PL201646B1 - Wirnik maszyny synchronicznej - Google Patents

Abstract

Wirnik maszyny synchronicznej zawieraj acy rdze n wirnika z osi a wirnika, par e nadprzewo- dz acych uzwoje n cewki zainstalowanych na rdzeniu wirnika, przy czym ka zde z uzwoje n cewki jest usytuowany w odpowiedniej p lasz- czy znie, która jest równoleg la do osi wirnika i przesuni eta promieniowo od osi wirnika wed lug wynalazku charakteryzuje si e tym, ze rdze n (22) wirnika stanowi rdze n zasadniczo lity, za s uzwo- jenia (34, 100) cewki s a usytuowane na ze- wn atrz litego rdzenia (22) wirnika, a ponadto wirnik zawiera kriogenicznie zimny wspornik cewki, który jest po laczony z uzwojeniami (34, 100) cewki, tworz ac zespó l wspornika cewki i uzwoje n cewki, przy czym ten zespó l jest od- dzielony szczelin a od litego rdzenia (22) wirnika. PL PL PL PL

Description

(12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) 201646 (13) B1 (21) Numer zgłoszenia: 353911 (51) Int.Cl.

H02K 3/04 (2006.01) H02K 55/04 (2006.01) (22) Data zgłoszenia: 15.05.2002 (54)

Wirnik maszyny synchronicznej

(30) Pierwszeństwo: 15.05.2001,US,09/854,932	(73) Uprawniony z patentu: General Electric Company,Schenectady,US
(43) Zgłoszenie ogłoszono: 18.11.2002 BUP 24/02	(72) Twórca(y) wynalazku: Yu Wang,Clifton Park,US James Pellegrino Alexander,Ballston,US
(45) O udzieleniu patentu ogłoszono: 30.04.2009 WUP 04/09	(74) Pełnomocnik: Kuczyńska Teresa, POLSERVICE, Kancelaria Rzeczników Patentowych Sp. z o.o.

⁽⁵⁷⁾ Wirnik maszyny synchronicznej zawierający rdzeń wirnika z osią wirnika, parę nadprzewodzących uzwojeń cewki zainstalowanych na rdzeniu wirnika, przy czym każde z uzwojeń cewki jest usytuowany w odpowiedniej płaszczyźnie, która jest równoległa do osi wirnika i przesunięta promieniowo od osi wirnika według wynalazku charakteryzuje się tym, że rdzeń (22) wirnika stanowi rdzeń zasadniczo lity, zaś uzwojenia (34, 100) cewki są usytuowane na zewnątrz litego rdzenia (22) wirnika, a ponadto wirnik zawiera kriogenicznie zimny wspornik cewki, który jest połączony z uzwojeniami (34, 100) cewki, tworząc zespół wspornika cewki i uzwojeń cewki, przy czym ten zespół jest oddzielony szczeliną od litego rdzenia (22) wirnika.

PL 201 646 B1

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest wirnik maszyny synchronicznej, a zwłaszcza synchronicznej maszyny wirującej.

Do synchronicznych maszyn elektrycznych z uzwojeniami cewki magnesującej zalicza się, choć nie wyłącznie, prądnice wirujące, i silniki wirujące. Te maszyny zwykle zawierają stojan i wirnik, które są sprzężone elektromagnetycznie. Wirnik może zawierać wielobiegunowy rdzeń wirnika i zainstalowane na rdzeniu wirnika jedno lub więcej uzwojeń cewkowych. Rdzenie wirnikowe zawierają materiał stały o dużej przenikalności magnetycznej, na przykład wirnik żelazny.

W wirnikach synchronicznych maszyn elektrycznych zwykle stosuje się konwencjonalne uzwojenia miedziane. Jednakowoż rezystancja elektryczna uzwojeń miedzianych (jakkolwiek według konwencjonalnych miar niewielka) jest wystarczająca do powodowania znacznego nagrzewania wirnika i zmniejszania sprawności energetycznej maszyny. Ostatnio opracowano nadprzewodzące (SC-superconducting) uzwojenia cewkowe. Uzwojenia SC efektywnie nie mają rezystancji i stanowią bardzo korzystne uzwojenia cewkowe wirnika.

Wirniki z rdzeniem żelaznym przy natężeniu pola w szczelinie powietrznej wynoszącym około 2 tesla nasycają się. W znanych konstrukcjach wirników nadprzewodzących stosuje się konstrukcje z rdzeniem powietrznym, bez ż elaza w wirniku, osią gają ce pole magnetyczne w szczelinie powietrznej o wartoś ci powyż ej 3 tesla, które zwię ksza gę stość mocy maszyny elektrycznej, i w wyniku daje znaczne zmniejszenie ciężaru i rozmiarów. Nadprzewodzące wirniki z rdzeniem powietrznym jednakowoż powodują zwiększenie liczby potrzebnych cewek, złożoności podpór cewek i kosztu. Takie wirniki z nadprzewodnictwem mają cewki nadprzewodzące chłodzone ciekłym helem, przy czym zużyty schłodzony hel jest odprowadzany z powrotem jako gazowy hel o temperaturze pokojowej. Używanie ciekłego helu do chłodzenia kriogenicznego wymaga ciągłego ponownego skraplania zwracanego gazowego helu o temperaturze pokojowej, i takie ponowne skraplanie stwarza znaczne problemy niezawodnościowe i wymaga znacznej mocy pomocniczej.

Uzwojenia magnesujące cewki SC z nadprzewodnictwem wysokotemperaturowym są kształtowane z materiałów nadprzewodzących, które są kruche, i wymagają chłodzenia do temperatury równej krytycznej lub niższej od krytycznej, na przykład 27K, dla osiągnięcia i utrzymania nadprzewodnictwa. Uzwojenia nadprzewodzące mogą być kształtowane z materiału z nadprzewodnictwem wysokotemperaturowym, jak na przykład BSCCO (BixSrxCaxCuxOx).

