CZ20021674A3

CZ20021674A3 - Vysokoteplotní supravodivé cívky nesené rotorem se železným jádrem

Info

Publication number: CZ20021674A3
Application number: CZ20021674A
Authority: CZ
Inventors: Evangelos Trifon Laskaris
Original assignee: General Electric Company
Priority date: 2001-05-15
Filing date: 2002-05-14
Publication date: 2003-02-12
Also published as: CA2384558A1; BR0201841A; CN100483902C; EP1258971A2; CA2384558C; JP4002784B2; KR20020087354A; CN1385947A; EP1258971A3; MXPA02004832A; NO20022301L; KR100902693B1; US6617714B2; PL200476B1; NO331565B1; JP2003032938A; US20020171321A1; PL353909A1; NO20022301D0

Description

Vysokoteplotní supravodivé cívky nesené rotorem se železným jádrem

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 přispět 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

00·«

0 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 se na základě BSCCO (Bi_xSr_xCa_xCu_xO_x).

Supravodivé cívky jsou chlazeny pomocí tekutého hélia. Po průtoku vinutím rotoru se ohřáté a 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 pomocnou energii.

Starší 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.

• · *ι * · * φ φφφ • * · φ φ

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.

Velké deformace mohou supravodivý drát poškodit. Aby vysokoteplotní supravodivý drát vydržel taková velké deformace, byl v minulosti chráněn masivním a složitým vinutím cívky a nosnými konstrukcemi cívky. Masivní složitá supravodivá vinutí a nosníky jsou nákladné, zejména v současných elektrických strojích se vzduchovým jádrem. Navíc musí být tato masivní vinutí chlazena na kryogenní teploty, což vyžaduje velký chladící systém.

Vinutí cívek jsou rovněž izolována od horkých nosníků cívky a rotoru. K izolaci vinutí cívky se používají velké tepelné izolátory, které oddělují cívky od jejich nosných systémů. Protože jsou izolátory mezi cívkami a jejich nosnými systémy, mají tyto dřívější tepelné izolátory velké konstrukce, které mohou snášet vysoké odstředivé zatížení cívek. Protože jsou tyto velké tepelné izolátory v kontaktu s chladnými cívkami, jsou pro cívky velkými zdroji tepla. Protože jsou izolátory konstruovány tak, aby minimalizovaly převod tepla k cívkám, má to za následek velké kryogenní tepelné zatížení a drahé kryogenní chladiče.

Vývoj 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

0 · · W W * 0

0 40

4

4 « 0 0 0 4

0« 04·· 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 dlouho pociťovaná potřeba vysokoteplotního supravodivého rotoru, který má nosný systém pro supravodivou cívku. Rovněž existuje potřeba nosného systému cívky, který je vytvořen z levných a snadno vyrobitelných součástek.

Podstata vynálezu

By! vyvinut vysokoteplotní supravodivý rotor, který má dvoupóíové těleso jádra vytvořené z pevného magnetického materiálu jako je železo. Těleso rotorového jádra je obecně válcové a má ploché povrchy, opracované podélně podél jeho délky. Vysokoteplotní supravodivá cívka je namontována kolem těchto plochých povrchů a má oválný tvar, který se rozprostírá kolem jádra. Oválná cívka je nesena tažnými nosnými členy, které procházejí tělesem železného rotorového jádra. K rotorovému jádru jsou mechanicky upevněny hnací a kolektorové hřídele. Vysokoteplotní supravodivá cívka a těleso železného rotorového jádra jsou obklopeny elektromagnetickým stíněním ve formě válcového pouzdra.

Rotor se železným jádrem významně snižuje ampérzávity budícího vinutí, využití supravodiče a náklady ve vztahu k rotorům se vzduchovým jádrem. Jedna vysokoteplotní supravodivá cívka oválného tvaru nahrazuje typická složitá sedlovitá vinutí cívky. Tažný nosník cívky zajišťuje přímé vyztužení vysokoteplotní supravodivé cívky, takže snižuje deformace cívky během ochlazování a odstředivého zatěžováni. Navíc je nosný systém cívky na kryogenních teplotách společně s cívkou.

