CZ303903B6

CZ303903B6 - Supravodivý elektromagnetický stroj a zpusob jeho chlazení

Info

Publication number: CZ303903B6
Application number: CZ20022715A
Authority: CZ
Inventors: Roman Weeber@Konrad; Nils Dawson@Richard
Original assignee: General Electric Company
Priority date: 2001-08-15
Filing date: 2002-08-08
Publication date: 2013-06-19
Also published as: MXPA02007836A; KR100697481B1; NO20023840L; JP2003079100A; NO20023840D0; BR0203265A; EP1286448A1; PL200526B1; US20030034701A1; CA2396520A1; CN1405957A; US6703729B2; CZ20022715A3; PL355437A1; KR20030015858A; CA2396520C; CN100397760C

Abstract

Supravodivý elektromagnetický stroj (50) obsahuje rotor (64) s kryogenne chlazeným supravodivým vinutím, opatrený vlastním kryogenním chladicím systémem rotoru. Stator má chladicí pruchody (100) vycházející z vnejsího obvodu (98) statoru na vnitrní obvod statoru, pricemz vnitrní obvod statoru je oddelen od rotoru (64) prstencovou vzduchovou mezerou (88), která probíhá po délce rotoru (64) a má nejméne jeden postranní otvor obsahující vstup pro pruchod chladicího plynu. Supravodivý elektromagnetický stroj obsahuje ventilacní systém statoru, který je uzpusobený pro privádení chladicího plynu k vnejsímu obvodu (98) statoru a do chladicích pruchodu (100), pricemz v podstate veskerý chladicí plyn proudí prstencovou vzduchovou mezerou (88) a chladicími pruchody (100). Ventilacní systém statoru dále obsahuje pri vnejsím obvodu (98) statoru nekolik komor pro regulaci proudu chladicího plynu, pricemz tyto komory pro regulaci proudu chladicího plynu obsahují první komoru mající vnejsí vstupní otvor (112) pro chladicí plyn otevrený ke zdroji chladicího plynu, a druhou komoru (94) mající vstupní otvor pro chladicí plyn otevrený do uvedené první komory, pricemz první a druhá komora mají výstupy chladicího plynu do chladicích pruchodu (100) statoru (52). Dále je navrzen zpusob chlazení supravodivého elektromagnetického stroje, pri kterém se a) kryogenne chladí supravodivé vinutí (66) rotoru, b) chladí se stator (52) chladicím plynem, proudícím statorem (52) od vnejsího obvodu (98) statoru radiálne k vnitrnímu obvodu statoru, pricemz se chladicí plyn vede k vnejsímu obvodu (98) statoru (52) pres nekolik komor pro regulaci proudu chladicího plynu, usporá

Description

Supravodivý elektromagnetický stroj a způsob jeho chlazení

Oblast techniky

Vynález se týká supravodivých synchronních elektrických strojů s ventilačním systémem se zpětným prouděním pro chlazení statoru stroje.

Dosavadní stav techniky

Při způsobu výroby elektrické energie vytvářejí generátory teplo, které musí být v generátoru rozptýleno. Teplo vzniká v generátorech primárně v důsledku ventilace a tření, toku elektrického proudu, a časově proměnlivých elektrických polí v magnetických strukturách. Třecí teplo vzniká, když se rotor otáčí při vysoké rychlosti generátoru. Podobně také dochází k ohřevu, když proud prochází rotorovými a statorovými vinutími, která se vzájemně otáčejí v magnetických polích generátoru. Ztráty v magnetickém obvodu vznikají, když se magnetická pole v permeabilních materiálech mění s časem, jako například ve statorovém jádru a rotorových pólech synchronního generátoru. Generátory jsou běžně vybaveny chladicími systémy pro přenos tepla ze statoru a rotoru z generátoru.

V běžných synchronních strojích se používaly chladicí systémy s plynovým chlazením, jako ventilátory a motory, které nepoužívají supravodivé materiály. Tyto plynové ventilační systémy úzce spojují chlazení statoru a rotoru. Ventilační systém chladí jak rotor tak i stator tím, že nutí chladicí plyn procházet kanály pro průchod plynu v rotoru a statoru. Běžně chladicí systémy používaly proudy chladicího plynu statorem a rotorem s dopředným a zpětným prouděním.

