DE2355082C3 - Umlaufende elektrische Maschine mit einem eine supraleitende Wicklung aufweisenden Rotor - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine umlaufende elektrische Maschine mit mindestens einem eine mehrphasige Wicklung tragenden Stator zur Erzeugung eines umlaufenden Feldes und mit einem eine supraleitende Wicklung in einem Kryostaten aufweisenden Rotor zur Erzeugung eines mindestens bipolaren Feldes, wenn die Wicklung von einem Gleichstrom durchflossen ist.

Eine Maschine der vorstehend bezeichneten Art ist bereits bekannt (FR-PS 20 89 515). Bei dieser bekannten Maschine ist die Rotorwelle über Keile mit einer zylindrischen Abschirmung fest verbunden, die zwischen dem Rotor und dem Stator der Maschine angeordnet ist und die einen hohen elektrischen Widerstand besitzt. Dadurch und auf Grund des erwähnten konstruktiven Aufbaus der betreffenden Maschine weist diese relativ hohe thermische Verluste auf.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Weg zu zeigen, wie bei einer Maschine der eingangs genannten Art auf einfache Woise die thermischen Verluste vermindert werden können.

Gelöst wird die vorstehend aufgezeigte Aufgabe bei einer Maschine der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch, daß der Rotor frei drehbar im Inneren eines nichtmagnetischen Hohlzylinders gelagert ist, der einen Stromkreis aus normal elektrisch leitendem Material aufweist, wobei die Kraftlinien des magnetischen Feldes des Rotors die Wicklung des Stators und den Stromkreis des Hohlzylinders miteinander koppeln und wobei bei asynchronem Generatorbetrieb der Hohlzyünder von einem Antriebsmotor angetrieben ist und im asynchronen Motorbetrieb durch Wechselwirkung der Ströme, die die Wicklung des Stators, die supraleitende Wicklung des Rotors und den Stromkreis des Hnhl/ylinders durchströmen.

Hierdurch ergibt sich der Vorteil, daß mit besonders geringem konstruktiven Aufwand die thermischen Verluste der Maschine sowohl beim Motorbetrieb als auch beim Generatorbetrieb vermindert sind.

Gemäß einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung besteht der Hohlzylinder aus einer Leichtmetallegierung hoher Festigkeit und niedrigen elektrischen Widerstands. Hierdurch ergibt sich der Vorteil eines besonders geringen Gewichts für die Hohlwelle.

Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung weist der Hohlzylinder einen unmagnetisehen Stahlmantel auf, der innenseitig mit einer Schicht guter Leitfähigkeit belegt ist. Hierdurch ergibt sich der Vorteil einer besonders hohen Festigkeit für den Hohlzylinder.

Gemäß einer noch weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung weist der Stahlmantel auf seiner Innenseite Längsrippen auf. die die Schicht festhalten. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, daß die Schicht an dem unmagnetischen Stahlmantel gegen ein Verdrehen gesichert ist.

Gemäß einer noch weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung weist eier Hohlzylinder eine Kühlwasserzufuhr auf, über die ein Kühlwasserfilm auf der Innenseite des Hohlzylinders aufgebracht wird, und ferner weist der Hohlzylinder eine Dampfabführung für den Dampf des Filmes auf. Hierdurch ergibt sich der Vorteil einer besonders wirksamen Kühlung des Hohlzylinders. Dabei hält die Zentrifugalkraft das ⁶S Wasser an der Innenwand des Hohlzyl'nders, wo es verdampft.

Gemäß einer noch weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung ist die supraleitende Wicklung des Rotors von der inneren Wand des Kryostaten umschlossen. Hierdurch ist eine besonders wirksame Kühlung der Wicklung des Rotors ermöglicht.

Gemäß einer noch weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung liegen die Lager des Rotors und der Hohlwelle in einein solchen axialen Abstand von den Wicklungen des Rotors und des Ständers, daß die in ihnen erzeugten Wirbelströme schwach sind. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, daß auf relativ einfache Weise die Beeinflussung der erwähnten Lager durch Wirbclströme nur schwach ist.

Gemäß einer noch weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung endet der Hohlzylinder in einem axialen Vollmaterialansatz kleineren Durchmessers. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, daß auf besonders einfache Weise mit dem Hohlzylinder eine Antriebsturbinc (beim Gencratorbetrieb) oder eine Abtriebseinrichtung (beim Motorbetrieb) verbunden sein kann.

Gemäß einer noch weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung ist die Erregerwicklung durch die konzentrisch zur Rotorachsc verlaufende Schien! eines Supraleiterdrahtes gebildet, und diese Schichten sind schraubenlinienförmig mit Stahldrähten umwickelt. Hierdurch ergibt sich ein besonders günstiger und stabiler Aufbau für die Erregerwicklung.

Gemäß einer noch weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung besieht die Statorwicklung aus Zylindern, die achsparallel und in einer solchen Lage angeordnet sind, daß sie praktisch den gesamten Fkiß der supraleitenden Wicklung erfassen. Hierdurch ergibt sich der Vorteil eines besonders hohen Wirkungsgrades der Maschine.

Gemäß einer noch weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung sind zur Kompensation der dritten Oberwelle des Gegeninduktionsfeldcs im Hohlzylindcr in Reihe mit den Zylindern der Statorwicklung Leiter geschaltet, die zwischen den Zylindern der Statorwicklung und dem umlaufenden Hohlzylinder derart angeordnet sind, daß der sie durchfließende Strom entgegengesetzt zu dem die Zylinder durchfließenden Strom gerichtet ist. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, daß auf besonders einfache Weise die dritte Oberwelle des Gegcninduktionsfeldes im Hohlzylindcr kompensiert wird.

Gemäß einer noch weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung sind die Wicklungen des Rotors als mehrphasige Wicklungen mit elektrischen Gleitkonlakten zum Zwecke eines Leistungsaustauschs mit einer externen Schaltung verbunden. Diese an sich bekannte Maßnahme bringt den Vorteil einer einfachen elektrischen Verbindung mit den Rotorwicklungen mit sich.

Zweckmäßigerweise gestattet die mit den Gleitkontakten verbundene externe Schaltung in an sich bekannter Weise, eine elektrische Leistung an die Wicklungen des Rotors abzugeben bzw. von diesen abzuführen.

Die äußere Wand des Kyrostaten besteht in an sich bekannter Weise aus einem Material, welches ein gutei elektrischer Leiter ist, der eine Abschirmung bewirki und durch die Statorwicklung erfolgte Störfeldei dämpft. Auf diese Weise lassen sich mit besonder; geringem konstruktivem Aufwand die betreffender Störfelder dämpfen.

Der Hohizylinder ist in an sich bekannter Weise entweder lamelliert ausgebildet oder mit einen Isoliermaterial versehen, und ferner trägt er Wicklun gen, die einem Drehfeld mit einer Verschiebefrequen;

unterworfen sind.

Zweckmäßigerweise sind in an sich bekannter Weise Einrichtungen vorgesehen, die an die Wicklung des Rotors einen Erregerstrom während der Maschincnanlaufperiode bis zum Erreichen einer gleichbleibenden Drehzahl abgeben. Auf diese Weise läßt sich ein relativ einfacher Anlauf der Maschine erreichen.

Zweckmäßigerweise sind die genannten Einrichtungen in an sich bekannter Weise durch einen externen Gleichstromgenerator, der mit den Gleilkontaktcn verbunden ist, oder durch einen an dem Vollmaterialansalz des Hohlzylinders vorgesehenen Erreger gebildet, dessen Strom durch statische Gleichrichter gleichgerichtet wird. Dies bringt einen besonders, geringen schaltungstechnischen und konstruktiven Aufwand mit sich.

Bei der Maschine gemäß der Erfindung ist es schließlich zweckmäßig, in an sich bekannter Weise einen Supraleiterunterbrecher vorzusehen, der mit Steuereinrichtungen versehen ist, welche die Schließung und Kurzschließung der Wicklung des Rotors bei einer gleichbleibenden Drehzahl zu bewirken gestatten.

An Hand von Zeichnungen wird die Erfindung nachstehend an Ausführungsbeispielen näher erläutert.

