DE3636296C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Rotor für eine supraleitende, rotierende elektrische Maschine, umfassend eine zylindrische, spulentragende Welle mit einer Vielzahl von in Längsrichtung verlaufenden Nuten für darin angeordnete Rotorspulen, die jeweils eine Vielzahl von Lagen und zwei parallele, in Längsrichtung verlaufende Bereiche aufweisen, wobei die in Längsrichtung verlaufenden Bereiche in Nuten angeordnet sind; und eine Vielzahl von Spannteilen, die mit Preßsitz in jeder Nut in deren Längsrichtung zwischen einer Seite der Nut und der Seite der darin angeordneten Rotorspule eingesetzt sind.

Ein derartiger Rotor ist aus der DE-AS 26 05 593 bekannt, wobei die jeweiligen Spulen in einer dafür vorgesehenen Aussparung in Form einer Nut übereinander angeordnet und gestapelt sind. Die Befestigung der Spulen erfolgt darin mit zwei Platten aus Isoliermaterial, die in der Nutmitte eingeschoben sind und zwischen die ein Keil gesetzt wird, der die beiden Platten keilförmig nach außen gegen die Spulenseiten preßt. Die beiden Platten sowie der dazwischen angeordnete Keil erstrecken sich über die gesamte Höhe der als Nut ausgebildeten Aussparung, ohne daß hinsichtlich der Spannteile eine Anpassung an die Höhe der jeweiligen Lagen der Rotorspule vorgenommen wird.

Zur Verkeilung von Wicklungsstäben in den Nuten eines Rotors ist eine Anordnundg aus der DE-PS 12 08 805 bekannt, wobei aus Keilen und Gegenkeilen bestehende Keilorgane verwendet werden, um die jeweiligen Wicklungsstäbe in einer Nut fest­ zulegen. Solche Keile müssen aber mit mechanischer Kraftein­ wirkung hineingetrieben werden, um die Wicklungsstäbe sicher zu befestigen, was mechanische Belastungen der Spule und ihrer Teile mit sich bringt.

Aus der DE-OS 29 34 178 ist eine Einrichtung zur Fixierung von Wicklungsstäben in den Nuten von elektrischen Maschinen bekannt, wobei in Längsrichtung einer Nut jeweils Doppelschräg­ keile vorgesehen sind, die aus einem in Ausnehmungen der Nutflanken geführten Oberkeil und einem Unterkeil bestehen. Bei der dort beschriebenen Anordnung werden die Oberkeile unter Freilassung von mindestens einer Lücke sonst lückenlos aneinandergereiht, so daß die Vorspannung der Nutverschluß­ feder durch verschiedene Oberkeile nachstellbar ist, wobei die Keile zur Festlegung der Wicklungsstäbe mechanisch in die jeweiligen Nuten eingetrieben werden müssen.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Rotor der eingangs genannten Art anzugeben, bei dem die Rotorspulen mit ihren übereinander­ liegenden Lagen in einfacher Weise eingebaut und auch dann zuverlässig fixiert werden können, wenn die einzelnen Lagen ungleichmäßige Abmessungen haben.

Die erfindungsgemäße Lösung besteht darin, einen Rotor der im Oberbegriff bezeichneten Art so auszubilden, daß die Spannteile über die Tiefe der Nut in Lagen übereinander angeordnet sind, deren Anzahl und Höhe der Anzahl und Höhe von Lagen der Rotorspule entspricht, und daß zwischen den in Längsrichtung ausgefluchteten Spannteilen in jeder Lage von Spannteilen Spalten vorgesehen sind, in die Packungen aus einem beim Einbau flexiblen und im Laufe der Zeit aus­ härtbaren Material eingesetzt sind.

Bei dem erfindungsgemäßen Rotor bestehen die Packungen zweckmäßigerweise aus einem mit einem Harz imprägnierten Filz. In Weiterbildung des erfindungsgemäßen Rotors ist vorge­ sehen, daß jedes Spannteil aus einem prismatischen Block eines steifen oder starren Materials besteht. Jedes Spannteil besteht dabei zweckmäßigerweise aus mindestens einem Keil.

