DE2855832C2 - Kryogengekühlte elektrische Maschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine kryogengekühlte elektrische Maschine nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Eine solche Maschine ist in der DE-OS 27 53 459 beschrieben. Die bekannte elektrische Maschine enthält eine supraleitende Erregerwicklung, an die Stromzuleitungsschienen angeschlossen sind. Die Erregerwicklung ist in einem Hohlläufer untergebracht, dessen Welle einen Axialkanal für die Kältemittelzufuhr zu der supraleitenden Erregerwicklung hat. Die Kühlkanäle in der hohlen Läuferwelle sind für die beiden Enden der Welle über ein Mittel zum Pumpen des Kühlmittels aus dem Läufer mit einer Sammelkammer für das Kühlmittel verbunden. Die Hohlwelle ist mit einem mit einer an einem ihrer Enden liegenden Einrichtung zur Einführung des Kühlmittels in den Läufer verbundenen Zuführkanal für das Kühlmittel der supraleitenden Wicklung ausgestattet

Bei der bekannten Maschine ist die Stromzuführungseinrichtung in Form drehbarer Ringe aus einem elektrisch leitenden Werkstoff und bezüglich dieser Ringe unbeweglicher Kohlenbürsten ausgeführt, die nur durch Wärmetausch mit der Umgebung gekühlt werden. Infolgedessen wird ein großer Teil der in den Stromzuführungseinrichtungen erzeugten Wärme von den Strom-Zuführungen an die Welle abgegeben, über die diese Wärme unmittelbar an die supraleitende Wicklung und an das flüssige, innerhalb des Hohlläufers befindliche Kühlmittel geleitet wird Die Anordnung einer großen Anzahl von drehbaien Dichtungen an den Enden der Läuferwelle kompliziert den Aufbau der elektrischen Maschine und setzt ihre Betriebszuverlässigkeit herab. Das in die Sammelkammern für das Kühlmittel von den Enden der Läuferwelle kommende gasförmige Kühlmittel wird durch Verschleißprodukte der drehbaren Gasdichtungen und durch Spuren von als Sperrmittel in den Gasdichtungen verwendetem öl verschmutzt. Eine Herabsetzung des Druckes im Inneren des Rotors ist wegen der notwendigen Zirkulation des Kühlmittels nicht möglich, was bedeutet, daß die supraleitende Wicklung nicht wirksamer gekühlt werden kann und dabei die Zuverlässigkeit sowohl der einzelnen Elemente des Läufers als auch der Wirkungsgrad der elektrischen Maschine nicht zu verbessern ist.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht deshalb darin, die gattungsgemäße Maschine so auszubilden, daß bei ihr neben wesentlicher Druckminderung und Temperaturabsenkung innerhalb des Läufers eine Verringerung der gesamten Wärmezufuhr über die Enden der Läuferwelle und über die Stromzuführungen gewährleistet ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.

Dabei ist es aus der DE-OS 24 26 823 und aus der DE-AS 10 69 276 bekannt, auch die Schleifringe in den Kühlkreislauf einer elektrischen Maschine einzubeziehen, wobei die Kapselung als Sammelkammer für das Kühlgas wirkt (DE-OS 24 26 823) und die Schleifringkühlung direkt mit dem Rotorkühlkreislauf über einen Hohlleiter verbunden ist (DE-AS 10 69 276).

Aus der Literaturstelle »Siemens Forschungs- und Entwicklungsberichte«, Band 4 (1975), Heft 4, Seiten 370, 371, ist es bekannt, rotierende flüssige Metallkontakte zu verwenden, jedoch verhinderten auftretende physikalische und chemische Reaktionen (Viskosität, Oxydation, elektrisches Verhalten) die praktische Anwendung.

Aus der AT-PS 2 58 404 ist es bekannt, bei einer kryogengekühlten Maschine die Schleifringe üblicher Bauart durch das aus der Hohlwelle abströmende Kühlmedium zu kühlen.

