NO330712B1 - Rotorelementer for maskin med supraledere - Google Patents

Description

Denne oppfinnelse gjelder generelt en supraledende spole i en synkronroterende maskin. Især angår oppfinnelsen en spolebærerkonstruksjon for supraledende feltviklinger i rotoren i en synkronmaskin.

Synkrone elektriske maskiner med feltspoleviklinger omfatter, men er ikke begrenset til roterende generatorer, roterende motorer og lineære motorer. Disse maskiner omfatter generelt en stator og rotor som er elektromagnetisk koplet. Rotoren kan omfatte en flerpolet rotorkjerne og en eller flere spoleviklinger montert på rotorkjernen. Rotorkjernene kan omfatte et magnetisk permeabelt, fast materiale, for eksempel en jernkjernerotor.

Konvensjonelle kopperviklinger brukes vanligvis i rotorer i synkrone elektriske maskiner. Imidlertid er den elektriske motstand i kopperviklinger (selv om den er svært liten) tilstrekkelig til å bidra til vesentlig oppvarming av rotoren og minske maskinens effektivitet. Nylig har supraledende (SC)-spoleviklinger blitt utviklet for roterer. SC-viklinger har i praksis ingen motstand og er svært fordelaktige i rotorspoleviklinger.

Jernkjernerotorer metter ved en magnetisk feltstyrke i et luftgap på omtrent 2 Tesla. Kjente supraledende rotorer bruker luftkjerne uten jern i rotoren, for å oppnå luftmagnetfelt på 3 Tesla eller mer. Disse høymagnetiske luftfelt gir øket effekttetthet i den elektriske maskin og fører til vesentlig reduksjon i maskinens vekt og størrelse. Supraledende rotorer med luftkjerne krever store mengder supraledende ledningstråd. De store mengdene SC-ledningstråd, i tillegg til antallet spoler, kompleksiteten av spolebærerne og kostnadene i forbindelse med SC-spoleviklinger og rotor.

Høytemperatur SC-spolefeltviklinger er fremstilt av supraledende materialer som er skjøre og må avkjøles til en temperatur ved eller under en kritisk temperatur, for eksempel 27°K for å oppnå og opprettholde supraledeevnen. SC-viklingene kan være fremstilt av høytemperatur, supraledende materiale, for eksempel en BSCCO (BixSrxCaxCuxOx)-basert leder.

Supraledende spoler har vært avkjølt av flytende helium. Etter å passert gjennom rotorens viklinger returneres det varme, brukte helium som gassholdig helium ved romtemperatur. Bruk av flytende helium for kryogenisk kjøling krever kontinuerlig gjenflytende-gjøring av det returnerte, gassholdige helium ved romtemperatur, og en slik gjenflytendegjøring innebærer betydelige pålitelighetsproblemer og ekstra kraft.

Tidlige SC-spolekjølingsteknikker omfatter kjøling av en epoksyimpregnert SC-spole gjennom en fast ledningsbane fira en kryokjøler. Alternativt kan kjølerør i rotoren overføre en væske og/eller gassholdig kryogen til en SC-spolevikling som er nedsenket i strømmen av væske og/eller gasskryogen. Imidlertid krever nedsenkningskjølingen at hele feltviklingen og rotorkonstruksjonen holdes ved kryogenisk temperatur. Som resultat kan ikke jern brukes i rotorens magnetiske krets på grunn av jernets skjørhet ved kryogeniske temperaturer.

Det er derfor et behov for en supraledende feltviklingsammenstilling for en elektrisk maskin som ikke har ulempene med luftkjerne og væskekjølt supraledende feltvik-lingssammenstillinger i for eksempel kjente supraledende rotorer.

Dessuten er høytemperatur, supraledende (HTS) -spoler følsomme for svekkelse på grunn av bøyning og strekk. Disse spolene må tåle store sentrifugalkrefter som belaster spole viklingene. Normal drift av elektriske maskiner innebærer tusenvis av start- og stopp-sykluser i løpet av flere år, noe som fører til lav syklusutmattelsesbelastning av rotoren. Videre bør HTS-rotorviklingen kunne motstå 25 % overhastighet på grunn av rotor-balanseringsprosedyrene ved omgivelsestemperatur, og periodevis overhastighetstilfeller ved kryogeniske temperaturer under kraftgenereringsdrift. Disse overhastighetsforhold øker vesentlig sentrifugalbelastningen på viklingene under normale drift.

