PL200526B1

PL200526B1 - Sposób chłodzenia elektromagnetycznej maszyny z uzwojeniem nadprzewodzącym i układ chłodzenia elektromagnetycznej maszyny z uzwojeniem nadprzewodzącym

Info

Publication number: PL200526B1
Application number: PL355437A
Authority: PL
Inventors: Konrad Roman Weeber; Richard Nils Dawson
Original assignee: Gen Electric
Priority date: 2001-08-15
Filing date: 2002-08-09
Publication date: 2009-01-30
Also published as: CN1405957A; KR100697481B1; CA2396520C; CA2396520A1; CN100397760C; US20030034701A1; JP2003079100A; KR20030015858A; CZ303903B6; US6703729B2; BR0203265A; MXPA02007836A; CZ20022715A3; EP1286448A1; PL355437A1; NO20023840D0; NO20023840L

Abstract

Sposób ch lodzenia elektromagnetycznej maszyny z uzwojeniem nadprzewodz acym maj acej wirnik z masyw- nym rdzeniem zawieraj acy nadprzewodz ace uzwojenie cewkowe wirnika oraz stojan i uk lad ch lodz acy stojana (52), w którym kriogenicznie ch lodzi si e uzwojenie cewkowe wirnika polega na tym, ze ch lodzi si e stojan (52) za pomoc a gazu ch lodz acego przep lywaj acego przez stojan (52). Gaz ch lodz a- cy wprowadza si e do zewn etrznego obwodu stojana (52) z wielu komór przegrodowych (94), z których pierwsza komora przegrodowa zawiera otwór wej sciowy gazu ch lo- dz acego otwarty do zród la gazu ch lodz acego, a druga komora przegrodowa ma otwór wej sciowy otwarty do pierwszej komory przegrodowej. Nast epnie wyci aga si e gaz ch lodz acy ze stojana (52) do szczeliny powietrznej (88) pomi edzy stojanem (52) i rdzeniem wirnika (54), przy czym gaz ch lodz acy przeprowadza si e poprzez szczelin e powietrzn a (88) bez przeprowadzania poprzez rdze n wirnika (54). Uk lad ch lo- dzenia elektromagnetycznej maszyny z uzwojeniem nadprze- wodz acym zawieraj acej wirnik (54) z rdzeniem, posiadaj acy kriogenicznie ch lodzone nadprzewodz ace uzwojenie cew- kowe wirnika (54), stojan wspó losiowy z wirnikiem (54) i posiadaj acy uzwojenie stojana (52) po laczone magnetycz- nie z nadprzewodz acym uzwojeniem cewkowym wirnika (54), przy czym uzwojenia stojana (52) s a umieszczone dooko la wirnika (54), oraz stojan (52) posiada kana ly ch lodz ace rozci agaj ace si e od zewn etrznego obwodu stojana (52) do jego wewn etrznego obwodu, który jest oddzielony od wirni- ka (54) pier scieniow a szczelin a powietrzn a PL PL PL PL

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem niniejszego wynalazku jest sposób chłodzenia elektromagnetycznej maszyny z uzwojeniem nadprzewodzącym i układ chłodzenia elektromagnetycznej maszyny z uzwojeniem nadprzewodzącym, zwłaszcza do chłodzenia stojana urządzenia.

Podczas procesu wytwarzania mocy elektrycznej generatory mocy wytwarzają ciepło, które musi być odprowadzone z generatora. Ciepło pojawia się w generatorach głównie z powodu tarcia o powietrze i tarcia ciał stałych, przepływu prądu elektrycznego, oraz zmiennych w czasie pól magnetycznych w konstrukcjach magnetycznych. Ciepło z tarcia pojawia się kiedy wirnik wiruje w generatorze z dużą prędkością. Podobnie ciepło pojawia się także przy przepływie prądu przez zwoje wirnika i stojana, kiedy zwoje te obracają się względem siebie nawzajem w polach magnetycznych generatora. Straty w obwodzie magnetycznym pojawiają się kiedy pola magnetyczne zmieniają się w czasie w materiałach przenikalnych magnetycznie, tak jak na przykład w biegunach rdzenia stojana i wirnika generatora synchronicznego. Generatory są tradycyjnie wyposażone w układy chłodzące służące do przesyłania ciepła ze stojana i wirnika na zewnątrz generatora.

Gazowe wentylacyjne układy chłodzące były stosowane w tradycyjnych urządzeniach synchronicznych, takich jak generatory i silniki, które nie wykorzystywały materiałów nadprzewodzących. Te gazowe układy wentylacyjne łączyły chłodzenie stojana i wirnika. Układ wentylacyjny chłodzi zarówno wirnik jak i stojan poprzez przetłaczanie gazu chłodzącego przez kanały gazowe w wirniku i stojanie. Tradycyjne układy wentylacyjne wykorzystywały przepływ postępowy i przepływy wsteczne gazów chłodzących przez stojan i wirnik.

