DE102011005263A1

DE102011005263A1 - Synchronous machine used in ship, has condenser that is located within interior space of rotor, for liquefying gaseous medium of rotor

Info

Publication number: DE102011005263A1
Application number: DE201110005263
Authority: DE
Inventors: Michael Frank; Joachim Frauenhofer; Jörn Grundmann
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2011-03-09
Filing date: 2011-03-09
Publication date: 2012-09-13

Abstract

The machine (1) has a rotatable rotor (4) that is provided with a superconductor coil winding (5). A cooling liquid medium (8) is accommodated within the hollow interior space (7) of rotor, for cooling the superconductor coil. A condenser (10) is located in the interior space of rotor, for liquefying the gaseous medium (9) of rotor.

Description

Die Erfindung betrifft eine Synchronmaschine, umfassend einen gegen einen Stator drehbaren Rotor mit wenigstens einer aus einem Supraleiter gefertigten Wicklung sowie eine ein flüssiges erstes Kühlmedium zur Kühlung der Wicklung in einem hohlen Innenraum des Rotors nutzende Kühleinrichtung.The invention relates to a synchronous machine, comprising a rotor rotatable against a stator with at least one winding made of a superconductor, and a cooling device using a liquid first cooling medium for cooling the winding in a hollow interior of the rotor.

Synchronmaschinen, in denen Wicklungen durch Supraleiter, insbesondere Hochtemperatur-Supraleiter mit einer Sprungtemperatur T_c von über 77 K, realisiert werden, sind im Stand der Technik bereits bekannt. Dabei muss die Hochtemperatur-Supraleiter-Rotorwicklung auf die Betriebstemperatur, beispielsweise 30 K, gekühlt werden. Bei solchen Synchronmaschinen mit supraleitenden Wicklungen im Rotor ist es bekannt, die Kälteleistung außerhalb des Rotors zu erzeugen und mittels geeigneter Vorrichtungen in den zu kühlenden Rotor, häufig einen Innenraum des Rotors, zu transportieren.Synchronous machines in which windings are realized by superconductors, in particular high-temperature superconductors having a transition temperature T _c of more than 77 K, are already known in the prior art. In this case, the high-temperature superconductor rotor winding to the operating temperature, for example, 30 K, cooled. In such synchronous machines with superconducting windings in the rotor, it is known to generate the cooling capacity outside the rotor and to transport by means of suitable devices in the rotor to be cooled, often an interior of the rotor.

Dabei ist es bekannt, eine Kühleinrichtung zu verwenden, die in einem stationären Kühlsystem ein Kühlmedium, beispielsweise Neon oder Stickstoff bei Hochtemperatursupraleitern, in einem Kondensorraum, der thermisch an einen beispielsweise mit einem Kompressor betriebenen Kaltkopf angekoppelt ist, verflüssigt, welches über ein stationäres Rohrleitungssystem zu dem Rotor geführt wird, dort vom feststehenden Rohrleitungssystem abtropft und in den als Verdampfungsraum wirkenden, rotierenden Innenraum des Rotors gelangt. Dort verdampft das Kühlmedium am rotierenden Verdampfer unter Abkühlung eines thermisch leitfähigen Wicklungsträger und somit der supraleitenden Wicklungen und gelangt gasförmig zurück in das feststehende Kühlsystem, wo es erneut verflüssigt wird und somit der Kühlkreislauf geschlossen wird. In diesem sogenannten Thermosiphon erfolgt der Transport des Kühlmediums zwischen dem relativ zum Rotor feststehenden Kondensor der Kühleinrichtung und dem rotierenden Verdampfer im Innenraum des Motors unter dem Einfluss der Schwerkraft. Diese Nutzung der Schwerkraft hat diverse Designanforderungen zur Folge, die die Anordnung verschiedener Komponenten in einem gewissen Maße festlegt. Insbesondere wird gefordert, dass der Kondensor höher als der Auslass des Verdampfungsraums, also der Rotor, angeordnet sein muss, was insbesondere dann, wenn Raumeinschränkungen zu beachten sind, zu Problemen führen kann.It is known to use a cooling device in a stationary cooling system, a cooling medium, for example neon or nitrogen at high temperature superconductors, in a condenser space, which is thermally coupled to an example operated with a compressor cold head, liquefied, which via a stationary piping system to The rotor is guided there, dripping there from the fixed piping system and enters the space acting as the evaporation space, rotating interior of the rotor. There, the cooling medium evaporates on the rotating evaporator with cooling of a thermally conductive winding carrier and thus the superconducting windings and gaseous back into the fixed cooling system, where it is liquefied again and thus the cooling circuit is closed. In this so-called thermosiphon, the transport of the cooling medium takes place between the condenser of the cooling device fixed relative to the rotor and the rotating evaporator in the interior of the motor under the influence of gravity. This use of gravity results in various design requirements that determine the arrangement of various components to some extent. In particular, it is required that the condenser must be arranged higher than the outlet of the evaporation space, that is to say the rotor, which can lead to problems, in particular if space restrictions are to be observed.

