CZ20021677A3

CZ20021677A3 - Nosník cívky vysokoteplotního supravodivého rotoru s tažnými vzpěrami a šrouby a způsob jeho montáže

Info

Publication number: CZ20021677A3
Application number: CZ20021677A
Authority: CZ
Inventors: Evangelos Trifon Laskaris; James Pellegrino Alexander
Original assignee: General Electric Company
Priority date: 2001-05-15
Filing date: 2002-05-14
Publication date: 2003-02-12
Also published as: JP2003033000A; JP4009489B2; CA2384567C; CN1387301A; KR100902430B1; EP1261105A3; MXPA02004831A; NO20022306D0; EP1261105A2; US20020190586A1; PL353903A1; PL203118B1; CA2384567A1; NO330926B1; US6605885B2; KR20020087351A; BR0201717A; US20020171303A1; US6600251B2; CN100483901C

Description

Oblast techniky

Stávající vynález se všeobecně týká supravodivé cívky u synchronního točivého stroje. Zejména pak se předkládaný vynález vztahuje k nosné konstrukci cívky 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 jedno nebo více cívkových vinutí, namontovaných 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 supravodivé vinutí cívek. Supravodivá vinutí nemají fakticky žádný odpor a jsou velmi výhodná jako vinutí rotorových cívek.

Rotory se železným jádrem se saturují pří 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 intenzita magnetického pole ve vzduchové mezeře zvyšuje výkonovou hustotu elektrického stroje a má

2··· · 9 99 · · · ••9*9 · * 9* 9 *9 9 9 9 999

999 9·9 999 99 9999 za následek významné sníženi váhy a velikosti stroje. Supravodivé rotory bez železného jádra vyžadují velká množství supravodivého drátu. Toto velké množství supravodivého drátu zvyšuje počet požadovaných cívek, složitost nosníků cívek a cenu supravodivých vinutí cívky 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 (Bi_xSr_xCa_xCu_xO_x).

Supravodivé cívky jsou chlazeny pomocí tekutého hélia. Po průtoku vinutím rotoru se horké a použité hélium vrací jako plynné hélium, které má pokojovou teplotu. 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

4 4 4 4 ··

4···· 4 4 44 ·

44 4 4444 4

4 4 4 444

44· 444 444 4* 4444 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 sifou oproti normálním pracovním podmínkám.

Supravodivé cívky použité jako budící vinutí vysokoteplotního supravodivého 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 drží supravodivé cívky ve vysokoteplotním supravodivém rotoru a zabezpečují cívky před obrovskými odstředivými silami, danými otáčením rotoru. Tyto nosné systémy navíc vysokoteplotní supravodivé cívky chrání a zajišťují, že se cívky nepoškodí, neopotřebují nebo jinak nerozbiji.

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 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 « Μ ·· ·· « · · «· « · ♦ · · » · · * · · · · ·· ··· ··♦ 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 vyrobiteíných součástek.

Podstata vynálezu

Byl vyvinut nosný systém cívky pro vinutí vysokoteplotní supravodivé cívky oválného tvaru pro dvoupólový rotor elektrického stroje. Nosný systém chrání vinutí cívky před poškozením během činnosti rotoru, vyztužuje vinutí cívky vzhledem k odstředivým a jiným silám a zajišťuje ochranné stínění vinutí rotoru. Nosný systém cívky drží vinutí cívky vzhledem k rotoru. Vinutí vysokoteplotní supravodivé cívky a nosný systém cívky jsou na kryogenní teplotě, zatímco rotor je na teplotě okolí.

