-
Die Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung zur Kühlung einer elektrischen Maschine mit einem um eine Rotationsachse drehbar gelagerten Rotor, der auf einer zentralen Rotorwelle angeordnet ist, mit einem feststehenden Kondensorraum, der mit einem feststehenden Kaltkopf in thermischem Kontakt steht und mit wenigstens einem auf dem Rotor angeordneten ersten Kühlmittelraum.
-
Aus dem Stand der Technik sind elektrische Maschinen bekannt, die mit Kühlvorrichtungen zur Kühlung von rotierenden elektrischen Spulenwicklungen ausgestattet sind. Insbesondere Maschinen mit supraleitenden Rotorwicklungen werden typischerweise mit Kühlvorrichtungen ausgestattet, bei denen ein Kühlmittel wie flüssiger Stickstoff, flüssiges Helium oder flüssiges Neon im Inneren einer zentralen Rotorwelle nach dem Thermosiphon-Prinzip zirkuliert und hierdurch Wärme aus dem Rotor abführen kann. Mit solchen Kühlsystemen können supraleitende Spulenwicklungen, insbesondere supraleitende rotierende Erregerwicklungen auf eine Betriebstemperatur unterhalb der Sprungtemperatur des Supraleiters gekühlt werden und auf dieser Betriebstemperatur gehalten werden.
-
Bei solchen bekannten Kühlvorrichtungen wird oft ein Endbereich der Rotorwelle verwendet, um von einer feststehenden Kälteanlage verflüssigtes Kühlmittel in einen Innenraum der Rotorwelle einzuspeisen, beispielsweise über ein in die Rotorwelle hineinragendes feststehendes Kühlmittelrohr. Eine derartige Kühlvorrichtung ist aus der
EP2603968A1 bekannt.
-
Nachteilig bei einer derartigen Einspeisung über ein Wellenende ist jedoch, dass nicht bei allen elektrischen Maschinen ein freies Ende der Rotorwelle für diesen Zweck zur Verfügung steht. Weiterhin gibt es zahlreiche Anwendungen, für die die Rotorwelle als durchgehende, massive Welle ausgestaltet werden sollte, und bei der kein Hohlraum im Inneren der Welle für eine Zirkulation des Kühlmittels zur Verfügung steht. Ein Beispiel für eine solche Anwendung einer elektrischen Maschine ist ein Generator in einem Gas- und Dampfkraftwerk. Hier ist es wünschenswert, sowohl einen Generator als auch eine Gasturbine und eine Dampfturbine auf derselben rotierenden Welle anzuordnen. Dabei ist vorteilhaft der Generator zwischen der Gasturbine und der Dampfturbine angeordnet, so dass jeweils nur ein kurzer axialer Weg für die jeweilige Drehmomentübertragung über die Welle überbrückt werden muss. Weiterhin ist die Ausgestaltung einer massiven und durchgehenden Welle vorteilhaft, um die teils hohen Drehmomente bei unter Umständen sehr hohen Drehzahlen mit hoher Stabilität übertragen zu können. Bei einer solchen Anordnung steht kein freies Wellenende zur Einspeisung von Kühlmittel in der Nähe des Generators zur Verfügung.
-
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Kühlvorrichtung für eine elektrische Maschine anzugeben, welche die genannten Nachteile vermeidet. Insbesondere soll eine Kühlvorrichtung angegeben werden, über die auf einfache Weise ein Kühlmittel von einer feststehenden Kälteanlage in einen drehbar gelagerten Rotor eingespeist werden kann, ohne hierfür einen Hohlraum im Inneren einer Rotorwolle zu nutzen. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine elektrische Maschine mit einer solchen Kühlvorrichtung anzugeben.
-
Diese Aufgabe wird durch eine Kühlvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch eine elektrische Maschine mit den Merkmalen des Anspruchs 13 gelöst.
-
Die erfindungsgemäße Kühlvorrichtung zur Kühlung einer elektrischen Maschine mit einem um eine Rotationsachse drehbar gelagerten Rotor, der auf einer zentralen Rotorwelle angeordnet ist, umfasst wenigstens einen feststehenden Kondensorraum, der mit wenigstens einem feststehenden Kaltkopf in thermischem Kontakt steht, und wenigstens einen auf dem Rotor angeordneten ersten Kühlmittelraum, wobei der erste Kühlmittelraum die zentrale Rotorwelle ringförmig umgibt und eine axiale Begrenzungswand aufweist, die mit einem ringförmigen Spalt zur Einspeisung und/oder Ausleitung von Kühlmittel versehen ist.
-
Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung ist, dass durch den ersten Kühlmittelraum ein auf dem Rotor angeordnetes Kühlreservoir zur Verfügung gestellt wird, das radial außerhalb der Rotorwelle angeordnet ist. Durch den ringförmigen Spalt der Begrenzungswand des ersten Kühlmittelraums wird eine Schnittstelle zur Ein- und/oder Ausleitung von Kühlmittel zur Verfügung gestellt, die ebenfalls radial außerhalb der Rotorwelle angeordnet ist. Somit wird die Einspeisung von Kühlmittel von einem feststehenden Kondensorraum einer Kälteanlage in den drehbaren Rotor möglich, ohne dafür einen Innenraum der Rotorwelle zu benötigen. Die Welle kann dadurch vorteilhaft als massives Bauteil ohne zentralen Hohlraum ausgeführt werden. Insbesondere kann die Rotorwelle als durchgehendes Bauteil ausgeführt werden, welches den Rotor ein- oder beidseitig mit anderen rotierenden Vorrichtungen verbindet. Besonders vorteilhaft kann das Kühlmittel der Kühlvorrichtung in einem geschlossenen Kreislauf nach dem Prinzip der Thermosiphon-Kühlung zirkuliert werden, um Wärme vom Rotor abzuführen. Hierbei kann der geschlossene Kreislauf des Kühlmittels vorteilhaft vollständig radial außerhalb des Bereichs der Rotorwelle ablaufen.
-
Die erfindungsgemäße elektrische Maschine weist einen um eine Rotationsachse drehbar gelagerten Rotor, der auf einer zentralen Rotorwelle angeordnet ist, und wenigstens eine erfindungsgemäße Kühlvorrichtung auf. Die Vorteile einer solchen elektrischen Maschine ergeben sich analog zu den beschriebenen Vorteilen der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung. Zweckmäßig weist die elektrische Maschine eine auf dem Rotor angeordnete elektrische Spulenwicklung auf, die über die Kühlvorrichtung gekühlt werden kann. Diese Spulenwicklung kann eine supraleitende Spulenwicklung, insbesondere eine hochtemperatursupraleitende Spulenwicklung sein. Bei der elektrischen Maschine kann es sich beispielsweise um einen Generator oder um einen Motor handeln.
-
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den von den Ansprüchen 1 und 13 abhängigen Ansprüchen hervor. Dabei können die Merkmale der Kühlvorrichtung vorteilhaft mit den Merkmalen der elektrischen Maschine kombiniert werden.