Die Erfindung wird nachstehend 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 supraleitende rotierende elektrische Maschine gemäß der Erfindung;

Fig. 2 einen Querschnitt eines Teiles der spulen­ tragenden Welle des Rotors gemäß Fig. 1 längs der Linie II-II in Fig. 1;

Fig. 3 eine perspektivische Darstellung einer Rotorspule zur Verwendung bei dem Rotor gemäß Fig. 1;

Fig. 4 einen vergrößerten Querschnitt eines Teiles der spulentragenden Welle gemäß Fig. 2 zur Erläuterung des Innenraumes eines Schlitzes für eine Spule;

Fig. 5 eine Stirnansicht der spulentragenden Welle gemäß Fig. 2 zur Erläuterung des Einbaus einer Spule, die beispiels­ weise in Fig. 3 dargestellt ist, in die Schlitze der Welle;

Fig. 6 einen der Fig. 4 entsprechenden Querschnitt eines Bereiches einer anderen Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 7 eine perspektivische Darstellung einer Lage einer Spule gemäß der Ausführungs­ form nach Fig. 6;

Fig. 8 einen der Fig. 4 und 6 entsprechenden Querschnitt eines Bereiches einer weiteren Ausführungsform der Erfindung; und in

Fig. 9 eine perspektivische Darstellung einer Lage einer Spule gemäß der Ausführungs­ form nach Fig. 8.

Wie aus Fig. 1 ersichtlich, die einen Längsschnitt eines erfindungsgemäßen Rotors zeigt, hat der Rotor zwei zylindrische Hohlwellen 1, die an gegenüberliegenden Enden einer hohlen, zylindrischen spulentragenden Welle 2 starr befestigt sind, welche eine Vielzahl von in Längsrichtung verlaufenden Schlitzen aufweist, in denen die Spulen 3 einer supraleitenden Feldwicklung angeordnet und unterge­ bracht sind. Die rechte Hohlwelle 1 in Fig. 1 ist starr an einer ersten Lagerwelle 8 befestigt, die antriebsmäßig mit einer Antriebsmaschine oder mit einer Last verbunden ist, und die linke Hohlwelle 1 ist an einer zweiten Lagerwelle 9 starr befestigt. Die erste Lagerwelle 8 und die zweite Lagerwelle 9 sind mit Lagern 10 drehbar gelagert. Die zweite Lagerwelle 9 ist mit einer Anzahl von darauf montierten Schleifringen 11 ausgerüstet, über welche der Feldwicklung ein Feldstrom zugeführt wird.

Die spulentragende Welle 2 ist von einem zylindrischen Wärmedämmungsschild 4 umgeben, dessen gegenüberliegende Enden an der ersten Lagerwelle 8 und der zweiten Lagerwelle 9 befestigt sind. Der Wärmedämmungsschild 4 ist auf Umgebungs­ temperatur. Ein zylindrischer Kältedämmungsschild 5 ist zwischen dem Wärmedämmungsschild 4 und der spulentragenden Welle 2 angeordnet, und zwar mit einem in Längsrichtung verlaufenden Zwischenraum zwischen ihnen. Der Wärmedämmungs­ schild 4 und der Kältedämmungsschild 5 wirken in der Weise, daß sie die Feldwicklung gegenüber Hochfrequenz-Magnet­ feldern abschirmen und Rotorschwingungen aufgrund von Störungen im elektrischen Energiesystem verringern, an welches der Rotor angeschlossen ist. Darüber hinaus bildet der Wärmedämmungsschild 4 eine Vakuumdichtung zwischen dem Innenraum und der Außenseite des Rotors, während der Kälte­ dämmungsschild 5 außerdem als Strahlungsschild für den Innenbereich der spulentragenden Welle 2 wirkt.

