DE2418260A1

DE2418260A1 - Rotor mit tiefgekuehlter erregerwicklung

Info

Publication number: DE2418260A1
Application number: DE2418260A
Authority: DE
Inventors: Lutz Dr Techn Intichar; Dieter Dipl Ing Kullmann
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1974-04-16
Filing date: 1974-04-16
Publication date: 1975-10-23
Also published as: CH581399A5; CA1028384A; GB1493979A; JPS50139306A; IT1037298B; US4063122A; SE7504327L; FR2268378A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Rotor einer elektrischen Maschine, insbesondere einer Synchronmaschine, mit einer tiefgekühlten Erregerwicklung.

Die Verwendung von supraleitenden Wicklungen in elektrischen Maschinen ermöglicht eine wesentliche Erhöhung der Induktion im Luftspalt zwischen einem rotierenden Maschinenteil, Läufer oder Rotor genannt, und einem feststehenden Maschinenteil, dem Stator oder Ständer. Ferner erhält man mit Supraleitern höhere Stromdichten, und Wicklungsverluste werden praktisch ausgeschlossen. Deshalb liegt das Verhältnis von Leistung zu Volumen und Gewicht bei derartigen Maschinen mit supraleitenden Erregerwicklungen wesentlich über dem einer Maschine üblicher Bauart.

Aus der Zeitschrift »Proceedings IEEE", Vol. 61 (1973), Seiten 112 bis 115, ist ein Turbogenerator bekannt, der einen ruhenden Außenanker und eine umlaufende supraleitende Erregerwicklung besitzt. Da die Erregerwicklung auf sehr tiefer Temperatur gehalten werden muß, ist eine gute thermische Isolation des Rotors vorgesehen, die mit Hilfe eines Hochvakuums erreicht wird. Die Außenwand der hierzu erforderlichen feststehenden Vakuumröhre trägt eine Ständerwicklung. Den Kern des Rotors bildet eine Röhre aus austenitischem Stahl, auf der die supraleitenden Wicklungen angeordnet sind. Die einzelnen Lagen dieser Wicklungen werden zur Sicherung gegen zentrifugale und magnetische Kräfte mit Glasfaser- und Kunststoffbändern zusammengehalten. Das so gebildete Wickelpaket ist ferner von einer vakuumdichten Stahlröhre umschlossen.

Aufgrund der unterschiedlichen thermischen Kontraktionen der für den Rotor und seine Wicklungen verwendeten Materialien

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kann nach einem Abkühlungsvorgang eine Verschiebung oder Verformung einzelner Leiter der Wicklungen nicht ausgeschlossen werden. Solche Leiterbewegungen sind bekanntlich mit der Erzeugung mechanischer Reibungs- und Verformungswärme sowie mit örtlichen Flußänderungen verbunden, die in der Erregerwicklung mindestens zu einem teilweisen Normalleitendwerden der wicklung führen können.

Aus der US-Patentschrift 3 679 920 ist ferner ein Generator mit supraleitender Erregerwicklung bekannt, bei dem der Rotor aus einem Trägerzylinder aus nichtmagnetischem Material wie beispielsweise Stahl besteht. Die einzelnen Leiter der Wicklung sind entweder in Schlitzen angeordnet, die in der Außenfläche des Trägerzylinders eingeschnitten sind (Figur 2), oder sie sind an der Innenseite des Trägerzylinders mittels eines aushärtbaren Kunststoffes angebracht (Figur 5). Derartige Wicklungen an der Innenseite des Trägerzylinders sind jedoch schwierig herzustellen. Darüber hinaus lassen sie sich schlecht kühlen, und es besteht somit die Gefahr, daß im Fall eines Normalleitendwerdens eines Wicklungsteils die entstehende Wärme nicht schnell genug abgeführt werden kann und somit die gesamte Wicklung normalleitend wird.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, den Rotor einer solchen elektrischen Maschine zu verbessern. Insbesondere soll seine Erregerwicklung einfacher herzustellen sein. Darüber hinaus soll nach einer Abkühlung weder eine Verschiebung noch eine Verformung der Leiter dieser Wicklung während des Betriebs der Maschine auftreten können.

Diese Aufgabe wird für einen Rotor einer elektrischen Maschine, insbesondere einer Synchronmaschine, der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß er einen konzentrischen, hohlzylinderförmigen Trägerkörper enthält, der auf seiner Innenseite mit Innennuten versehen ist, die zur Aufnahme der Leiter der Erregerwicklung dienen.

