WO2011080357A1 - Generador síncrono superconductor de accionamiento directo para una turbina eólica - Google Patents

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low
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thermal
low pressure
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PCT/ES2009/070639
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Mattia Scuotto
Gustavo SARMIENTO MUÑOZ
Jose María MERINO AZCÁRRAGA
Javier Garcia-Tejedor Perez
Pedro IBAÑEZ EREÑO
Susana APIÑANIZ APIÑANIZ
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Fundacion Robotiker
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    • Y02E40/60—Superconducting electric elements or equipment; Power systems integrating superconducting elements or equipment

Definitions

  • the present invention relates to the technical field of electric generators comprising a rotor and a stator for the production of electric power and, in particular, low speed direct drive synchronous generators comprising superconducting field windings for use in wind turbines .
  • Wind turbines are nowadays considered a "green” energy source and, in fact, belong to one of the most developed renewable technologies.
  • Most wind turbines are horizontal axis wind turbines that have a rotor equipped with three blades connected to a main rotor shaft and an electric generator mounted inside a gondola on top of a tower.
  • Many conventional types of wind turbines comprise a multiplier box that converts the relatively slow rotation of the wind turbine rotor into a faster rotation to drive the rotor of the electric generator.
  • multiplier boxes reduce the efficiency of the conversion of wind energy into mechanical energy used to drive the rotor of the electric generator and are also quite expensive, need intensive and scheduled maintenance and are subject to wear and therefore related failures.
  • Direct drive generators based on conventional electric machine technologies do not comprise multiplier boxes and therefore lack the disadvantages of these, but are inherently larger and heavier.
  • Superconductivity is inherent in certain materials generally at very low temperatures, which leads to zero DC electrical resistance and the exclusion of the inner magnetic field (at a given temperature and current density, the superconductor can produce a maximum magnetic field; a as the field exceeds this value the superconductor becomes a normal conductor and has ohmic resistance).
  • Superconductivity is produced in a wide variety of materials, including simple elements such as tin and aluminum, but also in other materials such as various metal alloys and some strongly doped semiconductors, in some materials of the perovskite cuprate type based on lanthanum and yttrium, materials ceramics consisting of thallium, mercury, copper, barium, calcium and oxygen, iron arsenide with lanthanum oxide and fluorine.
  • a particularly interesting superconductor from a practical point of view is magnesium diboride, a conventional superconductor, which is relatively easy to synthesize and manufacture in long wires and has a critical transition temperature of 39 5 K in powder or bulk form.
  • the copper field windings of a conventional synchronous machine are buried in the rotor grooves or winding around protruding iron poles of the rotor, while the armature windings are housed inside grooves and are separated by iron teeth on the stator
  • These iron elements effectively reinforce and guide the magnetic flux through the machine's air gap, that is, the radial separation between the surface of the rotor or rotor poles and the stator teeth.
  • Superconducting field windings can carry much more current (amp-turns) than conventional ones, thus producing larger magnetic fields. Therefore, some iron elements can be supplied.
  • the magnetic circuit of the electric machine comprises two annularly shaped iron elements, the rotor counter-iron and the stator's rear yoke.
  • a very high magnetomotor force is needed.
  • the largest magnetic fields are usually found just above the superconductors.
  • the most recent prototypes of superconducting machines implement high temperature superconductors (HTS) with a transition temperature greater than 77 5 K (boiling point of nitrogen) such as YBCO and BSSCO. These superconductors can adopt high fields (2.5-3.5T) at a reasonably low temperature (20-40 5 K).
  • Magnesium diboride offers an interesting balance: on the one hand, it is much cheaper and operates at temperatures in the order of 15-25 5 K. On the other hand, to transport high currents at these temperatures, existing diboride-based wires magnesium cannot adopt very high magnetic fields, usually well below 2 T. Therefore, in order to achieve adequate performance, the magnetic circuit of superconducting synchronous electrical machines based on magnesium diboride wires and cheap materials with similar characteristics must comprise protruding iron poles protruding from the rotor counter-iron. The iron poles divert the magnetic flux from the superconducting coils and reduce the reluctance of the circuit.
  • cryostats typically, superconductors are maintained at the appropriate operating cryogenic temperature in special containers called cryostats.
  • the "cold rotor" design as disclosed in WO-A 2007/033858 is not suitable for a rotor of protruding poles, because the outer shells of the cryostat above the poles would require additional space, thus making the air gap longer and having a negative effect on the distribution of the magnetic field. This feature would reduce the efficiency of the magnetic circuit.
  • the superconducting part is immersed in a refrigerant, in a gaseous or liquid state, and is isolated from the outside in the cryostat.
  • the heat generated by the external or internal sources is exchanged with the refrigerant and extracted outside the cryostat in order to keep the machine at the proper operating temperature.
  • the refrigeration process may involve a phase change to the gaseous state.
  • Both the gas I as liquid He (boiling point of 4.2 K 5) have been widely used as a refrigerant. Since He is a very expensive element, several closed cycle systems have been developed to recover this expensive gas, and even liquefy it again.
  • the present invention seeks to overcome the above-mentioned drawbacks of the prior art by providing a direct drive electric generator as claimed in claim 1.
  • the hot pole rotor that is, the "hot rotor” contains a cryostat of suitable geometry.
  • the geometry cryostat mentioned above will be referred to as a "hamster wheel” type.
  • superconducting field windings preferably based on magnesium diboride wire are maintained at the appropriate cryogenic temperature. This design has a number of advantages over conventional "cold rotor" designs:
  • cryostat can be made modular; Each coil comes with its own cryostat element housing so that once all the elements are placed on the rotor, the surfaces between coplanar shells of the outer jacket can receive an appropriate seal, such as vacuum-proof or other welds ;
  • the radial extension of the cryostat above the superconducting field windings can be reduced, and therefore, reduce the space between the rotor poles and the winding of the stator armature and improve the magnetic flux in the air gap;
  • cryogenic system is based on cryogenic refrigerators in a "cryogen-free” system, therefore a “cold-dry” cryogenic system design, since no refrigerant enters the cryostat.
  • Cryogenic refrigerators extract heat entering the cryostat through properly designed thermal circuits located inside the cryostat.
  • a cryogenic Gifford-McMahon (GM) refrigerator for example, helium gas undergoes a closed thermodynamic cycle, usually comprising a one or two phase gas expansion.
  • GM refrigerators are widely known in the industry.
  • the main components of a GM refrigerator are: the cooling head (in which the He gas expands), the compressor and the two flexible lines to supply the refrigerant.
  • the cooling head has two phases, related to the two thermodynamic subcycles that are carried out inside it, at two different temperatures, which will be referred to hereafter as "high temperature” and "low temperature”.
  • high temperature usually composed of a highly conductive material such as oxygen-free copper, heat is extracted.
  • low temperature is approximately 15 5 K.
  • the cryogenic refrigerator compressor is arranged stationary.
  • Each chamber is connected to at least one refrigerant outlet and one refrigerant inlet.
  • the number of connections depends on the number of cooling heads and compressors that the cryogenic cooling system can comprise.
  • the connecting lines The compressor with the direct rotary feed and the direct feed to the cooling head can be flexible.
  • the cryostat comprises a single unit of multiple modules.
  • Each module comprises a part of two partially interconnected thermal circuits, a very high thermal conductivity element that encloses the superconducting coil that performs the functions of thermal anchoring of the coil, frame and armature, a radiation shield, an external jacket of the cryostat and several supports of low thermal conductivity.
  • the radiation shield is housed in the outer sleeve of the cryostat.
  • the interconnected plurality of modular radiation shields constitutes the high temperature thermal circuit of the cryostat that supplies part of the heat that enters from outside and / or that is generated inside the cryostat to the high temperature phase of the cooling heads.
  • the thermal anchoring and frame elements are housed inside the radiation shield.
  • the thermal anchoring elements of the superconducting and heat transfer coil constitute the low temperature thermal circuit of the cryostat that supplies part of the heat that enters from the outside and / or is generated within the radiation screens to the low phase temperature of the cooling heads.
  • the cryostat comprises interpolar cross sections located between adjacent iron poles, each interpolar section comprising:
  • transverse part of the outer jacket of the cryostat comprising an outer transverse U-shaped channel provided with a first insulation and closed by a transverse part of an outer cover plate;
  • a transverse part of the radiation shield comprising an internal transverse U-shaped channel provided with a second insulation and closed by a transverse part of an inner cover plate;
  • the transverse part of the radiation shield is located within the second insulation in the transverse part of the outer jacket of the cryostat;
  • the two transverse parts of the adjacent thermal anchoring and frame elements are located within the first insulation in the transverse part of the radiation shield.
  • the direct rotary feed can be constituted by:
  • a low pressure chamber connected to a low pressure circuit and with fluid connection to a first phase of at least one cooling head, said first phase being thermally coupled to the low temperature circuit in the cryostat;
  • a high pressure chamber housed within the low pressure chamber and with fluid connection to a high pressure circuit thermally coupled to a second phase of at least one cooling head, said second phase being thermally coupled to the high temperature circuit in the cryostat; a low pressure sealing structure that divides the low pressure chamber into a low stationary pressure part and a low rotary pressure part, the rotating low pressure part being rotary, in the low pressure sealing structure;
  • a high pressure sealing structure that divides the high pressure chamber into a high stationary pressure part and a rotating high pressure part, the rotating high pressure part being rotatable, in the high pressure sealing structure, the mounted High pressure sealing structure in the low pressure sealing structure.
  • the low stationary pressure part can be fixed to a support comprising an annular support part in which the low rotary pressure part is rotatably supported.
  • the low rotary pressure part has a peripheral annular greasing or other protruding element and / or other annular reinforcing element and bearings located between the annular support part and the annular greasing.
