DE3813788A1 - Laeufer einer kryogenen elektrischen maschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Läufer einer kryogenen elektrischen Maschine und kann am vorteilhaftesten in lei­ stungsstarken Kryoturbogeneratoren zum Einsatz kommen.

Die Betriebseffektivität einer kryogenen elektrischen Maschine mit supraleitender Erregerwicklung wird durch das Stromführungsvermögen der letzteren bestimmt, wobei diese Eigenschaft der Wicklung in einem hohen Grad von der Güte ihrer Befestigung abhängt.

Es ist ein Läufer einer kryogenen elektrischen Maschi­ ne bekannt (US, A, 39 91 333), worin die supraleitende Erre­ gerwicklung aus einzelnen flachen Spulen besteht, die übereinander angeordnet und durch Lamellen getrennt sind, wobei die Spulenachse zur Läuferachse senkrecht ist. Eine starre Wicklungsbefestigung wird durch Kopfschrauben er­ zielt, die über die Läuferachse gleichmäßig verteilt sind. Diese Konstruktion zur Befestigung der Erregerwicklung zeichnet sich durch eine einfache Herstellung aus, doch sie hat einen wesentlichen Nachteil, der darin besteht, daß die Wicklung ungleichmäßig gekühlt wird und daß ihre Wickelköpfe schlechter als der Nutenteil abgekühlt werden. Außer diesem Hauptnachteil weist die beschriebene Läufer­ konstruktion auch die folgenden anderen Nachteile auf:
zum ersten wird keine gleichmäßige Anpressung der Spulen auf dem Läuferkreisumfang erzielt, weil die Druckkräfte vom Deckband längs der Läuferachse hin gerichtet sind und die Seitenflächen der Spulen unter einem Winkel zur Wir­ kungsrichtung dieser Kräfte verlaufen; zum zweiten hält das Deckband die ganze Läuferkonstruktion zusammen, ohne daß dabei die Spulen der supraleitenden Wicklung zusätzlich zusammengedrückt werden.

Zum Stand der Technik gehört ein Läufer einer kryo­ genen elektrischen Maschine (US, A, 38 91 875) mit supralei­ tender Erregerwicklung, die als sattelförmige Spulen aus­ geführt ist, die in radiale Körpernuten eingelegt und durch Keile gespannt sind. In jeder Nut sind in ihren Seitenwän­ den axiale Einschnitte ausgeführt, worin der entsprechende Keil eingesetzt ist. Die Keile stützen über Keileinlagen die Wicklungsspulen ab, wodurch deren fester Sitz in Nuten bewirkt wird. Der Körper ist durch ein ringförmiges Deck­ band umschlossen, das mit einem radialen Übermaß auf die äußeren zylindrischen Zahnflächen so aufgesetzt ist, daß zwischen dem Deckband und den ihm zugekehrten Keilflächen ein Radialspiel vorhanden ist. Das Deckband dichtet ein Bad mit einem Kühlmittel ab, das die Erregerwicklung kühlt.

Ein Nachteil dieses Läufers besteht darin, daß bei dessen Kühlung infolge einer beträchtlichen Differenz der linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten der Werkstoffe einer Wicklung (Kupfer) und eines Läuferkörpers (unmagne­ tischer Stahl bzw. eine Titanlegierung) das radiale Spulen­ maß bedeutend mehr als radiale Keil- und Zahnmaße abnimmt. Dabei wird das Verkeilen der Spulen abgeschwächt, d. h. deren Befestigung in den Nuten wird gelockert. Dies setzt das Stromführungsvermögen der supraleitenden Wicklung herab, das durch die Starrheit der Spulenbefestigung in den Kör­ pernuten bestimmt wird. Eine Herabsetzung des Stromführungs­ vermögens der Wicklung, d. h. des kritischen Stroms, be­ wirkt eine Verminderung des Stromsicherheitsfaktors der Erregerwicklung und folglich eine Senkung der Zuverlässig­ keit der elektrischen Maschine.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Läu­ fer einer kryogenen elektrischen Maschine zu schaffen, bei dem Keile, die in radialer Richtung Spulen der supraleitenden Wicklung in Nuten des Läuferkörpers andrü­ cken, derart angebracht sind, daß beim Läuferkühlen ein Lockern der Spulenbefestigung infolge einer Diffe­ renz der linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten der Kör­ per- und der Wicklungswerkstoffe ausgeschlossen ist, wo­ durch das Stromführungsvermögen der Wicklung und folglich die Betriebszuverlässigkeit des Läufers gesteigert werden.

