DE2858052C2 - Stromzuführung für eine kryogengekühlte elektrische Maschine - Google Patents

Description

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 IX-IX durch die Darstellung gemäßFig.Z

Die kryogengekühlte elektrische Maschine hat ein Gehäuse 1 (Fig 1), in dem eine (in der Zeichnung nur angedeutete) Ständerwicklung 2 angeordnet ist, und einen sich mit den Enden 4,5 der Hohlwelle auf Lager 6 stützenden Hohlläufer 3. Die Lager 6 liegen in Stirnschilden 7 des Gehäuses 1 zur Aufrechterhaltung eines Vakuums im Spalt zwischen der Ständerwicklung 2 und dem Läufer 3. In den Stirnschilden 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 11, 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 de? 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 Enden 4,5 der Hohlwelle des Läufers 3 angeordneten Sammelkammern 23, 24 für das Kühimittel 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 (F i g. 2) und 15 positiver bzw. negativer Polarität sind in Form von Scheiben 33 bzw. 34 aus elektrisch leitendem Werkstoff (beispielsweise aus Kupfer) hergestellt und über wärmeisolierende Zwischenlagen 35 am Ende 4 der Hohlwelle des Läufers 3 an der Austrittsstelle der Stromzuführungen H₁ 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 eutektische*) 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

ίο 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 Zentralkarmner 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 e:ner 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 Stirn- wand der Sammelkammer 24 für das Kühlmittel gebildeten Kammer montierte Scheibe 44 und einen den Kontakten 40,41 ähnlichen Flüssigmetallkon takt 46.

Außer der an die Stromzuführungseinrichtung 13 positiver Polarität angeschlossenen Stromzuführung J-I ist 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 Stromzuführung 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.

Um einen stabilen Betrieb der elektrischen Maschine auch in Obergangszuständen zu gewährleisten, ist die an die Stromzuführungseinrichtung 15 negativer Polarität angeschlossene Stromzuführung 12 (F i g. 2) aus einem porösen Sintermaterial hergestellt, das sich aus zwei Komponenten A und B zusammensetzt, deren eine normalleitend und deren zweite supraleitend ist. Hierbei sind die Komponenten A und B über die Länge der Stromzuführung 12 derart verteilt, daß der Werkstoff, aus dem das mit der Stromzuführungseinrichtung 15 negativer Polarität verbundene Ende dieser Stromzuführung 12 ausgeführt ist, 100% der Komponente A und das Material, aus de.n das andere, mit der supraleitenden Wicklung 10 (F i g. 1) verbundene Ende der Stromzuführung 12 ausgeführt ist, 100% der Komponente B enthält. Der Gehalt einer jeden der Komponenten A und B nimmt in Richtung von dem entsprechenden Ende der Stromzuführung 12, dessen Material die Höchstmenge dieser Komponente enthält, zu dem entgegengesetzten Ende der Stromzuführung 12 hin nach und nach ab. Bei einer derartigen Ausführung der Stromzufüh-

DO

rung 12 gibt es im mittleren Teil einen zehn bis zwanzig Durchmesser der Stromzuführung 12 langen Abschnitt, der eine gleiche Menge der beiden Komponenten enthält.

Die poröse Stromzuführung 12 wird durch Sintern hergestellt und erstreckt sich von der supraleitenden Wicklung 10 bis zur Scheibe 34 (Fig.2) der Stromzuführungseinrichtung 15 negativer Polarität.

Die Stromzuführung 12 ist zur Erzielung einer Pumpwirkung mit einem verzweigten Ende ausgebildet, dessen Zweige in den Kanälen 47 liegen. Die Anzahl der Kanäle 47 (Fig.3) und die entsprechende Anzahl der Zweige beträgt in der beschriebenen Variante acht.

Zum freien und gleichmäßigen Austritt des Kühlmittels aus der Scheibe 34 und folglich auch zur Wärmeverteilung über diese wird zweckmäßig der Austritt der Kanäle 47 (F i g. 2, 3) aus der Scheibe 34 der Stromzuführungseinrichtung 15 (Fig.2) 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 Flüssigmetallkontaktes 41 (F i g. 3) angeordnet.

