ES2304418T3 - Devanado superconductor de alta temperatura para rotor sincrono con nucleo de rotor en varias piezas. - Google Patents
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Abstract
Un rotor de una máquina síncrona (10), que comprende: un conjunto (33) de devanado inductor superconductor que tiene un devanado helicoidal (34) y al menos un soporte (35) del devanado que se extiende por dentro del devanado (34) entre lados opuestos del devanado (34), y un núcleo (22) del rotor situado dentro del devanado (34) y formado por una pluralidad de secciones (42, 44) del núcleo del rotor que tienen una elevada permeabilidad magnética, teniendo cada una de dichas secciones (44, 46) del núcleo una ranura (53) para recibir dicho soporte (35) del devanado.
Description
Devanado superconductor de alta temperatura para
rotor síncrono con núcleo de rotor en varias piezas.
La presente invención se refiere generalmente a
un devanado inductor helicoidal superconductivo de una máquina
rotativa síncrona. Más particularmente, la presente invención se
refiere a un núcleo de rotor que soporta un conjunto de devanado
inductor superconductor en una máquina síncrona.
Las máquinas eléctricas síncronas con devanados
inductores helicoidales en el rotor incluyen, sin limitarse a los
mismos, generadores rotativos, motores rotativos y motores lineales.
Estas máquinas comprenden generalmente un estator y un rotor
acoplados electromagnéticamente. El rotor puede incluir un núcleo de
rotor multipolo y uno o más devanados inductores helicoidales sobre
el núcleo del rotor. Los núcleos de rotor pueden incluir un
material macizo magnéticamente permeable, tal como un rotor con
núcleo de hierro.
Normalmente, en los rotores de las máquinas
eléctricas síncronas se utilizan devanados convencionales de cobre.
Sin embargo, la resistencia eléctrica de los devanados de cobre
(aunque baja según las medidas convencionales) es suficiente para
contribuir a un calentamiento substancial del rotor y disminuir el
rendimiento energético de la máquina. Recientemente se han
desarrollado para los rotores devanados inductores helicoidales
superconductores (SC). Los devanados SC tienen efectivamente una
resistencia nula y son unos devanados de rotor helicoidales
altamente ventajosos.
Los rotores con núcleo de hierro se saturan con
una fuerza de campo magnético en el entrehierro de unos 2 Tesla.
Los rotores superconductivos conocidos emplean diseños con núcleo de
aire, sin hierro alguno en el rotor, para obtener en el entrehierro
campos magnéticos iguales o superiores a 3 Tesla. Estos elevados
campos magnéticos en el entrehierro producen mayores densidades de
potencia en la máquina eléctrica, y dan como resultado una
significativa reducción del peso y tamaño de la máquina. Los rotores
superconductivos con núcleo de aire requieren grandes cantidades de
cable superconductor. Las grandes cantidades de cable SC aumentan el
número de bobinas necesarias, la complejidad de los soportes de las
bobinas, y el coste de los devanados con bobinas SC y del
rotor.
Los devanados inductores helicoidales SC de alta
temperatura para rotores están formados por materiales
superconductores que son frágiles y deben ser refrigerados a una
temperatura igual o inferior a una temperatura crítica, por
ejemplo, 27K, para que alcancen y mantengan la
superconductividad.
Los devanados SC pueden estar formados por un
material superconductor de alta temperatura, tal como un conductor
a base de BSCCO (Bi_{x}Sr_{x}Ca_{x}Cu_{x}O_{x}).
Los devanados helicoidales superconductores de
alta temperatura (HTS) son sensibles a la degradación por alta
flexión y esfuerzos a tracción. Estas bobinas tienen que soportar
unas fuerzas centrifugas que someten a los devanados helicoidales a
esfuerzos y tensiones. El funcionamiento normal de las máquinas
eléctricas implica miles de ciclos de arranque y parada a lo largo
de varios años que producen en el rotor una carga de fatiga por
bajo número de ciclos. Adicionalmente, los devanados helicoidales
HTS para rotores deben ser capaces de soportar el funcionamiento al
25% de velocidad durante los procedimientos de equilibrado del rotor
a temperatura ambiente, y en condiciones ocasionales de
sobrevelocidad a temperaturas criogénicas durante la generación de
potencia. Estas condiciones de sobrevelocidad aumentan
substancialmente las cargas por fuerza centrifuga sobre los
devanados helicoidales de los rotores con respecto a las condiciones
normales de funcionamiento.
