DE3721100A1 - Rotor fuer einen supraleitenden generator - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen supraleitenden Rotor für einen Generator und insbesondere einen Generator-Rotor, bei dem flüssiges Helium zur Kühlung der supraleitenden Spule verwendet wird.

Supraleitende Generator-Rotoren, die supraleitende Spulen verwenden, wurden entwickelt, um den Wirkungsgrad des Generators zu verbessern. Die supraleitenden Spulen werden in flüssiges Helium getaucht, um sie auf einer Temperatur von etwa 4°K zu halten.

Um zu verhindern, daß Wärme von der Atmosphäre in das flüssige Helium eines derartigen Rotors gelangt und um die Verdampfungsgeschwindigkeit von flüssigem Helium zu redu­ zieren, ist der Rotor zweiteilig mit einem Innenrotor und einem Außenrotor aufgebaut, zwischen denen Vakuum herrscht.

Dies zeigt Fig. 1 auf Seite 27 der IEEE Transactions on Energy Conservation Vol. EC-1. No.3. Ferner wird das kaltverdampfte gasförmige Helium verwendet, um den elek­ trischen Leiter zu kühlen, der sich durch die Rotorwelle zur Spule erstreckt, damit die Wärmeleitung durch den elek­ trischen Leiter reduziert wird.

Beim Stand der Technik endet der elektrische Leiter für die supraleitende Spule in einem freien Ende, das dem Rotor gegenüberliegt. Dieser liegt auf Erdpotential und lenkt das gasförmige Helium in Richtung auf diesen Aufbau, wie dies Fig. 2a auf Seite 288 der zuvor erwähnten Veröffentlichung zeigt und wie dies außerdem in Fig. 5 dieser Anmeldung wiedergegeben ist. Da die Spannung am elektrischen Leiter nur etwa 10 Volt beträgt, braucht kein Schutz gegenüber elektrischer Entladung im gasförmigen Helium vorgesehen zu sein.

Der bekannte und in Fig. 5 dargestellte supraleitende Generator-Rotor besitzt eine nicht dargestellte supralei­ tende Spule, die durch flüssiges Helium gekühlt wird. Verdampftes, gasförmiges Helium, das von der Spule zurück­ strömt, wird durch einen Kühlmittelpfad 10 geleitet, welcher eine Bohrung durch einen elektrischen Hohlleiter darstellt. Der elektrische Leiter 12 ist mit einem Ende an die supraleitende Spule angeschlossen. Ein Verbindungsstück 14 verbindet das benachbarte Ende des Leiters 12 mit einer ersten Kollektorringanordnung 16. Diese Ringanordnung 16 ist außen auf eine Hauptwelle 18 aufgebracht, welche den gesamten Generator-Rotor trägt. Ferner besitzt der erste Kollektorring 16 eine nicht dargestellte Bürste, die auf dem Rotor schleift und durch die Strom zugeführt wird. Der elektrische Leiter 12 wird von dem innen durchströmenden gasförmigen Helium gekühlt und von einem elektrischen Isolator 20 abgedeckt.

Ein zweiter Kollektorring 22 ist an der Hauptwelle 18 angebracht und mit dieser elektrisch verbunden; er besitzt eine nicht dargestellte Bürste, die an Erde angeschlossen ist. Auf diese Weise wird die Hauptwelle 18 auf Erdpotential gehalten.

Das gasförmige Helium strömt aus dem Kühlmittelpfad 10 im elektrischen Leiter 12 in einen Hohlraum 24, der in der Hauptwelle 18 gebildet ist und wird axial von der supralei­ tenden Spule zu einem nicht dargestellten Heliumanschluß weitergeleitet.

Im Hohlraum 24 liegen die Helium-Zu und -Ableitungen 26 im gasförmigen Helium und befinden sich auf Erdpotential. Auch die Hauptwelle 18, der elektrische Leiter 12 und das Verbindungselement 14 liegen in gasförmigem Helium, obgleich ein Teil der Hauptwelle 18 im Hohlraum 24 mit einem elektrischen Isolator 28 überzogen ist.

Beim Stand der Technik existiert keine Erregungssteuerung für die supraleitenden Generatoren, da ihre innere Reaktanz klein und demzufolge ihrer Stabilität groß ist.

Wird eine Erregungssteuerung bei supraleitenden Generatoren angewendet, dann vergrößert dies ihre Stabilität noch mehr. In diesem Fall verändert sich jedoch der elektrische Strom in der Feldspule schnell und die Spannung am ersten Kollektorring 16 kommt in den kV-Bereich oder wird sogar so hoch wie einige 10 000 Volt. Wenn dies der Fall ist, kann eine elektrische Entladung im Hohlraum 24 im gasförmigen Helium erfolgen. Eine derartige Entladung wird durch die Entladungskurve von Fig. 6 dargestellt, die den Temperatur­ bereich von 200 bis 300°K wiedergibt. Sie stammt von Seite 36 aus Denki Gakai Gÿyutsu Hoh, Part II, Vol. 93.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine höhere Erregungssteuer­ spannung zu verwenden, ohne daß Entladungen auftreten.

