DE10110674A1

DE10110674A1 - Maschine mit einer in einem Wicklungsträger angeordneten supraleitenden Wicklung sowie mit Mitteln zur Drehmomentübertragung von dem Wicklungsträger auf einen Wellenteil

Info

Publication number: DE10110674A1
Application number: DE10110674A
Authority: DE
Inventors: Markus Boss; Michael Frank; Adolf Kuehn; Peter Massek; Wolfgang Nick; Peter Van Haselt
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2001-03-06
Filing date: 2001-03-06
Publication date: 2002-09-26
Also published as: US20040075349A1; WO2002071584A1; JP3774194B2; US6836043B2; DE50210500D1; EP1366559A1; EP1366559B1; JP2004521592A

Abstract

Die Maschine (2) weist einen um eine Rotationsachse (A) drehbar gelagerten Rotor (5) mit einer supraleitenden Wicklung (10) in einem Wicklungsträger (9) auf. Zur Halterung des Wicklungsträgers innerhalb eines Rotoraußengehäuses (7) ist auf einer drehmomentübertragenden Seite (AS) eine starre Verbindungseinrichtung (8a) mit einem hohlzylindrischen Verbindungselement (12c) aus faserverstärktem Kunststoff vorgesehen. Das Verbindungselement (12c) soll einstückig aus stirnseitigen Endteilen und einem dazwischen liegenden Mittelteil bestehen, wobei die Endteile in Umfangsrichtung gesehen gewellt und der Mittelteil ungewellt sind. Das Verbindungselement (12c) ist mit seinen Endteilen in nutartige Ausnehmungen von flanschartigen Endstücken (12a, 12b) aus Metall kraftschlüssig ineinandergreifend verbunden.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Maschine mit einem um ei ne Rotationsachse drehbar gelagerten Rotor, der ein Rotorau ßengehäuse hat, das an axialen Rotorwellenteilen befestigt ist und einen Wicklungsträger mit einer supraleitenden Wick lung umschließt. Der Rotor weist ferner Mittel zur Halterung des Wicklungsträgers innerhalb des Rotoraußengehäuses auf, die auf einer drehmomentübertragenden Seite eine starre Ver bindungseinrichtung zwischen dem Wicklungsträger und dem zu geordneten Rotorwellenteil mit mindestens einem drehmoment übertragenden hohlzylindrischen Verbindungselement aus einem faserverstärkten Kunststoff umfassen. Ferner sind Mittel zur Kühlung und thermischen Isolation der supraleitenden Wicklung vorgesehen. Eine entsprechende Maschine geht aus der US 5,880,547 A hervor.

Elektrische Maschinen, insbesondere Generatoren oder Motoren, besitzen in der Regel eine rotierende Feldwicklung und eine feststehende Ständerwicklung. Durch die Verwendung von tief gekühlten und insbesondere supraleitenden Leitern kann man dabei die Stromdichte und dadurch die spezifische Leistung der Maschine, d. h. die Leistung pro Kilogramm Eigengewicht, erhöhen und auch den Wirkungsgrad der Maschine steigern.

Tiefkalte Wicklungen elektrischer Maschinen müssen im allge meinen von der Umgebung thermisch isoliert und mit einem Kühlmittel auf der geforderten Tieftemperatur gehalten wer den. Eine effektive Wärmeisolation kann dabei nur erreicht werden, wenn die tiefkalten Teile der Maschine von dem warmen Außenraum möglichst durch ein Hochvakuum mit einem Restgas druck im allgemeinen unter 10^-3 mbar getrennt sind und wenn Verbindungsteile zwischen diesen tiefkalten Teilen und dem warmen Außenraum möglichst wenig Wärme übertragen.

Für eine Vakuumisolation von Rotoren mit tiefzukühlenden Läu ferwicklungen und warmen Ständerwicklungen sind insbesondere zwei Varianten bekannt: Bei einer ersten Ausführungsform hat der Rotor ein warmes Außengehäuse und einen mitrotierenden abgeschlossenen Vakuumraum. Der Vakuumraum sollte dabei den tiefkalten Bereich allseitig umgeben (vgl. z. B. "Siemens Forsch. u. Entwickl.-Ber.", Bd. 5, 1976, No. 1, Seiten 10 bis 16). Über sich durch den Vakuumraum erstreckende Abstützungen erfolgt jedoch eine unerwünschte Übertragung von Wärme auf die tiefkalten Teile. Bei einer zweiten Ausführungsform ro tiert der im wesentlichen kalte Rotor in einem Hochvakuum. Dabei wird die äußere Begrenzung des Hochvakuumraumes durch die Innenbohrung des Ständers festgelegt. Eine solche Anord nung erfordert jedoch hochvakuumdichte Wellendichtungen zwi schen dem Rotor und dem Ständer (vgl. z. B. DE 27 53 461 A).

