DE2107535A1

DE2107535A1 - Elektrische Maschine mit supra leitender Wicklung

Info

Publication number: DE2107535A1
Application number: DE19712107535
Authority: DE
Inventors: Newcastle upon Tyne Ross John Sterry Hawley (Großbritannien)
Original assignee: International Research and Development Co Ltd
Current assignee: Rolls Royce Power Engineering PLC
Priority date: 1970-02-18
Filing date: 1971-02-17
Publication date: 1971-08-26
Also published as: GB2025706B; GB2025706A; DE2107535B2; DE2107535C3

Description

Patentanwälte

Dr.-Ing. Wilhelm Reicliel
Dipl-Ing. Woiigang ßeichel

6 Fiankiuri a. M. 1
Parksiraße 13

6588

INTERNATIONAL RESEARCH & DEVELOPMENT COMPANY LIMITED, *

Newcastle upon Tyne, England

Elektrische Maschine mit supraleitender Wicklung

Die Erfindung bezieht sich auf elektrische Maschinen mit supraleitender Wicklung.

In der deutschen Patentanmeldung P 20 28 158.7

(deutsches Patent ) wurde bereits eine elektrische

Synchronmaschine vorgeschlagen, deren Läufer eine supraleitende Feldwicklung trägt, die durch Gleichstrom erregt wird. Die Ständerwicklung ist nicht supraleitend und bildet die Ankerwicklung. Es wird Kühlmittel, beispielsweise flüssiges Helium, dazu verwendet, die Temperatur der Läuferwicklung bis auf eine Temperatur herabzusetzen, bei der die Läuferwicklung supraleitend wird, wobei diese Temperatur gewöhnlich in der Größenordnung von 5 ⁰K liegt. Ein derartiges Kühlmittel kann in einer Kühlvorrichtung erzeugt werden, die außerhalb der elektrischen Maschine liegt oder die zum Teil wie bei Turboexpandern innerhalb des Läufers angeordnet sein kann, so daß sie sich mit diesem dreht. In dem zu-

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letzt genannten Fall ist die Kühlvorrichtung vorzugsweise koaxial zu der Läuferachse angeordnet, um . die Zentrifugalkräfte und die gyroskopischen Kräfte zu vermindern. Das Kühlmittel kann auch dazu verwendet werden, die in axialer Richtung äußeren Teile des Läuferkörpers zu kühlen, damit ein thermischer Widerstand zwischen der Wicklung und der Läufer- welle entsteht, um das Eindringen der Wärme längs der Welle in die Wicklung zu begrenzen.

Wenn der V/eg für das Kühlmittel zu der Läuferwicklung wie üblicherweise radial nach außen verläuft, und zwar insbesondere dann, wenn die Kühlvorrichtung um die Achse der Maschine angeordnet ist, dann erhöht sich der Druck des Strömungsmittels, wenn es sich zu der Wicklung hinbewegt, und dies führt zu einer Erwärmung des Strömungsmittels. Eine Erwärmung des Strömungsmittels um ein oder zwei Grad kann nachteilig sein, weil eine zusätzliche Kühlarbeit erforderlich ist.

Gemäß der Erfindung ist deshalb eine elektrische Maschine mit supraleitender Wicklung dadurch gekennzeichnet, daß ein hohler Läufer ein Mittelteil und zwei Endteile aufweist, die den Mittelteil mit Läuferwellen verbinden, welche in Lagern gelagert sind, daß das Mittelteil des Läufers die supraleitende Wicklung trägt, daß Wicklungskühlmittelkanäle vorgesehen sind, durch die Kühlmittel zur Kühlung der Wicklung umläuft, daß Wandkühlmittelkanäle vorgesehen sind, durch die Kühlmittel zur Kühlung der Wand eines Endteils des Läufers umläuft, daß Kühlmittel von einer Kühlmittelquelle zugeführt wird, daß ein erster Durchlaß im wesentlichen radial von der Kühlmittelquelle zu den Wicklungskühlmittelkanälen verläuft, daß ferner ein weiterer Durchlaß von der Kühlmittelquelle zu den Wandkühlmittelkanälen verläuft und daß eine Wärmeübertragungsvorrichtung Wärme von dem in radialer Richtung äußeren Ende des ersten Durchlasses zu der Kühlmittelquelle fördert, damit diese Wärme von dem zu dem zweiten Durchlaß zugeführten Kühlmittel aufgenommen wird.