  • the low rotary pressure part may comprise a low pressure inlet connected to a low pressure inlet pipe that is connected to a flexible recovery line
  • the low stationary pressure part may comprise a low pressure outlet connected to a low pressure outlet pipe, so that the refrigerant flowing from the cooling heads through the flexible recovery line enters the low pressure chamber through the low pressure inlet, exits the chamber of low pressure through the low pressure outlet in the low stationary pressure part and is driven to the cryogenic refrigerator compressor through of the low pressure outlet pipe.
  • a high pressure chamber comprised within a stationary high pressure chamber part and a rotating high pressure chamber part.
  • the high pressure stationary part may comprise a high pressure inlet connected to a high pressure inlet pipe that extends through the low pressure chamber, penetrates the vertical wall of the low stationary pressure part and thus connects the High pressure chamber with cryogenic refrigerator compressor.
  • the rotating part may comprise a high pressure outlet connected to a high pressure outlet pipe that extends through the low pressure chamber in an opposite direction, penetrates through the vertical wall of the low pressure rotating part and It connects with a flexible supply line.
  • high pressure refrigerant is supplied from the compressor to the cooling heads.
  • the high pressure chamber parts are coupled to each other by a high pressure sealing structure so that the rotating high pressure part rotates with respect to the high stationary pressure part.
  • the high pressure sealing structure is connected to the low pressure sealing structure. The high rotary pressure part and the low rotary pressure part thus rotate simultaneously with the wind turbine rotor.
  • the periphery of the low pressure sealing structure may be enclosed by an annular leak recovery housing comprising an internal leak recovery chamber and a recovery outlet. Coolant leaks through the low pressure seal are retained within the recovery chamber from which they can be removed through the recovery outlet.
  • the sealing part is comprised of a material that provides low friction to allow rotation of the high rotary pressure part and good sealing properties to minimize leakage of the high pressure refrigerant. Refrigerant leaks from the high pressure chamber enter the low pressure chamber and are transported to the compressor.
  • the low pressure sealing part of the low pressure sealing structure can be lubricated with a suitable lubricant such as oil.
  • the present invention overcomes the above-described drawbacks of low-speed direct drive generators of the prior art and superconducting synchronous generators for large wind turbines efficiently by means of a structure that is quite cheap and conventional manufacturing.
  • Figure 1 is a partial schematic side perspective view showing the inside of a wind turbine using a direct drive generator according to the present invention
  • Figure 2 is a front schematic perspective view partially showing the inside of an embodiment of a generator according to the present invention as included in the wind turbine shown in Figure 1;
  • FIG 3 is a front schematic perspective view of the overall cryogenic system of the generator shown in Figure 2;
  • FIG 4 is a schematic partial view of the cryostat and the generator cooling system shown in Figure 2;
  • Figure 6 is a partially exploded view of an interpolar cryostat unit for the generator shown in Figure 2;
  • Figure 7 is a sectional view of an embodiment of the direct rotary feed
  • Figure 8 is a sectional view along line A-A of the direct rotary feed shown in Figure 7;
  • Fig. 9 is a schematic view of an embodiment of the low temperature thermal circuit and the high temperature circuit of the cryogenic system.
  • Figure 1 shows a horizontal axis wind turbine to generate 5-10 MW comprising a rotor hub -1 - equipped with blades (only two blades are shown in Figure 1) attached to a rotor shaft -2- which is connected to a direct-drive synchronous superconducting electric generator -3-.
  • the electric generator is mounted on a generator armature -5-.
  • the rotor bushing -1-, the rotor shaft -2- and the generator -3- are located in a gondola -4- which is pivotally mounted on an upper part of a tower in a manner known per se.
  • the electric generator -3- comprises a rotor with rotor armature -14- which is connected to the rotor shaft -2- and to an annular laminated rotor counter -7- with iron poles external rectangular rotor laminate -6- protruding from the peripheral surface of the counter iron.
  • the rotor armature -14- rotates within a stator comprising an annular stator armature -9- with an inner stator rear yoke -8-.
  • the stator armor -9- is connected to the generator armor -5-.
  • Each iron pole of the rotor -6- is framed by the cryostat -10- and can be covered by an external thin annular electromagnetic shield -13- that is mounted around the entire rotor air gap surface.
  • Each module of the cryostat -10- encloses a superconducting coil (not shown in figures 1 and 2) manufactured from, for example, magnesium diboride wire, wound in coils as field windings in the rotor.
  • the superconducting coils are operated at a cryogenic temperature in the normally 10-25 5 K range.
  • the cryostat -10- isolates the superconducting coils from the hot parts of the generator, for example, the iron poles -6-, and the atmosphere Exterior. Inside the cryostat -10-, low pressure is generated and maintained through vacuum pumps (not shown in the drawings).
  • An armature winding of the annular stator air gap -12- comprising a plurality of windings of the air gap -1 1 - faced with the cryostat -10- and electromagnetic screens -13- is mounted on the inner surface of the stator's rear yoke -8 -.
  • the stator windings also called armature windings, carry three-phase AC and can be controlled by a power electronics AC / DC-DC / AC converter.
  • the armature windings may require a dedicated cooling system, based on water, oil or forced air circulation, depending on the needs.
  • the generator further comprises a cryogenic refrigeration system comprising a cryogenic refrigerator compressor -15- connected by means of a direct rotary feed -16- to pairs of flexible lines -17- respectively connected to cooling heads of the cryogenic refrigerator -18- which , in turn, are connected to the cryostat -10-.
  • the compressor -15- is stationary in the rotor. Direct rotary feeding
  • a Gifford-McMahon type cryogenic refrigerator comprising the cooling head -18- and the compressor -15- connected by the pairs of flexible lines -17- by means of the direct high-pressure rotary feed -16- is suitable as a cooling system.
  • the compressor can be designed to rotate so that direct rotary feeding would not be necessary.
  • FIGS. 4 to 6 show more details of the cryogenic system used to cool and maintain the superconducting coils -24- that are located inside the cryostat -10- at the appropriate operating temperature.
  • the cryostat -10- comprises a single unit with multiple modules. Each module comprising a part of two partially interconnected thermal circuit elements -22, 23-, a very high thermal conductivity element -21 - which encloses the superconducting coil -24- that performs the functions of thermal anchoring, frame and reinforcement of the coil, a radiation shield -20-, an outer jacket of the cryostat -19- and several supports of low thermal conductivity -29, 30-.
  • the superconducting coils -24- are in the form of rectangular reinforcements with arched corner sections and are enclosed by and in thermal contact with thermal anchoring elements similar to a reinforcement and frame -21 -.
  • the thermal anchoring elements, frame and reinforcement of the superconducting coil, -21 - are housed in radiation shields similar to a housing-20-, and each of the assemblies thus formed is housed in an outer jacket -19-.
  • the thermal anchoring elements of the superconducting coil -21 - constitute the low temperature thermal circuit element of the cryostat -22- that supplies part of the heat that enters from the outside and / or is generated within the radiation module -20-.
  • each superconducting coil -24- are composed of two opposite hollow side parts -25- and two opposite hollow transverse parts -32 -, which form a rectangular reinforcement whose corner parts are closed by lateral corner pieces -39-.
  • the radiation shield of the cryostat -20- comprises a plurality of radiation shielding units comprising a rectangular housing -40- having two side walls and two transverse walls surrounding an opening, and two transverse L-shaped wings -37- protruding outward at the bottom of the inner transverse walls of the housing
  • the radiation display unit of the cryostat further comprises two lateral L-shaped profiles -26-, respectively, facing the inner walls of the inner shell -40- so that each of the lateral L-shaped profiles -26- forms a lateral internal U-shaped channel with one of the lateral walls of the interior housing -40-.
  • the lateral L-shaped profiles -26- are shorter than the overall lateral extension of the radiation shield -20- and therefore, are only faced with half of the open end portions of each of the wings in L-shaped cross -37-.
  • Each of the transverse interior U-shaped insulation channels formed by the inner multilayer insulation -36- is sized such that there is space to accommodate a transverse part -32- of a frame and thermal anchoring element -21- and a transverse part -32- of a frame and thermal anchoring element -21 - adjacent to each other separated by a transverse, hollow space that prevents direct thermal contact between the frame elements -21 -.
  • each of the inner side U-shaped channels between the L-shaped profiles -26- and the inner walls of the inner shell -40- is sized so that one of the side parts of the frame element and thermal anchor -21 - fits in it.
  • Each unit of the cryostat radiation shield -20- also comprises an inner cover plate -33- with a central opening.
  • the inner cover plate -33- closes half of each of the inner transverse U-shaped channels in the transverse wings -37- and the inner lateral U-shaped channels.
  • the outer jacket of the cryostat -19- comprises a plurality of jacket units each comprising two transverse U-shaped profiles -28- and two lateral U-shaped profiles -27- arranged so that the vertical edges of the inner vertical parts of the U-shaped profiles -27-, -28- abut each other and thus define an inner passage.
  • each of the outer L-shaped profiles -31 - are therefore aligned with the respective central sections of the U-27-profiles while the vertical parts of the L-shaped profiles exteriors are aligned with the respective wall parts of the external L-shaped profiles -31-.
  • an outer lateral channel is formed by each of lateral U-shaped profiles -27- and the respective external L-shaped profiles -31-.
  • Each of the transverse U-shaped profiles -28- forms an external transverse U-shaped channel in which there are three external low thermal conductivity supports -30- to support an external U-shaped multilayer insulation -35- that It forms an outer transverse isolation channel.
  • Each of the outer transverse insulation channels is sized so that one of the transverse walls of the inner casing -40- and one of the L-shaped wings -37- fits into it.
  • each of the outer lateral channels is sized to accommodate one of the lateral L-shaped profiles -26- of a unit of the radiation shield of the cryostat -20- so that the inner vertical parts of the profile U-shaped side -27- can be inserted into the opening in the display unit against the radiation of the cryostat -20- and the outer vertical part of each of the lateral L-shaped profiles -26- is located in a part middle of the outer U-shaped channel.