Nosný systém cívky zahrnuje radu sestav nosníků cívky, které se rozpínají mezi protilehlými stranami vinutí oválné cívky. Každá sestava nosníku cívky zahrnuje tažnou vzpěru, pár tažných šroubů a pár krytů ve tvaru profilu U. Tažné vzpěry mezi protilehlými stranami vinutí cívky procházejí průchody (otvory) v jádře rotoru. Do obou konců tažné vzpěry jsou vloženy tažné šrouby. Každý tažný šroub zajišťuje délkové nastavení sestavy nosníku cívky, což je užitečné pro kompenzaci odchylek v geometrii cívky. Každý šroub je připevněn k jednomu z páru krytů ve tvaru profilu U. Každý kryt obepíná vysokoteplotní supravodivou cívku. Každá sestava nosníku cívky vyztužuje vinutí cívky vzhledem k jádru rotoru. Řada sestav nosníků cívky poskytuje vinutí cívky pevnou a ochrannou konstrukci.

Vysokoteplotní supravodivý rotor může být pro synchronní stroje navrhované od počátku tak, že budou obsahovat supravodivé cívky. Alternativně může vysokoteplotní supravodivý rotor nahradit rotor

44

4 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.

444# « » 4 • · ♦·♦ • 4 4 ·· 444

444 444

4444

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, který obsahuje: jádro rotoru, vinutí supravodivé cívky rozprostírající se kolem alespoň části jádra rotoru, přičemž vinutí cívky má postranní části přilehlé ke stranám jádra rotoru, alespoň jednu tažnou vzpěru procházející průchodem v jádru rotoru, alespoň jeden tažný šroub vložený do konce tažné vzpěry a kryt připevněný k tažnému šroubu a držící postranní části vinutí cívky.

V jiném provedení je vynálezem způsob nesení vinuti supravodivé cívky na jádru rotoru synchronního stroje sestávající z kroků: provlečení tažné vzpěry průchodem v jádru rotoru, vložení alespoň jednoho tažného šroubu do konce tažné vzpěry, umístění vinutí cívky kolem jádra rotoru tak, že se tažná vzpěra a tažný šroub rozpínají mezi postranními částmi vinutí cívky, montáž alespoň jednoho krytu ve tvaru profilu U kolem jedné z postranních částí vinutí cívky, vzájemné upevnění postranních panelů a připevnění tažného šroubu k jednomu krytu ve tvaru profilu U.

V dalším provedení vynálezu rotor pro synchronní stroj obsahuje: jádro rotoru mající průchod kolmý k podélné ose rotoru, vinutí oválné supravodivé cívky v rovině oválu paralelní k podélné ose rotoru, tažnou vzpěru uvnitř průchodu jádrem, tažný šroub v každém konci tažné * 4 · • · ·44 • 4

44 4

4 4

4444 vzpěry, a kryt připojující protilehlé strany vinutí cívky k tažným šroubům.

Přehled obrázků na výkresech

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

Na obr.1 je schematicky znázorněn bokorys synchronního elektrického stroje majícího supravodivý rotor a stator.

Na obr.2 je perspektivní pohled na příkladné provedení vinutí oválné supravodivé cívky.

Na obr.3 je pohled v částečném řezu na jádro rotoru, vinutí cívky a nosný systém cívky pro vysokoteplotní supravodivý rotor.

Na obr.4 je perspektivní pohled na jádro rotoru, vinutí cívky a nosný systém cívky pro vysokoteplotní supravodivý rotor.

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.

• •	•	•	* • 4 •	• 44 4	··	44 • •
• •	• 4
•	•		•	4	4	4	•
	»4	«44	44·	444		44	4444

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. 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 vinutí 34 supravodivé oválné cívky (viz. obr. 2). Vinutí vysokoteplotní supravodivé 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 vinutí supravodivé oválné cívky. Nosný systém cívky může být upraven pro konfigurace cívky jiné než je oválná cívka, připevněná na pevné jádro rotoru.