SC-spoler brukt som HTS-rotorfeltvikling i en elektrisk maskin, utsettes for belast-ninger under nedkjøling og normal drift. De utsettes for sentrifugalbelastning, momentoverføring og transientfeilforhold. For å motstå kreftene og strekkbelastninger og syklisk belastning, bør SC-spolene være tilfredsstillende understøttet i rotoren ved hjelp av et spolebærersystem. Disse spolebærersystemene holder SC-spolen(e) i HTS-rotoren og sikrer spolene mot de store sentrifugalkrefter på grunn av rotorens dreining. Videre beskytter spolebærersystemet SC-spolene og sikrer at spolene ikke sprekker, blir utmattet eller på annen måte brytes i stykker for tidlig.

Utviklingen av bærersystemer for HTS-spoler har vært en vanskelig utfordring ved tilpasning av SC-spoler til HTS-rotorer. Eksempler på spolebærersystemer for HTS-rotorer som tidligere har vært foreslått, er beskrevet i US patentskrift nr. 5 548 168, 5 532 663, 5 672 921, 5 777 420, 6 169 353 og 6 066 906. Imidlertid lider disse spolebærersystemene av forskjellige problemer, for eksempel ved at de er dyre, kompliserte og krever et stort antall komponenter. Det er derfor et lenge følt behov for et en HTS-rotor med et spolebærersystem for en SC-spole. Behovet finnes også for et spolebærersystem som er rimelig og med komponenter som er lett å fremstille.

I følge oppfinnelsen, løses minst ett av de overnevnte problemer ved en rotor angitt i krav 1 og som har de karakteristiske trekk som angitt i den kjennetegnende del av kravet; og en fremgangsmåte angitt i krav 12 og som har de karakteristiske trekk som angitt i den kjennetegnende del av kravet.

Et spolebærersystem har blitt utviklet for en ovalformet, høytemperatur, supraledende (HTS) spolevikling for en topolet rotor inn i en elektrisk maskin. Spolebærersystemet hindrer skade på spoleviklingen under rotordriften, understøtter spoleviklingen i forhold til sentrifugal- og andre krefter og gir en beskyttende skjerm for spoleviklingen. Spolebærersystemet holder spoleviklingen i forhold til rotoren. HTS-spoleviklingen og spolebærersystemet holdes ved kryogenisk temperatur mens rotoren har omgivelsestemperatur.

Splitthusspolebæreren er især egnet for en høytemperatur, supraledende (HTS) elektrisk maskin med lav effekttetthet. Spolebæreren motstår de høye sentrifugal- og tangentialkrefter som ellers virker på SC-spolen. Spolehusene er anbrakt ende-mot-ende langsetter sidedelen av spoleviklingen for å fordele sentrifugal- og tangentialkrefter jevnt, som virker på spolen. For å minste varmelekkasjen har spolebærermassen blitt minimert for å minske termisk ledning fra rotoren gjennom bæreren inn i den kalde spole. Spolebæreren opprettholdes ved kryogeniske temperaturer, på samme måte som feltviklingen.

Spolebærersystemet omfatter en rekke spolebærersammenstillinger som strekker seg mellom motstående sider av den ovalformede spolevikling. Hver spolebærersammenstilling omfatter en strekkstang og et par splittspolehus. Strekkstengene strekker seg mellom motstående sider av spoleviklingen gjennom ledningsrør, for eksempel hull i rotorkjernen. Et splittspolehus i hver ende av strekkstangen er festet til spolen. Huset overfører sentrifugalkrefter fra spolen til strekkstangen. Hver spolebærersammenstilling avstiver spoleviklingen i forhold til rotorkjernen. Rekken av spolebærersammenstillinger gir en solid og beskyttende understøttelse for spoleviklingen.

Hvert splittspolehus omfatter et par motstående sidepaneler som settes sammen rundt SC-spolen og griper en ende av strekkstangen. Sidepanelene er "C"-formede deler som festes sammen ved hjelp av skruer for å omslutte spolen mellom et par sidepaneler. Klembolter holder sidepanelene sammen og hindrer at spolehuset deler seg under store sentrifugal- og tangentialbelastninger.

HTS-rotoren kan være for en synkronmaskin som opprinnelig var konstruert for å omfatte SC-spoler. Alternativt kan HTS-rotoren erstatte en rotor med kopperspole i en eksisterende elektrisk maskin, for eksempel i enn konvensjonell generator. Rotoren og dens SC-spoler er beskrevet her i forbindelse med en generator, men HTS-spolerotoren egner seg også for bruk i andre synkronmaskiner.

Spolebærersystemet egner seg for integrering av spolebærersystemet med spole og rotor. Videre gjør spolebærersystemet det lettere å forhåndssammenstille spolebærersystemet, spole og rotorkjerne før den endelige sammenstilling av rotoren. Forhånds-monteringen reduserer spole- og rotorsammenstillingstiden, forbedrer spolebærerens kvalitet og minsker variasjoner i spolesammenstillingen.

