DE2631896A1

DE2631896A1 - Elektrische maschine mit supraleitender rotorwicklung

Info

Publication number: DE2631896A1
Application number: DE19762631896
Authority: DE
Inventors: Michel Berthet; Roger Gellet; Yves Laumond; Christian Lehuen; Andre Marquet
Original assignee: Electricite de France SA; Cegelec SA
Current assignee: Electricite de France SA; Cegelec SA
Priority date: 1975-07-22
Filing date: 1976-07-15
Publication date: 1977-02-10
Also published as: IT1070627B; GB1523695A; DE2631896C2; US4101793A; CH607423A5; FR2319233A1; FR2319233B1

Description

„ ofiRi η 2631898

Po 9651 D
Dipl.-Ing. Jürgen WEINMILLER ^. Juli"

PATENTASSESSOR

SOSPS GmbH

SOOO München 8O

Zeppelinstr. 63

SOCIETE GENERALE DE CONSTRUCTIONS ELECTRIQUES ET MECANIQUES ALSTHOM S.A.

38, avenue Kleber 75784 PARIS CEDEX 16, Prankreich

und

ELECTRICITE DE FRANCE

Service National
2, rue Louis Murat
75008 PARIS, Frankreich

ELEKTRISCHE MASCHINE MIT SUPRALEITENDER ROTORWICKLUNG

Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrische Maschine mit supraleitender Rotorwicklung und einem Kühlkreislauf, der über eine Drehkupplung mit einer drehfest angeordneten Kühlmaschine verbunden ist.

In derartigen Maschinen steht das Kühlproblem im Vordergrund wegen der großen, für die extrem niedrigen Temperaturen notwendigen Kühlleistung. Der Rotor einer derartigen Maschine, der die Rolle des Induktors spielt, besitzt an seinem

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Umfang supraleitende Wicklungen, die trotz der elektrischen Verluste der Maschine, die sich in Wärme umsetzen, und trotz der Wärmestrahlung und Wärmeleitung auf einer die Supraleitung ermöglichenden Temperatur gehalten werden müssen.

Hierzu ist es bekannt, den Rotor mit einem internen Kühlkreislauf zu versehen, der von Helium mit einer Temperatur von etwa 4 K durchflossen wird. Das Helium kann durch ein mit dem Rotor drehendes Eingangsrohr zugeführt werden, das über eine Drehdichtung mit einem drehfesten, ebenfalls axialen Einlaßrohr verbunden ist. Am Ausgang kann das Helium wieder aufgefangen werden, um nach Abkühlung in einer Kältemaschine dem Eingangsrohr mit Hilfe einer Pumpe wieder zugeführt zu werden.

Zahlreiche Schwierigkeiten ergeben sich jedoch für einen derartigen Kühlkreislauf. Man kann drei grundsätzlich unterschiedliche Anordnungen in Betracht ziehen. Gemäß der ersten Anordnung wird das Helium bei Umgebungstemperatur gewonnen; dann ist es aber meist schwierig, einen brauchbaren thermodynamxschen Wirkungsgrad des Kühlsystems zu gewährleisten. Weiter bedürfen derartige bekannte Systeme einer sehr genauen Führung, wie sie sich im industriellen Einsatz mit der Forderung nach entsprechend hoher Verfügbarkeit kaum vereinbaren läßt.

Zu diesem Thema wird auf die Dissertation von W. David Lee am Massachusetts Institute of Technology, Juni 1970, hingewiesen, mit dem Titel "Continuous transfer of liquid helium to a rotating dewar". Dort wird an einem theoretischen vereinfachten Modell gezeigt, daß die Wärmeverluste durch Gaskonvektion

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in laminarer Strömung im ringförmigen Anschlußstück proportional zur neunten Potenz des radialen Abstands zwischen den beiden einander gegenüberliegenden Drehteilen ist, und proportional zur dritten Potenz des Innenradius für den Ringraum.

Zum selben Thema wird noch auf den Aufsatz von J.L. Smith et al, mit dem Titel "Applications of super conductivity to AC rotating machines" hingewiesen, der 1973 erschienen ist bei Superconducting machines and devices, NATO advanced study series, series B = Physics vol.I, Plenum Press N.Y. Diese Arbeit zeigt einen Tiefsttemperaturanschluß, bei dem die präzise Führung durch Kugellager erreicht wird, die das radiale Spiel des Drehteils auf 0,3 mm begrenzen und so eine Tiefsttemperatur-Dichtgarnitur überflüssig machen.