Die Vorteile dieser Ausbildung eines Rotors- bestehen insbe-

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sondere darin, daß die Leiter in einfacher Weise in den Nuten angeordnet werden können. Mit den einzelnen Leitern, die sehr lang sein können und somit wenige Lötstellen aufzuweisen brauchen, können dabei einfach montierbare Wicklungen, deren Wicklungsdichte ferner noch variiert werden kann, hergestellt werden. Darüber hinaus drücken die auf die Leiter einwirkenden radialen Kräfte diese fester in die Nuten und erschweren somit ihre Bewegung.

Nach einer weiteren Ausbildung des Rotors nach der Erfindung sind die Innennuten des Trägerkörpers in regelmäßigen Abständen auf der Innenseite des Trägerkörpers angeordnet und haben einen zumindest etwa rechteckigen Querschnitt. Die auf die Leiter einwirkenden Momente werden dann auf zahnartige Zwischenkörper übertragen, die zwischen den Nuten angeordnet sind und Teile des momentübertragenden Wickelkörpers darstellen. Man erhält somit eine gleichmäßige Ausnutzung der Materialfestigkeit des hohlzylinderformigen Trägerkörpers.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung und deren in den Unteransprüchen gekennzeichneten Weiterbildungen wird auf die Zeichnung Bezug genommen. In ihr ist in Figur 1 schematisch ein Längsschnitt durch einen Rotor gemäß der Erfindung teilweise veranschaulicht, während in Figur 2 ein senkrechter Querschnitt durch diesen Rotor dargestellt ist.

Der in Figur 1 veranschaulichte Rotor einer elektrischen Maschine, beispielsweise eines Synchrongenerators, ist um eine in der Figur angedeutete Rotationsachse 2 drehbar gelagert. Er enthält einen Innenzylinder 3 mit ringförmigem Querschnitt, der beispielsweise aus einem nichtmagnetischen Material wie austenitischem Stahl oder Titan besteht. Dieser Innenzylinder 3 ist von einem konzentrischen, hohlzylinderformigen Trägerkörper 5 konzentrisch umschlossen. Dieser Trägerkörper ^, der ebenfalls aus einem nichtmagnetischen Material wie beispielsweise dem Material des Innenzylinders 3 besteht, dient als Träger für eine Erregerwicklung. Dieser Trägerkörper 5, ist hierzu auf seiner Innenseite mit Innennuten versehen, die in

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Fig. 2 näher veranschaulicht sind. In diesen Nuten sind die Leiter der Erregerwicklung untergebracht. Durch zwei dieser Nuten ist in der Figur der Längsschnitt gelegt, und die in ihnen angeordneten Leiter sind mit 26 bezeichnet. Die Wicklungsleiter enthalten vorzugsweise supraleitendes Material. Um diesen hohlzylinderformigen Trägerkörper 5 mit der Wicklung ist ein weiterer, nichtmagnetischer Hohlzylinder form- und kraftschlüssig angebracht. Dieser Außenzylinder 6 besteht vorzugsweise aus dem gleichen Material wie der hohlzylinderförmige Trägerkörper 5, und der Innenzylinder 3.

Als seitliche Abschlüsse des Rotors sind zwei im wesentlichen scheibenförmige Seitenteile 8 und 9 vorgesehen, die jeweils mit den über die Stirnseiten 11 und 12 des hohlzylinderformigen Trägerkörpers 5, in Achsrichtung überstehenden Stirnseiten des Innenzylinders 3 und Außenzylinders 6 starr verbunden, beispielsweise verschweißt oder verlötet sind. Der Innenzylinder 3 ist dabei in die Seitenteile 8 und 9 vakuumfest eingepaßt und bildet so mit diesen in seinem Inneren einen Raum 14, der beispielsweise gegenüber einem äußeren Vakuumraum vakuumdicht abgeschlossen ist.

Da zwischen den Stirnseiten 11 und 12 des Trägerkörpers 5, und den beiden Seitenteilen 8 und 9 ein vorbestimmter Abstand liegt, wird an den Stirnseiten 11 und 12 jeweils ein etwa ringförmiger Hohlraum 16 bzw. 17 mit dem Innenzylinder 3, dem Außenzylinder 6 und dem beiden Seitenteilen 8 und 9 ausgebildet. Da die Leiter 26 der Erregerwicklung tiefgekühlt werden, läßt sich von dem Hohlraum 16 aus. ein entsprechendes Kühlmittel, beispielsweise im Falle einer supraleitenden Wicklung Helium, zuführen und auf der gegenüberliegenden Seite durch den Hohlraum 17 wieder abführen. Zur Zufuhr des Kühlmittels in den Hohlraum 16 ist deshalb ein Kühlmittelzuführungsrohr 20 vorgesehen, das vakuumdicht konzentrisch um die Rotationsachse 2 durch den Seitenteil 9 und den Raum 14 durchgeführt und an den Hohlraum 16 angeschlossen ist. In entsprechender Weise wird aus dem Hohlraum 17 das Kühlmittel über ein Ablei-

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tungsrohr 21 wieder abgeführt. Die Flußrichtung des Kühlmittels ist durch einzelne Pfeile veranschaulicht.

