CZ20021670A3 - Nosník cívky vysokoteplotního supravodivého rotoru s děleným krytem cívky a způsob jeho montáže - Google Patents

Description

Nosník cívky vysokoteplotního supravodivého rotoru s děleným krytem cívky a způsob jeho montáže

Oblast techniky

Stávající vynález se všeobecně týká supravodivé cívky u synchronního točivého stroje. Zejména pak se předkládaný vynález vztahuje k nosné konstrukci cívky pro supravodivá budící vinutí v rotoru synchronního stroje.

Synchronní elektrické stroje, které mají vinutí budících cívek zahrnují rotační generátory, rotační motory a lineární motory, ale nejsou na tuto skupinu omezeny. Tyto stroje obecně zahrnují stator a rotor, jež jsou elektromagneticky spojeny. Rotor může obsahovat jádro rotoru s více póly a jedno nebo více cívkových vinutí, namontovaných na jádru rotoru. Jádra rotoru mohou obsahovat magneticky permeabilní pevný materiál, jako například rotor se železným jádrem.

V rotorech synchronních elektrických strojů se běžně používá obyčejné měděné vinutí. Elektrický odpor měděného vinutí (třebaže je nízký podle běžných měřítek) je dostatečný pro to, aby přispěl k vydatnému zahřívání rotoru a ke snížení koeficientu účinnosti stroje. V poslední době byla pro rotory vyvinuta supravodivá vinutí cívek. Supravodivá vinutí nemají fakticky žádný odpor a jsou velmi výhodná jako vinutí rotorových cívek.

Rotory se železným jádrem se saturují při intenzitě magnetického pole ve vzduchové mezeře okolo 2 Tesla. Známé supravodivé rotory využívají konstrukce bez železného jádra, kde v rotoru není žádné železo, aby se dosáhlo ve vzduchové mezeře intenzity magnetického pole 3 Tesla nebo více. Tato vysoká intenzita magnetického pole ve vzduchové mezeře zvyšuje výkonovou hustotu elektrického stroje a má t · • · 99 » *

9 za následek významné snížení váhy a velikosti stroje. Supravodivé rotory bez železného jádra vyžadují velká množství supravodivého drátu. Toto velké množství supravodivého drátu zvyšuje počet požadovaných cívek, složitost nosníků cívek a cenu supravodivých vinutí cívky a rotoru.

Vinutí vysokoteplotních supravodivých budících cívek jsou vytvářena ze supravodivých materiálů, které jsou křehké a musí být ochlazovány na nebo pod teplotu kritické teploty, například, 27°K, aby se dosáhla a udržela supravodivost. Supravodivá vinutí mohou být vytvořena z vysokoteplotních supravodivých materiálů, jako je vodič na základě BSCCO (Bi_xSr_xCa_xCu_xO_x).

Supravodivé cívky jsou chlazeny pomocí tekutého hélia. Po průtoku vinutím rotoru se horké a použité hélium vrací jako plynné hélium, které má pokojovou teplotu. Užívání tekutého hélia pro kryogenní chlazení vyžaduje nepřetržité opětné zkapalňování vraceného plynného hélia o pokojové teplotě a takové opětné zkapalňování vytváří významné spolehlivostní problémy a vyžaduje významnou pomocnou energií.

Starší způsoby chlazení supravodivých cívek zahrnují chlazení epoxidem impregnované supravodivé cívky cestou pevného vedení z kryochladiče. Alternativně mohou chladící trubky v rotoru přivádět kapalnou a/nebo plynnou mrazící směs do porézního vinutí supravodivé cívky, která je ponořena do proudu kapalné a/nebo plynné mrazící směsi. Ponorné chlazení vyžaduje, aby celé budící vinutí a konstrukce rotoru byly na kryogenní teplotě. Následkem toho nemůže být v magnetickém obvodu rotoru použito žádné železo vzhledem ke křehkosti železa při kryogenních teplotách.

Pro elektrické stroje je tedy zapotřebí sestava supravodivého budicího vinutí, která nemá nevýhody sestav supravodivého budicího

9 4 « 4	9 9 · 9	• 4 9	4· 4	• «4 4 4 ·
• ·	4 4	9	4	• 4 9
44	• ·	• 44	444	94 9*4»

vinutí se vzduchovým jádrem a chlazených kapalinou, například jak je tomu u známých supravodivých rotorů.

Kromě toho jsou vysokoteplotní supravodivé cívky citlivé na degradaci způsobenou vysokými deformacemi v ohybu a tahu. Tyto cívky musí snášet značné odstředivé tlaky, které namáhají a deformují vinutí cívky. Normální činnost elektrických strojů zahrnuje tisíce spouštěcích a zastavovacích cyklů v průběhu několika let, což vede k nízkocyklovému únavovému namáhání rotoru. Navíc by mělo být vysokoteplotní supravodivé vinutí rotoru schopno vydržet činnost pří 25% překročení rychlosti během vyvažování rotoru při teplotě okolí a také pracovní překročení rychlosti v kryogenních teplotách při generaci energie. Tyto stavy překročení rychlosti podstatně zvyšují zátěž vinutí odstředivou silou oproti normálním pracovním podmínkám.