Doch auch grundsätzlich ergeben sich teilweise konstruktive Schwierigkeiten, was die (möglichst verlustarme) Überleitung des Kühlmediums aus dem feststehenden Teil der Kühleinrichtung in den im Innenraum des Rotors vorgesehenen Verdampfer angeht.However, in principle, there are also sometimes constructive difficulties with regard to the (preferably low-loss) transfer of the cooling medium from the stationary part of the cooling device into the evaporator provided in the interior of the rotor.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine alternative Ausgestaltung einer Kühleinrichtung für supraleitende Wicklungen eines Rotors anzugeben, bei der das im Rotor zu verdampfende Kühlmedium nicht zwischen einem außerhalb des Rotors feststehenden und einem rotierenden Anteil des Kühlkreislaufs transportiert werden muss.The invention is therefore based on the object of specifying an alternative embodiment of a cooling device for superconducting windings of a rotor, in which the cooling medium to be evaporated in the rotor does not have to be transported between a fixed outside of the rotor and a rotating portion of the cooling circuit.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einer Synchronmaschine der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass in dem hohlen Innenraum des Rotors wenigstens ein in dem Rotor feststehender Kondensor angeordnet ist, so dass gasförmiges erstes Kühlmedium in dem Innenraum zu dem Kondensor gelangt und dort verflüssigt wird.To solve this problem is inventively provided in a synchronous machine of the type mentioned that in the hollow interior of the rotor at least one fixed in the rotor condenser is arranged so that gaseous first cooling medium passes in the interior to the condenser and is liquefied there.

