DE2407704A1 - Elektrische synchronmaschine mit supraleitendem feldmagneten - Google Patents

Description

Patentanwälte ~*-~-.. ^ Dipl. Ing. F. Weickmann, ^ * * *"* *
Dipl. Ing. H. Weickmann, Dipl. Phys. Dr. K. Fincke 2 A O 7 7 O 4

Dipl Ing. F. A. Weickmann, Dipl. Ghem. B. Huber
8 München 27, MShlstr. 22

AGEKCE HATIOHALE DE VALORISATION DE LA RECHERCHE (ANYAR)' 13, rue Madeleine Michelis, 92200 Neuilly-sur-Seine Frankreich . -

. · 0093-74-B

Elektrische Synchronmaschine mit supraleitendem Feldmagneten.

Die Erfindung betrifft die elektrischen

Synchronmaschinen, und zwar insbesondere,, wenn auch nicht ausschliesslich, die elektrischen Synchronmaschinen zur Lieferung von Leistung, v/elche die an einer sich drehenden Welle empfangene mechanische Leistung in Form von^M./echselspannungen und Wechselströmen in elektrische Leistung umformen sollen.

Es ist bereits vorgeschlagen worden, Supraleiter zur Bildung wenigstens gewisser Wicklungen einer rotierenden elektrischen Maschine zu benutzen. Die Supraleiter sind nämlich dadurch bestechend, dass in ihnen äusserst grosse Ströme mit sehr geringen Verlusten fliessen können, sodass man entsprechend für eine gegebene Leistung ein sehr kleines VoIu-Eian erhalten kann. Andererseits zwingt die Benutzung der Supraleiter zur Bildung einer Wicklung dazu, diese auf einer sehr niedrigen Temperatur zu halten. In dem Pail eines rotierenden Feldmagneten. bildet die unmittelbare Kupplung zwischen dem FeId-

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magneten und der diesen antreibenden Anlage einen thermischen Streuweg, dessen Vorhandensein eine Kälteanlage sehr grosser Leistung erfordert.

Ferner sind elektrische Maschinen ait einem

rotierenden supraleitenden Feldmagneten vorgeschlagen worden, . welche zwischen dem Feldmagneten und einer festen Statorwicklung eine mit einer Wicklung oder einem Kurzschlusskäfig versehene Welle aufweisen, welche in dem Fall eines Wechselstromerzeugers die mechanische Leistung empfängt und in dem Fall eines Motors diese liefert. Diese Maschinen, von denen gewisse in der französischen Patentanmeldung Hr* EN 72 38 967 und ihrer ersten Zusatzanmeldung Nr. EN 73 24 394 beschrieben sind, sind Asynchronmaschinen, wobei das Drehfeld der Welle einen gewissen Schlupf gegenüber dem Feld des Feldmagneten besitzt. In zahlreichen Anwendungen ist nun ein synchroner Betrieb vorzuziehen.

Die Erfindung bezweckt die Lieferung einer

elektrischen Haschine mit supraleitendem Peldmagneten, welche besser als die bekannten rotierenden Haschinen mit einer supraleitenden Wicklung den Erfordernissen der Praxis entspricht, insbesondere dadurch, dass sie sehr geringe Wärmeverluste aufweist, dabei aber synchron ist. ·

Hierfür hat die Erfindung eine rotierende

elektrische Kehrphasensynchronmaschine zum Gegenstand, welche eine supraleitende Feldwicklung auf v/eist,, welche von, einem Gleichstrom durchflossen .v/erden soll und in festen, ein Drehfeld erzeugenden V/icklungen drehbar ist, welche von Mehrphasenwechselströmen durchflossen werden, und dadurch gekennzeichnet ist, dass die Feldwicklung gleichachsig zu einer sich drehenden Welle angeordnet ist, welche eine Hilfswicklung trägt, und dass ein elektrischer Speisekreis vorgesehen ist, welcher dieser Hilfswicklung einen Gleichstrom zur Erzeugung eines Feldes zuführt, wobei dieser Strom in Funktion der Wirkkomponente des Stroms in den festen Wicklungen so bestimmt ist, dass er den Feldmagneten und die Wicklung wenigstens im Mittel im Synchronismus hält. . ·

Gemäss einer ersten Ausführungsform der Erfindung ist der Speisekreis so vorgesehen, dass er ständig in die Hilfswicklung einen zu der Wirkkomponente des Stroms propor-

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tionalen Strom schickt. Der Feldmagnet kann dann mit der Welle fest durch Halter geringer mechanischer Festigkeit!aber mit hohem Yiärmewiderstand verbunden v/erden. Praktisch kann der Speisekreis mit Mitteln versehen v/erden, welche das Drehmoment feststellen, welches den Feldmagneten gegenüber der Welle zu verdrehen sucht, wobei der Speisekreis so gesteuert wird, dass er ständig die Ströme auf einen solchen Wert einstellt, dass dieses lioment praktisch null ist«

Die von der Welle getragene Hilfswicklung

ist zweckmässig in elektrischer Quadratur mit der Feldwicklung gewickelt, sodass das Moment an dem Feldmagneten mit einem geringstenStrom in der Hilfswicklung und somit mit einer geringsten Wärmeentwicklung in dieser Wicklung zu null gemacht werden kann.

