PL199881B1 - Urządzenie i sposób do wytwarzania cewki z nadprzewodnictwem wysokotemperaturowym - Google Patents

Abstract

Urz adzenie do wytwarzania cewki z nadprzewodnic- twem wysokotemperaturowym (HTS), zawiera dwie p lyty boczne zwrócone do siebie nawzajem, i szpul e, umiesz- czon a mi edzy p lytami bocznymi, przy czym na szpuli odk ladane s a warstwy ta smy HTS przek ladanej spoiwem. Urz adzenie charakteryzuje si e tym, ze zawiera zespó l bloków (16) zainstalowanych w s asiedztwie kraw edzi zewn etrznej p lyt bocznych (14), przy czym bloki (16) s a przemieszczalne w stron e szpuli (12) dla dociskania warstw ta smy HTS (18) do szpuli (12). Sposób wytwarzania cewki z nadprzewodnictwem wysokotemperaturowym (HTS), za pomoc a urz adzenia zawieraj acego dwie p lyty boczne zwrócone do siebie nawzajem, i szpul e, umieszczon a mi edzy tymi p lytami bocznymi, polega na tym, ze nawija si e ta sm e HTS na szpul e, za s przed nawini eciem ta smy HTS (18) na szpul e (12) nak lada si e spoiwo na szpul e (12), dociska si e, za pomoc a zespo lu bloków (16), zainstalowanych w s asiedztwie zewn etrznej kraw edzi p lyt bocznych i prze- mieszczalnych w kierunku do i od szpuli (12) ta sm e HTS i spoiwo do szpuli (12) i wygrzewa si e sci sni et a ta sm e HTS ze spoiwem dla utwardzania spoiwa. PL PL PL PL

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest urządzenie i sposób do wytwarzania cewki z nadprzewodnictwem wysokotemperaturowym, przy czym cewka ta jest cewką nadprzewodzącą w synchronicznej maszynie wirującej. W szczególności przedmiotem wynalazku jest urządzenie i sposób do wytwarzania wykazujących nadprzewodnictwo wysokotemperaturowe uzwojeń magnesujących w wirniku maszyny synchronicznej.

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

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

Cewki z nadprzewodnictwem wysokotemperaturowym wykorzystywane jako uzwojenia magnesujące maszyny elektrycznej muszą być konstruowane jako struktury sztywne z precyzyjnymi tolerancjami wymiarowymi, tak aby struktura wsporcza pasowała do cewki cez nadmiernych prześwitów, które mogłyby być przyczyną dużych naprężeń i potencjalnie uszkodzenia cewki pod obciążeniem. Sprężynowanie przewodu taśmowego podczas nawijania na prostych sekcjach cewki owalnej może być przyczyną niskiego współczynnika upakowania i małej wytrzymałości kompozytu w porównaniu do sekcji okrągłych.

Typowe uzwojenie nadprzewodzące wirnika wykonywane jest z cewek siodłowych, które są montowane wokół łupin cylindrycznych dla zapewnienia podparcia konstrukcyjnego. Te cewki siodłowe stanowią złożone struktury nawojowe, co może być przyczyną nadmiernego naprężania przewodu taśmowego z nadprzewodnictwem wysokotemperaturowym (HTS - high temperature superconducting) przy operacji nawijania, w wyniku małych promieni zakrzywiania, skręcania przewodów, i w wyniku różnicowych naprężeń termicznych uzwojeń względem konstrukcji wsporczej podczas oziębiania.

Z opisu patentowego US 5434129 A znany jest sposób wytwarzania cewki z nadprzewodnictwem wysokotemperaturowym charakteryzujący się tym, że nawija się taśmę na szpulę, po czym nakłada się spoiwo na nawiniętą taśmę, ściska się taśmę ze spoiwem i wygrzewa się ściśniętą taśmę ze spoiwem dla utwardzenia spoiwa.

