由风力涡轮驱动的超导发电机

技术领域

本发明涉及发电机，并且特别地涉及风力涡轮和超导发电机。

背景技术

由于扭矩从涡轮叶片到DC发电机的传送，由风力涡轮的叶片驱动的直接驱动式发电机是高效的并且具有最小的损失。风力涡轮塔架上的常规直接驱动式发电机大体上具有6兆瓦(MW)或更低的额定功率。

常规的直接驱动式发电机典型地具有低扭矩密度，并且对于额定功率高于约6 MW的风力涡轮塔架来说变得太重。对于风力涡轮中的长寿命服务来说齿轮箱可能不可靠并且不适合。

另外，交流(AC)风力发电机必须经历总功率转换来将产生的功率转换为处于电网连接所期望的特定电压的50至60周期AC。该转换典型地由功率电子设备(PE)转换器完成，该转换器由整流器组成，该整流器在第一级中将AC转换为直流(DC)，且然后在逆变器级中产生所期望的AC。

长期以来一直需要能够产生较高电功率(例如10 MW或更高)的用于风力涡轮的直接驱动式发电机。另外，需要允许减小上塔架重量的DC发电机，由此提供成本、尺寸和重量方面的减小，这允许在风力涡轮塔架上经济地运输和安装，并且伴随的可靠性增加。

发明内容

在一个方面中，超导发电机包括可连接以与风力涡轮的旋转构件一起旋转的环形电枢。静止环形场绕组与电枢同轴并且与电枢通过间隙分开。场绕组包括超导线圈，并且存在用于场绕组的非旋转支撑件。非旋转支撑件为扭矩管。扭矩管是由复合材料形成的部件或由多个分段的节段形成的部件、空间框架或支柱扭矩承载组件。扭矩管连接到热屏蔽件外壳或场绕组壳体。

在另一个方面中，风力涡轮包括：塔架、安装在塔架的顶部上的机舱、连接到机舱并由塔架支撑的毂和连接到毂的多个叶片。超导发电机被容纳在机舱内。超导发电机包括可连接以与风力涡轮的旋转构件一起旋转的环形电枢。静止环形场绕组与电枢同轴并且与电枢通过间隙分开。场绕组包括超导线圈，并且存在用于场绕组的非旋转支撑件。非旋转支撑件为扭矩管。扭矩管是由复合材料形成的部件或由多个分段的节段形成的部件、空间框架或支柱扭矩承载组件。扭矩管连接到热屏蔽件外壳或场绕组壳体。

在审阅以下详细描述(当结合若干图和所附权利要求书进行时)时，本公开的这些和其它特征和改进对于本领域普通技术人员来说将变得显而易见。

附图说明

根据随后的详细描述(当结合附图进行时)，本公开的上述和其它方面、特征和优点将变得更加显而易见。

图1图示具有直接驱动式直流(DC)发电机的风力涡轮，该发电机带有超导电磁构件。

图2图示将具有环形旋转电枢和由电枢包围的静止超导场绕组的直接驱动式DC发电机以横截面示出的示意图。

图3图示将用于超导场绕组的旋转电枢以横截面示出的示意图。

图4图示将用于超导场绕组的低温恒温器的部分以横截面示出的示意图。

图5图示将根据本公开的方面的用于超导场绕组的低温恒温器的部分以横截面示出的简化示意图。

图6图示将根据本公开的方面的用于超导场绕组的低温恒温器的部分以横截面示出的简化示意图。

图7图示根据本公开的方面的扭矩管的局部分解视图。

图8图示根据本公开的方面的由多个分段的节段形成的扭矩管在径向平面中的横截面视图。

图9图示根据本公开的方面的由多个分段的节段形成的扭矩管在径向平面中的横截面视图。

图10图示根据本公开的方面的扭矩管节段的平面视图。

图11图示根据本公开的方面的多带扭矩承载组件在径向平面中的横截面视图。

图12图示根据本公开的方面的空间框架或者支柱扭矩承载组件在径向平面中的横截面视图。

具体实施方式

开发了超导直流(DC)发电机，其带有静止或非旋转的场绕组和直接由涡轮(诸如风力涡轮)驱动的旋转电枢。超导DC发电机可安装在风力涡轮塔架的上部区域中并直接联接到风力涡轮的旋转构件(例如叶片)。直接驱动式发电机足够轻质，以安装在风力涡轮塔架的顶部上并经由毂联接到旋转的风力涡轮叶片。

