Ротор криогенной электрической машины Советский патент 1981 года по МПК H02K9/197 H02K55/02 

(54) РОТОР КРИОГЕННОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МАШИНЫ

I

Изобретение относится к электромашино-. строению и может быть использовано пре-: имущественно в крупных электрических машинах, в частности турбогенераторах.

Эффективность работы турбогенераторов со сверхпроводящей обмоткой возбуждения во многом зависит от системы охлаждения обмотки, причем наиболее эффективное охлаждение замоноличеннь1Х обмоток достигается при условии максимальной поверхности охлаждения при непосредственном контакте охлаждаемой поверхности с .хладагентом, например жидким гелием.

Известен ротор криогенной электрической машины, в котором для подачи в сверхпроводящую обмотку возбуждения и отвода жидкого гелия используются аксиальнь1е каналы в зубцах несуш,его цилиндра. Эти каналы сообщаются с каналами на боковых частях пазовой изоляции катушек ротора. В свою очередь каналы на боковых частях сообщаются между собой через каналы в пазовой изоляции на дне пазов 1.

Однако такая конструкция характеризуется низкой надежностью и недостаточной эффективностью охлаждения обмотки, вследствие невозможности выполнения надежной сверхпроводящей обмотки из-за наличия пересекающихся аксиальных и радиальных каналов, приводящих к возможности образования неконтролируемых вихревых течений жидкого гелия, затруднения перемещения хладагента по каналам подачи на боковых частях пазовой изоляции. Ухудшается использование активной зоны ротора из-за необходимости утолщения зубцов для размещения в них аксиальных каналов.

Известен также ротор криогенной элект10рической мащины, в котором конструктивно обмотка возбуждения выполнена в виде плоских кafyщeк-мoдyлeй из сверхпроводника, каждая из которых пропитана, заключена в обойму из алюминиевого сплава и

,5 зажата между перегородками-щеками из того же материала с бандажом из нержавеющей стали. В щеках имеются радиальные каналы, посредством которых осуществляется охлаждение катущек обмотки жидким гелием, попадающим в каналы из центральной полости обмотки ротора, в которой образуется свободная поверхность жидкого кипящего гелия 2.

Недостатком такого конструктивного решения является то, что при движении жидкого гелия поканалам образуются встречные потоки жидкого хладагента, идущего из центральной полости обмотки к ее периферии, и испарившегося хладагента, идуш,его от периферии к ее центру, что ухудшает охлаждение обмотки. Возможны также образования неконтролируемых, неорганизованных вихревых течений хладагента, при. водящих к-повышению температуры в его объеме. Вместе с ротором вращается относительно толстый слой хладагента, например жидкого гелия, что приводит к его сжатию центробежными силами, вследствие чего повышается его температура кипения, что снижает эффективность использования сверх проводников; В конструкции имеет место косвенное охлаждение сверхпроводника через слой корпусной изоляции. При выполнении корпусной изоляции, отвечающей принятым в электромашиностроении требованиям будет иметь место ухудщение охлаждения сверхпроводящей обмотки. Кроме того, катушки ротора изготавливают и пропитывают вне каркаса ротора, что снижает монолитность конструкции и tpe6yeT для пропитки каждой из катушек своей сложной пресс-формы. После пропитки необходима механическая обработка катушек для получения необходимых ее размеров.

Целью изобретения является повышение надежности и эффективности охлаждения обмотки.

Указанная цель достигается тем, что каждая из обойм выполнена в виде основания и клина с аксиальными, тангенциальными и радиальными каналами для хладагента, а между катушками и перегородками закреплены полоски электроизоляционного материала, которые образуют каналы для хладагента, сообщающиеся с каналами основания и клина.

На фиг. 1 изображен ротор криогенной электрической машины с системой каналов и указанием движения охлаждающего агента, продольное сечение; на фиг. 2 показаны обмотки ротора, поперечное сечение; на фиг. 3 - одна изкатушек с установленным клино1у ; на фиг. 4 - установка электроизоляционных полосок, образующих радиальные охлаждающие каналы катушек; на, фиг. 5 - система аксиальных и радиальных каналов в клиньях.

