DE102005002214A1

DE102005002214A1 - Superconducting electric machine with toothed coils

Info

Publication number: DE102005002214A1
Application number: DE200510002214
Authority: DE
Inventors: Joachim Frauenhofer; Martin Dr. Kaufhold; Georg Dr. Nerowski
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2005-01-17
Filing date: 2005-01-17
Publication date: 2006-07-27
Also published as: WO2006074863A1

Abstract

Um eine kompakte elektrische Maschine zu schaffen, wird eine supraleitende elektrische Maschine mit einem Stator (1), der ein Wicklungssystem (6) aufweist, und einem supraleitenden Läufer vorgeschlagen, wobei das Wicklungssystem des Stators (1) aus Zahnspulen (6) aufgebaut ist.In order to provide a compact electric machine, there is proposed a superconducting electric machine comprising a stator (1) having a winding system (6) and a superconducting rotor, the winding system of the stator (1) being composed of toothed coils (6).

Description

Die Erfindung betrifft eine supraleitende elektrische Maschine mit einem Stator, der ein Wickelsystem aufweist und einen supraleitenden Läufer.The The invention relates to a superconducting electric machine with a Stator having a winding system and a superconducting rotor.

Wicklungssysteme in Statoren von mehrphasigen elektrischen Wechselstrommaschinen sind im Allgemeinen in Ein- oder Zweischichtausführung ausgeführt. Im Wickelkopfbereich, an den jeweiligen Stirnseiten des Stators ergeben sich Berührungspunkte und Kreuzungen von Spulen und damit von elektrischen Leitern unterschiedlicher Phase. Auf diese kritischen Stellen muss bei der Wicklungskonstruktion besonders geachtet werden. Die benachbarten elektrischen Leitern unterschiedlicher Spannung müssen u.a. sorgfältig gegeneinander isoliert werden.winding systems in stators of polyphase AC electrical machines are generally designed in one or two-layer design. in the Winding head area, resulting in the respective end faces of the stator touch points and crossings of coils and thus of electrical conductors of different Phase. At these critical points must be in the winding construction to be especially respected. The adjacent electrical conductors need different voltage et al careful be isolated against each other.

Bei Niederspannungswicklungen geschieht dies durch Flächenisoliermaterialien. Bei Mittelspannungswicklungen mit Formspulen wird zur Vermeidung von Teilentladungen eine ausreichende Leiter-Leiter-Isolation insbesondere durch dementsprechend große Luftabstände der parallel liegenden Leiter geschaffen. Mit im Wickelkopfbereich aufwändig geformten Spulen werden Kreuzungen von Leitern vermieden. Durch die dort erforderlichen Abstände (5 mm und größer) wird jedoch die axiale Wickelkopfausladung vor allem bei niederpoligen Wicklungen sehr groß. Die axiale Gesamtlänge des Stators und damit der elektrischen Maschine wird damit wesentlich durch diese Wickelkopfausladung bestimmt.at Low-voltage windings, this is done by Flächenisoliermaterialien. For medium voltage windings with form coils is to avoid Partial discharges sufficient conductor-conductor insulation in particular through accordingly large clearances created the parallel conductor. With in the winding head area elaborately shaped Coils are avoided by crossing conductors. By the required there distances (5 mm and larger) However, the axial winding overhang, especially at low-pole Windings very big. The axial total length of the stator and thus of the electric machine becomes so essential determined by this winding head projection.

Elektrische Maschinen mit supraleitenden Erregerwicklungen, (Nieder- und Hochtemperatursupraleiter) zeichnen sich insbesondere durch eine kompakte Baugröße aus. Das Maschinenvolumen insbesondere des Läufers kann um den Faktor 2 bis 3 oder mehr gegenüber herkömmlichen elektrischen Maschinen reduziert werden. In Folge der im Supraleiter möglichen hohen Strom dichten können die Erregerwicklungen im Läufer in Durchmesser und Länge sehr kompakt gebaut werden.electrical Machines with superconducting excitation windings, (low and high temperature superconductors) are characterized in particular by a compact size. The machine volume in particular of the rotor can by a factor of 2 to 3 or more opposite usual electrical machines are reduced. As a result of the superconductor potential can seal high current the excitation windings in the runner in diameter and length be built very compact.

