CZ20023126A3

CZ20023126A3 - Supravodivé indukční vinutí pro elektrický stroj

Info

Publication number: CZ20023126A3
Application number: CZ20023126A
Authority: CZ
Inventors: Michael James Fogarty; Grian Ernest Baxter Gott; Konrad Roman Webber
Original assignee: General Electric Company
Priority date: 2000-12-29
Filing date: 2001-12-12
Publication date: 2003-02-12
Also published as: WO2002063751A1; EP1348251A1; MXPA02009646A; CN1426625A; PL364023A1; CA2403666A1

Description

SUPRAVODIVÉ INDUKČNÍ VINUTÍ PRO ELEKTRICKÝ STROJ

Oblast techniky

Vynález se týká turbostrojů a konkrétněji statorového indukčního vinutí pro elektrický stroj používající supravodivé materiály.

Dosavadní stav techniky

V konvenčních generátorech připadá podstatná část ztrát na odporové (I2R) ztráty ve dvou hlavních vinutích generátoru, zejména v magnetizačním vinutí rotoru a indukčním vinutí statoru. Vývoj technologie supravodičů (SC), konkrétně technologie vysokoteplotních supravodičů (HTSC), poskytl vodivé médium, které, když je úspěšně implementováno, má možnosti pro výrazné snížení, nebo dokonce úplné odstranění, odpovídajících odporových ztrát v hlavních vinutích generátoru.

Úspěšné zavedení supravodivé technologie do generátorů závisí na vyřešení problémů s chlazením supravodičů, zajištění odpovídajícího mechanického upevnění a odstínění supravodivých vedení od střídavých magnetických polí pro minimalizaci parazitních vířivých proudů. Kritická proudová hustota (Jc), pod kterou si supravodivé materiály uchovávají svojí schopnost supravodivosti, je silně snížena, pokud je supravodič umístěn do rozsáhlého magnetického pole. Protože proudová hodnota (Jc) klesá s rostoucí hustotou magnetického toku, tak nabývá na důležitosti efektivní odstínění

1« • ·· • · β « · • · · » supravodiče od magnetických polí.

V konvenčních generátorech je indukční vinutí umístěno ve štěrbinách statoru a ocelové zuby vedou hlavní magnetický tok ze vzduchové mezery do jha statoru. V této konfigurací nejsou indukční vodiče vystaveny hlavnímu magnetickému toku, ale pouze výrazně menšímu odchýlenému štěrbinovému toku. Magnetický moment působí na zuby statoru, které jej přenášejí do jádra a rámu statoru. Malé odchýlené štěrbinové pole způsobuje ztráty vířivými proudy ve vodičích indukčního vinutí a zesiluje síly působící na vodiče usazené ve štěrbinách, které je možné ošetřit způsoby upevnění štěrbin.

Dosud bylo navrženo a implementováno několik koncepcí pro supravodivé synchronní generátory, jejichž příklad je uveden v US patentu č. 5 548 168, jehož obsah je zde zahrnut odkazem.

* MM

Při provozu v ustáleném stavu vede magnetizační vinutí synchronního generátoru stejnosměrný proud a je vystaveno pouze poměrně nízkému odchýlenému magnetickému poli. Magnetizační vinutí bylo tedy tradičně prvním cílem pro použití supravodivé technologie na generátorech. Magnetizační vinutí je sestaveno ze supravodičů, aby se vyřadily excitační odporové ztráty a aby se zajistil zdroj pro magnetická pole ve vzduchové štěrbině, která jsou ve všech dosud uvedených koncepcích supravodivých generátorů podstatně vyšší, než v konvenčních generátorech. Vinutí je v případě kryogenních supravodičů (LTSC) chlazeno kapalným heliem a v případě HTSC kapalným dusíkem. Časově proměnná pole při nerovnoměrném zatížení nebo přechodových jevech, například při úbytku zátěže, jsou od supravodivého rotorového vinutí odstíněna elektricky vodivým stíněním

• ·« « Λ « •· ·«♦· • ·· • · · « «

9·· · « » kolem rotoru.