F i g. 1 zeigt schematisch einen eine Maschine gemäß der Erfindung darstellenden Wechselstromgenerator in einer Längsschnittansicht;

Fig. 2 zeigt eine Schnittansicht längs der in Fig. 1 eingetragenen Schnittlinie H-II:

F i g. 3 zeigt schematisch in einer Schnittansicht einen Teil eines Hohlzylinders, wobei der Klarheit wegen die Dicken der vorgesehenen Elemente und der Durchmesser in einem stark übertriebenen Maßstab dargestellt sind;

Fig.4 zeigt in einem Prinzipbild die obersten Schichten einer Erregerwicklung;

Fig. 5 und 6 zeigen in Kurvendiagrammen die Änderung eines Oberwellenfeldes in Abhängigkeit von der Achsentfernung;

Fig. 7 zeigt in einer vergrößerten Ansicht detailliert den Hauptteil eines Kryostaten und die ihn umgebenden Einrichtungen, und zwar längs der Achse des Wechselstromgenerators;

F i g. 8 zeigt schematisch das Prinzip einer Einrichtung, die eine Speisung einer Rotorwicklung ermöglicht;

F i g. 9 zeigt schematisch eine Schnittansicht in Achsrichtung einer einen zweipoligen Dreiphasen-Asynchronmotor darstellenden Maschine;

Fig. 10 zeigt eine Schnittansicht längs der in Fig.9 eingetragenen Schnittlinie X-X, unter Veranschaulichung von zusätzlichen Einzelheiten.

Zunächst sei darauf hingewiesen, daß die Erfindung auf Maschinen anwendbar ist die sich von jenen unterscheiden, wie sie im Ausführungsbeispiel dargestellt sind Die Erfindung ist in gleicher Weise insbesondere bei einer Maschine anwendbar, die eine andere Anzahl von Phasen als drei und eine über zwei liegende Anzahl von Polen aufweist

Der in F i g. 1 und 2 dargestellte Wechselstromgene rator enthält einen feststehenden Ständer 10. der eine Statorwicklung K trägt und in welchem die sich drehenden Einrichtungen untergebracht sind Der feststehende Ständer des in F i g. 1 dargestellten Wcchselstromgnerators besteht aus einer halbzylindrischen Kappe 12, die durch ein Bodenteil 13 verschlossen ist und aas einer Hülse, die mit Durchfübningsöffmingen für die StatorwicWung 11 versehen ist Diese Statorwicklung kann einen im allgemeinen herkömmlichen Aufbau besitzen und durch (nicht dargestellt Isolicruntcrlügen festgehalten sein, die das mechanisch« Drehmoment währenddes Betriebs absorbieren, jedoch eine bemerkenswerte Eigenheit mit sich bringen; es is kein Gehäuse aus einem ferromagnetischen Matcria vorgesehen. Dies wäre nämlich unbrauchbar, und zwai auf Grund des extrem hohen Induktionsflusses in dem vollständig gesättigten Material. Überdies ist es praktisch nicht möglich, ein Supraleitermaterial zu schaffen, da es einem starken Magnetwechselfeld unterworfen ist. Somit besitzen die supraleitenden Materialien eine magnetische Hysteresis, die eine Freisetzung von Wärme mit sich bringt, welche mit der Aufrechterhaliung der Temperaturen für die Supraleit-Fähigkeit unverträglich ist. Die Statorwicklung besitzt in einem Wechselstromgenerator großer Leistung eine beträchtliche axiale Länge im Vergleich zu ihrem Durchmesser.

Der Ständer trägt an seinen beiden Enden Lager 14 undl5 zur Zentrierung eines sich drehenden Hohlzylinders 16. Diese Lager sind hinreichend weit von der Statorwicklung und der sich drehenden Rotor- bzw. -Erregerwicklung entfernt (die weiter unten noch beschrieben werden wird), so daß der Magnetfluß, der durch sie hindurchgeht, schwach bleibt und keine starken Verluste mit sich bringt.

Die sich drehenden Einrichtungen umfassen den Hohlzylinder 16 und eine Kryostat-Erregerwicklungs-Anordnung. Bei der dargestellten Ausführungsform ist der Hohlzylinder 16 durch ein einseitig offenes Endteil gebildet, an welches sich ein Vollmaterialansatz 17 anschließt, mit dem der Hohlzylinder mit einer Antriebsturbine 18 verbunden ist. Der betreffende Hohlzylinder muß mit Rücksicht auf die Beanspruchungen. denen er ausgesetzt ist, im allgemeinen aus einem Stück geschmiedet bzw. gestaltet sein. Auf Grund der sehr hohen Leistungen kann der die Erregerwicklung bildende Supraleiter im Durchmesser relativ klein bleiben. Der Hohlzylinder kann ebenso einen relativ kleinen Durchmesser besitzen, was seine Herstellung erleichtert. Im Hinblick auf das Ausführungsbeispiel sei bemerkt, daß man einen Hohlzylinderdurchmesser in der Größenordnung von einem Meter erhalten kann für eine elektrische Leistung in der Größenordnung von 1000 MVA. Gemäß Fig. 1 und 2 sind der besonderen Klarheit wegen die Dicken nicht maßstäblich dargestellt. Die einen großen Durchmesser besitzenden Lager 14 und 15 sind im allgemeinen Walzenlager oder Nadellager.

Die Kyrostat-Erregerwicklungs-Anordnung 21 dreht sich in den beiden Lagern 35 und 36, die von dem Hohlzylinder getragen werden. Es sei hier darauf hingewiesen, daß die Relativgeschwindigkeit der Kryostat-Erregerwicklungs-Anordnung gegenüber dem Hohlzylinder mit Ausnahme der Inbetriebsetzung klein bleibt da sie sich auf die für den Antrieb der Wicklung erforderliche Verschiebung beschränkt

Die in F i g. 1 und 2 dargestellte Anordnung 21 umfaßt einen Kryostaten.

Der für die Wicklung 24 maßgebliche Kryostat steht nur unter dem Einfluß der Änderung des Flusses des Gegenfeldes des Hohlzylinders, der — in dem mit einer supraleitenden Wicklung verbundenen System — während der Obergangszeiten nicht veränderbar ist

6S wenn sich die Verschiebung ändert Der Kryostat kann in herkömmlicher Weise aus Metali aufgebaut sein. Das verwendete Material muß daher lediglich der Zentrifugalkraft widerstehen und äußerst genau auf der

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Rotationsachse des Hohlzylinders 16 zentriert sein.

Die Umschließung des Kryostaten besteht aus einer äußeren Umhüllung, die durch eine äußere Zylinderwand 22 und eine dicke innere Zylinderwand 23 gebildet ist, die den Wicklungssupraleiter umschließt. Bei der Supraleitfähigkeitstemperatur ist die Zylinderwand 23. die die Gewichte der Wicklung 24 trägt, mit den Drehlagern über eine schwache thermische Leitfähigkeit besitzende Teile verbunden, wie dies weiter unten noch ersichtlich werden wird. Man :rhäli daneben einen Leerraum zwischen den Zylinder wänden, durch den eine Isolation gewährleistet ist, die so hoch wie nur möglich ist. Der betreffende Hohlraum bzw. leere Raum kann gebildet werden, und zwar ein für alle Mal, indem der abgeschlossene Raum luftdicht verschlossen wird. Darüber hinaus können die Zylinderwände versilbert werden, um die Abstrahlung zu verringern.

Die in Fig.4 zum Teil dargeste Ite Erregerwicklung 24 ist von einem Tragrohr 25 getragen. Die betreffende Wicklung ist im Betrieb nicht der Zentrifugalkraft und den elektrischen und elektromagnetischen Beanspruchungen unterworfen, die mit dem Fließen des Stromes verbunden sind. Diese Beanspruchungen werden zu einem Teil von der durch einen Ring gebildeten inneren Umhüllung 23 aufgenommen. Man kann in gleicher Weise, wie dies in Fig.4 dargestellt ist, von den Zwischenringen bzw. Zwischeneisenringen Gebrauch machen. Bei der dargestellten Ausführungsform ist indessen auf dem Mittelrohr 25 ein unmagmetisches Material in Form von Unterlage! bzw. Einlagen 26 aufgebracht (im Falle einer zweipoligen Wicklung sind dies zwei Unterlagen bzw. Einlagen). Diese beiden Einlagen 26 bestehen aus einem Isoliermaterial, das sich längs zweier diametral dem Rohr 25 gegenüberliegender Zonen e-streckt. Um das betreffende Rohr wickelt man eine Vielzahl von Lagen aus dem supraleitenden Material (in Fig.4 ist der Klarheit wegen nur eine einzige Lage 27 dargestellt), um eine Dicke zu erhalten, die der der Einlagen 26 entspricht. Auf die somit gewickelten Schichten bringt man sodann eine Lage aus einem durchlöcherten isolierenden Kunststoffmaterial auf, und sodann versieht man die Anordnung mit einer schraubenlinicnförmigen Wicklung aus einem Drahtmaterial, welches denselben Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzt wie das das Rohr 25 bildende Material. In vorteilhafter Weise wird ein Stahldraht 28 und ein Stahlrohr 25 desselben Feinheitsgrades verwendet, um eine erhöhte Festigkeit zu erzielen.

