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Hintergrund der Erfindung
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1. Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen eine Vorrichtung zum
Kühlen eines Stators einer supraleitenden Drehmaschine,
d. h. einen supraleitenden Motor oder Generator und insbesondere
eine Statorkühlvorrichtung für eine supraleitende Drehmaschine,
bei der eine Statorspule mittels eines Kühlrohres gekühlt
wird, das in einem Zwischenraum zwischen Halteeinrichtungen angeordnet
ist und ein Statorjochkern um das Kühlrohr herum derart
angeordnet ist, so dass die Statorspule und das Statorjoch direkt
mittels des Kühlrohres gekühlt werden.
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2. Beschreibung des Standes
der Technik
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Die
Statoren der meisten herkömmlichen Motoren werden durch
natürliche Konvektion oder erzwungene Konvektion mittels
Luft gekühlt. Einige Statoren können mittels Wasser
oder Öl gekühlt werden. Die Stromdichte eines
elektrischen Stroms, der in einer Statorspule unter Verwendung des
Luftkühlverfahrens fließen kann, ist im Vergleich
zum Strom unter Verwendung des Wasser- oder Ölkühlverfahrens
geringer. Jedoch benötigt das Luftkühlverfahren,
mittels natürlicher Konvektion, keine zusätzliche Kühleinrichtung
und das Luftkühlverfahren, mittels erzwungener Konvektion,
bedarf lediglich der Installation eines Lüfters bzw. eines
Gebläses.
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Das
Wasser-/Ölkühlverfahren wird bei Motoren mit relativ
hoher Leistung von 1000 PS und mehr verwendet und die Stromdichte,
mit der Strom in der Statorspule fließen kann, ist höher
im Vergleich zum Luftkühlverfahren. Aber eine Kühleinrichtung,
die das Wasser-/Ölkühlverfahren verwendet ist
im Aufbau sehr kompliziert.
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Im
Allgemeinen, wie in 1 gezeigt, ist das bekannte
Wasser- oder Ölkühlverfahren für Motoren kein
Verfahren zum direkten Kühlen von Statorspulen 1,
von denen die meiste Hitze abgegeben wird, aber es ist ein Verfahren
zum Kühlen eines Statorkerns 2, der die Spulen 1 umgibt,
um durch Wärmeübertragung zwischen dem Statorkern 2 und
der Statorspule 1 erzeugte Wärme abzuführen.
Daher wird mittels der Kanäle 3, durch die Wasser
oder Öl fließt, der Statorjochkern gekühlt.
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Bei
einem herkömmlichen Motor sind die Statorspulen vom Kern
umgeben, der ausgezeichnete Wärmeübertragungseigenschaften
aufweist. Auf diese Weise können die Statorspulen ausreichend gekühlt
werden, obwohl die Kühlkanäle nur in einem Teil
des Statorjochs vorgesehen sind.
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Indes
können supraleitende Drehmaschinen, wie zum Beispiel ein
supraleitender Motor oder Generator, supraleitende Spulen verwenden,
die ein starkes magnetisches Feld erzeugen können, ohne einen
Kern zu benutzen. Da eine herkömmliche Drehmaschine Spulen
aus Kupfer verwendet, ist es schwierig, eine gewünschte
Ausgangsleistung zu erhalten, außer wenn ein Kern benutzt
wird und ein Luftspalt zwischen einem Statorkern und einem Rotorkern
sehr schmal ist, um die Flusskopplung zwischen Statorspulen und
Rotorspulen zu maximieren. Daher sind die Statorspulen zwischen
in dem Kern ausgebildeten Aufnahmen angeordnet, um auf diese Weise
den Luftspalt zwischen dem Stator und dem Rotor zu minimieren. Jedoch
konzentriert sich ein magnetisches Feld in den durch den Kern ausgebildeten
Aufnahmen, so dass der Wechselstromverlust in den Aufnahmen größer
als in anderen Teilen ist, wenn das durch den Rotor erzeugte magnetische Feld
umläuft. Des Weiteren unterscheiden sich die Aufnahmen
in der Durchlässigkeit von den Spulen, was eine Erhöhung
des Verzerrungsfaktors der Wellenform der erzeugten Spannung verursacht.
