CZ20021667A3

CZ20021667A3 - Supravodivý synchronní stroj s rotorem a mnoľinou supravodivých vinutí budicích cívek

Info

Publication number: CZ20021667A3
Application number: CZ20021667A
Authority: CZ
Inventors: Yu Wang; James Pellegrino Alexander
Original assignee: General Electric Company
Priority date: 2001-05-15
Filing date: 2002-05-14
Publication date: 2003-01-15
Also published as: US20020171312A1; PL353911A1; NO20022295D0; NO20022295L; PL201646B1; KR20020087373A; CN1330080C; BR0201835A; EP1258972A3; CN1387304A; JP4054603B2; CA2383401A1; JP2003070198A; NO330803B1; EP1258972A2; CA2383401C; MXPA02004841A; US6803684B2; KR100902692B1

Description

Oblast techniky

Stávající vynález se všeobecně týká supravodivé cívky u synchronního točivého stroje. Zejména pak se předkládaný vynález vztahuje k nosné konstrukci pro supravodivá budicí vinutí v rotoru synchronního stroje.

Synchronní elektrické stroje, které mají vinutí budících cívek zahrnují rotační generátory, rotační motory a lineární motory, ale nejsou na tuto skupinu omezeny. Tyto stroje obecně zahrnují stator a rotor, jež jsou elektromagneticky spojeny. Rotor může obsahovat jádro rotoru s více póly a cívková vinutí, namontovaná na jádru rotoru. Jádra rotoru mohou obsahovat magneticky permeabilní pevný materiál, jako například rotor se železným jádrem.

V rotorech synchronních elektrických strojů se běžně používá obyčejné měděné vinutí. Elektrický odpor měděného vinutí (třebaže je nízký podle běžných měřítek) je dostatečný pro to, aby přispěl k vydatnému zahřívání rotoru a ke snížení koeficientu účinnosti stroje. V poslední době byla pro rotory vyvinuta supravodivá vinutí cívek. Supravodivá vinutí nemají fakticky žádný odpor a jsou velmi výhodná jako vinutí rotorových cívek.

Rotory se železným jádrem se saturují při intenzitě magnetického pole ve vzduchové mezeře okolo 2 Tesla. Známé supravodivé rotory využívají konstrukce bez železného jádra, kde v rotoru není žádné železo, aby se dosáhlo ve vzduchové mezeře intenzity magnetického pole 3 Tesla nebo více, což zvyšuje výkonovou hustotu elektrického stroje a má za následek významné snížení váhy a velikosti stroje.

* φφ • φ φφ φφφφ '» » V φφφφ φ φ φ φφφ • φφ φφφφ · φφφ φφ φφ ··

Supravodivé rotory bez železného jádra vyžadují velká množství supravodivého drátu, což zvyšuje počet požadovaných cívek, složitost nosníků cívek a cenu. Takovéto supravodivé rotory mají supravodivou cívku chlazenou tekutým héliem, kde se použité hélium vrací jako plynné hélium o pokojové teplotě. Užívání tekutého hélia pro kryogenní chlazení vyžaduje nepřetržité opětné zkapalňování vraceného plynného hélia o pokojové teplotě a takové opětné zkapalňování vytváří významné spolehlivostní problémy a vyžaduje významnou přídavnou energii.

Vinutí vysokoteplotních supravodivých budících cívek jsou vytvářena ze supravodivých materiálů, které jsou křehké a musí být ochlazovány na nebo pod kritickou teplotu, například 27°K, aby se dosáhla a udržela supravodivost. Supravodivá vinutí mohou být vytvořena z vysokoteplotních supravodivých materiálů, jako je vodič se na základě BSCCO (Bi_xSr_xCa_xCu_xO_x).

Způsoby chlazení supravodivých cívek zahrnují chlazení epoxidem impregnované supravodivé cívky cestou pevného vedení z kryochladiče. Alternativně mohou chladící trubky v rotoru přivádět kapalnou a/nebo plynnou mrazící směs do porézního vinutí supravodivé cívky, která je ponořena do proudu kapalné a/nebo plynné mrazící směsi. Ponorné chlazení vyžaduje, aby celé budící vinutí a konstrukce rotoru byly na kryogenní teplotě. Následkem toho nemůže být v magnetickém obvodu rotoru použito žádné železo vzhledem ke křehkosti železa při kryogenních teplotách.

Pro elektrické stroje je tedy zapotřebí sestava supravodivého budicího vinutí, která nemá nevýhody sestav supravodivého budicího vinutí se vzduchovým jádrem a chlazených kapalinou, například jak je tomu u známých supravodivých rotorů.

Kromě toho jsou vysokoteplotní supravodivé cívky citlivé na degradaci způsobenou vysokými deformacemi v ohybu a tahu. Tyto »· ···φ cívky musí snášet značné odstředivé tlaky, které namáhají a deformují vinutí cívky. Normální činnost elektrických strojů zahrnuje tisíce spouštěcích a zastavovacích cyklů v průběhu několika let, což vede k nízkocyklovému únavovému namáhání rotoru. Navíc by mělo být vysokoteplotní supravodivé vinutí rotoru schopno vydržet činnost při 25% překročení rychlosti během vyvažování rotoru při teplotě okolí a také pracovní překročení rychlosti v kryogenních teplotách pří generaci energie. Tyto stavy překročení rychlosti podstatně zvyšují zátěž vinutí odstředivou silou oproti normálním pracovním podmínkám.

