DE3005222C2

DE3005222C2 - Stator einer elektrischen Kryogenmaschine

Info

Publication number: DE3005222C2
Application number: DE3005222A
Authority: DE
Inventors: Jurij L'vovi&ccaron; &Ccaron;ernikov; geb. Glebova Lidia Igorevna Leningrad &Ccaron;ubraeva; Janu&scaron; Bronislavovi&ccaron; Danilevi&ccaron;; Vladimir Nikolaevi&ccaron; Ostrejko
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1979-02-15
Filing date: 1980-02-12
Publication date: 1983-12-15
Also published as: US4398108A; SU873332A1; JPS55131252A; DE3005222A1

Description

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Die Erfindung betrifft einen Stator für eine elektrische Kryogenmaschine mit supraleitender Erregerwicklung im Rotor, wie sie insbesondere bei Turbogeneratoren großer Leistung mit einem Kryogenrotor Anwendung finden.

Die Erfindung geht aus von einem Stator einer elektrischen Kryogenmaschine mit supraleitender Erregerwicklung im Rotor, die innerhalb des Gehäuses die Statorwicklung und den die Stalorwicklung umfassenden Teil des magnetischen Kreises enthält Ein solcher Stator ist aus Proc JEE, Vol. 120, No. 10 vom Oktober 1973, Seite 1256 bekannt

Bei dieser bekannten Ausbildung sind im Stator zur direkten Flüssigkeitskühlung seines aus Dynamoblech geschichteten Kerns in diesem axiale Kanäle mit in so ihnen untergebrachten Rohren ausgeführt, in denen Kühlflüssigkeit umläuft.

Bei dieser Bauart des Stators sind die Möglichkeiten seiner Flüssigkeitskühlung beschränkt Die Wirksamkeit der Kühlung hängt ab von der Anzahl der axialen ss Kühimittelkanäle in Statorkern und deren Querschnittsfläche. Beides kann jedoch nicht beliebig vergrößert werden, weil sonst die erforderliche mechanische Festigkeit des Statorkerns nicht mehr gewährleistet ist und auch nicht mehr die erforderliche Querschnittsflä- ω ehe des Magnetleiters (aktiven Eisens) vorhanden ist. Dadurch sind die Möglichkeiten der direkten Flüssigkeitskühlung des Kerns und des Stators begrenzt. Ein gewisser Nachteil der direkten Kühlung der Statorwicklung liegt auch in der komplizierten Zuleitung des Kühlmittels zu den stromleitenden Elementen des Stators.

Besonders problematisch ist die Kühlung bei Turbo

generatoren großer Leistung sowie bei elektrischen Maschinen, die einen nutenlosen (zahnlosen) Kern haben, da in diesem die Wicklung aus sehr dünnen Leitern besteht, deren direkte Wasserkühlung schwierig ist, und die gesamte Wirksamkeit der Wärmeableitung aus dem Stator herabgesetzt wird.

Ein anderer Nachteil des Stators der beschriebenen Bauart ist seine relativ große Masse und seine relativ großen Abmessungen, die an sich in Kryogenm&schinen nicht erforderlich sind. Wegen der supraleitenden Erregerwicklung unterliegt der Magnetisierungsstrom keiner Begrenzung und das magnetische Erregerfeld der erforderlichen Stärke kann unabhängig von der Größe des Luftspalts in der Maschine und, was besonders wichtig ist, unabhängig von den Maßen des Statormagnetleiters und den physikalischen Eigenschaft ten seines Werkstoffs erzeugt werden. Sogar ganz ohne Statormagnetleiter könnte das erforderliche Erregerfeld erzeugt werden, wenn nicht die Befestigung der Statorwicklung dann außerordentlich schwierig würde und sin großer Teil des Erregerfelds als passives Streufeld aus der Maschine heraustreten würde.

