專利名稱：用于由風(fēng)力渦輪機(jī)驅(qū)動(dòng)的超導(dǎo)直流發(fā)電機(jī)的方法和設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及發(fā)電機(jī)，并且更具體地涉及風(fēng)力渦輪機(jī)和超導(dǎo)直流(DC)發(fā)電機(jī)。
背景技術(shù)：
由風(fēng)力渦輪機(jī)的葉片驅(qū)動(dòng)的直接驅(qū)動(dòng)型發(fā)電機(jī)是高效的，并且由于從渦輪機(jī)葉片將轉(zhuǎn)矩傳送到DC發(fā)電機(jī)，所以有最小損耗。風(fēng)力渦輪機(jī)塔架上的直接驅(qū)動(dòng)型傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)通常具有6兆瓦(MW)或更小的額定功率。傳統(tǒng)的直接驅(qū)動(dòng)型發(fā)電機(jī)典型地具有低轉(zhuǎn)矩密度，對(duì)于額定功率超過大約6MW的風(fēng)力渦輪機(jī)塔架則太重。齒輪箱不可靠，不適合風(fēng)力渦輪機(jī)塔架的長(zhǎng)壽命工作。
此外，交流(AC)風(fēng)力發(fā)電機(jī)必須經(jīng)過總功率轉(zhuǎn)換以將所產(chǎn)生的功率轉(zhuǎn)換成電網(wǎng)連接需要的特定電壓的50-60周波的AC。此轉(zhuǎn)換典型地是由電力電子(PE)轉(zhuǎn)換器完成的，其由整流器組成，以在第一級(jí)中將AC轉(zhuǎn)換成直流(DC)，然后在逆變級(jí)產(chǎn)生期望AC。長(zhǎng)期以來一直有對(duì)能夠產(chǎn)生更高電功率，例如1(MW的風(fēng)力渦輪機(jī)的直接驅(qū)動(dòng)型發(fā)電機(jī)的需求。此外，還有對(duì)允許去掉或簡(jiǎn)化第一級(jí)轉(zhuǎn)換器的DC發(fā)電機(jī)的需求，從而使成本、大小和重量降低，可以允許經(jīng)濟(jì)運(yùn)輸、安裝在風(fēng)力渦輪機(jī)塔架上，并伴隨可靠性的提高。

發(fā)明內(nèi)容
本申請(qǐng)涉及由風(fēng)力渦輪機(jī)驅(qū)動(dòng)的超導(dǎo)直流(DC)發(fā)電機(jī)的實(shí)施例。直流(DC)發(fā)電機(jī)包括環(huán)形電樞，與電樞同軸并通過間隙與電樞隔開的靜止的環(huán)形勵(lì)磁繞組，用于勵(lì)磁繞組的非旋轉(zhuǎn)支撐件，固定支撐件和換向器組件。環(huán)形電樞可連接為與風(fēng)力渦輪機(jī)的旋轉(zhuǎn)部件一起旋轉(zhuǎn)。靜止的環(huán)形勵(lì)磁繞組與電樞同軸并通過間隙與電樞隔開。勵(lì)磁繞組包括超導(dǎo)線圈磁體。固定支撐件將所述用于勵(lì)磁繞組的非旋轉(zhuǎn)支撐件耦連到底座，底座固定到所述風(fēng)力渦輪機(jī)的上部區(qū)域。所述固定支撐件在一個(gè)端部區(qū)域連接到所述非旋轉(zhuǎn)支撐件，并在相對(duì)端部區(qū)域連接到所述底座。所述固定支撐件將所述勵(lì)磁繞組懸掛在所述底座上。換向器組件被配置成將由旋轉(zhuǎn)電樞產(chǎn)生的DC電流傳遞到功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。進(jìn)一步的，所述換向器組件包括第一旋轉(zhuǎn)部分和第二靜止部分，第一旋轉(zhuǎn)部分緊鄰所述環(huán)形電樞設(shè)置并被配置成隨其旋轉(zhuǎn)，第二靜止部分耦連到靜止平臺(tái)并被配置成接收由旋轉(zhuǎn)電樞產(chǎn)生的、經(jīng)過所述第一旋轉(zhuǎn)部分的、作為輸出直流電的能量。進(jìn)一步的，所述靜止平臺(tái)被配置成與所述功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)電聯(lián)通。進(jìn)一步的，所述第一旋轉(zhuǎn)部分包括緊鄰所述環(huán)形電樞設(shè)置并被配置成隨其旋轉(zhuǎn)的至少兩個(gè)換向器區(qū)段，所述至少兩個(gè)換向器區(qū)段被配置成與所述旋轉(zhuǎn)電樞電接觸。進(jìn)一步的，所述至少兩個(gè)換向器區(qū)段電連接到所述環(huán)形電樞的多個(gè)電線端。進(jìn)一步的，所述第二靜止部分包括至少兩個(gè)靜止的換向器電刷，所述換向器電刷耦連到所述靜止平臺(tái)并被配置成接收由所述旋轉(zhuǎn)電樞產(chǎn)生的、經(jīng)過至少兩個(gè)旋轉(zhuǎn)的換向器區(qū)段的、作為輸出直流電的能量。進(jìn)一步的，所述第一旋轉(zhuǎn)部分包括鄰近所述環(huán)形電樞設(shè)置并被配置成隨其旋轉(zhuǎn)的至少兩個(gè)旋轉(zhuǎn)的換向器電刷，所述至少兩個(gè)旋轉(zhuǎn)的換向器電刷被配置成與所述旋轉(zhuǎn)電樞電接觸。進(jìn)一步的，至少兩個(gè)換向器電刷電連接到所述環(huán)形電樞的多個(gè)電線端。進(jìn)一步的，所述第二靜止部分包括至少兩個(gè)換向器區(qū)段，所述換向器區(qū)段耦連到所述靜止平臺(tái)并被配置成接收由所述旋轉(zhuǎn)電樞產(chǎn)生的、經(jīng)過至少兩個(gè)旋轉(zhuǎn)的換向器區(qū)段的、作為輸出直流電的能量。