DE2820984C2 - Cryogenically cooled electrical machine - Google Patents
Cryogenically cooled electrical machineInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine kryogengekuhlte elektrische Maschine der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 beschriebenen, aus de·· US-PS 38 09 933 bekannten Art.The invention relates to a cryogenically cooled electrical machine in the preamble of the claim 1, from de ·· US-PS 38 09 933 known species.
Bei der bekannten kryogengekühlten elektrischen Maschine strömt das Kältemittel aus Radialbohrungen in den Auffangraum, wo es die Innenseite der Erregerwicklung bespült und kühlt. Da sich in dem Auffangraum eine aus gasförmiger und flüssiger Phase des Kältemittels bestehende Mischphase bildet, die sich nicht sauber in flüssige und gasförmige Phase auftrennt, ist die Kühlung der Erregerwicklung verhältnismäßig schlecht.In the known cryogenically cooled electrical machine, the refrigerant flows out of radial bores into the collecting area, where it washes and cools the inside of the excitation winding. Since the Collecting space a mixed phase consisting of the gaseous and liquid phase of the refrigerant forms, which is formed does not separate cleanly into liquid and gaseous phases, the cooling of the excitation winding is proportionate bad.
Aus der DE-OS 24 40 132 ist ferner eine kryogengekuhlte elektrische Maschine bekannt, bei der das Kältemittel durch in der Welle verlegte Rohre zu- und abgeführt wird, und zwar über in den Raum der Erregerwicklung mündende radiale Rohre. Da hierbei definierte Kühlkanäle vorhanden sind, dürfte eine zu Wärmestaus führende gasförmige Phase nicht auftreten. Da jedoch der Erregerwicklung kein Auffangraum vorgeschaltet ist, bleibt die innere Oberfläche der Erregerwicklung praktisch ungekühlt.From DE-OS 24 40 132 is also a cryogenically cooled electrical machine known in which the refrigerant through pipes laid in the shaft and is discharged, via radial tubes opening into the space of the excitation winding. Since here Defined cooling channels are present, a gaseous phase leading to heat build-up should not occur. However, since the field winding is not preceded by a collecting space, the inner surface of the remains Excitation winding practically uncooled.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine kryogengekuhlte elektrische Maschine zu schaffen, die einen verbesserten Kontakt des Kühlmittels mit der supraleitenden Erregerwicklung gestattet, wobei sichergestellt werden soll, daß mit der Erregerwicklung nur die flüssige Phase des Kältemittels in Berührung kommt.The invention is therefore based on the object of a To create a cryogenically cooled electrical machine that has an improved contact of the coolant with the superconducting excitation winding allowed, whereby it should be ensured that with the excitation winding only the liquid phase of the refrigerant comes into contact.
Diese Aufgabe wird ausgehend von'der gattungsgemäßen Maschine erfindungsgemäß durch die im Patentanspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst.This task is based on the generic Machine according to the invention achieved by the features characterized in claim 1.
Bei der erfindungsgemäßen kryogengekühlten elektrischen Maschine werden, wie aus der DE-OS 25 30 100 an sich bekannt, die flüssige und gasförmige Phase im Bereich der inneren Oberfläche der Erregerwicklung voneinander getrennt und sichergestellt, daß mit der inneren Oberfläche der Erregerwicklung nur die flüssige Phase des Kältemittels in Berührung kommt Somit wird die Erregerwicklung der erfindungsgemäßen kryogengekühlten elektrischen Maschine erheblL-h besser gekühlt als bei den bekannten Maschinen, wozu auch die im Elektromaschinenbau üblichen Radialschlitze in der Erregerwicklung beitragen.In the inventive cryogenically cooled electrical Machine are, as known from DE-OS 25 30 100, the liquid and gaseous phase in the Area of the inner surface of the excitation winding separated from each other and ensured that with the inner surface of the excitation winding only the liquid phase of the refrigerant comes into contact the excitation winding of the cryogenically cooled electrical machine according to the invention is better cooled than with the known machines, including the radial slots in the Contribute excitation development.
