DE2951738C2

DE2951738C2 - Rotor für einen superleitfähigen Generator

Info

Publication number: DE2951738C2
Application number: DE2951738A
Authority: DE
Inventors: Masatami Iwamoto; Masayuki Miyazaki; Shiro Nakamura; Sumio Amagasaki Yoshioka
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1978-12-29
Filing date: 1979-12-21
Publication date: 1984-08-16
Also published as: JPS5592567A; DE2951738A1; JPS6259546B2; US4532445A; GB2040598A

Description

Die Erfindung betrifft einen Rotor für einen Generator der im Gattungsbegriff des Patentanspruches 1 angegebenen Art. wie er aus der DE-OS 25 16336 bekannt ist.

Fig. 1 der zugehörigen Zeichnung zeigl einen herkömmlichen Rotor eines supraleitfähigen Generators. Gemäß Fig. 1 ist ein Drehmomentrohr I von einem Dämpferrohr 2 umgeben und befindet sich eine supr.ileitfähige Spule 3 im Inneren des Drehmomentrohres 1. Die supraleitfähige Spule 3 ist mittig am Drehmomenlrohr 1 vorgesehen. Eine Welle 4 des Rotors wird durch Lager 5 gehalten. Ein Ende des Drehmomentrohres I ist einstückig mit dem Dämpferrohr 2 und der zugeordneten Welle 4 ausgebildet, während das andere F.ndc des Drchmomentrohrcs 1 über ein bewegliches Bauteil 6 mit dem Ende des Dämpferrohres 2 verbunden ist. Das Dämpferrohr 2 dient auch ab Vakuumgefäß.

Wenn eine supralcitfähigc Spule 3 in dem Drchinomentrohr 1 des Rotors des supraleitfähigen Generators des beschriebenen Aufbaues untergebracht ist und eine Kühlung auf eine kryogene Temperatur von etwa —269° C erfolgt, so wird der elektrische Widerstand etwa gleich Null und werden Erregerverluste elimiert. Die supraleitfähige Spule 3 bildet ein starkes magnetisches Feld und ein nicht dargestellter Stator erzeugt einen Wechselstrom.

Zwischen dem Drehmomentrohr 1 und dem Dämpferrohr 2 befindet sich ein flexibles bewegliches Teil 6, um nachteilige Einwirkungen aufgrund einer Wärmeschrumpfung zu verhindern. Das Drehmomentrohr 1

ίο wird zusammen mit der supraleitfähigen Spule 3 auf eine kryogene Temperatur abgekühlt, so daß eine Wärmeschrumpfung des Drehmomentrohres auftritt. Durch diese Wärmeschrumpfung kommt es zu einer Diskrepanz zwischen der Ausdehnung des Drehmomentrohres 1 und der Ausdehnung des Dämpferrohres 2, die in einem Stück miteinander ausgebildet sind. Zur Verhinderung dieser nachteiligen Auswirkungen der Wärmeschrumpfung ist das bewegliche Bauteil 6 zwischen dem Ende des Drehmomentrohres 1 und dem Dämpferrohr 2 vorgese-

n hen.

Fig.2 zeigt eine weitere Ausluhrungsform eines herkömmlichen Rotors für einen supraleitfähigen Generator. Bei dieser Ausführungsform befindet sich ein bewegliches Bauteil 6 an einem Ende des Dämpferrohres 2, um auf diese Weise eine Diskrepanz zwischen der Ausdehnung des Drehmomenlrohres 1 und der des Dämpferrohres 2 aufgrund einer Wärmeschrumpfung zu verhindern. Dieses bewegliche JKauteil 6 verhindert die nachteiligen Auswirkungen der Wärmeschrumpfung in ausreichen-

jo dem Maße. Es besteht jedoch die Schwierigkeit, daß das bewegliche Bauteil mechanisch brüchig ist. Daher ist die GrcnzgcschwindigKeil des Rotors, oberhalb welcher der Betrieb mit Gefahren verbunden ist, zu niedrig oder können durch die Drehung des Rotors schwere Vibrationen auftreten.

Darüber hinaus hat das bewegliche Bauteil 6 einen komplizierten Aufbau, so daß die Herstellung Schwierigkeiten bereitet.
Bei dem aus der DE-OS 25 16336 bekannten Rotor gemäß Gattungsbegriff des Patentanspruches 1 ist die, die Erregerwicklung tragende, als Drehmomentrohr wirkende Haltekonstruktion mil dem auch als Dämpferrohr wirkenden Tragzylinder an beiden Enden einstückig verbunden. Dieser starre Aufbau zeigt gegenüber den herkömmlichen Rotoren, bei denen das Drehmomentrohr und das Dämplcrrohr nur einseitig miteinander verbunden sind, zwar eine höhere mechanische Festigkeit, es treten jedoch erhebliehe thermische Beanspruchungen aufgrund der extremen Tempcniturdifferenzen zwischen dem Dämpferrohr und dem Drehmomenlrohr auf. Aufgrund der extremen Temperaturdifferenzcn wird das Dämpferrohr einer erheblichen Kompressionsbeanspruchung unterworfen, während das Drchmomentrohr einer Zugbeanspruchung unterliegt. Aufgrund der Abkühlung des Drehmomentrohres erleidet die gesamte Struktur eine Schrumpfung.