Demgegenüber werden die Wicklungssysteme im Stator nach wie vor aus Kupferleitungen gefertigt. Diese zeigen jedoch bei der geometrischen Auslegung die oben beschriebenen Nachteile hinsichtlich Wickelkopfgröße und bestimmen daher im Wesentlichen die Maschinengröße, vor allem hinsichtlich der Länge des Aktivteils, so dass die Vorteile der supraleitenden Erregerwicklung hinsichtlich Bauraumreduzierung der elektrischen Maschine damit nur eingeschränkt realisiert werden können.In contrast, be the winding systems in the stator are still made of copper cables manufactured. However, these show in the geometric interpretation of the disadvantages described above in terms of winding head size and determine therefore essentially the machine size, especially in terms of the length of the active part, so that the advantages of the superconducting excitation winding in terms of space reduction of the electric machine with it only limited can be realized.

Damit wird bei konventionellen elektrischen Maschinen die axiale Baulänge durch die Wickelkopfausladung mitbestimmt. Dies wirkt sich vor allem bei niederpoligen Maschinen äußerst ungünstig aus, die Wickelkopfausladung aufweisen, die größer als die aktive Blechpaketlänge sein kann.In order to In conventional electric machines, the axial length is through co-determined the winding head projection. This especially affects low-pole machines extremely unfavorable, the Have winding projection, which are greater than the active laminated core length can.

Um die Entwärmung der Spulen zu verbessern und vor allem die Isolationsabstände zu verringern, ist bekannt, einen Verguss der Wickelköpfe durch temperatur- und spannungsstabile Vergussmassen zu realisieren.Around the heat dissipation to improve the coils and, above all, to reduce the insulation distances, is known, a casting of the winding heads by temperature and voltage stable To realize casting compounds.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei supraleitenden elektrischen Maschinen die axiale Baulänge, die insbesondere durch die Wickelkopfausladung mitbestimmt wird, zu reduzieren, um die Vorteile supraleitender Läufer ausnutzen zu können.Of the Invention is based on the object in superconducting electrical Machines the axial length, which is determined in particular by the winding head projection, to take advantage of superconducting runners.

Die Lösung der gestellten Aufgabe gelingt dadurch, dass das Wicklungssystem des Stators aus Zahnspulen aufgebaut ist.The solution The task is achieved by the winding system of the stator is constructed of tooth coils.

Die Zahnspulen haben keine Kreuzungen von elektrischen Leitern unterschiedlicher Phase im Bereich der Wickelköpfe. Auch bei nebeneinander angeordneten Leitern in einer Nut können sich diese nicht berühren, da sie infolge ihrer konstruktiven Anordnung einen fest vorgegebenen Isolationsabstand haben, der durch einen Hilfszahn, durch einen konstruktiven Luftabstande oder Isolationsmaterial erzeugt werden kann. Der Hilfszahn kann dabei einteilig mit dem Blechpaket des Stators verbunden sein, er kann aber auch separat zwischen den Zahnspulenteilen einer Nut z.B. durch eine schwalbenschwanzähnliche Verbindung angeordnet werden.The Dental coils have no intersections of electrical conductors of different Phase in the area of the winding heads. Even with juxtaposed conductors in a groove can do not touch these because they have a fixed predetermined due to their structural arrangement Isolation distance, by an auxiliary tooth, by a constructive air gaps or insulation material are generated can. The auxiliary tooth can be integral with the laminated core of the Stators connected, but it can also separately between the Zahnspuleeilen a groove e.g. arranged by a dovetail-like connection become.