Las bobinas SC usadas como devanado inductor HTS
del rotor de una máquina eléctrica están sometidas a esfuerzos y
tensiones durante el enfriamiento y el funcionamiento normal. Estas
bobinas están sometidas a condiciones de cargas centrifugas,
transmisiones de par, y fallos transitorios. Para soportar las
fuerzas, esfuerzos, tensiones y cargas cíclicas, las bobinas SC
deberán estar adecuadamente soportadas en el rotor por un sistema
de soporte de bobinas. Estos sistemas de soporte de bobinas
mantienen la(s) bobina(s) en el rotor HTS y aseguran
las bobinas frente a las tremendas fuerzas centrifugas debidas a la
rotación del rotor. Además, el sistema de soporte de bobinas
protege las bobinas SC, y asegura que las bobinas no se agrieten, se
fatiguen o se rompan prematuramente.
El desarrollo de sistemas de soporte de bobinas
para bobinas HTS ha tenido un reto difícil para adaptar los
devanados helicoidales SC a los rotores HTS. En las patentes
estadounidenses nº 5.482.919, 5.548.168, 5.532.663, 5.672.921,
5.777.420, 6.169.353 y 6.066.906 se describen ejemplos de sistemas
de soporte de bobinas para rotores HTS que han sido propuestos
anteriormente. Sin embargo, estos sistemas de soporte de bobinas
tienen diversos problemas, tales como ser caros, complejos y exigir
un número excesivo de componentes. Existe una gran necesidad de un
rotor HTS que tenga un sistema de soporte de bobinas para una bobina
SC. También existe la necesidad de un sistema de soporte de bobinas
fabricado a bajo coste y con componentes fáciles de construir.
Se ha desarrollado un núcleo de rotor
multipiezas para una máquina síncrona superconductora. El núcleo del
rotor incluye unos conductos transversales al eje del rotor. A
través de estos conductos se extienden unas barras de soporte de la
bobina que están acopladas a un devanado helicoidal superconductor.
El devanado helicoidal se extiende alrededor del núcleo del rotor,
y está generalmente en un plano que incluye el eje del rotor. El
núcleo del rotor tiene unos lados planos que son adyacentes a los
lados largos del devanado helicoidal.
El núcleo del rotor se ensambla a partir de
varias secciones de núcleo de rotor. Estas secciones tienen
generalmente forma de disco y tienen una sección transversal en
forma de T. Las secciones del núcleo del rotor tienen unas
protuberancias de conexión para encajar en unas ranuras de las
secciones adyacentes del núcleo del rotor. Las secciones del núcleo
se ensamblan alrededor de un devanado superconductor preformado con
un soporte de bobinas. El conjunto de secciones del núcleo del
rotor forma un núcleo macizo, excepto por los conductos para las
barras soporte que se extienden a través del eje del núcleo. Las
secciones del núcleo se mantienen juntas intermediante unos
tirantes de varilla que se extienden a través del conjunto de
secciones. Las varillas son paralelas al eje del núcleo del rotor y
se extienden a todo lo largo del núcleo.
Unas barras tensoras que se extienden entre los
lados de la bobina del rotor pueden proporcionar soporte para que
la bobina aguante las fuerzas centrifugas del rotor. Para soportar
los lados opuestos de la bobina, las barras tensoras se extienden a
través del núcleo del rotor. Es deseable ensamblar la barra tensora
y el devanado helicoidal antes de montarlos sobre un núcleo de
rotor. No obstante, un núcleo de rotor macizo no permitirá el
pre-ensamblaje de la bobina y los elementos
tensores. Por ello, existe la necesidad de un núcleo de rotor y de
una técnica de ensamblaje que permitan montar sobre un núcleo de
rotor macizo una bobina y un elemento tensor ensamblados.
