MXPA02004841A - Maquina sincronica super conductora que tiene rotor y una pluralidad de devanados de bobina de campo super conductoras. - Google Patents

Abstract

Se describe un rotor 14 para una maquina sincrona 10 que comprende un nucleo de rotor 22 que tiene un eje de rotor, y un par de devanados de bobina super conductora (34, 100) montados sobre el nucleo de rotor, cada uno de los devanados de bobina en un plano respectivo que es paralelo a y desfasado desde el eje de rotor 20.

Description

MÁQUINA SÍNCRONA SÚPER CONDUCTORA QUE TIENE ROTOR Y UNA PLURALIDAD DE DEVANADOS DE BOBINA DE CAMPO SÚPER CONDUCTORAS ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN La presente invención se refiere de manera general a una bobina súper conductora de una máquina giratoria síncrona. De manera más particular, la presente invención se refiere a una estructura de soporte para devanados de campo súper conductores en el rotor de una máquina síncrona. Las máquinas eléctricas síncronas tienen devanados de bobina de campo que incluyen, aunque no están limitados a generadores giratorios, motores giratorios y motores lineales. Esas máquinas comprenden generalmente un estator y un rotor que están acoplados en forma electromagnética. El rotor puede incluir un núcleo de rotor de polo múltiple, y uno o más devanados de bobina montados sobre el núcleo de rotor. Los núcleos de rotor pueden incluir un material sólido magnéticamente permeable, tal como un rotor de núcleo de hierro. Los devanados de cobre convencionales se utilizan comúnmente en los rotores de máquinas eléctricas síncronas. Sin embargo, la resistencia eléctrica de los devanados de cobre (aunque bajos por medidas convencionales) es suficiente para contribuir al calentamiento sustancial del rotor y para disminuir la eficiencia de potencia de la máquina. Recientemente, los devanados de bobina superconductores (SC) se han desarrollado para los rotores. Los devanados SC de manera efectiva no tienen resistencia y son devanados de bobina de rotor altamente ventajosos. Los rotores de núcleo de hierro se saturan en una intensidad de campo magnético de espacio dé aire de aproximadamente 2 Tesla. Los rotores superconductores conocidos emplean diseños de núcleo de aire, sin hierro en el rotor, para lograr campos magnéticos de espacio de aire de 3 Tesla o superiores, los cuales incrementan la densidad de energía de la máquina eléctrica y resultan en reducción significativa en peso y tamaño. Los rotores superconductores de núcleo, de aire requieren grandes cantidades de cable superconductor, las cuales agregan al número de bobinas requeridas, la complejidad de los soportes de bobina y el costo. Los rotores superconductores tienen bobinas superconductores enfriadas por helio líquido, con el helio utilizado enfriado que es devuelto como helio gaseoso a temperatura ambiente. La utilización de helio líquido para enfriamiento criogénico requiere de relicuefacción continua del helio gaseoso a temperatura ambiente devuelto y dicha relicuefacción plantes serios problemas de confiabilidad y requiere potencia auxiliar importante. Los devanados de campo de bobina SC (HTS) de alta temperatura se forman de materiales superconductores que son frágiles, y deben ser enfriados a una temperatura en o por debajo de una temperatura crítica por ejemplo, 27° K, para lograr y mantener la superconductividad. Los devanados SC pueden formarse de un material superconductor de alta temperatura, tal como el conductor en base a BSCCO (BixSrxCaxCuxOx). Las técnicas de enfriamiento de bobina SC incluyen enfriamiento de una bobina SC impregnada con epoxi a través de una trayectoria de conducción sólida desde un crioenfriador. Alternativamente, los tubos de enfriamiento en el rotor pueden transportar un criogéno líquido y o gaseoso hacia un devanado de bobina SC que está sumergido en el flujo del criógeno líquido y / o gaseoso. Sin embargo, el enfriamiento por inmersión requiere que el devanado de campo completo y la estructura de rotor estén a temperatura criogénica. Como un resultado, no puede utilizarse el 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 súper conductor para una máquina eléctrica que no tenga las desventajas de los ensamblajes de devanado de campo súper conductores de núcleo de aire y enfriados por líquido de, por ejemplo, los rotores súper conductores conocidos. Además, las bobinas HTS son sensibles a la degradación a partir de la alta flexión y los esfuerzos por tensión. Esas bobinas deben experimentar fuerzas centrífugas sustanciales que tensan y extienden las bobinas de los devanados de bobina. La operación normal de las máquinas eléctricas involucra miles de ciclos de arranque y paro durante el curso de varios años que resultan en una carga por fatiga de ciclo bajo del rotor. Además, el devanado de rotor HTC debe ser capaz de resistir el 25% de operación a sobre velocidad durante los procedimientos, de balanceo del rotor a temperatura ambiente y sin importar las condiciones de sobre velocidad operativa en temperaturas criogénicas durante la operación. Esas condiciones de sobre velocidad incrementan sustancialmente la carga de fuerza centrífuga sobre los devanados durante las condiciones de operación normal. Las bobinas SC utilizadas como el devanado de campo de rotor HTS de una máquina eléctrica están sometidas a tensiones y esfuerzos durante el enfriamiento y la operación normal. Estas sometidos a carga centrífuga, transmisión de par de torsión y condiciones de falla transitorias. Para resistir las fuerzas, tensiones, esfuerzos y cargas cíclicas, las bobinas SC deben ser soportadas adecuadamente en el rotor mediante un sistema de soporte de bobina y protegidos contra los campos magnéticos dinámicos y transitorios. Esos sistemas de soporte sostienen las bobinas SC en el rotor HTS y asegura las bobinas contra las enormes fuerzas centrífugas debidas a la rotación del rotor. Además, el sistema de soporte de bobina protege las bobinas SC, y asegura que las bobinas no se agrieten, fatiguen o de otra manera fallen prematuramente. El desarrollo de protectores y sistemas de soporte de bobina para la bobina HTS ha sido un desafío importante en la adaptación de las bobinas SC a los rotores HTS. Los ejemplos de los sistemas de soporte de bobina para los rotores HTS que se han propuesto previamente se describen en las Patentes de los Estados Unidos de Norteamérica Nos. 5,548,168; 5,532,663; 5,672,921; 5,777,420; 6,169,353, y 6,066,906. Sin embargo, esos sistemas de soporte de bobina tienen varios problemas, tales como que son costosos, complejos y requieren un número excesivo de componentes. Desde hace tiempo existe la necesidad de un sistema de soporte de bobina y rotor para una bobina HTS en una máquina síncrona. Hay también la necesidad de un sistema de soporte de bobina hecho con componentes de bajo costo y fáciles de fabricar.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN.

