DE2717580A1

DE2717580A1 - Rotor mit supraleitender erregerwicklung fuer eine elektrische maschine

Info

Publication number: DE2717580A1
Application number: DE19772717580
Authority: DE
Inventors: Hisashi Fujii
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 1976-05-26
Filing date: 1977-04-20
Publication date: 1977-12-15
Also published as: DE2717580B2; FR2353158B1; FR2353158A1; CH615056A5; DE2717580C3; SE7705618L; GB1540933A; JPS52143420A

Description

FUJI ELECTRIC CO. LTD. Mein Zeichen 2717 580

Kawasaki/Japan VPA 76 P 8017

Rotor mit supraleitender Erregerwicklung für eine elektrische Maschine

(Die Priorität der Voranmeldung in Japan Akt.Z. T51-60920 vom 26. 5. 1976 wird in Anspruch genommen)

Die Erfindung bezieht sich auf einen Rotor einer elektrischen Maschine, der einen mitrotierenden zylinderförmigen Vakuumbehälter enthält, in dem ein Trägerzylinder mit supraleitenden Spulen einer Erregerwicklung angeordnet ist. Die beiden Stirnselten des Trägerzylinders sind jeweils mit einem an einem Wellenteil befestigten Endflansch verbunden.

Ein Wechselstromgenerator mit einem derartigen Rotor ist beispielsweise aus der US-Patentschrift 3 956 648 bekannt. Der Rotor dieser Maschine enthält einen inneren Trägerzylinder, auf dem supraleitende Spulen einer Erregerwicklung angeordnet sind. Dieser Trägerzylinder ist von einem vakuumfest abgedichteten, mitrotierenden zylinderförmigen Vakuumbehälter umschlossen und an seinen beiden Stirnseiten über verhältnismäßig lange rohrförmige Zwischenstücke an Endflanschen befestigt, die jeweils mit einem Rotorwellenteil starr verbunden sind. Der die supraleitenden Spulen tragende Teil des Trägerzylinders befindet sich im Betriebszustand der Maschine auf kryogener Temperatur. Zur Abkühlung auf diese

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Betriebstemperatur wird in die supraleitenden Spulen auf diesem Teil des Trägerzylinders, der sich zunächst auf Raumtemperatur befindet, gasförmiges, auf Tieftemperatür befindliches Helium oder flüssiges Helium auf kryogener Temperatur eingespeist. Bei diesem AbkUhlungsvorgang tritt in dem Trägerzylinder eine beträchtliche Schrumpfung, insbesondere in axialer Richtung, auf. Die damit verbundenen, entsprechend großen Zugkräfte greifen an den Endflanschen über die rohrförmigen Zwischenstücke des Trägerzylinders an. Um Deformationen dieser Bauteile und eine Beschädigung ihrer Verbindungen auszuschließen, müssen diese Bauteile eine entsprechende Festigkeit haben. Da ferner über die rohrförmigen Zwischenstücke zugleich die an dem Trägerzylinder bei Rotation auftretenden zentrifugalen Kräfte übertragen werden, haben sie deshalb eine verhältnismäßig große Wandstärke. Ihre wärmeleitende Querschnittsfläche ist deshalb entsprechend groß. Um dennoch eine Wärmeeinleitung von den auf Raumtemperatur befindlichen Endflanschen auf die auf Kryotemperatur befindlichen supraleitenden Spulen zu begrenzen, haben diese rohrförmigen Zwischenstücke des Trägerzylinders eine verhältnismäßig große axiale Länge. Der gesamte Rotor der bekannten Maschine ist deshalb dementsprechend lang.

