DE3027340C2 - Kontaktlose supraleitende Synchronmaschine - Google Patents
Kontaktlose supraleitende SynchronmaschineInfo
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- H—ELECTRICITY
- H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
- H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
- H02K55/00—Dynamo-electric machines having windings operating at cryogenic temperatures
- H02K55/02—Dynamo-electric machines having windings operating at cryogenic temperatures of the synchronous type
- H02K55/04—Dynamo-electric machines having windings operating at cryogenic temperatures of the synchronous type with rotating field windings
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- Superconductive Dynamoelectric Machines (AREA)
Description
35
Die Erfindung bezieht sich auf kontaktlose supraleitende Synchronmaschinen, die als Synchrongeneratoren
sowie Synchronphasenschieber eingesetzt werden, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs.
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 Betriebszuverlässigkeit der Maschine und zur
Verschlechterung ihrer Energiekennwerte führt.
Aus der dem Oberbegriff des Patentanspruchs zugrunde Hegenden DE-AS 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 Kryosuiten 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 zu einer komplizierten Konstruktion 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.
Diese Aufgabe wird durch die im einzigen Patentanspruch gekennzeichneten Merkmale gelöst.
Die gemäß der Erfindung ausgeführte kontaktlose supraleitende Synchronmaschine bedarf keines Motors
für den Antrieb des Induktors des Erregers, denn der Induktor des Erregers ist in Form eines konzentrisch 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) Magnetisierungsspule 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 Zuführung von Kältemittel axial anzuordnen. Darüber hinaus können
die Ständerlager bei der gegebenen technischen Lösung an den Wellenenden des Rotors der Synchronmaschine
angeordnet werden, und sämtliche supraleitenden
Elemente der Synchronmaschine sind in einem durch ein einheitliches dielektrisches, hermetisch abgedichtetes
Gehäuse umschlossenen Kryostaten untergebracht
Im weiteren wird die Erfindung anhand einer konkreten Ausführungsform näher erläutert, die in der
Zeichnung dargestellt ist, deren einzige Figur eine kontaktlose supraleitende Synchronmaschine im Längsschnitt
zeigt
Die in der Zeichnung dargestellte kontaktlose supraleitende Synchronmaschine enthält eine in einem
mit einem Kältemittel (flüssigem Helium) gefüUten Innenraum eines Kryostaten 2 untergebrachte und
elektrisch, beispielsweise durch Widerstandsschwei-Bung, mit der supraleitenden Ankerwicklung 3 des
Erregers verbundene supraleitende Erregerwicklung 1. Die verbindenden Supraleiter sind gestrichelt eingezeichnet
Die supraleitende Ankerwicklung 3 ist in Form eines Zylindermantels ausgeführt Sie kann beispielsweise
aus zu einem Zylinder gekrümmtem Blech aus Niobiumfolie oder aus einzelnen in Form eines
Hohlzylinders verlegten supraleitenden FäJ.en hergestellt
sein. Die supraleitende Ankerwicklung 3 ist auf die Zylinderfläche eines auf eine Drehwelle 5 fest
aufgesetzten ringförmigen Tragkörpers 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
Radialkanälen 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 Differential-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 befestigt und werden durch über die Radialkanäle 8
zufließendes Kältemittel abgekühlt. Die supraleitende Erregerwicklung 1 wird durch von der Baugruppe 10 für
die Zuführung von Kältemittel über den Radialkanal 8 kommendes Kältemittel abgekühlt. In der Konstruktion
der Maschine ist ein stationäres dielektrisches, mit der Welle 5 über Vakuumdichtungen 12 (beispielsweise
magnetische Flüssigkeitsdichtungen) gekoppeltes Gehäuse 11 vorgesehen. Die Welle 5 dreht sich in an ihren
Enden angeordneten und in einer »warmen« Zone (außerhalb des Kryostaten 2) untergebrachten Lagern
13.