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Um
die Probleme der herkömmlichen Maschinen zu lösen,
ist die Aufnahme des Stators der supraleitenden Drehmaschine nicht
im Eisenkern ausgebildet, sondern ist aus einem nicht-magnetischen
Material, wie beispielsweise aus Fiberglas verstärktem
Kunststoff (fiber-glass reinforced plastic; FRP), ausgebildet. Dies
ist vorteilhaft, da es keine Verluste in der Aufnahme gibt und die
Wellenform der erzeugten Spannung sehr sinusförmig ist.
Jedoch ist es nicht einfach, die in den Statorspulen erzeugte Wärme,
leicht abzuführen, da die Wärmeleitfähigkeit von
FRP viel geringer ist als die des Kerns.
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In
einer bestehenden großen Maschine, wie zum Beispiel einem
Motor zum Antreiben einer Schiffsschraube oder einem Turbinengenerator
sind Kühlrohre 4 zwischen den Statorspulen, wie
es in 2 gezeigt ist, angeordnet, oder ein Kühlkanal
ist in jeder Spule vorgesehen, um eine Wasser-/Ölkühleinrichtung
auszubilden.
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Die
meisten bis jetzt entwickelten Wasser-/Ölkühleinrichtungen
für Statoren von supraleitenden Drehmaschinen weisen den
Aufbau der herkömmlichen in den 3 und 4 gezeigten
Drehmaschinen auf. Das bedeutet, dass Kühlrohre 8 zusammen
mit Statorspulen 5 in engen Aufnahmen 6 aus FRP
gewickelt werden müssen. Gemäß der Biegeform
einer jeden Statorspule 5 werden die Kühlrohre 8 gebogen,
um auf diese Weise gebogene Abschnitte 17 auszubilden.
Die Kühlrohre 8 der entsprechenden Abschnitte
müssen in verschiedenen Abschnitten geschweißt
werden. Daher kommt es vor, dass die Kühlrohre 8 verengt
oder verstopft sind und es ist sehr schwierig sie herzustellen.
Da die Kühlrohre 8 in Freiräumen in den
Aufnahmen angeordnet sind, in denen auch Leiter angeordnet sind,
wird ferner der Anteil der Statorleiter, die in den Halteeinrichtungen
aufgenommen sind, reduziert, was eine Erhöhung der Größe
der Maschine verursacht.
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In
dem
US-Patent Nr. 6,489,701
B1 wurde eine, sich von herkömmlichen Kühleinrichtungen
unterscheidende Statorkühleinrichtung vorgeschlagen, die in
5 dargestellt
ist. Die Statorkühleinrichtung ist derart ausgebildet,
dass eine Aufnahme weggelassen wird und Statorspulen
9 einlagig
gewickelt sind. Am oberen und unteren Abschnitt der einlagigen Statorspulen
9 sind
Kühlrohre
10 derart vorgesehen, dass sie die Statorspulen
9 spiralförmig
umgeben. Da die Statorkühleinrichtung keine Einrichtung
zum Abstützen, einer an den Statorspulen
9 anliegenden elektromagnetischen
Kraft (Drehmoment) aufweist ist sie nur für einen industriellen
Motor, der mit einer Drehzahl von 1800 Umdrehungen pro Minute oder mehr
rotiert und eine relativ kleine elektromagnetische Kraft auf die
Statorspulen ausübt, geeignet.
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Jedoch
wirkt eine sehr große elektromagnetische Kraft auf die
Statorspulen eines Motors zum Antreiben einer Schiffsschraube oder
einer Windturbine, die zehn- oder mehrmals langsamer als ein gewöhnlicher
Industriemotor rotieren, aber auf die große Drehmomente
wirken. Daher kann eine Maschine kaputt gehen oder beschädigt
werden, wenn keine Aufnahme zum Abstützen der Statorspule 9 verwendet
wird, wie es in 5 gezeigt ist.
