DE3223294A1

DE3223294A1 - Rotor fuer eine supraleitende elektrische rotationsmaschine

Info

Publication number: DE3223294A1
Application number: DE19823223294
Authority: DE
Inventors: Kouichi Okamoto; Masaki Hyogo Sakuyama; Mitsuo Ibaragi Osaka Tanaka
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1981-06-22
Filing date: 1982-06-22
Publication date: 1983-01-05
Also published as: GB2103022B; GB2103022A; JPS57211968A; US4442369A; DE3223294C2

Description

22. Juni 1982

Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine Anordnung bzw. den Aufbau eines Rotors für eine supraleitende elektrische Rotationsmaschine oder einen Elektromotor.

Bislang waren Rotoren dieser Bauart so aufgebaut, wie es in Fig. 1 dargestellt ist. In Fig. 1 bezeichnet das Bezugszeichen 1 ein Drehrohr oder eine Hohlwelle; das Bezugszeichen 2 eine Spulenhalterungswelle, die den zentralen Bereich der Hohlwelle 1 bildet; das Bezugs zeichen 3 supraleitende Feldspulen, die an der Spulenhalterungswelle 2

¹^ montiert sind; das Bezugszeichen 4 ein Normaltemperatur-Dämpfungselement oder eine Normaltemperatur-Abschirmung, die die Hohlwelle 1 und die Spulenhalterungswelle 2 umgibt; das Bezugszeichen 5 ein Tieftemperatur-Dämpfungselement oder eine Tieftemperatur-Abschirmung, die zwischen dem Normaltemperatur-Dämpfungselement oder der Normaltemperatur-Abschirmung 4 und der Spulenhalterungswelle 2 angeordnet ist; die Bezugszeichen 6 und 7 eine zylindrische Außenwand eines Heliumbehälters, die am Außenumfang der Spulenhalterungswelle 2 angeordnet ist, bzw. Heliumstirnplatten,

^° die an den jeweiligen Enden der Spulenhalterungswelle 2 angeordnet sind; die Bezugszeichen 8 und 9 an den gegenüberliegenden Enden der Spulenhalterungswelle 2 vorgesehene Endwellen auf der Antriebsseite bzw. der angetriebenen Seite; das Bezugszeichen 11 Schleifringe für die Zufüh-

rung des Feldstromes zu den Feldspulen 3; das Bezugszeichen 12 einen Wärmetauscher, der in der Hohlwelle 1 angeordnet ist; das Bezugszeichen 13 seitliche Strahlungsschilde; das Bezugszeichen 14 einen Vakuumbereich; und das Bezugszeichen

15 einen Behälter für flüssiges Helium. 35

Bei einer Anordnung des Rotors einer supraleitenden elektrischen Rotationsmaschine werden die an der Spulenhalterungswelle 2 montierten supraleitenden Feldspulen 3 auf einen Wert unterhalb der Übergangstemperatur in der Größen-5 Ordnung von einigen Grad über dem absoluten Nullpunkt gekühlt. Somit wird der elektrische Widerstand verschwindend klein, so daß große Magnetfelder ohne beträchtlichen Aufwand von elektrischer Energie aufgebaut werden. Unter derartigen Bedingungen werden elektrische Wechselspannungen in einem nicht dargestellten Stator erzeugt. Flüssiges Helium wird dem von der Außenwand 6 und Endplatten 7 gebildeten Heliumbehälter über eine nichtdargestellte Leitung in der seitlichen Welle 9 zugeführt, um die supraleitenden Feldspulen 3 auf minimale Temperaturen zu kühlen, während der Vakuumbereich 14 innerhalb des Rotors auf Vakuum gehalten wird. Die Drehrohre oder Hohlwellen 1, welche das Drehmoment auf die supraleitenden Feldspulen und die Spulenhalterungswelle 2 übertragen, haben die Form von dünnwandigen Hohlzylindern, und der Wärmetauscher 12 ist so angeordnet, daß äußere Wärme, die durch die Hohlwellen 1 in den Supertieftemperaturbereich eintritt, im wesentlichen reduziert wird. Eine derartige Anordnung wird allgemein verwendet. Außerdem sind seitliche Strahlungsschilde vorgesehen, um die eindringende Hitze oder Wärme aufgrund von seitlicher Strahlung zu reduzieren.

