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Maschine mit rotierender Erregerwicklung, die durch Zuganker gehalten wird
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Dies erreicht man beispielsweise durch eine programmgesteuerte Erregung. Es kann zu diesem Zweck auch die Zugkraft an den Zugankern gemessen und als Stellgrösse für einen die Erregung beeinflussenden Regler benutzt werden. Zweitens muss bei Maschinen, in deren Ständerkreis Kurzschlüsse auftreten können, dafür gesorgt werden, dass sich diese nicht allzusehr auf die Erregung auswirken. Dieses Problem soll zunächst im folgenden etwas näher erläutert werden.
Bei ein-und mehrpoligen Kurzschlüssen auf der Ständerseite eines Turbogenerators mit supraleitender Erregerwicklung treten im Erregerkreis Wechselströme auf, die sich dem Erregergleichstrom überlagern. Die Wechselströme erzeugen im Supraleiter Verluste, die die Temperatur steigern. Ausserdem wird der Maximalstrom in der Erregerwicklung grösser, so dass die Gefahr einer Überschreitung der Sprungtemperatur, d. h. einer Transition der supraleitenden Wicklung besteht. In diesem Fall würde der Erregerstrom in sehr kurzer Zeit auf fast null zurückgehen, ohne dass die Drehzahl ebenso schnell verringert werden kann. Im Gegenteil, wegen des Wegfalls des Lastdrehmoments kann die Drehzahl bis zum Eingreifen des Turbinenreglers sogar noch ansteigen.
Die Zentrifugalkräfte auf die Wicklung werden wegen des Wegfalls des Erregerstroms nicht mehr durch magnetische Kräfte kompensiert, so dass die nur schwach bemessenen Zuganker reissen würden.
Um solche Auswirkungen zu vermeiden, muss die Erregerwicklung so ausgeführt werden, dass sie auch bei Kurzschlüssen nicht in Transition geht. Hiezu gibt es die folgenden Massnahmen. Der Supraleiter der Erregerwicklung wird so reichlich ausgelegt, dass die Erwärmung durch Wechselstrom und die Steigerung des Maximalstromwerts noch nicht zu einer Überschreitung des kritischen Stromwerts führt.
Man kann die schädlichen Auswirkungen aber auch dadurch verhindern, dass die Leerlauferregung so erhöht wird, dass die Ankerrückwirkung nur einen Bruchteil ausmacht. Das erfordert zwar auch eine entsprechende Vergrösserung der supraleitenden Wicklung, bringt aber Materialersparnisse auf anderer Seite bzw. eine bessere Ausnutzung des Generators.
Die Steigerung der Leerlauferregung kann durch eine Erhöhung der Luftspaltinduktion bewirkt werden, wobei Ständerzähne und Läufer in Sättigung gehen. Das Ständerjoch kann dabei so weit vergrössert werden, dass das Eisen nicht übersättigt ist. Die ausnutzbare Leistung des Generators steigt dann proportional mit der Luftspaltinduktion. Die Eisenverluste im Ständer gehen zwar infolge des grösseren Magnetflusses in die Höhe, trotzdem steigt der gesamte Wirkungsgrad, da Leerlauf- und Kupferverluste nicht wachsen. Die verstärkte Läufererregung erleichtert die magnetische Kompensierung der Zentrifugalkräfte.
Die Erhöhung der Luftspaltinduktion und die Sättigung der Nutenzähne im Ständer würde die Ständerstreuung herabsetzen und den Stosskurzschlussstrom erhöhen. Dem muss durch einen andern Aufbau der Ständerwicklung, z. B. durch grössere und weniger Nuten, entgegengewirkt werden. Das Leerlauf-Kurzschlussverhältnis wird zweckmässig gegenüber den heute üblichen Werten von 0, 8 bis 1, 2 auf Werte über zwei vergrössert. Je mehr man von der zweiten Massnahme, schädliche Auswirkungen im Kurzschlussfall zu vermeiden, Gebrauch macht, desto weniger ist die erste Massnahme, die supraleitende Erregerwicklung überzudimensionieren, erforderlich. Eine starke Dämpferwicklung im Läufer kann helfen, die Stromspitzen der Erregerwicklung herabzusetzen.
