DE2753460B2

DE2753460B2 - Elektrische Maschine mit einem Hohlläufer und einer im Hohlläufer untergebrachten supraleitenden Erregerwicklung

Info

Publication number: DE2753460B2
Application number: DE2753460A
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: 1980-12-11
Also published as: JPS6114741B2; DE2753460A1; SU629601A1; JPS5386413A; DE2753460C3

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrische Maschine mit einem Hohlläufer und einer im Hohlläufer untergebrachten supraleitenden Erregerwicklung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1. Eine derartige elektrische Maschine ist aus der DE-OS 23 39 77? bekannt. Dort sind die Zylinder des Wärmeschirms und der zwischen den Zylindern gelagerte, ebenfalls zylindrische Magnetschirm an ihren Enden fest miteinander verbunden. Die durchgehenden Zwischenräume zwischen dem Magnetschirm und den beiden benachbarten Zylindern des Wärmeschirms dienen als Kühlkanäle, durch die das Kältemittel strömt. Diese aus mehreren koaxialen Zylindern bestehende, die supraleitende Erregerwicklung umschließende Anordnung ist in einem in einem Ansatz an die Turbinenwelle ausgebildeten zylindrischen Hohlraum mittels ringförmiger Stege gelagert.

Da bei der bekannten Anordnung jeweils ein durchgehender und die einzelnen Zylinder umschließender Luftspalt ausgebildet ist, ist die Konstruktion verhältnismäßig labil, so daß die Lagerung in dem weiteren, als Ansatz an die Turbinenwelle ausgebildeten Zylinder unbedingt erforderlich ist. Dies bringt naturgemäß erhebliche konstruktive Schwierigkeiten und elektromagnetische Nachteile mit sich, da durch diesen Zylinder der Luftspalt zwischen Läufer und Ständer zwangsläufig vergrößert wird. Daneben bringt die dichte F.inspannung der Zylinder des Wärmeschirms und des zylindrischen Magnetschirms an deren jeweiligen Enden bei den großen Längen elektrischer Maschinen der gattungsgemäöen Art erhebliche

m Schwierigkeiten hinsichtlich der ',Yprmedehnung mit sich, da der Wärme- und der Magnetschirm aus unterschiedlichen Materialien mit stark unterschiedlichen Wärmedehnungskoeffizienten bestehen. Darüber hinaus ist es bei der bekannten Anordnung außerordentlieh schwierig, den Läufer auszuwuchten.

Aus der DE-AS 11 88 433 ist es zwar bekannt, bei einem Turbogenerator zwischen Läufer und Ständer einen feststehenden Luftspaltzylinder anzuordnen, dessen innere Oberfläche mit schraubenförmigen Ausfräsungen versehen ist, in die ein Rohr zur Aufnahme eines Kühlmittels eingelegt ist, doch fehlt bei der dort beschriebenen Konstruktion die form- und kraftschlüssije Verbindung zwischen zwei benachbarten Zylindern.

v> Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektrische Maschine der eingangs genannten Art so weiterzubilden, daß sich bei möglichst kleinem Luftspalt ein einfacher, in sich starrer Aufbau ergibt.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch I gekennzeichneten Merkmale gelöst. Der sich dabei ergebende technische Fortschritt ist wie folgt:

Da bei der erfindungsgemäBen Anordnung die Zylinder des Wärmeschirms und der zylindrische Magnetschirm über ihre gesamte Länge fest miteinan-

M der verbunden sind, ergibt sich ein wirksam gekühlter Aufbau, der in sich so staT ist, daß sich ein weiterer, die Anordnung umschließender Zylinder erübrigt. Dabei sind die bei dem bekannten Aufbau bestehenden

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Schwierigkeiten hinsichtlich der Wärmedehnung vermieden und der erfindungsgemäß ausgebildete Läufer läßt sich einfach und genau auswuchten.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet

Die Erfindung wird anhand der in der Zeichnung gezeigten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 den Längsschnitt einer elektrischen Maschine mit einem Hoh'läufer;

F i g. 2 die Baugruppe A in F i g. I in vergrößertem Maßstab;

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

F i g. 4 den Querschnitt einer flachen Ringkammer zur Zufuhr des Kältemittels; und

F i g. 5 den Querschnitt einer flachen Ringkammer zur Abfuhr des Kältemittels.