I en første utførelse er oppfinnelsen en rotor for en synkronmaskin som omfatter: en rotorkjerne, en supraledende spolevikling som strekker seg rundt minst en del av rotorkjernen og som har en sidedel nærliggende rotorkjernens side, minst en strekkstang som strekker seg gjennom hvert ledningsrør i rotorkjernen, og et hus festet til strekkstangen og som er forbundet til sidedelen av spoleviklingen, idet huset omfatter et par sidepaneler.

I en annen utførelse er oppfinnelsen en fremgangsmåte for å understøtte en supraledende spolevikling i rotorkjernen i en synkronmaskin som omfatter trinnene: strekke en strekkstang gjennom et ledningsrør i rotorkjernen, anbringe spoleviklingen rundt rotorkjernen slik at strekkstangen og strammebolten strekker seg mellom sidedelene av spolevik lingen, sette sammen et par sidepaneler av minst et hus rundt sidedelen av spoleviklingen, feste sidepaneler sammen og feste huset til en første ende av strekkstangen.

Oppfinnelsen vil nå bli beskrevet i detalj under henvisning til et eksempel på ut-førelse og de vedføyde tegninger, hvor: Fig. 1 er et skjematisk riss fira siden av en synkron elektrisk maskin med en supraledende rotor og en stator, fig. 2 er et perspektivriss av et eksempel på en ovalformet supraledende spolevikling, fig. 3 er et delvis avskåret riss av rotorkjernen, spoleviklingen og spolebærersystemet for en høytemperatur, supraledende (HTS)-rotor, fig. 4 og 5 er et perspektivriss av et splittspolehus med en spole (fig. 5) og uten en spole (fig. 4), fig. 6 er et perspektivriss av rotorkjernen, spoleviklingen og spolebærersystemet for en høytemperatur, supraledende (HTS) rotor. Fig. 1 viser et eksempel på en synkron generatormaskin 10 med en stator 12 og en rotor 14. Rotoren omfatter feltviklingsspoler som passer inne i det sylindriske rotorvakuumhulrommet 16 i statoren. Rotoren passer inne i rotorvakuumhulrommet i statoren. Når rotoren roterer med statoren genereres et magnetisk felt 18 (vist stiplet) av rotoren og rotorspolene beveger seg/roterer gjennom statoren og frembringer en elektrisk strøm i viklingene i statorspolene 19. Denne strøm blir sendt ut av generatoren som elektrisk kraft.

Rotoren 14 har en generelt langsgående akse 20 og en generelt fast rotorkjerne 22. Den faste kjerne 22 har høy magnetisk permeabilitet og er vanligvis fremstilt av et ferromagnetisk materiale, for eksempel jern. I en supraledende maskin med lav effekttetthet brukes jernkjernen i rotoren for å minske den magnetomotive kraft (MMF). Den reduserte MMF minsker mengden av supraledende (SC) spoletråd som kreves for spoleviklingen. For eksempel kan den faste jernrotorkjerne bli magnetisk mettet ved en magnetfeltstyrke med luftgap, på omtrent 2 Tesla.

Rotoren 14 bærer minst én langsgående, ovalformet, høytemperatur, supraledende (HTS) spolevikling 34 (se fig. 2). HTS-spoleviklingen kan alternativt ha en salform eller en annen form som egner seg for en bestemt HTS-rotorutførelse. Et spolebærersystem er beskrevet her for en ovalformet SC-spolevikling. Spolebærersystemet kan tilpasses for andre spolekonfigurasjoner enn en ovalformet spole montert på en fast rotorkjerne.

Rotoren omfatter et par endeaksler som fester rotorkjernen 22. en kollektor-endeaksel 24 har kollektorringer 78 som gir en utvendig elektrisk kopling for SC-spolen. Kollektorendeakselen omfatter også en kryogenisk overføringskopling 26 til en kilde av kryogenisk kjølefluid som brukes for å kjøle SC-spoleviklingene i rotorene. Den kryogeniske overføringskopling 26 omfatter et stasjonært segment koplet til en kilde av kryo-genkjølefluid og et roterende segment som gir kjølefluid til HTS-spolen. Den motstående ende av en drivaksel 30 som kan være forbundet til en kraftturbin. Endeakslene bæres av lagre 25 som gir støtte for hele rotoren.

Fig. 2 viser et eksempel på en ovalformet HTS-feltspolevikling 34. SC-feltvik-lingsspolene 34 i rotoren omfatter en høytemperatur, supraledende (SC) spole 36. Hver SC- spole omfatter en høytemperatur, supraledende leder, for eksempel BSCCO (BixSrxCaxCuxOx) ledninger som er laminert i et fast epoksyimpregnert viklings-komposittmateriale. For eksempel kan en rekke BSCCO 2223-ledninger lamineres, bindes sammen og vikles i en solid epoksyimpregnert spole.

