DE10260281A1

DE10260281A1 - Electrical machine

Info

Publication number: DE10260281A1
Application number: DE10260281A
Authority: DE
Inventors: Gerhard Dressel; Martin Dr. Kaufhold; Klaus Schäfer
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2002-12-20
Filing date: 2002-12-20
Publication date: 2004-07-15
Also published as: WO2004057728A1

Abstract

Um den Wickelraum einer elektrischen Maschine mit Luftspaltwicklung besser nutzen zu können, wird die Luftspaltwicklung durch Litzenleiter (4) gebildet.In order to make better use of the winding space of an electrical machine with an air gap winding, the air gap winding is formed by stranded conductors (4).

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit einem Ständer und einem hochtemperatursupraleitenden Läufer mit einer Luftspaltwicklung im Ständer und einer geeigneten Vorrichtung zur Fixierung der Luftspaltwicklung am Ständer.The invention relates to an electrical Machine with a stand and a high-temperature superconducting rotor with an air gap winding in the stand and a suitable device for fixing the air gap winding on the stand.

Der Supraleitungseffekt ist seit längerem bekannt. Unterhalb einer sogenannten Sprungtemperatur verschwindet der elektrische Widerstand bestimmter Materialien. Mussten vor einigen Jahren noch Temperaturen knapp über dem absoluten Nullpunkt erreicht werden, der bei Minus 273°C liegt, die mit Hilfe von flüssigem Helium erzeugt werden, so genügen bei "Hochtemperatursupraleitern" bereits Temperaturen des flüssigen Stickstoffs (77 Kelvin) um diesen Effekt zu erzeugen. Das eigentliche Supraleitungsmaterial sind sehr dünne Filamente einer Keramik, die in einer Silbermatrix eingebettet werden, um einen brauchbaren Bandleiter zu erhalten, der zu Spulen gewickelt werden kann.The superconductivity effect has been around prolonged known. Disappears below a so-called crack temperature the electrical resistance of certain materials. Had to some Years just over the absolute zero point, which is minus 273 ° C, which with the help of liquid Helium are generated, so suffice with "high-temperature superconductors" already temperatures of the liquid Nitrogen (77 Kelvin) to produce this effect. The real thing Superconducting materials are very thin filaments of a ceramic, which are embedded in a silver matrix to make a usable one To obtain a strip conductor that can be wound into coils.

Der Supraleiter verträgt nur sehr kleine Wechselfelder, durch die im Leiter dadurch entstehenden Verluste würde er seine Supraleitfähigkeit verlieren, somit ist er derzeit nicht im mit Wechselstrom zu betreibenden Ständer einsetzbar, sondern ausschließlich in der mit Gleichstromversorgung rotierenden Erregerwicklung (HTSL-Maschinen). Durch diese Technologie werden magnetische Luftfeldstärken im Luftspalt von zwei Tesla und mehr erreicht. Dies hätte bei konventioneller Technik zufolge, dass die Ständerzähne einer elektrischen Maschine sehr stark gesättigt werden würden. Die daraus folgende charakteristische Kenngröße der Synchronmaschinen sogenannte synchrone Reaktanz ist hier nur zu 10-20% einer herkömmlichen elektrischen Maschine.The superconductor is very tolerant small alternating fields due to the resulting losses in the conductor he would lose its superconductivity, thus it is currently not usable in the stand to be operated with alternating current, but exclusively in the excitation winding rotating with DC power supply (HTSL machines). By This technology uses magnetic air field strengths in the air gap of two Tesla and more achieved. This should have been With conventional technology, the stator teeth of an electrical machine are very heavily saturated would be. The resulting characteristic parameter of the synchronous machines so-called synchronous reactance is only 10-20% of a conventional one electrical machine.

