MXPA02004831A - Soporte de bobina de rotor de super-conduccion a alta temperatura con barras y pernos de tension y metodo de ensamble. - Google Patents

Abstract

Se describe un rotor para una maquina sincronica que comprende: un nucleo de rotor; un devanado de bobina super-conductivo extendiendose alrededor de por lo menos una porcion del nucleo del rotor, dicho devanado de bobina teniendo una seccion lateral adyacente a un lado del nucleo del rotor; por lo menos una barra de tension extendiendose a traves de un conducto en dicho nucleo del rotor; por lo menos un perno de tension extendiendose entre un extremo de la barra de tension y empalmando la seccion lateral del devanado de bobina; y un alojamiento de canal fijado al perno de tension y al devanado de bobina.

Description

SOPORTE D E BOBI NA DE ROTOR DE SU PER-CON DUCCIÓN A ALTA TEMPERATU RA CON BARRAS Y PERNOS DE TENSION Y M ÉTODO DE ENSAMBLE ANTEC EDENTES DE LA INVENCIÓN La presente i nvención se refiere en general a una bobina de super-cond ucción en una máq u ina de rotación sincrónica. Más particularmente, la invención se refiere a una estructura de soporte para los devanados de campo de super-conducción en un rotor de una máq uina si ncrónica. Las máqui nas eléctricas sincrónicas q ue tienen u n devanados de bobina de campo incluyen, pero no están limitadas a, generadores rotatorios, motores rotatorios, y motores lineales. Estas maquinas generalmente comprenden u n estator y u n rotor que están acoplados electromagnéticamente. El rotor puede incluir un núcleo de rotor multipolar y uno o más devanados de bobina montados en el núcleo del rotor. Los núcleos de. rotor pueden i ncluir un material sólido magnéticamente permeable, tal como u n rotor de núcleo de hierro. Se util izan comú nmente devanados de cobre convencionales en los rotores de máqui nas eléctricas sincrón icas . Sin embargo, la resistencia eléctrica de los devanados de cobre (aunque baja debido a las medidas convencionales) es suficiente para contribuir al calentamiento substancial del rotor y a disminuir la eficiencia de la potencia d e la máquina. Recientemente , los devanados de bobina super-conductores (SC) han sido desarrollados para los rotores. Los devanados SC no tienen efectivamente resistencia y son devanados de bobina de rotor altamente ventajosos. Los rotores de núcleo de hierro saturados a una fuerza de campo magnético en una abertura de aire de aproximadamente 2 Tesla. Los rotores de super-conducción conocidos emplean diseños de núcleos de aire, sin hierro en el rotor, para lograr campos magnéticos de hueco de aire de 3 Tesla o mayores. Estos campos magnéticos producen un incremento en las densidades de potencia de la máquina eléctrica, y da como resultado una reducción significativa en peso y tamaño de la máquina. Los rotores super-conductivos de núcleo de aire requieren de grandes cantidades de cable super-conductivo. Las grandes cantidades de de cable SC agrega al número de bobinas requeridas, la complejidad de los soportes de bobina y el costo de los devanados de bobina SC y rotor. Los devanados de campo de bobina SC de alta temperatura están formados de materiales super-conductores que son quebradizos, y deben ser enfriados a una temperatura a o menor que la temperatura crítica, por ejemplo 27°K, para lograr y mantener la super-conductividad. Los devanados SC deben ser formados de un material super-conductor a alta temperatura, tal como un conductor en base de BSCCO (BixSrxCaxCuxOx). Las bobinas super-conductoras han sido enfriadas a través de helio líquido. Después de pasar a través de los devanados del rotor, el calor, el helio utilizado se convierte en gas helio a temperatura ambiente. Al utilizar helio liquido para el enfriamiento criogénico requiere de relicuación continua del gas helio a temperatura ambiente devuelto, y tal relicuación presenta problemas de contabilidad significativos y requiere de potencia auxiliar significativa. Las técnicas de enfriamiento de bobina SC anteriores incluyen el enfriamiento de bobinas SC impregnadas con epoxi a través de una trayectoria de conducción sólida a partir de un crioenfriador. Alternativamente, los tubos enfriadores en el rotor pueden conducir un criógeno l iquido y/o gaseoso a un devanado de bobina SC porosa que esta sumergida en el flujo del criógeno liquido y/o gaseoso. Sin embargo, el enfriamiento de inmersión requiere que el devanado de campo completo y la estructura del rotor estén a temperatura criogénica. Como un resultado, no se puede utilizar hierro en el circuito magnético del rotor debido a la naturaleza quebradiza del hierro a temperaturas criogénicas. Lo que se necesita es un ensamblaje de devanado de campo super-conductor para una máquina eléctrica que no tenga las desventajas del núcleo de aire y ensambles de devanados de campo super-conductores enfriados por líquido de, por ejemplo, rotores super-conductores conocidos. Además, las bobinas super-conductoras (HTS) a alta temperatura son sensibles a la degradación a partir de altos doblamientos y esfuerzos tensos. Estas bobinas deben experimentar centrifugación substancial u otras fuerzas de aceleración que tensen y esfuercen los devanados de bobina. La operación normal de las máquinas eléctricas involucra miles de ciclos de arranque y terminación durante el curso de varios años lo cual da como resultado un bajo ciclo de carga de fatiga del rotor, y aplica momentos de doblamiento que tensan la bobina del rotor. Además, el devanado de bobina de rotor HTS debe ser capaz de resistir 25% de operación a supervelocidad durante los procedimientos de balanceo de rotor a temperatura ambiente, y no resistir condiciones de supervelocidad ocasionales a temperaturas criogénicas durante la operación de generación de potencia. Estas condiciones de supervelocidad substancialmente incrementan la carga de fuerza centrífuga en los devanados