V běžných synchronních strojích, jako jsou synchronní generátory a motory, spojuje ventilační systém strojů chlazených plyny těsně chlazení statoru a rotoru. Ve ventilačním schématu s dopředným prouděním (obr. 1) proudí chladicí plyn sekcemi rotoru a statoru v sérii, což vytváří těsné spojení mezi chladicím systémem rotoru a statoru. Ve ventilačním schématu se zpětným prouděním (obr. 2) proudí chladicí plyn statorem a rotorem paralelně, ale potom se směšují ve vzduchové mezeře stroje, což vede ke spojení chlazení statoru a rotoru.

Vzhledem ke spojení chlazení rotoru a statoru musí být ventilační systém konfigurován pro zajištění přiměřeného chlazení jak statoru tak i rotoru. Pro zajištění chlazení rotoru je nutné uskutečnit určité kompromisy v běžném ventilačním systému s ohledem na chlazení statoru a naopak. U ventilačního systému, kteiý musí zajistit chlazení jak statoru, tak i rotoru, může být obtížné optimalizovat chlazení jak statoru, tak i rotoru. Nicméně se ve velkých energetických generátorech v průmyslu a veřejných službách ventilační systémy bažně uzpůsobují pro chlazení jak statoru, tak i rotoru.

V supravodivém synchronním stroji pracuje rotorové magnetizační vinutí při kryogenních teplotách pomocí kryogenně chladicího systému, který má svůj samostatný chladicí okruh. Studené kryogenní chladivo se dodává do rotoru přenášecí spojkou, z níž se nechá obíhat chladicím okruhem do rotoru, kde přebírá teplo, které se má odnímat, a přenášecí spojkou se vrací do stacionárního chladicího systému. Tento kryogenní chladicí systém poskytuje účinné chlazení rotoru v supravodivém stroji.

Podstata vynálezu

Kryogenní chladicí systém pro supravodivý rotor nechladí stator. Stator takového supravodivého synchronního stroje vyžaduje statorový chladicí systém. Na rozdíl od běžných strojů, kde jsou

- 1 CZ 303903 B6 chladicí systémy statoru a rotoru spojeny do jednoho ventilačního systému, mohou být chladicí systém kryogenně chlazeného rotoru a chladicí systém plynem chlazeného statoru mohou zcela nezávislé. Je tak zapotřebí chladicí systém statoru pro chlazení statoru v synchronním stroji, majícím supravodivý rotor.

Byl vyvinut ventilační systém statoru pro supravodivý synchronní stroj. Stator supravodivého synchronního stroje je chlazen ventilačním systémem se zpětným prouděním, v němž chladicí plyn, jako vzduch nebo vodík, je odtahován ze vzduchové mezery a čerpán difuzorem, výměníkem tepla a jádrem statoru zpět do vzduchové mezery. Běžný synchronní stroj může být dále zpětně vybaven supravodivým rotorem a běžným ventilačním systémem, obměněným pro provádění zde popisovaného ventilačního systému. Alternativní ventilační konfigurace statoru sleduje princip dopředného proudění, v němž vzduch proudí statorem ve směru opačném vůči chlazení statorového chladicího systému se zpětným prouděním.

Vynález přináší supravodivý elektromagnetický stroj obsahující rotor, mající kryogenně chlazené supravodivé vinutí a spojený s chladicím systémem rotoru, a stator, souose uložený okolo rotoru a mající statorová vinutí magneticky vázaná s uvedeným supravodivým vinutím rotoru, přičemž stator má chladicí průchody vycházející z vnějšího obvodu statoru na vnitřní obvod statoru, přičemž vnitřní obvod statoru je oddělen od rotoru prstencovou vzduchovou mezerou, která probíhá po délce rotoru a má nejméně jeden postranní otvor obsahující vstup pro průchod chladicího plynu, přičemž supravodivý elektromagnetický stroj obsahuje ventilační systém statoru, přičemž podle vynálezu je ventilační systém statoru uzpůsobený pro přivádění chladicího plynu k vnějšímu obvodu statoru a do chladicích průchodů, přičemž v podstatě veškerý chladicí plyn proudí z chladicích průchodů prstencovou vzduchovou mezerou, přičemž ventilační systém statoru dále obsahuje při vnějším obvodu statoru několik komor pro regulaci proudu chladicího plynu, přičemž tyto komory pro regulaci proudu chladicího plynu obsahují první komoru mající vnější vstupní otvor pro chladicí plyn otevřený ke zdroji chladicího plynu, a druhou komoru mající vstupní otvor pro chladicí plyn otevřený do uvedené první komory, přičemž první a druhá komora mají výstupy chladicího plynu do chladicích průchodů statoru.

Podle dalšího znaku stroje podle vynálezu chladicí plyn vystupuje ze statoru ve výstupech chladicích průchodů do prstencové vzduchové mezery.

