DE3212416A1

DE3212416A1 - Rotor einer elektrischen maschine mit supraleitung

Info

Publication number: DE3212416A1
Application number: DE19823212416
Authority: DE
Inventors: Norio Oishi; Koichi Kobe Hyogo Okamoto; Masaki Sakuyama; Sumio Amagasaki Hyogo Yoshioka
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1981-04-02
Filing date: 1982-04-02
Publication date: 1982-11-04
Also published as: GB2099231B; GB2099231A; DE3212416C2; JPS57166845A

Description

Rotor einer elektrischen Maschine mit Supraleitung

Die Erfindung betrifft Rotoren elektrischer Maschinen mit Supraleitung, speziell den Aufbau einer supraleitenden Feldwicklung eines solchen Rotors.

°i^e Erfindung stellt eine Verbesserung des Rotoraufbaus einer supraleitenden elektrischen Maschine, beispielsweise eines Generators, dar und betrifft insbesondere die Ringbandagen der supraleitenden Feldwicklungsspulen. Gemäß der Erfindung bestehen die' Bandagenringe aus einer Titanlegierung in der oC-Phase, um ihnen bei geringem Gewicht und der herrschenden Temperatur eine hohe Festigkeit zu verleihen.

In der Zeichnung sind zum besseren Verständnis der Erfindung Ausführung«formen im einzelnen dargestellt. Sie zeigt:

Fig. 1 einen axialen Längsschnitt durch einen Rotor einer elektrischen Maschine mit Supraleitung;

Fig. 2 einen Querschnitt nach der Linie A-A in Fig. 1, in welchem der Klarheit wegen einige Teile weggelassen sind, und

Fig. 3 und 4 Längsschnittdarstellung bzw. perspekti-³^ vische, teils aufgebrochene Ansicht der

Wicklungsköpfe an einem Rotorende.

In der Fig. 1 ist ein zweipoliger Trommelläufer beispielsweise dargestellt mit einem das Drehmoment über-"" tragenden Rohr 1, einem die Wicklung tragenden Polkörper 2, der den Mittelabschnitt des drehmomentüber-

tragenden Rohres 1 darstellt, einer supraleitenden Feldwicklung, die in den Polkörper 2 fest eingebettet ist, einem den Polkörper 2 und das das Drehmoment übertragende Rohr 1 umschließenden Wärmeabschirmkörper 4, eine Tieftemperaturabschirmung 5 zwischen dem Wärmeabschirmkörper 4 und dem Polkörper 2, einem Außenzylinder 6 auf der Außenwand des Polkörpers 2, Endplatten 7 an beiden Enden des Polkörpers 2, Wellenstümpfen 8 und 9, Lagern 10 an beiden Wellenstümpfen, Schleifringen 11 für die Zuführung des Erregerstroms, einem Wärmeaustauscher 12 in oder an dem das Drehmoment übertragenden Rohr 1, einer seitlichen Strahlungsabschirmung 13, Vakuumkammern 14, einem Sammelraum für flüssiges Helium 15 und an beiden Enden des Polkörpers 2 angeordneten Ringbandagen 16.

In diesem Läufer sind die auf dem Polkörper 2 untergebrachten, supraleitenden Feld- oder Erregerspulen 3 auf äußerst tiefe Temperaturen gekühlt, wodurch ihr ohmscher Widerstand auf nahezu Null verringert wird, damit keine Erregerverluste entstehen und ein starkes Magnetfeld von der supraleitenden Feldwicklung 3 erzeugt werden kann mit dem Ziel, in dem (nicht gezeigten) Stator Wechselstromenergie zu erzeugen. Damit die supraleitende Feldwicklung 3 auf die extrem tiefe Temperatur abgekühlt werden kann, ist der Rotor so gestaltet, daß ihm flüssiges Helium über eine Axial-

bohrung im Wellenstumpf 9 und durch ein (nicht gezeigtes) Zuführrohr in eine Kammer für flüssiges Helium zugeführt wird,, die durch den Außenzylinder 6 und die Heliumendplatten 7 gebildet wird, während im Innern des Rotors Hochvakuum aufrechterhalten wird. Das dreh-

momentübertragende Rohr 1, über das der supraleitenden

ti U φ

Feldwicklung 3 und dem Polkörper 2 das Drehmoment zugeführt wird, hat die Form eines dünnwandigen Zylinders, und der Wärmeaustauscher 12 ist in oder an dem drehmomentübertragenen Rohr ausgebildet, wie oben beschrieben, so daß die dem auf extrem tiefer Temperatur gehaltenen Teil zugeführte Wärmemenge in äußerstem Maß herabgesetzt ist. Ferner haben die seitlich angebrachten Strahlungsabschirmungen 13 ebenfalls die Aufgabe, die dem Tieftemperaturbereich durch Strahlung zugeführte Wärmemenge zu vermindern.