• 9 • 9 9 9 9 · *9 999 999 »·· ·* ·9·9

Vysokoteplotní supravodivý rotor může být implementován do stroje, který byl původně navržen pro použití supravodivé cívky (cívek). Alternativně může být vysokoteplotní supravodivý rotor implementován za účelem nahrazení konvenčního rotorového budicího vinutí dvoupólového synchronního stroje s jednoduchou vysokoteplotní supravodivou cívkou oválného tvaru. Rotor a jeho supravodivá cívka jsou popsány v kontextu s generátorem, ale rotor s vysokoteplotní supravodivou cívkou a nosník cívky, které jsou zde popsány, jsou rovněž tak vhodné pro jiné synchronní stroje.

První provedeni vynálezu je rotor pro synchronní stroj, který obsahuje: válcové magnetické pevné rotorové jádro, oválné vysokoteplotní supravodivé vinutí cívky rozprostírající se kolem rotorového jádra, nosník cívky, který prochází jádrem a připevňuje se k protilehlým podélným stranám vinutí cívky, a dvojici koncových hřídelí, jdoucích axiálně od jádra a připevněných k tomuto jádru.

Ve druhém provedení vynálezu je popsán způsob montáže vysokoteplotního supravodivého rotoru majícího vinutí cívky na pevném železném rotorovém jádru synchronního stroje, který sestává z kroků: protažení tažné vzpěry průchodem v rotorovém jádru, kde tento průchod jde mezi protilehlými plochými částmi podélných stran jádra, nasazení krytu přes část cívky, připevnění konce tažné vzpěry ke krytu a připevnění koncových hřídelí rotoru k protilehlým koncům rotorového jádra.

Další provedení vynálezu je rotor pro synchronní stroj, který obsahuje: válcové rotorové jádro mající dvojici plochých částí na protilehlých částech jádra a jdoucích podélně podél jádra, vinutí supravodivé cívky rozprostírající se alespoň kolem části rotorového jádra, přičemž vinutí cívky má dvojici postranních částí přiléhajících k plochým částem jádra, první koncový hřídel jdoucí axiálně z prvního konce rotorového jádra a druhý koncový hřídel jdoucí axiálně z druhého konce rotorového jádra.

Přehled obrázků na výkresech

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

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

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

Na obr.3 je rozložený pohled na součástky vysokoteplotního supravodivého rotoru.

Obr. 4 až 8 jsou schematické pohledy v řezu na vysokoteplotní supravodivý rotor zobrazený na obr. 3.

Příklady provedení vynálezu

Obr.1 zobrazuje příkladný synchronní generátor 10. který má stator 12 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 22. Toto pevné jádro 22 má vysokou magnetickou permeabilitu a je obyčejně vyrobeno z feromagnetického materiálu, jako je železo. V supravodivém stroji s nízkou výkonovou hustotou je železné jádro rotoru použito ke snížení magnetomotorické síly a tudíž k minimalizaci množství supravodivého drátu, který je potřebný pro vinutí cívky. Pevné železné jádro rotoru může být například magneticky nasyceno v magnetickém poli vzduchové mezery o síle zhruba 2 Tesla.

Rotor 14 nese alespoň jedno podélně uložené vinutí 34 oválné vysokoteplotní supravodivé cívky (viz. obr. 2). Nosný systém cívky je zde popsán pro vinutí jedné supravodivé oválné cívky. Nosný systém cívky může být upraven pro konfigurace cívky jiné než je jednoduchá oválná cívka připevněná na pevné jádro rotoru, jako je například konfigurace vícenásobné oválné cívky,

Rotorové jádro 22 je neseno koncovými hřídeli připevněnými k jádru. Rotor obsahuje kolektorový koncový hřídel 24 a hnací koncový hřídel 30, které jsou neseny ložisky 25, Tyto koncové hřídele mohou být spojeny s vnějšími zařízeními. Kolektorový koncový hřídel 24 obsahuje kolektorové kroužky 78 pro zajištění vnějšího elektrického připojení k supravodivé cívce rotoru. Kolektorový koncový hřídel 24 má také kryogenní přenosovou spojku 26 na zdroj kryogenní chladící kapaliny, používané k chlazení vinutí supravodivé cívky v rotoru, Kryogenní přenosová spojka 26 obsahuje stacionární segment spojený se zdrojem kryogenní chladící kapaliny a rotující segment, který zajišťuje chladící kapalinu pro vysokoteplotní supravodivou cívku. Hnací koncový hřídel 30 rotoru může být poháněn hnací turbinou pomocí spojky 32..

