Wechselstrom-Synchronmaschinen-Anlage
Die Erfindung betrifft eine Wechselstrom-Synchronmaschinen-Anlage mit einem hohlen, aus nichtmagnetischem Material hergestellten und mittels eines Kryomediums gekühlten Rotor, welches an seinen beiden Enden von Lagern getragen wird und einen zylindrischen Körper aufweist, welcher eine supraleitende Gleichstromwicklung sowie hohle Übergangsteile trät, mittels welcher die Enden des zylindrischen Körpers mit den von den Lagern getragenen Wellenzapfen verbunden sind.
Aufgrund der Entwicklung von supraleitenden Materialien, d. h. z. B. von Niob-, Titan- sowie Niob-Zinn-Legierungen, welche in starken magnetischen Feldern supraleitend sind, wurde verschiedentlich die Verwendung von supraleitenden Wicklungen in rotierenden elektrischen Maschinen vorgeschlagen. Bei den entsprechenden Entwicklungsarbeiten wurde dabei in der Hauptsache die Verwendung einer stationären Feldwicklung aus supraleitendem Material sowie eines Rotors mit nichtsupraleitenden Leitern oder Wicklungen vorgesehen. Das Abkühlen der Feldwicklung auf eine für die Supraleitfähigkeit erforderliche Temperatur wird dadurch vereinfacht, während der Rotor bei Umgebungstemperatur arbeiten kann.
Bisher wurde angenommen, dass das Kühlen einer supraleitenden Rotorwicklung mit grossen Schwierigkeiten verbunden ist, welche auf die Wärmeleitung, von der angekuppelten Maschine her, längs der Rotorwelle, sowie auf die mit der Isolierung und dem Kühlen eines rotierenden Körpers verbundenen Probleme zurückzuführen sind.
Zweck der Erfindung ist es somit, eine Wechselstrom Synchronmaschinen-Anlage zu schaffen, welche die mit bestehenden Ausführungen verbundenen Nachteile und Probleme weitgehend nicht aufweist.
Die erfindungsgemässe Wechselstrom-Synchronmaschinen-Anlage der eingangs genannten Art ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Zufuhrvorrichtung für das Kryomedium zur supraleitenden Wicklung, ferner zu den Übergangsteilen sowie zu mindestens einem thermischen Strahlungsschutzschirm vorgesehen ist, welcher an der Aussenseite des Rotors mit Abstand vom zylindrischen Körper angeordnet ist.
Zweckmässigerweise haben die vorzugsweise kegelstumpfförmigen Übergangsteile eine der erforderlichen Festigkeit entsprechende, möglichst kleine Stärke, damit der Wärmefluss von den Wellenzapfen zur Rotorwicklung auf ein Minimum reduziert wird. Zur Verstärkung der Übergangsteile, ohne Erhöhung des Wärmeflusses, können Ringe oder Rippen vorgesehen werden. Die Übergangsteile sind vorzugsweise aus einem. Material hergestellt, welches bei den herrschenden tiefen Temperaturen eine niedrige thermische Leitfähigkeit besitzt, wie z. B. Titanlegierungen oder rostfreier Stahl.
Die Strahlungsschutzschicht dient zur Herabsetzung der nach innen gegen den Rotor gerichteten Wärmestrahlung und ist vorzugsweise durch einen Vakuumrahmen vom hohlen kreiszylindrischen Körper getrennt. Dieser Vakuumraum kann von einem am Rotor angeordneten und das Strahlungsschild umgebenden Gehäuse begrenzt werden, welches mit Abstand vom Strahlungsschutzschild befestigt ist. Das Strahlungsschild kann mittels Röhren gekühlt werden, welche ein Kühlmedium, z. B. Helium, von einer unterhalb derjenigen der Umgebungsatmosphäre liegenden Temperatur führt.