Bei der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine bildet das Kühlmedium das für die Flüssigmetallkontakte nötige Schutzgas. Das in die Sammelkammer austretende gasförmige Helium kühlt intensiv die sich drehenden Flüssigmetallkontakte und schirmt sie gleichzeitig gegen Oxydation ab. Gleichzeitig wird eine Oxydation der Flüssigmetallkontakte durch das sie umgebende He-

Hum verhindert Durch eine geringere Wärmeerzeugung an diesen Kontakten kann der Druck im Kühlmittelkreislauf herabgesetzt werden. Durch die Verminderung der Anzahl umlaufender Dichtungen wird die Verschmutzung des Kühlmittels durch Abriet) und ölreste in den Sammelkammern vermindert

In den Patentanprüchen 2 und 3 suid weitere vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine beschrieben.

Anhand der Zeichnung wird ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine näher erläutert Es zeigt

F i g. 1 den schematischen Längsschnitt einer kryogengekühlten elektrischen Maschine,

Fig.2 einen Längsschnitt der Stromzuführungseinrichtung und

F i g. 3 den Schnitt VI-VI durch die Darstellung gemäß F i g. 2.

Die kryogengekühlte elektrische Maschine hat ein Gehäuse 1 (Fig. 1), in dem eine (in der Z-'ichnung nur angedeutete) Ständerwicklung 2 angeordnet ist, und einen sich mit den Enden 4,5 der Hohlwelle auf Lager 6 stützende Hohlläufer 3. Die Lager 6 liegen in Stirnschildern 7 des Gehäuses 1 zur Aufrechterhaltung eines Vakuums im Spalt zwischen der Ständerwicklung 2 und dem Läufer 3. In den Stirnschildern 7 gibt es auch drehbare Vakuumdichtungen 8 und drehbare Gasdichtungen 9.

Innerhalb des zylindrischen Teils des Läufers 3 ist eine in der Zeichnung angedeutete, mindestens zwei gekühlte Stromzuführungen ti, 12 aufweisende supraleitende Wicklung 10 angeordnet. Die Stromzuführung 11 ist elektrisch mit der supraleitenden Wicklung 10 und einer Stromzuführungseinrichtung 13 positiver Polarität verbunden und innerhalb von mindestens einem Kühlkanal eines der Enden der Hohlwelle des Läufers 3 angeordnet. Eine Gruppe von schraubenförmig verlaufenden Kühlkanälen 14 ist am Ende 4 der Hohlwelle des Läufers 3 ausgeführt. Die Stromzuführung 12 ist elektrisch mit der supraleitenden Wicklung 10 und einer Stromzuführungseinrichtung 15 negativer Polarität verbunden und liegt in einem in Form einer am Ende 4 der Hohlwelle des Läufers 3 verlaufenden und mit dem Hohlraum des Läufers 3 verbundenen Rohrleitung ausgeführten Axialkanal 16. Zur Abkühlung ist die supraleitende Wicklung 10 zusätzlich mit einem in Form einer innerhalb des Endes 5 der Hohlwelle des Läufers 3 befindlichen, wärme- und vakuumdicht isolierten und mit einem Anschluß 18 zur Einführung des Kühlmittels in den Läufer verbundenen Rohrleitung ausgeführten Axialkanal 17 hydraulisch verbunden.

Zur Abkühlung des Endes 5 der Hohlwelle des Läufers 3 sind innerhalb dessen analog zu den Kühlkanälen 14 ausgeführte Kühlkanäle 19 vorgesehen.

