NO331352B1 - Supraledende maskinrotorspole og tilhorende stotteelementer - Google Patents

Abstract

En rotor for en synkron maskin og med en rotorkjerne, en supraledende spolevikling som strekker seg rundt minst en del av rotorkjernen, idet spoleviklingen har en spoleendedel nær en ende av rotorkjernen og en spolebærer som avstiver endedelene og som er termisk isolert fra rotorkjernen.

Description

Denne oppfinnelse gjelder generelt en supraledende spole i en synkron roterende maskin. Især angår oppfinnelsen en bærerkonstruksjon for supraledende feltviklinger i rotoren i en synkronmaskin.

Synkrone elektriske maskiner har feltspoleviklinger men er ikke begrenset til dreiende generatorer, dreiende 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 lav etter vanlig standard) tilstrekkelig for å bidra til vesentlig oppvarming av rotoren og minske maskinens effekt. 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 med luftgap på omtrent 2 Tesla. Kjente supraledende rotorer bruker luftkjerner uten jern i rotoren, for å oppnå magnetfelt i luftgap på 3 Tesla eller mer. Disse luftgap-magnetfelt gir øket effekttetthet i den elektriske maskin og fører til vesentlig reduksjon i maskinens vekt og størrelse. Luftkjerne, supraledende rotorer krever store mengder supraledende ledningstråd. De store mengder SC-ledningstråder, i tillegg til antallet nødvendige spoler, kompleksiteten av spolebærerne og kostnadene for SC-spoleviklinger og rotor.

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

Supraledende spoler har blitt avkjølt av flytende helium. Etter å passert gjennom rotorens viklinger blir det varme, brukte helium returnert som gassformet helium ved romtemperatur. Bruk av flytende helium for kryogenisk kjøling behøver kontinuerlig gjenflytendegjøring av det returnerte, gassholdige helium ved romtemperatur og en slik gjenflytendegjøring innebærer betydelige pålitelighetsproblemer og mye ekstra kraft.

Tidlige SC-spolekjølingsteknikker omfatter kjøling av en epoksyimpregnert SC-spole via en fast ledningsbane fra en kryokjøler. Alternativt kan kjølerørene i rotoren transportere flytende og/eller gassholdig kryogen til en porøs SC-spolevikling som nedsenkes i strømmen av flytende og/eller gassholdig kryogen. Imidlertid krever nedsenkningskjølingen at hele feltviklingen og rotoren holdes ved kryogenisk tempera tur. Som resultat kan ikke jern brukes i rotorens magnetkrets på grunn av jernets skjørhet ved kryogeniske temperaturer.

Det er derfor et behov for en supraledende feltvikling 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 strekkbelastninger. Disse spolene må tåle store sentrifugale og andre akselerasjonskrefter som belaster spoleviklingene. Normal drift av elektriske maskiner innebærer flere tusen start- og stoppsykluser i løper av flere år, noe som fører til lav syklus tretthetsbelastning av rotoren og bøyebevegelsen som belaster rotorspolen. Videre bør HTS-rotorspoleviklingen kunne motstå 25 % overhastighet under rotorbalanseringen ved romtemperatur, og uansett periodevis overhastighetstilstander ved kryogeniske temperaturer under effektgenereringen. Disse overhastighetstilstander øker vesentlig sentrifugalkraftbelastningen på viklingene under normal drift.

SC-spoler brukt som HTS-rotorfeltvikling i en elektrisk maskin, utsettes for belastninger under nedkjøling og normal drift. De utsettes for sentrifugalbelastning, bøyning, momentoverføring og transientfeil. For å kunne motstå kreftene, belastningene og syklisk belastning, bør SC-spolene være skikkelig understøttet i rotoren av et spolebærersystem. Disse bærersystemene holder SC-spolen(e) i HTS-rotoren og sikrer spolene mot de store sentrifugale og andre akselerasjonskrefter på grunn av rotorens dreining. Videre beskytter spolebærersystemet SC-spolene og sikrer at spolene ikke sprekker, går trett eller på annen måte brytes for tidlig.

