DE2753460C3

DE2753460C3 - Elektrische Maschine mit einem Hohlläufer und einer im Hohlläufer untergebrachten supraleitenden Erregerwicklung

Info

Publication number: DE2753460C3
Application number: DE2753460A
Authority: DE
Inventors: Garij Michajlovič Leningrad Chutoreckij; Gennadij Stepanovič Gorbunov; Jurij Stepanovič Popov; Jurij Vasiljevič Leningrad Skačkov
Original assignee: LENINGRADSKOE PROIZVODSTVENNOE ELEKTROMASINOSTROITEL'NOE OB"EDINENIE "ELEKTROSILA" LENINGRAD SU; SPECIAL'NOE KONSTRUKTORSKOE BJURO "ENERGOCHIMMAS" NOVOSIBIRSK SU
Current assignee: LENINGRADSKOE PROIZVODSTVENNOE ELEKTROMASINOSTROITEL'NOE OB"EDINENIE "ELEKTROSILA" LENINGRAD SU; SPECIAL'NOE KONSTRUKTORSKOE BJURO "ENERGOCHIMMAS" NOVOSIBIRSK SU
Priority date: 1976-11-30
Filing date: 1977-11-30
Publication date: 1986-03-27
Also published as: SU629601A1; JPS6114741B2; JPS5386413A; DE2753460A1; DE2753460B2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrische Maschine mit einem Hohlläufer und einer im HohUäufer untergebrachten supraleitenden Erregerwicklung ge- so maß dem Oberbegriff des / nspruches 1. Eine derartige elektrische Maschine ist aus der DE-OS 23 39 772 bekannt. Dort sind die Zylinder des Wärmeschirms und der zwischen den Zylindern gelagerte, ebenfalls zylindrische Magnetschirm an ihren Enden fest mitein- <>> ander verbunden. Die durchgehenden Zwischenräume /wischen dem Magnetschirm und den beiden bcnnchbartcn 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 Einspannung der Zylinder des Wärmeschirms und des zylindrischen Magnetschirms an deren jeweiligen Enden bei den großen Längen elektrischer Maschinen der gattungsgemäßen Art erhebliche Schwierigkeiten hinsichtlich der Wärmedehnung mit sich, da der Wärme- und der Magnetschirm aus unterschiedlichen Materialien mit stark unterschiedlichen Wärmedehnungskoeffizienten bestehen. Darüber hinaus ist es bei der bekannten Anordnung außerordentlich schwierig, den Läufer auszuwuchten.

Aus der DE-AS 14 88433 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 kraftschlüssige Verbindung zwischen zwei benachbarten Zylindern.

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

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst Der sich dabei ergebende technische Fortschritt ist wie folgt:

Da bei der erfindungsgemäßen Anordnung die Zylinder des Wärmeschirms und der zylindrische Magnetschirm über ihre gesamte Länge fest miteinander verbunden sind, ergibt sich ein wirksam gekühlter Aufbau, der in sich.so starr ist, daß sich ein weiterer, die Anordnung umschließender Zylinder erübrigt. Dabei sind die bei dem bekannten Aufbau bestehenden 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

F i g. 1 den Längsschnitt einer elektrischen Maschine mit einem Hohlläufer:

F i g. 2 die Baugruppe A in F i g. 1 in vergrößertem Maßstab;

F i g. 3 den Querschnitt einer flachen Ringkammer zur Zufuhr des Kältemittels; und

F i g. 4 den Querschnitt einer flachen Ringkammer zur Abfuhr des Kältemittels.

Die elektrische Maschine enthält einen Hohlläufer 1 (l^;i j». I), dessen Welle 2 sich ;nif die Lager! ;ih|*cstj)l/i. die in den .slirnsciligen .Schilden 4 eines hcnm-lisdi ab

geschlossenen 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, ζ. B. Zinniobit (Nb₃Sn) hergestellt Sie kann auch aus anderen Werkstoffen mit guter Leitfähigkeit, wie Zirkoniumniob undTitanniob, hergestellt werden.

In dem Raum zwischen dem Körper 5 und dem nichtmagnetiächen 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, ζ. B. KbsSn, a> und einem Werkstoff mit guter elektrischer Leitfähigkeit, ζ. 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 Stirnflächen entfernte Öffnungen vorgesehen, die ?ur 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 so 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.

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.

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.

Die flache Ringkammer f 3 zur Zufuhr des Kältemittels 13 enthält zentrifugal wirkende Schaufeln 26 e. 3V die starr an den Stirnflächen der Kammer 15 Die flache Ringkammer 16 zur Abfuhr des Kältemittels 13 weist eine Trennwand als gewendelte Rippe 27 (Fig.4) 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 Ringkammern 15 abgeleitet, die beiderseits des Magnetschirmes angeordnet sind.

Bei rotierendem Läufer 1 gelangt das verdampfende Helium in die flache Ringkammer 15 und strömt von 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 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 Kar.i«; 20 erfolgt Dann zirkuliert das Kältemittel 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 Rippe 27 als Einrichtung zur Absaugung des Kältemittels aus den Kanälen, um ein Druckgefälle des umlaufenden Kältemittels 13 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 herausgeieitet

Diese Ausführung der elektrischen Maschine bietet die Möglichkeit, die Wärme, die im Magnetschirm dutih 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.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Elektrische Maschine mit einem HohUäufer, 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 Zylin- dem des Wärmeschirms und dem Magnetschirm ausgebildeten Kanälen für das Kältemittel, dadurch gekennzeichnet, daß die inneren und äußeren Oberflächen des Magnetschirms (12) und die ihn innen und außen umgebenden Oberflächen der Zylinder (10,11) des Wärmeschirms gewindeförmig ausgebildet und miteinander in Eingriff sind, wobei sich die Kanäle (20) durch ein Gewinde mit nicht vollem Ptgfl ergeben.

2. Elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch » gekennzeichnet, daß die schraubenförmigen Kanäle (20; 23) mehrgängig ausgeführt sind.

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

4. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kanäle (20; 25) zum Umlauf des Kältemittels (13) mit mindestens zwei flachen Ringkammern (15, 16) zur -⁵⁰ Zu- bzw. Abfuhr des Kält^inittels in Verbindung stehen, die axial angeordnet sind und an mindestens eine Stirnfläche der Wärmeabschirmung angrenzen.

5. Elektrische Maschine ncch 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 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

6. Elektrische Maschine nach Anspruch 5, 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.

7. Elektrische Maschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Absaugung so 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

—