DE3524163A1

DE3524163A1 - Rotor fuer eine supraleitende rotierende elektrische maschine

Info

Publication number: DE3524163A1
Application number: DE19853524163
Authority: DE
Inventors: Akinori Kobe Hyogo Ueda
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1984-07-05
Filing date: 1985-07-05
Publication date: 1986-01-16
Also published as: FR2567337B1; DE3524163C2; US4658170A; JPS6118349A; FR2567337A1

Description

Rotor für eine supraleitende rotierende elektrische Maschine

Beschreibung

Die Erfindung betrifft einen Rotor für eine supraleitende rotierende elektrische Maschine. Insbesondere betrifft die Erfindung einen Rotor für eine solche supraleitende rotierende elektrische Maschine, bei der die supraleitenden Feldspulen zuverlässiger am Rotor befestigt sind.

Aufgrund der sehr hohen Drehzahlen eines Rotors bei einer supraleitenden rotierenden elektrischen Maschine sind die supraleitenden Feldspulen eines derartigen Rotors sehr grossen Zentrifugalkräften ausgesetzt. Da jede Bewegung der Feldspulen nicht nur zu ihrer Beschädigung führen kann, sondern

auch Reibungswärme erzeugen kann/ die,, wiederum den Verlust der Supraleitfähigkeit mit sich bringen kann, ist es extrem wichtig, daß die Spulen fest am Rotor befestigt sind.

Die Figuren 1 bis 5 zeigen einen herkömmlichen Rotor für eine supraleitende rotierende elektrische Maschine gemäß der JP-OS 57-166839, wobei Figur 1 einen Gesamtquerschnitt zeigt. Wie aus Fig. 1 ersichtlich, weist der Rotor ein zylindrisches Drehmomentrohr 1 auf, in dessen Mitte eine Spulen tragende Welle 2 ausgebildet ist. Der Außenumfang des Rotors wird von einem zylindrischen warmen Dämpfungsschild 4 gebildet, der an beiden Enden fest an einer nach innen gehenden Welle 9 und einer nach außen gehenden Welle 8 befestigt ist. Die nach innen gehende Welle 9 ist dabei an eine nicht dargestellte Turbine oder Last ansgeschlossen, und zwar in Abhängigkeit davon, ob der Rotor als Teil eines Generators oder eines Motors verwendet wird. Beide Wellen 8 und 9 sind in Lagern 10 drehbar gelagert. An der nach innen gehenden Welle 9 sind Schleifringe 11 ausgebildet, mit denen Strom den supraleitenden Feldspulen 3 zugeführt wird, die an der Spulen tragenden Welle 2 angebracht sind. Ein zylindrischer kalter Dämpfungsschild 5 ist am Drehmomentrohr 1 zwischen der Spulen tragenden Welle 2 und dem warmen Dämpfungsschild 4 befestigt. Die Abschirmungen oder Dämpfungsschilde 4 und 5 dienen dazu, die supraleitenden Feldspulen 3 gegenüber einem Wechselstrom-Magnetfeld abzuschirmen und dienen außerdem dazu, Niederfrequenzschwingungen des Rotors während Störungen des elektrischen Systems, an das der Rotor angeschlossen ist, zu dämpfen.

Flüssiges Helium, dessen Strömungsweg mit Pfeilen angedeutet ist, wird dem inneren Hohlraum der Spulen tragenden Welle 2 sowie Wärmetauschern 12, die in dem Drehmomentrohr 1 ausgebildet oder an diesem angebracht sind, mit einer nicht dargestellten Leitungsanordnung zugeführt.

Der innere Hohlraum der Spulen tragenden Welle 2 ist mit einem Außenrohr 6, das am Außenumfang der Spulen tragenden Welle 2 befestigt ist, und mit Stirnplatten 7, die an den Enden der Welle 2 befestigt sind, hermetisch abgedichtet,

so daß flüssiges Helium, das in den Hohlraum eingeleitet wird, sich nicht auf die anderen Teile des Rotors verteilen wird. Wärmestrahlungsabschirmungen 13, welche die supraleitenden Feldspulen 3 gegenüber seitlicher Strahlung schützen, sind am Drehmomentrohr 1 an den Enden der Welle 2 montiert. Die mit dem Bezugszeichen 14 bezeichneten Bereiche sind evakuiert.