Am Ausgang der Kühlkanäle 14,19 und am Ausgang des Kanals 16 sind an den beiden Enden 4,5 der Hohlwelle des Läufers 3 Einrichtungen zum Pumpen des Kühlmittels aus dem Läufer 3 ausgeführt, mit deren Hilfe die Kanäle 14,16,19 mit jeweils an den under. 4,5 der Hohlwelle des Läufers 3 angeordneten Sammelkammern 23, 24 für das Kühlmittel verbunden sind. Die Pumpeinrichtungen sind in der Wand der Welle des Läufers 3 ausgeführte Radialkanäle. In den Stirnwänden der Sammelkammern 23,24 für das Kühlmittel sind analog den drehbaren Gasdichtungen 9 ausgeführte drehbare Gasdichtungen angeordnet.

Die Kühlkanäle 14 sind mit der Sammelkammer 23 für das Kühlmittel mittels eines Schleuderrades verbunden, das in Form von zwei Scheiben 29 (F i g. 2), 30 ausgeführt ist Die Stromzuführungseinrichtung 13 (Fig. 2) und 15 positiver und negativer Polarität sind in Form von Scheiben 33 bzw. 34 aus elektrisch leitendem Werkstoff (beispielsweise aus Kupfer) hergestellt und über wänneisolierende Zwischenlagen 35 am Ende 4 der Hohlwelle des Läufers 3 an der Austrittsstelle der Stromzuführungen 11, 12 starr befestigt Die Scheiben 33, 34 sind in einzelne, durch die Stirnwände der Sammelkammer 23 für das Kühlmittel und durch innere ringförmige Zwischenwände 38,39 gebildete Kammern 36 bzw. 37 eingebaut und elektrisch über aus einer zur Stromabnahme vorgesehenen flüssigen eutektischen Gallium-Indium-Legierung hergestellte Kontakte 40 bzw. 41 mit den Klemmen der Stromzuführungseinrichtungen 13 und 15 positiver bzw. negativer Polarität verbunden. Das Gehäuse der Kammer 23 und die Zwischenwände 38,39 sind aus einem elektrischen Wärmeisolierstoff, beispielsweise aus glasfaserverstärktem Kunststoff oder aus Keramikmaterial hergestellt.

Die Scheiben 29,30 sind in einer durch die Zwischenwände 38, 39 gebildeten und durch das Kühlmittel mit den Kammern 36, 37 verbundenen Zentralkammer 42 untergebracht Die durch die Zwischenwände 38,39 gebildete Kammer 42 ist mit einem diese Kammer 42 mit einer (in der Zeichnung nicht gezeigten) Kältemaschine verbindenden Austrittsstutzen 43 für das Kühlmittel verbunden. Der Stutzen 43 ist mit einer Erweiterung ausgeführt und tangential zur Kammer 42 montiert.

Sein Austritt ist zu einer der Drehrichtung des Läufers 3 entgegengesetzten Seite gerichtet.

Die Scheiben 33, 34 sind bezüglich der Kammern 36 bzw. 37 zur Verringerung der Anzahl von drehbaren Gasdichtungen mit der Läuferwelle und die Sammelkammern 23 (F i g. 2), 24 sind mit den Gehäusen der an den entsprechenden Stirnschildern 7 des Gehäuses 1 der Maschine angeordneten Lager 6 starr verbunden, während die Kammer 24 zusätzlich mit dem Anschluß 18 starr verbunden ist. Dabei ist die innerhalb der Kammer 24 liegende Stromzuführungseinrichtung 27 positiver Polarität analog der in der Kammer 23 liegenden Stromzuführungseinrichtung 13 positiver Polarität ausgeführt. Die Stromzuführungseinrichtung 27 enthält eine in einer durch eine Zwischenwand 45 und die Stirnwand der Sammelkammer 24 für das Kühlmittel gebildeten Kammer montierte Scheibe 44 und einen den Kontakten 40,41 ähnlichen Flüssigmetallkontakt 46.