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Des
Weiteren ist die Kühleinrichtung eine integrierte Einrichtung,
wobei die Kühlrohre 10 die Statorspulen vollständig
umgeben. Folglich ist es schwierig, wenn die Statorspulen 9 durchgebrannt sind,
sie alleine zu reparieren. Die mehreren Phasen der Spulen überlappen
einander, so dass sich die elektrische Isolierung leicht verschlechtern
kann. Folglich kann die Kühleinrichtung für einen
Hochgeschwindigkeits- und einen Niedrigdrehmomentindustriemotor
verwendet werden, bei dem eine relativ kleine elektromagnetische
Kraft auf die Statorspulen wirkt. Jedoch ist die Kühleinrichtung
nicht für einen industriellen Niedriggeschwindigkeits-
und Hochdrehmomentmotor zum Antreiben einer Schiffsschraube oder
eine Windturbine geeignet, bei denen eine sehr große elektromagnetische
Kraft auf die Statorspulen wirkt. Es besteht Bedarf an einer Vorrichtung
zur Unterstützung eines hohen Drehmoments.
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Weiterhin
wird das Volumen der Statorspulen vergrößert,
da die Kühlrohre 10 den oberen und unteren Abschnitt
der Spulen abdecken, wodurch die Größe der Maschine
erhöht wird. Wenn man die Kühleinrichtung mit
anderen Kühleinrichtungen vergleicht, ist der Luftspalt
zwischen den supraleitenden Feldspulen und Statorspulen größer.
Daher ist eine größere Menge an teurem supraleitendem
Draht für die Feldspulen erforderlich, um eine Flussverbindung für
eine gewünschte Ausgabeleistung zu gewährleisten,
so dass sich die Herstellungskosten unerwünscht erhöhen.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Dem
entsprechend wurde die vorliegende Erfindung in Anbetracht der oben
genannten, im Stand der Technik auftretenden Probleme gemacht und
eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Statorkühlvorrichtung
für supraleitende Drehmaschinen bereitzustellen, bei der
ein Wasser-/Ölkühlverfahren mit höherer
Kühleffizienz als ein Luftkühlverfahren an einer
supraleitenden Niedriggeschwindigkeits- und Hochdrehmoment Drehmaschine
angewandt wird und sowohl eine Statorspule als auch ein Statorjoch
gleichzeitig direkt mittels eines Kühlrohres gekühlt
werden, ohne auf Halteeinrichtungen zur Abstützung eines
hohen Drehmoments zu verzichten.
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Die
Aufgabe wird durch eine Statorkühlvorrichtung mit den Merkmalen
des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der
Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Um
die obige Aufgabe zu lösen, sieht die vorliegende Erfindung
einen Aufbau bzw. eine Vorrichtung zum Kühlen eines Stators
einer supraleitenden Drehmaschine vor. Die Vorrichtung umfasst eine
Statorspule. Halteeinrichtungen sind in axialer Richtung an der
Statorspule angeordnet, um die Statorspule abzustützen
und ein Zwischenraum ist zwischen den Halteeinrichtungen definiert,
um die Statorspule teilweise freizulegen. Ein Statorjoch bzw. Kern
ist derart an den Halteeinrichtungen angeordnet, dass der Zwischenraum
zwischen dem freiliegenden Abschnitt der Statorspulen, den Halteeinrichtungen
und dem Statorjoch begrenzt ist. In dem durch den freiliegenden
Abschnitt der Statorspule, den Halteeinrichtungen und dem Statorjoch
definierten Zwischenraum ist ein Kühlrohr angeordnet, das
gleichzeitig die Statorspule und das Statorjoch kühlt.
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Die
Vorrichtung umfasst mehrere ringförmige Halteeinrichtungen
die in axialer Richtung beabstandet voneinander angeordnet sind.
Jede Halteeinrichtung weist an der Innenfläche sich in
axialer Richtung erstreckende Schlitze auf. In den Schlitzen der
ringförmigen Halteeinrichtungen sind gerade Abschnitte der
Statorspulen angeordnet. Die elektromagnetische Kraft (Strom) erzeugt
ein Drehmoment auf die Statorspulen das von den Halteeinrichtungen
aufgenommen und über den Kern abgeleitet wird. Dabei stützen
die Halteeinrichtungen die Statorspulen ab und verhindern ein Verrutschen
der Statorspulen.