Rotor 14 zahrnuje kolektorový koncový hřídel 24 a hnací koncový hřídel 30, které vyztužují jádro 22 a jsou neseny ložisky 25. Kolektorový koncový hřídel 24 zahrnuje kolektorové kroužky 78 pro elektrické připojení k rotujícímu vinutí supravodivé cívky. Kolektorový koncový hřídel 24 má rovněž 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 může být poháněn turbinou pomoct hnací 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 • · · • « (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 rotorového jádra. Obecně každá supravodivá oválná cívka obklopuje magnetické póly 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 které elektricky spojují cívku s kolektorem 78.

Ve vinutí 34 cívky jsou obsaženy kapalinové kanály 38 pro kryogenní chladící kapalínu. Tyto kanály 38 se mohou rozprostírat okolo vnější hrany supravodivé cívky 36. Tyto propouštécí kanály 38 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 112. Tyto kapalinové (plynové) otvory 112 spojují chladící kanály 38 na supravodivé cívce s kryogenní přenosovou spojkou 26.

Každé vinutí 34 vysokoteplotní supravodivé oválné 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 • «v Φ · ·♦ Φ Φ · φ φ « ΦΦ · · · · · φ · · · · · φ · φ φ φ · φ φ φ φ · • Φ ··· ··* φφφ ΦΦ φφφφ postranní části jsou tudíž podpírány nosným systémem cívky, který paralyzuje odstředivé síly působící na cívku.

Obr. 3 ukazuje částečný pohled v řezu na jádro 22 rotoru a na nosný systém cívky pro vinuti vysokoteplotní supravodivé cívky. Tento nosný systém obsahuje řadu sestav nosníků cívky rozpínajících se jádrem rotoru a mezi protilehlými stranami vinutí vysokoteplotní supravodivé cívky. Každá sestava nosníku cívky zahrnuje tažnou vzpěru 42. která jde průchodem 46 v jádru rotoru, tažné šrouby 43 vložené do konců vzpěry a kryty 44 ve tvaru profilu U cívky upevněné k tažným šroubům 43 a držící vinutí cívky. Nosný systém cívky poskytuje nosnou konstrukci, která přidržuje vinutí cívky v rotoru.

Hlavní zátěž vinutí 34 vysokoteplotní supravodivé cívky pochází z odstředivého zrychlení během otáčení rotoru. Sestavy nosníků cívky jsou nastaveny podle odstředivého zatížení cívky, za účelem zajištění účinného konstrukčního vyztužení vinutí cívky při zatížení. Pro nesení postranních částí cívky se každá sestava tažné vzpěry 42 a tažného šroubu 43 (sestava tažné vzpěry) rozpíná mezi cívkami a je připojena ke krytu 44 ve tvaru profilu U cívky. Kryty 44 sevřou protilehlé části cívky. Tažné vzpěry 42 procházejí řadou průchodů 46 v jádru rotoru.

Tyto tažné vzpěry 42 jsou v příčné ose jádra rotoru.

Kryty 44 ve tvaru profilu U cívky vyztužují vinutí 34 cívky proti odstředivým silám a tangenciálním točivým silám. Odstředivé síly vznikají díky otáčení rotoru. Tangenciální síly mohou vznikat od zrychlování a zpomalování rotoru a přenosu točivého momentu. Protože jsou podélné strany 40 vinutí cívky zapouzdřeny pomocí krytů 44 ve tvaru profilu U cívky a konců 86 tažných šroubů, jsou strany vinutí cívky v rotoru plně neseny.

Průchody 46 jsou obecně válcové kanály v jádru rotoru, které mají přímou osu. Průměr průchodu 46 je v podstatě konstantní. Konce 88 průchodů se ale mohou rozšiřovat do většího průměru, aby se do nich ♦ · · mohla vložit izolační trubice 52. Tato izolační trubice 52 správně ustavuje tažnou vzpěru 42 v průchodu 46 a zajišťuje tepelnou izolaci mezi jádrem rotoru a tažnou vzpěrou 42. Izolační trubice 52 má spodní vnější kroužek 123. do kterého zapadají stěny rozšířeného konce 88 průchodů 46 rotorem. Válcová boční stěna 121 izolační trubice 52 jde nahoru od vnějšího kroužku 123 a není v kontaktu se stěnami průchodu. Do horního konce izolační trubice 52 zapadá pojistná matice 84. která spojuje izoiační trubici 52 s tažnou vzpěrou 42. Takto izolační trubice 52 a pojistná matice 84 zajišťují tepelně nevodivou operu pro tažnou vzpěru v průchodech 46 jádrem rotoru.

