静态密封双定子高温超导电机及其自预防失超机理研究

High temperature superconducting (HTS) machine has become the focus of offshore wind energy conversion areas since it is an effective means to increase unit capacity of the wind power generation system. However, the available rotating seal HTS generator suffers from the drawbacks such as high manufacturing cost and difficulty to processing. Hence, this project introduces the magnetic ring into stationary seal HTS machine, which offers the merits of both simple cooling system and eliminating the influence of armature reaction magnetic field on the critical current of HTS winding, so that the quenching of stationary seal HTS machine can be eliminated. The aim of this project is to develop a new stationary seal HTS machine with self-prevention quenching capability. Then the general methods of the basic principle, optimization design and electromagnetic parameters calculation of the proposed machine will be established. The mechanism of self-prevention quenching of the proposed machine will be revealed. And the law of multi-physics coupling of the electromagnetic field, temperature field and stress field of the HTS excitation winding will be summarized. Also, the closed loop cooling system of the HTS machine, which offers the advantages of high efficiency and compact structure, will be developed. This investigation will provide the theoretical foundation and technical support for the application of the wind power generation system. This research possesses not only the important scientific significance and academic value but also a promising application prospect.

高温超导电机是实现风力发电系统单机容量大型化的有效手段之一，已成为海上风电领域的研究热点。针对现有动态密封超导电机制造成本高、加工难度大等问题，本项目将具有磁场屏蔽功能的导磁环引入无铁心超导励磁内定子，既消除了电枢反应磁场对高温超导励磁绕组临界电流的影响，又发挥了静态密封高温超导电机冷却系统结构简单的优势，进而提出了一种具有自预防失超能力的静态密封双定子高温超导电机。本项目旨在提出具有自预防失超能力的新型静态密封高温超导电机拓扑结构；建立该类电机优化设计、性能参数计算的一般方法和理论；揭示出该类电机的自预防失超机理；归纳出高温超导励磁绕组所处电磁场、温度场、应力场之间的多物理场耦合规律；构建适用于该类电机的运行高效、结构紧凑的闭环低温冷却系统。本项目的研究将为该类风电系统的应用提供理论基础和技术支持，同时也将丰富风电系统的研究内容，不仅具有重要的科学意义和学术价值，而且具有广阔的应用前景。

对于海上风力发电而言，为提高系统发电效率，降低单位容量发电成本，其单机容量逐渐增大，然而，单机容量的增大，势必使得发电机组体积庞大、质量重，给整个风电机组的制造、运输、安装等带来巨大困难。因此，为减小大容量风力发电机的体积和重量，提高系统发电效率，近年来国内外学者尝试将具有高效率、高功率密度等显著优点的超导电机引入风电领域，开发研制单机容量10MW以上等级的风力发电机，以期实现整个系统的高效率、低成本运行。. 针对现有动态密封超导电机制造成本高、加工难度大等问题，本项目将具有磁场屏蔽功能的导磁环引入超导励磁内定子，提出了一种具有自预防失超能力的双定子高温超导电机；揭示了磁场调制超导电机中电枢反应磁场对超导线圈的特殊影响，并在双定子拓扑结构基础上，提出了一种由鼠笼式阻尼绕组和铜屏蔽层共同组成的复合式电磁屏蔽层，能够有效抑制大幅值低频谐波和小幅值高频谐波；基于磁场调制理论建立了双定子高温超导电机的数学分析模型，提出了一种基于无限深槽模型的外定子调制器、转子调制器和内定子调制器的表征方法；鉴于高温超导磁体的临界电流与冷却温度、背景磁场紧密相关，阐明了线圈匝数、匝间距离、线圈叠放、电机磁场对临界电流的影响规律；提出了一种基于超导短样载流测试结果的超导线圈设计方法，可保证超导线圈安全工作，进而试制了一台10 kW样机；搭建了双定子高温超导电机实验平台，包括冷却系统、超导励磁及测试系统、对拖电机等，可通过变频调速和调节负载的方式进行10 kW样机的空载和负载实验，测试结果验证了所提分析与设计方法的正确性。. 本项目在该静态密封高温超电机拓扑结构、自预防失超机理、电磁屏蔽措施、可靠性运行等方面的分析研究，将为超导电机在海上风力发电领域的工程应用提供理论基础和技术支持，同时也将为丰富超导电机研究内容，实现我国在超导电机领域的长足发展和技术领先提供有益的帮助。