Bei der aus der eingangs genannten US-A-Schrift entnehmbaren Maschine ist die erstgenannte Ausführungsform realisiert. Bei ihrem Rotor befindet sich die supraleitende Wicklung im Inne ren eines Läuferkryostaten, der mit angebrachten Flanschwel len ein Außengehäuse des Rotors bildet. Für die Supraleiter der Wicklung ist eine Heliumkühlung vorgesehen. Demgegenüber befindet sich die Außenkontur des Rotoraußengehäuses etwa auf Raumtemperatur und im Betrieb auch gegebenenfalls darüber. Das Nutzdrehmoment der Maschine wird in der Rotorwicklung er zeugt. Diese ist in einem kalten Wicklungsträger angeordnet, der seinerseits isoliert in dem als Kryostaten wirkenden Ro toraußengehäuse aufgehängt bzw. gehaltert ist. Dabei muss diese Aufhängung bzw. Halterung auf der Antriebsseite des Ro tors, die häufig als A-Seite der Maschine bezeichnet wird, stabil genug sein, um das Drehmoment von dem kalten Wick lungsträger auf einen antriebsseitigen Wellenteil zu übertra gen. Eine entsprechende, starre Verbindungseinrichtung zur Drehmomentübertragung muss daher verhältnismäßig massiv dimensioniert und kraftschlüssig mit dem Wicklungsträger und dem antriebsseitigen Wellenteil verbunden werden. Dadurch be dingt kommt es zu einer unvermeidlichen Wärmeeinleitung in den kalten Bereich des Rotors. Häufig sieht man sieht sich deshalb zu einer Kühlung der Verbindungseinrichtung veran lasst (vgl. z. B. "Handbook of Applied Superconductivity", Vol. 2: Ed.: B. Seeber, Institute of Physics Publishing, Bris tol (GB), 1998, Seiten 1497 bis 1499 und 1522 bis 1530). Zugleich übernimmt diese Verbindungseinrichtung auch die an triebsseitige Zentrierung des kalten Wicklungsträgers. Auf der gegenüberliegenden Rotorseite, die auch als Nichtan triebs- oder allgemein auch als B-Seite bezeichnet wird, weil an ihr für einen Betrieb der Maschine wichtige Verbindungen wie z. B. eine Kühlmittelzufuhr vorgesehen sind, wird prak tisch kein Drehmoment ausgeleitet. Daher sind hier im wesent lichen nur die Funktionen einer Zentrierung und thermischen Isolierung zu erfüllen. Darüber hinaus müssen dort Maßnahmen zu einem Ausgleich der Schrumpfung des abgekühlten Wicklungs trägers vorhanden sein.

Zur Verminderung der Wärmeeinleitung in den gekühlten Supra leitungsbereich des Rotors ist bei einer speziellen Ausfüh rungsform der bekannten Maschine vorgesehen, dass zumindest auf der Antriebsseite die drehmomentübertragende Verbindungs einrichtung ein hohlzylindrisches Verbindungselement aus einem glasfaserverstärkten Kunststoff aufweist. Dieser Hohl zylinder ist an seinen beiden axialen Enden jeweils mit einem Kopplungselement aus Stahl versehen, das mit dem Wicklungs träger bzw. der Antriebswelle kraftschlüssig verbunden ist. Die mechanische Verbindung zwischen dem Hohlzylinder aus Kunststoff und den Kopplungselementen aus Stahl muss eine ho he Überlastfestigkeit und Dauerfestigkeit bei wechselnden Be anspruchungen gewährleisten, da beispielweise beim Anlaufen bzw. bei verschiedenen Störfällen an solchen Motoren deutlich höhere Momente als im normalen Betriebsfall auftreten, die nicht zu einer Schädigung der Verbindungseinrichtung führen dürfen. Die US-A-Schrift enthält jedoch keine Einzelheiten bezüglich der Verbindung zwischen dem Hohlzylinder und den Kopplungselementen.

