DE2753460A1

DE2753460A1 - Elektrische maschine mit kryogenkuehlung

Info

Publication number: DE2753460A1
Application number: DE19772753460
Authority: DE
Inventors: Garij Michajlovits Chutoreckij; Iosif Filippovitsch Filippov; Gennadij Stepanovitsc Gorbunov; Anatolij Georgievitsc Korolkov; Jurij Stepanovitsch Popov; Lev Markovitsch Rozenfeld; Jurij Vasiljevitsch Skatschkov; Aleksandr Alekseevit Vinokurov
Original assignee: LE PROIZU ELMASH STR OB ELEKTR; SP K BUERO ENERGOCHIMMASCH NOW
Current assignee: LE PROIZU ELMASH STR OB ELEKTR; SP K BUERO ENERGOCHIMMASCH NOW
Priority date: 1976-11-30
Filing date: 1977-11-30
Publication date: 1978-06-01
Also published as: JPS5386413A; JPS6114741B2; DE2753460B2; DE2753460C3; SU629601A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf elektrische Maschinen, insbesondere auf eine elektrische Maschine mit Kryogenkühlung.

Die Erfindung kann in elektrischen Maschinen - in Motoren, Generatoren, Umformern, die in Atom-, Wärme- und anderen Kraftwerken benutzt werden, sowie im Verkehrs- und Flugwesen. Die Erfindung kann auch in kosmischen Elektrizitätswerken breite Anwendung finden. Sie wird zweckmäßigerweise in Einrichtungen verwendet, bei denen die Supraleitfähigkeit ausgenutzt wird, um Supraleiter gegen Einflüsse von zeitlich veränderlichen Magnetfeldern abzuschirmen.

Elektrische Maschinen mit Kryogenkühlung und normaler Schaltung haben bekanntlich je eine supraleitende Erregerwicklung, die im Hohlläufer befestigt ist, der in einen hermetisch abgeschlossenen wärmeisolierenden Körper eingeschlossen ist, in dessen Innerem ein Schutzvakuum vorhanden ist. Die supraleitende Erregerwicklung hat ein Kryogenkühlsystem. Die Tieftemperaturzone der supraleitenden Erregerwicklung muß wärmeisoliert werden, d.h. sowohl gegen konvektive und Strahlungswärmezuflüsse als auch gegen ankerwicklungsseitige Einflüsse bei der veränderlichen Magnetfeldverteilung geschützt werden, die durch ober- und subharmonische Komponenten des Magnetfeldes hervorgerufen werden, die in der Erregerwicklung einen Wechselstrom mit erhöhter Frequenz induzieren, die zumindest das 6-fache der Nennfrequenz ist. Dies führt zu zusätzlichen Verlusten in der supraleitenden Wicklung.

Supraleiter zweiter Klasse, die hohe Induktionen zulassen, haben verhältnismäßig hohe Wechselstromverluste.

Die Angaben über diese Verluste sind widersprüchlich. Auch wenn diese Verluste um einige Zehntausendemale geringer als die Verluste bei der Raumtemperatur wären, würden dennoch die Leistungsverluste im Kryogenkühlsystem beträchtlich sein.

Zur Verringerung der konvektiven Komponente des Wärmezuflusses verwendet man eine Vakuumisolation, die in der Regel als Ringvakuumspielräume ausgeführt ist, während zur Verringerung der Strahlungskomponente in diesen Ringspielräumen Wärmeabschirmungen angeordnet sind. Um die supraleitende

Erregerwicklung gegen veränderliche Verteilungen des Magnetflusses zu schützen, sieht man einen Magnetschirm vor, der aus einem Werkstoff mit guter Wärme- und elektrischer Leitfähigkeit oder aus einem über die Eigenschaften von Supraleitern verfügenden Werkstoff hergestellt wird.

Aus der FR-PS 2 039 515 ist eine elektrische Maschine mit Kryogenkühlung bekannt, die eine supraleitende Erregerwicklung enthält, die im Hohlläufer untergebracht ist, der von einem zu kühlenden Magnetschirm aus supraleitendem Werkstoff umfaßt ist.

