CZ20021673A3

CZ20021673A3 - Vysokoteplotní supravodivý synchronní rotor s elektromagnetickým stíněním a způsob jeho montáľe

Info

Publication number: CZ20021673A3
Application number: CZ20021673A
Authority: CZ
Inventors: Yu Wang; Robert John Nygard; Evangelos Trifon Laskaris; John Arthur Urbahn
Original assignee: General Electric Company
Priority date: 2001-05-15
Filing date: 2002-05-14
Publication date: 2003-01-15
Also published as: CA2385651A1; JP4111746B2; NO20022302D0; EP1258973A3; JP2003070228A; NO20022302L; CN1385945A; BR0201716A; MXPA02004833A; US6590305B2; KR100900602B1; NO333515B1; KR20020087356A; CA2385651C; EP1258973A2; PL353905A1; CN1303746C; US20020171320A1

Description

Oblast techniky

Stávající vynález se všeobecně vztahuje k supravodivé cívce v synchronním točivém stroji. Podrobněji se stávající vynález vztahuje k elektromagnetickému stínění pro rotor mající supravodivé budicí vinutí.

Dosavadní stav techniky

Synchronní elektrické stroje, které mají vinutí budících cívek zahrnují rotační generátory, rotačními motory a lineární motory, ale nejsou na tuto skupinu omezeny. Tyto stroje obecně zahrnují stator a rotor, jež jsou elektromagneticky spojeny. Rotor může obsahovat rotorové jádro s více póly a jedno nebo více cívkových vinutí, namontovaných na rotorovém jádru. Rotorová jádra mohou obsahovat magneticky permeabilní pevný materiál, jako například rotor se železným jádrem.

V rotorech synchronních elektrických strojů se běžně používá obyčejné měděné vinuti. 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. Tato vysoká magnetická pole ve vzduchové mezeře dávají zvýšené výkonové hustoty elektrických strojů a mají za následek významné snížení váhy a velikosti stroje. Supravodivé rotory bez železného jádra vyžadují velká množství supravodivého drátu. Velká množství supravodivého drátu zvyšují počet požadovaných cívek, složitost nosníků cívek a cenu vinutí supravodivých cívek a rotoru.

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

Supravodivé cívky jsou chlazeny tekutým héliem. Po průtoku vinutím rotoru se horké, použité hélium vrací jako plynné hélium s pokojovou teplotou. 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 pomocnou energii.

Původní 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.

• Λ

4 * 4 ·

• 4* · 44 4· • · 44 4 4

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 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 při generaci energie. Tyto stavy překročení rychlosti podstatně zvyšují zátěž vinutí odstředivou silou oproti normálním pracovním podmínkám.

Supravodivé cívky použité jako vysokoteplotní supravodivé 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 supravodivé cívky řádně uloženy v rotoru pomocí nosného systému cívek. Tyto nosné systémy drží supravodivé cívky (cívku) ve vysokoteplotním supravodivém rotoru a chrání cívky před obrovskými odstředivými silami, danými otáčením rotoru. Nosný systém cívek navíc supravodivé cívky chrání a zajišťuje, že se cívky předčasně 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;

• · » 4 • · 4 *4 · « 44 «44 4 • 4 · 4 4 · • 4*4 4 4 4 ·

4 4 4 4 •· 4« 4* 4444

5,777,420; 6,169,353 a 6,066,906. Tyto nosné systémy cívek ale vykazují různé problémy, jako například vysoká cena, složitost a nutnost velkého počtu součástek. Existuje tedy dlouho pociťovaná potřeba vysokoteplotního supravodivého rotoru, který má nosný systém cívky pro supravodivou cívku. Rovněž existuje potřeba realizace nosného systému cívky, který je vytvořen z levných a snadno vyrobitelných součástek.

Podstata vynálezu

Konstrukční nosníky pro vysokoteplotní supravodivé vinutí budící cívky byly jedním z primárních problémů při začleňování supravodivých cívek do rotorů. Konstrukce musí nést vinutí supravodivé cívky bez přivádění značného tepla do vinutí. Konstrukce nosníku cívky byla minimalizována tak, aby se redukovala hmota, které vede teplo z jádra rotoru do chlazených supravodivých vinutí. Minimalizace nosníků cívek ale také limituje úroveň sil, které mohou nosníky vydržet. Pokud síly působící na rotor překračují sílu, kterou jsou nosníky cívek schopny vydržet, nastává podstatné riziko, že se tyto nosníky cívek poškodí nebo že se zničí vinutí cívky.

