DE2407704B2 - Mehrphasensynchronmaschine mit einer supraleitenden feldwicklung - Google Patents

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf eine Mehrphasensynchronmaschine mit einer supraleitenden Feldwicklung, die konzentrisch innerhalb einer Hohlwelle an- geordnet ist welche im Innern einen Kryostaten und am Umfang eine Dämpfereinrichtung aufweist.

Es ist bereits eine dynamoelektrische Maschine mit einer Statorwicklung und einer Rotorwicklung bekannt (DT-OS 21 17 192. FR-PS 20 89 515), bei der eine der gerade erwähnten Wicklungen eine supraleitende Gleichstromwicklung ist und bei der die andere Wicklung so ausgebildet ist daß sie Wechselströme führt, die während des Betriebs der Maschine eine Magnetflußverteilung bewirken, welche sich in bezug auf die su- praleitende Wicklung ändert Bei dieser bekannten Maschine ist ferner eine Abschirmung für einen elektromagnetischen Fluß zwischen den beiden Wicklungen vorgesehen und in bezug auf die supraleitende Wicklung derart drehbar befestigt und so ausgebildet, daß sie die supraleitende Wicklung gegenüber der sich ändernden Flußverteilung abschirmt und dadurch Wechselstromverluste in der supraleitenden Wicklung ver hindert andererseits aber das Zusammenwirken des konstanten Flusses der supraleitenden Wicklung mit der anderen Wicklung gestattet. Durch diese Maßnahmen soll bei der betreffenden bekannten Maschine ferner das Auftreten von Wirbelstromverlusten in irgendeinem elektrisch leitenden Material verhindert werden, welches in dem von der Abschirmung geschützten Bereich vorhanden ist wie z. B. in der die supraleitende Wicklung tragenden Anordnung. Es hat sich nun gezeigt daß trotz dieser Abschirmung bei der bekannten Maschine noch relativ hohe Wärmeverluste auftreten können.

Der Erfindung Hegt demgemäß die Aufgabe zugrunde, einen Weg zu zeigen, wie bei einer Mehrphasensynchronmaschine der eingangs genannten Art besonders geringe Wärmeverluste erzielt werden können.

Gelöst wird die vorstehend aufgezeigte Aufgabe bei einer Mehrphasensynchronmaschine der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch, daß auf der Welle eine gleichstromgespeiste und zur Feldwicklung um 90° elektrisch verschobene Hilfswicklung angeordnet und der die Hilfswicklung durchfließende Gleichstrom vom Ankerwirkstrom abhängig ist Hierdurch ergibt sich der Vorteil, daß mit relativ geringem schaltungstechnischen und konstruktiven Aufwand die Wärmeverli'ste in der Mehrphasensynchronmaschine sehr gering gehalten werden können.

Anhand von Zeichnungen wird die Erfindung nachstehend näher erläutert

F i g. 1 zeigt schematisch in einem Längsschnitt eine zweipolige Drehstromsynchronmaschine gemäß der Erfindung.

Fig.2 zeigt eine vergrößerte Schnittansicht längs der in F i g. 1 und 3 eingetragenen Linien 11-11.

Fig.3 zeigt schematisch eine Abwandlung der in F i g. 1 dargestellten Drehstromsynchronmaschine.

F i g. 4 zeigt in einem Schaubild die Lage der Felder in der Drehstromsynchronmaschine gemäß F i g. 3.

Die in F i g. 1 bis 3 dargestellte Mehrphasensynchronmaschine ist ein bespielsweise zweipoliger Wechselstromgenerator. Sie kann ebenso ein Synchronmotor sein. Es kann gegebenenfalls aber auch eine Vollwelle anstatt einer Hohlwelle verwendet werden, und die durch die Wicklungen und die Dämpfereinrichtung gebildete Anordnung kann um die Welle herum angeordnet sein.