Aus diesen Arbeiten erkennt man, daß dem Spiel der Drehdichtung eine besonders große Bedeutung bezüglich der Wirksamkeit des Kühlsystems beigemessen wird, und daß ein äußerst geringes Spiel unerläßlich ist, um reibende Dichtgarnituren zu vermeiden.

Wenn man andererseits das Helium bei einer Temperatur wiedergewinnen will, die in der Nähe der Eintrittstemperatur liegt, dann benötigt man eine zweite Drehdichtung am Ausgang. Bei einer derartigen Anordnung könnte man die zweite Drehdichtung am Rotor genau entgegengesetzt der ersten Dichtung anordnen. Diese Anordnung stört jedoch bei großen Maschinen, die konstruktive Gestaltung der Abtriebswelle, welche große mechanische Leistungen übertragen muß.

Die dritte denkbare Anordnung sieht beide Drehdichtungen auf einer Rotorseite vor. Dann ist aber eine komplizierte

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Doppeldrehdichtung notwendig, bei der eine der Dichtungen, bzw. ihre Zuführungsleitung, innerhalb der anderen anzuordnen ist, so daß sowohl deren Innenwand als auch die Außenwand von Helium bei einer Temperatur von 4 K umspült wird. Unter Berücksichtigung der extremen Temperatur, der hohen Rotationsgeschwindigkeit und der verfügbaren Materialien erscheint es schwierig, eine zufriedenstellende Dichtheit zu erreichen. Es wäre dagegen wünschenswert, die äußere Drehdichtung mit Hilfe reibender Dichtgarnituren und klassischen Führungslagern auszurüsten, die bei einer Temperatur nahe der Otagebungstemperatur zuverlässig arbeiten, da die äußere Dichtung die innere umgibt und ihre Außenwand mit der Atmosphäre in Verbindung stehen kann. Wegen der Wärmeverluste wäre es jedoch notwendig, den Außendurchmesser dieser äußeren Dichtung möglichst gering zu halten, um Wärmeverluste zu begrenzen.

Die innere Drehdichtung hat die Aufgabe, den Rotor mit Helium zu versorgen, das eine äußere drehfeste Kältemaschine durchlaufen hat, und zwar für die verschiedensten Geschwindigkeiten des Rotors, beispielsweise für 50 Umdrehungen pro Sekunde.

bei
Nun ist aber bekannt, daßfelektrischan Maschinen industrieller Größenordnungen, die keine sehr hochgezüchteten Führungsmittel besitzen, die Welle schlagartige Sprünge ausführt, die sich schlecht mit einer wirkungsvollen Drehdichtung vereinbaren lassen. Die bei diesen Temperaturen brauchbaren Materialien können nämlich keine Reibung zwischen dem drehenden und dem feststehenden Dichtungsteil vertragen, nicht einmal eine diskontinuierliche Reibung» Daher wurde bisher bei Bajonettdichtungen stets gefordert, daß das radiale Spiel kleiner als 0,3 mm

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sein soll. Bei Maschinen großer Leistung kann jedoch die Amplitude des radialen Ausschlags der Welle auf diesen Wert nur begrenzt werden durch eine außerordentlich hohe Genauigkeit der Herstellung, was hohe Herstellungskosten bedingt, oder indem man Führungslager in unmittelbarer Nähe der Drehdichtung vorsieht, wo sie sehr störend wirken. Im Fall eines supraleitenden Rotors würde bei Undichtigkeit der inneren Drehdichtung möglicherweise der größere Teil des Heliums, das von der Pumpe in Umlauf gesetzt ist, an der Drehdichtung in die äußere Leitung übertreten, ohne in den Rotor zu gelangen. Dadurch wäre die Wirksamkeit des Kühlsystems stark beeinträchtigt, die ohnehin wegen der sehr niedrigen Temperaturen nicht sehr hoch ist.

Deshalb überrascht es nicht, daß keine der drei oben erwähnten Lösungen bis zu einem praktisch brauchbaren Tiefsttemperaturrotor großer Leistung (beispielsweise einige hundert Megawatt) unter Berücksichtigung der in der Praxis notwendigen hohen Verfügbarkeitsbedingungen derartiger Maschinen geführt hat,

Die vorliegende Erfindung stellt sich also die Aufgabe, eine elektrische Maschine mit supraleitender Rotorwicklung und einem Kühlkreislauf vorzuschlagen, der auf einfache Weise über Drehdichtungen die Rotorkühlung bewirkt. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Hauptanspruch angegebenen Merkmale gelöst. Merkmale bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels mit Hilfe der Figuren 1 und 2 näher erläutert.

