超导发电机和电机的利记博彩app
【专利摘要】本发明描述了一种具有多个低温恒温器的超导发电机或电机。所述低温恒温器含有冷却剂，并且第一低温恒温器封围多个超导线圈中的至少一个。第一线圈通过封围导体的超导传导冷却缆线与第二低温恒温器中包括的第二线圈超导电连通。所述第一低温恒温器和所述第二低温恒温器可以通过所述至少一个超导传导冷却缆线内的至少一个致冷剂槽道流体连通。在其它实施例中，所述多个低温恒温器可以都不流体连通，并且可以通过从第一低温恒温器或第二低温恒温器或从第一低温恒温器和第二低温恒温器沿着导体传导而冷却缆线。所述导体可具有温度等于或高于所述冷却剂的温度的不同区段，并且所述超导传导冷却缆线可以通过快速连接配件连接。
【专利说明】超导发电机和电机
[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 本申请要求2014年12月2日提交的第14/557,604号美国非临时专利申请的权益， 该美国非临时专利申请要求2013年12月4日提交的第61 /911，687号美国临时专利申请的权 益;所有这些申请以引用的方式并入，如同完全写在本文中一样。
[0003] 关于联邦政府赞助研究或研发的声明
[0004] 本发明是在政府支持下用能源部授予的DE-SC0009203拨款作出的。政府具有本发 明的某些权利。
【背景技术】
[0005] 出于多种原因，超导发电机和电机的使用会增加。发电机功率额定使得超导效率 不断地变得更加重要。应用，尤其是风力发电的应用包括陆地、海上和偏远位置。当前的技 术(例如高速铁齿轮箱的使用)是成问题的，因为齿轮箱过于不可靠并且过重。直驱(Direct drive)机变得常用，因为直驱机没有齿轮箱，但其非常重而且难以运输和安装。
[0006] 直驱超导发电机可能更轻，但是与风力发电相关联的拓扑使得当前提出的超导风 力发电机系统不太实用。目前的超导设计总体上利用旧式单个低温恒温器和超导转子，其 中所有组件都是冷的。这些超导设计还具有大而且脆弱的扭力管。这些单元会遇到许多单 点故障。
[0007] 这些单元必须作为单个零件构造、装运和安装。隔离低温恒温器用的旋转密封件 是成问题的，尤其是因为传统的拓扑不太适合恶劣无人值守的环境。例如钇钡铜氧化物 (YBCO)和铋锶钙铜氧化物(BSCCO)导体等传统的超导材料非常昂贵。任何故障实际上都会 破坏机器，而且需要拆除整个机器，运送到工厂进行修理再重新安装;其中每个步骤都会导 致非常昂贵的工序。相关的长停机时间、高成本使得这样的安装在经济方面是不可行的。
[0008] 因此，必须研发一种新技术，允许5-20MW(兆瓦）的发电机解决大型直驱超导发电 机的这些主要问题。本发明能用一种符合高功率(>5MW的风能系统)设施需要的成本低、可 靠度高、现场能维修、容易运输、安装和维修的超导发电机解决所有这些问题，并且还有其 它优点。这些目标在实现时部分地不需要单个大型低温恒温器，单个大型低温恒温器的结 构脆弱并且单点故障可能是灾难性的。本发明的实施例并不使用复杂而且大型的低温恒温 器/扭力管设计。没有单个大型冷区，只有需要低温的冷区（即线圈）；其中冗余能力的意思 是指设施可以损失一个线圈甚至两个线圈，而发电机仍然可以保持运行。这样能去掉许多 问题区域，包括单个大型低温恒温器、扭力管，并且引入多个冗余的低温恒温器。此外，本设 计采用多种拓扑改进来改进制造、运输、安装和维修。
[0009] 非超导风力发电机的现有技术包含相对较轻的高速发电机和沉重并且不可靠的 齿轮箱；而直驱常规发电机虽然沉重但是可靠。这些大型齿轮箱和大型直驱发电机在风力 塔上的最终额定值方面是有限的，并且会造成运输、组装和维修问题，尤其是涉及到偏远位 置和/或海上位置的时候。直驱超导发电机将可能比常规单元(高速发电机和齿轮箱)更轻， 但是直驱超导发电机在5-20MW额定值下经由高速公路运输方面仍然很大很重。目前的传统 超导设计可能不可靠并且容易发生单点故障、难以维修并且难以运输和安装。
[0010] 需要的是具有新拓扑的直驱超导发电机，能解决传统的超导发电机的问题并且非 常适合风力应用。超导发电机可以用作没有齿轮箱的直驱机构，或者还可以用于高度简化 的一级变速箱，其可靠性高而且重量很轻。
[0011] 高功率风力平台（5-20MW)将提供相当的规模经济，并且可能是使风能在经济方面 可行所必需的。目前，许多风力平台使用通过大型的、沉重的并且过去非常不可靠的多级齿 轮箱驱动的高速(1200到ISOOrpm)发电机。正在研究直驱(低rpm)发电机以舍弃非常不可靠 的齿轮箱，但是这样会导致发电机非常大而且非常重，并且当风力平台的输出超出5-6MW并 趋近10-20MW时，这个问题肯定会变得更严重。已经提出的常规的（基于铁的非超导的)直驱 发电机由于尺寸大并且重量大，所以可能会使已经提出的高功率风力平台在物流和经济方 面不可行。
[0012] 对于陆地系统额定值高于4MW的平台和对于海上系统额定值高于8MW的平台存在 很大的相关物流问题。规模经济显示，如果风力平台的额定值可以被推到5-20MW，则风力平 台可能更有经济方面的吸引力。
[0013] 高速多兆瓦发电机的尺寸和重量可能都是易处理的，但是驱动发电机所需的相对 大且重的齿轮箱被证实非常昂贵、不可靠并且维护成本很高，是多兆瓦风力系统的经济可 行性的关键限制因素。当这些新兴系统的输出超出5-8MW时，这个问题将变得更严重得多， 并且可能会妨碍高功率风力系统的商业化。为了消除齿轮箱，提出了直驱系统，但是低速 (6-12rpm)发电机由于尺寸大重量大，所以让这种设备非常难运输和在海上或偏远陆地位 置组装。支撑这些沉重的发电机所需的塔也难以构建并且构建成本很高，同样在偏远陆地 或海上位置尤其如此。因此，若没有进一步的技术进步，尺寸、重量和可靠性问题以及运输、 组装和维护问题可能会妨碍高功率(5-20MW)风力系统的商业化。
[0014] 具有变速箱的传统的高速超导发电机有一些重量方面的优点，但是在发电机和变 速箱的可靠性方面存在问题。低速直驱常规发电机(没有变速箱)可能比较可靠，但是也很 可能非常大而且非常重，因此会在运输、安装和维修方面有许多问题。低速直驱的传统超导 发电机会更轻但是更大，同样必然会有运输、安装和维修问题以及发电机可靠性方面的顾 虑。本文中提出的低速直驱超导发电机明显更轻，运输、安装和维修方面的问题最少，并且 具有更可靠的发电机。本文中还提出的具有单级变速箱的中速超导发电机也是轻量型系 统，运输、安装和维修方面的问题最少，并且还具有高度可靠性。
[0015] 发电机功率和功率密度
[0016] 发电机功率输出通过下面的等式决定：
[0017] 发电机功率= Const(常数)*D2*L*B*A*rpm，其中：
[0018] D =转子直径
[0019] L =转子有效长度 [0020] B =磁场
[0021] A =定子电流密度
[0022] Rpm =转子速度(rpm)
[0023] 在使用传统的基于铁的技术的高速发电机与低速发电机的比较中，磁通密度相同 (2特斯拉)并且定子电流密度相同，并且受到铜导体中的冷却技术的限制。虽然低速发电机 的直径可能大于高速机器，但是这个增加的直径无法补偿低速。
[0024] 传统的基于铁的高速发电机已经很好地证实是可靠的技术（比如公用设施和商用 系统中），尺寸合理地小并且重量适中。如上所述，这种技术已经得到证实，并且容易扩展到 数十或数千的MWS。高速（l，800rpm和更高）的基于铁的发电机可能很小、重量轻、可运输并 且可靠，倘若不需要用变速箱增加速度，将是优选的系统。
[0025] 多兆瓦齿轮箱的提速方面的问题很复杂。高功率减速齿轮箱相对较大较重，然而， 这种齿轮箱至少比较可靠，例如比如在船只驱动和其它目前的应用中。但是，已经提出的风 力系统需要多MW多级增速齿轮箱，这种齿轮箱又大又重而且不可靠。正是这种齿轮箱导致 系统总体故障而且难以维护并且维护成本很高。然而，单级变速箱设计会减少可靠性和维 护问题，并且使得重量大幅减小。"高速"（ISOOrpm)发电机相对轻量，但是这种发电机需要 又大又重的齿轮箱，这些齿轮箱极不可靠，并且实际上被证实随着电力电平的增加会产生 问题。直驱（IOrpm)发电机不需要麻烦的变速箱，但是这些发电机非常大非常重，这对于运 送安装、维修和塔支撑要求是一个严重问题。随着电力电平的增加，这些问题会加剧。
[0026] 作为直驱的一种引人注目的替代方案一一"混合驱动"（单级4:1变速箱和40rpm超 导发电机)提供了很大的优点。这种发电机明显更小更轻，单级变速箱也更轻而且可能非常 可靠。
[0027]目前的超导风力发电机的缺点
[0028] 目前的超导导线发电机造成许多问题。导体本身与铜相比很脆弱。需要用脆弱、复 杂的硬件支撑导体并将导体冷却到极低的温度，例如低温恒温器、扭力管、低温制冷机和旋 转低温密封件。低温转子无法在现场修理，而且有许多单点故障机构。这些机器往往不可 靠，基本上不可能在现场维修，而且必须作为单个单元运输和安装，这让这些机器又大又 重，因此很难运输和安装在陆地或海上的偏远位置。传统的超导发电机设计的可靠性未经 证实，尤其是在恶劣的环境。
[0029] 针对直驱风力平台研发的一些超导发电机设计采用针对先前的陆地型高速超导 发电机研发的许多传统的超导发电机拓扑。这些拓扑又大又重，而且无法有效地适应新兴 的高功率风能平台的需要。需要一种能具体解决前述问题的新拓扑。
[0030] 当前发展的超导发电机的具体问题
[0031 ] -种封围整个转子和机构，包含整个内部结构的传统的"大型低温恒温器"设计可 以在低温下操作。这种设计容易发生严重的热泄漏，并且必须防护大型低温恒温器使其免 于受到涡流损失的影响。这种大型结构对于它的非常大的结构中的使整个机器彻底失效的 针孔泄漏和开裂非常敏感。即使小泄漏也很可能需要将发电机从平台上拆掉，发回给制造 商，修理、发回再重新安装。这样会消耗大量时间、金钱和停工时间。
