一种高温超导绕组载流特性与交流损耗测试装置

1.本发明涉及一种高温超导绕组载流特性与交流损耗测试装置，属于超导电机技术领域。


背景技术：

2.随着海上风电的快速发展，海上风机的单机容量已突破10 mw。高温超导直驱电机是实现深远海超大容量直驱风力发电机组整机轻量化的有效手段之一，已成为海上风电领域的研究热点。超导线圈设计是超导电机电磁设计中的重要一环，决定着整体方案是否合理。超导线圈发挥特性的条件是电流密度、外磁场强度、电磁力、工作温度均在临界范围内。同样，超导绕组交流损耗大小也非常重要，关系着低温制冷系统功率大小和经济性以及超导电机的整体效率。因此，开发一款超导绕组的载流特性和损耗特性测试装置尤为重要。


技术实现要素：

3.发明目的：本发明提出了一种高温超导绕组载流特性与交流损耗测试装置，可测试电机内多谐波交变磁场耦合影响下超导绕组的载流和损耗特性，能验证理论分析与有限元计算结果是否正确，进行反馈修正。
4.技术方案：本发明提出的一种高温超导绕组载流特性与交流损耗测试装置，包括液氮杜瓦箱和高导磁铁心装置，所述高导磁铁心装置设置在液氮杜瓦箱中；高导磁铁心装置用于为待测高温超导绕组提供电磁环境；所述液氮杜瓦箱用于为高导磁铁心装置及待测高温超导绕组提供液氮低温环境。
5.进一步的，所述液氮杜瓦箱包含双层箱壳结构，两层箱壳中间抽真空，且在两层箱壳内填充液氮。
6.进一步的，所述高导磁铁心装置包括台架、动子铁心、超导励磁绕组、定子铁心和定子铁心支架；台架设置在液氮杜瓦箱内的底面上，动子铁心设置在台架的上表面；定子铁心支架设置在液氮杜瓦箱的内侧面，用于支撑定子铁心，对定子铁心起固定作用，定子铁心支架由非导磁材料制成；定子铁心位于动子铁心的上方，通过设计不同高度的非导磁支架可以调节动子铁心和定子铁心之间的垂直距离；定子铁心和动子铁心中间有气隙间隔；动子铁心至少包含一个齿、两个槽；定子槽位于两个相邻定子齿之间，且齿朝向定子铁心；动子铁心的齿上绕制超导励磁绕组；定子铁心和动子铁心均由硅钢片叠压制成；定子铁心至少包含一个槽两个齿，定子铁心的齿朝下设置，朝向动子铁心；待测超导绕组绕制在动子铁心上，且部分待测超导绕组位于动子铁心槽中（也就是跨绕在定子轭部），待测超导绕组所在平面与超导励磁绕组所在的平面垂直，或，待测超导绕组跨绕在定子铁心的齿上，待测超导绕组所在平面与超导励磁绕组所在的平面平行。流稳压恒流电源通过逆变器为待测超导绕组提供电流，待测超导绕组既可以通入直流电又
可以通入交流电；进一步的，定子铁心的上表面设置有线圈支架，且线圈支架位于定子铁心槽的上方；以方便保证待测超导绕组的位置稳定性，使得待测超导绕组到左右相邻两齿的距离相同，定义定子铁心的齿排列方向为左右方向。
7.进一步的，所述台架为可移动台架；动子铁心在可移动台架的带动下，与定子铁心的相对位置沿左右方向发生变化，台架左右移动可以改变超导励磁绕组与待测超导绕组的相对位置，可模拟电机运行中转子与定子不同的相对位置。
8.进一步的，还包括可编程交流电流源；可编程交流电流源与超导励磁绕组连接，为超导励磁绕组提供励磁电流。可编程交流电流源可为超导励磁绕组提供不同形式的励磁电流，包括直流和不同频率的交流电。
9.进一步的，定子铁心的齿和动子铁心的齿的垂直距离为3 mm，或，根据电机气隙的实际尺寸设置。
10.进一步的，定子铁心的槽宽度基于待测超导绕组的最小弯曲半径和电机的磁路进行设计；动子铁心的槽宽度基于超导励磁绕组的最小弯曲半径进行设计。
11.进一步的，本发明的一种高温超导绕组载流特性与交流损耗测试装置，还包括霍尔传感器；霍尔传感器分别位于定子铁心的槽内，用于测量定子铁心槽内磁感应强度。
12.进一步的，液氮杜瓦箱中还设置有三个温度传感器，分别测量不同垂直高度的箱内温度，从而监视杜瓦箱内液氮的液面高度。
13.有益效果：本发明能模拟超导电机内部复杂的磁场环境，测试交变磁场、混杂磁场作用下不同拓扑结构的超导绕组的载流特性和交流损耗，能验证电机中超导绕组设计方法的正确性。高温超导绕组载流特性与交流损耗测试装置对提升超导绕组设计技术水平具有重要意义。