Nej zajímavější existující koncepce supravodivé generátory doposud navržené v literatuře a patentech jsou založeny na bezzubém statorovém jádru, které se skládá z ocelového jha nebo stínění toku a indukčního vedení „vzduchové mezery (viz např. „Panel Discussion on Impact of Superconductíng Technologies on Future Power Systems and Equipment - Superconductíng Generators („Panelová diskuze o vlivu supravodivých technologií na budoucí energetické systémy a zařízení - Supravodivé generátory), D. Lambracht, Study Committee 11, sjezd CIGRE 1990). V této konfiguraci je indukční vedení umístěno v cestě hlavního magnetického toku a je vystaveno úrovním hustoty plného toku magnetického pole ve vzduchové štěrbině 2 Tesla nebo více. Rozsáhlá magnetická vzduchová mezera je magnetizována vysokou výkonností ampérzávitú supravodivého magnetizačniho vedení. Navíc jsou velikosti úrovní hustoty toku dále zvyšovány nad ty, co jsou používány v konvenčních generátorech pro dosažení vyšších výkonových hustot a snížení celkové velikosti generátoru.

Indukční vedení vzduchové mezery je typicky vyrobeno z měděných vodičů, které jsou neseny nemagnetickou konstrukcí. Tyto koncepce mají několik vrozených problémů. Indukční vinutí je vystaveno plným hustotám toku vzduchové mezery vedoucím na vysoké střídavé ztráty v měděných vodičích. Jelikož se indukční vinutí nachází v hlavním poli vzduchové mezery, tak působí plné zatížení magnetickým momentem přímo na indukční vedení a odstředivé síly jsou také výrazně vyšší, než u konvenčních generátorů. To vyžaduje, aby byla nemagnetická nosná konstrukce indukčního vinutí navržena jak pro zatěžovací moment, tak pro vysoké odstředivé síly. Na tyto problémy, které jsou spojeny se '1*1* « 0

0

0 0 0 0 # ·0 0 0 0 0 0000 00 supravodivým generátorem vysokých výkonových hustot, i když je použito konvenčního měděného indukčního vinutí, se zaměřila koncepce nízkých výkonových hustot v citovaném US patentu. Provedení dalšího kroku a nahrazení konvenčního měděného vodiče supravodivým vedením v indukčním vinutí vzduchové mezery je ztěžováno skutečností, že supravodiče nejsou stále schopny vést střídavé proudy v silných magnetických polích bez vzniku vysokých střídavých ztrát vedoucích ke ztrátě supravodivosti. Následování tohoto vzoru indukčního vinutí vzduchové mezery používáním supravodičů v indukčním vinutí tedy dodnes přineslo jen omezený úspěch.

V posledních letech byly různými výrobci kabelů v prototypech střídavých výkonových kabelů implementovány supravodivé dráty. V těchto kabelech je elektrická zemnící izolace buď při pokojové teplotě (teplé dielektrikum), nebo pří kryogenních teplotách (studené dielektrikum), a vodič je vyroben z HTSC drátu. Vodiče jsou v těchto střídavých výkonových kabelech vystaveny pouze malému vlastnímu poli, které je pro dnešní supravodivé materiály dostatečně malé.

Existuje také několik koncepcí pro generátory vinuté z kabelů, ve kterých je statorové vinutí vyrobeno z nízko nebo vysokonapeúových kabelů s konvenčními měděnými vodiči.

Je tedy žádoucí dodat supravodivé indukční vinutí, které je vyrobeno umístěné do statorových štěrbin, podobně jako v konvenčních generátorech. Statorové zuby slouží k odstínění supravodivého vinutí od střídavých magnetických polí, což vede na minimalizaci střídavých ztrát, sil a momentů působících na supravodivé dráty. Také by bylo přínosné vyrábět vinutí ze spojitých kabelů ze supravodivých drátů nebo případně z vícevláknových drátů s poměrem stran /MM blízkým jedné. Dále by bylo přínosně uplatnit magnetické klíny pro další odstínění supravodivých vodičů od střídavých magnetických polí.