SC-ledningstrådene er skjøre og kan lett skades. SC-spolen er typisk lagviklet SC-bånd som er epoksyimpregnert. SC-båndet vikles på en nøyaktig spoleform til små toleranser. Båndet vikles rundt i spiralform for å danne den ovalformede SC-spole 36.

Dimensjonene av den ovalformede spole er avhengig av rotorkjernens dimensjoner. Generelt omslutter hver ovalformet SC-spole rotorkjernens magnetpoler og er parallell med rotoraksen. Spoleviklingene er kontinuerlig rundt den ovale form. SC-spolene danner en motstandsfri, elektrisk strømbane rundt rotorkjernen og mellom kjernens magnetpoler. Spolen har elektriske kontakter 79 som elektrisk forbinder spolen til kollektaren 78.

Fluidpassasjene 38 for kryogenisk kjølefluid finnes i spoleviklingen 34. Disse passasjene kan strekke seg rundt ytterkanten av SC-spolen 36. Passasjene leverer kryogenisk kjølefluid til spolen og fjerner varme fira spolen. Kjølefluidet holder de lave temperaturer, for eksempel 27 °K i SC-spoleviklingen som trengs for å opprettholde supraledende forhold, herunder fravær av elektrisk motstand i spolen. Kjølepassasjene har inngangsfluidport 39 og en utgangsfluidport 41 i en ende av rotorkjernen. Disse fluid (gass) porter 39, 41 forbinder kjølepassasjene 38 på SC-spolen til rør i rotorendeakselen 24 som strekker seg til den kryogeniske overføringskopling 26.

Hver HTS-spolevikling 34 av oval form, har et par generelt rettsidede deler 40 parallelle med en rotorakse 20 og et par endedeler 54 som står loddrett på rotoraksen. Sidedelene av spolen utsettes for de største sentrifugalkreftene. Følgelig bære sidedelene av et spolebærersystem som motvirker sentrifugalkreftene som virker på spolen.

Fig. 3 viser et delvis avskåret riss av en rotorkjerne 22 og et spolebærersystem for en høytemperatur, supraledende (HTS) spolevikling. Spolebærersystemet omfatter en rekkespolebærersammenstillinger som strekker seg gjennom rotorkjernen, og mellom motstående sider av HTS-spoleviklingen. Hver spolebærersammenstilling omfatter en strekkstang 42 som strekker seg gjennom et ledningsrør 46 i rotorkjernen og et splittspolehus 44 som er festet til stangen og fester spoleviklingen. Spolebærersystemet gir en strukturell ramme for spoleviklingen i rotoren.

Hovedbelastningen av HTS-spoleviklingen 34 kommer fra sentrifugalakselerasjon under rotordreiningen. Spolebærersammenstillingene er hver tilpasset sentrifugalbelastningen av spolen for å tilveiebringe en effektiv, strukturell understøttelse av spoleviklingen under belastningen. For å understøtte sidedelen av spolen, er strekkstangen 42 festet til splittspolehusene 44. Husene griper motstående sidedel av spolen. Strekkstengene 42 strekker seg gjennom en rekke ledningsrør 46 i rotorkjernen. Disse stengene er tilpasset rotorkjernens kvadraturakse.

Splittspolehusene 44 understøtter spoleviklingen 34 mot sentrifugalkrefter og tangentialmomentkrefter. Sentrifugalkreftene oppstår på grunn av rotorens dreining. Tangentialkreftene kan oppstå fra rotorens akselerasjon og deselerasjon og moment-overføring. siden langsidene 40 av rotorviklingen er omsluttet av splittspolehusene 44 og de flate ender 86 av strekkboltene, er sidene av spoleviklingen fullt understøttet inne i rotoren.

Ledningsrørene 46 er generelt sylindriske passasjer i rotorkjernen med en rett akse. Ledningsrørenes diameter er vesentlig konstant. Imidlertid kan endene 88 av ledningsrørene ha en større diameter for å romme et isolasjonsrør 52. Dette rør står overfor stangen 42 i led-ningsrøret og gir en termisk isolasjon mellom rotorkjernen og stangen.

I enden av hver strekkstang fester isolasjonsrøret 52 spolebærerkonstruksjonen til den varme rotoren og hindrer varmekonveksjon derimellom. I tillegg er en låsemutter 84 forbundet til isolasjonsrøret 52 som ytterligere fester forbindelsen til strekkstangen. Låsemutteren 84 og røret 52 fester strekkstangen og splitthuset til rotorkjernen samtidig som varmeoverføring fra den varme rotor til huskonstruksjonen minimeres.

