高温超导励磁磁通切换电机设计

摘要

风力发电系统大型化是实现风电行业降低运营成本的有效手段之一，已成为风电领域的研究热点。针对现有大功率风电系统存在的体积大、质量重和机械故障率高等问题，本文将高温超导材料引入定子励磁型电机作为励磁绕组，既发挥了高温超导（High-Temperature Superconductor，HTS)绕组适合直流电流的特性，又避免了传统转子励磁型高温超导电机中所必需的转动连接，进而提出了一种高功率密度高温超导励磁磁通切换电机（Flux-Switching Machine，FSM）及其构成的直驱型风力发电系统。本文围绕以下内容对该新型电机进行了研究： 1.借鉴定子永磁型电机的永磁体置于定子侧用以产生气隙磁场这一思路，结合磁通切换电机功率密度大、效率高及其结构上易于实现模块化设计的优点，将传统电励磁磁通切换电机与高温超导技术相结合，提出了模块化径向磁场高温超导励磁磁通切换电机拓扑结构，并采用有限元法对其电磁性能进行了分析。 2.为保证高温超导线材的性能，从而使其运行于超导态，设计并制造了一种具有真空夹层的静态密封高温超导电机励磁用跑道型超导磁体，为高温超导励磁绕组的稳定运行，提供了保障。 3.构建了一套由过冷箱、自增压供液杜瓦、自增压回收杜瓦、汽化器及抽空泵等主要部件构成的静态密封高温超导电机低温冷却系统，保证了高温超导线材的超导性能。 4.基于有限元计算所获得的电机参数及所制造的跑道型高温超导磁体，设计并制造了一台静态密封高温超导励磁磁通切换电机样机，该样机消除了动态密封超导电机所必须的结构复杂的低温传输耦合装置、高强度力矩管及滑环电刷等，降低了高温超电机的制造成本及加工难度，同时提高了电机运行可靠性。 5.基于所构建的低温冷却系统，搭建了静态密封高温超导励磁磁通切换电机风力发电测试平台，对低温冷却系统的冷却性能及高温超导磁通切换电机的电磁特性进行了联合测试。试验结果表明，跑道型高温超导磁体的入口温度可冷却至63K左右，铋系高温超导线绕制的超导励磁绕组稳定运行于超导态，同时，发电机端电压测试结果与有限元计算结果相吻合，验证了理论分析的正确性。

目录

声明

第一章 绪 论

1.1课题的研究背景

1.2高温超导电机的研究现状

1.3静态密封高温超导电机的提出

1.4本课题研究内容及论文结构

1.4.1研究内容

1.4.2论文结构

第二章 HTS-FSM电机结构及工作原理

2.1 引言

2.2 静态密封HTS-FSM结构的确定

2.2.1 轴向FSM结构

2.2.2 径向FSM结构

2.2.3 转子分段式FSM结构

2.3 定转子齿槽数的确定

2.3.1 定子齿槽数

2.3.2 转子齿数

2.3.3电机绕组设计

2.4 静态密封型HTS-FSM工作原理

2.5 本章小结

第三章 HTS-FSM磁体设计

3.1 引言

3.2 HTS励磁材料的选择

3.3 HTS励磁绕组的设计

3.4超导杜瓦的设计

3.5电流引线设计

3.6 超导磁体测试

3.7本章小结

第四章 HTS-FSM电磁特性分析

4.1 引言

4.2有限元软件建模

4.3转子分段式HTS-FSM电机的电磁性能分析

4.3.1 磁场分布

4.3.2 空载磁链

4.3.3 空载反电势

4.3.4 转矩特性

4.3.5 电感特性

4.4 本章小结

第五章 低温冷却系统实验平台搭建及样机制作和测试

5.1 低温冷却系统实验平台搭建

5.1.1冷却系统结构配置

5.1.2 冷却系统组部件

5.2样机制作

5.3样机测试

5.4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士期间获得学术成果

致谢