Die Aufgabe der Erfindung besteht somit darin, bei einem Rotor der im Gattungsbegriff des Patentanspruches I angegebenen Art die Schrumpfung auf einem nied-

W) rigen Wert zu halten, ohne hierdurch die Festigkeit und Zuverlässigkeit zu beeinträchtigen.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des kenn· zeichnenden Teiles des Patentanspruches 1 gelöst.
Dadurch, daß beim erfindungsgemäßen Rotor sowohl

h5 das Drehmomentrohr als auch als das Dämpferrohr aus Titan oder einer Titanlegierung bestehen, eine MalerialluiMvahl. die grundsätzlich aus der CH-PS 581 399 bckiinnt ist. und es sich herausgestellt hat, daß die Streck-

grenze von Titan bei kryogenen Temperaturen erheblich ansteigt, konnten die Wandstärke des Drehmomentrohres und die Wandstärke des Dämpferrohres ungleich gewählt werden, ohne daß hierdurch die Gesamtfestigkcil beeinträchtigt wird. Die höchste Gesamtfestigkeit wird dann erhalten, wenn das Dickenverhältnis etwa 2 beträgt. Bei einem derartig bemessenen Diekenverhällnis kann die Schrumpfung erheblich vermindert werden. Dabei wird bei dem erfindungsgemäßen Rotor ein vollständig starrer Aufbau beibehalten, der frei von Vibrationen ist.

Besonders bevorzugte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Rotors sind Gegenstand der Patentansprüche 2 bis 5.

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 Drehmomenlroiirs und des Dämpfers gemäß Fig. 3 und der Schrumpfung beim Kül/ien 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. Das Drehmomentrohr 1 ist an beiden Enden fest mit dem Dämpfer 2 verbunden, und zwar durch Schweißen oder durch Bolzen. Die Dicke des Dämpfers 2 beträgt das Zweifache der Dicke des Drehmomentrohres 1. Im übrigen ist der Aufbau der gleiche wie bei dem herkömmlichen Rotor gemäß den Fig. 1 und 2.

Bei einem Rotor eines supraleitfähigen Generators mit dem oben beschriebenen Aufbau unterliegt das Drehmomentrohr 1 einer Wärmespannung o,, während der Dämpfer 2 einer Wärmespannung o₂ unterliegt. Dieses ergeben sich aus folgenden Gleichungen.

o,= Ea AT-u/U, σ₂ = Εα AT- /,/(/,

Dabei bedeutet /, die Dicke des Drehmomentrohrs I; I₁ die Dicke des Dämpfers 2; £ das Young's Modul: a den thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Materials und ATdie Kühltemperaturdiffercnz des Drehmomentrohrs 1. Im folgenden sollen die Verhältnisse bei verschiedenen Dicken untersucht werden. Hierzu wird die Wärmespannung im Falle einer Gleichheit der Dicke I₁ des Drehmomentrohrs 1 und der Dicke I₁ des Dämpfers 2 als Referenzwert angenommen. Diese Wärmespannung hat gemäß Fig.4 den Wert 1. Wenn iniin nun die Dicke I₁ des Dämpfers 2 im Vergleich zur Dicke I₁ des Drehmomentrohrs 1 erhöht, so kommt es zu einer Steigerung der Wärmespannung o, des Drehmomenlrohrs I und zu einer Senkung der Wärmespannung (T, des Dampfers 2. Wie die gestrichelte Linie zeigt, kommt es bei Erhöhung der Dicke I₁ des Dämpfers 2 im Vergleich zur Dicke /, des Drehmomentrohres 1 beim Abkühlen zu einer Senkung der Schrumpfung des Rotors. Im allgemeinen wird die Streckgrenze eines metallischen Materials mit sinkender Temperatur erhöht. Von diesem Effekt kann man bei der Konstruktion eines Rotors, bei dem das Drehmomentrohr 1 auf wesentlich niedrigere Temperaturen abgekühlt wird als der Dämpfer 2, nutzbringend Gebrauch machen, indem die Dicke des Dämpfers 2 größer wählt als die Dicke des Drehmomentrohres 1, welches bei den niedrigen Temperaturen eine verbesserte Streckgrenze aufweist.