  • Each unit of the outer jacket of the cryostat -19- further comprises an outer cover plate -34- covering the outer transverse channels and the outer side channels thereof.
  • the outer cover plate -34- has a central opening that is shaped in a manner complementary to the shape of the inner passage of the cryostat sleeve unit -19- so that the cryostat sleeve unit -19- can insert over one of the iron poles -6- of the rotor counter-iron - ⁇ -.
  • Each of the transverse parts of the frame and thermal anchoring elements -21-, of the radiation shield units -20- and of the cryostat outer jacket units -19- shown in Figures 5 and 6 is located between two adjacent iron poles -6- when the cryostat unit -10- is mounted on an iron pole -6-.
  • the transverse part of each of the cryostat units -10- comprising these elements -19-, -20-, -21 - can therefore be defined as an interpolar part or element of the cryostat -10-.
  • the cryostat -10- that encloses the superconducting coils -24- is a double-jacketed vacuum vessel whose geometry as a "hamster wheel” is designed to engage the rotor structure. It presents a minimum thermal loss (of radiation and conduction) and enhances the capacity of diversion of the flow of the iron poles reducing the length of the air gap, thereby reinforcing the magnetic flux of the air gap (for a given ampere-return value of the superconducting coils) while weakening the leakage flow that jumps through the superconducting coils -24-.
  • the direct rotary feed -16- shown in Figures 7 and 8 comprises a low stationary pressure part -16a- and a low rotary pressure part -16b- enclosing a low pressure chamber -16e-.
  • the low pressure parts -16a-, -16b- are assembled so that they can rotate relative to each other by means of a low pressure rotary sealing structure -42-.
  • the low stationary pressure part -16a- is fixed to a support -41- which comprises an annular support part -41 a- in which the low rotary pressure part -16b- is supported so that it can rotate.
  • the low rotary pressure part -16b- has a peripheral annular greasing -16m- that protrudes from its outer surface and bearings -41b- located between the annular support part -41 a- and the annular greasing -16m -.
  • the rotary low pressure part -16b- comprises a low pressure inlet -16j- connected to a low pressure inlet pipe that is connected to a flexible recovery line -17b-, and the stationary low pressure part -16a- it comprises a low pressure outlet -161- connected to a low pressure outlet pipe -16h-, so that the refrigerant flowing from the cooling heads -18- through the flexible recovery line
  • a high chamber pressure -16f- comprised within a stationary high pressure chamber part -16c- and a rotating high pressure chamber part -16d-.
  • the stationary high-pressure part -16c- comprises a high-pressure inlet -16k- connected to a high-pressure inlet pipe -16g- that extends through the low-pressure chamber -16e-, penetrates the vertical wall of the stationary low pressure part -16a- and thus connect the high pressure chamber -16f- with the cryogenic refrigerator compressor -15-.
  • the rotary high-pressure part -16d- comprises a high-pressure outlet -16- connected to a high-pressure outlet pipe -16o- that extends through the low-pressure chamber -16e- in an opposite direction, penetrates through the vertical wall of the rotating low pressure part -16b- and is connected with a flexible supply line.
  • high pressure refrigerant is supplied from the compressor to the cooling heads.
  • the high pressure chamber parts -16c-, -16d- are coupled together by a high pressure sealing structure -44- so that the rotating high pressure part -16d- rotates with respect to the high pressure part stationary -16c-.
  • the high pressure sealing structure -44- is connected to the low pressure sealing structure -42-.
  • the high rotary pressure part -16d- and the low rotary pressure part -16b- therefore rotate simultaneously with the wind turbine rotor.
  • the periphery of the low pressure sealing structure -42- is hermetically sealed by an annular leak recovery housing -43- comprising an inner leak recovery chamber -43a- and a recovery outlet -43b-. Refrigerant leaks through the low pressure seal -42- are retained just inside the recovery chamber -43a- from which they can be removed through the recovery outlet -43-.
  • the sealing part is made of a material that provides low friction to allow rotation of the high rotary pressure part -16d- and good sealing properties to minimize high pressure refrigerant leakage. Refrigerant leaks from the high pressure chamber -16f- enter the low pressure chamber -16e- and are transported to the compressor -15-.
  • the low pressure sealing part of the low pressure sealing structure -41 - can be lubricated with a suitable lubricant such as oil.
  • FIG. 9 shows that the cryostat -10- houses two thermal circuits, in parallel but not independent of each other, that is a low thermal circuit temperature -45- operating at a temperature of, for example, 15 5 K, and a high temperature thermal circuit -46- operating at a temperature of, for example, 80 5 K.
  • the low temperature thermal circuit -45 - comprises low temperature thermal circuit elements -22- and high temperature thermal circuit -46- comprises high temperature thermal circuit elements -23-.
  • the invention guarantees that no refrigerant enters the cryostat -10- or superconducting coils -24-.
  • the coolant that is, helium at a pressure of 10-25 bar, leaves the stationary compressor -15- and conducts each of the cooling heads -18- through the direct rotary feed -16- and one of the flexible supply lines -17a-.
  • a thermodynamic cycle of Gifford-McMahon takes place so that each cooling head -18- reaches different temperatures, for example 80-100 5 K in the first phase -18a- and 15-20 5 K in the second phase -18b-.
  • cryostat -10- Since the elimination of heat at cryogenic temperatures is quite inefficient, vacuum pumps are used to achieve a very low pressure in the cryostat -10- so that the thermal flux transported by the gas molecules inside the vessel is minimized and in contact with the cryostat walls -10-.
  • the low temperature circuit -45- and the high temperature thermal circuit -46- which conduct the heat entering the cryostat -10- to the cooling heads
  • the low temperature circuit of the cryostat -45- comprises the low temperature heat transfer elements -22- mentioned above and is thermally connected to the second phase -18b- of the cooling head -18- by means of a low connection temperature -45a-.
  • the second cooling head phase -18b- thus acts as a heat sink for the low temperature circuit -45-.
  • the high temperature circuit of the cryostat -46- comprises the high temperature heat transfer elements -23- mentioned above and is thermally connected to the first phase -18a- of the cooling head -18- by means of a high temperature connection -46a-.
  • the first cooling head phase -18a- therefore acts as a heat sink for the high temperature circuit -46-.
  • Each of the transmission elements -22-, -23- receives a radiation heat flux between sleeves of the various elements that make up the cryostat -10- and through the inner support elements -29- that support the superconducting coils -24-. Since heat accumulates along the circumferential branches of the thermal circuits -45-, -46-, the thermal transmission elements -22-, -23- of each of the thermal circuits -45-, -46- they get thicker the closer they are to a cooling head -18-.
  • the thermal transmission elements -22-, 23- and the connections -45a-, 46a- of the thermal circuits -45-, 46- to the cooling heads -18- are made of materials that have a very good conductivity at cryogenic temperatures . A suitable material is, for example, oxygen free copper.
  • the superconducting coils -24- are maintained at their operating temperature by means of a system called "without cryogen", since the refrigerant only circulates within the refrigeration system composed of the compressor -15- , the direct feeding -16-, the pairs of flexible lines -17- and the cooling heads -18-, but not in the thermal circuits of the cryostat that eliminate heat. In fact, neither gas nor liquid enters the cryostat.
  • the magnetic part of the stator consists of the annular rear yoke -8- composed of laminated magnetic iron without iron teeth housing the air gap windings -1 1 - fixed to it through a non-magnetic air-winding armature -14-.
  • a cooling system (not shown in the drawings) is provided for the stator depending on the current density value of the armature.
  • the cooling system may consist of a group of air fans or refrigerant (s) (for example water or oil) that circulates (n) in pipes surrounding the stator or directly inside hollow ducts inside the stator.
  • the present invention offers, among other things, the advantages that it only requires relatively small amounts of refrigerant and that it simplifies the structure of the cryostat. Additionally, fairly reliable, conventional commercial cryogenic refrigerators can be used in the cryogenic refrigeration system.

Abstract

La invención se refiere a un generador eléctrico de accionamiento directo para una turbina eólica dotado de polos salientes de rotor y un criostato de tipo escalera para alojar bobinas superconductoras y mantenerlas a una temperatura criogénica mientras que el interior del criostato se mantiene sin refrigerante. Gracias a la invención se logra un aislamiento térmico óptimo de las bobinas sin necesidad de un relleno continuo del criostato y se garantiza una buena distribución del campo magnético evitando el uso de materiales costosos.

Description

GENERADOR SINCRONO SUPERCONDUCTOR DE ACCIONAMIENTO
DIRECTO PARA UNA TURBINA EÓLICA CAMPO TÉCNICO DE LA INVENCIÓN
La presente invención se refiere al campo técnico de los generadores eléctricos que comprenden un rotor y un estator para la producción de energía eléctrica y, particularmente, a generadores síncronos de accionamiento directo de baja velocidad que comprenden devanados de campo superconductores para su uso en turbinas eólicas.
ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN
Las turbinas eólicas se consideran hoy en día una fuente de energía "verde" y, de hecho, pertenecen a una de las tecnologías renovables más desarrolladas. La mayoría de las turbinas eólicas son turbinas eólicas de eje horizontal que tienen un rotor dotado de tres palas conectadas a un árbol de rotor principal y un generador eléctrico montado dentro de una góndola en la parte superior de una torre. Muchos tipos convencionales de turbinas eólicas comprenden una caja multiplicadora que convierte la rotación relativamente lenta del rotor de la turbina eólica en una rotación más rápida para accionar el rotor del generador eléctrico. Los generadores eléctricos y las máquinas eléctricas en general, presentan poca eficacia cuando se accionan a velocidad muy baja. Además, las máquinas eléctricas lentas tienen que presentar un mayor par de torsión con el fin de compensar la velocidad de rotación reducida del rotor de la máquina, puesto que el rendimiento energético de la máquina siempre viene dado por el par de torsión multiplicado por la velocidad de rotación. Las cajas multiplicadoras reducen la eficacia de la conversión de la energía eólica en energía mecánica usada para accionar el rotor del generador eléctrico y además son bastante costosas, necesitan un mantenimiento intensivo y programado y están sujetas al desgaste y por tanto a fallos relacionados. Los generadores de accionamiento directo basados en tecnologías de máquinas eléctricas convencionales no comprenden cajas multiplicadoras y por tanto carecen de las desventajas de éstas, pero son intrínsecamente más grandes y pesados. Este es notablemente el caso de generadores eléctricos lentos para turbinas eólicas cuyas góndolas, equipadas con tales generadores, son más difíciles de elevar, colocar y equilibrar sobre torres de modo que son bastante inadecuados para generadores de producción de alta potencia como las turbinas eólicas. Para superar los inconvenientes de los generadores de accionamiento directo convencionales, se han descrito los generadores síncronos de accionamiento directo que comprenden devanados de campo superconductores que proporcionan una densidad de par de torsión aumentada para su uso en turbinas eólicas.
La superconductividad es inherente a determinados materiales generalmente a temperaturas muy bajas, lo que conduce a una resistencia eléctrica de CC cero y a la exclusión del campo magnético interior (a una temperatura y densidad de corriente dadas, el superconductor puede producir un campo magnético máximo; a medida que el campo supera este valor el superconductor se convierte en un conductor normal y presenta resistencia óhmica). La superconductividad se produce en una amplia variedad de materiales, incluyendo elementos simples como estaño y aluminio, aunque también en otros materiales tales como diversas aleaciones metálicas y algunos semiconductores fuertemente dopados, en algunos materiales de tipo perovskita de cuprato basados en lantano e itrio, materiales cerámicos que consisten en talio, mercurio, cobre, bario, calcio y oxígeno, arseniuro de hierro con óxido de lantano y flúor. Un superconductor especialmente interesante desde un punto de vista práctico es el diboruro de magnesio, un superconductor convencional, que es relativamente fácil de sintetizar y fabricar en hilos largos y que tiene una temperatura de transición crítica de 39 5K en forma de polvo o a granel.
Habitualmente, los devanados de campo de cobre de una máquina síncrona convencional se encuentran enterrados en las ranuras del rotor o devanados alrededor de polos de hierro salientes del rotor, mientras que los devanados del inducido se alojan dentro de ranuras y están separados por dientes de hierro en el estator. Estos elementos de hierro refuerzan y guían eficazmente el flujo magnético a través del entrehierro de la máquina, es decir, la separación radial existente entre la superficie del rotor o polos del rotor y los dientes del estator. Los devanados de campo superconductores pueden transportar mucha más corriente (amperios-vuelta) que los convencionales, produciendo así mayores campos magnéticos. Por tanto, pueden suministrarse algunos elementos de hierro. En máquinas superconductoras, el circuito magnético de la máquina eléctrica comprende dos elementos de hierro conformados de manera anular, el contrahierro del rotor y el yugo trasero del estator. Para establecer una alta densidad de flujo en el gran entrehierro, se necesita una fuerza magnetomotriz muy alta. Con una configuración de este tipo, con las bobinas de campo superconductoras ubicadas por encima del contrahierro anular del rotor, los mayores campos magnéticos se encuentran habitualmente justo sobre los superconductores. Los prototipos más recientes de máquinas superconductoras implementan superconductores de alta temperatura (HTS) con una temperatura de transición superior a los 77 5K (punto de ebullición del nitrógeno) tales como YBCO y BSSCO. Estos superconductores pueden adoptar campos altos (2,5-3,5T) a una temperatura razonablemente baja (20-40 5K). Sin embargo, esta clase de superconductores es muy costosa puesto que BSCCO tiene una matriz de plata y YBCO es muy difícil de fabricar en piezas largas tales como las que se requieren para las bobinas, y la producción requiere procesos que llevan tiempo y tecnologías complicadas. Por consiguiente, las máquinas eléctricas que implementan HTS son demasiado costosas.
Otros materiales, tales como NbTi (Te de 9 5K) o Ni3Sn (Te de 18 5K), se han considerado en el pasado para esta aplicación. Sin embargo el rendimiento de estos superconductores es interesante a temperaturas de 4,2 5K (punto de ebullición del helio) o inferiores. Las plantas para licuar helio también son muy costosas. Además, cuanto menor sea la temperatura, más inestable es el sistema criogénico. Estas son desventajas graves de las máquinas LTS (superconductor a baja temperatura).
El diboruro de magnesio ofrece un equilibrio interesante: por una parte, es mucho más barato y se opera a temperaturas en el orden de 15-25 5K. Por otra parte, para transportar altas corrientes a estas temperaturas, los hilos existentes basados en diboruro de magnesio no pueden adoptar campos magnéticos muy altos, habitualmente muy por debajo de 2 T. Por tanto para conseguir un rendimiento adecuado, el circuito magnético de las máquinas eléctricas síncronas superconductoras basadas en hilos de diboruro de magnesio y materiales baratos con características similares deben comprender polos de hierro salientes que sobresalen del contrahierro del rotor. Los polos de hierro desvían el flujo magnético procedente de las bobinas superconductoras y reducen la reluctancia del circuito.
Habitualmente, los superconductores se mantienen a la temperatura criogénica operativa apropiada en recipientes especiales denominados criostatos.
Los prototipos conocidos de máquinas superconductoras a menudo presentan un diseño de "rotor frío", en el que un criostato encierra
- las bobinas superconductoras
- el contrahierro del rotor
- la armadura del rotor.
El diseño de "rotor frío" como el dado a conocer en el documento WO-A 2007/033858 no es adecuado para un rotor de polos salientes, debido a que las camisas externas del criostato por encima de los polos requerirían espacio adicional, haciendo así el entrehierro más largo y teniendo un efecto negativo en la distribución del campo magnético. Esta característica reduciría la eficacia del circuito magnético.
En el sistema "frío húmedo" como el dado a conocer en la patente EP-A-1959548, la pieza superconductora se sumerge en un refrigerante, en estado gaseoso o líquido, y se aisla del exterior en el criostato. El calor generado por las fuentes externas o internas se intercambia con el refrigerante y se extrae fuera del criostato con el fin de mantener la máquina a la temperatura de operación apropiada. En caso de refrigerante líquido, el procedimiento de refrigeración puede implicar un cambio de fase al estado gaseoso. Tanto el He gaseoso como el He líquido (temperatura de ebullición de 4,2 5K) se han usado ampliamente como refrigerante. Como el He es un elemento muy costoso, se han desarrollado varios sistemas de ciclo cerrado para recuperar este costoso gas, e, incluso, licuarlo de nuevo. Asimismo, se han desarrollado algunos prototipos de máquina con sistemas de refrigeración basados en Ne líquido (temperatura de ebullición de 27 5K) y nitrógeno líquido (temperatura de ebullición de 77 5K), dependiendo del material SC. Todos necesitan un relleno continuo del criostato o sistemas de recuperación costosos basados en plantas líquidas.
DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN
La presente invención pretende superar los inconvenientes mencionados anteriormente de la técnica anterior proporcionando un generador eléctrico de accionamiento directo tal como se reivindica en la reivindicación 1 .
El rotor de polos calientes, es decir, el "rotor caliente" contiene un criostato de geometría adecuada. Se hará referencia al criostato de geometría mencionada anteriormente como de tipo de "rueda para hámster". Dentro del criostato, los devanados de campo superconductores preferiblemente basados en hilo de diboruro de magnesio, se mantienen a la temperatura criogénica apropiada. Este diseño tiene una serie de ventajas con respecto a los diseños de "rotor frío" convencionales:
- los materiales del rotor son convencionales;
- la superficie exterior del criostato es reducida de modo que se minimiza el flujo térmico por radiación que entra en el criostato;
- el volumen y la masa en el interior son reducidos de modo que se reduce el tiempo para, respectivamente, crear el vacío y refrigerar las bobinas;
- el criostato puede hacerse modular; cada bobina viene con su propia carcasa de elemento de criostato de modo que una vez que todos los elementos están colocados sobre el rotor, las superficies entre carcasas coplanarias de la camisa externa pueden recibir un sellado apropiado, tal como soldaduras a prueba de vacío u otros;
- la extensión radial del criostato por encima de los devanados de campo superconductores puede reducirse, y por tanto, reducir el espacio entre los polos del rotor y el devanado del inducido del estator y mejorar el flujo magnético en el entrehierro;
Además, el sistema criogénico se basa en refrigeradores criogénicos en un sistema "sin criógeno", por tanto un diseño de sistema criogénico "frío-seco", puesto que ningún refrigerante entra en el criostato. Los refrigeradores criogénicos extraen el calor que entra en el criostato a través de circuitos térmicos diseñados de manera apropiada ubicados dentro del criostato.
En un refrigerador criogénico de Gifford-McMahon (GM), por ejemplo, el gas helio experimenta un ciclo termodinámico cerrado, que comprende habitualmente una expansión gaseosa de una o dos fases. Los refrigeradores GM se conocen ampliamente en la industria.
Los componentes principales de un refrigerador GM son: la cabeza refrigeradora (en la que se expande el gas He), el compresor y las dos líneas flexibles para suministrar el refrigerante. La cabeza refrigeradora tiene dos fases, relacionadas con los dos subciclos termodinámicos que se realizan en su interior, a dos temperaturas diferentes, a las que se hará referencia en lo sucesivo como "alta temperatura" y "baja temperatura". En la superficie de cada fase, habitualmente compuesta por un material altamente conductor como cobre libre de oxígeno, se extrae el calor. Dependiendo de las cargas de calor, una "alta temperatura" típica es de aproximadamente 80 5K y una "baja temperatura" es de aproximadamente 15 5K.
