1、高速高温超导发电机的发展在航空中的应用K. Sivasubramaniam, T. Zhang, M. Lokhandwalla, E. T. Laskaris, J. W. Bray, B. Gerstler, M. R. Shah, and J. P. Alexander摘要：通用电气，与空军合同研究实验室（AFRL） ，已成功开发和测试大容量高速超导发电机。发电机的建立是为了证明高温超导（HTS）在高功率密度应用程序生成器技术大容量的电力系统（MEPS）为空军。示范试验发电机负载条件下的上升 1.3 兆瓦，超过10000 转。新的欧洲议会议员发生器的实现 97%的效率损失，包括制冷机。所
2、有的测试结果表明该发生器具有在测试点的幅度而且其性能与规格一致的程序。这次示威是第一个成功的全负荷试验的超导发电机为空军。我们在本文中描述的发电机的发展提出了一些关键的测试结果用于验证设计。外推到一个更高的功率密度发生器进行了讨论。关键词:功率密度高，高速发电机，超导发电机。一、 引言一些军事和商业应用需要一个既便携功率密度又高的发电计划。一种方法是使用一种高速发电机直接耦合到一个高速气体涡轮，这样就有高频功率转换。超导技术对发电机的功率密度提供了最高的技术支持，但几个工程挑战依然存在，使一个可靠的，重量轻的超导机。为了满足这一需要，坚固耐用，高速度，多兆瓦，高温超导发电机已开发的通用美国空军
3、研究实验室（AFRL） 。生成器已在负载测试高达 1.3 兆瓦的在 GE 的高速机试验台。发电机是基于单极电感器交流发电机（HIA） 4 来获得更大的功率密度的拓扑结构超过8.8 千瓦/公斤，适合高速稳健的建设应用。本文介绍了发电机的建设与试验结果。初稿 2008 年 8 月 16 日。2009 年 6 月 23 日出版的；2009 年 7 月 15 日发布的版本。这部分工作是根据合同 fa8650-04-g-2466 由美国空军提供。作者与 GE 研究，尼什卡纳，纽约州11361 美国（电子邮件：； ；； ；；alexandj CRD。GE COM） 。本文的数字彩色版本可用在线在 http
4、:/ieeexplore.ieee.org 查看。数字对象标识符10.1109/tasc.2009.2017758二、 高速高温超导发电机原理基于电磁，热，机械，低温的研究，和可靠性的考虑表明的超导单极感应式交流发电机是首选一个高速超导机 5 配置，6。该发生器包括一个固定的高温超导励磁线圈，一个实心转子，和一个先进的传统定子，如图 1 中显示的示意图。电枢由液体冷却的气隙绕组放置在一个叠片导向三个维度进行流量从机器的一端到另一端，先进的铁轭。固定的高温超导磁场线圈放在铁磁转子锻件和两套凸极之间，偏移圆周一个极距的两端。高温超导励磁线圈提供了一种磁动势（MMF）能力比传统的更高的许多个数量级铜
5、线圈，使“气隙的电枢绕组的高在该间隙中的磁通密度。高温超导线圈可以在电枢绕组或电枢和定子磁轭之间。由于本设计的优点在早期的文献 5 ， 6 为了方便，这里重复：静磁场线圈不经历大的离心力的旋转线圈将受到。线圈现在可以在一个简单的电磁转子相反，一个更复杂的赛道线圈，使线圈支持可简单多了。线圈与外界环境之间的热绝缘也提高了离心载荷的缺乏和降低要求线圈支架没有大的力量和菌株在超导线圈，超导线圈可以产生更可靠基于 BSCCO 或 YBCO涂层导体的技术在 30 K 和 70 K，分别运行，并在 1 特斯拉的磁场峰值。此外，减少安匝的本机的设计要求，会使相当大的在超导体的利用率减少相比空气芯机的设计。线