W tradycyjnych urzą dzeniach synchronicznych, takich jak generatory i silniki synchroniczne, układ wentylacyjny urządzeń chłodzonych gazem ściśle łączy chłodzenie stojana i wirnika. W schemacie wentylacyjnym z przepływem postępowym gaz chłodzący szeregowo przepływa przez sekcje wirnika i stojana, co tworzy ścisłe połączenie pomiędzy układami chłodzącymi wirnika i stojana. W schemacie wentylacyjnym z przepływem wstecznym gaz chłodzący przepływa przez stojan i wirnik równolegle, ale następnie miesza się w szczelinie powietrznej urządzenia, także prowadząc do połączenia chłodzenia stojana i wirnika.

Z powodu połączenia chłodzenia wirnika i stojana układ wentylacyjny musi być tak ukształtowany, aby zapewniał odpowiednie chłodzenie, zarówno dla stojana jak i wirnika. W celu zapewnienia chłodzenia wirnika konieczne było zawarcie w tradycyjnym układzie wentylacyjnym pewnych kompromisów dotyczących chłodzenia stojana i vice-versa. Optymalizacja chłodzenia zarówno stojana jak i wirnika za pomocą ukł adu wentylacyjnego, który musi zapewnia ć chł odzenie zarówno dla wirnika jak i stojana, może być trudna. Niemniej jednak układy wentylacyjne zapewniały tradycyjne chłodzenie zarówno stojana jak i wirnika w dużych przemysłowych oraz komunalnych generatorach mocy.

W nadprzewodnikowym urządzeniu synchronicznym uzwojenie pola wirnika pracuje w temperaturach kriogenicznych dzięki kriogenicznemu układowi chłodniczemu, który posiada własny obieg chłodniczy. Zimne kriogeniczne chłodziwo jest dostarczane do wirnika poprzez połączenie przejściowe, skąd przepływa ono przez obieg chłodniczy w wirniku, gdzie pobiera ono ciepło, które ma być usunięte, a następnie powraca do stacjonarnego układu chłodniczego przez połączenie przejściowe. Ten kriogeniczny układ chłodniczy zapewnia skuteczne chłodzenie wirnika w urządzeniu nadprzewodnikowym.

Z opisu patentowego US 4 352 034 znane jest urządzenie zawierające wirnik połączony z układem chłodzącym i stojan umieszczony dookoła wirnika i oddzielony od wirnika pierścieniową szczeliną znajdującą się pomiędzy wirnikiem i wewnętrzną powierzchnią stojana. Urządzenie posiada układ, w którym ten sam gaz chł odzą cy chł odzi zarówno wirnik jak i stojan.

Celem wynalazku jest opracowanie sposobu i układu chłodzenia elektromagnetycznej maszyny z uzwojeniem nadprzewodzącym.

Sposób chłodzenia elektromagnetycznej maszyny z uzwojeniem nadprzewodzącym mającej wirnik z masywnym rdzeniem zawierający nadprzewodzące uzwojenie cewkowe wirnika oraz stojan i układ chłodzący stojana, w którym kriogenicznie chłodzi się uzwojenie cewkowe wirnika według wynalazku charakteryzuje się tym, że chłodzi się stojan za pomocą gazu chłodzącego przepływającego przez stojan, przy czym gaz chłodzący wprowadza się do zewnętrznego obwodu stojana z wielu komór przegrodowych, z których pierwsza komora przegrodowa zawiera otwór wejściowy gazu chłodzącego otwarty do źródła gazu chłodzącego, a druga komora przegrodowa ma otwór wejściowy otwarty do pierwszej komory przegrodowej, a następnie wyciąga się gaz chłodzący ze stojana do szczeliny

PL 200 526 B1 powietrznej pomiędzy stojanem i rdzeniem wirnika, przy czym gaz chłodzący przeprowadza się poprzez szczelinę powietrzną bez przeprowadzania poprzez rdzeń wirnika.

Korzystnie, gaz chłodzący dostarcza się do wewnętrznego obwodu stojana, przemieszcza się przez kanały gazu chłodzącego stojana i na zewnątrz, do szczeliny powietrznej.

Korzystnie, gaz chłodzący wyciąga się przez wentylator ze szczeliny powietrznej i wyrzuca się na zewnątrz urządzenia.

Korzystnie, gaz chłodzący wyciąga się przez wentylator ze szczeliny powietrznej i kieruje się do wymiennika ciepła, przy czym ponadto odbiera się ciepło od gazu chłodzącego przez wymiennik ciepła, oraz powoduje się krążenie gazu chłodzącego przez stojan i wymiennik ciepła.

