涉及用于风力应用的超导单极交流发电机的系统的制作方法
专利名称：涉及用于风力应用的超导单极交流发电机的系统的制作方法
技术领域：
本发明实施例大致涉及超导单极交流发电机(superconducting homopolar alternator)，并且更尤其是涉及包括使用用于风力应用的超 导单极交流发电机的系统。
背景技术：
在这点上，包括不安装在转子组件上的超导激励线圈的超导单极 交流发电机在多种应用中是有利的。由于超导激励线圈使用低温流体 来冷却线圈，所以非旋转超导激励线圈简化了用于将低温流体输送至 线圈的组件。另外，至转子组件的电气连接被简化；因为在转子上没 有线圏，所以没有出现经由电刷或者其他部件的电气连接。利用包括 没有安装在转子组件上的超导激励线圏的超导单极交流发电机的系 统来发电是所期望的。发明内容一个示范实施例包括用于发电(generating power)的系统，所述用 于发电的系统包含单极发电机(homopolar electrical generator)和风力涡 轮机(wind turbine),所述单极发电机具有可操作以产生^f兹场的超导激 厉力线圈(superconducting field coil)以及单才及寿争子纟且4牛(homopolar rotor assembly),该单极转子组件可操作以在磁场中旋转，从而使得旋转磁 场通过由单极转子组件产生的旋转磁导波和由超导激励线圈产生的 磁场的相互作用而与固定绕组(stationary winding)耦合，所述风力涡轮 机被机械链接至单极发电机，可操作以旋转单极转子组件。一个可选的示范实施例包括单极发电才几系统，所述单才及发电机系 统包括可操作以产生磁场的超导激励线圈以及单极转子组件，所述单极转子組件包括毂部(hub portion)和极部(polar portion),所述毂部具有 部分地由毂部限定的内腔(inner cavity),所述极部接合具有多个极的毂 部的外周缘(outer circumference),其中单极转子組件可操作以在磁场 中旋转，从而使得旋转磁场通过由单极转子组件产生的旋转磁导波和 由超导激励线圏产生的磁场的相互作用而与固定绕组耦合。另 一个可选的示范实施例包括单极发电系统和风力涡轮机，所述 单极发电系统包括可操作以产生磁场的超导激励线圈、单极转子组 件，所述单极转子组件包括毂部和极部，所述毂部具有部分地由该毂 部限定的内腔，所述极部接合具有多个极的毂部的外周缘，其中单极 转子组件可操作以在磁场中旋转，从而使得旋转磁场通过由单极转子 组件产生的旋转磁导波和由超导激励线圈产生的磁场的相互作用而 与固定绕组耦合，所述风力涡轮机^皮机械链接至单极发电机系统，以 可操作地旋转单极转子组件。
当参考附图阅读下面详细说明时，这些以及其它特征、特点和优 点将会变得更加明白，附图中类似的字符表示类似的部分，其中 图1是使用超导单极交流发电机的系统的示范实施例的示图。 图2是透视示出超导单极交流发电机系统的示范实施例的部分剖 视图。图3是示出图2的超导单极交流发电机系统的转子组件的可选示 范实施例的透^L图。图4是示出图2的超导单极交流发电机系统的转子组件的可选示 范实施例的正;^见图。100超导单极交流发电机系统101风叶片103齿轮箱(gear box)105超导单极交流发电机 107电缆200超导单极交流发电机系统 201单极转子组件 202极203定子辄(stator yoke)205电枢207轴组件209轴承211超导激励线圏213 二次冷凝器215 ^氐温冷却才几300轻型单极转子组件301毂部303开口305极部307极309外周缘311外表面具体实施方式