Počet průchodů 46 a jejich umístění na jádru rotoru závisí na umístěni vysokoteplotních supravodivých cívek a na počtu pouzder cívek potřebných pro nesení postranních částí cívek. Osy průchodů 46 jsou obecně v rovině definované oválnou cívkou. Kromě toho jsou osy průchodů 46 kolmé na postranní části cívky. Navíc jsou ve zde znázorněném provedení průchody 46 kolmé k ose rotoru a protínají ji. Počet průchodů 46 a jejich umístění bude záviset na umístění vysokoteplotních supravodivých cívek a na počtu pouzder cívek potřebných pro nesení postranních částí cívek.

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 tepioty supravodivých cívek. U studených nosníků je většina mechanického zatížení supravodivé cívky nesena konstrukčními členy, které jsou na nebo blízko kryogenní teploty.

• «4

4

4* ·

4 4·« «4 4« · · · · · ·

4 4 4 4··

444 «44 *<4 44 4«*4

Příklad nosného systému cívky, který je zde uveden, je studený nosník, kde jsou tažné tyče 42, tažné šrouby 43 a přidružené kryty 44 ve tvaru profilu U udržovány na nebo blízko kryogenní teploty. Protože jsou nosné členy studené, jsou tyto členy tepelně izolovány, například bezdotykovými průchody jádrem rotoru, od jádra rotoru a jiných „horkých“ součástí rotoru.

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 přechlazení, je nutné zamezit přivádění tepla do cívek.

Nosný systém cívky je tepelně izolován od jádra rotoru. Například tažné vzpěry a šrouby nejsou v přímém kontaktu s rotorem. Tento nedostatek kontaktu vylučuje vedení tepla z rotoru do tažných vzpěr a cívek. Navíc byla hmotnost konstrukce nosného systému cívky minimalizována tak, aby se omezilo vedení tepla sestavami nosné konstrukce do vinutí cívek z jádra rotoru.

Každá tažná vzpěra 42 je hřídel spojitá v podélném směru tažné vzpěry a v rovině oválné cívky. Tažná vzpěra 42 je obvykle vyrobena z velice pevných nemagnetických slitin jako jsou titanové, hliníkové nebo niklové slitiny. Podélná spojitost tažných vzpěr 42 zajišťuje příčnou tuhost pro cívky, což je výhodné pro dynamiku rotoru. Příčná tuhost tažných vzpěr 42 navíc dovoluje integraci nosníku cívek s cívkami tak, že cívka může být s nosníkem sestavena na jádru rotoru dříve než se sestaví celý rotor.

Tažné šrouby 43 se zašroubují do závitových děr 120 na konci tažné vzpěry 42. Hloubka, do které se svorník zašroubuje do vzpěry, je nastavitelná. Celkovou délku sestavy tažné vzpěry 42 a tažného šroubu 43 (kde se tato sestava rozpíná mezi stranami cívky) lze měnit

9«

-* 9 « ** «9 •99 90 ·9 9 · 9 99 9 * 0 • 0 0* 0 9··0 0 •0 0 t 9 00«

I*· <90 *90 04 00*0 šroubováním jednoho nebo obou z tažných šroubů 43 směrem dovnitř nebo ven z děr tažných vzpěr 42. Toto délkové nastavení sestavy tažné vzpěry 42 a tažných šroubů 43 je užitečné při seřizování této sestavy mezi stranami vinuti cívky, Hloubka závitové díry na konci tažné vzpěry je dostatečná pro zajištění adekvátního nastavení délky této sestavy tažné vzpěry a šroubů.