Podstata vynálezu

V příkladu provedení vynálezu zahrnuje supravodivý synchronní generátor rotor a stator. Stator obsahuje více statorových štěrbin a indukčních vinutí postupně umístěných ve statorových štěrbinách. Indukční vinutí jsou tvořena supravodivým kabelem. Supravodivý kabel může obsahovat vícevláknovou supravodivou drátěnou pásku s poměrem stran větším než jedna, nebo případně s poměrem stran okolo jedné. V alternativním uspořádání obsahuje supravodivý kabel spojité kabely ze supravodivého drátu.

Supravodivý kabel může obsahovat v podstatě soustředně vrstvenou konstrukci obsahující kanál pro kryogenní chladící médium, supravodivého materiálu a izolace. Izolace může být tepelnou izolací umístěnou na elektrické izolaci, nebo naopak elektrickou izolací umístěnou na tepelné izolaci. Stator může dále obsahovat zuby statoru vymezující statorové Štěrbiny, přičemž statorové zuby stíní supravodivý kabel od

většiny magnetických generátoru.	polí vznikajících při	provozu
Indukční	vinutí ze	supravodivého kabelu	mohou být
prstencovými	vinutími	a stator může dále	obsahovat
magnetické	klíny ve	štěrbinách postupně	umístěné

v otevřených prostorách štěrbin.

V jiném příkladu provedení vynálezu je indukční vinutí (2484366_CZ.doc) » · pro elektrické stroje tvořeno supravodivým kabelem.

Přehled obrázků na výkresech

Vynález bude blíže vysvětlen prostřednictvím konkrétních příkladů provedení znázorněných na výkresech, na kterých představuje obr. 1 schematické zobrazení vinutí usazeného ve dielektrikem supravodivého indukčního štěrbinách se studeným obr. 2 schematické zobrazení supravodivého vinutí usazeného ve štěrbinách dielektrikem indukčního s teplým obr. 3 cívkové supravodivé indukční vinutí usazené ve štěrbinách jako příklad dvoupólového generátoru obr. 4 supravodivý kabel vyrobený ze supravodivé pásky s vysokým poměrem stran usazený ve štěrbinách obr. 5 supravodivý kabel vyrobený ze supravodivé pásky s poměrem stran blízkým jedné usazený ve štěrbinách obr. 6 magnetický klín ve štěrbině prostoru statorové štěrbiny umístěný v otevřeném (2484866_CZ.doc) to * to to to· · to · « * to« * · » · • tototo ·«

- Ί Příklady provedení vynálezu

S odkazem na obr. 1 a 2 je zobrazeno supravodivé indukční vinutí 10, které je umístěné v konvenční statorové Štěrbině 12. Supravodivé indukční vinuti 10 je tvořeno v podstatě soustředně vrstvenou konstrukcí, obsahující kanál 14 pro kryogenní chladící médium, supravodiče 16 a izolace 18, 20. Vodiče 16 supravodivého statorového vinutí jsou umístěny ve statorových štěrbinách 12 podobně jako v uspořádání vinutí konvenčních generátorů. Hlavní magnetický tok je veden skrz jádro 22 ozubeného statoru, které odstiňují supravodivý drát od vysokých hustot střídavého toku. Jelikož je magnetické pole vedeno skrz laminovanou strukturu jádra, tak jsou magnetické síly, momenty a další střídavé ztráty omezeny na hodnoty, které jsou způsobeny pouze odchýleným štěrbinovým polem, ale nikoliv hlavním magnetickým polem. Síly a momenty působící na supravodivé dráty jsou tedy srovnatelné s těmi v konvenčních strojích a supravodivé vodiče mohou být neseny konvenčními konstrukcemi. S touto strukturou je supravodivý drát vystaven střídavému poli, které je omezeno na odchýlené štěrbinové pole. Jelikož je střídavé pole malé, tak má být navíc kritická proudová hustota supravodivého drátu snížena jen mírně. Střídavé ztráty vyvolané v supravodivých drátech odchýleným štěrbinovým polem jsou navíc minimální a plné momentové zatížení je přenášeno do magnetického jha nikoliv indukčním vinutím, ale pro lepší spolehlivost spíše magnetickými zuby.