Auf der Schicht des Stahldrahtes .28 werden die Einlagen 29 aufgebracht, die einen größeren Winkel einschließen als die Einlagen 26. und ferner wird der Supraleiterdraht erneut unter Bildung von Längswindungen gewickelt, die sich jeweils an eine der Einlagen 29 anschließen. Auf diese Weise erhält man einen Durchmesser, der dem Innendurchmesser der Umhüllang bzw. des Mantels 22 entspricht

Auf diese Weise erhält man eine Pseudo-Zweipol- Aufteilung durch Verwendung der Einlagen mit veränderbarem Durchgang, und zwar zur Beschränkung der aufeinanderfolgenden Supraleiterschichten. Diese Anordnung liefert nur eine geringe Festigkeit gegenüber den mechanischen Drehmomenten; sie ist jedoch möglich, da in der Wicklung kein bedeutendes mechanisches Drehmoment vorhanden ist

Die innere Umhüllung bzw. Ummantelung ist durch zwei Seitenwände 33 und 34 vervollständigt.

Wie oben dargestellt, ist es erforderlich, die Zylinderwände soweit wie möglich von dem starken Magnetfeld entfernt anzuordnen, das in der Nähe der Wicklung 24 und der Stabwicklung 11 herrscht. Dies schließt einen erheblichen Zwischenraum zwischen den Seitenwänden 33 und 34 und den Zylinderwänden ein die die laufende Anordnung tragen. Um diesel Anordnung die erforderliche Festigkeit zu geben und überdies über eine so gering wie mögliche thermische Leitung zu verfugen, verbindet man in vorteilhafter Weise die innere Ummantelung 23 mit dem Rohr 25 unc mil den Inneren Ringen der Lager 35 und 36, und zwai mittels der im wesentlichen konisch ausgebildeten Stege 37. Das Lager 36 ist in einem Hohlraum untergebracht der im Boden des Hohlzylinders 16 gebildet ist. Da: andere Lager 35 ist in einer Scheibe 38 untergebracht die den Hohlzylinder abschließt. Die beiden Lager, die — wegen der Übergänge — nur einem Gleiter unterworfen sind, können durch Nadellager gebildei sein.

Der mittlere Teil des Rohres 25 stellt die innert Ummantelung des Kryostaten dar; er besteht wie die Stege und die innere Zylinderwand 23 aus rostfreien Stahl mit schwacher Wärmeleitfähigkeit.

Der Hohlzylinder 16 muß zum einen eine hohe mechanische Festigkeit besitzen, und zum anderen muf: er einen nur geringen Widerstand gegenüber deir Fließen der starken Ströme ausüben, die für den Antrieb der Erregerwicklung 24 erforderlich sind. Diese; Ergebnis kann mit Hilfe diverser Einrichtungen erziel· werden.

Bei der in F i g. 3 dargestellten Ausführungsform is der Hohlzylinder 16 zumindest teilweise rohrförmig ausgebildet, und zwar durch eine äußere Schicht bzw Lage aus einem unmagnetischen Stahl mit hohci Scherfestigkeit (z.B. rostfreier Stahl 18.8). Auf die genannte Schicht ist eine Schicht 31 aus hochreinen Kupfer oder Aluminium aufgebracht. Außerdem korn pensiert man das schlechte mechanische Verhalten dei aus reinen Metallen bestehenden guten Leiter durch die hohe mechanische Festigkeit des Stahls. Der Stahl isi vorzugsweise auf der Außenseite des Hohlzylinder! angebracht, um die Abkühlung zu erleichtern, wie die; weiter unten noch ersichtlich werden wird.

Zur Verfestigung der Schichten 30 und 31 versieh man die Stahlschicht innen mit Längsrippen bzw. Riller 32 über ihre gesamte Länge. Diese Längsrippen bzw Rillen nehmen bei der Drehung das Kupfer odei Aluminium mit. Die betreffenden Längsrippen könner einen sehr schwachen Vorsprung bilden (5 bis 15% dci Dicke des Stahls).

Die optimale Dicke der Kupfer- oder Aluminium schicht 31 hängt von der«"« Radius R\ und der Anzahl vor Polen der Wicklung 24 ab. Da diese Wicklung zweipolig ist, wird die optimale Leistung durch eine Dicke erhalten, die bei einem Wechselstromgenerator großei Leistung im allgemeinen in der Größenordnung vor R\ χ 03 liegt. Diese Zahl ist dabei lediglich kennzeich nend, da man nämlich die betreffende Dicke ζ. Β vergrößern kann, um den Wirkungsgrad bei emei geringfügigen Abnahme der Leistung zu verbessern oder umgekehrt wenn man vor allem eine höh« spezifische Leistung sucht In der Praxis kann von dei Überlegung ausgegangen werden, daß die Dicke zwischen 02 R\ und 0,35 R\ bei sämtlichen Leistungs· Wechselstromgeneratoren liegen wird.

Eine andere (in den Zeichnungen nicht dargestellte' Lösung umfaßt einen Hohlzylmder 16, der aus einei Legierung gebildet ist umfassend eine Aluminium- odei Zirkonbasis (z.B. von der Art »Duralumin« odei

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»Zircaloy«). Obwohl die Festigkeit dieser Legierungen der von Kupfer oder reinem Aluminium überlegen ist, bleibt sie doch annehmbar, und die Scherfestigkeit reicht für nicht über 600 MVA liegende Leistungen uns. Die optimale Dicke ist mit Rücksicht auf die Festigkeiten im Vergleich zu der vorhergehenden Lösung vervielfacht. Diese Lösung hat den Vorteil der Einfachheit.

Mit wenigen Worten gesagt bedeutet dies, daß man für die sehr großen Leistungen einen zusammengesetzten Hohlzylinder verwenden kann, und zwar mit einer inneren Platticrung aus einer Legierung mil einer besseren mechanischen Festigkeit als der von Kupfer. Dabei kann /. B. eine Legierung verwendet werden, die als Basis- bzw. Grundmaterial Aluminium oder Zirkon enthält.

Die in dem Hohlzylinder 16 auftretenden Ströme, die durch ihr Zusammenwirken mit der supraleitenden Spule das Motordrehmoment erzeugen, müssen so hoch wie möglich sein. Ihre Stärke hängt von der Gleitlauffläche ab; sie kann stets hinreichend klein bleiben, um nicht eine Begrenzung hervorzurufen. Diese Begrenzung ergibt sich auf Grund der Erwärmung des llohlzylindcrs, der wirksam in einein Kreis gekühlt weiden muli, der die Wärme abzuleiten gestattet, die durch die Ströme von mehreren lausend Ampere pro Zentimeter des Umfangs freigesetzt wird, wobei der Hohlzylindei" auf einer Temperatur gehalten wird, die nicht über i 00 bis 150 C ansteigt.

Bei der insbesondere in Fig. 1 und 7 dargestellten Ausführungsform ist dieser für die Kühlung des Hohlzylinders 16 dienende Kreis vorgesehen; die Kühlung erfolgt mittels eines Films siedenden Wassers, der mit der inneren Oberfläche des Hchl/.ylinders durch die Zentrifugalkraft in Berührung gehalten wird. Diese Losung ist dadurch ermöglicht, daß die Potentialdifferenzen längs des Hohlzylinders gering sind, so daß die Probleme einer Elektrolyse vermieden sind. In einem besonderen, als typisch anzusehenden Fall, in welchem die abgegebene Leistung in der Größenordnung von lOOW/em-¹ liegt oder in dem die Stromstärke pro Zentimeter des Umfangs im Bereich von 17 000 Ampere bei einer zehn Zentimeter betrügenden Aluminiumdicke liegt, beträgt die Poientialdifferenz etwa 0,5 Volt pro Meter.