Obr. 2 ukazuje příkladné vysokoteplotní supravodivé vinutí 34 oválné budící cívky. Supravodivé vinutí 34 budící cívky rotoru obsahují vysokoteplotní supravodivou cívku 36. Každá supravodivá cívka obsahuje vysokoteplotní supravodivý vodič, jako například BSCCO (BixSrxCaxCuxOx) 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 rotorového jádra. Obecně každá supravodivá oválná cívka obklopuje magnetické póly na opačných koncích jádra rotoru a je paralelní s osou rotoru. Vinutí cívky je spojité v celém tvaru cívky. Supravodivé cívky vytváří cestu elektrického proudu bez odporu okolo jádra rotoru a mezi magnetickými póly jádra. Tato cívka má elektrické kontakty 114, které elektricky spojuje cívku s kolektorem 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 odstraňuji 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 vstupní a výstupní kapalinový otvor 112 na jednom konci jádra rotoru. Tyto kapalinové (plynové) otvory 112 spojují chladící kanály 38 na supravodivé cívce s kryogenní přenosovou spojkou 26.

Každé vysokoteplotní supravodivé vinutí 34 ováiné cívky má pár obecně rovných postranních částí 40, které jsou rovnoběžné s osou rotoru 20 a pár koncových částí 54. které jsou na osu rotoru kolmé. Postranní části cívky jsou vystaveny největším odstředivým silám. Tyto « 4 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 na opačných stranách každé vzpěry. Kryty cívek 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 kryty cívky. Z ilustračních důvodů zobrazuje obr. 3 pouze konec 86 tažné vzpěry 42 procházející za stranu 40 cívky, ale ve skutečnosti bude konec 86 dosedat na vnitřní povrch 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.

Hlavní zátěž vinutí 34 vysokoteplotní supravodivé cívky 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 42 procházejí průchody 46. například otvory, v jádru rotoru tak, že se tažné vzpěry 42 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 46 je v podstatě konstantní, vyjma konců blízko povrchů rotoru opatřených vybráním. Na koncích se mohou průchody 46 rozšířit do většího průměru, aby se přizpůsobily nevodivé válcové izolační trubici 52. která zajišťuje kluznou dosedací plochu a tepelnou izolaci mezi jádrem 22 rotoru a tažnou vzpěrou 42.

• 4*4 i :· .

· · • * · ·· 444*

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 potřebných k nesení postranních částí cívek.

Tažné vzpěry 42 nesou cívku zejména dobře vzhledem k odstředivým silám, protože vzpěry jdou v podstatě radiálně k vinutí cívky. Každá tažná vzpěra 42 je tyč, která je spojitá v podélném směru a v rovině oválné cívky. Podélná spojitost tažných vzpěr 42 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 42 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 sníženi 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

9999 « » 9 ·

9 999

9 9 ·

9 9 ·« 999 ·

9 ·

9 9 ·

9 9 •9 9999 supravodivé vinutí: (i) „teplé“ nosníky a (ií) „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 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 42 (která může být tvořena tyčí a párem šroubů na každé straně tyče), z páru krytů 44 cívky a ze spojovacího kolíku 80, který spojuje každý kryt s koncem tažné vzpěry 42. Každý kryt 44 cívky je držák tvaru U mající ramena pro připojení k tažné vzpěře 42 a profil tvaru U pro uložení vinutí 34 cívky. Kryt ve tvaru U dovoluje přesnou a pohodlnou montáž nosného systému pro cívku. Řada krytů 44 cívek může být umístěna těsně vedle sebe podél strany vinutí cívky. Kryty 44 cívek 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 podélně posouvají vzhledem ke krytu cívky a tažným vzpěrám 42.

