DE2542169B2

DE2542169B2 - Supraleitende Erregerwicklung für den Läufer einer elektrischen Maschine

Info

Publication number: DE2542169B2
Application number: DE2542169A
Authority: DE
Inventors: Guenther Dr. 8520 Erlangen Bogner; Dieter Dipl.-Ing. 8506 Langenzenn Kullmann
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1975-09-22
Filing date: 1975-09-22
Publication date: 1980-03-20
Also published as: CH607411A5; US4339681A; FR2325226B1; JPS5240701A; FR2325226A1; GB1504238A; DE2542169C3; DE2542169A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine supraleitende Erregerwicklung für den Läufer einer elektrischen Maschine, insbesondere eines Turbogenerators, die in mehrere, jeweils einen Pol ausbildende Spulen mit jeweils parallel zur Längsachse des Läufers verlaufenden Spulenseiten und gebogenen Wickelköpfen unterteilt ist und deren Leiter mindestens teilweise in Nuten des Läufers angeordnet sind und jeweils einen vorbestimmten, zulässigen Biegeradius haben, der größer ist als der an den Wickelköpfen auftretende Biegeradius.

Die Verwendung von supraleitenden Erregerwicklungen in elektrischen Maschinen ermöglicht eine wesentliche Erhöhung der Induktion im Luftspalt zwischen einem rotierenden Maschinenteil, Rotor oder Läufer genannt, und einem feststehenden Maschinenteil, dem Stator oder Ständer. Insbesondere können mit sogenannten Hochfeldsupraleitern bei praktisch verlustfreier Erregung der Feldwicklung hohe Induktionen auch ohne Verwendung von magnetischem Eisen im Läufer erzeugt werden, da diese Leiter mit sehr hohen Stromdichten betrieben werden können. Ferner läßt sich wegen des Fortfalls des magnetischen Eisens im Ständer auch der Stroinbelag in der normalleitenden Ständerwicklung bei gleichbleibenden Maschinenabmessungen beträchtlich erhöhen. Bei solchen Maschinen mit supraleitenden Erregerwicklungen liegt deshalb das Verhältnis von Leistung zu Volumen and Gewicht wesentlich über dem einer Maschine herkömmlicher Bauart ihr Läufer enthält im allgemeinen einen

ίο hohlzylindrischen Trägerkörper aus einem nichtmagnetischen Material, der mit Nuten auf seiner Innen- oder Außenseite versehen sein kann, in denen die Leiter der supraleitenden Erregerwicklung angeordnet werden (DE-OS 21 17 192). Die Erregerwicklung kann als Dipol- oder Quadrupolspule gewickelt sein und ist dann in zwei bzw. vier jeweils einen Pol ausbildende Spulen unterteilt Jede dieser Spulen hat zwei parallel zur Längsachse verlaufende Spulenseiten und zwei gebogene Wickelköpfe. Zumindest die Seiten der Spulen

iu können im Läuferkörper in Nuten eingebettet sein.

Während im allgemeinen als Leiter für mittelgroße Maschinen, deren Leistung bis etwa 1000 MVA reicht, Niob-Titan-Vielkernleiter mit Kupferstabilisierung bevorzugt werden, sind bei Maschinen mit noch größerer Leistung Vielkernleiter aus den intermetallischen Verbindungen Vanadium-Gallium oder Niob-Zinn vorzusehen, die beispielsweise mit Kupfer-Zinn-Bronze oder Kupfer stabilisiert sind. Für die supraleitenden Erregerwicklungen derartiger Turbogeneratoren mit großen Leistungen sind nämlich Supraleiter erforderlich, die Ströme von 10 bis 5OkA bei maximalen Flußdichten bis über 7,5 Tesla führen können. Die Stromdichten dieser Supraleiter einschließlich ihres Stabilisierungsmaterials liegen bei solchen Flußdichten

j5 beispielsweise bei 10⁴A pro cm², so daß sich für diese Leiter Querschnitte in der Größenanordnung von 1 bis 5 cm² ergeben.