進(jìn)一步的，所述發(fā)電機(jī)安裝在塔架的頂部上。進(jìn)一步的，進(jìn)一步包括至少一個(gè)再冷凝器，所述至少一個(gè)再冷凝器安裝在比所述勵(lì)磁繞組更高的高度。本申請(qǐng)的另一實(shí)施例涉及一種直流(DC)發(fā)電機(jī)，包括環(huán)形電樞，其由風(fēng)力渦輪 機(jī)直接驅(qū)動(dòng)并與所述風(fēng)力渦輪機(jī)的旋轉(zhuǎn)部件一起旋轉(zhuǎn)；非旋轉(zhuǎn)環(huán)形勵(lì)磁繞組，其與所述電樞同軸并通過環(huán)形間隙與所述電樞隔開，其中所述勵(lì)磁繞組包括超導(dǎo)線圈磁體；用于所述勵(lì)磁繞組的非旋轉(zhuǎn)支撐件；固定支撐件，其將用于所述勵(lì)磁繞組的非旋轉(zhuǎn)支撐件耦連到底座，底座固定到所述風(fēng)力渦輪機(jī)的上部區(qū)域，其中所述固定支撐件在一個(gè)端部區(qū)域連接到所述非旋轉(zhuǎn)支撐件，并在相對(duì)端部區(qū)域連接到所述底座，并且其中所述固定支撐件將所述勵(lì)磁繞組懸掛在所述底座上；和換向器組件，其被配置成將由所述旋轉(zhuǎn)電樞產(chǎn)生的DC電流傳遞到功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，所述換向器組件包括第一旋轉(zhuǎn)部分和第二靜止部分，第一旋轉(zhuǎn)部分緊鄰所述環(huán)形電樞設(shè)置并被配置成隨其旋轉(zhuǎn)，第二靜止部分耦連到靜止平臺(tái)并被配置成接收由所述旋轉(zhuǎn)電樞產(chǎn)生的通過至少兩個(gè)換向器區(qū)段的直流電。進(jìn)一步的，所述第一旋轉(zhuǎn)部分包括緊鄰所述環(huán)形電樞設(shè)置并被配置成隨其旋轉(zhuǎn)的至少兩個(gè)換向器區(qū)段，所述至少兩個(gè)換向器區(qū)段被配置成與所述旋轉(zhuǎn)電樞電接觸。進(jìn)一步的，所述第二靜止部分包括至少兩個(gè)靜止的換向器電刷，所述換向器電刷耦連到所述靜止平臺(tái)并被配置成接收由所述旋轉(zhuǎn)電樞產(chǎn)生的、經(jīng)過至少兩個(gè)旋轉(zhuǎn)的換向器區(qū)段的、作為輸出直流電的能量。進(jìn)一步的，所述第一旋轉(zhuǎn)部分包括至少兩個(gè)旋轉(zhuǎn)的換向器電刷，所述至少兩個(gè)旋轉(zhuǎn)的換向器電刷緊鄰所述環(huán)形電樞設(shè)置并被配置成隨其旋轉(zhuǎn)，所述至少兩個(gè)旋轉(zhuǎn)的換向器電刷被配置成與所述旋轉(zhuǎn)電樞電接觸。進(jìn)一步的，所述第二靜止部分包括至少兩個(gè)換向器區(qū)段，所述換向器區(qū)段耦連到所述靜止平臺(tái)并被配置成接收由所述旋轉(zhuǎn)電樞產(chǎn)生的、經(jīng)過至少兩個(gè)旋轉(zhuǎn)的換向器區(qū)段的、作為輸出直流電的能量。本申請(qǐng)進(jìn)一步提供一種用于安裝在塔架上的風(fēng)力渦輪機(jī)上以產(chǎn)生直流電(DC)的方法，包括在DC發(fā)電機(jī)的非旋轉(zhuǎn)環(huán)形勵(lì)磁繞組中產(chǎn)生磁場(chǎng)，其中所述勵(lì)磁繞組包括超導(dǎo)線圈磁體，且所述DC發(fā)電機(jī)安裝在風(fēng)力渦輪機(jī)的塔架的上部部分；施加來自風(fēng)力渦輪機(jī)的轉(zhuǎn)矩以使所述DC發(fā)電機(jī)的電樞旋轉(zhuǎn)，其中所述電樞與所述超導(dǎo)勵(lì)磁繞組同軸，并電磁耦連到所述超導(dǎo)勵(lì)磁繞組；通過所述電樞繞靜止勵(lì)磁繞組的旋轉(zhuǎn)在所述電樞中產(chǎn)生電流；將來自旋轉(zhuǎn)電樞的直流電通過換向組件傳遞到功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)；使用冷卻液體將所述超導(dǎo)線圈磁體冷卻到超導(dǎo)狀態(tài)，冷卻液體冷卻線圈時(shí)至少部分蒸發(fā)；和在高度高于所述DC發(fā)電機(jī)的再冷凝器中使蒸發(fā)的冷卻液體冷凝，其中冷凝的冷卻液體通過重力流至所述超導(dǎo)線圈磁體。進(jìn)一步的，所述方法進(jìn)一步包括通過所述換向器組件傳遞直流電，其中第一旋轉(zhuǎn)部分緊鄰環(huán)形電樞設(shè)置并被配置成隨其旋轉(zhuǎn)，所述第一旋轉(zhuǎn)部分被配置成與所述旋轉(zhuǎn)電樞電接觸，第二靜止部分耦連到靜止平臺(tái)并被配置成接收由所述第一旋轉(zhuǎn)部分產(chǎn)生的能量。進(jìn)一步的，所述方法進(jìn)一步包括通過所述換向器組件傳遞直流電，其中所述第一旋轉(zhuǎn)部分包括緊鄰所述環(huán)形電樞設(shè)置并被配置成隨其旋轉(zhuǎn)的至少兩個(gè)換向器區(qū)段，所述至少兩個(gè)換向器區(qū)段被配置成與所述旋轉(zhuǎn)電樞電接觸，并且其中所述第二靜止部分包括至少兩個(gè)靜止的換向器電刷，所述至少兩個(gè)靜止的換向器電刷耦連到所述靜止平臺(tái)并被配置成接收由所述旋轉(zhuǎn)電樞產(chǎn)生的、經(jīng)過至少兩個(gè)旋轉(zhuǎn)的換向器區(qū)段的、作為輸出直流電的能量。