-
Der erste Kühlmittelraum der Kühlvorrichtung kann über den ringförmigen Spalt fluidisch mit dem Kondensorraum in Verbindung stehen. Dabei kann vorteilhaft über den ringförmigen Spalt als Schnittstelle ein fluidisch geschlossener Kühlmittelkreislauf ausgebildet sein, der sich über den rotierenden ersten Kühlmittelraum und den feststehenden Kondensorraum erstreckt. Hierdurch kann Kühlmittel nach dem Prinzip der Thermosiphon-Kühlung zwischen dem Kondensorraum und dem ersten Kühlmittelraum des Rotors zirkulieren und auf diese Weise Wärme von dem Rotor abführen. Insbesondere kann dazu Kühlmittel im Kondensorraum durch die Kühlwirkung des Kaltkopfes verflüssigt werden und in flüssiger Form in den ersten Kühlmittelraum des Rotors eingespeist werden. Das flüssige Kühlmittel kann im Bereich des Rotors verdampfen und dadurch den auf dem Rotor angeordneten Bauteilen Wärme entziehen. Diese Verdampfung muss nicht im ersten Kühlmittelraum des Rotors erfolgen, sondern kann räumlich entfernt von diesem stattfinden, beispielsweise in der Nähe einer auf dem Rotor angeordneten elektrischen Spulenwicklung, insbesondere einer supraleitenden Spulenwicklung. Danach kann das Kühlmittel als gasförmiger Stoff wiederum über den als Schnittstelle wirkenden ringförmigen Spalt in den feststehenden Kondensorraum zurückgeführt werden, wo es durch die Kühlwirkung des Kaltkopfes kondensieren kann und der Kreislauf von neuem beginnt.
-
Alternativ zu dem beschriebenen Kreislauf zwischen flüssigem und gasförmigem Kühlmittel kann bei einem alternativen Kreislauf auch ein überkritischer Zustand des Kühlmittels durchlaufen werden. Dies kann insbesondere dann eintreten, wenn das Kühlmittel in radial außenliegenden Bereichen des Rotors durch die Rotationskräfte unter Druck gesetzt wird und hierdurch in einen überkritischen Zustand gerät, bei dem der Unterschied zwischen Flüssigkeit und Gas nicht mehr vorliegt. Dann kann ein ähnlicher Kreislauf ablaufen, der im Bereich des überkritischen Kühlmittels durch temperaturbedingte Dichteunterschiede angetrieben wird. Es kann also ein Kreislauf zwischen kondensiertem Kühlmittel bei niedrigerem Druck, überkritischem Kühlmittel bei hohem Druck und gasförmigem Kühlmittel bei niedrigerem Druck durchlaufen werden, wobei das gasförmige Kühlmittel wiederum im Kondensorraum zu unterkritischem flüssigem Kühlmittel kondensiert. Bei einem solchen Durchlauf des überkritischen Bereichs des Phasendiagramms des Kühlmittels kommt es im niedrigeren Druckbereich immer wieder zu einer Kondensation des Kühlmittels, aber trotzdem nie zu einer richtigen Verdampfung, da der Übergang von flüssig zu gasförmig indirekt über den überkritischen Bereich stattfindet.
-
Der mittlere Abstand des ringförmigen Spalts von der Außenseite der Rotorwelle kann vorteilhaft höchstens 5 cm betragen. Alternativ oder zusätzlich kann mittlere Durchmesser des ringförmigen Spalts höchstens 200 % des Außendurchmessers der Rotorwelle betragen. Eine derartige Begrenzung des Durchmessers des ringförmigen Spalts ist vorteilhaft, um Reibungsverluste sowohl zwischen rotierendem Kühlmittel und feststehenden Elementen als auch zwischen ruhendem Kühlmittel und rotierenden Elementen zu verringern, da in radial weiter innenliegenden Bereichen die Geschwindigkeiten der bewegten Teile geringer sind.
-
Der erste Kühlmittelraum kann fluidisch mit wenigstens einer auf dem Rotor angeordneten Kühlrohrschleife verbunden sein, die zumindest in einem Teilbereich thermisch an eine auf dem Rotor angeordnete elektrische Spulenwicklung angekoppelt ist. Bei dieser Ausführungsform muss also das Kühlmittel des ersten Kühlmittelraums nicht direkt an die zu entwärmenden Komponenten des Rotors gekoppelt sein, sondern es kann über eine solche Kühlrohrschleife zu einem Bereich des Rotors transportiert werden, in dem die zu entwärmende elektrische Spulenwicklung angeordnet ist. Beispielsweise kann sich der erste Kühlmittelraum in einem axialen Endbereich des Rotors befinden, und die Kühlrohrschleife kann dazu dienen, das Kühlmittel in andere, vom ersten Kühlmittelraum entferntere axiale Bereiche zu leiten. Alternativ oder zusätzlich kann die Kühlrohrschleife dazu ausgelegt sein, um Kühlmittel in vom ersten Kühlmittelraum entfernte andere radiale Bereiche zu leiten. Besonders vorteilhaft kann der ringförmige erste Kühlmittelraum die Rotorwelle in einem radial innenliegenden Bereich umgeben, und die Kühlrohrschleife kann das Kühlmittel von dort aus in radial weiter außenliegende Bereiche (und von dort wieder zurück) transportieren, in denen beispielsweise eine elektrische Spulenwicklung angeordnet sein kann.
-
Beispielsweise kann die Kühlrohrschleife dazu ausgebildet sein, das verdichtete Kühlmittel mittels bei der Rotation auftretender Fliehkräfte in radial weiter außenliegende Bereiche des Rotors zu transportieren. Durch die sich ausbildenden Druck- und Temperaturverhältnisse und dadurch entstehenden Dichteunterschiede kann das in diesem radial außenliegenden Bereich verdampfte gasförmige Kühlmittel oder das in diesem Bereich erwärmte und ausgedehnte überkritische Kühlmittel wieder zurück zum radial weiter innenliegenden Bereich des ersten Kühlmittelraums transportiert werden.
-
Zur Ausbildung eines geschlossenen Kühlmittelkreislaufs ist es allgemein vorteilhaft, wenn die genannte Kühlrohrschleife einen radial außenliegenden Abschnitt zum Transport von kaltem Kühlmittel in den zu kühlenden Bereich und einen radial weiter innenliegenden Abschnitt zum Transport von erwärmtem Kühlmittel zurück zum ersten Kühlmittelraum aufweist.
-
Besonders vorteilhaft kann die Kühlvorrichtung mehrere Kühlrohrschleifen aufweisen, um verschiedene Bereiche des Rotors zu kühlen. Insbesondere können solche Kühlrohrschleifen in Umfangsrichtung an verschiedenen Stellen des ersten Kühlmittelraums angeschlossen sein, um damit Bereiche in verschiedenen Umfangssegmenten des Rotors zu kühlen. Alternativ oder zusätzlich kann auch eine Mehrzahl von Kühlrohrschleifen zur Kühlung unterschiedlicher axialer und/oder radialer Bereiche des Rotors vorgesehen sein.
