DE2753459B2 - Elektrische Maschine mit Kryogenkühlung - Google Patents
Elektrische Maschine mit KryogenkühlungInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine kryogengekühlte elektrische Maschine der im Oberbegriff des Patentanspruchs
1 beschriebenen, aus der FR-PS 23 09 066 bekannten Art.
Derartige kryogengekühlte Maschinen mit normaler Schaltung nahen eine supraleitfähige Wicklung, die im
Läufer befestigt ist, der in einen hermetisch abgeschlossenen wärmeisolierenden Körper mit Schutzvakuum im
Innern eingeschlossen ist. Die supraleitfähige Erregerwicklung hat ein Kryogenkühlsystem. Die Tieftemperaturzone
der supraleitfähigen Wicklung muß von dem Umgebungsmedium wärmeisoliert sein. Eine vollständige
Isolierung des Antriebssystems der Maschinen ist nicht möglich, da zumindest das Antriebsende der
Läuferwelle im Umgebungsmedium untergebracht werden muß. Die Welle muß möglichst massiv
ausgeführt sein, da sie das Drehmomenv sowohl anzunehmen als auch zu übertragen hat, so daß sie den
Hauptanteil der Wärmezufuhr (bis 50%) zur supraleitfähigen Wicklung übernimmt. Bei der bekannten Maschine
der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 beschriebenen Art wird zwar das Kältemittel durch eine
Zentralbohrung in der Läuferwelle ein- und durch einen hierzu koaxialen Ringkanal ausgeleitet, so daß die Welle
gut gekühlt ist. Durch den Ringkanal ergeben sich jedoch Schwierigkeiten hinsichtlich der Festigkeit und
Lagerung der Welle, die eine Anwendung der bekannten Läuferwellenkonstruktion praktisch verbieten.
Aus der SU-PS 4 48 548 ist bereits eine elektrische Maschine mit Kryogenkühlung bekannt, bei der zur
Verminderung der Wärmezufuhr iängs der Weüe zur
supraleitenden Läuferwicklung an den Verbindungsstellen des mittleren Läuferteils mit der Welle öffnungen
zur Ableitung des Kältemittels aus dem Läuferraum vorgesehen sind. Der abgeleitete Wärmemittelfluß dient
gleichzeitig auch zur Kühlung der Enden der Läuferwelle.
Bei diesem konstruktiven Aufbau ist die Wirksamkeit der Kühlung wegen der kleinen Wärmeabgabefläche
gering; eine Erhöhung ist nur auf Kosten der Festigkeit
ίο der Welle möglich.
Aus der SU-PS 4 76 638 ist ferner eine elektrische Maschine bekannt, bei der als Kühleinrichtung für die
Enden der Läuferwelle wärmeisolierende Stopfen verwendet werden, die im mittleren Teil des Hohlläufers
an den Verbindungsstellen desselben mit der Läuferwelle angeordnet sind. Die konjugierenden Flächen der
värmeisolierenden Stopfen und des mittleren Läuferteils sind mit ineinander greifenden schraubenförmigen
Rippen versehen, zwischen denen ein das Kältemittel führender Kanal gebildet ist.
Die Zufuhr des Kältemittels zur supraleitenden Erregerwicklung erfolgt über einen Kanal, der längs der
Achse der Läuferwelle von einem Ende der Welle ausgeführt ist
Die in den Innenraum des Läufers eindringende Wärme verdampft das Kältemittel und die entstandenen
Dämpfe gelangen in die Spalten zwischen der Innenfläche des mittleren Läuferteils und der Außenfläche
des wärmeisolierenden Stopfens. Während der Bewegung zwischen den Rippen zu den Kanälen zur
Ableitung des Kältemittels nimmt das kalte Gas die von außen von den Stirnflächen der Welle eingedrungene
Wärme auf.
Jedoch ist bei dieser Maschine die Kühlung der Enden der Läuferwelle wenig wirksam, da an den Befestigungsstellen der Wellenenden und des mittleren Läuferteils,
wo kein Schutz vor der Wärmezufuhr vorgesehen ist, in den Läuferraum eine beträchtliche Wärmemenge
eindringt.
Die zusätzliche Kühleinrichtung für die Enden der Läuferwelle, nämlich der wärmeisolierende Stopfen,
verkompliziert die Konstruktion der Maschine und vergrößert ihre Abmessungen.
