CN113794354B - 一种模块化高温超导风力发电机及其装配方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种模块化高温超导风力发电机，包括模块化定子、模块化转子、低温制冷***、冷媒传输耦合装置、盘式集电环、电刷及轴承等，还公开了其装配方法，本发明在降低定子真空压力浸渍降、运输以及维修维护难度，提高整机可靠性以及降低定子温升等方面均有较大程度的创新，特别适合在高温超导电机中使用，尤其适合在大功率、低转速、结构紧凑、运行成本低等要求的高温超导直驱风力发电机中运用。

Description

一种模块化高温超导风力发电机及其装配方法

技术领域

本发明属于超导应用领域，具体涉及一种模块化高温超导风力发电机，以及其装配方法。

背景技术

高温超导材料自1986年被发明以来，超导强电应用国际上的研究工作主要聚焦于船用高温超导推进电动机的研制。由于超导材料具有在低温环境下电阻变为零的零电阻效应，转子绕组采用超导材料研制成的超导磁体将无功率损耗，进而极大提高电机的效率。此外，与常规铜绕组相比，超导磁体能在强磁场下承载更高的电流，从而使超导电动机具有体积小、重量轻、功率密度大以及转矩密度大等优势。

近年来，由于能源的日益紧缺、世界各国海洋战略意识的不断强化，海洋能源的合理有效利用日显重要。为充分利用海洋优质风能,减少电能传输距离, 许多研究人员都致力开发一种可行的，高可靠性的单机大容量海上高温超导风力发电机。随着单机容量的增大，功率达到10MW级别，高温超导风力发电机具有显著的体积、重量和效率优势，可大幅降低包括风力发电机、轮毂、齿轮箱等在内的塔上重量。进而降低机组运输、吊装和设计的难度，降低***建造和运行成本以及提高***可靠性和安全性。

现有技术中，有多种高温超导风力发电机结构。大多数涉及一些部件结构，很少涉及模块化设计的整机结构。对于大容量高温超导风力发电机而言，若仍采取整体定子，一方面给大直径定子真空压力浸渍带来了困难，另一方面给发电机的运输也带来了困难，增加了发电机的制造成本。此外，现有高温超导电机转子大多采用整体真空结构，即转子外表面为光滑圆面。对于空冷定子而言，转子杜瓦光滑外表面不易形成风路，给定子冷却带来较大的困难，进而进一步提高整机的制造成本。

发明内容

本发明的目的之一在于克服现有技术的不足，从模块化结构入手，提供一种能满足实际工作需求的模块化高温超导风力发电机。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种模块化高温超导风力发电机，包括模块化定子、盘式集电环、电刷、模块化转子、冷媒传输耦合装置和低温制冷***；所述的模块化定子主要由密封筒、连接在密封筒两侧的2个驱动端端板和1个非驱动端端板以及通过密封垫圈和螺栓与密封筒装配成一体的M（M≥3）个模块化电枢组成，相邻模块化电枢之间通过止口和销钉装配成一体，每个模块化电枢由含有通风沟的铁芯叠压单元、槽楔和三种不同形状的同心式定子线圈组成，其中铁芯叠压单元由若干铁芯冲片叠压而成，非驱动端端板中心设置有往驱动端端板方向延伸的轴承座，轴承座上安装有轴承；所述的模块化转子由安装在轴承上的转轴和设置在转轴上的制冷机冷媒传输管路及N个模块化超导磁体组构成（N≥2），所述的制冷机冷媒传输管路上分别设置有电流进引线、电流回引线以及N个冷头，所述的模块化超导磁体组（44）由均匀设置在转轴筒体上的P+1（P≥2）个超导磁体盒以及连接超导磁体盒的P个电流引线连接管和P个冷媒连接管组成；所述的盘式集电环安装固定于转轴筒体端板上，所述的电刷安装固定于非驱动端端板上，盘式集电环和电刷之间为端面滑动接触，盘式集电环与电流进引线和电流回引线连接，电刷与外部磁体电流源连接；所述的低温制冷***通过支架安装固定于非驱动端端板上，并通过冷媒传输耦合装置与制冷机冷媒传输管路相连。

