MXPA02004842A - Soporte de bobina de rotor sincrono super conductor de alta temperatura con barras de tension y metodo para ensamble del soporte de bobina. - Google Patents

Abstract

Se describe un rotor para una maquina sincrona que comprende: un rotor, un devanado de bobina super conductor que se extiende alrededor de por lo menos una porcion del rotor, el devanado de bobina que tiene un par de secciones laterales en lados opuestos de dicho motor; por lo menos una barra de tension que se extiende entre el par de secciones laterales del devanado de bobina y a traves de los conductos de dicho rotor; y un alojamiento de bobina en cada uno de los extremos opuestos de la barra de tension, en donde el alojamiento de bobina se envuelve alrededor del devanado de bobina esta unido a la barra de tension.

Description

SOPORTE DE BOBINA DE ROTOR SÍNCRONO SÚPER CONDUCTOR DE ALTA TEMPERATURA CON BARRAS DE TENSIÓN Y MÉTODO PARA ENSAMBLE DEL SOPORTE DE BOBINA ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN La presente invención se refiere de manera general a una bobina súper conductora en una máquina giratoria síncrona. De manera más particular, la presente invención se refiere a una estructura de soporte para devanados de campos 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 súper conductores. (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 de aire de aproximadamente 2 Tesla. Los rotores súper conductores 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. Estos campos magnéticos de espacio-aire elevados producen densidades de energía incrementadas de la máquina eléctrica, y dan como resultado una reducción importante en peso y tamaño de la máquina. Los rotores súper conductores de núcleo de aire requieren grandes cantidades de cables súper conductor. Las grandes cantidades de alambre SC se agregan al número de bobina requeridas, la complejidad de los soportes de bobina y el costo de los devanados y el rotor de bobina SC. Los devanados de campo de bobina SC (HTS) de alta temperatura se forman de materiales súper conductores 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 súper conductividad. Los devanados SC pueden formarse de un material súper conductor de alta temperatura, tal como el conductor en base a BSCCO (BixSrxCaxCUxOx). Las bobinas súper conductoras han sido enfriadas mediante helio líquido. Después de pasar a través de los devanados del rotor, el helio utilizado calentado es devuelto como helio gaseoso a temperatura ambiente. La utilización del helio líquido para el enfriamiento criogénico requiere una relicuefacción continua del helio gaseoso a temperatura ambiente devuelto y dicha relicuefacción plantea problemas de confiabilidad importantes y requiere de energía auxiliar importante. Las técnicas de enfriamiento de bobina SC anteriores incluyen enfriamiento de una bobina SC impregnada con epoxi a través de una trayectoria de conducción sólida desde un crioenf riador. Alternativamente, los tubos de enfriador en el rotor pueden transportar un líquido y / o criógeno gaseoso hacia un devanado de bobina SC poroso que está sumergido en el flujo del criógeno líquido y/o gaseoso. Sin embargo, el enfriamiento por inmersión requiere que todo el devanado de campo y la estructura de rotor estén a temperatura criogénica. Como un resultado, no puede utilizarse hierro en el circuito magnético del rotor debido a la naturaleza frágil 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 del núcleo de aire y los ensamblajes de devanados de campo súper conductor enfriados con líquido de, por ejemplo, los rotores súper conductores conocidos. Además, las bobinas superconductores de alta temperatura (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 de generación de energía. 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 sométidas 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. 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 sistemas dé 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 rotor HTS que tenga un sistema de soporte de bobina para una bobina SC. 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 Una estructura de soporte de bobina que tiene barras de tensión y alojamientos de canal en forma de U se describe para montaje de las bobinas SC dentro del espacio de vacío con un rotor HTS. Las barras de tensión se extienden en lados opuestos de una bobina. Los alojamientos de canales están unidos a ambos extremos de la barra de tensión y se envuelven alrededor de una porción lateral de la bobina. La bobina es soportada por las barras de tensión y los alojamientos de canal con respecto a la fuerzas centrífugas y otras que actúan sobre la bobina.

El rotor HTS puede ser para una máquina síncrona originalmente diseñada para incluir bobinas SC. Alternativamente, el rotor HTS puede reemplazar un rotor de bobina de cobre en una máquina eléctrica insistente, tal como en un generador convencional. El rotor y sus bobinas SC 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. En una primera modalidad, la invención es un rotor que comprende un núcleo de rotor y un devanado de bobina de pista (SC) súper conductor. Un sistema de soporte de bobina comprende las barras de tensión que se extienden entre el devanado de bobina y los alojamientos de canal que aseguran el devanado de bobina a ambos lados de la barra de tensión.. En otra modalidad, la invención es un rotor para una máquina síncrona que comprende: un rotor con vacío interno; un devanado de bobina súper conductora que se extiende alrededor de por lo menos una porción del rotor, el devanado de bobina que tiene un par de secciones laterales sobre lados opuestos del rotor; por lo menos una barra de tensión que se extiende entre el par de secciones laterales del devanado de bobina y a través de conductos en el rotor; y un alojamiento de bobina en cada uno de los extremos opuestos de la barra de tensión, en donde el alojamiento de bobina se envuelve alrededor del devanado de bobina y esta unido a la barra de tensión. Otra modalidad de la invención es un método para soportar una bobina súper conductora en el rotor de una máquina síncrona que comprende las etapas de: extender una barra de tensión a través de un conducto del rotor; insertar un alojamiento de soporte sobre una porción de la bobina; y unir un extremo de la barra de tensión al alojamiento de soporte. Una modalidad adicional de la invención es un rotor para una máquina síncrona que comprende: un núcleo de rotor que tiene un conducto ortogonal al eje longitudinal del núcleo de rotor y paralelo a plano definido por la bobina HTS; una bobina súper conductora (SC) en una forma de pista plana paralela al eje longitudinal del núcleo de rotor; una barra de tensión que ajusta dentro de la abertura de conducto; y un alojamiento de bobina para reducir al mínimo los esfuerzos por flexión, los esfuerzos por tensión o los esfuerzos por flexión y tensión de la bobina HTS.