Potenciální zdroj sil, které působí na rotor, je točivý moment daný poruchami sítě. Vysokoteplotní supravodivý generátor, který má supravodivé vinutí budící cívky, je citlivý na elektrické poruchy sítě. Porucha sítě je proudová špička v síti energetické soustavy, ke které je připojen stator stroje. V poruchovém stavu sítě teče do statoru nadměrný proud. Tento proud způsobuje elektrickou poruchu ve vinuti statoru, která indukuje silný přechodový magnetický tok do vinutí budící cívky rotoru.

Potenciální proniknutí přechodového magnetického pole do vinutí budící cívky rotoru vytváří na tomto vinutí cívky rotoru významné točivé

0000 00 * » 000 0 000 000 0 0 00 00 0 000 *00« *0 00 *0 00 0000 síly a vyvolává ohřívání hysterezními a vířivými proudy (ztráty střídavým proudem) supravodivého budícího vinutí, což může mít za následek ztrátu supravodivosti. Kromě toho sníženi pronikání těchto cizích magnetických polí sníží ztráty střídavým proudem v supravodiči a uchová supravodivý stav v budícím vinutí rotoru. Minimalizace sil, které působí na rotor dovoluje zjednodušení konstrukce nosného systému cívky. Zmenšení točivého momentu rotoru daného poruchami sítě a jinými mimořádnými změnami elektrického pole obklopujícího rotor umožňuje minimalizaci konstrukce nosníků cívek.

Stínění rotoru zabraňuje interferenci magnetického toku ze statoru s rotorem. Není-li vinutí budící cívky rotoru dobře stíněno, musí být nosič cívky vyztužen, aby snesl poruchový točivý moment. Elektromagnetické stínění zabraňuje pronikání magnetického toku ze statoru do rotoru, což je důležitější pro supravodivé stroje než pro běžné stroje.

Elektromagnetické stínění může překrývat téměř celý povrch jádra rotoru. Pro zajištění elektromagnetické ochrany rotoru je užitečný válcový tvar stínění. Elektromagnetické stínění může rovně sloužit jako hranice vakua pro supravodivé cívky. Tato hranice vytváří vakuum kolem vinutí supravodivé cívky. Elektromagnetické stínění může být realizováno z vysoce elektricky vodivého materiálu jako je měď nebo hliník.

Vysokoteplotní supravodivý rotor může být pro synchronní stroje navrhované od počátku tak, že budou obsahovat supravodivé cívky. Alternativně může vysokoteplotní supravodivý rotor nahradit rotor s měděnými cívkami v existujícím elektrickém stroji, jako je tomu u běžného generátoru. Rotor a jeho supravodivé cívky jsou zde popsány v souvislosti s generátorem, ale rotor s vysokoteplotními supravodivými cívkami je také vhodný pro užívání v jiných synchronních strojích.

• · 4 4 4 4

44

4·· 4 4 4 • · 4 4 · • · 4 4

4 4 « 4

444 44

Nosný systém cívky je užitečný při integrování nosného systému cívky s cívkou a rotorem. Kromě toho nosný systém cívky usnadňuje jednoduchou předběžnou montáž nosného systému cívky, cívky a jádra rotoru ještě před konečnou montáží rotoru. Předběžná montáž snižuje čas sestavení cívky a rotoru, zlepšuje kvalitu nosníku cívky a redukuje odchylky při montáži cívky.

V prvním provedení je vynálezem rotor pro synchronní stroje, obsahující: jádro rotoru, vinutí supravodivé cívky rozprostírající se kolem alespoň části jádra rotoru, přičemž vinutí cívky má pár postranních částí na protilehlých stranách jádra rotoru a vodivé stínění kolem jádra rotoru, které pokrývá vinutí cívky.

V jiném provedení je vynálezem způsob stínění vinutí supravodivé cívky na jádru rotoru synchronního stroje, obsahující kroky: montáž vinutí cívky a jádra rotoru, připevnění konců jádra k nákružku koncových hřídelí vedoucích koaxiálně s jádrem a instalaci vodivého stínění kolem jádra rotoru, kde stínění překrývá každý z nákružků.

Jiným provedením vynálezu je rotor pro synchronní stroj, který obsahuje: jádro rotoru mající průchod kolmý na podélnou osu rotoru, vinutí oválné supravodivé cívky plochého oválného tvaru rovnoběžné s podélnou osou rotoru, tažnou vzpěru uvnitř průchodu jádra, kryt připojující vinutí cívky k tažné vzpěře a elektromagnetické stínění kolem jádra rotoru.

Přehled obrázků na výkresech

Příklad provedení vynálezu je popsán pomocí přiložených výkresů ve spojení s popisem vynálezu.