En una realización preferida de los medios de refrigeración criogénica, el compresor del refrigerador criogénico está dispuesto de manera estacionaria. El suministro de refrigerante a y la recuperación desde la cabeza refrigeradora, anclada al criostato del rotor del generador, se producen a través de una alimentación directa rotatoria de doble cámara. Cada cámara está conectada a al menos una salida de refrigerante y una entrada de refrigerante. El número de conexiones depende del número de cabezas refrigeradoras y compresores que pueda comprender el sistema de refrigeración criogénica. Las líneas que conectan el compresor con la alimentación directa rotatoria y la alimentación directa a la cabeza refrigeradora pueden ser flexibles.
Según otra realización, el criostato comprende una única unidad de múltiples módulos. Cada módulo comprende una parte de dos circuitos térmicos parcialmente interconectados, un elemento de conductividad térmica muy alta que encierra la bobina superconductora que desempeña las funciones de anclaje térmico de la bobina, armazón y armadura, una pantalla contra la radiación, una camisa externa del criostato y varios apoyos de baja conductividad térmica. La pantalla contra la radiación está alojada en la camisa externa del criostato. La pluralidad interconectada de pantallas contra la radiación modulares constituye el circuito térmico de alta temperatura del criostato que suministra parte del calor que entra desde el exterior y/o que se genera dentro del criostato a la fase de alta temperatura de las cabezas refrigeradoras. Los elementos de anclaje térmico y de armazón se alojan dentro de la pantalla contra la radiación. Los elementos de anclaje térmico de la bobina superconductora y de transmisión de calor constituyen el circuito térmico de baja temperatura del criostato que suministra parte del calor que entra desde el exterior y/o se genera dentro de las pantallas contra la radiación a la fase de baja temperatura de las cabezas refrigeradoras. En esta realización el criostato comprende secciones transversales interpolares situadas entre los polos de hierro adyacentes, comprendiendo cada sección interpolar:
una parte transversal de la camisa externa del criostato que comprende un canal en forma de U transversal exterior dotado de un primer aislamiento y cerrado por una parte transversal de una placa de cubierta exterior;
una parte transversal de la pantalla contra la radiación que comprende un canal en forma de U transversal interior dotado de un segundo aislamiento y cerrado por una parte transversal de una placa de cubierta interior;
dos partes transversales de dos elementos de anclaje térmico y de armazón adyacentes, respectivamente, separados entre sí por un espacio transversal;
la parte transversal de la pantalla contra la radiación está situada dentro del segundo aislamiento en la parte transversal de la camisa externa del criostato; las dos partes transversales de los elementos de anclaje térmico y de armazón adyacentes están situadas dentro del primer aislamiento en la parte transversal de la pantalla contra la radiación.
Por otra parte, puesto que el calor se acumula a lo largo de las ramas circunferenciales de los circuitos térmicos, los elementos de transmisión térmica de cada uno de los circuitos térmicos se hacen más gruesos cuanto más próximos estén a una cabeza refrigeradora de modo que pueden conducir el flujo de calor creciente.
Según una realización de la invención, la alimentación directa rotatoria puede estar constituida por:
una cámara de baja presión conectada a un circuito de baja presión y con conexión de fluidos a una primera fase de al menos una cabeza refrigeradora, estando acoplada térmicamente dicha primera fase al circuito de baja temperatura en el criostato;
una cámara de alta presión alojada dentro de la cámara de baja presión y con conexión de fluidos a un circuito de alta presión acoplado térmicamente a una segunda fase de al menos una cabeza refrigeradora, estando acoplada térmicamente dicha segunda fase al circuito de alta temperatura en el criostato; una estructura de sellado de baja presión que divide la cámara de baja presión en una parte de baja presión estacionaria y una parte de baja presión rotatoria, siendo rotatoria la parte de baja presión rotatoria, en la estructura de sellado de baja presión;
una estructura de sellado de alta presión que divide la cámara de alta presión en una parte de alta presión estacionaria y una parte de alta presión rotatoria, siendo rotatoria la parte de alta presión rotatoria, en la estructura de sellado de alta presión, estando montada la estructura de sellado de alta presión en la estructura de sellado de baja presión.
En esta realización de la alimentación directa rotatoria la parte de baja presión estacionaria puede fijarse a un soporte que comprende una parte de soporte anular en la que la parte de baja presión rotatoria está soportada de manera rotatoria. Para este fin, la parte de baja presión rotatoria tiene un engrasamiento anular periférico u otro elemento sobresaliente y/u otro elemento de refuerzo anular y cojinetes ubicados entre la parte de soporte anular y el engrasamiento anular. Por otra parte, la parte de baja presión rotatoria puede comprender una entrada de baja presión conectada a una tubería de entrada de baja presión que está conectada a una línea de recuperación flexible, y la parte de baja presión estacionaria puede comprender una salida de baja presión conectada a una tubería de salida de baja presión, de manera que el refrigerante que fluye desde las cabezas refrigeradoras a través de la línea de recuperación flexible entra en la cámara de baja presión a través de la entrada de baja presión, sale de la cámara de baja presión a través de la salida de baja presión en la parte de baja presión estacionaria y se conduce al compresor del refrigerador criogénico a través de la tubería de salida de baja presión. Dentro de la cámara de baja presión hay una cámara de alta presión comprendida dentro de una parte de cámara de alta presión estacionaria y una parte de cámara de alta presión rotatoria. La parte de alta presión estacionaria puede comprender una entrada de alta presión conectada a una tubería de entrada de alta presión que se extiende a través de la cámara de baja presión, penetra en la pared vertical de la parte de baja presión estacionaria y conecta así la cámara de alta presión con el compresor del refrigerador criogénico. La parte rotatoria puede comprender una salida de alta presión conectada a una tubería de salida de alta presión que se extiende a través de la cámara de baja presión en un sentido opuesto, penetra a través de la pared vertical de la parte de baja presión rotatoria y se conecta con una línea de suministro flexible. De ese modo, se suministra refrigerante a alta presión desde el compresor a las cabezas refrigeradoras. Las partes de cámara de alta presión están acopladas entre sí mediante una estructura de sellado de alta presión de manera que la parte de alta presión rotatoria rota con respecto a la parte de alta presión estacionaria. La estructura de sellado de alta presión está conectada a la estructura de sellado de baja presión. La parte de alta presión rotatoria y la parte de baja presión rotatoria rotan así simultáneamente con el rotor de la turbina eólica.
La periferia de la estructura de sellado de baja presión puede estar encerrada por una carcasa de recuperación de fuga anular que comprende una cámara de recuperación de fuga interior y una salida de recuperación. Las fugas de refrigerante a través del sellado de baja presión se retienen dentro de la cámara de recuperación desde la que pueden extraerse a través de la salida de recuperación.
En la estructura de sellado de alta presión descrita anteriormente de la alimentación directa rotatoria, la parte de sellado está compuesta por un material que proporciona baja fricción para permitir la rotación de la parte de alta presión rotatoria y buenas propiedades de sellado para minimizar las fugas del refrigerante a alta presión. Las fugas de refrigerante desde la cámara de alta presión entran en la cámara de baja presión y se transportan al compresor. La parte de sellado de baja presión de la estructura de sellado de baja presión puede lubricarse con un lubricante adecuado tal como aceite.
Como resulta evidente a partir de lo anterior, la presente invención supera los inconvenientes descritos anteriormente de los generadores de accionamiento directo de baja velocidad del estado de la técnica y los generadores síncronos superconductores para grandes turbinas eólicas de manera eficaz por medio de una estructura que es bastante barata y de fabricación convencional. BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS
En lo sucesivo en el presente documento, se describirán aspectos y realizaciones de la invención basándose en los dibujos en los que:
la figura 1 es una vista en perspectiva esquemática parcial lateral que deja ver el interior de una turbina eólica que usa un generador de accionamiento directo según a la presente invención;
la figura 2 es una vista en perspectiva esquemática frontal que deja ver parcialmente el interior de una realización de un generador según la presente invención según se incluye en la turbina eólica mostrada en la figura 1 ;
la figura 3 es una vista en perspectiva esquemática frontal del sistema criogénico global del generador mostrado en la figura 2;
la figura 4 es una vista parcial esquemática del criostato y el sistema de refrigeración del generador mostrado en la figura 2;
la figura 5 es una vista en despiece ordenado de un elemento polar de criostato según una realización de la presente invención para el generador mostrado en la figura 2;
la figura 6 es una vista parcialmente en despiece ordenado de una unidad interpolar de criostato para el generador mostrado en la figura 2;
la figura 7 es una vista en sección de una realización de la alimentación directa rotatoria;
la figura 8 es una vista en sección a lo largo de la línea A-A de la alimentación directa rotatoria mostrada en la figura 7;
la figura 9 es una vista esquemática de una realización del circuito térmico de baja temperatura y el circuito de alta temperatura del sistema criogénico.