Die Rolle des Magnetkerns des Stators in elektrischen Kryogenmaschinen unterscheidet sich also wesentlich von seiner traditionellen Rolle in üblichen elektrischen Maschinen. In Kryogenmaschinen nimmt der Kern die elektrodynamischen Kräfte der Wicklung auf und schirmt den die Maschine umgebenden Raum vom Erregerfeld ab, & h. er dient zur Befestigung der Wicklung und zur Lokalisierung des Magnetfelds in der Maschine. In den üblichen Maschinen soll der Statorkern den magnetischen Erregerfluß verstärken und wird deshalb wenigstens so groß ausgeführt, daß die Induktion in ihm diejenigen Werte nicht überschreitet, bei denen die magnetische Permeabilität des Kerneisens sich zu vermindern beginnt In Kryogenmaschinen ist dagegen eine Verstärkung des Erregerflusses nicht erforderlich, weil dieser ohne .zusätzlichen Aufwand in beliebiger Stärke erzielt werden lonrv. Der Statorkern braucht hier also nur die Wicklung zu tragen und die Umgebung abzuschirmen, was mit bedeutend geringeren Abmessungen erreicht werden kann, bei denen die Induktion wesentlich ansteigt und die Permeabilität des magnetisch aktiven Kerneisens um das Mehrfache absinken würde. In einer Kryogenmaschine genügt ein Permeabilitätswert des Stators von einigen zehn statt einige Hundert in einer üblichen Maschine bei einer möglichst starken Sättigung.

Der bekannte Stator mit dem Magnetleiter in Form eines relativ massiven Eisenkerns ist also funktional nicht gerechtfertigt und unnötig groß und schwer. Auch Ct die Verwendung eines vollständig eisernen Magnetleiters im Stator einer Kryogenmaschine noch deswegen unzweckmäßig, weil infolge des hohen Werts des magnetischen Flusses das Eisen stark gesättigt wird, d. h. es wird als »magnetischer Stoff« nicht mehr wirksam und unwirtschaftlich ausgenutzt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Stator einer elektrischen Kryogenmaschine mit supraleitender Erregerwicklung im Rotor zu schaffen, mit dem bei einfachem Aufbau und geringem Gewicht eine gute Wirksamkeit der StatorkUhlung erreicht wird.

Diese Aufgabe wird gelöst durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs I genannten Merkmale. Falls der Magnetleiter des Stators einen geschichteten Eisenkern enthält, an dessen Innenfläche die Wicklung befestigt ist, so wird der ringförmige zylindrische Hohlraum auf seiner Innenseite durch die

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Außenfläche des geschichteten Kerns begrenzt Wenn auf der anderen Seite durch die Außenfläche des dagegen der Stator ein Ringzylinder aus Isolierstoff ist, geschichteten Eisenkerns 3 begrenzt wird.
il in dem die Statorwicklung eingebettet ist, so wird der Als ferromagnetische Flüssigkeit können beständigeil ringförmige zylindrische Hohlraum auf seiner Innensei- Suspensionen der feindispersen Phase eines f erromagne-H te durch die Außenfläche des Ringzylinders begrenzt. 5 tischen Stoffes in Wasser, Toluol und anderen # Durch die Erfindung ist die Statorkühlung verbessert, Flüssigkeiten verwendet werden. Die magnetische f§ weil die den ringförmigen zylindrischen Raum ausfüllen- Permeabilität einer solchen ferromagnetischen Flüssig-Il de und den Magnetleiter des Stators bildende elektrisch keit ist um das Mehrfache höher als die von Luft und % nichtleitende fe-.romagnetische Flüssigkeit gleichzeitig liegt in der Nähe der Permeabilität stark gesättigten Jj. als Kühlmittel dient, das in einem geschlossenen System 10 Eisens. Auch werin die ferromagnetische Flüssigkeit 5| mit Außenkühler umläuft Die verwendete Flüssigkeits- eine noch niedrigere Permeabilität als stark gesättigtes p menge ist um einen Faktor von einigen Zehn größer als Eisen aufweist hat dies aus den einleitend erläuterten S die Menge der in den axialen Kanälen üblicher Gründen keine nachteilige Bedeutung.
■qj Statorkonstruktionen strömenden Kühlflüssigkeit Die Der Eisenkern 3 ist genutet d.h. er hat an seiner A dadurch erreichte radikale Verbesserung der Wärmeab- 15 Innenfläche Zähne 6, zwischen denen die Wicklung 2 i§ leitung vom Magnetleiter und von der Statorwicklung eingelegt ist Die Jochhöhe des Kerns 3 ist nur gerade so % macht es möglich, von der direkten Kühlung der groß, daß eine ausreichende mechanische Festigkeit des % Statorwicklung abzugehen, und man kann wegen des Kerns gewährleistet ist Somit besteht ein möglichst y. großen Volumens der ferromagnetischen Flüssigkeit großer Teil des magnetischen Rückschlusses aus der ■f deren Druckhöhe und Umlaufgeschwindigkeit um das 20 ferromagnetischen Flüssigkeit