[0032]传统的扭力管不太适合有大型脉动负荷的非常高扭力的低速发电机。这种扭力管 一般是用于扭力相对较小的高速应用，还用在较低功率的机器中，其中扭力管较小。要使扭 力管中的热泄漏绝对地最小化，可能非常复杂。
[0033]圆柱形转子通常用在直径较小（10英寸到4英尺）的机器上，因为必需要有合理的 比例。然而，风力发电机的直径将非常大，而且中心有大量的相对空的空间。这些机器的扭 力管的直径非常大，并且具有大量的重量和材料还有潜在的热泄漏，而且它还会明显增加 转子的整体长度因此增加发电机的整体长度。这些扭力管不但脆弱而且热泄漏很大，并且 会明显增加轴杆的长度且明显减小轴杆的刚度。
[0034] 风力平台中的超导发电机的新型设计方法
[0035] -种独特的超导线圈配置可具有多个小型低温恒温器。只有超导线圈是冷的，并 且每个超导线圈被封围在其自身的小型低温恒温器中。与传统的大型低温恒温器和扭力管 相比，表面积更小因此热泄漏更少，因而冷却要求更低，需要的低温制冷器也更少。本设计 可具有二分之一的线圈数目（每个磁极对1个线圈），同样，低温恒温器更少，冷却需求更低。 即使有一个乃至两个转子线圈或低温恒温器出现故障，波状卷绕的定子绕组也能让发电机 工作，因而有利于高可靠性，维护成本也便宜很多。
[0036] 线圈和低温组件可以低成本现场更换，并且它们的冗余能力和可靠性高，能使传 统的单点故障最小化。这种设计有利于简单地在现场维修和更换大多数至关重要的发电机 零件（例如低温转子零件）。这种方法还适用于所有定子也是超导定子的低温机器。所述多 个低温恒温器很小，而且更稳固可靠，并且设计成容易在现场用小型的可更换模块来更换 或修理。由于可更换零件的小库存，所以能大幅减少维修和维护成本和停工期。同样，波状 卷绕的定子绕组的冗余能力让发电机即使在转子线圈出现故障的情况下也能继续工作，这 是一个很大的益处，也是传统的超导发电机无法实现的效果。
[0037]风力平台中的发电机:冷却系统和冷却剂
[0038] 所述多个冗余低温恒温器中的每个低温恒温器的必需容量较小。可以用旋转低温 制冷器提供冷却剂到低温恒温器，由此排除了旋转低温密封件的长期问题。液氢(LH 2)可能 被证实是一种优越的冷却剂，因为有些超导体在20K下管用，并且LH2便宜而且容易在现场 补充，这也是驱动使用二氯化镁(MgB 2)的一个因素，因为液氦正在出现短缺问题。
[0039] 这种设计没有大型的容易受损的单个低温恒温器和大的、复杂而且容易受损的扭 力管。低温系统只冷却线圈而不是整个结构。冷却要求更低，这是因为小型低温恒温器的区 域的表面积比传统的大型低温恒温器更小，冷却要求也比传统的大型低温恒温器更低。转 子和定子可以建构在小型的轻量区段中，从而有利于运送安装并且允许快速现场维修。模 块化设计允许从标准零件的小库存中更换至关重要的零件，并且转子设计能消除许多传统 的故障点并提供冗余能力。
[0040] 所述设计可具有二分之一的转子线圈数目，因为一个超导线圈能驱动发电机中的 两个极点，这可能意味着低温恒温器故障风险只有二分之一，并且波状卷绕的定子绕组可 以允许发电机在一个和可能两个转子线圈发生故障时继续工作。可能可以通过将低温制冷 器用锁定密封件安装在转子上以便给系统再充电来消除旋转密封件。YBCO不大可能节省成 本或是有充足的数量或足够长的长度供使用，并且BSCCO仍然非常昂贵，因而使得MgB 2成为 可能的选择。
[0041 ]当额定值增加到5MW以上时将需要超导发电机
[0042]虽然非超导设计可以设计成在高塔和长叶片上工作；但是随着额定值的增加，必 然需要使这样的塔上的重量最小化的艰难任务。一种已经提出的单级变速箱(4:1)有助于 减少重量。对于大MW的机器，可以通过将变速箱合并到发电机的最终钟形壳体中来减小变 速箱的重量。
【发明内容】
[0043] 各种优选实施例、过程和方法的大量变化、修改、替代和更改可单独使用或彼此结 合使用，本领域的技术人员参照优选实施例和附图及图式的以下详细描述将更容易明白这 一点。
[0044] 在本发明的最一般的配置中，本发明用多种新的能力推进了现有技术，并且用新 型且新颖的方式克服了现有装置的许多缺点。在本发明的最一般的意义上，本发明用多种 总体上有效的配置中的任一种配置克服了现有技术的缺点和局限性。本发明用新型并且新 颖的方式展示了这样的能力并且克服了许多现有方法的缺点。
[0045] 本说明书的方法的优点包含(但不限于)对于给定的发电机重量能增加发电容量。 本设计包含一些创新，这些创新能克服当前发展的超导发电机的大量设计局限性中的许多 局限性，当前发展的超导发电机从未设计成能在未来的风力平台常见的非常恶劣的偏远环 境中工作。本设计不仅使发电机本身的尺寸和重量最小化，而且合并了许多新颖的特征，这 些特征能消除传统超导发电机的许多传统上脆弱并且不可靠的组件。本设计还能消除许多 传统的单点故障机构并且具有大量冗余能力，从而允许发电机即使在损失超导转子线圈、 低温恒温器或几个低温恒温器时也能继续工作。最后，本设计能解决运输、安装和修理非常 大型的超导发电机时遇到的问题，并且通过使用模块化设计克服了这些问题。如果大于5MW 的超导风力发电机系统变得在经济方面可行，则将必然需要所描述的发电机。
[0046] 发电机组装程序;主要发电机组件
[0047] 首先，安装具有第一定子区段的发电机端部托架，接着将定子四分体组装到发电 机端部托架中。接下来，可以将轴杆组装到发电机轴承托架中，并且将转子四分体安装到转 子支架上。接下来，可以安装所有转子四分体，然后安装所有定子四分体，因而使得发电机 主体组装完成，因为发电机端部托架的上半部已经安放就位。利用发电机维修程序，例如拆 卸和更换有故障的转子磁极或更换轴承托架的上半部，将同样简单。
[0048]轻量超导发电机将是一种能支持当前正在研发的大型(>5MW)风力平台的技术。大 型(5+MW)的可靠的风力平台可能对于风力的经济可行性也是至关重要的（规模经济）。当前 研发的超导发电机设计不适合偏远和恶劣的操作环境。此外，事实可能会证明，这些大型超 导发电机的可靠性不良或未经证实，单点故障，超导发电机固有的脆弱性，还有运输、安装 和修理问题是这种超导发电机的缺陷。
[0049] 本设计的实施例研发了一种大型超导发电机的创新的并且经济的设计，具体来说 是针对风力平台的恶劣的物理环境设计的。本设计克服了传统超导发电机设计中固有的许 多设计缺陷，消除了许多单点故障机构，增加了冗余能力和可靠性，并且克服了当前研发的 其它大型单件式超导发电机固有的运输、安装和维修问题。
[0050] 超导风力发电机设计背景
[0051] 描述了一种轻量直驱超导发电机，它符合新兴的高功率(5-10MW)陆地类风力平台 的需要。本设计可以直接调节以适合海上风力系统的10-20MW的系统。在美国，目前是通过 使用常规的基于铁的、通过多级增速齿轮箱驱动的高速（l，800rpm)发电机的2-3MW的陆地 型平台来满足不断发展的风能平台。发电机自身相对轻量并且非常可靠，但是用于驱动发 电机的齿轮箱很大、很重、昂贵、相对不可靠，并且会导致系统整体故障。为了消除这些齿轮 箱，系统规划者寻求直接连接到风力涡轮机的转子(叶片）的低速直驱发电机的设计，由此 消除了麻烦的齿轮箱。这些低速直驱发电机将非常大而且重，因此会带来各种严重的问题， 其中包括运输到偏远场所和安装在偏远场所，还有对于支撑这些又大又重的发电机所需要 的塔的结构要求增加。虽然这些问题对于额定在2-3MW的系统更容易解决，但是对于5+MW的 陆地型系统会变成更严重的问题。研发人员如今正在寻求更高额定值的系统的设计（6-20MW)，以便通过从更高额定值的系统实现规模经济来降低能量的成本。当发电机的额定值 增加到5MW和更高时，传统的基于铁的低速非超导发电机的尺寸和重量显著增加，并且在将 这些机器运输和安装到偏远场所和构建支撑发电机所需要的塔的方面将存在严重的物流 和经济问题。可用的运输设备将迅速变得过载，并且发电机通过狭窄的道路、桥梁和其它难 以通过的问题将变得成本很高，甚至在成本方面不可行。此外，一旦发电机到达安装场所， 将需要用非常大的起重机将发电机抬升到越来越高的塔上，因为这些塔的高度要适应产生 增加的功率的更长叶片。最后，构建更高的塔而且需要塔支撑更重的设备，会存在它自身的 一系列严重的结构和经济问题，这些问题将影响到这些较大风能系统的商业可行性。
[0052]鉴于这些问题，系统开发人员正在寻找减少大型发电机的重量的方式。虽然正在 探索几种相对传统的方法(包括基于铁的永磁发电机），但是一种非常有前景的方法是使用 超导技术。超导技术提供了明显地减小高功率发电机的重量的很大的潜力，方法是通过允 许尽量减少使用支持传统发电机中的磁场通常所需要的沉重的磁铁。超导技术可以使高功 率发电机的重量减少多达50%，由此明显地减少重量相关的运输、安装和塔结构问题，并且 潜在地提供了实现高功率风能系统的商业化所需要的技术。
[0053]几家组织正在研发许多超导发电机设计。然而，大多数这些发电机设计是基于传 统的超导发电机拓扑，这些拓扑是针对直径小的高速陆地型系统研发的，而不太适合在比 如风力平台中遭遇的恶劣的商用环境中操作的直径很大的低速高扭力发电机的要求。这些 传统的设计通常具有封围着转子的大部分区域的大型的脆弱的低温恒温器和大型的脆弱 的热管理扭力管，这些元件也不太适合于风力发电机的非常高的扭力要求。这些设计过去 因为有大量的单点故障机构、低组件冗余能力、高强行停机率和非常长的维修时间所以很 不可靠。这样的超导发电机要用一个或两个大型零件(转子和定子)制造和运送，这一个或 两个大型零件将难以运输和安装，更严重的时候基本不可能在现场维修。维修将需要把整 个发电机从塔上拆掉，运输到可能在远处的设施，修理后运回风力塔;这些工序都很长而且 很昂贵。