Andererseits schirmen die Normaltemperatur- und Tieftemperatur-Dämpfungselemente bzw. -abschirmungen 4 bzw. 5 die Hochfrequenz-Magnetfelder ab, die im nicht dargestellten

Stator erzeugt werden, und schützen die supraleitenden Feldspulen 3 gegenüber diesen. Die Dämpfungselemente bzw. Abschirmungen 4 bzw. 5 haben die weitere Funktion, Schwingungen des Rotors zu dämpfen, die von Störungen des elektrischen Systems hervorgerufen werden. Die Normaltemperatur-Abschirmung 4 wirkt außerdem als Außenzylinder des Vakuumbereiches 14, und die Tieftemperatur-Abschirmung 5 arbeitet als Strahlungsschild, der verhindert, daß Strahlungswärme

Ι in den Heliumbehälter eintritt. Es darf darauf hingewiesen werden, daß bei der Anordnung nach Fig. 1 die Rohrleitungen innerhalb des Rotors für die Zuführung von flüssigem Helium zum Behälter 15 und zum Ablassen von Helium aus diesem sowie die Einrichtungen für die Zuführung und Ableitung von Helium zum Rotor der Deutlichkeit halber weggelassen sind.

Es ist von höchster Wichtigkeit, die Spulen fest und sicher am Rotor zu montieren, denn eine Verschiebung der supraleitenden Feldspulen aufgrund der Bewegung des Rotors kann Reibungswärme erzeugen, welche die Supraleitfähigkeit der Feldspulen zerstört. Aus Fig. 1 ergibt sich, daß das Überprüfen und Reparieren von supraleitenden Feldspulen 3 schwierig durchzuführen ist, da die Feldspulen 3 in dreifächer Weise von der Außenwand 6 sowie den Dämpfungselementen bzw. Abschirmungen 4 und 5 eingeschlossen sind. Insbesondere sollten die supraleitenden Magnetfeldspulen 3 sicher montiert sein, da eine elektrische Rotationsmaschine eine hohe Zuverlässigkeit erfordert.

Wegen eines derartigen Erfordernisses ist eine Anordnung gemäß Fig. 2 angegeben worden, bei der Nuten in der Oberfläche der Spulenhalterungswelle 2 vorgesehen sind, um die supraleitenden Feldspulen oder -wicklungen darin anzuordnen.

Fig. 2 zeigt eine allgemeine Anordnung für die Halterung der Feldspulen 3, wobei das Bezugszeichen 2 die Spulenhalterungswelle bezeichnet; das Bezugszeichen 17 bezeichnet Nuten, die in axialer Richtung auf der Oberfläche der Spulenhalterungswelle 2 ausgebildet sind; das Bezugszeichen 3 bezeichnet supraleitende magnetische Feldspulen in den Nuten 17; das Bezugszeichen 18 bezeichnet Isolatoren in den Nuten 17; das Bezugszeichen 19 bezeichnet keilförmige Elemente zur Halterung der supraleitenden Feldspulen 3 in den Nuten 17; und das Bezugszeichen 20 bezeichnet Isolatoren für die keilförmigen Elemente 19

Bei der Anordnung gemäß Fig. 2 sind die supraleitenden magnetischen Feldspulen 3 um die Linie B-B herumgewickelt, und somit wird ein starkes Magnetfeld erzeugt, das eine der Linie B-B entsprechende Polachse besitzt. Die Keile 19 sind in die Nuten 17 eingesetzt bzw. eingepaßt, um die supraleitenden magnetischen Feldspulen 3 dort fest und sicher zu halten.

Es bestehen jedoch die folgenden Nachteile bei der Herstellung des Rotors einer derartigen Anordnung, da die Enden der supraleitenden magnetischen Feldspulen 3 auch von den Keilen 19 in den Nuten 17 gehalten sind.

Fig. 3 zeigt eine perspektivische Darstellung von einem Ende der Spulenhalterungswelle 2. In Fig. 2 bezeichnet das Bezugszeichen 2 die Spulenhalterungswelle; das Bezugszeichen 19 die Keile für die geradlinigen Bereiche der supraleitenden magnetischen Feldspulen 3; und das Bezugszeichen 191 bezeichnet die Keile für die Enden der supraleitenden magnetischen Feldspulen 3. Aus Fig. 3 ergibt sich, daß die Keile 191 einen gebogenen Querschnitt haben sollten, da die Endbereiche der supraleitenden magnetischen Feldspulen 3 gebogen oder gekrümmt sind und in Umfangsrichtung der Spulenhalterungswelle 2 verlaufen. Außerdem haben die Nuten unter den bogenförmigen oder gekrümmten Keilen 191 die Form von Bereichen oder Teilen eines Ringes, bei denen es unmöglich ist, sie maschinell zu bearbeiten. Die Tatsache, daß die Endbereiche der Keile 191 und die Nuten komplizierte Formen im Vergleich zu den geradlinigen Bereichen der supraleitenden magnetischen Feldspulen 3 haben, führt nicht nur zu einer Zunahme der zur Bearbeitung erforderlichen Zeit und Kosten, sondern verringert auch ihre Präzision, was die Sicherheit der Befestigung der supraleitenden Feldspulen 3