Neben den seit langem bekannten metallischen Supraleitermate rialien wie z. B. NbTi oder Nb₃Sn, wie sie bei den vorstehend erwähnten Maschinen eingesetzt werden, sind seit 1987 auch metalloxidische Supraleitermaterialien mit Sprungtemperaturen von über 77 K bekannt. Mit Leitern unter Verwendung solcher Hoch(High)-T_c-Supraleitermaterialien, die auch als HTS-Mate rialien bezeichnet werden, versucht man, supraleitende Wick lungen von Maschinen zu erstellen (vgl. z. B. WO 98/02953). Auch Maschinen mit diesem Leitertyp erfordern auf Grund der Temperaturunterschiede zwischen der Betriebstemperatur des Supraleitermaterials und der Außentemperatur des wärmeren Ro toraußengehäuses Maßnahmen zur Verminderung der Temperatur einleitung in den Supraleitungsbereich.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, für eine Maschine mit den eingangs genannten Merkmalen eine geeignete Verbin dungseinrichtung zur Drehmomentübertragung anzugeben, die auf verhältnismäßig einfache Weise eine kraftschlüssige, eine hohe Dauer- und Überlastfestigkeit gewährleistende Verbindung zwischen dem kalten Wicklungsträger und dem zugeordneten war men Rotorwellenteil ermöglicht und dabei Wärmeleitungsverlus te zum kalten Wicklungsträger begrenzt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des An spruchs 1 gelöst. Dementsprechend sollen bei der Maschine mit den eingangs genannten Merkmalen
das Verbindungselement einstückig aus stirnseitigen Endteilen und einem dazwischen liegenden Mittelteil bestehen,
die Endteile in Umfangsrichtung gesehen eine Wellenform auf weisen, während der Mittelteil ungewellt sein soll,
das Verbindungselement an den Endteilen mit flanschartigen Endstücken aus Metall kraftschlüssig ineinander greifend ver bunden sein, wobei

1. a) die Endteile vollständig und der Mittelteil jeweils ein Stückweit in nutartige Ausnehmungen des jeweiligen flanschartigen Endstücks hineinragen,
2. β) zumindest eine Seitenwand jeder Ausnehmung eine an die Wellenform des jeweiligen Endteils angepasste Wellenform aufweist,
3. γ) jeder Endteil wenigstens teilweise mit seiner Wellenform an der Wellenform der Seitenwand der entsprechenden Aus nehmung anliegt, und
4. δ) die in den Ausnehmungen angeordneten Teile des Verbin dungselementes mittels einer zumindest teilweisen Füllung der verbleibenden Räume der Ausnehmungen fixiert sind.

Außerdem sollen bei der Maschine die flanschartigen Endstücke mit einem zugehörenden Teil des Wicklungsträgers bzw. einem mit dem Rotorwellenteil verbundenen Seitenteil des Rotorau ßengehäuses kraftschlüssig zu verbinden sein.

Die mit dieser Ausgestaltung der Maschine verbundenen Vortei le sind darin zu sehen, dass durch die besondere Ausgestal tung des hohlzylindrischen Verbindungselementes zumindest im Bereich seiner stirnseitigen Endteile und wegen der entspre chenden Gestaltung der flanschartigen Endstücke im Verbin dungsbereich mit diesen Endteilen eine gute kraftschlüssige Verbindung zwischen dem schlecht wärmeleitenden Teil des hohlzylindrischen Verbindungselementes und den Metallteilen des Wicklungsträgers erreicht wird. Dabei werden vorteilhaft im Verbindungsbereich zwischen Kunststoff und Metall, der an sonsten eine Schwachstelle der Drehmomentübertragung dar stellt, Probleme der Scherfestigkeit insbesondere bzgl. Über last und im Dauerbetrieb umgangen, indem das Moment nunmehr in den nutenartigen Aussparungen in erster Linie durch Druck und weniger durch Scherung übertragen wird. Zur Verbesserung des Kraftschlusses kann das Verbindungselement mit den flanschartigen Endstücken verklebt sein. Dabei werden die Endteile in den nutartige Ausnehmungen des jeweiligen flanschartigen Endstücks mittels der Füllung quasi verkeilt. Denn die entsprechenden Keile aus dem Füllungsmaterial wie z. B. aus einem aushärtbaren Kunststoff füllen dann zumindest weitgehend die Zwickelräume zwischen den gewellten Endteilen und den Seitenwänden der nutenartigen Ausnehmungen aus. Mit einer solchen Verkeilung wird nicht nur ein Herausrutschen des Verbindungselementes aus den Ausnehmungen verhindert; vielmehr wird dadurch auch im Verbindungsbereich "Metall- Kunststoff" die Kraftübertragung mittels Druckkräften statt durch Scherkräfte verbessert.