Zur Lösung dieser Aufgabe dienen die kennzeichnenden Merk­ male des Patentanspruchs 1.

Gemäß Erfindung weist der supraleitende Generator-Rotor eine Hauptwelle auf, die einen Hohlraum besitzt, um darin koaxial einen Innenrotor aufzunehmen. Eine supraleitende Spule liegt im Innenrotor. Eine Kollektorringanordnung ist außen auf der Hauptwelle aufgebracht und gegenüber dieser elektrisch isoliert. Ein Verbindungselement ist an die Kollektorring­ anordnung angeschlossen und erstreckt sich isolierend durch die Wand der Welle. Ein elektrischer Leiter liegt in dem Hohlraum und ist an das Verbindungselement sowie an die supraleitende Spule angeschlossen. Ferner sind Mittel vorge­ sehen, um flüssiges Helium in den Innenrotor einzuleiten und die supraleitende Spule einzutauchen. Zumindest ein Teil des im Innenrotor entstehenden gasförmigen Heliums dient dazu, den elektrischen Leiter zu kühlen. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß in dem Hohlraum und in der Nähe des Anschlußelements Mittel vorgesehen sind, um das für die Kühlung des elektrischen Leiters verwendete gasförmige Helium in einem Strömungspfad einzuschließen, der von elektrisch isolierendem Material umgeben ist, damit eine elektrische Entladung zwischen dem Anschlußelement und der Hauptwelle im gasförmigen Helium verhindert wird.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Figuren näher erläutert; es zeigen:

Fig. 1 einen Axialschnitt durch ein erstes Ausführungs­ beispiel;

Fig. 2 eine vergrößerte Schnittdarstellung des Ausfüh­ rungsbeispiels;

Fig. 3 einen Axialschnitt durch ein zweites Ausführungs­ beispiel;

Fig. 4 einen Axialschnitt durch ein drittes Ausführungs­ beispiel.

Fig. 5 einen Axialschnitt durch die wesentlichen Teile eines bekannten supraleitenden Generator-Rotors;

Fig. 6 eine Entladungskurve für gasförmiges Helium bei 50 Hz Wechselspannung;

Fig. 1 zeigt einen supraleitenden Rotor für einen Generator mit einer supraleitenden Feldspule 40, die in flüssigem Helium liegt, welches in einem Innenrotor 44 eingeschlossen ist. Der Innenrotor 44 wird koaxial von einem Abstrahlschild 46 und von einem Außenrotor 48 umgeben. Vakuumbereiche 50 und 51 umgeben den Innenrotor 44 und den Abstrahlschild 46, um Kälteverluste auszuschließen. Beide Enden des Außenrotors 48 werden koaxial durch hohle Hauptwellen 52 und 54 getragen. Die Hauptwellen 52 und 54 sind in Lagern 56 und 80 drehbar gelagert.

Ein erster Kollektorring 60, auf dem eine an eine Hochspan­ nungselektrode angeschlossene, nicht dargestellte Bürste schleift, ist auf der Hauptwelle 52 angebracht. Der erste Kollektorring 60 ist über ein Verbindungselement 62 und einen elektrischen Leiter 64, der im Inneren einen Kühl­ mittelkanal 65 enthält (Fig. 2) an die Feldspule 40 angeschlossen.

Ein zweiter Kollektorring 66 ist auf der Hauptwelle 52 montiert und auf ihm gleitet eine geerdete Bürste.

Ein Heliumanschluß 68 dient dazu, flüssiges Helium 42 dem Innenrotor 44 zuzuführen und verdampftes, gasförmiges Helium 70 zur Wiederkühlung abzuleiten; er ist drehbar an ein Ende der Hauptwelle 52 angebracht. Das durch den Heliumanschluß 68 zugeführte flüssige Helium wird durch ein doppeltes Kühlrohr 72 in der Hauptwelle 52 in den Innenrotor 44 geleitet. Das doppelte Kühlrohr 72 besteht aus einem inneren Metallrohr 74, durch das das flüssige Helium 42 strömt, und durch ein äußeres Metallrohr 76, welches gemäß Fig. 2 einen Ringraum 78 bildet.

Das flüssige Helium 42 verdampft im Innenrotor 44 aufgrund der von außen zugeführten Wärme. Ein Teil des verdampften gasförmigen Heliums 70 wird in den Ringraum 78 geleitet, um die Wärmeströmung zum Innenrohr 74 möglichst gering zu halten. Außerdem wird ein Teil in den Kühlmittelkanal 65 in dem elektrischen Leiter 64 geleitet, um diesen zu kühlen. Ein weiterer Teil des gasförmigen Heliums 70 wird in einen Wärmeaustauscher 80 an je einem Ende des Innenrotors 44 geleitet, um die Erwärmung des Innenrotors 44 durch Wärme­ leitung minimal zu halten.

Am Ende wird das gesamte gasförmige Helium 70 zu dem Heliumanschluß 68 geführt.

