Máquina eléctrica superconductora con un dispositivo de unión para compensar la dilatación axial de un soporte de devanado.

Máquina eléctrica superconductora (2) con un rotor (5) apoyado tal que puede girar alrededor de un eje de rotación (A),

que

a) tiene una carcasa exterior del rotor (7), fijada a partes axiales del eje del rotor (5a, 5b) y que envuelve un soporte de devanado (9) con al menos un devanado superconductor (10) y

b) medios para sujetar el soporte de devanado (9) dentro de la carcasa exterior del rotor (7), • que incluyen en un lado de transmisión del par de giro (AS) un primer dispositivo de unión (8a) rígido entre el soporte del devanado (9) y la carcasa exterior del rotor (7) y

• en el lado opuesto (BS) un segundo dispositivo de unión (8b) para compensar variaciones axiales por dilatación del soporte de devanado (9), que presenta al menos un elemento de unión (12, 21) que se extiende axialmente, que por un lado está unido rígidamente con el soporte de devanado (9) y cuyo extremo opuesto libre se encuentra radialmente en unión por arrastre de fuerza y pudiendo moverse axialmente con al menos un elemento de sujeción de centrado de la carcasa exterior del rotor (7)

así como

c) dotada de medios para refrigerar y aislar térmicamente el devanado superconductor (10), caracterizada porque el elemento de sujeción de la carcasa exterior del rotor (7) incluye al menos un pasador (22) a través de la carcasa exterior del rotor (7) a través del cual está conducido el extremo libre del elemento de unión del segundo dispositivo de unión (8b).

MÁQUINA ELÉCTRICA SUPERCONDUCTORA CON UN DISPOSITIVO DE UNIÓN PARACOMPENSAR LA DILATACIÓN AXIAL DE UN SOPORTE DE DEVANADO

La presente invención se refiere a una máquina eléctrica superconductora con un rotor apoyado tal que puede girar alrededor de un eje de rotación, que tiene una carcasa exterior del rotor, fijada a partes axiales del eje del rotor y que envuelve un soporte de devanado con al menos un devanado superconductor. El rotor presenta además medios para sujetar el soporte de devanado dentro de la carcasa exterior del rotor, que incluyen en un lado de transmisión del par de giro un primer dispositivo de unión rígido entre el soporte del devanado y la carcasa exterior del rotor y en el lado opuesto un segundo dispositivo de unión para compensar variaciones axiales por dilatación del soporte de devanado. El segundo dispositivo de unión presenta al menos un elemento de unión que se extiende axialmente, que por un lado está unido rígidamente con el soporte de devanado y cuyo extremo opuesto libre se encuentra radialmente en unión por arrastre de fuerza y pudiendo moverse axialmente con al menos un elemento de sujeción de centrado de la carcasa exterior del rotor. Además se prevén medios para refrigerar y aislar térmicamente el devanado superconductor. Una máquina eléctrica superconductora correspondiente se deduce del documento DE 100 63 724 A1.

Las máquinas eléctricas, en particular generadores o motores, están constituidas por lo general por un rotor con un devanado de campo giratorio y por un estator con un devanado de estator fijo. Mediante la utilización de conductores ultracongelados y en particular superconductores, puede entonces aumentarse la densidad de corriente y la potencia específica de la máquina, es decir, la potencia por kilogramo de peso propio y también incrementarse el rendimiento.

Los devanados ultracongelados de máquinas eléctricas deben por lo general aislarse térmicamente del entorno y mantenerse con un medio refrigerante a la temperatura baja exigida. Un aislamiento térmico efectivo sólo puede lograrse entonces cuando las piezas ultracongeladas de la máquina están lo más separadas posibles del espacio exterior caliente mediante un alto vacío con una presión residual de gas en general inferior a 10-3 mbar y cuando las piezas de unión entre estas partes ultracongeladas y el espacio exterior caliente transmiten el menor calor posible.

Para un aislamiento al vacío de rotores con devanados del rotor a ultracongelar y devanados del estator calientes se conocen en particular dos variantes: En una primera forma de realización tiene el rotor una carcasa exterior caliente y una cámara de vacío cerrada que gira a la vez. La cámara de vacío debe entonces envolver por todos lados la zona ultracongelada. No obstante a través de los apoyos que se extienden a través de la cámara de vacío tiene lugar una indeseada transmisión de calor a las partes ultracongeladas. En una segunda forma de realización gira el rotor esencialmente frío en un alto vacío. Entonces la delimitación exterior de la cámara de alto vacío viene fijada por el agujero interior del estator. No obstante, una tal configuración exige juntas del eje estancas al alto vacío entre el rotor y el estator.