durante condiciones de operación normal. Las bobinas SC utilizadas como devanado de campo de rotor HTS de una máquina eléctrica son sometidas a tensiones esfuerzos durante el enfriamiento y operación normal. Están sometidas a cargas centrifugas, transmisión de fuerza de torsión, y condiciones de falla transitorias. Para resistir las fuerzas, las tensiones, los esfuerzos y las cargas cíclicas, las bobinas SC deben ser soportadas apropiadamente en el rotor a través de un sistema de soporte de bobina. Este sistema de soporte mantiene la bobina(s) SC en el rotor HTS y asegura las bobinas contra las tremendas fuerzas centrífugas debido a la rotación del rotor. Además, el sistema de soporte de bobina protege las bobinas SC, y asegura que las bobinas no sufran de grietas prematuramente, fatiga o cualquier otro tipo de grieta. El desarrollo de sistemas de soporte para bobinas HTS ha sido un reto difícil en la adaptación de bobinas SC a rotores HTS. Ejemplos de sistemas de soporte de bobina para rotores HTS que han sido previamente propuestos se describen en las patentes de E.U.A. Nos. 5,548, 168; 5,532,663; 5,672,921 ; 5, 777,420; 6, 169,535 y 6,066,906. Sin embargo este sistema de soporte de bobina padece de varios problemas, tales como siendo costosos, complejos y requiriendo un número excesivo de componentes. Hay un gran sentido de necesidad para un rotor HTS que tiene un sistema de soporte de bobina para una bobina SC. Existe un gran sentimiento de necesidad para un rotor HTS teniendo un sistema de soporte de bobina para una bobina SC. La necesidad también existe para un sistema de soporte de bobina hecho a bajo costo y componentes de fácil fabricación.

COMPENDIO DE LA INVENCIÓN Se ha desarrollado un sistema de soporte de bobina para un devanado de rotor super-conductor a alta temperatura (HTS) con forma de pista para una máquina eléctrica con rotor de dos polos. El sistema de soporte de bobina previene el daño al devanado de rotor durante la operación del rotor, soporta el devanado de rotor con respecto a las fuerzas centrífugas y otras fuerzas, y proporciona una coraza de protección al devanado de bobina. El sistema de soporte de bobina soporta el devanado de bobina con respecto al rotor. El devanado de bobina HTS y el sistema de soporte de bobina están a temperatura criogénica mientras que el rotor está a temperatura ambiente. El sistema de soporte de bobina incluye una serie de ensambles de soporte de bobina que se extienden entre los lados opuestos del devanado de bobina de pista. Cada ensamble de soporte de bobina incluye una barra de tensión, un par de pernos de tensión y un par de alojamientos de canal. Las barras de tensión se extienden entre los lados opuestos del devanado de bobina a través de los conductos, por ejemplo, agujeros, en el núcleo del rotor. Los pernos de tensión están insertados dentro de ambos extremos de la barra de tensión. Los pernos de tensión proporcionan un ajuste en la longitud del ensamble de soporte de bobina que es útil para compensar las variaciones en la geometría de la bobina. Cada perno es asegurado a uno de los pares de alojamientos de canal. Cada alojamiento se fija alrededor de la bobina HTS. Cada ensamble de soporte de bobina refuerza el devanado de bobina con respecto al núcleo del rotor. Las series de ensambles de soportes de bobina proporcionan un soporte sólido y protector para el devanado de bobina. El rotor HTS debe ser para una máquina originalmente diseñada para incluir bobinas SC. Alternativamente, el rotor HTS debe reemplazar un rotor de bobina de cobre en una máquina eléctrica existente, tal como un generador convencional. El rotor y sus bobinas SC se describen en el contexto de un generador, pero el rotor de bobina HTS también es adecuado para utilizarse en otras máquinas sincrónicas. El sistema de soporte de bobina es útil en la integración del sistema de soporte de bobina con la bobina y el rotor. Además, el sistema de soporte de bobina facilita el fácil pre-ensamble de sistema de soporte de bobina, la bobina y el núcleo del rotor anterior al ensamble del rotor final. El pre-ensamble reduce el tiempo de ensamble de la bobina y el rotor, mejora la calidad del soporte de bobina, y reduce variaciones de ensamble de la bobina. En una primera modalidad, la invención es un rotor para una maquina sincrónica comprendiendo: un núcleo de rotor; un devanado de bobina super-conductor extendiéndose alrededor de por lo menos una porción del rotor a través de un conducto en dicho rotor; por lo menos un perno de tensión es insertado dentro de y en el extremo de la barra de tensón; y un alojamiento fijado al perno del rotor y reforzando la sección lateral del devanado de rotor. En una modalidad , la invención es un método para soportar un devanado de bobina de super-conducción en el núcleo del rotor de una máquina sincrónica comprendiendo los pasos de: extender una barra de tensión a través de un conducto en dicho núcleo de rotor; insertar por lo menos un perno de tensión dentro de y en el extremo de la barra; colocar el devanado de rotor alrededor del núcleo del rotor tal q ue la barra de tensión y el perno de tensión se extiendan entre las secciones laterales del devanado de bobina, ensamblar por lo menos un alojamiento de canal alrededor de una de las secciones laterales del devanado de motor, y asegura el perno a uno de los alojamientos de canal. En una modalidad adicional, la invención es un rotor para una máquina sincrónica que comprende: un núcleo de rotor que tiene un conducto ortogonal a un eje longitudinal del rotor; un devanado de bobina (SC) super-conductor de pista en una pista plana paralela al eje longitudinal del rotor; una barra de tensión dentro del conducto del núcleo; un perno de tensión en cada extremo de dicha barra de tensión, y un alojamiento acoplando los lados opuestos del devanado de bobina a los pernos de tensión.

