DE3220270C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Rotor für eine supraleitende elektrische Rotationsmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

In der Regel sind spuraleitende Feldspulen in Aussparungen der Halterungswelle eingesetzt, wobei die Zwischenräume zwischen den Feldspulen sowie den Aussparungen mit Füllstücken ausgefüllt sind. Haltehülsen sind um den Gesamtumfang der Halterungswellen auf diese aufgeschrumpft, so daß die Feldspulen sicher in der richtigen Einbaulage festgelegt sind.

Beim Einsetzen von Füllstücken in die Zwischenräume zwischen supraleitenden magneti­ schen Feldspulen 3 und der Spulenhalterungswelle können sich die im fol­ genden erläuterten Schwierigkeiten ergeben:

Eine supraleitende Feldspule umfaßt mehrere Windungen, die gegeneinander elektrisch isoliert sind. Die elektrische Isolierung erfolgt in der Weise, daß Isolierbänder wendel­ förmig um die Spulenleiter herumgewickelt werden. Beim Ein­ setzen der Füllstücke kann aber die Isolierung der Iso­ lierbänder unterbrochen werden, so daß ein Kurzschluß der Feld­ spulen auftreten kann, der einen Betriebsausfall der Rota­ tionsmaschine herbeiführt. Wenn die Zwischenräume zwischen den Füllstücken und den Feldspulen schwanken, bilden sich Spalte zwischen den Feldspulen und den Füllstücken, so daß die Feldspulen locker sitzen. In diesem Fall können sich die Feldspulen im Betrieb unter elektro­ magnetischen Kräften und Fliehkräften verschieben, wodurch Reibungswärme entsteht, die den Betrieb der elektrischen Rotationsmaschine beeinträchtigt.

Es wurde auch schon eine (nicht vorveröffentlichte) Anordnung erprobt, bei welcher die isolierenden Füllstücke von den Teilleitern durch zusätzliche Füllplatten getrennt sind, die ihrerseits so eingesetzt sind, daß sie die Sei­ ten der supraleitenden Feldspulen und der anderen Abschnitte bedecken. Die Füllplatten bedecken die gesamten Seiten­ flächen der Feldspulen, während an ihren anderen Seiten jeweils die Füllstücke angeordnet sind. Nach der An­ bringung der supraleitenden Feldspulen an der Halterungswelle werden die Seiten der Feldspulen mit den zusätzlichen Isolie­ renden Füllplatten abgedeckt, worauf die isolierenden Füllstücke eingesetzt werden. Bei diesem Einbauverfah­ ren werden die Feldspulen ohne Unterbrechung der Isolie­ rung zwischen den einzelnen Windungen der Feldspulen sicher festgelegt.

Da es jedoch nicht auszuschließen ist, daß die einzelnen an die Füllplatten anschließenden Feldspulen gegen­ einander vertikal leicht versetzt sind, d. h. nicht bündig mit den Füllplatten abschließen, entstehen im Kontaktbe­ reich Spulenoberfläche-Füllplatte unerwünschte Hohlräume, wodurch ein unsicherer Halt der Spulen verursacht wird. Dies ist deshalb nachteilig, da schon bei geringer Bewe­ gungsfreiheit der Spulen einerseits Reibungswärme ent­ stehen kann, welche die Leitfähigkeit der supraleitenden Spulen in starkem Maße herabsetzen oder aber andererseits die Isolierung der Spulen beschädigt werden kann, was ei­ nen Kurzschluß zur Folge hätte. In jedem Falle wird die Zuverlässigkeit des Rotors stark vermindert.

Eine Rotorkonstruktion mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruches 1 ist in der DE-OS 25 03 428 beschrieben. Hierbei sind einzelne Teil­ leiterlagen in keilförmig ausgebildeten parallel zur Achse des Rotors verlaufenden Nuten angeordnet. Die Nutwände sind hierbei mit Isolierplatten ausgekleidet, welche mit längs zur Nut verlaufenden Rillen versehen sind, die die Kühlkanäle bilden. Die durch die Keilform der Nut bedingten schwertförmigen Zwischenräume zwischen den einzelnen Teilleitern sind mit Isoliermaterial gefüllt. Dieser Offenlegungsschrift sind keine Hinweise bezüglich der Konstruktion des Läufers speziell an den Endbereichen der Halterungswelle zu entnehmen.