Metody chłodzenia cewek SC obejmują chłodzenie nasyconej epoksydem cewki SC przez stałą ścieżkę z chłodnicy kriotechnicznej. W rozwiązaniu alternatywnym ciekły i/lub gazowy kriogen mogą przenosić rury chłodzące w wirniku do porowatego uzwojenia cewki SC zanurzonej w strumieniu ciekłego i/lub gazowego kriogenu. Jednakowoż, chłodzenie zanurzeniowe wymaga utrzymywania w temperaturze kriogenicznej całego uzwojenia magnesującego i konstrukcji wirnika. Wskutek tego nie można w ogóle stosować żelaza w obwodzie magnetycznym wirnika z powodu kruchości żelaza w temperaturach kriogenicznych.

Występuje zatem potrzeba opracowania nadprzewodzącego zespołu uzwojenia magnesującego dla maszyny elektrycznej, nie wykazującego wad rdzenia powietrznego i chłodzonego cieczowo nadprzewodzącego uzwojenia magnesującego zespołu znanego wirnika nadprzewodzącego.

Poza tym, cewki z nadprzewodnictwem wysokotemperaturowym (HTS - high temperaturę super-conducting coils) są wrażliwe na degradację przy dużych naprężeniach zginających i rozciągających. Cewki te podlegają działaniu znacznych sił odśrodkowych, które rozciągają i odkształcają uzwojenia cewki. Normalna praca maszyny elektrycznej wiąże się z tysiącami cykli włączenia i wyłączenia w ciągu kilku lat, co powoduje obciążenie zmęczeniowe wirnika przy małej liczbie cykli. Ponadto uzwojenie wirnika HTS powinno wytrzymywać pracę z 25% przekroczeniem szybkości podczas procedur wyważania wirnika przy temperaturze otoczenia, i ponadto sporadyczne warunki przekroczenia szybkości podczas operacji generowania energii elektrycznej. Te warunki przekroczeń szybkości zwiększają obciążenie siłą odśrodkową uzwojenia powyżej normalnych warunków eksploatacyjnych.

Cewki HTS wykorzystywane jako uzwojenia magnesujące HTS, z nadprzewodnictwem wysokotemperaturowym, wirnika podlegają działaniu naprężeń i odkształceniom podczas schładzania i normalnego działania. Podlegają one działaniu obciążenia odśrodkowego, przenoszenia momentu, i przejściowych warunków uszkodzeń. Dlatego, aby wytrzymywały te siły, naprężenia odkształcenia i obciążenia cykliczne, cewki SC wymagają odpowiedniego podparcia na wirniku przez układ wzmacniający cewki. Te układy wzmacniające utrzymują cewkę (lub cewki) w wirniku z nadprzewodnictwem

PL 201 646 B1 wysokotemperaturowym (HTS) i zabezpieczają cewki przed ogromnymi siłami odśrodkowymi spowodowanymi wirowaniem wirnika. Ponadto, układ wzmacniający cewki ochrania cewki nadprzewodzące SC, i zapewnia, że cewki nie ulegną przedwczesnemu spękaniu, zmęczeniu lub innemu uszkodzeniu.

Opracowanie układów wzmacniających cewki HTS stanowiło trudne wyzwanie przy dopasowywaniu cewek SC do wirników HTS. Przykładami opracowanych poprzednio układów wzmacniających dla wirników HTS są rozwiązania proponowane i zastrzegane w patentach USA o numerach 5.548.168, 5.532.663, 5.672.921, 5.777.420, 6.169.353 i 6.066.906. Jednakowoż te układy wzmacniające dla cewek nie rozwiązują różnych problemów, na przykład związanych z ich kosztem, złożonością i wymaganiem nadmiernej liczby części.

Występuje również od dawna odczuwana potrzeba opracowania układu wzmacniającego cewki wytwarzanego przy małych kosztach, z łatwych w produkcji części składowych.

W opisie zgłoszenia patentowego nr US 4277705 ujawniono wirnik maszyny elektrycznej, zawierający kriogenicznie zimny wspornik cewki, który jest połączony z uzwojeniami cewki, tworząc zespół wspornika cewki i uzwojeń cewki, przy czym ten zespół jest oddzielony szczeliną od rdzenia wirnika.

Wirnik maszyny synchronicznej zawierający rdzeń wirnika z osią wirnika, parę nadprzewodzących uzwojeń cewki zainstalowanych na rdzeniu wirnika, przy czym każde z uzwojeń cewki jest usytuowany w odpowiedniej płaszczyźnie, która jest równoległa do osi wirnika i przesunięta promieniowo od osi wirnika według wynalazku charakteryzuje się tym, że rdzeń wirnika stanowi rdzeń zasadniczo lity, zaś uzwojenia cewki są usytuowane na zewnątrz litego rdzenia wirnika, a ponadto wirnik zawiera kriogenicznie zimny wspornik cewki, który jest połączony z uzwojeniami cewki, tworząc zespół wspornika cewki i uzwojeń cewki, przy czym ten zespół jest oddzielony szczeliną od litego rdzenia wirnika.

Uzwojenia cewki mają kształt owalny.

Każda z nadprzewodzących cewek ma parę przeciwległych sekcji bocznych, które są równoległe do osi wirnika i parę sekcji końcowych w sąsiedztwie odpowiednich końców rdzenia wirnika.

Rdzeń wirnika ma wgłębione powierzchnie rozmieszczone wzdłużnie względem rdzenia wirnika, i te powierzchnie wgłębione mieszczą uzwojenia cewki.

Każde z uzwojeń cewki zawiera drut z nadprzewodnictwem wysokotemperaturowym (HTS) rozmieszczony wokół wspomnianego każdego z uzwojeń cewki.

Wspornik cewki zawiera drążki naprężające rozmieszczone między uzwojeniami cewki i łączące te uzwojenia.

Wspornik cewki zawiera drążki naprężające rozmieszczone między uzwojeniami cewki i łączące te uzwojenia, jak również przechodzące przez kanały w rdzeniu wirnika.

Wspornik cewki zawiera drążki naprężające rozmieszczone między uzwojeniami cewki, i łączące te uzwojenia, przy czym drążki naprężające są prostopadłe do płaszczyzn uzwojeń cewki.

Rdzeń jest rdzeniem w postaci żelaznego korpusu.

Rdzeń zawiera występ podłużny rozdzielający uzwojenia cewki.

Wspornik cewki zawiera pierwsze drążki naprężające, spinające i łączące przeciwległe sekcje boczne każdego z uzwojeń cewki, oraz drugie drążki naprężające, spinające i łączące oba uzwojenia cewki.