[0054]传统的超导发电机拓扑和设计方法不大可能适合于风力平台，因此，具有符合商 用风力平台的需要的替代设计拓扑的经济的、轻量的5MW(可调节成20MW)超导发电机的概 念设计是很重要的。要寻求的是这样的设计:能消除传统的、大型的、脆弱的低温恒温器和 扭力管，将传统的转子更换成简单的轻量的温热的(非低温的)结构和一系列小型的低温恒 温器/线圈组合件，这种组合件使得低温转子组件的数目最小化，同时大幅改善转子的可靠 性和坚固性。本设计的各种实施例通过消除许多传统的单点故障机构，并且提供组件冗余 能力从而允许发电机即使在一些组件出现故障时也能继续工作，借此还大幅改进了可靠 性。这样会显著减少停工时间并改进强行停机率到商用设备预期的水平。在一些实施例中， 本发明的超导发电机的实施例还使用当前经济上可行的超导体(MgB 2),这样使它能符合现 在和将来的商用成本要求。最后，发电机设计成具有独特的模块化结构，让发电机能用模块 化的区段运送和安装，其中的每个区段都很小很轻，能通过容易获得的运输系统运送到偏 远场所，并使用可用的起重机安装在高塔顶上。虽然是针对高可靠性设计的，但是发电机的 大多数关键组件(低温组件)设计成容易拆除和在现场修理或更换，无需将发电机从塔上拆 掉。模块性大大减少了发电机的运输、安装、修理、维护和操作成本，并且所采用的超导技术 显著减少了高功率直驱发电机的重量，同时还符合商用发电设备的预期的可靠性和可用 性。这种发电机的创新的设计特征克服了传统的超导发电机遇到的固有的衰弱问题，并且 提供了支持高功率风能系统所需要的可行的高功率商用发电机。
[0055]总体设计方法
[0056]已经研发出将符合商用风能平台的需要的额定值为5-6MW的轻量的可运输的发电 机的具体概念设计。本设计使用目前的和近期的技术，并且可以直接调节成20MW以便符合 陆地型风力系统和海上风力系统的长期的功率要求。如上所述，一个假设是使发电机的重 量最小化是最重要的，并且探索了大量发电机技术和拓扑，从传统的基于铁的超导发电机 到无铁的超导发电机，并且包括传统的配置，例如同步、绕线转子感应、同极和几种所谓的 "新颖的"拓扑。
[0057] 一个结论是优选的技术是一种具有多磁极超导转子和传统的、但是经过增强的带 有经过液体冷却的铜导体的层叠铁定子的超导同步发电机。定子使用定子和导体的结构支 撑所必需的最少量的铁，同时提供磁场增强以实现高功率密度。所述超导发电机设计使用 新的拓扑和组件，并且避免了传统的超导发电机拓扑，传统的超导发电机拓扑使得这些发 电机不可靠并且不适合风能系统的恶劣的操作环境。探索了几种设计实施例，例如构建空 气芯铜定子，使用非传统的绕组(例如"螺旋"定子绕组），以及使用空气芯超导定子绕组，但 是目前出于实用方面的原因未予采用，原因包括可靠性低、成本高、机械应力不可接受、效 率低而且操作寿命缩短。具体来说设想进一步的研究和开发可以使这样的替代实施例可 行，这是到时候本领域的技术人员将已知的。
[0058]虽然主要的设计目标是减少发电机的总重量，但是还包括其它几个关键要求，以 符合这些发电机作为整体风力平台系统的组成部分的实用和操作要求。这种发电机设计的 关键目标是：
[0059] ?重量轻:发电机必须设计成重量最小。这对于容易运输到高塔和安装在高塔顶 上是很重要的，但是对于构建支撑高功率发电机所必需的塔和其它顶部大型设备的成本和 可行性尤其重要。在一个实施例中，所选择的直驱发电机的额定值在IOrpm下是5MW，这样选 择使得所述发电机可以用作能在风力测试台上完全测试的可信的、全尺度的、能证明原理 的示例发电机。本设计必须能容易并且直接调节成20MW以符合对于未来的陆地型风力系统 和海上风力系统提出的完整范围的功率要求。虽然重量和尺寸都是重要的设计参数，但是 直驱发电机因为操作速度非常低(6到12rpm)，往往不利于生产极小的机器。将很可能用总 体上直径是5-7米并且轴向长度范围是1.5到4米的机器实现5-20MW的发电机的最小重量。
[0060] ?高可靠性和组件冗余能力:这些是将强行停机率降低到可接受的商用水平和减 少维护与维修成本所必需的因素。另外，发电机应当设计成具有组件冗余能力，这样将允许 发电机即使在损失了关键组件时也能工作。传统的超导发电机设计具有大型的脆弱的低温 恒温器和扭力管，大量的单点故障机构和极少(如果存在的话)组件冗余能力。一种优选的 设计方法消除了大型的脆弱的低温组件和大多数单点故障机构，并且结合了高组件冗余能 力，以便获得高可靠性、低强行停机率和低维护与维修成本，与市电电厂设备实现的结果相 似。
[0061] ?容易运输和安装:随着规划的电力电平增加，发电机的尺寸和重量也会增加。将 这些发电机运输到偏远安装场所，很快变成了物流和经济上的难题。可能容易超过容易获 得的运输设备的限制，并且运输非常大并且非常重的设备的成本(包括专用车辆和对道路、 桥梁、电力线等的临时修改)可能很快造成成本过高。此外，一旦到了偏远场所，将设备的大 型的沉重的零件抬升到越来越高的塔的顶上的能力就变成了限制因素，这既是因为抬升设 备所必需的起重机的可用性和局限性，也是因为塔本身的成本和结构限制。一种方案是设 计由小型的轻量模块建构的轻量发电机，这些模块可以易于通过容易获得的设备沿着可用 的道路、桥梁等运输。一旦到了安装场所，小型模块可能更易于通过可用的或稍微修改后的 起重机并且潜在地通过建构到塔中的小型的履带式起重机抬升到平台的顶部。
[0062] ?现场维修:模块化发电机设计不仅允许更易于将发电机组装到塔顶上，而且发 电机设计成使得关键组件乃至整个模块可以易于现场更换，无需将整个发电机从平台上拆 掉。传统的超导发电机设计成具有单件式转子，并且所有关键组件都密封在大型的脆弱的 真空隔绝低温恒温器内部。在这种配置中，关键的低温组件和其它容易发生故障的复杂结 构无法在现场维修。在组件发生故障的情况下，整个发电机必须从塔上拆掉，运输到维修设 施，费力地维修，然后运回再重新安装;这是非常漫长并且非常昂贵的工序。
[0063] ?能适应新技术的有成本效益的设计:发电机的成本是直接影响能量成本的重要 因素。因此，发电机的制造和操作成本必须与传统的电力系统设备的成本相比非常有竞争 力。减少发电机制造和操作成本是设计过程的重要部分。另外，虽然发电机设计成使用最佳 的可用的和近期的技术，但是发电机设计成在将来出现改进后的组件和技术时易于结合这 些组件和技术。
[0064]具体设计方法
[0065]评估了候选直驱风力发电机技术和高功率风力平台的要求。基于这项评估，选择 了全尺度的5MW凸极超导发电机拓扑作为用于新兴的高功率(5-20MW)风力系统用的能证明 原理的发电机设计的最为有益的拓扑。5MW被认为是能合理使用超导技术的最低功率，并且 设计和测试0.5-1MW的"子尺度例示物"（最后必须明显地升级以证明其在大型风力平台应 用中的可行性)看不到有什么益处。子尺度例示物的成本并不比5MW全尺度例示物的成本明 显低，而全尺度的机器的成功测试会使技术风险减到最少，从而提供了设计的可信度并且 加快了对这些机器的接受和商业化。
[0066] 为了符合上述总体设计目标，消除了许多传统的高速超导发电机设计特征，这些 特征过去导致了将不适合风力系统的不可靠的发电机。选择了替代的发电机组件和拓扑， 这些组件和拓扑将非常适合低速高扭力风力系统。所述设计方法得到了轻量的发电机，这 种发电机减少了传统的单点故障机构，在所有低温系统中结合了独特的冗余能力以实现高 可靠性，并且提出了容易运输、安装和必要时在现场维修的模块化设计。设计的关键特征包 含：
[0067] ?期望的并且高度简化的超导转子特征：
[0068] 1.没有大型的低温真空隔绝低温恒温器或复杂的扭力管
[0069] 2.非常轻量的、高扭力的温热转子结构
[0070] 3.只有低温线圈是冷的，而转子结构的其余部分是温热的
[0071 ] 4.二分之一的数目的低温转子线圈得到高可靠性
[0072] 5.低温冷却系统组件中的冗余能力
[0073] 6 ·低温转子线圈中的冗余能力
[0074] 7.经济的超导体(MgB2)
[0075] 8.允许用小型的轻量模块简单地运送和安装的模块化转子设计
[0076] 9.现场维修是可行的
[0077] ?定子特征：
[0078] 1.经过证实的高度可靠的定子技术
[0079] 2.经过液体冷却的铜导体
[0080] 3.最少量的层叠铁充当结构、保护线圈并且增强磁场
[0081] 4.独特的定子绕组允许即使损失了低温转子线圈（可能2个线圈）发电机也能持续 操作
[0082] 5.允许在小型的轻量模块中运送和安装定子的模块化定子设计
[0083] 6.现场维修是可行的
【附图说明】
[0084] 不限制下文要求的用于构造超导发电机的方法的范围，现在参照图式和附图，图 式和附图全都不是按比例示出的：
[0085] 图1示出了转子轴的实施例的纵向视图；
[0086]图2示出了转子轴的端视图实施例；
[0087]图3示出了扭矩支柱的正视图；
[0088] 图4示出了处于要安装在转子轴的末端上的扭矩支柱的端视图；
[0089] 图5示出了安装在转子轴上的两个重叠的扭矩支柱；
[0090] 图6示出了安装在转子轴上的四个重叠的扭矩支柱；
[0091 ]图7示出了安装在转子轴上的多个重叠的扭矩支柱；
[0092] 图8示出了符合本发明的转子的端视图；
[0093] 图9示出了符合本发明的转子表面的细节，并且示出了相关联的转子线圈；
[0094] 图10示出了符合本发明的转子表面的细节，并且示出了相关联的转子线圈，其中 一些转子线圈封围在低温恒温器中；
[0095] 图11示出了符合本发明的转子表面的细节，并且示出了相关联的转子线圈，其中 所有转子线圈都封围在低温恒温器中；
[0096]图12示出了转子线圈区段的细节；
[0097] 图13示出了封围在低温恒温器中的转子线圈区段的一部分的横向截面；
[0098] 图14示出了封围在低温恒温器中的转子线圈区段的一部分的纵向截面，其中冷却 剂可以在邻近低温恒温器之间循环以保持导电冷却缆线的冷却；
[0099] 图14A示出了封围在低温恒温器中的转子线圈区段的一部分的纵向截面，其中冷 却剂可以沿着传导冷却缆线循环，而不在邻近低温恒温器之间循环，其中箭头示出了可能 的冷却剂流动方向；
[0100] 图14B示出了封围在低温恒温器中的转子线圈区段的一部分的另一个实施例的纵 向截面，其中冷却剂可以沿着传导冷却缆线循环，而不在邻近低温恒温器之间循环，其中箭 头示出了可能的冷却剂流动方向；
