MXPA02008282A - Bobina del rotor sincronica, superconductora de alta temperatura con un nucleo del rotor de piezas multiples. - Google Patents

Abstract

Un rotor para una maquina sincronica que comprende una unidad de arrollamiento de campo superconductor que tiene un arrollamiento de bobina y por lo menos un soporte de arrollamiento extendido entre los lados opuestos del arrollamiento, y un nucleo del rotor formado de una pluralidad de secciones del nucleo del rotor, cada una de las secciones del nucleo tiene una ranura de barra de tension para recibir por lo menos una barra de tension.

Description

BOBINA DEL ROTOR SINCRÓNICA. SUPERCONDUCTORA DE ALTA TEMPERATURA CON UN NÚCLEO DEL ROTOR DE PIEZAS MÚLTIPLES CAMPO DE LA INVENCIÓN La presente invención se relaciona en general con una bobina de arrollamiento de campo superconductor en una máquina giratoria sincrónica. Más particularmente, la presente invención se relaciona con un núcleo del rotor que da soporte a una unidad de arrollamiento de campo superconductor en una máquina sincrónica.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN Las máquinas eléctricas sincrónicas que tienen arrollamientos de bobina de campo de rotor incluyen pero no están limitadas a generadores giratorios, motores giratorios, y motores lineales. Estas máquinas generalmente comprenden un estator y un rotor que están acoplados en forma electromagnética. El rotor puede incluir un núcleo del rotor de polos múltiples y uno o más arrollamientos de bobina de campo montados en el núcleo del rotor. Los núcleos de rotor pueden incluir un material sólido magnéticamente permeable como un rotor de núcleo de hierro. Los arrollamientos de cobre convencionales comúnmente se utilizan en los rotores de máquinas eléctricas sincrónicas. Sin embargo, la resistencia eléctrica de los arrollamientos de cobre (aunque bajas por las medidas convencionales) es suficiente para contribuir a un calentamiento substancial del rotor y para disminuir la efectividad de potencia de la máquina. En años recientes, los arrollamientos de bobina de campo superconductor han sido desarrollados para rotores. Los arrollamientos SC no tienen una resistencia efectiva y son arrollamientos de bobina del rotor con muchas ventajas. Los rotores de núcleo de hierro se saturan a una resistencia de campo magnético de espacio de aire de aproximadamente 2 Tesla. Los rotores superconductores conocidos emplean diseños de núcleo de aire, sin hierro en el rotor, para lograr campos magnéticos de espacio de aire de 3 Tesla o más altos. Estos campos magnéticos de espacio de aire altos producen densidades de energía aumentada de la máquina eléctrica, y dan como resultado una reducción importante en peso y tamaño de la máquina. Los rotores superconductores de núcleo de aire requieren grandes cantidades de alambre superconductor. Las grandes cantidades de alambre SC añaden al número de bobinas requeridas, la complejidad de soportes de bobina, y el costo de los arrollamientos de bobina SC y el rotor. Los arrollamientos de campo de bobina del rotor SC de alta temperatura están formados materiales superconductores que son quebradizos, y se deben enfriar a una temperatura por debajo de una temperatura critica, por ejemplo 27°C, para lograr y mantener la superconducción. Estos arrollamientos SC se pueden formar de un material superconductor de alta temperatura, como un conductor con base de BSCCO (B¡xSrxCaxCuxOx). Los arrollamientos de bobina (HTS) superconductor de alta temperatura son sensibles a la degradación de fuerzas de tensión y alto doblado. Estas bobinas deben experimentar fuerzas centrífugas substanciales que tensan y fuerzan a los arrollamientos de la bobina. La operación normal de las máquinas eléctricas involucra miles de ciclos de encendido y apagado sobre el curso de varios años, lo cual da como resultado una fatiga de ciclo bajo que carga el rotor. Además, los arrollamientos de bobina del rotor deben ser capaces de soportar 25% de operación de sobre-marcha durante los procedimientos de balance del rotor a temperatura ambiente, y en condiciones de sobremarcha ocasional a temperaturas criogénicas durante la operación de generación de energía. Estas condiciones de sobremarcha aumentan esencialmente la carga de fuerza centrifuga en los arrollamientos de bobina del rotor durante las condiciones de operación normales. Las bobinas SC utilizadas en el arrollamiento de campo del rotor HTS de una máquina eléctrica se someten a tensiones y fuerzas durante la operación normal y de enfriamiento. Estas bobinas se someten a una carga centrífuga, a la transmisión de momento de torsión, y condiciones de falla transientes. Para soportar estas fuerzas, tensiones y cargas cíclicas, las