14.（1）通过调节可移动台架，可以改变动子铁心与定子铁心的相对位置，通过可编程交流电源供电，超导励磁绕组可产生不同频率的背景磁场，从而能模拟电机运行时超导绕组所处的各种电磁状况，同时直流电源与电力电子变换器的供电方式可为被测超导线圈提供不同的电流，从而可模拟超导电枢绕组内部流经不同电枢电流时的工作状态。
15.（2）测试装置所使用的超导材料仅为超导电机的很少部分，可有效减小超导电机的开发成本。
附图说明
16.图1是本发明测试装置的三维示意图；图2是本发明测试装置的磁路分布示意图。
17.其中：1、台架；2、动子铁心；3、超导励磁绕组；4、霍尔传感器；5、定子铁心支架；6、定子铁心；7、待测超导绕组；8、线圈支架；9、温度传感器；10、液氮杜瓦箱；11、可编程交流电流源；12、温度巡检仪；13、逆变器；14、直流稳压恒流电源；15、高精微伏表；16、ht20特斯拉计；17、上位机控制显示台。
具体实施方式
18.如图1所示，本发明的一种高温超导绕组载流特性与交流损耗测试装置，包括液氮
杜瓦箱10和高导磁铁心装置，所述高导磁铁心装置设置在液氮杜瓦箱10中；液氮杜瓦箱10包含两层箱壳、中间抽真空，内部填充液氮，为超导绕组测试提供液氮低温环境，同时为高导磁铁心装置提供机械支撑。高导磁铁心装置用于对待测超导绕组7的载流特性与交流损耗进行测。
19.所述高导磁铁心装置包括可移动台架1、动子铁心2、超导励磁绕组3、定子铁心6、霍尔传感器4、温度传感器9。
20.可移动台架1设置在液氮杜瓦箱10的底面上，可相对于液氮杜瓦箱10的底面移动；动子铁心2设置在可移动台架1的上表面，用于带动动子铁心2移动，从而使得动子铁心2相对于定子铁心6发生左右移动；动子铁心2至少包含一个齿、两个槽，由硅钢片叠压制成；且齿朝向定子铁心6；如图2所示，图2中的动子铁心2包括两个齿、三个槽；超导励磁绕组3绕制于动子铁心2的齿上，可编程交流电流源11为超导励磁绕组3提供励磁电流，可以产生任意幅值、频率、波形的励磁磁场。导线通过测试装置上方引出。通过调节可移动台架1的位置或者通入的励磁电流，可以模拟电机运行时的不同机械位置及电磁环境。可移动台架1与动子铁心2之间由绝缘漆实现绝缘。
21.定子铁心支架5设置在液氮杜瓦箱10的内侧面，用于支撑定子铁心6，对定子铁心6起固定作用；定子铁心6至少包含两个齿、一个槽，定子铁心的槽位于相邻的两个齿之间，定子铁心6的齿朝下设置，朝向动子铁心2；定子铁心6由硅钢片叠压制成；图1中定子铁心6包括三个齿、定子第一槽和定子第二槽。
22.线圈支架8设置在定子铁心6的上表面，线圈支架8材料为g10，每个定子槽的上方至少设置一个线圈支架8，线圈支架8分别到左右相邻两齿的距离相同，以保证待测超导绕组7放置在线圈支架8上时，绕制在槽中，且到左右相邻两齿的距离相同。
23.如图2所示，本发明中设置了每个定子槽的上方设置了两个线圈支架8，两个线圈支架8同时用于支撑和固定一个待测超导绕组7，保证待测超导绕组7位于槽中时的稳定性。且保证待测超导绕组7所在的平面与槽的长度方向平行。
24.根据待测超导绕组7的拓扑结构，可以安放不同排列方式的超导股线、超导线圈。直流稳压恒流电源14通过逆变器13可为待测超导绕组7提供直流电或者不同频率的电流。待测超导绕组7所在平面与超导励磁绕组3所在的平面垂直，定子铁心6的槽朝下，动子铁心2的槽向上，模拟电机内部定转子槽位置对应关系。
25.定子铁心6和动子铁心2槽宽度基于超导线圈的最小弯曲半径和电机的磁路进行设计，本例中，动子铁心2齿宽为42 mm，槽宽26 mm，定子铁心6齿宽65 mm，槽宽65 mm。定子铁心6和动子铁心2所对齿的垂直距离为3 mm，可根据电机气隙的实际尺寸进行调整。
26.两个霍尔传感器4分别位于定子铁心6的两个槽内，连接ht20特斯拉计16，可以动态监测超导线圈之间的气隙磁场。三个温度传感器9以不同垂直高度依次位于定子铁心6上方，连接温度巡检仪12。高精微伏表15连接超导励磁绕组3，测量超导励磁绕组3的电压。上位机控制显示台17可以编程调节励磁电流，并实时显示待测超导绕组7的电压和电流。
27.以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权
利要求书中记载的保护范围。