Gemäss einer anderen Ausführungsform ist der elektrische Speisekreis mit Mitteln versehen, welche den Strom in der Hilfswicklung auf einen solchen Wert einstellen, dass die Winkelverschiebung zwischen dem Feld der Hilfswicklung und dem Feld des in Bezug auf"die Welle frei drehbaren Feldmagneten nicht einen bestimmten ϊ/ert übersteigt, welcher kleiner als 90° ist und ■ z.B. 60° beträgt.

Auch hier erhält man eine Synchronmaschine,

bei welcher jedoch die WinkelverSchiebung zv/ischen der Achse der Pole des Feldmagneten und dem Hilfsdrehfeld veränderlich ist. Man kann durch die Hilfswicklung für beliebige Betriebsbedingungen einen konstanten Strom schicken, welcher so gewählt ist, ddass er dem Grenzwert entspricht, wenn die Wirkkomponente am grössten ist. Es wird dann aber eine erhebliche Leistung als reine Verlustleistung verbraucht, wenn die Betriebsbedingungen, sehr verschieden sind. Eine bessere Lösung scheint .darin zu bestehen, dass der Phasenverschiebungswinkel ständig festgestellt wird, wobei der Strom, gegebenenfalls schrittweise, verändert wird, wenn die Phasenverschiebung aus einem bestimmten Bereich (z.B. 30° bis 60°) austritt.

' Bei Vergleich mit der Maschine gemäss der ersten Ausführungsform sieht man, dass die Regelung auf diese Weise vereinfacht wird, und dass ein Rückholeffekt durch Schlupf erzielt wird (wodurch die auf die Anordnung v/irkenden Kräfte

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verringert werden) .

In allen Fällen muss die Hilfswicklung in

einer Leistungsmaschine gekühlt werden. Diese Kühlung kann insbesondere durch einen Wasserumlauf erfolgen. Sie kann auch auf einer Zwischentemperatur zwischen der Temperatur des supraleitenden Feldmagneten und der Raumtemperatur gehalten werden. Die Kühlung kann dann z.B. durch einen Umlauf von flüssigem Stickstoff erfolgen.

Die supraleitenden Werkstoffe haben eine

magnetische Hysterese, welche eine mit der Aufrechterhaltung der für die Supraleitfähigkeit erforderlichen niedrigen Temperaturen wenig verträgliche 'färmeentwicklung erzeugt, wenn sie plötzlichen Änderungen des Magnetfeldes ausgesetzt v/erden. Um den Feldmagneten gegen die durch Belastungeänderungen erzeugten schnellen oder periodischen Änderungen des Magnetfeldes des Ankers zu schützen, wird zweckmässig/sich drehender Schirm zwischen dem Feldmagneten und den festen Wicklungen vorgesehen. Ein derartiger, bereits bei bekannten Synchronmaschinen mit supraleitendem Feldmagneten vorgesehener Schirm kann eine Ausbildung haben, welche der der Dämpferwicklungen der üblichen Wechselstromerzeuger sehr ähnlich ist. Ss kann sich insbesondere um eine Kurzschlusswicklung handeln, welche im Beharrungszustand keiner Flussänderung ausgesetzt ist und daher keinen Strom führt. Es kann sich auch um einen Käfig bildende Leiterstäbe handeln. Die Leiter des Schirms können in ITuten eingelegt werden, welche auch die Leiter der Hilfswicklung aufnehmen.

Die Erfindung ist nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnung beispielshalber erläutert.

Fig. 1 ist eine schematische Ansicht der

durch einen zweipoligen Drehstromsynchronwelchselstromerzeuger gebildeten Vorrichtung im Schnitt durch eine durch die Achse gehende Ebene.

Fig. 2 ist ein Schnitt längs der Linie II-II der Fig. 1 in grösserea Haßstab, welcher zusätzliche Einzelheiten zeigt.