Supravodivé cívky použité jako budící vinutí rotoru elektrického stroje jsou vystaveny namáhání a deformaci během ochlazování a normální činnosti. Jsou také vystaveny odstředivému zatěžování, přenosu točivého momentu a občasným poruchám. Aby vydržely tyto síly, namáhání, deformace a cyklické zatěžování, musí být vysokoteplotní supravodivé cívky řádně uloženy v rotoru pomocí nosného systému. Tyto nosné systémy, které drží supravodivé cívky v rotoru, by měly zabezpečit cívky před obrovskými odstředivými silami, danými otáčením rotoru. Tyto nosné systémy a konstrukce by navíc měly vysokoteplotní supravodivé cívky chránit a zajistit, že se cívky nepoškodí, neopotřebují nebo jinak nerozbijí.

Vývoj stínění a nosných systémů pro vysokoteplotní supravodivé cívky byl složitý úkol při adaptaci supravodivých cívek do vysokoteplotních supravodivých rotorů. Příklady nosných systémů cívek pro vysokoteplotní supravodivé rotory, které byly navrženy dříve, jsou zveřejněny v U.S. patentech č. 5,548,168; 5,532,663; 5,672,921; 5,777,420; 6,169,353 a 6,066,906. Tyto nosné systémy cívek ale trpí různými problémy, jako například vysoká cena, složitost a nutnost velkého počtu součástek. Existuje tedy potřeba nosného systému cívky, který je vytvořen z levných a snadno vyrobitelných součástek.

·* » « 1 · · • ft«· · · ·* · · ft • · ·»· 9t ·« ·· • » ····

Podstata vynálezu

Rotor je opatřen dvojitou vysokoteplotní supravodivou cívkou na jádru rotoru synchronního stroje. Podobné je popsána nosná konstrukce pro upevněni páru vysokoteplotních supravodivých cívek na rotor. Rotor může být pro synchronní stroj od počátku konstruovaný pro vysokoteplotní supravodivé cívky. Alternativně může vysokoteplotní supravodivý rotor nahrazovat rotor s měděnou cívkou u existujícího elektrického stroje, jako je běžný generátor. Rotor a jeho vysokoteplotní supravodivé cívky jsou zde popsány v souvislosti s generátorem, avšak tento rotor s vysokoteplotními supravodivými cívkami je rovněž vhodný pro použití u jiných synchronních strojů.

Dvojitá oválná vysokoteplotní supravodivá cívka pro dvoupólové budicí vinutí má několik výhod včetně jednoduchosti konstrukce cívky a nosníku cívky. Kromě toho má konstrukce s dvojitou cívkou v podstatě dvojnásobné množství vinutí oproti rotoru s jednou cívkou. Konstrukce s dvojitou cívkou tak má podstatně větší kapacitu pro generování výkonu (je-li cívka součástí rotoru generátoru).

V prvním provedení vynálezu rotor synchronního stroje obsahuje: (i) jádro rotoru mající osu rotoru, a (ii) dvojici supravodivých vinutí cívky připevněnou na jádru rotoru, kde každé z vinutí cívky je v příslušející rovině, která je rovnoběžná s osou rotoru a je vzhledem k ní posunuta.

V jiném provedení vynálezu rotor pro synchronní stroj obsahuje: (i) jádro rotoru mající osu rotoru a povrchy s vybráním vedoucí podélně podél jádra rotoru, (ii) první a druhé supravodivé vinutí cívky na jádru rotoru, kde každé z těchto vinutí cívky je v rovině, která je rovnoběžná s osou rotoru a je vzhledem k ní posunuta, (iii) množinu prvních tažných vzpěr rozpínajících se mezi a spojujících protilehlé postranní Části každého z vinutí cívky a (iv) množinu druhých tažných vzpěr rozpínajících se mezi a spojujících obě vinutí cívky.

* * 4 • ···	4 · 4 ·	4 44	* 4 4 4	4 4 4
4*4 444 44	4 4 • 4	4 4 4 4	4 4 44	4 44 4 4

Přehled obrázků na výkresech

Provedení vynálezu je popsáno pomocí přiložených výkresů v souvislosti s popisem provedení.

Na obr.1 je schematicky znázorněn bokorys supravodivého rotoru znázorněného uvnitř statoru.

Na obr.2 je schematicky uveden perspektivní pohled na vysokoteplotní supravodivou oválnou cívku vhodnou pro použití v supravodivém rotoru podle obr.1

Obr.3 je schematický perspektivní pohled na příkladné provedení supravodivého rotoru s dvojicí vysokoteplotních supravodivých oválných cívek (bez nosného systému cívky).

Obr.4 znázorňuje schematicky perspektivní pohled na supravodivý rotor s dvojicí vysokoteplotních supravodivých oválných cívek (s nosným systémem).

Na obr.5 je uveden schematický perspektivní pohled na příkladné provedení supravodivého rotoru s dvojicí sedlových cívek (bez nosného systému cívky).

Obr.6 je schéma krytu cívky pro dvojici sedlových cívek.