Un rotor que tiene bobinas HTS gemelas sobre un núcleo de rotor de una máquina síncrona. De manera similar, una estructura de soporte está descrita para montar el par de bobinas HTS sobre el rotor. El rotor puede ser una máquina síncrona originalmente diseñada para incluir bobinas HTS. Alternativamente, el rotor HTS puede reemplazar un rotor de bobina de cobre en una máquina eléctrica existente, tal como en un generador convencional. El rotor y sus bobinas HTS que se describen en la presente en el contexto de un generador, aunque el rotor de bobina HTS también es adecuado para uso en otras máquinas síncronas. El diseño de bobina HTS de pista doble para devanado de campo de dos polos proporciona varias ventajas incluyendo la simplicidad en el diseño de la bobina y en el diseño del soporte de bobina. Además, un diseño de bobina doble tiene sustancialmente el doble de cantidad del devanado de bobina que un rotor de bobina individual. Por tanto, un diseño de bobina doble tiene una capacidad sustancialmente mayor para la generación de energía (cuando la bobina está incorporada en un rotor de un generador). En una primera modalidad, la invención es un rotor para una máquina síncrona que comprende: (i) un núcleo de rotor que tiene un eje de rotor; y (ii) un par de devanados de bobina súper conductora montada sobre el núcleo de rotor, cada uno de los devanados de bobina en un plano respectivo que es paralelo a y está desfasado desde el eje de rotor. En otra modalidad, la invención es un rotor para una máquina síncrona que comprende (i) un núcleo de rotor que tiene un eje de rotor y superficies rebajadas que se extienden longitudinalmente a lo largo del núcleo del rotor; (ii) primero y segundo devanados de bobina súper conductora montados sobre el núcleo de rotor, cada uno de los devanados de bobina que están en un plano que es paralelo a y está desfasado desde el eje de rotor; (iii) una pluralidad de primeras barras de tensión que se extienden y conectan secciones laterales opuestas de cada uno de los devanados de bobina, y (iv) una pluralidad de segundas barras de tensión que se extienden entre y conectan ambos devanados de bobina.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS Los dibujos siguientes en conjunción con el texto de especificación describen una modalidad de la invención. La figura 1 es una vista en elevación lateral esquemática de un rotor súper conductor (SC) mostrados desde un estator. La figura 2 es una vista en perspectiva esquemática de una bobina de pista súper conductora de alta temperatura (HTS) para uso en el rotor SC mostrado en la figura 1. La figura 3 es una vista en perspectiva esquemática de un rotor SC ilustrativo con bobinas de pista HTS dobles (sin un sistema de soporte de bobina). La figura 4 es una vista en perspectiva esquemática de un rotor SC ilustrativo con bobinas de pista HTS doble (con un sistema de soporte de bobina). La figura 5 es una vista en perspectiva esquemática de un rotor SC ilustrativo con bobinas de asiento doble (sin un sistema de soporte de bobina). La figura 6 es un esquema de un alojamiento de bobina para bobinas de asiento doble.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN La figura 1 muestra una máquina generadora síncrona ilustrativa 10 que tiene un estator 12 y un rotor 14. El estator (ilustrado por líneas punteadas) incluye bobinas de devanado de campo que circundan la cavidad cilindrica 16 del estator. El rotor ajusta dentro de la cavidad 16 del estator. Conforme el rotor gira dentro del estator, un campo magnético 18 generado por el rotor y las bobinas del rotor se mueve a través del estator y crea una corriente eléctrica en los devanados de las bobinas del estator. Esta corriente es emitida por el generador como energía eléctrica. El rotor 14 tiene un eje que se extiende generalmente de manera longitudinal 20 y un núcleo de rotor generalmente sólido 22. El núcleo sólido 22 tiene una alta permeabilidad magnética, y usualmente está hecho de un material ferromagnético, tal como hierro. En una máquina superconductora de baja densidad de energía, el núcleo de hierro del rotor es utilizado para reducir la fuerza magnetomotriz (MMF) y, por tanto, el uso de cable. Por ejemplo, el núcleo de rotor de hi.erro puede ser saturado magnéticamente en una intensidad de campo magnético aire-espacio de aproximadamente 2 Tesla. El rotor 14 soporta por lo menos un devanado de bobina superconductora de alta temperatura (HTS) en forma de pista, que se extiende longitudinalmente 34 (ver figura 3). El devanado de bobina HTS puede estar alternativamente en una forma dé asiento o tener alguna otra forma que sea adecuada para un diseño de rotor HTS particular. El sistema de soporte de bobina aquí descrito puede adaptarse para configuraciones de bobina diferentes a una forma de bobina de pista.

