MXPA02007369A - Aisladores soportadores de devanado superconductor, de alta temperatura, para rotor sincronico; y metodo para ensamblar los aisladores. - Google Patents

Abstract

Se describe un rotor que tiene un enrollamiento de devanado superconductor, que tiene un nucleo que tiene por lo menos un conducto que se extiende a traves del nucleo; por lo menos una varilla de tension que se extiende entre el par de secciones laterales del enrollamiento de devanado, y a traves del al menos un conducto del rotor; y un aislador en el conducto, que separa termicamente la varilla de tension del rotor.

Description

AISLADORES SOPORTADORES DE DEVANADO SUPERCONDUCTOR, DE ALTA TEMPERATURA. PARA ROTOR SINCRÓNICO: Y MÉTODO PARA ENSAMBLAR LOS AISLADORES SOLICITUDES RELACIONADAS Esta solicitud está relacionada con la patente estadounidense No. (solicitud de patente estadounidense No. de serie 09/855,026), presentada el 15 de mayo de 2001, e incorporada en su totalidad aquí por medio de esta referencia.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN La presente invención se refiere en general a un devanado superconductor en una máquina giratoria sincrónica. Más particularmente, la presente invención se refiere a una estructura soportadora para devanados de campo superconductor en el rotor de una máquina sincrónica. Las máquinas eléctricas sincrónicas que tienen enrollamientos de devanado de campo incluyen, pero sin limitación a ellos, generadores giratorios, motores giratorios y motores lineales. Estas máquinas comprenden en general un estator y un rotor, que están acoplados electromagnéticamente. El rotor puede incluir un núcleo de rotor de polos múltiples, y uno o más enrollamientos de devanado, montados sobre el núcleo del rotor. Los núcleos de rotor pueden incluir un material sólido, magnéticamente permeable, tal como un rotor con núcleo de hierro. Se usa comúnmente devanados de cobre convencionales en los rotores de las máquinas eléctricas sincrónicas. Sin embargo, la resistencia eléctrica de los devanados de cobre (si bien baja según las medidas convencionales) es suficiente para contribuir al calentamiento sustancial del rotor, y a disminuir la eficiencia de potencia de la máquina. Recientemente se ha desarrollado enrollamientos de devanado superconductor (SC) para los rotores. Los devanados SC tienen efectivamente nada de resistencia, y son enrollamientos de devanado de rotor sumamente ventajosos. Los rotores con núcleo de hierro se saturan a una fuerza de campo magnético en el entrehierro de alrededor de 2 Tesla. Los rotores superconductores conocidos emplean diseños de entrehierro, sin hierro en el rotor, para obtener campos magnéticos de entrehierro de 3 Tesla o más. Estos campos magnéticos fuertes de entrehierro producen densidades de potencia incrementadas en la máquina eléctrica, y dan por resultado una reducción importante en el peso y el tamaño de la máquina. Los rotores superconductores de entrehierro requieren de cantidades grandes de alambre superconductor. Las cantidades grandes de alambre SC incrementan el número de espiras necesarias, la complejidad de los soportes de devanado y el costo de los enrollamientos de devanado SC y del rotor.

Se forma los devanados de campo del devanado SC de alta temperatura, de materiales superconductores que son frágiles y que deben ser enfriados a una temperatura igual a inferior a una temperatura crítica, por ejemplo, 27°K, para obtener y mantener la superconductividad. Se puede formar los devanados SC de un material superconductor de alta temperatura, tal como un conductor a base de BSCCO (BixSrxCaxCuxOx). Los devanados superconductores han sido enfriados con helio líquido. Después de pasar a través de los devanados del rotor, el helio caliente, usado, es regresado como helio gaseoso a la temperatura ambiente. El uso de helio líquido para enfriamiento criogénico requiere de una relicuefacción continua del helio gaseoso regresado, que se encuentra a la temperatura ambiente; y dicha relicuefacción impone problemas de confíabilidad importantes, y exige potencia auxiliar significativa. Las técnicas anteriores de enfriamiento de los devanados SC incluyen enfriar un devanado SC impregnado con epoxi, a través de una trayectoria de conducción sólida, desde un enfriador criogénico. Alternativamente, los tubos de enfriamiento en el rotor pueden transportar un criógeno líquido y/o gaseoso a un enrollamiento de devanado SC poroso, que está sumergido en el flujo del criógeno líquido y/o gaseoso. Sin embargo, el enfriamiento por inmersión requiere que toda la estructura de devanado de campo y rotor se encuentre a una temperatura criogénica. Como resultado no puede usarse hierro en el circuito magnético del rotor, debido a la naturaleza frágil del hierro a las temperaturas criogénicas. Lo que se necesita es un ensamble de devanado de campo superconductor para una máquina eléctrica, que no tenga las desventajas de los ensambles de devanado de campo superconductor de entrehierro y enfriados con hielo, por ejemplo, de los rotores superconductores conocidos. Adicionalmente los devanados superconductores de alta temperatura (HTS) son sensibles a la degradación por los esfuerzos elevados de flexión y tracción. Estos devanados deben soportar fuerzas centrífugas sustanciales que esfuerzan y tensan los enrollamientos de devanado. La operación normal de las máquinas eléctricas implica miles de ciclos de arranque y detención, durante el curso de varios años, lo que da por resultado para el rotor cargas de fatiga de bajo ciclo. Todavía más: el devanado de un rotor HTS debe ser capaz de resistir el funcionamiento a un exceso de velocidad de 25 por ciento durante los procedimientos de equilibrio del rotor, a la temperatura ambiente, y a pesar de ello, condiciones de exceso de velocidad ocasionales, a temperaturas criogénicas, durante el funcionamiento de generación de energía. Estas condiciones de exceso de velocidad aumentan sustancialmente la carga de fuerza centrífuga sobre los devanados, con respecto a las condiciones de funcionamiento normales. Las devanados SC usados como devanado de campo de un rotor HTS en una máquina eléctrica, están sometidos a tensiones y esfuerzos durante el funcionamiento enfriado y el normal. Son sometidas a cargas