MXPA02009646A - Devanador superconductor de armadura para una maquina electrica. - Google Patents

Abstract

Un devanador (10) de armadura para una maquina electrica se forma de un cable (16) superconductor. Para proteger el alambre superconductor de los grandes campos magneticos AC y para reducir al minimo las fuerzas y los momentos de torsion mecanicos en los componentes conductores, el devanador superconductor de armadura se coloca en un nucleo (22) del estator ranurado. El cable superconductor se forma de una cinta de alambre superconductor de filamentos multiples con una relacion dimensional cercana a la unidad o esta formado alternativamente de cables continuos de alambre superconductor. Unas cunas (26) magneticas que estan dispuestas en las aberturas de las ranuras protegen el devanador SC incrustado en la ranura de los componentes del campo AC.

Description

DEVANADOR SUPERCONDUCTOR DE ARMADURA PARA UNA MÁQUINA ELÉCTRICA CAMPO DE LA INVENCIÓN Esta ¡nvención se relaciona con turbomaquinaria y más en particular, a devanadores de armadura del estator para una máquina eléctrica que utiliza materiales superconductores.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN En los generadores convencionales, una porción importante de las pérdidas se atribuyen a las pérdidas de 12R en dos devanadores principales el generador, a saber el devanador de campo en el rotor y el devanador de armadura en el estator. El desarrollo de la tecnología superconductora (SC), en particular superconductores (HTSC) de alta temperatura, ha provisto un medio conductor que cuando se implementa con éxito, tiene un potencial para reducir en forma importante, sí no eliminar por completo, las pérdidas 12R asociadas en ios devanadores del generador principal. La introducción con éxito de la tecnología SC dentro de los generadores se basa en la solución de emitir enfriamiento en los superconductores, proporcionar un soporte mecánico adecuado y proteger los alambres superconductores para alternar los campos magnéticos para reducir al mínimo las corrientes parásitas. La densidad de corriente crítica (Je) debajo de la cual los materiales superconductores retienen su capacidad superconductora se reduce mucho cuando el superconductor se coloca dentro de un gran campo magnético. Ya que la densidad de corriente (Je) disminuye con la densidad de flujo magnético en aumento, es importante proteger el superconductor efectivamente de los campos magnéticos. En generadores convencionales, el devanador de la armadura está ubicado en las ranuras del estator, y unos dientes de acero guían el flujo magnético principal desde el espacio de aire al yugo del estator. En esta configuración, los conductores de la armadura no quedan expuestos al flujo magnético principal pero solamente una flujo de fuga de una ranura mucho menor. El momento de torsión magnético actúa en el diente del estator, el cual lo transfiere al núcleo y a la estructura del estator. El pequeño campo de fuga de ranura provoca pérdidas de corrientes parásitas en los conductores del devanador de la armadura y da origen a fuerzas que actúan en los conductores incrustados en las ranuras, que se pueden manejar con los métodos de soporte de ranura presentes. Se han propuestos diferentes conceptos para los generadores sincrónicos superconductores y se han utilizado hasta la fecha, un ejemplo de ellos se expone en la Patente de Estados Unidos No. 5,548,168, cuyo contenido se incorpora aquí como referencia. Durante la operación en estado estable, el devanador del campo del rotor de un generador sincrónico lleva corriente DC y queda expuesto solamente a un campo de fuga magnética relativamente pequeño. Por lo tanto, el devanador del campo ha sido tradicionalmente el primer enfoque para aplicar la tecnología SC en los generadores. El devanador del campo se acopla desde los superconductores para eliminar las pérdidas 12R de excitación y para proporcionar una fuente para los campos del espacio de aire magnético que son, en todos los conceptos para los generadores SC presentados a la fecha, considerablemente más altos que en los generadores convencionales. El devanador se enfría por un helio líquido en el caso de superconductores de baja temperatura (LTSC) y nitrógeno líquido en el caso de un HTSC. Los campos variantes de tiempo durante el desbalance o transientes de carga, como durante una expulsión de carga se protegen del devanador del rotor SC mediante una protección eléctricamente conductora alrededor del rotor. La mayoría de los conceptos existentes para los generadores superconductores propuestos en la literatura y patentes a la fecha están con base en un núcleo del estator sin dientes que consiste de un yugo de acero o protección de flujo y un devanador de armadura con "espacio de aire" (consultar por ejemplo, "Panel Discussion on the Impact of Superconducting Technologies on Future Power Systems and Equipment - Superconducting Generators", por D. Lambrecht, Study Committee 11, CIGRE, 1990 Session). Con esta configuración, el devanador de armadura está ubicado en el trayecto principal de flujo magnético y queda expuesto a los campos magnéticos