Zur Herstellung einer solchui Erregerwicklung müssen jeweils die Leiter einer Seite einer Spule aus den Längsnuten des Läuferkörpers herausgeführt und in die entsprechenden Nuten der benachbarten Seite der Spule zurückgeführt werden. Aus Platzgründen und insbesondere um eine möglichst dichte Packung dieser Leiter auch an den Wickelköpfen der Spulen zu erhalten, sind dabei kleine Krümmungsradien für die Leiter vorzusehen. Werden jedoch supraleitende Einzelleiter mit großen Leiterquerschnitten verwendet, so liegen im allgemeinen diese Krümmungsradien unter den zulässigen Biegeradien dieser Leiter. Bei Unterschreitung dieser Radien sind Beschädigungen, beispielsweise Schichtbrüche, des Supraleitermaterials zu erwarten. Außerdem werden bei Supraleitern im Falle zu hoher Biege- und Zugbeanspruchungen je nach Supraleitermaterial wichtige physikalische Eigenschaf-

-,--, ten, beispielsweise die hohe Stromtragfähigkeit, herabgesetzt. Aus diesem Grund sind für die bekannten Turbogeneratorkonstruktionen aufwendige Maßnahmen vorgesehen, um die einzelnen Spulen der Erregerwicklung mit tolerierbaren mechanischen Span-

ho nungen herstellen zu können.

Ferner ist es zwar bekannt, Erregerwicklungen aus supraleitenden Leiterwerkstoffen wie Niob-Zinn-Bändern, Niob-Titan-Drähten oder aus dünnen, zu Kabeln oder Bändern gewebten Drähten herzustellen. Solche

μ Leiterwerkstoffe sind zwar flexibler als einzelne Drähte mit einem großen Leiterquerschnitt, man erhält mit ihnen aber wegen ihres kleineren Füllfaktors nur eine entsprechend geringere Stromdichte.

Bei einem kontinuierlichen Wickeln kompakter Leiter mit verhältnismäßig großem Querschnitt, beispielsweise mit einem Querschnitt über 'A> cm², besteht somit, insbesondere im Bereich der Wickelköpfe der Spulen, die Gefahr einer Beschädigung der Supraleiter und somit einer entsprechenden Verringerung der Stromtragfähigkeit. Diese nur bei supraleitenden Wicklungen gegebene Gefahr ist besonders groß bei Verwendung von Vielkernleitern der intermetallischen Verbindungen Vanadium-Gallium oder Niob-Zinn.

Autgabe der Erfindung ist es deshalb, eine supraleitende Erregerwicklung für den Läufer einer elektrischen Maschine zu schaffen, bei der diese Gefahren praktisch nicht gegeben sind.

Diese Aufgabe wird für die Erregerwicklung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß jeweils zwei zusammengehörende Leiterstücke aus benachbarten Spulenseiten einer Spule zumindest an einem Wickelkopf mittels eines vorgefertigten Wickelkopfelementes elektrisch verbunden sind und daß die Kontaktflächen zwischen dem Wickelkopfelement und den Leiterstücken größer als die Querschnktsflächen der Leiterstücke sind.

Die Vorteile der Erfindung bestehen insbesondere darin, daß für supraleitende Erregerwicklungen von Maschinen großer Leistung, deren Leiter dementsprechend große Querschnitte haben, die für die Wickelköpfe vorgesehenen Leiterelemente vor einem Zusammenbau der Erregerwicklung vorgeformt werden können, ohne daß sie dabei unzulässigen Zugbelastungen ω ausgesetzt sind, bei denen ihr supraleitendes Material beschädigt werden könnte. Die vorgeformten Leiterelemente werden dann nur mit den entsprechenden, in den Längsnuten des Läuferkörpers angeordneten Leiterstücken verbunden, wobei der Kontaktwiderstand J5 zwischen diesen Leiterstücken und den Leiterelementen verhältnismäßig klein sein und beispielsweise unter 10"⁸Ohm liegen muß. Zur Herstellung der clekttischen Verbindung zwischen den Leiterstücken und den Leiterelementen werden deshalb vorteilhaft die Kontaktflächen zwischen dem Wickelkopfelement und den mit ihm verbundenen Leitersiücken größer als die Querschnittsflächen der Leiterstücke gewählt.

