DE2951738A1 - Rotor fuer einen supraleitfaehigen generator - Google Patents

Rotor fuer einen supraleitfaehigen generator

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Description

Die Erfindung betrifft einen Rotor für einen supraleitenden Generator. Insbesondere betrifft die Erfindung einen Rotor, bei dem ein Verbindungsbauteil zwischen einem Dämpferrohr und einem Drehmomentrohr eine ausgezeichnete mechanische Festigkeit aufweist und durch Wärmeschrumpfung nicht nachteilig beeinflußt wird.
Fig. 1 zeigt einen herkömmlichen Rotor eines supraleitfähigen Generators. Gemäß Fig. 1 ist ein Drehmomentrohr 1 von einem Dämpferrohr (damper) 2 umgeben und eine supraleitfähige Spule 3 befindet sich im Inneren des Drehmomentrohrs 1. Die supraleitfähige Spule 3 ist mittig am Drehmomentrohr 1 vorgesehen. Eine Welle 4 des Rotors wird durch Lager 5 gehalten. Ein Ende des Drehmomentrohrs 1 ist einstückig mit dem Dämpferrohr 2 und der zugeordneten Welle 4 ausgebildet, während das andere Ende des Drehmomentrohrs 1 über ein bewegliches Bauteil 6 mit dem Ende des Dämpfers 2 verbunden ist. Das Dämpferrohr 2 dient auch als Vakuumgefäß.
Wenn eine supraleitfähige Spule 3 in dem Drehmomentrohr 1 des Rotors des supraleitfähigen Generators des beschriebenen Aufbaus untergebracht wird und wenn eine Kühlung auf eine cryogene Temperatur von etwa -269°C erfolgt, so wird der elektrische Widerstand etwa Null und die Erregerverluste werden eliminiert. Es wird ein starkes magnetisches Feld durch die supraleitfähige Spule 3 erzeugt und im nichtgezeigten Stator wird Wechselstrom erzeugt.
Zwischen dem Drehmomentrohr 1 und dem Dämpfer 2 befindet sich ein flexibles, bewegliches Teil 6, um nachteilige Einwirkungen aufgrund einer Wärmeschrumpfunρ zu verhindern. Das Drehmomentrohr 1 wird zusammen mit der supraleitfähigen Spule 3 auf eine cryogene Temperatur abgekühlt, so daß es zu einer praktischen Wärmeschrumpfung des Drehmoment-
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rohrs kommt. Durch diese Wärmeschrumpfung kommt es zu einer Diskrepanz der Ausdehnung des Drehmomentrohrs 1 und der Ausdehnung des Dämpferrohrs 2, welche einstückig ausgebildet sind. Zur Verhinderung dieser nachteiligen Auswirkungen der Wärmeschrumpfung ist das bewegliche Bauteil 6 zwischen dem Ende des Drehmomentrohrs 1 und dem Dämpferrohr 2 vorgesehen.
Fig. 2 zeigt eine weitere AusfUhrungsform der herkömmlichen Einrichtung. Dabei befindet sich ein bewegliches Bauteil 6 an einem Ende des Dämpfers 2, um auch auf diese Weise eine Diskrepanz der Ausdehnung des Drehmomentrohrs 1 und des Dämpfers 2 durch Wärmeschrumpfung zu verhindern. Dieses bewegliche Bauteil 6 eines herkömmlichen Rotors eines supraleitfähigen Generators verhindert die nachteiligen Auswirkungen der Wärmeschrumpfung in ausreichendem Maße. Es besteht jedoch die Schwierigkeit, daß das bewegliche Bauteil mechanisch brüchig ist. Daher ist die Grenzgeschwindigkeit des Rotors,oberhalb welcher der Betrieb mit Gefahren verbunden ist, zu niedrig oder es kann durch die Umdrehung des Rotors zu schweren Vibrationserscheinungen kommen.DarUberhinaus hat das bewegliche Bauteil 6 einen komplizierten Aufbau, so daß die Herstellung Schwierigkeiten bereitet.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Rotor für einen supraleitfähigen Generator zu schaffen, bei dem das Drehmomentrohr und der Dämpfer einstückig ausgebildet sind, ohne Vorhandensein eines beweglichen Bauteils, und wobei die Dickendes Dämpfers und des Drehmomentrohrs derart ausgewählt sind, daß die Wärmeschrumpfung vermindert und die Schwingungen bei der Rotation herabgeset zt sind.