Supravodič může být ve štěrbině uspořádán v několika různých konfiguracích bud' se studeným dielektrikem (tepelná izolace 20 okolo elektrické izolace 18, jak je ukázáno na obr. 1), nebo s teplým dielektrikem (elektrická izolace 18 (2484866_CZ.doc) okolo tepelné izolace 20, jak je ukázáno na obr. 2) , a vodiče mohou být buď obdélné, nebo kulaté, nebo v jiných tvarových konfiguracích.

Je upřednostňováno, aby byly supravodivé dráty uvnitř závitu nebo cívky uspořádány podle jakéhokoliv dobře známého postupu, který omezuje nebo vylučuje vyrovnávací proudy mezi dráty. Jeden takový postup používá „Roebelovo uspořádání, kterým jsou typické patenty od Ringlanda (Allis Chalmers) a Willyounga (General Electric), které jsou již dlouhou dobu v platnosti. V uvedeném použití supravodivých kabelů je upřednostňováno, aby byly dráty navinuty do tvaru spirály, aby se docílilo vyrušení vyrovnávacích proudů.

Supravodivé vodiče usazené ve štěrbinách mohou být zapojeny podle libovolného typického schématu zapojení, například jako jednotlivé pruhy, nebo jedno či vícezavitové cívky zapojené do prstencového vinutí, nebo jedno čí vícevrstvé vinutí, které je vyrobeno ze stejných nebo soustředných cívek zapojených jako osnova vlnového nebo smyčkového vinutí. Koncepce supravodivých vodičů usazených ve štěrbinách se také týká statorových vinutí s vystouplými póly a spirálových indukčních vinutí.

S odkazem na obr. 3 se prstencové vinutí 23 skládá ze závitů, které prochází okolo jha 24 jádra 22 statoru. Nedostatkem prstencového vinutí v konvenčních generátorech je, že potřebuje přibližně dvojnásobnou délku cívky na indukované napětí, což vede na dvakrát tak velké odporové ztráty v cívkách. Tento nedostatek dvojnásobných odporových ztrát je vyloučen použitím supravodivých drátů, jak ukazuje obr. 3, a výhodou je kompaktnost prstencového vinutí umístěného v málo štěrbinách/pólech/fázích. Obsah štěrbin (2484866_CZ.doc) ft ft ft « ft ft • « • · · • ftft ft · • ftft ftftft ·« ft takového vinutí může implementovat koncepce z obr. 1 a 2.

Kryogenní chladící rozvod 14 pro supravodič může být implementován v několika konfiguracích. V jedné konfiguraci tvoří každý obvod indukčního vinutí spojitou kryogenní smyčku. V tomto případě obsahuje každý kryogenní obvod stejné vodiče, jako každý elektrický obvod. V jiné konfiguraci se mohou kryogenní a elektrické obvody skládat z různých schémat zapojení. Kryogenní obvod se muže skládat z paralelního spojení buď jednotlivých cívek, nebo prutů, nebo jejich skupin.

Supravodivé indukční vedení je vyrobeno ze spojitého supravodivého kabelu. Tento kabel je vyroben z vrstev supravodivého drátu obklopeného spojitě zalitým izolačním systémem. V této koncepci probíhá supravodivý drát spojitě mezi dvěma svorkami každé fáze, nebo mezí jejími částmi. Tento přístup minimalizuje splétání supravodivého drátu, která jsou vyžadována, narozdíl od vinutí vyrobeného z jednotlivých prutů nebo cívek. V různých provedeních supravodivého kabelového vinutí může chladící médium obíhat buď jako integrální součást spojitého kabelu, nebo okolo zalitého kabelu jako součást výplně štěrbiny kabelu. V posledním případě může být do stejného chladícího obvodu vrámci jedné štěrbiny ponořeno několik kabelů.

Koncepce vinutí ze supravodivých kabelů se týká všech konfigurací vinutí a schémat zapojení, včetně jedno a vícevrstvých vinutí, vlnových a smyčkových vinutí, prstencových vinutí, vinutí s vystouplými póly, spirálových vinutí.