bobinas SC deben estar soportadas en forma adecuada en el rotor por un sistema de soporte de bobina. Los sistemas de soporte de bobina sostienen la bobina SC en el rotor HTS y aseguran las bobinas contra las grandes fuerzas centrífugas debidas a la rotación del rotor. Además, el sistema de soporte de bobina protege las bobinas SC y asegura que las bobinas no se agrieten, fatiguen o se rompan de alguna otra forma. Al desarrollar los sistemas de soporte de bobina para la bobina HTS un reto difícil ha sido adaptar los arrollamientos de bobina SC con los rotores HTS. Los ejemplos de sistemas de soporte de bobina para los rotores HTS que han sido propuestos previamente se exponen en las Patentes de Estados Unidos Nos. 5,548,168; 5,532.663; 5,672,921; 5,777,420; 6,169,353 y 6,066,906. Sin embargo, estos sistemas de soporte de bobina sufren varios problemas, como ser costosos, complejos y requieren un número excesivo de componentes. Existe una gran necesidad de un rotor HTS que tiene un sistema de soporte de bobina para una bobina SC. Persiste la necesidad de un sistema de soporte de bobina hecho a bajo costo y de componentes de fácil fabricación.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN Se ha desarrollado un núcleo del rotor de múltiples piezas para una máquina sincrónica superconductor. El núcleo del rotor incluye pasajes transversales al eje del rotor. A través de estos pasajes se extienden las barras de soporte de la bobina que se acoplan con un arrollamiento de bobina superconductora. El arrollamiento de bobina se extiende alrededor del núcleo del rotor, y está generalmente en un plano que incluye el eje del rotor. El núcleo del rotor tiene lados planos que son adyacentes a los lados largos del arrollamiento de bobina. El núcleo del rotor está ensamblado de varias secciones del núcleo del rotor. Estas secciones tienen generalmente forma de disco y tienen una sección transversal en forma de T. Las secciones del núcleo del rotor tienen cubos de conexión que se acoplan con las ranuras en las secciones adyacentes del núcleo del rotor. Las secciones del núcleo están ensambladas alrededor de un arrollamiento superconductor pre-formado y el soporte de bobina. La unidad de las secciones del núcleo del rotor forman un núcleo sólido, excepto por los pasajes de la barra de soporte que se extienden a través del eje del núcleo. Las secciones del núcleo se mantienen juntas mediante varillas de unión que se extienden a través de la unidad de secciones. Las varillas son paralelas al eje del núcleo del rotor y se extienden la longitud del núcleo. Las barras de tensión se extienden entre los lados de la bobina del rotor pueden proporcionar soporte para que la bobina soporte las fuerzas centrífugas del rotor. Para dar soporte a los lados opuestos de la bobina, las barras de tensión se extienden a través del núcleo del rotor. Esto tiene el propósito de ensamblar la barra de tensión y el arrollamiento de bobina antes de ser montados en un núcleo del rotor. Sin embargo, un núcleo de rotor sólido no permitirá un pre-ensamble de la bobina y de los miembros de tensión. De este modo, existe la necesidad de un núcleo del rotor y una técnica de ensamble que permita a una bobina ensamblada y al miembro de tensión montarse en un núcleo sólido del rotor. Una unidad de secciones del núcleo del rotor permite al núcleo del rotor ensamblarse alrededor de una unidad del arrollamiento del núcleo. La unidad del arrollamiento de bobina pueden ensamblarse con el soporte del arrollamiento para formar una unidad de arrollamiento de bobina preformada antes del ensamble del núcleo del rotor. El pre-ensamble de la bobina de campo y el soporte del arrollamiento deben reducir el ciclo de producción de la bobina, mejorar la calidad del soporte de la bobina y reducir las variaciones en el ensamble de la bobina. El rotor HTS puede ser para una máquina sincrónica originalmente diseñada para incluir bobinas SC. De manera alternativa, el rotor HTS puede reemplazar el rotor de la bobina de cobre en una máquina eléctrica existente, como en un generador convencional. El rotor y sus bobinas SC se describen dentro del contexto de un generador, pero el rotor de bobina HTS también es adecuado para usarse en otras máquinas sincrónicas. En una primera modalidad, la invención es un rotor en una máquina sincrónica, el cual comprende: una unidad de arrollamiento de campo espacio que tiene un arrollamiento de bobina y por lo menos un soporte del arrollamiento extendido entre los lados opuestos del arrollamiento, y un núcleo del rotor formado de una pluralidad de secciones del núcleo del rotor, cada una de las secciones del núcleo tiene una ranura para recibir el soporte del arrollamiento.

