DE3606207C2

DE3606207C2 -

Info

Publication number: DE3606207C2
Application number: DE3606207A
Authority: DE
Inventors: Toshiki Kobe Hyogo Jp Hirao
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1985-02-26
Filing date: 1986-02-26
Publication date: 1990-05-23
Also published as: US4649303A; FR2578117B1; DE3606207A1; JPS61196763A; JPH0452712B2; FR2578117A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Rotor für eine supraleitende rotierende elektrische Maschine.

Ein z. B. aus der JP-A 57-13 961 bekannter Rotor von der Bauart, auf die sich die Erfin dung bezieht, ist in Fig. 1 im Längsschnitt dargestellt. Wie aus Fig. 1 ersichtlich, sind zylindrische Hohlwellen 1 an gegenüberliegenden Enden einer hohlen, zylin drischen Spulen tragenden Welle 2 befestigt, an der supra leitende Feldspulen 3 angebracht sind. Die rechte Hohlwelle 1 in Fig. 1 ist an einer ersten Endwelle 8 starr befestigt, und die linke Hohlwelle 1 in Fig. 1 ist an einer zweiten Endwelle 9 starr befestigt, welche antriebsmäßig mit einer Antriebsmaschine oder mit einer Last verbunden ist, und zwar in Abhängigkeit davon, ob der Rotor als Teil eines Generators oder eines Motors verwendet wird. Die erste Endwelle 8 und die zweite Endwelle 9 sind beide von Lagern 10 drehbar gelagert. Die zweite Endwelle 9 weist eine An zahl von Schleifringen 11 auf, die daran montiert sind und über die der Strom für die Feldspulen 3 zugeführt wird.

Die Spulen tragende Welle 2 ist von einer zylindrischen Wärmedämmungsabschirmung 4 umgeben, deren entgegengesetzte Enden an der ersten Endwelle 8 und der zweiten Endwelle 9 befestigt sind. Eine zylindrische Kältedämmungsabschirmung 5 ist zwischen der Wärmedämmungsabschirmung 4 und der Spu len tragenden Welle 2 angeordnet, wobei sich ein in Längs richtung erstreckender Raum zwischen ihnen befindet. Die Wärmedämmungsabschirmung 4 und die Kältedämmungsabschir mung 5 schirmen die Feldspulen 4 gegenüber Hochfrequenz- Magnetfeldern ab und verringern Rotorschwingungen aufgrund von Störungen im elektrischen Energiesystem, an das der Rotor angeschlossen ist. Außerdem bildet die Wärmedämmungs abschirmung 4 eine Vakuumdichtung zwischen der Innenseite und der Außenseite des Rotors, und die Kältedämmungsabschir mung 5 wirkt als Strahlungsabschirmung für die inneren Bereiche der Spulen tragenden Welle 2, in der flüssiges Helium enthalten ist.

Ein Helium-Außenrohr 6 umgibt die Spulen tragende Welle 2, wobei ein Zwischenraum zwischen ihrer Außenoberfläche und der Innenoberfläche der Kältedämmungsabschirmung 5 gelas sen ist. Die Enden der Spulen tragenden Welle 2 sind mit Stirnplatten 7 abgedichtet, und der zentrale Hohlraum 15 der Spulen tragenden Welle 2 ist mit flüssigem Helium gefüllt.

Wärmetauscher 12 sind entweder an den Hohlwellen 1 angeord net oder bilden einen Teil von ihnen. An beiden Enden der Spulen tragenden Welle 2 sind seitliche Strahlungsabschirmungen 13 vorgesehen, welche die Feld spulen 3 gegenüber seitlich einfallender Strahlung schützen. In den Zwischenräumen 14 zwischen der Wärmedämmungsabschirmung 4 und der Kältedämmungsabschirmung 5, zwischen der Kälte dämmungsabschirmung 5 und dem Helium-Außenrohr 6 sowie zwischen den äußeren Enden der Spulen tragenden Welle 2 und der ersten Endwelle 8 bzw. der zweiten Endwelle 9 wird ein Vakuum aufrechterhalten.