進(jìn)一步的，所述方法進(jìn)一步包括通過所述換向器組件傳遞直流電，其中所述第一旋轉(zhuǎn)部分包括緊鄰所述環(huán)形電樞設(shè)置并被配置成隨其旋轉(zhuǎn)的至少兩個(gè)旋轉(zhuǎn)的換向器電刷，所述至少兩個(gè)旋轉(zhuǎn)的換向器電刷被配置成與所述旋轉(zhuǎn)電樞電接觸，并且其中所述第二靜止部分包括至少兩個(gè)換向器區(qū)段，所述至少兩個(gè)換向器區(qū)段耦連到所述靜止平臺(tái)并被配置成接收由所述旋轉(zhuǎn)電樞產(chǎn)生的、經(jīng)過至少兩個(gè)旋轉(zhuǎn)的換向器區(qū)段的作為輸出直流電的能量。結(jié)合幾幅附圖和所附權(quán)利要求閱讀以下的具體實(shí)施方式
時(shí)，本申請(qǐng)的這些和其它 特征以及改進(jìn)對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員是顯然的。


結(jié)合附圖并參照如下具體實(shí)施方式
，本公開的上述和其它方面、特征和優(yōu)點(diǎn)將變得顯然，其中圖I是具有帶超導(dǎo)電磁部件的直接驅(qū)動(dòng)型直流(DC)發(fā)電機(jī)的風(fēng)力渦輪機(jī)；圖2是以截面圖顯示具有環(huán)形旋轉(zhuǎn)電樞和由電樞圍繞的靜止超導(dǎo)勵(lì)磁繞組的直接驅(qū)動(dòng)型DC發(fā)電機(jī)的示意圖；圖3是以截面圖顯示用于超導(dǎo)勵(lì)磁繞組的低溫器(cryostat)的示意圖；圖4是以橫截面圖顯示用于超導(dǎo)勵(lì)磁繞組的低溫器的一部分的示意圖；圖5是支撐超導(dǎo)勵(lì)磁繞組的線圈磁體的表殼襯圈的透視圖；圖6是用于風(fēng)力渦輪機(jī)的DC發(fā)電機(jī)和輪轂的后視側(cè)視透視圖；和圖7是用于風(fēng)力潤(rùn)輪機(jī)的機(jī)艙、DC發(fā)電機(jī)和輪轂的局部截面圖。18風(fēng)力渦輪機(jī)葉片附圖標(biāo)記列表20輪轂10風(fēng)力渦輪機(jī)12 塔架14機(jī)艙22直接驅(qū)動(dòng)型發(fā)電機(jī)24環(huán)形旋轉(zhuǎn)電樞26勵(lì)磁繞組組件60兩級(jí)再冷凝器27導(dǎo)電繞組64第二再冷凝器28導(dǎo)電端部線匝68超導(dǎo)線圈磁體30圓柱形軛70內(nèi)部熱屏蔽32圓柱形外殼71環(huán)形機(jī)殼34圓盤72第一轉(zhuǎn)矩管35開口或孔74環(huán)形法蘭
36環(huán)形托架76環(huán)形法蘭37增強(qiáng)環(huán)80第二轉(zhuǎn)矩管38環(huán)形底座82支撐托架40旋轉(zhuǎn)的圓柱形支撐管83中空凹槽的環(huán)形陣列42環(huán)形軸承85孔44靜止底座管90換向器組件45托架91第一旋轉(zhuǎn)部分47安裝件92導(dǎo)電區(qū)段
48盤式制動(dòng)器93第二靜止部分50環(huán)形唇緣94多個(gè)電連接52角板96多個(gè)換向器電刷54勵(lì)磁繞組支撐盤98靜止平臺(tái)56低溫器外殼100功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)58絕緣管道
具體實(shí)施例方式已經(jīng)用靜止(或非旋轉(zhuǎn))勵(lì)磁繞組和由渦輪機(jī)(如風(fēng)力渦輪機(jī))直接驅(qū)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)電樞開發(fā)出超導(dǎo)直流(DC)發(fā)電機(jī)。超導(dǎo)DC發(fā)電機(jī)可安裝在風(fēng)力渦輪機(jī)塔架的上部區(qū)域中，并直接耦連到風(fēng)力渦輪機(jī)的旋轉(zhuǎn)部件，例如葉片。直接驅(qū)動(dòng)型發(fā)電機(jī)重量足夠輕而可安裝在傳統(tǒng)的風(fēng)力渦輪機(jī)塔架的頂部上并耦連到傳統(tǒng)的風(fēng)力渦輪機(jī)的旋轉(zhuǎn)葉片。超導(dǎo)DC發(fā)電機(jī)提供高轉(zhuǎn)矩密度，這允許DC發(fā)電機(jī)重量輕，盡管使得勵(lì)磁繞組中的超導(dǎo)線圈冷卻并絕緣而需要增加部件。靜止勵(lì)磁繞組包括冷卻到低溫溫度的一連串跑道形超導(dǎo)線圈。旋轉(zhuǎn)電樞和鐵軛(iron yoke)(可選的)直接連接到風(fēng)力潤(rùn)輪機(jī)并由風(fēng)力潤(rùn)輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。換向器組件將由旋轉(zhuǎn)電樞產(chǎn)生的電流傳遞到可以穿過風(fēng)力渦輪機(jī)的框架向下延伸的導(dǎo)體。圖I是風(fēng)力渦輪機(jī)10的正視圖，其包括固定到地面的塔架12。超導(dǎo)DC發(fā)電機(jī)置于安裝在塔架頂部上的機(jī)艙14內(nèi)。機(jī)艙可繞塔架的軸旋轉(zhuǎn)以將渦輪機(jī)葉片18對(duì)準(zhǔn)風(fēng)向。葉片從輪轂20徑向向外延伸。葉片18通常面向風(fēng)，由風(fēng)的能量來轉(zhuǎn)動(dòng)。DC發(fā)電機(jī)被置于機(jī)艙14內(nèi)，由輪轂20和葉片18直接驅(qū)動(dòng)。葉片和輪轂的旋轉(zhuǎn)直接驅(qū)動(dòng)DC發(fā)電機(jī)的電樞。塔架12的高度可以在20-100米之間，頂部直徑在一到二(1_2)米，地基直徑四