Der zur Kühlung des Hohlzylinders dienende, in I ig. 1 und 7 dargestellte Kreis enthäli außerhalb des Wechselstromgenerator eine Pumpe 39. uie mil Wasser gespeist ist, welches zur Vermeidung einer Kesselsteinablagerung cntmincralisieri ist. und eine ringförmige Kammer 40. die in der Stirnseite eines Verteilers 41 untergebracht ist. der in bezug auf eine Nabe 42 lest angeordnet ist. welche den Innenring des Lagers 35 trägt. Ir, der Nabe befindet sich praktisch ein Durchgang 43, der in der Nähe der Scheibe 38 zu einem Ausgang erweitert ist. Dieser Durchgang kann derart ausgerichtet sein, daß er als Wasserschaufcl wirkt, w enn die Kryosuii-F.rregerwicklung-Anordnung sich dreh), und das Wasser gegen die Wand des Hohlzylinders 16 abgibt.

Die Phasen trennen sieh automalisch auf Grund der wirbelnden Bewegung des Wassers. Der Dampf wird mittels einer Rohrleitung 44 großen Querschniits gesammelt, die in der Nabe untergebracht ist und die zu einer ringförmigen Kammer 45 des Verteilers hinläuft. Die wulstförmigen Gieitdichlungen 46 begrenzen die Ausirittssiellcn auf den Bereich zwischen dem Verteiler und der Nabe.

Der gesammelte Dampf wird kondensiert und an die Pumpe z.urückgeleitet. Die Wärme wird vorteilhaflcrweise in einem Austauscher 47 zurückgewonnen, in welchem ein Teil der Wärme an den die Turbine speisenden Dampfkessel bzw. Heizkessel 48 abgegeben wird. Dieser Austauscher, der als Vorwärmer arbeitet, ermöglicht (mit den gegenwärtigen Wärmezyklcn), die Kosten der Verlustwärme mil etwa 0,6 zu multiplizieren.

Trol/ der ohmsehen Verluste in dem Hohlzylindcr 16

ίο ist die wärmemäßige Bilanz viel günstiger als in einem einen Supraleiter verwendenden Wechselstromgenerator, in welchem eine Welle direkt durch die Erregerwicklung angetrieben wird, da die Kühlleistung, die erforderlich ist. um die Spule bzw. Wicklung 24 kalt zu halten, auf Grund der vollständigen Vermeidung einer mechanischen Übertragung mittels der Tieftemperatur-Einrichiungcn durch einen Faktor in der Größenordnung von 10" dividiert ist.
Der flüssiges Helium enthaltende Speisekreis ist in dem Verteiler 41 und der Nabe 42 untergebracht. Das Heliumgas wird in dem Mittelteil des durchlöcherten Rohres 25 gesammelt und nach außen durch eine fcsl angebrachte Rohrleitung 49 abgeführt, die mit einem Bund abschließt, der mit einer Glcitdichtung 49;/ versehen ist. Die nicht näher dargestellten Isolierstreben halten in der Rohrleitung 49 ein Zuführrohr 50. welches mit einer Umhüllung bzw. einem Mantel 51 versehen ist, in welchem sich ein abgedichteter Leerraum befindet. Das Rohr bzw. der Rohransatz 50 gibt das flüssige Helium nach rechts durch die Schütze des Rohres 25 ab, und die Zentrifugalkraft führt das betreffende Helium nach außen, d. h. zu den Spulen hin. wenn sich die Anordnung dreht. Die Trennung der Flüssigkeitsphasen und Gasphasen erfolgt somit automalisch. Das flüssige Helium wird der Rohrleitung 50 durch eine nicht dargestellte Speiseeinrichtung zugeführt und in dem Rohr 49 durch einen Rohransatz 52 (f i g. 1) nach Verdampfung zurückgeleitet.

Die Statorwicklung 11 ist einem sehr hohen Fluß ausgesetzt. Die diese Wicklung bildenden Leiter müssen daher aufgeteilt sein; mit anderen Worten ausgedrückt heißt dies, daß jeder einzelne Leiter einen viel geringeren Durchmesser bei der lichten Weite der Hülse haben muß; praktisch bedeutet dies, daß der Durchmesser zwischen 0.5 und J mm liegen muß. Wenn der Draht b/w. die Leitung in Reihenschaltung zu ve-w enden ist. wird die Klemmenspannung des Wechselstromgencrators mehrere MV betragen und daher sehr hoch sein. Daher isl es erforderlich, eine Parallelschaltung zu verwenden, um die Leiter zu \ ersetzen. Line besonders einfache Lösung enthält eine sieben Lin/eldrähte. die elektrisch voneinander isoliert sind, umfassende Litzenanordnung, und zwar von der Art, daß der Fluß gleichmäßig auf die sieben Drähte

aufgeteilt ist und daß kein Wirbelstrom auftreten kann. Sodann werden sieben Einzellitzen zu einer Anordnung verseilt, wodurch man schließlich einen 49 Einzelleher umfassenden Leiter erhält dessen einzelne Leiter an ihrem Kntle durch eine Lötstelle miteinander verbunden sind. Damit sind die einzelnen Leiter parallel betrieben. Dieses Beispiel ist zur Veranschaulichung gegeben worden, wobei insgesamt eine kompakte Verseillösung zur Verfügung steht, bei der die Drähte derart schraubenlinienförmig verwunden sind, daß die in

gleicher Weise annehmbare Verlegung gewährleistet ist.

Ks sei darüber hinaus bemerkt daß der für den Leiter zur Verfügung stehende Raum relativ groß iM. da er

nicht durch Ein- bzw. Ausschnitte begrenzt ist. und daß der Gesamtstrom höher sein kann bei konsumier Stromdichte.

Die Slalorwicklung gemäß der Erfindung ist vorieilhaftcrwcisc durch eine Zylinderform gebildet, wobei die Mitten der beiden eine Phase bildenden Zylinder 53 und 54 z. B. um den Hohlzylinder herum angeordnet sind, und zwar derart, daß der gesamte Fluß eines Poles der Supralcitcrspule aufgeteilt ist. Wie z.B. in I" ig. 2 dargestellt, sind die Zylinder symmetrisch in bezug auf die Rotationsachse im Falle einer zweipoligen Supralcitcrspule angeordnet.

Eine in dieser Weise gebildete Dreiphasenwieklung. die von ausgeglichenen Dreiphasenströmen durchflossen wird, übt auf ihre Achse ein Feld aus. welches sich mit der Frequenz des Stroms dreht, d. h. eine »Ankerreaktion« hervorruft. Wenn der Wechselstromgenerator eine Wirkleistung abgibt, übt dieses Feld auf die supraleitende Spule bzw. Wicklung ein Widerstandsmoment aus, wobei der Ausgleich dann erhallen wird, wenn dieses Moment gleich dem Motormoment ist. welches durch die Stromschichten erzeugt wird, welche von dem I lohlzylinder geführt werden. Wenn sich jedoch der Mittelpunkt dieses Feldes verschiebt, der in dem laufendem System festgelegt ist, kommt ein Drehfeld h mit einer dem Dreifachen der Grundfrequenz entsprechenden Frequenz hinzu. Wenn man mit /?)dcn Radius des Kreises bezeichnet, der die Mitten der die Statorwicklungen bildenden Zylinder enthält, ändert sich das eine dreifache Frequenz besitzende Feld h mit dem Abstand r von der Achse zwischen 0 und Rj. wie dies in F i g. 5 dargestellt ist. Dies bedeutet, daß der Fluß viel schneller durch einen Leiter des Radius / geschnitten wird: Dies ermöglicht insbesondere, sehr nahe des Hohlzylinders 16 einen Leiter (nicht dargestellt) in Reihe mit der übrigen Wicklung anzuordnen, die die jeweilige Phase bildet. Der betreffende Leiter wird jedoch durch einen Strom umgekehrter Richtung durchflossen und liefert ein Feld h'.

