DE2820985C2 - Kryogengekühlte elektrische Maschine - Google Patents

Description

In der DE-OS 27 53 460 ist eine elektrische kryogengekühlte Maschine der i*n Oberbegriff des Patentanspruchs 1 beschriebenen Art vorgeschlagen worden.

Bei dieser elektrischen Maschine ist der mit dem Kältemittel gefüllte Hohlraum des Läufers durch einen Mantel gebildet, dessen Stirnwand an der Läuferwelle befestigt ist

Diese Anordnung hat den Nachteil, daß die Stirnwand des Mantels des Läufers starr mit der Läuferwelle und der Stirnwand der Ringkammer für die Zuführung des Kältemittels zur elektrischen und thermischen Abschirmung verbunden ist Eine derartige Anbringung des Mantels bewirkt, daß die in der Abschirmung erzeugte Wärme über die Stirnwand des Mantels des Läufers direkt zum flüssigen Helium im Hohlraum des Läufers flieät Die gleiche Aussage trifft auch für die von der elektrischen und thermischen Abschirmung über die Welle zur supraleitenden Erregerwicklung kommende Wärme zu, weil diese Abschirmung starr mit der Welle verbunden ist und außerdem die Welle über keine Mittel zur Verhindeung solcher Wärmezuflüsse verfügt.

Ferner hat sie den Nachteil, daß beim Anlassen der Maschine infolge einer rapiden Temperatursenkung der Mantel des Läufers einer komplizierten Belastung ausgesetzt wird. Einmal greifen an dessen Stirnwänden Axialkräfte an, die aufgrund unterschiedlicher Dehnung (Einengung) des Mantels und der Läuferwelle bei einem hohen Temperaturgefälle entstehen, und zum anderen nehmen die Stirnwände Druckkräfte des flüssigen Heliums sowie Zentrifugalkräfte auf, die auf den Mantel und dessen Stirnwände einwirken. Daher müssen die Stirnwände so massiv sein, daß die Stabilität sowohl der Stirnwände selbst, als auch des Mantels sichergestellt wird

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektrische kryogengekühlte Maschine zu schaffen, bei welcher der konstruktive Aufbau des Läufers zu c'ner wesentlichen Verminderung von über die Läuferwelle zur supraleitenden Erregerwicklung kommenden Wärmezuflüssen beiträgt

Diese Aufgabe wird ausgehend von der gattungsgemäßen kryogengekühiten elektrischen Maschine erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Kennzeichens des Patentanspruchs 1 gelöst

Dabei ist aus der US-PS 38 09 933 bereits eine kryogengekühlte elektrische Maschine bekannt, b**i der die Stirnwände des Läufers auf der Abschirmung mit Hälsen versehen sind In den als Hälse ausgebildeten Wellenstümpfen sind Ringkammern angebracht, die als Wärmetauscher dienen und die axiale Wärmestrahlung über die Welle vergleichmäßigen und vermindern. Bei der bekannten kryogengekühiten Maschine sind jedoch diese Hälse nicht duuch einen Spalt voneinander getrennt

Bei der erfindun^gemäßen Ausführung des Läufers der elektrischen Maschine gehen die Wämezuflüsse zurück, die über die Welle des Läufers in dessen Hohlraum zur supraleitenden Erregerwicklung gelangen und durch die Wärme der elektrothermischen Abschirmung sowie durch die über den Mantel des Läufers kommende Wärme erzeugt werden.

Im Patentanspruch 2 ist eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung beschrieben.

Nachstehend wird die Erfindung anhand des in der Zeichnung gezeigten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 den Längsschnitt einer kryogengekühiten elektrischen Maschine,

Fig. 2 die Einzelheit A der Fig. 1 in vergrößertem Maßstab,

F i g. 3 eine weitere Ausführungsform der Einzelheit A der F i g. 1 in vergrößertem Maßstab, und

F i g. 4 eine Gesamtansicht der Einzelheit A der Fig. 1.