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 una máquina eléctrica síncrona que tiene un rotor súper conductor y un estator. La figura 2 es una vista en perspectiva de un devanado de bobina súper conductora de pista ilustrativa. La figura 3 es una vista despiezada de los componentes de un rotor súper conductor de alta temperatura (HTS).

Las figuras 4 a 6 son vistas en sección transversal esquemáticas de el rotor HTS mostrado en la figura 3. La figura 7 es una vista en sección transversal alargada de una porción de una estructura de soporte de bobina para el rotor HTS mostrado en la figura 3. La figura 8 es una vista en perspectiva de un alojamiento de canal. Las figuras 9 a 11 son vistas en perspectiva que muestran el proceso de ensamblé para el rotor HTS mostrado en la figura 3.

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 rotor incluye bobinas de devanado de campo que ajustan dentro de la cavidad cilindrica 16 del estator. El rotor ajusta dentro de la cavidad al vacío de rotor del estator. Conforme el rotor gira dentro del estator, un campo magnético 18 (ilustrado mediante líneas punteadas) generado por el rotor y las bobinas del rotor se mueven/giran a través del estator y crean una corriente eléctrica en los devanados de las bobinas del estator 19. 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 súper conductora de baja densidad de energía, el núcleo de hierro del rotor es utilizado para reducir la fuerza magnetomotriz (MMF) y, por tanto, reducir al mínimo la cantidad de cableado de bobina súper conductora (SC) necesario para el devanado de bobina. Por ejemplo, el núcleo de rotor de hierro sólido 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 súper conductora de alta temperatura (HTS) en forma de pista, que se extiende longitudinalmente 34 (ver figura 2). El devanado de bobina HTS puede se alternativamente en una forma de asiento o tener alguna otra forma que sea adecuada para un diseño de rotor HTS particular. Se describe un sistema de soporte de bobina aquí para un devanado de bobina SC de pista. El sistema de soporte de bobina puede estar adaptado para configuraciones de bobina diferentes a una bobina de pista montada sobre un núcleo de rotor sólido. El rotor incluye un eje extremo colector 24, y un eje extremo accionador 30 que soporta el núcleo de rotor 22, que son soportados por cojinetes 25. Los ejes extremos pueden estar acoplados a dispositivos externos. Por ejemplo, el eje colector 24 tiene un acoplamiento de transferencia criogénica 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 criógeno 26 incluye un segmento estacionario acoplado a una fuente de fluido enfriador de criógeno y un segmento giratorio que proporciona el fluido de enfriamiento a la bobina HTS. el eje extremo colector 24 incluye un colector 78 para conectar eléctricamente al devanado de bobina SC giratorio. El eje extremo accionador puede ser accionado por un acoplamiento de turbina de energía 32. La figura 2 muestra un devanado de bobina de campo de pista HTS ilustrativo 34. Las bobinas de devanado de campo SC 34 del rotor incluyen una bobina súper conductora (SC) de alta temperatura 36. Cada bobina SC incluye un súper conductor de alta temperatura, tal como los cableados conductores BSCCO (BixSrxCaxCuxOx) laminados en un compuesto de devanado impregnado con epoxi sólido. Por ejemplo, una serie de cableado BSCCO 2223 pueden ser laminados, unidos y enrollados en una bobina impregnada con epoxi sólida. El cableado SC es frágil y fácil de que se dañe. La bobina SC es típicamente una cinta SC enrollada en capa que es impregnada con epoxi. La cinta SC está envuelta 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. 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 son continuos alrededor de la pista. Las bobinas SC forman una trayectoria de corriente eléctrica libre de resistencia alrededor del núcleo de rotor y entren los polos magnéticos del núcleo. La bobina tiene contactos eléctricos 114 que conectan eléctricamente la bobina al colector 78. 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 hacia la bobina y remueven el calor desde la bobina. El fluido enfriador mantiene las bajas temperaturas, por ejemplo 27° K, en el devanado de bobina SC necesarias para promover las condiciones de súper conducción, incluyendo la ausencia de resistencia eléctrica en la bobina. Los pasajes de enfriamiento tienen un puertos de entrada y salida de fluido 112 en un extremo del núcleo de rotor. Esos puertos de fluido (gas) 112 conectan los pasajes de enfriamiento 38 en la bobina SC al acoplamiento de transferencia de criógeno 26. Cada devanado de bobina de pista HTS 34 tiene un par de porciones laterales generalmente rectas 40 paralelas a un eje rotor 20 y un par de porciones extremas 54 que son perpendiculares al eje rotor. Las porciones laterales de la bobina son sometidas a mayores tensiones centrífugas. En consecuencia, las porciones laterales son soportadas por un sistema de soporte de bobina que contrarresta las fuerzas centrífugas que actúan sobre la bobina. La figura 3 muestra una vista despiezada de un núcleo