Kryty 44 cívky ve tvaru U jsou vytvořeny z lehkého, vysoce pevného materiálu, který je poddajný při kryogenních teplotách. Typickými materiály pro kryt cívky jsou hliníkové, niklové nebo titanové slitiny, které jsou nemagnetické. Tvar krytu 44 ve tvaru U může být optimalizován pro dosaženi nízké váhy a vysoké pevnosti.

Spojovací kolík 80 prochází otvory v krytu cívky a tažné vzpěře 42. Kolík 80 může být dutý, aby byl lehký. Pojistné matice (nejsou znázorněny) jsou našroubovány nebo připevněny na koncích spojovacího kolíku aby upevnily kryt 44 a zabránily stranám krytu před roztahováním do stran při zatížení. Spojovací kolík 80 může být vyroben z vysoce pevného Inconelu nebo ze slitin titanu. Tažné vzpěry 42 jsou vyrobeny s konci o větším průměru, které jsou obrobeny se dvěma plochými povrchy 86 na koncích.

Šířka těchto plochých povrchů je přizpůsobena U-krytu a šířce cívky. Když jsou tažná vzpěra 42, cívka 36 a kryt 44 sestaveny dohromady, dosedají ploché povrchy 86 konců tažných vzpěr 42 na vnitřní povrch vysokoteplotních supravodivých cívek 36. Tato montáž snižuje koncentraci napětí v otvoru v tažné vzpěře, kterým prochází kolík.

Nosný systém cívky, sestávající z tažných vzpěr 42 a krytu 44 cívky pro dlouhé strany 40 cívky a dvojice dělených svěrek 58 pro konce cívky, lze smontovat s vinutím 34 vysokoteplotní supravodivé cívky, jelikož nosný systém i cívka jsou připevněny na jádro 22 rotoru. Tažné vzpěry, kryty ve tvaru profilu U a svěrky vytvářejí dostatečně tuhou konstrukci pro nesení vinutí cívky a udržení vinutí cívky na místě vzhledem k jádru rotoru.

4

4 t t I ·· « 4 4 44 ·

4 ·· ·

4*4 4 »4 ·44 ·*4

Každá tažná vzpěra 42 prochází jádrem rotoru a může procházet kolmo osou 20 rotoru. Průchody 46 jádrem rotoru vytváří kanál, kterým jsou vedeny tažné vzpěry. Průchody 46 procházejí kolmo osou rotoru a jsou uspořádány symetricky po délce jádra. Počet průchodů 46 a tažných vzpěr 42 a jejich uspořádání na jádru rotoru a navzájem je záležitostí konstrukčního návrhu. Průměr průchodů je dostatečně velký, aby zabránil horkým rotorovým stěnám průchodu v kontaktu s chladnými tažnými vzpěrami. Zamezení kontaktu zlepšuje tepelnou izolaci mezi tažnými vzpěrami a jádrem rotoru.

Jak je znázorněno na obr.5 a 6, obsahuje rotor 14 tři hlavní konstrukční prvky, a to hnací hřídel 30 z nerezové oceli, železné rotorové jádro 22 a nemagnetický kolektorový hřídel 24 z nerezové oceli. Rotorové jádro 22 a koncové hřídele jsou typicky diskrétní prvky, které se montují a navzájem bezpečně spojují buď sešroubováním nebo svařením. Hnací a kolektorové hřídele jsou na drážku spojeny a přišroubovány k železnému jádru 22. Železné rotorové jádro 22 je válcový výkovek s plochami 48 strojově obrobenými přes příčnou osu rotorového jádra 22 za účelem uložení oválné cívky 34, která je navinuta vysokoteplotní supravodivou páskou 36..

Přes rotorové jádro je nasazen vysoce vodivý válcový plášť 90, vyrobený z měděných nebo hliníkových slitin. Plášť 90 slouží jako elektromagnetické stínění pro rotorové vinutí a může tvořit vakuovou obálku pro vakuový prostor, který obklopuje nízkoteplotní vinutí 34 rotorové cívky. Konce elektromagnetického stínění jsou spojeny s přechodovými kroužky 130 z nerezové oceli, jako částí konstrukce stínění tvořeného pláštěm 90. Podsestava stínění je přivařena k hnacím a kolektorovým hřídelím za účelem vytvoření vakuově těsné sestavy kolem vinutí cívky.