(4)米。塔架可由錐形管狀鋼構(gòu)成，但也可由網(wǎng)格結(jié)構(gòu)或由混凝土部分構(gòu)成。渦輪機(jī)葉片18每個(gè)長(zhǎng)度為10-45米，在轂輪20周圍等間隔隔開。盡管葉片可由任何適當(dāng)材料制成，但它們通常由玻璃纖維增強(qiáng)塑料或環(huán)氧基樹脂制成。葉片可具有固定槳距或可變槳距，這取決于輪轂中是否包括可變槳距齒輪箱。塔架和葉片及它們的組成的尺寸不在本申請(qǐng)的范圍內(nèi)，其為用于發(fā)電的大規(guī)模風(fēng)力渦輪機(jī)領(lǐng)域的技術(shù)人員所知。圖2是以橫截面顯示直接驅(qū)動(dòng)型發(fā)電機(jī)22的示意圖，發(fā)電機(jī)22具有環(huán)形旋轉(zhuǎn)電樞24和由電樞圍繞的靜止超導(dǎo)勵(lì)磁繞組組件26。旋轉(zhuǎn)電樞24是圍繞勵(lì)磁繞組組件26的外環(huán)形環(huán)。電樞以傳統(tǒng)方式制成，并可包括沿電樞的長(zhǎng)度縱向布置并在電樞的圓柱形表面內(nèi)部上布置的導(dǎo)電繞組27，例如線圈或棒。通過例子，電樞繞組的縱向部分長(zhǎng)度可以是29-30英寸，厚度為4-5英寸，內(nèi)徑為135-136英寸。線圈或棒可在相對(duì)端通過導(dǎo)電的端部線阻28而彼此連接?？v向線圈或棒之間的端部線匝連接取決于它們的數(shù)量、布置和在電樞繞組中要產(chǎn)生的電能的相位。電樞繞組的內(nèi)部圓柱形表面與靜止的超導(dǎo)勵(lì)磁繞組組件26的外表面通過狹窄的空氣間隙(例如大約1-2英寸)隔開。環(huán)形旋轉(zhuǎn)電樞24包括支撐線圈和棒27的圓柱形軛30。軛30的外表面固定到與電樞一起旋轉(zhuǎn)的圓柱形外殼32。外殼32的直徑可以是例如147-148英寸，其長(zhǎng)度為58英寸。外殼適配到圓盤34，圓盤34支撐外殼和電樞24。盤在其中心具有圓孔，孔安裝到環(huán)形托架36，風(fēng)力渦輪機(jī)的輪轂20的環(huán)形底座38附連到環(huán)形托架36。托架36和底座38可通過以圓形陣列排列的螺栓一起固定在托架和底座周圍。為了減輕重量，盤34可具有開口或孔35。托架36安裝在旋轉(zhuǎn)圓柱形支撐管40在電樞繞組的徑向內(nèi)側(cè)的一端。加強(qiáng)環(huán)37固定到托架36和支撐管40之間的內(nèi)拐角。支撐管40的直徑可以是例如在62到63英寸之間。
為了在旋轉(zhuǎn)電樞24轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)將所產(chǎn)生的機(jī)械能轉(zhuǎn)換成DC電能，電樞線圈27中的電流被換向器組件90換向以產(chǎn)生輸出的直流電。在所圖示的優(yōu)選實(shí)施例中，換向器組件90被配置為緊鄰?fù)鈿?2或圓盤34的外表面的多個(gè)圓周環(huán)?？深A(yù)料的是換向器組件90可設(shè)置在旋轉(zhuǎn)外殼32外部的任何便利的位置。將換向器組件90定位到更靠近旋轉(zhuǎn)軸會(huì)允許有更短的圓周。換向器組件90通常由在旋轉(zhuǎn)電樞24轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)隨其旋轉(zhuǎn)的第一旋轉(zhuǎn)部分91和保持靜止的第二靜止部分93組成。更具體地，在優(yōu)選實(shí)施例中，換向器組件90，更具體地是第一旋轉(zhuǎn)部分91由多個(gè)例如由材料銅制成的導(dǎo)電區(qū)段92組成。在此具體實(shí)施例中，換向器組件90由至少兩個(gè)旋轉(zhuǎn)換向器區(qū)段92組成。換向器區(qū)段92被配置成通過多個(gè)電連接94與旋轉(zhuǎn)電樞線圈27 —起旋轉(zhuǎn)，并通過多個(gè)電連接94電連接到旋轉(zhuǎn)電樞線圈27。區(qū)段和電連接的數(shù)目可變，其由發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)人員選擇的電極的數(shù)目來決定。換向器組件90的第二靜止部分93由保持多個(gè)換向器電刷96(在此具體實(shí)施例中是至少兩個(gè)換向器電刷96)的固定裝置來完成。換向器電刷96通常包括碳，保持靜止，并由靜止平臺(tái)98保持，靜止平臺(tái)98被配置成將來自換向器電刷96的輸出電流送到功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)100。換向器電刷96被配置成在旋轉(zhuǎn)時(shí)騎過或刷過旋轉(zhuǎn)的換向器區(qū)段92。換向器電刷96可通過彈簧張力保持就位，并且可包括接地和不接地電刷。