SOPORTE DE BOBINA DE ROTOR SUPERCONDUCTORA A ALTA TEMPERATURA CON CAJA DE BOBINA DIVIDIDA Y PROCEDIMIENTO DE MONTAJE.

Un rotor para una máquina síncrona (10) que comprende: un núcleo de rotor (22);

un devanado de bobina superconductora (34) que se extiende alrededor de al menos una parte del rotor, teniendo dicho devanado de bobina una sección lateral (40) adyacente a un lateral del núcleo del rotor; al menos una barra de tensión (42) que se extiende a través de un conducto (46) en dicho núcleo del rotor; y una caja (44) fijada a la barra de tensión y conectada a la sección lateral del devanado de bobina, en la que la caja comprende un par de paneles laterales (124)

La presente invención se refiere de modo general a bobinas superconductoras en una máquina rotativa síncrona. Más particularmente, la presente invención se refiere a una estructura de soporte de una bobina para devanados de campos superconductores en el rotor de una máquina síncrona.

Las máquinas eléctricas síncronas que tienen devanados de bobinas de campo incluyen, pero sin limitarse a, 5 generadores rotativos, motores rotativos y motores lineales. Estas máquinas comprenden generalmente un estator y un rotor que se acoplan electromagnéticamente. El rotor puede incluir un núcleo de rotor múltiple y uno o más devanados de bobinas montados sobre el núcleo del rotor. Los núcleos del rotor pueden incluir un material sólido permeable magnéticamente, tal como un rotor de núcleo de hierro.

Los devanados de cobre convencionales se usan comúnmente en los rotores de las máquinas eléctricas 10 síncronas. Sin embargo, la resistencia eléctrica de los devanados de cobre (aunque bajos para medidas convencionales) es suficiente para contribuir a un calentamiento sustancial del rotor y para disminuir la eficiencia de potencia de la máquina. Recientemente, se han desarrollado devanados de bobinas superconductores (SC) para rotores. Los devanados SC tienen efectivamente una resistencia nula y son devanados de bobinas de rotor altamente ventajosos. 15

Los rotores de núcleo de hierro se saturan con una intensidad de campo magnético en el entrehierro de aproximadamente 2 teslas. Los rotores superconductores conocidos emplean diseños de núcleo de aire, con ningún hierro en el rotor, para alcanzar unos campos magnéticos en el espacio de aire de 3 teslas o superior. Los campos magnéticos altos en el espacio de aire conducen a densidades de potencia incrementadas de la máquina eléctrica y dan como resultado una reducción significativa en el peso y tamaño de la máquina. Los rotores superconductores de 20 núcleo de aire requieren grandes cantidades de cable superconductor. Las grandes cantidades de cable SC se añade al número de bobinas requeridas, la complejidad de los soportes de bobina y el coste de los devanados de bobinas SC y el rotor.

Los devanados de campo de bobinas SC de alta temperatura se forman con materiales superconductores que son frágiles y que se deben refrigerar a una temperatura en o por debajo de una temperatura crítica, por ejemplo 27 K, 25 para obtener y mantener la superconductividad.

Los devanados SC se pueden formar de material superconductor de alta temperatura, tal como un conductor basado en BSCCO (BixSrxCaxCuxOx).

Las bobinas superconductoras se han refrigerado por helio líquido. Después de pasar a través de los devanados del rotor, el helio caliente usado se devuelve como helio gaseoso a temperatura ambiente. El uso de helio 30 líquido para refrigeración criogénica requiere una continua relicuefacción del helio gaseoso devuelto a temperatura ambiente y tal relicuefacción supone problemas de fiabilidad significativos y requiere de una potencia auxiliar significativa.