Die erfindungsgemäßen Zahnspulenwicklungen einer supraleitenden elektrischen Maschine haben im Verhältnis zu ihrer aktiven geraden Länge eine sehr kurze axiale Wickelkopfausladung, so dass vorteilhafterweise nicht nur der Läufer sondern auch der Stator und damit die gesamte elektrische Maschine sehr kompakt ausgeführt werden kann.The Tooth coil windings according to the invention a superconducting electric machine have in proportion to their active straight length one very short axial winding overhang, so that advantageously not just the runner but also the stator and thus the entire electrical machine very compact can be.

Besonders vorteilhaft ist eine derartige Zahnspulenwicklung für Statoren von niederpoligen supraleitenden elektrischen Maschinen insbesondere zweipoligen Mittelspannungswicklungen. Bei diesen Maschinen handelt es sich um schnelllaufende, mit Drehzahlen größer gleich 3000 Umdrehungen pro Minute. Dabei wirkt sich die axiale Verkürzung des Wickelkopfes gegenüber herkömmlichen Maschinen und herkömmlichen Wicklungssystemen besonders vorteilhaft aus, da zusammen mit der Verringerung des Läuferdurchmessers und der Läuferlänge durch die Supraleitungstechnologie eine äußerst kompakte Bauform erreicht wird.Especially advantageous is such a tooth coil winding for stators of low-pole superconducting electrical machines in particular bipolar Medium voltage windings. These machines are to high-speed, with speeds greater than or equal to 3000 revolutions per minute. In this case, the axial shortening of the winding head over conventional affects Machines and conventional Winding systems particularly advantageous because, together with the Reduction of the rotor diameter and the runner length through the Superconducting technology an extremely compact design is reached.

Des Weiteren können durch die erfindungsgemäße Zahnspulentechnik die Lagerabstände dieser elektrischen Maschine verkürzt werden, wodurch die rotordynamische Auslegung vereinfacht und die dementsprechenden Wicklungs- und Fertigungskosten reduziert werden.Furthermore, by the toothed coil technology according to the invention, the bearing distances the This electrical machine can be shortened, whereby the rotor dynamic design simplifies and the corresponding winding and manufacturing costs are reduced.

Die Zahnspulenwicklung kann sich in Nuten eines geblecht ausgeführten Stators befinden oder als Luftspaltwicklung ausgeführt werden. Dabei werden die Zahnspulen insbesondere an und durch Kunststoffteilen fixiert. Die Spulenzahl je Pol und Phase kann unabhängig von der Polzahl mit dem Wert 1 oder hö her ausgeführt werden. Die Zahnspulenwicklung in supraleitenden Maschinen kann als Rund- oder Flachdrahtwicklung ausgeführt werden. Die Zahnspulen können ebenso aus Litzenleitern aufgebaut sein, die unterschiedliche Durchmesser und/oder Querschnittsformen aufweisen. Durch der Wahl der einzelnen Filamente des Litzenleiters lässt sich die Steifigkeit bzw. die Flexibilität in vorbestimmbarer Weise beeinflussen. Die Litzneleiter bzw. die Filamente können blank oder isoliert vorliegen. Durch Oxidation bilden sich aber auch auf blanken Litzenleitern bzw. Filamenten dünne Isolationsschichten.The Tooth coil winding can be found in grooves of a laminated stator be located or run as an air gap winding. Here are the Toothed coils in particular fixed on and by plastic parts. The Coil count per pole and phase can be independent of the number of poles with the value 1 or higher accomplished become. The tooth coil winding in superconducting machines can be performed as a round or flat wire winding. The tooth coils can also be constructed of stranded conductors, the different diameters and / or Have cross-sectional shapes. By choosing the individual filaments of the stranded conductor can be the rigidity or flexibility in a predeterminable manner influence. The litz wires or the filaments can be blank or isolated. By oxidation, but also on bare stranded conductors or filaments thin insulation layers.