Die supraleitende Rotorwicklung kann eine herkömmliche Form haben und beispielsweise in Epoxyharz eingebettet sein. Das Epoxyharz kann mittels Fasermaterial, wie z. B. Kohlenstoff- oder Glasfasern, verstärkt sein, damit es die Leiter tragen kann.
Vorzugsweise findet eine sinusförmige Verteilung des Radialfeldes rund um den Rotor statt, was durch eine sinusförmige Verteilung des Rotorstromes erreichbar ist.
Eine derartige Stromverteilung ist bei der beschriebenen Konstruktion durch eine Wicklungsverteilung möglich, bei welcher die radiale Tiefe rund um den Umfang des vierzylindrischen Körpers variiert. Bei einer zweipoligen Maschine können z. B. zwei einander diametral gegenüberliegende Wicklungen verwendet werden, von denen jede sich über etwa die Hälfte des Umfanges des zylindrischen Körpers erstreckt. Das radiale Tiefenmaximum jeder der einzelnen Wicklungen tritt dort auf, wo sie am weitesten voneinander entfernt sind, um dann allmählich auf ein Minimum abzusinken, welches sich dort befindet, wo die Wicklungen am nächsten beieinander liegen. Diese Anord nung kann derart geändert werden, dass sie einer Ausführung mit vier oder mehr Polen entspricht.
Damit der zylindrische Körper gleichmässig belastet ist, kann rund um ihn ein Wicklungsersatz oder eine Füllung zur Verbesserung der Gewichtsverteilung angeordnet werden.
Während Zentrifugalkräfte durch Verwendung eines Wicklungsersatzes undloder einer Füllung gleichmässig verteilt werden können, erzeugen elektromagnetische Kräfte eine ungleichmässige Belastung, welche dazu tendiert, dem zylindrischen Körper eine ovale Form zu geben. Als Mittel gegen diese Auswirkung kann der zylindrische Körper mit radial angeordneten Rippen ausgerüstet werden, welche sich von einer Nabe oder einem in der Mitte angeordneten Rohrstock erstrecken.
Das für die Rotorwicklung verwendete, supraleitende Material kann ein in seinem Innern gekürztes Rohr sein, oder es kann eine zusammengesetzte Form haben und aus mehreren sich kreuzenden Supraleitern bestehen, welche beispielsweise in Epoxyharz eingebettet sind. Die Leiter können mittels rund um die Wicklungen angeordneter Röhren undloder, sofern sie hohl sind, im Innern gekühlt werden.
Das Kühlmedium, z. B. Helium, kann in einer ausserhalb des Rotors angeordneten Kühlvorrichtung gekühlt und dann in die Wicklung eingeführt werden. Ferner kann mindestens ein Teil der Kühlanlage innerhalb des Rotorkörpers angeordnet werden, und zwar koaxial, damit die Zentrifugalkräfte möglichst stark reduziert werden.
Der Stator kann eine herkömmliche, nicht supraleitende Wicklung, z. B. eine Doppelschichtwicklung aus Kupfer umfassen. Infolge des intensiven Magnetfeldes ist aber kein Magnetkern erforderlich. Die Wicklung kann in Epoxyharz eingebettet sein, welches von einem Gehäuse getragen, jedoch mittels eines magnetischen Schildes, beispielsweise aus laminiertem Eisen, von ihm getrennt ist.
Als alternative Ausführung kann das Gehäuse zusätzlich als magnetisches Schild wirken, welches notwendig ist, damit das Vorhandensein von hohen magnetischen Feldern ausserhalb der Synchronmaschine vermieden wird.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemässen Wechselstrom-Synchronmaschinen-Anlage anhand der Zeichnung näher erläutert.
Es stellen dar:
Fig. 1 einen schematischen Längsschnitt durch eine Wechselstrom-Synchrongeneratoren-Anlage;
Fig. 2 einen Querschnitt durch eine Rotorwicklung mit zylindrischem Körper;
Fig. 3 einen Querschnitt durch einen zylindrischen Körper mit einer Verstärkungsrippe; und
Fig. 4 ein Prinzipschema des Kühlmediumkreises für den Rotor in Fig. 1.