BREVE DESCRIPCION DE LOS DIBUJOS Los dibujos acompañantes en conjunción con el texto de esta especificación describen una modalidad de la invención. La Figura 1 es una vista en elevación lateral esquemática de una máquina eléctrica sincrónica que tiene un rotor de super-conductivo y un estator. La Figura 2 es una vista en perspectiva de un devanado de bobina super-conductiva de pista ilustrativo. La Figura 3 es una vista recortada del núcleo del rotor, del devanado de bobina y del sistema de soporte de bobina para un rotor super-conductor a alta temperatura (HTS). La Figura 4 es una vista en perspectiva de un núcleo de rotor, devanado de bobina, y sistema de soporte de bobina para un rotor super-conductor a alta temperatura (HTS).

DESCRIPCION DETALLADA PE LA INVENCIÓN La Figura 1 muestra una maquina generadora sincrónica ilustrativa 1 0 que tiene un estator 12 y un rotor 14. El rotor incluye devanados de campo de bobina que ajustan dentro de la cavidad al vacío del rotor cil indrico 16 del estator. El rotor se ajuste dentro de la cavidad al vacío del rotor del estator. Cuando el rotor da la vuelta dentro del estator, un campo magnético 18 (ilustrado por líneas punteadas) generado por el rotor y las bobinas del rotor se mueven/rotan a través del estator y crean una corriente eléctrica en los devanados de la bobina de estator 1 9. Esta corriente es producida por el generador como corriente eléctrica. El rotor 14 tiene un eje extendido longitudinalmente general 20 y un núcleo de rotor sólido general 22. El núcleo sólido 22 tiene una permeabilidad magnética alta, y está hecho usualmente de un material ferromagnético, tal como hierro. En una maquina super-conductora de densidad de potencia baja, el núcleo de hierro del rotor se utiliza para reducir la fuerza magnetomotora (MMF), y de esta manera, minimiza la cantidad de cable de bobina superconductor (SC) necesaria para el devanado de bobina. Por ejemplo, el núcleo del rotor de hierro sólido puede estar magnéticamente saturado en un campo magnético de abertura de aire con una fuerza de aproximadamente 2 Tesla. El rotor 14 soporta por lo menos una extensión longitudinal, una con forma pista devanado de bobina de super-conducción (HTS) a alta temperatura 34 (ver Fig. 2). El devanado de bobina HTS puede tener alternativamente una forma de silla de montar o tener alguna otra forma que sea adecuada para un diseño de rotor HTS particular. Un sistema de soporte de bobina se describe aquí para un devanado de bobina SC de pista. El sistema de soporte de bobina debe ser adaptado para otras configuraciones de boina diferentes de bobina de pista individual montada sobre un núcleo de rotor sólido. El rotor incluye un eje de extremo colector 24 y un eje de extremo de manejo, ambos que están soportando el núcleo de rotor 22 y están soportados por conexiones 25. El eje extremo colector 24 incluye anillos de colector 78 para conectarse eléctricamente al devanado de bobina SC rotatorio. El eje extremo colector 24 también tiene un acoplamiento de transferencia criogen 26 a una fuente de fluido de enfriamiento criogénico utilizado para enfriar los devanados de bobina SC en el rotor. El acoplamiento de transferencia de criogen 26 incluye un segmento estacionario acoplado a la fuente de fluido de enfriamiento criogen y un segmento rotatorio el cual proporciona fluido a la bobina HTS. El eje extremo de manejo 30 debe ser dirigido a través de una turbina de poder a través del acoplamiento de manejo 32. La Figura 2 muestra un devanado de bobina de pista HST ilustrativo 34. Los devanados de bobina de campo SC 34 del rotor incluyen una bobina de superconducción (SC) de alta temperatura 36. Cada bobina SC incluye un conductor de super-conduccíón de alta temperatura, tal como un conductor BSCCO (BixSrxCaxCuxOx) con cables laminados en un epoxi sólido impregnado de mezcla de devanado. Por ejemplo, una serie de cables BSCCO 2223 puede estar laminada, unida en conjunto y enrollada en una bobina impregnada de epoxi sólido. El cable SC es quebradizo y fácil de ser dañado. La bobina SC es típicamente una capa enrollada de cinta SC