En estas figuras, hay números de referencia que identifican los siguientes elementos
1 buje / palas del rotor de la turbina eólica
2 árbol de rotor
3 generador
4 góndola
5 sistema de integración de la góndola / armadura del generador
6 polos de hierro del rotor
7 contrahierro del rotor
8 yugo trasero del estator
9 armadura del estator 10 criostato
1 1 devanados del entrehierro
12 armadura de los devanados del entrehierro
13 pantalla electromagnética del rotor
14 armadura del rotor
15 compresor del refrigerador criogénico
16 alimentación directa rotatoria
16a parte de baja presión estacionaria
16b parte de baja presión rotatoria
16c parte de alta presión estacionaria
16d parte de alta presión rotatoria
16e cámara de baja presión
16f cámara de alta presión
16g tubería de entrada de alta presión
16h tubería de salida de baja presión
16i salida de alta presión
16j entrada de baja presión
16k entrada de alta presión
161 salida de baja presión
16m engrasamiento anular
16n tubería de entrada de baja presión
16o tubería de entrada de alta presión
17 líneas flexibles
17a línea de suministro flexible
17b línea de recuperación flexible
18 cabeza refrigeradora del refrigerador criogénico
18a primera fase de cabeza refrigeradora
18b segunda fase de cabeza refrigeradora
19 camisa externa del criostato
20 pantalla contra la radiación del criostato
21 anclaje térmico, armazón y armadura de la bobina superconductora
22 elemento de circuito térmico de baja temperatura
23 elemento de circuito térmico de alta temperatura
24 bobina superconductora
25 parte lateral interior del anclaje térmico, armazón y armadura de la bobina superconductora 26 parte lateral interior del módulo de pantalla contra la radiación
27 perfil en forma de U lateral
28 perfil en forma de U transversal
29 apoyo interior
30 apoyo exterior
31 perfil en forma de L lateral
32 parte hueca transversal (elemento de anclaje de baja temperatura)
33 placa de cubierta interior
34 placa de cubierta exterior
35 aislamiento multicapa exterior
36 aislamiento multicapa interior
37 ala en forma de L transversal
39 pieza de esquina
40 carcasa interior
41 soporte para la alimentación directa rotatoria
41 a parte de soporte anular
41 b cojinete
42 estructura de sellado de baja presión rotatoria (o estacionaria)
43 carcasa anular de recuperación de fugas
43a cámara de recuperación de fugas
43b salida de recuperación
44 estructura de sellado rotatoria de alta presión
45 circuito térmico de baja temperatura
45a conexión de baja temperatura a la cabeza refrigeradora
46 circuito térmico de alta temperatura
46a conexión de alta temperatura a la cabeza refrigeradora
REALIZACIONES DE LA INVENCIÓN
La figura 1 muestra una turbina eólica de eje horizontal para generar 5-10 MW que comprende un buje de rotor -1 - dotado de palas (sólo se muestran dos palas en la figura 1 ) unido a un árbol de rotor -2- que está conectado a un generador eléctrico superconductor síncrono de accionamiento directo -3-. El generador eléctrico está montado sobre una armadura de generador -5-. El buje de rotor -1 -, el árbol de rotor -2- y el generador -3- están ubicados en una góndola -4- que está montada de manera pivotante sobre una parte superior de una torre de una manera conocida per se. Como se muestra en las figuras 2 y 3, el generador eléctrico -3- comprende un rotor con armadura del rotor -14- que está conectado al árbol de rotor -2- y a un contrahierro de rotor laminado anular -7- con polos de hierro laminado rectangulares exteriores del rotor -6- que sobresalen de la superficie periférica del contrahierro.
La armadura del rotor -14- rota dentro de un estator que comprende una armadura anular del estator -9- con un yugo trasero de estator interior -8-. La armadura del estator -9- está conectada a la armadura del generador -5-. Mediante esta disposición, la rotación accionada por el viento del buje de rotor -1 - hace que la armadura del rotor -14- rote dentro de la armadura del estator -9-.
Cada polo de hierro del rotor -6- está encuadrado por el criostato -10- y puede estar cubierto por una pantalla electromagnética anular delgada externa -13- que está montada alrededor de toda la superficie de entrehierro del rotor. Cada módulo del criostato -10- encierra una bobina superconductora (no mostrada en las figuras 1 y 2) fabricadas a partir de, por ejemplo, hilo de diboruro de magnesio, devanado en bobinas como devanados de campo en el rotor. Las bobinas superconductoras se operan a una temperatura criogénica en el intervalo normalmente de 10-25 5K. El criostato -10- aisla las bobinas superconductoras de las partes calientes del generador, por ejemplo, los polos de hierro -6-, y la atmósfera exterior. Dentro del criostato -10-, se genera baja presión y se mantiene a través de bombas de vacío (no mostradas en los dibujos).
Una armadura de devanados del entrehierro de estator anular -12- que comprende una pluralidad de devanados del entrehierro -1 1 - enfrentadas con el criostato -10- y pantallas electromagnéticas -13- está montada en la superficie interior del yugo trasero del estator -8-. Los devanados del estator, también denominados devanados del inducido, transportan CA trifásica y pueden controlarse mediante un convertidor CA/CC-CC/CA de electrónica de potencia. Los devanados del inducido pueden requerir un sistema de refrigeración dedicado, basado en agua, aceite o circulación de aire forzado, según las necesidades. El generador comprende además un sistema de refrigeración criogénico que comprende un compresor del refrigerador criogénico -15- conectado por medio de una alimentación directa rotatoria -16- a pares de líneas flexibles -17- respectivamente conectadas a cabezas refrigeradoras del refrigerador criogénico -18- que, a su vez, están conectadas al criostato -10-. El compresor -15- está situado de manera estacionaria dentro del rotor. La alimentación directa rotatoria
-16- se usa cuando se usa un compresor -15- que no puede rotar. Los pares de líneas flexibles -17- se usan para hacer circular el refrigerante, helio gaseoso en la realización mostrada en las figuras, a través de las cabezas refrigeradoras -18-. El sellado de la junta rotatoria de la alimentación directa -16- puede minimizar las fugas mediante la implementación, por ejemplo, de tecnología de ferrofluidos. Un refrigerador criogénico de tipo Gifford-McMahon que comprende la cabeza refrigeradora -18- y el compresor -15- conectado por los pares de líneas flexibles -17- mediante la alimentación directa rotatoria de alta presión -16- es adecuado como sistema de refrigeración. Como alternativa, el compresor puede diseñarse para rotar de modo que la alimentación directa rotatoria no sería necesaria.
Las figuras 4 a 6 muestran más detalles del sistema criogénico usado para refrigerar y mantener las bobinas superconductoras -24- que están situadas dentro del criostato -10- a la temperatura de operación apropiada. El criostato -10- comprende una única unidad de múltiples módulos. Cada módulo que comprende una parte de dos elementos de circuitos térmicos parcialmente interconectados -22, 23-, un elemento de conductividad térmica muy alta -21 - que encierra la bobina superconductora -24- que desempeña las funciones de anclaje térmico, armazón y armadura de la bobina, una pantalla contra la radiación -20-, una camisa externa del criostato -19- y varios apoyos de baja conductividad térmica -29, 30-.
Según la figura 4, las bobinas superconductoras -24- están en forma de de armaduras rectangulares con secciones de esquina arqueadas y están encerradas por y en contacto térmico con elementos de anclaje térmico similares a una armadura y de armazón -21 -. Los elementos de anclaje térmico, armazón y armadura de la bobina superconductora, -21 - están alojados en pantallas contra la radiación similares a una carcasa-20-, y cada uno de los conjuntos así formados se aloja en una camisa externa -19-. Cada módulo de la pantalla contra la radiación
-20- constituye el elemento de circuito térmico de alta temperatura del criostato -23- que suministra parte del calor que entra desde el exterior y/o se genera dentro del módulo de criostato. Los elementos de anclaje térmico de la bobina superconductora -21 - constituyen el elemento de circuito térmico de baja temperatura del criostato -22- que suministra parte del calor que entra desde el exterior y/o se genera dentro del módulo de radiación -20-.
Como resulta evidente a partir de las figuras 5 y 6, los elementos de armazón y de anclaje térmico -21 - que encierran cada bobina superconductora -24- se componen de dos partes laterales huecas opuestas -25- y dos partes transversales huecas opuestas -32-, que forman una armadura rectangular cuyas partes de esquina están cerradas por piezas de esquina laterales -39-. La pantalla contra la radiación del criostato -20- comprende una pluralidad de unidades de pantalla contra la radiación que comprenden una carcasa rectangular -40- que tiene dos paredes laterales y dos paredes transversales que rodean una abertura, y dos alas en forma de L transversales -37- que sobresalen hacia fuera en la parte inferior de las paredes transversales interiores de la carcasa
-40-, de manera que se forma un canal en forma de U interior mediante una de las paredes transversales y una de las alas en forma de L -37-. Cada uno de los canales en forma de U interiores comprende tres apoyos de baja conductividad térmica en forma de U interiores -29- para soportar aislamientos multicapa en forma de U interiores -36- que forman un canal de aislamiento en forma de U interno transversal para el calor de la radiación. La unidad de pantalla contra la radiación del criostato comprende además dos perfiles en forma de L laterales -26- situados, respectivamente, enfrentados con las paredes laterales de la carcasa interior -40- de manera que cada uno de los perfiles en forma de L laterales -26- forma un canal en forma de U interior lateral con una de las paredes laterales del alojamiento interior -40-. Los perfiles en forma de L laterales -26- son más cortos que la extensión lateral global de la pantalla contra la radiación -20- y por tanto, sólo están enfrentados con la mitad de las partes de extremo abiertas de cada una de las alas en forma de L transversales -37-.
Cada uno de los canales de aislamiento en forma de U interiores transversales formados por el aislamiento multicapa interior -36- está dimensionado de manera que existe espacio para alojar una parte transversal -32- de un elemento de armazón y de anclaje térmico -21 - y una parte transversal -32- de un elemento de armazón y de anclaje térmico -21 - adyacente separados entre sí por un espacio transversal, hueco que evita un contacto térmico directo entre los elementos de armazón -21 -. Por otra parte, cada uno de los canales en forma de U laterales interiores entre los perfiles en forma de L -26- y las paredes laterales de la carcasa interna -40- está dimensionado de manera que una de las partes laterales del elemento de armazón y de anclaje térmico -21 - encaja en el mismo.
Cada unidad de la pantalla contra la radiación del criostato -20- también comprende una placa de cubierta interior -33- con una abertura central. La placa de cubierta interior -33- cierra la mitad de cada uno de los canales en forma de U transversales interiores en las alas transversales -37- y los canales en forma de U laterales interiores.