6、圈的低温恒温器是静止的。没有必要介绍了冷却介质在传输耦合转动冷却回路。相反，线圈可以冷却一个既定的，冷却更可靠的方法，包括传导冷却。真空或泡沫绝缘材料，如保温良好的要求，将是固定的，因此高可靠。的绝缘方案的其他部分也可以用更可靠的无大 G 力。没有必要在静止励磁电机上装配“滑环”转移电流线圈。电压线圈更可预测淬火和可靠的保护并且更容易检测保护线圈正极脉冲。无需考虑旋转无刷励磁机。图 2 显示了一个原型设计的 CAD 模型。制冷机冷剂和再冷凝器单元安装在顶部的在一个简单的发电机，强大的组件。表中我总结了来自程序规范发生器的关键设计参数。一个 1 兆瓦的示范发生器的建立是为了验证这个新的发电机类型
7、的关键特征。发电机已成功加载测试。结果如下部分。三、主要特点图 3 显示了一个图片在示威者的发电机高速试验台。对高温超导单极感应式交流发电机的功率密度设计的没有完全空芯设计高因为它主要依赖于铁芯的转子和定子线圈进行通量，并有显着更多的需要进行铁转子极间空间和漏定子组件。功率密度，然而，随着气隙电枢高磁通密度显著提高绕组和转子速度，但适度的数量极点，而静止励磁采用高温超导线圈比任何其他机器的设计更有效是因为它让平行的磁极对。作为一个结果，该磁场安匝作为极数的增加保持不变该机功率密度。低负荷安匝要求的固定高温超导线圈的线圈的发展大大简化了。科伊尔设计可以BSCCO 或 YBCO 涂层导体，和我们的
8、 1 兆瓦的示范使用 BSCCO 在当前操作 150 在 30 K和峰值磁场 1 T.高温超导线圈冷却的重力沸腾液体霓虹灯通过冷却管在与外表面线圈接触式热交换器，和返回重新汽化霓虹灯由一个单一的 GM 制冷机冷凝。真空是用于热绝缘的线圈，以总热 40 W 负载。这台冰箱的负载需要一个单级 GM 的冷端部与 75 瓦的容量在25 K，但两个冷头可能为提高可靠性和可维护性是可取的。气隙电枢绕组的设计采用了条致密绞合铜线绕转冷普通的水或液体介质冷却管内流动的氧化铝陶瓷。每个绕组是一个精密模具湿法缠绕导热环氧树脂和固化。绕组然后组装和粘结到陶瓷的冷却管和 G10 柱内、外使用导热环氧树脂壳。对电枢杆的
9、内径和外径 G10 外壳作为接地壁绝缘。电枢绕组组件被结合到定子轭，形成一个刚性结构能够承受故障力矩，振动和冲击载荷。转子轴磁流体密封件内侧的密封轴承，使几个气隙保持在主动转子室。这是必要的减少在这样一个高速机风阻损失。特别是对于一个凸极转子如我们所采用的，转子风在10000 转的损失就会太高，维持不损坏机器，和主动冷却会是困难的，沉重的。在定子磁轭由叠层块铁钴合金使较低的涡流损失高频率的操作和高磁饱和由磁场线圈的高场的开发。这些模块还叠层在不同的方向建立共轭为了便于从转子磁极的径向，轴向磁通的运输，和圆周，通过该电枢绕组，达到相反的磁极，这是抵消圆周从第一杆。规定了平衡的实心转子，首先高（全
10、）速前在一个平衡的坑和真空中需要在装配前速度。进一步平衡的主要转子质量不平衡作了规定，但其他部分本机为装配后的整体传动系统试验设施。发电机是完全仪表测试：振动，热，电。在定子与红外窗口的红外摄像机采用术中读取转子温度。用扭矩测量仪测量到发电机的输入功率和转速表在驱动端，和电气输出测量电压，电流，和输出相位读数。构建和测试我们的 HIA 发电机的主要原因已验证的模型和分析我们在设计。由于发电机的磁通路径的高度非线性和复杂的三维性质，作用是考虑高阶常规机控制高温超导和性能表征。特别值得关注的是漏电路径，边缘领域，交流损耗，安匝的要求，和磁芯损耗。一个完整的三维电磁模型已建成以了解机器的行为优化设计