Uzwojenia cewki znajdują się po przeciwległych stronach osi wirnika, i płaszczyzna każdego z uzwojeń cewki jest odsunięta od osi wirnika na tę samą odległość.

Płaszczyzny wspomnianych uzwojeń cewki są wzajemnie równoległe, a oś wirnika znajduje się między tymi płaszczyznami.

Uzwojenia cewki są siodłowymi uzwojeniami cewki.

Wirnik dodatkowo zawiera obudowy cewki siodłowej, obejmujące sekcje boczne siodłowych uzwojeń cewki.

W niniejszym opisie przedstawiono wirnik z dwiema cewkami HTS na rdzeniu wirnika maszyny synchronicznej. Podobnie, przedstawiono konstrukcję wzmacniającą do zamocowania tych dwóch cewek na wirniku. Wirnik może być projektowany od początku tak, aby mieścił cewki HTS. W rozwiązaniu alternatywnym wirnik HTS może zastąpić wirnik z cewką miedzianą w istniejącej maszynie elektrycznej, na przykład w prądnicy konwencjonalnej. Wirnik i jego cewki HTS, będące przedmiotem niniejszego opisu są stosowane w prądnicy, lecz wirnik z cewkami HTS nadaje się również do wykorzystania w innych maszynach synchronicznych.

Konstrukcja z dwiema owalnymi cewkami HTS dla dwubiegunowego uzwojenia magnesującego ma kilka zalet, obejmujących prostotę konstrukcji cewki i konstrukcję wzmocnienia cewki. Poza tym,

PL 201 646 B1 konstrukcja z dwiema cewkami ma w zasadzie dwa razy większą ilość uzwojenia cewkowego, niż wirnik jednocewkowy. Zatem konstrukcja dwucewkowa ma znacznie większą wydajność przy generowaniu mocy (kiedy cewka jest częścią wirnika prądnicy).

W pierwszej odmianie wykonania wirnik maszyny synchronicznej niniejszego wynalazku zawiera: (i) rdzeń wirnika z osią wirnika; i (ii) dwa nadprzewodzące uzwojenia cewkowe zainstalowane na rdzeniu wirnika, przy czym każde z uzwojeń cewkowych w odpowiedniej płaszczyźnie jest równoległe i przesunięte względem osi wirnika.

W innej odmianie wykonania, wirnik do maszyny synchronicznej wedł ug niniejszego wynalazku zawiera: (i) rdzeń wirnika mający oś wirnika i wgłębione powierzchnie rozmieszczone wzdłużnie względem rdzenia wirnika; (ii) pierwsze i drugie nadprzewodzące uzwojenie cewkowe zamontowane na rdzeniu wirnika, przy czym każde z uzwojeń cewkowych znajduje się w płaszczyźnie równoległej i przesunię tej względem osi wirnika; (iii) zespół pierwszych drążków naprężających spinających i łączących przeciwległe sekcje boczne każdego z uzwojeń cewkowych, i (iv) zespół drugich drążków naprężających spinających i łączących obydwa uzwojenia cewkowe.

Przedmiot wynalazku w przykładach wykonania uwidoczniono na złączonym rysunku, na którym fig. 1 przedstawia w uproszczonym widoku z boku nadprzewodzący (SC) wirnik przedstawiony wewnątrz stojana, fig. 2 przedstawia w uproszczonym widoku perspektywicznym cewkę owalną z wysokotemperaturowym nadprzewodnictwem (HTS) nadającą się do zastosowania w wirniku SC przedstawionym na fig. 1, fig. 3 w uproszczonym widoku perspektywicznym przedstawia przykładowy wirnik SC z podwójnymi owalnymi cewkami HTS (bez układu podtrzymującego cewki), fig. 4 w uproszczonym widoku perspektywicznym przedstawia przykładowy wirnik SC z podwójnymi owalnymi cewkami HTS (z układem podtrzymującym cewki), fig. 5 w uproszczonym widoku perspektywicznym przedstawia przykładowy wirnik SC z podwójnymi cewkami siodłowymi (bez układu podtrzymującego cewki), fig. 6 w uproszczeniu przedstawia obudowę cewkową dla podwójnych cewek siodłowych.

Na fig. 1 przedstawiono przykładową prądnicę synchroniczną 10 mającą stojan 12 i wirnik 14. Stojan (przedstawiony liniami przerywanymi) zawiera cewki uzwojenia magnesującego, które otaczają cylindryczną przestrzeń 16 dla wirnika. Wirnik osadzony jest wewnątrz przestrzeni próżniowej stojana. Przy obracaniu się wirnika wewnątrz stojana, pole magnetyczne 18 generowane przez wirnik i cewki wirnika porusza się/wiruje w stojanie i wytwarza prąd elektryczny w uzwojeniach cewek 19 stojana. Prąd ten jest oddawany przez prądnicę na zewnątrz w charakterze mocy elektrycznej.

Wirnik 14 ma zwykle oś 20 biegnącą wzdłużnie, i zwykle lity rdzeń 22 wirnika. Lity rdzeń 22 o dużej przenikalności magnetycznej jest zwykle wykonany z materiału ferromagnetycznego, na przykład żelaza. W maszynie o małej gęstości mocy z nadprzewodnictwem, rdzeń żelazny jest wykorzystywany do zmniejszenia siły magnetomotorycznej (MMF) a zatem zużycia drutu. Na przykład lity rdzeń żelazny wirnika może być nasycony magnetycznie przy natężeniu pola magnetycznego w szczelinie wynoszącym około 2 tesla.

Wirnik 14 podtrzymuje przynajmniej jedno rozciągające się wzdłużnie, owalne uzwojenie 34 cewki z nadprzewodnictwem wysokotemperaturowym (HTS) (patrz fig. 3). Nadprzewodząca cewka może w odróżnieniu od tego owalnego kształtu mieć kształt siodłowy lub może mieć pewien inny kształt, odpowiedni dla konkretnej konstrukcji wirnika. Układ wzmacniający cewki opisywany w niniejszym dokumencie jest przeznaczony dla uzwojenia cewki SC owalnej. Układ wzmacniający cewki może być dostosowany do konfiguracji cewki innej, niż cewka o kształcie owalnym.