En otra modalidad, la invención es un núcleo del rotor y una unidad de arrollamiento que comprende: secciones del núcleo del rotor que se pueden separar ensambladas alrededor de la unidad del arrollamiento para formar el núcleo del rotor, en donde las secciones del núcleo están alineadas en forma axial con el núcleo del rotor, y la unidad del arrollamiento incluye un arrollamiento de campo superconductor pre-ensamblado y un soporte central del arrollamiento. Otra modalidad de la invención es un método para ensamblar un núcleo del rotor alrededor de una unidad del arrollamiento de bobina del campo superconductor que comprende los pasos de: fabricar la unidad del arrollamiento de bobina del campo al ensamblar el arrollamiento de bobina de campo y un soporte de bobina antes de ensamblar el núcleo del rotor, insertar una porción de cada una de la pluralidad de secciones del núcleo del rotor parcialmente a través de la unidad del arrollamiento de bobina, ensamblar la pluralidad de secciones del núcleo del rotor alrededor del soporte de la bobina y asegurar la unidad de las secciones del núcleo del rotor.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS Los dibujos acompañantes juntos con el texto de esta especificación describen una modalidad de la invención. La Figura 1 es una vista elevada, lateral esquemática de una máquina eléctrica sincrónica que tiene un rotor superconductor y un estator. La Figura 2 es una vista en perspectiva de un arrollamiento de bobina superconductora de pista ejemplificativo. La Figura 3 es una vista en sección transversal de un núcleo del rotor ensamblado con un arrollamiento de bobina. La Figura 4 es un diagrama en sección transversal de un núcleo del rotor ensamblado tomado a lo largo de la línea 4-4 de la Figura 3. La Figura 5 es un diagrama en perspectiva de una sección de extremo del núcleo del rotor. La Figura 6 es un diagrama en sección transversal de una sección del núcleo del rotor. La Figura 7 es una sección transversal del núcleo del rotor tomada a lo largo de la línea 7-7 de la Figura 3. La Figura 8 es una sección transversal de un arrollamiento de bobina, una sección de una barra de tensión y un alojamiento de bobina.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN La Figura 1 muestra una máquina 10 generadora sincrónica ejemplif ¡cativa que tiene un estator 12 y un rotor 14. El rotor incluye bobinas de arrollamiento de campo que se ajustan dentro de la cavidad 16 cilindrica del rotor del estator. El rotor se ajusta dentro de la cavidad del rotor del estator. Conforme el rotor gira dentro del estator, un campo 18 magnético (ilustrado por las líneas punteadas) generado por el rotor y las bobinas del rotor mueve/gira a través del estator y crea una corriente eléctrica en los arrollamientos de las bobinas 19 del estator. Esta corriente es emitida por el generador como energía eléctrica. El rotor 14 tiene un eje 20 generalmente extendido en forma longitudinal y un núcleo 22 del rotor de piezas múltiples, generalmente sólido. El núcleo del rotor es una unidad de secciones 44 de núcleo de extremo alineadas axialmente y secciones 46 medias del núcleo. El núcleo 22 tiene una permeabilidad magnética, y usualmente está hecho de un material ferromagnético, como el hierro. En una máquina superconductor de baja densidad de energía, el núcleo de hierro del rotor se utiliza para reducir la fuerza magnetomotriz (MMF) y así, reduce al mínimo la cantidad de alambre de bobina superconductor (SC) necesario para el arrollamiento de bobina. El rotor 14 da soporte a por lo menos una unidad 33 del arrollamiento de campo (HTS) superconductor, de alta temperatura, con forma de pista, extendida longitudinalmente que tiene un arrollamiento HTS (Consultar Figura 2). El arrollamiento de bobina de campo HTS puede tener alternativamente la forma de asiento o alguna otra forma adecuada para un diseño de rotor HTS particular. Una unidad de campo de rotor y un soporte de bobina se exponen aquí para un arrollamiento de campo SC de pista. La unidad del núcleo del rotor y el soporte de bobina pueden estar adaptados para