Obr. 1 je schématický bokorys synchronního elektrického stroje, které má supravodivý rotor a stator.

· 0 · 0 000 0 0 0 0 0 00 0 00· 0 000 0 0 0 0 000 00 0 000 • 000 ·0 00 00 0· 0000

Obr. 2 je perspektivní pohled na příklad oválného supravodivého vinutí cívky.

Na obr.3 až 6 jsou uvedeny rozložené pohledy na součástky vysokoteplotního supravodivého rotoru.

Na obr.7 až 10 jsou pohledy v řezu na různá provedení elektromagnetického stínění pro rotor.

Příklady provedení vynálezu

Obr.1 zobrazuje příkladný synchronní generátor 10, který má stator 1_2 a rotor 14. Rotor 14 obsahuje vinutí cívek, které je uloženo do válcové vakuové rotorové dutiny 16 statoru. Rotor 14 je uložen do válcové vakuové rotorové dutiny 16 statoru. Když se rotor 14 otáčí uvnitř statoru 12. magnetické pole 18 (vyznačeno tečkovanými čarami) generované rotorem a cívkami rotoru se pohybuje/otáčí přes stator a vytváří ve vinutí 19 cívek statoru elektrický proud. Tento proud vystupuje z generátoru jako elektrická energie.

Rotor 14 má obecně podélně jdoucí osu 20 a obecně pevné jádro rotoru 20. Toto pevné jádro 22 má vysokou magnetickou permeabilitu a je obyčejně vyrobeno z feromagnetického materiálu, jako je železo. V supravodivém strojí s nízkou výkonovou hustotou je železné jádro rotoru použito ke snížení magnetomotorícké síly a tudíž k minimalizaci množství supravodivého drátu, který je potřebný pro vinutí cívky. Například, pevné železné jádro rotoru může být magneticky nasyceno v magnetickém poli vzduchové mezery o síle zhruba 2 Tesla.

Rotor 14 nese alespoň jedno podélně uložené vysokoteplotní supravodivé oválné vinutí 34 cívky (viz. obr. 2). Vysokoteplotní supravodivé vinutí cívky může být alternativně sedlovitého tvaru nebo může mít nějaký jiný tvar, který je vhodný pro konkrétní návrh »

vysokoteplotního supravodivého rotoru. Nosný systém cívky je zde popsán pro supravodivé oválné vinuti cívky. Nosný systém cívky může být upraven pro konfigurace cívky jiné než je oválná cívka, připevněná na pevné jádro rotoru.

Rotor má pár koncových hřídelí 24, 30, které podpírají jádro 22 a jsou neseny ložisky 25. Kolektorový koncový hřídel 24 může obsahovat kolektorové kroužky 78 pro elektrické spojení s vinutím rotující supravodivé cívky. Kolektorový koncový hřídel 24 má také kryogenní přenosovou spojku 26 na zdroj kryogenní chladící kapaliny, používané k chlazení supravodivého vinutí cívky v rotoru. Kryogenní přenosová spojka 26 obsahuje stacionární segment spojený se zdrojem kryogenní chladící kapaliny a rotační segment, který zajišťuje chladící kapalinu pro vysokoteplotní supravodivou cívku. Hnací koncový hřídel 30 může být poháněn hnací turbinou pomocí spojky 32.

Obr. 2 ukazuje příkladné vysokoteplotní supravodivé vinutí 34 oválné budící cívky. Supravodivá vinutí 34 budící cívky rotoru obsahují vysokoteplotní supravodivou cívku 36. Každá supravodivá cívka obsahuje vysokoteplotní supravodivý vodič, jako například BSCCO (Bi_xSr_xCa_xCu_xO_x) vodiče laminované do pevného závitového kompozitu impregnovaného epoxidem. Řadu BSCCO 2223 drátů je například možné laminovat, spojit dohromady a svinout do pevné cívky impregnované epoxidem.

Supravodivý drát je křehký a lehce poškoditelný. Supravodivá cívka je typická vrstveně vinutá páska, která je impregnovaná epoxidem. Supravodivá páska je navinuta do přesné cívkové formy, aby se dosáhlo malých rozměrových tolerancí. Páska je navinutá dokola ve spirále, aby se vytvořila oválná supravodivá cívka 36.

Rozměry oválné cívky jsou závislé na rozměrech jádra rotoru. Obecné každá supravodivá oválná cívka obklopuje magnetické póly jádra rotoru a je paralelní s osou rotoru. Vinutí cívky je spojité v celém »» v v w · 4 » 4 4 4 • 444 44 4

4 444 4 4 4 4

4 4 4 4 4

44 44 4444 proudu bez Tato cívka • · » 4 • 4 * • · · • 4 4 ««44 ·« tvaru cívky. Supravodivé cívky vytváří cestu elektrického odporu okolo jádra rotoru a mezi magnetickými póly jádra má elektrické kontakty 79, které elektricky spojují cívku s kolektorovými kroužky 78.