Wirnik zawiera dwa wały końcowe 24, 30 które ściskają rdzeń 22 i są wsparte w łożyskach i mogą być dołączane do urządzeń zewnętrznych. Kolektorowy wał końcowy 24 zawiera pierścienie kolektorowe 79, zapewniające zewnętrzne połączenie elektryczne dla wyprowadzeń 79 na cewce 36 uzwojenia cewkowego 34. Ponadto, kolektorowy wał końcowy zaopatrzony jest w złącze 26 do transportu czynnika kriogenicznego ze źródła kriogenicznego płynu chłodzącego wykorzystywanego do chłodzenia uzwojeń cewki SC w wirniku. Złącze 26 do transportu czynnika kriogenicznego zawiera segment stacjonarny dołączony do źródła kriogenicznego płynu chłodzącego, i segment obrotowy, który dostarcza płyn chłodzący do cewki HTS. Wał końcowy 24 kolektora zawiera również kolektor 78 do połączenia elektrycznego z wirującym uzwojeniem cewki SC. Wał 30 na końcu napędowym wirnika może być napędzany przez sprzęgło 32 turbiny energetycznej 32.

Figura 2 przedstawia przykładowe owalne uzwojenie HTS 34 cewki magnesującej. W skład cewek SC 34 uzwojenia magnesującego wirnika wchodzi nadprzewodząca w wysokiej temperaturze cewka (SC) 36. Każda cewka HTS zawiera przewodnik z nadprzewodnictwem wysokotemperaturowym, na przykład druty z BSCCO (BixSrxCaxCuxOx) laminowane w kompozycie uzwojeniowym

PL 201 646 B1 nasycanym epoksydem. Na przykład zespół drutów z B2S2C2C3O może być laminowany, spajany i zwijany w litą cewkę nasyconą epoksydem.

Drut HTS jest łamliwy i łatwy do uszkodzenia. Cewka HTS jest zwykle nawijana warstwami taśmy HTS, i jest nasycana epoksydem w precyzyjnym kształcie, dla zapewnienia ciasnych tolerancji wymiarowych. Taśma jest nawinięta spiralnie tworząc owalną cewkę SC 36. Drut jest zawinięty tworząc uzwojenie owalne zawierające kanały chłodzące, które są przymocowane na jednej lub wielu zewnętrznych powierzchniach cewki dla zapewnienia chłodzenia przez odprowadzanie ciepła na zasadzie przewodzenia. W siodłowym wykonaniu cewki taśma może być ułożona tak, że jest ukierunkowana promieniowo względem wirnika.

Wymiary cewki owalnej zależą od wymiarów rdzenia wirnika. Zwykle każda owalna cewka otacza bieguny magnetyczne rdzenia wirnika i jest równoległa do osi wirnika. Uzwojenia cewki HTS są ciągłe wokół kształtu owalnego. Cewki tworzą bezrezystancyjną ścieżkę dla prądu elektrycznego wokół rdzenia wirnika i między biegunami magnetycznymi rdzenia.

W uzwojeniu 34 cewki znajdują się kanały płynowe 38 dla kriogenicznego płynu chłodzącego. Kanały te mogą przechodzić wokół zewnętrznej krawędzi cewki 36 SC. Przejścia kanałowe doprowadzają płyn chłodzący do cewki i odprowadzają z cewki ciepło. Płyn chłodzący utrzymuje niską temperaturę, na przykład 27K w uzwojeniu cewki SC konieczną do zapewnienia warunków nadprzewodnictwa, związanych z brakiem rezystancji elektrycznej cewki. Kanały chłodzące na jednym końcu rdzenia wirnika mają okna wejściowe 31 i okna wyjściowe 41 dla płynu. Te okna 39, 41 łączą kanały chłodzące 38 cewki SC ze złączem 26 do transportu czynnika kriogenicznego.

Każde uzwojenie HTS owalnej cewki 34 ma dwie w zasadzie proste części boczne 40, równoległe do osi 20 wirnika, i dwie części końcowe 40, które są prostopadle do osi wirnika. Na części boczne cewki działają największe siły odśrodkowe. Zatem te ściany boczne są podparte układem wzmacniającym cewki (przedstawionym na fig. 3 i 4), który zabezpiecza boczne części cewki i kompensuje siły odśrodkowe działające na te boczne części cewki.

Figura 3 przedstawia schemat rdzenia 22 wirnika z podwójnymi uzwojeniami 34 owalnej cewki HTS. Wały końcowe 24, 30 odchodzą od przeciwległych końców rdzenia wirnika. Rdzeń wirnika może być z żelaza kutego o pożądanych parametrach magnetycznych, na przykład dużej przenikalności magnetycznej. Rdzeń wirnika może mieć dwa bieguny magnetyczne, przy czym bieguny znajdują się na przeciwległych końcach rdzenia wirnika. Rdzeń wirnika elektromagnetycznie oddziałuje interakcyjnie z uzwojeniami cewki wzmacniając pola elektromagnetyczne wokół wirnika i stojana.

Rdzeń wirnika i wały końcowe mogą być kształtowane integralnie na przykład przez kucie, z jednego wału żelaznego. W odróżnieniu od tego, rdzeń wirnika i wały końcowe mogą być zmontowanymi razem częściami oddzielnymi.

Jednakowoż w przykładzie przedstawionym w niniejszym dokumencie, rdzeń wirnika jest integralny z wałami końcowymi, a rdzeń i wały sąsiadują ze sobą na całej długości wirnika. W rozwiązaniu alternatywnym żelazny rdzeń wirnika może być wykonany z wielu sekcji w kierunku wzdłużnym.