Fig. 1 zeigt im Schnitt den Rotor einer elektrischen

Maschine gemäß der Erfindung, und

Fig. 2 zeigt ein Detail aus Fig. 1.

Die hier als Beispiel gewählte elektrische Maschine ist eine Tiefsttemperaturwechselstrommaschine mit einer elektrischen Leistung von mindestens lOO MW, beispielsweise mit lOOO MW. Ein Rotor 50, der den Induktor der Maschine bildet, wird um eine Achse 1 in Rotation versetzt. Die Rotorwelle 2 dreht sich im Synchronbetrieb beispielsweise mit 50 Umdrehungen pro Sekunde. Der Rotor besitzt zwei supraleitende Wicklungen 4, die in der Nähe des Umfangs einer Tragetrommel 8 mit einem gegenseitigen Winkelabstand von 180 bezüglich der Rotationsachse angeordnet sind.

Wärme entsteht in diesen Wicklungen wegen der Änderungen der magnetischen Induktion, die manchmal auftreten, und wegen der Wärmestrahlung, die von einem die Trommel 8 umschließenden Druckgefäß 6 herrührt. Will man die Wicklungen aber auf einer Temperatur in der Nähe von 4 K halten, dann muß man Wärme entziehen. Hierzu ist die Rotortrommel mit einem internen Kühlsystem versehen, das üblicherweise einen äußeren Bereich aufweist, der in Wärmekontakt mit den Wicklungen 4 steht und einen Axialbereich, durch den die Zu- und Abfuhr des Kühlmittels, üblicherweise Helium, erfolgt. Das Kühlmittel unterliegt natürlich der Zentrifugalkraft aufgrund der Umdrehung des Rotors. Sein Druck ist daher größer im Randbereich als im Axialbereich. Wegen der ähnlichen wirkung der Schwerkraft auf eine stehende Flüssigkeit wird der radiale Bereich im Sinn dieser Anmeldung als der untere Bereich, und der axiale Bereich als der obere bezeichnet.

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Der Kühlkreislauf, mit dem die Wärme aus dem Rotor zu einem in der Pig. I links sichtbaren Kühlaggregat gebracht wird, besteht aus den folgenden vier Leitungsbereichen im Inneren des Rotors :

a - Ein oberer Leitungsbereich 9, dessen Durchmesser mindestens 50 mm beträgt, erstreckt sich in der Achse 1 durch den ganzen Rotor. Diese Leitung mündet links außerhalb des Rotors in eine

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Drehdichtung, deren drehender Teil 16 einem drehfesten Teil 20 ge genübe r s teht.

b - Zwei radial "nach unten" führende Leitungsbereiche 10, die miteinander einen Winkel von 180 einschließen, sind oben mit dem erwähnten axialen Leitungsbereich verbunden und führen die Kühlflüssigkeit in die periphere Trommelzone, c - Zwei "untere" Leitungsbereiche 12, die an die unteren Enden der radialen Leitungsbereiche angeschlossen sind, lenken die Kühlflüssigkeit entlang den zu kühlenden Wicklungen 4. In diesen Leitungsbereichen strömt das Kühlmittel im wesentlichen parallel zur Achse 1.

d - Schließlich führen zwei "aufsteigende" Leitungsbereiche 14 , die zueinander einen Winkel von 180 einschließen, das Kühlmittel aus dem unteren Leitungsbereich 12 wieder in die Nähe der Achse 1 zurück.

Das Kühlmittel wird dann durch eine Ausgangsleitung 18, die mit dem Rotor dreht, und durch eine äußere Drehdichtung 26 in eine drehfeste Leitung 28 geführt. Die Leitungen 18 und 28 sind koaxial bezüglich den Zuführungsleitungen 16 und 20. Die äußere Drehdichtung 26 bietet keine besonderen Abdichtungsprobleme. Sie besitzt im äußeren Bereich eine ringförmige reibende Dichtgarnitur 27, die bei Umgebungstemperatur arbeitet. Ein

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Führungslager 19 außerhalb der Garnitur gibt den mechanischen Halt.