de rotor 22 y un sistema de soporte de bobina para una bobina súper conductora de alta temperatura. El sistema de soporte incluye barras de tensión 42 conectadas a los alojamientos de canal en forma de U. Los alojamientos retienen y soportan las porciones laterales 40 del devanado de bobina 38 en el rotor. En tanto que una barra de tensión y un alojamiento de canal se muestran en la figura 3, el sistema de soporte de bobina incluirá generalmente una serie de barras de tensión que tienen cada una alojamientos de soporte de bobina en ambos extremos de la barra. Las barras de tensión y los alojamientos de bobina evitan el daño al devanado de bobina durante la operación del rotor, soportan el devanado de bobina con respecto a las fuerzas centrífugas y otras, y proporcionan un escudo protector para el devanado de bobina. La carga principal del devanado de bobina HTS 34 en un rotor de núcleo de hierro es a partir de la aceleración centrífuga durante la rotación del rotor. Un soporte estructural de bobina efectivo es necesario 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 parte de la aceleración centrífuga. Para soportar las secciones laterales de la bobina, las barras de tensión 42 se extienden entre las secciones de la bobina y se unen a los alojamientos de canal 44 que sujetan secciones laterales opuestas de la bobina. Las barras de tensión se extienden a través de los conductos 46, por ejemplo, aberturas e el núcleo de rotor de manera que las barras pueden extenderse entre secciones laterales de la misma bobina o entre bobinas adyacentes. Los condüctos 46 son pasajes generalmente cilindricos en le núcleo de rotor que tienen un eje recto. El diámetro de los conductos es sustancialmente constante, excepto en sus extremos cerca de la superficie rébajada del rotor. Sus extremos, los conductos pueden extenderse a un diámetro mayor para acomodar un manguito cilindrico no conductor (tubo aislante) 52 que proporciona la superficie de apoyo deslizable y aislamiento térmico entre el núcleo del rotor y la barra de tensión. Los ejes de los conductos 46 están generalmente en un plano definido por la bobina de pista. Además, los ejes de los conductos son perpendiculares a las secciones laterales de la bobina a las cuales están conectadas las barras de tensión que se extienden a través de los conductos. Además, los conductos son ortogonales a e intersectan el eje de rotor, en la modalidad mostrada aquí. 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 10) necesarios para soportar las secciones laterales de las bobinas. Las barras de tensión soportan la bobina especialmente de buena manera con respecto a las fuerzas centrífugas ya que las barras sé extienden sustancialmente en forma radial entre los lados del 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 dinámicps del rotor. Además, la rigidez lateral permite integrar el soporte de bobina con las bobinas de manera que la bobina puede ser ensamblada con el soporte de bobina 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 del ensamble de bobina. La bobina de pista es soportada por una disposición de miembros de tensión que se extienden en los lados largos de la bobina. Los miembros de soporte de bobina de barra de tensión son preensamblados a la bobina. El devanado de bobina HTS y los componentes de soporte estructural están a temperatura criogénica. En comparación, el núcleo de rotor está a temperatura "caliente" ambiental. Los soportes de bobina son fuentes potenciales de conducción térmica que permitirían que el calor alcanzara las bobinas HTS desde el núcleo de rotor. El rotor se calienta durante la operación. Conforme las bobinas se mantienen en condiciones súper enfriadas, la conducción de calor dentro de las bobinas se evita. Las barras se extienden a través de las aberturas, por ejemplo, conductos, en el rotor aunque no están en contacto con el rotor. Esta falta de contacto evita la conducción de calor desde el rotor hacia las barras y bobinas de tensión. Para reducir la dispersión 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 tales como el núcleo de rotor. Existen generalmente dos categorías de soporte para el devanado súper conductor: (i) soportes "calientes" y (ii) soportes "fríos". En un soporte caliente, las estructuras de soporte están térmicamente aisladas de los devanados SC enfriados. Con los soportes calientes, la mayoría de la carga mecánica de una bobina súper conductora (SC) es soportado 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 o se encuentra cerca de la temperatura criogénica fría de las bobinas SC. En los soportes fríos, la mayoría de la carga mecánica de una bobina SC es soportada por los miembros estructurales que están a o cerca de una temperatura criogénica. El sistema de soporte de bobina ilustrativo aquí descrito es un soporte frío en el que las barras de tensión y los alojamientos asociados que acoplan las barras de tensión a los devanados de bobina SC se mantienen en o cerca de una temperatura criogénica. Debido a que los miembros de soporte están, fríos, esos miembros son aislados térmicamente, por ejemplo, mediante los