-
Der feststehende Kondensorraum kann fluidisch über wenigstens ein in den ringförmigen Spalt hineinragendes Verbindungsrohr mit dem ersten Kühlmittelraum des Rotors gekoppelt sein. Dieses Verbindungsrohr kann vorteilhaft feststehend sein. Dann kann vorteilhaft über dieses wenigstens eine Verbindungsrohr ein geschlossener Kühlkreislauf zwischen dem feststehenden Kondensorraum und dem rotierenden ersten Kühlmittelraum gebildet werden. Beispielsweise können in demselben Verbindungsrohr ein Transport von flüssigem Kühlmittel hin zum Rotor und ein Transport von gasförmigem Kühlmittel weg vom Rotor hin zum feststehenden Kondensorraum erfolgen. In diesem Fall wirkt das Verbindungsrohr also als Teil eines Wärmerohrs, das Kühlmittel in beide Richtungen transportiert. Durch die Rotation des ersten Kühlmittelraums und seiner axialen Begrenzungswand durchläuft dabei das feststehende Verbindungsrohr nacheinander die verschiedenen Umfangssegmente des ringförmigen Spaltes in einem geschlossenen Kreis. Es ist daher zweckmäßig, wenn der ringförmige Spalt eine im Wesentlichen kreissymmetrische Form aufweist, damit keine unnötig große Öffnung vorliegt.
-
Das in den ringförmigen Spalt hineinragende Verbindungsrohr kann in einem ringförmigen Verbindungsstück angeordnet sein, dessen Querschnitt einen mehrheitlichen Teil des ringförmigen Spalts ausfüllt. Das ringförmige Verbindungsstück und das darin angeordnete Verbindungsrohr können zweckmäßig beide feststehend sein, wobei das Verbindungsrohr fluidisch mit dem feststehenden Kondensorraum verbunden ist. Das ringförmige Verbindungsstück weist vorteilhaft eine kreisförmige Geometrie auf und ist in Form und Größe so an den Spalt angepasst, dass es diesen weitgehend ausfüllt. Beispielsweise kann der Querschnitt des Verbindungsstücks so groß sein, dass es den Spalt zu wenigstens 80%, insbesondere wenigstens 90% seiner Breite ausfüllt. Somit verbleibt nach Einführen des Verbindungsstücks in den Spalt nur ein kleiner Teil der Spaltfläche als tatsächliche Öffnung in der axialen Begrenzungswand des Kühlmittelraums. Insbesondere kann durch das ringförmige Verbindungsstück ein wesentlich größerer Teil der Spaltfläche nach außen hin geschlossen werden als es durch ein Hineinstecken von einem einzelnen oder wenigen einzelnen Verbindungsrohren möglich wäre. Das ringförmige Verbindungsstück kann insbesondere ein zylindrisches Verbindungsstück sein. Es kann auch ein konisch geformtes Querschnittsprofil und/oder ein gestuftes Querschnittsprofil aufweisen, um besonders passgenau in den ringförmigen Spalt eingeführt werden zu können.
-
In dem ringförmigen Verbindungsstück können ein oder mehrere Verbindungsrohre in Form von rohrartigen Ausnehmungen ausgebildet sein. Diese Verbindungsrohre können sich dann nach außen hin beispielsweise als freitragende Rohre bis zum Kondensorraum fortsetzen.
-
Das wenigstens eine Verbindungsrohr kann im Bereich des ringförmigen Spalts beispielsweise geodätisch oberhalb der zentralen Rotorwelle angeordnet sein. Bei dieser Ausführungsform kann verflüssigtes Kühlmittel durch den Einfluss der Schwerkraft vom Verbindungsrohr in einen großen Bereich des Kühlmittelraums gelangen. Das Verbindungsrohr kann alternativ auch geodätisch unterhalb der zentralen Rotorwelle angeordnet sein, oder es kann seitlich neben ihr angeordnet sein. In diesen Fällen kann verflüssigtes Kühlmittel mit Hilfe der Schwerkraft in einen Teilbereich des ringförmigen Kühlmittelraums transportiert werden. Zusätzlich zur Schwerkraft spielen bei einer Drehung des Rotors auch die Fliehkräfte für die Verteilung des Kühlmittels innerhalb des Kühlmittelraums eine Rolle, so dass der Einfluss der Schwerkraft auf die Verteilung innerhalb des Rotors dann weniger relevant ist.
-
Das zwischen feststehendem Kondensorraum und rotierendem ersten Kühlmittelraum angeordnete Verbindungsrohr kann zumindest in einem Teilbereich zum ersten Kühlmittelraum hin abfallend angeordnet sein, um die Einspeisung des Kühlmittels in den ersten Kühlmittelraum durch die Schwerkraft zu unterstützen. Dabei kann auf der dem ersten Kühlmittelraum zugewandten Seite des Verbindungsrohrs vorteilhaft ein schräg abfallender Bereich ausgebildet sein.
-
Der wenigstens eine feststehende Kondensorraum kann fluidisch über mehrere in den ringförmigen Spalt hineinragende Verbindungsrohre mit dem ersten Kühlmittelraum des Rotors gekoppelt sein. Insbesondere können diese Verbindungsrohre auf unterschiedlichen Positionen in Umfangsrichtung des Ringspalts angeordnet sein. Besonders vorteilhaft können sie jeweils innerhalb eines ringförmigen Verbindungsstücks angeordnet sein, wie oben beschrieben. Es kann ein einzelner Kondensorraum über mehrere Verbindungsrohre mit dem ersten Kühlmittelraum verbunden sein, beispielsweise um bei vergleichbarer Größe des Ringspalts einen erhöhten Rohrquerschnitt zur Verfügung zu stellen und/oder den Eintrag des Kühlmittels räumlich gleichmäßiger zu verteilen. Alternativ können jedoch auch mehrere Kondensorräume, die thermisch jeweils an mindestens einen eigenen Kaltkopf gekoppelt sind, über jeweils eigene Verbindungsrohre mit dem ersten Kühlmittelraum verbunden sein. Dies kann beispielsweise nötig sein, um einzelne Kaltköpfe warten oder ersetzen zu können, ohne den Betrieb der gesamten elektrischen Maschine zu unterbrechen.
-
Der feststehende Kondensorraum kann fluidisch über wenigstens ein Paar von Verbindungsrohren mit dem ersten Kühlmittelraum gekoppelt sein, wobei jeweils ein erstes Verbindungsrohr des Paares zum Einspeisen von Kühlmittel in den ersten Kühlmittelraum und ein zweites Verbindungsrohr des Paares zum Ausleiten von Kühlmittel aus dem ersten Kühlmittelraum vorgesehen ist. Durch eine derartige Trennung von Hin- und Rückleitung können die einzelnen Rohre vorteilhaft mit einem kleineren Querschnitt ausgebildet sein im Vergleich zu Rohren, die für beide Transportrichtungen ausgebildet sind. Hierdurch kann die offene Fläche des Ringspalts vorteilhaft kleiner ausgebildet werden und/oder die Einspeisung kann radial näher an der Rotorwelle erfolgen. Das wenigstens eine erste Verbindungsrohr kann beispielsweise mit einer im Kondensorraum gebildeten Flüssigkeitssäule des Kühlmittels in Verbindung stehen, und das wenigstens eine zweite Verbindungsrohr kann mit einem Bereich des Kondensorraum in Verbindung stehen, in dem gasförmiges Kühlmittel vorliegt.