Zur Verkürzung der gesamten axialen Länge des Rotors einer solchen Maschine können die Zwischenstücke aus mehreren verhältnismäßig kurzen, rohrförmigen Teilstücken mit verschiedenen Durchmessern bestehen, wobei sich diese rohrförmigen Teilstücke konzentrisch umschließen und jeweils zwei Stirnseiten benachbarter Teilstücke miteinander verschweißt sind (US-Patentschrift 3 891 875). Es ergeben sich so zwischen den auf Raumtemperatur befindlichen Teilen der Maschine und den supraleitenden Spulen der Erregerwicklung Verbindungselemente mit kurzer axialer Abmessung und langem Verbindungsweg. Die rohrförmigen Teilstücke des Verbindungselementes müssen jedoch ebenfalls einen verhältnismäßig großen Materialquerschnitt haben, um eine

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Deformation aufgrund der bei einer Abkühlung auftretenden Schrumpfung des Teils des Trägerkörpers, der die supraleitenden Spulen der Erregerwicklung trägt, auszuschließen.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, den Rotor einer

solchen Maschine so auszugestalten, daß die Schwierigkeiten bei einer Abkühlung der supraleitenden Erregerwicklung aufgrund einer Schrumpfung des inneren Trägerzylinders weitgehend beseitigt sind und dennoch die Wärmeeinleitung auf die Erregerwicklung verhältnismäßig gering ist.

Diese Aufgabe wird für einen Rotor der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Trägerzylinder an dem einen Endflansch über eine in einer radialen Ebene angeordnete, lamellierte Ringplatte aus dünnen ringscheibenförmigen Metallschichten und . an dem anderen Endflansch starr über ein tragendes Verbindungselement befestigt ist, dessen effektive Verbindungslänge größer als dessen axiale Abmessung ist.

Die Vorteile dieser Gestaltung des Rotors bestehen zum einen darin, daß die aus den dünnen Metallschichten zusammengesetzte Ringplatte in axialer Richtung flexibel ist und so eine Schrumpfung des inneren Trägerzylinders in dieser Richtung ermöglicht wird, ohne daß Verbindungsteile zwischen dem Trägerzylinder und den Endflanschen bzw. dem mitrotierenden Vakuumgehäuse besonders belastet werden, und daß zugleich aber eine starre Verbindung in radialer Richtung gewährleistet ist. Zum anderen ist vorteilhaft die Wärme einleitung über diese Verbindungsteile auf den Träger zylinder und somit auf die supraleitenden Spulen der Erregerwicklung gering, da diese Verbindungsteile einen für die Wärmeleitung verhältnismäßig langen Weg darstellen.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung des Rotors nach der Erfindung kann vorteilhaft die Ringplatte mit dem einen Endflansch über ein Zwischenstück oder eine Befestigungs-

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scheibe verbunden und dieses Bauteil in Form einer verhältnismäßig dünnwandigen Ringscheibe radial soweit nach innen verlängert sein, daß es an seinem inneren Ende an der äußeren Oberfläche des an der antriebsabgewandten Seite des Rotors liegenden Endstückes des Trägerzylinders angrenzt. Mit dieser Maßnahme wird zwar die axiale Verschiebung des Endstückes des Trögerzylinders nicht behindert, zugleich aber eine radiale Verschiebung unterbunden und die Ringscheibe von radialen Kräften entlastet.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung und deren in den Unteransprüchen gekennzeichneten Weiterbildungen wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in deren Fig. 1 schematisch ein Ausfuhrungsbeispiel einer supraleitenden Maschine mit einem Rotor gemäß der Erfindung angedeutet ist. In den Fig. 2 und ist ein Teil dieses Rotors näher veranschaulicht.