Układ chłodzenia elektromagnetycznej maszyny z uzwojeniem nadprzewodzącym zawierającej wirnik z rdzeniem, posiadający kriogenicznie chłodzone nadprzewodzące uzwojenie cewkowe wirnika, stojan współosiowy z wirnikiem i posiadający uzwojenie stojana połączone magnetycznie z nadprzewodzącym uzwojeniem cewkowym wirnika, przy czym uzwojenia stojana są umieszczone dookoła wirnika, oraz stojan posiada kanały chłodzące rozciągające się od zewnętrznego obwodu stojana do jego wewnętrznego obwodu, który jest oddzielony od wirnika pierścieniową szczeliną powietrzną i wirnik posiada kanały chłodzące dla kriogenicznego płynu chłodzącego według wynalazku charakteryzuje się tym, że zawiera pierścieniową szczelinę powietrzną pomiędzy wirnikiem i stojanem, przy czym pierścieniowa szczelina ma co najmniej jeden poprzeczny otwór zawierający wyloty gazu i szczelina jest otwarta wzdłuż długości wirnika, układ chłodzący stojana dostarczający chłodzący gaz do zewnętrznego obwodu stojana i kanałów chłodzących stojana, przy czym układ chłodzący zawiera wiele komór przegrodowych sąsiadujących z zewnętrznym obwodem stojana, a komory przegrodowe zawierają pierwszą komorę mającą zewnętrzny otwór wlotowy gazu chłodzącego otwarty do źródła gazu chłodzącego i drugą komorę mającą otwór wlotowy gazy chłodzącego otwarty do pierwszej komory i obie komory pierwsza i druga mają wyloty gazu chłodzącego w kierunku do stojana.

Korzystnie, wylot kanału gazu chłodzącego jest połączony z pierścieniową szczeliną powietrzną.

Korzystnie, układ chłodzący zawiera ponadto wymiennik ciepła.

Korzystnie, układ wentylacyjny jest układem o zamkniętym obiegu, w którym gaz chłodzący przepływa przez stojan i wymiennik ciepła po drodze przepływu gazu.

Korzystnie, kanały chłodzące stojana sąsiadują i są prostopadłe do uzwojenia stojana.

Kriogeniczny układ chłodniczy dla nadprzewodnikowego wirnika nie chłodzi stojana. Stojan takiego nadprzewodnikowego urządzenia synchronicznego wymaga układu chłodniczego stojana. W przeciwieństwie do tradycyjnych urządzeń, w których układy chłodnicze stojana i wirnika są połączone w jednym układzie wentylacyjnym, układ chłodniczy kriogenicznego wirnika i chłodzonego gazem stojana może być całkowicie niezależny. Tak więc do chłodzenia stojana w urządzeniu synchronicznym posiadającym nadprzewodnikowy wirnik potrzebny jest układ chłodniczy stojana.

Dla nadprzewodnikowego urządzenia synchronicznego opracowano układ wentylacyjny stojana. Stojan nadprzewodnikowego urządzenia synchronicznego jest chłodzony przez układ wentylacyjny z przepływem wstecznym, w którym gaz chłodzący, taki jak powietrze albo wodór, jest wyciągany ze szczeliny powietrznej i przetłaczany przez dyfuzor, wymiennik ciepła oraz przez rdzeń stojana z powrotem do szczeliny powietrznej. Dodatkowo tradycyjne urządzenie synchroniczne może być wyposażone w nadprzewodnikowy wirnik i tradycyjny układ wentylacyjny zmodyfikowany w celu zawarcia w nim układu wentylacyjnego tutaj ujawnionego. Kolejna konfiguracja wentylacji stojana wykorzystuje zasadę przepływu postępowego, w którym powietrze przepływa przez stojan w kierunku przeciwnym do układu chłodniczego stojana z przepływem wstecznym.

W jednej postaci wykonania wynalazek stanowi urzą dzenie synchroniczne zawierające: wirnik połączony z układem chłodzącym wirnika; stojan umieszczony dookoła wirnika i oddzielony od wirnika pierścieniową szczeliną pomiędzy wirnikiem i wewnętrzną powierzchnią stojana, oraz układ wentylacyjny stojana oddzielny i niezależny od układu chłodzącego wirnika.

W kolejnej postaci wykonania wynalazek stanowi nadprzewodnikowe urządzenie elektromagnetyczne zawierające: masywny rdzeń posiadający chłodzone kriogenicznie nadprzewodnikowe uzwojenie cewkowe wirnika; stojan współosiowy z wirnikiem i posiadający uzwojenie stojana magnetycznie połączone z nadprzewodnikowym uzwojeniem cewkowym wirnika, przy czym uzwojenie stojana znajduje się dookoła wirnika, oraz stojan posiada kanały chłodzące rozciągające się od zewnętrznego obwodu stojana do wewnętrznego obwodu stojana, przy czym obwód wewnętrzny jest oddzielony od wirnika przez pierścieniową szczelinę powietrzną; wirnik posiadający kanały chłodzące

PL 200 526 B1 dla kriogenicznego płynu chłodzącego; układ wentylacyjny stojana dostarczający gaz chłodzący do zewnętrznego obwodu stojana i kanałów stojana.