-
Der erste Kühlmittelraum kann über den ringförmigen Spalt mit einer Zwischenkammer verbunden sein, die die zentrale Rotorwelle ringförmig umgibt. Dabei kann vorteilhaft an wenigstens einer Begrenzungswand dieser Zwischenkammer eine Dichtung zwischen rotierenden Elementen des Rotors und feststehenden Elementen, die mit dem Verbindungsrohr verbunden sind, angeordnet sein. Mit anderen Worten kann die Verbindungskammer zum Teil von feststehenden Elementen und zum Teil von rotierenden Elementen begrenzt sein. Insgesamt ist die Verbindungskammer jedoch vorteilhaft ein relativ abgeschlossener Bereich, der im Wesentlichen nur über die verbleibende Öffnung des ringförmigen Spalts mit der ersten Kühlmittelkammer verbunden ist, zumindest soweit diese Öffnung nicht durch ein ringförmiges Verbindungsstück gefüllt ist. Darüber hinaus kann die Zwischenkammer noch über eine Rest-Durchlässigkeit der Dichtung zwischen den rotierenden und feststehenden Elementen mit der umgebenden Atmosphäre verbunden sein. Je nach Qualität der Dichtung kann sich hierdurch ein geringfügiges Leck für das Kühlmittel ergeben, so dass sich ein Bedarf für das gelegentliche Nachfüllen von Kühlmittel ergeben kann. Die Zwischenkammer kann zumindest in einem Teilbereich von thermisch schlecht leitendem Material begrenzt sein, so dass sich in diesem Bereich eine Trennung von einer kalten Begrenzungswand und einer warmen Begrenzungswand ergeben kann. Beispielsweise kann der ringförmige Spalt dann vorteilhaft in einer kalten Begrenzungswand der Zwischenkammer angeordnet sein, da diese Begrenzungswand gleichzeitig auch eine Begrenzungswand des ersten Kühlmittelraums sein kann. Vorteilhaft kann die Dichtung zwischen rotierenden und feststehenden Elementen in einem relativ warmen Bereich der Begrenzungswand der Zwischenkammer angeordnet sein. In dieser Ausführungsform sind die Anforderungen an die Dichtung deutlich niedriger, da Drehdichtungen für höhere Temperaturbereiche wesentlich weniger aufwendig, kostengünstiger und/oder gasdichter hergestellt werden können.
-
Bei einem Betrieb der Kühlvorrichtung kann die Zwischenkammer wenigstens teilweise mit gasförmigem Kühlmittel gefüllt sein. Bei dieser Ausführungsform muss der ringförmige Spalt nicht gasdicht verschlossen sein. Besonders vorteilhaft muss bei einer solchen Ausführungsform gar keine gasdichte Drehdichtung im kryogenen Temperaturbereich vorliegen. Bei Vorliegen einer solchen Zwischenkammer kann der Übergang von feststehenden zu rotierenden Elementen vorteilhaft von einem Übergang zwischen kalten und warmen Wandbereichen entkoppelt werden. Die Zwischenkammer kann fluidisch mit dem ersten Kühlmittelraum verbunden sein.
-
Die Zwischenkammer kann als vakuumdichte Kammer ausgebildet sein. Bei einer solchen Ausführungsform muss ein das wenigstens eine Verbindungsrohr tragende Verbindungsstück vakuumdicht gegen die axiale Begrenzungswand des ersten Kühlmittelraums abgedichtet sein. Eine solche Dichtung sollte zweckmäßig auch in einem kryogenen Temperaturbereich vakuumdicht abschließen, da die axiale Begrenzungswand des ersten Kühlmittelraums zweckmäßig als kalte Wand ausgebildet ist. Bei einer solchen Ausführungsform können die thermischen Verluste und/oder die Kühlmittelverluste im Bereich der Zwischenkammer geringer sein, als bei Ausführungsformen, bei denen die Zwischenkammer mit gasförmigem Kühlmittel gefüllt ist. Allerdings sind die Anforderungen an die Dichtungen entsprechend höher.
-
Die Zwischenkammer kann im Verhältnis zur Position des ersten Kühlmittelraums auf dem Rotor axial weiter außenliegend angeordnet sein. Diese Ausführungsform vereinfacht die seitliche Einkopplung von Kühlmittel aus einem feststehenden Rohr.
-
Die ringförmige Zwischenkammer kann auf ihren jeweiligen Umfangssegmenten eine radiale Ausdehnung aufweisen, die größer ist als eine axiale Länge der Zwischenkammer. Besonders vorteilhaft kann die radiale Ausdehnung um wenigstens 25% größer sein als die axiale Länge. Ein solches Größenverhältnis kann vorteilhaft sein, wenn für die Einspeisung des Kühlmittels nur wenig axialer Platz zur Verfügung steht, beispielsweise wenn in einem Gas- und Dampfkraftwerk der Generator sehr dicht neben der Gasturbine und/oder der Dampfturbine angeordnet ist.
-
Alternativ kann die ringförmige Zwischenkammer auf ihren jeweiligen Umfangssegmenten eine radiale Ausdehnung aufweisen, die kleiner ist als die axiale Länge der Zwischenkammer. Besonders vorteilhaft kann die radiale Ausdehnung um wenigstens 25% kleiner sein als die axiale Länge. Ein solches Größenverhältnis kann vorteilhaft sein, um eine Einspeisung des Kühlmittels möglichst dicht an der Rotorwelle zu ermöglichen und somit Reibungsverluste zwischen dem Kühlmittel und rotierenden und/oder feststehenden Teilen möglichst gering zu halten.
-
Der erste Kühlmittelraum kann über eine Zwischenwand thermisch mit einem zweiten Kühlmittelraum gekoppelt sein, wobei der zweite Kühlmittelraum fluidisch mit wenigstens einer auf dem Rotor angeordneten Kühlrohrschleife verbunden ist, die zumindest in einem Teilbereich thermisch an eine auf dem Rotor angeordnete elektrische Spulenwicklung angekoppelt ist. Bei dieser Ausführungsform liegen also zwei fluidisch getrennte Kühlkreisläufe vor, zwischen denen Wärme über die Wärmeleitfähigkeit der Zwischenwand übertragen werden kann. Der erste Kühlmittelkreislauf erstreckt sich dabei über den feststehenden Kondensorraum und den rotierenden ersten Kühlmittelraum sowie über ein oder mehrere optional dazwischen angeordnete Verbindungsrohre. Der zweite Kühlmittelkreislauf erstreckt sich über den zweiten Kühlmittelraum und die wenigstens eine Kühlrohrschleife, über die Wärme von der elektrischen Spulenwicklung abtransportiert werden kann. Es handelt sich dabei also um ein kaskadiertes System von zwei Kühlkreisläufen. Für die beiden Kühlkreisläufe kann beispielsweise das gleiche Kühlmittel gewählt werden, wobei unter Umständen in den beiden Kühlkreisläufen ein deutlich unterschiedlicher Druck vorliegen kann. Beispielsweise kann im zweiten Kühlkreislauf ein höherer durchschnittlicher Druck vorliegen, wodurch ein Betrieb bei vergleichsweise höheren Temperaturen bewirkt wird. Es ist zum Beispiel auch möglich, dass im ersten Kühlkreislauf ein Kreislauf zwischen flüssiger Phase und Gasphase abläuft, während im zweiten Kühlkreislauf ein Kreislauf zwischen verschieden dichten Zuständen eines überkritischen Kühlmittels abläuft. Es können auch in den beiden Kühlkreisläufen unterschiedliche Kühlmittel zum Einsatz kommen. Der zweite Kühlmittelraum kann die zentrale Rotorwelle ebenfalls ringförmig umgeben.