Un conjunto de secciones de núcleo de rotor
permite ensamblar el núcleo del rotor alrededor de un conjunto de
devanado helicoidal. El conjunto de devanado helicoidal puede ser
ensamblado con el soporte del devanado para formar un conjunto de
devanado helicoidal preformado antes del ensamblaje del núcleo del
rotor. El pre-ensamblaje de la bobina inductora y
del soporte del devanado reducirá el ciclo de fabricación de rotor y
bobina, aumentará la calidad del soporte de la bobina y reducirá
las variaciones de ensamblaje de la bobina.
El rotor HTS puede ser para una máquina síncrona
diseñada originalmente para incluir bobinas SC. Alternativamente,
el rotor HTS puede sustituir a un rotor con bobinas de cobre de una
máquina eléctrica existente, tal como un generador convencional. El
rotor y sus bobinas SC se describen aquí en el contexto de un
generador, pero el rotor de bobinas HTS es también adecuado para el
uso en otras máquinas síncronas.
Según un aspecto de la invención, un rotor de
una máquina síncrona comprende: un conjunto de devanado inductor
superconductor que tiene un devanado helicoidal y al menos un
soporte del devanado que se extiende por dentro del devanado entre
lados opuestos del devanado, y un núcleo del rotor situado dentro
del devanado y formado por una pluralidad de secciones del núcleo
del rotor que tienen una elevada permeabilidad magnética, teniendo
cada una de dichas secciones del núcleo una ranura para recibir
dicho soporte del devanado.
Según un segundo aspecto de la invención, un
procedimiento para ensamblar un núcleo de un rotor alrededor de un
conjunto de devanado inductor superconductor comprende las etapas
de: construir dicho conjunto de devanado inductor helicoidal
ensamblando un devanado inductor helicoidal y un soporte de bobinas,
que se extiende por dentro del devanado entre lados opuestos del
devanado, antes del ensamblaje del núcleo del rotor, insertar una
porción de cada una de la pluralidad de secciones del núcleo del
rotor, que tienen una elevada permeabilidad magnética, parcialmente
a través de dicho devanado helicoidal, ensamblar la pluralidad de
secciones del núcleo del rotor, teniendo cada una de dichas
secciones del núcleo una ranura para recibir el soporte del
devanado, alrededor de dicho soporte de la bobina, y asegurar el
ensamblaje de las secciones del núcleo del rotor.
A continuación se describirá la invención con
mayor detalle, a titulo de ejemplo, con referencia a los dibujos,
en los cuales:
La Figura 1 es una vista esquemática en alzado
lateral de una máquina eléctrica sincronía que tiene un rotor
superconductivo y un estator.
La Figura 2 es una vista en perspectiva de un
ejemplo de devanado helicoidal superconductor en pista de
carreras.
La Figura 3 es una vista en sección transversal
de un núcleo de rotor ensamblado con un devanado helicoidal.
La Figura 4 es un esquema del núcleo de rotor
ensamblado en sección transversal tomada por la línea
4-4 de la Figura 3.
La Figura 5 es un esquema es perspectiva de la
sección final de un núcleo de rotor.
La Figura 6 es un esquema en sección transversal
de un núcleo de rotor.
La Figura 7 es una sección transversal del
núcleo de rotor tomada por la línea 7-7 de la Figura
3.
La Figura 8 es una sección transversal de un
devanado helicoidal, una sección de una barra tensora y una carcasa
de bobina.
La Figura 1 muestra una máquina generadora
síncrona 10 ejemplar que tiene un estator 12 y un rotor 14. El
rotor incluye unas bobinas de devanado inductor que ajustan dentro
de la cavidad cilíndrica 16 que tiene el estator para el rotor. El
rotor ajusta dentro de la cavidad para el rotor que tiene el
estator. Cuando el rotor gira dentro del estator, un campo
magnético 18 (ilustrado por línea de trazos), generado por el rotor
y las bobinas del rotor, se desplaza/gira a través del estator y
crea una corriente eléctrica en los devanados de las bobinas 19 del
estator. Esta corriente sale del generador como energía
eléctrica.