Hlava 122 šroubu má přírubu s plochým vnějším povrchem £6.

Plochý povrch 86 hlavy šroubu dosedá na vnitřní povrch vinutí 34 cívky a nese takto zatížení vinutí cívky, které je paralelní s tažnou vzpěrou.

Plochý povrch 86 hlavy šroubu nese vnitřní povrch strany vinutí cívky. Ostatní tři povrchy strany 40 vinutí cívky jsou neseny krytem 44 ve tvaru profilu U. Každý kryt 44 ve tvaru profilu U cívky je namontován kolem cívky a vytváří spolu s hlavou šroubu skříň cívky. Tato skříň vyztužuje vinutí cívky vzhledem k tangenciálnímu a odstředivému zatížení. Tato skříň rovněž umožňuje podélné rozpínání a smršťování vinutí cívky.

Každý kryt 44 ve tvaru profilu U má pár postranních panelů 124. klín 126 a závitové vkládací pouzdro 128. Postranní panely svírají protilehlé povrchy cívky. Vnitřní povrch každého postranního panelu má úzkou drážku 130 pro vložení klínu a povrch 132 ve tvaru „L“ pro vložení postranního povrchu vinutí cívky. Vnitrní povrch každého postranního panelu má rovněž přírubu 134 se závitem, která zahrnuje patku 135 povrchu 132 ve tvaru „L pro zapadnutí rohu vinutí cívky. Do závitové části příruby 134 je vloženo závitové vkládací pouzdro 128. které zapadá mezi části příruby 134 protilehlých postranních panelů 124. Pouzdro 128 má otvor 137 s okrajem pro vložení tažného šroubu 43. Pojistná matice 138 bezpečně přidržuje objímku 128 proti hlavě šroubu 43.

Klín 126 zapadá do úzké drážky 130 každého postranního panelu a rozpíná se mezi těmito postranními panely. Klín 126 dosedá na vnější • » » · * · * 444

4 444 · · ·· povrch cívky a má profil 136. do kterého zapadne chladící kanál 38 na vnějším povrchu cívky. Pojistné šrouby 140 přidržují postranní panely ke klínu. Postranní desky jsou navzájem drženy klínem a svírají závitové pouzdro, které je upevněno k hlavě šroubu. Kryt ve tvaru profilu U může být vyroben z lehkého materiálu o vysoké pevnosti, který je pří kryogenních teplotách tvárný. Typickým materiálem pro kryty ve tvaru profilu U jsou slitiny hliníku a titanu. Tvar krytu ve tvaru profilu U je optimalizován pro dosažení nízké váhy.

Jak je vidět na obr. 4, může být řada krytů 44 ve tvaru profilu U cívky umístěna podél stran 40 vinutí cívky. Kryty ve tvaru profilu U společně rozdělují síly, které působí na cívku, například odstředivé síly, přes v podstatě celou postranní část 40 cívky. Kryty 44 ve tvaru profilu U chrání postranní části 40 cívky před nadměrným ohýbáním a prohýbáním účinkem odstředivých sil.

Množina krytů 44 ve tvaru profilu U efektivně drží cívky na svém místě, aniž by byly ovlivněny odstředivými silami. Přestože jsou kryty ve tvaru profilu U zobrazeny tak, že jsou k sobě velmi blízko, musí být pouze tak blízko, aby se předešlo degradaci cívky, způsobené velkými deformacemi ohybem a tahem během odstředivého zatěžování, přenosu točivého momentu a občasných poruchových stavů.

Nosníky cívky nebrání cívce v podélném tepelném roztahování a smršťování, které se objevují během běžné spouštěcí/zastavovací operace plynové turbíny. Zejména tepelné roztahování je primárně orientováno v podélném směru postranních částí. Postranní části cívky se tedy mírné podélně posouvají vzhledem ke krytu ve tvaru profilu U a tažným vzpěrám.