an der Spulenhalterungswelle 2 beeinträchtigt und gefährdet. 35

Zur Behebung dieser Nachteile einer solchen Anordnung ist der Vorschlag gemäß Fig. 4 gemacht worden. Fig. 4 zeigt das eine Ende der Spulenhalterungswelle 2 gemäß Fig. 1, nämlich die Endbereiche der supraleitenden magnetischen Feldspulen 3. Das Bezugszeichen 2 bezeichnet die Spulenhalterungswelle; das Bezugszeichen 3 bezeichnet die supraleitenden magnetischen Feldspulen; das Bezugszeichen 16 bezeichnet Verschlußringe oder Verschlußhülsen; das Bezugszeichen 21 bezeichnet eine elektrisch isolierende Bodenplatte; das Bezugszeichen 22 bezeichnet eine isolierende Abdeckung; und das Bezugszeichen 23 bezeichnet elektrisch isolierende Füllelemente.

Fig· 5 zeigt eine perspektivische Darstellung des Endes der Spulenhalterungswelle 2 zur Erleichterung des Verständnisses der Anordnung gemäß Fig. 4. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen gleiche Bauteile. Gemäß den Anordnungen nach Fig.4 und 5 sind die supraleitenden Feldspulen 3 in den Aussparungsbereich der Spulenhalterungswelle 2 sowie die Zwischenräume zwischen den Feldspulen 3 und dem Aussparungsbereich eingepaßt. Die Verschlußringe oder -hülsen 16 sind eng um die Spulenhalterungswelle 2 mit einem Schrumpfverfahren angepaßt, um den gesamten Umfang der Spulenhalterungswelle 2 so anzudrücken, daß die Feldspulen 3 sicher und fest in ihren korrekten Positionen gehalten werden.

Die herkömmlichen elektrisch isolierenden Füllelemente 23, die in axialer Richtung und Umfangsrichtung der Spulenhalterungswelle 2 verlaufen, sind integral mit der Spulenhalterungswelle 2 ausgebildet, wie es in Fig. 4 und 5 angedeutet ist. Dementsprechend treten die folgenden Probleme auf, wenn die elektrisch isolierenden Füllelemente 23 in Zwischenräume oder Lücken zwischen den supraleitenden magnetischen Feldspulen 3 sowie in Lücken zwischen den supra-

leitenden Feldspulen 3 und der Spulenhalterungswelle 2 eingesetzt werden.

Eine supraleitende magnetische Feldspule 3 weist eine Vielzahl von Wicklungen auf. Die Wicklungen sind elektrisch gegeneinander isoliert. Die elektrische Isolation wird mittels elektrisch isolierender Bänder erreicht, die spiralförmig auf die Leiter der Spulen aufgewickelt werden. Die Isolierbänder bieten die Möglichkeit eines Isolationsdurchbruches, wenn die isolierenden Füllelemente 23 eingesetzt werden. Der Isolationsdurchbruch der Bänder zwischen Wicklungen der Spule kann einen Kurzschluß der Spulen hervorrufen, was zu einem Anhalten des Betriebes der Rotationsmaschine führt. Wenn die Lücken oder Zwischenräume zwischen den isolierenden Füllelementen 23 und der supraleitenden Feldspule 3 am Außenumfang kleiner sind als die am Innenumfang, so werden Lücken zwischen der unteren Seitenfläche der supraleitenden Feldspulen 3 und den isolierenden Füllelementen 23 gebildet, was zu einem losen Sitz des unteren Bereiches der supraleitenden Feldspulen 3 führt. In diesem Falle werden die supraleitenden Feldspulen versetzt oder verschoben, und zwar aufgrund der elektromagnetischen und zentrifugalen Kräfte im Betrieb, so daß Reibungswärme erzeugt wird, welche den Betrieb der elektrischen Rotationsmaschine oder des Elektromotors beeinträchtigen oder verhindern kann.

^ Aufgabe der Erfindung ist es, eine Anordnung der obengenannten Art anzugeben, die unter Vermeidung der Nachteile von herkömmlichen Anordnungen eine einwandfreie und sichere Bauweise des Rotors gewährleistet.