Supravodivé cívky použité jako budící vinutí vysokoteplotního supravodivého rotoru elektrického stroje jsou vystaveny namáhání a deformaci během ochlazování a normální činnosti. Jsou také vystaveny odstředivému zatěžování, přenosu točivého momentu a občasným poruchám. Aby vydržely tyto síly, namáhání, deformace a cyklické zatěžování, musí být vysokoteplotní supravodivé cívky rádně uloženy v rotoru pomocí nosného systému. Tyto nosné systémy drží supravodivé cívky ve vysokoteplotním supravodivém rotoru a zabezpečují cívky před obrovskými odstředivými silami, danými otáčením rotoru. Tyto nosné systémy navíc vysokoteplotní supravodivé cívky chrání a zajišťují, že se cívky nepoškodí, neopotřebují nebo jinak nerozbijí.

Vývoj nosných systémů pro vysokoteplotní supravodivé cívky byl složitý úkol pří adaptaci supravodivých cívek do vysokoteplotních supravodivých rotorů. Příklady nosných systémů cívek pro vysokoteplotní supravodivé rotory, které byly navrženy dříve, jsou zveřejněny v U.S. patentech č. 5,548,168; 5,532,663; 5,672,921; 5,777,420; 6,169,353 a 6,066,906. Tyto nosné systémy cívek ale trpí různými problémy, jako například vysoká cena, složitost a nutnost velkého počtu součástek. Existuje tedy dlouho pociťovaná potřeba vysokoteplotního supravodivého rotoru, který má nosný systém pro supravodivou cívku. Rovněž existuje potřeba nosného systému cívky, který je vytvořen z levných a snadno vyrobitelných součástek.

Podstata vynálezu

Byl vyvinut nosný systém cívky pro vinutí vysokoteplotní supravodivé cívky oválného tvaru pro dvoupólový rotor elektrického stroje. Nosný systém chrání vinutí cívky před poškozením během činnosti rotoru, vyztužuje vinutí cívky vzhledem k odstředivým a jiným silám a zajišťuje ochranné stínění vinutí rotoru. Nosný systém cívky drží vinutí cívky vzhledem k rotoru. Vinutí vysokoteplotní supravodivé cívky a nosný systém cívky jsou na kryogenní teplotě, zatímco rotor je na teplotě okolí.

Nosník cívky s děleným krytem je užitečný zejména pro vysokoteplotní supravodivé elektrické stroje s nízkou výkonovou hustotou. Nosník cívky odolává vysokým odstředivým a tangenciálním silám, které by jinak působily na supravodivou cívku. Kryty cívky jsou umístěny těsně vedle sebe podél dlouhých postranních částí vinutí cívky, aby rovnoměrně rozkládaly odstředivé a tangenciální síly, které působí na cívku. Za účelem snížení unikání tepla byla hmota nosníku cívky minimalizována, aby se snížilo vedení tepla z rotoru přes nosník do chladné cívky. Nosník cívky je udržován na kryogenních teplotách, stejně jako budicí vinutí.

Nosný systém cívky zahrnuje řadu sestav nosníků cívky, které se rozpínají mezi protilehlými stranami vinutí oválné cívky. Každá sestava nosníku cívky zahrnuje tažnou vzpěru a pár dělených krytů cívky. Tažné vzpěry mezi protilehlými stranami vinutí cívky procházejí průchody (otvory) v jádře rotoru. Dělený kryt cívky je na každém konci tažné

4*4 4 *444

4 4 4 «

4 4 4

44 φ • 4

4« 4444

vzpěry připevněn k cívce. Kryt přenáší odstředivé síly z cívky na tažnou vzpěru. Každá sestava nosníku cívky podpírá vinutí cívky vzhledem k jádru rotoru. Řada sestav nosníků cívky poskytuje vinutí cívky pevnou a ochrannou konstrukci.

Každý dělený kryt cívky obsahuje pár protilehlých panelů, které jsou namontovány kolem supravodivé cívky a pevně svírají konec tažné vzpěry. Boční panely jsou kusy ve tvaru „C“, které jsou navzájem spojeny šrouby za účelem uzavření cívky mezi pár těchto bočních panelů. Stahovací šrouby drží boční panely navzájem a chrání kryt cívky před rozdělením při velkých odstředivých a tangenciálních zátěžích.

Vysokoteplotní supravodivý rotor může být pro synchronní stroje navrhované od počátku tak, že budou obsahovat supravodivé cívky. Alternativně může vysokoteplotní supravodivý rotor nahradit rotor s měděnými cívkami v existujícím elektrickém stroji, jako je tomu u běžného generátoru. Rotor a jeho supravodivé cívky jsou zde popsány v souvislosti s generátorem, ale rotor s vysokoteplotními supravodivými cívkami je také vhodný pro užívání v jiných synchronních strojích.

Nosný systém cívky je užitečný při integrování nosného systému cívky s cívkou a rotorem. Kromě toho nosný systém cívky usnadňuje jednoduchou předběžnou montáž nosného systému cívky, cívky a jádra rotoru ještě před konečnou montáží rotoru. Předběžná montáž snižuje čas sestavení cívky a rotoru, zlepšuje kvalitu nosníku cívky a redukuje odchylky při montáži cívky.

V prvním provedení je vynálezem rotor pro synchronní stroje, který obsahuje: jádro rotoru, vinutí supravodivé cívky rozprostírající se kolem alespoň části jádra rotoru, přičemž vinutí cívky má postranní části přilehlé ke stranám jádra rotoru, alespoň jednu tažnou vzpěru procházející průchodem v jádru rotoru a kryt připevněný k tažné vzpěře ft • ft • ··* • ft ft· · · · • ♦ · ft · • · · · « · ft · · · ft ··♦ ··· ·· ftft·· a připojený k postranní části vinuti cívky, kde kryt zahrnuje pár postranních panelů.

