DE10303307A1

DE10303307A1 - Maschine mit einem Rotor und einer supraleltenden Rotorwicklung

Info

Publication number: DE10303307A1
Application number: DE10303307A
Authority: DE
Inventors: Günter Dr. Ries
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Priority date: 2003-01-28
Filing date: 2003-01-28
Publication date: 2004-08-26
Anticipated expiration: 2023-01-29
Also published as: DE10303307B4; US20060293189A1; JP4247273B2; JP2006515980A; US7741738B2; CN1745512A; WO2004068682A1; CN1745512B

Abstract

Die Maschine weist einen um eine Rotationsachse (A) drehbar gelagerten Rotor (2) auf, der eine von einem Kühlmittel (K) gekühlte, in wenigstens einem Kryostaten (10) befindliche supraleitende Rotorwicklung (5) sowie einen ungekühlten Rotorkörper (4) umfasst. Zur Montageerleichterung der Wicklung und des Kryostaten soll der Rotorkörper (4) an seiner Außenseite Abplattungen (4a, 4b) besitzen, an denen der wenigstens eine Kryostat (10) von außen angebracht ist. In dem Kryostaten soll mindestens eine vorgefertigte Spule der Rotorwicklung (5) an einer zumindest im wesentlichen nur zugaufnehmenden Halteeinrichtung (6) angeordnet sein. Für die Leiter der Wicklung kommt bevorzugt HTS-Material in Frage.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Maschine mit einem um eine Rotationsachse drehbar gelagerten Rotor, der eine supraleitende Rotorwicklung sowie einen ungekühlten Rotorkörper mit Mitteln zur Aufnahme und Halterung der Wicklung aufweist, und mit Mitteln zur Kühlung der Rotorwicklung. Eine entsprechende Maschine geht aus der EP 0 805 546 B1 hervor.
In Maschinen der Supraleitungstechnik wie Synchronmotoren und -generatoren können mit einer rotierenden supraleitenden Erregerwicklung höhere Leistungsdichten, geringere Verluste und weitere Vorteile erreicht werden. Der Supraleiter der Wicklung muss dabei gekühlt werden, wobei die Wicklung aus Gründen einer thermischen Isolation in einen hochvakuumisolierten Kryostaten eingeschlossen sein muss. Das hervorgerufene Drehmoment greift am Supraleiter an und muss über geeignete Übertragungselemente auf eine warme Rotorwelle weitergeleitet werden. Insbesondere in großen Einheiten beträgt die auf die Supraleiterwicklung wirkende Zentrifugalbeschleunigung einige 1000 g (g = Erdbeschleunigung), die ohne Schädigung des Supraleitermaterials aufgenommen werden müssen. Radiale Flieh- und azimutale Magnetkräfte sind von der Wicklung über geeignete Befestigungsmittel auf einen mechanisch stabilen Rotorkörper bzw. einen Wicklungs- oder Rotorkern zu übertragen. Dabei kann dieser Kern vorzugsweise aus magnetisch permeablem Material wie Eisen bestehen, um so eine Erhöhung des Erregerfeldes zu erreichen.
Bekannt sind Ausführungsformen von Maschinen mit einer Wicklung, die direkt auf einem zylinderförmigen Rotorkörper befestigt ist, der aus unmagnetischem oder magnetischem Material besteht und sich auf der Wicklungstemperatur befindet ( DE 199 43 783 A1 , US 4,146,804 A1 , WO 98/02953 A1). Bei ent sprechenden großen Einheiten wie z.B. Kraftwerksgeneratoren umfasst dann der Rotorkörper aber eine große kalte Masse von bis zu etlichen 10 Tonnen. Dies bedingt lange Abkühl- und Aufwärmzeiten, stabile Drehmomentsübertragungselemente auf die warme Welle mit einem hohen Wärmestrom in den Kaltbereich sowie einen großen Vakuumkryostaten, der den kalten Kern und die Wicklung umschließt.
Es sind auch Maschinen mit Rotoren bekannt, deren Rotorkörper nicht auf die Temperatur der Wicklung gekühlt wird (vgl. die eingangs genannte EP 0 805 546 B1 oder die EP 0 690 550 81 ). Die Wicklungen sind dabei vom sogenannten Rennbahntyp und zusammen mit einem Kryostat-Vakuumbehälter, einem Kryoschild und das Kühlmittel führenden Kühlrohren in eine in den warmen Rotorkern eingefräste Nut eingelegt. Die Nut ist dabei durch ein verhältnismäßig massives Verschlusselement nach außen verschlossen, über das auf die Wicklung im Betrieb wirkende Kräfte aufgenommen und auf den Rotorkern übertragen werden. Aufhängeschlaufen bzw. Honigwabenstrukturen übertragen dabei Kräfte zwischen der Wicklung und dem Schild bzw. dem Schild und dem Verschlusselement des Rotorkerns. An den Enden ist der Wicklungskryostat durch radiale Bohrungen im Rotorkern geführt. Als Supraleitermaterial für die Wicklungen ist Nb₃Sn vorgesehen, das mit 10 K kaltem He-Gas gekühlt wird. Einzelheiten, wie die Wicklung und der Kryostat in der jeweiligen Nut ausgebildet sind, gehen aus diesem Stand der Technik nicht hervor. Ein Wickeln und eine Montage direkt in den Nuten erfordern jedoch einen erheblichen Aufwand.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, die Maschine mit den eingangs genannten Merkmalen dahingehend auszugestalten, dass die Montage der Wicklung gegenüber diesem Stand der Technik vereinfacht ist und dennoch eine sichere Fixierung auch bei großen Beschleunigungskräften zu gewährleisten ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den in Anspruch 1 angegebenen Maßnahmen gelöst. Demgemäss soll die Maschine mit den eingangs genannten Merkmalen dahingehend ausgestaltet sein, dass ihr Rotorkörper an seiner Außenseite mit oder zu Abplattungen ausgebildet ist, an denen wenigstens ein Kryostat vorhanden ist, in dem mindestens eine vorgefertigte Spule der Rotorwicklung an einer zugaufnehmenden Halteeinrichtung angeordnet ist.
Die mit dieser Ausgestaltung verbundenen Vorteile sind insbesondere darin zu sehen, dass neben der Vorfertigung der Wicklung, deren wenigstens eine Spule als flache Rennbahn- oder Viereckspule ausgebildet sein kann, der Kryostat zumindest teilweise vorzufertigen ist und an den seitlich abgeplatteten Bereichen des warmen Rotorkörpers zu befestigen bzw. dort zu komplettieren ist. Der Rotorkörper hat also keine Längsnuten, die die Wicklung aufnehmen. Die Halteeinrichtung überträgt die auf die Wicklung im Betrieb wirkenden Kräfte im wesentlichen nur in Form von Zugkräften.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Maschine gehen aus den von Anspruch 1 abhängigen Ansprüchen hervor. Dabei kann die Ausführungsform nach Anspruch 1 mit den Merkmalen eines der Unteransprüche oder vorzugsweise auch denen aus mehreren Unteransprüchen kombiniert werden. Demgemäss kann die insbesondere als Synchronmotor, vorzugsweise -generator, ausgebildete Maschine nach der Erfindung zusätzlich noch folgende Merkmale aufweisen:

– Ihr Rotorkörper kann aus Feldverstärkungsgründen einen Rotorkern aus ferromagnetischem Material enthalten oder von diesem Kern gebildet werden.
– Ihr wenigstens einer Kryostat kann zumindest teilweise vorgefertigt und an den Abplattungen befestigt sein. Dabei kann der Kryostat eine die Zylinderform des Rotorkörpers ergänzende Außenkontur besitzen.
– Ferner kann ihr wenigstens einer Kryostat oder können zumindest Teile davon aus elektrisch gut leitendem Metall bestehen, so dass er dann vorteilhaft als ein elektromagnetischer Dämpferschild wirkt.
– Ihre Halteeinrichtung kann schlaufenförmige und/oder stabförmige Zugelemente aufweisen. Dabei kann ihre Rotorwicklung in Trageschienen angeordnet sein, welche an den Zugelementen befestigt sind. Außerdem können die Zugelemente aus thermisch isolierendem Material hinreichender mechanischer Festigkeit bestehen.
– Ferner kann ihre Rotorwicklung mindestens eine Rechteckspule oder mindestens eine Spule vom Rennbahntyp oder mindestens zwei Sattelspulen aufweisen.
– Dabei kann ihre eine Rechteckspule oder eine Spule vom Rennbahntyp aufweisende Rotorwicklung an einem Mittelteil eines zusammensetzbaren Rotorkörpers anzuordnen sein.
– Besonders vorteilhaft wird eine Zirkulation eines gas- und/oder flüssigen Kühlmittels in ihrer bzw. durch ihre Rotorwicklung in Thermosyphon-Schleifen vorgesehen, in denen vorzugsweise das Kühlmittel auf Grund einer freien (natürlichen) Konvektion zirkuliert.
– Ihre Rotorwicklung kann insbesondere mit Leitern aus HTS(High-Temperature-Superconducting)-Material erstellt sein. Stattdessen sind selbstverständlich auch Leiter aus LTS(Low-Temperature-Superconducting)-Material verwendbar. Die verwendeten Leiter können dabei Bandleiter oder Seilverbundleiter sein.