Aus der DE 30 03 483 A1 und DE 21 65 678 A1 sind Haltevorrichtungen für Luftspaltwicklungen in derartigen elektrischen Maschinen bekannt. Die Spulen der bisherigen Luftspaltwicklungen werden aus Runddraht oder Formspulen aus Rechteckdrähten verwendet, die aus Flachprofilleitern die massiv ausgeführt sind, bestehen. Nachteilig dabei ist, dass der vorhandene Wickelraum nicht optimal ausgenutzt werden kann und die geometrische Formgebung, insbesondere des Wickelkopfes sehr eingeschränkt ist.From the DE 30 03 483 A1 and DE 21 65 678 A1 are known devices for air gap windings in such electrical machines. The coils of the previous air gap windings are made of round wire or shaped coils of rectangular wires, which consist of flat profile conductors that are solid. The disadvantage here is that the existing winding space cannot be used optimally and the geometric shape, in particular of the winding head, is very limited.

Der Erfindung liegt demnach die Aufgabe zugrunde, eine Luftspaltwicklung für HTSL-Maschinen zu schaffen, die die oben genannten Nachteile vermeidet.The invention is therefore the object to create an air gap winding for HTSL machines, which avoids the disadvantages mentioned above.

Die Lösung der gestellten Aufgabe gelingt durch eine elektrische Maschine nach Anspruch 1.The solution to the task succeeds by an electrical machine according to claim 1.

Durch Verwendung eines Litzenleiters wird insbesondere im Bereich der Wickelköpfe eine freie geometrische Gestaltung durch die hohe Flexibilität der Litzenleiter ermöglicht. Damit wird zum einen ein kleineres Bauvolumen der Wickelköpfe mit dementsprechend geringerer Verlustleistung und zum anderen eine einfache Integration aktiver Kühlelemente, z.B. kühlkanalbildenden Elementen, Schläuchen oder Heatpipes ermöglicht.By using a stranded wire becomes a free geometric especially in the area of the winding heads Design made possible by the high flexibility of the stranded wire. On the one hand, this means that the winding heads have a smaller overall volume accordingly lower power dissipation and the other one easy integration of active cooling elements, e.g. cool channel forming Elements, hoses or Heatpipes enables.

Die Litzenleiter bestehen aus einzelnen Filamenten, die innerhalb des Litzenleiters verdrillt, verwürgt oder parallel geführt sind. Sowohl der Litzenleiter als auch die einzelnen Filamente können unterschiedliche Querschnitte aufweisen, z.B. viereckig, dreieckig und rundlich. Eine noch höhere Flexibilität wird durch „Mischung" einzelner unterschiedlicher Filamente innerhalb eines Litzenleiters erreicht. Die Litzeleiter sind damit nicht nur flexibel sondern auch über ihre Länge in ihrem Querschnitt verformbar und somit jeder Kontur anpassbar.The stranded conductors consist of individual Filaments that are twisted, choked or twisted within the stranded wire performed in parallel are. Both the stranded conductor and the individual filaments can be different Have cross sections, e.g. square, triangular and rounded. An even higher one Flexibility becomes by "mixing" individual different ones Filaments reached within a stranded wire. The head of the line are not only flexible but also deformable in their cross-section over their length and therefore adaptable to any contour.

Bei Verwendung mehrerer Litzenleiter können diese ebenso verdrillt, verwürgt oder parallel verlegt sein.When using multiple stranded conductors can this also twisted, gagged or laid in parallel.

Sowohl die Litzenleiter als auch die Filamente können künstlich aufgebrachte Isolationsschichten aufweisen.Both the stranded wire as well the filaments can artificially have applied insulation layers.

Durch die Flexibilität der Litzenleiter besteht die Möglichkeit der Verdrillung der Litzenleiter im Jochbereich und im Wickelkopfbereich, so dass die Stromverdrängung reduziert wird. Die Oberfläche dieser Litzenleiter ist erheblich größer als die Oberfläche der bisher bekannten Drahtleiter. Dies bedeutet, dass bei steigender Betriebsfrequenz die Widerstandserhöhung infolge des Skineffekts unterdrückt wird und die Wirbelstromverluste auf ein Minimum reduziert werden.Due to the flexibility of the stranded wire it is possible the twisting of the stranded conductors in the yoke area and in the end winding area, so the current displacement is reduced. The surface of this Stranded wire is considerably larger than the surface the previously known wire conductor. This means that with increasing Operating frequency the increase in resistance due to the skin effect is suppressed and the eddy current losses are reduced to a minimum.