" Mehrfache vermindern, was wiederum den Aufbau des Der zylindrische Ringhohlraum 4 ist mittels stirnseiti-

Stators wesentlich einfacher macht ger Stutzen 7 an ein Kühlsystem angeschlossen, das aus

■ ■ Da die ferromagnetische Flüssigkeit bezüglich ihrer außerhalb der Maschine angeordneten Rohrleitungen 8,

magnetischen Eigenschaften einem stark gesättigten einer Pumpe 9 und einem Außenkühler 10 besteht Das

\ Eisen äquivalent ist und eine um das Mehrfache höhere 25 Kühlsystem und der Hohlraum 4 bilden einen

magnetische Permeabilität als die Luft aufweist stellt sie geschlossenen Kreislauf zum Umlauf der ferromagnets-

einen hinreichend guten Magnetleiter für eine Kryogen- sehen Flüssigkeit Die Anzahl der an den Stirnseiten des

.' maschine dar. Zugleich ist die spezifische Masse der Hohlraums 4 angeordneten Anschlußstutzen 7 und

ferromagnetischen Flüssigkeit mit 13 bis i,7g/cm³ deren Querschnitt werden entsprechen^ dem erforderli-

bedeutend geringer als die spezifische Masse eines 30 chen Flüssigkeitsvolumen und der Strömungsgeschwin-

geschichteten Eisenkerns mit 73 g/cm³, so daß die digkeit bestimmt

Masse des Magnetleiters und die Masse des Stators im An der Innenfläche des Gehäuses 1 sind in radialer

■"; ganzen kleiner werden. Da von der gesamten Masse der Richtung geschichtete axiale Rippen 11 angebracht die

Maschine mindestens die Hälfte auf den Magnetleiter eine Rotation der ferromagnetischen Flüssigkeit bei

des Stators entfällt, wird eine Verringerung der 3s deren Bewegung im Hohlraum 4 verhindern. Außerdem

Maschinenmasse um etwa das 3fache erreicht dienen sie bei der betrachteten Ausführungsform der

Sehr vorteilhaft ist auch, daß der flüssige Magnetlei- Erfindung zur Befestigung des Eisenkerns 3 im

ter erst am Aufstellungsort der Maschine eingefüllt Gehäuses 1. Es wäre auch möglich, den Eisenkern 3

werden muß und daß der Transport der Maschine und mittels einer elastischen Aufhängung am Gehäuse 1 zu

deren Zusammenbau mit ungefülltem und entsprechend 40 befestigen.

leichtem Stator geschehen können. to den F ig. 3 und 4 ist ein Statoraufbau mit

Die Erfindung wird nachfolgend durch die Beschrei- nutenlosem Eisenkern 3 gezeigt Hier sind die Stäbe der

bung von Ausführungsbeispielen an Hand der Zeichnun- Wicklung 2 in einem Tragkörper 1?, z. B. aus

gen weiter erläutert Es zeigt Glasepoxidstoff befestigt, der an der Innenfläche des

F i g. 1 den Längsschnitt durch den Stator einer 45 Eisenkerns 3 angebracht ist. Im übrigen entspricht diese

elektrischen Kryogenmaschine mit supraleitender Er- Ausbildung der zuvor betrachteten, insbesondere

regerwicklcng gemäß einer ersten Ausführungsform hinsichtlich der Verwendung eines den Ringhohlraum 4

der Erfindung, füllenden flüssigen Magnetleiters als Teil des magneti-

F ig. 2 den Schnitt nach der Linie H-Il in Fig. 1, sehen Rückschlusses.