El rotor i ncluye un par de ejes extremos 24 , 30 que soportan el núcleo 22 y están soportados por coji netes y pueden estar acoplados a dispositivos externos. El eje extremo colector 24 incluye ani l los colectores 79 que proporcionan u na conexión eléctrica externa para las conexiones 79 en la bobina 36 del devanado de bobina 34. Además, el eje extremo colector tiene un acoplamiento de transferencia de criógeno 26 hacia una fuente de fl uido refrigerante criogénico utilizado para enfriar los devanados de bobina SC en el rotor. El acoplamiento de transferencia de criógeno i ncluye u n segmento estacionario acoplado a una fuente de fluido refrigerante de criógeno y un segmento giratorio que proporciona el fluido de enfriamiento para la bobina HTS. El eje extremo accionador 30incluye un acoplamiento de energ ía 32 para una turbina de accionamiento , por ejemplo. La figu ra 2 muestra un devanado de bobina de campo de pista HTS 34 i lustrativo . Las bobinas de devanado de campo SC del rotor i ncluyen u na bobina superconductor^ de alta tem peratu ra (MTS) 36. Cada bobi na MTS incluye un superconductor de alta tem peratura , tal como los cableados conductores BSCCO (BixSrxCaxCuxOx) lam inados en un compuesto de devanado impregnado con epoxy sólido. Por ejemplo , una serie de cableado BSCCO 2223 pueden ser lam i nados, u nidos y enrollados en una bobina impreg nada con epoxy sólida. El cableado HTS es frágil y fácil de que se da ñe. La bobina HTS es típicamente enrollada en capas con u na cinta HTS, y está i mpregnada en una forma de bobina de precisión para obtener las tolerancias dimensionales estrechas. La cinta es enrollada alrededor en una hélice para formar la bobina SC de pista 36. El alambre es empaquetado para formar un devanado de pista que incluye conductos de enfriamiento que están unidos a una o más superficies de enfriamiento externas a fin de proporcionar enfriamiento mediante transferencia de calor por conducción. En la modalidad de bobina de asiento, la cinta puede colocarse de manera que esté orientada radialmente con respecto al rotor. Las dimensiones de la bobina de pista dependen de las dimensiones del núcleo de rotor. Generalmente, cada bobina SC de pista encierra los polos magnéticos del núcleo de rotor, y es paralela al eje de rotor. Los devanados de bobina HTS son continuos alrededor de la pista. Las bobinas SC forman una trayectoria de corriente eléctrica libre de resistencia alrededor del núcleo de rotor y entre los polos magnéticos del núcleo. Los pasajes de fluido 38 para fluido de enfriamiento criogénico están incluidos en el devanado de bobina 34. Esos pasajes pueden extenderse alrededor de un borde externo de la bobina SC 36. Los pasajes proporcionan fluido de enfriamiento criogénico para remover el calor desde esas bobinas mediante transferencia de calor por conducción. El fluido enfriador mantiene las bajas temperaturas, por ejemplo 27° K, en el devanado de bobina SC necesarias para promover las condiciones de superconducción, incluyendo la ausencia de resistencia eléctrica en la bobina. Los pasajes de enfriamiento tienen puertos de entrada 31 y puertos de salida 41 en un extremo del núcleo del rotor. Esos puertos 39, 41 conectan los pasajes de enfriamiento 38 en la bobina SC al acoplamiento de transferencia de criógeno 28. Cada devanado de bobina de pista HTS 34 tiene un par de porciones laterales generalmente rectas 40 paralelas a un eje rotor 20 y porciones extremas 40 que son perpendiculares al eje rotor. Las porciones laterales de la bobina son sometidas a las mayores tensiones centrífugas debido a que son las porciones de la bobina más alejadas del eje del rotor. En consecuencia, esas porciones laterales de la bobina son soportadas por un sistema de soporte (mostradas en las figs. 3 y 4) que aseguran las porciones laterales de la bobina y contrarresta las fuerzas centrífugas que actúan sobre las porciones laterales de la bobina. La figura 3 es un diagrama esquemático de un núcleo de rotor con devanados de bobina de pista HTS doble 34. Los ejes extremos 24, 30 se extienden desde extremos opuestos del núcleo de rotor. El núcleo de rotor puede ser un forjado de hierro que tiene características magnéticas deseables, tales como alta permeabilidad de flujo magnético. El núcleo de rotor puede detener dos polos magnéticos en donde los polos están en extremos opuestos del núcleo de rotor. El núcleo de rotor interactúa en forma electromagnética con los devanados de bobina para promover los campos electromagnéticos alrededor del rotor y el estator. El núcleo de rotor y los ejes extremos pueden estar formados integralmente, por ejemplo, mediante forjado, a partir de un eje de hierro individual. De manera alternativa, el núcleo de rotor y los ejes extremos