在下面详细说明中，阐明了许多具体细节以提供对各个实施例的 完全理解。然而，可以没有这些具体细节来实施所述实施例。在其它 实例中，已知方法、程序和组件没有详细i^明。而且，各个操作可以用多个离散的步骤来说明，所述离散的步骤 以有助于理解本发明实施例的方式实现。然而，说明的顺序不应解释 为暗示这些操作需要以它们出现的顺序来实现，或者甚至它们是与顺 序有关的。此外，重复使用词組"在一个实施例中"并不一定指同一实施例，尽管它可以是。最后，在本申请中使用的术语"包含"、"包 括，，、"具有"等除非另外说明，规定为同义的。超导单极交流发电机用于生成电力。风力涡轮机系统提供有效的 和干净的电力生成而具有相对小的安装后重量，所述风力涡轮机系统 具有超导单极交流发电机，该单极交流发电机具有没有安装在转子上的超导激励线圈。参考图1，示出了用于生成电力的风力涡轮机传动系统100。该系统100包括风叶片101、齿轮箱103和超导单极交流发电机105， 所述超导单极交流发电机105经由齿轮箱103和轴(未示出)被机械链 接至风叶片101。电缆107电连通于超导单极交流发电机105和电网(未 示出)，并且通常也电连通于电力电子转换系统(未示出)。图2是示出超导单极交流发电机系统200(例如可以在系统100中 使用)的示范实施例的部分剖开透朝b现图。超导单极交流发电机系统 200包括单极转子组件201,所述单极转子组件201包括被链接到轴 组件207的极202。极202包含铁^兹材料。轴组件207接合轴承209。 所示出的实施例还包括定子轭203、电枢205以及超导激励线圈211。 低温冷却机215和二次冷凝器213也净皮包括在系统200中。为优化功 率密度，转子组件201和轭203由软磁材料组成是有利的，所述软磁 材料有越高的磁饱和度和磁化率以及越小的磁滞越好。超导激励线圈 211可以由任何超导电线组成，例如NbTi、 Nb3Sn、 BSCCO、 YBCO 或者MgB2。由低温冷却机215所提供的温度是由所采用的超导电线 的运行特性所决定的。在操作中，超导单极交流发电机系统200产生电力。低温冷却机 215可操作于保持在超导激励线圏211中的温度，使超导激励线圈211 感应围绕单极转子组件201的磁场。低温冷却机215可以是将使超导 激励线圈211保持合适温度的任何形式的低温冷却机。低温冷却机215 可以与例如氮和氖的低温液体一起操作。轴组件207经由齿轮箱103 被机械链接至风力涡轮机IOI(图1)。当风转动风力涡轮机101时，轴7组件207旋转，并又旋转转子组件201 。在单极转子组件201中的旋转极202导致磁通量的磁导波。旋转 极202产生的通量引起通过定子轭203中固定绕组(电枢绕组)的旋转 磁场。旋转磁场在定子轭203中的固定绕组中生成电流。在所示出的 实施例中，单极转子组件201以大约每分钟200转(rpm)旋转。单极转速而引起)和齿轮箱103的齿轮齿数比而改变。图3示出单极转子组件201的可选示范实施例的透视图。图3包 4舌径向通量单4及感应式交流发电才几(radial flux homopolar inductor alternator),然而轴向通量电才几(axial flux machine)也可以^f吏用。示出了 轻型单极转子组件300。轻型单极转子组件300包括具有外表面311 的毂部301和部分由毂部301限定的可选的内腔303。极部305接合 毂部301的外周缘309。极部305包括多个极307。图4示出轻型单 极转子组件300的正^L图。图4示出具有开口 303的外表面311。内 腔和开口 303可以用于减轻转子的重量。轻型单极转子组件300的使用使超导单极交流发电机系统200能 够在风力涡轮机应用中工作地更有效率。为了优化的功率密度，转子 组件300和它的部分301、 305、 307由磁性材料组成是有利的，所述 磁性材料具有尽可以高的磁饱和度和磁化率及尽可能低的磁滞越。本说明书使用示例来公开本发明(包括最佳模式)并且使本发明能 够实现(包括制造和使用任何装置或系统以及完成任何结合的方法)。 本发明实施例中的可专利范围由权利要求来限定，并且可以包括其它 示例。如果其它示例有与权利要求文字语言相同的结构部件或者它们 包括与权利要求的文字语言无实质不同的等同结构部件，那么这些其 它示例也被旨在在权利要求的范围之内。
权利要求
1. 一种用于发电的系统(100)，包括单极发电机(105)，具有超导激励线圈(211)，可操作以产生磁场；和单极转子组件(201)，可操作以在所述磁场中旋转，从而使得旋转磁场通过由所述单极转子组件(201)所产生的旋转磁导波和由所述超导激励线圈(211)所产生的所述磁场的相互作用而与固定绕组(203)耦合；和机械链接至所述单极发电机(105)的风力涡轮机(101)，可操作以旋转所述单极转子组件(201)。