Ventilační systém statoru s výhodou dále obsahuje nejméně jeden výměník tepla.

Rotor supravodivého elektromagnetického stroje podle vynálezu dále obsahuje chladicí systém rotoru, který poskytuje do supravodivého vinutí rotoru kryogenní chladicí tekutinu.

Supravodivý elektromagnetický stroj podle vynálezu je například elektromagnetický generátor nebo motor.

Ventilační systém statoru je podle dalšího znaku vynálezu ventilační systém se zpětným prouděním.

Ventilační systém statoru může být podle vynálezu systém s uzavřenou smyčkou, v němž chladicí plyn cirkuluje statorem a výměníkem tepla v dráze proudění plynu.

Podle dalšího znaku supravodivého elektromagnetického stroje podle vynálezu leží chladicí průchody statoru vedle statorových vinutí a jsou na ně kolmé.

Vynález dále přináší způsob chlazení supravodivého elektromagnetického stroje, majícího stator, rotor obsahující supravodivé rotorové vinutí, a ventilační systém statoru, přičemž stator je uložen souose okolo rotoru s prstencovou mezerou mezi rotorem a vnitřním obvodem statoru, přičemž při způsobu se

- 2 CZ 303903 B6

a) kryogenně chladí supravodivé vinutí rotoru,

b) chladí se stator chladicím plynem, proudícím statorem od vnějšího obvodu statoru radiálně k vnitřnímu obvodu statoru, přičemž podle vynálezu se chladicí plyn vede k vnějšímu obvodu statoru přes několik komor pro regulaci proudu chladicího plynu, přičemž tyto komory pro regulaci proudu chladicího plynu obsahují první komoru mající vnější vstupní otvor pro chladicí plyn otevřený ke zdroji chladicího plynu, a druhou komoru mající vstupní otvor pro chladicí plyn otevřený do první komory, přičemž první a druhá komora mají výstupy chladicího plynu do chladicích průchodů statoru, přičemž

c) v podstatě veškerý chladicí plyn ze statoru se odtahuje do prstencové vzduchové mezery, přičemž chladicí plyn proudí prstencovou mezerou, aniž by procházel rotorem.

Při způsobu s výhodou chladicí plyn prochází ve statoru více průchody procházejícími mezi vnějším obvodem statoru a prstencovou vzduchovou mezerou.

Podle dalšího znaku způsobu podle vynálezu se chladicí plyn odtahuje ventilátorem z prstencové vzduchově mezery a vypouští se ven ze supravodivého elektromagnetického stroje.

Chladicí plyn se při způsobu podle vynálezu může odtahovat ventilátorem ven ze vzduchové mezery a může být směrován do výměníku tepla, přičemž se při způsobu dále odebírá teplo z chladicího plynu výměníkem tepla, a chladicí plyn se nechává obíhat statorem a výměníkem tepla.

V jednom provedení je vynález synchronní stroj obsahující rotor připojený k chladicímu systému rotoru, stator okolo rotoru a oddělený od rotoru prstencovou mezerou mezi rotorem a vnitřním povrchem statoru, a ventilační systém statoru, oddělený od chladicího systému rotoru a nezávislý na chladicím systému rotoru.

V jiném provedení je vynález supravodivý elektromagnetický stroj obsahující rotor s plynným jádrem, mající kryogenně chlazené supravodivé rotorové vinutí, stator souosý s uvedeným rotorem a mající statorová vinutí magneticky vázaná s uvedeným supravodivým vinutím rotoru, přičemž statorová vinutí jsou uspořádána okolo uvedeného rotoru, přičemž stator má chladicí průchody vycházející z vnějšího obvodu statoru na vnitřní obvod statoru, přičemž uvedený vnitřní obvod je oddělen od rotoru prstencovou vzduchovou mezerou, přičemž rotor má chladicí kanály pro kryogenní chladicí tekutinu, přičemž stroj dále obsahuje ventilační systém statoru, poskytující chladicí plyn k vnějšímu obvodu statoru a průchodům statoru.

Dále je navržen způsob chlazení supravodivého elektromagnetického stroje, majícího rotor s plným jádrem, obsahující supravodivé rotorové vinutí, a stator a ventilační systém statoru, přičemž se při způsobu kryogenně chladí rotorové vinutí nezávisle na chlazení statoru, chladí se stator chladicím plynem, proudícím statorem, a odtahuje se chladicí plyn ze statoru do vzduchové mezery mezi statorem a jádrem rotoru, kde je chladicí plyn izolován od jakéhokoli chladicího systému rotoru.