Fig. 3 ist eine schematische Ansicht einer

wiederum durch einen zweipoligen Drehstromsynchronwechselstromeraeuger gebildeten Ausführungsabwandlung im Schnitt durch eine

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durch die Achse gehende Ebene.

Pig. 4 ist ein Schnitt längs der Linie

IY-IV der Pig. 3 in grösserem Maßstab, welcher zusätzliche Einzelheiten zeigt.

Pig. 5 ist ein erläuterndes Schaubild' der gegenseitigen Lage der PeIder in der Maschine der Pig. 3.

Zur Vereinfachung ist angenommen, dass die

in Pig. 1 und 2 bzv/. 3 und 4 dargestellten rotierenden Maschinen zweipolige Drehstromwechselstromerzeuger sind. Die Stator— wicklung wird daher mit "Anker" bezeichnet. Die Erfindung ist jedoch auch auf den Pail eines Betriebes als Synchronmotor anwendbar. Perner kann die Phasenzahl von drei verschieden sein, und es können mehrere Polpaare vorhanden sein. Der in Pig. 1 und 2 dargestellte Wechselstromerzeuger besitzt eine rotierende Anordnung von allgemein Zylinderform, in welcher gleichachsig un- · ter Ausgang von der Achse der Maschine der in einem Kryostaten befindliche Feldmagnet, die die Antriebsleistung empfangende Welle, ein passiver Schirm und eine Hilfswicklung angeordnet sind. Es kann jedoch auch eine andere Anordnung gewählt werden, indem z.B. unter Ausgang von der Achse der Feldmagnet, die Hilfswicklung und der Schirm -vorgesehen werden.Man kann auch, obwohl diese Lösung weniger befriedigend zu sein scheint, eine volle Welle anstatt einer hohlen Welle benutzen, .· ' - . und die durch die Wicklungen und den passiven Schirm gebildete Anordnung um die Welle herum anordnen.

Die in Pig. 1 dargestellte, einen Synehron-

v/echselstromerzeuger bildende Maschine besitzt einen allgemeinen Aufbau, welcher dem der Maschine der am 3· November 1972 von· der Anmelderin eingereichten französischen Patentschrift . · ITr. 72 38 967» auf welche man zurückgreifen kann, ähnlich ist.

Der Weehselstromerzeuger besitzt ein festes

Gestell 10 (Pig. 2), welches eine Statorwicklung 11 trägt, und in welchem die rotierende Anordnung angeordnet ist. Die Statorwicklung ist z.B. mit einem Hetz zur Aufnahme elektrischer Energie verbunden. Sie besteht aus einem die Elektrizität gut leitenden Werkstoff, z.B. Kupfer oder Aluminium, und arbeitet bei den üblichen Temperaturen der Ankerwicklungen der bekannten Wechselstromer seuger.Während des Betriebes erzeugt die Drehung des

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Feldnagneten und die der Hilfswicklung der rotierenden Anordnung, welche weiter unten beschrieben ist, in dem Anker 11 elektromotorische Kräfte.

Das Gestell' 10 trägt an seinen Enden Lager

12 und 13 zur Zentrierung einer rotierenden hohlen Welle 14* DjLese lager sind soweit von dem Anker und den Wicklungen der rotierenden Anordnung entfernt, dass der'durch sie tretende Magnetfluss klein bleibt.

Die rotierende Anordnung besitzt eine supraleitende Feldwicklung 15« Diese bei der beschriebenen Ausführungsforia zweipolige Wicklung wird von einem Gleichstrom zur Erregung der Maschine durchflossen, welcher im Beharrungssustand konstant ist. Diese Feldwicklung 15 ist geciäss der üblichen Technologie der supraleitenden Magnete ausgeführt, sodass ihre Ausbildung hier nicht im einzelnen beschrieben zu v/erden braucht. Das supraleitende Material kann insbesondere ein zusammengesetztes Fasermaterial sein., bei welchem Slementarfasern aus einer Legierung von Niobium und Titan in eine Kupfermatrize eingebettet und auf die Fora von. Drähten mit Kreisquerschnitt oder EediiBckquerschnitt gebracht sind. Die verschiedenen, auf geeignete Weise isolierten Elemantarleiter sind in genügender Zahl zur Sicherstellung einer zu einem zweipoligen Feld führenden Gesamtstromverteilung z.B. in am Umfang einer zylindrischen Trommel 29 ausgebildeten Nuten angeordnet. Diese Trommel 29 (Fig. 2) kann aus magnetischem oder ünmagnetischem Stahl, da die Induktionen sehr hoch sind, aus einem Isolierstoff oder auch aus einem Metall mit guter mechanischer Festigkeit und guter wärmeleitfähigkeit bestehen. Bei Benutzung eines Kunststoffs ist dieser sweckraässig mit Fasern bewehrt. Von. den benutzbaren metallischen Erzeugnissen können insbesondere die Leichtlegierungen auf AlUFiiniumbasis angeführt werden. Die Feldwicklung 15 und die sie tragende Trommel sind mit Kühlkanälen für den Umlauf des kryogenen Strömungsmittels versehen. Da die Feldwicklung 15 im Betrieb den von ihrem Eigenfeld herrührenden magnetischen Beanspruchungen und den von der Fliehkraft herrührenden mechanischen Beanspruchungen ausgesetzt ist, muss sie an der Trommel 29 festgelegt v/erden. Dies kann durch Benutzung von Nutenkeilen aus einem Material mit guter mechanischer Festigkeit, oder