Aufgabe der Erfindung ist demnach, besonders an den Endbereichen der Halterungswelle einen sicheren Sitz der Feldspulen zu gewährleisten und schädliche, sich zwischen den Spulenseitenflächen und dem angrenzenden Isoliermaterial bildende Hohlräume zu vermeiden. Darüber hinaus soll die erfindungsgemäße Rotorkonstruktion an den Endbereichen der Halterungswelle in einfacher Weise montierbar bzw. demontierbar sein.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Aussparungen in der Halterungswelle derart beschaffen sind, daß zwischen jeweils zwei in radialer Richtung parallel verlaufenden Wänden mehrere durch isolierende Füllstücke getrennte Feldspulen nebeneinander einlegbar sind, und zwischen den Seitenflächen der Feldspulen und den Füllstücken eine zusätzliche den durch die einzelnen Teilleiter gebildeten Zwischenraum ausfüllende Isolierschicht vorgesehen ist.

Weitere Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die in Längsrichtung der Halterungswelle verlaufenden supraleitenden magnetischen Feldspulen sind am Ende recht­ winkelig abgebogen. Die längs des Wellenumfangs gekrümmten Endabschnitte der Feldspulen können daher sicher befestigt werden. An den Endabschnitten der Feldspulen sind elektrisch isolierende Füllplatten 23 a unter Zwischen­ fügung elektrisch isolierender Füllstücke 23 b an den Seiten der Feldspulen angesetzt. Die Füllstücke 23 b können mit Hilfe der zusätzlichen Isolierschichten so eingebaut werden, daß sich in den auf die Außenseite des Spulenendabschnitts aufgesetzten Haltehül­ sen keine Zwischenräume oder Spalte bilden. Auf diese Weise kann der Läufer mit sicherer Feldspulenbefestigung zusammen­ gebaut werden.

Im folgenden ist eine bevorzugte Ausführungsform der Er­ findung im Vergleich zum Stand der Technik anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen Längsschnitt zur Darstellung des allgemeinen Aufbaus des Läufers einer supraleitenden Rotations­ maschine,

Fig. 2 eine perspektivische Darstellung der Einbauanord­ nung nach Fig. 5,

Fig. 3 einen Teillängsschnitt zur Veranschaulichung der Konstruktion eines Läufers gemäß der Erfindung und

Fig. 4 eine in vergrößertem Maßstab gehaltene Teilschnitt­ darstellung der Anordnung nach Fig. 3.

In den Figuren sind einander entsprechende Teile mit jeweils gleichen Bezugsziffern bezeichnet.

Vor der näheren Erläuterung des erfindungsgemäßen Läufers ist nachstehend anhand der Fig. 1 und 2 der allgemeine Auf­ bau des Rotors einer supraleitenden elektrischen Rotations­ maschine beschrieben. Die Anordnung nach Fig. 1 umfaßt Tor­ sionsrohre 1, eine den Mittelteil der letzteren bildende, die Spulen tragende Halterungswelle 2, an letzterer montierte supraleitende magnetische Federspulen 3, ein die Torsionsrohre 1 und die Halterungswelle 2 umschließendes Normal­ temperatur-Dämpfungselement (damper) 4, ein zwischen letzte­ rem und der Halterungswelle 2 angeordnetes Tieftemperatur-Dämpfungs­ element 5, zylindrische Außenwände 6 und an den Enden der Welle 2 angeordnete Stirnplatten 7 eines um den Außenum­ fang der Halterungswelle 2 herum angeordneten Heliumbehälters, einen antriebsseitigen (driving) und einen antriebslosen (anti­ driving) Wellenstummel 8 bzw. 9 an den beiden Enden der Halterungs­ welle 2, die Wellenstummel 8 und 9 tragende Lager 10, Schleifringe 11 zur Zufuhr des Feldstroms zu den Feldspulen 3, einen in den Torsionsrohren 1 vorgesehenen Wärmetauscher 12, seitliche Hitzeschilde 13, einen Unterdruckabschnitt 14 sowie einen Behälter 15 für flüssiges Helium.