Die Größe jedes der Felder h und /)', die eine Frequenz besitzen, die das Dreifache der Frequenz des abgegebenen Stromes ist, ändert sich daher in Abhängigkeit von /; wie dies in F i g. 6 dargestellt ist, in der der Amplitudenmaßstab gegenüber dem in F i g. 5 vergrößert ist. Die Lage des entgegengerichteten einzigen Leiters läßt sich berechnen; an dieser Stelle ist die Summe Hder beiden Dreieroberwellen-Felder Null, und zwar für einen Radius R) der einer lichten Weite bzw. Tiefe in dem Hohlzylinder 16 entspricht, was der Hälfte der .Schichttiefe bei der Oberwellcnfrequenz auf dem interessierenden Leiter in dem Hohlzylindcr gleichkommt. Diese Anordnung verbessert mit Rücksicht darauf, daß sie einen nur schwachen Verlust der spezifischen Leistung zur Folge hat, im Gegenteil noch den Wirkungsgrad durch Verminderung der in dem Hohlzylinder 16 vorhandenen parasitären lnduktionsströme. Dieser einzige, zu dem jeweiligen Zylinder hinzugefügte Leiter ist zwischen dem Zylinder und der laufenden Welle untergebracht, und zwar in der zur der Achse des Wechselstroms benachbarten Ebene des Zylinders.

Anstatt der Anordnung, die noch beschrieben werden wird, kann man die in F i g, 2 schematisch dargestellte Anordnung verwenden. Diese Anordnung enthält ein Zylindcrgcbildc, welches nicht den Leiter in einem kleinen Raum nahe der WeJIe enthält. Die Zylinderwick Jung wird somit gleichwertig sein zu dem Fall, daß in einem Zylinder sämtliche Leiter in Reihe mit einem im Innern angeordneten Gegenwirkungszylinder verbunden sind, wobei eine viel kleinere Abmessung erzielt wird. Diese Lösung bringt im Vergleich zu der S vorhergehenden Lösung den Vorteil mit sich, etwas einfacher zu sein.

Was die angenommene Anordnung anbelangt, so sei bemerkt, daß es möglich ist, durch eine geeignete Gruppierung bzw. F.inleilung der Leiter der Statorwiek-

to lung, eine Ausgangsspam.ungzu erhalten, die wesentlich höher ist als bei einem Wechselstromgenerator, der einen normalen Rotor verwendet. Im besonderen kann eine Spannung erzielt werden, die dazu führt, daß die Zwischenschaltung eines Aufwärtstransformator zwisehen dem Wechselstromgenerator und dem .Speisenetz nicht gebracht wird. So kann man z. B. bei einem Wechselstromgenerator in einer Länge von 4.5 m auf leichte Weise je Stator-»Windung« eine Spannung von etwa 1000 Voll erhalten, wobei jede Windung von einer benachbarten Windung leicht isoliert ist. Hs genügen daher fünfhundert in Reihe liegende Leiter, um eine Spannung von 500 kV zu erzielen, welche die Spannung des eigentlichen Stromnetzes ist.

Ls dürfte ohne weiteres einzusehen sein, daß die Wahl einer hohen Alisgangsspannung eine besondere Isoliertechnologie auferlegt; im Unterschied dazu ist die vorstehende Lösung jedoch besonders wirksam. Der Stator ist im übrigen zuvor abgekühlt: zur Sicherstellung dieser Abkühlung ist es erforderlich, ein dielcktrisches Fluid, wie Pyralen, zu verwenden, wenn man eine Flüssigkeit wählt, oder Wasserstoff, wenn man ein Gas wählt.

Die die Erregerwicklung 24 darstellende, sich drehende große Magnet-Mehrpolanordnung (die bei dem nachstehend beschriebenen Fall zweipolig ist) erzeugt ein starkes magnetisches Drehfeld. Mangels besonderer Vorsichtsmaßnahmen stört dieses Feld in Entfernungen, die einige zehn Meter reichen, obwohl ihre Intensität proportional mit der dritten Potenz der Entfernung abnimmt. Zum Kurzschließen des Magnet flusscs des Wechselstromgenerators unter derartigen Verhältnissen kann man in vorteilhafter Weise eine ferromagnetische Abschirmung oder einen Leiter vorsehen, der als Löscheinrichtung für die lnduktionsströme dient. Dieser Schutz bzw. diese Abschirmung, die aus einem eisenhaltigen Metallblech, aus einem Ferritüberzug oder aus einem Blech eines Metall¹* bestehen kann, welches ein guter elektrischer Leiter ist wird generell in einem solchen Abstand von der Achse des Wechselstromgenerators angeordnet, der gleich zumindest das Fünffache des Radius der Erregerwicklung 24 ist. Diese Abschirmung kann durch einer . Metallbclag gebildet sein, der weitgehend über der Wechselstromgenerator aufgebracht ist und sich seitlich durch die Seitenwände verlängert. Die betreffendt Abschirmung kann dabei z. B. durch ein 2 cm dicke< Aluminiumblech gebildet sein. Diese Lösung ist zwai ziemlich teuer, da eine Zentrale, die stets einen Steuer bzw. Befehlsraum umfaßt, unter diesen Umständen au bzw. über dem Belag anzuordnen ist. Der minhnali Abstand des Fünffachen des Radius stellt dabei kein« Beschränkung dar, da in jedem Fall die Deckenhöhe ii dem Maschinensaal auszureichen hat am das Aufklap pen des Wechselstromgenerators and seiner Turbin<

oder seiner Antriebsturbinen zu ermöglichen.

Die Arbeitsweise des Wechselstromgenerators ergib sich aus der vorhergehenden Beschreibung, weshalb nu kurz darauf eingegangen wird. Wenn der HoMzyWnde

sich dreht, und zwar auf Grund des Antriebs der Turbine, arbeitel die Erreger- bzw. Supraleiterspulc in dem flüssigen Helium mit einem Null-Widerstand; sie besteht dabei aus einer reinen Selbstinduktivität. Sie ruit damit einen konstantem Magnetfluß hervor, und der reaktive Teil des Gegeninduktionsfeldes (der eine Entmagnetisierung hervorruft) bringt ledigüch eine Erhöhung des Stromes in der Erregerspule bzw. -wicklung mil sich, die annahmegemäß kurzgeschlossen wird. Die Zentrifugalkraft versucht, das flüssige Helium von dem mittleren Zufuhrrohr zu der Spule hin zurückzudrängen und die Aufrechterhaltung der Kälte zu sichern. Auf jeden Fail muß eine Hilfseinrichtung vorgesehen werden für die Inbetriebsetzung des Wechselstromgenerators zu dem Zeitpunkt, zu dem dieser angelassen wird Wenn sich die Kryostat- Erregerwicklungs-Anordnung in der Ruhestellung befindet, ist die Zentrifugalkraft nicht vorhanden, und ferner führt die Wicklung zumindest in ihrem Hauptlei! nicht die Supraleitfähigkeitstemperatur. Die betreffende Wicklung ist jedoch imstande, einen Strom von einigen Ampere zu führen, da die Supraleiter-Legierungsdrähte oder -bänder stets mit einem Kupferüberzug umkleidet sind.

Um an die Spule bzw. Wicklung den Strom abzugeben, der für die Erregung und Selbsterregung bei der Zunahme des Magnetfeldes erforderlich ist. und zwar während der Inbetriebsetzungsperiode, kann eine Speisung von außen her vorgenommen werden. Man kann selbstverständlich auch eine direkte Speisung der Spule mit Hilfe der Glcitkontaktc ins Auge fassen (mit Ringen und Bürsten), welche in dem Mittclrohr untergebracht sind. Diese Lösung bringt jedoch eine bedeutende Unzulänglichkeit mit sich, da die Supralciterspulcn tatsächlich bedeutende Ströme erfordern. die 500 Ampere erreichen. Es wird daher bevorzugt, die in F i g. 8 schematisch angedeutete Lösung zu benutzen. Die betreffende Lösung besieht darin, daß Berührungsbahnen 55 bis 56 gespeist werden, die in einem feststehenden Element getragen werden, welches in dem Rohr 25 untergebracht ist, z. B. in dem Abschlußbund des Rohres 49. Damit kann eine Wechselstromeinspeisung bei einer relativ hohen Spannung erfolgen. Die Leistung bleibt gering (in der Größenordnung von 100 Watt), woraus man ersieht, daß die Anwendung einer Spannung in der Größenordnung von 100 Volt den Strom auf einen Wen in der Größenordnung von Ampere zu verringern gestattet. Der mit Hilfe der Bürsten 57, 58 abgenommene Strom wird einem Spannungsabwärtstransformator 59 zugeführt. Kin Gleichrichter 60 (mit z. B. in einer Brücke liegenden Halbleiterdioden) ermöglicht somit die Speisung der Spule bzw. Wicklung. Diese Speisung kann durch einen durch Zentrifugalkraft betätigten Supraleiter-Unterbrecher vervollständigt sein, der den Wicklungs- bzw. Spulensiromkreis selbst wieder schließt, wenn eine bestimmte Geschwindigkeit erreicht ist. Die Geschwindigkeit entspricht im Betrieb der Drehzahl des Supraleiters.