En utfordring i utviklingen av en høytemperatur, supraledende (HTS) elektrisk maskin er å opprettholde den strukturelle integriteten av den supraledende feltspole. På grunn av spolens skjørhet er den kritiske strøm i en BSCCO-basert spole følsom for mekanisk belastning i spolen. Følgelig bør den mekaniske belastning i SC-spolen minimeres for å opprettholde det optimale nivå for kritisk strøm.

En solid spolebærer er nødvendig for å minimere den mekaniske belastningen i SC-spolen for en rotor i en synkronmaskin. Ved å minimere spolebelastningen sikrer spolebæreren at spolen opprettholder sin kritiske strømevne. I tillegg til å minimere spolebelastningen bør spolestøtten ikke lede varme fira rotoren til den kryogeniske spole.

Utvikling av støttesystemer for HTS-spoler har vært en vanskelig utfordring ved tilpasning av SC-spoler til HTS-rotorer. Eksempler på spolebærersystemer for HTS-rotorer har tidligere vært foreslått og beskrevet i US patentskrift nr. 5 548 168, 5 532 663, 5 672 921, 5 777 420, 6169 353 og 6 066 906. Imidlertid lider disse spolebærersystemene av forskjellige problemer, for eksempel at de er dyre, kompliserte og krever et stort antall komponenter. Det er derfor et lenge følt behov for en HTS-rotor med et spolebærersystem for en SC-spole. Behovet finnes også for et spolebærersystem som er rimelig og har komponenter som er lett å fremstille.

Fra den kjente teknikk skal det vises til US 4 443 722 som beskriver en rotor i en synkronmaskin bestående av en rotorkjerne, en supraledende spolevikling som strekker seg rundt minst en del av rotorkjernen, idet spoleviklingen har en spoleendedel nær en ende av rotorkjernen og en spolebærer som avstiver denne endedel og er termisk isolert fra rotorkjernen.

I følge oppfinnelsen, løses minst ett av de overnevnte problemer ved et apparat angitt i krav 1 og som har de karakteristiske trekk som angitt i den kjennetegnende del av kravet; og en fremgangsmåte angitt i krav 8 og som har de karakteristiske trekk som angitt i den kjennetegnende del av kravet.

En spolebærer har blitt utviklet som har en splittklemme som griper enden av en ovalformet SC-spole. Klemmen gir stivhet til spolen og hindrer at spolen bøyer seg under sentrifugalakselerasjon. Ved å avstive spolen minimerer klemmen belastningen i spolen og opprettholder derved spolens kritiske strømevne.

Splittklemmen er et frittflytende feste for spolen og er ikke festet til rotoren. Således kan splittklemmen holdes ved kryogenisk, kald temperatur sammen med spolen. Den frittflytende klemme er termisk isolert fra varme konstruksjonsdeler, for eksempel rotorkjernen og endeakselkragen. Den frittflytende klemme krever ikke isolasjonsdeler for å hindre varme fra rotoren i å lede gjennom klemmen inn i spolen.

HTS-rotoren kan være for en synkronmaskin som opprinnelig var konstruert for å omfatte SC-spoler. Alternativt kan HTS-rotoren erstatte en kopperspolerotor i en eksisterende, elektrisk maskin, for eksempel en 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, med splittklemmen, er anvendelig ved integrering av spolebærersystemet i spole og rotor. I tillegg gjør spolebærersystemet det lettere å forhåndsmontere spolebærersystemet, spole og rotorkjernen før den endelige sammenstil-lingen av rotoren. Forhåndsmonteringen reduserer spole- og rotor-monteringstiden, forbedrer spolebærerkvaliteten og minsker variasjoner i monteringen.

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, idet spoleviklingen har en spoleendedel nærliggende en ende av rotorkjernen og en spolebærer som forsterker endedelen og som er termisk isolert fra rotorkjernen.

I en andre utførelse er oppfinnelsen en fremgangsmåte for å understøtte en supraledende spolevikling på en rotorkjerne i en synkronmaskin som omfatter trinnene med: avstive en endedel av spoleviklingen med en endespolebærer, montere spoleviklingen, endespolebæreren og rotorkjernen, feste en rotorendeaksel til rotorkjernen, og termisk isolere spolebæreren fra rotorkjernen og akselen.

