具体实施方式

现在将详细地参照本发明的实施例，其一个或多个实例在附图中例示。每个实例均作为对本发明的阐释来提供而非对本发明的限制。事实上，本领域技术人员将清楚的是，在本发明中可作出各种修改和变型而不脱离本发明的范围或实质。例如，例示或描述为一个实施例的一部分的特征可结合另一实施例使用以产生又一个实施例。因此，本发明意图包含如在所附权利要求及它们的等同方案范围内的此类修改和变型。

本公开内容涵盖任何方式的超导电机，并且不限于超导发电机。为了阐释起见，本系统在文中总体上参照超导发电机、并且更具体地参照风力涡轮超导发电机来描述。

现在参看附图，图1例示风力涡轮发电系统10的一个实施例的透视图。如所示那样，风力涡轮10通常包括从支承表面14延伸的塔架12、装设在塔架12上的机舱16，以及联接至机舱16的转子18。转子18包括可旋转毂20，以及联接至毂20并且自其向外延伸的至少一个转子叶片22（图中示为三个）。每个转子叶片22均可围绕毂20隔开以有利于旋转转子18来使动能能够由风力转换成可用的机械能，且随后转换成电能。为此目的，转子18经由轴26联接至发电机24。为了本公开内容的目的，发电机24为直接驱动超导发电机。

本发明涵盖如上文所述的风力涡轮发电系统10，其中，发电机24构造为如下文阐述的三相超导发电机。本发明还涵盖操作超导发电机、特别是根据下文阐述的方法方面的风力涡轮超导发电机的各种方法。

现在参看图2，例示的是根据图1的超导发电机24的一个实施例的截面视图。尽管文中例示和描述的是超导发电机24，但将应理解，文中所述的特征可应用于任何超导电机而不限于风力涡轮功率系统。

如所描绘那样，发电机24包括：外部同心构件104，其可以是定子；以及内部同心构件106，其可以是转子（例如，在内部转子构型中）。然而，在其它实施例中，外部构件104可以是发电机24的转子，而内部构件106可以是发电机24的定子（例如，在外部转子构型中）。另外，如所示那样，在外部构件104和内部构件106之间可限定间隙（或“空气间隙”）105以便允许在二者之间的运动（例如，旋转）。（多个）场绕组组例如附接到内部构件106，以及电枢例如附接到外部构件104。（多个）场绕组组可设置在电枢内或电枢的外部。出于阐释而非限制的目的，（多个）场绕组组附接到内部构件106并且是固定的而电枢则附接到外部构件104。同样出于阐释而非限制的目的，（多个）场绕组组是固定的而电枢旋转。

此外，如所示那样，电枢包括至少一个多相电枢绕组组，其具有附接到外部构件104或内部构件的多个电枢绕组108。（多个）场绕组组包括附接到外部或内部构件104、106中的另一者的多个场绕组110。此外，超导场绕组组与电枢分隔一间隙。

场绕组在足够低的温度、磁场和电流密度下具有超导特性。因此，场绕组在一个或多个低温区位内操作。在发电机24的操作期间，这些绕组108、110处于电磁连通。

场绕组承载激励，其中，经由其流动的电流通过场绕组产生磁场，以及电枢绕组可连接到与多相电枢绕组组耦合的可控功率变换器。尽管描绘的是若干绕组108、110，但在各种实施例中，可具有更多或更少的绕组108、110和/或其围绕外部构件106和内部构件108的绕组，例如，用以配置发电机24的极数且由此配置（或构造）发电机24的发电频率和/或其它操作特性。

由电枢绕组108产生的磁场归因于由流经电枢绕组108的电流所建立的磁动势（MMF）。由于绕组的离散化、钢结构内的磁饱和以及由切换电功率变换器采用以将电流波形驱动到期望形状的脉宽调制方案，MMF具有与其相关联的空间和时间谐波。尽管对于位于低温区位内的构件而言基本MMF分量出现在0Hz，但MMF谐波出现在大于0Hz的频率。这些谐波在低温区位内的构件内产生涡流电流且因此将产生热量，该热量必须由低温冷却器散发。

场绕组110可由超导材料构成，例如铌钛（NbTi）、铌锡（Nb3Sn）或二硼化镁（MgB2）。典型地，电枢绕组108由铜构成并且通常是传导的。然而，在某些实施例中，电枢绕组108也可由超导材料例如NbTi、Nb3Sn或MgB2构成。在某些实施例中，超导材料也可以是高温超导体，例如YBCO或ReBCO。

因此，原则上，在超导电机中具有关注的两个独特的频群：（1）在5x、7x、11x…基本频率的低频谐波，以及（2）围绕1x、2x、3x、…切换频率为中心的高频谐波。低频谐波受控于电枢绕组108的空间谐波，而高频谐波受控于由调节电枢电流的电功率变换器所采用的切换功能。