所述的一种模块化高温超导风力发电机，所述的M=4或5，N=5，P=4。

所述的一种模块化高温超导风力发电机，其同心式定子线圈为条形，包括中部和端部均水平的第一同心式定子线圈、中部水平和端部倾斜的第二同心式定子线圈和中部水平和端部垂直的第三同心式定子线圈。

所述的一种模块化高温超导风力发电机，其驱动端端板、模块化电枢和非驱动端端板之间通过止口、密封垫圈、销钉和螺栓装配成一体。

所述的一种模块化高温超导风力发电机，其非驱动端端板为锻件或由金属铸造加工而成。

所述的一种模块化高温超导风力发电机，其模块化定子和密封筒通过密封垫圈以及螺栓与模块化电枢装配成一体。

本发明的目的之二是提供上述模块化高温超导风力发电机的装配方法，步骤为：

步骤1，分别机加工完成驱动端端板、铁芯叠压单元、三个同心式定子线圈、非驱动端端板、销钉、密封筒以及电刷等部件，同时装配完成模块化转子；

步骤2，依次将第一同心式定子线圈、第二同心式定子线圈以及第三同心式定子线圈置入铁芯叠压单元，打入槽楔，装配成模块化电枢；

步骤3，将M个模块化电枢通过止口和销钉装配成一体；

步骤4，采用立式安装的方式，将装配成一体的模块化电枢通过止口、密封垫圈、销钉以及螺栓与非驱动端端板装配在一起；

步骤5，将轴承安装于非驱动端端板的轴承座上；

步骤6，采用立式安装的方式，将模块化转子与轴承安装固定成一体；

步骤7，安装电刷；

步骤8，采用立式安装的方式，将两个驱动端端板通过止口、密封垫圈、销钉以及螺栓与装配成一体的模块化电枢装配在一起；

步骤9，将密封筒通过密封垫圈以及螺栓与模块化电枢装配成一体；

步骤10，将低温制冷***安装固定于模块化定子的非驱动端端板上，并通过冷媒传输耦合装置与制冷机冷媒传输管路相连，即成模块化高温超导风力发电机。

本发明的有益效果是：高温超导风力发电机在成本至上以及维护简单的前提下其定子一般采用风冷的冷却方式，当超导电机转子采用所有超导磁体共用一个真空容器的方案时，其外表面为一光滑圆面，仅仅依靠气隙无法形成有效的风路；当超导电机转子采用本专利申请的模块化超导磁体组方案时，磁体组间间隙可以形成较大风路，便于定子的冷却，进而降低定子温升；此外本专利的模块化定子一方面给大直径定子真空压力浸渍降低了难度，另一方面也给发电机的运输降低了困难，减少了发电机的制造成本。

本发明在降低定子真空压力浸渍降、运输以及维修维护难度，提高整机可靠性以及降低定子温升等方面均有较大程度的创新，特别适合在高温超导电机中使用，尤其适合在大功率、低转速、结构紧凑、运行成本低等要求的高温超导直驱风力发电机中运用。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明模块化定子的结构示意图；

图3为本发明模块化电枢的结构示意图；

图4为本发明第一同心式定子线圈的结构示意图；

图5为本发明第二同心式定子线圈的结构示意图；

图6为本发明第三同心式定子线圈的结构示意图；

图7为本发明装配成一体模块化电枢的结构示意图；

图8为本发明模块化转子的结构示意图；

图9为本发明模块化电枢与非驱动端板的安装示意图；

图10为本发明安装模块化转子的结构示意图；

图11为本发明安装驱动端端板的结构示意图；

图12为本发明安装密封筒的结构示意图。

各附图标记为：1—模块化定子，11—驱动端端板，12—模块化电枢，121—第一同心式定子线圈，122—第二同心式定子线圈，123—第三同心式定子线圈，124—铁芯叠压单元，13—销钉，14—密封筒，15—非驱动端端板，2—盘式集电环，3—电刷，4—模块化转子，41—转轴，42—制冷机冷媒传输管路, 43—冷头，44—模块化超导磁体组，45—电流进引线，46—电流回引线，5—轴承，6—冷媒传输耦合装置，7—低温制冷***。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

本发明从模块化定子、模块化转子以及风路的角度提出一种高温超导风力发电机整机方案。需要说明的是，发明人于2020年发明的专利“一种高温超导电机转子及其装配方法”（专利号为ZL202011187594.3），已给出了一种模块化转子结构。在该专利基础上，本发明结合模块化定子，给出一种适用于大功率、低转速、结构紧凑、高功率密度以及高转矩密度等要求的海上直驱高温超导风力发电机。