Diese Aufgabe wird ausgehend von einem Läufer einer kryogenen elektrischen Maschine mit einem Körper, der durch Zähne getrennte radiale Nuten aufweist, sattelför­ migen Spulen einer supraleitenden Erregerwicklung, von de­ nen jede in eine der besagten Nuten eingelegt und von außen durch einen in axiale Einschnitte in den Seitenwänden einer Nut eingesetzten Keil angedrückt ist, sowie mit einem ring­ förmigen Deckband, das den Körper umschließt, erfindungsge­ mäß dadurch gelöst, daß die Außenfläche jedes Keils, die dem ringförmigen Deckband zugekehrt ist, in der radialen Richtung über die dem Deckband zugekehrten Flächen der diesem Keil benachbarten Zähne hinausragt, daß das ringför­ mige Deckband mit einem radialen Übermaß auf die Außenflä­ chen der Keile unter Bildung eines radialen Spiels zwischen ihm und den Zähnen aufgesetzt ist und daß zwischen der der Läuferachse zugekehrten Fläche jedes Keils und den ge­ genüber dieser Fläche liegenden Flächen der axialen Ein­ schnitte jener Nut, worin dieser Keil eingesetzt ist, ein radiales Spiel vorhanden ist, wobei der Betrag jedes der beiden erwähnten radialen Spiele nicht kleiner ist als das Übermaß des Deckbandes.

Im erfindungsgemäßen Läufer findet dank dessen, daß das Deckband auf die über die Zähne hinausragenden Keile aufgesetzt ist und zwischen dem Deckband und den Zähnen sowie zwischen den der Läuferachse zugekehrten Keilflächen und den entsprechenden Flächen der axialen Einschnitte, worin die Keile in den Nuten eingesetzt sind, je ein Ra­ dialspiel vorhanden ist, bei einer Läuferkühlung und einer Verkleinerung der linearen Abmessungen der Erregerwick­ lungsspulen in bezug auf die Nuten keine Lockerung der Spulenbefestigung in den Nuten statt. Dies ist darauf zu­ rückzuführen, daß das Deckband, indem es infolge Radial­ übermaßes schrumpft, die Keile andrückt und diese zur Läuferachse hin im Bereich der erwähnten Spiele verschiebt, während die Keile ihrerseits die Spulen gegen die Nuten­ böden drücken. Die Verbesserung der Spulenbefestigung führt eine Vergrößerung des Stromführungsvermögens der Spulen herbei, und dies ermöglicht eine Vergrößerung des Stromsicherheitsfaktors der Erregerwicklung, d. h. eine Steigerung der Läuferzuverlässigkeit im Betrieb.

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung an einem Bei­ spiel näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen erfindungsgemäßen Läufer einer kryogenen elektrischen Maschine im Schnitt im Nutenteil und

Fig. 2 die Baugruppe A nach Fig. 1 im vergrößerten Maßstab.

Der Läufer einer kryogenen elektrischen Maschine ent­ hält einen Körper 1 (Fig. 1) mit einer daran befestigten supraleitenden Erregerwicklung, die aus einzelnen sattel­ förmigen Spulen 2 besteht. Jede Spule 2 ist in eine ent­ sprechende radiale Nut 3 des Körpers 1 eingelegt. Die ra­ dialen Nuten 3 kommen im Körper 1 abwechselnd mit Zähnen 4 vor. Von außen ist der Körper 1 durch ein ringförmiges Deckband 5 umschlossen. Die Spulen 2 sind in den Nuten 3 des Körpers 1 in Radialrichtung mit Hilfe von Keilen 6 festgehalten, die in die Nuten 3 zwischen dem Deckband 5 und den Spulen 2 eingesetzt sind.