pueden ser componentes discretos (e incluso el núcleo puede ser un núcleo de piezas múltiples) que se ensamblan juntos. El forjado del núcleo puede estar hecho en tres piezas para facilitar el ensamble de rotor. Sin embargo, en el ejemplo aquí mostrado, el núcleo de rotor es integral con los ejes extremos y el núcleo y los ejes son continuos a lo largo de toda la longitud del rotor. Alternativamente, el núcleo de rotor de hierro puede ser hecho de múltiples secciones a lo largo de la dirección longitudinal del. eje. El núcleo de rotor de hierro 22 tiene una forma generalmente cilindrica adecuada para rotación dentro del estator 12. Para recibir los devanados de bobina, el núcleo de rotor tiene superficies rebajadas 44, tales como las regiones o ranuras planas o triangulares, formadas en la superficie curva del núcleo cilindrico y que se extienden longitudinalmente a través del núcleo del rotor. Los devanados de bobina 34 están montados sobre el rotor adyacentes a esas áreas rebajadas. Las bobinas se extienden por lo general longitudinalmente a lo largo de una superficie externa del área rebajada. Esas superficies rebajadas 44 sobre el núcleo de rotor están destinadas a recibir los devanados de bobina y, por tanto, la forma del receso está diseñada para amoldarse al devanado de bobina. Por ejemplo, si el devanado de bobina tiene una forma de silla o alguna otra forma, los recesos en el núcleo de rotor estarían configurados para recibir la forma del devanado. Las superficies rebajadas 44 reciben el devanado de bobina de manera que las superficies externas del devanado de bobina se extienden sustancialmente hasta una cubierta definida por la rotación del rotor. Las superficies curvadas externas 46 del núcleo de rotor cuando giran definen una cubierta cilindrica. Esta cubierta de rotación del rotor tiene sustancialmente el mismo diámetro que la cavidad del estator 16 (ver figura 1) en el estator. El espacio entre la cubierta de rotor y la cavidad de estator 16 es un espacio libre relativamente pequeño, como se requiere para el enfriamiento por ventilación de flujo forzado del estator solamente, ya que el rotor no requiere enfriamiento por ventilación. Es deseable reducir al mínimo el espacio libre entre el rotor y el estator para incrementar el acoplamiento electromagnético entre los devanados de bobina de rotor y los devanados del estator. Además, el devanado de bobina de rotor está colocado preferiblemente de manera que se extiende hacia la cubierta formada por el rotor y, por lo tanto está separado del estator solamente por el espacio libre entre el rotor y el estator. En una disposición de devanado de bobina HTS doble, el núcleo de rotor 22 tiene dos pares de superficies de receso 44 para las bobinas gemelas. Esas cuatro superficies rebajadas están colocadas simétricamente alrededor de la periferia del núcleo de rotor a fin de proporcionar el equilibrio sobre la rotación. Esas superficies 44 definen cada una un volumen 48 en el núcleo de rotor que se extiende la longitud del núcleo de rotor que tiene una sección transversal generalmente triangular equilátera. La hipotenusa de esta sección transversal triangular es un arco de la superficie 46 del núcleo de rotor. Cada volumen 48 reciba una porción lateral 40 de uno de los dos devanados de bobina HTS 34. El núcleo de hierro caliente 22 tiene una disposición de aberturas de conducto 48 para permitir que las barras de tensión se extiendan a través del rotor. Un par de rebordes de núcleo de rotor 50 se extienden longitudinalmente a lo largo del rotor y en lados opuestos del rotor. El par de los rebordes se extienden radialmente hacia fuera sobre el rotor hacia la envoltura formada por la rotación del rotor. Cada reborde de núcleo está entre las dos bobinas 34 y las superficies rebajadas 44 sobre las cuales se montan las bobinas. Los rebordes son integrales al núcleo de rotor y están formados del mismo material permeable magnético que otras porciones del núcleo de rotor. Los rebordes están diseñados para mejorar la rigidez de flexión del rotor alrededor del eje del polo como se requiere para reducir la vibración del rotor dos veces por revolución. La carga principal de la bobina HTS en un rotor de núcleo de hierro es a partir de la aceleración centrífuga durante la rotación del rotor. Es necesario un soporte estructural de bobina efectivo para contrarrestar las fuerzas centrífugas. El soporte de bobina es necesario especialmente a lo largo de las secciones laterales 40 de la bobina que experimentan la mayor aceleración centrífuga. Para soportar las secciones laterales de las bobinas, las barras de tensión (ver figura 4) se extienden entre las bobinas y sujetan secciones laterales opuestas de una bobina. Las barras de tensión se