Die Raumtemperaturabschirmung 4 und die Tieftemperaturabschirmung 5 dienen dazu, das harmonische Magnetfeld des Stators abzuschirmen und dadurch die supraleitende Erregerwicklung zu schützen, und dienen zur Abdämpfung von Schwingungen des Rotors, die bei auftretenden Störungen oder einem Fehler im elektrischen Leitungssystem hervorgerufen werden. Außerdem dient die Raumtemperaturabschirmung 4 als äußerer Vakuumzylinder, und die Tieftemperaturabschirmung 5 wirkt als Strahlungsabschirmung für die Kammer flüssigen Heliums. Leitungen für die Heliumzuführung und -abführung zum System inner-²^ .lalb des Rotors und Einrichtungen für Zufuhr und Abfuhr des Heliums, die mit dem Rotor in Verbindung stehen, sind in Fig. 1 nicht gezeigt.

Wenn die supraleitende Feldwicklung beispielsweise aus einem flexiblen NbTi-Draht besteht, werden Nuten in die Oberfläche des Polkörpers in achsparalleler Richtung eingeformt, in der die supraleitenden Erregerspulen dann liegen. Für die Gestaltung der supraleitenden Erregerspulen ist ein Verfahren vorgeschlagen worden, bei

dem ein Wickelrahmen, auf dem die supraleitende

Feldwicklung gewickelt worden ist, auf dem Polkörper befestigt wird. Dieses Verfahren hat jedoch den Nachteil/ daß der für die supraleitende Feldwicklung erforderliche Platz um den für den Wickelrahmen benötigten vergrößert wird, und außerdem werdtn zusätzlich Zeit und Kosten für die Herstellung des Wickelrahmens benötigt.

Der Aufbau des Rotors mit supraleitenden Feldspulen, die in Nuten des Polkörpers untergebracht sind, wird nachfolgend näher beschrieben. Fig. 2 zeigt zu dem Zweck einen Schnitt nach der Linie A-A in Fig. 1.'Da diese Fig. 2 der Beschreibung der supraleitenden Feldspulen dient, sind Teile, die für diese Beschreibung nicht erforderlich sind, weggelassen.

In der Fig. 2 sind folgende Bezeichnungen eingeführt: im Polkörper 2 sind axiale Nuten 17 von der Oberfläche her eingebracht; die supraleitenden Feldspulen sind in die Nuten 17 eingesetzt, von einer Nutisolation 18 umgeben und durch Nutkeile 19 in den Nuten gehalten, wobei zwischen den Spulen 3 und den Nutkeilen 19 eine Keilisolation 20 eingeführt ist. Die Anordnung der supraleitenden Feldspulen 3 ist derart, daß sie die Linie' B-B in Fig. 2 umschließen und ein starkes Magnetfeld erzeugen, dessen Polmitte durch die Linie B-B

dargestellt ist.
30

Fig. 3 zeigt das eine Ende des Polkörpers 2, d.h., ein Ende des Polkörpers mit den Spulenköpfen der supraleitenden Spulen 3. Die Spulenköpfe der supraleitenden Feldspulen 3 werden auf dem Polkörper 2 durch die Bandagenringe 16 niedergehalten, die im Schrumpfverfahren auf den Polkörper aufgesetzt sind, wobei eine

ν ο «

bo ti φ ν m

Isolationsplatte 21, eine Isolationsdeckschicht 22 und Isolationsfüllmaterial 23 die Spulenköpfe umgeben.

In perspektivischer Ansicht ist das in der Fig. 3 im Schnitt gezeigte Ende des Polkörpers teils aufgebrochen in Fig. 4 schematisch widergegeben.