超导DC发电机提供高扭矩密度，这允许DC发电机轻质且可运输，尽管需要附加的构件来使场绕组中的超导线圈冷却并绝缘。静止场绕组包括一系列冷却至低温温度的跑道形的超导线圈。旋转电枢和轭铁(任选的)直接连接到风力涡轮并由其转动。整流器组件将由旋转电枢产生的电流传递到可向下延伸通过风力涡轮的框架的导体。

图1是包括锚固到地面的塔架12的风力涡轮10的正视图。超导DC发电机22被容纳在安装于塔架顶部上的机舱14内。机舱可绕塔架的轴线旋转，以相对于风向对准涡轮叶片18。叶片从毂20在径向上向外延伸。叶片18典型地面向风中，并由风的能量转动。DC发电机22被容纳在机舱14内，并由毂20和叶片18直接驱动。叶片和毂的旋转直接驱动DC发电机的电枢。

仅作为一个示例，塔架12的高度可在20与150米之间，顶部处的直径为一至二(1至3)米，并且地面基座处的直径为四(5)米。塔架可由锥形管状钢构成，但也可由网格结构或由混凝土节段制成。涡轮叶片18围绕毂20均等地隔开，并且得到的转子直径可为约20米至约180米或更大。虽然叶片可由任何合适的材料制成，但是它们典型地由碳或玻璃纤维增强塑料或环氧树脂形成。叶片可具有固定桨距或可变桨距，这取决于在毂中是否包括可变桨距齿轮箱。塔架和叶片的尺寸及其组分可在具体应用中如期望那样进行选择。

图2是将具有环形旋转电枢24和由电枢包围的静止超导场绕组组件26的直接驱动式发电机22以横截面示出的示意图。旋转电枢24是围绕场绕组组件26的外环形环。电枢24可包括导电绕组27(例如线圈或条)，其沿电枢的长度纵向(轴向)地布置并布置在电枢的内圆柱形表面上。通过示例的方式，电枢绕组的纵向节段的长度可为36至72英寸，该纵向节段可具有4至5英寸的厚度和135至136英寸之间的内径。线圈或条可在它们的相反端部处通过导电端匝28连接至彼此。纵向线圈或条之间的端匝连接取决于纵向线圈或条的数量和布置以及电枢绕组中要产生的电的相位。电枢绕组的内圆柱形表面与静止超导场绕组组件26的外表面由狭窄的空气间隙(例如约1至2英寸)分开。

环形旋转电枢24包括支撑线圈和条27的圆柱形轭30。轭30的外表面固定到与电枢一起旋转的圆柱形壳体32。壳体32的直径例如可在20至30英尺之间，并且可具有6英尺的轴向长度。壳体装配到支撑壳体和电枢24的圆形盘34。盘在其中心处具有圆形孔口，该圆形孔口安装到环形托架36，风力涡轮的毂20的环形基座38附接到环形托架36。托架36和基座38可通过围绕托架和基座布置成圆形阵列的螺栓紧固在一起。盘34可具有用于减小重量的任选开口或孔35。托架36安装在位于电枢绕组的径向内侧的旋转的圆柱形支撑管40的端部上。增强环37可固定到托架36与支撑管40之间的内拐角。支撑管40的直径例如可在7至10英尺之间。

为了将产生的机械能转换为DC电能，当旋转电枢24转动时，电枢线圈27中的电流被整流器组件90整流以产生直流输出。在图示的示例中，整流器组件90构造为靠近壳体32或圆形盘34的外表面的多个周向环。整流器组件90可设置在旋转壳体32外部的任何方便的位置处。整流器组件90更接近旋转轴线的定位将允许更短的周长。整流器组件90大体上由旋转的第一部分91和静止的第二部分93构成，旋转的第一部分91与旋转电枢24在其转动时一起旋转，静止的第二部分93保持静止。整流器组件90并且更特别地旋转的第一部分91由多个由诸如铜的材料形成的导电段92构成。在该示例中，整流器组件90由至少两个旋转整流器段92构成。整流器段92构造成经由多个电连接件94与旋转电枢线圈27一起旋转并且电连接到旋转电枢线圈27。段和电连接件的数量是可变的，并且由发电机设计者所选择的电极数量确定。整流器组件90的静止的第二部分93由保持多个整流器刷96并且在该特定实施例中保持至少两个整流器刷96的夹具完成。整流器刷96典型地由碳构成，保持静止，并且由静止平台98保持，静止平台98构造成将来自整流器刷96的输出电流带到功率转换系统100。整流器刷96构造成在旋转整流器段92旋转时跨置或刷在旋转整流器段92上。整流器刷96可通过弹簧张力的方式保持就位，并且可包括接地刷和非接地刷。当产生电能时，能量通过整流器刷96和旋转整流器段92传导到静止平台98，并最终传导到功率转换系统100，功率转换系统100耦合到电力公用电网、工厂或其它电力负荷，使得可使用电。