Die Erfindung wird nachfolgend an Hand von bevorzugten Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung noch weiter erläutert. Dabei zeigen in jeweils schematisierter Form
deren 1 und 2 eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Maschine im Längs- bzw. Querschnitt,
deren 3 und 4 den Kryostaten dieser Maschine im Quer- bzw. Längsschnitt,
deren 5 und 6 weitere Ausgestaltungsmöglichkeiten von Kryostaten für verschiedene Rotorkörper erfindungsgemäßer Maschinen,
deren 7 eine Ausführungsform einer Rotorwicklung mit Kryostat in Schrägansicht,
deren 8 und 9 eine weitere Ausführungsform eines Rotorkörpers mit zwei Kryostaten in Schrägansicht bzw. im Querschnitt, sowie
deren 10 eine andere Ausführungsform eines Rotorkörpers mit zwei speziell geformten Kryostaten bzw. Spulen.
Dabei sind in den Figuren sich entsprechende Teile mit denselben Bezugszeichen versehen.
Bei dem in den 1 und 2 gezeigten Rotor wird von bekannten Ausführungsformen insbesondere von supraleitenden Synchronmotoren bzw. -generatoren ausgegangen. In der Figur sind bezeichnet mit

2: der um eine Achse A drehbar gelagerte Rotor allgemein,
3a und 3b: Rotorlager,
4: ein einen Rotorkern aus ungekühltem Eisen umfassender Rotorkörper,
5: eine vorgefertigte, zweipolige Rotorwicklung unter Verwendung von Leitern mit supraleitendem Material, vorzugsweise Hoch-T_c-Supraleitermaterial,
6: eine Halteeinrichtung zur radialen Aufhängung bzw. Fixierung der Wicklung,
7: ein Kühlmittelleitungssystem mit mindestens einer Kühlmittelhinleitung 7a und mindestens einer Kühlmittelrückleitung 7b in wärmeleitender Verbindung mit der supraleitenden Wicklung 5 für ein Kühlmittel K,
8: ein mitrotierender Kühlmittel(sammel)raum, in den von außen flüssiges Kühlmittel K über eine stationäre Kühlmittelzuführungsleitung 9 eingeleitet wird und der in Verbindung mit der Kühlmittelhinleitung 7a und der -rückleitung 7b steht,
10: ein die supraleitende Wicklung 5, den Kühlmittelraum 8 sowie den Kühlmittelzuführungskanal 9 umgebender, mitrotierender Kryostat mit einer Kryostatenaußenwand 10a und einer den Rotorkörper 4 umschließenden Kryostateninnenwand 10b,
11: ein den Kühlmittelzuführungskanal 9 umschließender stationärer Vakuumraum,
12: ein rotierender Vakuumraum,
13: eine zwischen dem stationären Vakuumraum 11 und einem diesen konzentrisch umschließenden Teil der rotierenden Kryostatenaußenwand ausgebildete ringförmige Spaltdichtung,
14: eine Ferrofluidikdichtung sowie
15: eine an sich bekannte Kältemitteltransferkupplung, insbesondere mit dem Kühlmittelzuführungskanal 9, den Vakuumräumen 11 und 12 sowie den Dichtungen 13 und 14.