2. 根据权利要求1所述的系统，其中，所述系统(100)还包括氮 低温冷却机(215)。
3. 根据权利要求1所述的系统，其中，所述系统(100)还包括氖 低温冷却机(215)。
4. 根据权利要求1所述的系统，其中，所述单极转子组件(201) 可操作以转旋在约每分钟200转。
5. —种单极发电机系统(IOO)，包括 超导激励线圏(211)，可操作以产生磁场；和 单极转子组件(201)，包括具有内腔的毂部(301),所述内腔部分地由所述毂部(301)所限定；和极部(305)，所述极部(305)接合具有多个极(307)的所述毂部(301) 的外周缘(309)，其中所述单极转子组件(201)可操作以在所述^兹场中旋 转，从而使得旋转磁场通过由所述单极转子组件(201)所产生的旋转磁 导波和由所述超导激励线圏(21 l)所产生的所述磁场的相互作用而与 固定绕组(203)耦合。
6. 根据权利要求5所述的系统，其中，所述毂部(301)还包括外表面(311);和与所述外表面和所述内腔连通的开口(303)。
7. 根据权利要求5所述的系统，其中，所述系统还包括氮低温冷 却机(215)。
8. 根据权利要求5所述的系统，其中，所述系统还包括氖低温冷 却机(215)。
9. 根据权利要求5所述的系统，其中，所述单极转子组件(201) 可操作以旋转在约每分钟200转。
全文摘要
本发明名称为涉及用于风力应用的超导单极交流发电机的系统，其提供了一种发电系统，包括单极发电机和风力涡轮机，所述发电机具有可操作以产生磁场的超导激励线圈和单极转子组件，所述单极转子组件可操作以在磁场中旋转从而使得旋转磁场通过由单极转子组件所产生的旋转磁导波和由超导激励线圈所产生的磁场的相互作用而与固定绕组耦合，所述风力涡轮机被机械链接至单极发电机，可操作以旋转单极转子组件。
文档编号H02K55/00GK101532472SQ20091012760
公开日2009年9月16日 申请日期2009年3月11日 优先权日2008年3月13日
发明者E·T·拉斯卡里斯, J·W·布雷, K·H·西瓦苏布拉马尼亚姆 申请人:通用电气公司
技术领域：
本发明实施例大致涉及超导单极交流发电机(superconducting homopolar alternator)，并且更尤其是涉及包括使用用于风力应用的超 导单极交流发电机的系统。
背景技术：
在这点上，包括不安装在转子组件上的超导激励线圈的超导单极 交流发电机在多种应用中是有利的。由于超导激励线圈使用低温流体 来冷却线圈，所以非旋转超导激励线圈简化了用于将低温流体输送至 线圈的组件。另外，至转子组件的电气连接被简化；因为在转子上没 有线圏，所以没有出现经由电刷或者其他部件的电气连接。利用包括 没有安装在转子组件上的超导激励线圏的超导单极交流发电机的系 统来发电是所期望的。发明内容一个示范实施例包括用于发电(generating power)的系统，所述用 于发电的系统包含单极发电机(homopolar electrical generator)和风力涡 轮机(wind turbine),所述单极发电机具有可操作以产生^f兹场的超导激 厉力线圈(superconducting field coil)以及单才及寿争子纟且4牛(homopolar rotor assembly),该单极转子组件可操作以在磁场中旋转，从而使得旋转磁 场通过由单极转子组件产生的旋转磁导波和由超导激励线圈产生的 磁场的相互作用而与固定绕组(stationary winding)耦合，所述风力涡轮 机被机械链接至单极发电机，可操作以旋转单极转子组件。一个可选的示范实施例包括单极发电才几系统，所述单才及发电机系 统包括可操作以产生磁场的超导激励线圈以及单极转子组件，所述单极转子組件包括毂部(hub portion)和极部(polar portion),所述毂部具有 部分地由毂部限定的内腔(inner cavity),所述极部接合具有多个极的毂 部的外周缘(outer circumference),其中单极转子組件可操作以在磁场 中旋转，从而使得旋转磁场通过由单极转子组件产生的旋转磁导波和 由超导激励线圏产生的磁场的相互作用而与固定绕组耦合。另 一个可选的示范实施例包括单极发电系统和风力涡轮机，所述 单极发电系统包括可操作以产生磁场的超导激励线圈、单极转子组 件，所述单极转子组件包括毂部和极部，所述毂部具有部分地由该毂 部限定的内腔，所述极部接合具有多个极的毂部的外周缘，其中单极 转子组件可操作以在磁场中旋转，从而使得旋转磁场通过由单极转子 组件产生的旋转磁导波和由超导激励线圈产生的磁场的相互作用而 与固定绕组耦合，所述风力涡轮机^皮机械链接至单极发电机系统，以 可操作地旋转单极转子组件。