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von metallischen Bandagen, oder auch durch eine Tränkung mit einem Vv'ärmehärtenden Harz erreicht werden. Die obigen Verfahren können natürlich auch in Kombination benutzt werden.

Die Feldwicklung 15 muss mit Gleichstrom gespeist werden, wenigstens während der Iniassperiode. Diese Speisung kann entweder durch eine mit statischen Gleichrichtern kombinierte angebaute Erregermaschine erfolgen, oder von aussen. Diese zweite lösung ist beispielshalber in Fig. 1 dargestellt, welche Gleitkontakte 16 und 17 mit festen Schleifbürsten und Schleifringen zeigt, wobei die Schleifringe von einem Mantel getragen werden, welcher an die die Feldwicklung tragende Trommel angeschlossen ist. Die die Schleifkontakte mit der Feldwicklung verbindenden Leiter liegen im Innern des Mantels. Sie · müssen natürlich so ausgebildet sein, dass die Wärmezufuhr zu der Zone niedriger Temperatur möglichst vermieden "wird.

Unabhängig von der zur Speisung der Feldwicklung beim Hochfahren gewählten Lösung weist diese Wicklung zweckmässig einen supraleitenden Schalter auf, welcher beim Hochfahren geöffnet ist und sich im Beharrungszustand schliesst, sodass er die Feldwicklung auf sich selbst schliesst und 6Len für den Betrieb erforderlichen Fluss einfängt. Gleichzeitig kann die Speisung unterbrochen werden.

Die Feldwicklung is.t in einen Kryostat mit

einer Innenwand 19 und einer Aussenwand 20 eingeschlossen. Die Feldwicklung ist an der Aussenwand 20 des Kryostats mit !Hilfe von Zentrierstücken befestigt. Diese Stücke umfassen bei der dargestellten Ausführungsform den Hantel 18 und Verbindungsstücke 21 . Die Aussenwand 20 des Kryostats selbst ist in der ¥elle zentriert und an dieser durch Teile befestigt, welche einen möglichst grossen Wärmewiderstand haben müssen und bei 22 angedeutet sind. Dagegen brauchen diese Teile nur eine sehr begrenzte mechanische Festigkeit zu haben.

Zv/ischen dem Kryostat und der Welle 14 ist

eine Wärmeisolierung vorgesehen, welche in" der üblichen Weise durch.einen doppelwandigen Yakuummantel, oder durch ein übliches Material zur Superisolierung gebildet v/erden kann. Man kann auch, entweder getrennt oder in Verbindung mit den obigen Vorrichtungenj einen auf einer Zwipchentemperatur gehaltenen

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Schirm benutzen, welcher z.B. von flüssigen Stickstoff von 77° K durchströmt wird. Die Teile 22 können durch Flansche oder Bauteile in Form eines symmetrischen Umdrehungskörpers aus rostfreiem Stahl mit geringer Wärmeleitfähigkeit gebildet v/erden. Diese Verbindungen können einen sehr geringen Querschnitt haben, da, wie weiter unten ausgeführt, der Feldmagnet gegenüber der Welle nur einem im allgemeinen geringen Drehmoment ausgesetzt ist, welches sogar im Gleichgewichtsbetriebszustand null sein kann.

Der Kryostat selbst muss mit Mitteln zur

Speisung mit dem Strömungsmittel zur Aufrechterhaltung der kryogenen Temperaturen versehen sein. Bei der schematisch dargestellten Ausführungsform umfassen diese Mittel einen mittleren Stutzen 23, welcher in die die Feldwicklung 15 tragende Trommel mündet. Durch diesen Stutzen wird das kryogene Stromungsmittel eingespritzt, welches flüssiges Helium oder noch besser hyperkritisches Helium sein kann. Das verdampfte Helium kehrt in den Eaum zwischen dem Stutzen 23 und dem Mantel 18 (welcher swecknässig mit einer Isolierung versehen ist) zurück. Das Helium wird durch eine Leitung-24 abgeführt, welche in eine feste Sammelleitung 25 mündet, welche mit der Endfläche des Mantels 18 durch eine Drelidichtung 26 zusammenwirkt.