Die Bewegungsrichtung des Kühlmittels ist in F i g. 1 und 2 durch Pfeile angedeutet.

Zur Sicherung einer störungsfreien Arbeit der elektrischen Maschine im Übergangsbetrieb wird der Bereich der Durchflußmenge für das Kühlmittel über die Stromzuführung 12 und die Kanäle 47 (F i g. 2, 3) so gewählt, daß der Übergang der Komponente B der Stromzuführung 12 in den supraleitenden Zustand dort eintritt, wo der prozentuale Gehalt der beiden Komponenten A und B gleich ist. Die Stromzuführung 12 arbeitet dann bei deren Optimalwerten, d. h. die über die Stromzuführung 12 an die supraleitende Wicklung 10 geleitete Warmemenge ist minimal und von starken Stromschwankungen unabhängig.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

40

45

55

60 65

Claims (2)

1 2 auch normalleitendes Material vorhanden sind. Patentansprüche: Bei diesem Aufbau müssen Erregerwicklung, Erregerstrom und Kühlmittelstrom so aufeinander abge-

1. Kryogengekühlte elektrische Maschine, deren stimmt werden, daß sich über die Länge der Stromzu-Hohlläufer (3) eine supraleitende Wicklung (10) auf- 5 führung ein Temperaturgefälle einstellt, bei dem diejeweist, deren Stromzuführungen (t 1,12) mit je einer nige Stelle, im folgenden kurz Sprungstelle genannt, von Stromzuführungseinrichtung (13, 15) am Ende der der an in Richtung zur Wicklung gesehen die Tempera-Läuferwelle verbunden und in wenigstens einem in tür unterhalb der Sprungtemperatur des Supraleiters der Läuferwelle ausgebildeten Kühlmittelkanal (14, liegt, sich im Dauerbetrieb mit Sicherheit ira normallei-16) angeordnet sind, der den Hohlraum des Läufers ig tenden Teil der Stromzuführung befindet. Wandert bei (3) mit einer am Ende (4) der Läuferwelle angeord- Obergangsvorgängen, z. B. wenn sich der Kühlmittelneten Kühlmittel-Sammelkammer (23) verbindet, strom oder der Erregerstrom ändern, die Sprungstelle in wobei die an die Stromzuführungseinrichtung (15) den Bereich, wo sich Supraleiter und Normalleiter übernegative Polarität angeschlossene Stromzuführung lappen, dann wird der Erregerstrom auf der kalten Seite (12) an dem an der supraleitenden Wicklung gelege- 15 der Sprungstelle vom Supraleiter und auf der wärmen nen Ende aus supraleitendem und an dem an der Seite vom Normalleiter übernommen. Es ist daher auch Stromzuführungseinrichtung (15) gelegenen Ende dann noch ein sicherer Betrieb möglich. Wandert jedoch aus normalleitendem Material besteht, und wobei in die Sprungstelle in den Bereich des supraleitfähigen dem im Kühlmittelkanal (14, 16) befindlichen Ver- Teils der Stromzuführung, so muß der Erregerstrom bindungsbereich zwischen supra- und normalleken- 20 sehr schnell abgeschaltet werden, um eine Zerstörung dem Teil (itr Stromzuführung (12) über einen Teil des Erregersystems zu verhindern.

seiner Längserstreckung supra-und normalleitendes Hinzu kommt, daß bei der bekannten elektrischen

Material vorhanden sind, dadurch gekenn- Maschine der supra-und der normalleitende Teil der

zeichnet, daß die an die Stromzuführungsein- Stromzuführung aus massivem Material ausgeführt

richtung (15) negativer Polarität angeschlossene 25 sind, so daß der Wärmeübergang zum Kühlmittel ver-