Isolasjonsrøret 52 er fremstilt av et termisk isolerende materiale. Én ende av røret kan omfatte en utvendig ring (ikke vist) som hviler mot veggen i den utvidede ende 88 av ledningsrøret. Den andre ende av røret omfatter en innvendig ring (ikke vist) som griper låsemutteren 84 som holder strekkstangen til isolasjonsrøret. Varme fira rotoren vil måtte ledes gjennom lengden av isolasjonsrøret 52 og låsemutteren 84 før den når strekkstangen. Således isolerer isolasjonsrøret termisk strekkstangen fra rotorkjernen.

Antallet ledningsrør 46 og deres plassering på rotorkjernen avhenger av plasseringen av HTS-spolene og antall spolehus som trengs for å bære spolenes sidedeler. Aksene av ledningsrørene 46 er generelt i et plan som dannes av den ovalformede spole. I tillegg står ledningsrørenes akse loddrett på spolens sidedeler. Videre står ledningsrørene loddrett på og gjennomskjærer rotoraksen i den viste utførelse. Antallet ledningsrør og deres plassering vil avhenge av HTS-spolenes plassering og antallet spolehus som trengs for å bære spolenes sidedeler.

Det finnes generelt to kategorier av understøttelse av den supraledende vikling: (i) "varme" bærere og (ii) "kalde" bærere. I en varm bærer er bærekonstruksjonene termisk isolert fira de avkjølte SC-viklinger. Med varme spolebærere bæres det meste av den mekaniske belastning av en supraledende (SC) spole av konstruksjonselementer som strekker seg mellom kalde spoler og de varme bærerelementer.

I et kaldt spolebærersystem er bærersystemet nær den kalde, kryogeniske temperatur i SC-spolene. I kalde bærere blir det meste av den mekaniske belastning av en SC-spole båret av spolebærerelementene som holdes ved eller nær kryogenisk temperatur.

Eksemplet på spolebærersystemet beskrevet her, er et kaldt system ved at strekkstengene 42, boltene 43 og tilhørende splitthus 44 holdes ved eller nær en kryogenisk temperatur. Siden spolebærerelementene er kalde vil disse elementene være termisk isolert, for eksempel av de ikke-berørende ledningsrør gjennom rotorkjernen, fra rotorkjernen og de andre "varme" komponentene i rotoren.

HTS-spoleviklingen og spolebærerkomponentene holdes alle ved kryogenisk temperatur i motsetning til rotorkjernen som holder "varm" omgivelsestemperatur. Spolebærerne er potensielle kilder for termisk ledning som kan føre varme til HTS-spolene fra rotorkjernen. Rotorkjernen blir varm under drift. Ettersom spoleviklingene holdes under suprakjølte forhold, må varmeledning til spolene fra kjernen unngås.

Spolebærersystemet er termisk isolert fra rotorkjernen. For eksempel, er strekkstengene og boltene ikke i direkte berøring med rotoren. Denne mangel på berøring unngår at varme ledes fra rotoren til strekkstengene og spolene. I tillegg har spolebærersystemets masse blitt minimert for å minste den termiske ledning gjennom bærersammenstillingene til spoleviklingene fra rotorkjernen.

Hver strekkstang 42 er en aksel med kontinuitet i langsetter stangen og i planet av den ovalformede spole. Strekkstangen er typisk fremstilt av sterke, ikke-magnetiske legeringer, for eksempel aluminium eller Inconellegeringer. Strekkstengenes langsgående kontinuitet gir sideveis stivhet til spolene, noe som også gir rotordynamiske fordeler. Videre tillater den sideveis stivhet av strekkstengene 42 integrering av spolebæreren med spolene, slik at spolene kan settes sammen med spolebæreren på rotorkjernen før den endelige sammenstilling av rotoren.

Det flate 86 hode av strekkstangen støtter en innside av spoleviklingens side. Enden 86 av strekkstangen kan være serratert, slik at den kan gripe inn i ringformede kanter 134 av en sammenstilling av to spolehussidepaneler 124 (se fig. 5). De andre tre overflatene av sidene 40 av spoleviklingen bæres av splitthuset 44. Hvert splitthus er satt sammen rundt spolen og danner et spolehus sammen med skruehodet. Dette hus understøtter spoleviklingen overfor tangential- og sentrifugalbelastninger. Huset lar også spoleviklingen ekspandere og trekke seg sammen i langsgående retning.

Fig. 4 og 5 (og fig. 3) viser halvparten av eksemplet på "C"-formede sidepaneler 124 av splitthuset 44. Et par sidepaneler fester motstående sider av spolen 34. Videre er sidepaneler anordnet ende-mot-ende langs hver side av en spole for å danne en kontinuerlig spolebærersammenstilling langs en sidedel 40 av en spolevikling 34. En innside av hvert sidepanel har en smal slisse 130 for å motta kilen og en "L"-formet kanal 132 for å motta en side av spolen. En sideflate og en innside av spolen hviler på loddrette sider av kanalen 132 av sidepanelet. Et motstående sidepanel er satt sammen rundt spolen og bærer den samme innvendige spoleside og en motstående spolesideflate.

