DE3027340A1 - Kontaktlose supraleitende synchronmaschine - Google Patents

Kontaktlose supraleitende synchronmaschine

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DE3027340A1
DE3027340A1 DE19803027340 DE3027340A DE3027340A1 DE 3027340 A1 DE3027340 A1 DE 3027340A1 DE 19803027340 DE19803027340 DE 19803027340 DE 3027340 A DE3027340 A DE 3027340A DE 3027340 A1 DE3027340 A1 DE 3027340A1
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superconducting
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exciter
shaft
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DE19803027340
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Valentin Nikolaevič Leningrad Šachtarin
Jurij Fedorovič Antonov
Igor' Alekseevič Glebov
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    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02KDYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K55/00Dynamo-electric machines having windings operating at cryogenic temperatures
    • H02K55/02Dynamo-electric machines having windings operating at cryogenic temperatures of the synchronous type
    • H02K55/04Dynamo-electric machines having windings operating at cryogenic temperatures of the synchronous type with rotating field windings

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Superconductive Dynamoelectric Machines (AREA)

Description

  • Kontaktlose supraleitende Synchronmas chine
  • Die Erfindung betrifft elektrische Maschinen, und sie bezieht sich insbesondere auf kontaktlose supraleitende Synchronmaschinen, die als Synchrongeneratoren sowie Snychronphasenschieber eingesetzt werden.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Die gestellte Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst durch eine Synchronmaschine, wie sie im Patentanspruch 1 angegeben ist.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • L e e r s e i t e

Claims (1)

  1. Patentanspruch Kontaktlose supraleitende Synchronmaschine mit einem eine in einem Kryostaten angeordnete supraleitende Erregerwicklung aufweisenden, auf einer Drehwelle angeordneten Rotor, einemkonzentrisch zum Rotor liegenden ringförmigen Stator und einem einen Induktor und eine im Kryostaten untergebrachte und auf der Welle angeordnete, mit der supraleitenden Erregerwicklung elektrisch verbundene supraleitende Ankerwicklung aufweisenden Erreger für die Erregerwicklung, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die supraleitende Ankerwicklung (3) in Form eines auf der Zylinderfläche eines ringförmigen, seinerseits auf der Welle (5) konzentrisch dazu starr befestigten Tragkörpers (4) angeordneten Zylindermantels und der Induktor in Form eines unbeweglichen, konzentrisch zur Ankerwicklung (3) angeordneten Ringkernes (15) mit einer Mehrphasenwicklung (16) und mindestens einer supraleitenden ringförmigen Magnetisierungsspule (6) ausgeführt ist, die auf der Welle (5) gleichachsig mit dem Tragkörper (4) nahe dessen Stirnfläche angeordnet und in dem Kryostaten (2) untergebracht ist, dessen in einem Spalt zwischen dem Ringkern (15) und der Ankerwicklung (3) befindlicher Teil des Mantels (17) aus dielektrischem Werkstoff hergestellt ist.
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