V jiném provedení je vynálezem způsob nesení vinutí supravodivé cívky na jádru rotoru synchronního stroje sestávající z kroků: provlečení tažné vzpěry průchodem v jádru rotoru, umístění vinutí cívky kolem jádra rotoru tak, že se tažná vzpěra a tažný šroub rozpínají mezi postranní části vinutí cívky, montáž páru postranních panelů alespoň jednoho krytu kolem postranní části vinutí cívky, vzájemné upevnění postranních panelů a připevnění krytu k prvnímu konci tažné vzpěry.

Přehled obrázků na výkresech

Provedení vynálezu je popsáno pomocí přiložených výkresů v souvislosti s popisem provedení.

Na obr.1 je schematicky znázorněn bokorys synchronního elektrického stroje majícího supravodivý rotor a stator.

Na obr.2 je uveden perspektivní pohled na příklad provedení vinutí oválné supravodivé cívky.

Obr.3 je v částečném řezu pohled na jádro rotoru, vinutí cívky a nosný systém cívky pro vysokoteplotní supravodivý rotor.

Obr.4 a 5 znázorňují perspektivní pohled na dělený kryt cívky, a to s cívkou (obr.5) a bez cívky (obr.4).

Na obr.6 je perspektivní pohled na jádro rotoru, vinutí cívky a nosný systém cívky pro vysokoteplotní supravodivý rotor.

* « ·

Příklady provedení vynálezu

Obr.1 zobrazuje příkladný synchronní generátor 10. který má stator 12 a rotor 14. Rotor 14 obsahuje vinutí cívek, které je uloženo do válcové vakuové rotorové dutiny 16 statoru. Rotor 14 je uložen do válcové vakuové rotorové dutiny 16 statoru. Když se rotor 14 otáčí uvnitř statoru 12, magnetické pole 18 (vyznačeno tečkovanými čarami) generované rotorem a cívkami rotoru se pohybuje/otáčí přes stator a vytváří ve vinutí statorových cívek 19 elektrický proud. Tento proud vystupuje z generátoru jako elektrická energie.

Rotor 14 má obecně podélně jdoucí osu 20 a obecně pevné jádro rotoru 22. Toto pevné jádro 22 má vysokou magnetickou permeabilitu a je obyčejně vyrobeno z feromagnetického materiálu, jako je železo. V supravodivém stroji s nízkou výkonovou hustotou je železné jádro rotoru použito ke snížení magnetomotorické síly a tudíž k minimalizaci množství supravodivého drátu, který je potřebný pro vinutí cívky. Například, pevné železné jádro rotoru může být magneticky nasyceno v magnetickém poli vzduchové mezery o síle zhruba 2 Tesla.

Rotor 14 nese alespoň jedno podélně uložené vysokoteplotní vinutí 34 supravodivé oválné cívky (viz. obr. 2). Vinutí vysokoteplotní supravodivé cívky může být alternativně sedlovitého tvaru nebo může mít nějaký jiný tvar, který je vhodný pro konkrétní návrh vysokoteplotního supravodivého rotoru. Nosný systém cívky je zde popsán pro vinutí supravodivé oválné cívky. Nosný systém cívky může být upraven pro konfigurace cívky jiné než je oválná cívka, připevněná na pevné jádro rotoru.

Rotor 14 zahrnuje pár koncových hřídelí, které drží jádro 22 rotoru. Kolektorový koncový hřídel 24 má kolektorové kroužky 78, které zajišťují vnější elektrické připojení k supravodivé cívce. Kolektorový koncový hřídel 24 má také kryogenní přenosovou spojku 26 na zdroj kryogenní chladící kapaliny, používané k chlazení vinutí supravodivých

8···· · · · ·· ·· ·»· ·#♦ 99 cívek v rotoru. Kryogenní přenosová spojka 26 obsahuje stacionární segment spojený se zdrojem kryogenní chladící kapaliny a rotační segment, který zajišťuje chladící kapalinu pro vysokoteplotní supravodivou cívku. Protilehlý hnací koncový hřídel 30 může být spojen s hnací turbínou. Koncové hřídele jsou neseny ložisky 25. která představují nosnou konstrukci pro celý rotor.

Obr. 2 ukazuje příkladné vysokoteplotní supravodivé vinutí 34 oválné budící cívky. Supravodivé vinutí 34 budící cívky rotoru obsahují vysokoteplotní supravodivou cívku 36. Každá supravodivá cívka obsahuje vysokoteplotní supravodivý vodič, jako například BSCCO (Bi_xSr_xCa_xCu_xO_x) vodiče laminované do pevného závitového kompozitu impregnovaného epoxidem. Řadu BSCCO 2223 drátů je například možné laminovat, spojit dohromady a svinout do pevné cívky impregnované epoxidem.

Supravodivý drát je křehký a lehce poškoditelný. Supravodivá cívka je typická vrstveně vinutá páska, která je impregnovaná epoxidem. Supravodivá páska je navinuta do přesné cívkové formy, aby se dosáhlo malých rozměrových tolerancí. Páska je navinutá dokola ve spirále, aby se vytvořila oválná supravodivá cívka 36.

