DE3212416C2

DE3212416C2 -

Info

Publication number: DE3212416C2
Application number: DE3212416A
Authority: DE
Inventors: Masaki Sakuyama; Norio Oishi; Koichi Kobe Hyogo Jp Okamoto; Sumio Amagasaki Hyogo Jp Yoshioka
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1981-04-02
Filing date: 1982-04-02
Publication date: 1987-12-17
Also published as: GB2099231B; GB2099231A; DE3212416A1; JPS57166845A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Rotor für eine mit Supraleitung arbeitende elektrische Maschine mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruches. Ein derartiger Rotor ist beispielsweise in der DE-AS 25 19 134 gezeigt.

Bei elektrischen Maschinen mit Supraleitung, besonders Generatoren, sind die supraleitenden Erregerspulen in Nuten des Polkörpers aufgenommen, wobei die achsparallelen Teile der Erregerspulen durch Nutkeile in dem Polkörper gehalten sind und die Spulenköpfe in längs dem Polkörperumfang verlaufenden Nutenbereichen des Polkörpers aufgenommen und dort gehalten sind. Zur Halterung der Wicklung im Läuferkörper wird zusätzlich ein Stützzylinder über die gesamte Länge des Körpers aufgeschrumpft.

Bei Rotoren mit einer supraleitenden Erregerwicklung sind der erforderliche Platz für die Wicklungen und zusätzlich die Herstellungskosten nicht auf ein Minimum reduziert.

Aus der DE-AS 25 30 437 ist ein Rotor für eine elektrische Maschine bekannt, die Erregerspulen, einen die Erregerspulen tragenden Polkörper und Bandagenringe aufweisen, um die Spulenköpfe der Erregerspulen auf dem Spulenkörper zu fixieren. Im Wickelkopfbereich dieser bekannten Rotoren, bei dem der Wickelkopf freitragend ist, müssen Ringdübel benutzt werden, um Längsverschiebungen zu vermeiden.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Rotor zur Aufnahme und Befestigung einer supraleitenden Erregerwicklung der eingangs genannten Art zu schaffen, der den erforderlichen Platz für die Wicklungen und zusätzlich die Herstellungskosten auf ein Minimum reduziert, wobei die Spulenköpfe besonders einfach aber ausreichend gegen die starken mechanischen Belastungen gehalten werden.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs. Dabei besteht der Polkörper nicht aus einem sich über die gesamte Wicklungslänge mit gleichmäßigen Durchmesser erstreckten Zylinder, sondern weist gemäß einem Merkmal der Erfindung, im Bereich der Spulenköpfe einen etwa um die Höhe der Nutkeile verringerten Durchmesser auf und nur im Bereich der Spulenköpfe sind diese im Polkörper haltenden Bandagenringe unmittelbar auf den Polkörpern aufgeschrumpft. Durch dieses Merkmal ergibt sich auch im Spulenkopfbereich eine gleich gute Befestigung der Wicklung, wie in den achsparallelen Teilen, und führt zu einem platzsparenden fast gleichmäßigen Außendurchmesser des Körpers.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung bestehen die Bandagenringe aus einer Titanlegierung mit einem Anteil von etwa 5% Aluminium und 2,5% Zinn, um ihnen bei geringem Gewicht und der herrschenden Temperatur eine hohe Festigkeit zu verleihen.

In der folgenden Beschreibung und in der Zeichnung ist zum besseren Verständnis ein Weg zur Ausführung der Erfindung im einzelnen dargestellt. Es zeigt

Fig. 1 einen axialen Längsschnitt durch einen Rotor einer elektrischen Maschine mit Supraleitung ähnlich der Erfindung,

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

Fig. 3 und 4 Längsschnittdarstellung bzw. perspektivische, teils aufgebrochene Ansicht der Wicklungsköpfe an einem Rotorende, entsprechend der Erfindung.

In der Fig. 1 ist ein zweipoliger Trommelläufer beispielsweise dargestellt mit einem das Drehmoment übertragenden Rohr 1, einem die Wicklung tragenden Polkörper 2, der den Mittelabschnitt des drehmomentübertragenden 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 15 für flüssiges Helium und an beiden Enden des Polkörpers 2 angeordneten Bandagenringen 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 Axialbohrung 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 drehmomentübertragende Rohr 1, über das der supraleitenden 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 innerhalb 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.

Der Aufbau des erfindungsgemäßen 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.

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 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.

Ein wesentliches Merkmal der Erfindung ist das Material 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 16 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 4°K hohe Beanspruchung verträgt.

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

δ=(1/E) (K₁γ+K₂W) (1)
ρ∼E δ (2)

wobei E bzw. γ der Elastizitäts-Modul bzw. das spezifische Gewicht des Bandagenringes, W die an den Wickelköpfen der supraleitenden Spulen auftretende Zentrifugalkraft und K₁ und K₂ Konstanten sind, die durch die Abmessungen und die Drehzahl vorgegeben sind.

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

ρα E× (K₁γ+K₂W)=(K₁γ+K₂W) (3)

Der Ausdruck (3) läßt erkennen, daß bei gleichbleibenden Abmessungen und Drehzahl die Beanspruchung (ρ) des Bandagenringes 16 abnimmt, wenn das spezifische Gewicht γ reduziert wird. Weiter sollte das Bandagenringmaterial ein solches sein, das bei extrem tiefen Temperaturen von 4°K einsetzbar ist und ein geringes spezifisches Gewicht hat.

Gemäß der Erfindung wird eine Titanlegierung der α-Phase (z. B. Ti-5A-2,5 Sn) für die Herstellung des Bandagenringes verwendet, weil seine Versprödungstemperatur unter 4°K liegt.

Folgende Tabelle gibt einen Überblick über spezifische Gewichte und Festigkeiten (0,2% Fließgrenze bei Raumtemperatur) von Werkstoffen, die gewöhnlich bei einer Temperatur von 4°K eingesetzt werden:

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

Claims

Rotor für eine mit Supraleitung arbeitende elektrische Maschine, mit einem Polkörper und in Nuten des Polkörpers aufgenommenen supraleitenden Erregerspulen, deren achsparallele Teile durch Nutkeile in dem Polkörper gehalten sind und deren Spulenköpfe in längs dem Polkörperumfang verlaufenden Nutenbereichen des Polkörpers aufgenommen und dort gehalten sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Polkörper (2) im Bereich der Spulenköpfe einen etwa um die Höhe der Nutkeile (19) verringerten Durchmesser aufweist, daß nur im Bereich der Spulenköpfe diese im Polkörper (2) haltende Bandagenringe (16) unmittelbar auf den Polkörpern (2) aufgeschrumpft sind und daß die Bandagenringe (16) aus einer Titanlegierung mit einem Anteil von etwa 5% Aluminium und 2,5% Zinn (Ti-5 Al-2,5 Sn) bestehen.