W dalszej postaci wykonania wynalazek stanowi sposób chłodzenia nadprzewodnikowego urządzenia elektromagnetycznego posiadającego wirnik z masywnym rdzeniem zawierający nadprzewodnikowe uzwojenie cewkowe wirnika oraz stojan i układ wentylacyjny stojana, przy czym sposób obejmuje etapy: kriogenicznego chłodzenia uzwojenia cewkowego wirnika niezależnie od chłodzenia stojana; chłodzenie stojana za pomocą gazu chłodzącego przepływającego przez stojan, oraz wyciąganie gazu chłodzącego ze stojana do szczeliny powietrznej pomiędzy stojanem i rdzeniem wirnika, gdzie gaz chłodzący jest izolowany od dowolnego układu chłodniczego wirnika.

Zaproponowane układy chłodnicze stojanów są niezależne od typu ukształtowania nadprzewodnikowego wirnika i mogą być równie dobrze stosowane dla nadprzewodnikowych wirników z rdzeniem ferromagnetycznym oraz bezrdzeniowych.

Przedmiot wynalazku w przykładzie wykonania jest przedstawiony na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schematyczny przekrój ćwiartki generatora, przedstawiający układ chłodzący z przepływem postępowym, fig. 2 - schematyczny przekrój ćwiartki generatora, przedstawiający układ chłodzący z przepływem wstecznym, fig. 3 - schemat synchronicznego urządzenia elektromagnetycznego posiadającego nadprzewodnikowy wirnik, fig. 4 - schematyczny przekrój ćwiartki nadprzewodnikowego generatora posiadającego masywny wirnik i zamknięty układ wentylacyjny stojana, fig. 5 - schematyczny przekrój ćwiartki nadprzewodnikowego generatora posiadającego wirnik z masywnym rdzeniem i otwarty ukł ad wentylacyjny stojana.

Figura 1 przedstawia generator 8 posiadający układ wentylacyjny z przepływem postępowym 10, w którym gaz chłodzą cy (strzałki 12) przepływa przez wirnik 14 i/lub szczelinę powietrzną 16 wirnika 14, a następnie przez stojan 18. Gaz chłodzący przepływa szeregowo przez promieniowe kanały gazowe 20 w wirniku 14 i podobne promieniowe kanały gazowe 21 w stojanie 18, co wytwarza ścisłe połączenie pomiędzy układami chłodzącymi wirnika 14 i stojana 18.

Wraz z przepływem gazu chłodzącego przez wirnik 14 ciepło z wirnika 14 jest przekazywane gazowi, a temperatura gazu wzrasta dążąc do temperatury zwojów wirnika 14. Podgrzany gaz wychodzący z wirnika 14 i gaz chłodzący, który bezpośrednio wchodzi do szczeliny powietrznej 16, mieszają się i tworzą gazy chłodzące wchodzące do stojana 18. Wymieszane gazy chłodzące wchodzą do kanałów 21 stojana 18 na wewnętrznej powierzchni stojana 18, która otacza wirnik 14. Kiedy gazy przemieszczają się przez stojan 18, ciepło z gorących zwojów stojana 18 jest przekazywane gazom chłodzącym i jest usuwane ze stojana 18 kiedy gazy opuszczają stojan 18.

Z zewnętrznego obwodu stojana 18 podgrzane gazy chłodzące przechodzą przez pierś cieniowe kanały 22, które otaczają stojan 18 i kierują gorące gazy do wymienników ciepła 24. Gorące gazy są chłodzone w wymiennikach ciepła 24, przepływają przez kanały cyrkulacyjne 26 i są z powrotem wtłaczane do wirnika 14 i szczeliny powietrznej przez odpowiedni wentylator 28 promieniowy albo osiowy. Gazy chłodzące są także przetłaczane przez wirnik 14 i wtłaczane do szczeliny 15 przez siły odśrodkowe występujące w wirniku 14. Dodatkowo część gazów chłodzących wychodzących z wentylatora 28 jest kierowana w celu chłodzenia końcowych zwojów 30 uzwojenia stojana 18.

Figura 2 przedstawia układ wentylacyjny 32 z przepływem wstecznym, w którym gaz chłodzący przepływa równolegle przez stojan 18 i wirnik 14. Podgrzany gaz chłodzący wychodzi zarówno z wirnika 14 jak i stojana 18 do szczeliny powietrznej 16. Wymieszanie w szczelinie powietrznej 16 gazów chłodzących z stojana 18 i wirnika 14 powoduje połączenie układów chłodzących dla wirnika 14 i stojana 18.

Chłodzenie z przepływem wstecznym w urządzeniu elektrycznym stanowiącym generator 8 powoduje dostarczenie zimnego gazu (strzałki 12) równocześnie zarówno do stojana 18 jak i wirnika 14, poprzez zapewnienie równoległych dróg wlotowych do rdzenia stojana 18 i wejścia do wirnika 14. Zimny gaz wypływa z chłodnicy, na przykład z wymiennika ciepła 36, do obwodu zewnętrznego rdzenia stojana 18, który może zawierać przegrody sterujące przepływem powietrza przez rdzeń stojana 18, oraz do szczeliny powietrznej 16. Zimny gaz przepływa także z chłodnicy do końców wirnika, oraz, generalnie przez kanały gazowe 20 gazu chłodzącego i promieniowo na zewnątrz przez kanały do przepływu gazu w kanałach gazowych 20 wirnika 14, do szczeliny powietrznej 16 generatora 8. Wentylator 28 przymocowany do wirnika 14 powoduje przepływ gazu wylotowego ze szczeliny powietrznej 16 z powrotem do chłodnicy.