Bei einem typischen Rotor für eine supraleitende rotieren de elektrische Maschine der dargestellten Bauart wird flüssiges Helium in den zentralen Hohlraum 15 der Spulen tragenden Welle 2 eingeleitet, und zwar durch nicht dar gestellte Rohre, welche durch die zweite Endwelle 9 hin durchgehen. Das flüssige Helium kühlt die supraleitenden Feldspulen 3 auf Tiefsttemperaturen, bei denen ihr elek trischer Widerstand Null ist. Infolgedessen treten keine Erregungsverluste auf, und es kann ein starkes Magnetfeld von den Feldspulen 3 erzeugt werden, um in einem nicht dargestellten Stator elektrische Wechselstromenergie zu erzeugen. Die Strömungsrichtung des flüssigen Heliums durch den Rotor ist mit Pfeilen in Fig. 1 angedeutet.

Fig. 2 zeigt nähere Einzelheiten des Endbereiches der Spulen tragenden Welle 2 gemäß Fig. 1, wobei es sich um den Aufbau eines Rotors handelt, der aus der JP-A 57-13 961 bekannt ist. Die Feldspulen 3 sind in einer in Längs richtung verlaufenden Aussparung 2 a untergebracht, die in der Spulen tragenden Welle 2 ausgebildet ist, und sind gegen Zentrifugalkräfte mit einem Haltering 16 gesichert, der mit Schrumpfsitz auf die Spulen tragende Welle 2 gesetzt ist. Ein in Längsrichtung verlaufender Zwischen raum 19 ist zwischen der Außenoberfläche des Halteringes 16 und der Innenoberfläche des Helium-Außenrohres 6 belas sen. Dieser Zwischenraum 19 ist mit flüssigem Helium gefüllt.

Die Feldspulen 3 sind voneinander, von den Seiten der Aussparung 2 a, in der sie untergebracht sind, und von der Innenumfangsfläche des Halteringes 16 mit elektrisch iso lierenden Abstandshaltern 17 getrennt. Zusätzlich zu der elektrischen Isolierung verhindern die Abstandshalter 17 eine seitliche Bewegung der Feldspulen 3.

Ein radial verlaufendes Loch 18 ist zwischen dem zentralen Hohlraum 15 der Spulen tragenden Welle 2 und der radialen Innenoberfläche der Aussparung 2 a ausgebildet, in der die Feldspulen 3 untergebracht sind. Dieses Loch 18 steht in hydraulischer Verbindung mit nicht dargestellten Nuten, die in den Abstandshaltern 17 ausgebildet sind, so daß flüssiges Helium aus dem zentralen Hohlraum 15 durch das Loch 18 in die Nuten in den Abstandshaltern 17 fließen kann, um die Feldspulen 3 zu kühlen.

Der bekannte Aufbau des Rotors gemäß Fig. 2 hat den Nachteil, daß es möglich ist, daß Wärme, die längs der Hohlwelle 1 geleitet wird, in die Spulen tragende Welle 2 strömt und die Feldspulen 3 erreicht. Diese Wärmeströmung ist in Fig. 2 mit Pfeilen angedeutet. Obwohl ein Teil die ser Wärme von dem flüssigen Helium in dem Loch 18 und in den nicht dargestellten Nuten in den Abstandshaltern 17 absorbiert wird, ist die Wärmemenge, welche die Feldspu len 3 erreicht, immer noch groß genug, daß sie zu einem Zusammenbruch der Supraleitfähigkeit der Feldspulen 3 füh ren kann. Wenn ein derartiger Zusammenbruch der Supra leitfähigkeit auftritt, ist es erforderlich, die Maschine zu stoppen. Wenn der Rotor in einem Generator verwendet wird, ist der Verlust der Supraleitfähigkeit besonders gravierend und kann das Abschalten einer gesam ten Generatoreinheit erforderlich machen.

Als Mittel, um die Wärmemenge zu reduzieren, welche die Feldspulen 3 durch Leitung längs der Enden der Spulen tragenden Welle 2 erreicht, hat man daran gedacht, die Anzahl der radial verlaufenden Löcher 18 zwischen dem zentralen Hohlraum 15 und der Aussparung 2 a der Spulen tragenden Welle 2 zu vergrößern. Die Einarbeitung einer größeren Anzahl von Löchern 18 erfordert jedoch einen sehr großen Aufwand; außerdem ist aufgrund der Lokalisie rung der Löcher 18 in bezug auf die Feldspulen 3 ihre Kühlwirkung nicht besonders gut. Dementsprechend stellt die Vergrößerung der Anzahl von Löchern 18 keine zufriedenstellende Lösung des Problems dar.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, unter Vermeidung des vorstehend beschriebenen Problems, einen Rotor für eine supraleitende rotierende elektrische Maschine anzugeben, bei dem die Wärmemenge, welche die Feldspulen durch Leitung längs der Enden der Spulen tragenden Welle er reicht, drastisch reduziert werden kann, so daß ein Zu sammenbruch der Supraleitfähigkeit verhindert und ein zuverlässiger Betrieb gewährleistet wird.