que está impregnada de epoxi. La cinta SC esta envuelta en una forma de bobina de precisión para lograr tolerancias dimensionales cercanas. La cinta está enrollada alrededor en un eje para formar la pista de bobina SC 36. Las dimensiones de la bobina de pista son dependientes de las dimensiones del núcleo del rotor. Generalmente, cada bobina SC de pista rodea los polos magnéticos del núcleo del rotor, y su paralela al eje del rotor. Los devanados de bobina son continuos alrededor de la pista. Las bobinas SC forman una trayectoria de corriente eléctrica libre de resistencia alrededor del núcleo del rotor y entre los polos magnéticos del núcleo. La bobina tiene contactos eléctricos 1 14 que conectan eléctricamente la bobina a los anillos de colector 78. Los pasajes fluidos 38 para el fluido de enfriamiento criogénico están incluidos en los devanados de bobina 34. Estos pasajes deben extenderse alrededor del extremo exterior de la bobina SC 36. Los pasillos proporcionan fluido de enfriamiento criogénico a la bobina y remueven el calor de la bobina. El fluido de enfriamiento mantiene las bajas temperaturas, por ejemplo, 27°K en el devanado de bobina SC necesarios para promover las condiciones de super-conducción, incluyendo la ausencia de resistencia eléctrica en la bobina. Los pasajes de enfriamiento tienen un puerto de entrada y uno de salida de fluido 1 12 en uno de los extremos del núcleo del rotor. Estos puertos de fluido (gas) 1 12 conectan los pasajes de enfriamiento 38 en la bobina SC a los pasajes que se dirigen hacia el acoplamiento de transferencia de criogen 26. Cada devanado de bobina de pista HTS 34, tiene un para de porciones laterales generalmente rectas 40 paralelas al eje del rotor 20, y un par de porciones finales 54 que están perpendiculares al eje del rotor. Las porciones laterales de la bobina están sometidas a las tensiones centrifugas mayores. Por consiguiente, las porciones laterales están soportadas por un sistema de soporte de bobina que contrarresta las fuerzas centrifugas que actúan en la bobina. La Figura 3 muestra una vista recortada parcialmente de un núcleo de rotor 22 y el sistema de soporte de bobina para un devanadote bobina super-conductor a alta temperatura (HTS). El sistema de soporte de bobina incluye una serie de ensambles de soporte de bobina extendidos a través del núcleo del rotor y entre los lados opuestos del devanado de bobina HTS. Cada ensamble de soporte de bobina comprende una barra de tensión 42 que se extiende a través del núcleo del rotor, pernos de tensión 43 insertados en los extremos de la barra, y alojamientos de bobina de canal 44 asegurados a los pernos que refuerzan los devanados de bobina. El sistema de soporte de bobina proporciona un marco estructural para mantener el devanado de bobina en el rotor. La carga principal del devanado de bobina HTS 34 es a partir de la aceleración centrifuga durante la rotación del rotor. Los ensambles de soporte de bobina cada uno está alineado con la carga centrífuga de la bobina para proporcionar un soporte estructural efectivo al devanado de bobina bajo carga. Para soportar la secciones laterales de la bobina, cada ensamble de una barra de tensión 42 y pernos 43 (ensamble de barra de tensión) se extiende entre las bobinas, y se fija a ios alojamientos de bobina de canal 44. Los alojamientos agarran las secciones laterales la bobina. Las barras de tensión 42 se extienden a través de una serie de conductos 46 en el núcleo del rotor. Estas barras están alineadas con el eje de cuadratura del núcleo del rotor. Los alojamientos de canal 44 soporte el devanado de bobina 34 contra las fuerzas centrífugas y las fuerzas de torsión tangenciales. Las fuerzas centrifugas se elevan debido a la rotación del rotor. Las fuerzas tangenciales pueden elevarse debido a la aceleración y desaceleración del rotor, y la transmisión de fuerza de torsión. Debido a que los lados alargados 40 del devanado de bobina están encasillas por los alojamientos de canal 44 y los extremos 86 de los pernos de tensión, los lados del devanado de bobina están totalmente soportados dentro del rotor.