centrífugas, transmisión de par de torsión y a condiciones de falla transitoria. Para resistir las fuerzas, las tensiones, los esfuerzos y las cargas cíclicas, los devanados SC deben estar soportados apropiadamente en el rotor por medio de un sistema soportador de devanado. Esos sistemas soportadores sostienen el/los devanado(s) SC en el rotor HTS y aseguran los devanados contra las tremendas fuerzas centrífugas debidas a la rotación del rotor. Además, el sistema soportador de devanado protege los devanados SC y asegura que los devanados no se agrieten, fatiguen ni rompan de otra manera, en forma prematura. Desarrollar sistemas soportadores para las devanados HTS ha sido un desafío difícil de resolver al adaptar devanados SC a rotores HTS. Los ejemplos de sistemas de soporte de devanado para rotores HTS, que han sido propuestas previamente, están descritos en las patentes estadounidenses No. 5,548,168; 5,532,663; 5,672,921; 5,777,420; 6,169,353 y 6,066,906. Sin embargo, estos sistemas soportadores de devanado sufren de varios problemas, tales como el ser caros, complejos y requerir de un número excesivo de componentes. Hay necesidad desde hace mucho de un rotor HTS que tenga un sistema soportador de devanado para un devanado SC. Hay necesidad, desde hace mucho, de un rotor HTS que tenga un sistema soportador de devanado para un devanado SC. También existe necesidad de un sistema soportador de devanado, hecho de componentes de bajo costo y fáciles de fabricar.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN Se describe una estructura soportadora de devanado que tiene varillas de tensión y alojamientos en forma de canal en U, para montar devanados SC dentro del espacio de vacío de un rotor HTS. Las varillas de tensión se extienden opuestas a los lados de un devanado. Están fijados alojamientos en forma de canal a ambos extremos de la varilla de tensión y se enrollan alrededor de una porción lateral del devanado. El devanado está soportado por las varillas de tensión y los alojamientos en forma de canal, con respecto a la fuerza centrífuga y otras fuerzas que actúan sobre el devanado. El rotor HTS puede ser para una máquina sincrónica, diseñada originalmente para incluir devanados SC. Alternativamente, el rotor HTS puede reemplazar un rotor con devanados de cobre en una máquina eléctrica existente, tal como en un generador convencional. El rotor y sus devanados SC están descritos aquí en el contexto de un generador; pero el rotor con devanados HTS también es adecuado para uso en otras máquinas sincrónicas. El sistema de soporte de devanado es útil para integrar el sistema de soporte de devanados, con la bobina y el rotor. Adicionalmente, el sistema soportador de devanados facilita el ensamble previo sencillo del sistema soportador de devanados, la bobina y el núcleo de rotor, en el ensamble de rotor final. El ensamble previo reduce el tiempo de ensamble de la bobina y el rotor y mejora la calidad del soporte de devanados y reduce las variaciones en el ensamble del devanado. Una modalidad de la presente invención consiste en una máquina sincrónica, un rotor que comprende: un núcleo de rotor que tiene por lo menos un conducto que se extiende a través del núcleo; un enrollamiento de devanado superconductor, que se extiende alrededor de por lo menos una porción del núcleo del rotor; teniendo el enrollamiento del devanado un par de secciones laterales en lados opuestos del núcleo de rotor; por lo menos una varilla de tensión que se extiende entre el par de secciones laterales del enrollamiento del devanado y a través de dicho al menos un conducto del rotor; y un aislador en el conducto, que separa térmicamente la varilla de tensión, del rotor. Otra modalidad adicional de la invención consiste en un método para soportar un enrollamiento de devanado superconductor, en un núcleo de rotor de una máquina sincrónica, que comprende los pasos de: extender una varilla de tensión a través de un conducto formado en el núcleo del rotor; soportar la varilla de tensión en el conducto por medio de un primer tubo aislador; insertar un alojamiento sobre una porción del devanado; fijar un extremo de la varilla de tensión al alojamiento.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS Los dibujos anexos, conjuntamente con el texto de esta memoria descriptiva, describen una modalidad de la presente invención. La figura 1 es una vista en alzado lateral, esquemática, de una máquina eléctrica sincrónica, que tiene un rotor superconductor y un estator. La figura 2 es una vista en perspectiva de un enrollamiento de devanado superconductor en forma de pista de carreras, ejemplar. La figura 3 es una vista despiezada de los componentes de un rotor superconductor de alta temperatura (HTS) Las figuras 4 a 6 son vistas en sección, esquemáticas, del rotor HTS mostrado en la figura 3. La figura 7 es una vista en sección ampliada de una porción de una estructura de soporte de devanado para el rotor HTS mostrado en la figura 3. La figura 8 es una vista en perspectiva de un alojamiento en forma de canal. Las figuras 9 a 11 son vistas en perspectiva que muestran el proceso de ensamble para el rotor HTS mostrado en la figura 3.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN La figura 1 muestra una máquina 10 generadora sincrónica, que tiene un estator 12 y un rotor 14. El rotor incluye devanados de campo, formados por enrollamientos, que ajustan dentro de la cavidad 16 de vacío para el rotor, cilindrica, del estator. El rotor ajusta dentro de la cavidad de vacío para rotor del estator. Cuando el rotor gira dentro del estator, un campo magnético 18 (ilustrado por las líneas interrumpidas), generado por el rotor y los devanados de rotor, se mueve/gira a través del estator y crea una corriente eléctrica en los enrollamientos de los devanados 19 de estator. Esta corriente es sacada del generador como energía eléctrica. El rotor 14 tiene un eje 20 que se extiende generalmente en sentido longitudinal, y un núcleo 22 de rotor, generalmente sólido. El núcleo sólido 22 tiene permeabilidad magnética elevada y usualmente está hecho de un material ferromagnético, tal como hierro. En una máquina superconductora de baja densidad de potencia, el núcleo de hierro del rotor es usado para reducir la fuerza magnetomotriz (FMM) y, de tal manera, reducir al mínimo la cantidad de alambre de devanado superconductor (SC) necesaria para el enrollamiento del devanado. Por ejemplo, el núcleo sólido de un rotor de hierro puede saturarse magnéticamente a una fuerza de campo magnético en el entrehierro de alrededor de 2 Tesla. El rotor 14 soporta por lo menos un enrollamiento 34 de devanado superconductor (HTS) de alta temperatura, que se extiende longitudinalmente, en forma de pista de carreras (véase la figura 2). El enrollamiento del devanado HTS puede tener alternativamente forma de silla de montar o puede tener otras formas que sean adecuadas para un diseño de rotor HTS particular. Se describe aquí un sistema de soporte de devanado para un enrollamiento de devanado SC en forma de pista de carreras. El sistema de soporte de devanado puede ser adaptado para otras configuraciones de devanado diferentes del devanado en forma de pista de carreras, montado sobre un núcleo sólido de rotor. El rotor incluye una flecha colectora 24 y una flecha extrema de impulso 30, que sirve de ménsula al núcleo 22 del rotor y que están soportadas por cojinetes 25. Las flechas extremas pueden estar acopladas a dispositivos externos. Por ejemplo, la flecha colectora extrema 24 tiene un acoplamiento 26 de transferencia criogénica, hasta una fuente de fluido de enfriamiento criogénico, usada para enfriar los enrollamientos del devanado SC del rotor. El acoplamiento 26 de transferencia criogénica incluye un segmento estacionario, acoplado a una fuente de fluido de enfriamiento criogénico y un segmento giratorio que provee el fluido de enfriamiento al devanado HTS. La flecha extrema colectora 24 también incluye un colector 78 para conectarse eléctricamente con el enrollamiento del devanado SC giratorio. La flecha 30 extrema de impulso del rotor puede ser impulsada por un acoplamiento 32 de turbina de potencia. La figura 2 muestra un enrollamiento 34 de devanado de campo HTS ejemplar, en forma de pista de carreras. Los enrollamientos 34 del devanado de campo SC del rotor incluyen un devanado 36 superconductor (SC) de alta temperatura. Cada devanado SC incluye un superconductor de alta temperatura, tal como alambres conductores BSCCO (BixSrxCaxCuxOx), laminados en una estructura mixta de enrollamiento, impregnada con epoxi. Por ejemplo, se puede laminar una serie de alambres BSCCO 2223, se los puede unir entre sí y enrollarlos a un devanado sólido, impregnado con epoxi. El alambre SC es frágil y fácil de ser dañado. El devanado SC típicamente es una cinta SC enrollada en capas, que está impregnada con epoxi. Se enrolla la cinta SC en forma de un devanado de precisión, para alcanzara altas tolerancias dimensionales. Se enrolla la cinta en forma helicoidal para formar el devanado 36 SC en forma de pista de carreras. Las dimensiones del devanado en forma de pista de carreras depende de las dimensiones del núcleo del rotor. En general, cada devanado SC en forma de pista de carreras circunda los polos magnéticos del núcleo del rotor, y es paralelo al eje del rotor. Los enrollamientos de devanado son continuos alrededor de la pista de carreras. Los devanados SC forman una trayectoria libre de resistencia para la corriente eléctrica, alrededor del núcleo del rotor y entre los polos magnéticos del núcleo. El devanado tiene contactos eléctricos 114 que conectan eléctricamente el devanado con el colector 78. Están incluidos pasajes 38 para fluido, para el fluido de enfriamiento criogénico, en el enrollamiento 34 del devanado. Esos pasajes pueden extenderse alrededor del borde exterior del devanado SC 36. Los pasajes proveen fluido de enfriamiento criogénico al devanado y sacan el calor del devanado. El fluido de enfriamiento mantiene las temperaturas bajas, por ejemplo, 27°K, en el enrollamiento del devanado SC, necesarias para promover las condiciones superconductoras, incluyendo la ausencia de resistencia eléctrica en el devanado. Los pasajes de enfriamiento tienen portillos 112 para entrada y salida de fluido en un extremo del núcleo del rotor. Estos portillos 112 para fluido (gas) conectan los pasajes 38 de enfriamiento, en el devanado SC, con el acoplamiento 26 de transferencia de criógeno. Cada enrollamiento 34 de devanado HTS en forma de pista de carreras tiene un par de porciones laterales 40, generalmente rectas, paralelas a un eje 20 del rotor, y un par de porciones extremas 54, que son perpendiculares al eje del rotor. Las porciones laterales del devanado están sometidas a las máximas tensiones centrífugas. Consecuentemente, las porciones laterales están soportadas por un sistema de soporte de devanado, que contrarrestan las fuerzas centrífugas que actúan sobre el devanado. * La figura 3 muestra una vista despiezada de un núcleo 22 de rotor y un sistema de soporte de devanado, para un devanado superconductor de alta temperatura. El sistema soportador incluye varillas de tensión 42, conectadas a alojamientos en forma de canal en U. Los alojamientos sostienen y soportan las porciones laterales 40 del enrollamiento 38 del devanado, en el rotor. Si bien están mostrados una varilla de tensión y un alojamiento de canal en la figura 3, el sistema soportador de devanado generalmente incluirá una serie de varillas de tensión, cada una de las cuales tiene alojamientos para el soporte de devanado, en ambos extremos de la varilla. Las varillas de tensión y los alojamientos en forma de canal previenen el daño al enrollamiento del devanado durante el funcionamiento del rotor; soportan el enrollamiento del devanado con respecto a la fuerza centrífuga y otras fuerzas, y proveen un blindaje protector para el enrollamiento del devanado. La principal carga sobre el enrollamiento 34 del devanado HTS, en un rotor con núcleo de hierro, proviene de la aceleración centrífuga durante la rotación del rotor. Es necesario un soporte estructural de devanado, efectivo, para contrarrestar las fuerzas centrífugas. Es necesario el soporte de devanado especialmente a lo largo de las secciones laterales 40 del devanado, que son las que experimentan la mayor aceleración centrífuga. Para soportar las secciones laterales del devanado, las varillas de tensión 42 se extienden entre las secciones del devanado y se fijan a los alojamientos 44 de canal, que agarran