configuraciones de arrollamientos diferentes a la del arrollamiento de campo de pista montados en un núcleo del rotor sólido. El rotor incluye un par de flechas 24, 30 de extremo que están soportadas por cojinetes 25. Las flechas de extremo pueden estar acopladas con dispositivos externos. Por ejemplo, una de las flechas 24 de extremo tiene un acoplamiento 26 de transferencia criogénica con una fuente de fluido de enfriamiento criogénico utilizado para enfriar los arrollamientos de campo SC en el rotor. El acoplamiento 26 de transferencia criogénica incluye un segmento estacionario acoplado con una fuente de fluido de enfriamiento criogénico y un segmento giratorio que proporciona el fluido de enfriamiento al arrollamiento HTS. Este extremo 24 del rotor puede incluir un colector 31 para conectar eléctricamente el arrollamiento de campo SC giratorio. La flecha 30 de extremo opuesto del rotor puede ser accionada por un acoplamiento 32 de turbina de potencia. La Figura 2 muestra una unidad 33 de arrollamiento de campo de pista HTS que comprende un arrollamiento 34 de bobina de campo y una serie de barras 35 de tensión (el soporte de la bobina) extendida entre los lados opuestos del arrollamiento. La unidad 33 del arrollamiento se fabrica con el arrollamiento 34 de campo y las barras 35 de tensión antes de que la unidad 33 sea insertada dentro del núcleo del rotor. Las barras de tensión dan soporte a los arrollamientos de la bobina de campo con respecto a las fuerzas centrífugas que actúan en los arrollamientos conforme el rotor gira durante la operación. De conformidad con esto, las barras de tensión están acopladas con los arrollamientos mediante un alojamiento 36 del arrollamiento, (como se muestra en la Figura 8). El alojamiento y las barras de tensión restringen la expansión del arrollamiento 34 de la bobina de campo que de otra forma ocurriría con las barras 35 de tensión. Los arrollamientos 34 de campo SC del rotor incluyen un arrollamiento 34 superconductor (SC) de alta temperatura. Cada arrollamiento SC incluye un conductor superconductor de alta temperatura, como alambres conductores BSCCO (BixSrxCaxCuxOx) laminados en un compuesto de arrollamiento impregnado de epoxi sólido. Por ejemplo, una serie de alambres BSCCO 2223 puede estar laminada, unida o enrollada dentro de un arrollamiento impregnado de epoxi sólido. El alambre SC es quebradizo y fácil de dañarse. El arrollamiento SC típicamente se enrolla en capas en una cinta SC que está impregnada de epoxi. La cinta SC se enrolla en una forma de arrollamiento de precisión para lograr las tolerancias cercanas de dimensión. La cinta se enrolla alrededor de una hélice para formar un arrollamiento 34 SC de pista. Las dimensiones del arrollamiento de pista dependen de las dimensiones del núcleo del rotor. En general, cada arrollamiento SC de pista abarca los polos magnéticos del núcleo del rotor y es paralelo al eje del rotor. Los arrollamientos de campo son continuos alrededor de la pista. Los arrollamientos SC forman una trayectoria de corriente eléctrica libre de resistencia alrededor del núcleo del rotor y entre los polos magnéticos del núcleo. El arrollamiento tiene contactos 41 eléctricos que conectan en forma eléctrica el arrollamiento con el colector 31. Los pasajes 38 de fluido para el fluido de enfriamiento criogénico están incluidos en el arrollamiento 34 de campo. Estos pasajes se pueden extender alrededor del borde externo del arrollamiento 34 SC. Los pasajes proporcionan el fluido de enfriamiento criogénico al arrollamiento poroso y retiran el calor del arrollamiento. El fluido de enfriamiento mantiene las temperaturas bajas, por ejemplo de 27°C, en el arrollamiento de campo SC necesarias para promover las condiciones de superconducción, incluyendo la ausencia de la resistencia eléctrica en el arrollamiento. Los pasajes de enfriamiento tienen puertos 39 de fluido de entrada y de salida en un extremo del núcleo del rotor. Estos puertos 39 de fluido (gas) conectan los pasajes 38 de enfriamiento en el arrollamiento SC con el acoplamiento 26 de transferencia criogénica.