Żelazny rdzeń 22 wirnika ma zwykle kształt cylindryczny odpowiedni do wirowania we wnęce 16 wirnika stojana 12. Rdzeń wirnika ma wgłębione powierzchnie 44, na przykład obszary lub szczeliny płaskie lub trójkątne, dla uzwojeń cewki, ukształtowane w zakrzywionej powierzchni rdzenia cylindrycznego i przechodzące wzdłuż przez rdzeń wirnika. Uzwojenia 34 cewki są zamontowane na wirniku w sąsiedztwie obszarów wgłębionych. Cewki zwykle są ułożone wzdłuż zewnętrznej powierzchni obszaru wgłębionego. Te wgłębione powierzchnie 48 rdzenia wirnika są przeznaczone do pomieszczenia uzwojeń cewki, a zatem kształt obszaru wgłębionego jest zaprojektowany zgodnie z kształtem uzwojenia cewki. Na przykład, jeżeli cewka byłaby ukształtowana siodłowo, lub w pewien inny sposób, to wgłębienia w rdzeniu wirnika byłyby ukształtowane odpowiednio do pomieszczenia kształtu uzwojenia.

Wgłębione powierzchnie 44 mieszczą uzwojenie cewki, tak że powierzchnia zewnętrzna uzwojenia cewki sięga w zasadzie do obwiedni powstałej przy obrocie wirnika. Zewnętrzne powierzchnie zakrzywione 50 rdzenia wirnika przy wirowaniu tworzą obwiednię cylindryczną. Ta obwiednia obracania się wirnika ma w zasadzie tę samą średnicę, co wnęka 16 na wirnik (patrz fig. 1) w stojanie.

Przerwa między obwiednią wirnika a wnęką 16 stojana stanowi stosunkowo niewielki prześwit, potrzebny do wymuszonego chłodzenia wentylacyjnego tylko stojana, ponieważ wirnik nie wymaga chłodzenia wentylacyjnego. Pożądane jest minimalizowanie prześwitu między wirnikiem a stojanem, dla zwiększenia sprzężenia elektromagnetycznego między uzwojeniami cewki wirnika a uzwojeniami stojana. Ponadto korzystne jest, jeżeli uzwojenie cewki wirnika umieszczone jest tak, że wystaje do

PL 201 646 B1 obwiedni wyznaczonej przez wirnik, a zatem jest oddzielone od stojana tylko przerwą stanowiącą prześwit między wirnikiem a stojanem.

W podwójnej konstrukcji uzwojenia cewki HTS, rdzeń 22 wirnika ma dwie pary powierzchni wgłębionych 44 dla podwójnych cewek. Te cztery powierzchnie wgłębione są rozmieszczone symetrycznie na obwodzie rdzenia wirnika dla zachowania wyważenia podczas wirowania. Każda z tych powierzchni 44 tworzy pewną objętość 48 w rdzeniu wirnika na przedłużeniu rdzenia wirnika, która ma w przekroju kształt trójkąta prostokątnego. Przeciwprostokątna tego przekroju trójkątnego wyznacza pewien łuk na powierzchni 46 rdzenia wirnika. Każda z objętości 48 mieści boczną część 40 dwóch uzwojeń 34 cewki HTS. Gorący rdzeń żelazny 22 ma pewien regularny układ otworów kanałowych 48, umożliwiających przechodzenie przez wirnik prętów naprężających.

Wzdłuż wirnika i po przeciwległych stronach tego wirnika rozmieszczona jest para występów podłużnych 50 rdzenia wirnika. Ta para występów podłużnych wystaje promieniowo na zewnątrz wirnika do obwiedni wyznaczonej wirowaniem wirnika. Każdy występ podłużny rdzenia znajduje się między dwiema cewkami 34 a powierzchniami wgłębionymi 44, na których instalowane są cewki. Występy podłużne są integralne z rdzeniem wirnika i ukształtowane z tego samego materiału o dużej przenikalności magnetycznej, jak w innych częściach rdzenia wirnika. Występy służą do zwiększenia sztywności na zginanie wirnika wokół osi bieguna, koniecznej dla zredukowania drgań o podwójnej częstotliwości wirowania wirnika.

Główne obciążenie uzwojenia 34 cewki HTS w wirniku z rdzeniem żelaznym pochodzi od przyspieszenia odśrodkowego podczas wirowania wirnika. Potrzebne jest skuteczne wsparcie, zwłaszcza wzdłuż sekcji bocznych 40 cewki, na które działa największe przyspieszenie odśrodkowe. Dla wzmocnienia sekcji bocznych cewki, między sekcjami cewki rozpięte są drążki naprężające, zamocowane do obudów kanałowych 44, które chwytają przeciwległe sekcje boczne cewki. Drążki naprężające rozciągają się między sekcjami bocznymi tej samej cewki lub między cewkami sąsiadującymi z drążkami naprężającymi.

Kanały 52 mają zwykle kształt cylindrycznych przejść w rdzeniu wirnika, o prostych osiach. Średnica kanałów jest korzystnie na tyle większa od średnicy drążków naprężających, aby uniknąć konieczności stykania się wirnika z drążkami naprężającymi, a zatem uniknąć przenoszenia ciepła przez przewodzenie między wirnikiem a drążkami. Średnica kanałów jest w zasadzie stała, z wyjątkiem ich końców przy wgłębionych powierzchniach wirnika. Na końcach kanały mogą rozszerzać się do większej średnicy, dla pomieszczenia nieprzewodzącej cylindrycznej tulei (patrz fig. 4) dla drążków naprężających.

Kanały 52 są to otwory, przechodzące przez rdzeń wirnika i stanowiące przejścia dla drążków naprężających. Kanały mają w zasadzie kształt okrągły o pewnej średnicy, i prostą oś biegnącą przez wirnik. Osie otworów leżą zwykle w płaszczyźnie wyznaczonej przez owalną cewkę, do której należy przewód. Poza tym, oś kanału jest prostopadła do sekcji bocznej cewki, do której jest dołączony drążek naprężający przechodzący przez ten kanał. Poza tym, średnica kanałów wirnika jest dostatecznie duża, tak że drążki naprężające nie muszą się stykać z wirnikiem. Eliminacja styku między drążkami naprężającymi a rdzeniem wirnika minimalizuje przewodzenie ciepła z rdzenia wirnika, przez drążki naprężające do chłodzonych uzwojeń cewek SC.