На фиг. 1-5 обозначено: 1 - сверхпроводящая об.мотка, 2 - металлические перегородки, 3 - основания, 4 - торцовые вкладыши, 5 - радиальные каналы, в основаниях, 6 - аксиальные каналы в основаниях и торцовых вкладышах, 7 - клинья, 8 - аксиальные каналы в клиньях, 9 - радиальные каналы в клиньях, 10 - тангенциальные каналы в клиньях, 11 - наружный бандажный цилиндр, 12 - радиальные каналы, образованные изоляцион-ными полосками 13, 14 - труба, подводящая жидкий гелий, 15 - центральная полость ротора, 16 - теплообменники, 17 - торцовые стенки.

Пазы ротора, в которые вматывается

сверхпроводник для образования катушек ротора или устанавливаются заранее изготовленные катущки ротора, образованы перегородками 2 и основаниями 3. В основаниях фрезеруются радиальные и аксиальные охлаждающие каналы. Пазы ротора закрываются клиньями 7, в клиньях фрезеруется система аксиальных 8, тангенциальных 10 и радиальных каналов 9 для подвода охлаждающего хладагента, например жидкого гелия. Вся обмотка компаундируется,

при этом непосредственно в пазах ротора все охлаждающие каналы закрываются легко удалимыми вставками, не имеющими, адгезии к компаунду. Корпусная изоляция выполняется в виде полосок изоляционного материала 13, которые прикрепляются к

перегородкан 2. Изоляционные полоски 13 образуют также радиальные охлаждающие каналь, подводящие хладагент непосредственно к катушкам ротора 1. На обмотанный ротор с клиньями надевается бандажный

5 цилиндр 11 из немагнитной стали или другого сплава.

Система охлаждения ротора выполнена следующим образом.

Охлаждающий агент, например жидкий гелий, подается известным способом с помощью труб 14 на внутреннюю поверхность бандажного цилиндра 11. Растекаясь тонким слоем по внутренней поверхности цилиндра, охлаждающий агент попадает в аксиальные каналы 6 в торцовых вк адыщах 4 и в аксиальные каналы 8 в клиньях 7 ротора, от куда по тангенциальным каналам 10 на поверхности клиньев 7 охлаждающий агент попадает в радиальные каналы 9 в клиньях 7 и согласованные с ними радиальные каналы 12 на поверхности катушек ротора и

Q радиальные каналы 5 в основаниях 3. При прохождении через каналы охлаждающий агент испаряется, выходит в центральную полость ротора 15 и оттуда, огибая торцовые стенки 17, в каналы теплообменников 16 и далее на выход.

5 Повышение надежности работы ротора со сверхпроводящей обмоткой возбуждения в предлагаемой конструкции достигается путем существенного улучшения охлаждения катушек обмотки ротора и обеспечивается за счет системы аксиальных, тангенциальных и радиальных каналов в торцовых вкладышах, клиньях, у поверхности катушек, пронизывающих всю толщину обмотки. В предлагаемой конструкции обеспечивается заполнение обмотки охлаждающей жидкостью

5 от периферии к центру, создается упорядоченное движение охлаждающей жидкости без встречных потоков, образования неконтролируемых вихревых течений. В предлагаемой конструкции имеется возможность беспрепятственно подводить увеличенное количество охлаждающей жидкости к обмотке в анормальных режимах. Высокая эффективность охлаждения в предлагаемой конструкции по сравнению с известными обеспечивается также за счет минимального (целесообразной толщины) слоя хладагента, вентиляционного действия согласованной системы каналов в элементах конструкции ротора и непосредствениога охлаждения сверхпроводника при наличии корпусной изоляции катушек. Предлагаемая конструкция упрощает изготовление ротора турбогенератора за счет возможности непосредственной намотки катушек обмотки в пазы ротора и пропитки всей обмотки в целом. Техническое преимущество изобретения обеспечивает также повышение производительности труда в 1,5-1,7 раза, упрощает технологию, улучшает условия труда. Формула изобретения Ротор криогенной электрической машины, имеющий сверхпроводящую обмотку )///// /)///2 буждения, выполненную в виде плоских катушек, каждая из которых заключена в обойму, металлические перегородки,расположенные между катушками, бандаж, охватывающий разделенные упомянутыми перегородками катушки, и радиальные каналы, сообщающие центральную заполненную хладагентом полость ротора с катушками, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности и эффективности охлаждения, каждая из обойм выполнена в виде основания и клина с аксиальными тангенциальными и упомянутыми радиальными каналами и между катушками и перегородками закреплены полоски электроизоляционного материала, образующие каналы, сообщающиеся с каналами основания и клина. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Заявка ФРГ № 2511104, кл. Н 02 К9/19, 2.Component Development for 20-mVA Superconducting Generator WELC. Moscow, 1977, paper 139.