因此，在一个实施例中，本公开内容涉及通过利用具有大于三的相序的发电机来减小低频谐波。例如，在一个实施例中，本公开内容涉及一种在电枢内具有多个三相绕组组的发电机。在这些单独的三相组中的基本电流可相对于彼此进行相移，以减小电机内电枢MMF的空间谐波。

更具体地，如图3和图4中所示，例示的是根据本公开内容的具有多个三相绕组组的超导发电机24的一个实施例的各种视图。图3例示根据本公开内容的具有两个三相绕组组的超导发电机24的一个实施例的局部截面视图，其中，每相每极具有两个槽口，其中，ABCUVW线圈侧被标记。三相绕组组102由A、B和C线圈侧组成，而三相绕组组103由U、V和W线圈侧组成。图4例示图3的实施例的示意性视图，其包括根据本公开内容的对接至电功率变换器107、109的超导发电机24的两个三相绕组组102、103。在此类实施例中，其中发电机24包括两个三相绕组组102、103，中性点可被掩埋。

更具体地，图3例示用于具有两个三相绕组组102、103的发电机24的绕组模式的一个实施例，其中，第一绕组组102包括三个单相电枢绕组108（例如，A、B和C）以及第二绕组组103包括不同的三个单相电枢绕组108（例如，U、V和W）。另外，如图3中所示，单相电枢绕组108中的每个在空间上移置，使得在电枢绕组108的每个中感生的电压之间存在相（位）差（例如120°电）。此外，三个单相电枢绕组108中的每个均在基本频率激励。除了时间相移变量φ₁、φ₂和φ₃以外，相UVW内的基本电流与相ABC内的电流相同。

高频谐波的减小通过修改不同相群之间的PWM载波之间的时间相移来完成。具体地参看图4，φ₄表示对于两个三相绕组组的载波波形之间的相移。图7和图8提供对于相A、相U以及对于φ₄=π时相A和相U的平均值中的电流的快速傅里叶变换（FFT）。在图7中，φ₁=0而在图8中，φ₁=π/6。

如在图7中具体地所示，相A和相U之间的基本相移为零，但这两个相之间的载波频率（或载频）移位180度（π弧度）。纵坐标是关于额定发电机电流以dB为单位的电流谐波的量值，而横坐标表示以Hz为单位的谐波的频率。在3Hz的基本电流量值等于0dB。在15Hz、21Hz、33Hz等的低次谐波未因平均（或求平均值）而受到抑制。奇数切换（或开关，switching）谐波（以600Hz、1800Hz、3000Hz等为中心）通过这种方法很好地受到抑制，但偶数切换谐波（以1200Hz、2400Hz、3600Hz等为中心）则没有。

如在图8中具体地所示，相A和相U之间的基本相移为30度，以及载波频率之间的相移为180度（π弧度）。纵坐标是关于额定发电机电流以dB为单位的电流谐波的量值，而横坐标表示以Hz为单位的谐波的频率。在3Hz的基本电流量值等于0dB。在15Hz、21Hz、33Hz等的低次谐波因平均（或求平均值）而受到抑制。所有切换谐波在量值方面都轻微地减小，但它们未被消除到与它们在图7中几乎相同的程度。

如图7中所示，低频时间谐波不受相移影响，但完美地消除了600Hz附近的切换谐波。相反，如图8中所示，低频时间谐波通过相移减小；然而，切换谐波仅轻微地减小。这意味着高频时间谐波的减轻经由基本相移通过空间谐波含量的减轻而受损。

在基本电流负载低的情况下，入射到低温区域112（图6）上的损失将受控于高频切换含量。在这些情形中，可能有利的是设定相移φ₁=φ₂=φ₃=0，同时保持载波相移φ₄=π。当基本电流负载高时，来自空间谐波的损失可能与高频时间谐波的损失处于大约相同的量值。因此，必须找到最佳的相移参数φ₁、φ₂、φ₃、φ₄。

现在参看图6，例示的是根据本公开内容的用于执行损失最小化的控制系统150的示例性实施例。如所示那样，由电枢绕组108产生的磁场延伸到发电机24内保持在低温的区位（称为低温区域112）中。更具体地，如所示那样，电枢绕组108可磁性地耦合到位于低温区域112内的构件，例如场绕组110、线圈架、真空容器等。

例如，在一个实施例中，超导发电机24的低温区域112可在从大约0开尔文（K）到大约5K的范围，例如大约4K，但应当理解，区域112也可包括大于5K的温度。更具体地，如所示那样，场绕组110可耦合到发电机24的低温区域112外部的电枢绕组108。此外，如所示那样，场绕组110可由保持在预定温度范围的热防护件114包围。例如，在一个实施例中，预定温度范围可在从大约25K到大约50K的范围。在另外的实施例中，磁场低温恒温器外部的区域可保持在高于环境温度的操作温度，例如大约325K。

