阅读说明：本技术 分数槽的高温超导发电机定子 (Fractional-slot high-temperature superconducting generator stator ) 是由 李婉 李东升 陈琳 杨智 张洋 陈磊 于 2019-10-22 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种分数槽的高温超导发电机定子,具有一个超导电机定子铁心装置,超导电机定子铁心装置由超导线盘、定子铁芯、挡板组成,定子铁芯上设有开口槽和平行齿,开口槽内装有超导线盘,超导线盘与定子铁芯之间通过挡板固定连接；超导线盘采用高温超导线圈作为电枢绕组,可以提高定子侧电枢绕组的载流密度,提高整机功密度,减小整体重量。线盘整体设计可以有效固定与支撑高温超导线圈,线盘上下盖板采用尼龙+玻璃纤维材质的螺丝、螺母,达到减小整体线圈的涡流损耗的目的；多边形槽口的设计有利于整个线盘的安装和拆卸,尖角处的直线化或圆角化处理可以减弱铁芯的聚磁效应,降低超导线圈表面磁场,改善超导线圈工作环境,提高超导线圈的临界电流。(The invention relates to a fractional-slot high-temperature superconducting generator stator which is provided with a superconducting motor stator core device, wherein the superconducting motor stator core device consists of a superconducting wire coil, a stator core and a baffle plate; the superconducting wire coil adopts the high-temperature superconducting coil as the armature winding, so that the current-carrying density of the armature winding at the stator side can be improved, the power density of the whole machine is improved, and the whole weight is reduced. The whole design of the wire coil can effectively fix and support the high-temperature superconducting coil, and the upper cover plate and the lower cover plate of the wire coil are made of nylon and glass fiber, so that the aim of reducing the eddy current loss of the whole coil is fulfilled; the design of the polygonal notch is favorable for the installation and the disassembly of the whole wire coil, the magnetic gathering effect of the iron core can be weakened through the linearization or filleting treatment of the sharp corner, the surface magnetic field of the superconducting coil is reduced, the working environment of the superconducting coil is improved, and the critical current of the superconducting coil is increased.)

分数槽的高温超导发电机定子

技术领域

本发明涉及一种高温超导电机，具体涉及一种采用超导线圈的电枢绕组的定子。

背景技术

高温超导电机采用高温超导体和高温超导电枢绕组，其中：

(1)高温超导体与常规导体相比，超导体具有两大基本特性，即：零电阻特性和迈斯纳效应。通常状态下超导材料是有电阻的，属于正常态；当超导材料冷却到一定温度以下时，电阻为零，表现出超导电性，超导体处于超导态。高温超导材料诞生于1986年，随着高温铜氧化合物超导体的发现，揭开了可在液氮温区之上工作的"高温超导体"研究的序幕。相较于低温超导体(临界温度在10K以下)，高温超导体的临界温度大大提高，对制冷要求大大降低；同时超导带材制备工艺经过30多年的发展已经日趋成熟，其电磁特性和机械性能有了显著提升，价格也在逐年下降，超导带材的工业化量产使得超导线圈、超导永磁体、超导电缆用在一系列电力设备上变得切实可行。与传统常规导体电力设备相比，超导电力设备具有载流大、损耗低、效率高、体积小、成本低的优势。

(2)高温超导电枢绕组中的高温超导线材具有载流高、截面小的优点，所以由高温超导线材绕制成的线圈用于电机电枢绕组，能极大提高载流密度，增加电枢线负荷，提高电机的功率密度，达到减小电机的质量体积，提高效率的密度。超导线圈的形状、性能设计是超导电机整体中最重要的一部分。

(3)超导线圈交流损耗，高温超导材料在直流下几乎是没有损耗的，但是在交流电或者交流磁场的影响下，超导线圈就会产生交流损耗，这种损耗是材料的本征属性，无法避免。因此，超导线圈在交流的环境下其应用就得到了很大的限制；在77K甚至更低温下，带走1J的热量需要十倍甚至百倍的冷量输入。

由于超导线材与普通铜线不一样，其结构易脆，不能随意弯折，不能直接像铜导线一样紧密的缠绕在定子铁心的铁齿上，超导线圈需要绕制在定制的骨架上，通过骨架与定子铁心固定。不合适的骨架设计会降低铁心的槽满率，导致电机铁心漏磁严重，从而增加超导电枢绕组的交流损耗，加重电机整体冷却负担。整个超导线圈包括骨架和定子铁芯的固定、合理设计超导线盘是本发明中需要解决的问题，保证整个装置都能安全工作在液氮环境中。

在满足定子铁心槽满率的要求下，如何减小超导线圈的表面磁场，改善线圈的整体运行环境。超导线材表面的外磁场会影响其临界电流。临界电流的减小意味着在通流相同的条件下交流损耗会增加。通过整体装置外在结构改变减少线圈表面磁场，从而提高线圈的临界电流。

发明内容

本发明是要提供一种分数槽的高温超导发电机定子，该定子的超导线圈结构简单，能够方便且牢固固定超导线圈与定子铁心。

本发明的技术方案是：一种分数槽的高温超导发电机定子，具有一个超导电机定子铁心装置，所述超导电机定子铁心装置由超导线盘、定子铁芯、挡板组成，所述定子铁芯上设有均布的开口槽和平行齿，所述开口槽内装有超导线盘，所述超导线盘与定子铁芯之间通过挡板固定连接；所述超导线盘采用高温超导线圈作为电枢绕组，可以提高定子侧电枢绕组的载流密度，提高整机的功密度，减小整体的重量。