Die elektrische, hier behandelte Maschine enthält einen Hohlläufer 1 (Fig. 1), dessen Welle 2 sich auf die Lager 3 abgestützt, die in den stimseitigen Schilden 4 eines hermetisch abgeschlossenen Körpers 1 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 stimseitigen 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 (Nb3Sn) 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. Nb₃Sn, 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 Innenraun 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 Ringkammem 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 gkich weit von den Stirnflächen entfernte Ölfnunger» vorgesehen, die zur Umlenkung des Kältemittels 13 diefiii. 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 (F i g. 2) umläuft, die in die zugeordneten Flächen des Magnetschirmes 12 und der Zylinder 10, 11 eingearbeitet sind. Die Kanäle 20 verlaufen schraubenförmig.

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

is Das Gewinde wird zweckmäßigerweise als Mehrfachgewinde ausgeführt, um die Wärrr.eabgabefläche 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 1? mit dem äußeren und dem inneren Zylinder 23 bzw. ?4 der Wärmeabschirmung dargestellt

Der Magnetschirm ist als Kupferzylinder 22 ausgebildet, auf dessen Außen- und der Innenfläche ein supraleitendes Material Nb>Sn 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 der Zylinder 23,24 eingearbeitet, verlaufen schraubenförmig und haben ein rechteckiges Profil.

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

r> befestigt sind.

Die flache Ringkammer 16 zur Abfuhr des Kältemittels 13 weist eine Trennwand als gewendelte Rippe 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 Ringkammem 15 abgeleitet, die beiderseits des Magnetschirmes angeordnet sind.

Bei rotierendem Läufer 1 gelangt das veidampfende Helium in die flache Ringkammer 15 jnd strömt von Zentrum zur Peripherie, wobei es die Wände dieser Kammer 15 kühit. Die Schaufeln 26 reißen bei rotierendem Läufer 1 das Kältemittel 13 mit und

so erteilen diesem eine Umlaufgeschwindigkeit, so daß durch die auf das Kältemittel 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 Kältemittel über die schraubenförmigen Kanäle 20. die im inneren Zylinder Ii der Wärmeabschirmung ausgeführt sind. Danacti gelangt es über die Öffnungen 18 in die Kanäle 20, die im äußeren Zylinder 10 vorgesehen sind. Während das Kältemittel

M) 13 über die schraubenförmigen Kanäle 20 umläuft, wird die Rotationskomponente seiner Bewegungsgeschwindigkeit beibehalten, Und das Kälfefflif'.el triff stoßfrei in die flachen Ringkammem 16 ein, in dene τ die Rippe 27 als Einrichtung zur Absaugung des Kältemittels aus den

h'< Kanälen, um ein Druckgefälle des umlaufenden Kältemittels 13 /.-., erzeugen, vorgesehen ist. Das Kältemittel 13 wird in die dazugehörigen Kanäle 19 abgeführt, wobei es die Stirnflächen der Kammer (6

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

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Elektrische Maschine mit einem Hohlläufer, einer im Hohlläufer untergebrachten supraleitenden Erregerwicklung, einem aus wenigstens zwei drehfest miteinander verbundenen koaxialen Zylindern bestehenden Wärmeschirm, einem zwischen den Zylindern angeordneten, ebenfalls zylindrischen, drehfest mit den Zylindern des Wärmeschirms verbundenen Magnetschirm, und mit zwischen den Zylindern des Wärmeschirms und dem Magnetschirm ausgebildeten Kanälen für das Kältemittel, dadurch gekennzeichnet, daß die zylindrischen Oberflächen des Magnetschirms (12) form- ü oder kraftschlQssig mit der jeweils angrenzenden zylindrischen Oberfläche der benachbarten Zylinder (10,11) des Wärmeschirms verbunden sind, und daß die Kanäle (20; 25) an den Grenzflächen zwischen dem Magnetschirm und den benachbarten Zylindern des Wärraeschirms in wenigstens eines der benachbarten Teile als seiiraubenfönr.ige Nuten eingeschnitten sind.

2. Elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnetschirm (12) mit den Zylindern (10,11) des Wärmeschirms durch spielbehaftete Gewinde verbunden ist, deren Spielräume die Kanäle (20) bilden.

3. Elektrisjhe Maschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die schraubenförmigen so Kanäle (20:25) mehrgängig ausgeführt sind.

4. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle (20; 25) von den äußeren Enden des Läufers zur Mitte gegenläufig ausgeführt sind.

5. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle (20; 25) zum Umlauf des Kältemittels (13) mit mindestens zwei flachen Ringk;.mmern (15. 16) zur Zu- bzw. Abfuhr des Kältemittels in Verbindung stehen, die axial angeordnet sind und an mindestens eine Stirnfläche der Wärmeabschirmung angrenzen.

6. Elektrische Maschine nach Anspruch 5, 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 Ringkammer (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.

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

8. Elektrischeivlaschine nach Anspruch 6, 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.