Figura 2 przedstawia przekrój generatora 8 posiadającego wentylacyjny układ chłodzący 32 z przepływem wstecznym. Część strumienia gazów chłodzących (strzałka 12) jest wciągana do wirnika

PL 200 526 B1 przez siły odśrodkowe działające na gazy przechodzące przez kanały 20 wirnika 14. Gazy chłodzące może stanowić powietrze, wodór albo inny gaz chłodzący. Podgrzane gazy wirnikowe wychodzą z kanałów 20 na powierzchni wirnika 14 do szczeliny powietrznej 16 znajdującej się pomiędzy wirnikiem 14 i stojanem 18. Wirujący wentylator 28 zamontowany na końcu(ach) wirnika 14 wyciąga podgrzany gaz ze szczeliny 16 pomiędzy stojanem 18 i wirnikiem 14 oraz wtłacza go do dyfuzora kanału zewnętrznego 34, który kieruje gazy do wymiennika ciepła 36, który chłodzi gaz.

W układzie 32 z przepływem wstecznym stojan 18 jest chłodzony przez strumienie wentylacyjne, które są oddzielne od strumieni w rotorze. Gazy ochłodzone przez wymiennik ciepła 36 wchodzą do komory naporowej 38 otaczającej stojan 18. Część (strzałka 39) ochłodzonego gazu z wymiennika ciepła 36 jest kierowana w kierunku wirnika 14. Część (strzałka 41) ochłodzonego gazu jest kierowana do chłodzenia końcowych zwojów stojana 18.

W komorze naporowej 38 gaz chł odzą cy przechodzi przez przegrody 40 znajdują ce się w komorze naporowej 38 (albo bezpośrednio wchodzi do stojana 18 w pobliżu jego środka) i wchodzi do kanałów 21 gazu chłodzącego, które są otwarte na zewnętrznej obwodowej powierzchni stojana 18. Kiedy gaz przepływa przez stojan 18 promieniowo do wewnątrz, wtedy ciepło ze zwojów stojana 18 jest przekazywane do gazu. Gorący gaz wypływa ze stojana 18 do szczeliny powietrznej 16. Wentylatory 28 wirnika 14 wyciągają podgrzany gaz ze szczeliny powietrznej 16 na zewnątrz, do kanału zewnętrznego 34 i wymiennika ciepła 36. Ochłodzony gaz z wymiennika ciepła 36 jest wywiewany przez otwory wywiewne, do komory naporowej 38 dookoła stojana 18.

Figura 3 przedstawia przykładowy generator synchroniczny 50 posiadający stojan 52 i wirnik 54. Chociaż urządzenie jest przedstawione jako generator 50, to może ono być ukształtowane jako silnik elektryczny. W generatorze 50 wirnik 54 zawiera uzwojenie 66 cewkowe wzbudzające, które jest dopasowane do cylindrycznej wnęki 56 stojana 52. Pomiędzy zewnętrznym obwodem wirnika 54 i cylindryczną powierzchnią stojana 52 ukształtowana jest pierścieniowa szczelina 57, która tworzy cylindryczną wnękę 56 przyjmującą wirnik 54. Wraz z obracaniem się wirnika 54 wewnątrz stojana 52 pole magnetyczne 58 wytwarzane przez wirnik 54 i zwoje wirnika 54 przemieszcza się/obraca w stojanie 52 i wytwarza prąd elektryczny w zwojach uzwojenia 60 stojana 52. Prąd ten jest wydawany przez generator 50 jako moc elektryczna.

Wirnik 54 posiada rozciągającą się podłużnie oś 62 i zasadniczo masywny rdzeń 64 wirnika 54. Masywny rdzeń 64 wirnika 54 posiada dużą przenikalność magnetyczną i jest zwykle wykonany z materiał u ferromagnetycznego, takiego jak ż elazo. W urz ą dzeniu nadprzewodnikowym o ma ł ej gę stości mocy żelazny rdzeń 64 wirnika 54 jest używany do zmniejszenia siły magnetomotorycznej (MMF), a stąd zminimalizowania ilości zwojów drutu nadprzewodzącego (SC) potrzebnego dla uzwojenia cewkowego.