de niveles de densidad de flujo del espacio de aire de 2 Tesla o más. El gran espacio de aire magnético se magnetiza por la gran capacidad de amperio-vuelta del devanador de campo superconductor. Además, las magnitudes de los niveles de densidad de flujo del espacio de aire también aumentan sobre los utilizados en generadores convencionales para alcanzar altas densidades de potencia y un tamaño total reducido del generador. El devanador de la armadura del espacio de aire típicamente se ensambla de conductores de cobre que están soportados mediante una estructura no magnética. Estos conceptos tienen varios problemas inherentes. El devanador de armadura queda expuesto a las densidades de flujo del espacio de aire completas que resultan en pérdidas AC en los conductores de cobre. Ya que la armadura está ubicada en el campo principal del espacio de aire, el momento de torsión magnético totalmente proporcionado actúa directamente en el devanador de armadura y las fuerzas radiales también son significativamente altas que en los generadores convencionales. Esto requiere que la estructura de soporte no magnético del devanador de la armadura puede diseñarse tanto para un momento del torsión nominal y las grandes fuerzas radiales. Estos problemas que están asociados con un generador superconductor de Alta Densidad de Potencia aún cuando se emplea un devanador de armadura de cobre convencional, han sido dirigidos por el concepto de Baja Densidad de Potencia en la Patente de Estados Unidos nombrada. Al tomar el siguiente paso y reemplazar ei conductor de cobre convencional con un alambre superconductor en el devanador de armadura del espacio de aire se complica por el hecho de que nos superconductores no tienen la capacidad de llevar corrientes AC en campos magnéticos fuertes sin incurrir en altas pérdidas AC, lo cual lleva a una pérdida en superconducción. Por lo tanto, al seguir este paradigma de un devanador de armadura del espacio de aire tiene una funcionalidad limitada para utilizar superconductores en el devanador de armadura. En años recientes, diferentes fabricantes han implementado los alambres SC en prototipos de cable de potencia AC. En estos cables, el aislamiento de línea a tierra eléctrica está a temperatura ambiente (templado dieléctrico) o temperaturas criogénicas (frío dieléctrico) y el conductor se ensambla del alambre HTSC. Los conductores en estos cables de potencia AC quedan expuestos solamente a un auto-campo pequeño, que es lo suficientemente pequeño para los materiales superconductores actuales. Existen también ciertos conceptos para los generadores enrollados en cable, en donde el devanador del estator se ensambla para cables de alto voltaje o de bajo voltaje con conductores de cobre convencionales. Por lo tanto, es deseable proporcionar un devanador de la armadura superconductor que se ensambla mediante la colocación dentro de ranuras del estator como en los generadores convencionales. Los dientes del estator sirven para proteger el devanador SC de los campos magnéticos AC, que resultan en la reducción al mínimo de pérdidas AC, fuerzas y momentos de torsión que actúan en los alambres superconductores. También sería benéfico fabricar el devanador de cables continuos de alambres superconductores o alternativamente de cables de filamentos múltiples de una relación dimensional cercana a la unidad. También sería benéfico emplear cuñas magnéticas para también proteger los conductores SC de los campos magnéticos AC.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN En una modalidad ejemplificativa de la invención, un generador sincrónico superconductor incluye un rotor y un estator. El estator comprende una pluralidad de ranuras del estator y devanadores de la armadura respectivamente dispuestos en las ranuras del estator. Los devanadores de la armadura están formados de un cable superconductor. El cable superconductor puede comprender una cinta de alambre superconductor de filamentos múltiples con una relación dimensional mayor que uno o alternativamente con una relación dimensional de aproximadamente uno. En un arreglo alternativo, el cable superconductor comprende cables continuos de alambre superconductor. El cable superconductor puede incluir una construcción en capas esencialmente concéntricas, la cual incluye un pasaje de enfriamiento de crio-refrigeración, un material superconductor y un aislamiento. El aislamiento puede ser un aislamiento térmico dispuesto sobre el aislamiento eléctrico o su opuesto con el aislamiento eléctrico dispuesto sobre el aislamiento térmico. El estator también puede incluir dientes del estator que definen ias ranuras del estator, en donde los dientes del estator protegen el cable superconductor de la mayoría de los campos magnéticos generados durante la operación del generador. Los devanadores de ia armadura de cable superconductor pueden ser devanadores toroidales, y el estator también puede incluir cuñas de ranura magnética dispuestas respectivamente en las aberturas de las ranuras. En otra modalidad ejemplificativa de la invención, el devanador de la armadura para una máquina eléctrica está formado de un cable superconductor.