[0101] 图14C示出了封围在低温恒温器中的转子线圈区段的一部分的纵向截面，其中冷 却剂不沿着传导冷却缆线循环，传导冷却缆线通过穿过缆线的传导而保持在操作温度，缆 线的每个末端浸没在邻近低温恒温器中；
[0102] 图15示出了由多个转子线圈区段组装的转子的部分分解图；
[0103] 图16示出了从多个定子区段组装的定子的部分分解图；
[0104] 图17示出了由多个转子线圈区段组装的转子的部分分解图配合由多个定子区段 组装的定子的部分分解图，该图示出了转子在定子内的可能的位置;以及
[0105] 图18示出了符合本发明的组装后的转子和定子。
[0106] 提供这些图式是为了帮助理解下文更详细地描述的装置的示范性实施例，这些图 式不应当解释为不恰当地限制所述装置。具体来说，图式中示出的各种元件的相对间隔、位 置、大小和尺寸不是按比例绘制的，并且可能经过放大、缩小或以其它方式经过修改以便更 加明确。所属领域的技术人员还将理解，简单地省略了一系列替代配置以改善清晰性并且 减少图式数目。
【具体实施方式】
[0107] 图1-图18中的通过说明而非限制的用于构建在一些实施例中描绘的超导发电机 的方法揭示了超导发电机和使用超导发电机的方法(仅举例说明）的某些实施例。
[0108] 描述的是全尺寸的5MW直驱超导风力发电机以及(扩展后的)类似设计的电机的实 施例的具体概念设计。本领域的技术人员将知道，电机和发电机是电磁装置。这些装置具有 在磁场中旋转的承载电流的环路。这个快速改变的磁场产生电动力，被称作电动势或电压。 电动机和发电机彼此相反。电动机将电能转换成机械能，而发电机将机械能转换成电能。因 此，在本说明书中所有使用术语"发电机"的情况下(包括在权利要求书中），还期望是表示 术语"电机"。
[0109] 超导技术对于5-6MW的陆地型风力系统将变得可行，并且当对于陆地型系统或海 上系统额定值达到10-20MW时是能予以支持的技术。对于这些系统，风力涡轮机将很可能在 6到12rpm下操作。为了设计实际的发电机，起初选择了发电机的下面的设计参数，但是其它 设计参数也是可能的，并且所属领域的技术人员将理解其它设计参数。
[0110] 功率输出：5MW(可直接调节成20MW)
[0111] 转子速度：IOrpm
[0112] 输出电压:大概800到l，300Vrms，3相
[0113] 功率因数:0.90
[0114] 基于其它关键操作要求的评估，选择了下面的另外的发电机特性：
[0115] 发电机拓扑:多极同步超导转子 [0116]超导体:MgB2
[0117] 低温冷却剂:GHe/LHeSLH2
[0118] 线圈绕组操作温度:20K
[0119] 低温制冷器:CRYOMECH? A325(Cryomech公司，美国纽约州雪城）
[0120] 定子绕组:三相交流电绕组
[0121] 经过液体冷却的铜
[0122] 传统的钻石形线圈
[0123] 冷却剂:具有空气或水热交换器的EGW或油
[0124] 定子铁芯:层叠铁齿状物和结构性背铁
[0125] 转子设计
[0126] 传统的高速超导发电机是直径相对低的机器并且总体上在大型（并且脆弱的）真 空隔绝低温恒温器中封围大部分转子，该真空隔绝低温恒温器将超导转子和线圈与温热的 周围环境热隔离。这个大型低温恒温器通常通过略复杂的热扭力管连接到高速传动轴，该 热扭力管从低温温度转变成温热的周围环境。在这种配置中，转子的内部结构部件在低温 温度下操作。大型低温恒温器和扭力管包括许多单点故障机构并且不容易在现场维修。低 温线圈或其它易损的内部结构还容易发生故障，并且无法在现场维修。
[0127] 低速直驱风力发电机所必需的非常高扭力的大直径转子(4-6米)本身不适合传统 的超导发电机设计拓扑，该拓扑是将非常大的转子封围在具有非常高的扭力的热转化管件 的低温恒温器中。这样将产生非常不可靠的设计，这种设计将非常不适合风能系统。任何内 部超导线圈或低温组件的单个针孔真空泄漏或损害都需要发电机立即关机，将发电机从塔 上拆掉，并且需要在维修设施进行全面且昂贵的维修。虽然许多公司试图对于风力系统使 用这种传统的超导设计(或小型的变化形式），但是这种超导设计高度不可靠并且因此是不 可接受的。一种优选的替代方法是这样一种方法:其中大部分转子结构是在环境温度下操 作，只有低温转子线圈在低温下操作。这样消除了大型的并且脆弱的低温恒温器和扭力管， 显著改善了发电机可靠性，并且如下所述，允许快速并且简单地在现场维修任何损坏的转 子组件。
[0128] 转子结构
[0129] 低速发电机转子将受到非常高的扭力，并且中心径向结构必须足够结实和坚硬， 能适应发电机的20-30年的操作寿命期间遇到的稳态、动态和瞬态扭力。低速发电机的一个 很大的优点是，转子组件上的离心负荷非常低，这样可以明显地简化这些机器的结构设计。 4米的IOrpm转子上的组件会受到小于1/4的"G"，相比之下，在大型的I，800rpm的公用设施 发电机中会受到超过3，000的"G"。
[0130]优选的转子设计由中心驱动轴组成，中心驱动轴具有径向结构部件(金属和复合 物是可能的转子材料），这些径向结构部件将中心轴杆连接到温热的磁钢轮缘，该温热的磁 钢轮缘支撑着一系列小型低温恒温器，其中的每个低温恒温器包括超导转子线圈。传统的 复杂的扭力管被更换成在环境温度下操作的简单的径向扭矩支柱。
[0131] 因为这些因素，所以研发了一种替代的转子结构，其中中心转子轴由轻量的钢结 构制成，并且通过一系列简单而且便宜的金属径向扭矩支柱附接到外部转子轮缘。图1-图8 中可以看到径向扭矩支柱设计的更多细节，下文将予以描述。所述撑杆制造起来简单、轻 量、容易组装，并且可以由钢或铝合金制成。由于这些因素，所以这种转子配置被选择为优 选的转子结构。
[0132] 内部转子结构支撑分段式轮缘，该轮缘由环状磁钢板组成，这些磁钢板支撑层叠 转子磁极和每个封围在其自身的低温恒温器中的小型的各个超导线圈，图5中可以清楚地 看出。
[0133] 在这种简单的设计中，转子块体在温热的温度下操作，只有超导转子线圈在低温 下操作，并且每个超导转子线圈封围在其自身的小型的坚固的低温恒温器中。这种设计明 显比传统的超导发电机转子设计更可靠，在传统的超导发电机转子设计中，大部分转子结 构在低温下操作并且封围在大型低温恒温器中，对于直径较大(4-5米)的风力发电机转子， 将需要直径4-5米的低温恒温器。在本设计的一些实施例中，仅有的低温组件是小型的可靠 的转子线圈，这种转子线圈可以在工厂制造，并且在安装到转子结构区段上之前经过全面 测试。
[0134] 转子线圈配置
[0135] 研发了一种新颖的转子线圈配置，其将低温转子线圈的数目减到最少，并且因此 增加了转子的可靠性。通常对于转子使用标准的转子线圈配置，其中每个转子磁极具有专 用的超导转子线圈，该超导转子线圈产生磁场。转子磁极的磁定向交替，并且用相反方向卷 绕的超导转子线圈放置在交替的转子磁极上，以提供标准的N-S-N-S磁场配置。
[0136] 在本设计的一些实施例中，我们利用转子中的磁钢将磁场以适当的定向引导到定 子上。可以潜在地使用在相同的方向上定向的超导线圈激励每隔一个转子磁极。不是使用 传统的转子配置，其中每个磁极受到包括"X"安培匝的超导线圈的激励，我们提出，只用各 包括"2X"安培匝的超导线圈激励每隔一个磁极。
[0137] 结果是具有相同净量的超导导线的交替N-S磁级，但是集中在1/2数目的线圈和低 温恒温器中，因为一个稍微大的低温恒温器在机械方面优于两个较小的低温恒温器。这项 创新简化了发电机的设计、降低其成本并且明显地改善其可靠性，方法是通过将低温线圈、 低温恒温器、连接和管道的数目减少50%。基本上一个线圈馈送其自身的北极和从其邻近 南极返回的场。
[0138] MgB2线圈之间的电连接可以通过短的低温缆线进行，该低温缆线的两端上配备有 快速切断装置。这些短连接缆线可以从转子线圈低温恒温器中的一个或两个经过传导冷却 (或者通过液体或气体致冷剂传导冷却），并且将由安装在铜衬底上的长度较短的高温超导 体(YBC0或BSCC0)组成。这条缆线的温度可以上升到超过在通过缆线接合的两个低温恒温 器中保持的温度的一个温度，并且仍然承载完整额定值的转子激磁电流，损失极小。在罕见 的转子线圈或低温恒温器故障的情况下，可以容易拆掉快速切断缆线以允许现场更换超导 转子线圈和低温恒温器，且随后一旦安装了新转子线圈和低温恒温器就予以更换。
[0139] 替代转子实施例
[0140] 这种"一个线圈馈送北极和南极"的配置的另一个优点是即使在转子线圈发生故 障之后仍然能够继续操作发电机。在传统的发电机中，损失任何转子磁极线圈都将产生链 接定子绕组的高度不平衡的磁场，并且将导致不平衡的定子输出电流，过度的循环电流和 不平衡的磁力，这样将必须立即关闭整个发电机以避免受到损坏。本发电机的实施例设计 成即使在一个转子线圈发生故障甚至可能两个转子线圈发生故障的情况下也能工作。可以 利用独特的定子绕组(波状绕组），其中三个定子相位绕组中的每一个绕组链接所有的转子 磁极，并且在机器的不同部分中没有并联的定子绕组。大多数商用发电机高速操作并且易 于产生足够的输出电压。这些机器通常在每个相位内具有多个并联绕组，当所有转子磁级 正确地工作时，这些绕组在每个时刻都产生相同的电压。因而这些绕组可以并联连接以产 生大输出电流。如果在传统的发电机中一个转子线圈或一对线圈发生故障，则每个并联绕 组会在不同时间产生不同电压，并且并联绕组无法连接在一起。此外，发电机的不同相位还 会产生不平衡的电压，整个发电机必须立即关闭，直到能维修为止。