In Fig. 1 werden eine Wechselstrom-Synchrongenerator-Anlage mit einem Rotor 1, welcher eine Rotorwicklung 2 und einen, den Rotor umgebenden Stator 3 trägt, sowie eine Statorwicklung 4 gezeigt.
Der Rotor umfasst einen zylindrischen Körper oder Trägerzylinder la aus nichtmagnetischem Material, wie z. B. rostfreiem Stahl, Titan oder mit Kohlenstofffasern verstärktem Material, sowie zwei hohle konische Übergangsteile lb, welche jeweils an den Enden des Trägerzylinders la angeordnet sind. Die Übergangsteile Ib verbinden den Trägerzylinder la mit zwei Wellenzapfen 5a und Sb, welche von zwei Lagern 6 getragen werden.
Rund um den Trägerzylinder la und die Übergangsteile lb ist ein Strahlungsschutzschild Ic vorgesehen, welches mit Ausnahme von seinen Enden, wo es mit den Übergangsteilen in Verbindung kommt, mit Abstand vom Trägerzylinder und den Übergangsteilen angeordnet ist.
Ein Aussengehäuse Id umgibt das Strahlungsschild 1 c, ist aber mit Abstand von ihm angeordnet. Das Strahlungsschild Ic besteht vorzugsweise aus einem Material mit hoher thermischer Leitfähigkeit, wie z. B. einer Aluminium legierung. Das Aussengehäuse Id begrenzt einen Vakuumraum und besteht aus einem Material mit einem hohen Verhaltnis zwischen Festigkeit und Gewicht. Das Aussengehäuse Ic ist an den Wellenzapfen 5a und 5b mit den Enden des Rotors verschweisst.
Zwischen dem Trägerzylinder und dem Schutzschild, bzw. zwischen dem Schutzschild und dem Aussengehäuse, befinden sich zwei Räume 7 und 8, welche zur Herabsetzung des Wärmeflusses nach innen entweder unter Vakuum oder sehr tiefem Druck stehen. In den Räumen 7 und 8 kann ferner zur Herabsetzung des Wärmeflusses nach innen, ein Material mit tiefer thermischer Leitfähigkeit, z. B. ein aluminisierter Polyesterfilm der Marke Mylar oder Aluminiumglasfiber verwendet werden.
Die Rotorwicklung 2 aus supraleitendem Material wird von der Innenseite des Trägerzylinders la getragen, wobei aber die Details einfachheitshalber weggelassen sind. Die Rotorwicklung 2 kann beispielsweise in Epoxyharz eingebettet sein, welches zur Herstellung einer Verbindung zwischen den einzelnen Wicklungen, sowie zwischen den Wicklungen und dem Trägerzylinder härtbar ist.
Die Statorwicklung besteht aus nicht supraleitendem Material und kann eine herkömmliche Form aufweisen, d. h. als Doppelschichtwicklung ausgeführt sein, jedoch mit der Ausnahme, dass ein Eisenkern nicht erforderlich ist Die Wicklung kann, wie im Falle der Rotorwicklung, in einem Epoxyharz eingebettet sein. Aus Gründen der Einfachheit wurde auch noch die Statorwicklung nicht detailliert gezeigt Der Durchmesser der Einzeldrähte in der Statorwicklung muss klein gehalten werden und beträgt in den meisten Fällen etwa 1 mm.
Das Aussengehäuse des Stators 3 ist mit Abstand von der Wicklung 4 angeordnet und dient infolge des vorhandenen starken magnetischen Feldes als magnetisches Schild für die Synchronmaschine. Zu diesem Zweck kann das Aussengehäuse aus laminiertem, magnetischem Material, wie Eisen oder Flusseisen, bestehen. Als alternative Ausführung kann ein getrenntes Magnetschild zwischen dem Aussengehäuse und der Statorwicklung vorgesehen werden.