secciones laterales opuestas 'del devanado. Las varillas de tensión se extienden a través de los conductos 46, que pueden ser, por ejemplo, aberturas, en el núcleo del rotor, de modo que las varillas puedan tenderse entre secciones laterales del mismo devanado o entre devanados adyacentes. Los conductos 46 son pasajes generalmente cilindricos en el núcleo de rotor, que tienen un eje recto. El diámetro de los conductos es sustancialmente constante, excepto en sus extremo cercanos a las superficies deprimidas del rotor. En sus extremos, los conductos pueden expandirse a un diámetro mayor para acomodar un manguito cilindrico no conductor (tubo aislador) 62, que provee una superficie de apoyo deslizable y aislamiento térmico entre el núcleo de rotor y la varilla de tensión. Los ejes de los conductos 46 están generalmente en un plano definido por el devanado en forma de pista de carreras. Adicionalmente, los ejes de los conductos son perpendiculares a las secciones laterales del devanado al que están conectadas las varillas de tensión, y que se extiende a través de los conductos. Además, los conductos son ortogonales con respecto a, e intersecan el eje del rotor en la modalidad mostrada aquí. El número de conductos y la ubicación de los conductos dependerá de la ubicación de los devanados HTS y del número de alojamientos para devanados (véase la figura 10) necesarios para soportar las secciones laterales de los devanados. Las varillas de tensión soportan especialmente bien el devanado con respecto a las fuerzas centrífugas, cuando las varillas s*é extienden sustancialmente en sentido radial entre los lados del enrollamiento del devanado. Cada varilla de tensión es una flecha con continuidad a lo largo de la dirección longitudinal de la varilla y en el plano del devanado en forma de pista de carreras. La continuidad longitudinal de las varillas de tensión provee rigidez lateral a los devanados, lo que aporta beneficios dinámicos para el rotor. Además, la rigidez lateral permite integrar el soporte de devanado con los devanados, de modo que el devanado puede ser ensamblado con el soporte de devanado antes del ensamble final del rotor. El ensamble previo del devanado y el soporte para devanado reduce el ciclo de producción, mejora la calidad del soporte para devanado y reduce las variaciones en el ensamble del devanado. El devanado en forma de pista de carreras está soportado por un grupo de miembros de tensión que cubren los lados largos del devanado. La varilla de tensión y los miembros soportadores de devanado son ensamblados previamente con el devanado. El enrollamiento del devanado HTS y los componentes del soporte estructural se encuentran a temperatura criogénica. En contraste, el núcleo de rotor se encuentra a la temperatura ambiente "caliente". Los soportes de devanado son fuentes potenciales de conducción térmica, que permitirían que el calor llegara a los devanados HTS del núcleo del rotor. El rotor se calienta durante el funcionamiento. Como los devanados van a ser mantenidos en condiciones súper-enfriadas, se debe evitar la conducción de calor hacia los devanados. Las varillas se extienden a través de aberturas, por ejemplo, conductos, en el rotor; pero no están en contacto con el rotor. Esta falta de contacto evita la conducción de calor desde el rotor a las varillas de tensión y los devanados. Para reducir la fuga de calor desde el devanado, se reduce al mínimo el soporte de devanado para reducir la conducción térmica a través del soporte desde las fuentes de calor, tales como el núcleo del rotor. Generalmente hay dos categorías de soporte para el enrollamiento superconductor: (8) soportes "tibios" y (¡i) soportes "fríos". En un soporte tibio, las estructuras soportadoras están térmicamente aisladas de los enrollamientos SC enfriados. Con los soportes tibios, la mayor parte de la carga mecánica de un devanado superconductor (SC) está soportada por miembros estructurales que se extienden desde los miembros fríos a los miembros tibios. En un sistema de soporte frío, el sistema de soporte se encuentra a la temperatura criogénica fría de los devanados SC, o cerca de esa temperatura. En los soportes fríos, la mayor parte de la carga mecánica de un devanado SC está soportada por miembros estructurales que se encuentran a una temperatura criogénica o cerca de ella. El sistema de soporte de devanado ejemplar, descrito aquí, es un soporte frío en el que las varillas de tensión y los alojamientos asociados que acoplan las varillas de tensión a los enrollamientos del devanado SC, son mantenidas a una temperatura criogénica o cercana a ella. Debido a que los miembros soportadores están fríos, estos miembros están térmicamente aislados, por ejemplo, por los conductos sin contacto a través del núcleo del rotor, respecto a otros componentes "calientes" del rotor. Un miembro soportador individual consiste de una varilla de tensión 42 (que puede ser una varilla y un par de pernos, en cada extremo de la varilla), un alojamiento 44 en forma de canal, y un pasador de espiga 80, que conecta el alojamiento al extremo de la varilla de tensión. Cada alojamiento 44 en forma de canal es una ménsula en forma de U que tiene brazos que se conectan con una varilla de tensión y un canal, para recibir el enrollamiento 34 de devanado. El alojamiento en forma de canal en U permite el ensamble preciso y conveniente del sistema soportador para el devanado. Se puede colocar una serie de alojamientos de canal, extremo con extremo, a lo largo del lado del enrollamiento de devanado. Los alojamientos en forma de canal distribuyen colectivamente las fuerzas que actúan sobre el devanado, por ejemplo, las fuerzas centrífugas, sustancialmente en la totalidad de las secciones laterales 40 de cada devanado. Los alojamientos 44 en forma de canal previenen que las secciones 40 de los devanados se flexionen excesivamente y se doblen excesivamente debido a las fuerzas centrífugas. Los soportes de devanado no restringen la expansión ni la contracción térmicas longitudinales de los devanados, que ocurren durante la operación normal de arranque/detención de la turbina de gas. En particular, la dilatación térmica está dirigida primariamente a lo largo de la longitud de las secciones laterales. Así pues, las secciones