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS La Figura 1 es una ilustración esquemática de un devanador superconductor de armadura incrustado en la ranura con un frío dieléctrico. La Figura 2 es una ilustración esquemática del devanador de la armadura superconductor incrustado en la ranura con un templado dieléctrico. La Figura 3 ilustra un devanador de armadura SC incrustado en la ranura toroidal para un ejemplo de un generador de dos polos. La Figura 4 muestra un cable superconductor incrustado en la ranura hecho de una cinta superconductora de una gran relación dimensional. La Figura 5 muestra un cable superconductor incrustado en la ranura hecho de una cinta superconductora de una relación dimensional cercana a la unidad; y la Figura 6 muestra una cuña de ranura magnética dispuesta en la abertura de la ranura del estator.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN Con referencia a las Figuras 1 y 2, se muestra un devanador 10 de armadura SC dispuesto en una ranura 12 del estator convencional. El devanador 10 de la armadura SC está formado en una construcción en capas esencialmente concéntricas que incluye un pasaje 14 de enfriamiento de crio-refrigeración para recibir el enfriador, un superconductor 16 y un aislamiento 18, 20. Los conductores 16 del devanador del estator SC se colocan en las ranuras 12 del estator en forma similar al arreglo del devanador de los generadores convencionales. El flujo magnético principal es guiado a través de un núcleo 22 del estator dentado que protege el alambre SC de las grandes densidades de flujo AC. Ya que el campo magnético principal es guiado a través de la estructura del núcleo laminado, las fuerzas magnéticas, los momentos de torsión y las pérdidas adicionales AC quedan limitadas a los valores que se deben solamente al campo de fuga de la ranura, pero no al campo magnético principal. Por lo tanto, las fuerzas y los momentos de torsión que actúan en los alambres SC son comparables con los de las máquinas convencionales, y los conductores SC pueden ser soportados por estructuras convencionales. Con esta estructura, el alambre SC queda expuesto a un campo AC que está limitado al campo de fuga de la ranura. Además, ya que el campo AC es pequeño, la densidad de corriente crítica del alambre superconductor tiene que reducirse un poco. Más aún, las pérdidas AC inducidas en el alambre SC por el campo de fuga de ranura son mínimas, y el momento de torsión nominal completo se transmite al yugo magnético no por el devanador de la armadura, sino por el diente magnético para una mayor confíabilidad. El superconductor puede estar arreglado en diferentes configuraciones en la ranura, ya sea con un frío dieléctrico (aislamiento 20 térmico alrededor del aislamiento 18 eléctrico, como se muestra en la Figura 1) o un templado dieléctrico (aislamiento 18 eléctrico alrededor del aislamiento 20 térmico, como se muestra en la Figura 2), y los conductores pueden tener configuraciones rectangulares, redondas u otra forma. Se prefiere que los alambres SC dentro de una vuelta o bobina estén arreglados de conformidad con cualquiera de las técnicas bien conocidas, las cuales reducen o eliminan las corrientes de circulación entre los alambres. Una de estas técnicas utiliza el arreglo "Roebel", para el cual las patentes aun vigentes de Ringland (Allis Chalmers) y de Willyoung (General Electric) son típicas. En la aplicación específica de los cables SC, se prefiere que los alambres estén enrollados en una configuración espiral para lograr la cancelación de las corrientes de circulación. Los conductores incrustados en las ranuras SC pueden conectarse en cualquier esquema de conexión típica, cada una de las barras individuales o bobinas de múltiples vueltas conectados dentro de un devanador toroidal o un devanador de capas múltiples o capa única que se ensambla de bobinas concéntricas o iguales conectadas en un patrón de devanador de vueltas o de onda. El concepto de los conductores SC incrustados en la ranura también se aplica a devanadores del estator de polo saliente y devanadores de la armadura. Con referencia a la Figura 3, el devanador 23 toroidal consiste de vueltas que se extienden alrededor del yugo 24 del núcleo 22 del estator. La desventaja del devanador toroidal en los generadores convencionales es que necesitan aproximadamente el doble de la longitud de bobina por el voltaje inducido, lo cual resulta en el doble de pérdidas 12R de las bobinas. Esta desventaja del doble de pérdidas 12R se elimina con el uso de alambres SC como se muestra en la Figura 3, y la ventaja es lo compacto del devanador toroidal colocado en pocas ranura/polo/fase. El contenido de la ranura de tal devanador puede implementar los conceptos de las Figuras 1 y 2. Los trayectos 14 de enfriamiento criogénico para el superconductor se pueden implementar en diferentes configuraciones. En una configuración, cada circuito del devanador de la armadura forma un bucle criogénico continuo. En este caso, cada circuito criogénico contiene los mismos conductores que en cada circuito eléctrico. En otra configuración, los circuitos