Mit der Wellung der wenigstens einen Seitenwand jeder Ausspa rung und dem Formschluss mit dem jeweiligen, entsprechend ge wellten Endteil ist in Umfangsrichtung gesehen eine besonders gleichmäßige Verteilung der Kräfte bei der Drehmomentübertra gung zu gewährleisten. Da zusätzlich das ungewellte, als glatter Hohlzylinder ausgebildete Mittelteil des Verbindungs elementes ein Stückweit ebenfalls in jede der Aussparungen hineinragt und dort fixiert und somit mit dem jeweiligen End stück aus Metall kraftschlüssig verbunden ist, wird eine be sondere Belastung des Übergangsbereichs zwischen dem gewell ten Endteil und dem ungewellten Mittelteil vermieden. Die un gewellte Ausbildung des Mittelteils hilft vorteilhaft die Ge fahr einer Beulung dieses Teils zu vermindern.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Maschine gehen aus den abhängigen Ansprüchen hervor.

So ist es als besonders vorteilhaft anzusehen, wenn eine über den Umfang gleichmäßig verteilte Wellenform der Endteile vor gesehen wird. Dabei kann vorzugsweise die Wellenform sinusar tig sein. Mit einer solchen Ausgestaltung der Endteile und damit der mindestens einen Seitenwand der jeweils zugeordne ten nutenartigen Ausnehmung ist eine besonders gleichmäßige Kraftübertragung zwischen diesen Teilen zu gewährleisten.

Ferner ist es besonders vorteilhaft, wenn sich zumindest der größere Teil (d. h. mehr als die Hälfte) der Fasern des Faser materials ununterbrochen über jeden Übergangsbereich zwischen dem jeweiligen Endteil und dem Mittelteil des Verbindungsele mentes erstreckt. Denn über diese Bereiche durchgehende Fa sern tragen zu einer hohen kräftemäßigen Belastbarkeit dieser an sich kritischen Bereiche bei. Als Fasern kommen bekannte Fasermaterialien, insbesondere Glasfasern oder Kohlenstofffa sern in Frage.

Zur Verbesserung des Kraftschlusses und zu einer guten Dreh momentübertragung zwischen den flanschartigen Endstücken und dem Wicklungsträger bzw. dem antriebsseitigen Rotorwellenteil sind vorteilhaft die Endstücke jeweils mit einer stirnseiti gen Verzahnung versehen, die in eine entsprechende Verzahnung des jeweiligen Gegenstückes eingreift. Die Verzahnung kann dabei in sich selbst sichernder Weise ausgebildet sein. Ent sprechende Verzahnungen sind an sich bekannt.

Für die Leiter der supraleitenden Wicklung kommt entweder me tallisches Niedrig-T_c-Supraleitermaterial oder insbesondere metalloxidisches Hoch-T_c-Supraleitermaterial in Frage. Durch die Verwendung des letztgenannten Materials wird die Kühl technik vereinfacht.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Maschine sind Gegenstand der restlichen Unteransprüche.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer Maschine nach der Erfindung wird nachfolgend an Hand der Zeichnung noch weiter erläutert. Dabei zeigen jeweils schematisch

deren Fig. 1 eine mögliche Ausführungsform der Maschine in einem Längsschnitt,

deren Fig. 2 eine spezielle Ausgestaltung einer Verbindungs einrichtung dieser Maschine in einem Längs schnitt,

deren Fig. 3 eine Frontansicht auf ein flanschartiges End stück der Verbindungseinrichtung nach Fig. 2, sowie

deren Fig. 4 bis 6 eine Frontansicht bzw. eine Schrägan sicht bzw. eine Längsschnittansicht eines Ver bindungselementes der Verbindungseinrichtung nach Fig. 2.

In den Figuren sind sich entsprechende Teile mit denselben Bezugszeichen versehen.

Bei der nachfolgend angedeuteten Ausführungsform der Maschine kann es sich insbesondere um einen Synchron-Motor oder einen Generator handeln. Selbstverständlich sind auch andere Anwen dungs- bzw. Einsatzgebiete entsprechender Maschinen wie für hohe Drehzahlen, kompakte Antriebe z. B. von Schiffen oder für sogenannte Offshore-Einrichtungen wie z. B. Bohrplattformen möglich. Die erfindungsgemäße Maschine umfasst eine rotieren de, supraleitende Wicklung, die prinzipiell eine Verwendung von metallischem LTS-Material (Niedrig-T_c-Supraleitermate rial) oder insbesondere oxidischem HTS-Material (Hoch-T_c- Supraleitermaterial) gestattet. Letzteres Material sei für das nachfolgende Ausführungsbeispiel ausgewählt. Die Wicklung kann aus einer Spule oder einem System von Spulen in einer zwei-, vier- oder sonstigen mehrpoligen Anordnung bestehen. Der prinzipielle Aufbau einer solchen Synchronmaschine geht aus Fig. 1 hervor, wobei von bekannten Ausführungsformen solcher Maschinen ausgegangen wird (vgl. z. B. den vorstehend genannten Stand der Technik).