Nach einer vorteilhaften Ausbildung der Erregerwicklung gemäß der Erfindung können jeweils zwei zusammengehörende Leiterstücke aus benachbarten Spulenseiten einer Spule zusammen mit einem Wickelkopfelement im Bereich eines Wickelkopfs zu einem gemeinsamen Teilleiter vorgefertigt sein und die freien Enden der Leite'stücke an dem anderen Wickelkopf mittels vorgefertigter Wickelkopfelemente mit zwei weiteren Leiters'ücken verbunden sein. Insbesondere bei Verwendung von Vanadium-Gallium- oder Niob-Zinn-Vielkemleii%n, die nach dem Verfahren der sogenannten Fei'lstoffdiffusion, das beispielsweise aus v> der LiteraturMelK· »Zeitschrift für Naturforschung« Bd. 27a (1972), i'eitt'n 1462-1467 bzw. aus »Appl. Phys. Lett.« 25(19/1), leiten 624-627 bekannt ist, hergestellt werden können, Kann vorteilhaft der Teilleiter noch vor einer Diffushnsfili'hung mechanisch der Wickelkopf- wi form und dtem l^utenverlauf entsprechend geformt werden, solallge da's Material noch duktil ist.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung und deren in den Unteransprücher gekennzeichneten Weiterbildungen wird auf die schematische Zeichnung Bezug f.; genommen, in deren Fig. I ein bekannter Läufer mit einem Leiter einer Erregerwicklung teilweise veranschaulicht ist. In F i g. 2 is· ein Ausführungsbeispiel eines Wickelkopfelementes einer solchen Erregerwicklung gemäß der Erfindung dargestellt. Fig.3 zeigt, eine Anordnung mehrerer dieser Wickelkopfelemente an einem Wickelkopf, während in Fig.4 eine weitere Ausbildungsmöglichkeit von Leitern und Leiterelementen einer Erregerwicklung gemäß der Erfindung angedeutet ist

Der in F i g. 1 in einer Schrägansicht nur teilweise angedeutete zylindrische Läufer 2_ einer mehrpoligen elektrischen Maschine, beispielsweise eines Turbogenerators, enthält eine rotierende Erregerwicklung, die in mehrere supraleitende Spulen unterteilt ist. Die Spulen sind in Umfangsrichtung des Läufers ^nebeneinander angeordnet und in Läuferlängsrichtung langgestreckt. Jede dieser Spulen bildet einen Pol der Erregerwicklung. Beispielsweise hat dann eine Dipolwicklung zwei und eine Quadrupolwicklung vier derartige Spulen. Die Spulen sind jeweils in zwei parallel zur Längsachse 3 des Läufers 2 verlaufende Spulenseiten .;id zwei gebogene Wickeikopte unterteilt. Die Leiter der Sc iten der Spulen sind in entsprechenden Längsnuten im Läuferkörper 2 angeordnet, von denen in der Figur nur vier Nuten 4 bis 7 angedeutet sind. Die Nuten können beispielsweise in den LS iferkörper parallel und symmetrisch zu einem Polkern 8 von außen eingefräst sein.