-
Der Kondensorraum und wenigstens der erste Kühlmittelraum können mit einem Kühlmittel gefüllt sein, das Stickstoff, Helium oder Neon umfasst. Auch der gegebenenfalls vorliegende zweite Kühlmittelraum kann vorteilhaft mit einem derartigen Kühlmittel gefüllt sein. Mit den genannten Stoffen kann mit verschiedenen Druckbereichen ein relativ großer Bereich an kryogenen Betriebstemperaturen zugänglich gemacht werden.
-
Die elektrische Maschine kann wenigstens eine auf dem Rotor angeordnete elektrische Spulenwicklung und wenigstens zwei Stromzuführungen zur Verbindung der Spulenwicklung mit einem äußeren Stromkreis umfassen, wobei die Stromzuführungen in einem ersten axialen Endbereich des Rotors angeordnet sind und der erste Kühlmittelraum im selben ersten axialen Endbereich des Rotors angeordnet ist. Zusätzlich können zweckmäßig eine gegebenenfalls vorliegende Zwischenkammer und ein oder mehrere Verbindungsrohre auf derselben axialen Seite des Rotors angeordnet sein. Eine Einspeisung des Kühlmittels auf der axialen Seite der Stromzuführungen kann vorteilhaft sein, um die in diesem Bereich durch die Stromzuführungen zusätzlich erzeugte und/oder eingekoppelte Wärme abzuführen.
-
Die elektrische Maschine kann wenigstens zwei erfindungsgemäße Kühlvorrichtungen umfassen. Dies kann vorteilhaft sein, um die gesamte Kühlleistung des Systems zu erhöhen, und/oder um Redundanz beim Ausfall eines der Kühlsysteme zu schaffen. Eine solche Ausgestaltung kann auch schon aus rein geometrischen Erwägungen sinnvoll sein, beispielsweise um Kühlmittel von zwei axialen Endbereichen des Rotors aus einzuspeisen.
-
Bei einer elektrischen Maschine mit zwei oder mehr Kühlvorrichtungen können diese fluidisch getrennt sein und unabhängig voneinander arbeiten. Vorteilhaft kann dann bei Ausfall einer Kühlvorrichtung eine andere die vollständige Kühlung der elektrischen Maschine übernehmen.
-
Bei einer elektrischen Maschine mit zwei oder mehr Kühlvorrichtungen können diese unterschiedlich ausgestaltet sein. Beispielsweise können sie für unterschiedliche Kühlleistungen ausgebildet sein. Bei einem Rotor, bei dem nur auf einer axialen Seite Stromzuführungen für die elektrische Spulenwicklung angeordnet sind, kann es vorteilhaft sein, auf dieser axialen Seite eine Kühlvorrichtung mit einer höheren Kühlleistung vorzusehen als im gegenüberliegenden axialen Bereich.
-
Die Kühlvorrichtungen, insbesondere die Kühlrohrschleifen der einzelnen Kühlvorrichtungen können in ihrer axialen Ausdehnung überlappen, so dass zumindest einige axiale Bereiche des Rotors redundant durch wenigstens zwei Kühlvorrichtungen gekühlt werden können.
-
Alternativ können in einer elektrischen Maschine zwei oder mehr Kühlvorrichtungen fluidisch gekoppelt sein, insbesondere können sie innerhalb des Rotors fluidisch gekoppelt sein. Eine solche Ausführungsform kann beispielsweise sinnvoll sein, um beide axialen Endbereiche eines Rotors zur Einkopplung von Kühlmittel zu nutzen, andererseits aber die Anzahl der auf dem Rotor angeordneten Kühlrohrschleifen gering zu halten.
-
Bei einer elektrischen Spulenwicklung, die ausgedehnte radiale Spulenabschnitte in beiden axialen Endbereichen des Rotors aufweist, kann es vorteilhaft sein Kühlvorrichtungen auf beiden axialen Seiten des Rotors anzubringen, deren Kühlrohrschleifen sich zumindest in einem Teilbereich radial erstrecken und dort thermisch an benachbart verlaufende radiale Spulenabschnitte angekoppelt sind. Eine solche Ausführungsform kann besonders bei solchen elektrischen Spulenwicklungen vorteilhaft sein, die zur Ausbildung eines zweipoligen Magnetfeldes vorgesehen ist.
-
Nachfolgend wird die Erfindung anhand einiger bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die angehängten Zeichnungen beschrieben, in denen:
-
1 einen schematischen Längsschnitt durch einen Rotor und eine Kühlvorrichtung nach einem ersten Ausführungsbeispiel zeigt,
-
2 einen schematischen Querschnitt durch einen Ringspalt nach einem zweiten Ausführungsbeispiel zeigt,
-
3 einen schematischen Querschnitt durch ein Verbindungsstück nach einem dritten Ausführungsbeispiel zeigt,
-
4 einen schematischen Querschnitt durch ein Verbindungsstück nach einem vierten Ausführungsbeispiel zeigt,
-
5 einen schematischen Querschnitt durch ein Verbindungsstück nach einem fünften Ausführungsbeispiel zeigt,
-
6 einen schematischen Längsschnitt durch einen Teil einer Kühlvorrichtung nach einem sechsten Ausführungsbeispiel zeigt,
-
7 einen schematischen Längsschnitt durch einen Teil einer Kühlvorrichtung nach einem siebten Ausführungsbeispiel zeigt und
-
8 einen schematischen Längsschnitt durch einen Rotor einer elektrischen Maschine nach einem achten Ausführungsbeispiel zeigt.
-
1 zeigt einen schematischen Längsschnitt durch einen Rotor 3 einer elektrischen Maschine und eine Kühlvorrichtung 1 nach einem ersten Ausführungsbeispiel. Der Rotor 3 wird von einer Rotorwelle 7 getragen und rotiert zusammen mit dieser um eine zentrale Rotationsachse 5. Im Inneren des Rotors 3 ist eine elektrische Spulenwicklung 27 angeordnet, die in diesem Beispiel eine Wicklung mit hochtemperatursupraleitendem Leitermaterial ist. Die supraleitende Wicklung 27 wird durch die Kühlvorrichtung 1 auf eine Betriebstemperatur unterhalb ihrer Sprungtemperatur gekühlt. Zur Aufrechterhaltung dieser Betriebstemperatur ist ein ständiger Abtransport von Wärme aus dem Bereich der Spulenwicklung 27 nötig.