Außerdem wird das bei der Bewegung in dem Kanal zwischen den Rippen erhitzte Gas über die Kanäle zur
Ableitung des Kältemittels ins Innere der elektrischen Maschine geleitet, da sie keine Sammeleinrichtung für
das verbrauchte Kältemittel aufweist.
Ferner ist die Maschine vor der Wärmezufuhr über die Stromzuleitungsschienen nicht geschützt.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine elektrische Maschine mit Kryogenkühlung der Läuferwelle
ohne Beeinträchtigung deren Festigkeit so auszuführen, daß ihre Enden über die gesamte Länge
und den gesamten Querschnitt derselben gekühlt werden können.
Diese Aufgabe wird bei der gattungsgemäßen elektrischen Maschine erfindungsgemäß durch die im
kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 beschriebenen Maßnahmen gelöst.
Bei der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine mit Kryogenkühlung lassen sich die Wellenenden über
deren gesamte Länge und Querschnitt kühlen, so daß die Wärmezufuhr über die Läuferwelle in den
Innenraum des Läufers gegenüber den bekannten Maschinen wesentlich (um das 3- bis 4fache) vermindert
werden kann. Dabei erlaubt die erfindungsgemäße Konstruktion der I.äuferwelle einen einfachen Aufbau
der Maschine selbst, eine Verminderung ihrer Abmessungen,
eine Erhöhung der Betriebssicherheit und als Folge eine Verminderung des Verhältnisses der
Abmessungen der gesamten Maschine zu ihrer Leistung wenigstens um das 5fache.
Bevorzugte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine sind
Gegenstand der Patentansprüche 2 bis 5.
Nachstehend wird die Erfindung anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher
erläutert. Es zeigt
Fig. 1 den Gesamtquerschnitt einen elektrischen
Maschine mit Kryogenkühlung; und
F i g. 2 einen Schnitt durch das Profil des Gewindes an der Läuferwelle der elektrischen Maschine mit den
Stromzuleitungsschienen.
Die elektrische Maschine mit Kryogenkühlung enthält einen Hohlläufer 1, dessen Welle sich auf die
Lager 3 in den stirnseitigen Lagerschilden 4 eines hermetisch abgeschlossenen Körpers 5, an dessen
inneren Fläche die Ständerwicklung 6 befestigt ist, abstützt In dem Raum zwischen Hohlläufer 1 und
Körper 5 wird ein Vakuum aufrechterhalten, das als Wärmeisolation für den Hohlläufer 1 dient. Zum Halten
des Vakuums sind in den Lagerschilden 4 rotierende Vakuumdichtungen /untergebracht.
Der Hohlläufer 1 besteht aus einem nicht magnetischen
Zylinder 8, in dem mit Epoxydkompoundmasse eine Erregerwicklung 9 befestigt ist. Die Erregerwicklung
9 ist aus einem supraleitenden Material, zum jo Beispiel Zinniobit (NbjSn) hergestellt. Sie kann auch aus
anderen Stoffen mit guter Leitfähigkeit, wie Zirkoniumniob und Titanniob, hergestellt werden.
Die Erregerwicklung 9 wird bis auf den supraleitenden Zustand mit Hilfe eines Kältemittels 10 gekühlt, das J5
den Innenraum des nichtmagnetischen Zylinders 8 ausfüllt. Als Kältemittel wird Flüssigwasserstoff bzw.
Helium in flüssigem und gasförmigem Zustand benutzt. Das Kältemittel 10 wird der Erregerwicklung 9 über
eine vakuumdichte Rohrleitung 11 zugeführt, die im Axialkanal 12 der Welle 2 auf der einen Seite der Welle
2 verlegt ist Zur Ableitung des Kältemittel 10 von der Erregerwicklung sind im Läufer 1 zwei Kammern 13
vorhanden, die von den Stirnwänden des nichtmagnetischen Zylinders und der Erregerwicklung 9 gebildet
werden. Die Enden der Welle 2 des Hohlläufers 1 sind in Form von zwei Koaxialrohren 15, 16 ausgeführt, die
miteinander mittels eines Gewindes verbunden sind, dessen Spiel die Kanäle 14 zur Ableitung des
Kältemittels 10 bilder:, die mit den Kammern 13 in Verbindung stehen.