Stromzuführung (12) aus porösem Sintermaterial hältnismäßig schlecht ist

besteht, und aus einem Werkstoff hergestellt ist, der Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, unaus einer normalleitenden (A) und einer supraleiten- ter Gewährleistung-eines guten Wärmeüberganges zwiden Komponente (B) besteht, deren Gehalt in Rieh- sehen Kühlmittel und supra- bzw. normalleitendem Teil tung zur Stromzuführungseinrichtung (15) bzw. zur 30 der Stromzuführung einen sicheren Betrieb auch dann supraleitenden Wicklung hin jeweils allmählich ab- zu gewährleisten, wenn die Sprungstelle infolge stönimmt, wobei die Länge des Abschnittes der Strom- rungs- oder betriebsbedingter Übergangsvorgänge zuführung (12), in dem der Anteil der normalleiten- längs der Stromzuführung über weite Bereiche wandert den Komponente (A) gleich dem der supraleitenden Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Komponente (B)ist, das'Zeiin- bis Zwanzigfache des 35 Merkmale nach dem kennzeichnenden Teil des Patent-Durchmessers der Stromzuführung (12) beträgt, anspruchs 1 gelöst.

2. Elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch Bei der erfindungsgemäßen kryogengekühlten elekgekennzeichnet, daß die mit der Stromzuführung trischen Maschine wird über die gesamte Länge der (12) verbundene Stromzuführungseinrichtung (15) Stromzuführung der Erregerstrom .überwiegend vom innerhalb der Sammelkammer (23) angeordnet ist, 40 normalleitenden bzw. supraleitende Material über- und daß das in Höhe der Sammelkammer (23) ange- nommen, so daß ein sicherer Betrieb selbst dann mögordnete Ende der Stromzuführung (12) in mehrere lieh ist, wenn die Sprungstelle unerwartet weit nach inZweige aufgeteilt ist, die radial in den Schleifring (34) nen wandert Dabei ist wegen der Porosität des Sinterder Stromzuführungseinrichtung verlaufen und an materials ein guter Wärmeübergang zwischen diesem einer an den Innenraum der Sammelkammer (23) 45 und dem Kühlmittel gewährleistet.

angrenzenden Oberfläche des Schleifringes (34) Die erfindungsgemäße poröse Stromzuführung mit

münden. dem sich über ihre Länge ändernden Gehalt der supra-

und der normalleitenden Materialkomponente läßt sich,

wie bekannt (Römpps Chemielexikon 1976, S. 3236) auf

50 pulvermetallurgischem Wege durch Sintern herstellen.

Durch die CH-PS 4 93 905 ist eine Stromzuführung zu

Die Erfindung bezieht sich auf eine kryogengekühlte einem Supraleiter bekannt, bei dem die in einem Kühlelektrische Maschine der im Oberbegriff des Patentan- kanal angeordnete Stromzuführung aus einem Litzenspruchs 1 beschriebenen, aus der DE-OS 27 48 479 be- geflecht mit mehr oder weniger langen Einzellitzen bekannten Art. 55 steht, deren Anteil in der einen oder anderen Richtung Bei der bekannten kryogengekühlten elektrischen der Stromzuführung allmählich ab- bzw. zunimmt. Im Maschine ist der Verbindungsbereich als normalleiten- Litzengeflecht sind untereinander verbundene Hohlräudes Rohr ausgeführt, in dessen der Stromzuführungsein- me zur Durchleitung eines Kühlgases vorhanden,
richtung zugewandtes Ende der normalleitende Teil der Die Sprungstelle legt man am günstigsten in den Stromzuführung eingeführt ist. Der von der supraleiten- 60 Punkt der Stromzuführung, an dem die Anteile der beiden Wicklung kommende supraleitende Teil der Strom- den Komponenten gleich sind. Daher läßt sich eine grözuführung ist in eine auf der Außenseite des Rohres ßere Sicherheit erreichen, wenn man einen längeren Abangeordnete Nut eingelegt und dort mit dem Rohr ver- schnitt vorsieht, in dem die Anteile der beiden Kompolötet. Im Verbindungsbereich zwischen dem supra- und nenten gleich sind.

dem normalleitenden Teil der Stromzuführung überlap- 65 Eine bevorzugte Ausgestaltung der erfindungsgemäpen diese sich somit, so daß in diesem Bereich über Ben elektrischen Maschine ist Gegenstand des Patenteinen Teil der Längserstreckung des Verbindungsbe- anspruchs 2.
reichs und somit der Stromzuführung sowohl supra- als Anhand der Zeichnung wird ein Ausführungsbeispiel