[发明专利]一种直驱式波浪发电用全超导初级励磁直线发电机

说明书

技术领域

本发明属于直线发电机领域，涉及一种应用于直驱式波浪发电系统的初级励磁直线发电机。

背景技术

海洋能广泛分布于地球表面，波浪能是一种分布广泛、能量密度大、品位最高、最易于直接利用的海洋能源。波浪发电没有任何噪音，不存在油污泄露危险。波浪发电将开启一个新的纯净能源时代。波浪能发电技术可直接应用于海洋观测仪器供电系统、军事及民用测试浮标供电系统、独岛供电系统、作业平台供电系统以及大规模并网型海洋能发电系统。直驱往复式波浪发电装置采用能量收集装置和直线发电机直接结合，改变了传统的将直线运动通过其他机械装置转换为旋转运动、带动旋转发电机的发电方式，对直线运动能源进行直接收集，省去了中间的能量传动环节，系统发电效率可以提高20％以上。同时，降低了系统的复杂度，减小了体积，提高了稳定性。另外，直驱波浪发电系统机构简单、成本低、投放区域广，适合于规模化应用。因此，直驱往复式波浪能发电具有广阔的前景。然而，由于波浪发电低速直驱的特点，一次能量转换具有大推力、低速度特点，并且电机气隙远大于旋转电机，使得采用传统的永磁结构和电励磁结构的直线发电机均具有体积庞大、功率密度较低下的缺点。

发明内容

技术问题：本发明提供一种具有高功率密度和效率，采用初级励磁简化了冷却系统结构，运行次级分段设计优化了电机输出电能质量的直驱式波浪发电用全超导初级励磁直线发电机。

技术方案：本发明的直驱式波浪发电用全超导初级励磁直线发电机，由初级定子和次级动子组成，所述初级定子由直线排列的多组定子单元组成，每个所述定子单元包括由两个初级铁芯构成的开口面向次级动子的U型铁芯、设置在所述初级铁芯中的初级电枢绕组、设置在所述U型铁芯中的初级励磁绕组，所述次级动子为不含绕组的齿槽结构的铁芯，所述初级铁芯上设置有与之对应的齿槽结构。所述次级动子齿槽结构的齿宽相同，次级动子分为一个齿距为2τ的第一次级段、两个齿距为1.25τ的第二次级段和两个齿距为τ的第三次级段，所述第一次级段位于次级动子中部，两个第三次级段分别位于次级动子两端，第二次级段(14)位于第一次级段和第三次级段之间。所述初级励磁绕组分为两部分，一部分设置在两个初级铁芯相临之处的外侧，另一部分设置在沿U型铁芯外侧布置的励磁绕组支架上，所述初级励磁绕组和初级电枢绕组均为超导绕组。

进一步的，本发明中，所述超导绕组由饼型结构的MgB₂超导线材料组成，所述初级定子中设置有电枢绕组冷却杜瓦和励磁绕组冷却杜瓦。

进一步的，本发明中，所述初级定子中，相邻两个定子单元的间距为(5N+1+2/3)τ-D，其中，D为定子单元在直线排列方向上的长度，N为奇数，同一定子单元中两个初级铁芯的间距为(M±1/2)τ-d，其中d为初级铁芯在直线排列方向上的长度，M为整数。

进一步的，本发明中，初级定子中，相邻两个定子单元的间距为(6+2/3)τ-D，次级动子与初级定子的齿宽相等，所述第一次级段的齿槽比，即齿宽与槽宽的比值为1∶3，第二次级段的齿槽比为1∶1.5，第三次级段的齿槽比为1∶1。

本发明主要由初级和次级组成，电机初级由机壳、初级铁芯、电枢绕组、励磁绕组和冷却杜瓦组成，次级主要包括齿槽结构的导磁铁芯和槽填充。其中，初级固定于机壳之上，次级为运动部分直接和波浪能收集装置(浮筒)相连接。超导电枢绕组和超导励磁绕组均位于固定的初级，简化了超导冷却机构。次级为齿槽结构的铁芯，不含任何绕组，结构简单。

本发明一种方案中，电机为圆筒形结构，外筒为电机初级(定子)，内筒为电机次级(动子)。励磁绕组和电枢绕组采用MgB₂超导线材，为实现线间绝缘，MgB₂超导线材外采用非导电材料(耐高温玻璃纤维)进行包套。励磁绕组支架为钛合金或者铝合金材料。动子为齿槽结构的导磁金属体或者合金导磁体，槽间填充非导磁材料。

本发明的优选方案中，励磁绕组采用套筒式冷却杜瓦结构，安装于初级铁芯和机壳之间，相间采用隔离容器或整体容器，冷却气体入口位于上端，出口位于下端。励磁绕组采用弧形设计，采用不导磁的钛合金支架进行支撑。

优选方案中，电枢绕组采用套管式冷却杜瓦，安装于初级槽内，初级电枢绕组包于环形管状杜瓦管中，管间通过连接管相连，冷却气体入口位于最上端杜瓦管一侧，出口位于最下端杜瓦管另一侧。

优选方案中，冷媒可采用液氢。初级铁芯和次级铁芯为高饱和点的铁钴合金材料。次级齿距随次级位置采用从中间到端部逐渐减少的变齿距结构。