Los conductos 46 son generalmente pasajes cilindricos en el núcleo del rotor que tienen eje recto. El diámetro de los conductos es substancialmente constante. Sin embargo los extremos 88 de los conductos deben expandirse a diámetros más grandes para acomodar un tubo aislante 52. El tubo alinea la barra 42 en el conducto y proporciona aislamiento térmico entre el núcleo del rotor y la barra. El tubo de asilamiento tiene un anillo externo más bajo 123 que utiliza las paredes del extremo de diámetro más ancho 88 de los conductos del rotor 46. La pared cilindrica lateral 121 del tubo aislante 52 se extiende hacia arriba del anillo exterior 123, y no está en contacto con las paredes del conducto. El extremo superior del tubo utiliza una tuerca de cierre 84 que conecta el tubo a la barra de tensión 42. De esta manera, el tubo aislante y la tuerca de cierre proporcionan un montaje conductivo no térmico para la barra de tensión en los conductos 46 del núcleo del rotor. El número de conductos 46 y su colocación en el núcleo del rotor depende de la colocación de las bobinas HTS y del número de alojamientos de bobina necesarios para soportar las secciones laterales de las bobinas. Los ejes de los conductos 46 están generalmente en un plano definido por la bobina de pista 34. Además, los ejes de los conductos son perpendiculares a las secciones laterales de la bobina. Además, los conductos están ortogonales a e intersectan el eje del rotor, en la modalidad mostrada aquí. El número de conductos y la colocación de los conductos dependerá de la colocación de las bobinas HTS y el número de alojamientos de bobina necesarios para soportar las secciones laterales de las bobinas. Existen por lo general dos categorías de soporte para devanado de super-conducción: (i) soporte "caliente" y (ii) soporte "frío". En un soporte caliente, las estructuras de soporte están asiladas térmicamente del los devanados SC enfriados. Con soportes calientes, la mayor parte de la carga mecánica de una bobina se super-conducción (SC) es soportada por miembros estructurales extendidos desde los miembros de frío a los de calor. En un sistema de soporte frío, el sistema de soporte está en o cerca de temperatura criogénica fría de las bobinas SC. En soportes fríos, la mayor parte de la carga mecánica de una bobina SC esta soportada a través de miembros estructurales de soporte de bobina, los cuales están en o cerca de temperatura criogénica. El sistema de soporte de bobina ilustrativo descrito aquí es un soporte frío en el cual las barras de tensión 42, los pernos 43 y los alojamientos de canal asociados 44 se mantienen a o cerca de temperatura criogénica. Debido a que los miembros de soporte de bobina son fríos, estos miembros están térmicamente aislados, por ejemplo, a través de los conductos de no-contacto a través del núcleo del rotor, a partir del núcleo del rotor y otros componentes "calientes" del rotor. El devanado de bobina HTS y los componentes de soporte de bobina estructurales están todos a temperatura criogénica. En contraste, el núcleo del rotor está a temperatura "caliente" ambiente.

Los soportes de bobina son fuentes potenciales de conducción térmica que permitirán al calor alcanzar a las bobinas HTS del núcleo del rotor. El núcleo del rotor se convierte en caliente durante la operación. Mientras que los devanados de bobina serán mantenidos en condiciones super-frías, la conducción de calor dentro de las bobinas a partir del núcleo será evitada. El sistema de soporte de bobina está aislado térmicamente del núcleo del rotor. Por ejemplo, las barras de tensión y los pernos no están en contacto directo con el rotor. Esta falta de contacto evita la conducción de calor del rotor a las barras de tensión y las bobinas. Además, la masa de la estructura del sistema de soporte de bobina ha sido minimizada para reducir la conducción térmica a través de ensambles de soporte en los devanados de bobina a partir del núcleo del rotor. Cada barra de tensión 42 es un eje con continuidad a lo largo de la dirección longitudinal de la barra y en el plano de una bobina de pista. La barra de tensión está típicamente hecha de aleaciones no magnéticas de alta resistencia tal como titanio, aluminio o aleación Inconel. La continuidad longitudinal de las barras de tensión proporcionan rigidez lateral a las bobinas, lo cual proporciona beneficios dinámicos ai rotor. Además, la rigidez lateral de las barras de tensión 42 permite integrar el sistema de soporte de bobina de tal manera que la bobina puede se ensamblada con el soporte de bobina en el núcleo del rotor antes del ensamble de rotor final.