Navržené chladicí systémy statoru jsou nezávislé na typu supravodivých uspořádání rotoru, a mohou být shodně použity pro supravodivé rotory s železným jádrem a vzduchovým jádrem.

Přehled obrázků na výkresech

Vynález je blíže vysvětlen v následujícím popisu na příkladech provedení s odvoláním na připojené výkresy, ve kterých znázorňuje obr. 1 schematický řez ukazující čtvrtinu generátoru, znázorňující běžný chladicí systém s dopředným prouděním, obr. 2 schematický řez ukazující čtvrtinu generátoru, znázorňující běžný chladicí systém se zpětným prouděním, obr. 3 schematický řez

-3CZ 303903 B6 synchronním elektromagnetickým strojem, majícím supravodivý rotor, obr. 4 schematický řez čtvrtinou supravodivého generátoru, majícím plný rotor a uzavřený ventilační systém statoru, a obr. 5 schematický řez čtvrtinou supravodivého generátoru, mající rotor s plným jádrem a otevřený ventilační systém statoru.

Příklady provedení vynálezu

Obr. 1 znázorňuje běžný generátor 8 mající běžný ventilační systém 10 s dopředným prouděním, v němž chladicí plyn (šipky 2) proudí rotorem 14 a/nebo vzduchovou mezerou 16 rotoru a potom statorem 18. Chladicí plyn proudí radiálními průchody 20 pro plyn v rotoru a podobnými radiálními průchody 21 pro plyn ve statoru v řadě (sérii), která vytváří těsné spojení mezi chladicím systéme rotoru a statoru.

Když chladicí plyn proudí rotorem, předává se teplo v rotoru do plynu, když teplota plynu stoupá k teplotě vinutí rotoru. Zahřátý plyn, vystupující z rotoru, a chladicí plyn, který přímo vstoupil do vzduchové mezery 15, se směšují a stávají se z nich chladicí plyny, které vstupují do statoru. Smíšené chladicí plyny vstupují do průchodů 21 statoru na vnitřním povrchu statoru, který obklopuje rotor. Když se plyny pohybují statorem, teplo z horkých vinutí statoru se předává do chladicích plynů a je ze statoru odnímáno, když plyny vystupují ze statoru.

Z vnějšího obvodu statoru procházejí zahřáté chladicí plyny prstencovými kanály 22, které obklopují stator a směrují horké plyny k výměníkům tepla. Horké plyny se chladí ve výměnících 24 tepla, proudí recirkulačními kanály 26 a jsou čerpány zpět do rotoru a vzduchové mezery vhodným radiálním nebo axiálním ventilátorem 28. Chladicí plyny jsou také hnány skrz rotor a do mezery 16 odstředivými silami v rotoru. Některé z chladicích plynů, vystupujících z ventilátoru 28, jsou kromě toho směrovány pro chlazení koncových závitů 30 vinutí statoru.

Obr. 2 znázorňuje běžný ventilační systém 32 se zpětným prouděním, v němž chladicí plyn proudí statorem J_8 a rotorem 14 paralelně. Zahřátý chladicí plyn vystupuje jak z rotoru, tak i statoru, do vzduchově mezery 16. Směšování chladicích plynů ze statoru a rotoru ve vzduchové mezeře vede ke spojení chladicích systémů pro rotor a stator.

Chlazením se zpětným prouděním se v běžném elektrickém stroji 8 dodává chladný plyn (šipky 12) současně jak do statoru 18 tak i do rotoru 14 vytvořením souběžných vstupních drah k jádru statoru a ke vstupu rotoru. Chladný plyn proudí z chladiče, například výměníku tepla, do vnějšího obvodu jádra statoru, které může obsahovat přepážky pro ovládání vzduchového proudu jádrem statoru, a do vzduchové mezery. Chladný plyn také proudí z chladiče do konců rotoru, a obecně dílčími štěrbinami 20 a radiálně směrem ven průchody v těchto štěrbinách 20 do vzduchové mezery 16 generátoru. Ventilátor 28, připojený k rotoru, vede výstupní plyn ze vzduchové mezery směrem zpět k chladiči.