Die supraleitende Rotorwicklung 2 kann beispielsweise aus einer Niob-Titan- oder einer Niob-Zinn-Legierung bestehen. Derartige Materialien haben einen Widerstand gleich Null, d. h dass sie im Temperaturbereich von 10 bis 20 K supraleitend werden. Während einige supraleitende Materialien ihre Superleitfähigkeit dann verlieren, wenn starke Magnetfelder vorhanden sind, bleiben die genannten Legierungen bei einer Temperatur von 5 K bis 10 K auch noch innerhalb von magnetischen Feldern supraleitend. Die Wicklung wird mittels eines umlaufenden Kryomediums, wie z. B. eines superkritischen Heliumgases, bei der erforderlichen Tieftemperatur gehalten.
In Fig. list schematisch gezeigt, wie das Kryomedium durch einen Einlass 9 im Wellenzapfen 5b eintreten und durch Kanäle 10 zur Wicklung und ferner durch einen Kanal 11 zu einem Auslass 12 in der Oberfläche des Wellenzapfens Sb strömen kann. Die Kanäle 10 und 11 sind im Raum 13 innerhalb des Rotors 2 des hohlen Wellenzapfens Sb angeordnet Der Raum 13 ist vorzugsweise evakuiert, damit der Wärmeverlust in den Kanälen und in der Wicklung reduziert wird. Das Kryomedium wird ferner zur Kühlung des Übergangsteils lb verwendet, damit die durch die Wellenzapfen Sa und 5b einströmende Wärme nicht den Körper la und demzufolge die Wicklung erreichen kann.
Weiter unten ist mit Bezug auf Fig. 4 ein getrennter, nicht in Fig. 1 gezeigter Kühlkreis beschrieben, welcher vorteilhafterweise für den Übergangsteil vorgesehen ist.
Der Erregerstrom für die Rotorwicklung wird über am Wellenzapfen 5b angeordnete Schleifringe 14 geleitet, deren Betriebstemperatur normal ist.
In Fig. 2 ist ein Schnitt durch einen Trägerzylinder und die mit ihm verbundene Rotorwicklung für eine zweipolige Wicklung abgebildet. Die Gesamtwicklung besteht wie gezeigt aus einander diametral gegenüberliegenden Wicklungen. Um eine sinusförmige Stromverteilung zu erhalten, werden die Leiter 2a der Spulen derart verteilt, dass die Tiefe der Wicklungen in radialer Richtung am Umfang des Trägerzylinders 1 a wie gezeigt variieren. Die Tiefe in radialer Richtung hat ein Maximum an den Seiten jeder Wicklung. Eine derartige Anordnung führt zu einer uneinheitlichen Gewichtsverteilung innerhalb der Wicklung. Um eine gleichmässige Gewichtsverteilung zu erhalten, kann ein Wicklungsersatz oder eine Füllung 15 verwendet werden. Der von einer derartigen Wicklung erzeugte Fluss ist mit den Kraftlinien F bezeichnet.
Die Form der Wicklung kann den vorliegenden Bedingungen angepasst werden und kann beispielsweise, wie bei herkömmlichen Synchronmaschinen, konzentrisch sein. Die gesamte Wicklung ist in einem Material 2b, z. B.
Epoxyharz, eingebettet.