In der Figur ist nur ein einzelner Leiter einer Spule mit vorgegebenem, rechteckigem Querschnitt angedeutet. Dieser Leiter enthält zwei Leiterstücke 9 und 10, die in den Nuten 4 und 7 angeordnet sind. Der Läuferkörper ist un seiner Stirnseite im Bereich des Wickelkopfes der Spule auf einer, geringeren Durchmesser abgedreht, der dem Durchmesser der Grundflächen in den Nuten 4 und 7 entspricht. Auf diesem mit 12 bezeichneten Läuferkörperabschnitt ist das Leiterstück 9 aus der Nut 4 herausgeführt, zu einem in Umfangsrichiung auf dem Läuferkörperabschnitt 12 verlaufenden Wickelkopfelement 13 abgewinkelt und in Läuferlängsrichtting als Leiterstück 10 in die Nut 7 zurückgeführt.

Für die Spule einer solchen Erregerwicklung sind als Leuerstücke 9, 10 bzw. als Wickelkopfelement 13 Stäbe aus stabilisiertem supraleitenden Material vorgesehen, die Ströme von beispielsweise 10 kA bis etwa 50 kA bei maximalen Flußdichten von 7,5 Tesla oder mehr führen können. Die Stromdichten in den entsprechenden Supraleitern einschließlich ihres Slabilisierungsmaterials betragen dann etwa WA/cm². Die Leiter der Erregerwicklung müssen in einem solchen Fall Querschnitte von mindestens 1 cm² haben.

Wird nun, wie in der Figur dargestellt, aus Platzgründen und um eine möglichst dichte Packung d^r ein/einen Leiter der Spulen an den Wickelköpfen zu erreicVn, ein solcher Leiter mit verhältnismäßig großem Querschnitt, beispielsweise das Leiterstück 9, aus der Nut 4 ajf den LiiuferkörperaDachnitt 12 herausgeführt und zu dem Wickelkoptelement 13 in Umfangsrichtung abgewinkelt, so ergeben sich Krümmungsradien, die unter den mechanisch zulässigen Krümmungsradien der zur Verwendung kommenden Supraleiter mit großem Querschnitt liegen. Insbesondere bei Verwendung von stabilisierten VielkerVileitern der intermetallischen Verbindungen Vanadium-Gallium und Niob-Zinn besteht dann die Gefahr einer Beschädigung der Supraleiter.

Diese Gefahr wird bei Verwendung eines vorgefertigten und vorgeformten, bügelartigen Wickelkopfelementes für eine Erregerwicklung nach der Erfindung vermieden. Gemäß der Darstellung in Fig. 2 sind nur die Enden von zwei Leiterstücken 15 und 16

veranschaulicht, die beispielsweise den Leiterstücken 9 und !O nach Fig. 1 entsprechen und aus achsenparallel verlaufenden Nuten in einem Läuferkörper herausra gen. Diese Leiterstücke haben rechteckige oder auch trapezförmige Querschnitte und sind mittels eines biigelartigen Wickelkopfelementes 18 elektrisch leitend verbunden. Beispielsweise können die Leiterstücke 15 und 16 mit dem Wickelkopfelement 18 verlötet, verschweißt oder auch verschraubt sein. Das Wickelkopfelement 18 besteht aus einem in Wmfangsrichtung des Läufers verlaufenden und auf der Mantelfläch., (.ines entsprechenden l.äuferkörperabschnittes, beispielsweise des l.äuferkörperabschnittes 12 nach Fig. I. angeordneten Leiterstück mit ebenfalls rechteckigem oder trapezförmigem Querschnitt. Seine Endflächen 19 und 20 stehen formschlüssig auf den oberen Flachseiten der Leiterstücke 15 und 16.

SüVvcii uci vuiiiai'iuciiL' Kaum um den Wkkeiküpfeii der Spulen es zuläßt, können die bügelartigen Wickelkopfelcmente sowohl vom Standpunkt der Stabilisierung als auch der Stromtragfähigkeit aus gesehen mit größeren Leiterquerschnitten als die entsprechenden angrenzenden Leiterstücke ausgelegt werden.