Die Welle 14 trägt einen passiven Schirm 27

und eine Hilfswicklung 28. Bei der dargestellten Ausiührungsform liegen diese beiden Teile ausserhalb der Welle, und zwar die Hilfswicklung auf der Aussenseite. Für die Welle wird ein Material mit hoher mechanischer Festigkeit gewählt, im allgemeinen magnetischer oder unmagnetischer Stahl. Sie kann mit nach aussen offenen radialen !Tuten 30 zur Unterbringung der den Schirm 27 und die Hilfswicklung 28 bildenden Wicklungen versehen sein.

Der Schirm 27 kann die Ausbildung haben, welche gewöhnlich an Wechselstromerzeugern mit supraleitenden Feldwicklungen benutzt wird, um das supraleitende Material gegen die durch die Störungen an dem Anker erzeugten veränderlichen Störmagnetfelder zu schützen. Dieser Schirm wird im allgemeinen durch eine Kurzschlusswicklung nit einer den Xäfigankem der Asynchronmotoren entsprechenden Schaltung gebildet.

Tlei der in i^?ig. 2 dargestellten Ausfülirungs-

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form ist diese Wicklung in Hüten 30 der Welle 14 untergebracht, welche auch die die Hilfswicklung bildenden Wicklungen aufnehmen. Zur Vereinfachung sind in Pig.. 2 nur einige Hüten dargestellt.

Die Welle trägt noch die Hilfswicklung 28.

Diese Wicklung wird zweckinässig durch eine Wicklung gebildet, ■welche in elektrischer Quadratur mit der Feldwicklung steht, sodass man mit einem kleinsten Strom in der Hilfswicklung und somit mit einer kleinsten Wärmeentwicklung in dieser Wicklung das Homent, welches die Feldwicklung 15 gegenüber der Welle 14 zu verdrehen sucht, zu null machen oder wenigstens auf einen sehr kleinen Wert bringen kann.

Die zweipolige Hilfswicklung 18 kann gemäss den üblichen Techniken zur Bewicklung der Rotoren von Turbowechselstromerzeugern hergestellt werden. Da der von dem FeIdmagneten erzeugte Magnetfluss eine stark abnehmende Funktion des radialen Abstands von der Oberfläche des Feldmagneten 15 ist, müssen die Hilfswicklung 28 und die Welle die kleinstmögliche Dicke haben, welche mit' der geforderten mechanischen Festigkeit und mit dem Fliessen der erforderlichen Stromstärke in der Wicklung verträglich ist. Da die Wicklung auf einer mit der Verwendung von· üblichen elektrischen Isolierstoffen verträglichen Temperatur gehalten werden nuss, muss sie mit einem nicht dargestellten Kühlkreis versehen v/erden. Im allgemeinen wird eine Wasserkühlung benutzt. Es kann jedoch auch eine Kühlung durch ein kryogenes Strömungsmittel mit einer Zwischentemperatur zwirschen der Temperatur der Supraleitfähigkeit und der Raumtemperatur verwendet v/erden. Ferner kann ein Umlauf von flüssigem Stickstoff benutzt werden.

Die Hilfswicklung 28 muss mit einem Gleichstrom gespeist werden, dessen Stärke zu der Stärke der Wirkkomponente des von dem Anker 11 des Wechselstromerzeugers gelieferten Wechselstroms proportional ist. Praktisch sind zwei lösungen möglich.

Sine erste Lösung, v/elche bei'der in Fig.

dargestellten Ausführungsform gewählt ist, besteht darin, einen ausserhalb der Haschine liegenden (nicht dargestellten) Gleichstromgenerator und eine Stromzufuhr durch Gleitkontakt zu benutzen. Fig. 1 zeigt s'chematisch durch Schleifringe und Bürsten

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gebildete Gleitkontakte 41 ₅' wobei die Stromzuführung au den Bürsten und die Stromabfuhr von den Schleifringen zu der Wicklung 28 nicht dargestellt sind. Der Strom kann auch durch flüssiges: Metall aufgefangen v/erden, im allgemeinen Natrium oder Quecksilber. Der Generator selbst v/ird zweckmässig durch statische Gleichrichter gebildet.