laterales del devanado se deslizan ligeramente en sentido longitudinal con respecto al alojamiento en forma de canal y a las varillas de tensión. La transferencia de la carga centrífuga desde la estructura de devanado a una varilla soportadora se efectúa a través del alojamiento de canal que ajusta alrededor de la superficie exterior de devanado y de las secciones rectas laterales; y se enchaveta por medio de los pasadores 80 a un extremo de diámetro ampliado, de la varilla de tensión. Están formados los alojamientos de canal en forma de U de un material ligero, de alta resistencia, que sea dúctil a las temperaturas criogénicas. Los materiales típicos para el alojamiento en forma de canal son: aluminio, Inconel o aleaciones de titanio, que son no magnéticas. La forma del alojamiento en forma de U se puede hacer óptima para bajo peso y resistencia. El pasador de espiga 80 se extiende a través de aberturas en el alojamiento de canal y la varilla de tensión. La espiga puede ser hueca para obtener bajo peso. Las tuercas aseguradoras (no mostradas) están roscadas, o son fijadas a los extremos del pasador de espiga para asegurar el alojamiento en forma de U y prevenir que los lados del alojamiento se abran en separación, bajo carga. Se puede hacer el pasador de espiga de Inconel de alta resistencia o de aleaciones de titanio. Las varillas de tensión están hechas con extremos 82 de mayor diámetro, que son maquinados con dos porciones planas 86 en sus extremos, para ajusfar en el alojamiento en forma de U y en la anchura del devanado. Los extremos planos 86 de las varillas de tensión topan con la superficie interna de los devanados HTS cuando se ensamblan entre sí la varilla, el devanado y el alojamiento. Este ensamble reduce la concentración de esfuerzo en el agujero de la varilla de tensión que recibe la espiga. El sistema soportador de devanado de las varillas de tensión 42, los alojamientos 44 en forma de canal y la mordaza hendida 58, puede ser ensamblado con los enrollamientos 34 de devanado HTS, cuando se monten ambos en el núcleo 22 del rotor. Las varillas de tensión, los alojamientos en forma de canal y la mordaza proveen una estructura bastante rígida para soportar los enrollamientos de devanado y mantener en su lugar los enrollamientos de devanado, con respecto al núcleo de rotor. Cada varilla de tensión 42 se extiende a través del núcleo de rotor y se puede extender ortogonalmente a través del eje 20 del rotor. Los conductos 46, a través del núcleo de rotor, proveen un pasaje a través del cual se extienden las varillas de tensión. El diámetro de los conductos es suficientemente grande para evitar que las paredes calientes de los conductos del rotor queden en contacto con las varillas de tensión frías. El evitar ese contacto mejora el aislamiento térmico entre las varillas de tensión y el núcleo de rotor. El núcleo 22 de rotor está hecho típicamente de material magnético, tal como hierro, mientras que las flechas extremas de rotor están hechas típicamente de material no magnético, tal como acero inoxidable. El núcleo de rotor y las flechas extremas son componentes típicamente discretos, que son ensamblados y asegurados entre sí mediante pernos o mediante soldadura. El núcleo 22 de hierro del rotor tiene una forma generalmente cilindrica, adecuada para girar dentro de la cavidad 16 de rotor del estator 12. Para recibir el enrollamiento de devanado, el núcleo de rotor tiene superficies hundidas 48, tales como regiones planas o triangulares, o ranuras. Estas superficies 48 están formadas en la superficie curva 50 del núcleo cilindrico y se extienden longitudinalmente a través del núcleo de rotor. El enrollamiento 34 de devanado está montado en el rotor, adyacente a las áreas hundidas 48. Los devanados se extienden por lo general longitudinalmente a lo largo de una superficie exterior del área hundida y alrededor de los extremos del núcleo de rotor. Las superficies hundidas 48 del núcleo de rotor reciben el enrollamiento de devanado. La forma del área hundida se conforma al enrollamiento de devanado. Por ejemplo, si el enrollamiento de devanado tiene forma de silla de montar, o alguna otra forma, el área hundida o las áreas hundidas en el núcleo de rotor estarían configuradas para recibir la forma del enrollamiento. Las superficies hundidas 48 reciben el enrollamiento de devanado de tal manera que la superficie exterior del enrollamiento de devanado se extienda sustancialmente hasta una envolvente definida por la rotación del rotor. Las superficies curvas externas 50 del núcleo de rotor, cuando giran, definen una envolvente cilindrica. Esta envolvente de rotación del rotor tiene sustancialmente el mismo diámetro que la cavidad 16 para rotor (véase la figura 1) en el estator. La separación entre la envolvente 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 únicamente, puesto que el rotor no requiere de enfriamiento por ventilación. Es conveniente reducir al mínimo el espacio libre o claro entre el rotor y el estator, de modo que se incremente el acoplamiento electromagnético entre los enrollamientos del devanado de rotor y los enrollamientos del estator. Adicionalmente , se prefiere que el enrollamiento de devanado del rotor esté colocado de tal manera que se extienda a la envolvente formada por el rotor y, por lo tanto, está separado del estator únicamente por el intersticio de claro entre el rotor y el estator. Las secciones extremas 54 del enrollamiento 34 de devanado son los extremos opuestos 56 adyacentes del núcleo de rotor. Una mordaza hendida 58 mantiene cada una de las secciones extremas de los enrollamientos de devanado en el rotor. La mordaza hendida en cada extremo 54 de devanado incluye un par de placas opuestas 60 entre las cuales está emparedado el enrollamiento 34 de devanado. La superficie de las placas de mordaza incluye canales 116, 118 (figura 11) para recibir el enrollamiento de devanado y las conexiones 112, 114 al enrollamiento. La mordaza hendida 58 puede estar formada de un material no magnético, tal como aluminio o aleaciones Inconel. Se puede usar los mismos materiales no magnético o materiales similares, para formar las varillas de tensión, los alojamientos en forma de canal y otras porciones del sistema de soporte del devanado. El sistema