Kanały 52 mogą być prostopadłe do sekcji bocznych 40 cewki. W przypadku tych drążków naprężających, które spinają przeciwległe sekcje boczne tej samej cewki, odpowiednie kanały leżą w tej samej płaszczyźnie co cewka. W przypadku tych drążków naprężających, które leżą pomiędzy podwójnymi cewkami, odpowiednie kanały mogą być prostopadłe do płaszczyzny obu cewek i przechodzić wzdłuż występów podłużnych 50 rdzenia wirnika. Liczba kanałów i ich rozmieszczenie będzie zależne od miejsca cewek HTS i liczby obudów cewkowych (patrz fig. 4) potrzebnych do wzmocnienia sekcji cewek.

Jak to pokazano na fig. 4, sekcje końcowe 42 każdej pary uzwojeń 34 cewki sąsiadują z przeciwległymi końcami rdzenia wirnika. Dzielony zacisk 54 (fig. 4) utrzymuje końcową sekcję uzwojeń cewki. Dzielony zacisk może być wykonany z materiału niemagnetycznego, na przykład z Inconel X718. Te same lub podobne materiały niemagnetyczne można wykorzystywać do wykonania drążków naprężających, obudów kanałowych i innych części układu wzmacniającego cewki. Układ wzmacniający cewkę jest, korzystnie, niemagnetyczny, zachowujący ciągliwość w temperaturach kriogenicznych, ponieważ materiały ferromagnetyczne w temperaturze poniżej punktu przejścia Curie stają się kruche i nie nadają się do wykorzystania w konstrukcjach przenoszących obciążenie.

PL 201 646 B1

Dzielony zacisk 54 przy każdym końcu cewki uzwojenia zawiera dwie przeciwległe płyty 56, między którymi umieszczona jest przekładkowo końcowa sekcja 42 cewki. Powierzchnie płyt zaciskowych zawierają kanały 58 do pomieszczenia końcowych sekcji uzwojeń cewki. Dzielony zacisk może być wzmocniony kołnierzem (nie pokazany) lub innym elementem konstrukcyjnym przytrzymującym zacisk przy wirniku i umożliwiającym podparcie przez ten zacisk sekcji końcowych cewek HTS.

Złącza elektryczne i złącza 39 dla płynu chłodzącego (na fig. 3 i 4 przedstawiono tylko złącze elektryczne) do cewek znajdują się na końcowych sekcjach 42 cewki. Połączenie elektryczne z cewką zrealizowane jest na sekcji końcowej najbliższej wału końcowego z kolektorem (nie przedstawiony) dla zapewnienia połączenia elektrycznego z wirującymi cewkami na wirniku. Złącze dla płynu chłodzącego umieszczone jest na przeciwległej sekcji końcowej uzwojenia każdej cewki, tak że kriogeniczny płyn chłodzący może przepływać przez cewki i odbierać ciepło od cewek do płynu chłodzącego, który odprowadzany jest w obiegu od cewek do układu chłodzenia.

Sekcje boczne 40 owalnej cewki 34 są wzmocnione szeregiem drążków naprężających 62 przechodzących przez kanały 52 w rdzeniu wirnika. Drążki naprężające są niemagnetycznymi, prostymi prętami przechodzącymi między przeciwległymi sekcjami bocznymi tej samej cewki, lub między sekcjami bocznymi dwóch cewek. Drążek naprężający może być wykonany ze stopów niemagnetycznych o wysokiej wytrzymałości, na przykład Inconelu X718. Drążki naprężające zaopatrzone są na każdym końcu w sprzęg z obudową kanałową 64, która obejmuje uzwojenie cewki. Obudowy kanałowe i drążki naprężające mogą służyć do korygowania naprężenia przykładanego do bocznych sekcji uzwojeń cewki.

Wsporniki uzwojenia cewki utrzymują uzwojenia cewki na wirniku, i przytrzymują uzwojenia przeciw działaniu sił odśrodkowych i wibracji powstających w wyniku wirowania wirnika i pracy maszyny elektrycznej. Wsporniki uzwojenia cewki zawierają drążki naprężające przechodzące przez wirnik i zaciśnięte na uzwojeniach cewki na obu końcach drążka. Drążki naprężające podtrzymują cewkę szczególnie dobrze w odniesieniu do sił odśrodkowych, ponieważ drążki przechodzą w zasadzie promieniowo między bokami uzwojenia cewki. Każdy drążek naprężający jest wałkiem stanowiącym wiązanie w kierunku wzdłużnym drążka i w płaszczyźnie owalnej cewki. Wiązanie wzdłużne drążków naprężających zapewnia boczną sztywność cewek, co zapewnia korzystne parametry dynamiczne wirnika.

Ponadto, sztywność boczna umożliwia zintegrowanie wzmocnienia cewek, tak że cewka może być składana ze wzmocnieniem cewki przed końcowym montażem wirnika. Wstępny montaż cewki ze wzmocnieniem skraca cykl produkcyjny, poprawia jakość wzmocnienia cewki, i zmniejsza różnice w montażu cewki. Cewka owalna wzmocniona jest matrycą elementów naprężających, które spinają długie boki cewki. Elementy wzmacniające cewki w postaci drążków naprężających są montowane wstępnie z cewką.

Cewka HTS i konstrukcyjne elementy wzmacniające znajdują się w temperaturze kriogenicznej. W odróżnieniu od tego, rdzeń wirnika znajduje się w temperaturze „gorącego” otoczenia. Wsporniki cewki stanowią potencjalne źródła przewodnictwa cieplnego, które mogłoby umożliwić docieranie ciepła z rdzenia wirnika do cewek HTS. Podczas pracy wirnik staje się gorący. Ponieważ cewki muszą być utrzymywane w warunkach przechłodzenia, to przewodzeniu ciepła do cewek należy zapobiegać. Drążki przechodzą przez otwory, na przykład kanały, w wirniku, lecz nie stykają się z wirnikiem. Ten brak kontaktu zapobiega przewodzeniu ciepła z wirnika do drążków naprężających i cewek.

Dla zmniejszenia upływu ciepła na zewnątrz z cewki, wspornik cewki jest zminimalizowany, dla zmniejszenia przewodzenia ciepła przez wspornik od źródeł ciepła, na przykład rdzenia wirnika. Istnieją w zasadzie dwie kategorie wsporników uzwojenia nadprzewodzącego (i) wsporniki „gorące”, i (ii) wsporniki „zimne”. W przypadku wspornika gorącego, konstrukcje wzmacniające są izolowane cieplnie od chłodzonych uzwojeń SC. Przy wspornikach gorących, większość obciążenia mechanicznego cewki nadprzewodzącej (SC) jest przejmowana przez elementy konstrukcyjne rozpięte między elementami zimnymi i gorącymi.