I en tredje utførelse er oppfinnelsen en rotor for en synkronmaskin som omfatter: en rotorkjerne med minst en rotorkjerneende som står loddrett på en langsgående akse av rotoren, minst en endeaksel festet til rotorkjerneenden, en oval, supraledende (SC) spolevikling som strekker seg rundt rotorkjernen og som har en spoleendedel nærliggende rotorenden, en spolebæreravstivning festet til spoleendedelen og som er termisk isolert fra rotorkjernen og rotorendeakselen.

Oppfinnelsen vil nå bli beskrevet i detalj under henvisning til et eksempel på ut-førelse og vedføyde tegninger hvor: Fig. 1 er et skjematisk sideriss av en synkron, elektrisk maskin med en supraledende rotor og en stator, fig. 2 er et perspektivriss av et eksempel på en oval, supraledende spolevikling, fig. 3 er et utsprengt riss av komponentene i en høytemperatur, supraledende (HTS) rotor, fig. 4-6 er perspektivriss som viser monteringsfremgangs-måten for HTS-rotoren vist på fig. 3. 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 inn i rotorvakuumhulrommet i stator. Når rotoren dreier med statoren, genereres et magnetfelt 18 (vist stiplet) av rotoren og rotorspolenes bevegelse/dreininger gjennom statoren og frembringer en elektrisk strøm i viklingene i statorspolene 19. Denne strøm blir sendt av generatoren som elektrisk kraft.

Rotoren 14 har generelt en 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 redusere den magnetomotive kraft (MMF) og således minimerer mengden av supraledende (SC) spoleledningstråd som behøves for spoleviklingen. For eksempel kan den faste jernrotorkjerne være magnetisk mettet ved en magnetfeltstyrke med luftgap på omtrent 2 Tesla.

Rotoren 14 understøtter minst en langstrakt, ovalformet, høytemperatur, supraledende (HTS) spolevikling 34 (se fig. 2). HTS-spoleviklingen kan alternativt være salformet eller ha en annen form som egner seg for en bestemt HTS-rotorkonstruksjon. Spolebærersystemet er beskrevet her for en ovalformet SC-spolevikling. Spolebærersystemet kan være tilpasset for andre spolekonfigurasjoner enn en ovalformet spole montert på en fast rotorkjerne.

Rotoren omfatter en kollektorendeaksel 24 og en drivendeaksel 30 som bæres av lagrene 25. KoUektorendeakselen omfatter kollektorringer 78 som gir en eksternt, elektrisk kontakt til SC-spolen via spolekontaktene 79. KoUektorendeakselen 24 har også en kryogenisk overføringskopling 26 til en kilde av kryogenisk kjølefluid som brukes for å kjøle SC-spoleviklingene i rotoren. Kryogenoverføringskoplingen 26 omfatter et stasjonært segment koplet til en kilde av kryogenkjølefluid og et dreiende segment som leverer kjølefluidet til HTS-spolen. Rotorens drivaksel 30 kan drives av en kraftturbin via en drivkopling 32.

Fig. 2 viser et eksempel på en HTS-spolevikling 34 av oval form. 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) ledningstråder, laminert i et fast epoksyimpregnert viklingskompositt-materiale. For eksempel kan en rekke BSCCO 2223 ledninger være laminert, festet sammen og viklet i en fast, epoksyimpregnert spole.

SC-tråden er skjør og kan lett skades. SC-spolen er typisk lagviklet SC-bånd som er epoksyimpregnert. SC-båndet vikles i en nøyaktig spoleform til små toleranser. Båndet vikles rundt i en spiralform for å danne den ovale SC-spolen 36.

Dimensjonene av den ovale spole er avhengig av rotorkjernens dimensjoner. Generelt omslutter hver ovale SC-spole magnetpolene for rotorkjernen og er parallell med rotoraksen. Spoleviklingene er anbrakt 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 kollektorringene 78.

Fluidpassasjer 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 fra spolen. Kjølefluidet holder de lave temperaturer, for eksempel 27°K i SC-spoleviklingen som kreves for å oppnå supraledende forhold, og fravær av elektrisk motstand i spolen. Kjølepassasjene har en inngangsfluidport 39 og en utgangsport 41 i en ende av rotorkjernen. Disse fluid (gass) porter 39, 41 forbinder kjølepassasjene 38 på SC-spolen til passasjen som fører til kryo-genoverføringskoplingen 26.

