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Kontaktlose supraleitende Synchronmas chine
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Die Erfindung betrifft elektrische Maschinen, und sie bezieht sich
insbesondere auf kontaktlose supraleitende Synchronmaschinen, die als Synchrongeneratoren
sowie Snychronphasenschieber eingesetzt werden.
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Aus der DE-OS 20 28 158 ist eine supraleitende Synchronmaschine -
ein Synchrongenerator - bekannt, der eine bei einer Temperatur von 4 bis 5 K heliumgekühlte
Erregerwicklung aus supraleitendem Werkstoff aufweist. Diese Maschine hat außerdem
einen Stator mit einer Wicklung aus nichtsupraleitendem Werkstoff, einen einen auf
der Welle angeordneten Kryostaten mit einer in seinem Inneren untergebrachten supraleitenden
Erregerwicklung darstellenden
Rotor, eine Baugruppe für die Zuführung
von Kältemittel zum Kryostaten, Lager, in denen sich die mit Vakuumdichtungen versehene
Welle dreht, ein den sich drehenden Kryostaten umfassendes stationäres dielektrisches
Gehäuse und eine Kontakteinrichtung mit einem System von Stromeinführungen für eine
Stromzuleitung zur Erregerwicklung von einem stationären Erreger.
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Mit der Entwicklung von innerlich stabilisierten supraleitenden Wicklungsmaterialien
mit hohem Leitvermögen in Magnetfeldern großer Induktion werden zur Erregung der
bekannten Maschine Kontakteinrichtungen mit einem System von Stromzuführungen und
ein stationärer Erreger verhältnismäßig komplizierter konstruktiver Ausführung benötigt,
was zur Verminderung der Betriebs zuverlässigkeit der Maschine und zur Verschlechterung
ihrer Energiekennwerte führt.
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Aus der DE-OS 14 88 730 ist weiter eine kontaktlose supraleitende
Synchronmaschine bekannt, deren supraleitende Erregerwicklung von einem in einem
Pumpenbetrieb für einen Magnetfluß arbeitenden supraleitenden Erreger gespeist wird.
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Diese Maschine besitzt einen ringförmigen Stator und einen auf der
Drehwelle konzentrisch zum Stator angeordneten Rotor mit einer supraleitenden Erregerwicklung.
Die supraleitende Erregerwicklung ist in einem Hauptkryostaten angeordnet und mit
einer aus dünnem Blech in Scheibenform hergestellten und in einem Hilfskryostaten
in einem stirnseitigen Teil der Rotorwelle untergebrachten supraleitenden Ankerwicklung
des Erregers verbunden. Der Induktor des Erregers wird durch einen gleichachsig
mit der Rotorwelle der Synchronmaschine angeordneten Motor in Drehung versetzt.
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Die Zu- und Abführung von Kältemittel im Kryostaten erfolgt mit Hilfe
einer radial angeordneten Baugruppe. Die Drehwelle liegt in Ständerlagern, wobei
das Lager auf der
Seite des Erregers zwischen dem Haupt- und dem
Hilfskryostaten angeordnet ist.
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Bei dieser Maschine ist es wegen des zum Antrieb des Induktors des
Erregers vorgesehenen Motors unmöglich, eine Baugruppe für die Zuführung von Kältemittel
axial anzuordnen, was in konstruktiver und betriebstechnischer Hinsicht am einfachsten
ist. Dies führt zur Komplizierung der Maschine und zur Verringerung ihrer Zuverlässigkeit.
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Darüber hinaus wird die Konstruktion auch dadurch kompliziert, daß
ein Ständerlager auf der Seite des Erregers am Wellenende angeordnet werden kann,
da eine getrennte Anordnung zweier Kryostaten, eines Haupt- und eines Hilfskryostaten
erforderlich ist, was seinerseits die Anordnung eines einheitlichen stationären
dielektrischen Gehäuses unmöglich macht, innerhalb dessen ein Vakuum erzeugt wird
und das rotierende Teile der Synchronmaschine umschließt, weshalb sich die Verluste
bei deren Rotation verringern.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine kontaktlose supraleitende
Synchronmaschine zu schaffen, in der die Anordnung eines Motors zum Antrieb des
Induktors des Erregers entfällt, was es gestattet, eine im Betrieb einfachere, axial
angeordnete Baugruppe für die Zuführung von Kältemittel zum Kryostaten einzusetzen
sowie die beiden Ständerlager an den Enden der Rotorwelle anzuordnen und einen gemeinsamen
Kryostaten zur Unterbringung aller supraleitenden Elemente der Synchronmaschine
zu verwenden.
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Die gestellte Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst durch eine
Synchronmaschine, wie sie im Patentanspruch 1 angegeben ist.