El rotor 14 tiene un eje 20 generalmente
extendido longitudinalmente y un núcleo 22 del rotor, de varias
piezas y generalmente macizo. El núcleo del rotor es un conjunto de
secciones extremas 44 del núcleo y secciones interintermedias 46
del núcleo alineadas axialmente. El núcleo 22 tiene alta
permeabilidad magnética, y normalmente está hecho de un material
ferromagnético, tal como hierro. En una máquina superconductora de
baja densidad de potencia, el núcleo de hierro del rotor se usa
para reducir la fuerza magnetomotriz (MMF), y así minimizar la
cantidad de cable superconductor (SC) necesario para devanar la
bobina.
El rotor 14 soporta al menos un conjunto de
devanado inductor superconductor 33, de alta temperatura (HTS), en
forma de pista de carreras y extendido longitudinalmente, que tiene
un devanado HTS (véase la Figura 2). El devanado inductor HTS
helicoidal puede tener alternativamente forma de silla de montar o
puede tener otra forma que sea adecuada para un diseño particular
de rotor HTS. En este documento se describe un conjunto inductor de
rotor y un soporte de bobinas para un devanado inductor SC en pista
de carreras. El conjunto de núcleo de rotor y el soporte de bobinas
pueden estar adaptados para configuraciones del devanado distintas a
un devanado inductor en pista de carreras montado sobre un núcleo
de rotor macizo.
El rotor incluye un par de ejes extremos 24, 30
que está soportados por unos cojinetes 25. Los ejes extremos pueden
estar acoplados a dispositivos externos. Por ejemplo, uno de los
ejes extremos 24 tiene un acoplamiento 26 de transferencia
criogénica a una fuente de fluido de refrigeración criogénico
utilizado para refrigerar los devanados inductores SC del rotor. El
acoplamiento 26 de transferencia criogénica incluye un segmento
estacionario acoplado a una fuente de fluido de refrigeración
criogénico y un segmento rotativo que proporciona fluido de
refrigeración al devanado HTS. Este extremo 24 del rotor puede
incluir también un colector 31 para conectar eléctricamente el
devanado inductor SC rotativo. El eje extremo opuesto 30 del rotor
puede estar accionado por un acoplamiento 32 de una turbina
motriz.
La Figura 2 muestra un conjunto 33 de devanado
inductor HTS en pista de carreras que comprende un devanado
inductor helicoidal 34 y una serie de barras tensoras 35 (el soporte
de las bobinas) que se extienden entre los lados opuestos del
devanado. El conjunto de devanado 33 se construye con el devanado
inductor 34 y las barras tensoras 35 antes de insertar el conjunto
33 en el núcleo del rotor. Las barras tensoras soportan los
devanados inductores helicoidales con respecto a las fuerzas
centrífugas que actúan sobre los devanados cuando el rotor gira
durante el funcionamiento. Consecuentemente, las barras tensoras se
sujetan a los devanados intermediante una carcasa 36 del devanado
(según se muestra en la Figura 8). La carcasa y las barras tensoras
restringen la expansión del devanado inductor helicoidal 34 que de
otro modo se produciría con las barras tensoras 35.
El devanado inductor SC 34 del rotor incluye un
devanado 34 superconductor (SC) de alta temperatura. Cada devanado
SC incluye un conductor superconductivo de alta temperatura, tal
como unos cables conductores BSCCO
(Bi_{x}Sr_{x}Ca_{x}Cu_{x}O_{x}) laminados en un compuesto
de devanado macizo impregnado de epoxi. Por ejemplo, puede
laminarse una serie de cables BSCCO 2223, pegarlos juntos, y
enrollarlos dentro de un devanado macizo impregnado de epoxi. El
cable SC es frágil y se daña fácilmente. El devanado SC es
típicamente una cinta SC enrollada en capas e impregnada en epoxi.
La cinta SC se envuelve en una forma de devanado de precisión para
alcanzar estrechas tolerancias dimensionales. La cinta es enrollada
en hélice para formar el devanado SC 34 en pista de carreras.