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

Endedelene 54 av spoleviklingen utsettes for vesentlige bøyebevegelser når rotoren akselereres og deselereres under driften av maskinen. Endespoledelene 54 strekker seg radialt over enden 56 av rotoren. På grunn av at endedelen strekker seg radialt varierer akselerasjonen av spoleendedelen langsetter dens lengde. Således vil det være bøyebevegelser i spoleendedelen under rotorens akselerasjon og deselerasjon. Bøyebevegelsene mot endedelen kan være mer fremtredende enn eventuelle bøyebevegelser mot sidedelen 40 av spolen.

Bøyning i en SC-spole innebærer mekanisk belastning mot den skjøre SC-spole. Overdreven belastning i en SC-spole kan svekke spolens kapasitet for å håndtere en kritisk strøm under supraledende forhold. Følgelig kreves en spolestøtte for endedelen 54 av spolen som hindrer overdreven bøyning og belastning av spolen. En splittklemme 58 (fig. 3) brukes i spolens endedel. Splittklemmen gir stivhet til spoleendedelen og hindrer derved for mye bøyning og belastning av spoleendedelen 54.

Fig. 3 viser et utsprengt riss av en rotorkjerne 22 og et spolebærersystem for en høytemperatur, supraledende spole. Spolebærersystemet omfatter en splittklemme 58 fremstilt av et par plater 60 som klemmer endedelen 54 av spolen sammen. Dessuten omfatter spolebærersystemet understøttelse for langsiden 40 av spolen. Spolesidens 40 understøttelse omfatter strekkstenger 42 som er forbundet til kanalhus 44. Disse husene holder og understøtter sidedelene 40 av spoleviklingen 34 i rotoren. Selv om en strekkstang og kanalhuset vist på fig. 3, vil spolebærersystemet generelt omfatte en rekke strekkstenger som hver har spolebærerhus i enden av stangen. Strekkstengene og kanalhusene hindrer skade mot spoleviklingen under rotordreiningen, understøtter spoleviklingen i forhold til sentrifugalkrefter og andre krefter og gir en beskyttende skjerm over spoleviklingen.

Hovedbelastningen mot HTS-spoleviklingen 34 i en jernkjernerotor skjer fra sentrifugalakselerasjonen under rotordreiningen og fra akselerasjonen og deselerasjonen av rotoren under stopp og start. En effektiv spoleunderstøttelse kreves for å motvirke kreftene som virker mot spolen.

Endedelene 54 av spoleviklingen 34 er nærliggende de motstående ender 56 av rotorkjernen. En splittklemme 58 avstiver hver spoleendeseksjon for bedre å gjør spolen og delene i stand til å motstå bøyebevegelser. Splittklemmen i hver spoleende 54 omfatter et par av motstående plater 60 som klemmer endedelen 54 av spoleviklingen 34 sammen. Overflaten av hver klemplate omfatter kanaler 116, 118 (fig. 6) for å motta spoleviklingen 34 og kjølefluidet og de elektriske tilkoplinger 39,41,79 til viklingen.

Splittklemmen 58 avstiver endedelen av spolen for å minimere bøyning av endedelen. Splittklemmen reduserer belastningen i spolen ved å minske bøyningen av spolens endedel. Splittklemmen kan være fremstilt av aluminium, Inconel-legeringer eller rustfritt stål. Materialet har også en liknende termisk ekspansjonskoeffisient som den supraledende, laminerte BSCCO 2223, supraledende ledningstråd. Således har klemmen samme termiske ekspansjons- og sammentrekningsegenskaper som spolen. Splittplatene 60 av klemmen kan bindes sammen med spolens endedel og klemmes mellom platene. Alternativt kan platene være satt sammen med bolter, slik at det bare blir et lite mellomrom for spolen igjen mellom platene.

Spolebærersystemet med splittklemmene er fortrinnsvis ikke-magnetiske for å opprettholde formbarheten ved kryogeniske temperaturer, siden ferromagnetiske materialer blir sprø ved temperaturer under Curie-overgangstemperaturen og ikke kan brukes som lastbærende konstruksjoner.