Die allgemein mit 2 bezeichnete Maschine umfasst ein festste hendes, auf Raumtemperatur befindliches Maschinenaußengehäuse 3 mit einer Ständerwicklung 4 darin. Innerhalb dieses Außen gehäuses und von der Ständerwicklung 4 umschlossen ist ein Rotor 5 drehbar um eine Rotationsachse A in Lagern 6a und 6b gelagert. Hierzu weist der Rotor ein als Vakuumgefäß gestal tetes Rotoraußengehäuse 7 auf, in dem ein Wicklungsträger 9 mit einer HTS-Wicklung 10 gehaltert ist. Dieses Rotoraußenge häuse umfasst an seinen axial gegenüberliegenden (Stirn-) Seiten jeweils einen scheiben- oder ringscheibenförmig ges talteten Seitenteil 7a bzw. 7b. Jeder dieser Seitenteile ist mit einem massiven axialen Rotorwellenteil 5a bzw. 5b starr verbunden, wobei jedem Rotorwellenteil eines der Lager 6a bzw. 6b zugeordnet ist. Auf der sogenannten Antriebsseite AS des Rotoraußengehäuses 7 ist eine starre, rohrförmige Verbin dungseinrichtung 8a zwischen dem Wicklungsträger 9 und dem scheibenförmigen, mit dem Rotorwellenteil 5a fest verbundenen scheibenförmigen Seitenteil 7a des Rotoraußengehäuses vorge sehen. Über die erfindungsgemäß gestaltete, starre Verbin dungseinrichtung 8a mit stirnseitig flanschartigen Endstücken 12a und 12b sowie einem dazwischen verlaufenden Verbindungs element 12c (vgl. Fig. 2) erfolgt auch die Drehmomentüber tragung. Vorteilhaft besteht die Verbindungseinrichtung im Wesentlichen aus einem schlecht wärmeleitenden Hohlzylinder, der aus einem mit Fasern wie beispielweise mit Glasfasern verstärkten Kunststoffmaterial (sogenanntes "GFK"-Material) besteht. Dabei sind in an sich bekannter Weise die Fasern in das für sie als Matrix dienende, unter Festigkeitsgesichts punkten ausgewählte Kunststoffmaterial gelegt. Die Fasern verlaufen dabei in dem Kunststoffmaterial vorteilhaft schräg bzgl. der Rotationsachse A, also nicht parallel oder senk recht dazu. Gegebenenfalls können sie sich auch in verschie denen Lagen befinden, wobei ihre Winkel bzgl. der Achse auch unterschiedlich sein können. Das so gebildete Verbundmaterial gewährleistet dann eine für die Drehmomentübertragung hinrei chend große mechanische Steifigkeit und großen Schubmodul (G-Modul) bei gleichzeitig geringer Wärmeleitfähigkeit. Wei tere Einzelheiten der Verbindungseinrichtung sind in Fig. 2 dargestellt. Wie ferner aus Fig. 1 hervorgeht, ist auf der der Antriebsseite AS gegenüberliegenden, nachfolgend mit BS bezeichneten Nichtantriebsseite eine weitere Verbindungsein richtung 8b zwischen dem Wicklungsträger 9 und dem scheiben förmigen Seitenteil 7b des Rotoraußengehäuses 7 angeordnet. Auf dieser Seite BS erfolgt über den hohlzylindrisch ausge führten Wellenteil 5b u. a. eine Kühlmittelzufuhr zur Kühlung der supraleitenden Wicklung 10 von außerhalb der Maschine. Einzelheiten der Kühlmittelzufuhr und der Abdichtung sind be kannt. Auf eine detaillierte Darstellung wurde deshalb in der Figur verzichtet. Ein den Wicklungsträger 9 mit der supralei tenden Wicklung 10 umschließendes Vakuum ist mit V bezeich net. Das Vakuum ist insbesondere zwischen dem warmen Rotorau ßengehäuse 7 und dem Wicklungsträger 9 vorhanden. Auf die Darstellung weiterer, bekannter Maßnahmen zu einer thermi schen Isolation wie z. B. einer Superisolation wurde verzich tet.