Urządzenie do wytwarzania cewki z nadprzewodnictwem wysokotemperaturowym (HTS), zawierające dwie płyty boczne zwrócone do siebie nawzajem, i szpulę, umieszczoną między płytami bocznymi, przy czym na szpuli odkładane są warstwy taśmy HTS przekładanej spoiwem, według wynalazku charakteryzuje się tym, że zawiera zespół bloków zainstalowanych w sąsiedztwie krawędzi zewnętrznej płyt bocznych, przy czym bloki są przemieszczalne w stronę szpuli dla dociskania warstw taśmy HTS do szpuli.

Zespół bloków jest zamontowany na krawędzi zewnętrznej płyt bocznych za pośrednictwem śrub.

Zespół bloków zawiera bloki o różnej grubości.

Zespół bloków zawiera zbiór bloków finalnych.

Szpula ma zarys prostokąta o zaokrąglonych narożach.

Sposób wytwarzania cewki z nadprzewodnictwem wysokotemperaturowym (HTS), za pomocą urządzenia zawierającego dwie płyty boczne zwrócone do siebie nawzajem, i szpulę, umieszczoną między tymi płytami bocznymi, w którym nawija się taśmę HTS na szpulę, według wynalazku charakteryzuje się tym, że przed nawinięciem taśmy HTS na szpulę nakłada się spoiwo na szpulę, dociska się, za pomocą zespołu bloków, zainstalowanych w sąsiedztwie zewnętrznej krawędzi płyt bocznych i przemieszczalnych w kierunku do i od szpuli, taś m ę HTS i spoiwo do szpuli i wygrzewa się ś ciś nię t ą taśmę HTS ze spoiwem dla utwardzenia spoiwa.

Nawijanie taśmy HTS na szpulę i dociskanie taśmy HTS ze spoiwem do szpuli za pomocą zespołu bloków wykonuje się dla wielu warstw taśmy HTS, oddzielnie dla każdej warstwy, przy

PL 199 881 B1 czym podczas nakładania spoiwa na szpulę umieszcza się spoiwo pomiędzy sąsiednimi warstwami taśmy HTS.

Dociskanie za pomocą zespołu bloków taśmy HTS ze spoiwem do szpuli wykonuje się po nawinięciu wielu warstw taśmy HTS, zaś podczas nakładania spoiwa na szpulę umieszcza się spoiwo pomiędzy sąsiednimi warstwami taśmy HTS.

Spoiwo nakłada się pomiędzy sąsiednie warstwy taśmy HTS przez nasycanie epoksydem nawiniętych wielu warstw taśmy HTS w procesie nasycania próżniowego.

Spoiwo umieszcza się pomiędzy sąsiednimi warstwami taśmy HTS z powłoką półfabrykatu laminatu zbrojonego.

Przed nawinięciem taśmy HTS na szpulę, mocuje się początkowe wyprowadzenie taśmy HTS do zacisku doprowadzającego na jednej z dwóch płyt bocznych.

Przed wygrzewaniem ściśniętej taśmy HTS ze spoiwem dla utwardzenia spoiwa mocuje się końcowe wyprowadzenie taśmy HTS do zacisku doprowadzającego na drugiej spośród dwóch płyt bocznych, nakłada się na taśmę HTS warstwę folii miedzianej z połączoną z nią prostokątną chłodzącą rurą wymiennika ciepła, oraz powtarza się czynność dociskania taśmy HTS ze spoiwem do szpuli za pomocą zespołu bloków przy nagrzewaniu.

Spoiwo i taśmę HTS nakłada się na szpulę o zarysie prostokąta z zaokrąglonymi narożami, i podczas dociskania taśmy HTS ze spoiwem do szpuli za pomocą zespołu bloków dociska się taśmę HTS i spoiwo do prostych boków szpuli.

Podczas dociskania taśmy HTS i spoiwa do szpuli selektywnie dobiera się docisk odpowiednio do liczby warstw taśmy HTS, za pomocą bloków o różnej grubości.

Dociskanie taśmy HTS i spoiwa do szpuli (12) obejmuje finalne dociskanie za pomocą zbioru bloków finalnych ukształtowanych zgodnie z pożądanymi wymiarami zewnętrznymi cewki nadprzewodzącej.