In der Figur ist ferner eine elektrisch isolierte Stromzuführungsleitung 24 angedeutet. Über diese Leitung wird ein Erregerstrom durch den Seitenteil 9 in den Raum 14 und von dort durch den Innenzylinder 3 und den Hohlraum 17 den Leitern 26 der Erregerwicklung zugeführt.

In Figur 2 ist der in Figur 1 dargestellte Rotor in einem Querschnitt senkrecht zur Rotationsachse 2 schematisch veranschaulicht. Um diese Achse 2 ist konzentrisch das. Kühlmittelzuführungsrohr 20 angedeutet. Der Innenzylinder 3 umschließt konzentrisch dazu den zwischen seiner Innenseite und dem Kühlmittelzuführungsrohr ausgebildeten Raum 14. Formschlüssig umgibt der konzentrische, hohlzylinderförmige Trägerkörper 5, den Innenzylinder 3. Dieser Trägerkörper 5, ist auf seiner Innenseite in gleichen Abständen mit Innennuten 25 versehen, die beispielsweise eingefräst sein können. In der Figur sind beispielsweise 24 dieser Innennuten 25 dargestellt. Sie haben in Umfangsrichtung untereinander gleiche Abstände und jeweils etwa rechteckige Querschnittsflächen. In diesen Nuten 25 werden die in der Figur nur angedeuteten Leiter 26 der Erregerwicklung eingebracht. Diese Leiter lassen sich in einfacher Weise in diese Nuten 25 von innen her einlegen. Ihre Wicklungsdichte kann in den einzelnen Nuten unterschiedlich sein. Zwischen jeweils zwei benachbarten Nuten 25 ist ein zahnartiger Zwischenkörper 27. mit etwa trapezförmigem Querschnitt ausgebildet. Damit tritt bei Betrieb der elektrischen Maschine das größte Biegemoment an der breiteren Basis dieser zahnartigen Zwischenkörper 27 auf. Man erhält somit eine gute Stabilität des Materials des Trägerkörpers 5, und des gesamten Rotors.

Die Leiter 26 der Wicklung werden mit einem Kühlmittel auf tiefer Temperatur gehalten. Deshalb sind Kühlmittelkanäle 28 vorgesehen, die beispielsweise in den zahnartigen Zwischenkörpern 27 des Trägerkörpers 5, durch Bohrungen hergestellt oder durch

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Zwischenräume zwischen den einzelnen Leitern 26 der Erregerwicklung in den Nuten 25 gebildet werden können.

Zur leichteren Herstellung der Wicklung besteht der hohlzylinderförmige Trägerkörper 5, aus zwei Halbschalen 29 und 30. Diese Hälbschalen mit ihren Innennuten 25 können direkt bewickelt werden. Besondere Schablonen sowie nachträgliche Lötverbindungen zwischen einzelnen Leiterteilen sind deshalb nicht erforderlich, und Schwierigkeiten beim Einlegen in die Nuten 25 werden vermieden. Nach dem Zusammenbau der Wicklung können die beiden Halbschalen 29 und 30 zu dem Trägerkörper 5 zusammengefügt, beispielsweise verbunden, vorzugsweise verschweißt werden. Die entsprechenden Schweißnähte sind in der Figur mit 31 und 32 bezeichnet. Nach dem Verschweißen werden ihre Außenflächen abgearbeitet," bevor der Trägerkörper !5 mit dem Außenzylinder 6 formschlüssig umgeben wird. Um eine gute Übertragung der Drehmomente von dem Trägerkörper 5, auf diesen Außenzylinder 6 zu gewährleisten, können beispielsweise Längsstege auf dem Trägerkörper f) aufgeschweißt werden, die dann in entsprechende Längsnuten des Außenzylinders 6 einrasten. Darüber hinaus lassen sich auch Axialstifte verwenden, die in zugehörige Axialbohrungen in dem Außenzylinder 6 und dem Trägerkörper 5, einpassen. Ferner können in entsprechender Weise auch Radialstifte verwendet werden. Gegebenenfalls müssen dann die Stiftlöcher im Außenzylinder 6 nachträglich verschweißt werden, um somit seine Vakuumfestigkeit wieder herzustellen. Der Außenzylinder 6 kann aber auch Über Reibung auf den Trägerkörper 5, aufgeschrumpft werden. Außerdem läßt sich der Hohlraum zwischen beiden Körpern mit Verklebungen oder Imprägnierungen mittels eines Flüssigmetalls, beispielsweise Gallium oder Gallium-Indium, schließen.

