用超导材料的传输性能特点，优化超导线圈的结构，从而大幅提高超导材料的利用率，就成为降低超导风力发电机制造成本的重要措施。

发明内容：

为解决现有技术中存在的问题，本发明提出一种超导风力发电机的励磁绕组，从而大幅提高超导材料的利用率，降低超导励磁绕组的制造成本。

本发明的技术方案如下：

一种超导风力发电机的励磁绕组，包括由线圈骨架和由内向外绕制在线圈骨架上的多匝线圈构成的绕组单元、与绕组单元连接的电流引线单元和用于放置绕组单元的法兰；

所述多匝线圈中贴近于线圈骨架的线圈形成内线圈，沿内线圈向外分布的线圈形成外线圈，内线圈与外线圈由不同临界电流值的超导材料制成，且内线圈的临界电流值大于外线圈；或内线圈和外线圈的宽度不同，且内线圈的宽度大于外线圈的宽度；或内线圈与外线圈由不同线圈宽度和不同临界电流值的超导材料制成，并且内线圈的临界电流值大于外线圈的临界电流值、内线圈的宽度大于外线圈的宽度。

进一步地，所述内线圈超导材料与外线圈超导材料的临界电流值之比为1.5～3：1。

进一步地，所述内线圈采用临界电流值为400A的超导材料制成；外线圈采用临界电流值为200A的超导材料制成。

进一步地，所述内线圈宽度和外线圈宽度之比为2～4：1。

进一步地，所述内线圈与外线圈电连接，两线圈通过一对电流引线单元与外线圈电连接实现励磁。