Bei einer Variante der elektrischen Maschine ist außer der an die Stromzuführungseinrichtung 13 positiver Polarität angeschlossenen Stromzuführung 11 eine zweite, innerhalb der Kühlkanäle 19 des Endes 5 der Hohlwelle des Läufers 3 angeordnete und analog der Stromzuführung 11 ausgeführte Stromzuführung 26 (Fig. 1) angeordnet. Die genannte zweite Stromzufüh-

■n rung 26 ist elektrisch mit der supraleitenden Wicklung 10 und einer zweiten Stromzuführungseinrichtung 27 positiver Polarität verbunden und innerhalb der Sammelkammer 24 für das Kühlmittel angeordnet.
Zum freien und gleichmäßigen Austritt des Kühlmittels aus der Scheibe 34 durch den Kanal 47 und folglich auch zur Wärmeverteilung über diese ist der Austritt der Kanäle aus der Scheibe 34 der Stromzuführungseinrichtung 15 negativer Polarität nach der Seite der Innenkammer 42 der Sammelkammer 23 für das Kühlmittel ausgerichtet und in einem Radius unterhalb des Radius der bei der Drehung des Läufers ausgebildeten freien Fläche des Flüssigmetallkontakts 41 angeordnet.
Die Bewegungsrichtung des Kühlmittels ist in Fig. 1

und 2 durch Pfeile angedeutet.

Der Raum zwischen der Ständerwicklung 2 (Fig. 1) und dem Läufer 3 ist zum Zweck einer Wärmeisolierung evakuiert und durch die Gasdichtungen 9 der Hohlwelle des Läufers 3 und in der Zeichnung nicht gezeigte standig arbeitende Vakuumpumpen vakuumdicht gehalten. Die Vakuumisolation ist auch zwischen den Enden 4, 5 der Hohlwelle des Läufers 3 und den Kanälen 16, 17 vorgesehen, von denen der erste zur Zuführung und der zweite zur Abführung des Kühlmittels aus dem Hohlraum des Läufers 3 dient.

Die Kryogenkühlung wirkt wie folgt:

Der supraleitende Zustand der Wicklung 10 (Fig. 1) des Läufers 3 der Maschine wird durch Tauchen in ein Bad mit flüssigem Helium aufrechterhalten. Durch die Einwirkung der Fliehkräfte auf das sich von der Achse des Läufers zu dessen Peripherie bewegende Kühlmittel (flüssiges Helium) entsteht ein Druckgefälle, das automatisch sowohl die Temperaturerhöhung des Kühlmittels selbst als auch der davon umspülten supraleitenden Wicklung 10 bewirkt. Eine Methode zur Aufrechterhaltung des vorgegebenen Temperaturbereichs des Kühlmittels und folglich auch der Temperatur der sich drehenden supraleitenden Wicklung 10 ist eine Druckminderung der Gasphase des Kühlmittels über der Flüssigphase. Bei der Ausführungsform nach F i g. 1 geschieht dies folgendermaßen:

Das flüssige Helium wird von einer nicht gezeigten Kältemaschine unter einem geringen Überdruck über den Anschluß 18 und über den Kanal 17 in den Hohlraum des Läufers 3 und die nicht gezeigten Kanäle der supraleitenden Wicklung 10 geleitet. Bei seiner Bewegung von der Achse des Läufers 3 zu dessen Peripherie kühlt es die supraleitende Wicklung 10 und wird unter der Wirkung der Fliehkräfte in die Flüssig- und Gasphase aufgeteilt. Das flüssige Helium sammelt sich an der Innenwand des zylindrischen Teils des Hohlläufers 3 an, während dessen Gasphase bestrebt ist, näher an die Achse des Läufers 3 zu kommen. In unmittelbarer Nähe der Achse des Läufers 3 wird das gasförmige Helium in drei Ströme aufgeteilt, von denen zwei in die Kühlkanäle 14,19 für die Enden 4,5 der Hohlwelle des Läufers 3 gehen, während der dritte in den Kanal 16 strömt, in dem die die supraleitende Wicklung 10 mit der Stromzuführungseinrichtung 15 negativer Polarität verbindende Stromzuführung 12 liegt Weil der Wärmeübertragungskoeffizient zwischen flüssigem Helium und supraleitender Wicklung 10 größer als der des gasförmigen Heliums ist, wird ihre Temperatur durch die Temperatur des an der Innenwand des zylindrischen Teils des Hohlläufers 3 anliegenden flüssigen Heliums bestimmt Hierbei ist die Abkühlung der supraleitenden Wicklung 10 um so wirksamer, je wirksamer die Pumpwirkung der Kanäle 14, 19 mit Bezug auf die entsprechenden Sam- meikammern 23,24 für das Kühlmittel ist