Bei dieser Rotorkonstruktion werden die an der Halterungswelle 2 montierten supraleitenden Feldspulen 3 unter die Sprung­ temperatur im Bereich von einigen Graden über dem abso­ luten Nullpunkt gekühlt. Der elektrische Widerstand wird dabei verschwindend klein, so daß große bzw. starke Mag­ netfelder ohne Aufwendung nennenswerter Mengen an elektri­ scher Energie erzeugt werden (können). Unter diesen Bedin­ gungen wird in einem nicht dargestellten Ständer elektri­ scher Wechselstrom erzeugt. Über eine nicht dargestellte Leitung im Wellenstummel 9 wird flüssiges Helium dem durch die Außenwand 6 und die Stirnplatten 7 gebildeten Helium­ behälter zugeführt, um die Feldspulen 3 auf Mindest­ temperatur zu kühlen, während im Unterdruckabschnitt 14 innerhalb des Rotors ein Vakuum aufrechterhalten wird. Die das Drehmoment auf die Feldspulen 3 und die Halterungswelle 2 übertragenden Torsionsrohre besitzen die Form dünnwandi­ ger Hohlzylinder, und der Wärmetauscher 12 ist so ange­ ordnet, daß ein Eintritt von äußerer Wärme in den Tief- oder Tiefsttemperaturbereich über die Torsionsrohre 1 praktisch unterdrückt wird. Der beschriebene Aufbau wird allgemein bei derartigen Rotoren angewandt. Die seitlichen Strahlungs- oder Hitzeschilde 13 sollen außer­ dem das Eindringen von Strahlungswärme von den Stirnsei­ ten her unterdrücken.

Die Normal- und Tieftemperatur-Dämpfungselemente 4 bzw. 5 schirmen weiterhin im nicht dargestellten Stator erzeugte Hochfrequenz-Magnetfelder ab und schützen die supraleiten­ den Feldspulen 3 davor. Außerdem dämpfen sie Schwingungen des Rotors infolge von Störungen des elektrischen Systems. Das Normaltemperatur-Dämpfungselement 4 wirkt auch als Außenzylinder des Unterdruckabschnitts 14, während das Tieftemperatur-Dämpfungselement 5 als Strahlungsabschir­ mung oder -schild zur Verhinderung eines Eindringens von Strahlungswärme in den Heliumbehälter 15 wirkt. In Fig. 1 sind die im Läufer vorgesehenen Leitungen zur Zufuhr und Abfuhr von flüssigem Helium zum bzw. vom Behälter 15 so­ wie die Einrichtungen für die Förderung und Abfuhr des Heliums zum bzw. vom Rotor weggelassen.

Es ist außerordentlich wichtig, die Feldspulen sicher und fest am Rotor zu montieren, weil ihre Verschiebung bei der Be­ wegung bzw. Drehung des Rotor zur Erzeugung von Reibungs­ wärme führen kann, durch welche die Spuraleitfähigkeit der Feldspulen gestört oder aufgehoben wird. Aus Fig. 1 ist ersichtlich, daß eine Prüfung und Instandsetzung der supra­ leitenden Feldspulen 3 schwierig durchzuführen ist, weil die Feldspulen 3 durch die Außenwand 6 sowie die Dämpfungs­ elemente 5 und 4 dreifach eingeschlossen sind. Die Feld­ spulen 3 müssen insbesondere deshalb sicher befestigt sein, weil von einer elektrischen Rotationsmaschine hohe Zuver­ lässigkeit gefordert wird.

Im Mittelteil der Halterungswelle sind in die Man­ telfläche der Halterungswelle 2 axial verlaufende Nuten eingestochen, in denen die supraleitenden Feldspulen 3 an­ geordnet und unter Zwischenfügung von Isolierstücken durch Keile abgedeckt und festgelegt sind. Die Feldspulen sind so gewickelt, daß ein starkes Magnetfeld mit einer Polachse senkrecht zur Halterungswelle erzeugt wird. Durch die Keile werden die Feldspulen sicher in den Nuten festgehalten. Nachtei­ lig an dieser Anordnung ist jedoch, daß die Enden der Feld­ spulen 3 bei der Herstellung des Rotors mittels der Keile in den Nuten befestigt werden müssen.

Fig. 2 veranschaulicht in perspektivischer Darstellung den einen Endabschnitt der Halterungswelle 2 sowie die Keile 19 für die geraden Abschnitte und Keile 191 für die Enden der supraleitenden Feldspulen 3.