Zur Verminderung der Wärmeeinleitung von dem auf Raumtempera tur befindlichen, warmen Seitenteilen 7a und 7b des Rotorau ßengehäuses in den auf Tieftemperatur befindlichen kalten Teil des Wicklungsträgers 9 und damit in die kalte Wicklung 10 kommen vorteilhaft Teile aus GFK in Frage. Eine spezielle Ausführungsform einer Verbindungseinrichtung 8a auf der An triebsseite AS geht aus dem Längsschnitt der Fig. 2 hervor. Die Verbindungseinrichtung 8b auf der Nicht-Antriebsseite BS kann entsprechende Merkmale aufweisen. Sie sollte darüber hinaus so ausgestaltet sein, dass ein axialer Dehnungsaus gleich auf Grund von Schrumpfungen der abgekühlten Rotorteile ermöglicht wird.

Die zwischen dem Wicklungsträger 9 und dem Seitenteil 7a ein zufügende, im wesentlichen hohlzylinderförmig gestaltete Ver bindungseinrichtung 8a weist gemäß Fig. 2 an ihren beiden gegenüberliegenden axialen Enden jeweils ein flanschartiges Endstück 12a bzw. 12b auf, wobei sich zwischen diesen Endstü cken ein Verbindungselement 12c erstreckt. Während die End stücke 12a und 12b aus einem metallischen Material wie insbe sondere Stahl oder einem anderen tieftemperaturgeeigneten, dauerfesten Werkstoff bestehen, ist das Verbindungselement 12c insbesondere aus GFK gefertigt. Das Verbindungselement ragt an seinen beiden axialen Stirnseiten mit aus den Fig. 4 bis 6 näher hervorgehenden Endteilen 16a und 16b in ent sprechende Ausnehmungen oder Nuten 13a bzw. 13b des jeweils zugeordneten Endstücks hinein und ist dort erfindungsgemäß mit diesem Endstück verbunden.

Zur Übertragung hoher Drehmomente zwischen den flanschartigen Endstücken 12a und 12b und dem Wicklungsträger 9 bzw. dem an triebsseitigen Seitenteil 7a wird das jeweils flanschartige Endstück 12a bzw. 12b an dem Wicklungsträger 9 bzw. dem Sei tenteil 7a nicht nur angeschraubt. In den Fig. 2 und 3 sind entsprechende Bohrungen für die Verschraubung der flanschartigen Endstücke allgemein mit 15i bezeichnet. Viel mehr besitzt jedes Endstück vorteilhaft eine stirnseitige, aus der Seitenaufsicht der Fig. 3 ersichtliche Verzahnung 14 mit hervorstehenden Zähnen 14a und dazwischen liegenden nu tenartigen Zwischenräumen 14b. Die Verzahnung ist dabei in an sich bekannter Weise so ausgebildet, dass eine kraftschlüssi ge, sich selbst zentrierende Verbindung erreicht wird, wobei das Moment auf einem relativ großen Radius weitergegeben wer den kann. Die Gegenfläche des Wicklungsträgers 9 bzw. des Seitenteils 7a weist eine entsprechende Verzahnung auf, wobei die Zähne 14a der Verzahnung 14 des flanschartigen Endstücks 12a in entsprechende Nuten in der Gegenfläche des Wicklungs trägers eingreifen.

Insbesondere müssen auch zwischen dem Verbindungselement 12c aus GFK und den flanschartigen Endstücken 12a bzw. 12b hohe Drehmomente der Maschine übertragen werden können. Die erfin dungsgemäßen Maßnahmen sind hierauf gerichtet. Dementspre chend sind die in die Endstücke hineinragenden stirnseitigen Enden des Verbindungselementes besonders gestaltet. Wie aus der Frontansicht der Fig. 4 und der Schrägansicht der Fig. 5 sowie der Längsschnittansicht der Fig. 6 hervorgeht, weist das hohlzylinderförmige Verbindungselement 12c an seinen bei den axialen Stirnseiten besonders gestaltete Endteile 16a und 16b auf. Diese Endteile sind in Umfangsrichtung abweichend von einer glatten (ungewellten) Ringform eines rohrförmigen Mittelteils 16c so strukturiert bzw. geformt, dass in Um fangsrichtung gesehen eine regelmäßige Wellung mit Erhebungen 17j und Vertiefungen 18j erhalten wird (vgl. insbesondere Fig. 4). Eine solche Wellung kann vorzugsweise bei der Her stellung des Verbindungselementes durch entsprechende Formgebung im noch verformbaren Zustand eingeprägt werden, wobei vorteilhaft die Faserverstärkung nicht beschädigt wird und so die mechanische Stabilität des Verbundwerkstoffes erhalten bleibt. Das Verbindungselement 12c mit seinem Mittelteil 16c und seinen stirnseitigen Endteilen 16a und 16b ist somit einstückig ausgebildet. Die für die Figuren zugrunde gelegte Wellung der Endteile ist aus Gründen einer guten Drehmoment übertragung vorzugsweise sinusförmig und insbesondere über den gesamten Umfang gleichmäßig verteilt. Gegebenenfalls kön nen jedoch auch andere Wellenformen vorgesehen werden, und auch der Umfang braucht nur in einzelnen Bereichen mit einer Wellung versehen zu werden.