soportador de devanado de preferencia es no magnético, de modo que preserve la ductilidad a las temperaturas criogénicas, puesto que los materiales ferromagnéticos se vuelven frágiles a las temperaturas inferiores a la temperatura de transición de Curie, y no pueden ser usados como estructuras soportadoras de carga. La mordaza hendida 58 está rodeada por el collarín 62, pero sin quedar en contacto con él. Hay un collarín 62 en cada extremo del núcleo 22 de rotor, sí bien únicamente se muestra un collarín en la figura 3. El collarín es un disco grueso de material no magnético, tal como acero inoxidable, igual o similar al material que forma las flechas de rotor. En realidad el collarín es parte de la flecha de rotor. El collarín tiene una ranura 64 ortogonal respecto al eje del rotor, y suficientemente ancha para recibir y librar la mordaza hendida 58. Las paredes laterales calientes 66 del collarín con ranura están espaciadas de la mordaza hendida fría, de modo que no queden en contacto entre sí. El collarín 62 puede incluir un área 68 discoidal hundida (que es bisecada por la ranura 64) para recibir una región 70 discoidal realzada, del núcleo de rotor (véase el lado opuesto del núcleo de rotor para que la región discoidal realzada sea insertada en el collarín opuesto). La inserción de la región discoidal realzada en el extremo 56 del núcleo de rotor, dentro del disco hundido 68, provee 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 formación circular de agujeros 72 para perno, que se extienden longitudinalmente a través del collarín y alrededor de la ceja del collarín. Estos agujeros para perno se corresponden con los agujeros 74 para perno, roscados, complementarios, que se extienden parcialmente a través del núcleo de rotor. Los pernos roscados 75 (véase la figura 5) se extienden a través de esos agujeros longitudinales para perno 72, 74, y aseguran los collarines al núcleo de rotor. La figura 4 es una primera vista en sección del núcleo de rotor y el collarín. La figura 5 es una segunda vista en sección del rotor y el collarín, que es ortogonal con respecto a la primera vista. Los conductos para fluido eléctrico y de enfriamiento están protegidos por medio de un tubo 76 de paredes delgadas, que se extiende a lo largo del eje del rotor, desde una de las secciones 54 extremas de devanado, y a través de un collarín 62. Los conductos de enfriamiento del tubo 76 se conectan con los portillos 112 de entrada y de salida del pasaje 38 de enfriamiento, en el enrollamiento de devanado, hasta el acoplamiento 26 de transferencia de criógeno. Está provisto un acoplamiento eléctrico 114 con el devanado, en la misma sección extrema del devanado, como el acoplamiento de enfriamiento 26. Las secciones laterales 40 del enrollamiento 34 de devanado en forma de pista de carreras, están soportadas por la serie de varillas de tensión 42, que se extienden a través de los conductos 46 en el núcleo de rotor. Las varillas de tensión son varillas rectas, no magnéticas, que se extienden entre secciones laterales opuestas del mismo devanado, o entre secciones laterales de los dos devanados. La varilla de tensión puede estar formada de una aleación no magnética de alta resistencia, tal como Inconel X718. Las varillas de tensión tienen en cada extremo un acoplamiento con un alojamiento 44 en forma de canal, que se envuelve alrededor del costado 40 del enrollamiento de devanado, y lo sostiene. Los alojamientos 44 en forma de canal y las varillas de tensión 42 pueden proveer un ajuste de la tensión aplicada a las secciones laterales de los enrollamientos de devanado. Por ejemplo, se puede formar las varillas de tensión de una varilla de tensión que se extienda a través del núcleo de rotor y que tenga en cada extremo una abertura roscada para recibir un perno de tensión. Cada uno de los pernos de tensión puede tener una cara plana 86 que topa contra el enrollamiento de devanado. El enrollamiento 34 de devanado está soportado por las varillas de tensión 42 (únicamente una de las cuales está mostrada en la figura 4), que se extiende en las secciones laterales 40 del devanado. El alojamiento de canal 44 está conectado mediante un pasador 80 de espiga, al extremo de la varilla de tensión. Para fines ilustrativos, el lado izquierdo de la figura 6 muestra la varilla de tensión sin alojamiento en forma de canal. De manera similar, el lado superior de la figura 4 muestra la varilla de tensión 46 sin un alojamiento en forma de canal; mientras que el lado inferior muestra un alojamiento en forma de canal, fijado a la varilla de tensión. Las varillas de tensión 42 se extienden a través de los conductos 46 formados en el núcleo 22 de rotor. Estos conductos tienen diámetros incrementados en sus respectivos extremos 88. Esos extremos expandidos 88 reciben el tubo aislador 52 que está formado como manguito sobre la varilla de tensión. Los tubos aisladores protegen térmicamente las varillas de tensión 42 contra el núcleo 22 caliente del rotor. Como se muestra en la figura 5, los conductos 46 se extienden perpendicularmente a través del eje de rotor y están dispuestos simétricamente a todo lo largo del núcleo. El número de conductos 46 y su disposición en el núcleo de rotor y uno con respecto a los otros, es cuestión de selección de diseño. El núcleo de rotor puede estar encerrado en un blindaje metálico 90 cilindrico, que protege el enrollamiento 34 de devanado superconductor contra corrientes parásitas y otras corrientes eléctricas que rodean el rotor, y provee la envolvente de vacío que se requiere para mantener un vacío fuerte alrededor de los componentes criogénicos del rotor. El blindaje cilindrico 90 puede estar formado de un material altamente conductor, tal como una aleación de cobre o aluminio. El enrollamiento 34 de devanado SC es mantenido en un vacío. Se puede formar el vacío por medio del blindaje 90, que puede incluir una capa cilindrica de acero inoxidable, que forma un recipiente de vacío alrededor del devanado y el núcleo de rotor. La figura 7 es un diagrama en sección, tomado perpendicular respecto al eje del rotor, y que muestra una porción ampliada del núcleo de rotor 22, la varilla de tensión 42, el enrollamiento 34 de devanado y las estructuras asociadas. El extremo plano 86 de la