專利名稱：涉及用于風(fēng)力應(yīng)用的超導(dǎo)單極交流發(fā)電機(jī)的系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明實(shí)施例大致涉及超導(dǎo)單極交流發(fā)電機(jī)(superconducting homopolar alternator)，并且更尤其是涉及包括使用用于風(fēng)力應(yīng)用的超 導(dǎo)單極交流發(fā)電機(jī)的系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
在這點(diǎn)上，包括不安裝在轉(zhuǎn)子組件上的超導(dǎo)激勵(lì)線圈的超導(dǎo)單極 交流發(fā)電機(jī)在多種應(yīng)用中是有利的。由于超導(dǎo)激勵(lì)線圈使用低溫流體 來冷卻線圈，所以非旋轉(zhuǎn)超導(dǎo)激勵(lì)線圈簡(jiǎn)化了用于將低溫流體輸送至 線圈的組件。另外，至轉(zhuǎn)子組件的電氣連接被簡(jiǎn)化；因?yàn)樵谵D(zhuǎn)子上沒 有線圏，所以沒有出現(xiàn)經(jīng)由電刷或者其他部件的電氣連接。利用包括 沒有安裝在轉(zhuǎn)子組件上的超導(dǎo)激勵(lì)線圏的超導(dǎo)單極交流發(fā)電機(jī)的系 統(tǒng)來發(fā)電是所期望的。發(fā)明內(nèi)容一個(gè)示范實(shí)施例包括用于發(fā)電(generating power)的系統(tǒng)，所述用 于發(fā)電的系統(tǒng)包含單極發(fā)電機(jī)(homopolar electrical generator)和風(fēng)力渦 輪機(jī)(wind turbine),所述單極發(fā)電機(jī)具有可操作以產(chǎn)生^f茲場(chǎng)的超導(dǎo)激 厲力線圈(superconducting field coil)以及單才及壽爭(zhēng)子纟且4牛(homopolar rotor assembly),該單極轉(zhuǎn)子組件可操作以在磁場(chǎng)中旋轉(zhuǎn)，從而使得旋轉(zhuǎn)磁 場(chǎng)通過由單極轉(zhuǎn)子組件產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁導(dǎo)波和由超導(dǎo)激勵(lì)線圈產(chǎn)生的 磁場(chǎng)的相互作用而與固定繞組(stationary winding)耦合，所述風(fēng)力渦輪 機(jī)被機(jī)械鏈接至單極發(fā)電機(jī)，可操作以旋轉(zhuǎn)單極轉(zhuǎn)子組件。一個(gè)可選的示范實(shí)施例包括單極發(fā)電才幾系統(tǒng)，所述單才及發(fā)電機(jī)系 統(tǒng)包括可操作以產(chǎn)生磁場(chǎng)的超導(dǎo)激勵(lì)線圈以及單極轉(zhuǎn)子組件，所述單極轉(zhuǎn)子組件包括轂部(hub portion)和極部(polar portion),所述轂部具有 部分地由轂部限定的內(nèi)腔(inner cavity),所述極部接合具有多個(gè)極的轂 部的外周緣(outer circumference),其中單極轉(zhuǎn)子組件可操作以在磁場(chǎng) 中旋轉(zhuǎn)，從而使得旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)通過由單極轉(zhuǎn)子組件產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁導(dǎo)波和 由超導(dǎo)激勵(lì)線圏產(chǎn)生的磁場(chǎng)的相互作用而與固定繞組耦合。另 一個(gè)可選的示范實(shí)施例包括單極發(fā)電系統(tǒng)和風(fēng)力渦輪機(jī)，所述 單極發(fā)電系統(tǒng)包括可操作以產(chǎn)生磁場(chǎng)的超導(dǎo)激勵(lì)線圈、單極轉(zhuǎn)子組 件，所述單極轉(zhuǎn)子組件包括轂部和極部，所述轂部具有部分地由該轂 部限定的內(nèi)腔，所述極部接合具有多個(gè)極的轂部的外周緣，其中單極 轉(zhuǎn)子組件可操作以在磁場(chǎng)中旋轉(zhuǎn)，從而使得旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)通過由單極轉(zhuǎn)子 組件產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁導(dǎo)波和由超導(dǎo)激勵(lì)線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)的相互作用而 與固定繞組耦合，所述風(fēng)力渦輪機(jī)^皮機(jī)械鏈接至單極發(fā)電機(jī)系統(tǒng)，以 可操作地旋轉(zhuǎn)單極轉(zhuǎn)子組件。