Příklady provedení vynálezu

Obr.1 znázorňuje příklad provedení synchronního generátoru 10 majícího stator 12 a rotor 14. Stator 12 (znázorněno tečkovanými čarami) zahrnuje cívky s budicím vinutím, které obklopují válcovou •9» 9 » · 9 * > 9 ’ 9 • ··· 9 9 99 l « « rotorovou dutinu 16 statoru. Rotor je uložen uvnitř rotorové dutiny 16 statoru. Když se rotor 14 otáčí uvnitř statoru 12, pohybuje se magnetické pole 18 generované rotorem a cívkami rotoru statorem a vytváří ve vinutí statorových cívek elektrický proud. Tento proud vystupuje z generátoru jako elektrický výkon.

Rotor 14 má obecně podélnou osu 20 a obecně pevné jádro 22 rotoru. Pevné jádro 22 rotoru má vysokou magnetickou permeabilitu a je většinou vyrobeno z feromagnetického materiálu, jako je železo. U supravodivých strojů s nízkou výkonovou hustotou je železné jádro rotoru použito ke sníženi magnetomotorické síly a tudíž užití drátu. Železné jádro rotoru může být například magneticky nasyceno při intenzitě magnetického pole ve vzduchové mezeře kolem 2 Tesla.

Rotor 14 nese obecně dvojici podélných, oválných, vysokoteplotních supravodivých cívek (viz obr.3). Supravodivá cívka může být alternativně sedlového tvaru nebo mít nějaký jiný tvar, který je vhodný pro konkrétní konstrukci rotoru. Nosný systém cívky, který je zde popisován, může být upraven pro jiné konfigurace cívek, než je oválná cívka.

Rotor 14 zahrnuje pár koncových hřídelů 24, 30, které vyztužuji jádro 22. jsou neseny ložisky a mohou být spojeny s vnějším zařízením. Kolektorový koncový hřídel 24 zahrnuje kolektorové kroužky 79, které zajišťují vnější elektrické připojení kontaktů 79 vinutí 34 na cívce 36. Navíc má kolektorový koncový hřídel 24 kryogenní přenosovou spojku 26 na zdroj kryogenního chladícího média použitého pro chlazení vinutí supravodivé cívky v rotoru 14. Kryogenní přenosová spojka 26 zahrnuje stacionární segment připojený ke zdroji chladícího média a rotační segment, který zajišťuje chladící médium pro vysokoteplotní supravodivou cívku. Hnací koncový hřídel 30 zahrnuje výkonovou spojku 32. například na hnací turbinu.

*4« 4 · · V 444» • 4 44 4 * 44 4 4 4

Obr.2 představuje příkladné provedení vinutí 34 vysokoteplotní supravodivé oválné budicí cívky. Supravodivá cívka s budicím vinutím 34 rotoru zahrnuje vysokoteplotní supravodivou cívku 36. Každá vysokoteplotní supravodivá cívka zahrnuje vysokoteplotní supravodivý vodič jako jsou vodiče BSCCO (Bi_xSr_xCa_xCu_xo_x) laminované do pevného závitového kompozitu impregnovaného epoxidem. Řadu B2S2C2C3O drátů je například možné laminovat a svinout do pevné cívky impregnované epoxidem.

Vysokoteplotní supravodivý drát je křehký a lehce poškoditelný. Vysokoteplotní supravodivá cívka je typicky vrstveně vinutá vysokoteplotní supravodivou páskou a je impregnovaná epoxidem v přesné cívkové formě, aby se dosáhlo malých rozměrových tolerancí. Páska je navinutá dokola ve spirále, aby se vytvořila oválná supravodivá cívka 36. Drát je navinut tak, aby se vytvořilo oválné vinutí, které zahrnuje chladicí průchody, spojené s jedním nebo více vnějšími povrchy cívky pro zajištění chlazení přenosem tepla vedením. V provedení sedlové cívky může být páska uspořádána tak, že je orientována radiálně vzhledem k rotoru.

Rozměry oválné cívky jsou závislé na rozměrech jádra rotoru. Obecně každá oválná cívka obklopuje magnetické póly jádra rotoru a je paralelní s osou rotoru. Vinutí vysokoteplotní supravodivé cívky je spojité v celém tvaru cívky. Cívky vytvářejí cestu elektrického proudu bez odporu okolo jádra rotoru a mezi magnetickými póly jádra.

Ve vinutí 34 cívky jsou obsaženy kapalinové kanály 38 pro kryogenní chladící kapalinu. Tyto kanály se mohou rozprostírat okolo vnější hrany supravodivé cívky 36. Tyto propouštěcí kanály přivádějí kryogenní chladící kapalinu za účelem odstranění tepla z těchto cívek přenosem tepla vedením. Chladící kapalina udržuje ve vinutí supravodivé cívky nízké teploty, např. 27°K, které jsou nutné k vyvolání supravodivých podmínek, včetně neexistence elektrického odporu v cívce. Chladící kanály mají vstupní otvory 39 a výstupní otvory 41 na • ··« *·· 44 ·4 «4 44 jednom konci jádra rotoru. Tyto otvory 39, 41 spojují chladící kanály 38 na supravodivé cívce s kryogenní přenosovou spojkou 28.