Der drehfeste Bereich dieser Dichtung führt zu einem externen drehfesten Teil des Kühlkreislaufes, in dem eine Leitung 30 mit der Leitung 28 in Verbindung steht, und das Helium nacheinander über einen Zirkulator 32 bzw. eine Pumpe, und über eine Kältemaschine 34 und eine Leitung 36 in den drehfesten Teil 20 der axialen Drehdichtung zurückspeist. Ein Hauptventil 38 liegt parallel zum Zirkulator 32, derart, daß eine hinreichende Menge Kühlmittels auf natürliche Weise zwischen der Kältemaschine und dem Rotor zirkuliert, wenn der Zirkulator 32 außer Betrieb ist.

Dieser natürliche Umlauf nach dem "Thermosiphon-Effekt" ergibt sich, da der Rotor 50 die Rolle einer Pumpe übernimmt. Man kann den Effekt folgendermaßen erklären : Das Kühlmittel im abfallenden Leitungsbereich 10 hat eine niedrigere Temperatur als das Kühlmittel in dem aufsteigenden Leitungsbereich 14, da es sich an den Wicklungen 4 erwärmt hat. Daraus resultiert eine höhere Dichte des Kühlmittels im absteigenden Leitungsbereich. Aufgrund der Zentrifugalkraft bewirkt dieser Dichteunterschied eine Beschleunigung des Kühlmittelumlaufs im geschlossenen Kreislauf.

Die wirksamen Querschnitte der Leitungen im Ventil 38j in der Kältemaschine 34 und den Leitungsbereichen 20, 16, 9, 10, 12, 14, 18, 28, 30 und 36 sind so gewählt, daß die Leistung einer dem Thermosiphon-Effekt äquivalenten Pumpe für einen hinreichenden Kühlmitteldurchsatz genügt. Der zirkulator 32 wird jedoch während der Inbetriebnahme des Rotors

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benötigt. Das Ventil 38 ist dann gesperrt, so daß der Zirkulator

32 zwei Aufgaben erfüllen kannj nämlich die Bereitstellung der Pumpenergie für das Kühlmittel, solange die Leistung des Thermosiphon-Effekts wegen der geringen Rotationsgeschwindigkeit des Rotors 50 nicht ausreicht, und 2. das Erzwingen der vorgeschriebenen Umlaufrichtung für das Kühlmittel, so daß sich dann der Thermosiphon-ffffekt in dieser Richtung ausbilden kann. Nach der Inbetriebnahme wird das Ventil 38 geöffnet , und der Zirkulator 32 angehalten.

Der Zirkulator kann von dem Kühlkreislauf durch zwei Schutzventile 40 und 42 zu Reperaturzwecken abgetrennt werden. In gleichem Sinn kann man die Kältemaschine 34 mit Hilfe zweier Schutzventile 44 und 46 aus dem Kühlkreislauf nehmen. Freilich, dann sollte jedoch zumindest zeitweise der Rotor 50 stillgesetzt und die Maschine außer Betrieb genommen werden. Die während einer gewissen Zeit noch im Rotor 5O entstehende Restwärme könnte die Wicklungen 4 beschädigen; deshalb sieht man ein Hilfsventil 48 vor, das die beiden Drehdichtungen miteinander verbindet. Dieses Ventil ist im Normalbetrieb geschlossen. Wird es geöffnet, dann wird nicht nur die Pumpe 32, sondern auch die Kältemaschine kurzgeschlossen, während das Helium aufgrund des Thermosiphon-Effekts noch im Rotor umlaufen kann, solange dieser sich dreht. Damit bleibt die Temperatur der Wicklungen 4 und des Umfangsbereichs des Rotors 50 unterhalb der kritischen Temperatur, wobei evtl. eine Reservemenge von Kühlmitteln im Kreis wirksam wird. Die Heliummenge, die

>die

langsam erwärmt wird, reicht aus, um die Wärme-vor dem vollständigen Anhalten des Rotors erzeugt wird, zu absorbieren?

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man kann sogar, wenn diese Menge groß ist, die Maschine unter Last weiter betreiben und die Kältemaschine gleichzeitig reparieren oder nur solange, bis eine Ersatzmaschine die Last übernommen hat.