Utsiden av spolen bæres av en kile 126 som strekker seg mellom sidepanelene på motsatte sider av spolen. En enkelt kile kan være delt (som vist på fig. 4 og 5) og strekker seg halvveis over spolen hvor den hviler mot en annen splittkile. Kilen 126 passer inn i den smale slisse 130 av et sidepanel. Kilen omfatter en kanal 127 for å motta kjølepassasjen 138 på utsiden av spolen. Videre kan kilen omfatte en rekke hull 131 som står overfor hull 133 i overkanten av sidepanelet. Hvert par av disse hullene 131, 133 mottar låsepinner 136 (fig. 3) som strekker seg gjennom de motstående sidepaneler og kiler for å klemme toppkantene av sidepanelene og kilene sammen.

Kilen kan integreres til sidepanelet og strekke seg over halvparten av spolens bredde, som vist på fig. 4. Alternativt kan kilen være en egen komponent som settes sammen med sidepanelet og som kan strekke seg over halvparten eller hele bredden av spolen til et motstående sidepanel. Videre behøver ikke kilen ha samme utstrekning som sidepanelet. Kilen kan strekke seg utenfor lengden av et sidepanel og gripe en slisse 130 i et nærliggende sidepanel (som vist på fig. 4). Alternativt kan kilen ha samme utstrekning som sidepanelet, som vist på fig. 5.

Sidepanelene 124 har en nedre flens 125 som innsiden av spolen hviler på. Et boltehull 142 i den nedre flens gjør det mulig å klemme bolter for å holde sammen den nedre del av huset 44. Den nedre flens griper også strekkstangen 42 eller strammebolten 43 (avhengig av om det brukes en fast strekkstang eller en strekkstang og boltsammenstilling).

Hvert sidepanel (en halvdel er vist på fig. 4 og 5) har en halvdel 134 av et hull for å gripe en strekkstang eller en strammebolt. Sidepanelene vist på fig. 4 og 5 har en halvdel 134 som danner et hull (når satt sammen med to par sidepaneler) for å gripe en serratert ende av strekkstangen 42 (fig. 5) eller hodet av en strammebolt (fig. 4). Hullet er dannet av sidepanelet vist på fig. 4 har et glatt hull og en ringformet kant 137 for å gripe boltehodet 43. Alternativt er hullet dannet av halvdelen 134 av sidepanelet vist på fig. 5, serratert og griper den serraterte ende av strekkstangen. Følgelig kan splitthuset 44 brukes enten med en strekkstang og en bolt eller en strekkstang uten bolt. Videre kan en låsemutter 138 (fig. 6) settes inn i det gjengede hull 134 og låsemutteren kan ha et innvendig hull og kant for å holde strammebolthodet 43 fast.

Uansett måten som strammebolten eller strekkstangen er festet til den nedre flens 135 på sidepanelet, festes enden av bolten eller stangen slik at den hviler mot innsiden av spolen. På denne måte bærer enden av strammebolten eller stangen spolen direkte.

Splitthuset kan være fremstilt av et lett, meget sterkt materiale som er formbart ved kryogeniske temperaturer. Typiske materialer for splitthusene er aluminium, titan eller Inconellegeringer. Formen av splitthuset har blitt optimert for liten vekt.

Som vist på fig. 6 kan en rekke splittspolehus 44 (og tilhørende strammebolter 43 og stenger 42) anbringes langs sidene 40 av spoleviklingen. Strammeboltene 43 skrues inn i gjengede hull (ikke vist) i enden av strekkstangen. Dybden som bolten skrus inn i stangen med, er justerbar. Den totale lengde av strekkstang- og boltsammenstillingen (som strekker seg mellom spolens sider) kan endres ved å rotere en eller begge skruer inn eller ut av hullet i strekkstengene. Boltehodet eller enden av strekkstangen omfatter en flens med en flat ytterside 86. Flensen griper kanten av splitthuset vist på fig. 4. Det flate hode 86 av bolten eller stangen hviler mot innsiden av spoleviklingen 34.

Husene er anordnet ende-mot-ende langsetter sidedelen 40 av spolen. Splitthusene fordeler samlet kreftene som virker på spolen, for eksempel sentrifugalkrefter, over vesentlig hele sidedelene 40 av spolen. Splitthusene 44 hindrer at spolesidedelene 40 bøyer seg for meget på grunn av sentrifugalkrefter.

De flere splitthus 44 holder spolen effektivt på plass uten å påvirkes av sentrifugalkrefter. Selv om splitthusene er vist nær hverandre behøver husene bare å være så nær som det er nødvendig for å hindre at spolen svekkes på grunn av bøyning og strekk på grunn av sentrifugalbelastning, momentoverføring og transientfeil.