Die kryogengekühlte elektrische Maschine hat einen hohlen Läufer 1 (F ι g. 1), dessen Welle 2 in Lagern 3 gejo lagert ist, die sich in Stirnböden 4 des Gehäuses 5 befinden, an dessen Innenfläche eine Ständerwicklung 6 (die Ständerausführung ist nicht ausführlich gezeigt) befestigt ist. Im Zwischenraum zwischen dem Läufer 1 und dem Gehäuse 5 wird ein Vakuum aufrechterhalten, das als Wärmedämmung des Läufers 1 dient. Zur Aufrechterhaltung des Vakuums sind in den Stirnböden 4 umlaufende Unterdruck-Stopfbuchsen 7 vorgesehen.

Der hohle Läufer 1 besteht aus einem zylindrischen Mantel 8. dessen Stirnwände an der Welle 2 des Läufers 1 anliegen. Innerhalb des Mantels ist an der Welle 2 mittels Epoxydcompounds eine supraleitende Erregerwicklung 9 befestigt. Diese ist aus einem Werkstoff hergestellt, der sich bei unterhalb der Umwandlungstemperatur liegenden Temperaturen als Supraleiter verhält, z. B. aus einem mit einer Reinkupfermatrix stabilisierten Niob-Titandraht.

Im zwischen dem Mantel 8 und dem Gehäuse 5 liegenden Vakuumraum befindet sich eine elektrische und

thermische Abschirmung 10, die aus einem Werkstoff mit den Eigenschaften eines Supraleiters und guter elektrischer Leitfähigkeit angefertigt ist und die Form eines Zylinders mit Stirnwänden hat

Die Erregerwicklung 9 wird durch ein Kältemittel 11 auf den supraleitenden Zustand abgekühlt, das den Hohlraum des Läufers 1 füllt und über in der supraleitenden Erregerwicklung 9 geführte Kanäle (nicht gezeigt) umläuft Als Kältemittel 11 kommt flüssiges Helium zum Einsatz.

Zur Zufuhr des Kältemittels 11 zum Hohlraum des Läufers 1 weist dessen Welle 2 einen an einem Ende geführten Axialkanal mit einer darin eingebrachten isolierten Vakuumleitung 12 auf. In dichter Nähe zu den Stirnwänden des Läufers 1 befinden sich durch einen Vakuumspalt getrennte Ringkammern 13 zur Zufuhr des Kältemittels 11 zur Abschirmung 10. Die den Stirnwänden des Läufers 1 zugewandten Wände der Ringkammern 13 sind durch die Stirnwände 28 der Abschirmung 10 ausgebildet In der Abschirmung 10 sind Kanäle 14 für der. Kreislauf des Kältemittels 11 hergestellt. An den beiden Wellenenden des Läufers 1 sind Kanäle 15 zur Ableitung des Kältemittels 11 vorhanden. Die Kanäle 15 stehen mit den Kanälen 14, über welche das Kältemittel 11 umluft, und mit an den beiden Wellenenden des Läufers 1 angebrachten Gasaufnehmern 16 in Verbindung.

Zur Verhütung von Wärmezuflüssen in den Hohlraum des Läufers 1 sind an der Welle 2 des Läufers 1 an dessen Stirnwänden Wärmetauscher 17 angebracht

Fig.2 zeigt in vergrößertem Maßstab die Anbringungsstelle der Wärmetauscher 17.

Die Stirnwände des Mantels 8 (F i g. 2) weisen Hälse 18 und die der Abschirmung 10 Hälse 19 auf. Die Hälse

18 befinden sich innerhalb der Hälse 19 und umfassen die Welle 2 des Läufers 1. Zwischen den Hälsen 18 und

19 besteht ein Spalt An den Enden sind die Hälse 18 und 19 miteinander mittels einer vakuumdichten Schweißnaht verbunden, und der Spalt dazwischen steht mit dem Vakuumraum zwischen dem Läufer 1 und dem Gehäuse 5 in Verbindung, in welchem ebenfalls ein Vakuum erzeugt ist Die Hälse 18 und 19 sind dem Wellenende des Läufers 1 zugekehrt, an dem sie angeordnet sind. Im Inneren der Hälse 18, 19 befinden sich die Wärmetauscher 17.