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Die gemäß Erfindung ausgeführte kontakrlose supraleitende Synchronrnaschine
bedarf keines Motors für den Antrieb des Induktors des Erregers, denn dur Induktor
des Erregers ist in Form eines konzentrische zur supraleitenden Ankerwicklung des
Erregers angeordneten unbeweglichen Ringkernes mit einer (ein bipolares laufendes
Magnetfeld erzeugenden) Mehrphasenwicklung und mindestens einer supraleitenden ringförmigen
(ein unipolares Magnetfeld erzeugenden) Magnettisierungsspule ausgeführt, die auf
der Welle gleichachsig zu dem zylindrischen Tragkörper befestigt ist, auf den die
supraleitende Ankerwicklung aufgebracht ist. Dadurch wird es möglich, die Baugruppe
für die Zufiihrung von Kältemittel axial anzuordnen. Darüber hinaus können die Stärkerlager
üei der gegebenen technischen Lösung an den f benenden des Rotors der Synchronmaschine
angeordnet werden, und sämtliche supraleitenden Elemente der Synchronmaschine sind
in einem durch ein einheitliches dielektrisches, hermetisch abgedichtes Gehäuse
umschlossenen Kryostaten -jnter-jebracht.
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Im weiteren wird die Erfindung anhand einer konkreten Ausfürhrungsform
näher erläutert, die in der Zeichnung dargestellt ist, deren einzige Figur eine
Kontaktlose supraleitende Synchronmaschine im Längsschicht zeigt.
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Die in der Zeichnung dargestellte Kontaktlose supraleitende Synchronmaschine
enthält eine in @@@@@@@ einem Kältemittel (flüssigen Helium) gefüllten @@@um einer
Kryostats 2 untergebrachte und elektrisch, beispielweise durch Widerstandschweißung,
mit der supraleitenden Anker wicklung 3 des Erregers verbundene supraleitend Lrr
j rwicklung 1. Die verbindenden Supraleiter sind @@strickel eingezeichnet. Die supraleitende
Ankerwicklung 3 ist in Form eines Zylindermantels ausgeführt. Sie kann beispiel
weise
aus zu einem Zylinder gekrümmtem Blech aus Niobiumfolie oder aus einzelnen in Form
eines Hohlzylinders verlegten supraleitenden Fäden hergestellt sein. Die supraleitende
Ankerwicklung 3 ist auf die Zylinderfläche eines auf eine Drehwelle 5 fest aufgesetzten
ringförmigen Trag körpers 4 aufgebracht. Zur Verringerung des magnetischen Widerstandes
ist der ringförmige Tragkörper 4 in Form eines Pakets aus Elektroblechen hergestellt.
Auf der Drehwelle 5 sind bei der dargestellten Ausführungsform zwei an den Stirnseiten
des Tragkörpers 4 liegende supraleitende Magnetisierungsspulen 6 angeordnet. Im
Schaft der Drehwelle 5 ist ein System von Axialkanälen 7 und Radialkanäden 8 für
den Durchgang eines Kältemittels ausgebildet.
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Darüber hinaus ist zur Regelung der Strömungsverhältnisse in den kanälen
7 und 8 in der Drehwelle 5 eine Differentlal-Durchflußscheibe 9 angeordnet. Die
Zu- und abführung des Kältemittels im Kryostaten 2 erfolgt über eine Baugruppe 10,
die in der Zeichnung durch einen an das System angeschlossenen Austrittsstutzen
angedeutet ist. Die supraleitenden Magnetisierungsspulen 6 sind auf der Welle 5
starr bu festigt und werden durch über die Radialkanäle 8 zufließendes Kältemittel
abgekühlt. Die supraleitende Erregerwicklunyj 1 wird durch von der Baugruppe 10
für die Zuführung on Hältemittel über den Axialkanal 8 kommendes Kältemittel abgekühlt.
In der Konstruktion der Maschine ist eiti stationäres dielektrisches, mit der Welle
5 über Vakuumdichtungen 12 (beispielsweise magnetische Flüsslgkeitsdichtungen) gekoppeltes
Gehäuse 11 vorgesehen. Die Wl 5 S dreht sich in an ihren Enden angeordneten und
in einer "warmen" Zone (außerhalb des Kryostats 2) untergebrachtet Lagern 13.
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Die Welle 5 mit der daran befestigten suprapeitende Erregerwicklung
1 und dem Kryostaten 2 bildet den Rate
einer supraleitenden Synchronmaschine.