Der Wechselstromgenerator besitzt ein festes Gestell 10 (Fig.2), welches eine Ankerwicklung 11 trägt und in welchem die rotierende Anordnung untergebracht ist. Die Ankerwicklung 11 besteht aus einem elektrisch gut leitendem Werkstoff, wie z. B. Kupfer oder Aluminium; sie arbeitet bei den üblichen Temperaturen von Ankerwicklungen bekannter Wechselstromgeneratoren. Das Gestell 10 trägt an seinen Enden Lager 12 und 13 für die Aufnahme bzw. Zentrierung einer umlaufenden Hohlwelle 14. Diese Lager 12, 13 sind so weit von der Ankerwicklung U und den Wicklungen der rotierenden Anordnung entfernt daß der durch diese Lager hindurchtretende Magnetfluß klein bleibt.

Der Rotor weist eine supraleitende Feldwicklung 15 auf. Diese Feldwicklung ist bei der beschriebenen Ausführungsform eine zweipolige Wicklung und wird von einem Gleichstrom durchflossen, der im Beharrungszustand der Maschine konstant ist. Die Feldwicklung 15 ist gemäß der üblichen Technologie der supraleitenden Magnete ausgeführt, so daß ihre Ausbildung hier nicht im einzelnen beschrieben zu werden braucht. Das su-

praleitende Material kann insbesondere ein zusammengesetztes Adern- bzw. Teilleitermaterial sein, bei welchem Teffleiter aus einer Legierung von Niob und Titan in einer Kupfermatrix eingebettet sind und dann einen Kreisquerschnitt oder Rechteckquerschmtt erhaltea Die isolierten Teilleiter sind am Umfang einer zylindrischen Trommel 29 in Nuten untergebracht Diese Trommel 29 kann aus magnetischem oder unmagnetischem Stahl — da die Induktionen sehr hoch sind —, aus einem Isolierstoff oder auch aus einem Metall mit _J0 guter mechanischer Festigkeit und guter Wärmeleitfähigkeit bestehen. Bei Verwendung eines Kunststoffs ist dieser zweckmäßig faserverstärkt oder mit Teilleitern bewehrt Von den verwendbaren Metallen seien insbesondere die Leichtmetallegierungen auf Alumiiüumbasis erwähnt Die Feldwicklung 15 und die sie tragende Trommel 29 sind mit Kühlkanälen für den Umlauf eines" kryogenen Strömungsmittels versehen. Ua 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 durch eines der üblichen Mittel festgelegt werden.

Die Feldwicklung 15 muß zumindest während der Anlaßperiode mit einem Gleichstrom gespeist werden. Diese Speisung kann entweder durch eine mit statischen Gleichrichtern kombinierte angebaute Erregermaschine erfolgen oder von außen. Die zweite Lösung ist beispielsweise in F i g. 1 dargestellt, wobei GleitÄontakte 16 und 17 mit festen Schleifbürsten und Schleifringen gezeigt sind, die von einem Mantel 18 getragen sind, der mit der die Feldwicklung 15 tragenden Trommel 29 verbunden ist Die die Schleifkontakte mit der Feldwicklung 15 verbindenden Leitungen liegen im Innern des Mantels 18; sie müssen natürlich so ausgebildet sein, daß ei.ie Wärmezufuhr zu der Zone niedriger Temperatur möglichst vermieden ist.

Unabhängig von der zur Speisung der Feldwicklung 15 bein Hochfahren der beschriebenen Wechselstrommaschine gewählten Lösung weist die Feldwicklung 15 zweckmäßigerweise einen supraleitenden Schalter auf, der beim Hochfahren geöffnet ist und der im Beharrungszustand die Feldwicklung 15 kurzschließt. Gleichzeitig muß die Speisung von außen unterbrochen werden _4S

Die Feldwicklung 15 ist in einem Kryostaten mit einer Innenwand 19 und einer Außenwand 20 eingeschlossen und ist an der Innenwand 19 des Kryostaten mit Hilfe von Zentrierstücken befestigt, welche bei der dargestellten Ausführungsform den Mante! 18 und Verbindungsstücke 21 umfassen. Die. Außenwand 20 des Kryostaten selbst ist in der Welle zentriert und an dieser durch Teile befestigt, welche einen möglichst großen Wärmewiderstand haben müssen und mit 22 angedeutet sind. Andererseits brauchen diese Teile nur eine sehr begrenzte mechanische Festigkeit zu besitzen.