Die Temperatursenkung des flüssigen Mediums ebenso wie die der supraleitenden Wicklung 10 selbst ist von der der supraleitenden Wicklung 10 und dem flüssigen Helium von den Enden 4, 5 der Hohlwelle 3, den Stromzuführungen 11,12 sowie der Stromzuführungseinrichtung 13 positiver Polarität und der Stromzuführungseinrichtung 15 negativer Polarität zugeführten Wärmemenge abhängig. Zu diesem Zweck umspült das in die Kühlkanäle 14 gelangte gasförmige Helium nacheinander das Ende 4 der Hohlwelle des Läufers 3 mit der Stromzuführung 11 und die Stromzuführungseinrichtung 13 positiver Polarität, während das in die Kanäle 19 gelangte gasförmige Helium das Ende 5 der Hohlwelle des Läufers 3 umspült. Hierbei sind zur effektiven Wärmeabnahme von den Stromzuführungen 11, 12 und den Stromzuführungseinrichtungen 13,15 die an die Stromzuführungseinrichtungen 11,12 positiver und negativer Polarität angeschlossenen Stromzuführungen 11, 12 voneinander getrennt. Die Stromzuführungseinrichtungen 13, 15 liegen innerhalb der Sammelkammern 23, 24 für das Kühlmittel, wo auch die diese Kammern mit den Kühlkanälen verbindende Pumpeinrichtungen angeordnet sind. Die an die Stromzuführungseinrichtung 15 negativer Polarität angeschlossene Stromzuführung 12 liegt im Kanal 16. Das die Stromzuführung 12 abkühlende gasförmige Helium gelangt daher ebenso wie das die in den Kühlkanälen 14 für das Ende 4 der Hohlwelle des Läufers 3 liegende Stromzuführung 11 abkühlende gasförmige Helium nach dem Verlassen der Kanäle 14, 16 über die entsprechende Pumpeinrichtung in die gleiche Sammelkammer 23 für das Kühlmittel, wo diese zwei Ströme des gasförmigen Heliums zusammenfließen und gleichzeitig die Stromzuführungseinrichtung 13 positiver Polarität und die Stromzuführungseinrichtung 15 negativer Polarität abkühlen. Von der Sammelkammer 23 für das Kühlmittel wird das gasförmige Helium ebenso wie das von den Kanälen 19 über das Mittel zum Pumpen in die Sammelkammer 24 für das Kühlmittel gelangte gasförmige Helium in eine (nicht eingezeichnete) Kältemaschine abgeleitet

Bei seiner Bewegung führt das Kühlmittel einen Teil der Wärme von den genannten Elementen ab. Dadurch wird die Wärmezufuhr zu der supraleitenden Wicklung 10 des Läufers 3 vermindert.

Die Flüssigmetallkontakte 40, 41 werden bei der Arbeit durch die Scheiben 33,34 in Drehung versetzt, wobei das Metall sich über die Oberfläche der Kammern 36,37 gleichmäßig verteilt. Hierbei verbessert sich seine Kühlung. Die Flüssigmetallkontakte weisen in der Regel eine hohe chemische Aktivität auf und können daher nur unter Vakuum oder unter Inertgas, beispielsweise Argon oder Helium, normal arbeiten. Das in die Kammer 23 gelangte gasförmige Helium schirmt die Flüssigmetallkontakte 40,41 gegen Oxydation ab, während das Kühlmitte! selbst durch die Scheiben 33, 34 und die Flüssigmetallkontakte 40, 41 vor einer Verschmutzung durch die Verschleißprodukte der Gasdichtungen 25 der Sammelkammer 23 und der Stromzuführungseinrichtungen 13,15 bewahrt wird.