Bei der bekannten Maschine besteht der Magnetschirm aus langen supraleitenden Fäden, die in einem Mantel eingeschlossen sind, der aus einem Werkstoff mit guter Wärmeleitfähigkeit ausgeführt ist. Der Magnetschirm ist unmittelbar an der Außenfläche des Läufers angeordnet und wird dadurch gekühlt, daß er durch seine Wärmeleitfähigkeit mit der Supraleitungswicklung des Läufers gekoppelt ist.

Eine solche Anordnung des Magnetschirmes ist wenig wirksam, da sich die gesamte Wärme, die darin durch veränderliche Magnetfelder erzeugt wird, in unmittelbarer Nähe der Supraleitungswicklung entwickelt. Dies führt zu einem zusätzlichen Verbrauch an Kältemittel, und die zur Kompensation dieser Wärme erforderliche Leistung kann beträchtlich sein.

Zweck der Erfindung ist es, die Wirksamkeit der Wärmeisolation der Supraleitungserregerwicklung zu erhöhen und damit den Wirkungsgrad der elektrischen Maschine zu steigern.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Aufbau einer elektrischen Maschine zu ändern, und zwar einen Magnetschirm und eine Wärmeabschirmung derart auszuführen, daß die Wirksamkeit der Wärmeisolation der supraleitenden Erregerwicklung durch deren Schutz gegen die Wärme verbessert wird, die im Magnetschirm unter Wikrung von veränderlichen Magnetfeldern erzeugt wird.

Die gestellte Aufgabe wird dadurch gelöst, daß bei der elektrischen Maschine mit Kryogenkühlung, die eine supraleitende Erregerwicklung enthält, die in einem Hohlläufer angeordnet ist, der von einer Wärmeabschirmung und einem zu kühlenden Magnetschirm umfaßt ist, erfindungsgemäß der Magnetschirm innerhalb der Wärmeabschirmung angeordnet ist und zur Kühlung des Magnetschirmes in der Wärmeabschirmung Kanäle zum Umlauf eines Kätemittels ausgeführt sind, wobei die Wärmeabschirmung und der Magnetschirm in einem evakuierten Raum zwischen dem Läufer und dem Gehäuse angeordnet sind.

Eine solche Ausführung der elektrischen Maschine gestattet es, die Erregerwicklung gegen die Wärme zu schützen, die im Magnetschirm erzeugt wird, den Verbrauch an Kühlmittel zu vermindern und damit den Wirkungsgrad der elektrischen Maschine zu steigern.

Vorzugsweise besteht die Wärmeabschirmung aus mindestens zwei Koaxialzylindern, wobei der Magnetschirm zwischen diesen Zylindern angeordnet und mit ihnen starr verbunden ist, während die Kanäle zum Umlauf des Kältemittels längs einer Schraubenlinie über die zugeordneten Flächen des Magnetschirmes und der Zylinder verlaufen.

Zur Erzielung eines technisch zweckmäßigen Aufbaus der elektrischen Maschine ist es vorteilhaft, wenn die Außen- und die Innenfläche des Magnetschirmes mit der Wärmeabschirmung mittels eines Gewindes fest verbunden ist, dessen Spiele zum Umlauf des Kätemittels bestimmt sind.

Zur Zu- und Abfuhr des Kältemittels ist auch vorteilhaft, daß die Kanäle zum Umlauf des Kältemittels mit mindestens zwei flachen Ringkammern in Verbindung stehen, die axial angeordnet sind und an mindestens eine Stirnfläche der Wärmeabschirmung angrenzen.

Zur Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit des Kältemittels in den Kanälen ist es zweckmäßig, in der flachen Ringkammer zur Zufuhr des Kältemittels eine Einrichtung unterzubringen, die das Kältemittel zu dessen Umlauf in die Kanäle fördert, und in der Kammer zur Abfuhr des Kältemittels eine weitere Einrichtung anzuordnen, die das Kältemittel aus den Kanälen absaugt, um ein Druckgefälle des umlaufenden Kältemittels zu erzeugen.