Wie in Figur 2 dargestellt, weist jede der supraleitenden Feldspulen 3 parallele geradlinige Bereiche 31, die sich parallel zur Achse der Spulen tragenden Welle 2 erstrecken, an der sie montiert sind, gekrümmte oder bogenförmige Bereiche 32, die an den Enden der geradlinigen Bereiche 31 ausgebildet sind und sich in Umfangsrichtung über der Welle 2 erstrecken, sowie Ecken 33 auf, welche die geradlinigen Bereiche 31 und die bogenförmigen Bereiche 32 verbinden.

Wie in Figur 4 dargestellt, die einen Querschnitt längs cteE" Linie A-A in Figur 1 zeigt, weist die Spulen tragende Welle 2 eine Reihe von parallelen, in Längsrichtung verlaufenden Spulenschlitzen 18a auf, die eingearbeitet sind und in denen die geradlinigen Bereiche der Feldspulen 31 untergebracht sind. Die Spulenschlitze 18a sind voneinander durch Rotorzähne 2a getrennt, die sich von der Längsachse der Welle 2 radial nach außen erstrecken. Keile 15 sind in Keilnuten eingesetzt, die in den Rotorzähnen 2a ausgebildet sind, um die geradlinigen Bereiche 31 der in den Spulenschlitzen 18a sitzenden Feldspulen 3 gegenüber Zentrifugalkräften festzuhalten. Jede der Feldspulen 3 ist an ihrem Boden und an ihren Seiten von einer in Längsrichtung verlaufenden elektrischen Spulenisolierung 19 und an ihrer Oberseite von einer Keilisolierung 20 umgeben. Zum besseren Verständnis der Anordnung sind in Figur 4 die Feldspule 3 und die Isolierung für den ganz links angeordneten Spulenschlitz 18a weggelassen.

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Wie in Figur 5 dargestellt, ist an jedem Ende der Spulen tragenden Welle 2 ein Bereich mit reduziertem Außendurchmesser vorgesehen, und in diesen Bereichen sind die bogenförmigen Bereiche 32 und die Ecken 33 der supraleitenden Feldspulen 3 in breiten, sich längs des Umfanges erstreckenden Schlitzen 18b untergebracht, welche die Enden der axial verlaufenden Schlitze 18a verbinden. Während jeder der axial verlaufenden Schlitze 18a den geradlinigen Bereich 31 von nur einer einzigen Feldspule 3 aufnimmt, nehmen die längs des Umfanges verlaufenden Schlitze 18b jeweils die bogenförmigen Bereiche 32 und die Ecken 33 von einer Vielzahl von Feldspulen 3 auf. Die Bodenfläche von jedem dieser Schlitze 18b ist mit einer elektrischen Bodenisolierung 21 bedeckt, auf denen die Feldspulen 3 sitzen, und die Oberseiten der Feldspulen 3 sind mit einer zylindrischen elektrisch isolierenden Abdeckung 22 überdeckt. Ein Haltering 16 ist mit Dehnpassung oder Schrumpfsitz über die isolierende Abdeckung 22 gesetzt, um die Feldspulen 3 'gegen Zentrifugalkräfte festzuhalten. Zwischen den jeweiligen Feldspulen 3, und zwischen den Feldspulen 3 und den Seiten der Schlitze 18b ist eine elektrisch isolierende Packung 17 angeordnet, die dazu dient, die Feldspulen 3 gegeneinander zu isolieren und ihre seitliche Bewegung zu verhindern.

Die elektrisch isolierende Packung 17 zwischen den bogenförmigen Bereichen 32 der Feldspulen 3 hat jedoch einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten, der doppelt so groß wie der der Spulen tragenden Welle 2 oder der Feldspulen ist. Während es somit möglich ist, die Feldspulen 3 in den längs des Umfanges verlaufenden Schlitzen 18b bei normalen Temperaturen sicher zu befestigen, bilden sich dann, wenn der Rotor im Betrieb auf extrem niedrige Temperaturen gekühlt wird. Spalte zwischen den bogenförmigen Bereichen 32 der Feldspulen 3 und der elektrisch isolierenden Packung 17 bilden. Da die elektrisch isolierende Packung 17 nicht in den Schlitzen 18b in der Spulen tragenden Welle 2 befestigt ist, ist es für die bogenförmigen Bereiche 32

"(ΟΙ der Feldspulen 3 möglich, sich aufgrund der Spalte zu bewegen, was Reibungswärme erzeugt, die zu einem Verlust der Supraleitfähigkeit führen kann.