Wie insbesondere aus 2 näher hervorgeht, werden eine oder mehrere supraleitende Rechteckspulen der Wicklung 5 von der zumindest im wesentlichen nur zugaufnehmenden Halteeinrichtung 6 in einem vakuumisolierten Gehäuse eines Ringkryostaten 10 gehalten. Der Kryostat besteht vorteilhaft zumindest auf seiner Außenseite aus einem elektrisch gut leitenden Metall wie Aluminium oder Kupfer und kann so als ein elektromagnetischer Dämpferschild wirken. In dem evakuierten Kryostatengehäuse können noch in an sich bekannter Weise eine Wärmeeinleitung auf die Wicklung 5 weiter reduzierende Mittel wie Wärmestrahlungsschilde und/oder Superisolation vorhanden sein. Die Rechteckspulen werden zusammen mit dem rotierenden Teil der an sich bekannten Kältemitteltransferkupplung 15, über die von feststehenden Teilen auf rotierende Teile das Kühlmittel K insbesondere in den Kühlmittelsammelraum 8 gelangt, vorgefertigt. Bei der dargestellten Ausführungsform ist die Rotorwicklung zweipolig ausgebildet, wobei ihr Kryostat in Abplattungsbereichen 4a und 4b an der Außenseite des Rotorkörpers 4 angeordnet bzw. befestigt sind. Entsprechend sind 4-, 6-, 8- usw. -polige Ausbildungen der Rotorwicklung mit 2, 3, 4 usw, getrennten Wicklungskryostaten auf einem warmen Kern mit 4, 6, 8 usw. Abplattungen zu realisieren.
Zur Ausführungsform der Wicklung 5 insbesondere gemäß 3

– Die vorteilhaft vorgefertigte Wicklung wird auf den Rotorkörper, und zwar auf einem seitlich abgeplatteten warmen Eisenkern befestigt.
– Die Wicklung besteht aus flachen Spulen vom Rennbahn- bzw. Viereck-Typ. Sie wird vorzugsweise aus bandförmigen Leitern mit Hoch-T_c-Supraleiter(HTS)-Material oder aus einem HTS-Seilverbundleiter in Form sogenannter „Pancakes" 18 erstellt und ist in Wicklungskammern 19 untergebracht. Die Wicklungskammern weisen schienenartige, nachfolgend als Tragschienen 21 bezeichnete Halteelemente auf, die insbesondere aus Stahl bestehen können.
– Die Wicklungshöhen und Wicklungskammerbreiten sind so bemessen, dass bei allen Betriebszuständen die summierten radialen und azimutalen Flächendrucke auf den Supraleiter den zulässigen Wert nicht übersteigen. Bei einer vorgegebenen Windungszahl ergeben sich daraus die Anzahl der einzelnen Kammern in den Tragschienen und die Gesamtbreite der Wicklung. Bei den Ausführungsformen nach den 1 bis 4 und 7 ist jeweils von Wicklungen mit zwei Kammern ausgegangen.

Zur Ausführungsform der Aufhängung insbesondere gemäß den 3 und 4

– Die zugaufnehmende Halteeinrichtung 6 umfasst eine Grundplatte 24 des Kryostaten, die sich parallel zur jeweiligen Ebene der zugehörenden Abplattung erstreckt und auf die radiale und tangentiale Kräfte von der in den Tragschienen 21 der Wicklungskammern 19 befindlichen Wicklung 5 über Zugelemente 22 und 23 weitergeleitet werden. Diese Grundplatte bildet im allgemein die Kryostateninnenwand 10b. Diese Wand wird entweder durch den Rotorkörper im Bereich der zugeordneten Abplattung selbst gebildet oder ist wie im Fall der in den Figuren gezeigten Ausführungsform mit dem Körper kraftschlüssig verbunden. 3 zeigt in einem Querschnitt die Wicklung 5 im Kryostaten 10 einschließlich der Kraftaufnahme.
– Die Zugelemente der Halteeinrichtung 6 sind vorzugsweise Schlaufen 22 oder Stäbe 23. Sie sind vorteilhaft aus thermisch schlecht leitendem Material wie GFK oder CFK hergestellt, das im Hinblick auf die auftretenden Kräfte eine hinreichende mechanische Festigkeit besitzt. Darüber hinaus erlauben diese Elemente vorteilhaft eine Verkippung in Richtung der Rotorachse, um so eine thermische Schrumpfung der Wicklung gegenüber dem Rotorkörper aufzunehmen. 4 zeigt im Längsschnitt eine Ausführungsform mit Schlaufen 22 als Zugelementen, die in Aufhängeelemente 20a (kalt) und 20b (warm) eingehängt sind.
– Die Grundplatte 24 hat vorzugsweise axial beabstandet parallele, senkrecht zur Rotorachse verlaufende trapezförmige Rippen 24a, die schwalbenschwanzförmig ausgebildet sind und in entsprechend geformte Ausnehmungen 25 im Rotorkörper 4 eingreifen und so auf diesen die auf die Wicklung 5 wirkenden Kräfte übertragen.
– Selbstverständlich kann eine von der Darstellung abweichende Ausführungsform der Halterung der Wicklung an der Grundplatte zur Kraftübertragung vorgesehen sein. Wesentlich dabei ist nur, dass die Aufhängung auch thermisch bedingte Schrumpfungen zulässt.