Der in F i g. 9 und 10 dargestellte Motor enthält eine doppelte Dreheinrichtung von genereil zylindrischer Form. In diesem Motor sind in bezug auf die Maschinenachse die Erregerwicklung bzw. die Induktorspule 115 koaxial in einem Kryostaten enthaltend angeordnet. Eine passive Abschirmung aus einem Material, welches ein guter elektrischer Leiter ist, ist für die Außenwand des Kryostaten vorgesehen bzw. verantwortlich. Ferner ist ein Hohlzylinder 114 vorgesehen, der die mechanische Leistung liefert und der eine mehrphasige Wicklung bzw. Spule Lägt. In gleicher Weise können auch andere Anordnungen angenommen werden, die insgesamt weniger zufriedenstellen. So kann z. B. an Stelle eines Hohlzylinders ein Vollzylinder verwendet werden, und die Spulenanordnung und die passive Abschirmung können um den Zylinder herum angeordnet sein.

Der generelle Aufbau des in Fig.9 dargestellten Asynchronmotors ist der der in F i g. 1 bis 8 dargestellten Maschine verwandt. Der betreffende Motor unterscheidet sich im Grunde genommen durch das Vorhandensein einer mehrphasigen Wicklung, die von dem Hohlzylinder getragen und von der Außenseite her gespeist wird.

Wie weiter unten noch ersichtlich werden wird, enthält der Motor einen feststehenden Ständer 110 (Fig. 10), der eine Statorwicklung 111 trägt und in welchem eine doppelte drehbare Einrichtung untergebracht ist. Die mehrphasige Statorwicklung 111 ist z. B. mit einem elektrische Energie liefernden bzw. erzeugenden Net/ verbunden, und zwar mittels herkömmlicher -Unterbrecher- bzw. Trennelementc. Die betreffende Spule besteht aus einem Material, welches ein guier elektrischer Leiter ist, wie z. B. aus Kupfer oder Aluminium, und welches bei Temperaturen wirksam ist. wie sie für die Spulen der herkömmlichen Elektromotoren üblich sind.

Der Ständer HO trägt an seinen Enden Zentrieriiagcr 112 und 113 für den sich drehenden Hohlzylindcr 114. Diese Lager sind hinreichend weit von der Statorwicklung und den Wicklungen der sich drehenden Anordnung entfernt, damit der durch sie hindurchtretende Magnetfluß klein bleibt.

Während des Betriebs hat das durch die Statorwicklung 111 erzeugte magnetische Drehfeld eine Drehung der Erregerwicklung 115 mit der Synchronfrequenz und des Hohlzylinders 114 mit einer Frequenz zur Folge, die sozusagen untersynchronisiert ist, wenn die Wicklung 127 die Leistung (z. B. an die außerhalb der Maschine befindlichen Widerstände bzw. Heizwiderständc) abgeben kann, oder übersynchronisiert (wenn die externen Speiseeinrichtungen dem Hohlzylinder die Leistung unter Bereitstellung der Ströme und mehrphasigen Spannungen mit der richtig gewählten Frequenz liefern).

Der Hohlzylinder 114 enthält in seinem inneren Hohlraum ein Zentrierlager 131, in welchem sich die in ihrem Kryoslaten untergebrachte Wicklung 115 dreht. Ein zweites die Wicklung 115 tragendes Lager 132 kann innerhalb des Hohlzylinders untergebracht sein, wobei das Ende des Hohlraums offen ist. Das betreffende Lager kann aber auch unmittelbar an dem feststehenden Ständer angebracht sein. Dieser zuletztgenannte Fall ist in F i g. 10 veranschaulicht.

Die Supraleiter-Spulenwicklung 115, die bei der beschriebenen Ausführungsform zweipolig ist, ist von dem Erregergleichstrom der Maschine durchflossen, der bei gleichbleibender Drehzahl konstant ist. Die Spulenwicklung bzw. Induktorspule 115 ist in Übereinstimmung mit den bei Supraleitermagneten üblichen Verfahren realisiert, weshalb es hier nicht erforderlich ist, diesen Aufbau zu beschreiben. Das Supraleitermatcrial kann insbesondere ein vieldrähtiges zusammengesetztes Gebilde sein, dessen miteinander verbundene Ein/.eldrahte aus einer Niob und Titan enthallenden Legierung in einer Kupfermatrix eingelagert sind, wobei die Drähte einen kreisförmigen oder rechteckigen

Hi

Querschnitt erhallea Die verschiedenen Einzelleiter, die in angemessener Weise isoliert sind, sind in einer Anzahl zusammengestellt, die ausreicht, um eine Gesamtverteilung des in einem zweipoligen Feld fließenden Stroms sicherzustellen, z. B. in den Nuten oder Ausnehmungen, di · um den Umfang eines Zylinderdornes 129 vorgesehen sind. Dieser Dorn 129 (F i g. 10) kann aus Stahl (magnetisch oder amagnetisch), wobei die Induktionen sehr hoch sind, aus einem Isoliermaterial oder überdies aus einem Metall bestehen, welches eine gute mechanische Festigkeit und eine gute Wärmeleitfähigkeit besitzt. Verwendet man einen Kunststoff, so ist dieser in vorteilhafter Weise faserverstärkt. Unter den verwendbaren Metallerzeugnissen seien insbesondere die leichten Legierungen auf Aluminiumbasis erwähnt Die Wicklung 115 und der diese tragende Dorn sind mh Kühlkanälen versehen, die dazu dienen, ein kryogenes Fluid zirkulieren zu lassen.

Die Wicklung 115 ist den magnetischen Beanspruchungen bzw. Spannungen auf Grund ihres eigentlichen ao Feldes und den mechanischen Beanspruchungen auf Grund der Zentrifugalkraft während des Betriebes ausgesetzt; die betreffende Wicklung bzw. Spule muß auf dem Dorn 129 festgehalten bzw. festgeklemmt sein. Dieses Ergebnis kann durch Verwendung der Nutenein- »5 lagen aus einem Material mit guter mechanischer Festigkeit oder durch Verwendung der Metallringe oder überdies durch eine Imprägnierung mit einem durch Wärme aushärtbaren Harz erzielt werden. Die vorstehenden Maßnahmen bzw. Verfahren können offensichtlieh in gleicher Weise kombiniert angewandt werden.

Die Wicklung 115 muß mit einem Gleichstrom gespeist werden, und zwar zumindest während der Anfangsperiode. Diese Speisung kann entweder durch eine am Wellenende vorgesehene Erregermaschine, die den statischen Gleichrichtern zugeordnet ist, oder von der Außenseite her erfolgen. Diese zweite Lösung ist in dem Ausführungsbeispiel gemäß F i g. 9 gezeigt, gemäß der die Gleitkontakte 116 und 117 die feststehenden Stromabnehmer und die Ringe enthalten, welche von einem Überzug bzw. Mantel 118 getragen werden, der mit dem die Wicklung 115 tragenden Dorn verbunden ist. Die Leiter (nicht dargestellt), die die Gleitkontakte mit der Wicklung 115 verbinden, sind innerhalb des betreffenden Mantels untergebracht; sie müssen selbstverständlich von der Art sein, daß sie soweit wie möglich die Wärmezufuhr in Richtung auf die Tieftemperalurzone hin verringern.

Unabhängig von der Lösung, die für die Speisung der Wicklung 115 beim Systemanlauf angenommen wird, enthält die betreffende Wicklung in vorteilhafter Weise einen Supraleiter-Unterbrecher, der geöffnet ist während des Systemanlaufs und der geschlossen ist während des Dauerbetriebs bzw. bei gleichbleibender Drehzahl, und zwar derart, daß durch den betreffenden Unterbreeher bzw. Schalter die Wicklung 115 kurzgeschlossen und der für den Betrieb erforderliche Fluß aufgefangen wird. Gleichzeitig kann die Speisung unterbrochen sein.