Die spulentragende Welle 2 ist von einem Helium-Außenrohr umgeben, das daran mit einem Abstand zwischen der Außen­ oberfläche des Außenrohres 6 und der Innenoberfläche des Kältedämmungsschildes 5 befestigt ist. Die Enden der spulen­ tragenden Welle 2 sind mit Stirnplatten 7 abgedichtet, und ein zentraler Hohlraum 15 der spulentragenden Welle 2 ist mit flüssigem Helium gefüllt.

Wärmetauscher 12 sind entweder an den Hohlwellen 1 ange­ bracht oder als Teile der Hohlwellen 1 ausgebildet. An beiden Enden der spulentragenden Welle 2 sind seitliche Strahlungsschilde 13 vorgesehen, welche die Feldwicklung gegenüber seitlich eintretender Strahlung schützen. In den Zwischenräumen 14 zwischen dem Wärmedämmungsschild 4 und dem Kältedämmungsschild 5, zwischen dem Kältedämmungsschild 5 und dem Helium-Außenrohr 6, und zwischen dem Helium-Außen­ rohr 6 und der spulentragenden Welle 2 wird ein Vakuum ausgebildet und aufrecherhalten.

Von einem nicht dargestellten Versorgungssystem für flüssiges Helium wird flüssiges Helium in den zentralen Hohlraum 15 der spulentragenden Welle 2 eingeleitet, und zwar mit nicht dargestellten Rohren, die durch die zweite Lagerwelle 9 hindurchgehen. Das flüssige Helium kühlt die supraleitenden Rotorspulen 3 auf Tiefsttemperaturen, bei denen ihr elektrischer Widerstand zu Null wird. Die Strömungsrichtung des flüssigen Heliums durch den Rotor ist mit Pfeilen in Fig. 1 angedeutet.

Fig. 2 zeigt einen Querschnit längs der Linie II-II in Fig. 1 zur Erläuterung von weiteren Einzelheiten des Aufbaus der spulentrangenden Welle 2. Die Welle 2 hat eine Vielzahl von in Längsrichtung verlaufenden Nuten 16, die in ihrer Außenoberfläche ausgebildet sind und symmetrisch bezüglich der Mittellinie der spulentragenden Welle 2 verlaufen. Jede Spule 3 ist in einem Paar von diesen Nuten 16 untergebracht, die auf gegenüberliegenden Seiten der Mittellinie angeordnet sind. Die Seitenflächen und die Bodenfläche jeder Nut 16 sind mit einer elektrischen Isolierung 17 ausge­ kleidet und die Spule 3 paßt in den Innenraum der Isolierung 17 hinein. Die Oberseite oder Deckfläche jeder Spule 3 ist mit einer oberen Packung 19 abgedeckt, und die Spule 3 ist gegen radiale Kräfte mit einem Keil 18 festgehalten, der mit Preßpassung in den oberen Bereich der Nut 16 eingesetzt ist.

Vor dem Einsetzen von Spulen in die Nuten 16 in der spulentragenden Welle 2 wird jede Spule 3 mit einer Spezial­ wickelmaschine gewickelt. Fig. 3 zeigt eine derartige vorgewickelte Spule 3. Sie hat zwei parallele, in Längs­ richtung verlaufende Bereiche, die miteinander mit einem Paar von parallelen, in Umfangsrichtung verlaufenden Bereichen verbunden sind. Die in Längsrichtung verlaufenden Bereiche sind in den in Längsrichtung verlaufenden Nuten 16 gemäß Fig. 2 untergebracht, während die in Umfangsrichtung verlaufenden Nuten untergebracht sind, welche die Enden der in Längsrichtung verlaufenden Nuten 16 verbinden. Jede Spule 3 besteht aus einer Vielzahl von Schichten oder Lagen 31.

