基于高温超导励磁线圈的凸极式海上风机参数优化方法与流程

本发明属于高温超导电机技术领域，具体涉及一种基于高温超导励磁线圈的凸极式海上风机参数优化方法。

背景技术：

随着风力发电装机容量的快速增长，对大容量、高效率风力发电机的需求将会越来越高。然而，传统超过10MW容量的大型风机由于重量、体积的原因，使得其在实际工程中的应用变得十分复杂，尤其是恶劣的海上环境。

高温超导材料的低电阻甚至是零电阻的特点能够有效提高发电效率。从理论上说，对于相同容量的发电机，高温超导发电机的重量可以降低为常规电机的1/2-1/3，这对需要把大功率电机安放到十数米甚至更高的地方的风机来说，可以极大的降低风电场的建设和安装成本；如果保持发电机的体积重量不变，高温超导发电机的容量可以提高数倍，有效降低风电场的发电成本。

基于高温超导材料的风机由于可提供高输出功率密度、重量轻、效率高，以及高温超导材料的高载流能力，使得高温超导电机成为海上风机发展的一个重要方向。超导风机就是在风力发电机中用高温超导体来代替普通电机的铜线圈作为电机励磁绕组的电机。目前，尚缺乏关于超导风机，尤其是海上超导风机的有效参数设计方法。

综上所述，考虑到目前海上超导风机参数设计方法尚不完善，需要一种新的海上超导风机参数优化方法以解决上述问题。

技术实现要素：

为克服上述缺陷，本发明提供了一种基于高温超导励磁线圈的凸极式海上风机参数优化方法，该方法在优化过程中包含磁场漏感系数和运行电流两个闭环反馈回路，对电机的性能优化具有关键的改善作用。

为实现上述目的，本发明提供一种基于高温超导励磁线圈的凸极式海上风机参数优化方法，其改进之处在于，所述方法包括以下步骤：

步骤1：设置电机的基础参数，包括额定输出功率、端电压、功率因数、转速、极对数、运行温度、定子内径的平均气隙长度、定子内径的极距、转子外径的平均气隙长度、转子外径的极距；

步骤2：设置电枢绕组参数，包括匝数、槽极、开槽相位、槽距；基于电枢负载、串联的导体数确定单个槽的磁通；基于电枢导体的电流密度确定导体截面积和槽的尺寸，进而求取单极的磁通；

步骤3：计算磁通密度，设置定子铁心参数；基于磁极和磁轭所给定的磁通密度，设置漏磁系数，计算气隙和定子齿部的磁通密度；

步骤4：确定基于高温超导励磁线圈的凸极式海上风机电枢绕组结构，设计端部形状和电阻参数；

步骤5：设置高温超导励磁线圈参数和所需要的磁动势；基于钢材料的饱和特性，分别计算气隙和定子齿部所需要的磁动势数值；基于转子凸极和磁轭的磁动势，通过设定电枢漏磁和反磁势，分别计算负载和空载条件下所需要的磁动势数值；

步骤6：设置励磁绕组参数，基于高温超导材料的尺寸和载流能力，通过设定磁通密度，计算励磁电流；基于负载条件下所需要的磁动势数值，计算励磁绕组截面积和磁极高度；基于钢材料的饱和特性，计算磁极所需要的磁动势数值；

步骤7：计算负载条件下的电枢漏磁和反磁势；通过计算电枢漏磁和反磁势，得到负载条件下的磁动势方程为：

$F_i=F_0\×\frac{E_i}{V_t}=F_0\sqrt{1+r_a^2+x_l^2+2r_{a}cos\mathrm{\θ}+2x_{l}sin\mathrm{\θ}}$

$F_a=1.35\frac{K_{\mathrm{\ω}}{n}_1{I}_a}{P}\×\sqrt{\frac{K_{dm}^2{(sin\mathrm{\θ}+x_l+x_q)}^2+K_{qm}^2{(cos\mathrm{\θ}+r_a)}^2}{{(sin\mathrm{\θ}+x_l+x_q)}^2+{(\cos \mathrm{\θ}+r_a)}^2}}$

其中，E_i为内电压，V_t为端电压，F_i为包括E_i的磁动势，F₀为空载条件下的磁动势，F_a为补偿电枢反应的磁动势，F₂为负载条件下的的磁动势，K_ω为电枢系数，P为极对数，R_a为电枢电阻，α为极距，n₁为每相电枢绕组的串联数，θ为功率因数角，E_i为V_t的夹角，I_a为电枢电流，X_l为漏感，X_q为q轴电枢反应电感；

步骤8：三维磁场分析；基于高温超导励磁线圈的凸极式海上风机不同部分的磁场分布仿真，计算磁场漏感系数和运行电流；其中，运行电流取决于高温超导材料磁通流动所产生的损耗；判断磁场漏感系数和运行电流是否满足要求，若二者均满足，则运行步骤9；若磁场漏感系数不满足要求，则跳转到步骤5；若运行电流不满足要求，则跳转到步骤6；