Konkrétněji znázorňuje obr. 2 řez generátorem 8, majícím běžný chladicí systém 32 se zpětným prouděním. Příkladný ventilační systém se zpětným prouděním je znázorněn v patentovém spisu US 5 633 543. Část proudu chladicích plynů (šipka J_2) se vtahuje do rotoru odstředivými silami působícími na plyny procházející průchody 20 rotoru. Chladicí plyny mohou být vzduch, vodík nebo nějaký jiný chladicí plyn. Zahřáté plyny z rotoru vystupují kanály na povrch rotoru do vzduchové mezery 16 mezi rotorem a statorem, otáčející se ventilátor 28, uložený na konci nebo koncích rotoru, vtahuje zahřátý plyn z mezery 16 mezi statorem a rotorem, a do difuzoru 34 vnějšího kanálu, který směruje plyny k výměníku 36 tepla chladícímu plyn.

V systému se zpětným prouděním je stator j_8 chlazen ventilačními průtokovými drahami, které jsou oddělené od průtokových drah v rotoru. Plyny chlazené výměníkem tepla 36 vstupují do přetlakové komory 38 obklopující stator. Část (šipka 39) ochlazeného plynu z výměníku teplaje

-4CZ 303903 B6 směrována k rotoru. Část (šipky 41) chladicího plynu se směruje k chlazení koncových závitů statoru.

V přetlakové komoře 38 statoru prochází přes přepážky 40 do komory (nebo přímo do statoru v blízkosti středu statoru) a do průchodů 2f pro chladicí plyn, které jsou otevřené k vnějšímu obvodovém povrchu statoru. Když plyn proudí radiálně směrem dovnitř statoru, teplo z vinutí statoru se předává do plynu. Horký plyn proudí ze statoru do vzduchové mezery. Ventilátory 28 rotoru vtahují ohřátý plyn ze vzduchové mezery 16 a směrem ven k vnějšímu kanálu 34 k výměníku tepla 36. ochlazený plyn z výměníku tepla se vypouští od vypouštěcích otvorů k přetlakové komoře 38 okolo statoru.

Obr. 3 znázorňuje příkladný synchronní generátorový stroj 50 mající stator 52 a rotor 54. Zatímco stroj 50 je znázorněn jako generátor, může být také uspořádán jako elektromotor. V generátoru obsahuje rotor magnetizační vinutí 66, s nímž je vsazen do válcové rotorové dutiny 56 statoru. Mezi vnějším obvodem rotoru a válcovým povrchem statoru, vymezujícím válcovou dutinu 56 v níž je vložen rotor, je vytvořena prstencová mezera 57. Když se rotor otáčí ve statoru, magnetické pole generované rotorem a vinutím rotoru se pohybuje/otáčí statorem a vytváří elektrický proud ve vinutích statoru 60. Tento proud je vydáván generátorem jako elektrický výkon (energie).

Rotor 54 má v podstatě podélně probíhající osu 62 a v podstatě plné rotorové jádro 64. Plné rotorové jádro 64 má vysokou magnetickou permeabilitu a je obvykle vyrobeno z feromagnetického materiálu, jako je železo. V supravodivém stroji s nízkou výkonovou hustotou se používá jádro rotoru pro snižování magnetomotorické síly (MMF) a tím i pro minimalizaci množství drátu supravodivého (SC) vinutí, potřebného pro vytvoření vinutí.

Rotor 54 nese nejméně jedno podélně uspořádané vysokoteplotně supravodivé vinutí (vinutí s vysokoteplotní supravodivostí, high-temperature superconducting coil winding, HTS vinutí) 66 ve tvaru „závodní dráhy“ (racetrack). HTS vinutí může mít alternativně sedlový tvar nebo jakýkoli jiný tvar, kterýje vhodný pro konkrétní tvarové řešení HTS rotoru. HTS vinutí se chladí kryogenní tekutinou, dodávanou do rotoru vnějším zdrojem chladicí tekutiny. Chlazení rotoru a jeho HTS vinutí je nezávislé a izolované od chladicích systémů pro jiné složky generátoru 50, jako statoru 52.

Rotor má hřídel 68 sběračového konce a hřídel 70 hnacího konce, které nesou jádro 64 rotoru a které jsou podporované ložisky 72. Koncové hřídele mohou být připojeny k vnějším zařízením. Například má hřídel 68 sběračového konce přenášecí spojku 74 pro přenos kryogenní tekutiny ke zdroji 75 kryogenní chladicí tekutiny, použité pro chlazení SC vinutí rotoru. Příkladný zdroj kryogenní chladicí tekutiny je popsán v patentu USA (v současné době patentová přihláška USA, 09/854 943 z 15.5.2001 přičemž podle nejlepšího vědomí přihlašovatele byly podány CRD následující patenty spojené s chladicími systémy: 17GE-7154 - Cryogenic cooling systém for rotor having a high temperature superconducting field winding - Laskaris, 17GE-7227 - Ciyogenic cooling refrigeration systém and method having open-loop short term cooling for superconducting field winding - Wang, Laskatis, Ackermann, 17GE-7228 - Cryogenic cooling refrigeration systém for rotor having a high temperature superconducting field and method - Laskaris, Ackermann, Wang) a nazvaný „Kryogenní chladicí systém a způsob pro rotor, mající vysokoteplotně supravodivé magnetizační vinutí“ (Cryogenic Cooling Refrigeration System For Rotor Having A High Temperature Super-Conducting Field Winding And Method).