Los pernos de tensión 43 están atornillados dentro de los agujeros enroscados 120 en el extremo de la barra de tensión. La profundidad a la cual los pernos se atornilla dentro de la barra es ajustable. La longitud total del ensamble de la barra de tensión y el perno (este ensamble de extiende entre los lados de la bobina) puede ser cambiado a dando la vuelta a uno o ambos pernos dentro o fuera de los agujeros de las barras de tensión. Este ajuste en la longitud de la barra de tensión y ensamble de pernos es útil en el ajustamiento de este ensamble entre los lados del devanado de bobina. La profundidad del agujero enroscado en el extremo de la barra de tensión es suficiente para proporcionar ajuste adecuado de la longitud de ia barra de tensión y ensamble de pernos. La cabeza 122 del perno incluye un borde con una superficie externa plana 86. La cabeza plana 86 del perno empalma una superficie interna del devanado de bobina 34 y, de esta manera, soporta el devanado de bobina que está paralelo a la barra de tensión. La superficie plana 86 de la cabeza del perno soporta una superficie interna de un lado del devanado de bobina. Las otras tres superficies del lado 40 del devanado de bobina están soportados el alojamiento de canal 44. Cada alojamiento de canal de bobina está ensamblado alrededor de la bobina y forma una envoltura de bobina en cooperación con la cabeza del perno. Esta envoltura soporta el devanado de bobina con respecto a las cargas tangenciales y centrifugas. La envoltura también permite al devanado de bobina expandirse y contraerse longitudinalmente. Cada alojamiento de canal 44 tiene un par de páneles laterales 124, una cuña 126 y una funda inserta enroscada 128. Los páneles laterales soportan las superficies opuestas de la bobina. Una superficie interna de cada panel lateral tiene una ranura angosta 1 30 para recibir la cuña y una superficie con forma de L 132 para recibir una superficie lateral del devanado de bobina. La superficie interna de cada panel lateral también tiene un borde enroscado 134 que incluye un reborde 1 35 de la superficie en forma de L 132 para utilizar una esquina del devanado de bobina. La sección enroscada del borde utiliza un inserto en rosca 128 que se ajusta entre las secciones de borde 134 de los páneles laterales opuestos 124. El inserto tiene una abertura 1 37 con un borde para recibir el perno de tensión 43. Una tuerca de cierre 138 sujeta el inserto 128 seguramente contra la cabeza del perno 43. La cuña 1 26 se ajuste dentro de la ranura angosta 130 de cada panel lateral y se extiende entre los páneles laterales. La cuña se empalma con la superficie externa de la bobina y tiene un canal 1 36 para recibir el pasaje de enfriamiento 38 en la superficie externa de la bobina. Los tornillos de cierre 140 sujetan los páneles laterales a la cuña. Los páneles laterales están sujetados juntos por la cuña y agarran el inserto enroscado el cual está asegurado a la cabeza del perno. El alojamiento de canal debe ser hecho de material ligero, de alta resistencia que sea dúctil a temperaturas criogénicas. Los materiales típicos para alojamientos de canal son aluminio y aleaciones de titanio. La forma del alojamiento de canal ha sido optimizada para peso ligero. Como se muestra en la Figura 4, una serie de alojamientos de bobina de canal (y los pernos 43 y barras 44 asociadas) deben ser colocados a lo largo de los lados 40 del devanando de bobina. Los alojamientos de canal distribuyen colectivamente las fuerzas que actúan en la bobina, por ejemplo, fuerzas centrifugas, substancialmente sobre todas las secciones laterales 40 de la bobina. Los alojamientos de canal 44 previenen a las secciones laterales de la bobina 40 de flexión y doblamiento excesivo debido a las fuerzas centrifugas. La pluralidad de alojamientos de canal 44 efectivamente mantienen la bobina en su lugar sin afectación de las fuerzas centrífugas. Aunque los alojamientos de canal se muestran como teniendo una cercana proximidad uno con el otro, los alojamientos necesitan estar solamente tan cerca como sea necesario para prevenir la degradación de la bobina causada por alto doblamiento y esfuerzos de tensión durante la carga centrifuga, transmisión de fuerza de torsión, y condiciones de fallas transitorias. El soporte de bobina no restringe a la bobinas de la expansión térmica longitudinal y contracción que ocurren durante los arranques o detenciones normales de operación de la turbina de gas. En particular, la expansión térmica está principalmente dirigida a lo largo de la longitud de las secciones laterales. De esta manera, las secciones laterales de la bobina se deslizan ligeramente longitudinalmente con respecto al alojamiento de canal y las barras de tensión. El sistema de soporte de bobina de las barras de tensión 42, pernos 43 y alojamientos de canal 44 deben ser ensamblados con los devanados de bobina HTS 34 cuando son montados en el núcleo del rotor 22. Las barras de tensión y los alojamientos de canal proporcionan una estructura rígida medianamente para soportar el devanado de bobina y sostienen los lados alargados del devanando de bobina en su lugar con respecto al núcleo del rotor. Los extremos de la bobina pueden estar soportados por a abrazaderas bipartidas 58 en los extremos axiales de (pero no en contacto con) el núcleo del rotor 22. El núcleo de rotor de hierro 22 tiene generalmente una forma cilindrica adecuada para la rotación dentro de la cavidad del rotor 16 y del estator 12. Para recibir el devanado de bobina, el núcleo del rotor tiene superficies de bajo relieve 48, tal como una superficie plana o regiones triangulares o ranuras. Estas superficies 48 están formadas en la superficie curva del núcleo cilindrico y se extienden longitudinalmente a través del núcleo del rotor. El devanado de bobina 34 está montado en el rotor adyacente a las áreas de bajo relieve 48. Las bobinas generalmente se extienden