Rozměry oválné cívky jsou závislé na rozměrech rotorového jádra. Obecně každá supravodivá oválná cívka obklopuje magnetické póly jádra rotoru a je paralelní s osou rotoru. Vinutí cívky je spojité v celém tvaru cívky. Supravodivé cívky vytváří cestu elektrického proudu bez odporu okolo jádra rotoru a mezi magnetickými póly jádra. Tato cívka má elektrické kontakty 79. které elektricky spojují cívku s kolektorem 78.·

Ve vinutí 34 cívky jsou obsaženy kapalinové kanály 38 pro kryogenní chladící kapalinu. Tyto kanály 38 se mohou rozprostírat okolo vnější hrany supravodivé cívky 36. Tyto propouštěcí kanály 38 přivádějí kryogenní chladicí kapalinu k cívce a z této cívky odstraňují teplo.

• · ·

Chladící kapalina udržuje ve vinutí 34 supravodivé cívky nízké teploty, např. 27°K, které jsou nutné k vyvolání supravodivých podmínek, včetně neexistence elektrického odporu v cívce. Chladící kanály 38 mají na jednom konci rotorového jádra vstupní kapalinový otvor 39 a výstupní kapalinový otvor 41. Tyto kapalinové (plynové) otvory 39. 41 spojují chladící kanály 38 na supravodivé cívce s trubkami v koncovém hřídeli 24 rotoru, který jdou ke kryogenní přenosové spojce 26.

Každé vinutí 34 vysokoteplotní supravodivé oválné cívky má pár obecně rovných postranních částí 40. které jsou rovnoběžné s osou rotoru 20 a pár koncových částí 54. které jsou na osu rotoru kolmé. Postranní části cívky jsou vystaveny největším odstředivým silám. Tyto postranní části jsou tudíž podpírány nosným systémem cívky, který paralyzuje odstředivé síly působící na cívku.

Obr. 3 ukazuje částečný pohled v řezu na jádro 22 rotoru a na nosný systém cívky pro vinutí vysokoteplotní supravodivé cívky. Tento nosný systém obsahuje řadu sestav nosníků cívky rozpínajících se jádrem rotoru a mezi protilehlými stranami vinuti vysokoteplotní supravodivé cívky. Každá sestava nosníku cívky zahrnuje tažnou vzpěru 42. která jde průchodem 46 v jádru rotoru, a dělený kryt 44 cívky, který je upevněn k tažné vzpěře 42 a drží vinutí cívky. Nosný systém cívky poskytuje nosnou konstrukci, která přidržuje vinutí cívky v rotoru.

Hlavní zátěž vinutí 34 vysokoteplotní supravodivé cívky pochází z odstředivého zrychlení během otáčení rotoru. Každá sestava nosníku cívky je nastavena podle odstředivého zatížení cívky, za účelem zajištění účinného konstrukčního vyztužení vinutí cívky při zatížení. Pro nesení postranních částí cívky je každá tažná vzpěra 42 připojena k dělenému krytu 44 cívky. Kryty 44 sevřou protilehlé části cívky. Tažné vzpěry 42 procházejí řadou průchodů 46 v jádru rotoru. Tyto tažné vzpěry 42 jsou v příčné ose jádra rotoru.

·4 ·

·

4 *« · 4*4 • 4 4 · · « · · 0 **4

4444

4 · • * ««0 • 4 · 4 · • 4 > ·* »« 4»

Dělené kryty 44 cívky vyztužují vinutí 34 cívky proti odstředivým silám a tangenciálním točivým silám. Odstředivé síly vznikají díky otáčení rotoru. Tangenciální síly mohou vznikat od zrychlování a zpomalování rotoru a přenosu točivého momentu. Protože jsou podélné strany 40 vinutí cívky zapouzdřeny pomoci dělených krytů 44 cívky a plochých konců 86 tažných šroubů, jsou strany vinutí cívky v rotoru plně neseny.

Průchody 46 jsou obecně válcovité kanály v jádru rotoru, které mají přímé osy. Průměr průchodů 46 je v podstatě konstantní. Konce 88 průchodů 46 se ale mohou rozšířit do většího průměru, aby se přizpůsobily izolační trubici 52. Tato trubice 52 vyrovnává tažnou vzpěru 42 v průchodu a zajišťuje tepelnou izolaci mezi jádrem 22 rotoru a tažnou vzpěrou 42.

Na konci každé tažné vzpěry 42 upevňuje izolační trubice 52 nosnou strukturu cívky k horkému rotoru a zamezuje proudění tepla mezi nimi. Kromě toho je k izolační trubici 52 připojena pojistná matice £4, která dále zabezpečuje spojení s tažnou vzpěrou 42. Pojistná matice 84 a izolační trubice 52 upevňují tažnou vzpěru 42 a dělený kryt k jádru rotoru, při současné minimalizaci přenosu tepla z horkého rotoru do konstrukce krytu.

Izolační trubice 52 je vytvořena z tepelně izolačního materiálu. Jeden konec izolační trubice 52 může mít vnější kroužek (není vyznačen), který dosedá na stěnu širokého konce 88 průchodu. Druhý konec izolační trubice 52 zahrnuje vnitřní kroužek (není vyznačen), který zapadá do pojistné matici 84 přidržující tažnou tyč 42 k izolační trubici 52. Teplo z rotoru by se muselo vést celou délkou izolační trubice 52 a pojistnou maticí 84. než by dosáhlo tažné vzpěry. Izolační trubice tudíž tepelně izoluje tažnou vzpěru od jádra rotoru.