Konzentrisch zum Rotor liegt ein in der "warmen" Zone befindlicher ringförmiger
Stator 14. Konzentrisch zur Ankerwicklung 3 liegt ein stationärer Ringkern 15 mit
einer Mehrphasenwicklung 16, der- sich gleichfalls in der "warmen" Zone zur Verringerung
des magnetischen Widerstandes befindet und in Form eines Pakets aus Elektroblechen
ausgebildet ist. Die Vakuumdichtungen 17 des Kryostats 2 sind auf einem durch den
ringförmigen Tragkörper 4 (in einem Spalt zwischen dem Ringkern 15 und der Ankerwicklung
3) überdeckten Abschnitt aus einem Werkstoff mit dielektrischen Eigenschaften hergestellt.
Zur Verringerung magnetischer Streuflüsse des Stators 16 ist ein elektromagnetischer
Schirm 18 vorgesehen.
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Die dargestellte kontaktlose supraleitende Synchronmaschine arbeitet
wie folgt. Die Drehwelle 5 wird von einem (in der Zeichnung nicht angedeuteten)
Antriebsmotor, beispielsweise von einer Dampfturbine, in Drehung versetzt.
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Von der Baugruppe 10 für die Zuführung von Kältemittel kommt das Kältemittel
über die axialen Zuführungs- und Abführungskanäle 7 in den Bereich der Anordnung
der supraleitenden Erregerwicklung 1 und über die radialen Zuführungs-und Abführungskanäle
8 in den Bereich der Anordnung der supraleitenden Ankerwicklung 3 und der supraleitenden
Magnetisierungsspulen 6. Bei Anschluß der Merhphasenwicklung 16 an eine in der Zeichnung
nicht gezeigte ortsfeste Wechselstromquelle im Spalt zwischen dem stationären Ringkern
15 mit der Mehrphasenwicklung 16 und dem ringförmigen Tragkörper 4 mit der Ankerwicklung
3 wird ein mit einer Frequenz von f1 umlaufendes Magnetfeld erzeugt. Überschreitet
die Maximalamplitude der magnetischen Induktion des umlaufenden Feldes die magnetische
Induktion B des oberen kritischen Feldes des Werkstoffes der supraleitenden Ankerwicklung
3, so entstehen in der letzteren 2p Normalzonen (p - Polpaarzahl der Mehrphasenwicklung
16), in denen
die Supraleitung unter der Wirkung des umlaufenden
Magnetfeldes gestört ist. Der Magnetfluß durchsetzt also die Ankerwicklung 3 und
schließt sich über den ringförmigen Tragkörper 4 auf den stationären Ringkern 15
mit der Mehrphasenwicklung 16. Vor dem Anlassen der Maschine werden die supraleitenden
Spulen 6 durch einen Gleichstrom von einer in der Zeichnung nicht gezeigten ortsfesten
Speisequelle gespeist und dann durch eine supraleitende in der Zeichnung nicht gezeigte
Brücke geshuntet, wobei sie bei der Drehung der Welle 5 in Kurzschlußbetrieb (Betrieb
eines "eingefrorenen Flusses") arbeiten. Die supraleitenden Magnetisierungsspulen
6 erzeugen über der supraleitenden Ankerwicklung 3 ein unipolares Magnetfeld.
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Das magnetische Wechselfeld und das unipolare Magnetfeld bilden über
der supraleitenden Ankerwicklung 3, indem sie sich addieren, ein unsymmetrisches
Magnetfeld, dessen Induktionsamplitude einer Polarität wesentlich größer als die
Induktionsamplitude entgegengesetzter Polarität ist und B überschreitet. Infolgedessen
bilden sich in der supraleitenden Ankerwicklung 3 p Normalzonen. Bei der Drehung
der Welle 5 mit einer von f verschiedenen Frequenz f2 dreht sich zusammen mit dieser
die supraleitende Ankerwicklung 3. Rotiert das durch die Mehrphasenwicklung 16 erzeugte
Magnetfeld mit einer Frequenz von f1 im Drehsinne der Welle 5, so laufen die p normalen
Zonen in der supraleitenden Ankerwicklung 3 mit einer Frequenz von f = f2 - f1 um.
Infolge einer relativen Rotation der supraleitenden Ankerwicklung 3 mit der Frequenz
f1 im oben betrachteten Magnetfeld wird im geschlossenen supraleitenden Erregerkreis
der Maschine eine ungefähr pf gleiche EMK induziert. Hier ist t0 ein jede der p
Normalzonen durchsetzender Magnetfluß. Im angeregten Zustand der Maschine wird der
Magnetfluß in die supraleitende Erregerwicklung
1 "eingepumpt"
und im nicht erregten Zustand daraus "ausgepumpt", wozu es genügt, durch eine Phasenumkehr
die Drehrichtung des durch die Mehrphasenwicklung 16 erzeugten Magnetfeldes zu ändern.
Die Erregergeschwindigkeit der Maschine kann durch eine Frequenz- oder Amplitudenänderung
des die Mehrphasenwicklung 16 speisenden Stromes geregelt werden.
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L e e r s e i t e