Durch die im Patentanspruch 2 genannten Maßnahmen wird gewährleistet, daß auch mit der äußeren Oberfläche der Erregerwicklung nur die flüssige Phase des Kältemittels in Kontakt gebracht werden kann.The measures mentioned in claim 2 ensure that also with the outer Surface of the excitation winding only the liquid phase of the refrigerant can be brought into contact.
Eine weitere günstige Ausgestaltung der erfindungsgemäßen kryogengekühlten elektrischen Maschine ist Gegenstand des Patentanspruchs 3.Another advantageous embodiment of the cryogenically cooled electrical machine according to the invention is Subject of claim 3.
Insgesamt gestattet es die erfindungsgemäße kryogengekuhlte elektrische Maschine, die supraleitende Wicklung des Läufers wirksam abzukühlen und deren Temperatur auf eine Größe zu senken, die nicht über der Temperatur des geförderten Kältemittels liegt Diese Ausgestaltung des Kühlsystems für die Kühlung der Wicklung ermöglicht darüber hinaus einen wirksamen Einsatz des Passigen Heliums als Kältemittel unter Druck und tiefer Temperatur, verbessert die Wirksamkeit des Wärmeschutzes der supraleitenden Wicklung und deren Kühlsystem und erhöht hierbei den Wirkungsgrad der elektrischen Maschine.Overall, it allows the cryogenically cooled according to the invention electrical machine to effectively cool the superconducting winding of the rotor and their To reduce the temperature to a level that is not above the temperature of the refrigerant conveyed This configuration of the cooling system for cooling the winding also enables an effective Use of passive helium as a refrigerant under pressure and at low temperatures improves its effectiveness the thermal protection of the superconducting winding and its cooling system, thereby increasing the Efficiency of the electrical machine.
Nachstehend wird die Erfindung anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert. Es zeigtThe invention is explained below with reference to the exemplary embodiment shown in the drawing. It shows
Fig. 1 den Längsschnitt einer kryogengekühlten elektrischen Maschine,1 shows the longitudinal section of a cryogenically cooled electrical machine,
Fig.2 den Schnitt H-Il der Fig. 1 in vergrößertem Maßstabund2 shows the section H-II of FIG. 1 in an enlarged manner Scale and
Fig.3 den Längsschnitt ein^-s Abschnittes eines zusätzlichen Kanals zur Abfuhr des Kältemittels in vergrößertem Maßstab.3 shows the longitudinal section of a ^ -s section of a additional channel for discharging the refrigerant on an enlarged scale.
Die kryogengekuhlte elektrische Maschine umfaßt einen Läufer 1 (Fig. 1), dessen Welle 2 in Lagern 3 gelagert ist, die in Stirnböden 4 eines hermetisch abgedichteten Gehäuses 5 angeordnet sind, an dessen Innenfläche eine Ständerwicklung 6 befestigt ist.The cryogenically cooled electrical machine comprises a rotor 1 (FIG. 1), the shaft 2 of which is in bearings 3 is stored, which are arranged in the end bottoms 4 of a hermetically sealed housing 5, on the A stator winding 6 is attached to the inner surface.