Wirnik 54 podtrzymuje przynajmniej jedno rozciągające się podłużnie cewkowe uzwojenie 66 nadprzewodzące w wysokich temperaturach (HTS) o kształcie toru wyścigowego. Uzwojenie 66 cewkowe HTS może mieć alternatywnie kształt siodłowy albo posiadać inny kształt, który jest odpowiedni dla konkretnego projektu wirnika HTS. Uzwojenie 66 cewkowe HTS jest chłodzone przez płyn kriogeniczny dostarczany do wirnika 54 z zewnętrznego źródła płynu chłodzącego. Chłodzenie wirnika 54 i jego zwojów HTS jest niezależ ne i odizolowane od ukł adów chł odniczych dla innych skł adników generatora 50, takich jak stojan 52.

Wirnik 54 zawiera wał 68 końca kolektora i wał 70 końca napędowego, które podtrzymują rdzeń 64 wirnika 54, oraz które opierają się na łożyskach 72. Wały końcowe 68 i 70 mogą być połączone z urządzeniami zewnętrznymi. Na przykład wał 68 końca kolektora 76 posiada kriogeniczne połączenie przenoszące 74 z układem chłodniczym 75 zawierającym kriogeniczny płyn chłodzący używanego do chłodzenia uzwojenia cewkowego SC w wirniku 54.

Kriogeniczne połączenie przenoszące 74 zawiera segment stacjonarny połączony ze źródłem kriogenicznego płynu chłodzącego i segment obrotowy, który dostarcza płyn chłodzący do uzwojenia HTS. Wał 68 końca kolektora 76 zawiera także kolektor 76 służący do elektrycznego połączenia z obracają cym się uzwojeniem cewkowym SC. Wa ł 70 koń ca napę dowego wirnika 54 moż e być napędzany przez połączenie 78 turbiny napędowej.

Figura 4 przedstawia przekrój jednej połowy generatora 50 (patrz osiowa linia środkowa, oś 62 wirnika 54 i wzdłużna linia środkowa 80 wirnika 54 posiadającego wentylowany układ chłodzący 82 stojana 52 z przepływem wstecznym. Układ chłodzący 82 dostarcza gaz chłodzący, na przykład powietrze z otoczenia albo wodór, do stojana 52. Układ chłodzący 82 stojana 52 jest niezależny

PL 200 526 B1 i odizolowany od kriogenicznego układu chłodniczego 75, który dostarcza kriogeniczny pł yn chłodzący do wirnika 54.

Układ chłodzący 82 stojana 52 zawiera wentylator 84 gazu chłodzącego, który jest przymocowany do wałów (68 i/lub 70) końca(ów) wirnika 54. Wentylator 84 wiruje wraz z wirnikiem 54 w celu wyciągania podgrzanego gazu chłodzącego (strzałki 86) z powietrznej pierścieniowej szczeliny 88 pomiędzy wirnikiem 54 i stojanem 52. Gorący gaz wyciągany ze szczeliny 88 jest tłoczony przez wentylator 84 przez kanał gazowy 89 do zewnętrznego kanału gazowego komory naporowej 90 /dyfuzora, która rozciąga się dookoła stojana 52 generatora.

Kanał komory naporowej 90 przyjmuje gaz o dużym ciśnieniu/prędkości z kanału gazowego 89 i kieruje podgrzany gaz do jednego albo większej ilości wymienników ciepła 92. Wymienniki ciepła 92 odbierają ciepło od gazu i ochładzają gaz tak, że może on być ponownie wprowadzony do obiegu w celu chłodzenia stojana 52. Ochłodzony gaz z wymiennika ciepła 92 wchodzi do komory przegrodowej 94 otaczającej zewnętrzny obwód stojana 52. Komora przegrodowa 94 może posiadać ściankę zewnętrzną 93, która otacza po obwodzie stojan 52 i posiada otwory dla wymienników ciepła 92. Komora przegrodowa 94 może zawierać pierścieniowe ścianki 96 przymocowane do stojana 52, służące do rozprowadzania powietrza chłodzącego w stojanie 52. Komora przegrodowa 94 kieruje ochłodzony gaz w kierunku zewnętrznego obwodu 98 stojana 52. Komora naporowa 90 może zawierać przegrody, które optymalnie rozprowadzają strumień gazu chłodzącego nad stojanem 52 i do kanałów chłodzących 100 stojana 52. Zewnętrzne ścianki komory naporowej 90 mogą także zawierać otwór wywiewny 102, który powoduje wyciekanie gazu chłodzącego 103 z komory 90 w kierunku końca stojana 52 i nad koń cowymi zwojami 104 uzwojenia 106 stojana 52.

Ciepło jest odbierane od uzwojenia stojana 52 kiedy gaz chłodzący przechodzi przez kanały chłodzące 100 stojana 52. Kanały 100 mogą być tak rozmieszczone w stojanie 52, aby optymalizować chłodzenie uzwojenia stojana 52. Na przykład częstotliwość rozmieszczenia kanałów chłodzących 100 wzdłuż osi stojana 52 i/lub obszar przekroju kanałów 100 mogą być tak dobrane, aby równomiernie rozprowadzać chłodzenie w stojanie 52, albo aby w inny sposób zoptymalizować chłodzenie stojana 52.