pueden extenderse también entre el par de bobina para proporcionar soporte entre las bobinas dobles. Las barras de tensión se extienden a través de los conductos 52, por ejémplo, aberturas en el núcleo de rotor de manera que pueden extenderse entre las secciones laterales de la misma bobina o entre bobinas adyacentes de las barras de tensión. Los conductos 52 son generalmente pasajes cilindricos en el rotor que tiene un eje recto. El diámetro de los conductos puede ser suficientemente más grande que el diámetro de las barras de tensión para evitar que se tenga el contacto del rotor con las barras de tensión y por tanto, evitar la transferencia de calor por conducción térmica entre el rotor y las barras. El diámetro de los conductos es sustancialemnte constante, excepto en sus extremos cerca de la superficie rebajada del rotor. En sus extremos, los conductos pueden expanderse hasta un diámetro mayor para acomodar un manguito cilindrico (ver figura 4) para las barras de tensión. Los conductos 52 son aberturas, es decir, orificios, que se extienden a través del núcleo de rotor y proporcionan un pasaje para las barras de tensión. Los conductos tienen un diámetro generalmente circular y un eje recto a través del rotor. El eje de los conductos está generalmente en un plano definido por la bobina de pista a la cual corresponde el conducto. Además del eje del conducto que es perpendicular a las secciones laterales de la bobina a ala que está conectada la barra de tensión que se extiende a través del conducto. Además, el diámetro de los conductos del rotor es suficientemente grande de manera que las barras de tensión no necesitan hacer contacto con el rotor. El evitar el contacto entre las barras de tensión y el núcleo de rotor reduce al mínimo la condición de calor desde el núcleo de rotor, a través de las barras de tensión y hacia los devanados de bobina SC enfriados. Los conductos 52 pueden ser perpendiculares a las secciones laterales 40 de la bobina. Para esas barras de tensión que se extienden entre las secciones laterales opuestas de la misma bobina, los conductos correspondientes están en el mismo plano que esa bobina. Para aquellas barras de tensión que se extienden entre las bobinas dobles, los conductos correspondientes pueden ser perpendiculares a el plano de ambas bobinas y se extiende a través de los rebordes 50 del núcleo de rotor. El número de conductos y la ubicación de los conductos dependerá de la ubicación de las bobinas HTS y el número de alojamientos de bobina (ver figura 4) necesarios para soportar las secciones laterales de las bobinas. Como se muestra en la figura 4, las secciones extremas 42 de cada par de devanado de bobina 34 son extremos opuestos adyacentes del núcleo de rotor. Un sujetador dividido 54 (ver figura 4) retiene la sección extrema de los devanados de bobina. El sujetador dividido incluye un par de placas entre las cuales están intercaladas la sección extrema de una bobina. El sujetador dividido puede formarse de un material no magnético, tal como Inconel X718. Se pueden utilizar los mismos materiales u otros similares no magnéticos para formar las barras de tensión y otras porciones del sistema de soporte. El sistema de soporte es preferiblemente no magnético para conservar la ductilidad á tem peraturas criogénicas, ya que los materiales ferromagnéticos se vuelven frági les a temperaturas por debajo de la temperatu ra de transición Curie y no pueden utilizarse como estructuras portadoras de carga. El sujetador dividido 54 en cada extremo del devanado de bobina i ncluye u n par de placas opuestas 56 que están intercaladas entre la sección extrema 42 de la bobina . Las superficies de las placas de sujeción 56 incluyen canales 58 para recibir las secciones extremas de los devanados de bobina . El sujetador dividido puede estar soportado por un collarín (no mostrado) u otro dispositivo estructural que retenga el sujetador al n úcleo de rotor y permita que el sujetador soporte las secciones extremas de las bobinas HTS . Los acoplamientos de fluido eléctrico y de enfriamiento 39 (solamente el acoplamiento eléctrico se muestra en las figuras 3 y 4) a las bobinas están en las secciones extremas de bobina 42. U n acoplamiento eléctrico a la bobina se proporciona en la sección extrema más cercana al eje extremo que tiene u n colector (no mostrado) para proporcionar conexión eléctrica a las bobinas giratorias sobre el rotor. Se proporciona un acoplam iento de fluido enfriador en la sección extrema opuesta de cada devanado de bobina para que el fluido de enfriam iento criogén ico pueda flu ir hacia las bobinas y el calor sea removido desde las bobinas en el flu ido de enfriamiento que es circulado desde las bobinas y hacia el sistema de enfria m iento.