Nosný systém cívky sestávající z tažných vzpěr 42. tažných šroubů 43 a krytů 44 ve tvaru profilu U může být smontován s vinutími 34 vysokoteplotní supravodivé cívky 36 když jsou připevňována na jádro 22 rotoru. Tažné vzpěry 42 a kryty 44 ve tvaru profilu U zajišťují • * * · · ·* 0·· «···· · · · ♦ • · * · · · · · ·· ··· ··· ·»· ·· ···· dosti pevnou konstrukci pro nesení vinutí cívky a držení dlouhých stran vinutí cívky na místě vzhledem k jádru rotoru. Konce cívky mohou být neseny dělenými svěrkami 58 na axiálních koncích (avšak ne v kontaktu s nimi) jádra 22 rotoru.

Železné jádro 22 rotoru má obecně válcový tvar 50 vhodný pro otáčení uvnitř rotorové dutiny 16 statoru 12. Pro uložení vinutí cívky je jádro rotoru opatřeno povrchy 48 s vybráním jako jsou ploché nebo trojúhelníkové oblasti nebo drážky. Tyto povrchy 48 jsou vytvořeny v zakřiveném povrchu válcového jádra a vedou podélně přes jádro rotoru. Vinutí 34 cívky je připevněno na rotor přilehle k povrchům 48 s vybráním. Cívky se obecně rozprostírají podélně podél vnějšího povrchu oblasti s vybráním a kolem konců jádra rotoru. Na površích 48 s vybráním jádra rotoru je umístěno vinutí cívky. Tvar oblasti s vybráním odpovídá vinutí cívky. Například, je-li vinutí cívky sedlového tvaru nebo nějakého jiného tvaru, bude vybrání v jádru rotoru upraveno tak, aby mělo tvar pro uloženi vinutí.

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 chlazení s nuceným oběhem statoru, jelikož rotor ventilační chlazení nepožaduje. Je žádoucí, aby byla minimalizována mechanická vůie 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 ceié obálce vytvořené rotorem a je tudíž odděleno od statoru pouze mezerou mechanické vůle mezi rotorem a statorem.

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

Na konci každé tažné vzpěry 42 může být izolační trubice 52, která upevňuje nosnou konstrukci cívky k horkému rotoru a zabraňuje proudění tepla mezi nimi. Navíc zde může být izolační pojistná matice 64 připojená k izolační trubici 52. která dále usnadňuje spojení mezi tažnou vzpěrou a krytem. Pojistná matice 84 a izolační trubice 52 upevňují tažnou vzpěru a kryt ve tvaru profilu U k jádru rotoru, při současné minimalizaci přenosu tepla od horkého rotoru do konstrukce krytu.

Jádro rotoru, vinutí cívky a sestavy nosníku cívky jsou předem smontovány. Předběžná montáž cívky a nosníku cívky zkracuje výrobní cyklus, zlepšuje kvalitu nosníku cívky a zmenšuje odchylky sestavy cívky. Před tím, než se smontuje jádro rotoru s koncovými hřídeli rotoru a ostatními součástmi rotoru, vloží se do každého průchodu 46 tažné vzpěry 42. který procházejí jádrem rotoru, Izolační trubice 52 na každém konci každé tažné vzpěry 42 je umístěna v rozšířeném konci 88 na každém konci průchodů 46. Izolační trubice 52 je zajištěna na místě pomocí přidržovací pojistné matice 84.

Tažné šrouby 43 mohou být vloženy před nebo po vložení tažných vzpěr 42 do průchodů jádrem rotoru. Závitové vkládací pouzdro 128 a pojistná matice 138 jsou umístěny na tažných šroubech 43 před tím, než jsou tyto tažné šrouby 43 umístěny v tažných vzpěrách 42. Nicméně pojistná matice se proti pouzdru nedotahuje, dokud není smontován kryt 44 ve tvaru profilu U.