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 k cívce a z této cívky odstraňují teplo. 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 na jednom konci rotorového jádra vstupní a výstupní kapalinové otvory 39 a 41. Tyto kapalinové (plynové) otvory 39. 41 spojují chladící kanály 38 na supravodivé cívce s kryogenní přenosovou spojkou 26.

Každé vysokoteplotní supravodivé vinutí 34 oválné cívky má pár obecně rovných postranních částí 40. které jsou rovnoběžné s osou 20 rotoru a pár koncových částí 54, které jsou na osu rotoru kolmé. Postranní části cívky jsou vystaveny největším odstředivým silám. Tyto postranní části jsou tudíž podpírány nosným systémem cívky, který paralyzuje odstředivé síly působící na cívku.

Obr. 3 ukazuje rozložený pohled na jádro 22 rotoru a na nosný systém cívky pro vysokoteplotní supravodivou cívku. Tento nosný systém obsahuje tažné vzpěry 42, které jsou připojeny ke krytům 44 ve tvaru profilu U. Kryty 44 drží a nesou postranní části 40 vinutí 34 cívky v rotoru. I když je na obr. 3 zobrazena jedna tažná vzpěra 42 a kryt 44 ve tvaru profilu U, bude nosný systém cívky obecně zahrnovat řadu tažných vzpěr 42. kde každá z nich má na obou koncích nosné kryty cívky. Tažné vzpěry 42 a kryty 44 ve tvaru profilu U předcházejí poškození vinutí cívky během chodu rotoru, podpírají vinutí cívky s ohledem na odstředivé a jiné síly a zajišťují ochranné stínění pro vinutí cívky.

·· • · a • a ·· »» at • · · · a · · a • · * a · a a · a a » · · a · · a·· a a a · • •••a a · a a ··· aa a· »· ·· «aaa

Hlavní zátěž vinutí vysokoteplotní supravodivé cívky 34 v rotoru s železným jádrem pochází z odstředivého zrychlení během otáčení rotoru. Pro neutralizaci odstředivých sil cívky je potřeba efektivní nosná konstrukce. Nosník cívky je potřeba obzvláště podél postranních částí 40 cívky, na které působí největší odstředivé zrychlení. Pro podpírání postranní části cívky se tažné vzpěry 42 rozpínají mezi částmi cívky a jsou připojeny ke krytům 44 cívky, které sevřou protilehlé části cívky.

Tažné vzpěry procházejí průchody 46, například otvory, v jádru rotoru tak, že se tažné vzpěry mohou rozepnout mezi postranními částmi stejné cívky nebo mezi sousední cívky.

Průchody 46 jsou obecně válcovité kanály v jádru rotoru, které mají přímé osy. Průměr průchodů je v podstatě konstantní, vyjma konců biízko povrchů rotoru opatřených vybráním. Na koncích se mohou průchody 46 rozšířit do většího průměru, aby se přizpůsobily izolační trubici 52. která zajišťuje kluznou dosedací plochu a tepelnou izolaci mezi jádrem 22 rotoru a tažnou vzpěrou 42.

Osy průchodů 46 jsou obecně v rovině definované oválnou cívkou. Kromě toho jsou osy průchodů 46 kolmé na postranní části cívky, ke kterým jsou připojeny tažné vzpěry 42, procházející průchody 46.

Navíc jsou v uvedeném provedení průchody 46 ortogonální k ose rotoru *

a přetínají ji. Počet průchodů 46 a jejich umístění záleží na umístění vysokoteplotních supravodivých cívek a na počtu krytů cívek (obr.3 a 4) potřebných k nesení postranních částí cívek.

Tažné vzpěry nesou cívku zejména dobře vzhledem k odstředivým silám, protože vzpěry jdou v podstatě radiálně k vinutí cívky. Každá tažná vzpěra je tyč, která je spojitá v podélném směru a 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 předsestaveni cívky a nosníku cívky zkracuje výrobní cyklus, zlepšuje kvalitu nosníku cívky a ·· ·» «» ·· ·· ·· • · · · · k · · t » · • · « «··· » · · * · · · · · ··· · · * · ·*··· · · · · ···· ·· ·· ·· ·« ·«·* 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.

Vinutí vysokoteplotní supravodivé cívky a konstrukční nosné součástí 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 prechlazeni, 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 existují 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 nosného systému cívky je studený nosník, 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.