Každé vysokoteplotní supravodivé vinutí 34 oválné cívky má obecně rovné postranní části 40. které jsou rovnoběžné s osou 20 rotoru a koncové části 40, které jsou na osu 20 rotoru kolmé. Postranní části cívky jsou vystaveny největším odstředivým silám protože to jsou části cívky nejvíce vzdálené od osy rotoru. Tyto postranní části jsou proto neseny nosným systémem cívky (obr,3 a 4), který chrání tyto postranní části cívky a působí proti odstředivým silám, které na ně působí.

Obr.3 je schéma jádra 22 rotoru s dvojitým vysokoteplotním supravodivým oválným cívkovým vinutím 34. Koncové hřídele 24, 30 vedou z protilehlých konců jádra rotoru. Jádro rotoru může být železný výkovek mající požadované magnetické vlastnosti, jako je vysoká permeabilita magnetického toku. Jádro rotoru může mít dva magnetické póly, kde tyto póly jsou na protilehlých koncích jádra rotoru. Jádro rotoru je v elektromagnetické interakci s vinutím cívky za účelem podpory elektromagnetického pole kolem rotoru a statoru.

Jádro rotoru a koncové hřídele mohou být vytvořeny jako integrální součásti, například kováním z jedné železné tyče. Alternativně mohou být jádro rotoru a koncové hřídele samostatné součásti (dokonce i jádro může být zvíce částí), které jsou navzájem smontovány. Výkovek jádra může být zhotoven ze tří Částí, aby se zjednodušila montáž rotoru. V uváděném příkladě je ale jádro rotoru integrální s koncovými hřídeli a jádro a hřídele jsou spojité podél celé délky rotoru. Alternativně může být železné jádro rotoru vytvořeno z více sekcí v podélném směru hřídele.

Železné jádro 22 rotoru je obecně válcového tvaru, který je vhodný pro otáčení uvnitř statoru 12. Pro uložení vinutí cívky má jádro rotoru povrchy 44 s vybráním, jako jsou ploché nebo trojúhelníkové

» «	• 4 ·	4	4	4	•
• 4 44 4· 44	4 4 4 ·	44 4·	4 44	4	444

oblasti nebo drážky, vytvořené v zakřiveném povrchu válcového jádra a vedoucí podélně přes jádro rotoru. Vinutí 34 cívky jsou připevněna k rotoru v blízkosti těchto oblastí s vybráním. Cívky se obecně táhnou podélně podél vnějšího povrchu oblasti s vybráním. Tyto oblasti 44 s vybráním na jádru rotoru jsou určeny pro uložení vinutí cívky a proto je tvar vybrání k tomuto účelu konstruován. Má-li například vinutí cívky sedlový tvar nebo nějaký jiný tvar, vybrání v jádru rotoru by mělo být vytvořeno tak, aby mělo tvar vinutí.

Vinutí cívky je v površích 44 s vybráním v jádru rotoru uloženo tak, že vnější povrchy vinutí cívky opisují v podstatě obálku definovanou rotací rotoru. Vnější zakřivený povrch 46 jádra rotoru definuje při svém otáčení válcovou obálku. Tato rotační obálka má v podstatě tentýž průměr jako rotorová dutina 16 (obr. 1) ve statoru.

Mezera mezi obálkou rotoru a dutinou statoru 16 je relativně malá, jak je požadováno pouze pro ventilačního chlazení s nuceným oběhem statoru, jelikož rotor ventilační chlazení nepožaduje. Je žádoucí, aby byla minimalizována mechanická vůle mezi rotorem a statorem, aby vzrostla elektromagnetická vazba mezi vinutím cívek rotoru a vinutím statoru. Navíc jsou vinutí cívek rotoru s výhodou umístěna tak, že jdou po celé obálce vytvořené rotorem a jsou tudíž oddělena od statoru pouze mezerou mechanické vůle mezi rotorem a statorem.

V provedení s dvojitým vysokoteplotním supravodivým vinutím cívky má jádro 22 rotoru dva páry povrchů 44 s vybráním pro dvojité cívky. Tyto čtyři povrchy s vybráním jsou uspořádány symetricky kolem obvodu jádra rotoru, aby bylo zajištěno vyvážení během otáčení. Každý z povrchů 44 definuje objem 48 v jádru rotoru rozprostírající se po délce jádra rotoru, který má obecně příčný průřez pravoúhlého trojúhelníka. Přepona tohoto trojúhelníkového průřezu je oblouk na povrchu 46 jádra rotoru. V každém objemu 48 je uložena postranní část 40 jednoho ze dvou vysokoteplotních supravodivých vinutí 34 cívky.

I 00 • 9 ·· 9 • 99 9999 9*9

999 99 99 «9 90 9090

Teplé železné jádro 22 má řadu průchodů 52, které umožňují průchod tažných vzpěr rotorem.

Podélně podél rotoru a na protilehlých stranách rotoru vede pár hřebenů 50 jádra rotoru. Pár těchto hřebenů 50 vede radiálně směrem od rotoru k obálce vytvořené otáčením rotoru. Každý hřeben 50 jádra je mezi dvěma cívkami 34 a povrchy 44 s vybráním, na kterých jsou připevněny cívky. Hřebeny 50 jsou integrální s jádrem rotoru a jsou vytvořeny z téhož magneticky permeabilního materiálu jako ostatní části jádra rotoru. Hřebeny 50 jsou navrženy za účelem zvýšení tuhosti rotoru v ohybu kolem pólové osy, což je nutné, aby se snížily vibrace rotoru dvakrát za otáčku.