技术特征：
1.一种高温超导绕组载流特性与交流损耗测试装置，其特征在于，包括液氮杜瓦箱和高导磁铁心装置，所述高导磁铁心装置设置在液氮杜瓦箱中；高导磁铁心装置用于为待测高温超导绕组提供电磁环境；所述液氮杜瓦箱用于为高导磁铁心装置及待测高温超导绕组提供液氮低温环境。2.根据权利要求1所述一种高温超导绕组载流特性与交流损耗测试装置，其特征在于，所述液氮杜瓦箱包含双层箱壳结构，两层箱壳中间抽真空，且在两层箱壳内填充液氮。3.根据权利要求1所述一种高温超导绕组载流特性与交流损耗测试装置，其特征在于，所述高导磁铁心装置包括台架、动子铁心、超导励磁绕组、定子铁心和定子铁心支架；台架设置在液氮杜瓦箱内的底面上，动子铁心设置在台架的上表面；定子铁心支架设置在液氮杜瓦箱的内侧面，用于支撑定子铁心，对定子铁心起固定作用，定子铁心位于动子铁心的上方；动子铁心至少包含一个齿、两个槽，所述槽位于齿的两侧，且动子铁心的齿朝向定子铁心；动子铁心的齿上绕制超导励磁绕组；定子铁心至少包含一个槽、两个齿，定子槽位于两个相邻定子齿之间，定子铁心的齿朝下设置，朝向动子铁心；待测超导绕组绕制在定子铁心上，且部分待测超导绕组位于定子铁心槽中，待测超导绕组所在平面与超导励磁绕组所在的平面垂直，或，待测超导绕组绕在定子铁心的齿上，待测超导绕组所在平面与超导励磁绕组所在的平面平行。4.根据权利要求3所述一种高温超导绕组载流特性与交流损耗测试装置，其特征在于，定子铁心的上表面设置有线圈支架，且线圈支架位于定子铁心槽的上方；以方便保证待测超导绕组的位置稳定性，使得待测超导绕组到左右相邻两齿的距离相同，定义定子铁心的齿排列方向为左右方向。5.根据权利要求3所述一种高温超导绕组载流特性与交流损耗测试装置，其特征在于，所述台架为可移动台架；动子铁心在可移动台架的带动下，与定子铁心的相对位置沿左右发生变化，用于模拟电机运行时的不同机械位置。6.根据权利要求3所述一种高温超导绕组载流特性与交流损耗测试装置，其特征在于，还包括可编程交流电流源；可编程交流电流源与超导励磁绕组连接，为超导励磁绕组提供励磁电流。7.根据权利要求3所述一种高温超导绕组载流特性与交流损耗测试装置，其特征在于，定子铁心的齿和动子铁心的齿的垂直距离为3 mm，或，根据电机气隙的实际尺寸设置。8.根据权利要求3所述一种高温超导绕组载流特性与交流损耗测试装置，其特征在于，定子铁心的槽宽度基于待测超导绕组的最小弯曲半径和电机的磁路进行设计；动子铁心槽宽度基于超导励磁绕组的最小弯曲半径进行设计。9.根据权利要求3所述一种高温超导绕组载流特性与交流损耗测试装置，其特征在于，还包括霍尔传感器；霍尔传感器分别位于定子铁心的槽内，用于动态监测超导线圈之间的气隙磁场。10.根据权利要求3所述一种高温超导绕组载流特性与交流损耗测试装置，其特征在于，定子铁心和动子铁心均由硅钢片叠压制成。

技术总结
本发明属于超导电机技术领域，公开了一种高温超导绕组载流特性与交流损耗测试装置，包括低温杜瓦容器、高导磁铁心装置、超导线圈、励磁电源、测量仪表、控制平台等。液氮杜瓦箱作为装置外壳为超导绕组性能测试提供低温环境。高导磁铁心装置分为上方的定子铁心和下方的动子铁心。定子铁心设计为超导电机常用的定子铁心结构，待测超导绕组环绕于铁心槽部，由线圈支架支撑位于超导励磁绕组上方，动子铁心齿部安放超导励磁线圈。该测试装置可完成不同拓扑结构的超导股线和超导绕组的载流特性测试，可完成无磁场、混杂磁场环境下超导股线和超导绕组损耗特性测试，并可获得实时的实验数据。并可获得实时的实验数据。并可获得实时的实验数据。


技术研发人员：朱新凯 刘雅斌 赵宇鹏 姚远凡
受保护的技术使用者：华北电力大学（保定）
技术研发日：2023.06.29
技术公布日：2023/8/1