conductos sin contacto a través del núcleo de rotor, desde otros componentes "caliente" del rotor. Un miembro de soporte individual consta de una barra de tensión 42, (la cual puede ser una barra y un par de pernos en cada extremo de la barra), un alojamiento de canal 44, y una clavija 80 que conecta el alojamiento al extremo de la barra de tensión. El alojamiento de canal 44 es un soporte en forma de Ü que tiene patas que conectan a una barra de tensión y un canal para recibir el devanado de bobina 34. El alojamiento de canal en forma de U permite el ensamble preciso y conveniente del sistema de soporte de la bobina. Una serie de alojamientos de canal pueden estar colocados de extremo a extremo a lo largo de el lado del devanado de bobina. Los alojamientos de canal distribuyen colectivamente las fuerzas que actúan sobre la bobina, por ejemplo, fuerza centrífugas, sustancialmente sobre todas las secciones laterales 40 de cada bobina. Los alojamientos de canal 44 evitan que las secciones laterales 40 de las bobinas se flexionen de manera excesiva y se doblen debido a las fuerzas centrífugas. El soporte de bobina no restringe a las bobinas de su expansión térmica longitudinal y la contracción que ocurre durante la operación de arranque/paro normal de la turbina de gas. En particular, la expansión térmica se dirige principalmente a lo largo de la longitud de las secciones laterales. Por tanto, las secciones laterales de la bobina se deslizan ligeramente en forma longitudinal con respecto al alojamiento de canal y las barras de tensión. La transferencia de la carga centrífuga desde la estructura de bobina hacia una barra de soporte es a través del alojamiento de canal que ajusta alrededor de la superficie externa de bobina y las secciones rectas laterales y es unida mediante pasadores 80 a un extremo de diámetro más ancho de la barra de tensión. Los alojamientos de canal en forma de U están formados de un material de alta resistencia, ligero que es dúctil a temperaturas criogénicas. Los materiales típicos para el alojamiento de canal son aluminio, Inconel o aleaciones de titanio, las cuales no son magnéticas. La forma del alojamiento a manera de una U puede optimizarse para menor peso y resistencia. La clavija 80 se extiende a través de las aberturas en el alojamiento de canal y la barra de tensión. La clavija puede ser hueca para un menor peso. Las contratuercas (no mostradas) están enroscadas o unidas en los extremos del pasador para asegurar que el alojamiento en forma de U y evitar que los lados del alojamiento se dispersen bajo carga. La clavija puede estar hecha de aleaciones Inconel o de titanio de alta resistencia. Las barras de tensión están hechas con extremo de diámetro mayor 82 que son maquinadas con dos planos 86 en sus extremos para ajustar al alojamiento en forma de U y la anchura fría. Los extremos planos 86 de las barras de tensión empalman la superficie interior de las bobinas HTS, cuando la barra, la bobina y el alojamiento están ensamblados juntos. Este ensamble reduce la concentración de esfuerzo en el orificio de la barra de tensión que recibe la clavija. El sistema de soporte de bobina de las barras de tensión 42, los alojamientos de canal 44 y el sujetados dividido 58 pueden ensamblarse con los devanados de bobina HTS 34 como están montados ambos sobre el núcleo de rotor 22. Las barras de tensión, los alojamientos de canal y el sujetador proporcionan una estructura más bien rígida para soportar los devanados de bobina y soportar los devanados de bobina en su lugar con respecto al núcleo de rotor. Cada barra de tensión 42 se extiende a través del núcleo de rotor y puede extenderse ortogonalmente a través del eje 20 del rotor. Los conductos 46 a través del núcleo de rotor proporcionan un pasaje a través del cual se extienden las barras de tensión. El diámetro de los conductos es suficientemente grande para evitar que se tengan paredes de rotor calientes de los conductos que están en contacto con las barras de tensión frías. El impedimento de contacto mejora el aislamiento térmico entre las barras de tensión y el núcleo de rotor. El núcleo de rotor 22 está hecho típicamente de material magnético tal como hierro, en tanto que los ejes extremos del rotor están hechos típicamente de material no magnético tal como acero inoxidable. El núcleo de rotor y los ejes extremos son componentes comúnmente discretos que son ensamblados y asegurados juntos mediante sujeción con pernos o soldadura. El núcleo de rotor de hierro 22 tiene una forma generalmente cilindrica adecuada para rotación dentro de la cavidad de rotor 16 del estator 12. Para recibir el devanado de bobina, el núcleo de rotor tiene superficies rebajadas 48, tal como regiones o ranuras planas o triangulares. Las superficies 48 están formadas en la superficie curvada del núcleo cilindrico y se extiende longitudinalmente a través del núcleo de rotor. El devanado de bobina 34 está montado sobre el rotor adyacente a las áreas rebajadas 48. Las bobinas se extienden por lo general longitudinalmente a lo largo de una superficie externa del área rebajada y alrededor