Die Erfindung schlägt also vor, den wenigstens einen feststehenden Kondensor nicht außerhalb des Innenraums vorzusehen, wo ein feststehendes Rohrleitungssystem benötigt würde, um das erste Kühlmedium von und zu dem Kondensor leiten zu können, sondern der Kondensor soll im Innenraum selbst, weiterhin feststehend, vorgesehen sein. Dies lässt sich insbesondere bei größeren Synchronmaschinen zweckmäßig realisieren, nachdem dort ein hinreichender Platz im Innenraum des Rotors vorhanden ist.The invention therefore proposes not to provide the at least one fixed condenser outside the interior, where a fixed piping system would be required to conduct the first cooling medium from and to the condenser, but the condenser should be provided in the interior itself, still fixed , This can be realized in particular in larger synchronous machines expedient after there is a sufficient space in the interior of the rotor.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist also kein feststehendes Kühlsystem mehr notwendig, das die Kälteleistung erzeugt und das Kühlmittel in einem Thermosiphonsystem, welches einen außerhalb der Synchronmaschine befindlichen feststehenden Kondensor und einen rotierenden Verdampfer aufweist, zirkuliert, sondern es wird bei einer Synchronmaschine mit hinreichend großem Durchmesser der Kondensor in das Maschineninnere, konkret den Innenraum des Rotors, verlagert. Damit erfolgt die Verflüssigung und das Verdampfen des den Rotor kühlenden Kühlmediums komplett innerhalb des Rotors. Der Thermosiphon zur Rotorkühlung wurde damit in den Rotor verlagert. Mithin kann die Kälteerzeugung rein stationär ablaufen und ist weit weniger komplex als bei üblichen Vorgehensweisen, bei denen das Kühlmedium direkt vom feststehenden Kühlsystem in den rotierenden Rotor gelangen muss.In the context of the present invention, therefore, it is no longer necessary to provide a fixed cooling system which generates the cooling capacity and circulates the coolant in a thermosiphon system which has a stationary condenser and a rotating evaporator outside the synchronous machine, but instead becomes sufficiently large in a synchronous machine the condenser in the interior of the machine, specifically the interior of the rotor, relocated. Thus, the liquefaction and evaporation of the coolant cooling the rotor takes place completely within the rotor. The thermosyphon for rotor cooling was thus shifted into the rotor. Thus, the refrigeration can run purely stationary and is far less complex than in conventional approaches in which the cooling medium must pass directly from the fixed cooling system in the rotating rotor.

Das gasförmige erste Kühlmedium gelangt zu dem Kondensor im Innenraum, wird dort verflüssigt und tropft folglich wieder an die Kühlposition ab.The gaseous first cooling medium reaches the condenser in the interior, where it is liquefied and consequently drips off again to the cooling position.

Dabei kann vorgesehen sein, dass als Kondensor ein Kondensorkörper vorgesehen ist. Derartige Strukturkörper, die eine möglichst große wirksame, kalte Oberfläche aufweisen sollen, die beispielsweise durch Rippen und ähnliche Strukturen erzeugt werden kann, sind im Stand der Technik grundsätzlich bekannt. Der Kondensor sollte dabei entsprechend der benötigten Kühlleistung dimensioniert werden.It can be provided that a condenser is provided as a condenser. Such structural body, which should have the largest possible effective, cold surface, which can be produced for example by ribs and similar structures, are basically known in the art. The condenser should be dimensioned according to the required cooling capacity.

Ferner kann vorgesehen sein, dass der Kondensor Teil einer durch eine Drehdurchführung in den Innenraum einragenden Kondensoranordnung ist. Wenn es bislang also beispielsweise üblich war, eine Rohrleitungsanordnung für das erste Kühlmedium durch eine Drehdurchführung in den Innenraum des Rotors hineinzuführen, kann eine ähnliche Drehdurchführung auch genutzt werden, um den feststehenden Kondensor in den Innenraum des Rotors hineinragen zu lassen. Insbesondere Ferrofluiddichtungen lassen sich hier vorteilhaft einsetzen. Furthermore, it can be provided that the condenser is part of a condenser arrangement projecting into the interior through a rotary feedthrough. So far, for example, it has been customary to lead a pipe arrangement for the first cooling medium through a rotary feedthrough into the interior of the rotor, a similar rotary feedthrough can also be used to extend the fixed condenser in the interior of the rotor. In particular ferrofluid seals can be used advantageously here.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass als Baueinheit mit dem Kondensor wenigstens ein Kaltkopf in den Innenraum des Rotors integriert ist und/oder der Kaltkopf dem in den Innenraum des Rotors ragenden Kondensor unmittelbar benachbart angeordnet ist. In diesem Fall wird der Kondensor also unmittelbar durch einen Kaltkopf, der beispielsweise über einen Kompressor betrieben werden kann, gekühlt, ohne dass weitere Kühlmittel zwischenzuschalten sind. Dabei ist es nicht notwendig, dass die komplette Kaltkopfanordnung selbst im Innenraum des Rotors enthalten ist, sondern diese kann auch wenigstens teilweise aus dem Innenraum herausragen, beispielsweise also als Teil der Kondensoranordnung hinter einer Drehdurchführung befindlich sein. Dabei sei an dieser Stelle angemerkt, dass gerade eine derartige Ausgestaltungsform auch besonders stabil gegenüber Verkippungen oder dergleichen ist, nachdem das erste Kühlmedium ja immer bereits von dem im Innenraum des Rotors befindlichen Kondensor wieder abtropft und somit Lageeffekten weniger stark unterworfen ist. Damit lässt sich die erfindungsgemäße Synchronmaschine auch besonders vorteilhaft in verkippungskritischen Anwendungen einsetzen, beispielsweise an Bord eines Schiffes oder dergleichen.In an advantageous embodiment of the present invention can be provided that is integrated as a unit with the condenser at least one cold head in the interior of the rotor and / or the cold head is disposed immediately adjacent to the protruding into the interior of the rotor condenser. In this case, the condenser is thus directly cooled by a cold head, which can be operated for example via a compressor, without the need to interpose further coolant. It is not necessary that the complete cold head assembly itself is included in the interior of the rotor, but this may also at least partially protrude from the interior, for example, be located as part of the condenser behind a rotary feedthrough. It should be noted at this point that just such an embodiment is also particularly stable against tilting or the like, after the first cooling medium yes always dripped again by the located in the interior of the rotor condenser and thus less subject to positional effects. Thus, the synchronous machine according to the invention can also be used particularly advantageously in tilt-critical applications, for example on board a ship or the like.