在备选示例中，如图3中的局部示意性横截面视图中最佳图示的，与旋转电枢24一起旋转的整流器组件90的旋转的第一部分91可由多个整流器刷96构成，并且保持静止的整流器组件90的静止的第二部分93可由多个整流器段92构成。在该备选实施例中，多个旋转整流器刷96构造成在它们旋转时跨置或刷在静止整流器段92上。类似于之前针对整流器组件90的第一和第二部分91、93公开的相反构造，当产生电能时，能量通过整流器段和旋转整流器刷传导到静止平台98，并最终传导到功率转换系统100，功率转换系统100耦合到电力公用电网、工厂或其它电力负荷，使得可使用电。

返回参考图2，布置在支撑管40的相反端部上的成对的环形轴承42将支撑管40可旋转地支撑在静止基管44上，静止基管44附接到由机舱的底板支撑的安装件47。环托架46可将安装件47附接到用于基管的托架45。螺栓将托架45、46紧固在一起。成对的轴承42可为相同类型的。备选地，毂20附近的环形轴承42可具有比塔架附近的环形轴承42更长的长度，例如15至30英寸，该塔架附近的环形轴承42可具有8至16英寸的长度。毂附近的轴承42更长，因为它更直接地接收毂和叶片和风的向下的力(其可为500000磅的力)，并接收来自毂、叶片和风的弯曲力矩(该力矩在基座38和托架36处可为127×10

支撑管40可沿其长度具有恒定的厚度。备选地，基管44可在塔架附近是厚的(例如两英寸)，并且在毂附近是薄的(例如一英寸)。基管的厚度可以以台阶或锥形减小。厚度的减小减小了管的重量。类似的重量减小特征可包括盘34中的切口或孔、壳体32中的轻质材料(例如复合材料)。盘制动器48抓持壳体32的端部上的环形唇缘50。如果风变得过大并且叶片旋转过快，则制动器可减慢或停止叶片的旋转。薄且轻质的角撑板52从圆形盘34延伸到支撑管40。角撑板在结构上增强盘34。

基管44支撑场绕组支撑盘54，静止场绕组组件26安装在场绕组支撑盘54上。场绕组26是一系列导电环路(或线圈)，电流通过其循环，并且一旦电流(或电压)渐变上升到期望的水平，绕组的冷超导温度就允许电流以零电阻循环。该循环电流充当磁体以在电枢绕组中施加磁场。基管44和支撑盘54的组件是用于场绕组组件26的示例性非旋转支撑件。盘可具有切口或孔55以减小重量。盘54附接到包含场绕组26的超导线圈的低温恒温器壳体56的端部。壳体56及其冷却构件形成冷却场绕组的超导线圈的低温恒温器。用于低温恒温器56的壳体可为环形的，在横截面上为矩形的，具有10至20英尺之间的外径和4至5英尺的长度。DC发电机和风力涡轮的壳体56和其它构件的尺寸是设计选择的问题，并且可取决于风力涡轮的设计而变化。

低温恒温器56使超导线圈绝缘，使得超导线圈可被冷却至绝对零度附近，例如至10开尔文(K)，且优选至4 K。为了冷却绕组，壳体56包括绝缘管道58以接收液氦(He)或其它类似的低温液体(称为冷冻剂)。安装在机舱的上部区域中、机舱的顶部上或塔架的顶部上并且在场绕组的上方的两级式再冷凝器60使用重力馈送提供冷冻剂(例如液He)。冷冻剂围绕场绕组的超导线圈磁体流动并冷却线圈磁体以实现超导状况。当He至少部分蒸发时，线圈被冷却到例如4开氏度。He蒸气通过管道58中的一个流动到再冷凝器60，在此He被冷却、液化并经由管道58返回到线圈磁体。用于超导线圈的电力导体也穿过带有用于氦的绝缘管道58的壳体56。