Die Wicklung 115 ist in einem Kryostaten eingeschlossen, der aus einer inneren Zylinderwand 119 und einer äußeren Zylinderwand 120 besteht. Die Wicklung 115 ist an dem äußeren Zylinder 120 des Kryostaten mit Hilfe von Zentrierteilen angebracht bzw. festgemacht. Diese Teile enthalten bei der beschriebenen Ausführungsform zwei Mäntel bzw. Überzüge 118 und Kappen 121. Die äußere Zylinderwand 120 kann in vorteilhafter Weise durch einen Zylinder aus einem Material gebildet sein, der ein guter elektrischer Leiter ist. Hierfür kann

i- B. eint- Aluminiumlegierung verwendet werden. Diese Zylinder wand besitzt dabei eine ausreichende Dicke, um als elektromagnetische Abschirmung gegenüber der Induktionsspule zu dienen.

Wie bereits erwähnt, ist durch die in dem magnetischen Verhalten der Supraleiter festzustellende Hysteresis die Unterdrückung der schnellen Änderungen des Magnetleldes auferlegt. Aus diesem Grund enthalten die derzeitigen Wechselstromgenerator-Supraleiter alle eine ele-ctromagnetische Abschirmung, deren Aufgabe darin besteht, die Auswirkungen der durch Induktion erzeugten parasitären Magnetfelder bzw. magnetischen Streufelder zu dämpfen bzw. aufzuheben. Wird der als Ausführ jngsbeispiel dargestellte Asynchronmotor gemäß de* Erfindung in Betrieb gesetzt, so erfüllt die äußere Zylinderwand 120 des die Wicklung 115 enthaltenden Kryostaten diese Funktion.

Zwischen der inneren Zylinderwand 119 und der äußeren Zylinderwand 120 des Kryostaten ist eine Wärmeisolierung vorgesehen, die in herkömmlicher Weise durch einen doppelwandigen Mantel b/w. Überzug- mit einem Hohlraum gebildet sein kann, der ein mehrlagiges Isoliermaterial enthält, und zwar in Übereinstimmung mit der zu einer hervorragenden Isolation führenden Isolationstechnik. Die Induktorbzw. Wicklungswelle 135 und die Verbindungselemente zwischen der Wicklung 115 und die Verbindungselemente /wischen der Wicklung 115 und der äußeren Zylinder wand 120 des Kryostaten (Überzüge 118 und Kappen 121) müssen einen geringen Querschnitt besiizen; sie sind z. B. aus rostfreiem Stahl mit geringer thermischer Leitfähigkeit gebildet. Die Verbindungen können nur eine geringe mechanische Festigkeit besitzen, weshalb auf die Wicklung 115 bei gleichbleibender ausgeglichener Drehzahl kein Moment ausgeübt wird.

Die Wicklung 115 und der Kryostat sind der als Induktor- bzw. Wicklungswelle bezeichneten Welle 135 zugehörig, die sich in den Lagern oder Rollenlagern 131 und 132' im Innern des Hohlzylinders 114 frei dreht. Eines d;r End- bzw. Abschlußteile der Welle 135 ist selbst rohrförmig ausgebildet, und zwar derart, daß es die Speisung des Kryostaten mit einem kryogenen Fluid (flüssiges oder überkritisches Helium) und die Speisung der Supraleiter-Spulenwicklung mit einem elektrischen Strom ermöglicht.

Bei der in Fig.9 schematisch dargestellten Ausführungsform enthalten die den Kryostaten mit einem Fluid speisenden Einrichtungen zur Aufrechterhaltung der kryogeren Temperaturen ein Mittelrohr 123, welches in den Innenraum des Domes mündet, der die Spulenwicklung b/.w. Induktionsspule 115 trägt. Durch diese Rohranordnung kann man das kryogene Fluid abgeben, welches flüssiges Helium oder überdies überkritisches Helium sein kann. Das verdampfte Helium kommt in dem zwischen dem Rohr 123 und dem Überzug 118 enthaltenen Zwischenraum wieder zurück; der zuletzt genannte Überzug ist in vorteilhafter Weise mit einem Isoliermaterial versehen. Das Helium wird durch eine Rohrleitung 24 abgeführt, die zu einer feststehenden Aufnahme 125 hin offen ist, welche mit dem Kopfende des Überzugs 118 mittels einer hermetisch abgeschlossenen Drehverbindung zusammenwirkt.

Die wirksame Speisung der supraleitende Wicklung 115 mit einem elektrischen Strom erfolgt mit Hilfe von Stangen bzw. Hebeln, Bändern oder Rohren aus Kupfer, die die Spulenenden mit den Gleitkontaktringen 116 und 117 verbinden. Diese Stangen, Bänder oder Rohre

us Kupfer sind in dem Zwischenraum untergebracht, ler zwischen dem Rohr 123 und dem Oberzug 118 :nthalten ist um eine wirksame Abkühlung der !tromzuführungen durch das gasförmige Helium /.u ermöglichen, welches vom Innenraum des Kryostaten icrsiammt.

Die beschriebenen drehbaren Elemente bzw. Einrichtungen drehen sich im ganzen. Die sich drehende doppelte Einrichtung enthält in gleicher Weise den Hohlzylinder 114 der Maschine und die von diesem getragene mehrphasige Wicklung 127. Der Hohlzylinder 114 ist aus einem Material ausgewählt, welches eine hohe mechanische Festigkeit besitzt, und zwar im allgemeinen aus einem magnetischen oder unmagnetischen Stahl. Dieser Hohlzylinder 114 ist einem magnetischen Drehfeld unterworfen, welches mit der Frequenz, der Verschiebung bzw. des Schlupfes des Asynchronmotors aufiriit. Er muß damit entsprechend ausgebildet sein: er besteht z. B. aus einem Material, welches in einer rechtwinklig zur Maschinenachse ao liegenden Ebene lamelliert ist, zumindest allerdings in dem Teil, der dem Drehfeld unterworfen ist. Der 1 lohl/.ylindcr kann auch aus einem Isoliermaterial mit hohen mechanischen Kennwerten bestehen, welche die lamellicrtc Anordnung vermeidet. Er kann mit radialen Nuten 130 versehen sein, die nach außen hin offen sind und die die Unterbringung der Windungen ermöglichen, welche die mehrphasige Wicklung 127 bilden. Der Einfachheit halber sind lediglich einige Nuten in F i g. 10 dargestellt.

Die zweipolige Dreiphasen-Wicklung 127 kann entsprechend herkömmlichen Verfahren /ur Herstellung der Rotortvicklung eines Asynchronmotors gebildet sein. Die Wicklung muß auf eine·· Temperatur gehalten werden, die mit der Verwendung der üblichen elektrischen Isolicrmaicrialicn verträglich ist. !"einer muli die betreffende Wicklung mit einem nicht dargestellten Kühlkreis versehen sein. Im allgemeinen verwendet man /ur Kühlung Wasser. Gleichwohl kann zur Kühlung ein zirkulierendes Gas (z. B. Luft) verwendet werden, wenn die Leistung des Asynchronmotors nicht die Kompliziertheit rechtfertigt, die die Wasserkühlung mit sich bringt.

Die Wicklung 127 ist mit den Ringen 134 (drei oder vier für eine Dreiphasenwicklung) verbunden, was dazu führt, dall die verschiedenen Phasen der Wicklung mit Widerstanden belastet werden können, sei es durch Kurzschluß dieser Phasen, sei es durch Speisung der drei Phasen mittels eines elektrischen Dreiphasengenerators oei niedriger Frequenz (nicht dargestellt), und /war derart, daß im zuletzt genannten I all ein übcisvnchroner Betrieb gewährleistet ist. Die Anwendung der Widerstände, und zwar insbesondere für den Moloranlauf, ist vollständig jener Anwendung bei Asynchronmotoren mit herkömmlicher Rotorwicklung ähnlich.