In einer alternativen Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass der Kondensor mit einem zweiten, in einem eigenen, geschlossenen Kühlkreislauf geführten Kühlmedium in Kontakt steht, welches an wenigstens einem außerhalb des Rotors angeordneten, relativ zum Rotor feststehenden Kaltkopf gekühlt, insbesondere verflüssigt, wird. In diesem Fall wird die Kälte dem Kondensor also mittels eines zweiten, komplett feststehenden Kühlkreislaufs zugeführt, der mit besonderem Vorteil als ein Thermosiphon gebildet sein kann. Der geschlossene, feststehende Kühlkreislauf ermöglicht es, auch eine Kälteleistung an den im Innenraum des Rotors feststehenden Kondensor zu transferieren, die höher ist als diejenige, die durch die unmittelbar im Rotor montierbare Anzahl von Kaltköpfen erzeugt werden kann. Dabei ist das zweite Kühlmedium des externen, Kälte erzeugenden, feststehenden Kühlkreislaufs komplett von der eigentlichen, rotierenden Rotorkühlung mit dem ersten Kühlmedium getrennt. Vorteilhaft ist es, wenn die Arbeitstemperatur des Kühlkreislaufs des zweiten Kühlmediums unterhalb der des im Rotor integrierten Thermosiphons liegt. So kann beispielsweise vorgesehen sein, dass das zweite Kühlmedium einen niedrigeren Siedepunkt als das erste Kühlmedium aufweist.In an alternative embodiment, it may be provided that the condenser is in contact with a second cooling medium guided in its own, closed cooling circuit, which is cooled, in particular liquefied, on at least one cold head arranged outside the rotor and fixed relative to the rotor. In this case, the cold is thus supplied to the condenser by means of a second, completely stationary cooling circuit, which can be formed with particular advantage as a thermosyphon. The closed, stationary cooling circuit also makes it possible to transfer a cooling capacity to the condenser fixed in the interior of the rotor, which is higher than that which can be generated by the number of cold heads mounted directly in the rotor. In this case, the second cooling medium of the external, cold generating, stationary cooling circuit is completely separated from the actual, rotating rotor cooling with the first cooling medium. It is advantageous if the working temperature of the cooling circuit of the second cooling medium is below that of the thermosyphon integrated in the rotor. For example, it may be provided that the second cooling medium has a lower boiling point than the first cooling medium.