Podgrzany gaz chłodzący wypływa z kanałów 100 stojana 52 do szczeliny powietrznej 88. Gaz chłodzący jest przeciągany za pomocą wentylatora 84 przez szczelinę 88 i kanał 82, gdzie następnie gaz chłodzący jest chłodzony przez wymiennik ciepła 92 i powraca do stojana 52.

Układ chłodzący 82 może być zamkniętym układem gazowym, w którym gaz chłodzący, na przykład wodór albo powietrze, krąży przez stojan 52, wymiennik ciepła 92 i przestrzeń naporową w celu chł odzenia stojana 52.

W układzie chł odzą cym 82 z obiegiem zamknię tym dla urządzenia z nadprzewodzą cym wirnikiem 54 gaz chłodzący taki jak powietrze albo wodór przechodzi z wymiennika(ów) ciepła 92 przez kanały chłodzące 100 stojana 52, w celu odebrania ciepła z uzwojenia stojana 52, powietrzną szczelinę 88 do osiowego wentylatora 84 i z powrotem do wymiennika ciepła 92. Chłodny gaz chłodzący wychodzący z wymienników ciepła 92 chłodzi rdzeń stojana 52 i uzwojenie stojana 52. Przestrzeń pomiędzy czołem ze zwoju 104 stojana 52 i kołnierzem urządzenia posiada jeden kanał gazowy 89 przepływu gazu służący do doprowadzania gorącego gazu z wentylatora 84 do wymienników ciepła 92. Ten kanał gazowy 89 upraszcza złożoność układu chłodzącego 82 z przepływem wstecznym w urządzeniach, które posiadają dwie drogi przepływu (patrz fig. 2 i kanały 34 oraz 39).

Układ chłodzący stojana 52 może być także stosowany w urządzeniach synchronicznych, w których tradycyjny wirnik jest zastąpiony wirnikiem nadprzewodzącym. W takim przypadku układ wentylacyjny z przepływem postępowym albo wstecznym oryginalnego urządzenia może być przekształcony w układ z przepływem wstecznym przedstawiony na fig. 3, 4 albo 5.

Figura 5 przedstawia układ wentylacyjny 108 z obiegiem otwartym, w którym gazy chłodzące są pobierane ze źródła zewnętrznego, na przykład powietrza otaczającego (strzałki 110), i przechodzą otwór wlotowy 112. Wchodzący gaz chłodzący przechodzi przez komorę przegrodową 94, kanały 100 stojana 52, szczelinę powietrzną 88 i wentylator 84 w sposób podobny do przepływu gazu chłodzącego w zamkniętym układzie wentylacyjnym 82. Wentylator 84 wyciąga podgrzane powietrze ze szczeliny powietrznej 88 i zapewnia siłę napędową do przeciągania powietrza przez otwory 112 i przez stojan 52. W układzie otwartym powietrze jest wciągane do urządzenia przez wloty i wyrzucane do otoczenia przez kanały wywiewne 114. Tak więc w układzie otwartym wymienniki ciepła i inne kanały są zbędne.

PL 200 526 B1

Układy wentylacyjne przedstawione na fig. 4 i 5 mogą być stosowane w wielofazowych urządzenia na prąd zmienny (AC) z wirnikiem nadprzewodzącym (SC) i stojanem zawierający wielofazowe uzwojenie(a) AC.

Numer odnośnika	Opis
1	2
8	generator
10	układ wentylacyjny z przepływem postępowym
12	strzałka (gaz chłodzący)
14	wirnik
16	szczelina powietrzna
18	stojan
20	kanały gazowe (wirnika)
21	kanały gazowe (stojana)
22	pierścieniowe kanały
24	wymiennik ciepła
26	kanały cyrkulacyjne
28	wentylator
30	końcowe zwoje (uzwojenia cewkowego stojana)
32	układ (z przepływem wstecznym)
34	kanał zewnętrzny
36	wymiennik ciepła
38	komora naporowa
39	strzałka (gaz chłodzący wirnika)
40	przegrody
41	strzałka (gaz chłodzący końcowych zwojów)
50	generator
52	stojan
54	wirnik
56	wnęka (podciśnieniowa)
57	szczelina (wirnika)
58	pole magnetyczne
60	uzwojenie (stojana)
62	oś (wirnika)
64	rdzeń wirnika
66	uzwojenie (nadprzewodnikowe wirnika)
68	wał (kolektora)
70	wał (napędowy)
72	łożyska (wirnika)
74	kriogeniczne połączenie przenoszące

PL 200 526 B1 cd. tabeli

1	2
75	układ chłodniczy (wirnika- kriogeniczny)
76	kolektor
78	połączenie (turbiny)
80	wzdłużna linia środkowa
82	układ chłodzący (z przepływem wstecznym)
84	wentylator (gazu chłodzącego)
86	gaz chłodzący
88	pierścieniowa szczelina (wirnika)
89	kanał gazowy
90	komora naporowa
92	wymiennik ciepła
93	zewnętrzna ścianka (komory przegrodowej)
94	komora przegrodowa
96	pierścieniowe ścianki (przestrzeni naporowej)
98	zewnętrzny obwód (stojana)
100	kanały chłodzące (stojana)
102	otwór wywiewny (gazu)
103	gaz chłodzący (zwojów końcowych)
104	końcowe zwoje (stojana)
106	uzwojenie (stojana)
108	układ wentylacyjny (z obiegiem otwartym)
110	strzałki
112	otwór wlotowy powietrza
114	kanał wywiewny