eléctricos y criogénicos pueden consistir de diferentes sistemas de conexión. El circuito criogénico puede consistir de una conexión paralela de cualquiera de las bobinas individuales o las barras o grupos de estas. El devanador de la armadura superconductor se ensambla de un cable superconductor continuo. El cable se ensambla de capas de alambre superconductor rodeados por un sistema de aislamiento extruído continuamente. En este concepto, el alambre superconductor se extiende continuamente entre las dos terminales de cada fase o secciones del mismo. Esta medida reduce al mínimo las divisiones del alambre superconductor que son requeridas comparadas con un devanador ensamblado de las barras o bobinas individuales. En las diferentes modalidades del devanador de cable superconductor, el enfriador puede circular como un componente integral del cable continuo o alrededor del cable extruído como parte del contenido de ranura del cable. En el último caso, uno o más cables pueden estar inmersos en el mismo circuito de enfriamiento dentro de una ranura. El concepto del devanador de cable SC aplica en todas las configuraciones del devanador y los esquemas de conexión, incluyendo los devanadores de capas múltiples o sencillas, devanadores de vueltas o de ondas, devanadores toroidales, devanadores de polo saliente, devanadores helicoidales. Los prototipos actuales de los cables SC se construyen de cinta de alambre SC de filamentos múltiples con una relación dimensional alta, es decir, un ancho de cinta que es varias veces el espesor de la cinta. La sección 16 conductora de preferencia, está enrollada de tal cinta SC como se indica en la Figura 4, en donde las cintas individuales se tuercen en la dirección axial del cable. El auto-campo resultante del cable en aire es indicado por la flecha A, y el auto-campo del cable incrustado en la ranura es indicado por la flecha B. En esta configuración, el campo A de fuga magnética se extiende en una dirección paralela al cable e interseca con la cinta SC solamente sobre su espesor. Por lo cual, se reducen al mínimo las corrientes parásitas. En el devanador de armadura incrustado en la ranura, el campo B de fuga magnética es perpendicular al eje del cable. Cuando se utiliza un cable convencional de la Figura 4, el campo de fuga magnética será perpendicular al ancho de las cintas de alambre SC en una gran sección de la región SC. Esto dará como resultado pérdidas excesivas de corrientes parásitas que son proporcionales al cuadrado de la dimensión de la cinta que es perpendicular al campo magnético. Para reducir al mínimo las corrientes parásitas en un cable incrustado de ranura, se propone una nueva configuración para la cinta de alambre, en donde el alambre SC de filamentos múltiples tiene una sección transversal con una relación dimensional cercana a la unidad, como filamentos de cable de secciones transversales cuadradas o redondas como se muestra en la Figura 5. Cuando se amplía la tecnología SC para las aplicaciones AC, es importante proteger los alambres SC de la exposición de campos magnéticos AC. En las máquinas convencionales, las cuñas de la ranura magnética se emplean para reducir las permeancias de las ranuras del estator. En la construcción del generador SC de la invención, con referencia a la Figura 6, las cuñas 26 de la ranura magnética están dispuestas en las aberturas de las ranuras 12. Las cuñas 26 magnéticas sirven con el propósito adicional de proteger el alambre SC incrustado en la ranura del estator de los armónicos del campo del espacio de aire debidos al rotor MMF y a los armónicos de permeancia. Se pueden emplear las cuñas anisotrópicas para reducir el campo de fuga de ranura que pasa a través de la cuña por la alineación de la dirección preferencial magnética de la cuña anisotrópica con la dirección radial de la ranura. Las líneas de flujo magnético se muestra en la Figura 6. Con la estructura de la presente invención, un devanador de la armadura del estator superconductor se puede ensamblar en las ranuras convencionales del estator. Los dientes del estator sirven para proteger el devanador SC de los campos AC magnéticos, lo cual da como resultado la reducción al mínimo de las pérdidas AC, fuerzas y momentos de torsión actúan en los alambres superconductores. El devanador se fabrica de cables continuos de alambres superconductores o alternativamente de alambres de filamentos múltiples de relaciones dimensionales cercanas a cero. Las cuñas magnéticas también protegen los conductores SC de los campos AC magnéticos. Mientras que la ¡nvención ha sido descrita junto con los que se consideran las modalidades más prácticas y preferidas, se debe entender que la invención no está limitada las modalidades descritas, sino al contrario, se tiene la intención de cubrir las diferentes modificaciones y los arreglos equivalentes incluidos dentro del espíritu y alcance de las reivindicaciones anexas. Por ejemplo, la invención se puede aplicar en diferentes tipos de máquinas eléctricas más allá del tipo sincrónico, que se ¡ncluye, pero no está limitado a los motores y generadores DC y los motores de inducción, etc.