Splittklemmen 58 er omsluttet av, men er ikke i berøring med en krage 62 må motorendeakselen 24, 30. Kragen 62 på hver endeaksel er koplet til en ende 56 av rotorkjernen 22. Selv om bare én krage er vist på fig. 3, vil det normalt være krager på begge endeakslene og som er festet til begge ender av kjernen. Kragen 62 er en tykk skive av ikke-magnetisk materiale, for eksempel rustfritt stål, det samme eller liknende materiale som rotorakslene er fremstilt av. Kragene er faktisk del av rotorakselen. Kragen har en slisse 64 som står loddrett på rotorakselen og er tilstrekkelig bred for å kunne motta og klare splittklemmen 58. Splittklemmen er atskilt av et vakuum fira sideveggen 66 av kragen. De varme sideveggene 66 av slissekragen er anbrakt vekk fra den kalde splittklemmen slik at de ikke kommer i berøring med hverandre.

Kragen 62 kan omfatte et inntrykket skiveområde 68 (som er delt av slissen 64) for å motta et opphøyet skiveområde 70 av rotorkjernen (se motstående side av rotorkjernen for det opphøyde skiveområde som settes inn i motstående krage). Innsettelsen av det opphøyde skiveområdet på enden 56 av rotorkjernen inn i fordypningen i skiven 68 gir støtte for rotorkjernen i kragen og hjelper til å tilpasse rotorkjernen og kragene. I tillegg kan kragen ha en sirkulær rekke av boltehull 72 som strekker seg langsgående gjennom kragen og rundt kragens kant. Disse boltehullene tilsvarer tilsvarende gjengede boltehull 74 som strekker seg delvis gjennom rotorkjernen. Gjengede bolter (ikke vist) strekker seg gjennom disse langsgående boltehull 72, 74 og fester kragene til rotorkjernen.

En sidespolebærer er påkrevet langs spolens sidedeler 40 som opplever den største sentrifugalakselerasjon. For å understøtte sidedelene 40 av spolen strekker strekkstenger 42 seg mellom delene av spolen og festes til kanalhuset 44 som griper motstående sidedel av spolen. Strekkstengene strekker seg gjennom ledninger 46, for eksempel åpninger, i rotorkjernen, slik at stengene kan strekke seg mellom sidedelene av den samme spole, eller mellom nærliggende spoler.

Ledningene 46 er generelt sylindriske passasjer i rotorkjernen med en rett akse. Ledningenes diameter er vesentlig konstant, med unntakelse ved endene nær rotorens inntrykkede overflater. I endene kan ledningene utvide seg til en større diameter for å romme et ikke-ledende sylindrisk rør 52 som utgjør en glidbar lagerflate og termisk isolasjon mellom rotorkjernen og strekkstangen. Røret holdes i kjerneledningen ved hjelp av en låsemutter 84.

Ledningenes 46 akser står generelt i et plan som dannes av den ovale spole. Dessuten står ledningens akse loddrett på spolens sidedeler hvor det er forbundet strekkstenger som strekker seg gjennom ledningene. Videre står ledningene loddrett på og gjennomskjærer rotoraksen i den viste utførelse her. Antallet ledninger og plasseringen av ledningene vil avhenge av HTS-spolenes plassering og antallet spolehus som behøves for å bære sidedelene av spolene.

Strekkstengene bærer spolen spesielt godt i forhold til sentrifugalkrefter, ettersom stengene strekker seg vesentlig radial mellom spoleviklingens sidevegger. Hver strekkstang er en aksel med kontinuitet i langsgående retning av stangen og i den ovale spoles plan. Strekkstengenes langsgående kontinuitet gir sideveis stivhet til spolene hvilket innebærer rotordynamiske fordeler. Videre tillater den sideveis stivhet integrering av spolestøtten med spolene, slik at spolen kan settes sammen med spolebæreren før den endelige sammenstilling av rotoren. Forhåndsmontering av spolen og spolebæreren minsker produksjonssyklusen, forbedrer spolebærerkvaliteten og minsker variasjoner i spolesammenstillingen. Den ovalformede spole bæres av en rekke strekkelementer som strekker seg langsetter spolen. De bærende strekkstangelementer for spolen blir forhåndsmontert med spolen.