Der in Fig. 1 teils in einem Längsschnitt, teils in Längsansicht dargestellte Generator mit supraleitender Erregerwicklung enthält einen nicht näher ausgeführten Stator 1, der in bekannter Weise einen Rotor 2_ umschließt. Der Rotor kann durch einen in der Figur nicht dargestellten Primärantrieb in Rotation versetzt werden. Ein Wellenteil 4 des Rotors, das mit diesem Antrieb verbunden sein soll, ist in einem Wellenlager 6 drehbar gelagert. Entsprechend wird am gegenüberliegenden Ende des Rotors 2_ ein Wellenteil 3 in einem Wellenlager 5 gehalten. Mit dem Wellenteil 3 auf der antriebsabgewandten Seite des Rotors 2_ ist ein scheibenförmiger innerer Endflansch 3a und in entsprechender Weise auf der Antriebsseite mit dem Wellenteil 4 ein innerer Endflansch 4a starr verbunden. Am Außenrand dieser im wesentlichen in radialen Ebenen liegenden Endflansche 3a und 4a ist zwischen ihnen ein dickwandiges hohlzylindrisches Außengehäuse 7 mittels Bolzen 8 befestigt. Dabei sind alle Verbindungen zwischen diesem Außengehäuse und den Endflanschen durch Verschweißen vakuumdicht ausgeführt, so daß die Wellenteile 4 und 3 an der Antriebsseite bzw. der geg«nüber-

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liegenden Seite zusammen mit dem AußengehHuse 7 und den inneren Endflanschen 4a und 3a einen geschlossenen Vakuumbehälter darstellen. Nach dem Zusammenbau des Rotors wird dieser Vakuumbehälter, dessen Teile im allgemeinen auf einem Temperaturniveau gehalten werden, das etwa bei Raumtemperatur liegt, evakuiert. Durch die Vakuumisolation kann so eine Wärmeeinleitung von der Außenseite her in den von dem Außengehäuse 7 umschlossenen Innenraum vermindert werden.

Der Rotor enthält in diesem Innenraum einen bezüglich seiner Rotationsachse koaxial angeordneten Trägerzylinder 13, der mit einer zylinderförmigen Aussparung 13b versehen ist, in der supraleitende Spulen 15 einer Erregerwicklung angeordnet sind. Diese Spulen sind von einem rohrförmigen Halteelement 16 umschlossen und werden so in der Aussparung 13b gehalten. Obwohl in der Figur nicht besonders ausgeführt, ist dieses Spulenhalteelement 16 vakuumdicht mit dem spulentragenden Zylinder 13 verschweißt. In den von diesen Bauteilen eingeschlossenen Innenraum mit den darin befindlichen supraleitenden Spulen wird flüssiges Helium über in der Figur nicht dargestellte Zu- und Abführungsleitungen zur Kühlung der Leiter der Spulen auf eine kryogene Temperatur unterhalb der Sprungtemperatur des supraleitenden Leitermaterials eingespeist bzw. wieder ausgeleitet.

Der Trägerzylinder 13 zur Aufnahme der supraleitenden Spulen 15 der Erregerwicklung ist an dem inneren Endflansch 4a des antriebsseitigen Wellenteiles 4 über ein tragendes Verbindungselement 25_ starr verbunden. Die effektive Verbindungslänge dieses Elementes ist dabei vorteilhaft größer als die axiale Entfernung zwischen dem Endflansch 4a und dem TrägerzylInder 13- Das Verbindungselement 2£ enthält deshalb eine in einer radialen Ebene angeordnete Ringplatte 11, an deren Innenrand eine Trägerscheibe 12 mit etwa L-förmigem Querschnitt befestigt ist. Die scheibenförmige Ringplatte 11 und die L-förmige Trägerscheibe 12 stellen

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somit ein Verbindungselement mit etwa U-förmigem Querschnitt zwischen dem Endflansch 4a und dem Trägerzylinder 13 dar. Die Ringplatte 11 und die Trägerscheibe 12 können auch ein gemeinsames Formstück bilden, obwohl bei dem AusfUhrungsbeispiel gemäß der Figur von zwei getrennten Teilelementen ausgegangen wird. Die für eine Verbindung zwischen dem Endflansch 4a und der Ringscheibe 11 erforderlichen Bolzen oder Schrauben sind in der Figur mit 9_t die entsprechenden Bolzen bzw. Schrauben zwischen der Ringscheibe 11 und der Trägerscheibe 12 mit 9a sowie die Bolzen bzw. Schrauben zwischen dieser Trägerscheibe 12 und dem Trägerzylinder 13 mit 10 bezeichnet.