«9 49 • · 9

9

9 9

99*9 9· • 9 «9

9 9

99

9 9 * 9 9 9 9 9 • 944 »99 9

9 9 9 « ·· «9 «« »9*9

Konkrétní nosný člen sestává z tažné vzpěry 42 (kterou může být tyč a pár šroubů na každém konci tyče), z krytu 44 cívky a ze spojovacího koliku 80, který spojuje kryt 44 s koncem tažné vzpěry 42. Každý kryt 44 je držák tvaru U mající ramena pro připojení k tažné vzpěře a kanál pro uložení vinutí 34 cívky. Kryt ve tvaru profilu U dovoluje přesnou a pohodlnou montáž nosného systému pro cívku. Podél strany vinuti cívky může být umístěna řada krytů vedle sebe. Kryty cívky společně rozkládají síly, které působí na cívku, například odstředivé síly, v podstatě přes celé postranní části 40 každé cívky.

Kryty 44 cívky zabraňují postranním částem 40 cívek v nadměrném pružení a ohýbání způsobeném odstředivými silami. Nosníky cívky nebrání cívce v podélném tepelném roztahování a smršťování, které vzniká během běžné činnosti plynové turbíny se spouštěním a zastavováním. Tepelné roztahování je primárně orientováno zejména v podélném směru postranních částí. Postranní části cívky se tedy mírně podéíně posouvají vzhledem ke krytu cívky a tažným vzpěrám.

Přenos odstředivého zatížení od konstrukce cívky do nosné vzpěry se děje přes kryt cívky, který je umístěn kolem vnějšího povrchu cívky a postranních přímých částí a je připojen spojovacími kolíky 80 ke konci tažné vzpěry 42 s velkým průměrem. Kryty 44 ve tvaru U jsou vytvořeny z lehkého, vysoce pevného materiálu, který je při kryogenních teplotách tvárný. Typické materiály pro kryty ve tvaru profilu U jsou hliník, inconel nebo slitiny titanu, které jsou nemagnetické. Tvar U-krytu může být optimalizován pro dosažení nízké váhy.

Spojovací kolík 80 prochází otvory v krytu cívky a tažné vzpěře. Tento kolík může být dutý, aby byl lehký. Na koncích spojovacího kolíku jsou našroubovány nebo připojeny pojistné matice (nejsou zobrazeny), aby bezpečně upevnily kryt ve tvaru U a zabránily stranám krytu v rozevírání při zátěži. Spojovací kolík 80 může být vytvořen z vysoce ’’ «ν ·» 0« 44 00

9« 0 0 9» · 4 04

-in ····*··»♦

I O 0 « 4 » · 0 404 4 0 4 · •••40 4*44

0040 40 90 44 (4 104 pevných slitin niklu (Inconel) nebo titanu. Tažné vzpěry jsou vyrobeny s konci o větším průměru (není zakresleno), které jsou obrobeny se dvěma plochými povrchy (není zakresleno) na koncích, které odpovídají U-krytu a šířce cívky. Když jsou vzpěra, cívka a kryt sestaveny dohromady, dosedají ploché konce 86 tažných vzpěr na tupo na vnitřní povrch vysokoteplotních supravodivých cívek. Tato sestava zmenšuje koncentraci namáhání v otvoru v tažné vzpěře, kterým prochází kolík.

Nosný systém cívky sestávající z tažných vzpěr 42, krytů 44 cívky a rozdělené svěrky 58 je možné sestavit s vinutím 34 vysokoteplotní supravodivé cívky při montáži na jádro 22 rotoru. Tažné vzpěry, kryty a rozdělená svěrka vytvářejí konstrukci, která je dostatečná pro to, aby nesla vinutí cívek a držela je na místě vzhledem k jádru rotoru.

Každá tažná vzpěra 42 prochází jádrem rotoru a může procházet ortogonálně přes osu 20 rotoru. Průchody 46 jádrem rotoru vytvářejí kanál, kterým jsou tažné vzpěry vedeny. Průměr průchodů je dostatečně velký, aby zamezil kontaktu horkých stěn rotoru se studenými tažnými vzpěrami. Zamezení tohoto kontaktu zlepšuje izolaci mezi tažnými vzpěrami a jádrem rotoru.

Jádro 22 rotoru je běžně vytvořeno z magnetického materiálu jako je železo, zatímco koncové hřídele rotoru jsou běžně vytvořeny z nemagnetického materiálu, jako je nerezavějící ocel. Jádro rotoru a koncové hřídele jsou obvykle samostatné součásti, které jsou sestaveny a bezpečně spojeny dohromady sešroubováním nebo svařením.