HTS-spoleviklingen og bærende støttekomponenter har kryogenisk temperatur. Rotorkjernen har imidlertid en "varm" omgivelsestemperatur. Spolebærerne er potensielle kilder til termisk ledning som overfører varme til HTS-spolene fra rotorkjernen. Rotoren blir varm under drift. Ettersom spolene holdes under suprakjølte forhold må varmeledningen til spolene unngås. Stengene strekker seg gjennom åpninger, dvs. ledninger i rotoren men kommer ikke i berøring med rotoren. Denne manglende berøring unngår varmeledning fra rotoren til strekkstenger og spoler.

For å minske varmelekkasjen vekk fira spolen, er spolebæreren minimert for å minske den termiske ledning gjennom varmekilder som for eksempel rotorkjernen. Det finnes generelt to kategorier av understøttelser for den supraledende vikling: (i) "varme" understøttelser og (ii) "kalde" understøttelser. I en varm understøttelse er de bærende konstruksjoner termisk isolert fra de avkjølte SC-viklinger. Ved varme understøttelser blir det meste av den mekaniske belastning av en supraledende (SC) spole understøttet av konstruksjonselementer som spenner fra kalde til varme elementer.

I et kaldt bærersystem er bærersystemet ved eller nær SC-spolenes kalde kryogeniske temperatur. I kalde bærere bæres det meste av den mekaniske belastningen av en SC-spole av konstruksjonselementer som er ved eller nær den kryogeniske temperatur. Eksemplet på spolebærersystemet beskrevet her, er en kald understøttelse ved at strekkstenger og tilhørende hus som kopler strekkstengene til SC-spoleviklingene holdes ved eller nær en kryogenisk temperatur. Siden bærerelementene er kalde er disse elementene termisk isolert, for eksempel av de ikke-berørende ledninger gjennom rotorkjernen fra andre "varme" komponenter av rotoren.

En styrepinne 80 forbinder huset 44 til en ende av strekkstangen. Hvert kanalhus 44 er en U-formet brakett med ben som koples til en strekkstang og en kanal for rotorspoleviklingen 34. Det U-formede kanalhus gjør det mulig med en nøyaktig og praktisk sammenstilling av bærersystemet for spolen. En rekke kanalhus kan anbringes ende-mot-ende langsetter spoleviklingen. Kanalhusene fordeler samlet kreftene som virker på spolen, for eksempel sentrifugalkrefter, over vesentlig hele sidedelene 40 av hver spole.

Kanalhusene 44 hindrer at sidedelene 40 av spolene bøyer seg for meget på grunn av sentrifugalkreftene. Spolebærerne hindrer ikke spolen i å utvide seg og trekke seg sammen termisk under normal start/stopp av gassturbinen. Den termiske utvidelse er primært rettet langsetter sidedelene. Således glir sidedelene av spolen langsetter i forhold til kanalhuset og strekkstengene.

Overføringen av sentrifugalbelastningen fra spolekonstruksjonen til en støttestang skjer gjennom kanalhuset som passer rundt spolens utside og siderette deler og styres av pinnene 80 til en ende av strekkstangen med en større diameter. De U-formede kanalhus er fremstilt av et lett, meget sterkt materiale som er formbart ved kryogeniske temperaturer. Typiske materialer for kanalhuset er aluminium, Inconel eller titaniumlegeringer, som er ikke-magnetiske. Formen av det U-formede hus kan optimeres for liten vekt og styrke.

Styrepinnen 80 strekker seg gjennom åpninger i kanalhuset og strekkstangen. Styrepinnen kan være hul for lav vekt. Låsemuttere (ikke vist) er gjenget eller festet til endene av styretappen for å feste det U-formede hus og hindre at siden av huset går fra hverandre under last. Styrepinnen kan være fremstilt av et meget sterkt Inconel-materiale eller titanlegeringer. Strekkstengene er fremstilt med enda større diameter som maskineres med to flater 86 i endene for å passe det U-formede hus og spolebredden. De flate ender 86 av strekkstengene hviler mot innsiden av HTS-spolene når stangen, spolen og huset settes sammen. Denne sammenstilling minsker belastningskonsentrasjonen ved hullet i strekkstangen som mottar styrepinnen.