Cada arrollamiento 34 de campo de pista HTS tiene un par de porciones 40 laterales generalmente rectas, paralelas al eje 20 del rotor y un par de porciones 42 de extremo que son perpendiculares al eje del rotor. Las porciones laterales del arrollamiento de bobina de campo son sometidas a las mayores tensiones centrifugas. De conformidad con ello, las porciones laterales están soportadas por las barras de tensión y el alojamiento. Estas barras y el alojamiento forman un sistema de soporte del arrollamiento que contrarresta las fuerzas centrífugas que actúan en el arrollamiento. La Figura 3 es un diagrama esquemático de un núcleo 22 del rotor de piezas múltiples con la unidad 33 del arrollamiento, incluyendo el arrollamiento 34 de campo de bobina superconductora de pista y las barras 35 de tensión. El núcleo de hierro está hecho de múltiples secciones de núcleo, que son generalmente varias medias secciones 44 y un par de secciones 46 de extremo. Cada una de las secciones de núcleo tiene una forma semi-rectangular (consultar Figura 7) con un par de lados 50 planos opuestos y un par de lados 52 con forma de arco, opuestos. Cuando se ensamblan, los lados 50 planos de las secciones del núcleo quedan alineados entre sí, y de manera similar, los lados con forma de arco también quedan alineados. Las medias secciones 44 del núcleo tiene una forma generalmente de "T" en sus secciones transversales, excepto por dos secciones de extremo (comparar Figuras 5 y 6). Las secciones 46 de extremo tienen una sección transversal generalmente con forma de L. Las secciones del núcleo del rotor se ensamblan alrededor de la unidad 33 del arrollamiento. Durante el ensamble del núcleo, la cabeza 45 estrecha de cada media sección se desliza entre las barras 35 de soporte adyacentes en la unidad del arrollamiento. La cabeza estrecha de las secciones 46 del núcleo del rotor de extremo se deslizan entre una barra 35 de tensión y un extremo 42 del arrollamiento 34 de bobina. Cada una de las secciones de núcleo tiene por lo menos una ranura 53 de varilla de tensión (las medias secciones 44 tienen un par de ranuras opuestas) que cuando coincide con la ranura en un núcleo opuesto, forma una abertura 55 para una barra de tensión 35. La unidad de las secciones del núcleo del rotor permite integrar una unidad 35 de arrollamiento completamente ensamblada (la cual incluye, por ejemplo, el arrollamiento 34 de campo, y las barras 35 de tensión) dentro del núcleo del rotor. Las secciones 44, 46 del núcleo pueden ser forjas del núcleo de hierro. Las secciones del núcleo del rotor se ensamblan mediante ajustes rebajados para su concentricidad y alineación. Cada sección de núcleo tiene por lo menos un cubo 54 (las medias secciones tienen un par de cubos opuestos) que se ajusta dentro de una ranura 56 en una sección de núcleo adyacente. La conexión cubo-ranura entre las secciones de núcleo alinea las secciones de núcleo en el núcleo del rotor. Algunas varillas 58 de unión se extienden en forma lateral a través de los orificios 60 de la varilla a lo largo de la longitud del núcleo del rotor. Las varillas de unión tienen una tuerca u otro sujetador en cada extremo y mantienen las secciones del núcleo juntas comprimidas. Un alojamiento 64 de vacío se puede formar sobre el arrollamiento 34 de campo, una vez que las secciones del núcleo del rotor han sido ensambladas alrededor de la unidad del arrollamiento. Un vacio alrededor del arrollamiento facilita las características de superconducción del arrollamiento. El alojamiento al vacío proporciona un vacío sobre la forma completa de pista del arrollamiento de la bobina. Mientras que la invención ha sido descrita en conexión con lo que se considera la modalidad más práctica y preferida en la actualidad, se debe entender que la invención no está limitada a la modalidad expuesta, sino al contrario, se tiene la intención de cubrir todas las modalidades dentro del espíritu y alcance de las reivindicaciones anexas.