Železné jádro 22 rotoru má obecně válcový tvar 50 vhodný pro otáčeni v dutině rotoru 16 statoru 12. Pro umístění vinutí cívky má jádro rotoru vybrané povrchy 48. jako jsou ploché nebo trojúhelníkové oblasti nebo drážky. Tyto povrchy 48 jsou vytvořeny v zakřiveném povrchu válcového jádra a táhnou se podélně přes jádro rotoru. Vinutí 34 cívky je namontováno na rotoru přilehle s vybranými povrchy 48, Cívky se obvykle táhnou podél vnějšího povrchu vybrané oblasti a kolem konců ···* ···· ···· ·· ·· «« ···« jádra rotoru. Vinutí cívek je umístěno ve vybraných površích 48 jádra rotoru. Tvar vybrané oblasti odpovídá vinutí cívky. Pokud má například vinutí cívky sedlovitý nebo nějaký jiný tvar, vybrání v jádru rotoru budou upravena tak, aby se do nich umístilo vinutí daného tvaru.

Do vybraných povrchů 48 je umístěno vinutí cívky tak, že vnější povrch vinuti cívky opisuje obálku, definovanou otáčením rotoru. Vnější zakřivené povrchy 50 jádra rotoru vymezují při otáčení válcovou obálku.

Tato rotační obálka rotoru má v podstatě stejný průměr jako dutina 16 rotoru (viz. 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 je vinutí cívky rotoru s výhodou umístěno tak, že jde po celé obálce vytvořené rotorem a je tudíž odděleno od statoru pouze mezerou mechanické vůle mezi rotorem a statorem.

Koncové části 54 vinutí 34 cívky sousedí s opačnými konci 56 jádra rotoru. Rozdělená svérka 58 drží každou z koncových částí vinutí cívky v rotoru. Rozdělená svěrka 58 na každém konci 54 cívky obsahuje pár protějších desek 60, mezi kterými je vloženo vinutí 34 cívky. Povrch desek 60 svěrky obsahuje kanály 59 (není zobrazeno) pro uložení vinutí 34 cívky a elektrických přípojek 79 k vinutí.

Rozdělená svěrka 58 může být vytvořena z nemagnetického materiálu, jako je hliníková nebo niklová slitina. Stejné nebo podobné nemagnetické materiály mohou být použity k vytvoření tažných vzpěr, krytů cívek a jiných částí nosného systému cívky. Nosný systém cívky je s výhodou nemagnetický, takže zachovává poddajnost v kryogenních teplotách, jelikož feromagnetické materiály v teplotách pod teplotou • · * 4 • ·

Curieova přechodu křehnou a nemohou se použít pro konstrukce nesoucí zátěž.

• 44« • · 4 · · .

»44 4 4 · · • · 4 4 « ·· ·· 4· *··*

Rozdělená svěrka 58 je obklopena nákružkem 62. ale není s ním v kontaktu. Nákružek 62 je na každém konci jádra 22 rotoru, přestože je na obr. 3 ukázán pouze jeden. Nákružek 62 je silný disk z nemagnetického materiálu, jako je nerezová ocel, stejného nebo podobného materiálu, ze kterého jsou vyrobeny hřídele rotoru. Ve skutečnosti je nákružek 62 část hřídele rotoru. Nákružek 62 má drážku 64 kolmou k ose rotoru a dostatečně širokou pro umístění rozdělené svěrky 58. Horké boční stěny 66 drážky nákružku jsou od chladné rozdělené svěrky 58 odděleny, takže spolu nepřijdou do kontaktu.

Nákružek 62 může obsahovat diskovou oblast 68 s vybráním (která je rozdělena na poloviny drážkou 64), do které zapadne vystupující disková oblast 70 jádra rotoru (vystupující disková část, která má být vložena do protilehlého nákružku, je vidět na opačné straně jádra rotoru). Vložení vystupující diskové oblasti 70 na konci jádra rotoru do diskové oblasti 68 s vybráním zajišťuje uložení jádra 22 rotoru v nákružku 62 a napomáhá při vyrovnávání jádra 22 rotoru a nákružků 62. Kromě toho může mít nákružek 62 kruhové pole děr 72 pro šrouby procházejících podélně nákružkem 62 okolo okraje nákružku 62. Tyto díry 72 pro šrouby odpovídají závitovým děrám 74 pro šrouby, které procházejí částečně jádrem 22 rotoru. Těmito děrami 72. 74 procházejí šrouby 75 (viz obr.5) a bezpečně upevňují nákružek k jádru rotoru.