Ausführlicher ist die Lage der Spulen 2 und der Keile 6 in den Nuten 3 in Fig. 2 gezeigt. Der Keil 6 ist in die axialen Einschnitte 7 eingesetzt, die in den Seitenwänden der Nut 3 ausgeführt sind. Zwischen dem Keil 6 und der Spule 2 ist eine Keileinlage 8, zwischen dem Boden der Nut 3 und Spule 3 - eine Nuteinlage 9 vorgesehen. Zum Fest­ halten der Spule 2 in tangentialer Richtung dienen seit­ liche keilförmige Einlagen 10, die zwischen der Spule 2 und den Seitenwänden der Nut 3 angeordnet sind. Die Einla­ gen 8, 9 und 10 sind aus einem Isolierstoff, z. B. aus Glashartgewebe hergestellt.

Erfindungsgemäß sind die Abmessungen jedes Keils 6 in Radialrichtung und dessen Lage in der Nut 3 derart ausge­ legt, daß zwei Bedingungen sichergestellt werden. Zum er­ sten ragt die dem ringförmigen Deckband 5 zugekehrte Außenfläche jedes Keils 6 in der radialen Richtung über die dem Deckband 5 zugekehrte Fläche jedes diesem Keil benachbarten Zahns 6 hinaus. Zum zweiten ist der Keil 6 in die axialen Einschnitte 7 einer Nut 3 mit einem Radial­ spiel 11 in bezug auf deren vom Deckband 5 mehr entfernte Innenflächen 12 eingesetzt.

Das ringförmige Deckband 5 ist mit einem radialen Übermaß auf die Außenflächen der Keile 6 unter Bildung eines Radialspiels 13 zwischen ihm und den Zähnen 4 des Körpers 1 aufgesetzt. Außerdem ist in der erfindungsgemä­ ßen Konstruktion des Läufers ein Radialspiel 14 zwischen einer Nuteinlage 9 und seitlichen keilförmigen Einlagen 11 zu erzielen. Dabei hat der Betrag jedes der erwähnten Spiele 11, 13 und 14 nicht kleiner als das Übermaß des ringförmigen Deckbandes 5 auf den Keilen 6 zu sein.

Das Übermaß des Deckbandes 5 wird seinerseits ausgehend vom Betrag der Differenzänderung der Radialabmessungen der Spule und 2 des Zahns 4 (bzw. der Nut 3) bei einer Läuferkühlung infolge der verschiedenen linearen Wärmeaus­ dehnungskoeffizienten des Werkstoffs des Körpers 1 und der supraleitenden Erregerwicklung gewählt. An Endbaschnitten des Läufers ist das Deckband 5 auf die (nicht eingezeich­ neten) Wickelköpfe der supraleitenden Erregerwicklung über die entsprechenden Isoliereinlagen aufgesetzt.

Jeder Keil 6 ist mit radialen Kühlkanälen 15 versehen, die über seine Länge in der axialen Richtung mit einer bestimmten Teilung verteilt sind. Diese Kanäle 15 werden über ähnliche radiale Kühlkanäle 16, die in der Spule 2 ausgeführt sind, mit Unternutkühlkanälen 17 im Körper ver­ bunden 1. Das Spiel 13 zwischen den Zähnen 4 und dem Deck­ band 5 kann auch als ein axialer Kanal zur Kühlmittelzu­ fuhr in die radialen Kühlkanäle 16 der Erregerwicklung über die Radialkanäle 15 der Keile 6 und die Tangentialka­ näle 18, die auf den Außenflächen der Keile 6 mit der gleichen Teilung über ihre Länge, wie auch die Radialkanä­ le 15 ausgeführt sind, verwendet werden. Dadurch entfällt die Notwendigkeit, ähnliche Axialkanäle in den Keilen 6 selbst auszuführen, d. h. diese zusätzlich zu bearbeiten.

Die Befestigung der Spulen 2 in den Nuten 3 des Kör­ pers 1 mit Hilfe von Keilen 6 erfolgt bei Raumtempe­ ratur. Danach wird auf die Außenflächen der Keile 6 mit einem gewählten radialen Übermaß das Deckband 5 aufgesetzt, dabei drücken die Keile 6 die Spulen 2 fest in die Nuten 3, wodurch eine zuverlässige Befestigung der Spulen 2 bei Raumtemperatur gewährleistet ist.