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Erfindungsgemäß wird ein Rotor für einen supraleitfähigen Generator geschaffen, wobei ein Drehmomentrohr fest und einstückig mit einem Dämpfer verbunden ist und wobei die Dicke des Dämpfers mehr als das Zweifache der Dicke des Drehmomentrohrs beträgt und wobei der so aufgebaute Rotor ausgezeichnete thermische und mechanische Vorteile bietet.
Im folgenden wird die Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert; es zeigen:
Fig. 1 und 2 Ausführungsformen herkömmlicher Rotoren für einen supraleitfähigen Generator;
Fig. 3 einen Schnitt durch eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Rotors für einen supraleitfähigen Generator;
Fig. 4 eine graphische Darstellung der thermischen Beanspruchungen des Drehmomentrohrs und des Kämpfers gemäß Fig. 3 und der Schrumpfung beim Kühlen des Rotors in Abhängigkeit vom Verhältnis der Dicken des Drehmomentrohrs und des Dämpfers;
Fig. 5 eine graphische Darstellung des Verhältnisses der thermischen Beanspruchung und des Widerstandes des Drehmomentrohrs und des Dämpfers;
Fig. 6 einen Schnitt einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Rotors eines supraleitfähigen Generators; und
Fig. 7 einen Schnitt durch eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Rotors eines supraleitfähigen Generators.
Im folgenden wird auf Fig. 3 Bezug genommen. Dabei sind gleiche Bauteile mit den gleichen Bezugszeichen versehen wie in den Fig. 1 und 2. Das Drehmomentrohr 1 ist an beiden Enden fest mit dem Dämpfer 2 verbunden, und zwar durch Schweißen oder durch Bolzen. Ein Übergangsverbindungsstück in Form eines beweglichen oder expandierbaren Bauteils,
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wie dies bei herkömmlichen Rotoren vorgesehen ist, fehlt. Die Dicke des Dämpfers 2 beträgt mehr als das Zweifache der Dicke des Drehmomentrohrs I. Im übrigen ist der Aufbau der gleiche wie bei dem herkömmlichen Rotor gemäß den Fig. 1 und 2.
Bei einem Rotor eines supraleitfähigen Generators gemäß vorliegender Erfindung mit dem oben beschriebenen Aufbau unterliegt das Drehmomentrohr 1 einer Wärmespannung ^1, während der Dämpfer 2 einer Wärmespannung ^2 unterliegt. Diese ergeben sich aus folgenden Gleichungen.
<5^ = Ea
= Ea AT-VCt1 + t2)
Dabei bedeutet t^ die Dicke des Drehmomentrohrs 1; t2 die Dicke des Dämpfers 2; E das Young's Modul; α den thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Substrats; und ^T die KUhltemperaturdifferenz des Drehmomentrohrs 1. Im folgenden sollen die Verhältnisse bei verschiedenen Dicken untersucht werden. Hierzu wird die Wärmespannung im Falle einer Gleichheit der Dicke t1 des Drehmomentrohrs 1 und der Dicke t2 des Dämpfers 2 als Referenzwert angenommen. Diese Wärmespannung hat gemäß Fig. 4 den Wert 1. Wenn man nun die Dicke t2 des Dämpfers 2 im Vergleich zur Dicke t1 des Drehmomentrohrs 1 erhöht, so kommt es zu einer Steigerung der Wärmespannung (J^1 des Drehmomentrohrs 1 und zu einer Senkung der Wärmespannung C^2 des Dämpfers 2. Wie die gestrichelte Linie zeigt, kommt es bei Erhöhung der Dicke t2 des Dämpfers 2 im Vergleich zur Dicke t1 des Drehmomentrohrs 1 zu einer Senkung der Schrumpfung des Rotors (Abkühlen) . Im allgemeinen wird die Fließfestigkeit eines Metallsubstrats mit sinkender Temperatur erhöht. Von diesem Effekt kann man bei der Konstruktion eines Rotors mit dem erfindungsgemäßen Aufbau, bei dem das Drehmomentrohr 1 auf wesentlich niedrigere Temperaturen abgekühlt wird als der Dämpfer 2, nutzbringend Gebrauch machen, indem man die
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Dicke des Dämpfers 2 größer wählt als die Dicke des Drehmomentrohrs 1, welches bei den niedrigen Temperaturen eine verbesserte Fließfestigkeit aufweist.