Die Enden des Verbindungselementes 12c mit seinen gewellten Endteilen werden in die ringförmigen, nutenartigen Ausnehmun gen 13a bzw. 13b des jeweiligen flanschartigen Endstückes eingepasst. Um dort einen guten Kraftschluss zwischen den Endstücken 12a und 12b und dem Verbindungselement 12c zu ge währleisten, weist die jeweilige Ausnehmung des Endstücks an ihrer radial gesehen äußeren Seitenwand und/oder ihrer gege nüberliegenden inneren Seitenwand eine der Wellung des jewei ligen Endteils 16a bzw. 16b entsprechende Wellung auf. An zu mindest eine dieser Wände wird das jeweilige Endteil form schlüssig angelegt. Hierzu werden die verbleibenden Zwickel räume zwischen den Seitenwänden der Ausnehmungen und den ge wellten Endteilen mit einer Füllung aus einem Klebermaterial, vorzugsweise einem aushärtbaren Kunststoff ausgefüllt. Es er geben sich so bei einseitig gewellten Ausnehmungen keilartige Füllstücke.

Erfindungsgemäß sollen die nutartigen Ausnehmungen eine der artige Nuttiefe aufweisen, dass nicht nur die Endteile des Verbindungselementes vollständig in ihnen untergebracht wer den können, sondern dass auch noch ein Stück des Mittelteils 16c in jede Ausnehmung hineinragt. Hierzu muss die Ausnehmung selbstverständlich eine gegebenenfalls auch gestufte Weite besitzen, dass in sie sowohl das jeweilige Endteil als auch ein Stückweit das Mittelteil einzuführen ist. Das Stück des eingeführten Mittelteils wir dort ebenfalls mit dem jeweili gen metallischen Endstück verklebt. Auf diese Weise sind be sondere kräftemäßige Belastungen des Übergangsbereichs von dem gewellten Endteil auf den ungewellten Mittelteil zu ver hindern. Eine effektive Drehmomentübertragung zwischen den metallischen Endstücken 12a und 12b und dem nichtmetalli schen Verbindungselement 12c ist so gewährleistet, ohne dass eine Gefahr von Beschädigungen der Verbindungsbereiche zwi schen diesen Teilen bei auftretenden hohen Torsionskräften besteht. Außerdem wird dabei einer eventuellen Rissbildung an Kanten vorgebeugt.

Selbstverständlich sind auch andere Ausgestaltungen der End teile des Verbindungselementes und damit der zugeordneten Öffnung des jeweiligen Endstückes möglich, soweit in Umfangs richtung gesehen und in dieser Richtung regelmäßig verteilt ineinander greifende Erhebungen und Vertiefungen der zu ver bindenden Teile ein gegenseitiges Verdrehen in Umfangsrich tung ausschließen und die geforderte Drehmomentübertragung gewährleisten. Insbesondere mit der in den Fig. 4 bis 6 gezeigten Wellung sind diese Forderungen zu erfüllen. Aber auch besondere Verzahnungen sind denkbar.

Bei dem gewählten Ausführungsbeispiel wurde davon ausgegan gen, dass für das Verbindungselement 12c ein glasfaserver stärkter Kunststoff (GFK) verwendet wird. Selbstverständlich sind auch mit anderen Fasern wie z. B. mit Kohlenstofffasern verstärkte Kunststoffe einsetzbar, sofern mit diesen Materia lien die Drehmomentübertragung bei gleichzeitig geringer Wär meübertragung zu gewährleisten ist.