Hloubka, do které jsou tažné šrouby 43 zašroubovány do tažných vzpěr 42 se zvolí tak, že délka od konce jednoho šroubu na tažné vzpěře ke konci protilehlého šroubu je rovna vzdálenosti mezi sestavou krytů ve tvaru profilu U dlouhých stran 40 vinutí cívky. Když se tažné vzpěry 42 a tažné šrouby 43 smontují s jádrem 22 rotoru, je vinutí 34 cívky připraveno ke vložení do jádra.

·* 4 · 4··

444 4*4 ·· · ····

Přes vinutí 34 se smontují kryty 44 ve tvaru profilu U. Za účelem držení klínů a postranních panelů pohromadě se vloží pojistné šrouby.

Poté se podsestava vinutí cívky a krytů ve tvaru profilu U vloží na jádro rotoru přes konce tažných vzpěr 42. Válcové závitové vkládací pouzdro 128 se zašroubuje nebo jinak vloží mezi postranní panely tak, že plochý konec hlavy šroubu dosedá na vnitřní povrch postranních částí 40 vinutí. Pojistná matice 138 se použije pro dotažení pouzdra ke šroubu.

Jádro 22 rotoru může být zapouzdřeno v kovovém válcovém stínění 90 (znázorněno čárkovanými čarami), které chrání vinutí 24 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.

Kryty ve tvaru profilu U cívek, tažné vzpěry a šrouby (sestava nosníku cívky) mohou být smontovány s vinutím cívky před tím, než se smontují jádro rotoru a cívky s nákružkem a jinými součástmi rotoru. Podobně mohou být jádro rotoru, vinutí cívky a nosný systém cívky sestaveny jako jednotka, před montáží jiných součástí rotoru a synchronního stroje.

I když 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 provedení, ale naopak zahrnuje všechna provedení v duchu přiložených nároků.

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY ·«··« « · · ·♦ • » · ·· · v · « t fl*« · · · · · • 4 · · * ··«·» • ♦ · 4 4 · · · «· ··· ··· ··· «♦ ··««