Die Wärmeeinleitung über das starre Verbindungselement 25.

auf den Trägerzylinder 13 und somit auf die supraleitenden Spulen 15 ist verhältnismäßig gering. Aufgrund der U-förmigen Gestaltung des Querschnittes dieses Verbindungselementes ergibt sich nämlich ein verhältnismäßig langer Wärmeleitungsweg. Die von dem inneren Endflansch 4a des antriebsseitigen

Wellenteils 4 auf Raumtemperatur zu dem die supraleitenden

Spulen 15 tragenden Zylinder 13 auf Tieftemperatur übertragene Wärmemenge ist somit entsprechend gering. Ferner ist es vorteilhaft, die Dicke der Ringplatte 11 nach ihrem Außenumfang hin abnehmen zu lassen, um so die Wärmeeinleitung auf den Trägerzylinder 13 weiter zu vermindern. Das Verbindungselement 25_ weist dennoch eine ausreichende Festigkeit auf, um die zwischen dem Trägerzylinder 13 bzw. der mit ihm verbundenen Erregerwicklung und dem Antrieb auftretenden Drehmomente eicher übertragen zu können.

An der antriebsabgewandten Wellenseite des die supraleitenden Spulen 15 tragenden Zylinders 13 ist dieser mit einem ringscheibenförmigem Teilstück 13a verbunden, das sich in einer radialen Ebene erstreckt. Zwischen dem äußeren Rand dieses TeilstUckes 13a und dem äußeren Rand der Trägerscheibe 12 ist ein hohlzylinderförmiges Dämpferschild 14 aus Stahl mittels Bolzen 10a bzw. 10b befestigt. Dieses Dämpferschild,

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das konzentrisch zur Rotationsachse zwischen dem Außengehäuse 7 und dem Spulenhaiteelement 16 angeordnet ist,hat die Aufgabe, elektromagnetische Wechselfelder, die von dem Stator 1 hervorgerufen werden, von der supraleitenden Erregerwicklung abzuschirmen. Es dient zugleich als Strahlungsschild, das die Strahlungswärme unterbindet, die von der Außenseite des AuBengehäuses 7 in dessen Innenraum eintritt.

Die Befestigung des Trägerzylinders 13 tür die supraleitenden Spulen 15 auf seiner dem Antrieb abgewandten Seite mit dem Endflansch 3a geht aus den Fig. 2 und 3 näher hervor. Fig. zeigt dabei einen entsprechenden, vergrößerten Ausschnitt des Längsschnittes nach Fig. 1, während in Fig. 3 ein Querschnitt längs der durch III-III in Fig. 2 gekennzeichnenden Ebene dargestellt ist. Der Trägerzylinder 13 geht auf seiner antriebsabgewandten Seite in ein dünnwandiges zylindrisches Teilstück 13c über, das in einem abgestuften Teilstück 13d endet. An dem radial verlaufenden Teil dieses abgestuften Endstückes 13d ist eine lameliierte Ringplatte befestigt, die aus einer Vielzahl von dünnen, ringscheibenförmigen Metallschichten besteht. Diese Ringplatte ist an ihrem inneren Umfang zwischen zwei Befestigungsringen 19 eingespannt und mittels einer Schraube 26 an dem abgestuften Endstück 13d.angeschraubt. Wie aus der Seixenansicht gemäß Fig. 3 näher hervorgeht, können außer den Schrauben 26 noch zusätzlich Stifte 20 vorgesehen sein, die sich durch die Ringplatte 18 und den zwischen der Ringplatte und dem abgestuften Endstück 13d liegenden Befestigungsring 19 bis in dieses Endstück 13d erstrecken. Mit dieser Maßnahme kann zusätzlich eine relative Verschiebung der Ringplatte 18 bezüglich des abgestuften Endstückes 13d bzw. des Trägerzyllndess 13 in Umfangerichtung unterbunden und eine gute Übertragung des Drehmomentes zwischen diesen beiden Teilen gewährleistet werden. In entsprechender Weise ist die Ringplatte 18 an ihrem Außenumfang an einer Seite einer Befest igung«scheibe 2J[ befestigt, die mit dem inneren Endflansch 3a des Wellenteiles 3 an der antriebsabgewandten Seite des