[0141] 在低速风力发电机的情况下，产生高输出电压是一个难题，有利的情况是所有线 圈在每个相位内串联操作，以产生可能的最高输出，而没有并联绕组在相位内连接。可以利 用这样的串联绕组来适应转子场线圈故障的可能性。跨接所有转子磁极的串联绕组允许即 使在转子线圈发生故障的情况下发电机仍然可以继续操作。由于每个定子相位绕组链接着 发电机的所有磁极，所以定子相位绕组的输出电压是来自所有转子磁极的所有时变场的总 和。当所有磁极正确地工作时，发电机诱发三个平衡相位的电压并且发电机正常操作。在转 子中的线圈发生故障(一个线圈激发N极和S极)的情况下，所述故障实际上会使一对N极和S 极关闭，并且由于每个相位绕组链接着所有转子磁极，所以每个绕组持续产生相同的平衡 的输出电压。
[0142] 通过操作磁极/磁极总数的比率减小发电机的输出电压，但是机器可以继续操作， 虽然是以稍微减小的输出电压。仅仅作为一实例，并且没有限制性，损失一个转子线圈（一 对转子磁极)的24磁极的发电机将在额定输出电流下产生其输出电压的22/24或91 %。如果 发电机升压变压器配备有自动分接头变换器，则变压器可以将发电机输出提升回到其正常 水平，并且发电机可以继续工作到能进行维修为止。这是一个很大的操作优点，并且消除了 超导发电机的常见的单点故障，并且大幅提高了这些发电机的可靠性。
[0143] 在某些实施例中，转子线圈和铁配置将被稍微重新配置成马蹄形配置，以确保发 生故障的转子线圈电磁附近的时变磁场保持正常分布。
[0144] 超导转子线圈和低温恒温器设计
[0145] 某些转子设计实施例消除了传统的大型的、脆弱的低温恒温器和大量冷组件，并 且将其更换成温热的转子结构和一系列小型的可靠的真空隔绝低温恒温器，所述真空隔绝 低温恒温器封围位于1/2转子磁极上的各个超导转子线圈，在图8-图11中可以清楚地看出 来。
[0146] 在一些实施例中，每个超导转子线圈（在一些实施例中总共12个)包括(举例而言 且不加限制）以20K-3T操作的（根据预测的2014年第二代导线性能）单个2,293米长的一条 MgB2超导导线(每个发电机总共27.5km)。当这些发电机很可能商业化时，导线成本规划为 仅仅$25,000($1/米），或大约目前成本的一半。在一些实施例中，对于大多数磁场路径使用 完全饱和的磁铁，以便使这个机器中使用的超导体的数量最小化。如果使用BSCCO或YBCO超 导体，则这一点极其重要，就像其它所提出的机器中一样，因为这些超导体极其昂贵，可供 使用的单件长度不足以消除每个线圈内的大量麻烦的内部接点，并且可供使用的数量不足 以支持风能市场。另一方面，MgB 2的售价大约是YBCO的10%，可供使用的单件长度非常长 (允许消除单个磁极线圈内的所有超导接点），近年来已经显示出将明显地提高其性能的技 术改进，并且可供使用的数量足以满足新兴的MRI和风力发电机市场的需求。
[0147] 因此，可使用另外的MgB2超导体来消除机器中的更多铁，并且进一步减少发电机 的总重量。基于成本、性能和可用性的考虑，MgB 2是目前能满足大型高功率风力发电机的技 术和经济需要的仅有的可行的超导体。另外，MgB2在20K下操作，与其它低温超导体所需的 4-10K相比，这会明显降低冷却导体的技术复杂度和要求。
[0148] 在一个实施例中，外部转子轮缘的四分体包括六个磁级和三个超导转子线圈，其 中的每一个封围在其自身的双壁不锈钢真空隔绝低温恒温器中。除了位于每个低温恒温器 内部的MgB2线圈以外，转子在环境温度下操作。每个低温恒温器容器附接到层叠磁极结构， 层叠磁极结构又经由逐渐变窄的楔形接点附接到实心转子支撑轮缘，所述接点允许铁磁 极/低温恒温器组合件容易附接到支撑轮缘，并且万一线圈组合件出现问题容易拆除和在 现场更换。
[0149] MgB2线圈可以卷绕在中心线圈架上，且随后经过反应以形成经过完全处理的超导 线圈。线圈接着可经过真空压力浸渍以填充所有空洞并且增加线圈的强度并改进内部线圈 冷却。接着可以将完成后的线圈插入在内部低温恒温器组合件中，然后焊接关闭内部低温 恒温器组合件。内部线圈组合件通过高强度、高热阻抗的芳纶纤维（（KEVLAR?);美国特 拉华州，杜邦公司)条带阵列悬置并且支撑在外部真空护套内部，所述条带阵列将低温线圈 组合件与低温恒温器的温热外壁热隔离，同时抵抗线圈在操作期间受到的电磁力和离心力 而机械支撑着线圈。低温恒温器的外壁必须抵抗大气压和KEVLAR?线圈支撑条带施加的 反应力而维持结构完整性。
[0150] 冷板嵌入在每个内部低温恒温器壁内部，邻近于MgB2线圈并且与之良好地热接 触。冷板从超导线圈导热并且使线圈保持等于或低于20K。冷板经过低温气体或液体(氦、氖 或氢)的冷却，该低温气体或液体通过外部低温制冷器和热交换器得到冷却，通过冗余的使 用寿命很长的机械和铁磁流体密封件传递到转子上，沿着冷板循环再返回到低温制冷器。 目前是用氦气作为冷却剂，但是根据在NASA进行的研究，也可以用低温氢取代氦气。氦变得 越来越稀有和昂贵，而且在发生极小的系统泄漏的情况下，是无法在现场生成的冷却剂。另 一方面，氢气便宜，容易获得，而且能通过几种简单的方法在现场产生，例如通过小型电解 生产系统，该系统在发生较小泄漏的情况下，可以自动补充低温氢冷却剂。
[0151] 低温冷却系统
[0152] MgB2转子线圈的电损失是可忽略的，但是必须保持在20K才能工作。低温恒温器和 环境温度之间的热泄漏将被设计成对于5MW发电机是每个低温恒温器2瓦或更小。因而，24 个磁极、12个低温恒温器的超导转子将具有从低温恒温器的24瓦和从馈给转子线圈的低温 电流引线的大约50瓦的总热泄漏，还有系统其余部分中的其它各种热损失。对于这种系统 的优选的市售低温制冷器是CRYOMECH? A325(美国纽约州雪城，Cryomech公司），该低温制 冷器可以在20K提供70瓦的冷却，并且能够以减小的容量在比20K低几度的温度下操作。扩 展热分析将确定在单个低温制冷器上操作的冷却系统是否可行，但是预期将提供另外的低 温制冷器以实现冗余能力，并且可以提供三个这么多的低温制冷器以实现双重冗余能力。 过去十年，低温制冷器的可靠性已经获得显著改进，市售的冷却器据说有1〇,〇〇〇+小时的 MTBF(平均故障间隔时间）并且总体上提供超过15，000小时的MTBF。使用冗余的低温制冷器 应当提供几年的可靠操作，其间无需更换低温制冷器，并且可靠性数值还在不断改进。假设 预防性维护安排将要求周期性例行更换和修整低温制冷器，并且这种例行维护将不会对这 些发电机的操作成本造成特别的负担。
[0153] 在一个实施例中，两个CRYOMECH? A325(美国纽约州雪城的Cryomech公司）低温制 冷器冷却初级冷却剂(液体氦），初级冷却剂又冷却气态氦(如果显示氢气有益的话，则可能 还有氢气）的二级环路。这个冷却剂通过旋转密封件被传递到转子上，冷却剂在这里经由嵌 入在低温恒温器内部的冷板冷却各个线圈，且随后返回到外部低温制冷器热交换器。旋转 低温密封件已经对于高速设备（I，800rpm)呈现难题，但是在给定所提出的实施例的非常低 速的发电机(6到12rpm)的情况下，有许多技术能用来在发电机休眠周期期间用固定锁定密 封件产生非常可靠的旋转密封件。预期采用现有的密封技术并增加冗余的铁磁流体密封件 将得到一种能符合商用可靠性标准的密封系统。
[0154] 由于目前大多数超导发电机还设计成所有超导线圈都位于单个大型低温恒温器 内部，所以低温恒温器任何位置的任何针孔泄漏和后续的真空绝缘损失，都会立刻导致超 导线圈的功能丧失并且需要立即关机。由于这些因素，所以设计者没有动力研发隔离有故 障的超导线圈的方法，如果发生线圈故障或低温恒温器泄漏，则除了立即关闭发电机没有 什么替代的方案。
[0155] 如上所述，在损失了一个、可能两个超导转子线圈或容纳超导转子线圈的各个低 温恒温器时，电流产生器的实施例可以用电磁和机械的方式工作，但是需要设置旁路硬件 以将任何有故障的线圈和低温恒温器与电系统和冷却系统热隔离并且电隔离开来。所提出 的低温恒温器因为尺寸小所以很坚固，并且低温恒温器不大可能发生机械故障，但是必须 考虑到这样罕见的情况的可能性。如果超导转子线圈发生故障并丧失其超导属性，则将产 生非常高的电损失，流动到线圈的冷却剂将吸收这些电损失。大幅升高的冷却剂温度将超 过全局冷却系统的作用，从而导致其它线圈的级联故障，并且需要发电机关机。如果低温恒 温器出现故障，则真空绝缘的丧失将导致对周围环境的热泄漏大幅增加。这个热泄漏将导 致线圈温度大幅升高，线圈超导性丧失，从周围环境到进入低温恒温器的冷却剂的过度热 泄漏，并且将导致冷却剂温度过高，这同时将在整个冷却系统中级联发生，并且需要发电机 关机。
[0156] 为了在低温恒温器损失或超导线圈损失的情况下继续操作，必须提供将低温恒温 器与全局冷却系统隔离并且将有故障的超导线圈与电力系统隔离的系统。当识别出有故障 的低温恒温器时，到每个低温恒温器的冷却剂入口和冷却剂回流管中的低温关闭阀门（最 可能是简单的电操作阀门）将关闭，从而阻止冷却剂通过任一冷却管线进入低温恒温器。在 这些阀门关闭后，低温恒温器/线圈组合件将缓慢地趋近环境温度，但是将与全局冷却系统 隔离。适合于这种应用的小型电磁阀已经得到证实，但是总体上连接到室温致动器，从而导 致每个阀门有不可接受的一瓦或两瓦的热泄漏。为了解决这个问题，可以使用封围在低温 恒温器中并且与温热环境完全隔离的低温阀门和致动器机构。小型的一体式电激活螺线管 (将只需要工作一次)将被封围在低温恒温器内；维修期间，整个有故障的组合件将被更换。 这样的系统将把有故障的低温恒温器与冷却系统热隔离，并且允许发电机在等待维修时继 续操作。
[0157] 倘若超导线圈因为骤冷或其它破坏性事件而发生故障并且失去其超导属性，则线 圈热损失将显著增加。这些损失将通过超导线圈电引线被传导到冷却系统中；局部冷却剂 温度将上升并且被全局冷却系统吸收，最终超过了冷却系统的作用。在线圈发生故障的情 况下，需要如上所述隔离相关联的低温恒温器，并且还需要将有故障的线圈与串联连接的 邻近线圈物理上切断，以防有故障的线圈的高温将热量传导到连接着转子线圈的跳电器， 并且导致级联电故障。还将需要通过低损耗的、潜在地超导的跳线使围绕线圈的激磁电流 旁路，跳线将允许激磁电流对其余的转子线圈持续馈送。