Stávající prototypy supravodivých kabelů jsou sestaveny

Í54R4866 CZ.docl • 9

9

9*· » ·9* • · ·· z vícevláknové supravodivé drátěné pásky s vysokým poměrem stran, t j . z pásky, jejíž šířka je několikanásobná ve srovnání s její tloušťkou. Vodivá část 16 je přednostně navinutá z takovéto supravodivé pásky, jak je vyznačeno na obr. 4, kde jsou jednotlivé pásky zakrouceny v podélném směru kabelu. Výsledné vlastní pole kabelu ve vzduchu je označeno šipkou A a vlastní pole kabelu usazeného do štěrbin je označeno šipkou Β. V této konfiguraci přesahuje odchýlené magnetické pole A ve směru okraje kabelu a prochází supravodivou páskou pouze napříč její tloušťkou. Parazitní vířivé proudy se tak minimalizují.

V indukčním vinutí usazeném ve štěrbinách je magnetické odchýlené pole B kolmé na osu kabelu. Pokud by byl použit konvenční kabel z obr. 4, bylo by magnetické odchýlené pole kolmé na šířku supravodivých drátěných pásek ve velké části supravodivé oblasti. To by mělo za výsledek výrazné ztráty vířivými proudy, které jsou úměrné druhé mocnině rozměru pásky, který je kolmý na magnetické pole. Pro minimalizaci těchto vířivých proudu v kabelech usazených ve štěrbinách je navržena nová konfigurace drátěné pásky, ve které má vícevláknový supravodivý drát průřez s poměrem stran blízkým jedné, jako jsou žíly drátu čtvercového nebo kulatého průřezu ukázané na obr. 5.

Při rozšíření supravodivé technologie na střídavé aplikace je důležité odstínit supravodivé kabely od vystavení střídavým magnetickým polím. V konvenčních, strojích jsou pro snížení magnetických vodivostí statorových štěrbin použity magnetické štěrbinové klíny. Podle konstrukce supravodivého generátoru podle tohoto vynálezu s odkazem na obr. 6 jsou magnetické štěrbinové klíny 26 umístěny v otevřených prostorách štěrbin 12. Magnetické (24e4866_CZ.doc) klíny 26 slouží dalšímu účelu, a sice odstínění supravodivých drátů usazených ve statorové štěrbině od harmonických pole vzduchové mezery vytvořeného MMF rotoru a harmonickými magnetické vodivosti. Anisotropní klíny lze použít ke snížení štěrbinového odchýleného pole procházejícího skrz klíny nastavením upřednostňovaného magnetického směru anisotropních klínů souběžně s radiálním směrem štěrbiny. Siločáry magnetického toku jsou ukázány na obr. 6.

Se strukturou tohoto vynálezu může být do konvenčních rotorových štěrbin vyrobeno supravodivé statorové indukční vinutí. Statorové zuby slouží k odstínění supravodivého vinutí od magnetických střídavých polí, výsledkem čehož je minimalizace střídavých ztrát, sil a momentů působících na supravodivé dráty. Vinutí je vyrobeno ze spojitých kabelů ze supravodivých drátů, nebo případně z vícevláknových drátů s poměrem stran blízkým jedné. Magnetické klíny dále odstiňuji supravodivé vodiče od střídavých magnetických polí.

(2484866_CZ.doc)

Přestože byl vynález popsán s ohledem na to, co je momentálně považováno za nejpraktičtější a upřednostňovaná provedení, rozumí se, že vynález není omezen na předkládaná provedení, ale naopak, je určen k pokrytí různých modifikací a ekvivalentních uspořádání odpovídajících podstatě a rozsahu přiložených nároků. Vynález je například použitelný pro různé druhy elektrických strojů i kromě synchronních typů, včetně, avšak bez omezení na, stejnosměrné motory a generátory a indukční motory atd.

Zastupuje .·

Dr. Otakar Švorčík v.r.