Claims (10)

REIVINDICACIONES

1. Un rotor en una máquina sincrónica caracterizado porque comprende: una unidad de arrollamiento de campo superconductor que tiene un arrollamiento de bobina y por lo menos un soporte del arrollamiento extendido entre los lados opuestos del arrollamiento; y un núcleo del rotor formado de una pluralidad de secciones del núcleo del rotor, cada una de las secciones del núcleo tiene una ranura para recibir el soporte del arrollamiento.

2. En un rotor de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque la pluralidad de secciones del núcleo del rotor están alineadas axialmente con el eje del núcleo del rotor.

3. En un rotor de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque las secciones del núcleo del rotor incluyen secciones del núcleo de extremo opuestas y por lo menos una media sección del núcleo.

4. En un rotor de conformidad con la reivindicación 3, caracterizado porque las secciones del núcleo de extremo tienen una sección transversal con forma generalmente de L y la por lo menos una sección media tiene una sección transversal con forma de T.

5. En un rotor de conformidad con la reivindicación 3, caracterizado porque por lo menos una media sección del núcleo tiene una forma en sección transversal con una cabeza estrecha, en donde la cabeza se ajusta entre un par de barras de los soportes del arrollamiento.

6. En un rotor de conformidad con la reivindicación 1, caracterizado porque además comprende un alojamiento al vacio sobre el arrollamiento de bobina de campo.

7. Un núcleo del rotor y una unidad de arrollamiento, caracterizados porque comprenden: secciones del núcleo del rotor que se pueden separar ensambladas alrededor de la unidad del arrollamiento para formar el núcleo del rotor, en donde las secciones del núcleo están alineadas axialmente en el núcleo del rotor; y la unidad del arrollamiento incluye un arrollamiento de campo superconductor pre-ensamblado y un soporte del arrollamiento, en donde el soporte del arrollamiento se extiende a través del núcleo del rotor.

8. En un rotor de conformidad con la reivindicación 7, caracterizado porque las secciones del núcleo del rotor incluyen secciones del núcleo de extremo opuestas y por lo menos una media sección del núcleo.

9. Un método para ensamblar un núcleo de rotor alrededor de una unidad de arrollamiento de bobina de campo superconductor caracterizado porque comprende los pasos de: a. fabricar la unidad de arrollamiento de bobina de campo al ensamblar un arrollamiento de bobina de campo y un soporte de bobina antes de ensamblar el núcleo del rotor; b. insertar una porción de cada una de la pluralidad de secciones del núcleo del rotor parcialmente a través del arrollamiento de bobina; c. ensamblar la pluralidad de secciones de núcleo del rotor alrededor del soporte de bobina; y d. asegurar la unidad de secciones del núcleo de rotor.

10. Un método para ensamblar un núcleo del rotor de conformidad con la reivindicación 9, caracterizado porque la inserción de una porción de cada una de la pluralidad de secciones de núcleo del rotor incluye insertar una cabeza estrecha de una de las secciones de núcleo del rotor entre las barras adyacentes del soporte de bobina. I5 Un rotor para una máquina sincrónica que comprende una unidad de arrollamiento de campo superconductor que tiene un arrollamiento de bobina y por lo menos un soporte de arrollamiento extendido entre los lados opuestos del arrollamiento, y un núcleo del rotor formado de una pluralidad de secciones del núcleo del rotor, cada una de las secciones del núcleo tiene una ranura de barra de tensión para recibir por lo menos una barra de tensión.