Spolebærerne hindrer ikke spolene i å utvide seg og trekke seg sammen under normal start/stopp av gassturbinen. Især er den termiske utvidelse primært rettet langsetter sidedelene. Således kan sidedelene av spolen gli langsetter i forhold til splitthuset og strekkstengene.

Spolebærersystemet med strekkstenger, bolter 43 og splitthus 44 kan settes sammen med HTS-spoleviklingene 34 når de monteres på rotorkjernen 22. Strekkstengene og splitthusene gir en ganske stiv konstruksjon for å bære spoleviklingen og holde langsiden av spoleviklingen på plass i forhold til rotorkjernen. Endene av spolen kan bæres av en splittklemme (ikke vist) i de aksiale ender av (men ikke i berøring med) rotorkjernen 22.

Rotorkjernen og endeakslene kan være diskrete komponenter som settes sammen. Jernrotorkjernen 22 har en generelt sylindrisk form 50 som egner seg for dreining i rotorhulrommet 16 i statoren 12. For å motta spoleviklingen har rotorkjernen inntrykte overflater 48, for eksempel flate eller trekantede områder eller slisser. Disse overflatene 48 er dannet i den buede overflate 50 av den sylindriske kjerne og strekker seg langsetter over rotorkjernen. Spoleviklingen 34 er montert på rotoren nær de inntrykte områder 48. Spolene strekker seg generelt langs en ytterside av det inntrykte område og rundt enden av rotorkjernen. De inntrykte overflater 48 av rotorkjernen mottas av spoleviklingen. Formen av det inntrykte område samsvarer med spoleviklingen. Hvis for eksempel spoleviklingen har en salform eller en annen form, vil fordypningen(e) i rotorkjernen kunne konfigureres for å kunne motta viklingens form.

De inntrykte overflater 48 mottar spoleviklingen slik at yttersiden av spoleviklingen strekker seg vesentlig til en omslutning dannet av rotorens dreining. De utvendige, buede overflater 50 av rotorkjernen under dreining, danner en sylindrisk envelopp. Denne dreiningsenvelopp av rotoren har vesentlig samme diameter som vakuumrotorhulrommet 16 (se fig. 1) i statoren.

Mellomrommet mellom rotorenveloppen og statorhulrommet 16 er en relativt liten klaring, akkurat nødvendig for den tvungne ventileringskjøling av statoren siden rotoren ikke krever noen ventilert kjøling. Det er ønskelig å minimere klaringen mellom rotor og stator for å øke den elektromagnetiske kopling mellom rotorspoleviklingene og statorvik-lingene. Videre er rotorspoleviklingen fortrinnsvis anbrakt slik at den strekker seg til enveloppen dannet av rotoren og således blir separert fra statoren bare av klaringsmellomrommet mellom rotoren og statoren.

Rotorkjernen, spoleviklingen og spolebærersammenstillingene blir satt sammen på forhånd. Forhåndssammenstillingen av spolen og rotorbæreren minsker produksjons-syklusen, forbedrer spolebærerkvaliteten og minsker variasjoner i spolesammensetningen. Før rotorkjernen settes ammen med rotorendeakslene og andre komponenter i rotoren, settes strekkstengene 42 inn i hver av ledningsrørene 46 som strekker seg gjennom rotorkjernen. Isolatorrøret 52 i hver ende av strekkstangen blir plassert i den utvidede ende 88 av hver ende av ledningsrørene 46. Røret 52 låses på plass av en låsemutter 84. Boltene 43 kan eventuelt settes før eller etterat strekkstengene settes inn i rotorkjerneledningsrørene.

Når det brukes strammebolter blir en låsemutter 138 plassert på hver bolt og deretter brukt for å feste bolten mot splitthuset. Dybden som boltene skrues inn i i strekkstengene velges slik at lengden fra enden av en bolt på en strekkstang til enden av den motstående bolt, er avstanden mellom langsidene 40 av spoleviklingen. Når strekkstengene og boltene settes sammen i rotorkjernen 22, er spoleviklingene 34 klar til å settes inn i kjernen.

Spoleviklingen 34 settes inn i rotorkjernen slik at de flate ender 86 av strekkstengene 42 eller boltene 43 hviler mot innsiden av sidedelene 40 av viklingen. Etterat viklingen har blitt satt inn over enden av stangen 42 eller boltene 43, settes splitthusene 44 sammen over viklingen. For å sette sammen hvert hus blir sidepanelene plassert mot motstående side av spolen og kilene blir skjøvet inn i de smale slissene 130 av sidepanelene. Låsepinnen settes inn for å holde kilene og sidepanelene sammen. Låsemutteren 138 brukes for å stramme sidepanelene sammen mot bolten.