varilla de tensión topa con una superficie interna del enrollamiento 34 de devanado. El extremo opuesto de ia varilla de tensión (no mostrado en la figura 7) topa con una superficie interna similar del lado opuesto del enrollamiento del devanado. Así pues, la varilla de tensión se extiende entre el enrollamiento de devanado y provee una superficie fija 86 que soporta el enrollamiento de devanado. Cada varilla de tensión 42, aunque es típicamente cilindrica a todo lo largo de ella, tiene extremos planos 86 que permiten la fijación íntima al enrollamiento de devanado y al alojamiento 44 en forma de canal en U. Cada varilla de tensión está conectada a un alojamiento 44 en forma de canal por medio de un pasador 80 de espiga, que previene que el alojamiento se deslice radialmente hacia fuera de la varilla de tensión. El alojamiento en forma de canal previene que la fuerza centrífuga flexione o arquee el devanado mientras el rotor está girando. Están atornilladas tuercas aseguradoras (no mostradas) en los extremos del pasador 80 de espiga, para asegurar los brazos laterales 106 del alojamiento 44 para que no se abran en separación bajo carga. El pasador de espiga puede estar hecho de Inconel de alta resistencia o de aleaciones de titanio. Cada varilla 42 de tensión ajusta dentro de un conducto 46 sin contacto, de tal manera que la varilla de tensión no haga contacto intencionalmente con el núcleo de rotor. Un rotor con núcleo de hierro está diseñado para transmitir los pares de torsión de estado sostenido y transitorios primariamente a través del cuerpo de rotor, en contaste con el rotor de entrehierro, que transmite esos pares de torsión directamente al enrollamiento del rotor. Sin embargo, los pares de torsión de bajo nivel todavía son transmitidos al devanado HTS y deben ser soportados por los aisladores térmicos 52, robustos y térmicamente eficientes. Los tubos aisladores 52 mixtos, reforzados con fibra, son los aisladores térmicos que soportan las fuerzas tangenciales que actúan sobre el devanado HTS. Los tubos aisladores están precargados en compresión por medio de tuercas retenedoras 84, atornilladas sobre las varillas de tensión. El material mixto de los tubos aisladores de preferencia es una resina epoxi reforzada con fibra de vidrio. En el extremo de cada varilla de tensión puede haber un tubo aislante 52 que sujete la estructura soportadora de devanado al rotor caliente, y reduzca la transferencia de calor de conducción entre ellos. Adicionalmente puede haber una tuerca aseguradora 84 roscada sobre la varilla de tensión 42, que conecta con el tubo aislante 52 y se usa para asegurar y ajustar la posición de la varilla 42 dentro del conducto 46. La tuerca aseguradora 84 y el tubo 52 asegura la varilla de tensión y el alojamiento de canal al núcleo de rotor, al mismo tiempo que reduce al mínimo la transferencia de calor desde el rotor caliente a la estructura de alojamiento. El tubo aislador está formado de un material térmicamente aislante, tal como un material mixto reforzado con fibra. Un extremo del tubo puede incluir un anillo externo 120 que topa con la pared del conducto 88. El otro extremo del tubo incluye un aro interno 122 que se acopla con la tuerca aseguradora 84, asegurada a un extremo de la varilla de tensión. Un tubo aislador y la tuerca aseguradora se encuentran en cada extremo de la varilla de tensión. El calor procedente del rotor tendría que se conducido a través del tramo del tubo aislador 52 y de la tuerca aseguradora 84, antes de llegar a la varilla de tensión. De tal modo, el tubo aislador aisla térmicamente la varilla de tensión con respecto al núcleo de rotor. El enrollamiento de devanado también está soportado por el alojamiento en forma de canal 44 (véase la figura 8). El alojamiento en forma de canal soporta el enrollamiento de devanado contra las fuerzas centrífugas (la flecha 100 en la figura 7) y contra las fuerzas de par de torsión tangenciales (flecha 102). Se puede formar el alojamiento en forma de canal de los materiales metálicos no magnéticos, tales como aluminio, Inconel y aleaciones de titanio. Se mantiene en su lugar el alojamiento en forma de canal sobre la varilla de tensión por medio de una espiga 80 que se extiende a través de una abertura 104 en el extremo de la varilla de tensión. Los brazos 106 del alojamiento en forma de canal pueden ser gruesos y tener nervaduras para proveer soporte estructural alrededor de las aberturas 108 que reciben la espiga. Las fuerzas centrífugas son debidas a la rotación del rotor. Las fuerzas tangenciales se deben a la aceleración y la desaceleración del rotor, así como a la transmisión de par de torsión. Debido a que los costados 40 del enrollamiento de devanado están encerrados por los alojamientos 44 en forma de canal y los extremos 86 de las varillas de tensión, los costados del enrollamiento de devanado están plenamente soportados dentro del rotor. Está provista una ménsula soportadora 124 para ayudar a que las varillas de tensión y el alojamiento en forma de canal resistan las fuerzas radiales grandes que pueden resultar cuando ocurre una condición de falla de rejilla. El soporte radial puede ser una caja rectangular que ajuste alrededor de los costados 40 del enrollamiento de devanado y se extienda sobre la mordaza hendida 58. La ménsula soportadora incluye un par de paredes laterales que son acuñadas dentro de la ranura en la superficie hundida. Las paredes laterales se extienden desde la superficie 48 de núcleo de rotor hasta la camisa 90, y proveen resistencia estructural a la camisa, Las figuras 9 a 11 muestran esquemáticamente el proceso de ensamble para la estructura soportadora de devanado y el enrollamiento de devanado en el rotor. Tal como se muestra en la figura 9, antes de ensamblar el núcleo de rotor con los collarines y demás componentes del rotor, se inserta las varillas de tensión 42 dentro de cada uno de los conductos 46 que se extienden a través del núcleo de rotor. Se coloca el tubo aislador 52 en cada extremo de cada varilla de tensión, en el extremo expandido 88 en cada extremo de los conductos 46. Se afirma el tubo 52 en su lugar por medio de la tuerca aseguradora 84 retenedora. Cuando se ensambla las varillas de tensión en el núcleo 22 de rotor, los enrollamientos de