Las secciones laterales 40 de la bobina HTS en forma de pista 34 son soportadas por una serie de barras de tensión 62 que se extienden a través de los conductos 52 en el cuerpo del núcleo del rotor. Las barras de tensión son barras rectas no magnéticas que se extienden entre secciones laterales opuestas de la misma bobina, o entre secciones laterales de las dos bobinas. La barra de tensión puede estar formada de aleaciones no magnéticas de alta resistencia, tal como Inconel X718. Las barras de tensión tienen en cada extremo un acoplamiento con un alojamiento de canal 64 que retiene el devanado de bobina. Los alojamientos de canal y las barras de tensión proporcionan ajustes de la tensión aplicada a las secciones laterales de los devanados de bobina. Los soportes de devanado de bobina sostienen los devanados de bobina sobre el rotor y soportan los devanados contra las fuerza centrífugas y las vibraciones que resultan a partir de la rotación del rotor y la operación de la máquina eléctrica. Los soportes de devanado de bobina incluyen barras de tensión que se extienden a través del rotor y sujetan sobre los devanados de bobina en ambos extremos de la barra. Las barras de tensión soportan la bobina especialmente de manera adecuada con respecto a las fuerzas centrífugas conforme las barras se extienden en forma sustancialmente radial al devanado de bobina. Cada barra de tensión es un eje con continuidad a lo largo de la dirección longitudinal de la barra y en el plano de la bobina de pista. La continuidad longitudinal de las barras de tensión proporciona rigidez lateral a las bobinas lo que proporciona beneficios dinámicos del rotor. Además, la rigidez lateral permite la integración del soporte de bobina con las bobinas de manera que la bobina puede ser ensamblada con el soporte antes del ensamble de rotor final. El preensamble de la bobina y el soporte de bobina reduce el ciclo de producción, mejora la calidad del soporte de bobina y reduce las variaciones de ensamble de bobina. La bobina de pista está soportada mediante una disposición de miembros de tensión que extienden los lados largos de la bobina. Los miembros de soporte de bobina de barra de tensión son preensamblados a la bobina. La bobina HTS y los componentes de soporte estructurales están a temperatura criogénica. En contraste, el núcleo de rotor está a una temperatura "caliente" ambiental. Los soportes de bobina son fuentes potenciales de conducción térmica que permitirían que el calor alcance lás bobinas HTS desde el núcleo de rotor. El rotor se calienta durante la operación. Ya que las bobinas se van a mantener en condiciones súper enfriadas, la conducción de calor dentro de las bobinas se debe evitar. Las barras se extienden a través de aberturas, por ejemplo, conductos en el rotor aunque no están en contacto con el rotor. Esta falta de contacto evita la conducción del calor desde el rotor hacia las barras de tensión y las bobinas. Para reducir el escape de calor desde la bobina, el soporte de bobina se reduce al mínimo para reducir la conducción térmica a través del soporte desde las fuentes de calor tal como el núcleo de rotor. Generalmente existen dos categorías de soporte para el devanado súper conductor: (i) soportes "calientes" y (ii) soporte "frío". En un soporte caliente, las estructuras de soporte son aisladas térmicamente de los devanados SC enfriados. Con los soportes calientes, la mayoría de la carga mecánica de una bobina súper conductora (SC) es soportada por los miembros estructurales que se extienden desde los miembros fríos a los calientes. En un sistema de soporte frío, el sistema de soporte está en o cerca de la temperatura criogénica fría de las bobinas SC. En los soportes fríos, la mayoría de la carga mecánica de una bobina SC está soportada por miembros estructurales que están en o cerca de una temperatura criogénica. El sistema de soporte ilustrativo descrito en la presente son soportes fríos en los que las barras de tensión y los alojamientos asociados acoplaron las barras de tensión a los devanados de bobina SC que se mantienen en o cerca de una temperatura criogénica. Debido a que los miembros de soporte son fríos, esos miembros están térmicamente aislados, por ejemplo, mediante conductos sin contacto a través del núcleo de rotor, desde otros componentes "calientes" del rotor. Uñ miembro de soporte individual consta de una barra de tensión 62, un alojamiento de canal 64 y una clavija 66 que conecta el alojamiento al extremo de la barra de tensión. Cada alojamiento de canal 64 es un soporte en forma de U que tiene patas que conectan a una barra de tensión y un canal para recibir el devanado de bobina 34. El alojamiento en forma de U permite el ensamble preciso y conveniente del sistema de soporte para la bobina. Los alojamientos de canal distribuyen colectivamente las fuerzas que actúan sobre la bobina, por ejemplo, fuerzas centrífugas, sustancialmente sobre las secciones laterales completas 40 de cada bobina. Los alojamientos de canal 64 extienden colectivamente la longitud de cada una de las secciones laterales 40 de las bobinas HTS 34. Los alojamientos de canal evitan que las secciones laterales de las bobinas se flexionen y se doblen en forma excesiva debido a las fuerza centrífugas. Los soportes de bobina no restringen a las bobinas de su expansión térmica y contracción que se presenta durante la operación de arranque / paro normal de la turbina de gas. En particular, la expansión ocasiona que la longitud de las secciones laterales se incremente o disminuya y por tanto, se deslice longitudinalmente con respecto al sistema de soporte. Lá transferencia de la carga centrífuga desde la estructura de bobina hacia una barra de soporte es a través de un alojamiento en forma de U que ajusta alrededor de la superficie externa de bobina y las secciones rectas laterales, y está sujetada con clavijas 66 a un extremo de diámetro ancho 68 de la barra de tensión. El alojamiento en forma de U está formado de un material de alta resistencia ligero qué es dúctil a temperaturas criogénica. Los materiales típicos para el alojamiento de canal son aluminio, aleaciones Inconel o de titanio, las cuales no son magnéticas. La forma de un alojamiento en forma de U puede optimizarse para bajo peso.