當(dāng)參考附圖閱讀下面詳細(xì)說明時(shí)，這些以及其它特征、特點(diǎn)和優(yōu) 點(diǎn)將會(huì)變得更加明白，附圖中類似的字符表示類似的部分，其中 圖1是使用超導(dǎo)單極交流發(fā)電機(jī)的系統(tǒng)的示范實(shí)施例的示圖。 圖2是透視示出超導(dǎo)單極交流發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的示范實(shí)施例的部分剖 視圖。圖3是示出圖2的超導(dǎo)單極交流發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)子組件的可選示 范實(shí)施例的透^L圖。圖4是示出圖2的超導(dǎo)單極交流發(fā)電機(jī)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)子組件的可選示 范實(shí)施例的正;^見圖。100超導(dǎo)單極交流發(fā)電機(jī)系統(tǒng)101風(fēng)葉片103齒輪箱(gear box)105超導(dǎo)單極交流發(fā)電機(jī) 107電纜200超導(dǎo)單極交流發(fā)電機(jī)系統(tǒng) 201單極轉(zhuǎn)子組件 202極203定子輒(stator yoke)205電樞207軸組件209軸承211超導(dǎo)激勵(lì)線圏213 二次冷凝器215 ^氐溫冷卻才幾300輕型單極轉(zhuǎn)子組件301轂部303開口305極部307極309外周緣311外表面具體實(shí)施方式
在下面詳細(xì)說明中，闡明了許多具體細(xì)節(jié)以提供對(duì)各個(gè)實(shí)施例的 完全理解。然而，可以沒有這些具體細(xì)節(jié)來實(shí)施所述實(shí)施例。在其它 實(shí)例中，已知方法、程序和組件沒有詳細(xì)i^明。而且，各個(gè)操作可以用多個(gè)離散的步驟來說明，所述離散的步驟 以有助于理解本發(fā)明實(shí)施例的方式實(shí)現(xiàn)。然而，說明的順序不應(yīng)解釋 為暗示這些操作需要以它們出現(xiàn)的順序來實(shí)現(xiàn)，或者甚至它們是與順 序有關(guān)的。此外，重復(fù)使用詞組"在一個(gè)實(shí)施例中"并不一定指同一實(shí)施例，盡管它可以是。最后，在本申請(qǐng)中使用的術(shù)語"包含"、"包 括，，、"具有"等除非另外說明，規(guī)定為同義的。超導(dǎo)單極交流發(fā)電機(jī)用于生成電力。風(fēng)力渦輪機(jī)系統(tǒng)提供有效的 和干凈的電力生成而具有相對(duì)小的安裝后重量，所述風(fēng)力渦輪機(jī)系統(tǒng) 具有超導(dǎo)單極交流發(fā)電機(jī)，該單極交流發(fā)電機(jī)具有沒有安裝在轉(zhuǎn)子上的超導(dǎo)激勵(lì)線圈。參考圖1，示出了用于生成電力的風(fēng)力渦輪機(jī)傳動(dòng)系統(tǒng)100。該系統(tǒng)100包括風(fēng)葉片101、齒輪箱103和超導(dǎo)單極交流發(fā)電機(jī)105， 所述超導(dǎo)單極交流發(fā)電機(jī)105經(jīng)由齒輪箱103和軸(未示出)被機(jī)械鏈 接至風(fēng)葉片101。電纜107電連通于超導(dǎo)單極交流發(fā)電機(jī)105和電網(wǎng)(未 示出)，并且通常也電連通于電力電子轉(zhuǎn)換系統(tǒng)(未示出)。圖2是示出超導(dǎo)單極交流發(fā)電機(jī)系統(tǒng)200(例如可以在系統(tǒng)100中 使用)的示范實(shí)施例的部分剖開透朝b現(xiàn)圖。超導(dǎo)單極交流發(fā)電機(jī)系統(tǒng) 200包括單極轉(zhuǎn)子組件201,所述單極轉(zhuǎn)子組件201包括被鏈接到軸 組件207的極202。極202包含鐵^茲材料。軸組件207接合軸承209。 所示出的實(shí)施例還包括定子軛203、電樞205以及超導(dǎo)激勵(lì)線圈211。 