ίο Fig. 5 zeigt die Wärmespannung des Drehmomentrohres 1 und des Dämpfers 2. welche aus Titan bestehen oder aus einer Titanlegierung. Bei den auf der Qrdinate aufgetragenen Werten handelt es sich um das Verhältnis der Wärmespannung zur Streckgrenze. Im allgemeinen ist die Streckgrenze eines Metallsubstrates bei der kryogenen Temperatur etwa doppelt so groß wie die Streckgrenze bei Umgebungstemperatur oder Raumtemperatur. Demzufolge beträgt die Streckgrenze des Drehmomenlrohres 1 bei der kryogenen Temperatur etwa das Zweifache der Streckgrenze bei Raumtemperatur. Andererseils hai der Dämpfer 2 die gleiche Streckgrenze bei Umgebungstemperatur. Somit erhäh -man im wesentlichen das gleiche Verhältnis von Wänuespannung zu Streckgrenze, und die zulässigen Daten oder Toleranzen des Drehmomenirohres 1 und des Dämpfers 2 sind hinsichtlich der Wärniespannung im wesentlichen gleich, wenn nvan nur die Dicke /, des Drehmomentrohres 1 und die Dicke I₂ des Dämpfers 2 gemäß der Beziehung I₁ = 2/, (Fig. 5) wählt.

jo Die den Dämpfer 2 beaufschlagende Wärmespannung liegt als Druckspannung vor, während die das D.rehmomemrohr 1 beaufschlagende Wärmespannung als Zugspannung vorliegt.

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. Gemäß Fig. 6 sind der Dämpfer und das Drehmomentrohr einstückig ausgebildet und beide Enden derselben können durch Bolzen 8 an einem Flansch 7 einer ■Rotorwelle 4 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 be&diriebenen Ausführungsformen hat das Drchmon.enirohr 1 eine gleichförmige Dicke. Bei der Ausführungsform gemäß F i g. 7 hat der die Spule tragende Bereich Xh des Drehmomentrohrs 1 eine größere Dicke als der Wärmeisolierungsbereich Xa an beiden Enden des Drehmomentrohrs I. Die Spule 3 ist derart angeordnet, daß sie den Bereich Xh 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 bolzenbefestigung zu einem einstückigen Bauteil miteinander verbunden. Ini übrigen hat diese Ausffihrungsform die gleichen Merkmale wie die bisher besshrieöenen Ausrührungsform.

Da der die Spule tragende Bereich Ib des Drehmoment-

to rohrs 1 eine aust .ichende oder große Dicke aufweist. muH man die thermische Spannung σ, des Wärmeisolierungsbercichs Xa des Drehmomentrohrs 1 und die Warmcspannung O₁ des Dämpfers 2 berücksichtigen. Diese Wiirmespannungen σ, und O₁ ergeben sich aus den nachfolgenden Gleichungen.

,₁, h) o₂ = Ei- AT -/,IiI, +I₁-Ii)

Dabei gilt Tür k die folgende Definition:

Länge des Isolierungshercich» I« des DrchmomcnirohrN 1 Gesamtlänge des Dämpfers

Die Gleichungen 11 unterscheiden sich von den Gleichungen 1 dadurch, daß im Nenner der Wert (ι, + I₂) durch (/, +1₁ ■ A) ersetzt wird. Man kann daher die gleichen Effekte wie bei den zuvor beschriebenen Ausfüh- rungsformen hinsichtlich des Verhältnisses der Wärmespannung zur Streckgrenze erwarten, wenn man I₁ = Ii_i wählt.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen '

25

30

35

40

45

50

55

60

65

Claims

Patentansprüche:

1. Rotor für einen Generator mit einem, eine supraleitfahige Spule tragenden Drehmomentrohr, einem das Drehmomenlrohr konzentrisch umgebenden und mit diesem an beiden Enden einstückig verbundenen Dämpferrohr. dessen Wandstärke größer ist als die Wandstücke des Drehmomentrohres, und einer Vakuumringkammer zwischen Drehmomentrohr und Dämpferrohr, wobei das Drehmomenlrohr im Bereich der supraleitfähigen Spule auf cine kryogene Temperatur abgekühlt ist, so daß sich zu den lagerseitigen Enden des Drehmomentrohres hier seine Temperatur auf die Temperatur des Dämpferrohres (Umgebungstemperatur) erhöht, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl das Drehmomentrohr (1) als auch das Dämpferrohr (2) aus Titan oder einer Titanlegierung bestehen und daß ein Verhältnis der Dicke (Z₂) des Dämpferrohres (2) zur Dicke (/,) des Drehmomeatrohres (1) von wenigstens 2 gewählt ist, so daß die Verhältnisse der Wärmespannung zur Streckgrenze der beiden Rohre im wesentlichen angeglichen sind.

2. Rotor nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß das Dämpferrohr (2) und das Drehmomentrohr (I) durch Bolzcnverschraubung starr miteinander verbunden sind.

3. Rotor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Dämpferrohr (2) und das Drehmomentrohr (I) durch Bolzen (8) mil je einem Flansch (7) einer Drehyelle (4) verbunden sind.

4. Rotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke des die Spule (3) tragenden Bereiches (In) Jes Drehmomentrohres (I) größer ist als die Dicke des Wärmeisolierungsbereiches (la).

5. Rotor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die supraleitfähigc Spule (3) auf der Außenseite des Drehmomentrohres (1) angeordnet ist.