Ferner kann vorgesehen sein, dass der Kondensor eine 15 mm überschreitende radiale Ausdehnung aufweist. Auch größere Kondensatoren sind, bei einer entsprechenden Größe der Synchronmaschine, möglich, beispielsweise solche mit einem Durchmesser von 200 mm oder mehr.Furthermore, it can be provided that the condenser has a radial extension exceeding 15 mm. Also, larger capacitors are possible, with a corresponding size of the synchronous machine, for example, those with a diameter of 200 mm or more.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnung. Dabei zeigen:Further advantages and details of the present invention will become apparent from the embodiments described below and with reference to the drawing. Showing:

1 eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Synchronmaschine, und 1 a first embodiment of a synchronous machine according to the invention, and

2 eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Synchronmaschine. 2 a second embodiment of a synchronous machine according to the invention.

1 zeigt eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Synchronmaschine 1 in einer Prinzipskizze. Ersichtlich umfasst die Synchronmaschine 1 wie grundsätzlich bekannt einen Stator 2 mit Statorwicklungen 3, sowie einen gegen den Stator drehbar gelagerten Rotor 4, der mit supraleitenden Wicklungen 5 versehen ist. Die Wicklungen 5 werden durch einen Wicklungsträger 6 getragen, der einen zentralen hohlen Innenraum 7 des Rotors 4 umschließt. Die supraleitenden Wicklungen 5 werden nun mittels eines flüssigen ersten Kühlmediums 8 gekühlt, welches an dem Wicklungsträger 6 zu gasförmigem Kühlmedium 9 verdampft. 1 shows a first embodiment of a synchronous machine according to the invention 1 in a schematic diagram. Obviously, the synchronous machine includes 1 as basically known a stator 2 with stator windings 3 , As well as a rotatably mounted against the stator rotor 4 that with superconducting windings 5 is provided. The windings 5 be through a winding carrier 6 worn, of a central hollow interior 7 of the rotor 4 encloses. The superconducting windings 5 are now using a liquid first cooling medium 8th cooled, which on the winding support 6 to gaseous cooling medium 9 evaporated.

Zur Kondensation muss das gasförmige Kühlmedium 9 nun jedoch nicht aus dem Innenraum 7 herausgeführt werden, sondern in dem Innenraum ist ein feststehender Kondensor 10 angeordnet, der Teil einer Kondensoranordnung 11 ist. Diese ragt durch eine hier als Ferrofluiddichtung realisierte Drehdurchführung 12 in den Innenraum 7 derart hinein, dass der Kondensor 10 vollständig darin angeordnet ist. An dem kalten Kondensor 10, der mit einer geeigneten Oberflächenstrukturierung versehen ist, kondensiert das gasförmige Kühlmedium 9 wieder zu flüssigem Kühlmedium 8 und tropft wiederum zurück auf den als Verdampfer wirkenden Wicklungsträger 6. Es ist also ein geschlossener Kreislauf gegeben.For condensation, the gaseous cooling medium 9 but not from the interior 7 be led out, but in the interior is a fixed condenser 10 arranged, the part of a condenser 11 is. This protrudes through a realized here as a ferrofluid seal rotary union 12 in the interior 7 so that the condenser 10 is completely arranged therein. At the cold condenser 10 , which is provided with a suitable surface structuring, condenses the gaseous cooling medium 9 again to liquid cooling medium 8th and drips back on the acting as an evaporator winding carrier 6 , So there is a closed circuit.

Die Temperatur des Kondensors 10 wird durch einen ebenso feststehenden, dem Kondensor 10 unmittelbar benachbarten Kaltkopf 13 geliefert, der ebenso Teil der Kondensoranordnung 11 ist und teilweise aus dem Innenraum 7 hinausragt.The temperature of the condenser 10 is by a likewise fixed, the condenser 10 immediately adjacent cold head 13 delivered, which is also part of the condenser assembly 11 is and partly from the interior 7 protrudes.