Gemäß der Erfindung wird daher ein Rotor für eine supraleitende elektrische Rotationsmaschine oder einen Elektromotor angegeben, bei der isolierende Füllelemente in eine Vielzahl von Auskleidungsplatten, die zur Abdeckung sämtlicher Seiten der supraleitenden Feldspulen montiert sind und andere Teile aufgeteilt sind, um auf diese Weise eine Beschädigung der Isolation zwischen den Wicklungen der Feldspulen zu verhindern und die Feldspulen zur Sicherstel-

-9-lung von stabilem Betrieb fest zu fixieren.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Beschreibung von Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert. Die Zeichnung zeigt in

Fig. 1 eine Vorderansicht im Schnitt zur Erläuterung einer herkömmlichen Anordnung eines Rotors für eine supraleitende elektrische Rotationsmaschine; 10

Fig. 2 eine Seitenansicht im Schnitt zur Erläuterung der Montageanordnung der Feldspulen;

Fig. 3 eine perspektivische Darstellung zur Erläuterung der Unzulänglichkeiten einer Anordnung gemäß Fig.2;

Fig. 4 eine Vorderansicht im Schnitt zur Erläuterung des Aufbaus an den Enden der Feldspulen bei einem herkömmlichen Rotor;
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Fig. 5 eine perspektivische Darstellung im Schnitt zur Erläuterung des Aufbaus gemäß Fig. 4;

Fig. 6 eine Vorderansicht im Schnitt zur Erläuterung einer ersten Ausführungsform eines Rotors mit erfindungsgemäßem Aufbau; und in

Fig. 7 eine Vorderansicht im Schnitt zur Erläuterung einer weiteren Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Rotors.

In den verschiedenen Figuren der Zeichnung sind stets gleiche Bezugs zeichen und Symbole für gleiche oder entsprechende Teile verwendet. Fig. 6 zeigt eine Ausführungsform gemäß der Erfindung _r bei der das Bezugs zeichen 2 3a Auskleidungsplatten bezeichnet, die so angeordnet sind, daß sie sämtliche Seiten der supraleitenden Feldspulen 3

-ιοί abdecken, während das Bezugszeichen 23b die anderen Teile bezeichnet.

Mit einer derartigen Konstruktion werden, nachdem die supraleitenden Feldspulen 3 an der Spulenhalterungswelle 2 montiert worden sind, die Seiten der supraleitenden Feldspulen 3 mit den isolierenden Auskleidungsplatten 23a abgedeckt und dann die anderen isolierenden Füllelemente 2 3b eingesetzt. Die supraleitenden Feldspulen 3 werden mit einer derartigen Anordnung fest und zuverlässig gesichert, ohne die Isolation zwischen entsprechenden Wicklungen der supraleitenden Feldspulen 3 zu beschädigen.

Wenn die anderen isolierenden Füllelemente 23b keilförmig ausgebildet sind, wie es in Fig. 7 angedeutet ist, können die Feldspulen 3 noch fester fixiert werden, so daß die Zuverlässigkeit weiter verbessert wird.

Wie oben erwähnt, wird gemäß der Erfindung ein Rotor für eine supraleitende elektrische Rotationsmaschine oder einen Elektromotor angegeben, bei denen isolierende Füllelemente zur Fixierung und Befestigung der supraleitenden Feldspulen in getrennten Auskleidungsplatten ausgebildet sind, um sämtliche Seiten der Feldspulen und die anderen ^Aa Bereiche abzudecken, um eine Beschädigung der Isolation zwischen den Wicklungen der Feldspulen zu verhindern und die Feldspulen sicher und fest zu fixieren und damit stabile Betriebsbedingungen hoher Zuverlässigkeit zu gewährleisten.
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Leersei te

Claims

Henkel, Kern, Feiler & Hänzel Patentanwälte

Registered Representatives

before the

European Patent Office

MITSUBISHI DENKI ÄMünzen

KABUSHIKI KAISHA Tel, 089/982085-87

Tokio, Japan Telex: 0529802 hnkl d

Telegramme: ellipsoid

FAM-5539

22. Juni 1982

Rotor für eine supraleitende elektrische Rotationsmaschine

Patentansprüche

.} Rotor für eine supraleitende elektrische Rotationsmaschine, bei der supraleitende Feldspulen mit geradlinigen Bereichen in Nuten in einer Oberfläche einer Spulenhalterungswelle zur Halterung der supraleitenden Feldspulen aufgenommen und mit Keilen gehalten sind, wobei ihre Endbereiche in Aussparungsbereichen in der Spulenhalterungswelle aufgenommen und mit einem Befestigungsring gehalten sind, der auf die Spulenhalterungswelle aufgesetzt ist, nachdem die Lücken zwischen den Endbereichen und den Aussparungsbereichen mit isolierenden Füllelementen gefüllt worden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die isolierenden Füllelemente (23a,23b) in Auskleidungsplatten, die zur Abdeckung sämtlicher Seiten der supraleitenden Feldspulen (3) montiert sind, und andere Teile (23b) aufgeteilt sind.

1 2. Rotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die anderen Teile (23b) der isolierenden Füllelemente in Form von Keilen ausgebildet sind (Fig. 7).