Zastrzeżenia patentowe

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Sposób chłodzenia elektromagnetycznej maszyny z uzwojeniem nadprzewodzącym mającej wirnik z masywnym rdzeniem zawierający nadprzewodzące uzwojenie cewkowe wirnika oraz stojan i układ chłodzący stojana, w którym kriogenicznie chłodzi się uzwojenie cewkowe wirnika, znamienny tym, że chłodzi się stojan (52) za pomocą gazu chłodzącego przepływającego przez stojan (52), przy czym gaz chłodzący wprowadza się do zewnętrznego obwodu stojana (52) z wielu komór przegrodowych (94), z których pierwsza komora przegrodowa zawiera otwór wejściowy gazu chłodzącego otwarty do źródła gazu chłodzącego, a druga komora przegrodowa ma otwór wejściowy otwarty do pierwszej komory przegrodowej, a następnie wyciąga się gaz chłodzący ze stojana (52) do szczeliny powietrznej (88) pomiędzy stojanem (52) i rdzeniem wirnika (54), przy czym gaz chłodzący przeprowadza się poprzez szczelinę powietrzną (88) bez przeprowadzania poprzez rdzeń wirnika (54).
2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że gaz chłodzący dostarcza się do wewnętrznego obwodu (98) stojana (52), przemieszcza się przez kanały (100) gazu chłodzącego stojana (52) i na zewnątrz, do szczeliny powietrznej (88).
3. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że gaz chłodzący wyciąga się przez wentylator (84) ze szczeliny powietrznej i wyrzuca się na zewnątrz urządzenia.

PL 200 526 B1
4. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że gaz chłodzący wyciąga się przez wentylator (84) ze szczeliny powietrznej (88) i kieruje się do wymiennika ciepła (92), przy czym ponadto odbiera się ciepło od gazu chłodzącego przez wymiennik ciepła (92), oraz powoduje się krążenie gazu chłodzącego przez stojan (52) i wymiennik ciepła (92).
5. Układ chłodzenia elektromagnetycznej maszyny z uzwojeniem nadprzewodzącym zawierającej wirnik z rdzeniem, posiadający kriogenicznie chłodzone nadprzewodzące uzwojenie cewkowe wirnika, stojan współosiowy z wirnikiem i posiadający uzwojenie stojana połączone magnetycznie z nadprzewodzącym uzwojeniem cewkowym wirnika, przy czym uzwojenia stojana są umieszczone dookoła wirnika, oraz stojan posiada kanały chłodzące rozciągające się od zewnętrznego obwodu stojana do jego wewnętrznego obwodu, który jest oddzielony od wirnika pierścieniową szczeliną powietrzną i wirnik posiada kanały chłodzące dla kriogenicznego płynu chłodzącego, znamienny tym, że zawiera pierścieniową szczelinę (88) powietrzną pomiędzy wirnikiem (54) i stojanem (52), przy czym pierścieniowa szczelina (88) ma co najmniej jeden poprzeczny otwór zawierający wyloty gazu i szczelina (88) jest otwarta wzdł u ż dł ugoś ci wirnika (54), ukł ad chłodzą cy (82) stojana (52) dostarczający chłodzący gaz do zewnętrznego obwodu stojana (52) i kanałów chłodzących (100) stojana (52), przy czym układ chłodzący (82) zawiera wiele komór przegrodowych (94) sąsiadujących z zewnętrznym obwodem stojana (52), a komory przegrodowe (94) zawierają pierwszą komorę mającą zewnętrzny otwór wlotowy gazu chłodzącego otwarty do źródła gazu chłodzącego i drugą komorę mającą otwór wlotowy gazy chłodzącego otwarty do pierwszej komory i obie komory pierwsza i druga mają wyloty gazu chłodzącego w kierunku do stojana (52).
6. Układ według zastrz. 5, znamienny tym, że wylot kanału (100) gazu chłodzącego jest połączony z pierścieniową szczeliną powietrzną (88).
7. Układ według zastrz. 5, znamienny tym, że układ chłodzący (82) zawiera ponadto wymiennik ciepła (92).
8. Układ według zastrz. 5, znamienny tym, że układ wentylacyjny jest układem o zamkniętym obiegu, w którym gaz chłodzący przepływa przez stojan (52) i wymiennik ciepła (92) po drodze przepływu gazu.
9. Układ według zastrz. 5, znamienny tym, że kanały chłodzące stojana (52) sąsiadują i są prostopadłe do uzwojenia stojana (52).