实施例1

如图1所示，本发明公开的一种模块化高温超导风力发电机，由模块化定子1，盘式集电环2，电刷3，模块化转子4，轴承5，冷媒传输耦合装置6以及低温制冷***7构成。

如图2所示，所述的模块化定子1主要由驱动端端板11、4个模块化电枢12、非驱动端端板15、销钉13以及密封筒14组成；所述的非驱动端端板15由铸铁加工而成；所述密封筒14通过密封垫圈以及螺栓与4个模块化电枢12装配成一体。

如图3所示，所述的模块化电枢12由含有通风沟的铁芯叠压单元124、同心式定子线圈和槽楔组成，其中铁芯叠压单元124由若干铁芯冲片叠压而成，所述的同心式定子线圈为条形，有三种形式，图4所示的第一同心式定子线圈121中部和端部均水平，图5所示的第二同心式定子线圈122中部水平端部倾斜，图6所示的第三同心式定子线圈123中部水平端部垂直向上。

4个模块化电枢12之间通过止口和销钉13装配成一体，模块化电枢12装配成一体之后的结构如图7所示。

如图8所示，所述的模块化转子4由转轴41、制冷机冷媒传输管路42、5个冷头43、5个模块化超导磁体组44以及电流进引线45、电流回引线46等构成。所述的模块化超导磁体组44由均匀设置在转轴41筒体上的4个超导磁体盒以及连接超导磁体盒的3个电流引线连接管和3个冷媒连接管组成。

所述的盘式集电环2安装固定于转子转轴41的筒体端板上，电刷3安装固定于非驱动端端板14上，其中盘式集电环2和电刷之3间为端面滑动接触，盘式集电环2与电流进引线45和电流回引线46连接，电刷3与外部磁体电流源连接。

所述的低温制冷***7通过支架安装固定于定子非驱动端端板14上，并通过冷媒传输耦合装置6与制冷机冷媒传输管路42相连。

本发明适于超导电机的应用场合，特别适于作大功率、低转速、结构紧凑、高功率密度以及高转矩密度等要求的海上直驱高温超导风力发电机。

实施例2

本实施例为一种模块化高温超导风力发电机的装配方法，其步骤为：

步骤1，分别机加工完成驱动端端板11、铁芯叠压单元124、第一同心式定子线圈121、第二同心式定子线圈122、第三同心式定子线圈123、非驱动端端板15、销钉13、密封筒14以及电刷3等部件，同时装配完成模块化转子4。