Eine andere Lösung besteht darin, an dem

'Zeilenende eine Erregermaschine anzubringen, welche von der !felle in Umdrehung versetzte statische Gleichrichter speist.

In beiden fällen muss der Speisestrom der

Hilfswicklung 28 durch die Wirkkomponente des von aem Anker 11 des Weehselstromerzeugers gelieferten Stroms gesteuert werden. Diese Steuerung kann äusserst einfach sein.und durch eine einfache wattmetrische Vorrichtung gebildet werden, welche den Wert der Wirkkomponente einem zwischen dem Spannungserzeuger und den Gleichrichtern angeordneten Spannungsteiler (z,B. einem Spartransformator) liefert. Eine weiter durchgebildete Lösung, welche gestattet, die mechanischen Stösse bei 'Ausgleichsvorgängen noch stärker zu mildern, besteht darin, eine mit Ableltimgs- und Iiitegrierschaltungen versehene Steuerschaltung zn benutzen.

In allen Fällen beträgt die für die Hilfswicklung vorzusehende Leistung grossenordnungsmassig ein Tausendstel der Ausgangsleistung des Wechselstromerzeugers.

Der Anker 11 v/ird durch eine zweipolige verteilte Drehstromwicklung gebildet, welche in der üblichen Weise aus einem die Elektrizität gut leitenden Material (Kupfer oder Aluminium) hergestellt und kräftig gekühlt ist, s.B. durch einen erzwungenen Viasserumlauf. Die Leiter können, unterteilt und verschränkt sein, um die Wirbelstromverluste klein zu halten.

Bei der in Pig. 2 dargestellten Äusführungs-

forra ist die Ankerwicklung 11 in den Hüten eines Halters angeordnet, welcher entweder ein durch Fasern verstärkter Isolierstoff oder ein magnetischer oder unmagnetischer Stahl sein kann. In dem letzteren Fall ist der Halter in zu der Achse der Maschine senkrechten Ebenen, geblättert, um Verluste zu vermeiden. Die Verteilung und die Isolierung der Leiter in den ITuten sind nicht näher beschrieben, da es sich um eine bekannte Technologie handelt, welche bereits bei der Herstellung der Anker von üblichen

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Wechselstromerzeugern oder mit einer supraleitenden Feldwicklung benutzt wird.

Der so verwirklichte Wechselstromerzeuger

besitzt gleichzeitig den Vorteil, einen fest mit seiner Antriebswelle verbundenen Feldmagneten zu haben, wodurch jeder gegen- · seitige Schlupf vermieden wird, und in den Wärmeweg zwischen der Welle und dem supraleitenden Feldmagneten einen Weg mit einem hohen thermischen Widerstand einzuschalten, wodurch die Leistung der vorzusehenden kryogenen Anlage beträchtlich begrenzt v/ird.

Der in Fig. 3 und 4 dargestellte Wechselstromerzeuger hat einen allgemeinen Aufbau, welcher dem unter Bezugnahme auf Fig. 1 und 2 beschriebenen ähnlich ist, weshalb er nur summarisch beschrieben ist. Der Wechselstromerzeuger besitzt einen in einem Kryostaten enthaltenen Feldmagneten, um diesen herum die die Antriebsleistung empfangende und eine Hilfswicklung tragende Welle, und schliesslich das feste Gestell 110, welches die dreiphasige Stat,orwicklung oder Anker 111 tragt. An seinen Enden trägt das Gestell Lager 112 und 113 zur Zentrierung der rotierenden Hohlwelle 114, welche von dem Anker und den rotierenden" Wicklungen entfernt sind, damit der durch sie tretende Magnetfluss klein bleibt.

Die supraleitende Feldwicklung 115, welche

bei der beschriebenen Ausführungsforci zweipolig ist, wird von dein Erregergleichstrom der Maschine durchflossen, v/elcher im Beharrungszustand konstant ist. Diese Feldwicklung 115 ist gegÖss der üblichen Technologie der supraleitenden Magnete aus-, geführt. Sie ist in an dem Umfang einer zylindrischen Tromrael 129 ausgebildeten !Tuten untergebracht. "Die Trommel 129 (Fig. 4) kann aus Stahl, einem Isolierstoff oder auch einem Ketall mit einer guten mechanischen Festigkeit und einem guten Wärmeleitvermögen sein.

Die Feldwicklung 115 v/ird mit Gleichstrom,

wenigstens während der Anlassperiode, entweder durch eine angebaute Erregermaschine oder von aussen mit Hilfe von Schleifkontakten 116 und 117 gespeist, welche feste Bürsten und von einem an die die Feldwicklung tragende Trommel angeschlossenen Mantel 118 getragene Schleifringe umfassen.