当参考附图阅读下面详细说明时，这些以及其它特征、特点和优 点将会变得更加明白，附图中类似的字符表示类似的部分，其中 图1是使用超导单极交流发电机的系统的示范实施例的示图。 图2是透视示出超导单极交流发电机系统的示范实施例的部分剖 视图。图3是示出图2的超导单极交流发电机系统的转子组件的可选示 范实施例的透^L图。图4是示出图2的超导单极交流发电机系统的转子组件的可选示 范实施例的正;^见图。100超导单极交流发电机系统101风叶片103齿轮箱(gear box)105超导单极交流发电机 107电缆200超导单极交流发电机系统 201单极转子组件 202极203定子辄(stator yoke)205电枢207轴组件209轴承211超导激励线圏213 二次冷凝器215 ^氐温冷却才几300轻型单极转子组件301毂部303开口305极部307极309外周缘311外表面具体实施方式
在下面详细说明中，阐明了许多具体细节以提供对各个实施例的 完全理解。然而，可以没有这些具体细节来实施所述实施例。在其它 实例中，已知方法、程序和组件没有详细i^明。而且，各个操作可以用多个离散的步骤来说明，所述离散的步骤 以有助于理解本发明实施例的方式实现。然而，说明的顺序不应解释 为暗示这些操作需要以它们出现的顺序来实现，或者甚至它们是与顺 序有关的。此外，重复使用词組"在一个实施例中"并不一定指同一实施例，尽管它可以是。最后，在本申请中使用的术语"包含"、"包 括，，、"具有"等除非另外说明，规定为同义的。超导单极交流发电机用于生成电力。风力涡轮机系统提供有效的 和干净的电力生成而具有相对小的安装后重量，所述风力涡轮机系统 具有超导单极交流发电机，该单极交流发电机具有没有安装在转子上的超导激励线圈。参考图1，示出了用于生成电力的风力涡轮机传动系统100。该系统100包括风叶片101、齿轮箱103和超导单极交流发电机105， 所述超导单极交流发电机105经由齿轮箱103和轴(未示出)被机械链 接至风叶片101。电缆107电连通于超导单极交流发电机105和电网(未 示出)，并且通常也电连通于电力电子转换系统(未示出)。图2是示出超导单极交流发电机系统200(例如可以在系统100中 使用)的示范实施例的部分剖开透朝b现图。超导单极交流发电机系统 200包括单极转子组件201,所述单极转子组件201包括被链接到轴 组件207的极202。极202包含铁^兹材料。轴组件207接合轴承209。 所示出的实施例还包括定子轭203、电枢205以及超导激励线圈211。 低温冷却机215和二次冷凝器213也净皮包括在系统200中。为优化功 率密度，转子组件201和轭203由软磁材料组成是有利的，所述软磁 材料有越高的磁饱和度和磁化率以及越小的磁滞越好。超导激励线圈 211可以由任何超导电线组成，例如NbTi、 Nb3Sn、 BSCCO、 YBCO 或者MgB2。由低温冷却机215所提供的温度是由所采用的超导电线 的运行特性所决定的。在操作中，超导单极交流发电机系统200产生电力。低温冷却机 215可操作于保持在超导激励线圏211中的温度，使超导激励线圈211 感应围绕单极转子组件201的磁场。低温冷却机215可以是将使超导 激励线圈211保持合适温度的任何形式的低温冷却机。低温冷却机215 可以与例如氮和氖的低温液体一起操作。轴组件207经由齿轮箱103 被机械链接至风力涡轮机IOI(图1)。当风转动风力涡轮机101时，轴7组件207旋转，并又旋转转子组件201 。在单极转子组件201中的旋转极202导致磁通量的磁导波。旋转 极202产生的通量引起通过定子轭203中固定绕组(电枢绕组)的旋转 磁场。旋转磁场在定子轭203中的固定绕组中生成电流。在所示出的 实施例中，单极转子组件201以大约每分钟200转(rpm)旋转。