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Der
Zwischenraum, der zwischen dem freiliegenden Abschnitt der Statorspule,
den Halteeinrichtungen und dem Statorjoch begrenzt ist, kann mehrfach
in axialer Richtung vorgesehen sein.
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Das
Kühlrohr kann spiralförmig am freiliegenden Abschnitt
der Statorspule gewickelt sein. Das Kühlrohr kann spiralförmig
am freiliegenden Abschnitt der Statorspule gewickelt sein und mit
einem angrenzenden Kühlrohr auf einer Außenseite
des Statorjochs verbunden sein.
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Das
Kühlrohr kann in einen Einlass- und Auslassweg, die am
Statorjoch ausgeformt sind, eingepasst sein und mit dem angrenzenden
Kühlrohr auf der Außenseite des Statorjochs verbunden
sein.
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Wie
es oben beschrieben ist, ist die vorliegende Erfindung dadurch vorteilhaft,
dass ein Kühlrohr gleichzeitig sowohl die Statorspule als
auch das Statorjoch berührt und auf diese Weise gleichzeitig sowohl
das Statorjoch als auch die Statorspule kühlt.
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Des
Weiteren ist das Kühlrohr nicht in einer im Stator angeordneten
Aufnahme angeordnet, was verhindert, dass das Kühlrohr
am gebogenen Teil des Rohres verstopft. Es ist nicht notwendig,
verschiedene Kühlrohre miteinander zu verbinden und folglich kann
das Verstopfen der Kühlrohre, das Auftreten kann, wenn
sie miteinander verschweißt sind, verhindert werden. Ein
Arbeiter muss lediglich das Kühlrohr außerhalb
der Statorspule spiralförmig wickeln, so dass die Herstellung
einer Statorkühleinrichtung sehr einfach ist, eine kompakte
Maschine bereitgestellt wird, und der Anteil der Statorspule, der
in der Halteeinrichtung aufgenommen wird, erhöht werden
kann. Die Flussverbindung zwischen dem Kühlrohr und einem
Rotor ist sehr gering, wodurch Wirbelströme, welche im
Kühlrohr erzeugt werden können, reduziert werden.
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Des
Weiteren ist die Halteeinrichtung in dem Stator vorgesehen, um auf
diese Weise die auf die Statorspule wirkende elektromagnetische
Kraft (Drehmoment) abzustützen. Dies gilt insbesondere für
eine sehr große elektromagnetische Kraft, die in einem
Niedriggeschwindigkeit- und Hochdrehmomentmotor zum Antreiben einer
Schiffsturbine oder einer Windturbine erzeugt werden kann.
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GENAUE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die
obige und andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden
Erfindung werden klarer anhand der folgenden detaillierten Beschreibung in
Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen verstanden.
Die Zeichnungen zeigen in:
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1 eine
perspektivische Ansicht, die den Stator eines herkömmlichen
Wasser-/Ölgekühlten Motors zeigt,
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2 eine
geschnittene Ansicht des inneren Aufbaus einer Statoraufnahme eines
herkömmlichen Wasser/Öl-gekühlten Generators,
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3 einen
Querschnitt, der einen herkömmlichen Wasser-/Ölgekühlten
supraleitenden Motor oder Generator zeigt,
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4 einen
Längsschnitt, der einen herkömmlichen Wasser-/Ölgekühlten
supraleitenden Motor oder Generator zeigt,
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5 eine
perspektivische Ansicht, die herkömmliche Statorspulen
und Kühlrohre zeigt,
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6 einen
Querschnitt eines supraleitenden Motors oder Generators gemäß der
vorliegenden Erfindung, und
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7 einen
Längsschnitt des supraleitenden Motors oder Generators
gemäß der vorliegenden Erfindung.
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BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN
AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung zum
effizienten Abführen von Wärme, die von einer
Statorspule einer supraleitenden Drehmaschine erzeugt wird, d. h.,
von einem supraleitenden Motor oder Generator. Anstelle Wasser-/Ölkühlrohre in
Halteeinrichtungen bzw. Schlitzen anzuordnen sind die Kühlrohre
spiralförmig zwischen einem äußeren Abschnitt
der Statorspule und einem Statorjoch derart angeordnet, so dass
nicht-magnetische Halteeinrichtungen vorgesehen sind, um der auf
die Statorspule wirkenden elektromagnetischen Kraft zu widerstehen.