[0158] -个实施例包含切断和旁路两种功能。在正常操作期间，传入的激磁电流直接进 入超导线圈中，通过超导导线出来，继续流到下一个转子线圈。倘若检测到一个转子线圈发 生故障，则必须用某种形式的机械中断将两个转子线圈引线物理上切断，随后通过超导跳 线将激磁电流旁路到其余的转子线圈。这种类型的基本方案通常用于通过使二极管与线圈 并联而保护大型加速器磁体线圈。当线圈正常操作时，线圈两端的电压降为零，并且二极管 的正向电压降防止电流流过二极管。倘若线圈发生故障或骤冷，则电压降增加，超出二极管 的正向下降，这于是使围绕线圈的电流旁路。
[0159]这种同一类型的固态旁路系统将起到保护所提出的线圈实施例的作用，但是当发 电机继续操作必需的实例200Amp转子时，线圈激励将继续流过旁路二极管，伴有0.7V的正 向下降并且产生140瓦的热量。这样的高产热将级联到冷却剂和邻近超导体中，从而导致高 损失，这将超过冷却系统的作用并且需要发电机关机。将需要一种"单触发"机械开关，该开 关将与有故障的转子线圈的电连接机械断开，并且接合超导跳线。这样的机械开关将把有 故障的线圈与系统的其余部分电切断和隔离并热切断和隔离，并且通过超导跳线使激磁电 流旁路;所有这些操作的损失都极小，将允许冷却系统维持激磁电流路径的超导属性。 [0 160]定子设计
[0161] 定子设计可以是超导设计，但是也可以是相对常规的商用定子设计，该定子设计 由带有锯齿的层叠铁芯组成，锯齿将容纳并且支撑三相电定子绕组。铁在完全饱和状态下 工作以减少发电机的重量。层叠背铁和齿状物为定子和导体提供机械支撑。在这种高扭力 机器中，减小层叠的横截面积在机械方面并不实用。低速机器中的扭力极高，因此需要将定 子导体封围在铁槽内，铁槽支撑导体并且还吸收发电机的全部扭力。不会有大电磁力直接 施加于导体。增加每个转子中的超导匝数并使铁在过饱和的状态下工作也是一种选项，这 样将允许建造商缩短发电机并使发电机更轻，同时维持功率输出且使超导成本与发电机重 量折中。
[0162] 定子绕组将是传统的并且经过良好证实的通过液体（油或EGW)冷却的多股铜绕 组，该绕组封围在薄地墙绝缘物中。在一个实施例中，冷却液体流过嵌入在线圈中的中空铜 线股，并且通过钎焊到每个线圈的末端上的简单的歧管进入和离开每个线圈。
[0163] 如早先所描述，三相定子绕组的每个相位由单个串联绕组组成，该串联绕组链接 转子的所有磁极。这样允许发电机产生可能的最高输出电压，并且如上所述，还提供了即使 转子线圈损失发电机也能工作的独特能力。
[0164] 发电机模块化设计
[0165] 传统设计的非超导多兆瓦直驱发电机又大又重，难以用现有的运输系统运输到偏 远安装场所，通常需要修改道路、桥梁、电力线等等。一旦非超导发电机到达现场，将发电机 抬升到高塔顶部也将是一个困难而且昂贵的工序，需要大型起重机，或者可能超出现有起 重机的能力，并且因此限制了风力平台的最大额定功率。由于直驱发电机的速度低，所以不 管所使用的是什么技术都将驱使发电机被设计成大直径(5-8米），但是传统的基于铁的非 超导发电机的重量将很快变得过大，因为功率要求增加并且5-20MW直驱发电机的商业化将 需要超导技术减少其重量。
[0166] 不仅是减小发电机的总重量(对于塔要求的影响），而且减小运送和安装的组件的 最大尺寸和重量(对于运输和安装成本的影响），都有非常明显的优点。因此，本设计的实施 例的关键特征是能够将转子和定子分成小而轻的模块，这些模块能易于通过容易获得的卡 车在现有道路上运输，不需要对道路、桥梁和现有的基础设施进行昂贵的改造。此外，小而 轻的模块可以被单独抬升到高塔顶上，随后组装成完整的发电机，从而明显地减小起重机 的必需的抬升能力，并且允许将更高功率的发电机安装在更高的塔的顶上。可能必需用本 设计的实施例的模块化特征来满足未来风力系统规划的增加的电力电平。虽然传统的基于 铁的发电机也可以分成小型的可运输的模块，但是组装发电机的总重量太重，高功率(5+ MW)风能系统所需的塔无法处理。将必需用轻量超导发电机将发电机的总重量减少到可接 受的水平。然而，现在正在研发的所有其它超导发电机都使用例如大型低温恒温器的拓扑， 这种拓扑将不允许这些发电机分成小型模块以供运送和安装，并且这些发电机因而将受到 很大的运送和安装的局限性。所提出的发电机是仅有的针对最小重量和模块性专门设计的 超导发电机拓扑，该最小重量和模块性允许实用的运送和安装一一这是潜在地能支持高功 率系统的拓扑。
[0169] 表1:5MW超导发电机的模块化设计
[0170] 表1示出了完全组装后的发电机和将用于构造该发电机的又小又轻的模块的实施 例的概述。虽然整个发电机的重量是76.5吨并且直径是16英尺，长度是9.3英尺，但是最重 的单个模块的重量只有13.7吨，而尺寸是11.4英尺乘3.3英尺乘5.4英尺。任何零件(轴承托 架）的最大尺寸是16.1英尺乘1.0英尺乘8.1英尺，重量是1.45吨。
[0171] 最重和最大的模块可以易于通过容易获得的运输设备运输到偏远场所，无需加强 或修改道路、桥梁或其它基础设施元件。最重的零件是14吨(整个发电机的重量的18%)并 且小于常规5MW非超导发电机的重量的11%。将模块安装到塔顶上的必需的起重机能力也 显著减小。使发电机模块化能提供极其明显的益处，并且随着对于大型的陆地型系统和海 上系统功率额定值增加到10-20MW，模块化概念将变得越来越重要。
[0172] 图1-11和图15-18示出了基本模块化组件，其构成所提出的发电机的一个实施例。 在一种设计中，通过将转子和定子都分成四个可以在塔顶上组装的四分体，借此制造转子 模块和定子模块。这个数目某种程度上是任意的，并且可以按需要增加或减少。如果大型起 重机的能力可供使用，则可以例如将转子和定子建构成两个模块，每个模块跨越180度的发 电机。转子轴和支撑结构包括中心轴杆和大量轻量的紧凑型支撑撑杆以便于运送，因为完 全组装后的轴杆和转子结构的总直径超过15英尺。如果这个尺寸不成问题，则可以在工厂 组装轴杆和支撑结构并且作为一个单元运送。48个转子支撑撑杆可以组合成24个全直径的 撑杆组合件、8个半圆撑杆或4个全直径的撑杆以使现场组装工作最小化。
[0173]当模块到达安装场所时，组装过程继续进行，如下所述。图1-图8示出了形成中心 转子支撑结构的组件，包括中心轴杆(在图1-图2中可以清楚地看出），在如上所述的48个撑 杆组合件和4个撑杆组合件之间（在图3-图8中可以清楚地看出）。如果轴杆和撑杆以预组装 的状态被运送到现场，则整个单元将稍后被抬升到塔顶并且安装在发电机中。如果组合件 以零件的状态到达，则将在地面上组装好，然后抬升到塔上。
[0174]定子可能是要在塔上安装的模块化发电机的第一部分，并且是由模块化区段形 成，这些模块化区段在塔顶上安装到发电机安装托架中。定子模块的最可能的配置是4个四 分体，但是如果重量准许的话，可以将定子用两个半部递送到安装场所加以安装。跨越定子 区段接口的定子线圈设计成通过一般用于在工厂连接所有线圈的螺栓连接接点或简单的 钎焊接点在专用端子盒中电连接。在任一种情况下，连接过程相对简单，并且不会构成任何 重大的工程或经济问题。
[0175] 接下来，可以将下部轴承托架/支撑组合件安装到发电机安装托架和定子区段上， 并且接着将转子轴和支撑结构组合件安装到下部轴承/支撑托架中。
[0176] 接着可将转子四分体安装到转子支撑结构上，并且经由快速切断配件进行电连接 和冷却剂连接，在图14-图14C、图17和图18中可以清楚地看出。最后，可以安装其余的定子 四分体或区段(在图17-图18中可以清楚地看出），并且在适当的定子线圈之间进行连接以 完成定子组装。接着安装上部轴承/支撑托架以完成发电机组装。
[0177] 图18示出了完成后的发电机。这种独特的模块化设计使得大型5-20MW直驱发电机 的运输和安装明显更容易，并且可能实际上证实是一种能支持陆地型风能系统和海上风能 系统的5-20MW高功率风能系统的技术。
[0178]模块化设计还有另一个非常明显的益处。所提出的发电机设计成快速并且经济地 在现场维修，无需将其从塔上拆掉。发电机的最可能发生故障的组件是低温转子系统的一 部分，并且虽然所述设计已经消除了传统的脆弱并且不可靠的组件，并且强调高可靠性，但 是始终有可能发生组件故障。模块化设计具体设计成适应现场维修。
[0179] 现在正在研发的其它超导发电机具有不允许现场接入关键组件(通常是大型低温 恒温器内容纳的超导组件）的拓扑。因而，现场维修是不实际的，并且维修需要将整个发电 机从塔上拆掉，并且运回维修设施，这是非常漫长而且非常昂贵的工序。
[0180] 使用所提出的发电机设计，如果发生低温恒温器或超导线圈的小故障，发电机可 以在等待正常维护或维修时继续工作。这些组件还具体设计成容易接入并在现场更换。为 了接入转子，在最差情况的情境中，可以拆掉发电机一端上的顶部轴承托架。替代地，轴承 托架将设计成具有小型的容易拆掉的检修门，这将允许维修人员接入有故障的低温转子组 件。磁极与低温恒温器组合件经由单个或两个逐渐变窄的楔形接点附接到转子支撑轮缘， 这些接点允许这些组件容易从转子上拆掉。一旦拆掉有故障的线圈/低温恒温器组合件，简 单地将其更换成备用组合件，再经由快速切断配件重新连接到冷却系统和电系统，重新装 上检修门，使发电机恢复工作。对于更大规模的维修，拆掉顶部轴承支架托架后就可以接入 所有转子和定子组件。所提出的设计的主要益处是无需将发电机从平台上拆掉就能更换小 型组件。由于机器组件相对较小、轻量并且可更换，所以风力发电厂的运营商和制造商可以 缩小更换零件库存的大小，并且系统运营商可以选择储存少量的更换零件。
[0181] 对于一些超导应用（例如用于电机和发电机的大型转子和定子线圈），有益的做法 是将每个单独的线圈或一组线圈放在不同的低温恒温器中用于冷却。然而，对于这些类型 的应用，有必要使电流经由连接缆线在两个或更多个低温恒温器之间串联流动。这些连接 缆线如果维持在低温并且使用超导体传递电流，则这些连接缆线的耗热量可以减少。可以 通过低温液体、低温气体或通过从设有超导线圈的低温恒温器中的一或多个低温恒温器的 传导冷却来冷却这些有超导电流过的连接缆线。