F i g, 3 den Längsschnitt durch den Stator einer 50 In den F i g. 5 und 6 ist ein Statoraufbau gezeigt, die

elektrischen Kryogenmaschine mit supraleitender Er- sich dadurch unterscheidet, daß ihr magnetischer Kreis

regerwicklung gemäß einer zweiten Ausführungsform keinen geschichteten Eisenkern aufweist und nur aus

der Erfindung, der /srromagnetischen Flüssigkeit im Ringhohlraum 4

F ig. 4 den Schnitt nach der Linie IV-IV in Fig. 3, besteht Gemäß dieser Ausführungsform gehört zum

Fig.5 den Längsschnitt durch den Stator einer 55 Stator ein Ring^ylinder 13 aus einen elekirisch

elektrischen Kryogenmaschine mit supraleitender Er- isolierenden Werkstoff, in dem die Wicklung 2 befestigt

regerwicklung gemäß einer dritten Ausführungsform ist wobei sie gemeinsam mit dem Ringzylinder 13 eine

der Erfindung, ganzstückige Konstruktion bildet Die Wickelköpfe der

F i g. 6 den Schnitt nach der Linie VI-VI in F i g. 5. Statorwicklung 2und hier nur kurz und nicht radial nach

Die elektrische KryogenmESChine gemäß Fig. 1, 2 60 außen abgewinkelt Der zylindrische Ringhohlraum 4 ist

hat ein Gehäuse 1. in dem eine Statorwicklung 2 auf der einen Seite durch das Gehäuse 1 und auf der

untergebracht ist weiche einen Rotor 5 mit nicht anderen Seite durch die Außenfläche de^ Ringzylinders

dargestellter supraleitender Erregerwicklung umgibt 13 begrenzt.

Ein Teil des magnetischen Kreises des Stators besteht Die drei betrachteten Ausführungsformen des Stators

aus einem geschichteten Eisenkern 3 und einer 65 einer elektrischen kryogenmaschine unterscheiden sich

elektrisch nichtleitenden ferromagnetischen Flüssigkeit, insofern, als die Ausführungsform gemäß F i g. 1, 2 eine

die einen ringförmigen zylindrischen Hohlraum 4 besonders sichere Befestigung der Wicklung ermög-

ausfüllt. der auf der einen Seite durch das Gehäuse 1 und licht; die in den F i g. 3,4 gezeigte Ausführungsform des

Stators ist kritischer in bezug auf die Befestigung der Wicklung 2 am Kern 3, welche jedenfalls durch eine Berechnung der in ihr wirksam werdenden elektrodynamischen Kräfte geprüft werden muß, und dies gilt auch für die Ausbildung gemäß F i g. 5, 6, welche dafür aber einen geschichteten Blechkern vollständig entbehrlich macht.

Beim Betrieb der elektrischen Kryogenmaschine verläuft der von der supraleitenden Erregerwicklung des Rotors 5 erzeugte magnetische Fluß über den Luftspalt 14 (in der in den Fig. I und 2 dargestellten Ausführungsform auch durch die Zähne 6 des Eisenkerns 3) und schließt sich über den magnetischen Rückschluß des Stators, d. h. über das Joch des Kerns 3 und die ferromagnetische Flüssigkeit im zylindrischen Ringhohlraum 4. Der Verlauf des magnetischen Flusses im Bereich einer Polteilung ist durch gestrichelte Linien in den F i g. 2,4 und 6 gezeig!. Der auf den flüssigen Teil des Statormagnetleiters entfallende Anteil des magnetischen Flusses beträgt annähernd