Die Feldwicklung ist wiederum in einen Ilryostaten eingeschlossen, welcher eine Innenwand 119 und eine

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Aussenwand 120 aufweist, v/elche den leitenden Dampferschirin zum Schlitz des Feldciagneten bilden oder tragen kann.

Die Feldwicklung ist an der Aussenwand durch den Mantel 118. und Verbindungsstücke 121 befestigt.

Der Kryostat ist mit Mitteln zur Speisung

mit dem Strömungsmittel sur Aufrechterhaltung der kryogenen Temperaturen versehen, welche einen zentralen Stutzen 123 umfassen, durch welchen das kryogene Strömungsmittel eingespritzt wird. Das verdampfte Helium kehrt in den Raum zwischen dem Stutzen 123 und- dem Mantel 118 zurück (welch letzterer zweckmässig mit einer Isolierung versehen ist). Das Helium wird durch eine in eine feste Sammelleitung 125 mündende Leitung 124 abgeführt .

Die Welle 114, welche aus einem Material

mit hoher mechanischer Festigkeit, im allgemeinen magnetischer oder unmagnetischer Stahl, besteht, trägt eine Hilfswicklung 128 und eine nicht dargestellte Dämpferwieklung.

Während -· der Feldmagnet des Viechseistromerzeugers gemäss Mg. 1 und 2 in einer festen Winkelstellung gegenüber der Welle 116 gehalten wurde_;(im allgemeinen in elektrischer Quadratur), ist der Feldmagnet gemäss Fig. 3 und 4 wenigstens über einen gewissen Winkel frei drehbar gegenüber der Welle. Hierfür ist der Feldmagnet in zwei Lagern 132 und 135 gelagert, von denen das eine ortsfest und das andere in einer Ausnehmung der Welle 114 angeordnet ist. Das erste Lager kann übrigens von der Welle getragen werden.

Das Verständnis der Erfindung wird durch

das elektrische Schema der Fig. 5 erleichtert. In diesem Schema sind das von den Strömen in der festen Wicklung 111 erzeugte Drehfeld IL..... und das von dem rotierenden Feldmagneten gelieferte Feld H₁₁,- angegeben. Die Phasenverschiebung φ zwischen, H₁₁₁ und H₁₁ j- hängt von den Kenngrössen des gespeisten ITetzes ab, welche sich zeitlich ändern können.

- Das von der Hilfswicklung 128 gelieferte Drehfeld .H₁Pq nuss jederzeit der Wirkkomponente Ha von H₁₁₁, d.h. seiner zu H₁₁₅ senkrechten Komponente, das Gleichgewicht halten.

In dem Fall der Fig. 1 und 2 wird dieses Er-

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gebnis mittels einer zu der Feldwicklung in Quadratur befindlichen Hilfswicklung erhalten, indem man durch diese einen Strom schickt, v/elcher ein Feld Hm = - Ha erzeugt.

In Fig. 3 und 4 lässt man dagegen die Hilfswicklung ihre Gleichgewichtsstellung einnehmen, indem man in sie einen solchen Strom H₁₂O schickt, dass das Gleichgewicht für einen Winkel O erreicht v/ird, welcher zwischen einem unteren Grenzwert, für welchen der elektrische Verbrauch nicht zu gross wird (z.B. 30°) und einem oberen Grenzwert, für welchen bei einem Stoss kein Aussertrittfallen auftritt (z.B. 60°). liegt. Jede Änderung des Stroms in der Wicklung 128 hat unter sonst gleichen Umständen eine Verschiebung des Endes des Vektors EUpo längs δ parallel zu L.r zur Folge.

Um das gewünschte Ergebnis zu erreichen,

genügt es, die Hilfswicklung 128 über Schleifkontakte 134 so zu speisen, dass H.^o nicht aus dem schraffierten Bereich zu Hm austritt, wenn Ha am grössten ist. Da diese lösung für den Wirkungsgrad schädlich ist, wird besser ständig, z.B, mittels eines Felddetektors 136, die Verschiebung zwischen 115.und 128 festgestellt, und das Signal einer (nicht dargestellten) Regelschaltung durch einen dritten Schleifkontakt 137 zugeführt. Die Schaltung vergrössert den Strom schrittweise, wenn Lpo aus dem bestimmten (schraffierten) Winkelbereich in Richtung auf Hm austritt, und Terringert ihn bei einem Austritt in Richtung auf

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Claims (1)

