[其他]扇形转子超导交流发电机

说明书

本发明属于利用超导技术的一种交流发电机。

二十多年来，为突破交流发电机单机极限功率，并对中小型发电机进一步提高其效率，缩小体积，减轻重量，工业发达国家研制了多种形式的超导交流发电机。这些超导交流发电机都采用传统电机的结构形式，即旋转的激磁绕组和固定的电枢绕组，没有铁芯，激磁绕组选用超导线材。由于现有的超导线材不耐交变磁通，所以要用转子屏蔽来隔绝交变磁通。由于不用铁芯，激磁绕组和电枢绕组的耦合很弱，时间常数也大，激磁安匝数很大，而使超导线的用量增加，电机参数也较难选择。同时，现有的超导交流发电机都存在较多难点，它们是：旋转的超导激磁绕组制造技术复杂，难度大；维护运行技术难度也大。要求超导激磁绕组在低温恒温器内一同高速旋转（如为50赫发电机，则同步转速每分钟应旋转3000转）；要求低温恒温器在4.2K下保持高真空，并不断输入液氦，输出氦气，送入激磁电流使绕组不断产生磁场。正是由于这些难点而降低了这种超导交流发电机的可靠性而阻碍了它的快速发展和影响了企业家们对超导发电机的兴趣。

本发明的特点是尽可能采用传统的发电机制造工艺和现有的技术概念（见IEE    PROCEEDINGS，VOL    130，PT.B.NO.6，NOV，1983），和利用超导新技术的优点，使发电机成为具有高效、小而轻，技术难点少，尽快实现中小型超导交流发电机实用化而提出一种扇形转子超导交流发电机。

这种扇形转子超导交流发电机的电枢铁芯及其绕组和用超导线制作的激磁绕组都是静止的，转动部件是由转子磁轭（2）和在其两端的扇形磁极（1）组成的转轴。轴向激磁，由扇形磁极（1）将主磁通导向外周，经过气隙，从端面进入圆筒状的电枢铁芯（5），主磁通在电枢铁芯中沿圆周方向流过180°电角，经过另一端的气隙进入该端的扇形磁极（1），并经转子磁轭（2）沿轴向穿过超导激磁线圈（6）而闭合。

图1是扇形转子超导交流发电机示意图。

图2是扇形转子超导交流发电机的电枢铁芯磁路图。

图3是扇形转子超导电流发电机的转子磁轭示意图。

图中（1）是扇形磁极，（2）是转子磁轭，（3）是主轴动力端，（4）是主轴支承端，（5）是电枢铁芯，（6）是超导激磁绕组，（7）是低温恒温器，（8）是电枢绕组，（9）是主磁通的走向，（10）是激磁电流和液氦，气氦引入引出口。

本发明的电枢绕组（8）和传统的环形铁芯上的铜线绕组相似，可以是单相，三相半四相或其它相数要降低电机短路比时，也可以采用有槽电枢铁芯。用无槽绕组即气隙绕组时，绝缘层可以加厚，按现有工艺技术水平，其线电压可达11万伏级。气隙绕组线棒的换位和冷却方法，可选用现行规范。超导激磁绕组（6）放置在电枢铁芯（5）与转子磁轭（2）之间的一个静止的低温恒温器（7）中。发电机正常运行时，激磁绕组（6）基本上不受力。低温恒温器（7）内的超导激磁绕组（6）用超临界氦或二相流氦冷却。激磁电流和液氦、气氦引入引出口（10）可安排在电枢铁芯（5）端面的槽中或筒体中部的孔中。转子由主轴动力端（3），主轴支承端（4），扇形磁极（1）和转子磁轭（2）构成。转子磁轭（2），主轴动力端（3）和扇形磁极（1）应用导磁材料制成。主轴支承端（4）用非导磁的材料制成。        转子磁轭（2）两端的扇形磁极（1）形成南北磁极。扇形磁极（1）的每端有两个扇面，即为四极电机；如每端有一个扇面另加平衡重物，则为两极电机。当然，根据每端扇面的多少也可以是六极或以上的。本发明是以四极为例陈述的，其转子主轴两端（3），（4）即尾端轴伸应安置在非导磁性如：1Cr18Ni9Ti材料的轴承座上，以免磁短路。电枢铁芯（5）的轴向和圆周向通过脉振磁通，应用硅钢片捲绕而成，呈圆筒状。电枢绕组（8）则配置在该圆筒状铁芯的内外表面。硅钢片各层间固定成为一个整体。电枢铁芯（5）可以用高刚度绝缘、绝磁衬筒作成的内圆筒支承，电枢铁芯（5）筒内部按需要安排冷却通道，电枢铁芯（5）的外圆及其端面安排适当的支撑物，以便固定。

本发明所述的扇形转子超导交流发电机，其突出的优越性是：

1、激磁系统损耗包括致冷的总损耗比一般的超导旋转磁场绕组交流发电机为小，其总损耗约在50千瓦以下。如为5万千瓦发电机，其激磁系统总损耗在0.1％以下。对于更大的发电机而言，其损耗的比值就更小了。如加上各种节能措施，这种扇形转子超导激磁发电机比常规发电机提高效率0.5％是绰绰有余的。

扇形转子超导交流发电机的体积重量不如一般超导发电机那样小，但比常规交流发电机还是小而且轻。