Zur stoßfreien Förderung des Kältemittels und zur gleichmäßigen Abkühlung der Stirnflächen der flachen Ringkammer zur Zufuhr des Kältemittels kann die Einrichtung zur Förderung des Kältemittels in die Umlaufkanäle als

Schaufeln ausgebildet sein, die an den Stirnflächen der flachen Ringkammern starr befestigt sind.

Zum stoßfreien Ausströmen des Kältemittels aus den Umlaufkanälen kann die Einrichtung zur Absaugung des Kältemittels als gewendelte Platte ausgebildet sein, die starr in der Ringkammer seitens deren Stirnflächen befestigt ist. Die Erfindung wird anhand der in der Zeichnung gezeigten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 den Längsschnitt einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine mit Kryogenkühlung;

Fig. 2 die Baugruppe A in Fig. 1 in vergrößertem Maßstab;

Fig. 3 den Teilschnitt einer weiteren Ausführungsform des Magnetschirmes und der Wärmeabschirmung mit flachen Ringkammern;

Fig. 4 den Querschnitt einer erfindungsgemäßen flachen Ringkammer zur Zufuhr des Kältemittels; und

Fig. 5 den Querschnitt einer erfindungsgemäßen flachen Ringkammer zur Abfuhr des Kältemittels.

Die elektrische, gemäß der Erfindung ausgeführte Maschine mit Kryogenkühlung enthält einen Hohlläufer 1 (Fig. 1), dessen Welle 2 sich auf die Lager 3 abgestützt, die in den stirnseitigen Schilden 4 eines hermetisch abgeschlossenen Körpers 5 angeordnet sind, an dessen innerer Fläche eine Ständerwicklung 6 befestigt ist.

Im Raum zwischen Läufer 1 und Körper 5 wird ein Vakuum aufrechterhalten, das als Wärmeisolation für den Läufer 1 dient. Zur Aufrechterhaltung des Vakuums sind in den stirnseitigen Schilden 4 rotierende Vakuumdichtungen 7 angeordnet.

Der Hohlläufer 1 besteht aus einem nichtmagnetischen Zylinder 8, in dem mit Epoxydkompoundmasse eine supraleitende Erregerwicklung 9 befestigt ist. Die Erregerwicklung 9 ist aus einem supraleitenden Material, z.B. Zinniobit (Nb[tief]3Sn) hergestellt. Sie kann auch aus anderen Werkstoffen mit guter Leitfähigkeit, wie Zirkoniumniob und Titanniob, hergestellt werden.

In dem Raum zwischen dem Körper 5 und dem nichtmagnetischen Zylinder 8 ist eine Wärmeabschirmung aus nichtmagnetischem Stahl angeordnet, die aus zwei Koaxialzylindern 10, 11 besteht, zwischen denen sich ein Magnetschirm 12 befindet. Der Magnetschirm 12 ist aus einem supraleitenden Material, z.B. Nb[tief]3Sn, und einem Werkstoff mit guter elektrischer Leitfähigkeit, z.B. Kupfer oder Aluminium, hergestellt. Das supraleitende Material kann auf die Oberfläche eines stromleitenden Werkstoffes aufgedampft werden. Der Magnetschirm 12 kann auch in Form von Fäden aus einem supraleitenden Material ausgeführt sein, die in einem stromleitenden Material angeordnet sind.