Las técnicas de refrigeración de bobinas SC anteriores incluyen la refrigeración de una bobina SC impregnada en epoxi a través de una trayectoria de conducción sólida desde un refrigerador criogénico. Alternativamente, los tubos 35 de refrigeración en el rotor pueden transportar un líquido y/o gas criogénico a un devanado de bobinas SC que está inmerso en el flujo del líquido y/o gas criogénico. Sin embargo, la refrigeración por inmersión requiere que el devanado de campo completo y la estructura del rotor estén a temperatura criogénica. Como resultado, no se puede usar hierro en el circuito magnético del rotor debido a la naturaleza quebradiza del hierro a temperaturas criogénicas.

Lo que se necesita es un montaje de devanado de campo superconductor para una máquina eléctrica que no 40 tenga las desventajas del núcleo de aire y de los montajes de devanados de campos superconductores refrigerados por líquido de, por ejemplo, los rotores superconductores conocidos.

Además, las bobinas superconductoras de alta temperatura (HTS) son sensibles a la degradación a partir de la alta deformación por tracción y doblado. Estas bobinas deben someterse a fuerzas centrífugas sustanciales que tensionan y deforman las bobinas de los devanados. La operación normal de las máquinas eléctricas involucra miles de 45 ciclos de arranque y parada en el curso de varios años, lo que da como resultado una carga por fatiga de bajo número de ciclos del rotor. Adicionalmente, el devanado del rotor HTS debe ser capaz de soportar una operación del 25% de sobrevelocidad durante los procedimientos de equilibrado del rotor a temperatura ambiente y sin perjuicio de las condiciones de sobrevelocidad ocasionales a temperaturas criogénicas durante la operación de generación de energía. Estas condiciones de sobrevelocidad aumentan sustancialmente la carga de fuerza centrífuga sobre los devanados 50 respecto a las condiciones de operación normales.

Las bobinas de SC usadas como devanado de campo del rotor HTS de una máquina eléctrica están sometidas a tensiones y deformaciones durante el enfriamiento y la operación normal. Están sometidas a cargas centrífugas, transmisión de par y condiciones de falta transitorias. Para soportar las fuerzas, tensiones, deformaciones y cargas cíclicas, las bobinas SC deberían estar apropiadamente soportadas en el rotor por un sistema de soporte de bobinas. Estos sistemas de soporte de bobina mantienen la(s) bobina(s) SC en el rotor HTS y aseguran las bobinas 5 contra las tremendas fuerzas centrífugas debidas a la rotación del rotor. Más aún, el sistema de soporte de bobinas protege las bobinas SC y asegura que las bobinas no se agrietarán, fatigarán o romperán de otra manera prematuramente.

El desarrollo de sistemas de soporte para bobinas HTS ha sido un difícil reto en la adaptación de las bobinas SC a los rotores HTS. Ejemplos de sistemas de soporte de bobinas para rotores HTS que han sido propuestos 10 anteriormente se desvelan en las Patentes de Estados Unidos Nº 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 bobinas sufren varios problemas, tales como ser caros, complejos y requerir un excesivo número de componentes. Hay una necesidad largamente sentida de un rotor HTS que tenga un sistema de soporte de bobina para una bobina SC. Existe también la necesidad de un sistema de soporte de bobina hecho con componentes de bajo coste y fáciles de fabricar. 15

Con la invención, se ha desarrollado un sistema de soporte de bobina para un devanado de bobina superconductora con forma de pista de carreras, de alta temperatura para un rotor de dos polos de una máquina eléctrica. El sistema de soporte de bobina impide el daño a las bobinas del devanado durante la operación del rotor, soportando las bobinas del devanado con respecto a las fuerzas centrífugas y otras y proporciona un escudo protector para la bobina del devanado. El sistema de soporte de bobinas mantiene las bobinas del devanado con respecto al 20 rotor. El devanado de bobinas HTS y el sistema de soporte de bobinas están a temperatura criogénica mientras que el rotor está a temperatura ambiente.