-
Die Kühlvorrichtung 1 weist einen feststehenden Bereich, einen mit dem Rotor 3 rotierenden Bereich und eine Vorrichtung zur Ein- und Auskopplung von Kühlmittel zwischen diesen beiden Bereichen auf. Als Kühlmittel ist in diesem Beispiel Neon vorgesehen, das in den Zeichnungen allgemein mit Ne bezeichnet ist. Im feststehenden Bereich weist die Kühlvorrichtung 1 einen Kaltkopf 11 einer Kältemaschine und einen thermisch daran angekoppelten Kondensorraum 9 auf, in dem gasförmiges Kühlmittel durch die Einwirkung des Kaltkopfs 11 kondensieren kann. Dieses Kühlmittel Ne ist fluidisch über ein Verbindungsrohr 29 mit den rotierenden Bereichen der Kühlvorrichtung verbunden. Dabei liegt im Verbindungsrohr ein Kühlmittelfluss 21 in beiden Richtungen vor, denn es wird im selben Rohr 29 sowohl gasförmiges Kühlmittel zum Kaltkopf 11 hin als auch kondensiertes Kühlmittel vom Kaltkopf 11 weg transportiert. Das Verbindungsrohr 29 und der Kondensorraum 9 sind dabei von einer vakuumdichten Außenwand 15 umgeben, um eine thermische Isolation gegenüber der warmen Umgebung zu schaffen.
-
Von dem Verbindungsrohr 29 wird das Kühlmittel über eine weiter unten noch näher beschriebene Einkopplungsvorrichtung in einen mit dem Rotor 3 rotierenden ersten Kühlmittelraum 13 eingekoppelt. Dieser erste Kühlmittelraum 13 ist innerhalb des Rotors 3 in einem ersten axialen Endbereich angeordnet. Der erste Kühlmittelraum 13 enthält dabei im Betrieb sowohl gasförmiges als auch kondensiertes Kühlmittel. Bei einer Drehung des Rotors 3 wird das kondensierte Kühlmittel durch Fliehkräfte in radial weiter außenliegende Bereiche des ersten Kühlmittelraums 13 gedrängt, wie in der 1 skizziert. Vom ersten Kühlmittelraum 13 aus kann das Kühlmittel über eine oder mehrere geschlossene Kühlrohrschleifen 25 in den Bereich der elektrischen Spulenwicklung 27 gelangen und diese kühlen. In 1 sind zwei gegenüberliegende Kühlrohrschleifen 27 gezeigt, die für die Kühlung gegenüberliegender Abschnitte der Spulenwicklung 27 vorgesehen sind. Über die Kühlrohrschleifen 25 wird das Kühlmittel entlang einer Flussrichtung 23 in radial weiter außenliegende Bereiche in der Nähe der Spulenwicklung 27 geleitet. Weiterhin wird von der Kühlrohrschleife 25 ein relativ großer axialer Bereich des Rotors 3 abgedeckt, der in diesem Beispiel etwa der axialen Ausdehnung der Spulenwicklung 27 entspricht.
-
Der Teil der Kühlrohrschleife 27, der für den Transport von flüssigem Kühlmittel in den Bereich der Spulenwicklung 27 vorgesehen ist, liegt in diesem Beispiel radial weiter außen als der Teil, der für den Rücktransport von gasförmigem Kühlmittel vorgesehen ist. Bei dieser Anordnung können die während der Drehung entstehenden Fliehkräfte einen Transport des flüssigen Kühlmittels in dieser Richtung antreiben. Wenn der Rotor 3 steht, dann kann zumindest durch die Schwerkraft zumindest ein Kühlmittelfluss in einem geodätisch unten liegenden Bereich des Rotors 3 unterstützt werden, also beispielsweise in der unteren Hälfte des in 1 gezeigten Rotors 3.
-
Wenn der Rotor 3 über längere Zeit ohne ständige Drehung gekühlt werden muss, kann es daher zweckmäßig sein, den leichter zu kühlenden untenliegenden Abschnitt durch gelegentliche Teildrehungen zu wechseln. Auch der Transport von kondensiertem Kühlmittel aus dem feststehenden Kondensorraum 9 in den rotierenden ersten Kühlmittelraum 13 wird von der Schwerkraft unterstützt, da der Kondensorraum 9 geodätisch oberhalb der Einkopplungsvorrichtung auf den rotierenden Bereich angeordnet ist. Dazu weist das Verbindungsrohr 29 einen senkrecht stehenden Abschnitt und einen beispielsweise schräg abfallenden Bereich 30 auf der dem Rotor 3 zugewandten Seite auf.
-
Die Ein- und Auskopplung von Kühlmittel in den rotierenden Bereich der Kühleinrichtung erfolgt über einen ringförmigen Spalt 17, der in einer ersten axialen Begrenzungswand 15 des ersten Kühlmittelraums ausgebildet ist. Bei dieser Begrenzungswand 15 handelt es sich um eine axial außenliegende Begrenzungswand, so dass Kühlmittel insgesamt von einer axial außenliegenden Seite, also einer Stirnseite in den Rotor 3 eingekoppelt werden kann. In den Ringspalt 17 ragt hier an einer geodätisch oben liegenden Stelle das Verbindungsrohr 29 hinein. Bei einer Drehung des Rotors 3 durchläuft dieses Ende des Verbindungsrohrs 29 dabei nacheinander die verschiedenen Umfangspositionen des Ringspalts 17. Um in den Bereichen des Ringspalts 17, an denen sich das Verbindungsrohr 29 gerade nicht befindet, eine unnötig große Öffnung zu verhindern, ist der Spalt hier zumindest zu einem Teil mit einem ringförmigen Verbindungsstück 31 gefüllt, in dessen Innerem das Verbindungsrohr 29 als rohrartige Ausnehmung durchgeführt ist. Axial außerhalb und neben dem ersten Kühlmittelraum 13 ist hier eine Zwischenkammer 33 angeordnet, die in diesem Beispiel über den von dem Verbindungsstück 31 nicht vollständig ausgefüllten Teil des Ringspalts 17 fluidisch mit dem ersten Kühlmittelraum 13 verbunden ist. Bei einem Betrieb der Kühlvorrichtung ist diese Zwischenkammer 33 daher auch mit gasförmigem Kühlmittel Ne gefüllt. Der an den Ringspalt 17 direkt angrenzende Wandbereich, der den ersten Kühlmittelraum 13 von der Zwischenkammer 33 trennt, ist ein kalter Wandbereich, der mit dem im ersten Kühlmittelraum stehenden kondensierten Kühlmittel in direktem thermischen Kontakt ist. Innerhalb der Begrenzungswand der Zwischenkammer sind jedoch zwei ringförmige thermische Isolationen aus thermisch schlecht leitfähigem Material, in diesem Beispiel aus glasfaserverstärktem Kunststoff (GFK), angeordnet. Die sich an diese wärmeisolierten Bereiche 34 anschließenden Wandteile der Zwischenkammer befinden daher bei einem Betrieb der elektrischen Maschine auf einer vergleichsweise hohen Temperatur, die hauptsächlich durch die thermische Kopplung über das in der Zwischenkammer 33 befindliche gasförmige Kühlmittel etwas niedriger liegt als die Umgebungstemperatur. Innerhalb einer axial außenliegenden warmen Begrenzungswand der Zwischenkammer 33 sind zwei ringförmige Drehdichtungen 32 angeordnet, die die feststehenden Teile der Begrenzungswand (zusammen mit dem Verbindungsrohr 29) gegen die rotierenden Teile der Begrenzungswand abdichten. Diese Drehdichtungen 32 müssen aufgrund der räumlichen und thermischen Trennung von den kalten Wandbereichen der Zwischenkammer nicht für kryogene Temperaturen ausgelegt sein. Bei solchen Drehdichtungen kann es sich beispielsweise vorteilhaft um Ferrofluid-Dichtungen, um Kevlar-Bürstendichtungen oder um Labyrinth-Dichtungen handeln. Im gezeigten Beispiel sind die feststehenden Bereiche der Drehdichtungen gasdicht mit der Außenwand 15 des Verbindungsrohrs 29 sowie mit dem das Verbindungsrohr 29 tragenden Verbindungsstück 31 verbunden. Insgesamt müssen die Dichtungen 32 durch das Vorliegen einer gasgefüllten Zwischenkammer 33 nicht absolut vakuumdicht sein, sondern sie müssen nur relativ gasdicht sein, um einen zu großen Verlust an Kühlmittel während eines Betriebs der elektrischen Maschine zu vermeiden.