低溫冷卻機(jī)215和二次冷凝器213也凈皮包括在系統(tǒng)200中。為優(yōu)化功 率密度，轉(zhuǎn)子組件201和軛203由軟磁材料組成是有利的，所述軟磁 材料有越高的磁飽和度和磁化率以及越小的磁滯越好。超導(dǎo)激勵(lì)線圈 211可以由任何超導(dǎo)電線組成，例如NbTi、 Nb3Sn、 BSCCO、 YBCO 或者M(jìn)gB2。由低溫冷卻機(jī)215所提供的溫度是由所采用的超導(dǎo)電線 的運(yùn)行特性所決定的。在操作中，超導(dǎo)單極交流發(fā)電機(jī)系統(tǒng)200產(chǎn)生電力。低溫冷卻機(jī) 215可操作于保持在超導(dǎo)激勵(lì)線圏211中的溫度，使超導(dǎo)激勵(lì)線圈211 感應(yīng)圍繞單極轉(zhuǎn)子組件201的磁場(chǎng)。低溫冷卻機(jī)215可以是將使超導(dǎo) 激勵(lì)線圈211保持合適溫度的任何形式的低溫冷卻機(jī)。低溫冷卻機(jī)215 可以與例如氮和氖的低溫液體一起操作。軸組件207經(jīng)由齒輪箱103 被機(jī)械鏈接至風(fēng)力渦輪機(jī)IOI(圖1)。當(dāng)風(fēng)轉(zhuǎn)動(dòng)風(fēng)力渦輪機(jī)101時(shí)，軸7組件207旋轉(zhuǎn)，并又旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子組件201 。在單極轉(zhuǎn)子組件201中的旋轉(zhuǎn)極202導(dǎo)致磁通量的磁導(dǎo)波。旋轉(zhuǎn) 極202產(chǎn)生的通量引起通過定子軛203中固定繞組(電樞繞組)的旋轉(zhuǎn) 磁場(chǎng)。旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)在定子軛203中的固定繞組中生成電流。在所示出的 實(shí)施例中，單極轉(zhuǎn)子組件201以大約每分鐘200轉(zhuǎn)(rpm)旋轉(zhuǎn)。單極轉(zhuǎn)速而引起)和齒輪箱103的齒輪齒數(shù)比而改變。圖3示出單極轉(zhuǎn)子組件201的可選示范實(shí)施例的透視圖。圖3包 4舌徑向通量單4及感應(yīng)式交流發(fā)電才幾(radial flux homopolar inductor alternator),然而軸向通量電才幾(axial flux machine)也可以^f吏用。示出了 輕型單極轉(zhuǎn)子組件300。輕型單極轉(zhuǎn)子組件300包括具有外表面311 的轂部301和部分由轂部301限定的可選的內(nèi)腔303。極部305接合 轂部301的外周緣309。極部305包括多個(gè)極307。圖4示出輕型單 極轉(zhuǎn)子組件300的正^L圖。圖4示出具有開口 303的外表面311。內(nèi) 腔和開口 303可以用于減輕轉(zhuǎn)子的重量。輕型單極轉(zhuǎn)子組件300的使用使超導(dǎo)單極交流發(fā)電機(jī)系統(tǒng)200能 夠在風(fēng)力渦輪機(jī)應(yīng)用中工作地更有效率。為了優(yōu)化的功率密度，轉(zhuǎn)子 組件300和它的部分301、 305、 307由磁性材料組成是有利的，所述 磁性材料具有盡可以高的磁飽和度和磁化率及盡可能低的磁滯越。本說明書使用示例來公開本發(fā)明(包括最佳模式)并且使本發(fā)明能 夠?qū)崿F(xiàn)(包括制造和使用任何裝置或系統(tǒng)以及完成任何結(jié)合的方法)。 本發(fā)明實(shí)施例中的可專利范圍由權(quán)利要求來限定，并且可以包括其它 示例。如果其它示例有與權(quán)利要求文字語言相同的結(jié)構(gòu)部件或者它們 包括與權(quán)利要求的文字語言無實(shí)質(zhì)不同的等同結(jié)構(gòu)部件，那么這些其 它示例也被旨在在權(quán)利要求的范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1. 