Počet průchodů 46 a jejich umístění na jádru rotoru závisí na umístění vysokoteplotních supravodivých cívek a na počtu pouzder

I I « I < 4 cívek potřebných pro nesení postranních částí cívek. Osy průchodů 46 jsou obecně v rovině definované oválnou cívkou. Kromě toho jsou osy průchodů 46 kolmé na postranní části cívky. Navíc jsou ve zde znázorněném provedení průchody 46 kolmé k ose rotoru a protínají ji. Počet průchodů 46 a jejich umístění bude záviset na umístění vysokoteplotních supravodivých cívek a na počtu pouzder cívek potřebných pro nesení postranních částí cívek.

Obecně existují dvě kategorie nosníků pro supravodivé vinutí: (i) „teplé“ nosníky a iii) „studené“ nosníky. U teplých nosníků je nosná konstrukce tepelně izolována od chlazeného supravodivého vinutí. U teplých nosníků :e většina mechanického zatížení cívky nesena konstrukčními členy rozpínajícími se od studených členů k teplým členům.

U studeného nosného systému je nosný systém na nebo blízko kryogenní teploty upravodivých cívek. U studených nosníků je většina mechanického zatížení supravodivé cívky nesena konstrukčními členy, které jsou na nebo blízko kryogenní teploty.

Příklad nosného systému cívky, který je zde uveden, je studený nosník, kde jsou tí žné tyče 42, šrouby 43 a dělené kryty 44 udržovány na nebo blízko kryogenní teploty. Protože jsou nosné členy studené, jsou tyto Členy tepelně izolovány, například bezdotykovými průchody jádrem rotoru, od mdra rotoru a jiných „horkých“ součástí rotoru.

Vinutí vysokoteplotní supravodivé cívky a konstrukční nosné součásti jsou na kryogenní teplotě. Naproti tomu jádro rotoru je na „horké“ teplotě okolí. Nosníky cívky jsou potenciálními zdroji vedení tepla, což by moh > dovolit ohřev vysokoteplotních supravodivých cívek z rotoru. Rotor se během chodu ohřívá. Protože cívky jsou udržovány v podmínkách přecnlazení, je nutné zamezit přivádění tepla do cívek.

» * » • · « • · · • ♦ · ·· *»*· • » • * ·

Nosný systém cívky je tepelně izolován od jádra rotoru. Například tažné vzpěry a šrouby nejsou v přímém kontaktu s rotorem. Tento nedostatek kontaktu vylučuje vedení tepla z rotoru do tažných vzpěr a cívek. Navíc byla hmotnost konstrukce nosného systému cívky minimalizována tak, aby se omezilo vedení tepla sestavami nosné konstrukce do vinuti cívek z jádra rotoru.

Každá tažná yzpěra 42 je hřídel spojitá v podélném směru vzpěry a v rovině oválné cívky. Tažná vzpěra je obvykle vyrobena z velice pevných nemagnetických slitin jako jsou titanové, hliníkové nebo niklové slitiny. Pouélná spojitost tažných vzpěr zajišťuje příčnou tuhost pro cívky, což je výhodné pro dynamiku rotoru. Příčná tuhost tažných vzpěr 42 navíc dovoluje integraci nosníku cívek s cívkami tak, že cívka může být s nosníkem sestavena na jádru rotoru dříve než se sestaví celý rotor.

Plochý povrc.i konce 86 tažné vzpěry nese vnitřní povrch strany vinutí cívky. Konec 86 tažné vzpěry 42 může být vroubkovaný, takže může zapadat do kruhových rýh 134 sestavy dvou postranních panelů 124 krytu cívky (ocr.5). Ostatní tři povrchy strany 40 vinutí cívky jsou neseny děleným krytem 44. Každý dělený kryt 44 je sestaven kolem cívky a tvoří spolu s hlavou šroubu skříň cívky. Tato skříň vyztužuje vinutí cívky vzhledem k tangenciálnímu a odstředivému zatížení. Tato skříň rovněž umožňuje podélné rozpínání a smršťování vinutí cívky.

Obr.4 a 5 (a obr.3) ukazují jednu polovinu příkladného provedení postranních panelu 124 ve tvaru „C“ děleného krytu 44. Pár postranních panelů drží protil hlé strany cívky 36. Navíc jsou postranní panely uspořádány těsně vedle sebe podél každé strany cívky, aby tvořily spojitou sestavu ncsníku cívky podél postranní části 40 vinutí 34 cívky. Vnitřní povrch každého postranního panelu má úzkou drážku 1 30 pro vložení klínu a profil 132 ve tvaru „L“ pro vložení strany cívky. Postranní povrch . vnitřní povrch cívky leží na ortogonálních površích profilu 132 postrar ního panelu. Protilehlý postranní panel je smontován ·« · kolem cívky a nese tentýž vnitřní povrch cívky a protilehlý boční povrch cívky.

Vnější povrch cívky je nesen klínem 126. který leží mezi postranními panely na protilehlých stranách cívky. Samotný klín 126 může být dělený a dosahovat napůl přes cívku, kde se dotýká dalšího děleného klínu. Klín 126 zapadá do úzké drážky 130 postranního panelu. Klín 126 obsahuje profil 127. do kterého zapadne chladící kanál na vnější straně cívky. Dále může klín 126 zahrnovat řadu děr 131. které jsou v jedné řadě s dírami 133 na horní hraně postranního panelu. Do každého páru děr 131. 133 se vloží pojistný kolík 136 (obr.3), který vede protilehlými postranními panely a klíny za účelem vzájemného upnutí horních hran postranních panelů a klínů.