En la primera forma de realización de citada, conocida por ejemplo por el documento DE 23 26 016 B2, se encuentra el devanado superconductor del rotor en el interior de un criostato del rotor, que con ejes de brida montados forma una carcasa exterior del rotor. Debido a la utilización de material superconductor clásico para los conductores de devanado, se prevé una refrigeración por helio con una temperatura de servicio alrededor de 4K. Además de los materiales superconductores metálicos conocidos desde hace mucho tiempo, como por ejemplo NbTi o Nb3Sn, se conocen desde 1987 también materiales superconductores de óxidos metálicos con temperaturas de transición sobre 77K. Con conductores que utilizan tales materiales superconductores High-Tc (de alta temperatura crítica) , denominados también materiales HTS, pueden fabricarse devanados de máquinas superconductores, que han de enfriarse con nitrógeno líquido hasta una temperatura de servicio inferior a unos 77 K. Por el contrario se encuentra el contorno exterior de la carcasa exterior del rotor aproximadamente a la temperatura ambiente y durante el funcionamiento también dado el caso por encima.

El par de giro útil de la máquina se genera en el devanado del rotor. Éste está situado en un soporte de devanado frío, que a su vez está suspendido o sujeto aislado en la carcasa exterior del rotor que funciona como criostato. Entonces debe ser esta suspensión y/o sujeción en el lado de accionamiento del rotor suficientemente estable para transmitir el par de giro desde el soporte de devanado frío hasta una parte del eje del lado de accionamiento. Un correspondiente dispositivo de unión rígido para transmitir el par de giro debe por ello realizarse relativamente macizo y unirse en arrastre de fuerza con el soporte del devanado y la parte del eje del lado de accionamiento. A la vez se ocupa este dispositivo de unión del centrado en el lado de accionamiento del soporte de devanado frío. En el lado opuesto del rotor, que también se denomina lado de no-accionamiento o lado de operación, porque en el mismo están previstas conexiones importantes para el servicio de la máquina, como por ejemplo una entrada del refrigerante, prácticamente no se transmite ningún par de giro. Por ello han de cumplirse aquí esencialmente sólo las funciones de un centrado y aislamiento térmico. No obstante, puesto que en una transición de la temperatura ambiente a la temperatura de servicio la longitud axial del soporte de devanado se reduce

respecto a la correspondiente dilatación de la carcasa exterior del rotor en al menos un milímetro, debe garantizar la suspensión del lado de operación adicionalmente la función de la correspondiente compensación de longitud. Por ello se prevén según el estado de la técnica entre la carcasa exterior del rotor y el soporte del devanado elementos de unión que discurren radialmente con forma de disco, que permiten el correspondiente combado en dirección axial para compensar la dilatación. Alternativamente pueden estar previstos en el interior de un criostato del rotor asientos deslizantes, que permiten y/o compensan una dilatación axial del soporte del devanado.

Un inconveniente de los asientos deslizantes en el interior de un críostato del rotor es que el asiento deslizante se encuentra en el vacío de aislamiento del rotor y con ello no puede lubrificarse el asiento deslizante con lubricantes como aceites o grasas. Debido a por ejemplo micromovimientos en cada giro del rotor en la máquina, está sometido el asiento deslizante de la máquina en funcionamiento permanente a un fuerte desgaste. Cuando se pone en servicio la máquina, tampoco puede observarse el proceso de contracción del soporte del devanado cuando se enfría hasta una temperatura criogénica, al no ser transparente el criostato del rotor. Así se necesitan conocimientos exactos de los parámetros de los materiales y un diseño del asiento deslizante con suficiente juego adicional para garantizar una sujeción axial fiable del soporte del devanado incluso para temperaturas bajas criogénicas. Un diseño más grande del asiento deslizante y el correspondiente espacio necesario origina un mayor consumo de material, mayores costes, características peores de la máquina durante el servicio y una de mayores dimensiones. La ventaja de una estructura más compacta que en máquinas clásicas no superconductoras se reduce así.

Es objetivo de la presente invención indicar una máquina eléctrica superconductora con un dispositivo de unión adecuado que de manera relativamente sencilla, económica y compacta permita una compensación de la dilatación axial y que a la vez límite en particular las pérdidas de conducción del calor del devanado superconductor a través del dispositivo de unión. Además es objetivo de la presente invención indicar una máquina eléctrica superconductora con un dispositivo de unión que posibilite un control óptico indirecto u observación indirecta de la contracción del soporte del devanado cuando se enfríe desde fuera del rotor.

El objetivo indicado se logra en cuanto a la máquina eléctrica superconductora con las características de la reivindicación 1.