im Zwischenraum zwischen dem Läufer 1 und dem Gehäuse 5 wird ein Vakuum aufrechterhalten, das wärmedämmend wirkt. Für die Beibehaltung des Vakuums sind in den Stirnböden 4 umlaufende Unterdruck-Stopfbuchsen 7 vorgesehen. Der hohle Läufer 1 hat eine supraleitende Erregerwicklung 8, welche an der Welle 2 des Läufers 1 sitzt und sich innerhalb eines Mantels 9 befindet, der den mit einem Kältemittel 10 gefüllten Hohlraum des Läufers I umschließt. Die Erregerwicklung 8 ist aus einem Werkstoff gefertigt, der sich bei sehr tiefen Temperaturen wie ein Supraleiter verhält, beispielsweise aus einem Niob-Titandraht, der mit einer Reinkupfer-Matrix stabilisiert ist. Die Erregerwicklung 8 wird durch ein Kältemittel 1Ö (flüssiges Helium mit einer Temperatur von 4,2 K) auf den supraleitenden Zustand abgekühlt.a vacuum is maintained in the space between the rotor 1 and the housing 5, which has a heat-insulating effect. To maintain the vacuum there are 4 circumferentials in the front bottoms Vacuum glands 7 are provided. The hollow rotor 1 has a superconducting excitation winding 8, which sits on the shaft 2 of the rotor 1 and is located within a jacket 9, which with a Refrigerant 10 filled cavity of the rotor I encloses. The excitation winding 8 is made of one Made of a material that behaves like a superconductor at very low temperatures, for example from a Niobium titanium wire stabilized with a pure copper matrix. The excitation winding 8 is through a Refrigerant 1Ö (liquid helium with a temperature of 4.2 K) cooled to the superconducting state.
Zur Abkühlung der Erregerwicklung 8 besitzt diese radiale, sich erweiternde Radialschlitze 11. Die Anzahl der Radialschlitze 11 ist lediglich durch die Festigkeit der supraleitenden Erregerwicklung 8 beschränkt. Befestigt wird die supraleitende Erregerwicklung 8 an der Welle 2 auf bekannte Weise, beispielsweise mit HilfeTo cool the excitation winding 8, it has radial, expanding radial slots 11. The number the radial slot 11 is only due to the strength the superconducting excitation winding 8 limited. The superconducting excitation winding 8 is attached to of the shaft 2 in a known manner, for example with the aid
von Deckbandern aus geschichtetem glasfaserverstärktem Kunststoff. An den Stellen der Anbringung der Erregerwicklung 8 an der Welle 2 des Läufers 1 sind parallel zur Achse des Läufers 1 über die gesamte Länge der Erregerwicklung 8 nutenförmige Hohlräume 12 ausgebildet Diese sind mit Segmenten 13 aus einem thermisch leitfähigen Werkstoff, z. B. Bronze, abgedeckt, welche Bohrungen aufweisen, die mit den Radialschlitzen 11 der supraleitenden Erregerwicklung 8 fluchten. "of cover strips made of layered glass fiber reinforced plastic. At the points of attachment of the Excitation windings 8 on the shaft 2 of the rotor 1 are parallel to the axis of the rotor 1 over the entire length the excitation winding 8 groove-shaped cavities 12 are formed with segments 13 from a thermally conductive material, e.g. B. bronze, covered, which have holes with the Radial slots 11 of the superconducting excitation winding 8 are aligned. "
Die Enden der Welle 2 sind als zwei gleichachsige Rohre 14,15 ausgestaltet, die miteinander mittels eines Gewindes verbunden sind, dessen Spalte als Kanäle 16 zur Abfuhr des Kältemittels 10 dienen. Die Abfuhrkanäle 16 stehen mit dem Hohlraum des Läufers 1 in Verbindung.The ends of the shaft 2 are designed as two coaxial tubes 14,15, which are connected to each other by means of a Thread are connected, the gaps of which serve as channels 16 for discharging the refrigerant 10. The discharge channels 16 are in communication with the cavity of the rotor 1.
Zur Zufuhr des Kältemittels 10 zur Erregerwicklung 8 weist die Welle 2 des Läufers 1 einen Axiaikanal 17 auf, der an dem einen Wellenende in Form einer isolierten Vakuumleitung ausgebildet ist.To supply the refrigerant 10 to the excitation winding 8, the shaft 2 of the rotor 1 has an axial channel 17, which is designed at one end of the shaft in the form of an insulated vacuum line.
An dem anderen Wellenende des Läufers 1 verläuft an dessen Achse ein Kanal 18 zur Abfuhr des Kältemittels 10, der ebenfalls als isolierte Vr.Vuumleitung ausgebildet ist.At the other end of the shaft of the rotor 1, a channel 18 runs along its axis for discharging the Refrigerant 10, which is also an insulated vacuum line is trained.