Beim erfindungsgemäßen Rotor für eine supraleitende rotierende elektrische Maschine wird die Zirkulation des flüssigen Heliums in dem Rotor wesentlich verbessert, so daß eine weitaus bessere Kühlwirksamkeit gewährleistet ist.

Bei einem erfindungsgemäßen Rotor ist eine in Umfangsrich tung verlaufende Nut im Endbereich einer Spulen tragen den Welle zwischen dem Teil der Spulen tragenden Welle, der mit einer Hohlwelle verbunden ist, und einer Aus sparung in der Spulen tragenden Welle ausgebildet, in der die supraleitenden Feldspulen untergebracht sind. Das radial äußere Ende der Nut öffnet sich zu einem Raum, der zwischen der Außenoberfläche der Spulen tragenden Welle und einem Helium-Außenrohr vorgesehen ist, und der Raum sowie die Nut sind mit flüssigem Helium gefüllt. Zugeleitete Wärme, welche von der Hohlwelle in die Spu len tragende Welle eintritt, wird von dem flüssigen Helium innerhalb der Nut absorbiert und daran gehindert, die supraleitenden Feldspulen zu erreichen. Das radial innere Ende der Nut kann abgedichtet oder mit dem zentralen Hohlraum der Spulen tragenden Welle verbunden sein, und zwar durch ein oder mehrere radial verlaufende Löcher, durch welche flüssiges Helium fließen kann, wo bei die Zirkulation oder Umwälzung des Heliums durch die Spulen tragende Welle verbessert wird.

Die Erfindung wird nachstehend, auch hinsichtlich weite rer Merkmale und Vorteile, anhand der Beschreibung von Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Die Zeichnung zeigt in

Fig. 1 einen Längsschnitt eines Rotors für eine supra leitende rotierende elektrische Maschine von der Bauart, auf die sich die Erfindung bezieht;

Fig. 2 einen Längsschnitt zur Erläuterung des Aufbaues des Endbereiches eines herkömmlichen Rotors gemäß Fig. 1;

Fig. 3 einen Längsschnitt des Endbereiches einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Rotors;

Fig. 4 einen Längsschnitt des Endbereiches einer zwei ten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Rotors; und in

Fig. 5 einen Längsschnitt des Endbereiches einer drit ten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Rotors.

Im folgenden wird auf die Fig. 3 bis 5 bezug genommen, die verschiedene Ausführungsformen des erfin dungsgemäßen Rotors zeigen. Fig. 3 zeigt einen Längs schnitt des Endbereiches einer Spulen tragenden Welle einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Rotors. Der Gesamtaufbau der dargestellten Bereiche des Rotors entspricht dem Rotor gemäß Fig. 1, so daß lediglich die Bereiche und Teile erläutert sind, die in Fig. 3 dar gestellt sind. Die Bauteile der Ausführungsform gemäß Fig. 3, welche dieselben Bezugszeichen haben wie die Bauteile in Fig. 2, haben den gleichen Aufbau und den gleichen Zweck, so daß ihre Erläuterung an dieser Stelle entbehrlich erscheint.

Der Endbereich dieser Ausführungsform unterscheidet sich von der herkömmlichen Bauform nach Fig. 2 darin, daß eine längs des Umfanges verlaufende Nut 20 in der Nähe des Endes der Spulen tragenden Welle 2 zwischen der Hohl welle 1 und der Aussparung 2 a ausgebildet ist, in der die supraleitenden Feldspulen 3 untergebracht sind. Das radial äußere Ende der Nut 20 öffnet sich zu dem Zwischen raum 19 zwischen der Außenoberfläche der Spulen tragenden Welle 2 und dem Helium-Außenrohr 6, wobei sowohl der Zwischenraum 19 als auch die Nut 20 mit flüssigem Helium gefüllt sind. Die Tiefe der Nut 20 sollte im wesentlichen die gleiche sein wie die Tiefe der Aussparung 2 a. Es besteht keine minimal erforderliche Breite für die Nut 20, und sie kann die kleinste Breite haben, die durch Bearbeitung erzielbar ist und die gewünschte Wirkung er zielt.