通过毂20施加扭矩以使旋转电枢24围绕静止的超导场绕组组件26转动。旋转支撑盘34将扭矩从毂传送到旋转电枢24。由于电磁力(EMF)耦合，旋转电枢24向静止的超导场绕组组件26施加扭矩。施加到静止的超导场绕组组件26的扭矩由场绕组壳体56传送到静止的支撑盘54并传送到塔架12的安装件47。

参考图4，壳体56的内部被抽空，并且这围绕热屏蔽件70形成绝缘真空。第一扭矩管72将热屏蔽件70悬挂在低温恒温器壳体56的被抽空的内部中。扭矩管72安装到壳体内的环形凸缘74。凸缘从壳体56的内壁抬高管。在扭矩管72的相反端部处的另一环形凸缘76从管抬高热屏蔽件70并使热屏蔽件在壳体56内居中。扭矩管72还将扭矩从热屏蔽件70传送到壳体56，并向低温热屏蔽件提供与环境温度壳体56的热绝缘。热屏蔽件70优选由轻质材料形成。环形外壳71悬挂在热屏蔽件70中。

第二扭矩管80在一端上由热屏蔽件70的内壁上的凸缘76支撑。凸缘76可延伸到由热屏蔽件70限定的腔室的内部中，或者可包括两个凸缘(一个在热屏蔽件内且另一个在热屏蔽件外)。凸缘可由绝缘材料形成。第二扭矩管80使环形外壳71与热屏蔽件热绝缘并将环形外壳71悬挂。第二扭矩管80将扭矩从线圈传送到第一扭矩管72。第一扭矩管和第二扭矩管两者均可由轻质材料形成。扭矩管是超导发电机的重要结构构件。扭矩管对电磁扭矩作出反应，该电磁扭矩是通过经由将扭矩传递到外部结构中并最终传递到风力涡轮塔架而与旋转电枢线圈相互作用来产生的。扭矩管还承载被冷却的场结构和热屏蔽件的静态重量，并且扭矩管使至超导线圈和热屏蔽件的传导热负荷最小化。

用于超导线圈68的绝缘电力线缆58、66穿过壳体56、热屏蔽件70中的密封孔口，并且用于第一管道58的绝缘电力线缆到达用于超导线圈的外壳71。壳体、热屏蔽件和外壳提供绝缘且冷却的环境，在该环境内超导线圈可被冷却到低温温度，例如4开氏度。布置在相反方向上的扭矩管将绕组及其外壳与环境状况热隔离和机械隔离。外壳在横截面上可为环形和矩形的。外壳的曲率与环形腔室70的曲率一致。外壳71可包括中空凹部83的环形阵列，每个凹部接收跑道形线圈68和液氦的供应。支撑托架82安置于凹部中和每个线圈磁体上方。

图5图示将根据本公开的方面的用于超导场绕组的低温恒温器的部分以横截面示出的简化示意图。低温恒温器包括环形腔室70，并且圆柱形壳84围绕外壳71和场绕组26设置。耐热支撑件501连接到扭矩管502。第二耐热支撑件或热锚固点503连接到第二扭矩管504，并且该第二扭矩管504经由第三耐热支撑件505锚固到环形腔室。第一扭矩管502和第二扭矩管504由截头圆锥形形状的部件构成，该截头圆锥形形状的部件大体上为截断圆锥形状。扭矩管502、504可具有并入其中的加强肋506、507，以增加扭矩管的周向和轴向的刚度。加强肋可沿扭矩管周向和/或轴向地延伸。在图5中，周向方向将沿着弧进入或离开页面，并且轴向方向大体上水平于左侧或右侧。

图6图示将根据本公开的方面的用于超导场绕组的低温恒温器的部分以横截面示出的简化示意图。低温恒温器包括环形腔室70，并且圆柱形壳84围绕外壳71和场绕组26设置。耐热支撑件601连接到扭矩管602。第二耐热支撑件603连接到第二扭矩管604，并且该第二扭矩管604经由第三耐热支撑件605锚固到环形腔室。第一扭矩管602和第二扭矩管604由圆柱形或大体上圆柱形形状的部件构成。扭矩管602、604可具有并入其中的加强肋606、607，以增加扭矩管的周向和轴向刚度。