Zwischen dem Kryostaten und der Hohlwelle 14 ist eine übliche Wärmeisolierung vorgesehen. Die Teile 22 können durch Flansche oder Bauteile in Form eines symmetrischen Umdrehungskörpers aus rostfreiem Stahl mit geringer Wärmeleitfähigkeit gebildet sein. Diese Verbindungen können einen sehr geringen Querschnitt haben, da, wie weiter unten noch ausgeführt wird, die Feldwicklung gegenüber der Welle nur einem dem allgemeinen geringen Drehmoment ausgesetzt ist, welches im Gleichgewichtszustand des Betriebs sogar Null sein kann.

Zur Speisung des Kryostaten mit dem Strömungsmittel ist ein mittlerer Stutzen 23 vorgesehen, welcher in die die Feldwicklung 15 tragende Trommel 29 mündet Durch diesen Stutzen 23 wird das kryogene Strömungsmittel eingespritzt, welches flüssiges Helium oder noch besser hyperkritisches Helium sein kann. Das verdampfte Helium kehrt in den Raum zwischen dem Stutzen 23 und dem Mantel 18 zurück (welcher zweckmäßigerweise mit einer Isolierung versehen ist). Das Helium wird durch eine Leitung 24 abgeleitet welche in eine feste Sammelleitung 25 mündet, die mit der Endfläche des Mantels 18 durch eine Drehdichtung 26 zusammenwirkt

Die Welle 14 trägt eine einen passiven Schirm darstellende Dämpfereinrichtung 27 und eine Hilfwicklung 28 die in radial verlaufenden Nuten 30 untergebracht sind. Bei der dargestellten Ausführungsform Hegen die Dämpfereinrichtung 27 und die Hilfswicklung 28 an der Außenseite der Hohlwelle 14 und zwar derart daß die Hilfswicklung 28 die Dämpferwicklung umgibt Für die Welle 14 wird ein Material mit hoher mechanischer Fe stigkeit gewählt und zwar im allgemeinen magnetischer oder unmagnetischer Stahl.

Die Dämpfereinrichtung 27, die in üblicher Weise ausgebildet ist dient der Abschirmung von Wechselfeldern, um die Supraleitfähigkeit während des Betriebes sicherzustellen. Sie wird im allgemeinen durch eine Kurzschlußwicklung mit einer den Käfigankern von Asynchronmotoren entsprechenden Schaltung gebildet

Die von der Welle 14 getragene Hilfswicklung 28 ist um 90° elektrisch zu der Feldwicklung 15 verschoben, so daß man mit dem kleinsten Strom in der Hilfswicklung 28 und somit mit der geringsten Wärmeentwicklung in dieser Hilfswicklung 28 das Moment welches die Feldwicklung 15 gegenüber der Welle 14 zu drehen versucht zu Null macht oder wenigstens auf einen sehr kleinen Wert bringen kann.

Da der von der Feldwicklung erzeugte Magnetfluß eine stark abnehmende Funktion des radialen Abstands von der Oberfläche der Feldwicklung 15 ist müssen die Hilfswicklung 28 und die Hohlwelle 14 die gerinstmögliche Dicke haben. Da die Hilfswicklung 28 auf einer mit der Verwendung von üblichen elektrischen Isolierstoffen verträglicher Temperatur gehalten werden muß, muß sie mit einem nicht dargestellten Kühlkreis versehen werden. Im allgemeinen wird eine Wasserkühlung benutzt. Es kann jedoch auch eine Kühlung durch ein kryogenes Strömungsmittel mit einer zwischen der Supraleitfähigkeitstemperatur und der Raumtemperatur liegenden Zwischentemperatur verwendet werden. Ferner kann ein Umlauf von flüssigem Stickstoff erfolgen. Bezüglich der Speisung der Hilfswicklung 38 sei noch bemerkt daß der hierfür dienende Gleichstrom — der über zwei von der Welle 14 getragene Schleifringe 41 geleitet wird — eine zur Stärke der Wirkkomponente des von dem Anker 11 des Wechselstromgenerators gelieferten Wechselstroms proportionale Stärke besitzt. Um diese Proportionalität zu erzielen, kann eine einfache wattmetrische Vorrichtung verwendet werden, die den Wert der Wirkkomponente an einen zwischen dem Wechselstromgenerator und den Gleichrichtern angeordneten Spannungsteiler (z. B. an einen Spartransformator) liefert. In allen Fällen beträgt die für die Hilfswicklung 28 aufzuwendende Leistung größenordnungsmäßig ein Tausendstel der Ausgangleistung des Wechselstromgenerators.