longitudinalmente a lo largo de la superficie externa del área a bajo relieve y alrededor de los extremos del núcleo del rotor. Las superficies a bajo relieve 48 del núcleo del rotor reciben el devanado de bobina. La forma del área a bajo relieve se alinea al devanado de bobina. Por ejemplo el devanado de bobina tiene una forma de silla de caballo o algunas otra formas, el (los) bajo relieve en el núcleo del rotor puede ser configurado para recibir la forma del devanado. Las superficies de bajo relieve 48 reciben el devanado de bobina tal que la superficie externa del devanado de bobina se extiende substancialmente a una cubierta definida por la rotación del rotor. Las superficies curvas externas 50 del núcleo del rotor cuando rotan, definen una cubierta cilindrica. Esta cubierta de rotación del rotor tiene substancialmente el mismo diámetro que la cavidad del rotor 16 (ver Fig. 1 ) en el estator. El hueco entre la cubierta del rotor y la cavidad del estator 16 es un área relativamente pequeña, tal como se requiere para el enfriamiento por ventilación de flujo forzado del estator solamente, ya que el rotor no necesita enfriamiento por ventilación. Es deseable minimizar el área entre el rotor y el estator asi como incrementar el acoplamiento electromagnético entre el devanado de bobina y el devanado de estator. Además, el devanado de bobina de rotor es preferiblemente colocado de tal manera que se extienda a la cubierta formada por el rotor y de esta manera, está separado del estator solamente por la el área de abertura entre el rotor y el estator. En el extremo de la barra de tensión 42, debe haber un tubo de aislamiento 52 que sujete la estructura de soporte de la bobina al rotor caliente y prevenga la convección de calor entre ellos. Adicionalmente, debe haber una tuerca de cierre 48 aislante conectada al tubo aislante 52, y eso más adelante facilita la conexión entre la barra de tensión y el alojamiento. La tuerca de cierre 48 y el tubo 52 aseguran la barra de tensión y el alojamiento de canal al núcleo del rotor, mientras que minimizan la transferencia de calor del rotor caliente a la estructura del alojamiento. El núcleo del rotor, los devanados de bobina y los ensambles de soporte de bobina está pre-ensamblados. El pre-ensamble de de la bobina y del soporte de bobina reduce el ciclo de producción, mejora la calidad del soporte de bobina, y reduce las variaciones de ensamble de bobina. Antes de que el núcleo del rotor se ensamble con los ejes extremos del rotor y otros componentes del rotor, las barras de tensión 42 están insertadas dentro de cada conducto 46 que se extiende a través del núcleo del rotor. El tubo aislante 52 en cada extremo de cada barra de tensión es colocado en el extremo expandido 88 en cada extremo de los conductos 46. El tubo 52 es trabado en su lugar con una tuerca de cierre de retención 84. Los pernos 43 deben ser insertados antes o después de que las barras de tensión son insertadas en los conductos del núcleo del rotor. Los insertos con rosca 128 y la tuerca de cierre 138 son colocados en los pernos 43antes de que los pernos se coloquen en las barras de tensión. Sin embargo, la tuerca de cierre no se ajusta en contra del inserto hasta después de que el alojamiento de canal 44 es ensamblado. La profundidad a la cual los pernos son atornillados dentro de las barras de tensión se selecciona de tal forma que la longitud a partir del extremo de uno de los pernos en una barra de tensión al extremo del perno opuesto libere la distancia entre el ensamble de los alojamientos de canal sobre los lados alargados 40 del devanado de bobina. Cuando las barras de tensión y los pernos son ensamblados en el núcleo del rotor 22, el devanado de bobina 34 está listo para ser insertado dentro del núcleo. Los alojamientos de canal 44 son ensamblados sobre los devanados 34. Los tornillos de cierre son insertados para sujetar las cuñas y los páneles laterales juntos. Después, el sub-ensamble del devanado de bobina y los alojamientos de canal son insertados dentro del núcleo del rotor sobre los extremos de las barras de tensión 42. El inserto enroscado cilindrico 128 es atornillado o de otra manera insertado entre los páneles laterales de tal manera que el extremo plano de la cabeza del perno empalme la superficie interna de las secciones laterales 40 del devanado. La tuerca de cierre 1 38 se utiliza para tensar el inserto de rosca contra el perno.

El núcleo del rotor puede ser encasillado en una coraza cilindrica metálica 90 (mostrada con líneas punteadas) que protege el devanado de bobina de super-conducción 34 de corrientes de remolino y otras corrientes eléctricas que rodean al rotor y proporciona una cubierta al vacío para mantener el alto vacío alrededor de los componentes criogénicos del rotor. La coraza cilindrica 90 puede ser formada de material altamente conductivo, tal como aleación de cobre o aluminio. El devanado de bobina SC 34 es mantenido al vacío. El vacío puede ser formado por la coraza 90 la cual puede incluir una capa cilindrica de acero inoxidable que forma un recipiente de vacío alrededor de la bobina y del núcleo del rotor. Los alojamientos de canal de bobina, las barras de tensión (ensamble de soporte de bobina) pueden ser ensamblados con el devanado de bobina antes del núcleo del rotor y las bobinas son ensambladas con el collarín y otros componentes del rotor. Por consiguiente, el núcleo del rotor, el devanado de bobina y el sistema de soporte de bobina pueden ser ensamblados como una unidad antes del ensamble de otros componentes del rotor y de la máquina sincrónica. Ya que la invención ha sido descrita en conexión con lo que está ahora considerado como lo mas práctico y modalidades preferidas, se entenderá que la invención no estará limitada a la modalidad descrita, sino por lo contrario, se intentar cubrir todas las modalidades dentro del espíritu de las reivindicaciones anexas.