Die Erregerwicklung 9 wird bis auf den supraleitenden Zustand durch das Kältemittel 13 abgekühlt, das den Innenraum des nichtmagnetischen Zylinders 8 ausfüllt. Als Kältemittel 13 wird flüssiges Helium verwendet. Das Kältemittel wird der Erregerwicklung 9 über eine Rohrleitung 14 zugeführt, die im Axialkanal der Welle 2 verlegt ist. An die Stirnflächen der Wärmeabschirmung grenzen zwei flache Ringkammern 15 zur Zufuhr des Kältemittels 13 an. Axial zu diesen Kammern 15 sind zwei flache Ringkammern 16 zur Abfuhr des Kältemittels 13 angeordnet. Die an eine Stirnfläche der Wärmeabschirmung angrenzenden Kammern 15, 16 sind durch die Stirnseiten des äußeren und des inneren Koaxialzylinders 10 bzw. 11, der Wärmeabschirmung und einer hohlen Trennwand 17 gebildet. Im Magnetschirm 12 sind gleich weit von den Stirnfläche entfernte Öffnungen vorgesehen, die zur Umlenkung des Kältemittels 13 dienen. Die Kammer 16 zur Abfuhr des Kältemittels 13 stehen mit den Kanälen 19 zur Abfuhr des Kältemittels 13 in Verbindung, die in die Welle des Läufers 1 eingearbeitet sind. Der Magnetschirm 12 wird mit Hilfe des Kältemittels 13 gekühlt, das aus dem Innenraum des nichtmagnetischen Zylinders 8 abgeleitet wird und über Kanäle 20 (Fig. 2) umläuft, die in die zugeordneten Flächen des Magnetschirmes 12 und der Zylinder 10, 11 eingearbeitet sind. Die Kanäle 20 verlaufen schraubenförmig.

Als Kanäle 20 zum Umlauf des Kältemittels 13 dienen die Spielräume eines Gewindes mit nichtvollem Profil, mit dessen Hilfe der Magnetschirm 12 mit dem äußeren und dem inneren Zylinder 10 bzw. 11 der Wärmeabschirmung verbunden ist.

Das Gewinde wird zweckmäßigerweise als Mehrfachgewinde ausgeführt, um die Wärmeabgabefläche zu vergrößern. Die Gewinde, welche diese Zylinder an den gegenüberliegenden Enden bis zu den Öffnungen 18 verbinden, sind entgegengesetzt gerichtet.

In Fig. 3 ist eine weitere Ausführungsform für die Verbindung des Magnetschirmes 12 mit dem äußeren und dem inneren Zylinder 23 bzw. 24 der Wärmeabschirmung dargestellt.

Der Magnetschirm ist als Kupferzylinder 22 ausgebildet, auf dessen Außen- und der Innenfläche ein supraleitendes Material Nb[tief]3Sn aufgedampft ist. Die Zylinder 23, 24 und 25 sind untereinander im Preßsitz verbunden. Die Kanäle 25 zum Umlauf des Kältemittels 13 sind in den konjugierenden Flächen des Magnetschirmes 12 und des Zylinders 23, 24 eingearbeitet, verlaufen schraubenförmig und haben ein rechteckiges Profil.

Die flache Ringkammer 15 zur Zufuhr des Kältemittels 13 enthält zentrifugal wirkende Schaufeln 26 (Fig. 4), die starr an den Stirnflächen der Kammer 15 befestigt sind.

Die flache Ringkammer 16 zur Abfuhr des Kältemittels 13 weist eine Trennwand als gewendelte Platte 27 (Fig. 5) auf, die an den Stirnflächen der Kammer 16 starr befestigt ist.

Das als Kühlmittel 13 verwendete flüssige Helium wird über die Rohrleitung 14 der supraleitenden Erregerwicklung 9 zugeführt, kühlt diese ab und wird dann in die Kammer 15 abgeleitet, die beiderseits des Magnetschirmes angeordnet sind.

Bei rotierendem Läufer 1 gelangt das verdampfende Helium in die flache Ringkammer 15 und strömt vom Zentrum zur

Peripherie, wobei es die Wände dieser Kammer 15 kühlt. Die Schaufeln 26 reißen bei rotierendem Läufer 1 das Kältemittel 13 mit und erteilen diesem eine Umkreisgeschwindigkeit so daß durch die auf das Kätemittel 13 wirkenden Fliehkräfte eine zusätzliche Absaugung desselben aus dem Innenraum des nichtmagnetischen Zylinders 8 und eine Förderung des Kältemittels in die Kanäle 20 erfolgt. Dann zirkuliert das Kätemittel über die schraubenförmigen Kanäle 20, die im inneren Zylinder 11 der Wärmeabschirmung ausgeführt sind. Danach gelangt es über die Öffnungen 18 in die Kanäle 20, die im äußeren Zylinder 10 vorgesehen sind. Während das Kältemittel 13 über die schraubenförmigen Kanäle 20 umläuft, wird die Rotationskomponente seiner Bewegungsgeschwindigkeit beibehalten, und das Kältemittel tritt stoßfrei in die flachen Ringkammern 16 ein, in denen die Platte 27 als Einrichtung zur Absaugung des Kältemittels aus den Kanälen, um ein Druckgefälle des umlaufenden Kältemittels13 zu erzeugen, vorgesehen ist. Das Kältemittel 13 wird in die dazugehörigen Kanäle 19 abgeführt, wobei es die Stirnflächen der Kammer 16 abkühlt, und aus dem Läufer der elektrischen Maschine herausgeleitet.