由于电枢和磁场之间的相对速度差，在低温区位112内，基本的电枢磁场出现在0Hz。然而，来自电枢磁场的空间和时间谐波出现在大于0Hz的频率。这些空间和时间谐波然后可在超导线圈和周围硬件中感生涡流电流。这些涡流电流产生热量，其必须经由保持低温区位112的一个或多个低温冷却器116散发到环境。更具体地，（多个）低温冷却器116构造成用以经由热力学循环（吉福德-麦克马洪（Gifford-McMahon）、斯特林（Stirling）、磁热等）将热量从低温区域112输送到环境。

由于寒冷贮存器的低温，卡诺定理要求性能系数（COP）（也即，将1W的热量从寒冷贮存器移动到环境所必须供给的功的数量的倒数）必须要小。这意味着在低温区域112内即使小的损失也可能需要大量的功以将热量散发到环境。因此，在实际的发电机设计中，使涡流电流在发电机24的低温区域112中的产生最小化是重要的。

因此，仍参看图6，控制系统150还可包括控制器118，该控制器通信地耦合至（多个）可控功率变换器107、109，以便控制（多个）可控功率变换器107、109的切换操作来实现多个电枢绕组108之间的相移。例如，在一个实施例中，控制器118可构造成用以根据时间控制多个电枢绕组108之间的相移。此外，在一个实施例中，控制器118可构造成用以修改单相电枢绕组108的基本频率和/或发电机24的切换频率的一个或多个相移角。更具体地，在某些实施例中，文中所述的控制器118可选择φ₁=φ₂=φ₃=π/6，由此导致电机塌缩至六相电机，这将使空间引起的损失最小化。

在此类实施例中，控制器118可构造成用以使多个电枢绕组108中的每个电枢绕组的基本频率相对于该多个电枢绕组108中的另一电枢绕组相移。此外，在一个实施例中，控制器118可构造成用以使多个电枢绕组108中的每个电枢绕组相对于另一电枢绕组之间的载波信号经由相移角相移。

因此，如所示那样，控制器118可构造成用以可选地接收第一组输入120，其表示发电机命令的或实际的功率和/或电流。控制器118还可构造成用以可选地接收第二组输入122，其表示低温区域112的温度、供给至低温冷却器116的功率、供给至低温冷却器116的电流，和/或正被散发的热量的直接测量。因此，控制器118可采用第一输入120和第二输入122的某种组合，其目的是通过修改图4中所示的相移角φ₁-φ₄来使低温冷却器116必须从场绕组所输送出的热量最小化。

控制器118可构造成用以连续地改变相移角。控制器118可采用的方法的一些实例是：经典的反馈控制结构（滞后超前（lag-lead）、PID等）、前馈计算、扰动和观察非线性优化器、非线性自适应调节器、遗传算法，以及人工智能等。

因此，本公开内容的超导发电机24及操作其的方法使低温区域112内的损失最小化。通过相移发电机24的基本和切换谐波，超导发电机24的低温区域112内的损失可通过消除非同步场分量来减小。这提供了在支持场绕组的超导状态所需的低温冷却器的数量方面的减少。在低温冷却器的数量方面的减少可提高系统效率、可靠性，并且降低成本。

在备选的实施例中，如图5中所示，发电机24（未示出）可包括单个三相电枢绕组组102，例如，具有未被掩埋的中性点。每个电枢绕组102均由电功率变换器107、109、111激励。在此类实施例中，控制器118可构造成用以独立地激励单个三相绕组组102的单相电枢绕组102中的每个（例如，A、B和C）。此外，在一个实施例中，控制器118可构造成用以使单相电枢绕组102中的每个单相电枢绕组相对于另一单相电枢绕组之间的载波信号经由相移角相移。结果，三个相之间的载波可通过相移变量φ₁和φ₂直接地相移。

现在参看图9，例示的是根据本公开内容的操作超导电机的方法200的一个实施例的流程图。一般来讲，文中所述的方法200主要应用于操作上文所述的风力涡轮10。然而，应当认识到的是，所公开的方法200可使用任何其它合适的风力涡轮和/或超导电机来执行。另外，为了例示和讨论目的，图9描绘以特定次序进行的步骤。本领域普通技术人员使用文中所提供的公开内容将理解，在不背离本公开内容的范围的情况下可采用各种方式适应、省略、重新布置或扩展文中所公开的方法中的任一个的各种步骤。

如以（202）所示，方法200包括在电机系统的操作期间在电机的低温区域中提供超导场绕组组。如以（204）所示，方法200包括控制可控功率变换器的切换操作以实现多个电枢绕组之间的相移，以便最小化低温区域内的损失。

本书面描述使用实例来公开包括最佳方式的本发明，并且还使得本领域普通技术人员能够实施本发明，包括制作和使用任何装置或系统以及执行任何所并入的方法。本发明可取得专利的范围由权利要求限定，并且可包括本领域技术人员想到的其它实例。如果此类其它实例包括与权利要求的字面语言并无不同的结构元件或者如果此类其它实例包括与权利要求的字面语言并无实质差异的同等结构元件。