Weiterhin sind Räume in axialer Richtung zwischen den Halteeinrichtungen
vorgesehen, so dass die spiralförmigen Kühlrohre
in den Räumen anordbar sind. Auf diese Weise kann die Statorkühlvorrichtung
für die supraleitende Drehmaschine sowohl das Statorjoch
als auch die Statorspule gleichzeitig kühlen.
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Im
Folgenden wird das bevorzugte Ausführungsbeispiel der vorliegenden
Erfindung, unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen
detailliert beschrieben. 6 und 7 zeigen
jeweils einen Querschnitt und einen Längsschnitt, die die
Statorkühlvorrichtung für supraleitende Drehmaschinen gemäß der
vorliegenden Erfindung zeigen.
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In
dem in 6 dargestellten Querschnit sind Kühlrohre 400,
die über den Umfang verteilt sind, zwischen einer Statorspule 100 und
einem Statorjoch 300 angeordnet. Im in 7 dargestellten Längsschnitt
sind Zwischenräume 210 zwischen den Halteeinrichtungen 200 ausgebildet,
die axial mit Intervallen zueinander angeordnet sind und die aus
einem nicht-magnetischen Material, wie zum Beispiel FRP ausgebildet
sind. Jedes Kühlrohr 400 ist in dem freien Zwischenraum 210 angeordnet,
der von einem freiliegenden Abschnitt der Statorspule 100 begrenzt wird,
der nach außen, außenseitig durch das Statorjoch 300 und
die FRP Halteeinrichtungen 200 begrenzt wird, so dass das
Kühlrohr 400 gleichzeitig sowohl die Statorspule 100 als
auch das Statorjoch 300 kontaktiert. Auf diese Weise werden
sowohl die Statorspule als auch das Statorjoch gleichzeitig gekühlt.
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Als
solches ist jedes Kühlrohr 400 nicht in den Halteeinrichtungen 200 angeordnet,
so dass das Kühlrohr 400 nicht an seinem gebogenen
Teil verstopft. Des Weiteren ist es nicht notwendig verschiedene
Rohre miteinander zu verbinden, wodurch das Verstopfen, das bei
miteinander verschweißten Rohren auftreten kann, verhindert
wird.
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Weiterhin
ist es möglich, da die Halteeinrichtungen 200 am
Stator vorgesehen sind, die elektromagnetische Kraft (Drehmoment),
die auf die Statorspule 100 wirkt, insbesondere die sehr
große elektromagnetische Kraft, die in einem Niedriggeschwindigkeits-
und Hochdrehmomentmotor zum Antreiben einer Schiffsschraube oder
Windturbine erzeugt wird, abzustützen. Da jedes Kühlrohr 400 nicht
in einer entsprechenden Halteeinrichtung 200 angeordnet
ist, kann ferner die Größe der Halteeinrichtung 200 reduziert
werden und der Anteil der Statorspule, die in den Halteeinrichtungen 200 aufgenommen
wird, wird erhöht. Dadurch kann die Kühleinrichtung
mit einer höheren Leistungsdichte als eine Kühleinrichtung
eines herkömmlichen Verfahrens konzipiert werden. Da ein zusätzliches
Verbindungselement zum Bereitstellen von Kühlwasser/Öl
am das Ende der Spule nicht erforderlich ist, kann die axiale Länge
der Maschine reduziert werden.
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Entsprechend
dem Betrag der elektromagnetischen Kraft, die an der Statorspule 100 wirkt
oder der Größe der Statorspule 100 kann
eine Vielzahl von Räumen 210 axial zwischen den
Halteeinrichtungen 200 ausgebildet sein, und Kühlrohre 400 sind
in den entsprechenden Räumen 210 gewickelt.
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Des
Weiteren ist jedes Kühlrohr 400 spiralförmig
um den freiliegenden Abschnitt der Statorspule 100 in Umfangsrichtung
gewickelt. Das Kühlrohr 400, das spiralförmig
um jeden freiliegenden Abschnitt der Statorspule 100 gewickelt
ist, ist mit einem angrenzenden Kühlrohr 400 auf
der Außenseite des Statorjochs verbunden.