Die Welle 5 mit der daran befestigten supraleitenden Erregerwicklung 1 und dem Kryostaten 2 bildet den
Rotor einer supraleitenden Synchronmaschine. Konzentrisch zum Rotor liegt ein in der »wärmen« 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 Kryostaten 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 14 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 Mehrphasenwicklung
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 /i umlaufendes Magnetfeld erzeugt Überschreitet die
Maximalamplitude der magnetischen Induktion des umlaufenden Feldes die magnetische Induktion ßc2 des
oberen kritischen Feldes des Werkstoffes der supraleitenden Ankerwicklung 3, so entstehen in der letzteren
2 ρ 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 BC2
überschreitet. Infolgedessen bilden sich in der supraleitenden Ankerwicklung 3 ρ Normalzonen. Bei der
Drehung der Welle 5 mit einer von f\ verschiedenen Frequenz h dreht sich zusammen mit dieser die
supraleitende Ankerwicklung 3. Rotiert das durch die Mehrphasenwicklung 16 erzeugte Magnetfeld mit einer
Frequenz von f\ im Drehsinne der Welle 5, so laufen die ρ normalen Zonen in der supraleitenden Ankerwicklung
3 mit einer Frequenz von /= h — f\ um. Infolge einer
relativen Rotation der supraleitenden Ankerwicklung 3 mit der Frequenz f\ im oben betrachteten Magnetfeld
wird im geschlossenen supraleitenden Erregerkreis der Maschine eine ungefähr ρ ■ f ■ Φο gleiche EMK induziert.
Hier ist Φο eine jede der ρ 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 dur<_h eine Frequenz- oder Amplitudenänderung des die
Mehrphasenwickiung 16 speisenden Stromes geregelt werden.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (1)
- Patentanspruch:Kontaktlose supraleitende Synchronmaschine mit einem eine in einem Kryostaten angeordnete supraleitende Erregerwicklung aufweisenden, auf einer Drehwelle angeordneten Rotor,
einem konzentrisch zum Rotor liegenden ringförmigen Stator undeinem 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,
dadurch gekennzeichnet, 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 ausgeführt ist, daßder Induktor aus einem stationär und konzentrisch zur Ankerwicklung (3) angeordneten Ringkern (15) mit einer Mehrphasenwicklung (16) und
mindestens einer supraleitenden ringförmigen Magnetisierungsspule (6) besteht, wobei die Magnetisierungsspule (6) auf der Welle (5) gleichachsig mit dem Tragkörper (4) nahe dessen Stirnfläche angeordnet ist und in dem der Ankerwicklung (3) und der Erregerwicklung (1) gemeinsamen 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.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE3027340A DE3027340C2 (de) | 1980-07-18 | 1980-07-18 | Kontaktlose supraleitende Synchronmaschine |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE3027340A DE3027340C2 (de) | 1980-07-18 | 1980-07-18 | Kontaktlose supraleitende Synchronmaschine |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE3027340A1 DE3027340A1 (de) | 1982-02-04 |
DE3027340C2 true DE3027340C2 (de) | 1983-10-27 |
Family
ID=6107562
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE3027340A Expired DE3027340C2 (de) | 1980-07-18 | 1980-07-18 | Kontaktlose supraleitende Synchronmaschine |
Country Status (1)
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---|---|
DE (1) | DE3027340C2 (de) |
Families Citing this family (2)
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---|---|---|---|---|
DE10156212A1 (de) | 2001-11-15 | 2003-06-05 | Siemens Ag | Vorrichtung zur elektrischen Versorgung wenigstens eines Supraleiters |
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Family Cites Families (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE1488730B2 (de) * | 1965-11-17 | 1971-03-25 | Siemens AG, 1000 Berlin u 8000 München | Synchrongenerator insbesondere turbogenerator mit supra leitender erregerwicklung |
GB1315302A (en) * | 1969-06-10 | 1973-05-02 | Int Research & Dev Co Ltd | Rotary electrical machines |
-
1980
- 1980-07-18 DE DE3027340A patent/DE3027340C2/de not_active Expired
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
DE3027340A1 (de) | 1982-02-04 |
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Legal Events
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