Während die Zentrifugalkraft-in der beschriebenen Weise gleichmässig verteilt werden kann, neigen die elektromagnetischen Kräfte dazu, den Trägerzylinder zu verformen. Um dieser Neigung entgegenzuwirken, kann der Tragzylinder mittels Rippen 16, wie in Fig. 3 gezeigt, verstärkt werden. Die Rippe kann sich dabei diametral über den Tragzylinder erstrecken. Vorzugsweise wird aber eine Nabe oder ein Rohr 17 verwendet, von welchem sich die Rippen in der gezeigten Weise erstrecken. Die Verwendung einer solchen Nabe trägt dazu bei, die Rippenstärke auf ein Mindestmass zu reduzieren. Die Rippen teilen, im Falle einer zweipoligen Wicklung, den Raum 13 zweckmässigerweise in zwei gleiche Teile. Bei Synchrongeneratoren mit vier oder mehr Polen wird der Raum vorteilhaft in entsprechend viele Räume aufgeteilt.
Je nach der Grösse der Synchronmaschine kann es notwendig werden, die letzte Kühlstufe innerhalb des Rotors anzuordnen, damit die Temperatur des Kryomediums auf die zur Erhaltung des supraleitenden Zustandes der Wicklung 2 erforderliche Höhe reduziert werden kann. In diesem Falle kann eine kleine Kühlvorrichtung im Raum 13 zusätzlich zur Hauptkühlvorrichtung ausserhalb der Synchronmaschine vorgesehen werden. Als alternative Ausführungsform kann die Kühlvorrichtung ganz oder teilweise innerhalb des Rotors eingebaut sein. In diesem Falle, d. h. wenn der gesamte Kühlzyklus innerhalb des Rotors stattfindet, wird das Kryomedium einem Rotor von normaler Temperatur unter einem Druck von z. B. 7 Atmosphären zugeführt. Wenn das Kryomedium vom Rotor abgeführt wird, hat es sowohl eine beinahe normale Temperatur als einen normalen Druck, d. h. etwa 1,2 Atmosphären.
In Fig. 4 ist der Kryomediumskreis in schematischer Form für den Fall dargestellt, dass die letzte Kühlstufe innerhalb des Rotors angeordnet ist. Das Kryomedium wird in einem Kompressor 18 verdichtet und dann in einer Kühlvorrichtung 19 verflüssigt. Das Kühlmedium verlässt die Kühlvorrichtung bei einer Temperatur von etwa 80 K, tritt dann in den Wellenzapfen 5b ein und fliesst zu einer weiteren Kühlstufe 20, welche in der Welle 5 angeordnet ist. Dort wird die Temperatur des Kryomediums weiter auf einen Wert herabgesetzt, der dazu geeignet ist, die Wicklung auf eine Temperatur von z. B. 4" K zu reduzieren, bei welcher sie supraleitend wird. Das Kryomedium fliesst dann von der Kühlstufe 20 zur Rotorwicklung 2 und weiter durch in der Wicklung angeordnete Röhren undloder Hohlleiter.
Nachdem das Kryomedium die Wicklung verlassen hat, wird es zum Kompressor 18 zurückgeführt, jedoch erst nachdem es zur Vorkühlung des durch die Kühlstufe 20 geleiteten Mediums verwendet wurde.
Ein Teil des die Wicklung verlassenden Kryomediums wird aussen um die Kühlstufe 20 herumgeführt und in den Kühlvorrichtungen 21 und 22 zur Kühlung von nicht gezeigten Leitern verwendet, welche Erregerstrom zur Wicklung führen. Ausserdem wird ein Teil des Kühlmediums vom Kreis zwischen der Kühlvorrichtung 19 und der Kühlstufe 20 abgezweigt und den Rohrwicklungen 23 zugeführt, welche zum Kühlen der Übergangsteile lb sowie zur Herabsetzung des Wärmeflusses von den Wellenzapfen 5a und 5b zum Trägerzylinder la benutzt wird. Das Medium kann ferner durch am Strahlschutzschild Ic befestigte Röhren geleitet werden, was nicht in Fig. 4 gezeigt ist.
Die Wärmeaustauscher und die Kühlstufe können in einen in der Welle 5 angeordneten Manschette eingebaut werden, damit der Ausbau und der Unterhalt erleichtert werden.