La camisa externa del criostato -19- comprende una pluralidad de unidades de camisa que comprende cada una dos perfiles en forma de U transversales -28- y dos perfiles en forma de U laterales -27- dispuestos de manera que los bordes verticales de las partes verticales interiores de los perfiles en forma de U -27-, -28- hacen tope entre sí y delimitan así un paso interior. Los bordes verticales de las paredes exteriores de cada uno de los perfiles en forma de U laterales -27- hacen tope contra los bordes verticales de respectivos perfiles en forma de L exteriores
-31 -, y los bordes de la sección central de los perfiles en forma de U laterales hacen tope contra la parte horizontal de los perfiles en forma de L exteriores -31 -. Las partes horizontales de cada uno de los perfiles en forma de L exteriores -31 - están, por tanto, alineadas con las respectivas secciones centrales de los perfiles en forma de U -27- mientras que las partes verticales de los perfiles en forma de L exteriores están alineadas con las respectivas partes de pared de los perfiles en forma de L exteriores -31 -. Así se forma un canal lateral exterior por cada uno de perfiles en forma de U laterales -27- y los respectivos perfiles en forma de L exteriores -31 -.
Cada uno de los perfiles en forma de U transversales -28- forma un canal en forma de U transversal exterior en el que hay tres apoyos de baja conductividad térmica exteriores -30- para soportar un aislamiento multicapa en forma de U exterior -35- que forma un canal de aislamiento transversal exterior. Cada uno de los canales de aislamiento transversales exteriores está dimensionado de manera que una de las paredes transversales de la carcasa interna -40- y una de las alas en forma de L -37- encaja en el mismo. Por otra parte, cada uno de los canales laterales exteriores está dimensionado para alojar uno de los perfiles en forma de L laterales -26- de una unidad de la pantalla contra la radiación del criostato -20- de manera que las partes verticales interiores del perfil en forma de U lateral -27- pueden insertarsen en la abertura en la unidad de pantalla contra la radiación del criostato -20- y la parte vertical exterior de cada uno de los perfiles en forma de L laterales -26- se sitúa en una parte media del canal en forma de U exterior.
Cada unidad de la camisa externa del criostato -19- comprende además una placa de cubierta exterior -34- que cubre los canales transversales exteriores y los canales laterales exteriores de la misma. La placa de cubierta exterior -34- tiene una abertura central que está conformada de manera complementaria a la forma del paso interior de la unidad de la camisa de criostato -19- de modo que, la unidad de la camisa de criostato -19- puede insertarse sobre uno de los polos de hierro -6- del contrahierro del rotor -Ί-.
Cada una de las partes transversales de los elementos de armazón y de anclaje térmico -21 -, de las unidades de la pantalla contra la radiación -20- y de las unidades de la camisa externa del criostato -19- mostradas en las figuras 5 y 6 está situada entre dos polos de hierro -6- adyacentes cuando la unidad del criostato -10- está montada sobre un polo de hierro -6-. La parte transversal de cada una de las unidades del criostato -10- que comprende estos elementos -19-, -20-, -21 - pueden definirse, por tanto, como una parte o elemento interpolar del criostato -10-.
Como resulta evidente a partir de los dibujos, el criostato -10- que encierra las bobinas superconductoras -24- es un recipiente de vacío de doble camisa cuya geometría a modo de "rueda para hámster" está diseñada para acoplarse con la estructura del rotor. Presenta una pérdida térmica mínima (de radiación y conducción) y potencia la capacidad de desvío del flujo de los polos de hierro reduciendo la longitud del entrehierro, reforzando de este modo el flujo magnético del entrehierro (para un valor de amperios-vuelta dado de las bobinas superconductoras) al tiempo que debilita el flujo de fuga que salta a través de las bobinas superconductoras -24-.
La alimentación directa rotatoria -16- mostrada en las figuras 7 y 8 comprende una parte de baja presión estacionaria -16a- y una parte de baja presión rotatoria -16b- que encierra una cámara de baja presión -16e-. Las partes de baja presión -16a-, -16b- están ensambladas de manera que pueden rotar una respecto a la otra por medio de una estructura de sellado rotatoria de baja presión -42-. La parte de baja presión estacionaria -16a- está fijada a un soporte -41 - que comprende una parte de soporte anular -41 a- en la que la parte de baja presión rotatoria -16b- está soportada de manera que puede rotar. Para este fin, la parte de baja presión rotatoria -16b- tiene un engrasamiento anular periférico -16m- que sobresale de su superficie exterior y cojinetes -41 b- ubicados entre la parte de soporte anular -41 a- y el engrasamiento anular -16m-.
La parte de baja presión rotatoria -16b- comprende una entrada de baja presión -16j- conectada a una tubería de entrada de baja presión que está conectada a una línea de recuperación flexible -17b-, y la parte de baja presión estacionaria -16a- comprende una salida de baja presión -161- conectada a una tubería de salida de baja presión -16h-, de manera que el refrigerante que fluye desde las cabezas refrigeradoras -18- a través de la línea de recuperación flexible
-17b- entra en la cámara de baja presión -16e- a través de la entrada de baja presión -16j-, sale de la cámara de baja presión -16e- a través de la salida de baja presión -161- en la parte de baja presión estacionaria -16a- y se conduce al compresor del refrigerador criogénico -15- a través de la tubería de salida de baja presión -16h-.
En el interior de la cámara de baja presión -16e- hay una cámara de alta presión -16f- comprendida dentro de una parte de cámara de alta presión estacionaria -16c- y una parte de cámara de alta presión rotatoria -16d-. La parte de alta presión estacionaria -16c- comprende una entrada de alta presión -16k- conectada a una tubería de entrada de alta presión -16g- que se extiende a través de la cámara de baja presión -16e-, penetra en la pared vertical de la parte de baja presión estacionaria -16a- y conecta así la cámara de alta presión -16f- con el compresor del refrigerador criogénico -15-. La parte de alta presión rotatoria -16d- comprende una salida de alta presión -16i- conectada a una tubería de salida de alta presión -16o- que se extiende a través de la cámara de baja presión -16e- en un sentido opuesto, penetra a través de la pared vertical de la parte de baja presión rotatoria -16b- y se conecta con una línea de suministro flexible. De ese modo, se suministra refrigerante a alta presión desde el compresor a las cabezas refrigeradoras.
Las partes de cámara de alta presión -16c-, -16d- están acopladas entre sí mediante una estructura de sellado de alta presión -44- de manera que la parte de alta presión rotatoria -16d- rota con respecto a la parte de alta presión estacionaria -16c-. La estructura de sellado de alta presión -44- está conectada a la estructura de sellado de baja presión -42-. La parte de alta presión rotatoria -16d- y la parte de baja presión rotatoria -16b- rotan, por tanto, simultáneamente con el rotor de la turbina eólica.
La periferia de la estructura de sellado de baja presión -42- está cerrada de manera hermética por una carcasa de recuperación de fugas anular -43- que comprende una cámara de recuperación de fugas interior -43a- y una salida de recuperación -43b-. Las fugas de refrigerante a través del sellado de baja presión -42- se retienen justo dentro de la cámara de recuperación -43a- desde la que pueden extraerse a través de la salida de recuperación -43-.
En la estructura de sellado de alta presión -44- descrita anteriormente de la alimentación directa rotatoria -16-, la parte de sellado es de un material que proporciona baja fricción para permitir la rotación de la parte de alta presión rotatoria -16d- y buenas propiedades de sellado para minimizar la fuga del refrigerante a alta presión. Las fugas de refrigerante desde la cámara de alta presión -16f- entran en la cámara de baja presión -16e- y se transportan al compresor -15-. La parte de sellado de baja presión de la estructura de sellado de baja presión -41 - puede lubricarse con un lubricante adecuado tal como aceite.
La figura 9 muestra que el criostato -10- aloja dos circuitos térmicos, en paralelo aunque no independientes entre sí, es decir un circuito térmico de baja temperatura -45- que opera a una temperatura de, por ejemplo, 15 5K, y un circuito térmico de alta temperatura -46- que opera a una temperatura de, por ejemplo, 80 5K. El circuito térmico de baja temperatura -45- comprende elementos de circuito térmico de baja temperatura -22- y el circuito térmico de alta temperatura -46- comprende elementos de circuito térmico de alta temperatura -23-. El calor entra en el criostato -10- y por tanto en los circuitos térmicos -45-, -46- desde el exterior por radiación y conducción (a través de los elementos de apoyo que soportan las bobinas superconductoras), siendo los disipadores de calor las dos fases -18a-, -18b- de las cabezas refrigeradoras -18- de los refrigeradores criogénicos -15- que operan a diferentes temperaturas.
Como se muestra en la figura 9, la invención garantiza que no entra refrigerante en el criostato -10- ni en las bobinas superconductoras -24-. El refrigerante, es decir, helio a una presión de 10-25 bares, sale del compresor estacionario -15- y se conduce a cada una de las cabezas refrigeradoras -18- a través de la alimentación directa rotatoria -16- y una de las líneas de suministro flexibles -17a-. En cada una de las fases tiene lugar un ciclo termodinámico de Gifford-McMahon de manera que cada cabeza de refrigeración -18- alcanza diferentes temperaturas, por ejemplo 80-100 5K en la primera fase -18a- y 15-20 5K en la segunda fase -18b-. Puesto que la eliminación de calor a temperaturas criogénicas es bastante ineficaz, se usan bombas de vacío para lograr una presión muy baja en el criostato -10- de modo que se minimice el flujo térmico transportado por las moléculas de gas en el interior del recipiente y en contacto con las paredes del criostato -10-. En el interior del criostato, hay dos circuitos térmicos, es decir, el circuito de baja temperatura -45- y el circuito térmico de alta temperatura -46-, que conducen el calor que entra en el criostato -10- hasta las cabezas refrigeradoras
-18-. El helio presente en las cabezas refrigeradoras -18- vuelve entonces al compresor -15- a una presión de 10-15 bares.