Gemäß Fig. 2 müssen die Keile 191 einen gekrümmten Quer­ schnitt besitzen, weil die Endabschnitte der Feldspulen 3 mit einer Krümmung in Umfangsrichtung der Welle 2 verlau­ fen. Weiterhin besitzen die unter den gekrümmten Keilen 191 befindlichen Nuten eine Teilringform, die auf der Drehbank unmöglich auszubilden ist. Der Umstand, daß die Endab­ schnitte der Keile 191 und der Nuten im Vergleich zu den geraden Abschnitten der Feldspulen 3 eine kompliziertere Form besitzen, bedingt nicht nur eine Erhöhung des Zeit- und Kostenaufwands für die Fertigung, sondern auch eine Verringerung der Fertigungsgenauigkeit, durch welche die Sicherheit der Montage der Feldspulen 3 an der Halterungswelle 2 beeinträchtigt wird.

Die Erfindung bezweckt nun die sichere Halterung und Fest­ legung der gekrümmten Endabschnitte der supraleitenden Feldspulen, die sich bei den bisherigen Konstruktionen als Schwachpunkt herausgestellt hat.

Bei der in den Fig. 3 und 4 dargestellten Ausführungsform der Erfindung sind zusätzliche Isolierschichten 23 c aus einem elastischen Werkstoff, wie Filz o. dgl., zwischen die jeweilige supraleitende Feldspule 3 und die elektrisch isolierenden Füllplatten 23 a eingesetzt.

Beim Zusammenbau werden die Isolierstücke 23 c an den Seiten der supraleitenden Feldspulen 3 angebracht oder an­ gesetzt, nachdem letztere an oder in der Halterungswelle 2 montiert worden sind. Sodann werden die Füllplatten 23 a an den Isolierschichten 23 c angesetzt, worauf schließlich die Füllstücke 23 b eingesetzt werden. Die isolierenden Füllplatten 23 a bzw. die Isolierschichten 23 c können gemäß Fig. 4 an der Seite eine unregelmäßige Kontur entsprechend der Kontur der Seitenflächen der Feldspulen 3 besitzen.

Für die Isolierschichten 23 c kann mit einem Kunstharz imprägnierter Filz verwendet werden; in diesem Fall kön­ nen die Feldspulen 3 noch sicherer an bzw. in der Halterungswelle 2 festgelegt werden.

Mit der Erfindung wird also ein Rotor geschaffen, bei dem die supraleitenden Feldspulen, die in Längsrichtung der Halterungswelle verlaufen, an ihren Enden unter einem rechten Winkel abgebogen sind, wobei an die gegenüberlie­ genden Enden der Feldspulen elektrisch isolierende Füllplatten unter Zwischenfügung von isolierenden Füllstücken angesetzt und dazwischen elektrisch iso­ lierende Füllstücke eingesetzt sind, so daß die Ent­ stehung eines Spalts in den auf die Feldspulenenden auf­ gesetzten Haltehülsen verhindert wird.

Claims (4)

1. Rotor für supraleitende elektrische Rotationsmaschinen, bei der die spuraleitenden Feldspulen in Umfangsrichtung an den Endbereichen der Halterungswelle in dafür vorgesehene Aussparungen eingelegt sind, und zwischen den aus Teilleitern aufgebauten Feldspulen und der Halterungswelle mindestens eine elektrisch isolierende Schicht vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Aussparungen in der Halterungswelle derart beschaffen sind, daß zwischen jeweils zwei in radialer Richtung parallel verlaufenden Wänden mehrere durch isolierende Füllstücke (23 a) getrennte Feldspulen (3) nebeneinander einlegbar sind, und zwischen den Seitenflächen der Feldspulen (3) und den Füllstücken (23 a) eine zusätzliche den durch die einzelnen Teilleiter gebildeten Zwischenraum ausfüllende Isolierschicht (23 c) vorgesehen ist.

2. Läufer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzlichen Isolierschichten (23 c) aus einem elastischen und/oder kunstharzartigen Werkstoff hergestellt sind.

3. Läufer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der elastische Werkstoff Filz ist.

4. Läufer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzlichen Isolierschichten (23 c) eine der Seitenfläche der jeweiligen supraleitenden Feldspule (3) angepaßte, unregelmäßig geformte Seitenfläche besitzen.