Darüber hinaus kann die erfindungsgemäße Verbindungseinrich tung auch statt eines einzigen hohlzylindrischen Verbindungs elementes mehrere, sich konzentrisch umschließende Elemente aufweisen, denen gegebenenfalls auch eigene flanschartige, sich konzentrisch umschließende Endstücke zugeordnet sind.

Claims

1. Maschine
mit einem um eine Rotationsachse drehbar gelagerten Rotor, der

a) ein Rotoraußengehäuse hat, das an axialen Rotorwellen teilen befestigt ist und einen Wicklungsträger mit einer supraleitenden Wicklung umschließt,

und

a) Mittel zur Halterung des Wicklungsträgers innerhalb des Rotoraußengehäuses aufweist, die auf einer drehmoment übertragenden Seite eine starre Verbindungseinrichtung zwischen dem Wicklungsträger und dem zugeordneten Rotor wellenteil mit mindestens einem drehmomentübertragenden, hohlzylindrischen Verbindungselement aus einem mit Fa sermaterial verstärkten Kunststoff umfassen,

sowie
mit Mitteln zur Kühlung und thermischen Isolation der sup raleitenden Wicklung,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Verbindungselement (12c) einstückig aus stirnsei tigen Endteilen (16a, 16b) und einem dazwischen liegenden Mittelteil (16c) besteht,
dass die Endteile (16a, 16b) in Umfangsrichtung gesehen eine Wellenform aufweisen, während der Mittelteil (16c) ungewellt ist,
dass das Verbindungselement (12c) an den Endteilen (16a, 16b) mit flanschartigen Endstücken (12a, 12b) aus Metall kraftschlüssig ineinander greifend verbunden ist, wobei

1. α) die Endteile (16a, 16b) vollständig und der Mittelteil (16c) jeweils ein Stückweit in nutartige Ausnehmungen (13a, 13b) des jeweiligen flanschartigen Endstücks (12a bzw. 12b) hineinragen,
2. β) zumindest eine Seitenwand jeder Ausnehmung eine an die Wellenform des jeweiligen Endteils angepasste Wellen form aufweist,
3. g) jeder Endteil wenigstens teilweise mit seiner Wellen form an der Wellenform der Seitenwand der entsprechen den Ausnehmung anliegt, und
4. δ) die in den Ausnehmungen angeordneten Teile des Verbin dungselementes (12c) mittels einer zumindest teilwei sen Füllung der verbleibenden Räume der Ausnehmungen fixiert sind,

und dass die flanschartigen Endstücke (12a, 12b) mit einem zugehörenden Teil des Wicklungsträgers (9) bzw. einem mit dem Rotorwellenteil (5a) verbundenen Seitenteil (7a) des Rotoraußengehäuses (7) kraftschlüssig zu verbinden sind.

2. Maschine nach Anspruch 1, gekennzeich net durch eine in Umfangsrichtung gesehen gleichmäßige Wellenform der Endteile (16a, 16b).

3. Maschine nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeich net durch eine in Umfangsrichtung gesehen sinusartige Wellenform der Endteile (16a, 16b).

4. Maschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, dass das Verbin dungselement (12c), 12b) in den nutartige Ausnehmungen (13a, 13b) der flanschartigen Endstücke (12a bzw. 12b) verklebt ist.

5. Maschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, dass die flanschar tigen Endstücke (12a, 12b) jeweils mit einer stirnseitigen Verzahnung (14) versehen sind, die in eine entsprechende Ver zahnung des zugehörenden Teils des Wicklungsträgers (9) bzw. des mit dem Rotorwellenteil (5a) verbundenen Seitenteils (7a) des Rotoraußengehäuses (7) eingreift.

6. Maschine nach Anspruch 5, dadurch gekenn zeichnet, dass die Verzahnung sich selbst zentrie rend ausgebildet ist.

7. Maschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, dass sich zumin dest der größere Teil der Fasern des Fasermaterials ununter brochen über jeden Übergangsbereich zwischen dem jeweiligen Endteil (16a bzw. 16b) und dem Mittelteil (16c) des Verbin dungselementes (12c) erstreckt.

8. Maschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, dass das Faserma terial des Verbindungselementes (12c) Glasfasern oder Kohlen stofffasern sind.

9. Maschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, dass die flansch artigen Endstücke (12a, 12b) aus einem Stahl bestehen.

10. Maschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, dass die Leiter der supraleitenden Wicklung (10) metallisches Niedrig-T_c- Supraleitermaterial oder metalloxidisches Hoch-T_c- Supraleitermaterial enthalten.

11. Maschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, dass der Wick lungsträger (9) von einem Vakuum (V) umgeben ist.