Claims (1)

1. REIVINDICACIONES 1 . En una máquina sincrónica, un rotor comprende: un núcleo de rotor; un devanado de bobina super-conductor extendiéndose alrededor de por lo menos una porción del rotor, dicho devanado de bobina teniendo una sección lateral adyacente a un lado del núcleo del rotor; por lo menos una barra de tensión extendiéndose a través de un conducto de dicho núcleo de rotor; por lo menos un perno de tensión extendiéndose entre un extremo de la barra de tensión; y un alojamiento fijado al perno de tensión y conectado a la sección lateral del devanado de bobina. 2. Un rotor de acuerdo con la reivindicación 1 , en donde dichos alojamientos comprenden un par de péneles laterales sobre las superficies opuestas de la sección lateral. 3. Un rotor de acuerdo con la reivindicación 1 , en donde dicho alojamiento, perno y barra de tensión son enfriados por conducción a partir del devanado de bobina. 4. Un rotor de acuerdo con la reivindicación 1 , en donde la profundidad del perno en la barra de tensión es ajustable. 5. Un rotor de acuerdo con la reivindicación 1 , en donde el perno incluye una cabeza que tiene una superficie plana empalmando la bobina. 6. Un rotor de acuerdo con la reivindicación 1 , que además comprende un segundo perno extendiéndose a partir de un segundo extremo de la barra de tensión y empalmando una segunda sección lateral del devanado de bobina. 7. Un rotor de acuerdo con la reivindicación 1 , en donde el alojamiento comprende páneles laterales soportando la sección lateral de la bobina, y una cuña entre los páneles laterales y empalmando una superficie externa de la sección lateral. 8. Un rotor de acuerdo con la reivindicación 1 , en donde el perno tiene una cabeza plana empalmando el devanado de bobina. 9. Un rotor de acuerdo con (a reivindicación 1 , en donde dicho alojamiento está formado de un material de metal seleccionado del grupo que consiste de aluminio y aleación de titanio. 10. Un rotor de acuerdo con la reivindicación 1 , en donde dicha barra de tensión está formada de una aleación de metal no magnético. 1 1 . Un rotor de acuerdo con la reivindicación 1 , en donde dicha barra de tensión está formada de una aleación de Inconel. 12. Un método para soportar un devanado de bobina super-conductivo en el núcleo del rotor de una máquina sincrónica comprendiendo los pasos de: a. extender una barra de tensión a través de un conducto en dicho núcleo del rotor; b. insertar por lo menos un perno dentro de un extremo de la barra; c. ensamblar por lo menos un alojamiento alrededor de una de las secciones laterales del devanado de bobina; d. colocar el devanado de bobina con el alojamiento alrededor del núcleo del rotor de tal manera que la barra de tensión y el perno de tensión se expandan entre las secciones laterales del devanado de bobina con el alojamiento, y e. asegurar el perno a uno de los alojamientos. 1 3. Un método de acuerdo con la reivindicación 12, que además comprende insertar un segundo perno dentro de un segundo extremo de la barra y asegurar el segundo perno a un segundo alojamiento fijado a una segunda sección lateral del devanado de bobina. 14. Un método de acuerdo con la reivindicación 12, q ue además comprende un segundo alojamiento sobre una segunda sección lateral de la bobina y fija el segundo alojamiento a un segundo perno en un extremo de la barra de tensión , en donde dicha barra de tensión se extiende a través del eje rotacional del núcleo del rotor, y el primer lado y el segundo lado de la bobina están en lados opuestos del rotor. 15. Un método de acuerdo con la reivindicación 12, que además comprende asegurar el perno al alojamiento mediante un inserto con rosca. 16. Un método de acuerdo con la reivindicación 12, que además comprende enfriar criogénicamente la bobina, dicho alojamiento, el perno de tensión y la barra de tensión. 17. Un método de acuerdo con la reivindicación 12, en donde varias barras de tensión y pernos están insertadas dentro de una serie de conductos en el núcleo del rotor y aseguran el devanado de bobina. 18. Un método de acuerdo con la reivindicación 12, que además comprende el paso de cambiar la profundidad del perno en la barra de tensión para ajusfar la longitud de un ensamble de la barra de tensión y el perno. 19. Un rotor para una máquina sincrónica que comprende: un núcleo de rotor que tiene un conducto; un devanado de bobina de super-conducción de pista (SC) en una pista en un paralelo plano a un eje longitudinal del rotor; una barra de tensión en el conducto del núcleo; un perno de tensión en cada extremo de dicha barra de tensión, y un alojamiento acoplando el devanado de bobina a cada perno de tensión. 20. Un rotor de acuerdo con la reivindicación 19, que además comprende una pluralidad de conductos ortogonales al eje longitudinal del núcleo del rotor y en el plano definido por la bobina SC. 21 . Un rotor de acuerdo con la reivindicación 19, en donde el perno de tensión tiene una superficie extrema empalmando la bobina. 22. Un rotor de acuerdo con la reivindicación 19, en donde el alojamiento comprende un par de páneles laterales sobre las superficies opuestas del devanado de bobina, una cuña conectando los páneles laterales, y un inserto de rosca acoplado a los páneles laterales y asegurados al perno. 23. . U n rotor de acuerdo con la reivi ndicación 1 9, que comprende además una funda de tubo de aislamiento entre el núcleo del rotor y la barra de tensión.