步骤9：基于高温超导励磁线圈的凸极式海上风机的重量、损耗、效率分析；其中，重量基于所有组成元件的参数计算得出；损耗包括铁耗、电枢电阻损耗、杂散损耗、机械损耗、空气冷却的风机损耗、低温冷却的制冷损耗；其中，低温冷却的制冷损耗功率P_cryo的计算公式为：

$P_{cryo}=1.15\×\frac{(P_{ch}+P_{rh})\×1.1}{COP}$

其中，P_ch为流经玻璃纤维增强塑料的转矩管所耗散的功率，P_rh为高温超导材料磁通流动所耗散的功率；COP为制冷机的运行系数。

与现有技术相比，本发明基于高温超导励磁线圈的凸极式海上风机参数优化方法具有以下优势：本发明方法可根据计算公式自动进行，实现对海上风机重量、效率、高温超导材料长度等参数的优化，且由于优化过程中包含磁场漏感系数和运行电流两个闭环反馈回路，对电机的性能优化具有关键的改善作用。

附图说明

图1为本发明所述风机的横截面图。

图2为本发明方法的流程图。

具体实施方式

图1为本发明所述基于高温超导励磁线圈的凸极式海上风机的横截面图，该电机主要包括定子铁心、铜电枢绕组、转子凸极、高温超导线圈、转子磁轭和转轴。其中，高温超导线圈以椭圆形缠绕在凸极上，铜电枢绕组嵌放在定子铁心的槽中。

图2为本发明所述基于高温超导励磁线圈的凸极式海上风机参数优化方法，具体包括以下步骤：

步骤1：设置电机的基础参数，包括额定输出功率、端电压、功率因数、转速、极对数、运行温度、定子内径的平均气隙长度、定子内径的极距、转子外径的平均气隙长度、转子外径的极距；

步骤2：设置电枢绕组参数，包括匝数、槽极、开槽相位、槽距；基于电枢负载、串联的导体数确定单个槽的磁通；基于电枢导体的电流密度确定导体截面积和槽的尺寸，进而求取单极的磁通；

步骤3：计算磁通密度，设置定子铁心参数；基于磁极和磁轭所给定的磁通密度，设置漏磁系数，计算气隙和定子齿部的磁通密度；

步骤4：确定基于高温超导励磁线圈的凸极式海上风机电枢绕组结构，设计端部形状和电阻参数；

步骤5：设置高温超导励磁线圈参数和所需要的磁动势；基于钢材料的饱和特性，分别计算气隙和定子齿部所需要的磁动势数值；基于转子凸极和磁轭的磁动势，通过设定电枢漏磁和反磁势，分别计算负载和空载条件下所需要的磁动势数值；

步骤6：设置励磁绕组参数，基于高温超导材料的尺寸和载流能力，通过设定磁通密度，计算励磁电流；基于负载条件下所需要的磁动势数值，计算励磁绕组截面积和磁极高度；基于钢材料的饱和特性，计算磁极所需要的磁动势数值；

步骤7：计算负载条件下的电枢漏磁和反磁势；通过计算电枢漏磁和反磁势，得到负载条件下的磁动势方程为：

$F_i=F_0\×\frac{E_i}{V_t}=F_0\sqrt{1+r_a^2+x_l^2+2r_{a}cos\mathrm{\θ}+2x_{l}sin\mathrm{\θ}}$

$F_a=1.35\frac{K_{\mathrm{\ω}}{n}_1{I}_a}{P}\×\sqrt{\frac{K_{dm}^2{(sin\mathrm{\θ}+x_l+x_q)}^2+K_{qm}^2{(cos\mathrm{\θ}+r_a)}^2}{{(sin\mathrm{\θ}+x_l+x_q)}^2+{(\cos \mathrm{\θ}+r_a)}^2}}$

其中，E_i为内电压，V_t为端电压，F_i为包括E_i的磁动势，F₀为空载条件下的磁动势，F_a为补偿电枢反应的磁动势，F₂为负载条件下的的磁动势，K_ω为电枢系数，P为极对数，R_a为电枢电阻，α为极距，n₁为每相电枢绕组的串联数，θ为功率因数角，E_i为V_t的夹角，I_a为电枢电流，X_l为漏感，X_q为q轴电枢反应电感；

步骤8：三维磁场分析；基于高温超导励磁线圈的凸极式海上风机不同部分的磁场分布仿真，计算磁场漏感系数和运行电流；其中，运行电流取决于高温超导材料磁通流动所产生的损耗；判断磁场漏感系数和运行电流是否满足要求，若二者均满足，则运行步骤9；若磁场漏感系数不满足要求，则跳转到步骤5；若运行电流不满足要求，则跳转到步骤6；

步骤9：基于高温超导励磁线圈的凸极式海上风机的重量、损耗、效率分析；其中，重量基于所有组成元件的参数计算得出；损耗包括铁耗、电枢电阻损耗、杂散损耗、机械损耗、空气冷却的风机损耗、低温冷却的制冷损耗；其中，低温冷却的制冷损耗功率P_cryo的计算公式为：

$P_{cryo}=1.15\×\frac{(P_{ch}+P_{rh})\×1.1}{COP}$

其中，P_ch为流经玻璃纤维增强塑料的转矩管所耗散的功率，P_rh为高温超导材料磁通流动所耗散的功率；COP为制冷机的运行系数。