Es hat sich als günstig herausgestellt, die Querschnitte der ausgangsseitigen Leitungsbereiche größer als die der Zuführungs-Leitungsbereiche zu wählen. Dadurch erwärmt die von außen zugeführte Wärme das Kühlmittel dann, wenn es bereits erwärmt aus dem Rotor kommt, und eventuelle Kühlmittelverluste an der äußeren Drehdichtung betreffen ein bereits im Rotor erwärmtes Kühlmittel. Natürlich versucht man, diese Wärmezufuhr und diese Verluste so gering wie möglich zu halten. Zudem kann diese Anordnung gegebenenfalls den Zirkulator 32 überflüssig machen, da bereits durch diese Anordnung die für den Thermosiphon-Effekt richtige Umlaufrichtung des Kühlmittels erzwungen wird. In der Tat erzeugt der größere Durchmesser im Auslasbereich einen zentrifugalen Pumpeffekt, der sich nur in der richtigen Richtung auswirken kann. Zur Verringerung der Wärmezufuhr wird jedoch der Durchmesser der ausgangsseitigen Leitungsbereiche geringer gewählt als der,der zur optimalen Ausnutzung des zentrifugalen Pumpeffekts notwendig wäre. Dieser Durchmesser liegt beispielsweise bei 50 mm. Die Ausnutzung dieses Effekts.um eine Wechselstrommaschine zu kühlen, und zwar im Zusammenhang mit einer ausgangsseitigen Drehdichtung großen Durchmessers, wurde bereits in der US-PS 3 089 969 beachrieben.

Wenn das System ohne Zirkulator betrieben wird, dann arbeitet es nur zufriedenstellend, wenn die innere Drehdichtung 52 hinreichend dicht ist. In der Praxis wurde festgestellt, daß

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diese Bedingung erfüllt ist, wenn das radiale Spiel zwischen dem drehenden und dem drehfesten Dichtungsteil im Fall einer Ausführung als Bajonettdichtung geringer als 2 mm ist. Wenn dagegen der Zirkulator 32 in Betrieb ist, dann ist der Durchsatz durch die Kältemaschine gesichert, und es könnte ein noch größeres radiales Spiel zugelassen werden.

Beispielsweise läßt sich die Erfindung auf eine Wechselstrommaschine einer Leistung nahe 1 GW anwenden, die mit 50 Umdrehungen pro Sekunde dreht und deren Rotor einen Durchmesser nahe 1 m aufweist; der Heliumdurchsatz im Rotorbereich kann zwischen 100 und 200 g/s betragen, der Heliumdruck im Bereich der Drehachse 1 einige Bar. Die Rotoreinlaßtemperatur des Kühlmittels liegt in der Nähe von 4 K und die Austrittstemperatur etwas höher, beispielsweise bei 5 K. Unter diesen Bedingungen kann der Thermosiphon-Effekt einen äquivalenten Pumpdruck in der Größenordnung von 30 Millibar erzeugen. Der Zirkulator liefert einen Durchsatz von 100 bis 200 g/s bei einer Manometerhöhe in der Größenordnung von 50 Millibar.

Die innere Drehdichtung 52 und die an diese Dichtung anschließenden Leitungsbereiche 16 und 20, sowie ein Stück des drehfesten Bereichs der äußeren Drehdichtung 28 sind in vergrößertem Maßstab und mit zusätzlichen Einzelheiten in Fig. 2 dargestellt.

Der drehende Teil 16 der inneren Drehdichtung ist an den drehfesten Teil 20 über ein nur axial verschiebbares Rohrstück 54 gleichen Durchmessers angeschlossen. Die drei Teile 16, 20 und 54 sind axial ausgerichtet. Das Rohrstück 54 durchdringt das Ende des drehfesten Bereichs 28 der äußeren Dreh-

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dichtung. Dieser letztere Bereich ist an die Leitung 30 angeschlossen, die senkrecht zur Achse 1 verläuft. Die Dichtheit zwischen dem drehfesten Bereich 28 und dem Rohrstück 54 wird durch eine reibende Dichtung 58 erreicht, die von einer Überwurfmutter 60 gehalten wird und die am äußeren Stirnrand einer Muffe 62 liegt. Diese Muffe umgibt das Rohrstück 54 über eine axiale Länge von zwischen 10 und 30 cm, und zwar mit einem Abstand von beispielsweise 0,2 mm.