Přenášecí spojka 74 pro přenos tekutiny obsahuje stacionární segment, připojený ke zdroji kryogenní chladicí tekutiny a otáčivý segment, který poskytuje chladicí tekutinu k HTS vinutí. Hřídel 68 sběračového konce také zahrnuje sběrač 76 pro elektrické připojení k otáčejícímu se SC vinutí. Hřídel 70 hnacího konce rotoru může být poháněn spojkou 78 turbíny.

-5CZ 303903 B6

Obr. 4 znázorňuje řez jednou čtvrtinou generátoru 50 (viz podélnou osu 62 rotoru a podélnou osu 80 rotoru), majícího stator větraný chladicím systémem 82 se zpětným prouděním. Chladicí systém dodává chladicí plyn, například okolní vzduch nebo vodík, ke statoru. Chladicí systém statoru je nezávislý a je izolovaný od kryogenního chladicího systému, který dodává kryogenní chladicí tekutinu do rotoru.

Větrací systém 82 statoru obsahuje ventilátor 84 pro chladicí plyn, který je upevněný ke koncovému hřídeli nebo hřídelům (68 a/nebo 70) rotoru. Ventilátor 84 se otáčí s rotorem pro vtahování zahřátého chladicího plynu (šipky 86) z prstencové vzduchové mezery 88 mezi rotorem a statorem. Horký plyn, vtahovaný z mezery, se čerpá ventilátorem, a to kanálem 89 pro plyn, a do vnější přetlakové komory/difuzoru 90, uspořádané okolo statoru generátoru.

Přetlaková komora 90 obsahuje vysokotlaký/vysokorychlostní plyn od kanálu 89 a směruje zahřátý plyn k jednomu nebo více výměníkům 92 tepla. Výměníky 92 tepla odebírají teplo z plynu a chladí plyn tak, že může být necirkulován pro chlazení statoru, ochlazený plyn z výměníků 92 tepla vstupuje do několika komor pro regulaci proudu chladicího plynu, které ve znázorněném provedení obsahují pro každý výměník první komoru, neoznačenou vztahovou značkou a jejíž vstup je výstupem výměníku 92, a navazující druhou komoru 94. Druhá komora 94 má vstupní otvor pro chladicí plyn otevřený do uvedené první komory, vytvořený v dále zmiňované prstencové stěně 96. Komory pro regulaci proudu plynu obklopují vnější obvod statoru. Komory pro regulaci proudu plynu mají ve znázorněném provedení vnější stěnu 93, která obvodové obklopuje stator a má otvory pro výměníku tepla 92. Výstup příslušného výměníku 92 tepla, který je vstupním otvorem odpovídající první komory, je ekvivalentem vnějšího vstupního otvoru 112 dále popisovaného provedení z obr. 5 nemajícího výměníky. Uspořádání komor pro regulaci proudu plynu v daném provedení, znázorněném na obr. 4, dále obsahuje prstencové stěny 96, připojené ke statoru, pro rozdělování chladicího vzduchu do statoru. Komory pro regulaci proudu plynu směrují ochlazený plyn k vnějšímu obvodu 98 statoru. Uspořádáním komor je dosahováno optimální rozdělování proudu chladicího plynu po statoru a do chladicích průchodů 100 statoru. Vnější stěny uspořádání komor pro regulaci proudu chladicího plynu mohou také obsahovat výstupní otvor 102, který upouští chladicí plyn 103 z komory na konci statoru a přes koncové závity 104 statorových vinutí 106.

Když chladicí plyn prochází chladicími průchody 100, je ze statorových vinutí odebíráno teplo. Průchody mohou být ve statoru rozděleny pro optimalizaci chlazení statorových vinutí. Například může být frekvence chladicích průchodů podél osy statoru a/nebo průřezová plocha průchodů zvolena tak, že se rovnoměrně rozděluje chlazení ve statoru nebo se jinak optimalizuje chlazení statoru.