Eine andere Möglichkeit der Befestigung der Feldspulen an einem Rotor besteht darin, nicht nur die in Längsrichtung verlaufenden Bereiche der Feldspulen, sondern auch die bogenförmigen Bereiche der Feldspulen in einzelnen Schlitzen im Rotor unterzubringen. Die bogenförmigen Bereiche der Feldspulen werden in den Schlitzen mit Keilen gehalten, ebenso wie die in Längsrichtung verlaufenden Bereiche. Während eine derartige Anordnung die Feldspulen gegen eine Bewegung sichern kann, ist es nicht möglich, eine vorher gewickelte Feldspule in den Schlitzen im Rotor unterzubringen. Statt dessen müssen die Feldspulen im Inneren der Schlitze gewickelt werden, was ihren Einbau extrem zeitraubend und kostspielig machen.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen verbesserten Rotor für eine supraleitende rotierende elektrische Maschine anzugeben, bei der die Feldspulen am Rotor bei sämtlichen Temperaturen zuverlässig befestigt sind.

Mit dem erfindungsgemäßen Rotor wird in vorteilhafter Weise erreicht, daß die vorher gewickelten Feldspulen in einfacher Weise beim Rotor installiert werden können.

Beim erfindungsgemäßen Rotor für eine supraleitende rotierende elektrische Maschine sind die bogenförmigen Bereiche der supraleitenden Feldspulen voneinander nicht durch eine elektrisch isolierende Packung getrennt, sondern mit Halteteilen, die an den in Umfangsrichtung verlaufenden Schlitzen in einer Spulen tragenden Welle mit Schrauben oder dergleichen befestigt sind. Die Halteteile bestehen vorzugsweise aus demselben Material wie die Spulen tragende Welle oder aus Titan oder einer Titanlegierung. Die bogenförmigen Bereiche der Feldspulen sind gegen Zentrifugalkräfte mit Halteringen in herkömmlicher Weise festgehalten. Da die

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Halteteile einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten haben, der gleich dem oder dicht bei dem der Spulen tragenden Welle liegt, bilden sich keine Spalten um die Feldspulen bei niedrigen Temperaturen, und da die Halteteile an der Spulen tragenden Welle sicher befestigt sind, sind die Feldspulen gegen seitliche Bewegungen gesichert.

Die Erfindung wird nachstehend, auch hinsichtlich weiterer Merkmale und Vorteile, anhand der Beschreibung eines Ausführungsbeispiels und unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert. Die Zeichnung zeigt in:

Fig. 1 einen Längsschnitt eines herkömmlichen Rotors für eine supraleitende rotierende elektrische Maschine, auf den sich die Erfindung bezieht;

Fig. 2 eine perspektivische Darstellung einer supraleitenden Feldspule des Rotors gemäß Fig. 1;

Fig. 3 eine perspektivische Darstellung des Endbereiches der Spulen tragenden Welle des Rotors gemäß Fig.1;

Fig. 4 einen Querschnitt durch den Rotor längs der Linie A-A in Fig. 1;

Fig. 5 einen Längsschnitt eines Teiles der Spulen tragenden Welle längs der Linie B-B in Fig. 3;

Fig. 6 einen der Figur 5 ähnlichen Längsschnitt zur Erläuterung des Aufbaues eines erfindungsgemäßen Rotors;

Fig. 7 eine perspektivische Darstellung zur Erläuterung eines Halteteiles der Anordnung gemäß Fig. 6.