Aufgrund dieser Anordnung bleibt die Reibdichtung 58 auf einer Temperatur in der Nähe der Umgebungstemperatur. Das Rohrstück 54 ist in ähnlicher Weise auch an das drehfeste Teil 20 der inneren Drehdichtung angeschlossen. Die zum Rotor weisende Stirnseite dieses Teils 20 weist ebenfalls eine Muffe 64 auf, die das Ende des Rohrstücks 54 umschließt. Für Dichtheit sorgt eine weitere Reibdichtung 66, die von einer Überwurfmutter 68 gehalten wird.

Die Wände der Teile 20 und 28 so«wie des Rohrstücks 54 sind hohl und der Zwischenraum ist evakuiert. Die Wandstärke liegt in der Größenordnung von 1 bis 3 mm, und als Material ist rostfreier Stahl gewählt, der ein schlechter Wärmeleiter ist, sodaß das Ganze eine ausreichende Wärmeisolation darstellt.

Das verschiebbare Rohrstück 54 wird von zwei Trägerringen 70 und 72 gehalten, die je mit einer Reibgarnitur 74 bzw. 76 versehen sind.

Zwischen den beiden Trägerringen ist das Rohrstück 54 mit einem Zapfen 78 versehen, an dem ein um eine Schwenkachse 82 beweglicher Hebel 80 angreift. Durch den Hebel wird das Rohrstück 54 axial verschoben.

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Der Anschluß zwischen dem drehenden Bereich 16 der inneren Drehdichtung und dem verschiebbaren Rohrstück 54 erfolgt nach Art eines Bajonetts, wobei der Bereich 16 außen liegt und das Rohrstück 54 innen, d.h., daß eine Verlängerung 84 des Bereichs 16 eine Verlängerung 86 des RohrStücks 54 über eine gewisse Länge umgibt.

Wenn das Rohrstück 54 über den Hebel 80 in seine rotornächste Extremstellung gebracht ist, dann gelangt die Verlängerung 86 gegen eine Anschlagfläche 88 des Bereichs 16 zum Anschlag. Diese Anschlagfläche liegt hinter der Verlängerung 84, und zwar dort, wo das Teil 16 seinen Querschnitt auf den wirksamen Durchflußquerschnxtt verringert. Der Anschlag könnte aber auch am anderen Ende der Verlängerung 84 gebildet werden. In diesem Fall würde dieses andere Ende gegen eine Anschlagfläche 90 am Rohrstück 54 anliegen.

Auch ein gleichzeitiger Anschlag an beiden Flächen 88 und 90 ist möglich, wenn die beiden Verlängerungen 84 und 86 gleich lang sind. Die Dichtheit zwischen dem Teil 16 und dem Rohrstück 54 wird durch direkten Metall-Metall-Kontakt oder mit Hilfe einer Teflongarnitur erzielt, aber das Dcehteil 16 muß dann immobil sein, d.h. der Rotor muß stillstehen. Diese Endstellung des Rohrstücks wird daher nur bei stillstehender Maschine zur Rotorkühlung verwendet.

Das Rohrstück 54 kann auch unter dem Einfluß des Hebels 80 etwas vom drehenden Teil 16 entfernt werden, so daß ein axialer Abstand von 2 mm zwischen den Stirnseiten der Verlängerungen 84 und 86 und den Anschlagflächen 90 bzw. 88 entsteht. Das Rohrstück 54 befindet sich dann in einer Zwischen-

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stellung, die in der Pig. 2 dargestellt ist. Dar radiale Abstand zwischen den gegenüberlxegenden Flächen der Verlängerungen 84 und 86 zeigt zwei unterschiedliche Werte!

Die innere Verlängerung 86 weist zwei unterschiedliche Zonen auf, nämlich eine Zone 92 am Ende des Rohrstücks und eine Zone 94, die sich an die Zone 92 anschließt. Die beiden Zonen sind je zwischen 5 und 20 cm lang; der Außendurchmesser der Zone 92 ist geringer als der der Zone 94, so daß bei konstantem Innendurchmesser der Verlängerung 84 des Drehteils 16 der radiale Abstand zum Drehteil 16 in der Zone 92 größer als in der Zone 94 ist.

Der Innendurchmesser der Verlängerung 84 liegt zwischen 20 und.40 mm. Der Abstand zwischen der Verlängerung 84 und der Verlängerung 86 liegt in der Zone 92 bei 1 bis 2 mm, und in der Zone 94 bei 0,6 bis 1 mm.