Durch das Anbringen dieser Nut 20 ist Wärme, die in Fig. 3 mit Pfeilen angedeutet ist, längs der Hohlwelle 1 gelei tet wird und in das Ende der Spulen tragenden Welle 2 ein tritt, nicht in der Lage, die Nut 20 zu durchqueren und wird von dem flüssigen Helium absorbiert, welches die Nut 20 ausfüllt. Infolgedessen werden die supraleitenden Feldspulen 3 in wirksamer Weise vor dieser zugeführten Wärme abgeschirmt und geschützt, und es besteht keine Gefahr, daß die Wärme einen Zusammenbruch der Supraleit fähigkeit erzeugt.

Fig. 4 zeigt eine zweite Ausführungsform des erfindungs gemäßen Rotors, die sich von der ersten Ausführungsform dadurch unterscheidet, daß ein oder mehrere radial ver laufende Durchgangslöcher 21 vorgesehen sind, welche eine Verbindung zwischen dem radial inneren Ende der Nut 20 und dem zentralen Hohlraum 15 der Spulen tragenden Welle 2 schaffen. Durch das Anbringen dieser Löcher 21 wird ein Strömungsweg mit geringem Strömungswiderstand für das flüssige Helium geschaffen, so daß es aus dem zentra len Hohlraum 15 durch die Löcher 21 und die Nut 20 zu dem Raum 19 fließen kann, so daß die Kühlwirkung des flüssigen Heliums vergrößert wird.

Fig. 5 zeigt den Endbereich einer dritten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Rotors. Bei dieser Ausführungsform ist eine Spulenverbindung 22 der supra leitenden Feldspulen 3 in einer Nut 2 b untergebracht, der in der Spulen tragenden Welle 2 zwischen der Hohlwelle 1 und der Aussparung 2 a für die Feldspulen 3 ausgebildet ist. Die Nut 20 und das radial verlaufende Loch 21 sind in der Spulen tragenden Welle 2 zwischen der Hohlwelle 1 und dem Überkreuzungsbereich 22 ausgebildet, um auch die Spulenverbindung 22 vor Wärme abzuschirmen, die längs der Hohlwelle 1 geleitet wird.

Claims

1. Rotor für eine supraleitende rotierende elektrische Maschine, mit einer Spulen tragenden Welle (2), mit Hohlwellen (1), die mit gegenüberliegenden Enden der Spulen tragenden Welle (2) verbunden sind, mit supra leitenden Feldspulen (3), die in einer Aussparung (2 a) in der Spulen tragenden Welle (2) untergebracht sind, und einem Helium-Außenrohr (6), das die Spulen tragen de Welle (2) umgibt und das zwischen der Außenober fläche der Spulen tragenden Welle (2) und der Innen oberfläche des Helium-Außenrohres (6) einen abgedichte ten Raum (19) bildet, der mit flüssigem Helium gefüllt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulen tragende Welle (2) mindestens eine in Umfangsrichtung verlaufende Nut (20) aufweist, die zwischen der Aussparung (2 a) für die supraleitenden Feldspulen (3) und einer der Hohlwellen (1) ausgebil det ist, wobei sich das radial äußere Ende der Nut (20) in den Raum (19) öffnet und die Nut (20) mit flüssigem Helium gefüllt ist.

2. Rotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Tiefe der Nut (20) im wesentlichen die glei che ist wie die der Aussparung (2 a) für die supra leitenden Feldspulen (3).

3. Rotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite der Nut (20) die minimale Breite hat, die durch Bearbeitung erzielbar ist.

4. Rotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,
daß die Spulen tragende Welle (2) einen in ihrem Zen trum ausgebildeten Hohlraum (15) besitzt, der mit flüssigem Helium gefüllt ist, und
daß ein radial verlaufendes Durchgangsloch (21) in der Spulen tragenden Welle (2) zwischen dem Hohl raum (15) und dem radial inneren Ende der Nut (20) ausgebildet ist.

5. Rotor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die supraleitenden Feldspulen (3) eine Spulen verbindung (22) aufweisen, die in der Spulen tragenden Welle (2) zwischen der Aussparung (2 a) und der Nut (20) untergebracht (2 b) ist.