Der Litzenleiter mit seinen Filamenten, die miteinander verseilt und/oder verpresst sind, ist nahezu beliebig verformbar. Der Litzenleiter kann damit rundliche, viereckige oder einen allgemein polygonalen Querschnitt aufweisen.Of the Stranded wire with its filaments stranded together and / or are pressed, is almost arbitrarily deformable. The stranded conductor can thus roundish, square or a generally polygonal Have cross-section.

Die Zahnspule ist gegebenenfalls auch aus mehreren gleichen oder unterschiedlichen Litzenleitern aufbaubar, die verdrillt oder parallel verlegt sind.The If necessary, the tooth coil can also be made of several identical or different ones Stranded conductors can be built up, which are twisted or laid parallel.

Die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen in der Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:The Invention and further advantageous embodiments of the invention are in the schematically illustrated embodiments in the drawing explained in more detail. In this demonstrate:

1 ein Wicklungssystem eines Stators mit einem Hilfszahn. 1 a winding system of a stator with an auxiliary tooth.

2 ein Wicklungssystem eines Stators ohne Hilfszahn. 2 a winding system of a stator without auxiliary tooth.

1 zeigt einen Ausschnitt einer perspektivischen Darstellung eines Stators 1 einer sonst nicht näher dargestellten supraleitenden elektrischen Maschine. Dieser Stator 1 weist Nuten 4 auf, in denen sich Zahnspulen 6 befinden. Die Zahnspulen 6 sind derartig in den Nuten 4 eingelegt, dass jede Zahnspule 6 einen Zahn 3 umfasst, wobei zwischen benachbarten Seiten unterschiedlicher Zahnspule 6 sich ein Zwischenzahn 2 befindet, der aus Blech oder einem Kunststoffteil bestehen kann. Dieses Kunststoffteil kann in das Blechpaket des Stators 1, z.B. durch schwalbenschwanzähnliche Verbindungen ein gesetzt sein. Damit wird eine Isolierung zwischen benachbarten Spulenseiten unterschiedlicher Zahnspulen 6 geschaffen. Außerdem erleichtert sich die Montage beim Einlegen der Zahnspulen 6. 1 shows a section of a perspective view of a stator 1 an otherwise unspecified superconducting electrical machine. This stator 1 has grooves 4 on which are tooth coils 6 are located. The tooth coils 6 are so in the grooves 4 inserted that every tooth coil 6 a tooth 3 comprising, wherein between adjacent sides of different tooth coil 6 an intermediate tooth 2 located, which may consist of sheet metal or a plastic part. This plastic part can be in the laminated core of the stator 1 , for example, be set by dovetail-like compounds. This is an insulation between adjacent coil sides of different tooth coils 6 created. In addition, the assembly facilitates when inserting the dental coils 6 ,

2 zeigt einen Stator 1, der in den Nuten 4 jeweils zwei Spulenseiten unterschiedlicher Zahnspulen 6 aufweist. Eine Isolierung wird entweder durch die auf der Zahnspule 6 befindlichen Isolationsmaterialien, durch dementsprechende Luftabstände 8 oder aber durch Zwischenschieber aus Isoliermaterial hergestellt. 2 shows a stator 1 who is in the grooves 4 two coil sides of different tooth coils 6 having. An insulation is either by the on the tooth coil 6 located insulation materials, by corresponding air gaps 8th or made by intermediate slide of insulating material.

Die Zahnspulen 6 können in beiden Varianten aus Stäben, Flachdrähten oder Litzenleitern vorab gefertigt werden. Der prinzipielle Aufbau mit Zahnspulen 6 kann bei geblecht ausgeführten Zähnen als auch bei Luftspaltwicklungen eingesetzt werden, so dass sich hinsichtlich der Isolationsabstände im Wickelkopfbereich wesentlich geringere Wickelkopfausladungen ergeben und somit die gesamte supraleitende elektrische Maschine kompakt ausgeführt werden kann. Die Zahnspulen befinden sich jeweils in Nuten 4, die entweder von Zähnen aus Blech vorzugsweise Dynamoblech oder im Falle von Luftspaltwicklungen z.B. von Kunststoffteilen umgeben sind.The tooth coils 6 can be made in advance in both variants of rods, flat wires or stranded conductors. The basic structure with tooth coils 6 can be used in laminated teeth as well as in air-gap windings, so that arise in terms of the insulation distances in the winding head area significantly lower end windings and thus the entire superconducting electric machine can be made compact. The tooth coils are each in grooves 4 , which are either surrounded by teeth of sheet metal preferably dynamo sheet or in the case of air-gap windings, for example, of plastic parts.