11、。在流量很大的差异线性和非线性的情况下之间的分布，特别是泄漏和屈曲的通量，意味着所有的分析都是详细的非线性模型进行。的概念分析，各向同性性质之用的，忽略了影响叠片。涡电流不直接考虑。有两种分析方式：1）电枢电流与施加静态的三维模型，与现场励磁；2）时间步的三维瞬态模型耦合的外部正极脉冲。功率因数和额定电枢电流电压端子作为一个励磁电流和负载角函数得到的静磁场分析。结果是一个功能强大的饱和度。线性模型给出了完全不同的结果，由于显着不同的通量分布的影响的屈曲通量” 。从静运行中提取的结果与时间步长的模型证实。静态和时间步进模式给了初始确认对初步设计的电磁性能高温超导的 HIA。饱和水平需要监测仔细优
12、化机器的重量。有限元建模耦合的外部电路有助于识别领域的关注优化。该模型还提供能力分析负载循环，故障条件相关的瞬态条件下，等。四、结果进行了一系列的标准试验机发电机来验证性能和获得的数据使用放大研究。结果和结论总结如下。在整个测试中，连续几个月，高温超导线圈的温度保持稳定的闭式循环霓虹制冷。A. 开路试验本试验的目的是证明的能力机端产生所需的电压和从测试得到的空载特性曲线验证了磁路的电磁设计。试验同时挑战的能力：超导磁场线圈提供安匝 MMF 在发生器创建通量。高温超导低温冰箱中冷却的绕组交流损耗包括任何渗透通量盾。转子铁芯的磁通路径的磁导率和空气连接定子绕组和提供有用的电压。冷却回路来处理任何局
13、部加热效应由于磁场。开路测试高达 300 V RMS 进行线在 10500 转。该电压将扩展到 357 V 在 12500 转，428 V 在 15000 转，转饱和有限公司。图 4 试验说明了相对于开路饱和曲线从电磁模型的预测曲线。试验结果的比较以及与预测达到和超过额定电压。不同相之间的电压不平衡率小于+/-1%。在这些通量水平，在定子磁轭的磁通密度明显低于设计值，导致低磁芯损耗如下图所示。图 5 比较了预测与实测的损耗磁芯损耗。B.短路试验本试验的目的是确定短路电枢电流加载下的发电机的特点没有电力负荷，发电机的所有终端短路在一起。在这种情况下的轴功率输入是为克服摩擦和风阻，焦耳热损失流动在
14、发电机电枢电流，和一个小的磁芯损耗的水平。同步阻抗测试了有效电枢线电流为 1450A。图 6 显示的发电机测试获得相对于短路特性模型预测。结果是在百分之几的期望值。二三阶段为 3%集之间的不平衡即使没有微调电感平衡的不同阶段的漏抗的使用。最大的失衡所有的相位为+/-9%。在传统的同步机，电损耗通过在铜绕组的欧姆损耗占主导地位在短路运行和开路磁芯损耗河。传统上，丢失的数据从稳态热下运行“零激磁” ，开路，短路是用来隔离损失在使用这一假设不同的组件。在 MEPS HIA 发生器，在重要的交流损耗电枢在开路条件和显着的绕组核心的损失在短路运行，加上不同低温恒温器的损失，使这个程序错误。另一个隔离损失过程中的散热分析不同的冷却系统内的发电机。HIA 发电机的设计有专用冷却的最它的重大损失的中心，包括电枢的直线段，结束部分，铁芯，和低温恒温器，传热小这些子系统之间。流量和冷却液温度从这些冷却回路的崛起已被用来获得损耗分析报告。该数据的任何错误是由于实际流量和温度测量和串扰不同的子系统之间的。这些被认为是极小的。图 7 比较了铜电枢损耗得到短电路测试与计算损失。结果是在一般的的协议和确认的电枢有能力工作的额定电流为 2309A。低温系统在这些运行操作没有任何问题。