步骤2，依次将第一同心式定子线圈121、第二同心式定子线圈122以及第三同心式定子线圈123置入铁芯叠压单元124，打入槽楔，装配成模块化电枢12。

步骤3，采用工装，将M个模块化电枢12通过止口和销钉13装配成一体。

步骤4，采用立式安装的方式，将装配成一体的模块化电枢12通过止口、密封垫圈、销钉13以及螺栓与非驱动端端板15装配在一起，如图9所示。

步骤5，将轴承5安装于非驱动端端板15的轴承座上。

步骤6，采用立式安装的方式，将模块化转子4与轴承5安装固定成一体，如图10所示。

步骤7，安装电刷3。

步骤8，采用立式安装的方式，将两个驱动端端板11通过止口、密封垫圈、销钉13以及螺栓与装配成一体的模块化电枢12装配在一起，如图11所示。

步骤9，将密封筒14通过密封垫圈以及螺栓与模块化电枢12装配成一体，如图12所示。

步骤10，将低温制冷***7安装固定于非驱动端端板15上，并通过冷媒传输耦合装置6与制冷机冷媒传输管路42相连，即成模块化高温超导风力发电机。

实施例3

与实施例1不同的是模块化电枢12的数量为5个。

实施例4

与实施例1不同的是非驱动端端板为锻件。

以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种模块化高温超导风力发电机的装配方法，其特征在于：基于包括模块化定子（1）、盘式集电环（2）、电刷（3）、模块化转子（4）、冷媒传输耦合装置（6）和低温制冷***（7）的风力发电机；所述的模块化定子（1）由密封筒（14）、连接在密封筒（14）两侧的2个驱动端端板（11）和1个非驱动端端板（15）以及与密封筒（14）装配成一体的M个模块化电枢（12）组成，M≥3，相邻模块化电枢（12）之间通过止口和销钉（13）装配成一体，每个模块化电枢（12）由含有通风沟的铁芯叠压单元（124）、槽楔和同心式定子线圈组成，其中铁芯叠压单元（124）由若干铁芯冲片叠压而成，非驱动端端板（15）中心设置有往驱动端端板（11）方向延伸的轴承座，轴承座上安装有轴承（5），同心式定子线圈为条形，包括中部和端部均水平的第一同心式定子线圈（121）、中部水平和端部倾斜的第二同心式定子线圈（122）以及中部水平和端部垂直的第三同心式定子线圈（123）；

所述的模块化转子（4）由安装在轴承（5）上的转轴（41）和设置在转轴（41）上的制冷机冷媒传输管路（42）及N个模块化超导磁体组（44）构成，N≥2，所述的制冷机冷媒传输管路（42）上分别设置有电流进引线（45）、电流回引线（46）以及N个冷头（43），所述的模块化超导磁体组（44）由均匀设置在转轴（41）筒体上的P+1个超导磁体盒以及连接超导磁体盒的P个电流引线连接管和P个冷媒连接管组成，P≥2；

所述的盘式集电环（2）安装固定于转轴（41）筒体端板上，所述的电刷（3）固定于非驱动端端板（15）上，盘式集电环（2）和电刷（3）之间为端面滑动接触，盘式集电环（2）与电流进引线（45）和电流回引线（46）连接，电刷（3）与外部磁体电流源连接；

所述的低温制冷***（7）通过支架安装固定于非驱动端端板（15）上，并通过冷媒传输耦合装置（6）与制冷机冷媒传输管路（42）相连；

步骤为：

步骤1，分别机加工完成驱动端端板（11）、铁芯叠压单元（124）、第一同心式定子线圈（121）、第二同心式定子线圈（122）、第三同心式定子线圈（123）、非驱动端端板（15）、销钉（13）以及电刷（3），同时完成模块化转子（4）的装配；

步骤2，依次将第一同心式定子线圈（121）、第二同心式定子线圈（122）以及第三同心式定子线圈（123）置入铁芯叠压单元（124），打入槽楔，装配成模块化电枢（12）；

步骤2，将M个模块化电枢（12）通过止口和销钉（13）装配成一体；

步骤3，采用立式安装的方式，将模块化电枢（12）通过止口、密封垫圈、销钉（13）以及螺栓与非驱动端端板（15）装配在一起；

步骤4，将轴承（5）安装于非驱动端端板（15）的轴承座上；

步骤5，采用立式安装的方式，将模块化转子（4）与轴承（5）安装固定成一体；

步骤6，安装电刷（3）；

步骤7，采用立式安装的方式，将2个驱动端端板（11）通过止口、密封垫圈、销钉（13）以及螺栓与模块化电枢（12）装配在一起；

步骤8，将密封筒（14）通过密封垫圈以及螺栓与模块化电枢（12）装配成一体；

步骤9，将低温制冷***（7）安装固定于非驱动端端板（15）上，并通过冷媒传输耦合装置（6）与制冷机冷媒传输管路（42）相连，即成模块化高温超导风力发电机。

2.根据权利要求1所述的一种模块化高温超导风力发电机的装配方法，其特征在于，所述的M=4或5，N=5，P=4。

3.根据权利要求1或2所述的一种模块化高温超导风力发电机的装配方法，其特征在于，所述的驱动端端板（11）、模块化电枢（12）和非驱动端端板（15）之间通过止口、密封垫圈、销钉（13）和螺栓装配成一体。

4.根据权利要求1或2所述的一种模块化高温超导风力发电机的装配方法，其特征在于，所述的非驱动端端板（15）由金属铸造加工而成。

5.根据权利要求1或2所述的一种模块化高温超导风力发电机的装配方法，其特征在于，所述的非驱动端端板（15）为锻件。

6.根据权利要求1或2所述的一种模块化高温超导风力发电机的装配方法，其特征在于，所述的模块化定子（1）和密封筒（14）通过密封垫圈以及螺栓与模块化电枢（12）装配成一体。

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