(2484866_CZ.doc)

JUDr. Otakar Švorčík advokát

120 00 Praha 2, Háikova 2

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Supravodivý elektrický stroj obsahující rotor a stator, přičemž stator obsahuje více statorových štěrbin (12) a indukčních vinutí (10) postupně se nacházejících ve štěrbinách statoru, vyznačující se tím, že indukční vinutí jsou tvořena supravodivým kabelem (16).
2. Supravodivý elektrický stroj podle nároku 1, vyznačující se tím, že supravodivý kabel (16) obsahuje vícevláknovou supravodivou drátěnou pásku.
3. Supravodivý elektrický stroj podle nároku 2, vyznačující se tím, že vícevláknová supravodivá páska má poměr stran okolo 1.
4. Supravodivý elektrický stroj podle nároku 1, vyznačující se tím, že supravodivý kabel (16) obsahuje spojité kabely ze supravodivého drátu.

elektrický stroj podle tím, že supravodivý soustředně vrstvenou nároku 1, kabel (16) konstrukci médium,
5. Supravodivý vyznačující se obsahuje v podstatě obsahující kanál (14) pro kryogenní chladící supravodivý materiál (16) a izolaci (18, 20) ,
6. Supravodivý elektrický stroj podle nároku 5, vyznačující se tím, že izolace obsahuje tepelnou izolaci (20) nacházející se na elektrické izolaci (18) .
7. Supravodivý elektrický stroj podle nároku 5,

2484866 (2484866_CZ.doc) *

« ··· • * *« v* ♦ · · · • ·· • · « ♦ • ♦ » ···· Φ· vyznačující se tím, že izolace obsahuje elektrickou izolaci (18) nacházející se na tepelné izolaci (20) .
8. Supravodivý elektrický stroj podle nároku 1, vyznačující se tím, že stator dále obsahuje statorové zuby (22) vymezující statorové štěrbiny (12), přičemž statorové zuby odstínují supravodivý kabel (16) od většiny magnetických polí generovaných při provozu elektrického stroje.
9. Supravodivý elektrický stroj podle nároku 1, vyznačující se tím, že indukční vinutí ze supravodivého kabelu jsou prstencová vinutí (23).
10. Supravodivý elektrický stroj podle nároku 1, vyznačující se tím, že stator dále obsahuje magnetické štěrbinové klíny (26) postupně se nacházející v otevřených prostorách štěrbin.
11. Indukční vinutí (10) pro elektrický stroj, vyznačující se tím, že je indukční vinutí tvořeno supravodivým kabelem (16).
12. Indukční vinutí podle nároku 11, vyznačující se tím, že supravodivý kabel (16) obsahuje vícevláknovou supravodivou drátěnou pásku.
13. Indukční vinutí podle nároku 12, vyznačující se tím, že vícevláknová supravodivá páska má poměr stran okolo 1.
14. Indukční vinutí podle nároku 11, vyznačující se tím, že supravodivý kabel (16) obsahuje spojité kabely (2484866_CZ.doc)

A A I A ··

A A · »

A · A

A« A« A·

A« A A A • A« A •A ·· } · A

A A * • A A A ♦ A A

AA AAA· ze supravodivého drátu.
15. Indukční vinutí podle nároku 14, vyznačující se tím, že supravodivý kabel obsahuje vrstvy ze supravodivého drátu (16) obklopené spojitě vytaženým izolačním systémem (18,20).
16. Indukční vinutí podle nároku 11, vyznačující se tím, že supravodivý kabel obsahuje v podstatě soustředně vrstvenou konstrukci obsahující kanál (14) pro kryogenní chladící médium, supravodivý materiál (16) a izolaci (18, 20) .
17. Indukční vinutí podle nároku 16, vyznačující se tím, že izolace obsahuje tepelnou izolaci (20) nacházející se na elektrické izolaci (18).
18. Indukční vinutí podle nároku 16, vyznačující se tím, že izolace obsahuje elektrickou izolaci (18) nacházející se na tepelné izolaci (20) .
19. Způsob pro konstrukci indukčního vinutí pro elektrický stroj, přičemž způsob obsahuje vytvoření indukčního vinutí se supravodivým kabelem.