Je nach dem zu übertragenden Drehmoment und der über die Welle 2 zur Erregerwicklung 9 fließenden
Wärmemenge kann das Gewinde sowohl über die gesamte Verbindungslänge der Rohre als auch auf
einzelnen Abschnitten ausgeführt sein.
Die Zahl der Koaxialrohre kann auch größer als zwei sein. Das Gewinde wird zweckmäßigerweise als
Mehrfachgewinde ausgeführt was es gestattet, die Wärmeabgabefläche zu vergrößern, den Kältemittelbewegungswiderstand
zu vermindern und einen vorgegebenen Temperaturgradienten über die Länge der Welle
zu erhalten.
Zur Sicherung des erforderlichen Gasdurchtrittes muß das Gewinde mit einem garantierten Spiel,
beispielsweise als Trapezgewinde mit nichtvollem Profil ausgeführt sein.
Damit beide Enden der Welle 2 des Hohlläufers 1 gekühlt werden, sind die Gewinde an den Enden der
Welle 2 entgegengesetzt gerichtet, wobei die Richtung in Abhängigkeit von der Bewegungsrichtung des Gases
gewählt wird; und zwar muß die Bewegungsrichtung des Kältemittels mit der Gewinderichtung übereinstimmen.
Die Kanäle 14 stehen mit einem Gassammler 17. in Verbindung, der die Enden der Welle 2 umfaßt.
Zur Speisung der Erregerwicklung 9 dienen aus Kupfer gefertigte Stromzuleitungsschienen 18 (Fig.2),
die gekühlt werden müssen, da Stromleiter zugleich Wärmeleiter sind.
Zur Aufhebung der Wärmezufuhr sind die Stromzuleitungsschienen 18 in den Kanälen 14 zur Ableitung des
Kältemittels 10 untergebracht; dazu sind in dem Gewindeprofil Nuten 19 ausgeführt, in welchen die
Stromzuleitungsschienen 18 untergebracht sind. Sie können im Gewindeprofil des äußeren Rohres 15
und/oder des inneren Rohres 16 untergebracht werden.
Das als Kältemittel 10 benutzte Helium wird, wie in F i g. 1 durch Pfeile angedeutet, der supraleitenden
Erregerwicklung 9 über die Rohrleitung 11 zugeführt.
Durch die in den Innenraum des Läufers 1 eingedrungene Wärme verdampft das Helium, die entstandenen
Heliumdämpfe gelangen in die Kammern 13 und werden dann über die Kanäle 14 zur Ableitung des
Kältemittels 10 aus dem Innenraum des Hohlläufers 1 abgeleitet, wobei sie beide Enden der Welle 2 und die
Stromzuleitungsschienen 18 in den Nuten 19 kühlen; sie treten in die Gassammler 17 aus.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
Claims (5)
1. Elektrische Maschine mit Kryogenkühlung mit einem Hohlläufer, in dem eine an Stromzuleitungsschienen
angeschlossene supraleitende Erregerwicklung angeordnet ist und dessen Welle koaxiale
Kanäle für die Kältemittelzu- und -abfuhr zu bzw. von der supraleitenden Erregerwicklung aufweist,
dadurch gekennzeichnet, daß beide Enden der Welle (2) des Hohlläufers (1) zumindest aus zwei
Koaxialrohren (15, 16) bestehen, die mittels eines spielbehafteten Gewindes miteinander verbunden
sind, dessen Spiel die Kanäle (14) für die Kältemittelabfuhr bildet
2. Elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gewinde an den verschiedenen
Enden der Welle (2) des Läufers (1) entgegengesetzt gerichtet sind.
3. Elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gangrichtung des spielbehafteten
Gewindes mit der Bewegungsrichtung des Kältemittels (10) übereinstimmt
4. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in dem
Profil des spielbehafteten Gewindes Nuten (19) ausgeführt sind, in denen die Stromzuleitungsschienen
(18) untergebracht sind.
5. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die
Koaxialrohre (15, 16) der Welle (2) des Läufers (1) mittels eines Mehrfachgewindes miteinander verbunden
sind.
Applications Claiming Priority (1)
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Family Applications (1)
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