Fig. 5 zeigt die Wärmespannung des Drehmomentrohrs 1 und des Dämpfers 2, welche aus Titan bestehen oder aus einer Titenlegierung. Bei den auf der Ordinate aufgetragenen Werten handelt es sich um das Verhältnis der Wärmespannung zur Fließfestigkeit. Im allgemeinen hat die Fließfestigkeit eines Metallsubstrats bei der cryogenen Temperatur etwa den zweifachen Wert der Fließfestigkeit bei Umgebungstemperatur oder Zimmertemperatur. Demzufolge beträgt die Fließfestigkeit des Drehmomentrohrs 1 bei der cryogenen Temperatur etwa das Zweifache der Fließfestigkeit bei Raumtemperatur. Andererseits hat der Dämpfer 2 im wesentlichen die gleiche Fließfestigkeit wie bei Umgebungstemperatur. Somit erhält man im wesentlichen das gleiche Verhältnis von Wärmespannung zu Fließfestigkeit, und die zulässigen Daten oder Toleranzen des Drehmomentrohrs 1 und des Dämpfers 2 sind hinsichtlich der Wärmespannung im wesentlichen gleich, wenn man nur die Dicke t1 des Drehmomentrohrs 1 und die Dicke t2 des Dämpfers 2 gemäß der Beziehung t2 = 2t1 (Fig. 5) wählt.
Die den Dämpfer 2 beaufschlagende Wärmespannung liegt als Druckspannung vor, während die das Drehmomentrohr 1 beaufschlagende Wärmespannung als Zugspannung vorliegt. Es ist daher erforderlich, die Dicke t2 des Dämpfers 2 zu erhöhen, um der Durchbiegung aufgrund der ausgeübten Druckkräfte entgerenzuwirken. Daher werden erfindungsgemäß der Dämpfer 2 und das Drehmomentrohr 1 des Rotors einstückig ausgebildet und die Dicke des Dämpfers und des Drehmomentrohrs werden gemäß der Beziehung t2 ^ 2t1 gewählt. Man erhält dabei einen Rotor mit hoher Zuverlässigkeit und geringer
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Wärmeschrumpfung. Ein bewegliches Bauteil, wie es bei herkömmlichen Rotoren erforderlich ist, kann eliminiert werden. Daher kommt es bei der Rotation nur in geringem Maße zu Schwingungen. Ferner kann der Rotor iuf einfache Weise hergestellt werden.
Der Dämpfer und das Drehmomentrohr des Rotors können aus einem wirtschaftlichen Material, z.B. aus Edelstahl, gefertigt werden. Es ist jedoch möglich, die Fließfestigkeiten dieser Bauteile durch Verwendung von Titan oder einer Titanlegierung zu erhöhen. Diese Materialien haben einen geringeren Young's Modul und einen kleineren Wärmeausdehnungskoeffizienten.
Der Dämpfer und das Drehmomentrohr des Rotors gemäß vorliegender Erfindung werden zu einem einstückigen Bauteil miteinander verbunden, und zwar durch Schweißen oder durch Verschrauben mit Bolzen. Ein bewegliches Bauteil, wie bei herkömmlichen Rotoren, ist nicht erforderlich. Gemäß Fig. 6 können der Dämpfer und das Drehmomentrohr einstückig ausgebildet sein und beide Enden derselben können durch Bolzen 8 an einem Flansch 7 einer Rotorwelle k befestigt werden. In diesem Falle bereitet der Zusammenbau des Rotors und die Anbringung der supraleitfähigen Spule 3 keine Schwierigkeiten.