當(dāng)產(chǎn)生電能時(shí)，該能量通過換向器電刷96和旋轉(zhuǎn)的換向器區(qū)段92傳導(dǎo)到靜止平臺(tái)98，并最終傳導(dǎo)到耦連到電力公用網(wǎng)、工廠或其它電力負(fù)載的功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)100，使得可以使用電力。在可替代實(shí)施例中，如圖3中的局部示意橫截面圖最佳圖示的，與旋轉(zhuǎn)電樞24 —起旋轉(zhuǎn)的換向器組件90的第一旋轉(zhuǎn)部分91可由多個(gè)換向器電刷96組成，保持靜止的換向器組件90的第二靜止部分93可由多個(gè)換向器區(qū)段92組成。在此可替代實(shí)施例中，多個(gè)旋轉(zhuǎn)換向器電刷96被配置成在旋轉(zhuǎn)時(shí)騎過或刷過靜止的換向器區(qū)段92。與之前公開的換向器組件90的第一部分91和第二部分93的相反配置類似，當(dāng)產(chǎn)生電能時(shí)，該能量通過換向器區(qū)段和旋轉(zhuǎn)換向器電刷傳導(dǎo)到靜止平臺(tái)98，并最終傳導(dǎo)到與電力公用網(wǎng)、工廠或其它電力負(fù)荷耦連的功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)100，使得可以使用電力。朝可旋轉(zhuǎn)地將支撐管40支撐在靜止底管44上的支撐管40的相對(duì)端而布置的一對(duì)環(huán)形軸承42被附連到由機(jī)艙的底板支撐的安裝件47。環(huán)形托架46可將安裝件47附連到底座管的托架45。螺栓將托架45、46固定在一起。一對(duì)軸承42可以是相同類型。可替代地，鄰近輪轂20的環(huán)形軸承42可具有比鄰近塔架的環(huán)形軸承42 (可具有8英寸的長(zhǎng)度)更長(zhǎng)的長(zhǎng)度，例如15-16英寸。鄰近輪轂的軸承42更長(zhǎng)的原因是它更直接地接收輪轂和葉片以及風(fēng)的向下的力，這可以是500，OOO磅的力，并接收輪轂和葉片以及風(fēng)的彎曲力矩，該力矩可以是在底座38和托架36處的127X IO6英寸-磅。支撐管40沿其長(zhǎng)度可具有不變厚度。可替代地，底座管44在鄰近塔架處可以厚，例如2英寸，在鄰近輪轂處可以薄，例如I英寸。底座管的厚度可以臺(tái)階或以錐度形式而降低。厚度的降低降低了管的重量。類似的重量降低特征可包括盤34中的開口或孔，外殼32中的輕量材料，例如合成物。盤式制動(dòng)器48將環(huán)形唇緣50緊握在外殼32的一端。制動(dòng)器可在風(fēng)過多、葉片旋轉(zhuǎn)太快時(shí)，降低或停止葉片的旋轉(zhuǎn)。薄的輕量角板52從圓盤34延伸到支撐管40。角板從結(jié)構(gòu)上增強(qiáng)盤34。底座管44支撐勵(lì)磁繞組支撐盤54，靜止勵(lì)磁繞組組件26安裝在支撐盤54上。底座管44和支撐盤的組件是用于勵(lì)磁繞組組件26的一個(gè)示例性非旋轉(zhuǎn)支撐件。該盤可具有開口或孔55以減輕重量。盤54附連到包含勵(lì)磁繞組26的超導(dǎo)線圈的低溫器外殼56的·一端。外殼56和其冷卻組件形成對(duì)勵(lì)磁繞組的超導(dǎo)線圈進(jìn)行冷卻的低溫器。低溫器的外殼56的截面可以是環(huán)形、矩形，其外徑在134-135英寸之間，其長(zhǎng)度為49英寸。外殼56和DC發(fā)電機(jī)和風(fēng)力渦輪機(jī)的其它組件的尺寸與設(shè)計(jì)選項(xiàng)有關(guān)，可根據(jù)風(fēng)力渦輪機(jī)的設(shè)計(jì)而變化。低溫器56使超導(dǎo)線圈絕緣，使得它們可被冷卻到接近絕對(duì)零度，例如冷卻到10開氏度(K)，優(yōu)選冷卻到4開氏度。為了冷卻繞組，外殼56包括絕緣導(dǎo)管58以接收液態(tài)氦(He)或其它類似低溫液體(稱作冷凍劑)。傳統(tǒng)的兩級(jí)再冷凝器60安裝在機(jī)艙的上部區(qū)域、機(jī)艙的頂部上或塔架的頂部上，以及勵(lì)磁繞組上面，使用重力饋送提供冷凍劑，例如液態(tài)He。冷凍劑在勵(lì)磁繞組的超導(dǎo)線圈磁體周圍流動(dòng)并冷卻線圈磁體，以獲得超導(dǎo)狀態(tài)。隨著He至少部分蒸發(fā)，線圈被冷卻到例如4開氏度。He蒸汽流動(dòng)通過管道58中的一個(gè)管道到達(dá)再冷凝器60，在此He被冷卻、液化并通過管道58返回線圈磁體。用于超導(dǎo)線圈的電導(dǎo)體也與用于氦的絕緣管道58 —起穿過外殼56。第二再冷凝器64向用于勵(lì)磁繞組的外殼56的內(nèi)部熱屏蔽70提供第二冷卻液體，例如液體氮或氖。第二冷卻液體將用于超導(dǎo)磁體的熱屏蔽70冷卻到大約30-80開氏度。冷卻熱屏蔽有助于通過降低由氦吸收的熱輻射來過度冷卻超導(dǎo)繞組。第二再冷凝器64接收來自熱屏蔽70的汽化液態(tài)氮或氖，使氮或氖液化，并通過絕緣管道66向熱屏蔽提供液態(tài)氮或氖。第二再冷凝器在重力饋送下提供液態(tài)氖或氮，并且第二再冷凝器安裝在比外殼56更高的塔架上。轉(zhuǎn)矩通過輪轂20施加以使旋轉(zhuǎn)電樞24繞靜止的超導(dǎo)勵(lì)磁繞組組件26轉(zhuǎn)動(dòng)。