Der Zufuhrkanal 17 und der Abfuhrkanal 18 stehen mit den nutenförmigen Hohlräumen 12 in Verbindung. Als Auslaß des Kältemittels 10 aus den Kanälen 16 und 18 sind an den Enden der Welle 2 Gasaufnehmer 19 vorgesehen. Zur Stromversorgung der Erregerwicklung 8 dienen Stromschienen 20 aus Kupfer. Die Stromschie- J(, nen 20 befinden sich im Abfuhrkanal 18 und sind mit an der Welle 2 angebrachten Schleifringen 21 an dem Ende verbunden, an welchem der Abfuhrkanal 18 geführt ist.The supply channel 17 and the discharge channel 18 are connected to the groove-shaped cavities 12. As an outlet for the refrigerant 10 from the channels 16 and 18, gas sensors 19 are provided at the ends of the shaft 2. Busbars 20 made of copper are used to supply power to the excitation winding 8. The busbars J (, NEN 20 are located in the discharge channel 18 and are connected to the shaft 2 mounted on slip rings 21 at the end, is guided on which the discharge channel eighteenth
Wie aus F i g. 2 zu erkennen ist, ist die Erregerwicklung 8 zweipolig und besteht in diesem Fail aus zwei (-> Sektionen. Entsprechend der Anzahl der Sektionen ist die Anzahl der Hohlräume 12 gleich zwei.As shown in FIG. 2 can be seen, the excitation winding 8 has two poles and in this case consists of two ( -> sections. Corresponding to the number of sections, the number of cavities 12 is equal to two.
Bei einer Erregerwicklung 8 mit einer anderen Polzahl sind die nutenförmigen Hohlräume 12 unterhalb einer jeden Sektion der Wicklung ausgebildet. Die Breite und cie Tiefe der Hohlräume 12 sind in Abhängigkeit von der erforderlichen Festigkeit der ,Welle 2 gewählt.In the case of an excitation winding 8 with a different number of poles, the groove-shaped cavities 12 are below of each section of the winding. The width and depth of the cavities 12 are in Depending on the required strength of the, shaft 2 selected.
Zwischen den Polen der Erregerwicklung 8 befinden sich Einsätze 22 (Fig. 2) aus einem elektrisch und 4-, thermisch isolierenden Werkstoff.Between the poles of the excitation winding 8 there are inserts 22 (Fig. 2) made of an electrical and 4-, thermally insulating material.
In der Erregerwicklung 8 (Fig. 1) ;ind zwischen den Radialschlitzen 11 in den Poleinsatzen 22 (Fig.2) Längskanäle 23 geführt, die mit dem Spalt zwischen dem Mantel 9 und der Erregerwicklung 8 mittels über die gesamte Länge der Kanäle 23 verlaufenden Öffnungen verbunden sind.In the excitation winding 8 (Fig. 1); ind between the radial slots 11 in the pole inserts 22 (Fig. 2) longitudinal channels 23 are guided, which with the gap between the jacket 9 and the excitation winding 8 by means of openings running over the entire length of the channels 23 are connected.
Der Abfuhrkanal 18 (Fig. 1) besteht aus zwei koaxialen Rohren 24,25 (F i g. 3). Die Stromschienen 20 haben die Form von zwei Kupferleitern unterschiedlicher Polarität, die im Innenrohr 24 angeordnet sind. Das Rohr 24 stützt sich innerhalb des Rohres 25 auf bogenförmigen Stützelementen 26 aus einem elektrisch und thermisch isolierenden Werkstoff ab. Das Aulienrohr 25 ist in der axialen Bohrung der Welle 2 an Kugelstütziagern 27 aus elektrisch und thermisch isolierendem Werkstoff, z. B. Keramik (Al2Oj) befestigt.The discharge channel 18 (FIG. 1) consists of two coaxial tubes 24, 25 (FIG. 3). The busbars 20 are in the form of two copper conductors of different polarity, which are arranged in the inner tube 24. The tube 24 is supported within the tube 25 on arched support elements 26 made of an electrically and thermally insulating material. The Aulienrohr 25 is in the axial bore of the shaft 2 on ball support bearings 27 made of electrically and thermally insulating material, for. B. Ceramic (Al 2 Oj) attached.