In beiden Zonen und an beiden Verlängerungen sind die einander zugewandten Flächen mit ringförmigen Rillen 96 einer Tiefe von 1 bis 5 mm überzogen. Der Mittelabstand zweier Rillen zueinander liegt zwischen 2 und 10 mm, so daß die Strömung des Kühlmittels in diesem Zwischenbereich erschwert ist. Der gegenseitige Abstand der Flächen in der Zone 94 wird unter Berücksichtigung der Herstellungstoleranzen und der Fluchtungsfehler festgelegt. Der Abstand in diesem Bereich bestimmt im wesentlichen den Verlustdurchsatz des Kühlmittels.

Die dargestellte Zwischenposition des Rohrstücks 54 wird verwendet, wenn der Rotor mit geringer Geschwindigkeit, beispielsweise mit 100 Umdrehungen pro Minute, rotiert, beispielsweise während des Abkühlens des Rotors vor Inbetriebnahme der Maschine.

Man kann schließlich mit Hilfe des Hebels 80 das Rohrstück 54 in eine von dem Teil 16 am weitesten entfernte Endstellung bringen. In dieser Stellung befindet sich nur die Zone 92 gegenüber der Verlängerung 84. Der radiale Abstand zwischen diesen beiden Teilen ist hinreichend groß, um Schäden an der Dichtung aufgrund von Schlägen der Welle zu vermeiden, d.h. aufgrund von Bewegungen des Teils 16 senkrecht zur Achse Solche Schläge sind praktisch unvermeidlich, wenn der Rotor mit Sollgeschwindigkeit dreht. Der radiale Abstand in der Zone 92 wird also unter Berücksichtigung der zur erwartenden Amplitude dieser Schläge gewählt. Praktische Erfahrungen haben jedoch gezeigt, daß es nicht günstig ist, diesen Abstand unter 0,6 mm zu verringern.

Selbstverständlxch kann das Ergebnis, d.h. die Vergrößerung des radialen Abstands zwischen den Verlängerungen 84 und 86 durch Verschiebung des Rohrstücks 54 im Rahmen der Er findung auch durch eine etwas andere Anordnung erzielt werden, beispielsweise indem den einander gegenüberliegenden Flächen der beiden Verlängerungen die Form zweier zur Achse 1 koaxialer Pyramidenstümpfe gleichen Spitzenwinkels gegeben würde.

Die vorliegende Erfindung bringt weiter folgende Vorteile : Es gibt keine reibende Dichtgarnitur im Tiefsttemperaturbereich, also keine Abnutzung. Es gibt keine Führungslager oder ähnliche Mittel in der Nähe der inneren Drehdichtung, wodurch sonst eine sehr komplexe Struktur und eine schwierige Wartung bedingt würden.

Der Verlustdurchsatz von der inneren zur äußeren Drehdichtung verringert nicht die Wirksamkeit der Kältemaschine,

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was die Külhung des Rotors angeht, da der Thermosiphon-Effekt im Inneren des Rotors wirksam ist und da der Verlustdurchsatz im Inneren des Rotors rotiert und nicht über die Kältemaschine. Wenn dagegen das Helium hauptsächlich durch äußere Mittel in Umlauf gesetzt würde, beispielsweise durch den Zirkulator 32, dann würde der Verlustdurchsatz im äußeren Teil des Kreislaufs umlaufen, sodaß die Kältemaschine für einen erhöhten Durchsatz ausgelegt sein müßte.

Patentansprüche

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

1 -J Elektrische Maschine mit supraleitender Rotorwicklung und einem Kühlkreislauf, der Drehdichtungen besitzt, bestehend aus einem Stator, einem Rotor und einer drehfest montierten Kältemaschine, wobei der Rotor im Inneren Leitungsbereiche aufweist, durch die ein Kühlmittel aufgrund der von der Umdrehung des Rotors stammenden Zentrifugalkraft in Umlauf versetzt wird, wobei die Leitungsbereiche ein drehendes Dichtungsteil, im Anschluß daran einen radial nach außen führenden Leitungsbereich, dann einen in der Nähe der Wicklungen verlaufenden peripheren Leitungsbereich, daran anschließend einen das Kühlmittel wieder radial nach innen führenden Leitungsbereich, und schließlich eine das drehende Teil des Kühlmitteleintritts umschließende Ausgangsleitung umfaßt, und wobei ein äußerer nicht drehender Kühlkreislauf ein drehfestes Leitungsteil im Achsbereich aufweist, das mit dem drehenden Teil eine innere Drehdichtung bildet, während ein drehfester, ringförmiger Bereich mit der ringförmigen Ausgangsleitung des Rotors eine äußere Drehdichtung bildet, und wobei in Serie mit der Kältemaschine ein Zirkulator vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die innere Drehdichtung (52) eine Bajonettdichtung ist, in der ein drehendes Teil (16) ein drehfestes Teil (54) über eine axiale Überlappungslänge umschließt, und zwar mit einem radialen Abstand zwischen den Flächen der beiden Teile, der größer als 0,6 mm zumindest während des Betriebs bei maximaler Drehzahl ist, so daß sich ein Thermosiphon-Effekt aufgrund der Rotordrehung und der