Die Erfindung besteht in der Qualität der Bandagenringe, die in den Fig. 3 und 4 gezeigt sind. Der Bandagenring 16 läuft im flüssigen Helium, d.h. bei 4°K. Im Falle einer zweipoligen, supraleitenden elektrischen Maschine läuft der Bandagenring 15 mit hoher Geschwindigkeit um, d.h. mit 3600 U/min bei 60 Hz, so daß sehr große Zentrifugalkräfte auftreten. Die Fig. 1 und 3 lassen erkennen, daß dann, wenn die Wandstärke des Bandagenringes 16 steigt, auch die Durchmesser des Heliumaußenzylinders 6 und des Tieftemperaturabschirmzylinders 5 sowie des Raumtemperaturabschirmzylinders 4 größer werden müssen, d.h., der Durchmesser des Rotors wächst dann. Daraus ergibt sich, daß eine möglichst geringe Wandstärke der Bandagenringe 16 anzustreben ist. Der dünne Bandagenring hat also hohe Zentrifugalkräfte aufzunehmen, muß deshalb folglich hohe Zugspannungen vertragen können. Er muß aus einem Material bestehen, das bei der extrem niedrigen Temperatur von 4⁰K hohe Beanspruchung verträgt.

Eine Betrachtung der Beanspruchung des Bandagenringes erbringt folgendes. Die Beziehung zwischen der Deformation (S) und der Beanspruchung (p) des Bandagenringes ist folgende:

h = (1/E) (K₁^ + K₂W) ..... (1) 35

ρ ~E 6 : (2)

wobei E bzw. γ" der Young-Modul bzw. das spezifische Gewicht des Bandagenringes, W die an den Wickelkopfen der supraleitenden Spulen auftretende Zentrifugalkraft und Κ., und K₂ Konstanten sind, die durch die Abmessungen und die Drehzahl vorgegeben sind.

Aus den Ausdrücken (1) und (2) ergibt sich

pcCE χ ^ (K₁Y + K₂W) = (K₁Y + K₂W) (3)

Der Ausdruck (3) läßt erkennen, daß bei gleichbleibenden Abmessungen und Drehzahl die Beanspruchung (p) des Bandagenringes 16 abnimmt, wenn das spezifische Gewicht yreduziert wird. Aus diesem Grund sollte das Bandagenringmaterial ein solches sein, das bei extrem tiefen Temperaturen von 4⁰K einsetzbar ist und ein geringes spezifisches Gewicht hat.

Gemäß der Erfindung wird eine Titanlegierung der CL-Phase (z.B. Ti-5A -2,5 SnELI) für die Herstellung des Bandagenringes verwendet, weil seine Versprödungstemperatur unter 4⁰K liegt.

Folgende Tabelle gibt einen überblick über spezifische Gewichte und Festigkeiten (0,2% Fließgrenze bei Raumtemperatur) von Werkstoffen, die gewöhnlich bei einer

Temperatur von 4⁰K eingesetzt werden: 30

Werkstoff	Spezifisches Gewicht	Festigkeit
Austenitischer rostfreier Stahl	7,85	21 kg/mm²
Inconellegierung	8,51	94 kg/mm²
Titanlegierung Ot--Phase (Ti-5A -2,5 SnELI)	4,5	63 kg/mm²

Die Tabelle zeigt, daß die Titanlegierung der ^- ein geringes spezifisches Gewicht und hohe Festigkeit hat, d.h., sich ausgezeichnet als Werkstoff für die Bandagenringe 16 eignet.

Nach der vorangehenden Beschreibung sind gemäß der Er findung die Bandagenringe aus einer Titanlegierung der o(.-Phase (z.B. Ti-5A -2,5 SnELI) hergestellt, wodurch eine Verbesserung für den Rotor einer supraleitfähigen elektrischen Maschine erzielt wird, deren Bandagenringe bei extrem tiefen Temperaturen arbeiten.

Leerseit

Claims

MITSUBISHI DENKI KABUSHIKI KAISHA
Tokyo / JAPAN
5

Rotor einer elektrischen Maschine mit Supraleitung 10

Patentansprüche

( 1.)Rotor für eine mit Supraleitung arbeitende elektrische Maschine, die supraleitende Erregerspulen, einen die Erregerspulen tragenden Polkörper und Bandagenringe aufweist,-um die Spulenköpfe der supraleitenden Erregerspulen auf dem Spulenkörper zu fixieren, dadurch gekennzeichnet , daß die Bandagenringe (16) aus einer Legierung mit niedrigem spezifischen Gewicht hergestellt sind.
2. Rotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung eine Titanlegierung der °i-Phase ist.
3. Rotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Legierung Ti-5A -2,5 SnELI ist.
4. Rotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Bandagenringe (15) auf den Polkörper (2) aufgeschrumpft sind.