旋轉(zhuǎn)支撐盤34將轉(zhuǎn)矩從輪轂傳送到旋轉(zhuǎn)電樞24。由于電磁力(EMF, electromagnetic force)率禹合，轉(zhuǎn)矩通過旋轉(zhuǎn)電樞24施加到靜止超導(dǎo)勵(lì)磁繞組組件26。施加到靜止超導(dǎo)勵(lì)磁繞組組件26的轉(zhuǎn)矩通過勵(lì)磁繞組外殼56傳送到靜止支撐盤54和塔架12的安裝件47。圖4是以橫截面顯不用于超導(dǎo)線圈68的低溫器外殼56的不意圖。外殼的內(nèi)部被抽真空，在熱屏蔽70周圍形成絕緣真空。第一轉(zhuǎn)矩管72將熱屏蔽70懸掛在低溫器外殼56的真空內(nèi)部。轉(zhuǎn)矩管72安裝到外殼內(nèi)部的環(huán)形法蘭74。該法蘭將管從外殼56的內(nèi)壁抬聞。在轉(zhuǎn)矩管72的相對(duì)端的另一環(huán)形法蘭76將熱屏蔽70從管抬聞，并使熱屏蔽集中在外殼56的內(nèi)部的中央。轉(zhuǎn)矩管72還將轉(zhuǎn)矩從熱屏蔽70傳送到外殼56，并向低溫?zé)崞帘翁峁┡c環(huán)境溫度的外殼56的熱絕緣。熱屏蔽70由輕重量的鋁制成。環(huán)形機(jī)殼71懸掛于熱屏蔽70中。熱屏蔽70具有以液態(tài)氮或氖冷卻的一個(gè)法蘭，以將機(jī)殼71與熱輻射熱傳遞進(jìn)行熱絕緣。液態(tài)氖或氮從第二再冷凝器64被提供到熱屏蔽70，第二再冷凝器高于外殼56。管道66提供為液態(tài)氖或氮預(yù)留的到熱屏蔽的重力饋送，和為再冷凝器提供預(yù)留的蒸汽返回。液態(tài)氖或氮通過附連到熱屏蔽的一個(gè)法蘭的管道而循環(huán)。當(dāng)液態(tài)氖或氮冷卻熱屏蔽時(shí)，液體蒸發(fā)，然后返回再冷凝器。蒸汽在再冷凝器中被冷凝，然后反饋回到熱屏蔽70。第二轉(zhuǎn)矩管80在一端上通過法蘭76在熱屏蔽70的內(nèi)壁上而支撐。法蘭76可延伸到室70的內(nèi)部中，或可包括兩個(gè)法蘭(一個(gè)在熱屏蔽內(nèi)部，另一個(gè)在熱屏蔽外部)。法蘭可由絕緣材料制成。第二轉(zhuǎn)矩管80熱絕緣，并將環(huán)形殼71懸掛于熱屏蔽上。第二轉(zhuǎn)矩管80將轉(zhuǎn)矩從線圈傳送到第一轉(zhuǎn)矩管72。第一、第二轉(zhuǎn)矩管都可由鈦合金制成。
用于超導(dǎo)線圈68的絕緣管道58、66和電纜(未顯不)穿過外殼56、熱屏蔽70中的密封孔，第一管道58到達(dá)超導(dǎo)線圈的機(jī)殼71。外殼、熱屏蔽和機(jī)殼提供絕緣冷卻環(huán)境,在該環(huán)境中超導(dǎo)線圈可被冷卻到低溫溫度，例如4開氏度。設(shè)置在相對(duì)方向的轉(zhuǎn)矩管將繞組和它們的機(jī)殼與環(huán)境條件熱絕緣和機(jī)械隔離。圖5是機(jī)殼71的透視圖，其形成保持與液態(tài)He接觸的線圈磁體68的容器。機(jī)殼71可由輕重量的鋁制成。機(jī)殼的橫截面可以是環(huán)形、矩形。機(jī)殼的曲率符合環(huán)形室70的曲率。機(jī)殼可包括中空槽83的環(huán)形陣列，每個(gè)槽接收跑道形線圈68和接收液態(tài)氦的供應(yīng)。支撐托架82就位于凹槽中，并在每個(gè)線圈磁體上。支撐托架符合線圈的形式，并將線圈固定在機(jī)殼的凹槽83中。支撐托架使冷卻液體在超導(dǎo)線圈上并流過其中。用于超導(dǎo)線圈的冷卻通道是常規(guī)的并眾所周知的，如使用作為磁共振成像(MRI)裝置的超導(dǎo)線圈磁體。圓柱形蓋殼84密封機(jī)殼71的中空中心。機(jī)殼71、熱屏蔽70和外殼56相對(duì)薄，以使靜止的超導(dǎo)勵(lì)磁繞組26可位于旋轉(zhuǎn)電樞24的旋轉(zhuǎn)繞組附近。在所公開的實(shí)施例中，靜止的超導(dǎo)勵(lì)磁繞組可具有大約2-3英寸的厚度，可在2-4英寸的電樞繞組內(nèi)。每個(gè)超導(dǎo)線圈68可以是形成跑道形狀的一組電線。線圈被裝入以保持跑道形狀。每個(gè)跑道可具有例如長(zhǎng)為29-30英寸并且寬為10英寸的兩個(gè)并行區(qū)段的縱向區(qū)段。每個(gè)超導(dǎo)線圈68支撐于機(jī)殼70的凹槽83中，并由氦浴來冷卻到低溫溫度。超導(dǎo)線圈68并排設(shè)置成在機(jī)殼的周圍延伸的環(huán)形陣列。例如，三十六(36)個(gè)線圈可形成環(huán)形陣列的勵(lì)磁繞組，其用作DC發(fā)電機(jī)的定子勵(lì)磁繞組。超導(dǎo)線圈68可分別由在跑道形狀周圍以螺旋線纏繞的(NbTi)線制成，該跑道形狀可包括用于氦的冷卻管道。圖6是DC發(fā)電機(jī)22和其與輪轂20連接的放大的后視側(cè)視圖。輪轂具有用于葉片的孔85。葉片根部具有圓柱形安裝座，其適配到孔的邊緣。葉片可固定到鼻部，或向輪轂提供傳動(dòng)裝置，其用于葉片的可變槳距的安裝。輪轂20包括安裝到DC發(fā)電機(jī)22的法蘭36的底座38。圓形陣列的螺栓可穿過底座中的槽以將輪轂固定到法蘭36。圖7是置于機(jī)艙14中并直接連接到風(fēng)力渦輪機(jī)的輪轂20的DC發(fā)電機(jī)22的局部橫截面透視圖。支撐管40直接連接到輪轂。支撐管還支撐電樞及電樞繞組27、28和軛30。電樞繞組27、28與超導(dǎo)線圈磁體68同軸并繞其旋轉(zhuǎn)。