Die Nuten 4 sind dabei wie in den 1, 2 offen oder insbesondere bei Zahnspulen aus Litzendraht auch halboffen ausgebildet. Damit lässt sich eine vorgefertigte Zahnspule 6 in eine halboffene Nut 4 einträufeln.The grooves 4 are there like in the 1 . 2 open or in particular with dental coils made of stranded wire also semi-open. This allows a prefabricated tooth coil 6 in a half-open groove 4 instill.

Bei dem erfindungsgemäßen Wicklungssystem mit Zahnspulen 6 gibt es nunmehr keine Kreuzungen oder Berührungen von Leitern unterschiedlicher Phase. Es müssen somit keine Isolationsabstände konstruktiv erzeugt werden. Die Wickelköpfe tragen somit nicht mehr wesentlich zur axialen Länge dieser elektrischen Maschine bei.In the winding system according to the invention with tooth coils 6 There are now no intersections or contacts of leaders of different phases. It must therefore be generated structurally no isolation distances. The winding heads thus no longer contribute significantly to the axial length of this electric machine.

Bei einer beispielhaften zweipoligen Mittelspannungsmaschine mit supraleitender Läuferwicklung und einer Blechpaketlänge des Stators 1 von 300 mm beträgt die axiale einseitige Wickelkopfausladung 500 mm. Die Gesamtlänge der Wicklung des Stators 1 beträgt also ca. 1300 mm, die Länge des Läuferaktivteils beträgt dagegen nur 750 mm. Wird nunmehr die Wicklung des Stators 1 als Zahnspulenwicklung ausgeführt, verringert sich die einseitige Wickelkopfausladung auf 260 mm und die Gesamtlänge auf 820 mm. Der Stator 1 ist somit nur noch unwesentlich länger als der Läufer.In an exemplary two-pole medium voltage machine with superconducting rotor winding and a laminated core length of the stator 1 of 300 mm, the axial unilateral winding head projection is 500 mm. The total length of the winding of the stator 1 So is about 1300 mm, the length of the rotor active part, however, is only 750 mm. Will now be the winding of the stator 1 designed as a tooth coil winding, the unilateral winding head projection is reduced to 260 mm and the total length to 820 mm. The stator 1 is thus only marginally longer than the runner.

Claims

Superconducting electrical machine with a stator ( 1 ), which is a winding system ( 6 ) and a superconducting rotor, characterized in that the winding system of the stator ( 1 ) from tooth coils ( 6 ) is constructed.

Superconducting electric machine according to claim 1, characterized in that the stator ( 1 ) is constructed of dynamo sheets, the runners facing grooves ( 4 ), in which the tooth coils ( 6 ) are arranged.

Superconducting electric machine according to claim 1, characterized in that the stator ( 1 ) a yoke back of layered dynamo sheets and an attached non-magnetic or magnetic device for fixing the tooth coils ( 6 ) having.

Superconductive electric machine according to one of the preceding claims, characterized in that each groove ( 4 ) only one side of a tooth coil ( 6 ) having.

Superconductive electric machine according to one of the preceding claims 1 to 3, characterized in that each groove ( 4 ) two sides of different tooth coils ( 6 ) having.

Superconducting electrical machine according to one of the preceding claims, characterized in that the toothed coil ( 6 ) is constructed of rods, round conductors or stranded conductors.