Hlavní zatížení vysokoteplotní supravodivé cívky v rotoru se železným jádrem je dané odstředivým zrychlením během otáčení rotoru. Pro působení proti odstředivým silám je zapotřebí účinné konstrukční vyztužení cívky. Nosník cívky je zapotřebí zejména podél postranních částí 40 cívky, které jsou vystaveny největšímu odstředivému zrychlení. Za účelem nesení postranních částí 40 cívek se mezi cívkami rozpínají tažné vzpěry (obr.4) a svírají protilehlé postranní Části cívky. Tažné vzpěry mohou být též vedeny mezi dvojicí cívek pro zajištění vyztužení mezi nimi. Tažné vzpěry procházejí průchody 52, například otvory, v jádru rotoru, takže se mohou rozpínat mezi postranními částmi téže cívky nebo mezi sousedícími cívkami.

Průchody 52 jsou obecně válcové kanály v rotoru, které mají přímou osu. Průměr vedení musí být dostatečně větší než průměr tažných vzpěr, aby se zamezilo kontaktu rotoru a tažných vzpěr, a aby se takto zamezilo přenosu tepla vedením mezi rotorem a vzpěrami. Průměr průchodů je v podstatě konstantní, kromě konců v blízkostí povrchů rotoru s vybráním. Na těchto koncích se mohou průchody rozšiřovat do většího průměru, aby se do nich mohla vložit válcová manžeta pro tažné vzpěry.

·· » • ·*·	» » Φ · • · ·♦	• »	• 9 4
«·· ··	··		··»·

Průchody 52 jsou apertury, tj. otvory, vedoucí rotorovým jádrem a vytvářející průchozí kanály pro tažné vzpěry. Průchody 52 mají obecně kruhový průměr a přímou osu. Osy průchodů 52 jsou obecně v rovině definované oválnou cívkou, které průchod odpovídá. Kromě toho je osa průchodu 52 kolmá na ty postranní části cívky, ke kterým je připojena tažná vzpěra jdoucí průchodem. Dále je průměr průchodu 52 dostatečně velký, aby tažné vzpěry nepřišly do kontaktu s rotorem. Zamezení kontaktu mezi tažnými vzpěrami a rotorovým jádrem minimalizuje vedení tepla z jádra rotoru přes tažné vzpěry do chlazeného supravodivého vinutí cívky.

Průchody 52 mohou být kolmé na postranní částí 40 cívky. Pro ty tažné vzpěry, které se rozpínají mezi protilehlými postranními částmi téže cívky, jsou odpovídající průchody 52 v téže rovině jako tato cívka. Pro ty tažné vzpěry, které se rozpínají mezi dvojicí cívek, mohou být odpovídající průchody 52 kolmé na rovinu obou cívek a vedou hřebeny 50 jádra rotoru. Počet průchody 52 a jejich umístění bude záviset na umístění vysokoteplotních supravodivých cívek a na počtu krytů cívek (obr.4) potřebných pro nesení postranních částí cívek.

Jak je znázorněno na obr.4, koncové části 42 každého z dvojice vinutí 34 cívky přiléhají k protilehlým koncům jádra rotoru. Rozdělená svěrka 54 (obr.4) drží koncovou část vinutí cívky. Rozdělená svěrka 54 zahrnuje dvojici desek mezi nimiž jsou vloženy koncové části cívky. Rozdělená svěrka 54 může být zhotovena z nemagnetického materiálu jako je Inconel X718. Stejné nebo podobné materiály mohou být použity pro vytvoření tažných vzpěr a jiných částí nosného systému. Nosný systém je s výhodou nemagnetický, takže si uchovává tažnost při kryogenních teplotách, zatímco feromagnetické materiály se stávají při teplotách pod teplotou Curieova přechodu křehké a nelze je použít pro konstrukce nesoucí zátěž.

Rozdělená svěrka 54 na každém konci vinutí cívky zahrnuje dvojici protilehlých desek 56, mezi něž je vložena koncová část 42

	4	•	• · 4	4	•	4
	444	4	* 44	4	4
• 4	• 4	44	• 4	• 4	444

cívky. Povrchy desek 56 svěrky jsou opatřeny kanály 58 pro uložení koncových částí vinutí cívky. Rozdělená svěrka 54 může být nesena nákružkem (není zakreslen) nebo jinou konstrukcí, která přidržuje svěrku k jádru rotoru a umožňuje, aby svěrka nesla koncové části vysokoteplotních supravodivých cívek.

Přípojky 39 elektřiny a chladícího média (na obr.3 a 4 jsou uvedeny pouze elektrické přípojky) k cívkám jsou v koncových částech 42 cívky. Elektrické připojení k cívce za účelem elektrického spojení s rotujícími cívkami na rotoru je provedeno u koncové části nejblíže ke koncovému hřídeli majícímu kolektor (nezakresleno). Připojení chladícího média je na protilehlé koncové části každého vinuti cívky, takže kryogenní chladící kapalina může proudit do cívek a odvádět z cívek teplo v chladící kapalině, která cirkuluje zpět z cívek do chladícího systému.