Elektrické průchody a průchody chladící kapaliny jsou stíněny tenkostěnnou trubkou 76, která vede podél osy 20 rotoru od jedné koncové části 54 cívky a nákružkem 62. Chladící průchody v trubce 76 spojují vstupní otvor 39 a výstupní otvor 41 chladícího kanálu 38 na vinutí cívky s kryogenní přenosovou spojkou 26. Elektrická přípojka 79 k cívce je na stejné koncové sekci cívky jako chladící přenosová spojka 26.

• · · • ·· · ·

Jádro 22 rotoru může být zapouzdřeno v kovovém válcovém stínění 90. které chrání vinutí 34 supravodivé cívky před vířivými proudy a jinými elektrickými proudy obklopujícími rotor a tvoří vakuovou obálku, jak je požadováno pro udržení tvrdého vakua kolem kryogenních součástí rotoru. Válcové stínění 90 může být vytvořeno z vysoce vodivého materiálu jako je měděná slitina nebo hliník.

Vinutí 34 supravodivé cívky je udržováno ve vakuu. Vakuum může být tvořeno stíněním 90. které může zahrnovat válcovou vrstvu nerezové oceli, která vytváří vakuovou nádobu kolem cívky a jádra cívky.

Aby stínění 90 vydrželo velké radiální síly, které mohou vzniknout, když se objeví poruchy sítě, je vytvořen nosný držák 124. Radiálním nosníkem může být pravoúhlá schránka, která se nasadí kolem stran 40 vinutí cívky a jde přes rozdělenou svěrku 58. Nosný držák 124 zahrnuje pár bočních stěn, které jsou spojeny na rybinu do drážky v povrchu s vybráním. Boční stěny vedou od povrchu 48 jádra rotoru ke stínění 90 a dávají obalu konstrukční pevnost.

Na obr.7 až 10 jsou v řezu různá provedení elektromagnetického stínění pro rotor. V prvním provedení elektromagnetického stínění je stíněním válcová slitina mědi, která obklopuje jádro 22 rotoru Konce stínění jsou natvrdo připájeny ke kroužkům z nerezové oceli. Natvrdo spájený spoj mezi měděným stíněním a kroužky z nerezové oceli může být proveden pájením natvrdo v peci. Alternativně může být použito spojení pájením na tupo nebo přeplátovaným svarem. Kroužky z nerezové oceli jsou připojeny, například přivařením, k nákružkům rotoru.

Ve druhém provedení uvedeném na obr.9 překrývá válcové měděné stíněni 96 těleso rotoru a alespoň část páru nákružků. Měděné stínění 96 je připojeno k nákružku 62 tak, že šrouby 98 spojují stínění s nákružky. Kromě toho je do vnitřku měděného stínění umístěn válec * « • « • ; · · · » ϊ · · · ♦·· · · • · · 9 9 ««

100 z nerezové oceli. Tento válec 100 z nerezové oceli tvoří vakuovou nádobu kolem jádra rotoru a vinutí supravodivé cívky. Vakuová nádoba z nerezové oceli může být s měděným stíněním natvrdo spájena.

V dalším provedení elektromagnetického stínění, které je zobrazeno na obr.10, je elektromagnetickým stíněním vodivý válec 102 vytvořený ze slitiny mědi nebo hliníku. Válec 102 vytváří elektromagnetické stínění a slouží jako vakuová nádoba pro vinutí supravodivé cívky. Vnitrní povrch stínění může mít přilehle k hraném nákružku prstencové okraje 104. Pružný O-kroužek 106 mezi nákružkem a okraji zajišťuje neprodyšné těsnění kolem okraje 104 za účelem udržení vakua. Stínění může být k nákružku přišroubováno.

Vnější vakuové stínění s vnitřním elektromagnetickým stíněním je uvedeno na obr.11. Válcové elektromagnetické stínění 108 ze slitiny mědi obklopuje rotor a nákružky 62. Elektromagnetické stínění může být k nákružkům 62 připevněno pomocí šroubů 98. Elektromagnetické stínění 108 je obklopeno válcovou vakuovou nádobou 109 z nerezové oceli, která může být k vnějšímu povrchu elektromagnetického stínění přilaminována.

Šrouby 75, které připevňují jádro 22 rotoru k nákružkům 62 jsou potenciálními cestami pro pronikání vzduchu do vakua vysokoteplotního supravodivého rotoru. Aby se zabránilo takovémuto pronikání vzduchu do rotoru přes šrouby, je přes díry šroubů na vnější straně nákružků navařeno vakuové stínění 110 z nerezové oceli. Tato vakuová stínění 110 jsou navařena tak, že mohou být snadno odstraněna, aby bylo možné vytáhnout šrouby a rozebrat rotor. Vakuové stínění pro šrouby rotoru může být tvořeno kroužkem, který překrývá díry pro šrouby v nákružcích.