Hierin sind:

Φι der sich über die ferromagnetische Flüssigkeit

schließende magnetische Fluß, Si Querschnittsfläche des Hohlraums 4 (des flüssigen

Teils des magnetischen Kreises), μι Permeabilität der ferromagnetischen Flüssigkeit, Φι der sich über den Kern 3 schließende magnetische Fluß,

Si Querschnittsfläche des Jochs des Kerns 3 und μ2 Permeabilität des Eisens des Kerns 3.

Da die Permeabilität der ferromagnetischen Flüssigkeit etwa so groß ist wie die Permeabilität stark gesättigten Eisens, verteilt sich der magnetische Fluß zwischen dem flüssigen und dem eisernen Teil des Magnetleiters etwa proportional zu deren Querschnittsflächen.

ίο Wie oben bereits ausgeführt ist die Höhe des Jochs des Kerns nicht größer als aus Festigkeitsgründen erforderlich, so daß der größere Teil des magnetischen Erregerflusses auch beim Vorhandensein eines Eisenkerns 3 im Hohlraum 4 in der ferromagnetischen

Flüssigkeit verläuft.

Die ferromagnetische Flüssigkeit wird mittels der Pumpe 9 durch den Hohlraum 4 und den Kühler 10 befördert und wirkt dabei als Kühlmittel zur Wärmeableitung von der Statorwicklung 2 und vom Kern 3.

Wegen des großen Volumens des Hohlraums 4 wird schon bei niedrigen Strömungsgeschwindigkeiten der ferromagnetischen Flüssigkeit eine praktisch vollständige Wärmeableitung gewährleistet. Die axialen Rippen 11 lenken die Bewegung der ferromagnetischen Flüssigkeit im Hohlraum 4 und lassen keine Rotation der Flüssigkeit zu.

Da? Fehlen eines Eisenkerns im Magnetleiter des Stators gemäß der Ausführungsform nach Fig.5, 6 bringt keine prinzipielle Änderungen in die Wirkung der

ίο elektrischen Kryogenmaschine mit sich. Bei dieser schließt sich der gesamte magnetische Errege.rfluß über die ferromagnetische Flüssigkeit. Die Unterschiede können nur die quantitative Seite betreffen, da bei dieser Ausführungsform ein größeres Volumen der ferroma gnetischen Flüssigkeit wirksam ist.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Stator einer elektrischen Kryogenmaschine mit supraleitender Erregerwicklung im Rotor, die innerhalb des Gehäuses die Statorwicklung und den die Statorwicklung umfassenden Teil des magnetischen Kreises enthält, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil des magnetischen Kreises durch eine elektrisch nichtleitende ferromagnetische to Flüssigkeit gebildet wird, die einen ringförmigen zylindrischen Hohlraum (4) ausfüllt, der auf der Außenseite durch das Gehäuse (1) begrenzt ist und mit einem Kühlsystem in Verbindung steht, das gemeinsam mit dem Hohlraum (4) einen geschlosse- is nen Kreislauf zum umlauf der ferromagnetischen Flüssigkeit bildet, .wobei an der Innenfläche des Gehäuses (1) axiale Rippen (11) zum Verhindern einer Rotation der ferromagnetischen Flüssigkeit bei deren ßewegung im Hohlraum (4) angebracht sind.

2. Stator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der ringförmige zylindrische Hohlraum (4) auf seiner Innenseite durch die Außenfläche eines geschichteten Eisenkerns (3) begrenzt ist, an dessen Innenfläche die Statorwicklung (2) befestigt ist

3. Stator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der ringförmige zylindrische Hohlraum (4) auf seiner Innenseite durch einen Ringzylinder (13) begrenzt ist, der aus Isolierstoff besteht und in dem die Statorwicidung (2) eingebettet ist.