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Rotors 2 verbunden 1st. Hierzu 1st die Ringplatte 18 zwischen zwei Befestigungsringen 22 eingespannt, die mittels Schrauben oder Bolzen 27 an der Befestigungsscheibe 2Λ, gehalten werden. Auch an dieser Befestigungsstelle können gegebenenfalls Stifte 23 vorgesehen sein, um eine relative Verschiebung der Ringplatte 18 bezüglich der Befestigungsscheibe 22 in Umfangsrichtung zu verhindern und eine gute Drehmomentübertragung zu gewährleisten. Mit den Stiften 20 und 23 kann außerdem eine Verschiebung der Ringscheibenplatte 18 bezüglich des Trägerzylinders 13 und der Befestigungsscheibe 2I₁ in radialer Richtung verhindert werden. Die Befestigungsscheibe 22 kann darüber hinaus vorteilhaft in Form einer verhältnismäßig dünnwandigen Scheibe 28 soweit in radialer Richtung nach innen und parallel zu der Ringplatte 18 verlängert sein, daß sie mit ihrem Innenumfang an der äußeren Zylinderfläche des zylindrischen Endes des abgestuften Endstückes 13d anstößt. Wie in Fig. 3 durch eine gestrichelte Linie 29 angedeutet ist, sind in dem scheibenförmigen Teilstück der Befestigungsscheibe 2J[ an dessen Innenumfang halbkreis förmige Ausnehmungen vorgesehen, in denen die Köpfe der Schrauben oder Bolzen 26, mit denen die Ringplatte 18 an dem abgestuften Endstück 13d des Trägerzylinders 13 befestigt ist, angeordnet sind. Die Befestigungsscheibe 2A_ bzw. ihr scheibenförmiges Teilstück 28 enthält so an ihrem Innen umfang eine Vielzahl von fußartigen Endstücken 30, die an dem abgestuften Endstück 13d anliegen. Auf diese Weise kann eine radiale Verschiebung des Trägerzylinders 13 zusätzlich verhindert werden.

Wie bereits ausgeführt, ist der die supraleitenden Spulen 15 aufnehmende Trägerzylinder 13 mittels einer lam»llierten Ringplatte 18, die aus einer Vielzahl von dünnen Metallschichten besteht, an der Befestigungsscheibe 2J[ befestigt und über diese Befestigungsscheibe mit dem inneren Endflansch 3a des Wellenteiles 3 auf der antriebsabgewandten Seite des Rotors verbunden. Sobald nun das Kühlmedium, beispielsweise flüssiges Helium, in die supraleitenden Spulen eingeleitet wird und so

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auch den Trägerzylinder 13 abkühlt, kann eine damit verbundene axiale Schrumpfung des Trägerzylinders ausgeglichen werden, da sich die Metallschichten der lameliierten Ringplatte entsprechend verbiegen können. Die Rjchtung der Schrumpfung des TrägerzylInders 13 bzw. der Verbiegung der Ringplatte 1st in Fig. 2 durch einen Pfeil 31 angedeutet.