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   PATEITTAITSPRTOHB - -

   ..Θ

   chronmasehine ait einer supraleitenden Feldwicklung, welche von einem' Gleichstrom durchflossen wird und- in festen Wicklungen zur Erzeugung eines Drehfeldes, welche von Kehrphasenwechsel- ^; strömen durchflossen v/erden, drehbar gelagert ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Feldwicklung (15 b zw. 115) gleichachsig zu einer eine Hilfswicklung (28 bzw. 128) tragenden rotierenden Welle (H bzw· 114) angeordnet ist, und dass ein elektrischer Speisekreis in diese Hilfswicklung einen Gleichstrom zur Erzeugung eines Feldes schickt, welcher in Funktion der Wirkkomponente des Stroms in den festen Wicklungen (11 bzw. 111) so bestimmt ist, dass die Feldwicklung und die Hilfswicklung wenigstens im Kittel im Synchronismus gehalten werden.

   2.) Haschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (H bzw. 1H) hohl ist und einen Kryostaten enthält, in welchem die Feldwicklung (15 bzw. 115) angeordnet ist.

   3.) Elektrische Maschine nach Anspruch 1

   oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Hilfswicklung (28 bzw. 128) durch Wasserumlauf auf eine in der ITähe der Raumtemperatur liegende Temperatur, oder durch Umlauf einer kryogenen Flüssigkeit auf eine Zwischentemperatur zwischen der Raumtemperatur und der Temperatur der Feldwicklung gekühlt -wird.

   4.) Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch einen elektrischen Schutz- und Dämpferschirm (27), v/elcher von der Welle (H) zwischen der Feldwicklung und den festen Wicklungen getragen wird.

   5·) Elektrische Maschine nach Anspruch 4,

   dadurch gekennzeichnet, dass in radialer Richtung bei Ausgang von der Achse die Feldwicklung, der Schirm, die Hilfswicklung und die festen Wicklungen aufeinander folgen.

   ■ 6.) Elektrische Haschine nach Anspruch 4 oder 5« dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (H bzw.· 114) mit radialen Buten versehen ist, in welchen die Leiter der Hilfswicklung und des Schirms untergebracht sind.

   7·) Elektrische Maschine nach Anspruch 4 409838/0273

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   oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Schirm (27) durch eine Wicklung oder durch Kurzschlußstäbe gebildet wird.- -

   8.) Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Feldwicklung (15) mit der Welle (H) durch Halter (28) nit geringer mechanischer Festigkeit und hohem Wärmewiderstand verbunden ist.

   9.) Elektrische Maschine nach Anspruch 8,

   dadurch gekennzeichnet, dass der Kreis zur elektrischen Speisung der Hilfswicklung mit Mitteln versehen ist, \*elche das Moment feststellen, welches die Feldwicklung gegenüber der Welle zu verdrehen sucht, wobei dieser Kreis so geregelt v/ird, dass er die Ströme ständig auf einen solchen Viert einstellt, dass dieses Moment praktisch zu null gemacht wird.

   10.) Elektrische Maschine nach einem der

   Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Kreis zur Speisung der Hilfswicklung (128) mit Regelmitteln versehen ist, welche den Strom in der Hilfswicklung auf einen solchen Wert einstellen, dass die WinkelverSchiebung zwischen dem Feld der Hilfswicklung (128) und dem Feld der gegenüber der Welle frei drehbaren Feldwicklung (115) nicht einen bestimmten, unter 90° liegenden Viert übersteigt.

   11.) Rotierende Maschine nach Anspruch 10,

   dadurch gekennzeichnet, dass dieser bestimmte Wert grössenordnungsmässig 60 beträgt.

   12.) Rotierende Maschine nach Anspruch 10

   oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelmittel den Strom in der Hilfswicklung verändern, wenn die genannte Verschiebung aus einem bestimmten Bereich austritt.

   13.) Rotierende Maschine nach Anspruch 12,

   - dadurch gekennzeichnet, dass die Regelmittel ein z.B. durch einen Felddetektor (136) gebildetes Organ zur Feststellung der Verschiebung aufweisen.

   14.) Elektrische Maschine nach einem d.er Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Feldwicklung wenigstens während des Anlassens durch einen ausserhalb der Ma- ' scliine angeordneten, mit Schleifkontakten versehenen Gleichstromerzeuger oder durch eine angebaute Erregermaschine, deren Strom durch statische Gleichrichter gleichgerichtet wird, ge-

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   speist v/ird".

   15.) Elektrische Maschine nach· Anspruch 14,

   gekennzeichnet durch einen supraleitenden Schalter mit Steuermitteln, welche ihn im Beharrungszustand schliessen und die Feldwicklung auf sich selbst kurzschliessen.

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