-
Die Rotorwelle 7 ist im Beispiel der 1 sowie in allen weiteren Ausführungsbeispielen als massive, durchgehende Welle ausgebildet, über die der Rotor 3 der elektrischen Maschine mechanisch an weitere, hier nicht gezeigte Vorrichtungen gekoppelt sein kann, beispielsweise an beidseitig benachbart angeordnete Gas- und Dampfturbinen in einem Kraftwerk.
-
In den 2 bis 5 sind schematische Querschnitte im Bereich des Ringspalts für vier verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung gezeigt. Diese Ausführungsbeispiele können in ihren übrigen, nicht gezeigten Merkmalen relativ ähnlich wie das Beispiel der 1 ausgebildet sein. 2 zeigt dabei den Querschnitt des Ringspalts 17 nach einem zweiten Ausführungsbeispiel, bei dem nur ein Verbindungsrohr 29 in den Ringspalt 17 hineinragt, ohne dass hier ein den übrigen Bereich des Ringspalts ausfüllendes Verbindungsstück vorgesehen wäre. Das Verbindungsrohr 29 ist hier in einem unteren Bereich des Ringspalts 17 angeordnet, so dass es sich auch geodätisch unterhalb der massiven Rotorwelle 7 befindet. Das Verbindungsrohr 29 ist in diesem Bereich leicht schräg abfallend, so dass mit Hilfe der Schwerkraft flüssiges Kühlmittel 35b in Richtung des Rotors 3 transportiert werden kann. In demselben Verbindungsrohr 29 strömt gasförmiges Kühlmittel 35a mehrheitlich in Richtung des Kondensorraums 9. Im gezeigten zweiten Ausführungsbeispiel ist der erste Kühlmittelraum 13 durch die relativ große verbleibende Öffnung des Ringspalts 17 fluidisch stark mit der benachbarten Zwischenkammer gekoppelt. Durch diese starke Kopplung stellt sich in der Zwischenkammer eine Atmosphäre aus gasförmigem Kühlmittel ein, deren Temperatur in einem Bereich zwischen der Betriebstemperatur der elektrischen Spule 27 und einer äußeren Umgebungstemperatur liegt.
-
3 zeigt ein ringförmiges Zwischenstück 31 im Bereich des Ringspalts 17 nach einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Dieses Zwischenstück 31 füllt den Ringspalt 17 weitgehend aus, so dass der Ringspalt 17 selbst in der 3 nicht dargestellt ist. Durch das ringförmige Zwischenstück 31 ist das Verbindungsrohr 29 geführt, dass sich auch in diesem Beispiel geodätisch unterhalb der Rotorwelle 7 befindet und auch hier zum Transport von sowohl flüssigem 35b als auch gasförmigem 35a Kühlmittel ausgebildet ist. Alternativ kann eine solche einzelne rohrartige Ausnehmung in dem Ringstück aber auch auf verschiedenen anderen Umfangspositionen des ringförmigen Verbindungsstücks 31 angeordnet sein.
-
4 zeigt einen schematischen Querschnitt eines ähnlichen ringförmigen Zwischenstücks 31 nach einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Bei diesem Beispiel trägt das Verbindungsstück vier Verbindungsrohre 29, die beispielsweise zur Ein- und Auskopplung von Kühlmittel von vier verschiedenen Kältemaschinen dienen können. Dabei kann es nötig sein, eine Mehrzahl von Kondensorräumen und/oder Kaltköpfen zu verwenden, um die benötigte Kühlleistung der Kühlvorrichtung sicherzustellen. Im gezeigten Beispiel sind die vier Verbindungsrohre 29 auf verschiedene Umfangspositionen des ringförmigen Verbindungsstücks verteilt. Jedes der Verbindungsrohre ist zum Transport sowohl von flüssigem 35b als auch zum gleichzeitigen Rücktransport von gasförmigem 35a Kühlmittel ausgelegt.
-
5 zeigt einen schematischen Querschnitt eines ringförmigen Verbindungsstücks 31 nach einem fünften Ausführungsbeispiel der Erfindung. Auch hier füllt das Verbindungsstück 31 den Ringspalt 17 weitgehend aus, so dass der Ringspalt nicht separat dargestellt ist. Die Öffnung des Ringspalts 17 und damit die Schenkelbreite des Verbindungsstücks 31 ist jedoch wesentlich schmaler als in den vorherigen Beispielen, da das Verbindungsstück hier eine Mehrzahl einzelner dünnerer Verbindungsrohre trägt, von denen die ersten Verbindungsrohre 29a jeweils im Wesentlichen für den Transport von flüssigem Kühlmittel 35b in den rotierenden Bereich und die zweiten Verbindungsrohre 29b jeweils im Wesentlichen nur für den Rücktransport von gasförmigem Kühlmittel in den feststehenden Bereich vorgesehen sind. Durch den geringeren radialen Platzbedarf des Verbindungsstücks 31 und des Ringspalts 17 kann bei einer solchen Ausführungsform generell die Ein- und Auskopplug von Kühlmittel vorteilhaft radial näher an der Rotorwelle 7 erfolgen. Hierdurch können Reibungsverluste zwischen dem Kühlmittel und rotierenden und feststehenden Bauteilen minimiert werden.