Dennoch hat die Ringplatte 18, die aus diesen dünnen Metallschichten besteht, eine ausreichende Festigkeit, um die auftretenden Drehmomente zu übertragen. Darüber hinaus stellt sie auch einen verhältnismäßig großen Widerstandswert für eine Wärmeübertragung von dem auf Raumtemperatur befindlichen Wellenteil 3 auf den abgekühlten Trägerzylinder dar. Dieser eine Wärmeübertragung behindernde Effekt kann zusätzlich noch vergrößert werden, indem gegebenenfalls das zylindrische Teilstück 13c des Trägerzylinders 13 verhältnismäßig dünnwandig ausgebildet wird.

Bei dem Rotor gemäß der Erfindung wird vorteilhaft eine Deformation aufgrund von Schrumpfungen des Trägerzylinders nur an der Ringplatte 18 hervorgerufen, da das antriebsseitige Ende des Trägerzylinders 13 starr mit dem entsprechenden Endflansch 4a des Wellenteiles 4 über das Verbindungselement 2£ verbunden ist. Die Wärmeeinleitung von der Außenseite über dieses Verbindungselement auf die supraleitenden Spulen 15 ist jedoch ebenfalls verhältnismäßig gering, weil dieses Verbindungselement einen entsprechend langen Weg für die Wärmeübertragung darstellt.

8 Patentansprüche
3 Figuren

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Leerseite

Claims

Patentansprüche

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LjRotor einer elektrischen Maschine, der einen raitrotierenden ^-»yiinderförmigen Vakuumbehälter enthält, in dem ein Trägerzylinder mit supraleitenden Spulen einer Erregerwicklung angeordnet 1st, dessen beide Stirnseiten jeweils mit einem an einem Wellenteil befestigten Endflansch verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Trägerzylinder (13) an dem einen Endflansch (3a) über eine in einer radialen Ebene angeordnete, lameliierte Ringplatte (18) aus dünnen ringscheibenförmigen Metallschichten und an dem anderen Endflansch (4a) starr über ein tragendes Verbindungselement (2£) befestigt ist, dessen effektive Verbindungslänge größer als dessen axiale Abmessung ist.
2. Rotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Endflansch (4a), an dem das Verbindungselement (2j?) befestigt ist, mit einer Antriebswelle verbunden ist und der mit der Ringplatte (18) verbundene Endflansch (3a) an der antriebsabgewandten Seite des Rotors (2_) angeordnet ist.
3. Rotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallschichten der Ringplatte (18) an ihrem Innen- und Außenrand Jeweils zwischen zwei Befestigungsringen (19 bzw. 22) eingespannt sind.
4. Rotor nach einem der Ansprüche I bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringplatte (10) mit dem einen Endflansch (3a) über ein Zwischenstück oder eine Befestigungsscheibe (21) verbunden und dieses Bauteil in Form einer verhältnis-.mäßig dünnwandigen Scheibe (28) radial soweit nach innen verlängert ist, daß es an seinem inneren Ende (30) an der äußeren Oberfläche eines an der antriebsabgewandten Seite des Rotors (2) liegenden Endstückes (13d) des Trägerzylinders (13) angrenzt.

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5. Rotor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teilstück des Trägerzylinders (13) zwischen dessen Hauptteil mit den supraleitenden Spulen (15) der Erregerwicklung und der Ringplatte (18) als dünnwandiger Zylinder (13c) ausgebildet ist.
6. Rotor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbindungselement (25.) zwischen dem antriebsseitigen Endflansch (4a) und dem Trägerzylinder (13) Teilelemente enthält, die im wesentlichen radial nach innen zur Rotorachse gerichtet sind.
7. Rotor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbindungselement (25_) mindestens zwei Teilelemente enthält.
8. Rotor nach Anspruch 6 oder 7_f dadurch gekennzeichnet, daß das Verbindungselement (25_) eine im wesentlichen in einer radialen Ebene angeordnete Ringscheibenplatte (11) mit einer nach ihrem Außenumfang allmählich abnehmenden Dicke enthält, die an ihrem Innenunifang mit einer Trägerscheibe (12) mit L-förmigem Querschnitt verbunden ist.

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