Die in den Figuren dargestellten Teile einer elektrischen Maschine gehen von der Konzeption aus, daß die supraleitende Erregerwicklung zusammen mit ihrem Trägerkörper aus nichtmagnetischem Stahl auf tiefer Temperatur gehalten wird und daß dieser Trägerkörper, der auch das Drehmoment übertragen muß, aus

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einem möglichst dünnen Zylinder mit hoher mechanischer Festigkeit besteht. Im allgemeinen ist bei solchen Maschinen vorgesehen, daß aus mechanischen Gründen der innere Maschinenteil rotiert. Die Anordnung gemäß dem Ausführungsbeispiel' entspricht, somit derjenigen eines konventionellen Turbogenerators mit feststehendem Außenanker und rotierender Erregerwicklung. Da die Erregerwicklung auf sehr tiefer Temperatur gehalten werden muß, ist eine gute thermische Isolation des Rotors vorzusehen, die im allgemeinen nur mit Hilfe eines Vakuums erreichbar ist. Hierfür kann man den ganzen kalten Rotor in einem Vakuumraum laufen lassen. Bei dieser Ausführungsform mit stillstehendem Kryostataußenrohr wird ein Schild im Rotor ein-' gebaut, um die supraleitende Erregerwicklung vor magnetischen Wechselfeldern zu schützen und zugleich die eingestrahlte Wärme herabzusetzen. Bei einer anderen Ausführungsform rotiert hingegen das den Vakuumraum abgrenzende Kryostataußenrohr mit dem Rotor. Hierbei befindet sich die Außenfläche des rotierenden Kryostaten auf Raumtemperatur. Der Rotor gemäß der Erfindung ist für beide Ausführungsformen mit stillstehendem bzw. rotierendem Kryostat^außenrohr gleich gut geeignet.

Der die Wicklung tragende kalte Rotorkörper wird im allgemeinen innerhalb eines mitrotierenden warmen Kryostataußenrohrs angeordnet. Im Zwischenraum, in dem zweckmäßig ein hohes Vakuum erzeugt wird, kann zusätzlich noch ein dünner Zylinder angeordnet sein, der als zusätzlicher sogenannter elektrothermischer Schild die vom Außenzylinder eingestrahlte Wärme aufnimmt. Ferner dämpft dieser Schild den Rest der magnetischen Felder, die durch das mitrotierende Kryostataußenrohr hindurchdringen, auf einen für die Supraleiter erträglichen Betrag.

Der Ständer einer elektrischen Maschine mit einem Rotor gemäß , der Erfindung stellt im allgemeinen eine Luftspaltwicklung dar. " — -_

7 Patentansprüche
2 Figuren

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Claims

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Patentansprüche

lotor einer elektrischen Maschine, insbesondere einer Syn- -onmaschine, mit einer tiefgekühlten Erregerwicklung, dadurch gekennzeichnet, daß er einen konzentrischen, hohlzylinderförmigen Trägerkörper (.5) enthält, der auf seiner Innenseite mit Innennuten (25) versehen ist, die zur Aufnahme der Leiter (26) der Erregerwicklung dienen.
2) Rotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Trägerkörper (5) aus mindestens zwei etwa gleichgroßen Teilschalen (29, 30) besteht.
3) Rotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiter (26) der Erregerwicklung mindestens teilweise aus supraleitendem Material bestehen.
4) Rotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Trägerkörper (5) formschlüssig um einen Innenzylinder (3) angeordnet ist.
5) Rotor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Trägerkörper (f?) mit einem Außenzylinder (6) kraftschlüssig verbunden ist.
6) Rotor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Trägerkörper (55) aus einem nichtmagnetischen Material besteht.
7) Rotor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Innennuten (25) des Trägerkörpers (5) ^ⁿ regelmäßigen Abständen auf der Innenseite des Trägerkörpers (i?) angeordnet sind und einen wenigstens etwa rechteckigen Querschnitt haben.

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