单极转速而引起)和齿轮箱103的齿轮齿数比而改变。图3示出单极转子组件201的可选示范实施例的透视图。图3包 4舌径向通量单4及感应式交流发电才几(radial flux homopolar inductor alternator),然而轴向通量电才几(axial flux machine)也可以^f吏用。示出了 轻型单极转子组件300。轻型单极转子组件300包括具有外表面311 的毂部301和部分由毂部301限定的可选的内腔303。极部305接合 毂部301的外周缘309。极部305包括多个极307。图4示出轻型单 极转子组件300的正^L图。图4示出具有开口 303的外表面311。内 腔和开口 303可以用于减轻转子的重量。轻型单极转子组件300的使用使超导单极交流发电机系统200能 够在风力涡轮机应用中工作地更有效率。为了优化的功率密度，转子 组件300和它的部分301、 305、 307由磁性材料组成是有利的，所述 磁性材料具有尽可以高的磁饱和度和磁化率及尽可能低的磁滞越。本说明书使用示例来公开本发明(包括最佳模式)并且使本发明能 够实现(包括制造和使用任何装置或系统以及完成任何结合的方法)。 本发明实施例中的可专利范围由权利要求来限定，并且可以包括其它 示例。如果其它示例有与权利要求文字语言相同的结构部件或者它们 包括与权利要求的文字语言无实质不同的等同结构部件，那么这些其 它示例也被旨在在权利要求的范围之内。
权利要求
1. 一种用于发电的系统(100)，包括单极发电机(105)，具有超导激励线圈(211)，可操作以产生磁场；和单极转子组件(201)，可操作以在所述磁场中旋转，从而使得旋转磁场通过由所述单极转子组件(201)所产生的旋转磁导波和由所述超导激励线圈(211)所产生的所述磁场的相互作用而与固定绕组(203)耦合；和机械链接至所述单极发电机(105)的风力涡轮机(101)，可操作以旋转所述单极转子组件(201)。
2. 根据权利要求1所述的系统，其中，所述系统(100)还包括氮 低温冷却机(215)。
3. 根据权利要求1所述的系统，其中，所述系统(100)还包括氖 低温冷却机(215)。
4. 根据权利要求1所述的系统，其中，所述单极转子组件(201) 可操作以转旋在约每分钟200转。
5. —种单极发电机系统(IOO)，包括 超导激励线圏(211)，可操作以产生磁场；和 单极转子组件(201)，包括具有内腔的毂部(301),所述内腔部分地由所述毂部(301)所限定；和极部(305)，所述极部(305)接合具有多个极(307)的所述毂部(301) 的外周缘(309)，其中所述单极转子组件(201)可操作以在所述^兹场中旋 转，从而使得旋转磁场通过由所述单极转子组件(201)所产生的旋转磁 导波和由所述超导激励线圏(21 l)所产生的所述磁场的相互作用而与 固定绕组(203)耦合。
6. 根据权利要求5所述的系统，其中，所述毂部(301)还包括外表面(311);和与所述外表面和所述内腔连通的开口(303)。
7. 根据权利要求5所述的系统，其中，所述系统还包括氮低温冷 却机(215)。
8. 根据权利要求5所述的系统，其中，所述系统还包括氖低温冷 却机(215)。
9. 根据权利要求5所述的系统，其中，所述单极转子组件(201) 可操作以旋转在约每分钟200转。
全文摘要
本发明名称为涉及用于风力应用的超导单极交流发电机的系统，其提供了一种发电系统，包括单极发电机和风力涡轮机，所述发电机具有可操作以产生磁场的超导激励线圈和单极转子组件，所述单极转子组件可操作以在磁场中旋转从而使得旋转磁场通过由单极转子组件所产生的旋转磁导波和由超导激励线圈所产生的磁场的相互作用而与固定绕组耦合，所述风力涡轮机被机械链接至单极发电机，可操作以旋转单极转子组件。
文档编号H02K55/00GK101532472SQ20091012760
公开日2009年9月16日 申请日期2009年3月11日 优先权日2008年3月13日
发明者E·T·拉斯卡里斯, J·W·布雷, K·H·西瓦苏布拉马尼亚姆 申请人:通用电气公司
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