Spolebærersystemet for strekkstengene 42, kanalhusene 44 og splittklemmen 58 kan settes sammen med HTS-spoleviklingene 34 ettersom begge er montert på rotorkjernen 22. Strekkstengene, kanalhusene og klemmen gir en ganske stiv konstruk-sjon for å understøtte spoleviklingene og holde spoleviklingene på plass i forhold til rotorkjernen.

Hver strekkstang strekker seg gjennom rotorkjernen og kan strekke seg loddrett gjennom rotorens akse 20. Ledninger 46 gjennom rotorkjernen gir en passasje for strekkstengene. Ledningenes diameter er tilstrekkelig stor for å unngå at de varme rotorvegger i ledningene kommer i berøring med de kalde strekkstengene. Ved unngåelse av berøring forbedres den termiske isolasjon mellom strekkstengene og rotorkjernen.

Rotorkjernen 22 fremstilles typisk av magnetisk materiale, for eksempel jern, mens rotorendeakslene fremstilles typisk av ikke-magnetisk materiale, for eksempel rustfritt stål. Rotorkjernen og endeakslene er typisk separate komponenter som settes sammen og festes enten ved hjelp av skruer eller sveising.

Rotorkjernen 22 har en generelt sylindrisk form som egner seg for dreining i rotorhulrommet 16 i statoren 12. For å motta spoleviklingen har rotorkjernen inntrykkede overflater 48, for eksempel flate eller trekantede områder eller slisser. Disse overflatene 48 er dannet i den buede overflate av sylinderkjernen og strekker seg langsetter, over rotorkjernen. Spoleviklingen 34 er montert på rotoren nær de inntrykkede områder 48. Spolene strekker seg generelt langs yttersiden av det inntrykkede område og rundt endene av rotorkjernen. De inntrykkede overflater 48 av rotorkjernen mottar spoleviklingen. Formen av det inntrykkede område passer til spoleviklingen. Hvis spoleviklingen for eksempel har en salform eller annen form, vil fordypningen(e) i rotorkjernen kunne konfigureres for å motta viklingens form.

De inntrykkede overflater 48 mottar spoleviklingen slik at yttersiden av spoleviklingen strekker seg vesentlig som en omslutning dannet av rotorens dreining. De utvendige, krumme overflater av rotorkjernen under dreining danner en sylindrisk omslutning. Denne dreinings omslutning av rotoren har vesentlig samme diameter som rotorhulrommet 16 (fig. 1) i statoren.

Mellomrommet mellom rotoromslutningen og statorhulrommet 16 er en relativt liten klaring som kreves for tvunget strømningsventileringskjøling bare for statoren, siden rotoren ikke krever noen kjøling. Det er ønskelig å minimere klaringen mellom rotoren og statoren for å øke den elektromagnetiske kopling mellom rotorspolens viklinger og statorviklingene. Videre er rotorspoleviklingen fortrinnsvis anbrakt slik at den strekker seg til omslutningen dannet av rotoren og således atskilt fira statoren bare ved klaringsmellomrommet mellom rotoren og statoren.

Rotorkjernen kan være omsluttet av et sylindrisk metalldeksel (ikke vist) som beskytter den supraledende spolevikling 34 mot virvelstrømmer og andre elektriske strømmer som omgir motoren og gir en vakuumomslutning som er nødvendig for å opprettholde et hardt vakuum rundt rotorens kryogeniske komponenter. Det sylindriske deksel kan være fremstilt av et meget ledende materiale, for eksempel en kopperlegering eller aluminium.

SC-spoleviklingen 34 holdes i et vakuum. Vakuumet kan være dannet av dekslet som kan omfatte et sylindrisk lag av rustfritt stål som danner et vakuumkar rundt spolen og rotorkjernen.

Fig. 4, 5 og 6 viser skjematisk monteringen for spolebærerkonstruksjonen og spoleviklingen i rotoren. Før rotorkjernen monteres sammen med kragen og andre komponenter i rotoren, som vist på fig. 4, settes strekkstengene 42 inn i hver av ledningene 46 som strekker seg gjennom rotorkjernen. Isolasjonsrøret 52 i hver ende av strekkstangen plasseres i den utvidede ende ved hver ende av ledningene 46. Røret 52 låses på plass av en låsemutter 84. Når strekkstengene monteres i rotorkjernen 22 er spoleviklingene klar til å settes inn i kjernen.