Klín může být integrální součástí postranního panelu a sahat do poloviny šířky cívky, jak je uvedeno na obr.4. Alternativně může být klín samostatnou součástí, která je smontována s postranním panelem a může sahat do poloviny šířky cívky nebo přes celou šířku cívky k protilehlému postranního panelu. Navíc klín 126 nemusí být stejných rozměrů jako postranní panel. Klín může přesahovat délku postranního panelu a zapadat do drážky 130 v přilehlém postranním panelu (jak je vidět na obr.4). Alternativně může být klín 126 stejných rozměrů jako postranní paneí, jak je uvedeno na obr.5.

Postranní panely 124 mají dolní přírubu 135. na kterém leží vnitřní povrch cívky. Díry 142 pro šrouby v dolní přírubě 135 dovolují, aby stahovací šrouby držely pohromadě dolní část krytu 44. Do dolní příruby též zapadá tažná vzpěra 42 nebo tažný šroub 43 (v závislosti na tom, je-li použita pevná tažná vzpěra nebo zda se použije sestava tažné vzpěry a šroubu).

Každý postranní panel (jedna polovina je uvedena na obr.4 a 5) má poloviční část 134 díry pro vložení tažné vzpěry nebo tažného šroubu. Postranní panely uvedené na obr.4 a 5 mají poloviční část 134 která tvoří díru (když se smontují dva páry postranních panelů) pro vložení vroubkovaného konce tažné vzpěry 42 (obr.5) nebo hlavy tažného šroubu 43 (obr,4). Díra vytvořená postranním panelem znázorněná na obr,4 má hladký vnitřní průměr a kruhové osazení 137 pro uložení hlavy šroubu 43. Alternativně je díra tvořená poloviční částí 134 postranního panelu a znázorněná na obr.5 vroubkovaná a je v ní uložen vroubkovaný konec tažné vzpěry. V souladu s tím může být dělený kryt 44 použit buď se sestavou tažné vzpěry a šroubu nebo s tažnou vzpěrou bez šroubu. Dále může být do závitové díry 134 vložena pojistná matice 138 (obr.6) a tato pojistná matice může mít vnitřní otvor a osazení pro bezpečné držení hlavy tažného šroubu 43.

Bez ohledu na způsob, jakým je tažný šroub nebo tažná vzpěra připevněna k dolní přírubě 135 postranního panelu, konec šroubu nebo vzpěry jsou zajištěny tak, že dosedají na vnitřní povrch cívky. Tímto způsobem konec tažného šroubu nebo vzpěry přímo nesou cívku.

Tento dělený kryt 44 může být vyroben z lehkého materiálu o vysoké pevnosti, který je při kryogenních teplotách tvárný. Typickými materiály pro dělené kryty 44 jsou slitiny hliníku, titanu a niklu (Inconel). Tvar děleného krytu 44 je optimalizován s ohledem na malou váhu.

Jak je vidět na obr.6, může být podél stran 40 vinutí cívky umístěna řada dělených krytů 44 (a přináležejících tažných šroubů 43 a tažných vzpěr 42). Tažné šrouby 43 se zašroubují do závitových děr (není znázorněno) na konci tažné vzpěry 42. Hloubka do které se tažné šrouby 43 zašroubuji do tažné vzpěry 42 je nastavitelná. Celková délka sestavy tažné vzpěry 42 a šroubu 43 (tato sestava se rozpíná mezi strany cívky) se může měnit vyšroubováním nebo zašroubováním jednoho nebo obou šroubů z/do děr tažné vzpěry 42. Hlava šroubu nebo konec tažné vzpěry mají přírubu s plochým vnějším povrchem 86. Tato příruba zapadne do okraje děleného krytu v obr.4. Plochý povrch 86 hlavy šroubu nebo vzpěry dosedá na vnitřní povrch vinutí 34 cívky.

Kryty jsou uspořádány těsně vedle sebe podél postranní části 40 cívky. Dělené kryty 44 společně rozdělují síly, které působí na cívku, například odstředivé síly, přes v podstatě celou postranní část 40 cívky.

Dělené kryty 44 chrání postranní části 40 cívky od nadměrného ohýbání a prohýbání účinkem odstředivých sil.

Množina dělených krytů 44 cívek efektivně drží cívky na svém místě, aniž by byly ovlivněny odstředivými silami. Přestože jsou dělené kryty 44 zobrazeny tak, že jsou k sobě velmi blízko, musí být pouze tak blízko, aby se předešlo degradaci cívky, způsobené velkými deformacemi ohybem a tahem během odstředivého zatěžování, přenosu točivého momentu a občasných poruchových stavů.

Nosníky cívky nebrání cívce v podélném tepelném roztahování a smršťování, které se objevují během běžné spouštěcí/zastavovací operace plynové turbíny. Zejména tepelné roztahování je primárně orientováno v podélném směru postranních částí. Postranní části cívky se tedy mírně podélně posouvají vzhledem k dělenému krytu a tažným vzpěrám.