[0182] 对于传导冷却方法，可以通过用来自线圈低温恒温器中的一个或两个线圈低温恒 温器的低温传导冷却来冷却超导缆线。缆线温度等于或大于最低温度的低温冷却的线圈低 温恒温器。大多数类型的超导体可以用于承载电流，并且大多数一般导电金属可以用于缆 线的传导冷却。
[0183] 在一些实施例中，为了使用低温液体或气体，低温液体或气体可以在缆线中从一 个或两个低温恒温器流回一个或两个低温恒温器。同样缆线温度将等于或大于最低温度的 线圈低温恒温器。
[0184] 于是，在一些实施例中，看到模块化超导发电机(10)或同样超导电动机，其具有中 心转子轴（100)，如图1-图2中所见具有多个转子轴花键（110)和转子轴花键间空隙（120)。 这些可以形成与多个扭矩支柱（200)的组合结构（仅在图3中看出），其具有扭力轴花键 (210)和扭力轴花键间空隙（220)。转子轴花键（110)可以与扭矩支柱花键间空隙（220)相互 作用，并且转子轴花键间空隙（120)可以与扭矩支柱花键(210)相互作用，以将转子轴（100) 和多个扭矩支柱(200)中的每一个扭矩支柱维持在预定相对位置。但是，本领域技术人员将 认识到，许多其它将转子轴（100)和扭矩支柱(200)相对于彼此固持在预定位置的连接系统 是可能的。图4-图8中可以看出组装过程以及组合转子轴和扭矩支柱组合件的最终外观的 各种视图。
[0185] 发电机（10)可具有转子(400)，转子通过多个可分离的并且邻近的转子线圈区段 (405)形成（如图12-图13中所见），这些转子线圈区段附接到中心转子轴（100)，并且线圈 (480)在转子轮缘(410)处与邻接的线圈（480)持续电连通，如图8-图9中所见。在一些实施 例中，通过多个邻近的并且可分离的定子区段(605)形成定子(600)，这些定子区段借助于 定子区段连接器(607)与邻接的定子区段(605)持续地电连通，如图16-图18中所见。在一些 实施例中，在定子(600)中提供波状绕组，使得发电机即使在一些线圈（480)发生故障的情 况下也能保持工作。
[0186] 在某些实施例中，定子区段(605)中的至少一个定子区段是常规的铜线圈或超导 线圈。在这些包含用分开的定子区段(605)形成的定子(600)的实施例中，或者所有定子区 段都不是超导的，或者所有定子区段都是超导的。
[0187]在其它实施例中，所有线圈（480)都可以是超导的，并且所有线圈（480)都可以具 有超导性能；图9-图12中可以看到一些实例。至少一个定子(600)可具有波状绕组。图11示 出了根据前面的技术的超导转子的一个区段的可能的实施例。每个铁转子磁极片(470)用 线圈（480)卷绕，并且每个线圈（480)容纳在其自身的单独的低温恒温器内。因此，在具有24 个线圈（480)的转子中，将存在24个分开的并且独立的低温恒温器(450)。
[0188]由于通过超导实现的增强的电流密度，图9中看到本发明能实现的替代技术。可以 看出，超导产生的高电流密度使得铁磁极(470)发电机中的每隔一个转子磁极片(470)能够 用容纳在低温恒温器(450)内的超导线圈（480)卷绕，由此让每个线圈（480)驱动两个磁极 (470)，从而使所采用的分开的低温恒温器(450)的数目减半。这样的明显益处是减少了所 需的低温恒温器的数目。
[0189]需要进一步发展以允许这种"每隔一个磁极"的转子系统用空气芯转子(400)而不 是铁磁极(470)磁极片工作。这样的明显益处是减少了所需的低温恒温器的数目。
[0190]至于线圈（480)，在一些实施例中，所有多个超导线圈（480)具有相同的电极性。在 另外其它实施例中，至少一个超导线圈（480)包括选自由下面各项组成的超导体群组的一 种超导体:二硼化镁(MgB2)、钇钡铜氧化物(YBC0)、铋锶钙铜氧化物(BSSC0)、铌钛(NbTi)和 铌三锡(Nb 3Sn)或任何其它类型的超导体。
[0191] 至于超导性的产生和维护，在一些实施例中，至少一个超导线圈(480)封围在低温 恒温器(450)中，该低温恒温器与转子区段低温制冷器(460)流体连通，从而使流体致冷剂 循环通过可以将多个低温恒温器互连的冷却槽道(468)，如图12-图14中所见。在另外的实 施例中，低温恒温器中的至少两个(450)通过超导低温冷却的缆线(465)热连通。所有或一 些这样的低温冷却的缆线(465)可以与邻近的超导转子线圈低温恒温器(450)超隔绝并仅 凭传导得到冷却，如图14C中所见，或者所有或一些这样的低温冷却的缆线(465)可以通过 使液体或气体致冷剂从转子线圈低温恒温器(450)流过缆线而得到冷却，在图14-图14B中 可以清楚地看出。
[0192] 至于所使用的材料，在一些实施例中，超导低温冷却的缆线(465)中的至少一个缆 线可以包含导电金属，该导电金属选自由铜(Cu)、银(Ag)、铝(A1)、钯(Pd)和铂(Pt)或其合 金组成的金属导体的群组。在其它实施例中，超导低温冷却的缆线(465)中的至少一个缆线 包含高温超导材料，该高温超导材料选自由以下各项组成的高温超导材料的群组:二硼化 镁(MgB 2 )、钇钡铜氧化物(YBCO)和铋锶钙铜氧化物(BSSCO)或其它类型的高温超导体。
[0193] 所属领域的技术人员将认识到上文教导的材料和方法的各种组合。至少一个超导 线圈（480)可以作为至少两个超导转子线圈（480)区段存在，每个超导转子线圈区段通过包 含在分开的低温冷却的低温恒温器(450)中而与周围大气隔绝。每个低温恒温器(450)可以 通过至少一个低温缆线(465)低温连接到至少一个其它低温恒温器(450)，如图14中所见。 如上所述，本发明使得一个低温冷却的超导线圈（480)能够驱动两个铁磁极(470)，即，超导 线圈（480)的磁极(470)和邻近磁极(470)。因此，转子(400)硬件的复杂度大规模降低。
[0194] 于是，所要求的是一种超导发电机（10)，并且通过必需地包含超导电动机，具有多 个低温恒温器(450)，包括至少第一低温恒温器(450)和第二低温恒温器(450)。低温恒温器 (450)含有冷却剂并且第一低温恒温器(450)封围多个超导线圈中的至少一个(480)。至少 第一线圈（480)通过封围着导体(466)的至少一条超导传导冷却缆线(465)与第二低温恒温 器(450)中容纳的第二线圈（480)超导电连通。
[0195] 在图14中清楚看出的另一实施例中，封围着超导线圈（480)的第一低温恒温器 (450)和第二低温恒温器(450)可以通过至少一条超导传导冷却缆线(465)内的至少一个致 冷剂槽道(468)流体连通。
[0196] 在一些实施例中，在图14A中看到，超导传导冷却缆线(465)可以通过缆线(465)内 的至少一个致冷剂槽道(468)与第一低温恒温器(450)流体连通。通过冷却剂从低温恒温器 (450)在缆线(465)内的至少一个致冷剂槽道(468)内的循环，可以将导体(466)冷却到环境 温度以下。如图14A中所见，箭头示出了从低温恒温器(450)在致冷剂槽道(468)内的可能的 流动方向。如图14B中所见，致冷剂槽道可以经过沿着缆线（465)的可变距离，并且缆线 (465) 可以具备合适的数量和类型的绝缘物(467)。
[0197] 在又一实施例中，在图14C中清楚地看出，多个低温恒温器(450)都不与至少一条 超导传导冷却缆线(465)流体连通，并且缆线（465)通过从至少第一低温恒温器(450)和第 二低温恒温器(450)沿着导体(466)的传导得到冷却。
[0198] 导体(466)可具有至少维持温度在高于第一低温恒温器(450)的冷却剂的温度的 第一区段和维持在第一区段的温度与低温恒温器(450)内的冷却剂的温度之间的中间温度 的第二区段。
[0199] 至于材料，在一些实施例中，导体(466)中的至少一个包含选自由铜(Cu)、银(Ag)、 铝(A1)、钯(Pd)和铂(Pt)和其混合物组成的导体群组中的导体。类似地，在其它实施例中， 所述导体(466)中的至少一个可以包含选自由以下各项组成的超导体群组中的一种超导体 材料:二硼化镁(MgB 2)、钇钡铜氧化物(YB⑶）、铋锶钙铜氧化物(BSSCO)、铌钛(NbTi)和铌三 锡(Nb3Sn)、其它类型的高温超导体和其混合物。
[0200] 至于构造，在一些实施例中，至少一条超导传导冷却缆线(465)可以通过至少一个 快速连接配件(469)连接到低温恒温器(450)。如前所述，在本说明书中，每次使用术语"发 电机"被定义为包含"电机"，并且每次使用术语"转子线圈"将被认为包含"定子线圈"。在一 些实施例中，多个超导线圈(480)由选自由转子线圈、定子线圈和其混合物组成的超导线圈 (480)群组中的超导线圈（480)组成。使用用至少一条超导传导冷却缆线彼此电连通和低温 连通的低温恒温器中的一或多个超导线圈适用于本申请中描述的超导发电机。这种使用还 适用于用于图像引导MRI应用的低温恒温器中的两个MRI线圈之间的电和低温冷却，还有用 于感应型超导故障限流器应用的低温恒温器中的两个超导线圈之间的连接。在所有情况 下，当本说明书中使用术语"发电机"时，该术语具体来说意在涵盖"电机"、"磁共振成像装 置"、"故障电流限制器"等等。
[0201] 在又一系列实施例中，超导发电机(10)(或电机)可以包含多个低温恒温器(450)， 包括至少第一低温恒温器(450)和第二低温恒温器(450)。这些低温恒温器含有冷却剂，其 中第一低温恒温器(450)封围多个超导线圈（480)中的至少一个，并且第一线圈（480)通过 至少封围导体(466)的超导传导冷却缆线(465)与第二低温恒温器(450)中包含的第二线圈 (480)超导电连通。超导传导冷却缆线(465)可以通过缆线(465)内的至少一个致冷剂槽道 (468)与第一低温恒温器(450)流体连通，并且通过从缆线(465)内的至少一个致冷剂槽道 (468)内的低温恒温器(450)循环冷却剂而将导体(466)冷却到环境温度以下。