El circuito de baja temperatura del criostato -45- comprende los elementos de transmisión de calor de baja temperatura -22- mencionados anteriormente y está conectado térmicamente a la segunda fase -18b- de la cabeza refrigeradora -18- por medio de una conexión de baja temperatura -45a-. La segunda fase de cabeza refrigeradora -18b- actúa así como disipador de calor para el circuito de baja temperatura -45-. Por otra parte, el circuito de alta temperatura del criostato -46- comprende los elementos de transmisión de calor de alta temperatura -23- mencionados anteriormente y está conectado térmicamente a la primera fase -18a- de la cabeza refrigeradora -18- por medio de una conexión de alta temperatura -46a-. La primera fase de cabeza refrigeradora -18a- actúa por tanto como disipador de calor para el circuito de alta temperatura -46-. Cada uno de los elementos de transmisión -22-, -23- recibe un flujo de calor por radiación entre camisas de los diversos elementos que componen el criostato -10- y a través de los elementos de apoyo interiores -29- que soportan las bobinas superconductoras -24-. Puesto que se acumula calor a lo largo de las ramas circunferenciales de los circuitos térmicos -45-, -46-, los elementos de transmisión térmica -22-, -23- de cada uno de los circuitos térmicos -45-, -46- se hacen más gruesos cuanto más cerca se encuentren de una cabeza refrigeradora -18-. Los elementos de transmisión térmica -22-, 23- y las conexiones -45a-, 46a- de los circuitos térmicos -45-, 46- a las cabezas refrigeradoras -18- se fabrican de materiales que presentan una conductividad muy buena a temperaturas criogénicas. Un material adecuado es, por ejemplo, cobre libre de oxígeno.
Como resulta evidente a partir de la descripción anterior, las bobinas superconductoras -24- se mantienen en su temperatura de operación mediante un sistema denominado "sin criógeno", ya que el refrigerante sólo circula dentro del sistema de refrigeración compuesto por el compresor -15-, la alimentación directa -16-, los pares de líneas flexibles -17- y las cabezas refrigeradoras -18-, pero no en los circuitos térmicos del criostato que eliminan el calor. De hecho, no entra ni gas ni líquido en el criostato.
El hierro magnético del rotor, es decir, los polos de hierro laminado -6- y el contrahierro -7-, se mantienen calientes. Los polos de hierro -6- se usan como desviadores del flujo magnético y se conforman apropiadamente para reducir el contenido de armónicos de la onda de densidad de flujo magnético del entrehierro generada por las bobinas superconductoras -24-, puesto que los convertidores para potencias nominales en el intervalo mencionado anteriormente pueden tener problemas al tratar con ondas de tensión que presentan un alto contenido de armónicos. Debido a la gran corriente transportada por las bobinas superconductoras -24-, pueden establecerse altas densidades de flujo magnético a través de entrehierros largos. La parte magnética del estator consiste en el yugo trasero anular -8- compuesto por hierro magnético laminado sin dientes de hierro aloja los devanados de entrehierro -1 1 - fijados al mismo a través de una armadura de devanados de entrehierro no magnética -14-. Un sistema de refrigeración (no mostrado en los dibujos) se prevé para el estator dependiendo del valor de la densidad de corriente del inducido. El sistema de refrigeración puede consistir en un grupo de ventiladores de aire o refrigerante(s) (por ejemplo agua o aceite) que circula(n) en tuberías que rodean el estator o directamente en el interior de conductos huecos en el interior del estator.
Como resulta evidente a partir de lo anterior, en vista de que no hay refrigerante en contacto directo con las bobinas superconductoras, la presente invención ofrece, entre otras cosas, las ventajas de que sólo requiere cantidades relativamente pequeñas de refrigerante y de que simplifica la estructura del criostato. Adicionalmente, pueden usarse refrigeradores criogénicos comerciales bastante fiables, convencionales, en el sistema de refrigeración criogénica.

Claims

REIVINDICACIONES
1 . Un generador eléctrico de accionamiento directo con bobinas superconductoras para una turbina eólica, que comprende:
un conjunto de estator (5, 8, 9, 1 1 , 12) que comprende devanados de estator de entrehierro (1 1 ), una armadura de devanados de entrehierro (12), un yugo trasero de estator anular (8) y una armadura de estator (9);
un conjunto de rotor (2, 6, 7, 14) que puede rotar dentro del conjunto de estator (5, 8, 9, 1 1 , 12);
una pluralidad de bobinas superconductoras (24) situadas sobre el conjunto de rotor (2, 6, 7, 14);
un sistema de refrigeración (15, 16, 17, 18) que comprende un compresor (15), una alimentación directa (16), líneas de transmisión (17) y cabezas refrigeradoras de refrigerador criogénico (18) para refrigerar las bobinas superconductoras (24) hasta una temperatura criogénica adecuada; estando conectadas las cabezas refrigeradoras (18) a través de las líneas (17) al compresor de manera que puede suministrarse refrigerante y recuperarse de las cabezas refrigeradoras (18);
un criostato (10) sujeto sobre el conjunto de rotor, que aloja las bobinas superconductoras (24) para un aislamiento térmico óptimo de las bobinas superconductoras (24) y adaptado para rotar de manera síncrona con el rotor;
caracterizado porque
el conjunto de rotor comprende un contrahierro (7) con polos de hierro que sobresalen del mismo (6),
el criostato (10) tiene una geometría de tipo escalera, está situado sobre la superficie externa del contrahierro del rotor (7) y comprende una pluralidad de aberturas centrales adaptadas para alojar los polos sobresalientes de hierro del rotor,
el criostato (10) no tiene fluido de refrigeración y está adaptado para mantener las temperaturas criogénicas por medio de conexiones a la pluralidad de cabezas de refrigeración (18) a través de circuitos de transmisión de calor (45, 46).
2. Un generador eléctrico según la reivindicación 1 , que comprende además medios para generar una baja presión en el interior del criostato y en el que cada cabeza de refrigeración (18) tiene dos fases, una de baja temperatura (18b) y una a de alta temperatura (18a), estando conectado uno de los elementos de transmisión del criostato a la fase de baja temperatura y estando el otro conectado a la fase de alta temperatura, de manera que cada cabeza de refrigeración (18) actúa como un disipador de calor que absorbe calor desde el interior del criostato (10).
3. Un generador eléctrico según la reivindicación 2, en el que el criostato (10) comprende una pluralidad de unidades de criostato, comprendiendo cada unidad de criostato un elemento de armazón y de anclaje térmico (21 ) que encierra una bobina superconductora, una pantalla contra la radiación (20) y una camisa externa del criostato (19), estando anclada térmicamente la pantalla contra la radiación (20) a la fase de alta temperatura del refrigerador criogénico (18a) a través de un elemento de circuito térmico (23) y estando alojada en la camisa externa del criostato (19) y estando alojado el elemento de armazón y de anclaje térmico (21 ) en la pantalla contra la radiación (20) y en contacto térmico con la fase de baja temperatura del refrigerador criogénico (18b), a través de un elemento de circuito térmico de baja temperatura (22).
4. Un generador eléctrico según la reivindicación 3, en el que el criostato (10) comprende secciones transversales interpolares situadas entre los polos de hierro
(6) adyacentes, comprendiendo cada sección interpolar
una parte transversal (28) de la camisa externa del criostato (19) que comprende un canal en forma de U transversal exterior dotado de un aislamiento multicapa exterior (35) y cerrado por una parte transversal de una placa de cubierta exterior (34);
una parte transversal (37) de la pantalla contra la radiación (20) que comprende un canal en forma de U transversal interior dotado de un aislamiento multicapa interior (36) y cerrado por una parte transversal de una placa de cubierta interior (33);
dos partes transversales (32) de dos elementos de armazón y de anclaje térmicos (21 ) adyacentes, respectivamente, separados entre sí por un espacio transversal;
la parte transversal (37) de la pantalla contra la radiación (20) está situada dentro del aislamiento multicapa exterior (35) en la parte transversal (28) de la camisa externa del criostato (19);
las dos partes transversales (32) de los elementos de armazón y de anclaje térmicos (21 ) adyacentes están situadas dentro del aislamiento multicapa interior (36) en la parte transversal (37) de la pantalla contra la radiación (20).
5. Un generador eléctrico según las reivindicaciones 1 a 4, que comprende además una alimentación directa rotatoria (16) conectada a una salida de refrigerante y a una entrada de refrigerante del compresor del refrigerador criogénico (15) de manera que las líneas (17) están en conexión con la salida de refrigerante y una línea de recuperación está en conexión de fluidos con la entrada de refrigerante.
6. Un generador eléctrico según la reivindicación 5, en el que la alimentación directa rotatoria (16) comprende
una cámara de baja presión (16e) conectada a un circuito de baja presión y con conexión de fluidos a una primera fase (18a) de al menos una cabeza refrigeradora (18), estando acoplada térmicamente dicha primera fase (18a) al circuito de baja temperatura (46) en el criostato (10);
una cámara de alta presión (16h) alojada dentro de la cámara de baja presión (16e) y con conexión de fluidos a un circuito de alta presión acoplado térmicamente a una segunda fase (18b) de dicha al menos una cabeza refrigeradora (18), estando acoplada térmicamente dicha segunda fase (18b) al circuito de alta temperatura (45) en el criostato (10);
una estructura de sellado de baja presión (41 ) que divide la cámara de baja presión (16e) en una parte de baja presión estacionaria (16a) y una parte de baja presión rotatoria (16b), siendo rotatoria la parte de baja presión rotatoria (16b) en la estructura de sellado de baja presión (41 );
una estructura de sellado de alta presión (44) que divide la cámara de alta presión (16f) en una parte de alta presión estacionaria (16c) y una parte de alta presión rotatoria (16d), siendo la parte de alta presión (16d) rotatoria en la estructura de sellado de alta presión (44), estando montada la estructura de sellado de alta presión (44) en la estructura de sellado de baja presión (41 ).
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