Gemäß Fig. 2 ist der elektrische Leiter 64 mit einer Isolierhülle 82 überdeckt. Die Hauptwelle 52 besitzt einen Hohlraum in der Nähe ihres Endes, in die das Verbindungs­ element 62 radial durch die Hauptwelle 52 hineinreicht; es verbindet den elektrischen Leiter 62 mit dem ersten Kollek­ torring 60.

Das Verbindungselement 62 und der Kollektorring 60 sind gegenüber der Hauptwelle 52 durch Isolatoren 86 elektrisch isoliert.

Der Kühlmittelkanal 65 im elektrischen Leiter 64 ist an eine Kühlmittelleitung 88 und weiter an eine Kühlmittelkammer 90 angeschlossen. Die Kühlmittelleitung 88 und die Kühlmittel­ kammer 90 bestehen aus einem elektrisch isolierendem Mate­ rial, das bis zu Temperaturen von 170°K beständig ist. Ein dafür geeignetes Material ist Polytetrafluorethylen oder Keramik.

Das gasförmige Helium 70 strömt durch den Kühlmittelkanal 65, durch die Kühlmittelleitung 88 und durch die Kühlmittel­ kammer 90, von der es zu dem Heliumanschluß 68 gemäß Fig. 1 geleitet wird. Die Kühlmittelleitung 88 ist lang genug, um elektrische Entladung im gasförmigen Helium 70 in axialer Richtung zwischen dem Verbindungselement 62 und der Haupt­ welle 52 oder zwischen dem Verbindungselement 62 und dem doppelten Kühlrohr 72 stromabwärts von der Kühlmittelkammer 90 zu verhindern. Ein Teil der Innenwand des Hohlraums 84 ist durch eine Isolierschicht 92 abgedeckt. Der sich außerhalb der Kühlmittelleitung 88 und der Kühlmittelkammer 90 befindende Hohlraum 84 ist mit Luft von atmosphären Druck gefüllt.

Bei diesem Ausführungsbeispiel wird eine elektrische Ent­ ladung im gasförmigen Helium 70 selbst dann verhindert, wenn die an der Feldspule 40 liegende Spannung im Bereich von 10 000 Volt liegt. Es kann daher eine Erregungssteuerung an den supraleitenden Rotor eines Generators gelegt werden.

Bei dem zweiten Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 ist ein Abstandsstück 100 in den Hohlraum 84 eingesetzt, welches die Kühlmittelleitung 88 gegenüber Zentrifugalkräften abstützt.

Bei dem dritten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4 ist der Hohlraum 84 mit einem isolierenden Füllstoff 102 ausgefüllt, der aus einem elektrisch isolierenden Material wie Silikon­ kautschuk oder Epoxydharz besteht. Bei diesem Ausführungs­ beispiel wird selbst dann der Eintritt von gasförmigem Helium 70 in den Hohlraum 84 verhindert, wenn die Kühl­ mittelleitung 88 oder die Kühlmittelkammer 90 defekt sind.

Claims (6)

1. Rotor für einen supraleitenden Generator mit einer Hauptwelle (52, 54), die einen Hohlraum (84) zur koaxialen Aufnahme eines Innenrotors (44) aufweist,

• - mit einer supraleitenden Spule im Innenrotor (44);
• - mit einer Kollektorringanordnung (60, 66), die außen auf die Hauptwelle (52) aufgebracht und gegenüber dieser elektrisch isoliert ist;
• - mit einem Verbindungselement (62), das an die Kollektorringanordnung (60) angeschlossen ist und sich isolierend durch die Wand der Welle (52) erstreckt;
• - mit einem elektrischen Leiter (64) in dem Hohlraum (84), der an das Verbindungselement (62) und an die supraleitende Feldspule (40) angeschlossen ist;
• - mit Mitteln zum Zuführen von flüssigem Helium zum Innenrotor (44) und zum Eintauchen der Feldspule;
• - wobei mindestens ein Teil des im Innenrotor (44) entstehenden flüssigen Heliums zum Kühlen des elektrischen Leiters (64) verwendet wird;

dadurch gekennzeichnet, daß in dem Hohlraum (84) und in der Nähe des Verbindungselements (62) Mittel zum Einschließen des zum Kühlen des elektrischen Leiters (64) verwendeten gasförmigen Heliums in einem Ringraum (78) vorgesehen sind, der von einem elektrisch isolie­ renden Material umgeben ist, um eine elektrische Entladung zwischen Verbindungselement (62) und Haupt­ welle (52) im gasförmigen Helium zu verhindern.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrische Leiter (64) hohl ist und daß das Mittel zum Einschließen des Heliums ein Rohr aus elektrisch isolierendem Material ist, das an ein Ende des mit dem Verbindungselement (62) verbundenen elek­ trischen Leiters (64) angeschlossen ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sich das elektrisch isolierende Rohr in eine Kühlmittelkammer (90) erstreckt, die von elektrisch isolierendem Material gebildet ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Abstandsstück (100) die Kühlmittelleitung (88) gegenüber der Hauptwelle (52) abstützt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der das Verbindungselement (62) und die Kühlmittel­ leitung (88) enthaltende Hohlraum (84) mit einem elektrisch isolierenden Füllstoff (102) gefüllt ist.