Eine Ausführungsform eines Rotors für eine supraleitende rotierende elektrische Maschine wird nachstehend unter Bezugnahme auf Figur 6 und 7 näher erläutert. Der Gesamtaufbau des Rotors ist im wesentlichen der gleiche wie bei

-/ΓΙ der Anordnung gemäß Figur 1. Die Art der Unterbringung der geradlinigen Bereiche 31 der Feldspulen 3 ist in gleicher Weise vorgesehen wie in Figur 3 und 4 dargestellt, so daß diese Bereiche hier nicht erneut beschrieben werden. Figur 6 zeigt einen Längsschnitt durch den Endbereich einer Spulen tragenden Welle 2 eines erfindungsgemäßen Rotors, wobei die bogenförmigen Bereiche 32 und die Ecken 33 der Feldspulen 3 in längs des ümfanges verlaufenden Schlitzen 18b aufgenommen bzw. untergebracht sind und gegen Zentrifugalkräfte mit einem Haltering 16 festgehalten sind, der mit Schrumpfsitz über das Ende der Welle 2 gesetzt ist. Jeder der längs des Ümfanges verlaufenden Schlitze 18b nimmt die bogenförmigen Bereiche 32 und die Ecken 33 einer Vielzahl von Feldspulen 3 auf. Die Oberseiten der FeIdspulen 3 sind mit einer elektrisch isolierenden Abdeckung 22 wie in Figur 5 abgedeckt.

Bei der vorliegenden Ausführungsform sind jedoch die Bodenbereiche und Seitenbereiche der Feldspulen 3 mit einer Spulenisolierung 25 isoliert, die ähnlich der Spulenisolierung ist, die zur Isolierung der geradlinigen Bereiche 31 der Feldspulen 3 verwendet wird. Anstelle der elektrisch isolierenden Packung 17 werden Halteteile 23, die an der Bodenfläche der längs des Ümfanges verlaufenden Schlitze 18b befestigt sind, verwendet, um die bogenförmigen Bereiche 32 und die Ecken 33 der angrenzenden Feldspulen 3 gegen seitliche Kräfte zu halten. Die Halteteile 23 sind zwischen benachbarten Feldspulen 3 sowie zwischen den Feldspulen 3 und den Seiten der Schlitze 18b angeordnet.

Figur 7 zeigt eine perspektivische Darstellung von einem der Halteteile 23 gemäß Figur 6. Jedes Halteteil 23 hat bogenförmige Flächen an der Oberseite und der Unterseite, die an die Gestalt der längs des Ümfanges verlaufenden Schlitze 18b bzw. die Innenoberfläche der isolierenden Abdeckung 22 angepaßt sind. Ferner hat jedes Halteteil ein oder mehrere versenkte Schraubenlöcher 23a, die darin ausgebildet sind und durch die Schrauben 24 hindurchgehen, welche in Löcher in der Bodenfläche der Schlitze 18b

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eingeschraubt sind. Die Abmessungen der Halteteile 23 sind so gewählt, daß sie die Zwischenräume zwischen benachbarten bzw. aneinander angrenzenden Feldspulen 3 vollständig ausfüllen und damit deren seitliche Bewegung verhindern. 5

Es ist wünschenswert, daß die Halteteile 23 aus demselben Material wie die Spulen tragende Welle 2 oder aus einem Material mit dem gleichen Wärmeausdehnungskoeffizienten bestehen, so daß die Werte für die thermische Schrumpfung für beide Bauteile die gleichen sind und sich keine Spalten zwischen den Halteteilen 23 und den Feldspulen 3 bilden. Titan oder Titanlegierungen sind besonders geeignete Materialien für die Halteteile 23, da sie einen sehr niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten haben.

Die supraleitenden Feldspulen 3 können in der Spulen tragenden Welle 2 in herkömmlicher Weise untergebracht werden. Die geradlinigen Bereiche 31 der Feldspulen 3 werden nämlich in die axial verlaufenden Schlitze 18a eingesetzt, während die bogenförmigen Bereiche 32 und die Ecken 33 der Feldspulen 3 in die in Umfangsrichtung verlaufenden Schlitze 18b eingesetzt werden. Die Keile 15 werden dann in die Keilnuten in den Rotorzähnen 2a, die an die geradlinigen Bereiche 31 angrenzen, eingeschlagen, und die Halteteile 23 werden zwischen den Feldspulen 3 eingesetzt und an die Spulen tragende Welle 2 angeschraubt, woraufhin die Halteringe 16 mit Schrumpfsitz über die Enden der Welle 2 gesetzt werden. Die Breite von jedem der in Umfangsrichtung verlaufenden Schlitze 18b ist wesentlich größer als die Breite der darin untergebrachten Feldspulen, und somit kann eine vorher gewickelte Feldspule leicht eingesetzt werden.