Postranní části 40 oválné vysokoteplotní supravodivé cívky 31 jsou neseny řadou tažných vzpěr 62, které procházejí průchody 52 v tělese jádra rotoru. Tažné vzpěry jsou nemagnetické, přímé tyče, které vedou mezi protilehlými postranními částmi téže cívky nebo mezi postranními částmi dvou cívek. Tažná vzpěra může být vytvořena z nemagnetických slitin s vysokou pevností, jako je Inconel X718. Tažné vzpěry mají na každém konci spojení s krytem 64 ve tvaru profilu U, který drží vinutí cívky. Kryty ve tvaru profilu U a tažné vzpěry zajišťují nastavení mechanického napětí působícího na postranní části vinutí cívky.

Nosníky vinutí cívky drží toto vinutí na rotoru a podpírají vinutí proti odstředivým silám a vibracím způsobeným otáčením rotoru a chodem elektrického stroje. Nosníky vinutí cívek zahrnuji tažné vzpěry, které procházejí rotorem a svěrky na vinutí cívky na obou koncích vzpěry. Tažné vzpěry nesou cívku zejména dobře vzhledem k odstředivým silám, protože vzpěry jdou v podstatě radiálně k vinuti cívky Každá tažná vzpěra je tyč, která je spojitá v podélném směru a

00« 0 · ’··’ 0 · ’ 0

00« 0000 000 • 00 00 00 *0 00 0000 v rovině oválné cívky. Podélná spojitost tažných vzpěr zajišťuje cívkám příčnou tuhost, což je pro rotor dynamicky výhodné.

Příčná tuhost navíc dovoluje integraci nosníku cívky s cívkami, takže cívka může být s nosníkem smontována před konečnou montáží rotoru. Toto předsestavení cívky a nosníku cívky zkracuje výrobní cyklus, zlepšuje kvalitu nosníku cívky a zmenšuje odchylky při montáži cívky. Oválná cívka je nesena řadou tažných členů, které se rozpínají mezi dlouhými stranami cívky. Tažné vzpěry jako nosné členy cívky jsou s cívkou předem smontovány.

Vysokoteplotní supravodivá cívka a konstrukční nosné součásti jsou na kryogenní teplotě. Naproti tomu jádro rotoru je na „horké“ teplotě okolí. Nosníky cívky jsou potenciálními zdroji vedení tepla, což by mohlo dovolit ohřev vysokoteplotních supravodivých cívek z rotoru. Rotor se během chodu ohřívá. Protože cívky jsou udržovány v podmínkách přechlazení, je nutné zamezit přivádění tepla do cívek. Vzpěry procházejí otvory, například průchody v rotoru, ale nejsou s rotorem v kontaktu, což zamezuje vedení tepla z rotoru do tažných vzpěr a cívek.

Pro snížení pronikání tepla do cívky je nosník cívky minimalizován, aby se snížilo vedení tepla přes nosník ze zdrojů tepla, jako je jádro rotoru. Obecně existuji dvě kategorie nosníků pro supravodivé vinutí: (i) „teplé“ nosníky a (ii) „studené“ nosníky. U teplých nosníků je nosná konstrukce tepelně izolována od chlazeného supravodivého vinutí. U teplých nosníků je většina mechanického zatížení cívky nesena konstrukčními členy rozpínajícími se od studených členů k teplým členům.

U studeného nosného systému je nosný systém na nebo blízko kryogenní teploty supravodivých cívek. U studených nosníků je většina mechanického zatížení supravodivé cívky nesena konstrukčními členy, které jsou na nebo blízko kryogenní teploty. Zde uvedený příklad * *φφ ϊ ϊ ’··’ i ϊ ’ ϊ ♦ ♦ φ φφφφ · · φ ··· ·· ΦΦ ·Φ φ· «φ·· nosného systému cívky jsou studené nosníky, kde jsou tažné vzpěry a přináležející kryty, které spojují tažné vzpěry s vinutím supravodivých cívek, udržovány na nebo blízko kryogenní teploty. Protože jsou nosné členy studené, jsou tyto členy tepelně izolovány, například bezdotykovými průchody jádrem rotoru, od jiných „horkých“ součástí rotoru.

Jednotlivý nosný člen sestává z tažné vzpěry 62. z krytu 64 ve tvaru profilu U a ze spojovacího kolíku 66., který spojuje kryt s koncem tažné vzpěry. Každý kryt 64 ve tvaru profilu U je držák tvaru U mající ramena pro připojení k tažné vzpěře a profil tvaru II pro uložení vinutí 34 cívky. Kryt ve tvaru U dovoluje přesnou a pohodlnou montáž nosného systému pro cívku. Kryty ve tvaru profilu U společně rozkládají síly, které působí na cívku, například odstředivé síly, v podstatě přes celé postranní části 40 každé cívky.

Kryty 64 ve tvaru profilu U společně prodlužují délku každé postranní části 40 vysokoteplotních supravodivých cívek 34. Kryty ve tvaru profilu U zabraňují postranním částem 40 cívek v nadměrném pružení a ohýbání způsobeném odstředivými silami. Nosiče cívek nezabraňují tepelnému rozpínání a smršťování cívek, které vzniká během normálního chodu plynové turbiny se starty a zastaveními. Tepelné rozpínání způsobuje prodlužování a zkracování postranních částí, které se takto podélné posunují vzhledem k nosnému systému.