La clavija 66 a través del alojamiento en forma de U y la barra de tensión pueden ser huecas para un bajo peso. Las contratuercas o pasadores están enroscados o unidos a los extremos de la clavija para asegurar los lados del alojamiento en forma de U de la separación bajo carga. La clavija puede estar hecha de aleaciones Inconel o de titanio de alta resistencia. Las barras de tensión están hechas con extremos de diámetro mayor 68 que son maquinados con dos planos 70 en sus extremos para ajustar el alojamiento en forma de U y la anchura de bobina. Los extremos planos 70 de la barra de tensión empalman contra la superficie interna de las bobinas HTS, cuando la barra, la bobina y el alojamiento se conectan juntos. Esta construcción reduce la concentración de tensión en la región del orificio de barra de tensión que recibe la clavija. Las barras de tensión 72 que se extienden entre bobinas adyacentes también se unen a los alojamientos de canal en forma de U 64. Esas barras de tensión proporcionan una estructura para soportar las bobinas dobles una con respecto a la otra. Las barras de tensión 72 se insertan dentro de conectores hembras 74 en los lados de cada alojamiento de canal. Una clavija trabadora 74 puede utilizarse para asegurar la barra de tensión 76 al lado del alojamiento de canal. El sistema de soporte de bobina de barras de tensión 62, alojamientos de canal 64 y sujetador dividido 54 puede ensamblarse como conforme los devanados de bobina HTS 34 son montados en el núcleo de rotor 22. De hecho, el sistema de soporte de bobina es por mucho el medio a través del cual los devanados de bobina HTS están unidos al núcleo de rotor. La estructura de las barras de tensión y los alojamientos de canal proporciona una estructura aproximadamente con rebordes parta soportar los devanados de bobina y retener los devanados de bobina en su lugar con respecto al núcleo de rotor. El devanado de bobina 34 puede estar protegido del flujo magnético inducido por el estator mediante un cilindro conductor alrededor del núcleo de rotor. Además, el devanado de bobina puede estar en un vacío para aislar el devanado desde el calor del rotor. El vacío puede formarse mediante un recipiente de vacío cilindrico alrededor del núcleo del rotor. La figura 5 es una vista esquemática de la bobina de asiento doble 100 montada sobre un rotor 20. Las bobinas de asiento tiene cada una una construcción similar al devanado de pista mostrado en la figura 2, en el que cada bobina está formada de una bobina SC envuelta 36 y tiene un pasaje de enfriamiento 38 para mantener la bobina a temperaturas criogénicas. Las bobinas de asiento tienen una sección lateral grande 140 que ajusta dentro de una ranura longitudinal 102 en el núcleo de rotor. Los segmentos extienden la longitud del núcleo 22, y están cada uno en lados opuestos del núcleo. Las bobinas de asiento tiene secciones extremas 154 que son adyacentes a los extremos 56 del núcleo de rotor. Por tanto, las bobinas de asiento se extienden cada una a través del par de ranuras en el núcleo y se envuelven alrededor de los extremos del núcleo. Un protector 90 cubre las bobinas y proporciona un vacío para las bobinas, y es conductor para evitar los campos electromagnéticos del estator que penetren a las bobinas sensibles. La figura 6 es un diagrama esquemático de un alojamiento de bobina 144 para las bobinas de asiento doble 100. El alojamiento de bobina es similar al alojamiento 44 para los devanados de bobina de pista, excepto que el alojamiento de asiento 144 ajusta sobre un par de devanados. El alojamiento de asiento tiene un par de patas 1590 cada una con una abertura 152 para recibir una clavija 180. la clavija conecta el alojamiento a una barra de tensión 142 que se extiende a través de un conducto en el núcleo. El extremo 186 de la barra de tensión es plano y forma una superficie de soporte para los lados de las bobinas de asiento que confrontan el núcleo. En tanto que se ha descrito la invención en relación con la que se considera actualmente la modalidad más práctica y preferida, se comprende que la invención no está limitada a la modalidad descrita, sino por el contrario, se pretende que cubra el cuerpo y el devanado de bobina que tiene secciones laterales adyacentes a las superficies planas.