Fig. 7 zeigt eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Rotors. Bei den bisher beschriebenen Ausführungsformen hat das Drehmomentrohr 1 eine gleichförmige Dicke. Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 7 hat der die Spule tragende Bereich 1b des Drehmomentrohrs 1 eine größere Dicke als der Wärmeisolierungsbereich 1a an beiden Enden des Drehmomentrohrs 1. Die Spule 3 ist derart angeordnet, daß sie den Bereich 1b auf dessen Außenseite umgibt. Der Dämpfer 2 und das Drehmomentrohr 1 bestehen aus Titan oder aus einer Titanlegierung und sie sind durch Schweißen oder eine Bolzen-
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befestigung zu einem einstückigen Bauteil miteinander verbunden. Im übrigen hat diese Ansführungsform die gleichen Merkmale wie die bisher beschriebenen Ausführungsformen.
Da der die Spule tragende Bereich 1b des Drehmomentrohrs 1 eine ausreichende oder große Dicke aufweist, muß man die thermische Spannung ^1 des Wärmeisolierung sbereichs 1a des Drehmomentrohrs 1 und die Wärmespannung <f 2 des Dämpfers 2 berücksichtigen. Diese Wärmespannungen ^1 und <^2 ergeben sich aus den nachfolgenden Gleichungen.
^ W + tp · k)
+ t2 · k)
Dabei gilt für k die folgende Definition:
k - Länge des Isolierungsbereichs 1a des Drehmomentrohrs 1 = Gesamtlänge des Dämpfers 2
Die Gleichungen II unterscheiden sich von den Gleichungen I dadurch, daß im Nenner der Wert (t^ + t2) durch Ct1 + t2 · k) ersetzt wird. Man kann daher die gleichen Effekte wie bei den zuvor beschriebenen Ausführungsformen hinsichtlich des Verhältnisses der Wärmespannung zur Festigkeit erwarten, wenn man t2 = 2t1 wählt.
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Claims (8)

1A-3080 .
ME-461K
(F-1793)
MITSUBISHI DENKI KABUSHIKI KAISHA Tokyo, Japan
Rotor für einen supraleitfähigen Generator
Patentansprüche
Rotor für einen supraleitfähigen Generator mit 'nem eine supraleitfähige Spule tragenden Drehmoment rohr in einem Kältedämpfer, dadurch gekennzeichnet, daß der Dämpfer (2) und das Drehmomentrohr (1) an beiden Enden starr oder einstückig miteinander verbunden sind und daß die Dicke des Dämpfers mindestens das Zweifache und vorzugsweise mehr als das Zweifache eines wärmeisolierenden Bereichs des Drehmomentrohrs (1) beträgt.
2. Rotor nach Anspruch 1, dadurch ge· "nnzeichnet, daß der Dämpfer (2) und das Drehmomentrohr (1) durch Schweißen oder durch Bolzenverschraubung einstückig bzw. starr miteinander verbunden sind.
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3· Rotor nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Dämpfer (2) und das Drehmomentrohr (1) aus Titan oder einer Titanlegierung bestehen.
4. Rotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, daß der Dämpfer (2) und das Drehmomentrohr (1) einstückig ausgebildet sind und durch Bolzen (8) mit je einem Flansch (7) einer Drehwelle (4) verbunden sind.
5· Rotor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Drehmomentrohr (1) über seine gesamte Länge eine gleichförmige Dicke aufweist.
6. Rotor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die supraleitfähige Spule (3) innerhalb des Drehmomentrohrs (1) untergebracht ist.
7. Rotor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke des die Spule (3) tragenden Bereichs (1b) des Drehmomentrohrs (1) größer ist als die Dicke des Wärmeisolierungsbereichs (1a).
8. Rotor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die supraleitfähige Spule (3) auf der Außenseite des Drehmomentrohrs (1) angeordnet ist.
9· Rotor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Außendurchmesser des die Spule (3) tragenden Bereichs (1b) des Drehmomentrohrs (1) geringer ist als der Außendurchmesser der beidseitigen Wärmeisolierungsbereiche (1a).
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