Durch die erfindungsgemäße Anwendung der Litzenleiter insbesondere der Flachlitzenleiter bei Luftspaltwicklungen, sind die Gestaltungsmöglichkeiten im Wicklungsdesign, insbesondere im Wickelkopf sehr viel größer, so dass dort Formen bzw. Elemente eingefügt werden können, die zur Entwärmung des Wickelkopfes beitragen.Through the application of the invention Stranded wire, in particular the flat stranded wire in air gap windings, are the design options in the winding design, especially much larger in the winding head, so that shapes or elements can be inserted there to cool the winding head contribute.

Die insgesamt verringerten Verluste sowohl im "Jochbereich" und Wickelkopf sind bei Anwendung in einer supraleitenden erregten Maschine (HTSL-Maschine) vorteilhaft, da hier die große Temperaturdifferenz zwischen Läufer und Ständer verringert werden kann. Der für die Drehmomentbildung relevante Bereich der Ständerwicklung kann bei Luftspaltwicklungen auf den Wickelkopfbereich ausgedehnt werden, da die Flussführung durch das Ständereisen entfällt. Mit den erfindungsgemäßen Einsatz der Litzentechnologie ist es nunmehr möglich, diese Anteile der Wicklung hinsichtlich der Drehmomentbildung durch angepasste Konstruktion zu optimieren.The overall reduced losses are both in the "yoke area" and winding head when used in a superconducting excited machine (HTSL machine) advantageous because here the big one Temperature difference between runners and stand can be reduced. The one for The area of the stator winding relevant to torque formation can be used for air gap windings be extended to the end of the winding area because the flow guidance through the standard iron eliminated. With the use according to the invention Strand technology now makes it possible to use these parts of the winding in terms of torque formation through adapted construction to optimize.

Weitere Vorteile der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.Further advantages of the invention are the subclaims refer to.

Die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung werden anhand eines schematisch dargestellten Beispiels in der Zeichnung näher erläutert, darin zeigen:The invention and other advantageous Embodiments of the invention are shown schematically using a Example in the drawing closer explains show in it:

1 und 2 den Stand der Technik; 1 and 2 the state of the art;

3 und 4 Ausführungen mit Litzentechnologie; 3 and 4 Versions with strand technology;

5 Aufbau eines Litzenleiters. 5 Construction of a stranded wire.

1 zeigt die prinzipielle Darstellung eines Wickelkopfes 1 eines nicht näher dargestellten Ständers 2 der durch Flachkupferleiter 3 gebildet wird. Die unzureichende Flexibilität und die erschwerte Handhabung derartiger Flachleiter 3 führt zu einem verhältnismäßig weit ausladendem Wickelkopf 1. 1 shows the basic representation of a winding head 1 of a stand, not shown 2 the through flat copper conductor 3 is formed. The insufficient flexibility and the difficult handling of such flat conductors 3 leads to a relatively wide protruding winding head 1 ,

2 zeigt in einer anderen Darstellung den Wickelkopf 1 mit den Flachkupferleitern 3. Auffallend ist auch in dieser Darstellung die extreme axiale Ausdehnung des Wickelkopfes 1 und die aufwendige geometrische Gestaltung. 2 shows the winding head in another representation 1 with the flat copper conductors 3 , Also striking in this illustration is the extreme axial extension of the winding head 1 and the elaborate geometric design.