In diesem Ausführungsbeispiel ist also kein zweites Kühlmedium erforderlich.In this embodiment, therefore, no second cooling medium is required.

2 zeigt eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Synchronmaschine 1 bei der zur Kühlung des im Innenraum 7 angeordneten Kondensors 10 ein hier nur angedeuteter zweiter Kühlkreislauf 14 verwendet wird, in dem ein zweites Kühlmedium 15 strömt, welches die Kälteenergie von in diesem Fall mehreren Kaltköpfen 13, die über Kompressoren 16 betrieben werden können, zu dem Kondensorkörper des Kondensors 10 führen, der wieder entsprechend strukturiert ist. Dabei hat das zweite Kühlmedium 15 einen niedrigeren Siedepunkt als das erste Kühlmedium 8, 9. Nachdem die übrigen Komponenten bei der Synchronmaschine 1 und 1' gleich sind, müssen sie hier nicht näher beschrieben werden. 2 shows a second embodiment of a synchronous machine according to the invention 1 when cooling the interior 7 arranged condenser 10 a here only hinted second cooling circuit 14 is used, in which a second cooling medium 15 which flows the cold energy of in this case several cold heads 13 that have compressors 16 can be operated, to the condenser body of the condenser 10 lead, which is again structured accordingly. In this case, the second cooling medium 15 a lower boiling point than the first cooling medium 8th . 9 , After the remaining components in the synchronous machine 1 and 1' are the same, they need not be described here.

In der Synchronmaschine 1' ist es möglich, eine größere Kälteleistung zu verwenden, jedoch ist dann ein zweiter Kühlkreislauf 14 erforderlich, der im Übrigen hier auch als komplett feststehender, geschlossener Thermosiphon realisiert ist.In the synchronous machine 1' it is possible to use a larger cooling capacity, but then is a second cooling circuit 14 required, which is also realized here as a completely fixed, closed thermosyphon.

Claims

Synchronous machine ( 1 . 1' ), comprising one against a stator ( 2 ) rotatable rotor ( 4 ) with at least one winding made of a superconductor ( 5 ) and a liquid first cooling medium ( 8th ) for cooling the winding ( 5 ) in a hollow interior ( 7 ) of the rotor ( 4 ) using cooling device, characterized in that in the hollow interior ( 7 ) of the rotor ( 4 ) at least one in the rotor ( 4 ) fixed condenser ( 10 ) is arranged so that gaseous first cooling medium ( 9 ) in the interior ( 7 ) to the condenser ( 10 ) and is liquefied there.

Synchronous machine according to claim 1, characterized in that as a condenser ( 10 ) a condenser body is provided and / or the condenser ( 10 ) Part of a through a rotary feedthrough ( 12 ) in the interior ( 7 ) projecting condenser assembly ( 11 ).

Synchronous machine according to claim 1 or 2, characterized in that as a unit with the condenser ( 10 ) at least one cold head ( 13 ) in the interior ( 7 ) of the rotor ( 4 ) is integrated and / or the cold head ( 13 ) in the interior ( 7 ) of the rotor ( 4 ) condenser ( 10 ) is arranged immediately adjacent.

Synchronous machine according to claim 1 or 2, characterized in that the condenser ( 10 ) with a second, in a separate, closed cooling circuit ( 14 ) guided cooling medium ( 15 ) is in contact, which on at least one outside of the rotor ( 4 ), relative to the rotor ( 4 ) fixed cold head ( 13 ) is cooled, in particular liquefied.

Synchronous machine according to claim 4, characterized in that the cooling circuit ( 14 ) of the second cooling medium ( 15 ) is formed as a thermosyphon.

Synchronous machine according to claim 4 or 5, characterized in that the second cooling medium ( 15 ) has a lower boiling point than the first cooling medium ( 8th . 9 ) having.

Synchronous machine according to one of the preceding claims, characterized in that the condenser ( 10 ) has a radial extension exceeding 15 mm.