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BAD ORIGINAL

Wenn dar erste und das zweite Teil einen gemeinsamen VerbindungsanSchluß an der Kühlmittelquelle aufweisen, dann verläuft die Wärmeübertragungsvorrichtung von dem in radialer Richtung äußeren Ende des ersten Durchlasses zu diesem Verbindungsanschluß .

Die Wärmeübertragungsvorrichtung ist vorzugsweise ein festes Teil mit großer thermischer Leitfähigkeit.

Eine Ausführungsform der Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnung beispielshalber beschrieben. Dabei zeigt

die Figur einen Längsschnitt durch einen Teil des Läufers

eines Synchrongenerators gemäß der Erfindung. λ

Der Läufer weis-, einen Körper oder einen Mittelteil 10 auf, der eine Läuferwicklung 11 aus supraleitendem Werkstoff, wie einer Niobium-Titan-Legierung, trägt. Der Läufer weist ferner eine Läuferwelle 10a auf, die mit einem Ende des Mittelteils 10 durch ein hohles Endteil 10b konischer Gestalt verbunden ist. Die Läuferwelle 10a sowie eine ähnliche Welle (nicht dargestellt) am anderen Ende des Rotors sind in Lagern 12 gelagert.

An der Wicklung 11 sind Kühlmittelkanäle 13 angeordnet, denen ein Kühlmittel, beispielsweise flüssiges Helium, durch einen radialen Durchlaß zugeführt wird. Das Endteil 10b des Läufers * ist auch mit Kühlmittelkanälen 15 versehen, damit das Einströmen von Wärme in die Wicklung längs der Wand des Endteils 10b möglichst gering gehalten wird. Den Kühlungsmittelkanälen 15 wird über einen Durchlaß 16, der auch radial zu dem Läufer angeordnet ist, Kühlmittel zugeführt. Die inneren Enden der Durchlässe 14 und 16 sind über einen gemeinsamen Verbindungsanschluß 17 mit einer Kühlmittelquelle 18 verbunden, die eine Kühlvorrichtung aufweist, die auf der Achse des Läufers befestigt ist und über eine Leitung 19 mit einer weiteren Kühlvorrichtung außerhalb des Rotors verbunden ist. Wegen der Einzelheiten des Aufbaus und der Anordnung der Kühlmittelquelle 18,

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BADORIGfNAL

die in der Zeichnung nur schematisch dargestellt ist, sei auf die oben erwähnte Patentanmeldung verwiesen, in der auch Einzelheiten anderer Teile der vorliegenden Anordnung dargestellt sind.

Bei einer anderen Ausführungsform ist die Kühlvorrichtung vollständig außerhalb des Läufers angeordnet, und es wird Kühlmittel in das Innere des Rotors durch die Leitung 19 geleitet. In beiden Fällen wird flüssiges Helium dem Verbindungsanschluß 17 für die Durchlässe 14 und 16 bei einer Temperatur von etwa 5 ⁰K zugeführt. Der größere Anteil des Strömungsmittels fließt durch den Durchlaß 16 zu den Kühlmittelkanälen 15. Das Strömungsmittel, das in den Durchlaß 14 eintritt, fließt zu den Kühlmittelkanälen 13 in der Wicklung 11 radial nach außen und es erhöht sich sein Druck durch die Wirkung der Zentrifugalkräfte bei Drehung des Rotors.