Claims (19)

REIVINDICACIONES

1. Una máquina eléctrica superconductora caracterizado porque incluye un rotor y un estator, el estator comprende una pluralidad de ranura (12) del estator y devanadores (10) de la armadura, respectivamente, dispuestos en las ranuras del estator, en donde los devanadores de la armadura están formados de un cable (16) superconductor.

2. La máquina eléctrica superconductora de conformidad con la reivindicación 1, caracterizada porque el cable (16) superconductor comprende cinta de alambre superconductor de filamentos múltiples.

3. La máquina eléctrica superconductora de conformidad con la reivindicación 2, caracterizada porque la cinta superconductora de filamentos múltiples tiene una relación dimensional de aproximadamente 1.

4. La máquina eléctrica superconductora de conformidad con la reivindicación 1, caracterizada porque el cable (16) superconductor comprende cables continuos de alambre superconductor.

5. La máquina eléctrica superconductora de conformidad con la reivindicación 1, caracterizada porque el cable (16) superconductor comprende una construcción en capas esencialmente concéntricas que ¡ncluye un pasaje (14) de enfriamiento de crio- refrigeración, un material (16) superconductor y un aislamiento (18, 20).

6. La máquina eléctrica superconductora de conformidad con la reivindicación 5, caracterizada porque el aislamiento comprende un aislamiento (20) térmico dispuesto sobre el aislamiento (18) eléctrico.

7. La máquina eléctrica superconductora de conformidad con la reivindicación 5, caracterizada porque el aislamiento comprende un aislamiento (18) eléctrico dispuesto sobre el aislamiento (20) térmico.

8. La máquina eléctrica superconductora de conformidad con la reivindicación 1, caracterizada porque el estator también comprende dientes (22) del estator que definen las ranuras (12) del estator, los dientes del estator protegen el cable (16) superconductor de la mayoría de los campos magnéticos generados durante la operación de la máquina eléctrica.

9. La máquina eléctrica superconductora de conformidad con la reivindicación 1, caracterizada porque los devanadores de armadura de cable superconductor son devanadores (23) toroidales.

10. La máquina eléctrica superconductora de conformidad con la reivindicación 1, caracterizada porque el estator también comprende cuñas (26) de la ranura magnética respectivamente dispuestas en las aberturas de las ranuras.

11. Un devanador de armadura (10) para una máquina eléctrica, caracterizado porque el devanador de armadura está formado de un cable (16) superconductor.

12. El devanador de armadura de conformidad con la reivindicación 11, caracterizado porque el cable (16) superconductor comprende una cinta de alambre superconductor de filamentos múltiples.

13. El devanador de armadura de conformidad con la reivindicación 12, caracterizado porque la cinta superconductora de filamentos múltiples tiene una relación dimensional de aproximadamente 1.

14. El devanador de armadura de conformidad con la reivindicación 11, caracterizado porque el cable (16) superconductor comprende cables continuos de alambre superconductor.

15. El devanador de armadura de conformidad con la reivindicación 14, caracterizado porque el cable superconductor comprende capas de alambre (16) superconductor rodeados por un sistema (18, 20) de aislamiento extruido continuamente.

16. El devanador de armadura de conformidad con la reivindicación 11, caracterizado porque el cable superconductor comprende una construcción en capas esencialmente concéntricas que incluye un pasaje (14) de enfriamiento de crio-refrigeración, un material (16) superconductor, y un aislamiento (18, 20).

17. El devanador de armadura de conformidad con la reivindicación 16, caracterizado porque el aislamiento comprende un aislamiento (20) térmico dispuesto sobre el aislamiento (18) eléctrico.

18. El devanador de armadura de conformidad con la reivindicación 16, caracterizado porque el aislamiento comprende un aislamiento (18) eléctrico dispuesto sobre el aislamiento (20) térmico.

19. Un método para construir un devanador de armadura para una máquina eléctrica, el método comprende formar un devanador de armadura con un cable superconductor.