de los extremos del núcleo de rotor. Las superficies rebajadas 48 del núcleo de rotor reciben el devanado de bobina. La forma del área rebajada se apega al devanado de bobina. Por ejemplo, si el devanado de bobina tiene una forma de asiento u Otra forma, los recesos en el núcleo de rotor estarían configurados para recibir la forma del devanado. Las superficies rebajadas 48 reciben el devanado de bobina de manera que la superficie externa del devanado de bobina se extiende sustancialmente hasta una cubierta definida por la rotación del rotor. Las superficies curvadas externas 50 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 e rotor y, por lo tanto está separado del estator solamente por el espacio libre entre el rotor y el estator. Las secciones extremas 54 del devanado de bobina 34 son extremos opuestos adyacentes 56 del núcleo de rotor. Una abrazadera dividida 58 sostiene cada una de las secciones extremas de los devanados de bobina en el rotor. La abrazadera dividida en cada extremo de bobina 54 incluye un par de placas opuestas 60 entre las cuales está intercalado el devanado de bobina 34. la superficie de las placas de abrazadera incluye canales 116, 118 (figura 11) para recibir el devanado de bobina 34 y las conexiones 112, 114 para el devanado. La abrazadera dividida 58 puede formarse de un material no magnético, tal como aluminio o aleaciones Inconel. Los mismos o similares materiales no magnéticos pueden utilizarse para formar las barras de tensión, los alojamientos de bobina y otras porciones del sistema de soporte de bobina. El sistema de soporte de bobina es preferiblemente no magnético para conservar la ductilidad a temperaturas criogénicas, ya sean materiales ferromagnéticos que se vuelven frágiles a temperaturas por debajo de la temperatura de transición Curie y no pueden ser utilizados como estructuras portadoras de carga. La abrazadera dividida 58 está circundada, aunque no está en contacto con, un collarín 62. Existe un collarín 62 en cada extremo del núcleo de rotor 22, aunque solamente se muestra un collarín en la figura 3. El collarín es un disco grueso de material no magnético, tal como acero inoxidable, el mismo o un material similar, al que forma los ejes de rotor. De hecho, el collarín es parte del eje de rotor. El collarín tiene una ranura 64 ortogonal al eje de rotor y suficientemente ancha para recibir y dar espacio a la abrazadera dividida 58. Las paredes laterales calientes 66 del collarín de ranura están separadas mediante un espacio a partir de la abrazadera dividida fría de manera que no entran en contacto entre si. El collarín 62 puede incluir un área de disco rebajada 68 (la cual es bisectada por la ranura 64) para recibir una región de disco elevada 70 del núcleo de rotor (véase el lado opuesto del núcleo de rotor para el disco de región elevada que se va a insertar en le collarín opuesto). La inserción de la región de disco elevada sobre el extremo 56 del núcleo de rotor dentro del disco rebajado 68 proporciona soporte para el núcleo de rotor en el collarín, y ayuda a alinear el núcleo de rotor y los collarines. Además, el collarín puede tener una disposición circular de orificios de perno 72 que se extienden longitudinalmente a través del collarín y alrededor del borde del collarín. Esos orificios de perno corresponden a orificios de perno roscados de acoplamiento 74 que se extienden parcialmente a través del núcleo de rotor. Los pernos roscados 75 (ver figura 5) se extienden a través de esos orificios de perno longitudinales 72, 74 y aseguran los collarines al núcleo de rotor. La figura 4 es una vista en una primera vista en sección transversal del núcleo de rotor y el collarín. La figura 5 es una segunda vista en sección transversal del rotor y el collarín que es ortogonal a la primera vista. Los conductos eléctricos y de fluido de enfriamiento son protegidos mediante un tubo de pared delgada 76 que se extiende a lo largo del eje de rotor desde una de las secciones de extremo de bobina 54 y a través de un. collarín 62. Los conductos de enfriamiento en el tubo 76 conectan a los puertos de entrada y salida 112 del pasaje de enfriamiento 38 del devanado de bobina al acoplamiento de transferencia criogénico 26. Un acoplamiento eléctrico 114 para la bobina está provisto en la misma sección extrema en la bobina que el acoplamiento de enfriamiento 26. Las secciones laterales 40 del devanado de bobina en forma de pista 34 son soportados por la serie de barras de tensión 42 que se extienden a través de los conductos 46 en el núcleo de rotor. Las barra 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 formarse de aleaciones no magnéticas de alta resistencia, tal como Inconel X718. las barras de tensión tienen en cada extremo un acoplamiento con un alojamiento del canal 44 que se envuelve alrededor y sostiene el lado 40 del devanado de bobina. Los alojamientos de canal 44 y las barras de tensión 42 pueden proporcionar un ajuste para la tensión aplicada a las secciones laterales de los devanados de bobina. Por ejemplo, las barras de tensión pueden formarse de una barra de tensión que se