這些線圈磁體被封裝到機(jī)殼71中，通過冷卻通道83接收冷凍劑。機(jī)殼71支撐于低溫器外殼56中，低溫器外殼56固定到底座管44。安裝件47將底座管44支撐于機(jī)艙14中。冷凍劑再冷凝器60、64可容納于機(jī)艙中，只要再冷凝器中的冷凍劑冷卻液體至少部分升高到高于靜止超導(dǎo)勵(lì)磁繞組26以為繞組提供冷凍劑的重力饋送?？商娲兀倮淠?0、64可安裝在機(jī)艙的頂部上。如上文所述的具有靜止超導(dǎo)勵(lì)磁繞組和外旋轉(zhuǎn)電樞的DC發(fā)電機(jī)具有高轉(zhuǎn)矩密度，并有相對(duì)輕的重量。DC發(fā)電機(jī)可達(dá)到IOMW或更大的功率輸出，且重量輕以適配到風(fēng)力渦輪機(jī)的塔架頂部上。DC發(fā)電機(jī)由風(fēng)力渦輪機(jī)的葉片直接驅(qū)動(dòng)。IOMW或更大的功率從電樞通過換向器組件傳遞到功率逆變系統(tǒng)，功率逆變系統(tǒng)包括沿塔架向下延伸到塔架底座電耦連件的電導(dǎo)體。電耦連件可連接到建筑物、工廠或家庭的公用電力、電力負(fù)荷或其它電力負(fù)荷。包括換向器組件以形成DC發(fā)電機(jī)，這允許去掉或簡(jiǎn)化第一級(jí)PE轉(zhuǎn)換器，可帶來成本、尺寸和重量的降低以及轉(zhuǎn)換器可靠性的提高。盡管已經(jīng)參照示例性實(shí)施例描述了本公開，但本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)理解在不偏離本公開的范圍下可進(jìn)行各種變化，并可用等同物來代替其元件。此外，可進(jìn)行許多修改以將具 體情況或材料適應(yīng)于本公開的教導(dǎo)，而不偏離其實(shí)質(zhì)范圍。因此，本公開旨在不限于作為為實(shí)施此公開考慮的最佳模式公開的具體實(shí)施例，而是本公開旨在包括落入所附權(quán)利要求的范圍內(nèi)的所有實(shí)施例。
權(quán)利要求
1.ー種直流DC發(fā)電機(jī)(22)，包括 環(huán)形電樞(24)，其可連接為與風(fēng)カ渦輪機(jī)(10)的旋轉(zhuǎn)部件(18) —起旋轉(zhuǎn)； 靜止的環(huán)形勵(lì)磁繞組(26)，其與所述電樞(24)同軸并通過間隙與所述電樞(24)隔開，其中所述勵(lì)磁繞組(26)包括超導(dǎo)線圈磁體(68)； 用于所述勵(lì)磁繞組(26)的非旋轉(zhuǎn)支撐件(44，54)； 固定支撐件(40)，其將所述用于勵(lì)磁繞組(26)的非旋轉(zhuǎn)支撐件(44，54)耦連到底座(38)，所述底座(38)固定到所述風(fēng)カ渦輪機(jī)(10)的上部區(qū)域，其中所述固定支撐件(40)在一個(gè)端部區(qū)域連接到所述非旋轉(zhuǎn)支撐件(44，54)，并在相對(duì)端部區(qū)域連接到所述底座(38)，并且其中所述固定支撐件(40)將所述勵(lì)磁繞組(26)懸掛在所述底座(38)上；和 換向器組件(90)，其被配置成將由旋轉(zhuǎn)電樞(24)產(chǎn)生的DC電流傳遞到功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng) (100)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的DC發(fā)電機(jī)(22)，其特征在于所述換向器組件(90)包括第ー旋轉(zhuǎn)部分(91)和第二靜止部分(93)，第一旋轉(zhuǎn)部分(91)緊鄰所述環(huán)形電樞(24)設(shè)置并被配置成隨其旋轉(zhuǎn)，第二靜止部分(93)耦連到靜止平臺(tái)(98)并被配置成接收由所述旋轉(zhuǎn)電樞(24)產(chǎn)生的、經(jīng)過所述第一旋轉(zhuǎn)部分(91)的、作為輸出直流電的能量。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的DC發(fā)電機(jī)(22)，其特征在干所述靜止平臺(tái)(98)被配置成與所述功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)(100)電聯(lián)通。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的DC發(fā)電機(jī)(22)，其特征在于所述第一旋轉(zhuǎn)部分(91)包括至少兩個(gè)換向器區(qū)段(92)，所述至少兩個(gè)換向器區(qū)段電連接至所述環(huán)形電樞(24)的多個(gè)電線端、緊鄰所述環(huán)形電樞(24)設(shè)置并被配置成隨其旋轉(zhuǎn)，所述至少兩個(gè)換向器區(qū)段(92)被配置成與所述旋轉(zhuǎn)電樞(24)電接觸。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的DC發(fā)電機(jī)(22)，其特征在于所述第二靜止部分(93)包括至少兩個(gè)靜止的換向器電刷(96)，所述至少兩個(gè)靜止的換向器電刷(96)耦連到所述靜止平臺(tái)(98)并被配置成接收由所述旋轉(zhuǎn)電樞(24)產(chǎn)生的、經(jīng)過至少兩個(gè)旋轉(zhuǎn)的換向器區(qū)段(92)的作為輸出直流電的能量。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的DC發(fā)電機(jī)(22)，其特征在于所述第一旋轉(zhuǎn)部分(91)包括緊鄰所述旋轉(zhuǎn)電樞(24)設(shè)置并被配置成隨其旋轉(zhuǎn)的至少兩個(gè)旋轉(zhuǎn)的換向器電刷(96)，所述至少兩個(gè)旋轉(zhuǎn)的換向器電刷(96)被配置成與所述旋轉(zhuǎn)電樞(24)的多個(gè)電線端電接觸。