Fig. 4 zeigt nähere Einzelheiten im Querschnitt eines Bereiches der spulentragenden Welle 2 gemäß Fig. 2, nämlich den Innenraum von einer der Nuten 16, in welchem einer der in Längsrichtung verlaufenden Bereiche einer Spule 3 angeordnet ist. Auf der einen Seite der Nut 16 sind zwischen der elektrischen Isolierung 17 und der Spule 3 eine Vielzahl von Halte- oder Spannteilen 20 angeordnet, um die Spule 3 gegenüber Kräften in Umfangsrichtung festzu­ halten. Die Spannteile 20 sind aufeinander über die gesamte Tiefe der Nut 16 in Schichten oder Lagen gestapelt, die der Anzahl von Schichten oder Lagen der Spulen 3 entsprechen. Die Spannteile 20 bestehen aus rechteckigen prismatischen Blöcken eines steifen oder starren Materials. Um zu verhindern, daß die Spannteile 20 die Spule 3 kurzschließen, bestehen sie vorzugsweise aus einem elektrisch isolierenden Material, wie z. B. einem üblichen Epoxy-Glaslaminat.

Fig. 5 zeigt die Installierung einer vorgewickelten Spule 3, die beispielsweise in Fig. 3 gezeigt ist, in der spulen­ tragenden Welle 2. Einer der in Längsrichtung verlaufenden Bereiche einer Spule 3 wird in eine erste Nut 16 auf der rechten Seite der Fig. 5 eingesetzt, und die andere Seite der Spule 3 wird dann in eine zweite Nut 16 auf der linken Seite von Fig. 5 eingesetzt, und zwar eine Lage nach der anderen. Wenn die jeweilige Lage 31 der Spule 3 in den Nuten 16 angeordnet ist, werden Spann­ teile 20 mit einem Hammer in die Zwischenräume zwischen den Außenseiten der Lage 31, die gerade eingesetzt wurde, und der elektrischen Isolierung 17, welche die Wände der Nuten 16 auskleidet, eingeschlagen. Nach dem Einsetzen übt jedes Spannteil 20 eine Druckkraft auf die Seite der Lage 31 aus und verhindert, daß sie sich in Umfangsrichtung bewegt.

Da jede Lage 31 der Spule 3 individuell von entsprechenden Spannteilen 20 und unabhängig von den angrenzenden oder benachbarten Lagen 31 festgehalten wird, spielt es keine Rolle, ob unter den Lagen 31 eine Spule 3 Ungleichmäßig­ keiten vorhanden sind. Jede Lage 31 kann zuverlässig daran gehindert werden, sich in Umfangsrichtung zu bewegen.

Während des Betriebes einer supraleitenden elektrischen Maschine, die einen Rotor gemäß der Erfindung verwendet, besteht somit keine Gefahr, daß sich die Spulen 3 aufgrund von Umfangskräften bewegen und Reibungswärme erzeugen, welche einen Verlust der Supraleitfähigkeit hervorrufen könnte.

Da weiterhin die Spannteile 20 sich nur über die Höhe einer einzelnen Lage 31 der Spule 3 erstrecken, ist die Kraft zum Einsetzen eines Spannteiles 20 klein, und diese lassen sich leicht einsetzen. Die Möglichkeit der Be­ schädigung der Spule 3 beim Einsetzen der Spannteile 20 wird dadurch erheblich reduziert und scheidet praktisch aus.

Es wird eine Vielzahl von kürzeren, in Längsrichtung ausgefluchteten Spannteilen 20 für jede Lage 31 verwendet.

Die Fig. 6 und 7 zeigen eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Rotors. Der Gesamtaufbau dieser Aus­ führungsform ist der gleiche wie bei der ersten Ausführungs­ form, und ebenso wie bei der ersten Ausführungsform bestehen die Spannteile 20 für die Spule 3 aus rechteckigen, prisma­ tischen Blöcken aus einem steifen, elektrisch isolierenden Material. Bei dieser Ausführungsform sind jedoch die Spannteile 20 für eine einzelne Lage 31 der Spule 3 mit Spalten zwischeneinander in Längsrichtung angeordnet, und es sind Packungen 22 in den Spalten eingesetzt, um diese vollständig auszufüllen. Die Packungen 22 bestehen vorzugs­ weise aus einem Material, das zum Zeitpunkt des Einbaus flexibel ist und im Laufe der Zeit steif oder starr wird. Ein geeigntes Material für die Packungen 22 besteht aus Filzen, die mit einem Harz imprägniert sind.