extiende a través del núcleo de rotor y tiene en cada extremo una abertura roscada para recibir un perno de tensión. Los pernos de tensión pueden tener cada uno un acara plana 86 que empalma el devanado de bobina. El devanado de bobina 34 es soportado por las barras de tensión 42 (solamente una de las cuales se muestra en la figura 4) que se extiende en secciones laterales opuestas 40 de la bobina. El alojamiento de canal 44 está conectado mediante una clavija 80 al extremo de la barra de tensión. Para fines ilustrativos, el lado izquierdo de la figura 6 muestra la barra de tensión sin un alojamiento de canal. De manera similar, el lado superior de la figura 4 muestra la barra de tensión 46 sin un alojamiento de canal; considerando que el lado inferior muestra un alojamiento de canal unido a la barra de tensión. Las barras de tensión 42 se extienden a través de los conductos 46 en el núcleo de rotor 22. esos conductos han incrementado los diámetros en sus extremos respectivos 88. esos extremos extendidos 88 reciben el tubo aislante 52 que se forma como un manguito de la barra de tensión. Los tubos aislantes protegen térmicamente las barras de tensión 42 del núcleo del rotor caliente 22. Como se muestra en la figura 5, los conductos 46 se extienden perpendicularmente a través del eje de rotor y están simétricamente colocados a lo largo de la longitud del núcleo. El número de los conductos 46 y su disposición sobre el núcleo de rotor y con respecto unos a otros es un asunto de elección de diseño. El núcleo de rotor puede estar encerrado en un protector cilindrico metálico 90 que protege el devanado de bobina súper conductora 34 de las corrientes parásitas y otras corrientes eléctricas que circundan al rotor y proporcionan la envoltura de vacío como se requiere para mantener un vacío fuerte alrededor de los componentes criogénicos del rotor. El protector cilindrico 90 puede estar formado de un material altamente conductor, tal como aleación de cobre o aluminio. El devanado de bobina SC 34 se mantiene en un vacío. El vacío puede estar formado por la protección 90 la cual puede incluir una capa cilindrica de acero inoxidable que forme un recipiente de vacío alrededor de la bobina y el núcleo de rotor. La figura 7 es un diagrama en sección transversal tomado perpendicular al eje rotor y que muestra una porción alargada del núcleo de rotor 22, la barra de tensión 42, el devanado de bobina 34 y las estructuras asociadas. El extremo plano 86 de la barra de tensión empalma una superficie interna del devanado de núcleo 34. El extremo opuesto de la barra de tensión (no mostrado en la figura 7) empalma en una superficie interna similar del lado opuesto del devanado de bobina. Por tanto, la barra de tensión se extiende entre el devanado de bobina y proporciona una superficie fija 86 que soporta el devanado de bobina. Cada barra de tensión 42, aunque es cilindrica comúnmente a lo largo de su longitud, tiene extremos planos 86, lo cual permite la unión estrecha al devanado de bobina y el alojamiento de canal en forma de U 44. Cada barra de tensión está conectada a un alojamiento de canal 44 mediante una clavija 80, la cual evita que el alojamiento se deslice radialmente hacia fuera de la barra de tensión. El alojamiento de canal evita que la fuerza centrífuga doble o envuelva la bobina en tanto que el rotor está girando. La contratuercas (no mostradas) están roscadas en los extremos de la clavija 80 para asegurar el alojamiento 44 las extremidades laterales 106 de que se dispersen bajo carga. La clavija puede estar hecha a partir de aleaciones Inconel o de titanio de alta resistencia. Cada barra de tensión 42 ajusta dentro de un conducto sin contacto 46, de manera que la barra de tensión no hace contacto de manera no intencional con el núcleo de rotor. En el extremo de cada barra de tensión, puede haber un tubo aislante 52 que sujeta la estructura de soporte de bobina hacia el rotor caliente y reduce la conducción de transferencia térmica entre ellos. De manera adicional, puede haber una contratuerca 84 roscada sobre la barra de tensión 42 que conecta al tubo aislante 52, y es utilizada para asegurar y ajusfar la posición de la barra 42 dentro del conducto 46. La contratuerca 84 y el tubo 52 aseguran que la barra de tensión y el alojamiento de canal al núcleo de rotor en tanto que reducen al mínimo la transferencia de calor desde el rotor caliente hacia la estructura de alojamiento. El tubo aislante está formado de un material aislante térmico. Un extremo del tubo puede incluir un anillo externo 120 que empalma la pared del conducto 88. El otro extremo del tubo incluye un anillo interno 122 que acopla la contratuerca 84 que sostiene la barra de tensión. El calor del rotor tendría conducirse a través de la longitud del tubo aislante 52 y la contratuerca 84 antes de alcanzar la barra de tensión. Por tanto, el tubo aislante aisla térmicamente la barra de tensión del núcleo rotor. El devanado de bobina también está soportado por el alojamiento de canal 44 (ver figura 8). El alojamiento de canal soporta el devanado de bobina contra las fuerzas