Das aus den Kühlkanälen 19 (Fig. 1) am Ende 5 der Hohlwelle des Läufers 3 austretende Kühlmittel schirmt den Flüssigmetallkontakt 46 zusätzlich ab, während es selbst gegen die Verschleißprodukte der Gasdichtung 9 durch eine in der Sammelkammer 24 für das Kühlmittel liegende Scheibe 44 der Stromzuführungseinrichtung 27 positiver Polarität geschützt wird. Aus der Sammelkammer 24 für das Kühlmittel wi*"d das Kühlmittel über den Stutzen 43 dem Eingang der Kältemaschine zugeführt.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Kryogengekühlte elektrische Maschine, deren mit Kühlmittel gefüllter Hohlläufer (3) eine supraleitende Wicklung (10) aufweist, deren Stromzuführungen (11, 12) mit je einer Stromzuführungseinrichtung (13,15) am Ende (4) der Läuferwelle verbunden und in wenigstens einem in der Läuferwelle ausgebildeten Kühlmittelkanal (14, 16) angeordnet sind, der den Hohlraum des Läufers (3) mit einer am Ende (4) der Läuferwelle angeordneten stillstehenden Sammelkammer (23) für das Kühlmittel verbindet, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromzuführungseinrichtungen (13,15) innerhalb der Sammelkammer (23) angeordnet sind, und daß jede Stromzuführungseinrichtung (13, 15) in Form einer auf der Läuferwelle (3) starr befestigten und in einem Hohlraum (36,37) zwischen der Stirnwand der Sammelkammer (23) und einer in dieser Kammer (23) ausgeführten Zwischenwand (38, 39) angeordneten Scheibe (33, 34) ausgeführt ist, und daß der Hohlraum (36,37) mit einer als Stromabnehmer dienenden flüssigen Metallegierung gefüllt und mit dem durch die andere Stirnwand der Sammelkammer

(23) und die Zwischenwand (39,38) gebildeten Hohlraum (37,36) verbunden ist.

2. Elektrische Maschine nach Anspruch 1, mit einem zum anderen Ende (5) der Läuferwelle führenden Kühlmittelkanal (19), der in einer am zweiten Ende (5) der Welle angeordneten Sammelkammer

(24) mündet, dadurch gekennzeichnet, daß in dem zum zweiten Ende (5) der Läuferwelle (3) führenden Kühlmittelkanal (19) eine dritte Stromzuführung (26) angeordnet ist, die mit einer in der am zweiten Ende (5) der Läuferwelle (3) angeordneten Sammelkammer (24) untergebrachten Stromzuführungseinrichtung (27) positiver Polarität verbunden ist.

3. Elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine Sammelkammer (23,24) aus einem elektrisch und thermisch isolierenden Werkstoff ausgeführt und durch eine dem entsprechenden Lager (6) zugekehrte Stirnwand mit dem Gehäuse dieses Lagers (6) zur Zentrierung einer Scheibe (33,34, 44) der in der Kammer (23, 24) untergebrachten Stromzuführungseinrichtung (13, 15,27) starr verbunden ist, und daß die am Ende (5) der Läuferwelle (3) auf der Seite der Kühlmittelzuführungseinrichtung (18) angeordnete Sammelkammer (24) zusätzlich durch eine der Kühlmittelzuführungseinrichtung (18) zugekehrte Stirnwand der Kühlmittelzuführungseinrichtung (18) starr verbunden ist.