Zahřátý chladicí plyn proudí z chladicích průchodů 100 statoru do vzduchové mezery 88. Chladicí plyn je tažen mezerou pomocí ventilátoru 84, je veden kanálem 82, a chladí se po té výměníkem 92 tepla a recirkuluje zpět statorem. Ventilační systém může být uzavřený plynový systém, kde se chladicí plyn, například vodík nebo vzduch, nechává obíhat statorem, výměníkem tepla a komorami pro chlazení statoru.

Ve ventilačním systému 82 s uzavřenou smyčkou pro stroj se supravodivým rotorem se chladicí plyn jako vzduch nebo vodík nechává obíhat z výměníku nebo výměníků tepla 92 chladicími průchody 100 statoru pro odebírání tepla z vinutí statoru, vzduchovou mezerou 88 k axiálnímu ventilátoru 84, a zpět k výměníku tepla. Studený chladicí plyn, vycházející z výměníků tepla, chladí jádro a vinutí statoru. Prostor mezi koncovým závitem 104 statoru a přírubou stroje má jednu průtokovou dráhu 89 pro vedení horkého plynu z ventilátoru 84 k výměníkům tepla. Tento jeden průchod pro plyn snižuje složitost ventilačního systému se zpětným prouděním u známých strojů, které mají dvě dráhy proudění (viz obr. 2 a kanály 34 a 39).

-6CZ 303903 B6

Chladicí systém statoru je také použitelný pro synchronní stroje, kde je běžný rotor nahrazen supravodivým rotorem. V takovém případě může být ventilační systém původního stroje s dopředným nebo zpětným prouděním převeden na systém se zpětným prouděním, znázorněný na obr. 3, 4 nebo 5.

Obr. 5 znázorňuje ventilační systém 108 se zpětným prouděním a otevřenou smyčkou, v němž jsou chladicí plyny vtahovány z vnějšího zdroje, například okolního vzduchu (šipky 110), a prochází vstupním otvorem 112. Chladný vstupní plyn vstupuje do komor pro regulaci proudu chladicího plynu, obsahujících v daném provedení pro každý vstupní otvor 112 první komoru, neoznačenou vztahovou značkou, a dále obsahujících druhé komory 94, spojené otvorem v prstencové příčné stěně 96 s příslušnými prvními komorami. Chladicí plyn prochází od vstupních otvorů 112 prvními komorami a druhými komorami 94 uspořádání několika komor pro regulaci proudu chladicího plynu, dále statorovými kanály 100. vzduchovou mezerou 88 a ventilátorem 84 podobným způsobem jako proud chladicího plynu v uzavřeném ventilačním systému 82 dle obr. 4. Ventilátor uvádí zahřátý vzduch do pohybu ze vzduchové mezery a poskytuje hnací sílu pro to, aby byl vzduch hnán do stroje skrz vstupní otvory 112 a stator. V systému s otevřenou smyčkou je vzduch vtahován vstupy do stroje a vypouštěn zpět do okolního prostoru výstupními kanály 114. V otevřeném systému tak nejsou zapotřebí výměníky tepla a jiné kanály.

Ventilační systémy znázorněné na obr. 4 a 5 mohou být použity pro stroje na vícefázový střídavý proud (AC stroje) se supravodivým (SC) rotorem a statorem nesoucím vícefázově nebo vícefázová AC vinutí.

I když vynález byl popsán ve spojení s tím, co je v současné době uvažováno jako nejpraktičtější a nejvýhodnější provedení, rozumí se, že vynález není omezen na popsané provedení, ale naopak je uvažován jako kryjící různé obměny a ekvivalentní uspořádání, zahrnutá v duchu a rozsahu patentových nároků.