Przedmiot wynalazku w przykładach wykonania uwidoczniono na rysunku, którego fig. 1 stanowi rysunek montażowy ukazujący urządzenie i sposób wytwarzania cewki HTS według wynalazku; a fig. 2 przedstawia urządzenie w widoku perspektywicznym.

Figury 1 i 2 przedstawiają precyzyjny wzornik 10 cewki, wykorzystywany do wytwarzania cewki z nadprzewodnictwem wysokotemperaturowym (HTS-high temperature superconducting). Cewka HTS jest zwykle nawijaną warstwowo taśmą HTS, z naprężeniem, na wzorniku cewki i jest nasycana epoksydem i ściskana, aż do spełnienia ścisłych tolerancji wymiarowych. Znanych jest kilka typów taśmy HTS, i do wytwarzania cewki HTS według niniejszego wynalazku możliwe jest wykorzystanie dowolnej odpowiadającej taśmy HTS.

Wzornik 10 cewki zawiera szpulę 12 z zaokrąglonymi narożami i w zasadzie prostymi bokami, jak to pokazano, i z dwiema płytami bocznymi 14, które są rozmieszczone naprzeciwko siebie obejmując szpulę 12. Płyty 14 mogą być zaopatrzone w otwory (nie pokazane) ułatwiające nasycanie, służące do nasycania epoksydem uzwojenia z taśmy HTS po jego ściśnięciu. Na zewnętrznej krawędzi płyt bocznych 14 złożony jest szereg bloków 16, które są przemieszczane w kierunku do i od szpuli 12 za pomocą ś rub lub podobnych elementów. Uzwojenie z taś my HTS na fig. 1 oznaczono odnośnikiem 18.

Przy wytwarzaniu cewki HTS, wyprowadzenie początkowe lutuje się do zacisku doprowadzającego, na przykład miedzianego zacisku doprowadzającego lub podobnego, który jest zamocowany do jednej z płyt bocznych 14 w pobliżu środkowej osi cewki. Na szpulę nakłada się warstwę spoiwa, na przykład włókna półfabrykatu laminatu zbrojonego, lub materiału termoplastycznego, na przykład poliestru, a następnie nawija się pierwszą warstwę taśmy HTS. Na płytach bocznych 14 przykręca się bloki 16, zwłaszcza przynajmniej bloki proste, dla dociśnięcia sekcji prostych pierwszej warstwy do szpuli 12, tak aby zlepić razem pierwszą warstwę taśmy, warstwę półfabrykatu laminatu zbrojonego i szpulę 12. Na wierzch pierwszej warstwy taśmy nakłada się drugą warstwę materiału spoiwa (złożoną z warstewek włókna półfabrykatu laminatu zbrojonego), a nastę pnie nawija się drugą warstwę taś my HTS. Tego samego szeregu bloków 16 używa się do dociśnięcia uzwojenia 18 do szpuli 12, tak aby zlepić wszystkie warstwy. Proces nawijania warstw trwa aż do zakończenia ostatniej warstwy o numerze nieparzystym, i końcowe wyprowadzenie lutuje się do miedzianego zacisku doprowadzającego, który jest przymocowany do drugiej z płyt 14, w pobliż u osi ś rodkowej cewki.

Następnie na zewnętrzną powierzchnię gotowego uzwojenia nakłada się warstwę włókien półfabrykatu laminatu zbrojonego i następnie warstwę folii miedzianej z prostokątną rurą wymien4

PL 199 881 B1 nika ciepła połączoną z warstwą zewnętrzną. Do zewnętrznej powierzchni folii miedzianej przymocowuje się za pośrednictwem płyt bocznych 16 szereg prostych bloków i bloków narożnikowych 16 (pokazanych na fig. 1) dla ściśnięcia gotowej cewki przy umiarkowanym dopływie ciepła, w celu nadania precyzyjnego kształ tu zewnę trznej powierzchni cewki. Gotowy zespół wzornika cewki i uzwojenia jest wygrzewany w równomiernej temperaturze w celu utwardzenia półfabrykatu laminatu zbrojonego. Temperaturę dobiera się zgodnie z temperaturą utwardzania danego materiału. Otrzymana struktura cewki stanowi mocny zespół uzwojeniowy wykonany z ciasnymi tolerancjami wymiarowymi.