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Temperaturunterschiede des Kühlmittels zwischen Einlaß und Auslaß ergibt.

2 - Elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Zirkulator (32) mit Hilfe eines Hauptventils (38) kurzschließbar ist.

3 - Elektrische Maschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen dem drehenden Teil (16) und dem drehfesten Teil (54) der inneren Dichtung (52) geringer als 2 mm gewählt ist, und daß die Querschnitte der Leitungsbereiche im Rotor und in den Drehdichtungen so gewählt sind, daß der Thermosiphon-Effekt bei offenem Hauptventil (38) und stillstehendem Zirkulator zur Kühlung des Rotors oberhalb einer gegebenen Rotordrehzahl ausreicht·

4 - Elektrische Maschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Hilfsventil (48) vorgesehen ist, mit dem die drehfesten Teile (20, 28) der beiden Drehdichtungen miteinander verbunden werden können·

5 - Elektrische Maschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der äußere Kühlkreislauf eine Reservemenge (49) an Kühlmitteln aufweist, die ausreicht, die vom Motor abgegebene Wärme zu absorbieren, wenn dieser nach einem Abschalten der Leistung langsam ausläuft.

6 - Elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der einander

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gegenüberliegenden Flächen der inneren Drehverbindung ihren Abstand zur Drehachse verändert, und daß eines (54) der beiden Teile (16, 54) der Drehdichtung (52) teilweise aus einem parallel zur Rotorachse (1) verschiebbaren Rohrstück besteht, derart, daß der radiale Abstand zwischen den sich überlappenden Bereichen des drehenden bzw. drehfesten Teils größer ist in einer Schiebeendstellung des Rohrstücks (54) als in der anderen, wobei mechanische Verschiebemittel (78, 80) die Stellung des RohrStücks (54) unter Berücksichtigung der Rotordrehzahl steuern.

7 - Elektrische Maschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das verschiebbare Rohrstück (54) eine erste Endstellung aufweist, in der der Kühlmittelverlust an der inneren Drehdichtung (52) gering ist und eine hierzu entgegengesetzte Endstellung, bei der die radiale Bewegungsfreiheit des drehenden Teils (16) erhöht ist.

8 - Elektrische Maschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Rohrstück (54) und das drehende Teil (16) der inneren Drehdichtung (52) miteinander stirnseitig in Berührung kommen, wenn sich das Rohrstück in seiner ersten Endstellung befindet, wobei dann der Rotor stillstehen muß.

9 - Elektrische Maschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eines der beiden die innere Drehdichtung (52) bildenden Teile im Überlappungsbereich eine dem stirnseitigen Ende benachbarte Zone (92) auf-

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weist, in der der Abstand zum anderen Teil (16) größer ist als in der Zone (94) des restlichen Überlappungsbereichs, und da£ in einer Endstellung des RohrStücks (54) nur die erstgenannte Zone (92) wirksam ist.

10 - Elektrische Maschine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das verschiebbare Rohrstück (54) eine dritte, zwischen den beiden Endstellungen liegende Ruhestellung aufweist, die eingenommen wird, wenn der Rotor nur eine geringe Drehzahl besitzt, wobei zwar noch die Zone (94) geringen Äbstands zwischen den beiden Teilen (54, 16) wirksam ist, jedoch keine stirnseitige Berührung der beiden Teile mehr erfolgt.

11 - Elektrische Maschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine der einander gegenüberliegenden Flächen des drehenden und drehfesten Teils (54, 16) der inneren Drehdichtung (52) ringförmige Rillen (96) aufweist.

12 - Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß ihre elektrische Leistung größer als lOO MW ist.

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