Rotorkjernen kan innkapsles i en sylindrisk skjerm 90 av metall (vist stiplet) som beskytter den supraledende spolevikling 34 mot virvelstrømmer og andre elektriske strøm-mer som omslutter rotoren og tilveiebringer en vakuumenvelopp for å holde et hardt vakuum rundt rotoren kryogeniske komponenter. Den sylindriske skjerm 90 kan være fremstilt av et meget ledende materiale, for eksempel en kopperlegering eller aluminium.

SC-spoleviklingen 34 holdes i et vakuum. Vakuumet kan dannes av skjermen 90, som kan omfatte et sylindrisk lag av rustfritt stål som danner et vakuumkar rundt spolen og rotorkjernen.

Spolesplitthusene, strekkstengene og boltene (spolebærersammenstillingen) kan settes sammen med spoleviklingen før rotorkjernen og spolene settes sammen med kragen og andre komponenter av rotoren. Følgelig kan rotorkjernen, spoleviklingen og spolebærersystemet settes sammen som en enhet før de andre komponentene av rotoren og synkronmaskinen settes sammen.

Selv om oppfinnelsen har blitt beskrevet i forbindelse med det som anses å være den mest praktiske og foretrukne utførelse, vil det fremgå at den ikke er begrenset til den beskrevne utførelse, men snarere er ment å dekke alle utførelser som faller innenfor kravene.

Claims (16)

1. Rotor i en synkronmaskin (10), med en rotorkjerne (22) og en supraledende spolevikling (34) som strekker seg rundt minst en del av rotoren, idet spoleviklingen har en sidedel (40) nær en ende av rotorkjernen,karakterisert vedminst én strekkstang (42) som strekker seg gjennom en ledning (46) i rotorkjernen, og et hus (44) festet til strekkstangen og sidedelen (40) og utrustet med et par sidepaneler (124).

2. Rotor ifølge krav 1,karakterisert vedat sidepanelene (124) befinner seg på motstående flater av sidedelen (40).

3. Rotor ifølge krav 1,karakterisert vedat huset (44) og strekkstangen (42) kjøles ved overføring fira spoleviklingen.

4. Rotor ifølge krav 1,karakterisert vedat huset videre omfatter en kile (126) som overbygger sidepanelene og hviler mot en ytterside av spoleviklingen.

5. Rotor ifølge krav 1,karakterisert vedat strekkstangen omfatter en bolt (43) med en flat overflate (86) som hviler mot spolen og som har en bredde som samsvarer med sidedelen.

6. Rotor ifølge krav 1,karakterisert vedat strekkstangen har en serratert ende som griper et serratert hull (134) dannet av flere sidepaneler.

7. Rotor ifølge krav 1,karakterisert vedat en sammenstilling av to sidepaneler danner et hull (134) for å gripe en ende av en strekkstang og en strammebolt.

8. Rotor ifølge krav 1,karakterisert vedat sidepanelet har et par loddrette overflater (132) som hviler mot spolen.

9. Rotor ifølge krav 1,karakterisert vedat huset (44) er fremstilt av et metallmateriale som velges fira en gruppe som består av aluminium, Inconel og titaniumlegeringer.

10. Rotor ifølge krav 1,karakterisert vedat strekkstangen (42) er fremstilt av en ikke-magnetisk metallegering.

11. Rotor ifølge krav 1,karakterisert vedat strekkstangen (42) er fremstilt av en Inconel-legering.

12. Fremgangsmåte for å bære en supraledende spolevikling (34) i rotorkjernen (22) i en synkronmaskin (10),karakterisert vedå: a. forlenge en strekkstang (42) gjennom et ledningsrør (46) i rotorkjernen, b. anbringe spoleviklingen rundt rotorkjernen slik at strekkstangen strekker seg mellom spoleviklingens sidedeler, c. sette sammen et par sidepaneler (124) av minst et hus (44) rundt en sidedel av spoleviklingen, d. feste sidepaneler sammen, og e. feste huset til en første ende av strekkstangen.

13. Fremgangsmåte ifølge krav 12,karakterisert vedgjentakelse av trinnene c, d oge.

14. Fremgangsmåte ifølge krav 12,karakterisert vedat trinn c utføres ved å sette sammen flere sidepaneler rundt et flenshode (122) i enden av strekkstangen.

15. Fremgangsmåte ifølge krav 12,karakterisert vedat trinnet med å sette sammen et par sidepaneler utføres ved å sette sammen flere sidepaneler for å danne et serratert hull (134) og gripe en serratert ende av strekkstangen i hullet.

16. Fremgangsmåte ifølge krav 12,karakterisert vedat flere strekkstenger (42) settes inn i flere ledningsrør (46) i rotorkjernen og blir festet til spoleviklingen.