W zimnym układzie wzmacniającym, układ wzmacniający znajduje się w temperaturze bliskiej niskiej kriogenicznej temperatury cewek SC. We wspornikach zimnych większość obciążenia mechanicznego cewki nadprzewodzącej (SC) jest przejmowana przez elementy konstrukcyjne znajdujące się w temperaturze bliskiej kriogenicznej. Opisywany niniejszym przykładowy układ wzmacniający cewki jest wspornikiem zimnym, ponieważ drążki naprężające i przyporządkowane do nich obudowy sprzęgające drążki naprężające z uzwojeniami cewki SC są utrzymywane w temperaturze równej kriogenicznej lub bliskiej jej. Ponieważ elementy wzmacniające są zimne, to te elementy są izolowane

PL 201 646 B1 termicznie, na przykład przez kanały bezstykowe w rdzeniu wirnika, od innych, „gorących części składowych wirnika.

Pojedynczy element wzmacniający składa się z drążka naprężającego 62, obudowy kanałowej 64, i kołka ustalającego 80, który łączy obudowę z końcem drążka naprężającego. Każda obudowa kanałowa 64 jest obejmą w kształcie litery U, mającą ramiona, które łączą się z drążkiem naprężającym i kanałem obejmując uzwojenie 34 cewki. Obudowa kanałowa w kształcie litery U umożliwia precyzyjny i wygodny montaż układu wzmacniającego dla cewki. Wzdłuż boku uzwojenia cewki może być rozmieszczony szereg obudów kanałowych stykających się końcami. Obudowy kanałowe razem rozprowadzają siły działające na cewkę, na przykład siły odśrodkowe w zasadzie na całe sekcje boczne 40 każdej cewki.

Obudowy kanałowe 64 zbiorowo przechodzą przez długość każdej z bocznych sekcji 40 cewek HTS 34. Obudowy 44 cewek zapobiegają nadmiernemu uginaniu się sekcji bocznych 40 cewek pod działaniem sił odśrodkowych. Wsporniki cewki nie ograniczają liniowego rozszerzania się i kurczenia termicznego cewek, występującego podczas normalnych operacji uruchamiania/zatrzymywania turbiny gazowej. W szczególności, liniowa rozszerzalność termiczna powoduje zwiększanie i zmniejszanie długości sekcji bocznych, zatem ślizgają się one nieco wzdłużnie względem obudowy kanałowej i drążków naprężających.

Przenoszenie obciążenia odśrodkowego z konstrukcji cewki na drążek wzmacniający odbywa się przez obudowę kanałową w kształcie litery U, która nałożona jest wokół powierzchni zewnętrznej cewki, i bocznych sekcji prostych, i jest unieruchomiona przez kołki 66 w końcu 68 drążka naprężającego mającym większą średnicę. Obudowy kanałowe o kształcie U wykonane są z lekkiego materiału o dużej wytrzymałości, który ma dobrą ciągliwość w temperaturach kriogenicznych. Typowymi materiałami na obudowy kanałowe są aluminium, Inconel lub stopy tytanowe, które są niemagnetyczne. Kształt U obudowy można optymalizować pod względem zmniejszenia masy.

Kołek ustalający 66 przechodzący przez otwory w obudowie w kształcie litery U i drążku naprężającym może dla zmniejszenia ciężaru być wykonany jako drążony. Na końcach kołka ustalającego znajdują się nakręcone, czyli zamocowane nakrętki lub kołki blokujące dla unieruchomienia obudowy w kształcie U i zabezpieczenia przed rozpadnięciem i rozproszeniem na zewnątrz boków obudowy pod obciążeniem. Kołek ustalający może być wykonany jako wytrzymały z Inconelu lub stopów tytanowych. Drążki naprężające mają większą średnicę końców 68, które są wykonane przez skrawanie z dwoma spłaszczeniami 70 dla dopasowania do obudowy o kształcie litery U i do szerokości cewki. Płaskie końce 70 drążków naprężających dotykają wewnętrznej powierzchni cewek HTS, kiedy drążek, cewka i obudowa są zmontowane razem, i ten montaż zmniejsza skupianie naprężeń przy otworze w drążku naprężającym dla kołka ustalającego.

Drążki naprężające 72 znajdujące się między sąsiednimi cewkami przymocowane są także do obudów kanałowych 64 w kształcie litery U. Te drążki naprężające stanowią pewną ramę do wzajemnego wzmocnienia podwójnych cewek. Drążki naprężające 72 wchodzą w części gniazdowe złączy 74 w bokach każdej obudowy kanałowej. Do przymocowania drążka naprężającego 76 do boku obudowy kanałowej może służyć kołek blokujący 74.

Układ wzmacniający cewki z drążkami naprężającymi 62, obudowami kanałowymi 64 i dzielonym zaciskiem 54 może być montowany przy montażu uzwojeń 34 cewki HTS na rdzeniu 22 wirnika. Jak z tego wynika układ wzmacniający cewki jest przede wszystkim środkiem, za pomocą którego uzwojenia cewki HTS są mocowane do rdzenia wirnika. Rama złożona z drążków naprężających i obudów kanałowych stanowi całkowicie sztywną konstrukcję do wzmocnienia uzwojeń cewki i unieruchomienia uzwojeń cewki względem rdzenia wirnika.

Uzwojenie 34 cewki może być ekranowane od strumienia magnetycznego indukowanego przez stojan za pomocą przewodzącego cylindra umieszczonego wokół rdzenia wirnika. Poza tym uzwojenie cewki może być umieszczone w próżni dla izolowania uzwojenia od ciepła wirnika. Próżnia może być wytwarzania w cylindrycznym naczyniu próżniowym wokół rdzenia wirnika.