Claims (21)

REIVINDICACIONES

1. Un rotor para una máquina síncrona 10, que comprende: un núcleo de rotor 22 que tiene un eje de rotor 20; un par de devanados de bobina súper conductora (34, 100) montado sobre el núcleo de rotor, cada uno de los devanados de bobina en un plano respectivo que es paralelo a y está desfasado del eje de rotor.

2. Un rotor de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque las bobinas súper conductoras 34 tiene una forma de pista.

3. Un rotor de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque las bobinas súper conductoras (34, 100) tienen cada una un par de secciones laterales opuestas 40 que son paralelas al eje de rotor 20 y un par de secciones extremas 42 adyacentes a un extremo del núcleo de rotor 22.

4. Un rotor de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el núcleo de rotor 22 tiene superficies rebajadas 44 que se extienden longitudinalmente a lo largo del núcleo de rotor y dicha superficie rebajada recibe los devanados de bobina (34, 100).

5. Un rotor de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque las bobinas de súper conducción (34,100) incluyen un cable súper conductor de alta temperatura (HTS) 36 que se extiende alrededor de toda la bobina.

6. Un rotor de conformidad con la reivindicación 1, que comprende además barras de tensión 72 que se extienden entre y conectan a los devanados de las bobinas.

7. Un rotor de conformidad con la reivindicación 1, que comprende además barras de tensión 72 que se extienden entre y conectan a los devanados de bobina, y se extienden a través de los conductos 52 en el núcleo de rotor.

8. Un rotor de conformidad con la reivindicación 1, que comprende además barras de tensión 72 que se extienden entre y conectan a los devanados de bobina 34, y en donde las barras de tensión son perpendiculares al plano respectivo de las bobinas.

9. Un rotor de conformidad con la reivindicación 1, en donde el núcleo de rotor 22 es un cuerpo de núcleo de hierro.

10. Un rotor de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el núcleo de rotor 22 incluye un reborde 50 que separa los devanados de bobina.

11. Un rotor de conformidad con la reivindicación 1, que comprende además barras de tensión 62 que se extienden y conectan a secciones laterales opuestas de cada bobina 34, y barras de tensión 72 que se extienden y conectan a ambas bobinas 34.

12. Un rotor de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque los devanados de bobina (34, 100) están en lados opuestos del eje de rotor, y una distancia igual separa el plano para cada uno de los devanados de bobina y el eje de rotor.

13. Un rotor de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque los planos para cada uno de los devanados de bobina (34, 100) son paralelos entre sí, y el eje de rotor está entre dichos planos.

14. Un rotor de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque las bobinas son bobinas de asiento 100.

15. Un rotor de conformidad con la reivindicación 14, que comprende además alojamientos de bobina de asiento 144 que soportan cada una secciones laterales de ambas bobinas.

16. Un rotor 14 para una máquina síncrona 10 que comprende: un núcleo de rotor 22 que tiene un eje de rotor y superficies rebajadas 44 que se extienden longitudinalmente a lo largo del núcleo de rotor; un primero y segundo devanados de bobina súper conductores (34, 100) montados sobre el núcleo de rotor, cada uno de los devanados de bobina que está en un plano que es paralelo a y desfasado desde el eje de rotor; una pluralidad de primeras barras de tensión 62 que se extienden y conectan secciones laterales opuestas de cada uno de los devanados dé bobina, y una pluralidad de segundas barras de tensión 72 que se extienden entre y conectan ambos devanados de bobina.

17. Un rotor de conformidad con la reivindicación 16, que comprende además una pluralidad de alojamientos de canal 70, cada uno que soporta una sección de la sección lateral de dicho devanado de bobina y conectado a un extremo de una de las primeras barras de tensión y una de las segundas barras de tensión.

18. Un rotor de conformidad con la reivindicación 17, caracterizado porque el alojamiento de canal 70 forma un alojamiento que cubre la sección lateral completamente.

19. Un rotor de conformidad con la reivindicación 17, en donde la primera y segunda barras de tensión se extienden cada una a través de conductos respectivos 52 en el núcleo de rotor.

20. Un rotor de conformidad con la reivindicación 16, caracterizada porque las bobinas son bobinas de asiento 100.

21. Un rotor de conformidad con la reivindicación 20, que comprende alojamientos de bobina de asiento 144 que soportan cada uno secciones laterales de ambas bobinas.