Weitere Ausführungsformen des Kryostaten bzw. der Halteeinrichtung

– Nach 3 hat der Ringkryostat 10 einen segmentförmigen Querschnitt. Er besteht vorzugsweise aus gut leitendem Metall und wirkt so zugleich als ein magnetischer Dämpferschild.
– Die Außenkontur des Rotorkörpers 4 sowie die entsprechende Kontur des Kryostaten bilden vorzugsweise einen Zylinder, um so die Luftreibung zu minimieren.
– Gemäß 5 kann die Halteeinrichtung 6 bzw, können deren Zugelemente auch direkt an dem Rotorkörper 4 verankert werden. Der Wicklungsbereich wird dann mit gebogenen Wandsegmenten 26 überdeckt, die an den Rändern mit dem Eisen des Rotorkörpers vakuumdicht verschweißt werden können. Auf diese Weise ist die Ausbildung und Einhaltung eines Isoliervakuums um die Wicklung möglich. Die Kryostatenwand kann unmagnetisch sein oder auch, um ihre Schweißbarkeit zu verbessern, aus ähnlichem oder gleichem magnetischen Material wie der Rotorkörper bestehen.

Zur Ausführungsform der Wicklungskühlung insbesondere nach den 1 und 2

– Entlang achsenparalleler Zweige durch die supraleitende Rotorwicklung 5 verlaufen Kühlrohre, die vorzugsweise eine oder mehrere Thermosyphon-Schleifen bilden, in denen ein kryogenes Kühlmittel K unter Ausnutzung einer freien Konvektion zirkuliert. Bei der Verwendung von HTS-Material für die Leiter der Wicklung kommt beispielsweise Flüssig-Neon (LNe) oder Flüssig-Wasserstoff (LH₂) oder ein Gemisch dieser Flüssigkeiten mit Helium (He) in Frage. Der Zulauf in der Kühlmittelhinleitung 7a kann als achsenparallele Kanäle innerhalb oder als Kühlrohre in thermischem Kontakt mit den Tragschienen 21 ausgebildet sein (vgl. 3). Der wärmere Rücklauf des Kühlmittels in der Kühlmittelrückleitung 7b verläuft vorteilhaft näher zur Rotationsachse, um so bei Rotation einen Selbstpumpeffekt zu erzeugen. Er ist vor allem im thermischem Kontakt mit den Zugelementen 22, um einströmende Wärme über diese Elemente vor der Wicklung 5 abzufangen. Die sich an den Wicklungsenden befindenden radialen Spulenteile können beispielsweise nur über Wärmeleitung entlang dem Supraleiter gekühlt werden.
– Am erregerseitigen Ende münden alle Thermosyphon-Schleifen in ein rotierendes Vorratsbad in dem Kühlmittelraum 8 (vgl. 1), der um die Rotorachse A im Vakuum des Kryostatengehäuses 10 untergebracht ist. In diesem Kühlmittelraum wird die Flüssigkeit und das Gas des Kühlmittels K getrennt, das über eine an sich bekannte Kryokupplung mit dem vakuumisolierten Kühlmittelzuführungskanal 9 in Verbindung mit einem externen Kryokühler steht.
– Selbstverständlich sind auch andere an sich bekannte Kühlarten wie z.B. eine forcierte Kühlung für eine erfindungsgemäß ausgeführte Maschine anwendbar. Auch eine Verwendung von einphasigem, superkritischem Gas als Kühlmittel ist denkbar.