Las dimensiones del devanado en pista de
carreras dependen de las dimensiones del núcleo del rotor.
Generalmente, cada devanado SC en pista de carreras rodea los polos
magnéticos del núcleo del rotor, y es paralelo al eje del rotor.
Los devanados inductores son continuos alrededor de la pista de
carreras. Los devanados SC forman un camino libre de resistencia
para la corriente eléctrica alrededor del núcleo del rotor y entre
los polos magnéticos del núcleo. El devanado tiene unos contactos
eléctricos 41 que conectan eléctricamente el devanado al colector
31.
El devanado inductor 34 incluye unos conductos
38 para el fluido criogénico de refrigeración. Estos conductos
pueden extenderse alrededor de un borde externo del devanado SC 34.
Los conductos proporcionan fluido criogénico de refrigeración al
devanado poroso y extraen calor del devanado. El fluido de
refrigeración mantiene en el devanado inductor SC 34 las bajas
temperaturas, por ejemplo 27K, necesarias para promover las
condiciones de superconducción, incluyendo la ausencia de
resistencia eléctrica en el devanado. Los conductos de refrigeración
tienen en un extremo del núcleo del rotor unas bocas 39 de entrada
y salida de fluido. Estas bocas 39 de fluido (gas) conectan los
conductos de refrigeración 38 del devanado SC al acoplamiento 26 de
transferencia criogénica.
Cada devanado inductor HTS 34 en pista de
carreras tiene un par de porciones laterales 40 generalmente rectas
y paralelas a un eje 20 del rotor, y un par de porciones extremas 42
que son perpendiculares al eje del rotor. Las porciones laterales
del devanado inductor helicoidal están sometidas a los mayores
esfuerzos centrífugos. Consecuentemente, las porciones laterales
están soportadas por las barras tensoras y la carcasa. Estas barras
y carcasa forman un sistema de soporte del devanado que contrarresta
las fuerzas centrifugas que actúan sobre el devanado.
La Figura 3 es un esquema de un núcleo de rotor
multipiezas 22 con el conjunto de devanado 33 que incluye el
devanado inductor helicoidal 34, superconductor y en pista de
carreras, y las barras tensoras 35. El núcleo de hierro está hecho
de múltiples secciones de núcleo, que son generalmente varias
secciones intermedias 44 y un par de secciones extremas 46. Cada
una de las secciones del núcleo tiene una forma semi rectangular
(véase la Figura 7) con un par de lados opuestos planos 50 y un par
de lados opuestos arqueados 52.
Una vez ensamblados, los lados planos 50 de las
secciones del núcleo están alineados entre sí, y similarmente los
lados arqueados están también alineados. Las secciones intermedias
44 del núcleo tienen generalmente forma de "T" en sección
transversal, pero no las dos secciones extremas (compárense las
Figuras 5 y 6). Las secciones extremas 46 tienen una sección
transversal generalmente en forma de "L".
Las secciones del núcleo del rotor se ensamblan
alrededor del conjunto 33 de devanado. Durante el ensamblaje del
núcleo, la cabeza estrecha 45 de cada sección intermedia se desliza
entre las barras tensoras 35 adyacentes del conjunto de devanado.
La cabeza estrecha de las secciones extremas 46 del núcleo del rotor
se desliza entre una barra tensora 35 y un extremo 42 del devanado
helicoidal 34. Cada una de las secciones del núcleo tiene al menos
una ranura 53 para la barra tensora (las secciones intermedias 44
tienen un par de ranuras opuestas) que, una vez enfrentada con la
ranura de un núcleo opuesto, forma una abertura 55 para una barra
tensora 35. El ensamblaje de las secciones del núcleo del rotor
permite integrar en el núcleo del rotor un conjunto 33 de devanado
totalmente integrado (que incluye, por ejemplo, el devanado inductor
34 y las barras tensoras 35).