devanado están listos para ser insertados en el núcleo. Tal como se muestra en la figura 10, el devanado SC 36 es insertado en el núcleo de rotor de tal manera que los extremos planos 86 de las varillas 42 de tensión topen con la superficie interna de las secciones laterales 40 del devanado SC. Una vez que se ha insertado el enrollamiento sobre los extremos de la varilla de tensión se inserta los alojamientos 44 en forma de canal sobre el devanado SC. Se asegura los alojamientos en forma de canal a los extremos de las varillas de tensión, insertando las espigas 80 a través de las aberturas en la varilla de tensión y en el alojamiento de canal 104, 108, respectivamente. El alojamiento de canal 44 incluye una ranura 110 a lo largo de su superficie interna superior, que recibe el conducto de enfriamiento 38 y sujeta ese conducto contra el devanado 36. La pluralidad de alojamientos en forma de canal mantiene efectivamente el devanado en su lugar, sin ser afectado por las fuerzas centrífugas. Aun cuando están mostrados los alojamientos en forma de canal muy próximos unos a los otros, los alojamientos únicamente necesitan estar tan cerca como sea necesario para prevenir la degradación del devanado provocada por los elevados esfuerzos de flexión y de tracción durante las condiciones de carga centrífuga, transmisión de par de torsión y falla transitoria. Se puede ensamblar los alojamientos de canal y las varillas de tensión con el enrollamiento de devanado antes de ensamblar el núcleo de rotor y los devanados con el collarín y los demás componentes del rotor. Consecuentemente, el núcleo de rotor, el enrollamiento de devanado y el sistema soportador de devanado pueden ser ensamblados como una unidad antes de ensamblar los demás componentes del rotor y de la máquina sincrónica. La figura 11 muestra el ensamble de la mordaza hendida 58, que está formada por las placas 60 de mordaza. Las placas 60 de mordaza emparedan entre ellas las secciones extremas 64 del enrollamiento de devanado. La mordaza hendida provee soporte estructural para los extremos del enrollamiento 34 de devanado. Las placas 60 de la mordaza hendida incluyen los canales 116 de las superficies internas que reciben el enrollamiento de devanado. Similarmente, las placas incluyen los canales 118 para las líneas 112 de entrada/salida para los gases y para las conexiones 114 de corriente de entrada y de salida, al devanado. Una vez que los soportes de devanado, el devanado, el collarín y el núcleo de rotor están ensamblados, esta unidad está lista para ser ensamblada en el rotor y en la máquina sincrónica. Aunque se ha descrito la presente invención con relación a lo que se considera actualmente como la modalidad más práctica y preferida, se debe entender que la invención no está limitada a la modalidad descrita, sino que, por el contrario, se pretende que cubra todas las modalidades que queden dentro del espíritu de las reivindicaciones que vienen a continuación.

Claims (10)

REIVINDICACIONES

1. - En una máquina sincrónica (10), un rotor caracterizado porque comprende: un núcleo (22) de rotor, que tiene por lo menos un conducto (46) que se extiende a través del núcleo; un enrollamiento (34) de devanado superconductor, que se extiende alrededor de al menos una porción del núcleo de rotor; teniendo el enrollamiento de devanado un par de secciones laterales (40) en costados opuestos del núcleo de rotor; por lo menos una varilla de tensión (42) que se extiende entre el par de secciones laterales del enrollamiento de devanado y a través del al menos un conducto del rotor; y un aislador (52) en el conducto, que separa térmicamente la varilla de tensión del rotor.

2. - En un rotor de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado además porque el aislador es un tubo (52) que tiene una superficie exterior (120) en contacto con el conducto (88).

3. - En un rotor de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado además porque el aislador es un tubo que tiene una superficie interna (122) en contacto con un dispositivo de sujeción (84) en un extremo (86) de la varilla.

4. - En un rotor de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado además porque el núcleo de rotor es un núcleo sólido y el conducto se extiende a través del núcleo sólido.

5. - En un rotor de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado además porque comprende adicionalmente un aro exterior (120) en un extremo del tubo (52) en contacto con el conducto, y un aro interior (122) en un extremo opuesto del tubo, en contacto con una tuerca de aseguramiento (84) en el extremo de la varilla.

6. - En un rotor de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado además porque el aislador está formado de un material de fibra mixta. 7.- En un rotor de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado además porque el aislador (52) está en el conducto y está adyacente a una superficie exterior del núcleo. 8. - Un método para soportar un enrollamiento (34) de devanado superconductor en un núcleo (22) de rotor de una máquina sincrónica (10), caracterizado porque comprende los pasos de: extender una varilla de tensión (42) a través de un conducto (46) en el núcleo de rotor; soportar la varilla de tensión en el conducto por medio de un primer tubo aislador (52); insertar un alojamiento (44) sobre una porción (40) del devanado; fijar un extremo de la varilla de tensión al alojamiento. 9. - Un método de conformidad con la reivindicación 8, caracterizado además porque comprende adicionalmente: e. insertar un segundo tubo aislador (52) dentro de un extremo del conducto, opuesto a un extremo del conducto (46) en el que está insertado el primer tubo aislador; y f. un segundo alojamiento (46) sobre una segunda porción del devanado, y fijar el segundo alojamiento a un segundo extremo de la varilla de tensión. 10.- Un método de conformidad con la reivindicación 8, caracterizado además porque el primer tubo aislador tiene un aro externo (120) en un primer extremo del tubo y un aro interno (122) en un segundo extremo del tubo, y se inserta el tubo aislante dentro del conducto de manera tal que el aro externo haga contacto con una pared del conducto; y que el aro interno esté en contacto con un dispositivo de sujeción (84) en la varilla.