Als Folge davon erwärmt sich das Strömungsmittel um zwei oder drei Grad. Dies ist jedoch nicht erwünscht, da die Wicklung auf eine Temperatur über ihrer Betriebstemperatur erwärmt wird. Um diesem Wärmeeffekt entgegenzuwirken ist eine Wärmeübertragung svorrichtung, die aus einem festen Teil 20 aus einem Werkstoff hoher thermischer Leitfähigkeit, beispielsweise aus Aluminium oder Kupfer, besteht, vorgesehen, die von dem äußeren Ende des Durchlasses 14 bis zu seinem inneren Ende führt und damit die Wärme zu dem Verbindungsanschluß 17 zurückführt. Die Wärme wird in der sehr viel größeren Menge des Strömungsmittels, welches von dem Verbindungsanschluß 17 durch den Durchlaß 16 zu den Kühlmittelkanälen 15 geführt wird, aufgenommen, wodurch ein wesentlich geringerer Temperaturanstieg in diesem Strömungsmittel auftritt. Die Temperatur des Strömungsmittels in den Kühlmittelkanälen 15 ist auf jeden Fall weniger kritisch, da sie nur dazu dient, das Endteil 10b des Läufers zu kühlen und damit einen thermischen Widerstand zwischen der Wicklung und der Läuferwelle vorzusehen, damit das Einströmen von Wärme in die Wicklung begrenzt ist.

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Die dargestellte Anordnung kann, wenn man es wünscht, noch einmal an dem anderen Ende des Läufers vorgesehen sein, und es können ferner an jedem Ende mehr als nur die einzelnen Durchlässe 14 und 16 mit dem zugehörigen Wärmeübertragungsteil 20 vorgesehen sein.

Wenn man das Endteil 10b als thermischen Widerstand verwendet, dann kann das Lager 12 bei normaler Umgebungstemperatur beispielsweise bei 300 ⁰K arbeiten.

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Claims

Patentansprüche

M.)Elektrische Maschine mit supraleitender Wicklung, da durch gekennzeichnet, daß ein hohler Läufer ein Mittelteil (10) und zwei Endteile (10b) aufweist, die den Mittelteil mit Läuferwellen (10a) verbinden, welche in Lagern (12) gelagert sind, daß das Mittelteil (10) des Läufers die supraleitende Wicklung (11) trägt, daß Wicklungskühlmittelkanäle (13) vorgesehen sind, durch die Kühlmittel zur Kühlung der Wicklung umläuft, daß Wandkühlmittelkanäle (15) vorgesehen sind, durch die Kühlmittel zur Kühlung der Wand eines Endteils des Läufers umläuft, daß das Kühlmittel von einer Kühlmittelquelle (17,18,19) zugeführt wird, daß ein erster Durchlaß (14) im wesentlichen radial von der Kühlmittelquelle zu den Wicklungskühlmittelkanälen (13) verläuft, daß ferner ein weiterer Durchlaß (16) von der Kühlmittelquelle zu den Wandkühlmittelkanälen (15) verläuft und daß eine Wärmeübertragungsvorrichtung (20) Wärme von dem in radialer Richtung äußeren Ende des ersten Durchlasses (14) zu der Kühlmittelquelle fördert, wodurch diese Wärme von dem dem zweiten Durchlaß (16) zugeführten Kühlmittel aufgenommen wird.
2. Elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die beiden Durchlässe (14,16) einen gemeinsamen Verbindungsanschluß (17) an der Kühlmittelquelle aufweisen und daß die Wärmeübertragungsvorrichtung (20) von dem in radialer Richtung äußeren Ende des ersten Durchlasses (14) zu diesem Verbindungsanschluß (17) verläuft.
3. Elektrische Maschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeübertragung svorrichtung (20) ein festes Teil mit großer thermischer Leitfähigkeit ist.
4. Elektrische Maschine nach Anspruch 1,2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlmittelquelle (17,18,19) für das Kühlmittel eine Kühlvorrichtung (18) aufweist, die in dem Läufer angeordnet ist.

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