3 zeigt demzufolge einen durch Litzenleitern 4 insbesondere Flachlitzenleitern gestalteten Wickelkopf 1, bei dem das Wicklungssystem, d.h. die Luftspaltwicklung durch Litzenleiter 4 gebildet wird. Durch die flexiblen Litzenleiter 4 ist es insbesondere, wie in 4 dargestellt, möglich die Ausladung des Wickelkopfes 1 zu verringern und damit die Baugröße der gesamten HTSL-Maschine zu optimieren. 3 therefore shows one through stranded conductors 4 in particular flat strand conductors designed winding head 1 , in which the winding system, ie the air gap winding by stranded wire 4 is formed. Thanks to the flexible stranded wire 4 is it particularly like in 4 shown, the unloading of the winding head is possible 1 to reduce and thus optimize the size of the entire Carephone machine.

5 zeigt beispielhaft den Aufbau eines Litzenleiters 4. Der Litzenleiter 4 wird durch einzelne Filamente 5 gebildet, die von einer Isolationsschicht 6 umgeben sind. Die Isolationsschicht kann künstlich aufgebracht worden sein, oder sich als eine Oxidschicht ausgebildet haben. Die Filamente 5 haben einen gleichgroßen, runden Querschnitt. Es ist aber genauso möglich unterschiedliche Filamente 5 hinsichtlich Querschnitt und Durchmesser miteinander innerhalb eines Litzenleiters 4 zu kombinieren. Der Hohlraum zwischen den Filamenten 5 ist in diesem Beispiel nicht gefüllt. 5 shows an example of the structure of a stranded wire 4 , The stranded wire 4 is through individual filaments 5 formed by an insulation layer 6 are surrounded. The insulation layer may have been applied artificially or may have been formed as an oxide layer. The filaments 5 have a round cross-section of the same size. However, it is also possible to have different filaments 5 cross-section and diameter with each other within a stranded wire 4 to combine. The cavity between the filaments 5 is not filled in this example.

Er kann aber Füllmassen enthalten, die vorzugsweise elastisch sind um die Flexibilität des Litzenleiters 4 nicht zu beeinträchtigen.However, it can contain filler materials, which are preferably elastic for the flexibility of the stranded conductor 4 not to interfere.

Der Litzenleiter 4 ist vorzugsweise von einer elastischen Isolationsschicht 7 umgeben.The stranded wire 4 is preferably of an elastic insulation layer 7 surround.

Innerhalb eines Litzenleiters 4 sind zwischen den Filamenten 5 prinzipiell dargestellt kühlkanalbildende Elemente 8 vorhanden. Es versteht sich, dass solche Elemente 8 in ihrer Anzahl und Beschaffenheit den gegebenen Bedingungen anpassbar sind.Within a stranded wire 4 are between the filaments 5 principally shown elements forming cooling channels 8th available. It is understood that such elements 8th the number and nature of which can be adapted to the given conditions.

Auch innerhalb des Wickelkopfes sind derartige kühlkanalbildende Elemente 8 vorhanden, sie fungieren gleichzeitig als Distanz- oder Stützelemente.Such cooling channel-forming elements are also within the winding head 8th available, they also function as distance or support elements.

Claims

Electrical machine with a stand ( 2 ) and a high-temperature superconducting rotor with an air gap winding in the stator and a suitable device for fixing the air gap winding in the yoke in the stator, characterized in that the air gap winding consists of stranded conductors ( 4 ) is constructed.

Electrical machine according to claim 1, characterized in that the air gap winding is made up of rectangular conductors made of flat strands is.

Electrical machine according to claim 1 or 2, characterized characterized in that the air gap winding has at least one cooling system having.

Electrical machine according to claim 3, characterized in that the air gap winding elements forming cooling channel ( 8th ) having.

Electrical machine according to claim 4, characterized in that the cooling channel-forming elements ( 8th ) the air gap winding is surrounded and / or contained.

Electrical machine according to one of the preceding claims, characterized in that inter alia a twisting of the filaments ( 5 ) the stranded wire ( 4 ), especially the flat stranded conductor in the area of the yoke and / or the winding overhang ( 1 ) takes place.