Přenos odstředivého zatížení od konstrukce cívky do nosné vzpěry se děje přes kryt ve tvaru U, který je umístěn kolem vnějšího povrchu cívky a postranních přímých částí a je spojen spojovacím kolíkem 66 ke konci 68 tažné vzpěry s velkým průměrem. Kryty ve tvaru U jsou vytvořeny z lehkého, vysoce pevného materiálu, který je při kryogenních teplotách tvárný. Typické materiály pro kryty cívek ve tvaru profilu U jsou hliník, Inconel nebo slitiny titanu, které jsou nemagnetické. Tvar U-krytu může být optimalizován pro dosažení nízké váhy.

	• ··«	4 0·· 4 0 40	4 4	• 0	•
• 0		• 0 ··		0·	• 00

Spojovací kolík 66 krytu ve tvaru U a tažné vzpěry může být dutý, aby byl lehký. Na koncích spojovacího kolíku jsou našroubovány nebo připevněny pojistné matice nebo kolíky, pro zajištění stran U-krytu před roztahováním do stran při zatížení. Spojovací kolík může být vyroben z vysoce pevných slitin niklu (Inconel) nebo titanu. Tažné vzpěry jsou vyrobeny s konci 68 o větším průměru, které jsou obrobeny se dvěma plochými povrchy 70 na koncích, které odpovídají U-krytu a šířce cívky. Tyto ploché konce 70 tažných vzpěr dosedají na vnitřní povrch vysokoteplotních supravodivých cívek, když jsou vzpěra, cívka a kryt spojeny dohromady. Tato konstrukce snižuje koncentraci napětí v oblasti otvoru v tažné vzpěře, do kterého se vkládá spojovací koíík.

Tažné vzpěry 72 vedoucí mezi sousedícími cívkami jsou rovněž připojeny ke krytu 64 ve tvaru profilu U. Tyto tažné vzpěry zajišťují konstrukční základ pro vzájemné vyztužení dvojice cívek. Tažné vzpěry 72 jsou vloženy do zásuvek 76 na stranách každého kanálového krytu. Pro zajištění tažné vzpěry 72 ke straně kanálového krytu lze použít pojistný kolík 74.

Nosný systém cívky sestávající z tažných vzpěr 62. krytů 64 ve tvaru profilu U a rozdělené svěrky 54 je možné sestavit, když je na jádro 22 rotoru namontováno vinutí 34 vysokoteplotní supravodivé cívky. Ve skutečnosti je nosný systém cívky do velké míry prostředek, kterým jsou vinutí vysokoteplotní supravodivé cívky připevněna k jádru rotoru. Konstrukce z tažných vzpěr a krytů ve tvaru profilu U je dostatečná pro to, aby nesla vinutí cívek a držela je na místě vzhledem k jádru rotoru.

Vinutí 34 cívky může být od statorem indukovaného magnetického toku odstíněno vodivým válcem kolem jádra rotoru. Kromě toho může být vinutí cívky ve vakuu, za účelem izolace vinutí od tepla rotoru. Vakuum může být vytvořeno válcovou vakuovou nádobou kotem jádra rotoru.

• t 4 • ♦»·	4 *	4 4 4 • 4»	• •	4 4 W 4 4
444 44	4«	44	• 4	4444

Obr.5 představuje schematický pohled na dvojitou sedlovou cívku 100 připevněnou k rotoru 20. Každá ze sedlových cívek má obdobnou konstrukci jako oválné vinutí na obr.2, kdy je každá cívka vytvořena z navinuté supravodivé cívky 36 a má chladící kanál 38 pro udržování cívky na kryogenních teplotách. Sedlové cívky mají dlouhou postranní část 140, která zapadá do podélné drážky 102 v jádru rotoru. Drážky se táhnou po celé délce jádra 22 rotoru a jsou každá na protilehlé straně jádra 22. Sedlové cívky mají koncové části 154. které jsou v blízkosti konců 56 jádra 22 rotoru. Každá ze sedlových cívek takto prochází dvojicí drážek v jádru a ovíjí konce jádra. Stínění 90 kryje cívky, zajišťuje pro ně vakuum a je vodivé, takže zabraňuje elektromagnetickým polím ze statoru v pronikání do citlivých cívek.

Na obr.6 je schéma krytu 144 cívky pro dvojitou sedlovou cívku 100. Kryt 144 cívky je podobný jako kryt 44 pro vinutí oválné cívky s tou výjimkou, že sedlový kryt 144 se nasazuje přes dvojici vinutí. Sedlový kryt má dvojici ramen 150. každé s otvorem 152 pro vložení kolíku 180. Kolík 180 spojuje kryt 144 s tažnou vzpěrou 142, která prochází průchodem v jádru. Konec 186 tažné vzpěry je plochý a vytváří nosný povrch pro strany sedlových cívek přivrácené k jádru.

I když byl vynález popsán pro provedení, které je v současné době považováno za nejpraktičtější a nejvýhodnější, je zřejmé, že vynález není tímto provedením limitován, ale naopak lze očekávat, že pokryje těleso a vinutí cívky mající postranní části přilehlé k plochým povrchům.