Pro uložení vinutí cívky má jádro rotoru povrchy 48 s vybráním, jako jsou ploché nebo trojúhelníkové oblasti nebo drážky. Tyto povrchy 48 jsou vytvořeny v zakřiveném povrchu 50 válcového jádra a jdou podélně přes jádro rotoru. Vinutí 34 cívky je namontováno na rotor přilehle k povrchům 48 s vybráním. Cívky se obecně rozprostírají podélně podél vnějšího povrchu oblasti s vybráním a kolem konců jádra rotoru. V površích 48 s vybráním jádra rotoru je umístěno vinutí cívky. Tvar oblasti s vybráním je přizpůsoben vinutí cívky. Pokud má například vinutí cívky sed lovitý nebo nějaký jiný tvar, vybrání v jádru rotoru budou upravena tak, aby se do nich umístilo vinutí daného tvaru.

Do povrchů 48 s vybráním je umístěno vinutí cívky tak, že vnější povrch vinutí 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 chlazeni s nuceným oběhem statoru, jelikož rotor ventilační chlazení nepožaduje. Je žádoucí, aby byla minimalizována mechanická vůle mezi rotorem a statorem, aby vzrostta 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 cívky 34 sousedí s opačnými konci 56 jádra rotoru. Rozdělená svěrka 58 drží každou z koncových částí vinutí cívky v rotoru. Rozdělená svěrka 58 na každém konci cívky 54 obsahuje pár protějších desek 60, mezi kterými je vloženo vinutí 34 cívky. Povrch desek svěrky obsahuje kanály pro uložení vinutí 34 cívky a připojení 112, 114 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 ve tvaru profilu U 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 Curieova přechodu křehnou a nemohou se použít pro konstrukce nesoucí zátěž.

• · · • 4 44·

4 · » • 4 » • 4 444 « · • 44 ·

4 4

444·

Rozdělená svěrka 58 je obklopena nákružkem 62. ale není s nim v kontaktu. Koncové hřídele 24. 30 zahrnují nákružek 62. připojený k jednomu konci jádra 22 rotoru. Nákružek 62 je silný disk z nemagnetického materiálu, jako je nerezová ocel, stejného nebo podobného jako je materiál, který tvoří koncové hřídele rotoru. Nákružek 62 má drážku 64 kolmou na osu rotoru a dostatečně širokou pro umístění dělené svěrky 58. Horké boční stěny 66 drážky 64 nákružku 62 jsou vzdáleny od chladné dělené svěrky, takže nepřijdou do vzájemného kontaktu.

Nákružek 62 může obsahovat vybranou diskovou oblast 68 (která je rozdělena na poloviny drážkou 64). do které zapadne vystupující disková část 70 jádra rotoru (vystupující disková Část, která má být vložena do protilehlého nákružku je vidět na opačné straně jádra rotoru). Vložení vystupující diskové oblasti na konci 56 jádra rotoru do vybraného disku 68 zajišťuje uložení jádra rotoru v nákružku a napomáhá při vyrovnávání jádra rotoru a nákružků. Kromě toho může mít nákružek kruhové pole děr pro šrouby 72 procházejících podélně nákružkem okolo okraje nákružku. Tyto díry pro šrouby odpovídají závitovým děrám pro šrouby 74, které procházejí částečně jádrem rotoru. Těmito děrami 72, 74 procházejí šrouby 75 (viz. obr. 5) a bezpečně upevňují nákružek k jádru rotoru.

Jádro rotoru může být zapouzdřeno v kovovém válcovém stínění 90, které chrání vinutí 34 supravodivé cívky před vířivými proudy a jinými elektrickými proudy, které obklopují rotor a vytváří vakuovou obálku, která je požadována pro udržení tvrdého vakua kolem kryogenních součástek rotoru. Válcové stínění 90 může být vytvořeno · ♦ · «·* ·· <*· »· ··· ·· ·»»· z vysoce vodivého materiálu jako je slitina mědi nebo hliník. Vinutí 34 supravodivé cívky je udržováno ve vakuu. Vakuum může být vytvořeno stíněním 90. které může zahrnovat válcovou vrstvu nerezové oceli, která vytváří kolem cívky a jádra rotoru vakuovou nádobu.