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Supravodivý elektromagnetický stroj (50) obsahující rotor (64), mající kryogenně chlazené supravodivé vinutí (66) a spojený s chladicím systémem rotoru,a stator (52), souose uložený okolo rotoru (64) a mající statorová vinutí (106) magneticky vázaná s uvedeným supravodivým vinutím (66) rotoru, přičemž stator (52) má chladicí průchody (100) vycházející z vnějšího obvodu (98) statoru na vnitřní obvod statoru, přičemž vnitřní obvod statoru je oddělen od rotoru (64) prstencovou vzduchovou mezerou (88), která probíhá po délce rotoru (64) a do níž ústí chladicí průchody (100) pro přivádění chladicího plynu těmito průchody (100) do vzduchové mezery (88), přičemž supravodivý elektromagnetický stroj obsahuje ventilační systém statoru, vyznačený tím, že ventilační systém statoru je uzpůsobený pro přivádění chladicího plynu k vnějšímu obvodu (98) statoru a do chladicích průchodů (100), přičemž v podstatě veškerý chladicí plyn proudí z chladicích průchodů (100) prstencovou vzduchovou mezerou (88), přičemž ventilační systém statoru dále obsahuje při vnějším obvodu (98) statoru několik komor pro regulaci proudu chladicího plynu, přičemž tyto komory pro regulaci proudu chladicího plynu obsahují první komoru mající vnější vstupní otvor (112) pro chladicí plyn otevřený ke zdroji chladicího plynu, a druhou komoru (94) mající vstupní otvor pro chladicí plyn otevřený do uve-7CZ 303903 B6 děné první komory, přičemž první a druhá komora mají výstupy chladicího plynu do chladicích průchodů (100) statoru (52).
2. Supravodivý elektromagnetický stroj podle nároku 1, vyznačený tím, že chladicí plyn (86) vystupuje ze statoru ve výstupech chladicích průchodů (100) do prstencové vzduchové mezery (88).
3. Supravodivý elektromagnetický stroj podle nároku 1, vyznačený tím, že ventilační systém (82) statoru dále obsahuje nejméně jeden výměník tepla (92).
4. Supravodivý elektromagnetický stroj podle nároku 1, vyznačený tím, že rotor (64) obsahuje chladicí systém (75) rotoru, který poskytuje do supravodivého vinutí (66) rotoru kryogenní chladicí tekutinu.
5. Supravodivý elektromagnetický stroj podle nároku 1, vyznačený tím, že supravodivý elektromagnetický stroj je elektromagnetický generátor.
6. Supravodivý elektromagnetický stroj podle nároku 1, vyznačený tím, že supravodivý elektromagnetický stroj je motor.
7. Supravodivý elektromagnetický stroj podle nároku 1, vyznačený tím, že ventilační systém statoru je systém s uzavřenou smyčkou, v němž chladicí plyn cirkuluje statorem (52) a výměníkem (92) tepla v dráze proudění chladicího plynu.
8. Supravodivý elektromagnetický stroj podle nároku 1, vyznačený tím, že chladicí průchody statoru leží vedle statorových vinutí a jsou na ně kolmé.
9. Způsob chlazení supravodivého elektromagnetického stroje, majícího stator (52), rotor (64) obsahující supravodivé rotorové vinutí (66), a ventilační systém (82, 94) statoru, přičemž stator (52) je uložen souose okolo rotoru (64) s prstencovou vzduchovou mezerou (88) mezi rotorem (64) a vnitřním obvodem statoru (52), přičemž při způsobu se

a) kryogenně chladí supravodivé vinutí (66) rotoru,

b) chladí se stator (52) chladicím plynem, proudícím statorem (52) od vnějšího obvodu (98) statoru radiálně k vnitřnímu obvodu statoru, vyznačený tím, že se chladicí plyn vede k vnějšímu obvodu (98) statoru (52) přes několik komor pro regulaci proudu chladicího plynu, přičemž tyto komory pro regulaci proudu chladicího plynu obsahují první komoru mající vnější vstupní otvor (112) pro chladicí plyn otevřený ke zdroji chladicího plynu, a druhou komoru (94) mající vstupní otvor pro chladicí plyn otevřený do první komory, přičemž první a druhá komora mají výstupy chladicího plynu do chladicích průchodů (100) statoru, které ústí do prstencové vzduchové mezery (88), přičemž

c) v podstatě veškerý chladicí plyn ze statoru (52) se odtahuje do prstencové vzduchové mezery (88), přičemž chladicí plyn proudí prstencovou mezerou (88), aniž by procházel rotorem (64).
10. Způsob chlazení podle nároku 9, vyznačený tím, že chladicí plyn prochází ve statoru (52) více průchody (100) procházejícími mezi vnějším obvodem (98) statoru a prstencovou vzduchovou mezerou (88).
11. Způsob chlazení podle nároku 9, vyznačený tím, že chladicí plyn se odtahuje ventilátorem (84) z prstencové vzduchové mezery (88) a vypouští se ven ze supravodivého elektromagnetického stroje.

-8CZ 303903 B6
12. Způsob chlazení podle nároku 9, vyznačený tím, že chladicí plyn se odtahuje ventilátorem (84) ven ze vzduchové mezery (88) a je směrován do výměníku tepla (92), přičemž se při způsobu dále odebírá teplo z chladicího plynu výměníkem (92) tepla, a chladicí plyn se nechává obíhat statorem (52) a výměníkem tepla (92).