Nosný systém cívky sestávající z tažných vzpěr 42, šroubů 43 a dělených krytů 44 může být smontován s vinutími 34 vysokoteplotní supravodivé cívky 36 když jsou připevňována na jádro 22 rotoru. Tažné vzpěry 42 a dělené kryty 44 zajišťují dosti pevnou konstrukci pro nesení vinutí cívky a držení dlouhých stran vinutí cívky na místě vzhledem k jádru rotoru. Konce cívky mohou být neseny dělenými svěrkami (není zakresleno) na axiálních koncích (avšak ne v kontaktu s nimi) jádra 22 rotoru.

Jádro 22 rotoru a koncové hřídele mohou být diskrétní součásti, které se navzájem smontují. Železné jádro 22 rotoru má obecně válcový tvar 50 vhodný pro otáčení uvnitř rotorové dutiny 16 statoru 12. Pro uloženi vinutí cívky je jádro rotoru opatřeno povrchy 48 s vybráním jako jsou ploché nebo trojúhelníkové oblasti nebo drážky. Tyto povrchy 48 jsou vytvořeny v zakřiveném povrchu 50 válcového jádra a vedou podélně přes jádro rotoru. Vinutí 34 cívky je připevněno na rotor přilehle k povrchům 48 s vybráním. Cívky se obecně rozprostírají podélně podél vnějšího povrchu oblasti s vybráním a kolem konců jádra rotoru. Na površích 48 s vybráním jádra rotoru je umístěno vinutí cívky. Tvar oblasti s vybráním odpovídá vinuti cívky. Například, je-li vinutí cívky sedlového tvaru nebo nějakého jiného tvaru, bude vybrání v jádru rotoru upraveno tak, aby mělo tvar pro uloženi vinutí.

Do povrchů 48 s vybráním je umístěno vinutí cívky tak, že vnější povrch vinutí cívky opisuje obálku, definovanou otáčením rotoru. Vnější zakřivené povrchy 50 jádra rotoru vymezují při otáčení válcovou obálku. Tato rotační obálka rotoru má v podstatě stejný průměr jako dutina 16 rotoru (viz. obr. 1) ve statoru.

Mezera mezi obálkou rotoru a dutinou statoru 16 je relativné malá, jak je požadováno pouze pro ventilačního chlazení s nuceným oběhem statoru, jelikož rotor ventilační chlazení nepožaduje. Je žádoucí, aby byla minimalizována mechanická vůle mezi rotorem a statorem, aby vzrostla elektromagnetická vazba mezi vinutím cívek rotoru a vinutím statoru. Navíc je vinutí cívky rotoru s výhodou umístěno tak, že jde po celé obálce vytvořené rotorem a je tudíž odděleno od statoru pouze mezerou mechanické vůle mezi rotorem a statorem.

Jádro rotoru, vinutí cívky a sestavy nosníku cívky jsou předem smontovány. Předběžná montáž cívky a nosníku cívky zkracuje výrobní cyklus, zlepšuje kvalitu nosníku cívky a zmenšuje odchylky sestavy cívky. Před tím, než se smontuje jádro rotoru s koncovými hřídeli rotoru a ostatními součástmi rotoru, vloží se do každého průchodu 46 tažné vzpěry 42, který procházejí jádrem rotoru. Izolační trubice 52 na každém konci každé tažné vzpěry je umístěna v rozšířeném konci 88 na každém konci průchodů 46. Izolační trubice 52 je zajištěna na místě pomocí přidržovací pojistné matice 84- Šrouby 43, pokud jsou použity,

44	44 • ··	• • · •	• 44 •	• 4 4 •	·« • ·
• •	• •
•	4
•
•	•	• ·	•	•	•	•	4
	»4	44	··*	··*	44		444·

se mohou vložit před nebo po vložení tažných vzpěr 44 do průchodů v jádru 22 rotoru.

Když se použijí tažné šrouby 43. pak je na každém tažném šroubu 43. umístěna pojistná matice 138 a použita pro bezpečné upevnění tažného šroubu 43 k dělenému krytu 44. Hloubka, do které jsou tažné šrouby 43 zašroubovány do tažných vzpěr 42 se zvolí tak, že délka od konce jednoho šroubu 43 na tažné vzpěře 42 ke konci protilehlého šroubu 43 je rovna vzdálenosti mezi dlouhými stranami 40 vinutí cívky. Když se tažné vzpěry 44 a tažné šrouby 43 smontuji s jádrem 22 rotoru, je vinutí 34 cívky připraveno ke vložení do jádra.

Vinutí 34 cívky se vloží do jádra rotoru tak, že ploché konce 86 tažných vzpěr 42 nebo šrouby 43 dosedají na vnitřní povrch postranních částí 40 vinutí. Jakmile je přes konce tažné vzpěry 42 nebo šroubu 43 uloženo vinutí, namontují se přes vinutí dělené kryty 44. Pro montáž každého krytu se postranní panely umístí proti protilehlým stranám cívky a do úzkých drážek 130 stran panelů se zasunou klíny. Dále se vloží pojistný kolík 136. který drží klíny a postranní panely pohromadě. Pro přitažení postranních panelů ke šroubům se použije pojistná matice 138.

Jádro 22 rotoru může být zapouzdřeno v kovovém válcovém stínění 90 (znázorněno čárkovanými čarami), které chrání vinutí 34 supravodivé cívky před vířivými proudy a jinými elektrickými proudy obklopujícími rotor a tvoří vakuovou obálku, jak je požadováno pro udržení tvrdého vakua kolem kryogenních součástí rotoru. Válcové stínění 90 může být vytvořeno z vysoce vodivého materiálu jako je měděná slitina nebo hliník.