Ventajosas realizaciones de la máquina eléctrica superconductora correspondiente a la invención se deducen de las reivindicaciones subordinadas dependientes asociadas. Aquí pueden combinarse las características de la reivindicación principal con las características de las reivindicaciones subordinadas y las características de las reivindicaciones... [Seguir leyendo]

1. Máquina eléctrica superconductora (2) con un rotor (5) apoyado tal que puede girar alrededor de un eje de rotación (A) , que a) tiene una carcasa exterior del rotor (7) , fijada a partes axiales del eje del rotor (5a, 5b) y que envuelve un soporte de devanado (9) con al menos un devanado superconductor (10) y b) medios para sujetar el soporte de devanado (9) dentro de la carcasa exterior del rotor (7) , que incluyen en un lado de transmisión del par de giro (AS) un primer dispositivo de unión (8a) rígido entre el soporte del devanado (9) y la carcasa exterior del rotor (7) y en el lado opuesto (BS) un segundo dispositivo de unión (8b) para compensar variaciones axiales por dilatación del soporte de devanado (9) , que presenta al menos un elemento de unión (12, 21) que se extiende axialmente, que por un lado está unido rígidamente con el soporte de devanado (9) y cuyo extremo opuesto libre se encuentra radialmente en unión por arrastre de fuerza y pudiendo moverse axialmente con al menos un elemento de sujeción de centrado de la carcasa exterior del rotor (7)

así como c) dotada de medios para refrigerar y aislar térmicamente el devanado superconductor (10) , caracterizada porque el elemento de sujeción de la carcasa exterior del rotor (7) incluye al menos un pasador (22) a través de la carcasa exterior del rotor (7) a través del cual está conducido el extremo libre del elemento de unión del segundo dispositivo de unión (8b) .

2. Máquina eléctrica superconductora (2) según la reivindicación 1, caracterizada porque el elemento de unión que se extiende axialmente incluye un tubo aislante (12) configurado con forma de cilindro hueco, así como espigas de guía (21) , estando fijadas mecánicamente en particular al menos tres espigas de guía (21) por sus respectivos lados longitudinales directamente al tubo aislante (12) y estando configurado el lado opuesto como extremo libre.

3. Máquina eléctrica superconductora (2) según la reivindicación 2, caracterizada porque las espigas de guía (21) se extienden axialmente y presentan un extremo libre, que penetra deslizando sin juego en respectivos pasadores (22) a través de la carcasa exterior del rotor (7) .

4. Máquina eléctrica superconductora (2) según la reivindicación 3, caracterizada porque las espigas de guía (21) están dotadas en sus extremos libres de un anillo de soporte (15) .

5. Máquina eléctrica superconductora (2) según una de las reivindicaciones 2 a 4, caracterizada porque el elemento de sujeción de la carcasa exterior del rotor (7) incluye al menos un cojinete (23) para espigas de guía (21) , en particular en cada caso un cojinete (23) fijado en la zona de un pasador (22) a través de la carcasa exterior del rotor (7) en la cubierta exterior de la carcasa exterior del rotor (7) , a través del cual se conduce el extremo libre de una espiga de guía (21) .

6. Máquina eléctrica superconductora (2) según la reivindicación 5, caracterizada porque el cojinete (23) presenta una barrera de vacío (24) en la zona del pasador (22) a través de la carcasa exterior del rotor (7) , en particular una barrera de vacío (24) unida de manera estanca al vacío con la espiga de guía (21) y que cubre el pasador (22) a través de la carcasa exterior del rotor (7) de manera estanca al vacío.

7. Máquina eléctrica superconductora (2) según la reivindicación 6, caracterizada porque la barrera al vacío (24) incluye una brida CF con membrana, dispuesta en particular entre el cojinete (23) y la carcasa exterior del rotor (7) .

8. Máquina eléctrica superconductora (2) según una de las reivindicaciones 2 a 7, caracterizada porque las espigas de guía (21) están configuradas en forma de barras o varillas, en particular con forma cilíndrica o paralelepipédica.

9. Máquina eléctrica superconductora (2) según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizada porque están previstos al menos tres pasadores (22) que atraviesan por completo la carcasa exterior del rotor (7) , estando dispuestos los pasadores (22) en particular sobre un perímetro circular con un centro, en el que está unido un eje de brida (5b) con la carcasa exterior del rotor (7) en arrastre de fuerza.

10. Máquina eléctrica superconductora (2) según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizada porque el elemento de unión incluye acero, cobre, teflón o material de plástico reforzado con fibras y/o está compuesto por completo por los mismos.

11. Máquina eléctrica superconductora (2) según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizada porque los conductores del devanado superconductor (10) incluyen material superconductor de baja Tc metálico o material superconductor de alta Tc de óxido metálico.

12. Máquina eléctrica superconductora (2) según una de las reivindicaciones precedentes, caracterizada porque al menos entre la carcasa exterior del rotor (7) y el soporte del devanado (9) existe una cámara de vacío (V) .