El soporte de bobina de caja partida es particularmente útil para una máquina eléctrica de baja densidad de potencia de Superconductores de Alta Temperatura (HTS). El soporte de bobina soporta las elevadas fuerzas centrífugas y tangenciales que en otro caso actuarían sobre la bobina SC. Las cajas de bobinas se sitúan extremo a 25 extremo a lo largo del lado largo de las secciones del devanado de bobina para distribuir uniformemente las fuerzas centrífugas y tangenciales que actúan sobre la bobina. Para reducir la fuga de calor, se ha minimizado la masa del soporte de bobina para reducir la conducción térmica desde el rotor a través del soporte hacia la bobina fría. El soporte de bobinas se mantiene a temperaturas criogénicas tal como lo está el devanado de campo.

El sistema de soporte de bobina incluye una serie de montajes de soporte de bobina que se extienden entre 30 los lados opuestos del devanado de bobina con forma de pista. Cada montaje de soporte de bobina incluye una barra de tensión y un par de cajas de bobina partidas. Las barras de tensión se extienden entre los lados opuestos del devanado de bobina a través de los conductos, por ejemplo taladros, en el núcleo del rotor. Se fija a la bobina una caja de bobina partida en cada extremo de la barra de tensión. La caja transfiere las fuerzas centrífugas desde la...

1. Un rotor para una máquina síncrona (10) que comprende:

un núcleo de rotor (22);

un devanado de bobina superconductora (34) que se extiende alrededor de al menos una parte del rotor, teniendo dicho devanado de bobina una sección lateral (40) adyacente a un lateral del núcleo del rotor; 5

al menos una barra de tensión (42) que se extiende a través de un conducto (46) en dicho núcleo del rotor; y

una caja (44) fijada a la barra de tensión y conectada a la sección lateral del devanado de bobina, en la que la caja comprende un par de paneles laterales (124).

2. Un rotor de acuerdo con la reivindicación 1 en el que dichos paneles laterales (124) están sobre superficies opuestas de la sección lateral (40). 10

3. Un rotor de acuerdo con la reivindicación 1 ó 2, en el que dicha caja (44) y barra de tensión (42) se refrigeran por conducción desde dicho devanado de bobina.

4. Un rotor de acuerdo con la reivindicación 1, 2 ó 3, en el que dicha caja comprende además una cuña (126) que une los paneles laterales y que hace tope en una superficie lateral del devanado de bobina.

5. Un rotor de acuerdo con cualquier reivindicación precedente en el que la barra de tensión incluye un perno 15 (43) que tiene una superficie plana (86) que hace tope con la bobina, y que tiene un ancho acorde con la sección lateral.

6. Un procedimiento para el soporte de un devanado de bobina superconductora (34) en el núcleo del rotor (22) de una máquina síncrona (10) que comprende las etapas de:

a. extender una barra de tensión (42) a través de un conducto (46) en dicho núcleo del rotor; 20

b. situar el devanado de bobina alrededor del núcleo del rotor de forma que la barra de tensión se extienda entre las secciones laterales del devanado de bobina;

c. montar un par de paneles laterales (124) de al menos una caja (44) alrededor de una sección lateral del devanado de bobina;

d. asegurar juntos los paneles laterales, y 25

e. fijar la caja al primer extremo de la barra de tensión.

7. Un procedimiento de acuerdo con la reivindicación 6 que comprende además la repetición de las etapas de montaje de un par de paneles laterales (124), asegurando juntos los paneles laterales y fijando la caja al primer extremo de la barra de tensión.

8. Un procedimiento de acuerdo con la reivindicación 6 ó 7 en el que la etapa de montaje del par de paneles 30 laterales se realiza por el montaje de una pluralidad de paneles laterales alrededor de un reborde de la cabeza (122) en un extremo de la barra de tensión.

9. Un procedimiento de acuerdo con la reivindicación 6 ó 7 en el que la etapa de montaje del par de paneles laterales se realiza por el montaje de una pluralidad de paneles laterales para formar un taladro estriado (134) y que encaja en un extremo estriado de la barra de tensión dentro del taladro. 35

10. Un procedimiento de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones 6 a 9 en el que las diversas barras de tensión lateral (42) se insertan dentro de una serie de conductos (46) en el núcleo del rotor y se fijan al devanado de bobina.