99 *	* 9	9 «	9	9	9 9
	• 9	«9	•	9	•
					•
* 9 9	9 9	♦ 9	•	9	9
9·« ♦ ·	99	99	• 9		*999

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Rotor pro synchronní stroj (10) obsahující jádro (22) rotoru a osu (20) rotoru, pár vinutí (34, 100) supravodivé cívky připevněných na jádro (22) rotoru, kde každé z těchto vinuti (34, 100) je v příslušné rovině rovnoběžné s osou (20) rotoru a je od ní posunuté.
2. Rotor podle nároku 1 vyznačující se tím, že supravodivé cívky (34) jsou oválného tvaru.
3. Rotor podle nároku 1 vyznačující se tím, že každá ze supravodivých cívek (34, 100) má dvojici protilehlých postranních částí (40), které jsou rovnoběžné s osou (20) rotoru a dvojici koncových částí (42) přilehlých ke konci jádra (22) rotoru.
4. Rotor podle nároku 1 vyznačující se tím, že jádro (22) rotoru má povrchy (44) s vybráním, které jdou podélně podél jádra (22) rotoru a jsou na nich uložena vinutí (34, 100) cívky.
5. Rotor podle nároku 1 vyznačující se tím, že supravodivé cívky (34, 100) zahrnují vysokoteplotní supravodivý vodič (36) jdoucí kolem celé cívky.
6. Rotor podle nároku 1 vyznačující se tím, že dále obsahuje tažné vzpěry (72) jdoucí mezi vinutími cívky a spojující tato vinutí cívky.
7. Rotor podle nároku 1 vyznačující se tím, že dále obsahuje vodící vzpěry (72) jdoucí mezi vinutími cívky a spojující je a procházející průchody (52) v jádru (22) rotoru.
8. Rotor podle nároku 1 vyznačující se tím, že dále obsahuje tažné vzpěry (72) jdoucí mezi vinutími (34) cívky a spojující je, kde tyto tažné vzpěry (72) jsou kolmé k příslušné rovině cívek.

4t • 44* • · » v w 4 v 4 v * • • 4 • 4 4 « <•4 44 4 4 44 4 4 44 4 44 4 4 44*4
9. Rotor podle nároku 1 vyznačující se tím, že jádro (22) rotoru je železné.
10. Rotor podle nároku 1 vyznačující se tím, že jádro (22) rotoru zahrnuje hřeben (50) oddělující vinutí cívek.
11. Rotor podle nároku 1 vyznačující se tím, že dále obsahuje tažné vzpěry (62) rozpínající se mezi a připojené k protilehlým postranním částem každé z cívek (34), a tažné vzpěry (72) rozpínající se mezi a připojené k oběma cívkám (34).
12. Rotor podle nároku 1 vyznačující se tím, že vinutí (34, 100) cívek jsou na protilehlých stranách osy (20) rotoru a rovina každé z cívek (34, 100) je stejně vzdálena od osy (20) rotoru.
13. Rotor podle nároku 1 vyznačující se tím, že roviny každého z vinutí (34, 100) cívek jsou navzájem rovnoběžné a osa (20) rotoru je mezi těmito rovinami.
14. Rotor podle nároku 1 vyznačující se tím, že cívky jsou sedlové cívky (100).
15. Rotor podle nároku 14 vyznačující se tím, že dále obsahuje kryty (144) sedlových cívek (100), kde v každém z nich je uložena postranní část obou cívek.
16. Rotor (14) pro synchronní stroj (10) obsahující jádro (22) rotoru mající osu rotoru a povrchy (44) s vybráním jdoucí podélně podél jádra (22) rotoru, první a druhé supravodivé vinutí (34, 100) cívky připevněné na jádro (22) rotoru, kde každé z těchto vinutí (34, 100) cívky leží v rovině rovnoběžné s osou (20) rotoru a je od ni posunuté, množinu prvních tažných vzpěr (62) rozpínajících se mezi a spojujících protilehlé postranní části každého z vinutí (34, 100) cívky, a množinu druhých tažných vzpěr (72) rozpínajících se mezi a spojujících obě vinutí (34, 100) cívky.

• « ··« a » e 4 a · 4 ··· 4« *4 «4 44 ·4·<
17. Rotor podle nároku 16 vyznačující se tím, že dále obsahuje množinu krytů (70) ve tvaru profilu U, kde každý z nich nese sekci postranní části vinutí cívky a je spojen s koncem jedné z prvních tažných vzpěr (62) a jedné z druhých tažných vzpěr (72).
18. Rotor podle nároku 17 vyznačující se tím, že kryt (70) ve tvaru profilu U tvoří kryt, který kryje celou postranní část.
19. Rotor podle nároku 17 vyznačující se tím, že první a druhé tažné vzpěry (62, 72) procházejí příslušnými průchody (52) v jádru (22) rotoru.
20. Rotor podle nároku 16 vyznačující se tím, že cívky jsou sedlové cívky (100).
21. Rotor podle nároku 20 vyznačující se tím, že dále obsahuje kryty (144) sedlových cívek, kde v každém z nich je uložena postranní část obou cívek.