Das Verfahren beim Einbau einer Spule 3 in einem Rotor gemäß dieser Ausführungsform ist das gleiche wie bei der ersten Ausführungsform. Eine vorgewickelte Spule 3 wird in ein Paar von Nuten 16 in der spulentragenden Welle 2 Lage für Lage eingesetzt, und nachdem die jeweilige Lage eingesetzt worden ist, werden die Spannteile 20 in die Nuten 16 zwischen einer Seite der Lage 31 und der elektrischen Isolierung 17 als Auskleidung der Nuten 16 eingeschlagen, wobei Spalten zwischen den Spannteilen 20 in Längsrichtung gelassen werden. Die Packungen 22 werden dann in die Spalten zwischen den Spannteilen 20 eingesetzt. Diese Ausfüshrungsform bietet ähnlich vorteilhafte Wirkungen wie die oben beschriebenen beiden Ausführungs­ formen.

Die Fig. 8 und 9 zeigen eine weitere Ausführungsform der Erfindung, welche den gleichen Grundaufbau hat wie die vorige Ausführungsform, sich jedoch dadurch unterscheidet, daß jedes Spannteil 21 ein Paar von Keilen aufweist. Zwischen den Spannteilen 21 sind in Längsrichtung Spalten gelassen, und in die Spalten sind Packungen 22 eingesetzt. Beim Einbau einer Spule 3 in die Nuten 16 einer spulen­ tragenden Welle 2 eines erfindungsgemäßen Rotors werden die Lagen 31 einer vorgewickelten Spule 3 in ein Paar von Nuten 16 einzeln nacheinander eingesetzt, und nach dem Einsetzen einer Lage werden die Keile zum Festlegen der Lage in denjeweiligen Nuten 16 eingeschlagen, wobei Packungen 22 in die Längsspalte zwischen den Spannteilen 21 eingesetzt werden. Diese Ausführungsform bietet ähnliche vorteilhafte Wirkungen wie die oben beschriebenen Ausführungs­ formen. Obwohl jedes der Spannteile 21 mit zwei Keilen dar­ gestellt ist, da die erforderliche Kraft zum Einsetzen klein ist, ist es auch möglich, daß ein Spannteil 21 nur aus einem einzigen Keil besteht.

Claims (5)

1. Rotor für eine spuraleitende, rotierende elektrische Maschine, umfassend

• - eine zylindrische, spulentragende Welle (2) mit einer Vielzahl von in Längsrichtung verlaufenden Nuten (16) für darin angeordnete Rotorspulen (3), die jeweils eine Vielzahl von Lagen (31) und zwei parallele, in Längsrichtung verlaufende Bereiche aufweisen, wobei die in Längsrichtung verlaufenden Bereiche in Nuten (16) angeordnet sind, und
• - eine Vielzahl von Spannteilen (20, 21), die mit Preßsitz in jeder Nut (16) in deren Längsrichtung zwischen einer Seite der Nut (16) und der Seite der darin angeordneten Rotorspule eingesetzt sind,

dadurch gekennzeichnet,
daß die Spannteile (20, 21) über die Tiefe der Nut (16) in Lagen übereinander angeordnet sind, deren Anzahl und Höhe der Anzahl und Höhe von Lagen (31) der Rotorspule (3) enspricht, und
daß zwischen den in Längsrichtung ausgefluchteten Spannteilen (20, 21) in jeder Lage von Spannteilen (20, 21) Spalten vorgesehen sind, in die Packungen (22) aus einem beim Einbau flexiblen und im Laufe der Zeit aushärtbaren Material eingesetzt sind.

2. Rotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Packungen (22) aus einem mit einem Harz imprägnierten Filz bestehen.

3. Rotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Spannteil (20, 21) aus einem prismatischen Block eines steifen oder starren Materials besteht.

4. Rotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Spannteil (20, 21) aus mindestens einem Keil besteht.