1. Synchronní stroj (10) vyznačující se tím, že rotor obsahuje jádro (22) rotoru, vinutí (34) supravodivé cívky rozprostírající se kotem alespoň části rotoru, kde toto vinutí (34) cívky má postranní část (40) přilehlou ke straně jádra rotoru, alespoň jednu tažnou vzpěru (42) procházející průchodem (46) v jádru (22) rotoru, alespoň jeden tažný šroub (43) jdoucí z konce tažné vzpěry (42) a kryt (44) připevněný k tažnému šroubu (43) a spojený s postranní částí (40) vinutí cívky.
2. Rotor podle nároku 1 vyznačující se tím, že kryt (44) obsahuje pár postranních panelů (124) na protilehlých površích postranních částí (40).
3. Rotor podle nároku 1 vyznačující se tím, že kryt (44), tažný šroub (43) a tažná vzpěra (42) jsou chlazeny vedením z vinutí cívky.
4. Rotor podle nároku 1 vyznačující se tím, že hloubka tažného šroubu (43) v tažné vzpěře (42) je nastavitelná.
5. Rotor podle nároku 1 vyznačující se tím, že tažný šroub (43) zahrnuje hlavu (122) mající plochý povrch (86) dosedající na cívku.
6. Rotor podle nároku 1 vyznačující se tím, že dále obsahuje druhý šroub (43) jdoucí z druhého konce tažné vzpěry a dosedající na druhou postranní část (40) vinuti cívky.
7. Rotor podle nároku 1 vyznačující se tím, že kryt obsahuje postranní panely (124) držící postranní části (40) cívky a klín (126) mezi postranními panely dosedající na vnější povrch postranní části.
8. Rotor podle nároku 1 vyznačující se tím, že šroub (43) má plochou hlavu (122) dosedající na vinutí cívky.
9. Rotor podle nároku 1 vyznačující se tím, že kryt (44) je vytvořen z kovového materiálu vybraného ze skupiny sestávající ze slitin hliníku a titanu.
10. Rotor podle nároku 1 vyznačující se tím, že tažná vzpěra (42) je vytvořena z nemagnetické kovové slitiny.
11. Rotor podle nároku 1 vyznačující se tím, že tažná vzpěra (42) je vytvořena ze slitiny Inconel.
12. Způsob nesení vinutí (34) supravodivé cívky v jádru (22) rotoru synchronního stroje vyznačující se tím, že se průchodem (46) jádra rotoru protáhne tažná vzpěra (42), do konce tažné vzpěry se vloží alespoň jeden tažný šroub (43), kolem jedné z postranních částí (40) vinutí cívky se smontuje alespoň jeden kryt (44), vinutí cívky s krytem se umístí kolem jádra rotoru tak, že se tažná vzpěra a tažný šroub rozpínají mezi postranními částmi vinutí cívky s krytem, a šroub se upevní k jednomu z krytů.
13. Způsob podle nároku 12 vyznačující se tím, že do druhého konce tažné vzpěry se vloží druhý šroub (43) a tento druhý šroub se upevní k druhému krytu připevněnému k druhé postranní části vinutí cívky.
14. Způsob podle nároku 12 vyznačující se tím, že dále se přes druhou postranní část cívky vloží druhý kryt (44) a tento druhý kryt (44) se připevní ke druhému šroubu (43) na konci tažné vzpěry, kde tato tažná vzpěra prochází rotační osou (20) jádra rotoru, přičemž první strana a druhá strana cívky jsou na protilehlých stranách rotoru.
15. Způsob podle nároku 12 vyznačující se tím, že šroub se ke krytu upevní pomocí závitové vložky.

·”» * φΦ ·* Φ » Β

ΦΦΦΦΦ Φ Φ ΦΦ · • Φ «Φ Φ · φ Φ Φ · • Φ Φ Φ Φ φφφ ·· ΦΦ* ΦΦ* ·ΦΦ Φ* ΦΦΦΦ
16. Způsob podle nároku 12 vyznačující se tím, že cívka (36), kryt (44), tažný Šroub (43) a tažná vzpěra (46) jsou kryogenně chlazeny.
17. Způsob podle nároku 12 vyznačující se tím, že do řady průchodů v jádru rotoru se vloží několik tažných vzpěr a šroubů a upevní se k vinutí cívky,
18. Způsob podle nároku 12 vyznačující se tím, že za účelem nastavení délky sestavy tažné vzpěry a šroubu se mění hloubka šroubu v tažné vzpěře.
19. Rotor (14) pro synchronní stroj (10) vyznačující se tím, že obsahuje jádro (22) rotoru mající průchod (46), vinutí (34) oválné supravodivé cívky, kde ovál je v rovině rovnoběžné s podélnou osou (20) rotoru, tažnou vzpěru (42) v průchodu (46) jádrem (22), tažný šroub (43) na každém konci tažné vzpěry (42), a kryt (44) spojující vinutí cívky s každým tažným šroubem.
20. Rotor podle nároku 19 vyznačující se tím, že obsahuje množinu průchodů (46) kolmých na podélnou osu jádra rotoru a v rovině definované supravodivou cívkou.
21. Rotor podle nároku 19 vyznačující se tím, že tažný šroub má koncový povrch (86) dosedající na cívku.
22. Rotor podle nároku 19 vyznačující se tím, že kryt obsahuje pár postranních paneíů na protiíehiých površích vinutí cívky, klín spojující postranní panely a závitovou vložku spojenou s postranními panely a upevněnou ke šroubu.
23. Rotor podle nároku 19 vyznačující se tím, že obsahuje izolační trubici (52) mezi jádrem rotoru a tažnou vzpěrou.