Obr.6, 7 a 8 ukazují detaily příčného řezu kolektorovým koncovým hřídelem 24. Zejména pak tyto obrázky ukazují přiváděči trubku 76 jdoucí hřídelem, která tvoří průchozí kanál pro trubky s chladící kapalinou a elektrické vodiče. Obr.7 a 8 znázorňují přiváděči trubku 76 kolektorové koncové hřídele a přidružené konstrukce hřídele blízko rotorového jádra 22. Řez uvedený na obr.7 je ortogonální k řezu z obr.8. Obr.6 znázorňuje řez koncem kolektorového hřídele 24 v blízkosti chladící spojky 26.

Elektrické přípojky 114 vinutí 34 cívky jsou spojeny s elektrickými vodiči 132. Tyto vodiče jdou podél koncové hřídele 24 směrem ke kolektorovým kroužkům 78. Elektrické vodiče 132 jsou vedeny přiváděči trubkou 76. Chladné koncové segmenty vodičů 132 isou neseny uvnitř izolační trubky 140 pro tepelný odstup. Elektrický kontakt 134 připojuje elektrický vodič 132 z vnitřku koncového hřídele k přívodu 136 jdoucímu vně hřídele ke kolektorovým spojovacím kroužkům 138.

Vstupní a výstupní otvory 112 chladící kapaliny z cívky jsou připojeny na vstupní a výstupní chladicí trubky 94. které vedou podél koncového hřídele. Tyto trubky 94 jsou koaxiální. Vstupní trubka 142 je ve středu výstupní trubky 150. Vstupní trubka 142 vede k vstupnímu otvoru 144 cívkové spojky 112. která je koaxiální s osou 20 rotoru. Výstupní otvor 146 chladícího plynu cívkové spojky 112 je od osy rotoru posunut. Výstupní otvor je spojen s pouzdrem 148 přechodu plynu, které směruje chladicí médium z cívky ke kruhové výstupní trubce 150. Výstupní trubka 150 ie koaxiální se vstupní trubkou 142 a je vzhledem k této trubce 142 vnější.

I když byl vynález popsán ve vztahu k provedení, které je v současné době považováno za nejpraktičtější a nejvýhodnější, je zřejmé, že realizace není omezena pouze na toto provedení, ale naopak zahrnuje všechna provedení spadající do rozsahu přiložených nároků.

Claims

1. Rotor pro synchronní stroj vyznačující se tím, že obsahuje válcové magnetické pevné rotorové jádro, vinutí oválné supravodivé cívky rozprostírající se kolem rotorového jádra, nosník cívky procházející jádrem a připojený k protilehlým podélným stranám vinutí cívky a dvojici koncových hřídelí vedoucích axiálně od rotorového jádra a spojenou s tímto rotorovým jádrem.

2. Rotor podle nároku 1 vyznačující se tím, že rotorové jádro má dvojici plochých povrchů vytvořených na protilehlých podélných stranách rotorového jádra a podélné strany vinutí cívky jsou přilehlé k těmto plochým povrchům.

3. Rotor podle nároku 2 vyznačující se tím, že rotorové jádro má průchody jdoucí mezi plochými povrchy a dále zahrnuje nosný systém cívky procházející těmito průchody za účelem nesení vinutí cívky.

4. Rotor podle nároku 1 vyznačující se tím, že nosný systém cívky a cívka jsou na kryogenních teplotách a nosný systém cívky je tepelně izolován od rotorového jádra.

5. Rotor podle nároku 4 vyznačující se tím, že izolační trubka vložená do rotorového jádra odděluje nosič cívky od rotorového jádra.