Som vist på fig. 5 settes SC-spolen 36 på rotorkjernen slik at de flate ender 86 av strekkstengene 42 hviler mot innsiden av sidedelene 40 av SC-spolen. Etterat viklingen har blitt satt inn over enden av strekkstangen settes kanalhuset 44 over SC-spolen. Kanalhusene festes til endene av strekkstengene ved å sette inn styrepinner 80 gjennom åpningen i strekkstangen og kanalhuset 104,108.

Kanalhuset 44 omfatter en slisse langs den øvre innsiden som mottar kjøleled-ningen 38 og holder ledningen mot spolen 36.

De flere kanalhusene holder effektivt spolen på plass uten å påvirkes av sentrifugalkrefter. Selv om kanalhusene er vist nær hverandre, behøver husene bare være så nær som nødvendig for å hindre svekkelse av spolen forårsaket av bøyning og strekk under sentrifugalbelastning, momentoverføring og transientfeil.

Kanalhusene og strekkstengene kan settes sammen med spoleviklingen før rotorkjernen og spolene settes sammen med kragen og andre komponenter for rotoren. Følgelig kan rotorkjernen, spoleviklingen og spolebærersystemet monteres som en enhet før monteringen av de andre komponentene for rotoren og synkronmaskinen.

Fig. 6 viser montering av splittklemmen 58 som dannes av klemplatene 60. Klemplatene 60 klemmer mellom seg endedelene 54 av spoleviklingen. Splittklemmen gir en støtte for enden av spoleviklingen 34. Splittklemmens plater 60 omfatter på innsiden overflatekanaler 116 som mottar spoleviklingen. Likeledes omfatter platene kanaler 118 for inngangs/utgangsledninger 39, 41 for gassene og for inn- og utstrømtilkoplinger 79 til spolen. Etterat spolebærerne, kragen, krage- og motorkjernen er montert er enheten klar til å påmonteres i rotoren og synkronmaskinen.

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

Claims (8)

1. Rotor (14) for synkronmaskin (10),karakterisert ved: en rotorkjerne (22) med minst en rotorkjerneende (56) som står loddrett på rotorens langsgående akse (20), minst en endeaksel (24,30) festet til rotorkjerneenden, en ovalformet, supraledende (SC) spolevikling (34) som strekker seg rundt rotorkjernen og som har en spoleendedel nærliggende rotorenden (56), og en spolebæreravstivning (58) festet til spoleendedelen og som er termisk isolert fra rotorkjernen og rotorendeakselen.

2. Rotor ifølge krav 1,karakterisert vedat spolebæreravstivningen er en splittklemme (58).

3. Rotor ifølge krav 1,karakterisert vedat spolebæreravstivningen omfatter et par plater (60) hvor det mellom disse er klemt spoleendedelen.

4. Rotor ifølge krav 1,karakterisert vedat den videre omfatter en kryogenisk kopling (26) som tilveiebringer kjølefluid til spoleviklingen, idet spolebæreren avkjøles av ledningen fra spoleviklingen.

5. Rotor ifølge krav 1,karakterisert vedat rotorendeakselen (24, 30) har en slisse (64) for å motta spoleendedelen og spolebæreren og endeakselen er termisk isolert fra spolebæreren.

6. Rotor ifølge krav 1,karakterisert vedat spolebæreravstiveren dekker hele lengden av spoleendedelen.

7. Rotor ifølge krav 1,karakterisert vedat spolebæreravstiveren står på tvers i forhold til rotorkjernens akse.

8. Fremgangsmåte for å bære en ovalformet supraledende spolevikling (34) på en rotorkjerne (22) i en synkronmaskin (10),karakterisert vedtrinnene: avstive en endedel (54) av spoleviklingen med en endespolestøtte (58), montere spoleviklingen, endespolebæreren og rotorkjernen, feste en rotorendeaksel til rotorkjernen, termisk isolere spolebæreren fra rotorkjernen og akselen.