Die Erfindung wird durch Ausführungsbeispiele an Hand von acht Figuren näher erläutert. Es zeigen jeweils in Schnittansichten : Die Fig. l und 2 einen zweipoligen Läufer eines Turbogenerators mit supraleitender Erregerwicklung, die Fig. 3 und 4 vergrösserte Darstellungen der Nutenstäbe dieses Läufers, die Fig. 5 und 6 einen vierpoligen Läufer eines Turbogenerators, die Fig. 7 einen zweipoligen Läufer eines Turbogenerators, und Fig. 8 eine Möglichkeit für die Zu- und Abfuhr des benötigten Kühlmittels.
Die Fig. 1 und 2 zeigen einen zweipoligen Läufer 1 eines Turbogenerators mit supraleitender Erregerwicklung 2. Die Erregerwicklung ist innerhalb eines bandförmigen Tragteiles 3 befestigt, der in einem hohlen Nutenstab 4 untergebracht ist. Der Nutenstab ist fest im Läufereisen verkeilt und erstreckt sich, wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, auch auf die Stirnseite des Läufers.
Der ringförmige Hohlraum zwischen dem Tragband 3 und dem Nutenstab 4 wird durch eine druckempfindliche Wärmeisolation 5, beispielsweise Knitterfolien, ausgefüllt. Damit das Tragband 3 beim Rotieren des Läufers die Wärmeisolation auf der Aussenseite nicht zusammendrückt, wird die Erregung in Abhängigkeit von der Drehzahl so gewählt, dass die magnetischen Kräfte zwischen dem Läufereisen und der Wicklung die Zentrifugalkräfte weitgehend kompensieren. Der Rest wird durch Zuganker 6 aufgenommen, die an den Tragteilen 3 der Wicklung angreifen und gegebenenfalls in der Mitte am Läufereisen befestigt sind.
Fig. 2 lässt erkennen, dass in axialer Richtung des Läufers mehrere Zuganker vorgesehen sind. Da die Zuganker an dem auf supraleitender Temperatur befindlichen Tragband angreifen, haben sie an
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dieser Stelle die gleiche Temperatur wie der supraleitende Draht. Um Wärmeverluste über die Zugan- ker zu verhindern, sind diese ebenfalls gegenüber der Umgebung wärmeisoliert. Sie befinden sich in
Hülsen 7, die mit Wärmeisolation 8 ausgefüllt sind. Die Zuganker und die hiedurch mechanisch verbundenen Wicklungsteile bilden in sich ein geschlossenes mechanisches System. Alle Teile dieses
Systems befinden sich auf sehr niedriger Temperatur. Bei geeigneter Erregung übt dieses System keine
Radialkräfte auf die Umgebung aus.
Lediglich Tangentialkräfte und Schwerkräfte sind hiebei nicht kom- pensiert und müssen durch die Wärmeisolation aufgenommen werden. Diese Kräfte sind aber im Ver- gleich zu den Zentrifugalkräften klein. Man kann sie auch noch dadurch ausschalten, dass man eine
Verspannung wählt, wie sie in Fig. 3 dargestellt ist.
Im Zusammenhang mit den Fig. 1 und 2 soll noch der Aufbau des Läufers erläutert werden. Wie aus
Fig. 2 ersichtlich ist, besteht der Läufer aus einzelnen Lamellen 9. Diese sind, wie Fig. 1 erkennen lässt, so ausgebildet, dass sie sich in die fertige supraleitende Wicklung einschichten lassen. Die in Fig. 1 dargestellte oberste Lamelle 10 besitzt winkelförmige Einschnitte 11, so dass die betreffende La- melle von unten zwischen die Wicklungsstäbe eingeschoben werden kann. Die Verspannung geschieht durch die Lamellenstücke 12, die senkrecht zur Lamellenebene eingelegt werden. Die darunterlie- gende Lamelle ist nicht von unten, sondern von oben zwischen die Wicklungsstäbe eingeschoben und be- sitzt gestrichelt angedeutete Ergänzungsteile 13. Nach dem Einschichten wird das Lamellenpaket durch axiale Stangen 14 zwischen zwei Stirnteilen 15 verspannt.