扭矩管可由诸如下者的复合材料构成或形成：纤维增强塑料、环氧树脂纤维玻璃层压件、酚醛纤维玻璃层压件、带有缠绕细丝的酚醛纤维玻璃、聚酯纤维玻璃层压件、带有缠绕细丝的聚酯纤维玻璃层压件、聚酰亚胺纤维玻璃层压件、碳环氧树脂或纤维玻璃环氧树脂层压件。在一些已知的超导发电机中，采用或研究了金属(例如钛)扭矩管以供使用。然而，钛具有比纤维玻璃环氧树脂明显更好的热传递特性，并且在超导发电机中不期望该质量。实际上，期望相反的情况，并且将更期望热绝缘材料来保持环形腔室中的低温。上文标示的复合材料可提供足够的刚度以抵抗扭矩挠曲，并且还在低温下表现出令人满意的抗疲劳性，同时还具有低的热传递特性。

图7图示根据本公开的方面的扭矩管700的局部分解视图。扭矩管700由具有多个层(为清楚起见，仅示出其中的四个)的复合材料构成。将理解的是，层的数量可多于一个，并且可多达具体应用中如所期望的任何期望的数量。层701至704由以＋75度或－75度取向的环向取向纤维构成。度数是相对于发电机从单个轴向距离处的径向平面测量的。例如，层701和703具有以＋75度取向的纤维，并且层702和704具有以－75度取向的纤维。纤维角提供下者的良好平衡：提供结构刚度，并且还提供到扭矩管的相对端部的较长的热传导路径。纤维角还可在约＋65度或－65度至约＋85度或－85度之间的范围内。

图8图示由多个分段的节段形成的扭矩管700在径向平面中的横截面视图。扭矩管700是大体上圆柱形或截头圆锥形部件，其由连结在一起的多个分段的节段801至808形成。节段801至808中的每个由弓形板形成，并且当节段801-808连结在一起时形成图8中所示出的圆柱形扭矩管。优选地，每个节段的材料是复合层压件，然而，如果期望并确定适合于所期望的应用，则可使用金属材料/合金。

图9图示由多个分段的节段形成的扭矩管700在径向平面中的横截面视图。扭矩管700是大体上圆柱形、多边形或截头圆锥形部件，其由连结在一起的多个分段的节段901至908形成。节段901至908中的每个由平板形成，并且当节段901至908连结在一起时形成图9中所示出的大体上圆柱形或多边形的扭矩管。

图10图示根据本公开的方面的扭矩管节段的平面视图。节段1001可为图8-9的分段的节段801至808或901至908中的任何一个(或全部)。节段1001可为成型板或中空管或弓形板，并且包括在节段的主体中形成的一个或多个孔口1011至1013。孔口1011至1013用于多种功能。第一，它们向容纳在外壳71中的绕组26提供进入窗口。第二，孔口1011至1013减小扭矩管的总体重量，因为材料已经被去除以产生孔口。第三，由于孔口产生减小的横截面面积，故孔口1011至1013减少沿着其轴向截面的热传递。

图11图示根据本公开的方面的多带扭矩承载组件在径向平面中的横截面视图。场线圈外壳71连接到多个带1110，带1110继而连接到扭矩管602。多个带1110起到支撑轴向和横向或周向负荷的作用。额外的成组的带1110(未示出)可用于将第一扭矩管602连接到第二扭矩管604(未示出)。

图12图示根据本公开的方面的空间框架或者支柱扭矩承载组件在径向平面中的横截面视图。场线圈外壳71连接到多个支柱1210，支柱1210继而连接到扭矩管602。多个支柱1210起到支撑轴向和横向或周向负荷的作用。额外的成组的支柱1210(未示出)可用于将第一扭矩管602连接到第二扭矩管604(未示出)。空间框架或支柱结构(由支柱1210组成)是由呈几何图案(例如，三角形)的联锁支柱构成的刚性、轻质、桁架状结构。由于三角形的固有刚度，空间框架承载组件是结实的，因为挠曲负荷作为张紧和压缩负荷沿每个支柱1210的长度传送。

虽然已经参考示例性实施例描述了本公开，但是本领域技术人员将理解，在不脱离本公开的范围的情况下，可进行各种改变并且可用等同物替换其元件。另外，在不脱离本公开的实质范围的情况下，可进行许多修改以使特定情况或材料适于本公开的教导。因此，意图的是，本公开不限于作为为了实施本公开设想的最佳模式而公开的特定实施例，而是本公开将包括落入所附权利要求书的范围内的所有实施例。