Die Strömungsrichtung des Kältemittels 10 ist in Fig. 1,2,3 mit Pfeilen markiert.The direction of flow of the refrigerant 10 is marked with arrows in FIGS. 1, 2, 3.
Die supraleitende Erregerwicklung 8 (Fig. 1) wird wie folgt gekühlt:The superconducting excitation winding 8 (Fig. 1) is cooled as follows:
Flüssiges Helium als Kältemittel 10 gelangt aus einer Kältemaschine (nicht gezeigt) unter Druck über den Zufuhrkanal 17 zum Hohlraum des rotierenden Läufers 1. Zunächst wird das Kältemittel 10 den t.titenförmigen Hohlräumen 12 der Welle 2 zugeleitet, wo dessen flüssige Phase durch die Fliehkräfte zur Innenfläche der Segmente 13 hin geschleudert wird, indes die Gasphase, die sich infolge des zentrifugalen Vordruckes und der Reibungskräfte ausgebildet hat, sich in der Nähe von der Achse der Welle 2 staut. Aus den Nuten 12 wird die flüssige Phase des Kältemittels 10 unter Einwirkung von Zentrifugal- und Druckkräften durch die Bohrungen der Segmente 13 und die Radialschlitze 11 der Erregerwicklung 8 zum Hohlraum des Läufers 1 hin gedrückt. An der Innenfläche des Mantels 9 geschieht eine weitere Trennung des Kältemittels 10 in eine flüssige und eine Gasphase, wobei die flüssige Phase an der Oberfläche des Mantels 9 bleibt, und die Gasphase über die öffnungen und die Längskanäle 23 (Fig.2) sowie die durch die Stirnfläche des Mantels 9 und die Erregerwicklung 8 gebildeten ringförmigen Spalte zu den Abfuhrkanälen 16 zu den beiden Wellenenden gelangt und ?'ch in den Gasaufnehmern 19 sammelt. Hierbei tritt die Gasphase des Kältemittels 10 aus den nutenförmigen Hohlräumen 12 in den Abfuhrkanal 18 ein, kühlt die Stromschienen 20 und wird in die Gasaufnehmer 19 geschleudert, aus denen es zur Kältemittelquelle strömt.Liquid helium as refrigerant 10 comes from a refrigeration machine (not shown) under pressure via the Feed channel 17 to the cavity of the rotating rotor 1. First of all, the refrigerant 10 is shaped like a tite Cavities 12 of the shaft 2 supplied, where its liquid phase by the centrifugal forces to the inner surface of the Segments 13 is thrown out, while the gas phase, which is due to the centrifugal pressure and the Has formed frictional forces, accumulates in the vicinity of the axis of the shaft 2. From the grooves 12 is the liquid phase of the refrigerant 10 under the action of centrifugal and compressive forces through the bores of the Segments 13 and the radial slots 11 of the excitation winding 8 pressed towards the cavity of the rotor 1. Another occurs on the inner surface of the jacket 9 Separation of the refrigerant 10 into a liquid and a gas phase, the liquid phase on the surface of the jacket 9 remains, and the gas phase via the openings and the longitudinal channels 23 (FIG. 2) as well as the formed by the end face of the jacket 9 and the excitation winding 8 to the annular gap Discharge channels 16 reaches the two shaft ends and collects in the gas receivers 19. Here occurs the gas phase of the refrigerant 10 from the groove-shaped cavities 12 into the discharge channel 18, cools the Busbars 20 and is thrown into the gas receiver 19, from which it flows to the refrigerant source.
Hierzu 2 Blatt ZeichnungenFor this purpose 2 sheets of drawings
Claims (3)
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