Figura 5 przedstawia w uproszczonym widoku podwójną cewkę siodłową 100 zainstalowaną na wirniku 20. Każda z cewek siodłowych ma konstrukcję podobną do uzwojenia owalnego przedstawionego na fig. 2, w której każda cewka jest ukształtowana z opasanej cewki SC 36 i ma kanał chłodzący 38 dla utrzymywania cewki w temperaturach kriogenicznych. Cewki siodłowe mają długą sekcję boczną 140, która wchodzi ciasno w szczelinę wzdłużną 102 w rdzeniu wirnika. Szczeliny stanowią przedłużenie rdzenia 22 wirnika, i znajdują się po przeciwległych stronach rdzenia. Cewki siodłowe mają sekcje końcowe 154, które sąsiadują z końcami 56 rdzenia wirnika. Zatem każda z cewek

PL 201 646 B1 siodłowych przechodzi przez parę szczelin w rdzeniu i zawija się wokół końców rdzenia. Ekran 90 okrywa cewki i zapewnia cewkom próżnię, i jest przewodzący uniemożliwiając przenikanie pól elektromagnetycznych ze stojana do wrażliwych cewek.

Figura 6 przedstawia w uproszczonym widoku obudowę cewkową 144 dla podwójnych cewek siodłowych 100. Obudowa cewkowa jest podobna do obudowy 44 dla owalnych uzwojeń cewek, z tym wyjątkiem, że obudowa siodłowa 144 osadzona jest na parze uzwojeń. Obudowa siodłowa ma dwa ramiona 150, każde z otworem 152 do wstawienia kołka ustalającego 180. Kołek ustalający łączy obudowę z drążkiem naprężającym, który przechodzi przez kanał w rdzeniu. Koniec 186 drążka naprężającego jest płaski i stanowi powierzchnię wzmacniającą dla boków cewek siodłowych zwróconych do rdzenia.

Jakkolwiek wynalazek opisano w połączeniu z odmianą wykonania, którą obecnie uważa się za najkorzystniejszą i możliwą do zrealizowania, to jest oczywiste, że wynalazek nie ma być w założeniu ograniczony do opisanej odmiany wykonania, lecz przeciwnie, uważa się, że obejmuje wszystkie odmiany wykonania zgodne z istotą załączonych zastrzeżeń.

Claims (15)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Wirnik maszyny synchronicznej zawierający rdzeń wirnika z osią wirnika, parę nadprzewodzących uzwojeń cewki zainstalowanych na rdzeniu wirnika, przy czym każde z uzwojeń cewki jest usytuowany w odpowiedniej płaszczyźnie, która jest równoległa do osi wirnika i przesunięta promieniowo od osi wirnika, znamienny tym, że rdzeń (22) wirnika stanowi rdzeń zasadniczo lity, zaś uzwojenia (34, 100) cewki są usytuowane na zewnątrz litego rdzenia (22) wirnika, a ponadto wirnik zawiera kriogenicznie zimny wspornik cewki, który jest połączony z uzwojeniami (34, 100) cewki, tworząc zespół wspornika cewki i uzwojeń cewki, przy czym ten zespół jest oddzielony szczeliną od litego rdzenia (22) wirnika.
2. 2. Wirnik według zastrz. 1, znamienny tym, że uzwojenia (34) cewki mają kształt owalny.
3. 3. Wirnik według zastrz. 1, znamienny tym, że każda z nadprzewodzących cewek (34, 100) ma parę przeciwległych sekcji bocznych (40), które są równoległe do osi (20) wirnika i parę sekcji końcowych (42) w sąsiedztwie odpowiednich końców rdzenia (22) wirnika.
4. 4. Wirnik według zastrz. 1, znamienny tym, że rdzeń (22) wirnika ma wgłębione powierzchnie (44) rozmieszczone wzdłużnie względem rdzenia (22) wirnika, i te powierzchnie wgłębione mieszczą uzwojenia (34, 100) cewki.
5. 5. Wirnik według zastrz. 1, znamienny tym, że każde z uzwojeń (34, 100) cewki zawiera drut (36) z nadprzewodnictwem wysokotemperaturowym (HTS) rozmieszczony wokół wspomnianego każdego z uzwojeń cewki.
6. 6. Wirnik według zastrz. 1, znamienny tym, że wspornik cewki zawiera drążki naprężające (72) rozmieszczone między uzwojeniami cewki i łączące te uzwojenia.
7. 7. Wirnik według zastrz. 1, znamienny tym, że wspornik cewki zawiera drążki naprężające (72) rozmieszczone między uzwojeniami cewki i łączące te uzwojenia, jak również przechodzące przez kanały (52) w rdzeniu (22) wirnika.
8. 8. Wirnik według zastrz. 1, znamienny tym, że wspornik cewki zawiera drążki naprężające (72) rozmieszczone między uzwojeniami (34) cewki, i łączące te uzwojenia, przy czym drążki naprężające są prostopadłe do płaszczyzn uzwojeń cewki.
9. 9. Wirnik według zastrz. 1, znamienny tym, że rdzeń (22) jest rdzeniem w postaci żelaznego korpusu.
10. 10. Wirnik według zastrz. 1, znamienny tym, że rdzeń (22) zawiera występ podłużny (50) rozdzielający uzwojenia cewki.
11. 11. Wirnik według zastrz. 1, znamienny tym, że wspornik cewki zawiera pierwsze drążki naprężające (62), spinające i łączące przeciwległe sekcje boczne każdego z uzwojeń (34) cewki, oraz drugie drążki naprężające (72), spinające i łączące oba uzwojenia (34) cewki.
12. 12. Wirnik według zastrz. 1, znamienny tym, że uzwojenia (34, 100) cewki znajdują się po przeciwległych stronach osi wirnika, i płaszczyzna każdego z uzwojeń cewki jest odsunięta od osi (20) wirnika na tę samą odległość.
13. 13. Wirnik według zastrz. 1, znamienny tym, że płaszczyzny wspomnianych uzwojeń (34, 100) cewki są wzajemnie równoległe, a oś (20) wirnika znajduje się między tymi płaszczyznami.

    PL 201 646 B1
14. 14. Wirnik według zastrz. 1, znamienny tym, że uzwojenia cewki są siodłowymi uzwojeniami (100) cewki.
15. 15. Wirnik według zastrz. 14, znamienny tym, że dodatkowo zawiera obudowy (144) cewki siodłowej, obejmujące sekcje boczne siodłowych uzwojeń cewki.