一種用于發(fā)電的系統(tǒng)(100)，包括單極發(fā)電機(jī)(105)，具有超導(dǎo)激勵(lì)線圈(211)，可操作以產(chǎn)生磁場(chǎng)；和單極轉(zhuǎn)子組件(201)，可操作以在所述磁場(chǎng)中旋轉(zhuǎn)，從而使得旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)通過由所述單極轉(zhuǎn)子組件(201)所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁導(dǎo)波和由所述超導(dǎo)激勵(lì)線圈(211)所產(chǎn)生的所述磁場(chǎng)的相互作用而與固定繞組(203)耦合；和機(jī)械鏈接至所述單極發(fā)電機(jī)(105)的風(fēng)力渦輪機(jī)(101)，可操作以旋轉(zhuǎn)所述單極轉(zhuǎn)子組件(201)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述系統(tǒng)(100)還包括氮 低溫冷卻機(jī)(215)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述系統(tǒng)(100)還包括氖 低溫冷卻機(jī)(215)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中，所述單極轉(zhuǎn)子組件(201) 可操作以轉(zhuǎn)旋在約每分鐘200轉(zhuǎn)。
5. —種單極發(fā)電機(jī)系統(tǒng)(IOO)，包括 超導(dǎo)激勵(lì)線圏(211)，可操作以產(chǎn)生磁場(chǎng)；和 單極轉(zhuǎn)子組件(201)，包括具有內(nèi)腔的轂部(301),所述內(nèi)腔部分地由所述轂部(301)所限定；和極部(305)，所述極部(305)接合具有多個(gè)極(307)的所述轂部(301) 的外周緣(309)，其中所述單極轉(zhuǎn)子組件(201)可操作以在所述^茲場(chǎng)中旋 轉(zhuǎn)，從而使得旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)通過由所述單極轉(zhuǎn)子組件(201)所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁 導(dǎo)波和由所述超導(dǎo)激勵(lì)線圏(21 l)所產(chǎn)生的所述磁場(chǎng)的相互作用而與 固定繞組(203)耦合。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，其中，所述轂部(301)還包括外表面(311);和與所述外表面和所述內(nèi)腔連通的開口(303)。
7. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，其中，所述系統(tǒng)還包括氮低溫冷 卻機(jī)(215)。
8. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，其中，所述系統(tǒng)還包括氖低溫冷 卻機(jī)(215)。
9. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，其中，所述單極轉(zhuǎn)子組件(201) 可操作以旋轉(zhuǎn)在約每分鐘200轉(zhuǎn)。
全文摘要
本發(fā)明名稱為涉及用于風(fēng)力應(yīng)用的超導(dǎo)單極交流發(fā)電機(jī)的系統(tǒng)，其提供了一種發(fā)電系統(tǒng)，包括單極發(fā)電機(jī)和風(fēng)力渦輪機(jī)，所述發(fā)電機(jī)具有可操作以產(chǎn)生磁場(chǎng)的超導(dǎo)激勵(lì)線圈和單極轉(zhuǎn)子組件，所述單極轉(zhuǎn)子組件可操作以在磁場(chǎng)中旋轉(zhuǎn)從而使得旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)通過由單極轉(zhuǎn)子組件所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁導(dǎo)波和由超導(dǎo)激勵(lì)線圈所產(chǎn)生的磁場(chǎng)的相互作用而與固定繞組耦合，所述風(fēng)力渦輪機(jī)被機(jī)械鏈接至單極發(fā)電機(jī)，可操作以旋轉(zhuǎn)單極轉(zhuǎn)子組件。
文檔編號(hào)H02K55/00GK101532472SQ20091012760
公開日2009年9月16日 申請(qǐng)日期2009年3月11日 優(yōu)先權(quán)日2008年3月13日
發(fā)明者E·T·拉斯卡里斯, J·W·布雷, K·H·西瓦蘇布拉馬尼亞姆 申請(qǐng)人:通用電氣公司