centrífugas (flecha 100 en la figura 7) y las fuerzas de torsión tangenciales (flecha 102). El alojamiento de canal puede estar formado de materiales metálicos no magnéticos, tales como aluminio, aleaciones de Inconel, y titanio. El alojamiento de canal se mantiene en su lugar sobre la barra de tensión mediante la clavija 80 que se extiende a través de una abertura 104 en el extremo de la barra de tensión. Las patas 106 del alojamiento de canal pueden ser gruesas y tener costillas a fin de proporcionar soporte estructural alrededor délas aberturas 108 que reciben la clavija. Las fuerzas centrífugas surgen debido a la rotación del rotor. Las fuerzas tangenciales pueden surgir a partir de la aceleración y desaceleración del rotor, así como la transmisión del par de torsión. Debido a que los lados 40 del devanado de bobina están encerrados por los alojamientos de canal 44 en los extremos 86 de las barras de tensión, los lados del devanado de bobina está completamente soportados dentro del rotor. Se proporciona un soporte de apoyo 124 para ayudar a las barras de tensión y al alojamiento de canal a resistir las fuerzas radiales grandes que pueden resultar cuando ocurre una condición de falla de rejilla. El soporté radial puede ser una casilla rectangular que ajusta alrededor de los lados 40 del devanado de bobina y se extiende sobre el sujetador dividido 58. El soporte de apoyo incluye un par de paredes laterales que están sujetadas con clavijas dentro de una ranura en la superficie rebajada. Las paredes laterales se extienden desde la superficie del núcleo del rotor 48 hacia el protector 90 y proporcionan resistencia estructural al protector. Las figuras 9 a 11 muestran esquemáticamente el proceso de ensamble para la estructura de soporte de bobina y el devanado de bobina en el rotor. Como se muestra en la figura 9, antes de que se ensamble el núcleo de rotor con collarines y otros componentes del rotor, las barras de tensión 42 son insertadas dentro de cada uno de los conductos 46 que se extienden a través del núcleo de rotor. El tubo aislante 52 en cada extremo de cada barra de tensión se coloca en el extremo expandido 88 en cada extremo de los conductos 46. El tubo 52 es trabado en su lugar mediante una contratuerca de retención 84. Cuando las barras de tensión son ensambladas en el núcleo de rotor 22 de los devanados de bobina están listos para ser insertados sobre el núcleo. Como se muestra en la figura 10, la bobina SC 36 está insertada dentro del núcleo de rotor de manera que los extremos planos 86 de las barras de tensión 42 empalman la superficie interna de las secciones laterales 40 de la bobina SC. Una vez que el devanado ha sido insertado sobre los extremos de la barra de tensión, los alojamientos de canal 44 son insertados sobre la bobina SC. Los alojamientos de canal están asegurados a los extremos de las barras de tensión mediante la inserción de clavijas 80 a través de las aberturas en la barra de tensión y el alojamiento de canal 104, 108, respectivamente. El alojamiento de canal 44 incluye una ranura 110 a lo largo de su superficie interna superior la cual recibe el conducto de enfriamiento 38 y sostiene ese conducto contra la bobina 36. La pluralidad de alojamientos de canal sostienen de manera efectiva la bobina en su lugar sin afectación de las fuerzas centrifugas. Aunque los alojamientos de canal se muestran teniendo una proximidad estrecha uno con otro, los alojamientos necesitan solamente estar tan cerca como sea necesario para evitar la degradación de la bobina ocasionada por la alta flexión y los esfuerzos por tensión durante la carga centrífuga, la transmisión de par de torsión y las condiciones de falla transitorias. Los alojamientos de canal y las barras de tensión pueden ser ensamblados con el devanado de bobina antes de que el núcleo de rotor y las bobinas se ensamblen con el collarín y otros componentes del rotor. En consecuencia, el núcleo de rotor, el devanado de bobina y el sistema de soporte de bobina pueden ser ensamblados como una unidad antes del ensamble de los otros componentes del rotor y de la máquina síncrona. La figura 11 muestra el ensamble del sujetador dividido 58 que está formado por placas sujetadoras 60. Las placas sujetadores 60 intercaladas entre ellos y las secciones extremas 64 del devanado de bobina. El sujetador dividido proporciona soporte estructural para los extremos del devanado de bobina 34. Las placas 60 del sujetador dividido incluyen sobre sus superficies internas canales 116 que reciben el devanado de bobina. De manera similar, las placas incluyen canales 118 para las líneas de entrada/salida 112 para los gases y para las conexiones de corriente de entrada y salida 114 hacia la bobina. Una vez que los soportes de bobina, la bobina, el collarín y el núcleo de rotor están ensamblados, está unidad está lista para ser ensamblada en el rotor y la máquina síncrona. En tanto que se ha descrito la invención en relación con los 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, está destinada a cubrir todas las modalidades dentro del espíritu de las reivindicaciones anexas.