Las secciones 44, 46 del núcleo pueden ser
piezas forjadas de hierro. Las secciones del núcleo del rotor se
ensamblan a través de encajes de conejo para que queden concéntricas
y alineadas. Cada sección del núcleo tiene al menos una
protuberancia 54 (las secciones intermedias tienen un par de
protuberancias opuestas) que ajusta en una ranura 56 de una sección
de núcleo adyacente. La conexión por protuberancia y ranura entre
las secciones de núcleo alinea las secciones de núcleo en el núcleo
del rotor. Varios tirantes de varilla 58 se extienden lateralmente
a través de unos orificios 60 para varillas a todo lo largo del
núcleo del rotor. Los tirantes de varilla tienen en cada extremo
una tuerca u otra fijación y mantienen juntas las secciones del
núcleo a compresión.
Una vez ensambladas las secciones del núcleo del
rotor alrededor del conjunto de devanado, puede formarse sobre el
devanado inductor 34 una envolvente 64 al vacío. El vacío rodeando
al devanado favorece las características de superconducción del
devanado. La envolvente al vacío proporciona un vacío sobre la
totalidad de la forma en forma de pista de carreras del devanado
helicoidal.
Claims (8)
1. Un rotor de una máquina síncrona (10), que
comprende:
- un conjunto (33) de devanado inductor superconductor que tiene un devanado helicoidal (34) y al menos un soporte (35) del devanado que se extiende por dentro del devanado (34) entre lados opuestos del devanado (34), y
- un núcleo (22) del rotor situado dentro del devanado (34) y formado por una pluralidad de secciones (42, 44) del núcleo del rotor que tienen una elevada permeabilidad magnética, teniendo cada una de dichas secciones (44, 46) del núcleo una ranura (53) para recibir dicho soporte (35) del devanado.
2. Un rotor como en la reivindicación 1 en el
cual dicha pluralidad de secciones (44, 46) del núcleo del rotor
están axialmente alineadas con un eje de dicho núcleo (22) del
rotor.
3. Un rotor como en la reivindicación 1 en el
cual dicha pluralidad de secciones (44, 46) del núcleo del rotor
incluye unas secciones extremas opuestas (42) del núcleo y al menos
una sección intermedia (44) del núcleo.
4. Un rotor como en la reivindicación 3 en el
cual dichas secciones extremas (44, 46) del núcleo tienen una
sección transversal generalmente en forma de L, y dicha al menos una
sección intermedia (44) del núcleo tiene una sección transversal
generalmente en forma de T.
5. Un rotor como en la reivindicación 3 en el
cual al menos una sección intermedia (44) del núcleo tiene una
forma de sección transversal con una cabeza estrecha (45), en la
cual la cabeza (45) ajusta entre un par de barras de dichos
soportes (35) del devanado.
6. Un rotor como en la reivindicación 1 que
comprende adicionalmente una envolvente (64) al vacío sobre dicho
devanado inductor helicoidal (34).
7. Un procedimiento para ensamblar un núcleo
(22) de un rotor alrededor de un conjunto (33) de devanado inductor
superconductor que comprende las etapas de:
- a.
- construir dicho conjunto de devanado inductor helicoidal ensamblando un devanado inductor helicoidal (34) y un soporte (35) de bobinas, que se extiende por dentro del devanado (34) entre lados opuestos del devanado (34), antes del ensamblaje del núcleo del rotor,
- b.
- insertar una porción de cada una de la pluralidad de secciones (44, 46) del núcleo del rotor, que tienen una elevada permeabilidad magnética, parcialmente a través de dicho devanado helicoidal (34),
- c.
- ensamblar la pluralidad de secciones (44, 46) del núcleo del rotor, teniendo cada una de dichas secciones (44, 46) del núcleo una ranura (53) para recibir el soporte (35) del devanado, alrededor de dicho soporte (35) de la bobina, y
- d.
- asegurar el ensamblaje de las secciones (44, 46) del núcleo del rotor.
8. Un procedimiento para ensamblar un núcleo de
rotor como en la reivindicación 7 en el cual la inserción de una
porción de cada una de una pluralidad de secciones (44, 46) del
núcleo del rotor incluye insertar una cabeza estrecha (45) de una
de dichas secciones (44, 46) del núcleo del rotor entre barras (35)
adyacentes del soporte de bobinas.
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