Zatímco byl vynález popsán v souvislosti s tím, co je nyní považováno za nejvíce praktické a upřednostňované provedení, je třeba • · · • · · • ··· chápat, že tento vynález není omezen na zde zveřejněné provedeni, ale naopak zahrnuje všechna provedení v duchu přiložených nároků.

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Rotor v synchronním stroji vyznačující se tím, že zahrnuje jádro rotoru, vinutí supravodivé cívky rozprostírající se kolem alespoň části jádra rotoru, kde toto vinutí cívky má pár postranních částí na protilehlých stranách jádra rotoru, a vodivé stínění kolem jádra rotoru překrývající vinutí cívky.
2. Rotor podle nároku 1 vyznačující se tím, že vodivé stínění je válec, který je koaxiální s jádrem rotoru.
3. Rotor podle nároku 1 vyznačující se tím, že vodivé stínění je vytvořeno ze slitiny mědi nebo z hliníku.
4. Rotor podle nároku 1 vyznačující se tím, že dále obsahuje vakuovou nádobu přilaminovanou ke stínění a obklopující jádro rotoru.
5. Rotor podle nároku 1 vyznačující se tím, že stínění je tvořeno válcem kolem jádra rotoru a rotor dále obsahuje válcovou vakuovou nádobu koaxiální se stíněním.
6. Rotor podle nároku 5 vyznačující se tím, že vakuová nádoba je z nerezové oceli a stínění je ze slitiny mědi.
7. Rotor podle nároku 1 vyznačující se tím, že dále obsahuje nákružky připojené ke každému konci jádra rotoru a stínění je připevněno k těmto nákružkům.
8. Rotor podle nároku 1 vyznačující se tím, že dále obsahuje na každém konci jádra rotoru nákružek, kde každý nákružek má kroužek z nerezové oceli koaxiální s jádrem rotoru a stínění má kruhové konce, přičemž každý konec stínění je připojen ke kroužku na každém nákružku.
9. Rotor podle nároku 1 vyznačující se tím, že stínění je k rotoru natvrdo připájeno.

• · • · • · * · • « · · • ··» · · #··· «* ·· ·φ * · • » • · • · · ·· ···«
10. Rotor podle nároku 1 vyznačující se tím, že stíněni je k rotoru přišroubováno.
11. Rotor podle nároku 1 vyznačující se tím, že stínění dále tvoří vakuovou nádobu přes cívky.
12. Rotor podle nároku 1 vyznačující se tím, že dále obsahuje vodivá stínění přes díry šroubů v nákružku, které jdou v podélném směru do jádra rotoru.
13. Způsob stínění vinutí supravodivé cívky na jádru rotoru synchronního stroje vyznačující se tím, že sestává z kroků: montáž vinutí cívky a jádra rotoru, připojení konců jádra rotoru k nákružkům koncových hřídelí jdoucích podélně s jádrem rotoru, a instalace vodivého stínění kolem jádra rotoru, kde toto stínění překrývá každý z nákružků.
14. Způsob podle nároku 13 vyznačující se tím, že při aplikaci stínění se toto stínění připojí k nákružkům.
15. Způsob podle nároku 13 vyznačující se tím, že při aplikaci stínění se toto stínění k nákružkům natvrdo připájí.
16. Způsob podle nároku 13 vyznačující se tím, že při aplikaci stínění se konce tohoto stínění připojí ke kroužkům jdoucím po obvodu nákružků.
17. Způsob podle nároku 16 vyznačující se tím, že při aplikaci stínění se překryjí zkosené hrany stínění se zkoseným koncem kroužků.
18. Způsob podle nároku 13 vyznačující se tím, že koaxiálně se stíněním se instaluje vakuová nádoba.
19. Rotor pro synchronní stroj vyznačující se tím, že obsahuje jádro rotoru mající průchod kolmý k podélné ose rotoru, oválné vinutí supravodivé cívky rovinného oválného tvaru rovnoběžné s podélnou osou rotoru, tažnou vzpěru uvnitř průchodu jádrem, kryt spojující vinutí cívky s tažnou vzpěrou a elektromagnetické stínění kolem jádra rotoru.

• 4 • 4

4444 44

4 4

444 • 4 •4 « • · 4

44 4444
20. Rotor podle nároku 19 vyznačující se tím, že stínění je měděný válec kolem jádra rotoru.
21. Rotor podle nároku 19 vyznačující se tím, že dále obsahuje vakuovou nádobu kolem jádra rotoru.