W procesie wytwarzania, śruby mocujące bloki 16 do płyt bocznych 14 można dobrać wymiarowo tak, aby otrzymać schodkowe ściskanie warstw taśmy HTS. Dzięki temu, potrzebny jest tylko jeden produkcyjny zestaw bloków 16, ponieważ śruby umożliwiają schodkowe ściskanie taśmy HTS w miarę kształtowania warstw. W rozwiązaniu alternatywnym, zespół bloków może zawierać bloki o różnych grubościach, do dobieranego dociskania, odpowiednio do liczby warstw taśmy HTS. Bloki mogą dodatkowo zawierać pewien zbiór finalnych bloków, ukształtowanych odpowiednio do pożądanej średnicy zewnętrznej cewek z nadprzewodnictwem wysokotemperaturowym (jak pokazane na fig. 2), dla otrzymania kształtu o precyzyjnych wymiarach.

W jednej z odmian wykonania procesu wytwarzania, wykorzystuje się pokrycie z półfabrykatu laminatu zbrojonego na izolacji taśmy HTS, dla wyeliminowania międzywarstwowych pokryć z włókien półfabrykatu laminatu zbrojonego. Wypadkowa struktura cewki ma duż y współ czynnik upakowania taśm HTS, pozwalający na osiągnięcie większej gęstości prądowej w uzwojeniu. W innym rozwią zaniu alternatywnym moż na wykorzystywać izolowaną szkł em taśm ę HTS z szybko utwardzanym klejem, do łączenia i ściskania każdej warstwy do warstwy poprzedniej w wyznaczonych miejscach. Następnie gotowe uzwojenie poddaje się nasycaniu epoksydem w procesie próżniowego procesu nasycania. Próżniowy proces nasycania jest znany i jego szczegółów się nie przytacza.

Za pomocą struktury i sposobu według niniejszego wynalazku, każda warstwa nawiniętej taśmy HTS może być spajana i dociskana do poprzedniej, z wyeliminowaniem sprężynowania taśmy przynajmniej w prostych sekcjach, zapobiegając w ten sposób pogorszeniu współczynnika upakowania, zmniejszeniu gęstości prądu i pogorszeniu właściwości wytrzymałościowych kompozytu uzwojenia. Cewka HTS wykonana za pomocą urządzenia i sposobu według wynalazku daje w wyniku precyzyjny kształt cewki zapobiegający dużym naprężeniom i potencjalnej możliwości uszkodzenia cewki pod obciążeniem.

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

Claims (15)

1. Urządzenie do wytwarzania cewki z nadprzewodnictwem wysokotemperaturowym (HTS), zawierające dwie płyty boczne zwrócone do siebie nawzajem, i szpulę, umieszczoną między płytami bocznymi, przy czym na szpuli odkładane są warstwy taśmy HTS przekładanej spoiwem, znamienne tym, że zawiera zespół bloków (16) zainstalowanych w sąsiedztwie krawędzi zewnętrznej płyt bocznych (14), przy czym bloki (16) są przemieszczalne w stronę szpuli (12) dla dociskania warstw taśmy HTS (18) do szpuli (12).

2. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że zespół bloków (16) jest zamontowany na krawędzi zewnętrznej płyt bocznych (14) za pośrednictwem śrub.

3. Urządzenie według zastrz. 2, znamienne tym, że zespół bloków (16) zawiera bloki o różnej grubości.

4. Urządzenie według zastrz. 2, znamienne tym, że zespół bloków (16) zawiera zbiór bloków finalnych.

5. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że szpula (12) ma zarys prostokąta o zaokrąglonych narożach.