Claims (27)

REIVINDICACIONES

1. En una máquina síncrona, un rotor que comprende: un núcleo de rotor; un devanado de bobina súper conductor que se extiende alrededor de por lo menos una porción de núcleo de rotor, el devanado de bobina que tiene un par de secciones laterales sobre lados opuestos del núcleo de rotor; por lo menos una barra de tensión que se extiende entre el par de secciones laterales del devanado de bobina y a través de dicho rotor; un alojamiento de bobina en cada uno de los extremos opuestos de la barra de tensión, en donde el alojamiento se envuelve alrededor del devanado de bobina y está unido a la barra de tensión.

2. En un rotor de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el alojamiento de bobina es un canal en forma de U.

3. En un rotor de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el núcleo de rotor es un vacío interno.

4. En un rotor de conformidad con la reivindicación 1, que comprende además un acoplamiento criogénico que proporciona fluido de enfriamiento de devanado de bobina, en donde el alojamiento y lá barra de tensión son enfriados por la conducción desde el devanado de bobina.

5. En un rotor de conformidad con lá reivindicación 1, que comprende además una clavija que acopla el alojamiento a la barra de tensión.

6. En un rotor de conformidad con la reivindicación 1, que comprende además un pasador hueco que acopla el alojamiento a la barra de tensión.

7. En un rotor de conformidad con la reivindicación 1, que comprende además una clavija que acopla al alojamiento a la barra de tensión, en donde el pasador se extiende a través de una abertura en un extremo de la barra de tensión y a través de aberturas en las pestañas laterales del alojamiento de bobina.

8. En un rotor de conformidad con la reivindicación 1, que comprende además un pasador que acopla el alojamiento a la barra de tensión, en donde el pasador se extiende a través de una abertura en un extremo de la barra de tensión y a través del alojamiento de bobina, y una tuerca que asegura el pasador al alojamiento.

9. En un rotor de conformidad con la reivindicación 1, que comprende además un pasador hueco formado de un material de alta resistencia seleccionado a partir del grupo de metales que constan de aleaciones Inconel y titanio.

10. En un rotor de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque el alojamiento está formado de un material metálico seleccionado a partir de un grupo que consta de aluminio, aleaciones Inconel y de titanio.

11. En un rotor de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque la barra de tensión está formada de una aleación metálica de alta resistencia o no metálica.

12. En un rotor de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque la barra de tensión está formada de una aleación metálica Inconel.

13. En un rotor de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque la barra de tensión se extiende a través de un eje longitudinal del rotor.

14. En un rotor de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque la barra de tensión se extiende a través de conductos en dicho núcleo de rotor.

15. En un rotor de conformidad con la reivindicación 14, caracterizado porque la barra de tensión está separada de las paredes de rotor de los conductos.

16. Un método para soportar un devanado de bobina súper conductor sobre un núcleo de. rotor de una máquina síncrona que comprende las etapas de: extender una barra de tensión a través de un conducto en dicho núcleo de rotor; insertar un alojamiento sobre una porción de la bobina; unir un extremo de la barra de tensión al alojamiento.

17. Un método de conformidad con la reivindicación 16, que comprende además insertar un segundo alojamiento sobre una segunda porción de la bobina y unir el segundo alojamiento al segundo extremo de la barra de tensión.

18. Un método de conformidad con la reivindicación 16, que comprende además insertar un segundo alojamiento sobre una segunda porción de la bobina uniendo un segundo alojamiento a un segundo extremo de la barra de tensión, en donde la barra de tensión se extiende a través de un eje de rotación del núcleo de rotor, y la primera porción y la segunda porción de la bobina están en lados opuestos del rotor.

19. Un método de conformidad con la reivindicación 16, que comprende además unir el extremo de la barra de tensión al alojamiento insertando una clavija a través de las aberturas en el extremo de la barra de tensión y el alojamiento.

20. Un método de conformidad con la reivindicación 16, que comprende además enfriar en forma criogénica la bobina, y enfriar el alojamiento y la barra de tensión mediante transferencia térmica entre la bobina y el alojamiento y la barra de tensión.

21. Un rotor para una máquina síncrona que comprende: un núcleo de rotor que tiene un conducto ortogonal a un eje longitudinal del rotor; devanado de bobina súper conductora de pista (SC) en una forma de pista plana paralela al eje longitudinal del rotor; una barra de tensión dentro del conducto del núcleo; y un alojamiento que acopla el devanado de bobina a la barra de tensión.

22. Un rotor de conformidad con la reivindicación 21, que comprende además sujetadores en extremos opuestos de la bobina.

23. Un rotor de conformidad con la reivindicación 21, que comprende además una pluralidad de conductos ortogonales al eje longitudinal del núcleo de rotor y en un plano definido por la bobina SC.

24. Un rotor de conformidad con la reivindicación 21, caracterizado porque la barra de tensión tiene un extremo plano que empalma la bobina.

25. Un rotor de conformidad con la reivindicación 21, que comprende además una clavija para asegurar el alojamiento a la barra de tensión.

26. Un rotor de conformidad con la reivindicación 25, caracterizado porque la clavija es hueca.

27. Un rotor de conformidad con la reivindicación 21, que comprende además un manguito de tubo aislante entre el núcleo de rotor y la barra de tensión.