Da die Halteteile 23 aus einem Material mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten bestehen, der gleich dem der Welle 2 ist oder dicht bei dem Wert dieses Wärmeausdehnungskoeffizienten liegt, oder aus einem sonstigen Material wie Titan oder einer Titanlegierung besteht, die sehr niedrige

Wärmeausdehnungskoeffizienten haben, bilden sich keine Spalten zwischen den Halteteilen 23 und den Feldspulen 3, und zwar auch nicht bei sehr niedrigen Temperaturen. Selbst wenn sich jedoch sehr kleine Spalte um die FeIdspulen 3 bilden sollten, können sich, da die Halteteile 23 in ihrer Position sicher befestigt sind, winzige Spalten nicht ansammeln oder aufaddieren, um durch die Bewegung der Halteteile 23 und der Feldspulen 3 größere Spalten zu bilden. Dementsprechend sind die Feldspulen gegen Bewegung gesichert gehalten, und da keine Bewegung der Feldspulen 3 möglich ist, kann auch keine Reibungswärme erzeugt werden, die zum Verlust der Supraleitfähigkeit führen könnte.

Claims

Patentansprüche

1. Rotor für eine supraleitende rotierende elektrische Maschine, gekennzeichnet durch

eine Vielzahl von supraleitenden Feldspulen (3), die jeweils geradlinige Bereiche (31), bogenförmige Bereiche (32) an den Enden der geradlinigen Bereiche (31) und Ecken (33) aufweist, welche die geradlinigen Bereiche (31) und die bogenförmigen Bereiche (32) verbinden; eine Spulen tragende Welle (2), in der eine Vielzahl von in Längsrichtung verlaufenden geradlinigen Spulenschlitzen (18a) und eine Vielzahl von in Umfangsrichtung verlaufenden Spulenschlitzen (18b), welche die Enden der geradlinigen Spulenschlitze (18a) verbinden, angeordnet sind, wobei

jeder der geradlinigen Spulenschlitze (18a) einen geradlinigen Bereich (31) von einer der Feldspulen (3) und jeder der in Umfangsrichtung verlaufenden Spulenschlitze (18b) die bogenförmigen Bereiche (32) und die Ecken (33) von einer Vielzahl von Feldspulen (3) aufnehmen; eine Vielzahl von Keilen (15), die in Keilnuten in der Spulen tragenden Welle (2) , an die geradlinigen Spulenschlitze (18a) angrenzend eingesetzt sind, wobei die Keile (15) über die geradlinigen Bereiche (31) der FeIdspulen (3) passen, um die geradlinigen Bereiche (31) der Feldspulen (3) gegen Zentrifugalkräfte festzuhalten; einen Haltering (16), der mit Schrumpfsitz auf die Spulen tragende Welle (2) über die in Umfangsrichtung verlaufenden Schlitze (18b) gesetzt ist, um die bogenförmigen Bereiche (32) und die Ecken (33) der Feldspulen (3) gegen Zentrifugalkräfte festzuhalten; und Halteteile (23), die in den in Umfangsrichtung verlaufenden Schlitzen (18b), an die bogenförmigen Bereiche (32) und die Ecken (33) der Feldspulen (3) angrenzend, angeordnet und an der Bodenfläche der in Umfangsrichtung verlaufenden Schlitze (18b) sicher befestigt sind sowie die Zwischenräume zwischen benachbarten Feldspulen (3) und zwischen den Feldspulen (3) und den Seiten der in Umfangsrichtung verlaufenden Schlitze (18b) vollständig ausfüllen, um die bogenförmigen Bereiche (3 2) und die Ecken (33) der Feldspulen (3) gegen Bewegungen festzuhalten.

2. Rotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Halteteile (23) aus demselben Material wie die Spulen tragende Welle (2) bestehen.

3. Rotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Halteteile (23) aus Titan bestehen.

4. Rotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,

daß die Halteteile (23) aus einer Titanlegierung bestehen.

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5. Rotor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet/ daß die Halteteile (23) in den in Umfangsrichtung verlaufenden Schlitzen mit Schrauben (24) befestigt sind.

6. Rotor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Halteteile (23) hindurchgehende, abgesenkte oder versenkte Schraubenlöcher (23a) aufweisen und daß die in den Schraubenlöchern (23a) sitzenden Schrauben (24) in 10 die Spulen tragende Welle (2) eingeschraubt sind.