进一步，所述超导线盘由超导线圈、整体骨架以及铜端子组成，所述超导线圈在整体骨架绕制成跑道型；所述整体骨架含有上盖板、下盖板和跑道型骨架，所述跑道型骨架与上盖板、下盖板之间通过多个平机螺丝、螺丝及螺母固定连接成一体，同时将上盖板两侧向下弯折防止绕制后的线圈散开；两个所述铜端子分别固定在下盖板上，用于连接常规电缆导线与超导线圈。

进一步，所述上、下盖板中的平机螺丝错位拧紧，在上紧螺丝及螺母后保证与上盖板一样齐平，提高定子铁芯的多边形开口槽的利用率。

进一步，所述两个铜端子结构不一致，并在下盖板上的固定位置不对称，用于避免电缆导线相互交叉而造成绝缘磨损，发生短接故障。

进一步，所述平机螺丝、螺丝及螺母采用尼龙+玻璃纤维复合材料，尼龙和玻璃纤维复合材料含量各占50％，可减少线盘周围的涡流损耗，并提高超导线盘整体的抗压性。

进一步，所述定子铁芯采用多边形开口槽和平行齿结构，多边形开口槽和平行齿呈间隔分布。

进一步，所述定子铁芯的多边形开口槽顶部处尖角做直线化处理，可以有效减小聚磁效应，减弱线圈表面的磁场，提高超导线圈的临界电流。

本发明的有益效果是：

相较于普通发电机铜导线电枢绕组，采用高温超导线圈作为电枢绕组，可以提高定子侧电枢绕组的载流密度，极大提高整机的功密度，减小整体的重量。对于低转速、大功率的电机而言，其运行效率可以得到提高。

线盘的整体设计可以有效固定与支撑高温超导线圈，线盘上下盖板都采用尼龙+玻璃纤维材质的螺丝、螺母，达到减小整体线圈的涡流损耗的目的。

多边形槽口的设计有利于整个线盘的安装和拆卸，尖角处的直线化或圆角化处理可以减弱铁芯的聚磁效应，降低超导线圈表面磁场，改善超导线圈工作环境，提高超导线圈的临界电流。

附图说明

图1为分数槽的高温超导发电机定子铁芯示意图；

图2为超导线盘示意图；

图3为定子铁芯前视图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式对本发明技术方案作详细说明，便于清楚地了解本发明，但它们对本发明不构成限定。

如图1所示，一种分数槽的高温超导发电机定子，具有一个超导电机定子铁心装置，超导电机定子铁心装置主要由超导线盘1、定子铁芯2、挡板3组成。定子铁芯2上设有均布的多边形开口槽及平行齿结构，多边形开口槽内装有超导线盘1，超导线盘1与定子铁芯2之间通过挡板3固定连接。采用多边形槽口的设计有利于整个线盘的安装和拆卸，尖角处的直线化或圆角化处理可以减弱铁芯的聚磁效应，降低超导线圈表面磁场，改善超导线圈工作环境，提高超导线圈的临界电流。

超导线盘1采用高温超导线圈作为电枢绕组，可以提高定子侧电枢绕组的载流密度，极大提高整机的功密度，减小整体的重量。对于低转速、大功率的电机而言，其运行效率可以得到提高。

如图2所示，超导线盘1主要由超导线圈1-1和整体骨架1-2以及铜端子1-3组成。由于高温超导线材都是扁平结构，宽厚比较大，且不能在平行于导线表面方向进行弯折，所以用在电机中的超导线圈只能绕制成跑道型。整体骨架1-2含有上盖板1-2-1、下盖板1-2-2和跑道型骨架1-2-3，上、下盖板中共有28个M3平机螺丝1-2-4和4个M10螺丝1-2-5及螺母1-2-6。同时将上盖板1-2-1两侧向下弯折防止绕制后的线圈散开。上、下盖板1-2-1、1-2-2中的平机螺丝1-2-4错位拧紧，上紧螺丝1-2-5中保证与上盖板1-2-1一样齐平，提高定子铁芯2槽的利用率。4个M10的螺纹孔用于超导线盘1与定子铁芯2的连接。超导线材比较脆，不能直接作为输出引线使用；铜端子1-3固定在下盖板1-2-2上，用于连接常规电缆导线与超导线圈1-1。两个铜端子1-3结构不一致、摆放位置不对称，是为了避免电缆导线相互交叉而造成绝缘磨损，发生短接故障。为减少线盘周围的涡流损耗，并提高超导线盘1整体的抗压性，采用尼龙+玻璃纤维复合材料的平机螺丝1-2-4、M10螺丝1-2-5及螺母1-2-6，含量各占50％。

本发明中超导线材绕制在跑道型骨架上形成超导线圈1-1，利用上盖板1-2-1和下盖板1-2-2作为固定支撑。同时将上盖板1-2-1两侧向下弯折防止绕制后的线圈散开。本发明中共有12块挡板3，用于线盘与铁芯的固定和支撑。

如图3所示，是定子铁芯2的前视图，不同于常规发电机的梨形槽、矩形槽等普通槽形结构，本发明中的定子铁芯2采用多边形开口槽2-1和平行齿2-2结构设计。将定子铁芯2设计成平行槽，有利于超导线盘1直接安装和拆卸检修；将齿槽设计成多边形的目的在于使线盘的顶面与侧面和槽口平行，尽量减少开槽面积，提高槽利用率。由于定子铁芯2尖角处有聚磁效果，同时考虑加工难易程度，将最高处尖角做直线化处理2-3，可以有效减小聚磁效应，减弱线圈表面的磁场，提高超导线圈的临界电流。定子铁芯表面有12处圆孔2-4，用于连接挡板3与定子铁芯。