Zur Ausführungsform des Rotorkörpers 4 insbesondere nach den 2, 5 und 6

– Wie aus 6 hervorgeht, braucht bei der Gestaltung eines Rotorkörpers 27 nicht unbedingt von einer exakten Kreisform seines Querschnitts wie im Falle der Ausführungsformen nach den 2 und 5 ausgegangen zu werden. Er kann vielmehr auch noch weitere Abflachungen 28 aufweisen, um so eine bessere Annäherung an eine gewünschte Feldcharakteristik „B ∝ cos Φ" zu erhalten. Die konkrete Form ist aus Feldberechnungen festzulegen.
– Selbstverständlich sind auch Polzahlen p>2 realisierbar. Hier sind p flache Spulen insbesondere von Rennbahntyp in eigenen Kryostatengehäusen in der dargestellten Weise auf einem p-seitigen Rotor(grund)körper in abgeplatteten Bereichen angebracht, wobei dieser insbesondere zur Feldverstärkung einen Kern aus ferromagnetischem Material besitzen kann oder zumindest im Bereich der Wicklung aus diesem Material besteht.

Zur Ausführungsform der Wickelköpfe der Wicklung 5

– Bei einem zweipoligen Rotor, wie er mit einer der vorstehend beschriebenen Flachwicklungen ausgestattet ist, müssen die Wicklungsenden den massiven Rotorkörper 4 durchdringen. Gemäß der in 7 dargestellten Ausführungsform ist der Rotorkörper 4 zusammensetzbar. Z.B. ist er dreigeteilt und umfasst zwei scheibenförmige, stirnseitige Endstücke 30a und 30b sowie einen zwei radial gegenüberliegende Abplattungen aufweisenden, die Wicklung 5 aufnehmenden Mittelteil 31. Die Wellenenden 32a und 32b mit den Endstücken 30a bzw. 30b werden dann mit ihren beispielsweise genuteten Flanschen erst nach dem Zusammenbau des Spulenkryostatengehäuses 10 an dem Mittelteil 31 befestigt, beispielsweise mit diesem verschraubt. In 7 sind ferner noch mitgekühlte Teile 21a bis 21d von Tragschienen ersichtlich, an denen die als Flachwicklung ausgebildete Rotorwicklung 5 gehalten und kraftschlüssig mit dem Mittelteil 31 verbunden wird. Die Tragschienenteile 21c und 21d sind axialen Spulenteilen 5c bzw. 5d zugeordnet, während die Tragschienenteile 21a und 21b radiale Spulenteile 5a bzw. 5b in den Wickelkopfbereichen der Wicklung 5 halten.
– Die Zentrifugalkraft erzeugt in den radialen Wicklungsteilen 5a und 5b an den Wicklungsenden bzw. -köpfen im Wesentlichen Zugkräfte. Zur Aufnahme der axialen Magnetkräfte zwischen der Wicklung und dem Rotorkörper 4 bzw. -kern sind hier ebenfalls endseitige Tragschienen und Zugelemente vorgesehen. Die Zugkräfte werden entweder vom gegebenenfalls mechanisch verstärkten Leiter der Wicklung aufgenommen oder zum Teil von den Tragschienenteilen 21a, 21b, wenn die Spulenteile 5a und 5b der Wicklung mit einem geeigneten Harz in die Kammern eingeklebt sind.
– Eine alternative Ausbildungsmöglichkeit eines zweipoligen Rotors zeigen die 8 und 9. Hier ist die Rotorwicklung in zwei beabstandete Teilwicklungen 35a und 35b unterteilt, die sich jeweils in einem eigenen Ringkryostaten 36a bzw. 36b befinden. Diese Ringkryostaten greifen in stirnseitige Einkerbungen 37a und 37b in den Wellenenden 32a und 32b eines hier durchgehenden Rotorkörpers 38 ein. Bei dieser Ausführungsform kann gegenüber der nach 7 auf eine Unterteilung des Rotorkörpers verzichtet werden.
– Eine weitere Ausführungsform mit zwei Kryostaten auf einem durchgehenden Rotorkörper 41 zeigt 10. Bei dieser Ausführungsform ist die Rotorwicklung in zwei in der Figur nicht näher ausgeführte supraleitende Sattelspulen 42a und 42b unterteilt, die sich in entsprechend geformten Kryostaten 43a bzw. 43b befinden. Auch hier erfolgt die Kraftaufnahme der Wicklung mit Tragschienen und Zugelementen. Bei dieser Ausführungsform sind bei einer Verwendung von bandförmigen. HTS-Leitern Biegeradien über die hohe Kante zu berücksichtigen, die häufig auf maximal einen Meter begrenzt sind.