Die Statorwicklung tlt ist durch eine aufgeteilte zweipolige Dreiphasenwickiung gebildet, die in üblicher Weise aus einem Material besteht, das ein guter elektrischer Leiter ist (Kupfer odtr Aluminium), welches wirksam gekühlt wird, z. B. durch zwangläufige Zirkulation von Wasser. Diese Leiter müssen unterteilt und zur Minimisierung der Foucault-Stromverluste vcrsci/i

Bei der in F i g. 10 dargestellten Ausführungsform ist die Stabwicklung 111 in den Nuten eines Statorträgers untergebracht, der aus einem faserverstärkten Isoliermaterial bestehen kann oder aus einem magnetischen oder unmagnetischen Stahl. Im zuletzt genannten Fall ist der Stalorträger blätterförmig ausgebildet, und zwar in den rechtwinklig zur Maschinenachse verlaufenden Ebenen, um die Verluste zu vermeiden. Die Verteilung und Isolierung der Leiter in den Nuten wird hier nicht näher beschrieben, da es sich um eine bekannte und bei der Herstellung der Statoren von Motoren oder herkömmlichen Wcchselstromgeneratorcn angewandte Technologie handelt.

Der Anlauf des in dieser Weise realisierten Asynchronmotors muß in zwei Phasen bewirkt werden: In der ersten Phase steht der Hohlzylinder 114 still, und die Wicklung 127 ist schaltungsmäßig offen — man läßt die Wicklung 115 durch »Mitnahme« derart an, daß durch den Staior ein Drchfcld erzeugt wird. Dazu kann ein synchronisierter Hilfs-Asynchronmolor sehr schwacher Leistung dienen, der mechanisch mit der Welle 135 verbunden ist. Wenn Synchronismus erreicht ist. verbindet man die Statorwicklung 111 mit dem Speisenetz..

In der zweiten Phase schließt man die Wicklung 127 an die Anlaufwiderstände an. Der Hohlzylinder 114 beginnt sich zu drehen; der Anlauf kann unter Belastung bewirkt werden.

Bei dem Anlauf, wie er beschrieben worden ist. kann der Strom an die Wicklung 115 abgegeben weiden, bevor diese Wicklung in Drehung versetzt wird. Dabei kann berücksichtigt werden, ohne daß diese Lösung vorteilhaft erscheint, daß die elektromagnetische Abschirmung der betreffenden Wicklung (äußerer Zylindermantel des Kryostaten) für einen »asynchronen« Anlauf dieser Wicklung mit ausnulzbar ist, wobei der Stator mit einer sehr niedrigen Spannung gespeist wird. Der Strom wird daher nicht in die betreffende Wicklung abgegeben, währenddessen diese Wicklung sich mit einer Drehzahl dreht, die sich dem Synchronzusland annähen.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims (20)

Patentansprüche:

1. Umlaufende elektrische Maschine mit mindestens einem eine mehrphasige Wicklung tragenden Stator zur Erzeugung eines umlaufenden Feldes und mit einem eine supraleitende Wicklung in einem Kryostaten aufweisenden Rotor zur Erzeugung eines mindestens bipolaren Feldes, wenn die Wicklung von einem Gleichstrom durchflossen ist, dadurch gekennzeichnet, daG der Rotor (R)he\ drehbar im Inneren eines nichtmagnetisehen Hohlzylinders (16; 114) gelagert ist, der einen Stromkreis aus normal elektrisch leitendem Material aufweist, wobei die Kraftlinien des magnetischen Feldes des Rotors (R) die Wicklung des Stators und den Stromkreis des Hohlzyiinders (16; 114) miteinander koppeln und wobei bei asynchronem Gcneratorbetrieb der Hohlzylinder von einem Antriebsmotor (18) angetrieben ist und dem im asynchronen Motorbetrieb durch Wechselwirkung der Ströme, die die Wicklung (11; 111) des Stators, die supraleitende Wicklung des Rotors (R) und den Stromkreis (16; 127) des Hohl/ylinders (16; 114) durchströmen.

2. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlzylinder (16; 114) aus einer Leichtmetallegierung hoher Festigkeit und niedrigen elektrischen Widerstands besteht.

3. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlzylinder (16) einen unmagnelischen Stahlmantel (30) aufweist, der innen«eilig mi! einer Schicht (31) guter Leittähigknt belegt ist.

4. Maschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Stahlmantcl (30) auf seiner Innenseite Längsrippen (32) aufweist, die die Schicht (31) festhalten.

5. Maschine nach Anspruch 4. dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht (31) aus Kupfer, Aluminium oder einer Legierung auf Aluminium- oder Zirkonbasis besteht.

b. Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohl-/ylinder (16) eine Kühlwasserzufuhr (39; 40, 43) aufweist, über die ein Kühlwasserfilm auf der Innenseite des Hohlzylinders (16) aufgebracht wird, und daß der Hohlzylinder (16) eine Dampfabführiing (44) für den Dampf des Films aufweist.

7. Maschine nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die supraleitende Wicklung (24; 115) des Rotors von einer inneren Wand des Kryosiaien (21; 119,120) umschlossen ist.

8. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lager (35, 14; 131, 112, 113) des Rotors und der Hohlwelle (16; 114) in einem solchen axialen Abstand von den Wicklungen (24, 11; 115, 111) des Rotors und des Ständers (10; 110) liegen, daß die in ihnen erzeugten Wirbclströme schwach sind.

9. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlzylinder (16; 114) in einem axialen Vo!!matcrialansatz(17) kleineren Durchmessersendet.

10. Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregerwicklung (24) durch konzentrisch zur Rolorachsc verlaufende Schichten eines Supraleiieidrahtes gebildet ist und daß diese Schichten schraubenlinienförmig mit Stahldrähten umwickelt sind.

11. Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Slatorwicklung (11) aus Zylindern besteht, die achsparallel und in einer solchen Lage angeordnet sind, daß sie praktisch den gesamten Fluß der supraleitenden Wicklung (24) erfassen.

12. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Kompensation de·- dritten Oberwelle des Gegeninduktionsfeldes im Hohlzylinder (16) in Reihe mit den Zylindern der Statorwicklung (11) Leiter geschähet sind, die zwischen den Zylindern der Statorwicklung (11) und dem umlaufenden Hohlzylinder (16) derart angeordnet sind, daß der sie durchfließende Strom entgegengesetzt zu dem die Zylinder durchfließenden Strom gerichtet ist.

13. Maschine nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Zylinder über ihre Länge in der Nähe des umlaufenden Hohlzylinders (16) eine leiterfreie Ausnehmung aufweisen.

14. Maschine nach Anspruch 1 oder 2. dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklungen (24; 115) des Rotors als mehrphasige Wicklungen mit elektrischen Gleitkontakten (55 bis 58; 116, 117) zum Zwecke eines Leistungsaustauschs mit einer externen Schaltung verbunden sind.

15. Maschine nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die mit den Gleitkontakten (55 bis 58; 116, 117) verbundene externe Schaltung an die Wicklungen (24; 115) des Rotors eine elektrische Leistung abzugeben bzw. von diesen abzuführen gestattet.

16. Maschine nach einem der Ansprüche 1. 2 oder 15. dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Wand des Kryostaten (21) aus einem Material besteht, welches ein guter elektrischer Leiter ist. der eine Abschirmung bewirkt und durch die Statorwicklung (11) erzeugte Störfelder dämpft.

17. Maschine nach einem der Ansprüche 14 bis Ib, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlzylinder (114) lamelliert oder mit einem lcoliermaterial versehen ist und Wicklungen (127) trägt, die einem Drehfcld mit einer Verschiebefrequenz unterworfen sind.

18. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß Einrichtungen vorgesehen sind, die an die Wicklung des Rotors (115) einen Erregerstrom während d?r Maschinenaniaufperiodc bis zum Erreichen einer gleichbleibenden Drehzahl abgeben.

19. Maschine nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten Einrichtungen durch einen externen Gleichstromgenerator, der mit den Gleitkoniakten (116,117) verbunden ist, oder durch einen an dem Vollmaterialansatz des Hohlzylinders (114) vorgesehenen Erreger gebildet sind, dessen Strom durch statische Gleichrichter gleichgerichtet wird.

20. Maschine nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Supraleiterunterbrecher enthält, der mit Steuereinrichtungen verschen ist. welche die Schließung und Kurzschließung der Wicklung (115) des Rotors bei einer gleichbleibenden Drehzahl zu bewirken gestatten.