Die Ankerwicklung 11 ist z.B. durch einen Zwangswasserumlauf gekühlt. Die Leiter können unterteilt und verschränkt sein, um die Wirbelstromverluste geringzu-

halten.

Gemäß der in F i g. 2 gezeigten Schnittansicht ist die Ankerwicklung 11 in Nuten eines Halters untergebracht,, welcher entweder aus einem faserverstärkten Isolierstoff oder aus einem magnetischen oder unmagnetischen Stahl gebildet sein kann. Im zuletzt genannten Falle ist der Halter in der zur Achse der elektrischen Maschine senkrechten Ebene lamelliert ausgebildet, um Verluste zu vermeiden.

Der in der vorstehend beschriebenen Weise aufgebaute Wechselstromgenerator zeichnet sich durch die Verwendung eines fest mit seiner Antriebswelle verbundenen Feldmagneten aus, wodurch jeder gegenseitige Schlupf vermieden wird. Ferner ist in den Wärmeweg zwischen der Welle und dem supraleitenden Feldmagneten ein Weg mit einem hohen thermischen Widerstand eingeschaltet, wodurch die Leistung der vorzusehenden kryogenen Anlage beträchtlich herabgesetzt wird.

Der in F i g. 3 dargestellte Wechselstromgenerator entspricht weitgehend dem in F i g. 1 dargestellten Wechselstromgenerator. Demgemäß sind in F i g. 3 und 1 vorgesehene, einander entsprechende Bauteile auch mit denselben Bezugszeichen bezeichnet worden. In Abweichung von der in F i g. 1 dargestellten Ausführungsform ist bei der in F i g. 3 dargestellten Ausführungsform die die Feldwicklung 15 tragende Trommel 29 in zwei Lagern 32, 35 gelagert Von diesen Lagern ist das Lager 32 ortsfest, und das Lager 35 ist in einer Ausnehmung der Welle 14 angeordnet Das Lager 32 kann im übrigen auch von der Welle 14 getragen sein. Zwischen dem Kryostaten und der die Feldwicklung 15 tragenden Trommel 29 sind Verbindungsstücke 121 vorgesehen.

Die in Fig.3 dargestellte Ausführungsform des Wechselstromgenerators weist neben den beiden Schleifringen 41 für die Speisung der Hilfswicklung 28 noch einen dritten Schleifring 37 auf, der mit einem Felddetektor 36 verbunden ist, welcher in der Welle 14 untergebracht sein kann.

Während die Feldwicklung 15 des Wechselstromgenerators gemäß F i g. 1 an der Welle 14 befestigt ist, ist die Feldwicklung 15 des Wechselstromgenerators gemäß F i g. 3 wenigstens über einen gewissen Winkel frei drehbar gegenüber der Welle 14 angebracht Aus diesem Grunde ist die die Feldwicklung 15 tragende Trommel 29 in den beiden Lagern 32 und 35 gelagert

In dem Diagramm gemäß F i g. 4 ist die Lage der

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40 durch die einzelnen Ströme erzeugten Felder veran schaulicht. Das durch den in der Ankerwicklung 11 fließenden Strom erzeugte Feld ist mit Hu bezeichnet, unc das in der Feldwicklung 15 erzeugte Feld ist mit Hv. bezeichnet Die Phasen verschiebung ψ zwischen dem Feld H)\ und dem Feld H15 hängt von den Kenngrößen des gespeisten elektrischen Netzes ab; diese Kenngrößen können sich zeitlich ändern.