Konkretes Ausführungsbeispiel

Die nachfolgenden Angaben beziehen sich auf einen zweipoligen Rotor gemäß 1 für einen 830 MVA-Turbogenerator mit HTS-Wicklung:

Drehzahl	50/s
Nenndrehmoment	2,4 MNm
Läuferabmessungen (0 × axiale Länge)	1,16 m × 6,3 m
Windungszahl	4100
Radialbeschleunigung auf Wicklung	55000 m²/s
Wickelhöhe × Breite × Kammerzahl	15 mm × 75 mm × 4
Breite × Dicke Tragschiene	350 mm × 15 mm
Radialkraft gesamte Wicklung	50 MN
Tangentialkraft gesamte Wicklung	4,5 MN
Max. Radialdruck auf HTS-Leiter	6,5 MPa
Tangentialdruck auf HTS-Leiter	5,8 MPa
Länge der GFK-Zugelemente (x = Multiplikationszeichen)	0,06 m

Claims

Maschine mit einem um eine Rotationsachse drehbar gelagerten Rotor, der – eine supraleitende Rotorwicklung sowie – einen ungekühlten Rotorkörper mit Mitteln zur Aufnahme und Halterung der Rotorwicklung aufweist, und mit Mitteln zur Kühlung der Rotorwicklung, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotorkörper (4) an seiner Außenseite mit Abplattungen (4a, 4b) ausgebildet ist, an denen wenigstens ein Kryostat (10) vorhanden ist, in dem mindesten eine vorgefertigte Spule der Rotorwicklung (5) an einer zugaufnehmenden Halteeinrichtung (6) angeordnet ist.
Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotorkörper (4) einen Rotorkern aus ferromagnetischem Material enthält.
Maschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Kryostat (10) zumindest teilweise vorgefertigt und an den Abplattungen (4a, 4b) befestigt ist.
Maschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Kryostat (10) eine eine Zylinderform des Rotorkörpers (4) ergänzende Außenkontur besitzt.
Maschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Kryostat (10) zumindest teilweise aus elektrisch gut leitendem Metall besteht und als ein elektromagnetischer Dämpferschild wirkt.
Maschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Halteeinrichtung (6) schlaufenförmige und/oder stabförmige Zugelemente (22, 23) aufweist.
Maschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorwicklung (5) in Tragschienen (21; 21a bis 21d) angeordnet ist, welche an den Zugelementen (22, 23) befestigt sind.
Maschine nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Zugelemente (22, 23) aus thermisch isolierendem Material hinreichender mechanischer Festigkeit bestehen.
Maschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorwicklung (5) mindestens eine Rechteckspule oder eine Spule vom Rennbahntyp oder zwei Sattelspulen (42a, 42b) aufweist.
Maschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorwicklung (5) eine Rechteckspule oder eine Spule vom Rennbahntyp aufweist, die an einem Mittelteil (31) eines zusammensetzbaren Rotorkörpers (4) anzuordnen ist (vgl. 7).
Maschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Zirkulation eines Kühlmittels (K) in der Rotorwicklung (5) in Thermosyphon-Schleifen vorgesehen ist.
Maschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ratorwicklung (5) mit Leitern aus HTS-Material erstellt ist.
Maschine nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass HTS-Bandleiter oder HT5-Seilverbundleiter vorgesehen sind.
Maschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Ausbildung als Synchronmotor, vorzugsweise -generator.