In F i g. 3 ist eine weitere Ausführungsform der Einzelheit A, wie die in Fi g. 2, dargestellt Bei dieser Ausführungsform sind die Hälse 18,19 von den Wellenenden des Läufers 1, an denen sie sitzen, abgewandt Diese Ausführung der Hälse 18,19 führt zu einer Verkürzung der Wellenlänge des Läufers 1.

In F i g. 4 ist ein Wärmetauscher 17 wiedergegeben, der aus an der Welle 2 des Läufers 1 angebrachten schraubenförmigen Rippen 22 sowie innerhalb des Halses 18 hergestellten schraubenförmigen Rippen 23 gebildet ist Zwischen den schraubenförmigen Rippen 22,23 ist ein Spalt gebildet

Die Abkühlung der supraleitenden Erregerwicklung 9 (Fig. 1) der kryogengekühlten elektrischen Maschine vollzieht sich wie folgt Das flüssige Kältemittel 11 gelangt unter Druck aus einer Kältemaschine (nicht gezeigt) in die Rohrleitung 12, fließt in den Hohlraum des Läufers 1 an die supraleitende Erregerwicklung 9 und kühlt diese ab. Aus dem Hohlraum des Läufers 1 kommt das Kältemittel 11 in die Wärmetauscher 17. Indem das Kältemittel 11 die Wärmetauscher 17 passiert, kühlt es die Welle 2 und die Hälse 18 des Mantels 8. Aus den Wärmetauschern 17 fließt das Kältemittel 11 über die Ringkammern 13 den Kanälen 14 der elektrothermischen Abschirmung 10 zu. Auf seinem Weg über die Ringkammern 13 kühlt das Kältemittel 13 die Stirnwände der Abschirmung 10 und über die Kanäle 14 die Abschirmung 10 selbst ab. Aus der Abschirmung 10 gelangt das Kältemittel 11 in die Kanäle 15 der Läuferwelle 2, kühlt die Welle 2 ab und wird dann zu den Gasaufnehmern abgeführt

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

Patentansprüche:

1. Kryogengekühlte elektrische Maschine mit einem die Erregerwicklung (9) aufnehmenden hohlen Läufer (1), mit einer elektrischen und thermischen Abschirmung (10), die in einem Vakuumraum zwischen Läufer (1) und Gehäuse (5) angeordnet ist, wobei die Stirnwand vom Läufer (1) und die innenliegende Stirnwand (28) der Abschirmung (10) bis zur Läuferwelle geführt sind und der Hohlraum des Läufers (1) über zwischen der Welle und den Stirnwänden von Läufer (1) und Abschirmung (10) vorgesehene Kanäle und über von der Stirnwand der Abschirmung (10) begrenzte Ringkammern (13) mit in der Abschirmung (10) vorgesehenen Kanälen (14) in Verbindung steht, dadurch gekennzeichnet, daß die Stirnwand des Läufers (1) und die innenliegendt Stirnwand (28) der Abschirmung (10) gleichachsig mit der Welle (2), ineinander angeordnete und durch einen Spalt voneinander getrennte und an ihrem Ende miteinander verbundene Hälse (18,19,20,21) aufweisen, wobei der Spalt zwischen den beiden Hälsen (18,19,20, 21) mit dem Vakuum zwischen Läufer (1) und Gehäuse (10) in Verbindung steht, und daß zwischen dem Hals (18, 21) des Läufers (1) und der Welle (2) ein Spalt mit einem darin befindlichen Wärmetauscher (17) vorgesehen ist

Z Kryoge--kühlte elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher (17) an der der Wellt (2) zugewandten Seite des Halses (18,21) des "Läufers (1) und an der Welle (2) durch jeweils schraubenförmige Rippen (22, 23) ausgebildet ist