Das durch die Hilfswicklung 28 erzeugte Feld ist mil Hk bezeichnet; es muß stets der Wirkkomponente H₁ des Feldes Hw - d.h. seiner zu dem Feld //15 senkrechten Komponente — das Gleichgewicht halten Während dies bei dem in F i g. 1 dargestellten Wechselstromgenerator, bei dem die Hilfswicklung 28 zur Feldwicklung 15 um 90° elektrisch verschoben angeordnet ist, dadurch erzielt wird, daß durch die Hilfswicklung 28 ein Strom geleitet wird, der ein Feld Hm Ha erzeugt wird, wird bei dem in F i g. 3 dargestellten Wechselstromgenerator der erwähnte Gleichgewichtszustand dadurch erzielt, daß durch die Hilfswicklung 28 ein Strom zur Erzeugung eines Feldes W28 geleitel wird, welches gegenüber dem Feld Wi 5 der Feldwicklung 15 um einen Winkel θ verschoben ist, der zwischen einem unteren Grenzwert — für welchen der elektrische Verbrauch nicht zu groß wird (z. B. 30°) — und einem oberen Wert - für welchen bei einem StoG kein Außertrittfallen auftritt (z. B. 60°) — liegt. Jede Änderung des die Hilfswicklung 28 durchfließenden Stromes hat unter sonst gleichen Umständen eine Verschiebung des Endes des Feldvektors Hn längs der Geraden δ parallel zur Richtung des Feldes //15 zur Folge.

Um das gewünschte Ergebnis zu erreichen, genügi es, die Hilfswicklung 28 über die Schleifkontakte 41 zu speisen, so daß das Feld H28 nicht aus dem schraffierten Bereich zu dem Feld Hm austritt, wenn Ha am größten ist. Zur Steigerung des Wirkungsgrades wird bei dem in Fig.3 dargestellten Wechselstromgenerator jedoch z. B. mittels des Felddetektors 36 die Verschiebung zwischen dem Feld H\ 5 und dem Feld Hn ermittelt und das dadurch erzeugte Signal einer (nicht dargestellten) Regelschaltung über den bereits erwähnten Schleifkontakt 37 zugeführt. Die betreffende Regelschaltung erhöht dann schrittweise den Strom, wenn das Feld Hn aus den bestimmten (schraffierten) Winkelbereich in Richtung auf Hm austritt; sie verringert den Strom bei Austritt des Feldes ffcs aus dem betreffenden schraffierten Winkelbereich in Richtung zu Hi 5 hin.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Mehrphasensynchronmaschine mit einer supraleitenden Feldwicklung, die konzentrisch innerhalb S einer Hohlwelle angeordnet ist, welche im Innern einen Kryostaten und am Umfang eine Dämpferesinrichtung aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Welle (14) eine gleichstromgespeiste und zur Feldwicklung (15) um 90° elektrisch to verschobene Hilfswicklung (28) angeordnet und der die Hilfswicklung durchfließende Gleichstrom vom Ankerwirkstrom abhängig ist

2. Mehrphasensynchronmaschine nach Anspruch

1. dadurch gekennzeichnet, daß die Hilfswicklung (28) durcb Wasserumlauf auf eine in der Nähe der Raumtemperatur liegende Temperatur oder durch Umlauf einer kryogenen Flüssigkeit auf eine Zwischentemperatur zwischen Raumtemperatur und der Temperatur der Feldwicklung gekühlt ist

3. Mehrphasensynchronmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet daß die Welle (14) mit Nuten versehen ist in welche die Leiter der Hilfswicklung (28) und der Dämpfereinrichtung (27) untergebracht sind.

4. Mehrphasensynchronmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet daß die Feldwicklung (15) und die Welle (14) durch Halter (21) geringer mechanischer Festigkeit und hohem Wärmewiderstand verbunden sind.

5. Mehrphasensynchronmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet daß bei gegenüber der Welle frei drehbarer Feldwicklung der Strom in der Hilfswicklung abhängig von dem Verdrehungswinkel zwischen der Feldwicklung gegenüber der Welle derart geregelt ist daß die Winkelverschiebung einen bestimmten Wert unter 90° elektrisch, insbesondere etwa 60° elektrisch nicht übersteigt

6. Mehrphasensynchronmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch einen supraleitenden Schalter, welcher im Beharrungszustand die Feldwicklung kurzschließt.