-
6 zeigt einen schematischen Längsschnitt durch einen Teil einer Kühlvorrichtung 1 nach einem sechsten Ausführungsbeispiel. Auch hier ist eine Zwischenkammer 33 axial neben dem ersten Kühlmittelraum 13 angeordnet. Im Unterschied zum Beispiel der 1 ist die axiale Ausdehnung der Zwischenkammer hier jedoch größer als die radiale Ausdehnung eines Ringsegments der ringförmigen Kammer 33. Durch geschickte Platzierung der Dichtungen und thermischer Isolation wurde hier die radiale Ausdehnung minimiert. Dies bewirkt vorteilhaft, dass die Ein- und Auskopplung von Kühlmittel besonders nah an der Rotorwelle 7 erfolgen kann.
-
7 zeigt einen schematischen Längsschnitt durch einen Teil einer Kühlvorrichtung 1 nach einem siebten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Auch hier ist eine Zwischenkammer 33 axial neben dem ersten Kühlmittelraum 13 angeordnet. Im Unterschied zu den anderen gezeigten Beispielen ist die Zwischenkammer 33 jedoch vakuumdicht gegen den ersten Kühlmittelraum 13 und gegen die äußere Umgebung abgeschlossen. Die Zwischenkammer 33 wird axial von wenigstens einem feststehenden Verbindungsrohr 29 durchquert, das auch hier als Teil eines feststehenden ringförmigen Verbindungsstücks 31 ausgebildet ist. Dieses Verbindungsstück 31 ist hier jedoch nicht als massiver Körper gebildet wie in den vorherigen Beispielen, sondern es umfasst lediglich ein ringförmiges kaltes axiales Endstück 31a, das über zwei ringförmige vakuumdichte Drehdichtungen 32a gegenüber der axialen Begrenzungswand 15 des ersten Vakuumraums 13 abgedichtet ist und ein ringförmiges warmes axiales Endstück 31b, das über zwei ringförmige Drehdichtungen 32 gegenüber der weiteren rotierenden Begrenzungswand der Zwischenkammer abgedichtet ist. Auch hier weist diese rotierende Begrenzungswand der Zwischenkammer 33 zwei ringförmige Wärmeisolationen 34 auf, die kalte und warme Bereiche der Begrenzungswand thermisch voneinander isolieren. In diesem Beispiel müssen die Dichtungen 32 und 32a alle nicht nur gasdicht, sondern vakuumdicht ausgeführt sein, um ein Vakuum V in der Zwischenkammer dauerhaft aufrechtzuerhalten. Hierdurch wird die thermische Isolation zwischen kalten und warmen Bereichen des Rotors deutlich verbessert. Die Dichtungen 32a im kalten Bereich der Begrenzungswand müssen dazu allerdings sogar in einem kryogenen Temperaturbereich vakuumdicht sein, was zu einem erhöhten Aufwand für die Ausbildung dieser Dichtungen führt.
-
Ein weiterer Unterschied zu den vorherigen Beispielen ist, dass der Rotor 3 nach dem siebten Ausführungsbeispiel einen zweiten ringförmigen Kühlmittelraum 39 aufweist, der von dem ersten ringförmigen Kühlmittelraum 13 fluidisch durch eine Zwischenwand 37 getrennt ist. Diese Zwischenwand 37 ist thermisch gut leitfähig, so dass die Kühlmittel in den beiden Kühlmittelräumen 13 und 37 thermisch gekoppelt sind. Das Kühlmittel Ne des zweiten Kühlmittelraums 39 ist fluidisch mit wenigstens einer Kühlrohrschleife 25 gekoppelt, die im unteren Teil der 7 nur durch die beiden Flussrichtungen 23 angedeutet sind. Es handelt sich hier also um zwei getrennte Kühlmittelkreisläufe, von denen der erste den Kondensorraum 9 der Kältemaschine und die Übertragung von den feststehenden Bereichen in den Rotor 3 umfasst, und von denen der zweite die eigentliche Kühlung der elektrischen Spulenwicklung 27 bewerkstelligt. Im gezeigten Beispiel ist in beiden Kühlmittelkreisläufen Neon (Ne) als Kühlmittel vorgesehen, es können aber alternativ auch unterschiedliche Kühlmittel zum Einsatz kommen.
-
8 zeigt einen schematischen Längsschnitt durch einen Rotor 3 einer elektrischen Maschine nach einem achten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Auch hier ist der Rotor 3 auf einer durchgehenden massiven Rotorwelle 7 montiert. In einem axial innenliegenden Bereich des Rotors 3 trägt die Rotorwelle 7 einen Rotorkern 47, auf dem eine supraleitende Spulenwicklung 27 zur Ausbildung eines zweipoligen Magnetfeldes angeordnet ist. Eine solche zweipolige Spulenwicklung 27 umfasst ausgeprägte, sich radial erstreckende Bereiche 27a, die zusätzlich zu den axial ausgedehnten Bereichen auch gekühlt werden müssen. Da solche radialen Bereiche 27a auf beiden axialen Seiten des Rotors angeordnet sind, wird ein Kühlsystem benötigt, das diese radialen Abschnitte auf beiden Seiten effektiv kühlen kann. Zu diesem Zweck ist der Rotor 3 des achten Ausführungsbeispiels mit zwei Kühlvorrichtungen 41a und 41b ausgestattet. Jede dieser Kühlvorrichtungen umfasst dabei mehrere Kaltköpfe 11, wenigstens einen Kondensorraum 9 und eine Vorrichtung 43a, 43b zur Übertragung von Kühlmittel zwischen feststehenden und rotierenden Bereichen. Diese Komponenten der Kühlvorrichtungen 41a und 41b sind in 8 nur äußerst schematisch gezeigt und können für jede der beiden Vorrichtungen beispielsweise ähnlich den vorab besprochenen Ausführungsbeispielen ausgestaltet sein. Wesentlich ist, dass durch die beiden Kühlvorrichtungen 41a und 41b in beiden axialen Endbereichen 45a und 45b des Rotors Kühlmittel in den rotierenden Teil der Maschine eingekoppelt werden kann. Von diesen beiden endseitig angeordneten Übertragungsvorrichtungen 43a und 43b aus erstrecken sich wiederum zwei Sätze von Kühlrohrschleifen, die sich jeweils etwa bis zum axialen Zentrum des Rotors 3 erstrecken. Diese Kühlrohrschleifen 25 weisen jeweils ausgeprägte radiale Abschnitte 25a auf, die im Wesentlichen parallel zu den radialen Abschnitten 27a der Spulenwicklung 27 verlaufen und somit zu einer Kühlung dieser Abschnitte geeignet sind.
-
Im Unterschied zu dem in 8 gezeigten Beispiel können sich die Kühlrohrschleifen 25 solcher gegenüberliegenden Kühlvorrichtungen 41a und 41b alternativ auch axial überlappen und/oder die einzelnen Kühlvorrichtungen können unterschiedlich und asymmetrisch ausgebildet sein.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