In Fig. 2 ist eine mögliche Lösung für die Kühlmittelzufuhr angedeutet. Die Kühlflüssigkeit wird durch die Achse zu- und abgeführt. Es ist ein zentral angeordnetes Rohr 16 erkennbar, durch das die Kühlflüssigkeit eintritt und ein axialer Hohlraum 17, durch den das Kühlmedium abgezogen wird.
Einzelheiten der Kühlmittelzufuhr sind in Fig. 8 dargestellt. Die Kühlung der supraleitenden Wicklung kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass durch das Tragband 3 ein Kanal für das Kühlmedium ge- führt ist. Man kann das Tragband aber auch mit einer Kühlschlange umwickeln und durch diese die
Kühlflüssigkeit leiten. Diese Lösung ist in Fig. 3 dargestellt.
Die Fig. 3 und 4 lassen einen vergrösserten Querschnitt durch die Nutenstäbe 4 erkennen. Der
Nutenstab besteht aus einem inneren Teil 18, der aus einem Material besonders hoher Sättigungs- induktion, z. B. Kobalt-Eisen, gefertigt ist, und aus einem äusseren Teil 19, der nicht magnetisch ist. Hiedurch wird erreicht, dass die durch die Erregung der supraleitenden Wicklung 2 auf die Wick- lungsteile ausgeübten magnetischen Kräfte radial nach innen, also entgegengesetzt zur Zentrifugalkraft, wirken.
Das Tragband 3 besteht aus einem Material mit gut wärmeleitenden Eigenschaften, so dass durch die um das Tragband gewickelte Kühlschlange 20 der Supraleitungsdraht auf die geforderte niedrige
Temperatur gebracht werden kann. Die Kühlschlange ist von der Wärmeisolation 5 umgeben. Aus
Fertigungsgründen ist das Tragband längsgeteilt und der supraleitende Draht in eine U-förmige Schiene
21 aus Kupfer eingebracht. Der Supraleitungsdraht wird auf die Schiene gewickelt, dann wird diese zusammen mit den Zugankern 6 in die eine Hälfte des Tragbandes eingelegt, die zweite Hälfte des
Tragbandes am Rande der Trennungsfläche 22 festgelötet, die Kühlschlange herumgewickelt und schliesslich das ganze wärmeisoliert in die Nutenstäbe gebracht. Daraufhin erfolgt das Einschichten der
Läuferlamellen in der zu Fig. 1 beschriebenen Weise.
Wie bereits angedeutet, kann es zweckmässig sein, auch die auf das Tragband ausgeübten Beschleu- nigungs- und Schwerkräfte durch weitere Zuganker abzufangen. In Fig. 3 sind zwei dieser Zuganker dar- gestellt. Sie bestehen aus dünnen Nylonfaden 23, die einen grossen Wärmewiderstand besitzen. Die
Nylonfäden sind sowohl im Tragband 3 als auch in dem im Läufereisen befestigten Nutenstab 4 ver- ankert. Die Befestigungsstelle im Tragband ist mit 24, die spannbare Befestigungsstelle im Nutenstab mit 25 bezeichnet.
Im Gegensatz zu dem Zuganker 6, der sich auf der ganzen Länge auf supraleitender Temperatur befinden kann, ist der Nylonfaden 23 zwischen mechanischen Teilen gelagert, die einen sehr grossen
Temperaturunterschied aufweisen. Der Wärmeverlust über den Nylonfaden ist aber deshalb nicht beson- ders gross, da der Faden einen relativ kleinen Querschnitt und eine relativ grosse Länge hat.
Die durch ihn aufzunehmenden Kräfte sind, wie bereits erwähnt wurde, klein. Sie könnten im Prin- zip auch von zwischen Tragband und Nutenstab eingebrachten Abstandstücken 39 (gestrichelt ange- deutet) mit dünnem Querschnitt aufgefangen werden, obwohl hier das Verhältnis von Durchmesser zu
Länge wegen der Knickfestigkeit des Stabes nicht so klein gemacht werden kann wie bei einem Zugan-
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