Beim Läuferabkühlen verkleinern sich die linea­ ren Abmessungen der Spulen 2 in bezug auf Abmessungen der Nuten 3, weil der lineare Wärmeausdehungskoeffizient des Kupfers jenen des Werkstoffes des Körpers 1, darunter des Titans bzw. des unmagnetischen Stahls, um ca. das Zweifache übersteigt. Im Laufe der Verkleinerung der linearen Ab­ messungen der Spulen 2 und der Lockerung der Keil­ befestigung preßt sich das Deckband 5 unter Wirkung einer radialen Verspannung zusammen, was dadurch ermöglicht wird, daß es auf die Keile 6 mit einem Spiel 13 in bezug auf die Zähne 4 aufgeschrumpft worden ist. Indem es sich zusammen­ preßt, verschiebt das Deckband 5 die Keile 6 in den Nuten 7 in radialer Richtung im Bereich der Spiele 11 soweit, bis die Keile 6 die Spulen 2 gegen den Boden der Nuten 3 drücken. Im Ergebnis davon werden die Spulen 2 in der Ra­ dialrichtung festgehalten. Gleichzeitig verschieben die Keile 6 in Radialrichtung die keilförmigen Einlagen 10 im Bereich der Spiele 14, wodurch eine Verkleinerung der Spulenbreite ausgeglichen wird und die Spulen in tangentialer Richtung festgehalten werden.

Eine Steigerung der Starrheit der Spulenbefestigung in den Körpernuten unter Bedingungen eines gekühlten Läu­ fers ermöglicht eine Vergrößerung des Stromsicherheitsfak­ tors einer supraleitenden Erregerwicklung, d. h. eine Steigerung der Läuferzuverlässigkeit. Andererseits gibt die erfindungsgemäße Läuferkonstruktion die Möglichkeit, unter Beibehaltung desselben Stromsicherheitsfaktors der Erregerwicklung die Leistung einer kryogenen elektrischen Maschine zu steigern.

Außerdem wird durch die erfindungsgemäße Konstruktion noch ein Vorteil erreicht, der darin besteht, daß man Prü­ fungen einer supraleitenden Erregerwicklung in einem sta­ tischen Kryostat unter Sicherstellung einer starren Spulen­ befestigung in Nuten durchführen kann. Diese Prüfungen sind für supraleitende Magnetsysteme elektrischer Maschinen mit einer großen Leistung erwünscht.

Claims (2)

1. Läufer einer kyrogenen elektrischen Maschine mit

   • - einem Körper (1), der durch Zähne (4) getrennte radiale Nuten (3) aufweist,
   • - sattelförmigen Spulen (2) einer supraleitenden Erreger­ wicklung, von denen jede in eine der erwähnten Nuten (3) eingelegt und von außen durch einen Keil (6) angedrückt ist, der in axiale Einschnitte (7) in den Seitenwänden einer Nut (3) eingesetzt ist und
   • - einem ringförmigen Deckband (5), das den Körper (1) umsch­ schließt,
2. dadurch gekennzeichnet, daß

   • - die Außenfläche jedes Keils (6), die dem ringförmigen Deckband (5) zugekehrt ist, in der Radialrichtung über die dem Deckband (5) zugekehrten Flächen der diesem Keil (6) be­ nachbarten Zähne (4) hinausragt;
   • - das ringförmige Deckband (5) auf die Außenfläche der Kei­ le (6) mit einem Übermaß unter Bildung eines Radialspiels (13) zwischen ihm und den Zähnen (4) aufgesetzt ist und
   • - zwischen einer der Läuferachse zugekehrten Fläche jedes Keils (6) und den gegenüber dieser Fläche befindlichen Fläche (12) der axialen Einschnitte (7) einer Nut (3), worin dieser Keil (6) eingesetzt ist, ein radiales Spiel (11) vorhanden ist,
   • - wobei der Betrag jedes der beiden genannten Radialspiele (11 und 13) nicht kleiner ist als das Übermaß des Deck­ bandes (5).