Wie ferner in F i g. 2 dargestellt ist, hat das bug Hartige Wickelkopfelement 18 vorteilhaft eine im Vergleich zu den Querschnittsflüchen der Leiterstücke 15 und 16 größere Querschnittsfläche, so daß sich entsprechend kleine Kont;.ktwiderstände zwischen den Endflächen 19 und 20 des Wickelkopfelcinentes 18 und den Leiterstücken 15 und 16 ergeben. Aufgrund der eriindungsgemäß großen Kontaktflächen 19 bzw. 20 kann der Wert des Kontaktwiderstandes zwischen dem Wickelkopfelement und den mit ihm verbundenen Leiterstücken so klein gehalten werden, daß die Gesamtzahl der für eine Spule der supraleitenden F.rregerwicklung erforderlichen Kontakte nur eine verhältnismäßig geringe Wärmebelastung für die erforderliche Kühlung der Spule darstellt. Für einen Leiter mit 1OkA .Stromtragfähigkeit läßt sich so beispielsweise ein Kontaktwiderstand von 10-'Ohm erreichen, der zu einer entsprechend geringen Wärmebelastung führt.

Neben der in Fig. 2 veranschaulichten Ausbildungsmöglichkeit eine· bügelartigen Wickelkopfelementes kann dieses nicht nur aus einem bügelartigen Teil 18 bestehen, das in Umlaufrichtuiig verläuft. Das Wickelkopfelement kann auch an seinen Enden jeweils zu einem achsenparallelen Teil abgewinkelt sein, wobei diese achsenpara"elen Teile bis in den Nuten des Läuferkörpers reichen können.

In Fig.3 sind stark schematisiert drei bügelartige Wickelkopfelemente 33 bis 35 am Wickelkopf einer Spule einer Erregerwicklung veranschaulicht. Die mit diesen Elementen 33 bis 35 verbundenen, achsenparallel verlaufenden Leiterstücke sind in der Figur durch Striche teilweise angedeutet. Die zu ihrer Aufnahme erforderlichen Längsnuten im Läuferkörper sind jedoch nicht dargestellt. Die bügelartigen Wickelkopfelemente werden im allgemeinen parallel zueinander auf einem zylindrischen Läuferkörperabschnitt 36 befestigt und im Wickelkopfbereich aus Raumgründen und zur Vermeidung von I eidspitzen in axialer Richtung untereinander versetzt angeordnet. Hierzu können beispielsweise entsprechend verlaufende Nuten auch an den Wickel köpfen vorgesehen sein. Man kann somit eine kühltechnisch günstige und mechanisch stabile Form der Spule auch an deren Wickelkopf erhalten.

Bei der Herstellung einer Spule einer supraleitenden Erregerwicklung gemäß den vorhergehenden Fig. 2 und 3 ist davon ausgegangen, daß zunächst jeweils zwei in gerade l.eiterstiicke in achscnparallel verlaufenden Nuten eines Läuferkörpers eingebettet werden, und daß sie dann an ihren beiden Finden im Berekh der beiden Wickelkopfe untereinander mittels vorgefertigter, bügelartiger Wickelkopfelemente verbunden werden. i^r· Gemäß der Darstellung nach F i g. 4 isi es jedoch auch möglich, daß zunächst jeweils ein biigelartiges Wickelkopfelement 40 eines Wickelkopfes zusammen mit den ihm zugeordneten geraden, in Nuten achsenparaiiei verlaufenden Leiterstücken 42 und 43 zu einem -° gemeinsamen Teillciter vorgefertigt und vorgeformt wird und daß dann die noch freien Enden 44 und 45 der achsenparallel verlaufenden Leiterstücke 42 bzw. 43 an dem gegenüberliegenden Wickelkopf mittels vorgefertigter Wickelkopfelemente 47 bzw. 48 gemäß F i g. 2 mit -'-> ihnen zugeordneten, weiteren achsenparallel verlaufenden Leiterstücken verbunden werden. In der Figur sind nur ein .riit dem Wickelkopfelement 47 verbundenes weiteres Leiterstück 50 sowie drei Kontakte 51 bis 53 angedeutet. Bei dieser Ausbildung der Leiter einer Spule w einer Erregerwicklung benötigt man deshalb nur an einem der beiden Wickelköpfe Kontakte zwischen bügelariigen Wickelkopfelementen und achsenparallel verlaufenden Leiterstücken. Die Kontaktzahl und die entsprechende Arbeitszeit zum Verbinder der bügelar-)5 tigen Wickelkopfelemente mit den achsenparallel verlaufenden Leiterstücken werden somit entsprechend vermindert. Insbesondere bei Verwendung von stabilisierten Vielkernleitern der intermetallischen Verbindungen Vanadium-Gallium und Niob-Zinn. die mit Hilfe eines Diffusionsverfahrens in einem Festkörper hergestellt werden können, läßt sich vorteilhaft eine supraleitende Erregerwicklung mit mehreren Spulen gemäß der Darstellung nach F i g. 4 aufbauen. Das bügelartige Wickelkopfelement 40 und seine mit ihm «5 verbundenen Leiterstücke 42 und 43 können nämlich noch vor einer Diffusionsglühung mechanisch der Wickelkopfform bzw. dem Nutenverlauf entsprechend geformt werden, solange das Material noch duktil ist. Der fertige Teilleiter aus Leiterstücken 42 und 43 und bügelartigem Wickelkopfelement 40 kann dann nach der Diffusionsglühung auf dem Läuferkörper angeordnet werden.