7.根據(jù)權(quán)利要求7所述的DC發(fā)電機(jī)(22)，其特征在于所述第二靜止部分(93)包括至少兩個(gè)換向器區(qū)段(92)，所述至少兩個(gè)換向器區(qū)段(92)耦連到所述靜止平臺(tái)(98)并被配置成接收由所述旋轉(zhuǎn)電樞(24)產(chǎn)生的、經(jīng)過至少兩個(gè)旋轉(zhuǎn)的換向器區(qū)段(92)的、作為輸出直流電的能量。
8.ー種用于風(fēng)カ潤(rùn)輪機(jī)(10)產(chǎn)生直流電DC的方法,包括 在DC發(fā)電機(jī)(22)的非旋轉(zhuǎn)環(huán)形勵(lì)磁繞組(26)中產(chǎn)生磁場(chǎng)，其中所述勵(lì)磁繞組(26)包括超導(dǎo)線圈磁體(68)，且所述DC發(fā)電機(jī)(22)安裝在風(fēng)カ渦輪機(jī)(10)的塔架(12)的上部部分； 施加來自所述風(fēng)カ渦輪機(jī)(10)的轉(zhuǎn)矩以使所述DC發(fā)電機(jī)(22)的電樞(24)旋轉(zhuǎn)，其中所述電樞(24)與所述超導(dǎo)勵(lì)磁繞組(26)同軸且電磁耦連到所述超導(dǎo)勵(lì)磁繞組(26)； 通過所述電樞(24)繞靜止勵(lì)磁繞組(26)的旋轉(zhuǎn)在所述電樞(24)中產(chǎn)生電流；將來自旋轉(zhuǎn)電樞(24)的直流電通過換向組件(90)傳遞到功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)(100)； 使用冷卻液體將所述超導(dǎo)線圈磁體(68)冷卻到超導(dǎo)狀態(tài)，所述冷卻液體在其冷卻線圈(68)時(shí)至少部分蒸發(fā)；和 在高度高于所述DC發(fā)電機(jī)(22)的再冷凝器(60)中使蒸發(fā)的冷卻液體冷凝，其中冷凝的冷卻液體通過重力流至所述超導(dǎo)線圈磁體(68)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于所述方法進(jìn)ー步包括通過所述換向器組件(90)傳遞直流電，其中第一旋轉(zhuǎn)部分(91)包括至少兩個(gè)換向器區(qū)段(92)，第一旋轉(zhuǎn)部分(91)緊鄰所述環(huán)形電樞(24)設(shè)置并被配置成隨其旋轉(zhuǎn)，第一旋轉(zhuǎn)部分(91)被配置成與所述旋轉(zhuǎn)電樞(24)電接觸，第二靜止部分(93)包括至少兩個(gè)靜止的換向器電刷(96)，所述至少兩個(gè)靜止的換向器電刷(96)耦連到靜止平臺(tái)(98)并被配置成接收由所述第一旋轉(zhuǎn)部分(91)產(chǎn)生的作為輸出直流電的能量。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于所述方法進(jìn)ー步包括通過所述換向器組 件(90)傳遞直流電，其中第一旋轉(zhuǎn)部分(91)包括至少兩個(gè)換向器區(qū)段(92)，第一旋轉(zhuǎn)部分(91)緊鄰所述環(huán)形電樞(24)設(shè)置并被配置成隨其旋轉(zhuǎn)，所述第一旋轉(zhuǎn)部分(91)被配置成與所述旋轉(zhuǎn)電樞(24)電接觸，所述第二靜止部分(93)包括至少兩個(gè)靜止的換向器電刷(96)，所述至少兩個(gè)靜止的電刷(96)耦連到靜止平臺(tái)(98)并被配置成接收由所述旋轉(zhuǎn)電樞(24)產(chǎn)生的作為輸出直流電的能量。
全文摘要
本發(fā)明公開用于由風(fēng)力渦輪機(jī)驅(qū)動(dòng)的超導(dǎo)直流發(fā)電機(jī)的方法和設(shè)備，其包括環(huán)形電樞，其可連接為與風(fēng)力渦輪機(jī)的旋轉(zhuǎn)部件一起旋轉(zhuǎn)；靜止的環(huán)形勵(lì)磁繞組，其與電樞同軸并通過間隙與電樞隔開。勵(lì)磁繞組被配置成包括超導(dǎo)線圈磁體和可連接到風(fēng)力渦輪機(jī)塔架的上部區(qū)域的支撐結(jié)構(gòu)。該直流發(fā)電機(jī)進(jìn)一步包括換向器組件，其被配置成將由旋轉(zhuǎn)電樞產(chǎn)生的DC電流傳遞到功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。
文檔編號(hào)H02K23/02GK102857057SQ20121022652
公開日2013年1月2日 申請(qǐng)日期2012年6月29日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月30日
發(fā)明者J.W.布雷 申請(qǐng)人:通用電氣公司