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Weiterhin
ist das herkömmliche Verfahren zum Anordnen des Kühlrohrs 400 in
der Aufnahme 200 deswegen problematisch, da das Kühlrohr 400 in die
Aufnahme 200 eingesetzt wird, wenn die Statorspule 100 gewickelt
wird, so dass der Aufbau bzw. die Konstruktion kompliziert und die
Herstellung schwierig ist. Im Gegensatz dazu muss ein Arbeiter bei
der vorliegenden Erfindung lediglich das Kühlrohr 400 spiralförmig
außerhalb der Statorspule 100 wickeln, so dass
die Herstellung sehr einfach ist. Da das Kühlrohr 400 in
Umfangsrichtung gewickelt wird, gibt es ferner keinen gebogenen
Anteil. Zudem kann die Anzahl der zu verbindenden Teile zwischen
den Kühlrohren 400 reduziert werden, wodurch das
Verstopfen der Schläuche 400 beträchtlich
vermindert wird. Des Weiteren ist die Flussverbindung zwischen den
Kühlrohren 400 und dem Rotor sehr gering, wodurch
in beträchtlicher Weise in den Kühlrohren 400 erzeugte
Wirbelströme reduziert werden.
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Wenn
die Kühlrohre 400 miteinander außerhalb
des Statorjochs verbunden werden, werden die Kühlrohre 400 in
Einlass- und Auslasspfaden 310 eingepasst, die im Statorjoch 300 durch
Laminieren von Siliziumstahlblechen ausgeformt sind, so dass die
Kühlrohre 400 hin zur Statorspule 100 und
weg von der Statorspule 100 führen.
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Hierbei
wird das Ende des Kühlrohrs 400, das durch den
Einlasspfad und den Auslasspfad 310 geführt ist,
mit dem Ende eines benachbarten Kühlrohrs 400 durch
ein geschweißtes Teil 410 verbunden, so dass die
Kühlrohre 400 miteinander in Reihe geschaltet
sind, um einen einzigen Wasser-/Ölkanal auszubilden.
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Wie
es oben beschrieben ist, sieht die vorliegende Erfindung ein neues
Verfahren zum Aufbau eines Wasser-/Ölkühlrohres
eines Stators für supraleitende Drehmaschinen vor, das
verhindert, dass das Kühlrohr gebogen wird und löst
das Problem der herkömmlichen Anordnung von Kühlrohren.
Weiterhin stellt die vorliegende Erfindung einen Aufbau für
Halteeinrichtungen bereit, der die elektromagnetische Kraft, die
auf die Statorspule wirkt, abstützt, so dass diese für
Niedriggeschwindigkeits- und Hochdrehmoment-Anwendungen einschließlich
eines Schiffsschraubenantriebs oder einer Windenergieerzeugungsanwendung
anwendbar ist.
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Obwohl
das bevorzugte Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung
zu darstellenden Zwecken offenbart wurde, werden Fachleute anerkennen,
dass zahlreiche Veränderungen, Hinzufügungen und
Weglassungen möglich sind, ohne vom Umfang und Geist der
Erfindung, wie sie in den beigefügten Ansprüchen
offenbart ist, abzuweichen.
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Die
Erfindung kann folgendermaßen kurz zusammengefasst werden:
Die
Vorrichtung umfasst eine Statorspule. Halteeinrichtungen sind in
axialer Richtung an der Statorspule angeordnet, um die Statorspule
abzustützen und ein Zwischenraum ist zwischen den Halteeinrichtungen definiert,
um die Statorspule teilweise freizulegen. Ein Statorjoch bzw. Kern
ist derart an den Halteeinrichtungen angeordnet, dass der Zwischenraum
zwischen dem freiliegenden Abschnitt der Statorspulen, den Halteeinrichtungen
und dem Statorjoch begrenzt ist. In dem durch den freiliegenden
Abschnitt der Statorspule, den Halteeinrichtungen und dem Statorjoch definierten
Zwischenraum ist ein Kühlrohr angeordnet, das gleichzeitig
die Statorspule und das Statorjoch kühlt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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