Gemäß den Ausführungsbeispielen nach den Figuren ist die supraleitende Erregerwicklung nach der Erfindung für Läufer von elektrischen Maschinen, insbeson dere Turbogeneratoren, geeignet. Entsprechende Wicklungen können jedoch allgemein für solche Anordnungen vorgesehen werden, bei denen im Bereich der Wickelköpfe große Krümmungsradien an den Leitern auftreten und deshalb die Gefahr einer Beschädigung des supraleitenden Materials der Leiter gegeben ist.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Supraleitende Erregerwicklung für den Läufer einer elektrischen Maschine, insbesondere eines Turbogenerators, die in mehrere, jeweils einen Pol ausbildende Spulen mit jeweils parallel zur Längsachse des Läufers verlaufenden Spulenseiten und gebogenen Wickelköpfen unterteilt ist, und deren Leiter mindestens teilweise in Nuten des Läufers angeordnet sind und jeweils einen vorbestimmten, zulässigen Biegeradius haben, der größer ist als der an den Wickelköpfen auftretende Biegeradius, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils zwei zusammengehörende Leiterstücke (15, 16) aus benachbarten Spulenseiten einer Spule zumindest an einem Wickelkopf mittels eines vorgefertigten Wickelkopfelementes (18) elektrisch verbunden sind und daß die Kontaktflächen (19, 20) zwischen dem Wickelkojj!element (18) und den Leiterstücken (15, 16) größer als die Qucrschnittsfiächcn der Leiterstücke (15,16) sind.

2. Supraleitende Erregerwicklung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden zusammengehörenden Leiterstücke (15, 16) mit dem Wickelkopfelement (18) verlötet, verschweißt oder verschraubt sind.

3. Supraleitende Erregerwicklung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, d;iß die Querschnittsfläche des Wickelkopfelementes (18) vergleichswt.'se größer als die Querschnittsfläche der mit ihm verbundenen Leiterstücke (15,16) ist.

4. Supraleitende Erregerwicklung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils zwei zusammengehörende Leiterstücke (42, 43) aus benachbarten Spulenseiten einer Spule zusammen mit einem Wickelkopfelement (40) im Bereich eines Wickelkopfs zu einem gemeinsamen Teilleiter vorgefertigt sind und die freien Enden (44, 45) der Leiterstücke (42, 43) an dem anderen Wickelkopf mittels weiterer vorgefertigter Wickelkopfelemente (47, 48) mit entsprechenden zugeordneten Leiterstücken verbunden sind (F i g. 4).