DE2753459C3

DE2753459C3 - Elektrische Maschine mit Kryogenkühlung

Info

Publication number: DE2753459C3
Application number: DE2753459A
Authority: DE
Inventors: Garij Michajlovitsch Chutoreckij; Iosif Filippovitsch Filippov; Gennadij Stepanovitsch Gorbunov; Anatolij Georgievitsch Korolkov; Jurij Stepanovitsch Popov; Lev Markovitsch Rozenfeld; Jurij Vasiljevitsch Skatschkov; Aleksandr Alekseevitsch Vinokurov
Original assignee: LENINGRADSKOE PROIZVODSTVENNOE ELEKTROMASCHINOSTROITELNOE OBEDINENIE ELEKTROSILA LENINGRAD; SPECIALNOE KONSTRUKTORSKOE BJURO ENERGOCHIMMASCH NOWOSIBIRSK
Current assignee: LENINGRADSKOE PROIZVODSTVENNOE ELEKTROMASCHINOSTROITELNOE OBEDINENIE ELEKTROSILA LENINGRAD; SPECIALNOE KONSTRUKTORSKOE BJURO ENERGOCHIMMASCH NOWOSIBIRSK
Priority date: 1976-11-30
Filing date: 1977-11-30
Publication date: 1980-12-18
Also published as: DE2753459B2; JPS5386414A; DE2753459A1; FR2372536B1; JPS6114742B2; FR2372536A1

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 hahen eine supraleitfähige Wicklung, die nn 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 Drehmoment 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 Ringkänäl äusgeleitet, 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 längs der Welle 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 Wärmeabgaje^che gering; eine Erhöhung ist nur auf Kosten der Festigkeit der Welle möglich.

Aus der SU-PS 4 76 638 ist ferner eine elektrische Maschine bekannt, bei der als Kühleinrichtung für die Enden der Läuferweile 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 mittlerem. 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 ^as Kältemittel und die entstandenen Dämpfe gelangen in die Spalten zwischen der Innenfläche des mittleren Läuferteils und der Außenfläche des wärmeisoiierenden 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 wir! 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 beschricbenen Mäßnahmen 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 Läufe;-welie in den InnertfaUrri des Läufers gegenüber den bekannten Maschinen wesentlich (um das 3^ bis 4fache) vermindert Werden kann. Dabei erlaubt die erfindungsgemäße Konstruktion der Läuferwelle einen einfachen Aufbau

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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

F i g. 1 den Gesamtquerschnitt einer elektrischen Maschine mit Kryogenkühiung; und

F i g. 2 einen Schnitt durch das Profil des Gewindes an der Läuferwelle der elektrischen Maschine mit den Stromzuleitungsschienen.

Die slektrische 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 7 untergebracht

Der Hohlläufer 1 besteht aus einem nichtmagnetischen Zylinder 8, in dem mit Epoxydkompoundmasse eine Erregerwicklung 9 befestigt ist. Die Erregerwicklung 9 ist aus einem supraleitenden Material, zum Beispiel Zinniobit (NbsSn) 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 den Innenraum des nichtmagnetischen Zylinders 8 ausfüllt Als Kältemittel wird FlüssigwasserstoT 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 K?näle 14 zur Ableitung des Kältemittels 10 bilden, 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 Leide Enden der Welle 2 des Hohlläufers 1 gekühlt werden, sind die Gewinde ,«n den Enden der Welle 2 entgegengesetzt gerichtet wob :\ 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 (F i g. 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 Stromzuleitungsschiener< 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, vobei 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

Patentansprüche:

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. Elekirsche 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 Koaxialroh-e (15, 16) der Welle (2) des Läufers (1) mittels eines Mehrfachgewindes miteinander verbunden sind.