6. Sposób wytwarzania cewki z nadprzewodnictwem wysokotemperaturowym (HTS), za pomocą urządzenia zawierającego dwie płyty boczne zwrócone do siebie nawzajem, i szpulę, umieszczoną

PL 199 881 B1 między tymi płytami bocznymi, w którym nawija się taśmę HTS na szpulę, znamienny tym, że przed nawinięciem taśmy HTS (18) na szpulę (12) nakłada się spoiwo na szpulę (12), dociska się, za pomocą zespołu bloków (16), zainstalowanych w sąsiedztwie zewnętrznej krawędzi płyt bocznych i przemieszczalnych w kierunku do i od szpuli (12), taśmę HTS i spoiwo do szpuli (12) i wygrzewa się ściśniętą taśmę HTS ze spoiwem dla utwardzenia spoiwa.

7. Sposób wedł ug zastrz. 6, znamienny tym, że nawijanie taś my HTS na szpulę (12) i dociskanie taśmy HTS ze spoiwem do szpuli (12) za pomocą zespołu bloków (16) wykonuje się dla wielu warstw taśmy HTS (18), oddzielnie dla każdej warstwy, przy czym podczas nakładania spoiwa na szpulę (12) umieszcza się spoiwo pomiędzy sąsiednimi warstwami taśmy HTS.

8. Sposób wedł ug zastrz. 6, znamienny tym, ż e dociskanie za pomocą zespoł u bloków (16) taśmy HTS ze spoiwem do szpuli (12) wykonuje się po nawinięciu wielu warstw taśmy HTS (18), zaś podczas nakładania spoiwa na szpulę (12) umieszcza się spoiwo pomiędzy sąsiednimi warstwami taśmy HTS.

9. Sposób wedł ug zastrz. 8, znamienny tym, ż e spoiwo nakł ada się pomię dzy są siednie warstwy taśmy HTS przez nasycanie epoksydem nawiniętych wielu warstw taśmy HTS (18) w procesie nasycania próż niowego.

10. Sposób według zastrz. 8, znamienny tym, że spoiwo umieszcza się pomiędzy sąsiednimi warstwami taśmy HTS (18) z powłoką półfabrykatu laminatu zbrojonego.

11. Sposób według zastrz. 6, znamienny tym, że przed nawinięciem taśmy HTS na szpulę (12), mocuje się początkowe wyprowadzenie taśmy HTS do zacisku doprowadzającego na jednej z dwóch pł yt bocznych.

12. Sposób według zastrz. 11, znamienny tym, że przed wygrzewaniem ściśniętej taśmy HTS ze spoiwem dla utwardzenia spoiwa mocuje się końcowe wyprowadzenie taśmy HTS do zacisku doprowadzającego na drugiej spośród dwóch płyt bocznych (14), nakłada się na taśmę HTS warstwę folii miedzianej z połączoną z nią prostokątną chłodzącą rurą wymiennika ciepła, oraz powtarza się czynność dociskania taśmy HTS ze spoiwem do szpuli (12) za pomocą zespołu bloków (16) przy nagrzewaniu.

13. Sposób według zastrz. 6, znamienny tym, że spoiwo i taśmę HTS nakłada się na szpulę (12) o zarysie prostokąta z zaokrąglonymi narożami, i podczas dociskania taśmy HTS ze spoiwem do szpuli (12) za pomocą zespołu bloków (16) dociska się taśmę HTS (18) i spoiwo do prostych boków szpuli (12).

14. Sposób według zastrz. 6, znamienny tym, że podczas dociskania taśmy HTS i spoiwa do szpuli (12) selektywnie dobiera się docisk odpowiednio do liczby warstw taśmy HTS (18), za pomocą bloków o różnej grubości.

15. Sposób według zastrz. 6, znamienny tym, że dociskanie taśmy HTS i spoiwa do szpuli (12) obejmuje finalne dociskanie za pomocą zbioru bloków finalnych ukształtowanych zgodnie z pożądanymi wymiarami zewnętrznymi cewki nadprzewodzącej.