Diese Ausführung der elektrischen Maschine bietet die Möglichkeit, die Wärme, die im Magnetschirm durch veränderliche Magnetfelder erzeugt wird, abzuleiten.

Darüber hinaus ermöglicht dieser Aufbau der elektrischen Maschine eine erhöhte Wirksamkeit der Wärmeabschirmung der supraleitenden Erregerwicklung dadurch, daß die von den

Stirnseiten der Maschine her kommenden Wärmezuflüsse verringert werden, was durch das Vorhandensein der flachen Ringkammern erreicht wird.

Claims

1. Elektrische Maschine mit Kryogenkühlung, mit einer supraleitenden Erregerwicklung, die in einem Hohlläufer untergebracht ist, der von einem zu kühlenden Magnet-Schirm und einer Wärmeabschirmung umfaßt ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnetschirm (12) innerhalb der Wärmeabschirmung angeordnet ist und zur Kühlung des Magnetschirmes (12) in der Wärmeabschirmung Kanäle (20, 25) zum Umlauf des Kältemittels (13) ausgeführt sind, wobei die Wärmeabschirmung und der Magnetschirm (12) in einem evakulierten Raum zwischen dem Läufer (1) und dem Gehäuse (5) angeordnet sind.

2. Elektrische Maschine mit Kryogenkühlung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeabschirmung aus mindestens zwei koaxialen Zylindern (10, 11, 23, 24) besteht, der Magnetschirm (12) zwischen diesen Zylindern angeordnet und mit diesen starr verbunden ist, und daß die Kanäle (20, 25) zum Umlauf des Kältemittels (13) in die zugeordneten Flächen des Magnetschirmes (12) und der Zylinder (10, 11, 23, 24) eingearbeitet sind und schraubenförmig verlaufen.

3. Elektrische Maschine mit Kryogenkühlung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Außen- und die Innenfläche des Magnetschirmes

(12) mit der Wärmeabschirmung mittels eines Gewindes, dessen Spiele zum Umlauf des Kältemittels (13) bestimmt sind, fest verbunden ist.

4. Elektrische Maschine mit Kryogenkühlung nach den Ansprüchen 1, 2, 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle (20, 25) zum Umlauf des Kältemittels (13) mit mindestens zwei flachen Ringkammern (15, 16) zur Zu- bzw. Abfuhr des Kältemittels in Verbindung stehen, die axial angeordnet sind und an mindestens eine Stirnfläche der Wärmeabschirmung angrenzen.

5. Elektrische Maschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die flache Ringkammer (15) zur Zufuhr des Kältemittels (13) eine Einrichtung aufweist, die das Kältemittel in die Kanäle (20, 25) zum Umlauf des Kältemittels (13) fördert, während die Kammer (16) zur Abfuhr des Kältemittels (13) eine weitere Einrichtung aufweist, die das Kältemittel (13) zur Bildung eines Druckgefälles des umlaufenden Kältemittels (13) aus den Kanälen (20, 25) absaugt.

6. Elektrische Maschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Förderung des Kältemittels (13) in die Umlaufkanäle (20, 25) als Schaufeln (26) ausgebildet ist, die an den Stirnflächen der Kammer (15) starr befestigt sind.

7. Elektrische Maschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Absaugung des Kältemittels (13) aus den Kanälen (20, 25) als gewendelte Platte (27) ausgebildet ist, die starr in der Ringkammer (16) seitens deren Stirnflächen befestigt ist