Vinutí 34 supravodivé cívky je udržováno ve vakuu. Vakuum může být tvořeno stíněním 90. které může zahrnovat válcovou vrstvu nerezové oceli, která vytváří vakuovou nádobu kolem cívky a jádra cívky.

»9 •	• 9 ·	9 « 9 9	99 * 9	9 9	99 9 9
9 9	• 9 9
•	• 99
9
9	•	• 9	•	9	9	9	9
99		99	• 9 ·	999	9 9		····

Dělené kryty cívek, tažné vzpěry a šrouby (sestava nosníku cívky) mohou být smontovány s vinutím cívky před tím, než se smontují jádro rotoru a cívky s nákružkem a jinými součástmi rotoru. Podobně mohou být jádro rotoru, vinutí cívky a nosný systém cívky sestaveny jako jednotka, před montáží jiných součástí rotoru a synchronního stroje.

I když byl vynález popsán v souvislosti s tím, co je nyní považováno za nejvíce praktické a upřednostňované provedení, je třeba chápat, že tento vynález není omezen na zde zveřejněné provedení, ale naopak zahrnuje všechna provedení v duchu přiložených nároků.

Claims (16)

1. Synchronní stroj vyznačující se tím, že rotor sestává z jádra rotoru, vinutí supravodivé cívky rozprostírajícího se kolem alespoň části rotoru, kde toto vinutí cívky má postranní části přilehlé ke stranám jádra rotoru, alespoň jedné tažné vzpěry procházející průchodem v jádru rotoru, z krytu připevněného k tažné vzpěře a spojeného s postranní částí vinutí cívky, kde tento kryt obsahuje pár postranních panelů.

2. Rotor podle nároku 1 vyznačující se tím, že postranní panely jsou na protilehlých površích postranní části.

3. Rotor podle nároku 1 vyznačující se tím, že kryt a tažná vzpěra jsou cmazeny vedením z vinuti cívky.

4. Rotor podle nároku 1 vyznačující se tím, že kryt dále obsahuje klín přemosťující postranní panely a dosedající na vnější povrch vinutí cívky.

5. Rotor podle nároku 1 vyznačující se tím, že tažná vzpěra zahrnuje šroub, který má plochý povrch dosedající na cívku a má šířku odpovídající šířce postranní části.

6. Rotor podle nároku 1 vyznačující se tím, že tažná vzpěra má vroubkovaný konec zapadající do vroubkované díry tvořené množinou postranních panelů.

7. Rotor podle nároku 1 vyznačující se tím, že sestava dvou postranních panelů tvoří díru pro zapadnutí konce tažné vzpěry nebo tažného šroubu.

• 9 9« « 4 9

9 9 9 99 • 9 « 9 9

4 9 9 9

9 · 99 • · ·| ·· • 9 9 9 9 · 9 • 9 9 9 ·

9 9 9 9 9 9 • 9 · 9 9

M# 94 9 *· 9949

8. Rotor podle nároku 1 vyznačující se tím, že postranní panel má pár ortogonálních povrchů, které dosedají na cívku,

9. Rotor podle nároku 1 vyznačující se tím, že kryt je vytvořen z kovového materiálu vybraného ze skupiny sestávající ze slitin hliníku, niklu (Inconel) a titanu.

10. Rotor podle nároku 1 vyznačující se tím, že tažná vzpěra je vytvořena z nemagnetické kovové slitiny.

11. Rotor podle nároku 1 vyznačující se tím, že tažná vzpěra je vytvořena ze slitiny Inconel.

12. Způsob nesení vinutí supravodivé cívky v jádru rotoru synchronního stroje vyznačující se tím, že sestává z kroků: vložení tažné vzpěry do Drůchodu v iádru rotoru umístění vinutí r.ívkv knlpm iáHra rntnrii • J ‘ 9 ·“·“·· J - — - — . - - * . - tak, že se tažná vzpěra rozpíná mezi postranními částmi vinutí cívky, montáž páru postranních paneíů alespoň jednoho krytu kolem postranní části vinutí cívky, bezpečné vzájemné spojení postranních paneíů, a připevnění krytu k prvnímu konci tažné vzpěry.

13. Způsob podle nároku 12 vyznačující se tím, že dále obsahuje opakování kroků montáže páru postranních panelů a bezpečného vzájemného spojení postranních panelů za účelem připevnění druhého krytu kolem postranního panelu cívky k druhému konci tažné vzpěry.

14. Způsob podle nároku 12 vyznačující se tím, že krok připevnění krytu k prvnímu konci tažné vzpěry se realizuje montáži množiny postranních panelů kolem přírubové hlavy na konci tažné vzpěry,

15. Způsob podle nároku 12 vyznačující se tím, že krok připevnění krytu k prvnímu konci tažné vzpěry se realizuje montáží množiny postranních panelů za účelem vytvoření vroubkované díry, do které zapadne vroubkovaný konec tažné vzpěry.

• 4 4

4 4 444 • 4 4 4 4 • »4 ·

4 4 4 4

4 4 « 4 4

4 «4 *

4 4 4 4 *

4 4*4

4 »44 l· ·*·♦

16.Způsob podle nároku 12 vyznačující se tím, že se několik tažných vzpěr vloží do řady průchodů v jádru rotoru a upevní se k vinutí cívky.