6. Rotor podle nároku 1 vyznačující se tím, že koncové hřídele jsou z nemagnetického materiálu.

7. Rotor podle nároku 6 vyznačující se tím, že koncové hřídele jsou z nerezové oceli.

8. Rotor podle nároku 1 vyznačující se tím, že rotorové jádro je výkovek z pevného magnetického železa.

9. Rotor podle nároku 1 vyznačující se tím, že cívka má oválný tvar.

10. Rotor podle nároku 1 vyznačující se tím, že dále zahrnuje vodivé stínění kolem rotorového jádra a cívky.

11. Rotor podle nároku 1 vyznačující se tím, že jeden z koncových hřídelů je koncový kolektorový hřídel s kolektorovými kroužky a spojkou kryogenního média.

12. Způsob montáže vysokoteplotního supravodivého rotoru s vinutím cívky na pevném železném rotorovém jádru synchronního stroje vyznačující se tím, že tažná vzpěra se vede průchodem v rotorovém jádru, kde tento průchod jde mezi protilehlými plochými úseky na podélných stranách rotorového jádra, nasadí se pouzdro přes část cívky, k pouzdru se připojí konec tažné vzpěry a k protilehlým koncům rotorového jádra se připojí koncové rotorové hřídele.

13. Způsob podle nároku 12 vyznačující se tím, že se rotorové jádro dále překryje vodivým stíněním.

14. Způsob podle nároku 12 vyznačující se tím, že se dále k prvnímu koncovému hřídeli majícímu kryogenní spojku připojí zdroj kryogenního chladícího média.

15. Způsob podle nároku 12 vyznačující se tím, že každý koncový hřídel má nákružek a drážku nákružku a tento nákružek se připojí ke konci rotorového jádra tak, že konec cívky zapadne do drážky nákružku.

16. Způsob podle nároku 12 vyznačující se tím, že jednotlivé kroky se provádí postupně a v pořadí.

• · • Φ 0 000 0 0 0 • 4 • * · 0 0 · 0 0 00 0 000 0 • 00 0 • 00 0 0 0 0» 0000

17. Synchronní stroj vyznačující se tím, že rotor obsahuje válcové rotorové jádro mající dvojici plochých částí na protilehlých stranách rotorového jádra jdoucích podélně po délce rotorového jádra, vinutí supravodivé cívky se rozprostírá kolem alespoň části rotorového jádra, kde toto vinutí cívky má dvojici postranních částí přilehlých k plochým částem rotorového jádra, první koncový hřídel je veden axiálně od prvního konce rotorového jádra a druhý koncový hřídel je veden axiálně od druhého konce rotorového jádra.

18. Rotor podle nároku 17 vyznačující se tím, že první koncový hřídel má kryogenní spojku pro přívod chladícího média do vinutí cívky.

19. Rotor podle nároku 17 vyznačující se tím, že dále obsahuje nosník cívky zahrnující alespoň jednu tažnou vzpěru procházející jádrem a připojenou ke krytům cívky na protilehlých koncích vzpěry, kde každý kryt cívky je kolem jedné z postranních částí cívky.

20. Rotor podle nároku 19 vyznačující se tím, že nosník cívky a cívka jsou na kryogenních teplotách a nosník cívky je tepelně izolován od rotorového jádra.

21. Rotor podle nároku 20 vyznačující se tím, že izolační trubka vložená do rotorového jádra odděluje tažnou vzpěru od rotorového jádra.

22. Rotor podle nároku 17 vyznačující se tím, že koncový hřídel je z nemagnetického kovu.

23. Rotor podle nároku 22 vyznačující se tím, že koncový hřídel je z nerezové oceli.

24. Rotor podle nároku 17 vyznačující se tím, že rotorové jádro je výkovek z pevného magnetického železa.

25. Rotor podle nároku 17 vyznačující se tím, že cívka má oválný tvar.

• 000

4 0 • · · · ·· · 0 0 0 · •· 000 000 «00 0« 0000

26. Rotor podle nároku 17 vyznačující se tím, že dále obsahuje vodivé stínění kolem rotorového jádra a cívky.

27. Rotor podle nároku 17 vyznačující se tím, že jeden z koncových hřídelů je kolektorový koncový hřídel mající kolektorové kroužky a spojku kryogenního média.