[0202] 在相关实施例中，导体(466)中的至少一个可以是从由铜(Cu)、银(Ag)、铝(A1)、钯 (Pd)和铂(Pt)和其混合物组成的导体群组中的一种导体。同样，在一些实施例中，所述导体 (466) 中的至少一个可以包含选自由以下各项组成的超导体群组中的一种超导体材料:二 硼化镁(MgB2 )、钇钡铜氧化物（YBCO)、铋锶钙铜氧化物（BSSCO)、铌钛（NbTi )和铌三锡 (Nb3Sn)、其它高温超导体和其混合物。
[0203] 在另一系列实施例中，超导发电机(10)(或电机)可以包含多个低温恒温器(450)， 包括含有冷却剂的至少第一低温恒温器(450)和第二低温恒温器(450)。第一低温恒温器 (450)可以封围多个超导线圈（480)中的至少一个，并且第一线圈（480)可以通过至少封围 导体(466)的超导传导冷却缆线(465)与第二低温恒温器(450)中包含的第二线圈（480)超 导电连通，而多个低温恒温器(450)都不与至少一条超导传导冷却缆线(465)流体连通。缆 线(465)可以通过从至少第一低温恒温器(450)沿着导体(466)的传导得到冷却。
[0204] 在这一系列实施例中，导体（466)可具有至少维持温度在高于第一低温恒温器 (450)的冷却剂的温度的第一区段和维持在第一区段的温度与低温恒温器(450)内的冷却 剂温度之间的中间温度的第二区段。举例而言并且不作限制，在这样的实施例中，第一区段 可以是缆线（465)的离低温恒温器(450)最远的部分，并且第二部分可以表示缆线(465)的 更接近低温恒温器(450)的区段。同样，导体(466)可具有至少维持温度在高于第一低温恒 温器(450)的冷却剂的温度的第一区段、维持在第一区段的温度与低温恒温器(450)内的冷 却剂的温度之间的中间温度的第二区段，以及维持温度在低温恒温器(450)内的冷却剂的 温度的第三区段。另外仅作为限制而言，在这样的实施例中，第一区段可以是缆线(465)的 离低温恒温器(450)最远的部分，第三区段可以是缆线(465)的与低温恒温器(450)内的冷 却剂接触的部分，并且所述区段可以是缆线(465)的在第一区段和第二区段之间的部分。
[0205] 至于材料，与其它实施例一样，导体(466)中的至少一个可以包含选自由铜(Cu)、 银(Ag)、铝(Al)、钯(Pd)和铂(Pt)和其混合物组成的导体群组中的一种导体。同样，所述导 体(466)中的至少一个可以包含选自由以下各项组成的超导体群组中的一种超导体材料： 二硼化镁(MgB 2 )、钇钡铜氧化物（YBCO)、铋锶钙铜氧化物（BSSCO)、铌钛(NbTi )和铌三锡 (Nb3Sn)、其它类型的高温超导体和其混合物。另外至于材料，在各种实施例中，冷却剂可以 选自由氖、氦或氢组成的冷却剂群组。
[0206] 至于构造，与其它实施例中一样，至少一条超导传导冷却缆线(465)可以通过至少 一个快速连接配件(469)连接到低温恒温器(450)。
[0207]所属领域的技术人员将清楚本文中所揭示的优选实施例的大量更改、修改和变 化，并且这些更改、修改和变化全都被预期并且设想为在本发明的精神和范围内。此外，虽 然已经详细地描述了具体实施例，但是本领域的技术人员将理解，可以修改前述实施例和 变化以结合各种类型的替代和或另外或替代的材料、元件的相对布置和尺寸配置。因此，即 使本文中只描述了本发明的很少几种变化，但是应理解，这样的另外的修改和变化及其等 效物的实践在所附权利要求中限定的本发明的精神和范围内。
【主权项】
1. 一种超导发电机(10)，其包括： 多个低温恒温器(450)，其包括至少第一低温恒温器(450)和第二低温恒温器(450)，所 述低温恒温器含有冷却剂，其中所述第一低温恒温器(450)封围多个超导线圈（480)中的至 少一个，并且第一线圈（480)通过封围导体(466)的至少一条超导传导冷却缆线（465)与所 述第二低温恒温器(450)中包含的第二线圈（480)超导电连通。2. 根据权利要求1所述的装置，其中所述超导传导冷却缆线（465)通过所述缆线（465) 内的至少一个致冷剂槽道(468)与所述第一低温恒温器(450)流体连通，并且通过来自所述 低温恒温器(450)的冷却剂在所述缆线(465)内的所述至少一个致冷剂槽道(468)内的循环 而将所述导体(466)冷却到环境温度以下。3. 根据权利要求1所述的装置，其中封围超导线圈（480)的所述第一低温恒温器(450) 和所述第二低温恒温器(450)通过所述至少一条超导传导冷却缆线（465)内的至少一个致 冷剂槽道(468)流体连通。4. 根据权利要求1所述的装置，其中所述导体(466)具有至少维持温度在高于所述第一 低温恒温器(450)的所述冷却剂的温度的第一区段，以及维持在所述第一区段的温度与所 述低温恒温器(450)内的所述冷却剂的温度之间的中间温度的第二区段。5. 根据权利要求1所述的装置，其中所述导体(466)中的至少一个包括选自由以下各项 组成的导体群组中的导体:铜(Cu)、银(Ag)、铝(A1)、钯(Pd)、铂(Pt)和其混合物。6. 根据权利要求1所述的装置，其中所述导体(466)中的至少一个包括选自由以下各项 组成的超导体群组中的超导体材料:二硼化镁(MgB 2)、钇钡铜氧化物(YBCO)、铋锶钙铜氧化 物(BSSCO )、铌钛(NbTi )、铌三锡(Nb3Sn)和其混合物。7. 根据权利要求1所述的装置，其中所述多个低温恒温器(450)都不与所述至少一条超 导传导冷却缆线(465)流体连通，并且通过从至少所述第一低温恒温器(450)沿着所述导体 (466)的传导来冷却所述缆线(465)。8. 根据权利要求1所述的装置，其中所述多个低温恒温器(450)都不与所述至少一条超 导传导冷却缆线(465)流体连通，并且通过从至少所述第一低温恒温器(450)和所述第二低 温恒温器(450)沿着所述导体(466)的传导来冷却所述缆线(465)。9. 根据权利要求1所述的装置，其中所述至少一条超导传导冷却缆线(465)通过至少一 个快速连接配件(469)连接到所述低温恒温器(450)。10. 根据权利要求1所述的装置，其中所述多个超导线圈（480)由选自由转子线圈、定子 线圈和其混合物组成的超导线圈（480)群组中的超导线圈（480)组成。11. 一种超导发电机(10)，其包括： a. 多个低温恒温器(450)，其包括至少第一低温恒温器(450)和第二低温恒温器(450)， 所述低温恒温器含有冷却剂，其中所述第一低温恒温器(450)封围多个超导线圈（480)中的 至少一个，并且第一线圈（480)通过至少封围导体(466)的超导传导冷却缆线（465)与所述 第二低温恒温器(450)中包含的第二线圈（480)超导电连通，并且 b. 所述超导传导冷却缆线(465)通过所述缆线(465)内的至少一个致冷剂槽道(468)与 所述第一低温恒温器(450)流体连通，并且通过来自所述低温恒温器(450)的冷却剂在所述 缆线(465)内的所述至少一个致冷剂槽道(468)内的循环而将所述导体(466)冷却到环境温 度以下。12. 根据权利要求11所述的装置，其中所述导体(466)中的至少一个包括选自由以下各 项组成的导体群组中的导体:铜(Cu)、银(Ag)、铝(A1)、钯(Pd)、铂(Pt)和其混合物。13. 根据权利要求11所述的装置，其中所述导体(466)中的至少一个包括选自由以下各 项组成的超导体群组中的超导体材料:二硼化镁(MgB 2)、钇钡铜氧化物(YBCO)、铋锶钙铜氧 化物(BSSCO)、铌钛(NbTi)、铌三锡(Nb3Sn)和其混合物。14. 一种超导发电机(10)，其包括： a. 多个低温恒温器(450)，其包括至少第一低温恒温器(450)和第二低温恒温器(450)， 所述低温恒温器含有冷却剂，其中所述第一低温恒温器(450)封围多个超导线圈（480)中的 至少一个，并且第一线圈（480)通过至少一条封围导体(466)的超导传导冷却缆线(465)与 所述第二低温恒温器(450)中包含的第二线圈（480)超导电连通，并且 b. 其中所述多个低温恒温器(450)都不与所述至少一条超导传导冷却缆线（465)流体 连通，并且通过从至少所述第一低温恒温器(450)沿着所述导体(466)的传导来冷却所述缆 线（465)。15. 根据权利要求14所述的装置，其中所述导体(466)中的至少一个包括选自由以下各 项组成的导体群组中的导体:铜(Cu)和银(Ag)、铝(A1)、钯(Pd)、铂(Pt)和其混合物。16. 根据权利要求14所述的装置，其中所述导体(466)中的至少一个包括选自由以下各 项组成的超导体群组中的超导体材料:二硼化镁(MgB 2)、钇钡铜氧化物(YBC0)、铋锶钙铜氧 化物(BSSCO)、铌钛(NbTi)、铌三锡(Nb3Sn)和其混合物。17. 根据权利要求14所述的装置，其中所述导体(466)具有至少维持温度在高于所述第 一低温恒温器(450)的所述冷却剂的温度的第一区段，以及维持在所述第一区段的温度与 所述低温恒温器(450)内的所述冷却剂的温度之间的中间温度的第二区段。18. 根据权利要求14所述的装置，其中所述导体(466)具有至少维持温度在高于所述第 一低温恒温器(450)的所述冷却剂的温度的第一区段，维持在所述第一区段的温度和所述 低温恒温器(450)内的所述冷却剂的温度之间的中间温度的第二区段，以及维持温度在所 述低温恒温器(450)内的所述冷却剂的所述温度的第三区段。19. 根据权利要求14所述的装置，其中所述至少一条超导传导冷却缆线(465)通过至少 一个快速连接配件(469)连接到所述低温恒温器(450)。20. 根据权利要求14所述的装置，其中所述冷却剂是选自由氖、氦和氢组成的冷却剂群 组。
【文档编号】H01F6/06GK105917560SQ201480065212
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2014年12月2日
【发明人】迈克尔·托姆斯克, 拉里·朗
【申请人】超导技术研究公司