DE4133001C2 - Elektrische Maschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Bei einem herkömmlichen Generator (z. B. im wesentlichen gemäß US 49 14 328) ist eine aus einem Supraleiter gebildete Erregerwicklung in einem Rotor ent­ halten, dessen beide Endabschnitte in Lagern drehbar ge­ lagert sind. Ein Stator weist eine in einem vorbestimm­ ten Abstand vom Rotor angeordnete Ankerwicklung auf und ist in einem Statorrahmen montiert. Letzterer ist mit den Lagern verbunden und wird von einer Basis oder einem Sockel getragen. An der einen Seite des Rotors ist eine Kupplung zur Verbindung einer Antriebsvorrich­ tung mit einem Wellenendabschnitt des Rotors vorgese­ hen, während eine Erregerstromquelle zum Zuspeisen des Erregerstroms zu der Erregerwicklung und eine Kältemittel­ quelle zum Einspeisen von Kältemittel in den Rotor am anderen Wellenendabschnitt des Rotors angeordnet sind.

Der Rotor des supraleitenden Generators weist einen kompli­ zierten Aufbau und Teile auf, um die Supra­ leiter auf einer supraleitenden Temperatur zu halten. Bei­ spielsweise ist ein "kalter" oder Tieftemperatur-Rotor, wel­ cher die Feldwicklung enthält, gegenüber der Außenseite abgeschirmt, um die Supraleiter auf Supraleitungstemperatur zu halten, und so ausge­ bildet, daß er mittels eines Kältemittels kühl­ bar ist. Insbesondere sind ein Wärmeabschirmzylinder mit einer Hochglanz-Oberfläche und ein Magnetabschirmzylinder zum Abschirmen der Erregerwicklung gegen schädliche magnetische Felder vom Anker her konzentrisch am Außenumfang des kalten Rotors angeordnet; zwischen dem kalten Rotor, dem Wärmeabschirmzylinder und dem Magnetabschirmzylinder gebildete Räume sind jeweils zu Unterdruckräumen geformt, die auf einem Unterdruck gehalten werden. Dadurch wird eine Wärmeleitung vom Außenumfang zum kalten Rotor durch die Unterdruckräume verhindert, während Strahlungswärme durch die Hochglanzfläche des Wärmeabschirm­ zylinders abgeschirmt wird. An den Wellenenden des kalten Rotors sind ein Torsionsrohr eines dünnen, hohl­ zylindrischen Aufbaus und eine Strahlungsabschirmung mit Hochglanzfläche zum Verschließen der end­ seitigen Öffnung des Torsionsrohrs angeordnet, wobei ein zwischen der Wellenendabschnittseite des Rotors und der Strahlungsabschirmung gebildeter Raum sowie im Torsionsrohr gebildete Räume als auf einem Unterdruck gehaltene Unterdruckräume ausgelegt sind. Die Wärmeüber­ tragung in Axialrichtung des Rotors wird daher durch die Unterdruckräume verhindert, während Strahlungswärme durch die Hochglanzfläche der Strahlungsabschirmung abgeschirmt wird. Zudem können um den kalten Rotor herum befindliche Bauelemente mit Hilfe von Kältemittel zwangsweise gekühlt werden, wodurch die Kühlung des kalten Rotors verstärkt wird.

Andererseits wird Kältemittel, das in den Rotor eingespeist und aus ihm abgeführt wird, von einer zentralen Bohrung am bzw. im Wellenendabschnitt des Rotors an der von der Kupplung abgewandten Seite über ein Speiserohr in den Rotor geleitet. Da hierbei aufgrund der Rotations-Fliehkraft eine radial auswärts gerichtete Kraft auf das Kältemittel ausgeübt wird, strömt das in den kalten Rotor eingeleitete Kältemittel durch einen in diesem Rotor vorgesehenen Durchgang zum Kühlen der Erregerwicklung. Da sich das spezifische Gewicht des Kältemittels, wenn sich dessen Temperatur erhöht, verringert, wird das vom Speise­ rohr zugespeiste Kältemittel an der radialen Außenseite des Tieftemperaturraums im Rotor gesammelt, während das Kältemittel, das diesen Raum gekühlt hat und dessen Temperatur sich erhöht hat, am bzw. im zentralen Bereich gesammelt wird. Ein Teil des in seiner Temperatur erhöhten Kältemittels verdampft im zentralen Abschnitt. Das in letzterem gesammelte verdampfte Kältemittel kann durch die Ablaßbohrung über ein Ablaßrohr abgeführt werden.

Bei diesem supraleitenden Generator ist ein Absaugrohr zum Evakuieren der Unterdruckräume um das Speiserohr und das Ablaßrohr im kalten Rotor kauf einen Unterdruck­ zustand vorgesehen, um eine Wärmeabschirmung zwi­ schen zugespeistem und abgeführtem Kältemittel sowie dem Rotor vorzusehen. Bei dieser bisherigen Anordnung kommuni­ zieren die Unterdruckräume mit einer Unterdruckpumpen- oder -absaugbohrung in dem von der Kupplung abgewandten Wellen­ endabschnitt, um diese von einem entsprechenden festen Abschnitt her zu evakuieren.

Bezüglich des Rotor-Wellenendabschnitts der Kältemittel- Zuspeise/Abführanordnung und des entsprechenden festen Abschnitts ist eine Kältemittelspeisevorrichtung des festen Abschnitts durch mehrere Flanschelemente unterteilt, die axial in mehreren vom Außenumfang des Rotors beabstandeten Positionen angeordnet sind, wobei in einem Spalt zwischen den Flanschelementen und einer Rotor­ welle eine Dichteinrichtung vorgesehen ist. Demzufolge können die zentrale Bohrung, die Ablaßbohrung und die Unter­ druckpumpenbohrung der Rotorwelle unabhängig mit den gegen­ überliegenden Räumen in der Kältemittelspeisevorrichtung als den festen Abschnitten kommunizieren. In die Kältemit­ telspeisevorrichtung können ein Übertragungs- oder Förder­ rohr, das mit einer Kältemittel-Speise/Rückführvorrichtung kommuniziert, und ein Unterdruckpumpenrohr, das mit einer Unterdruckpumpvorrichtung kommuniziert, eingebaut sein und unabhängig jeweils mit der zentralen Bohrung, der Ablaßbohrung und der Unterdruckpumpenbohrung des Rotors kommunizieren.

Am Innenumfang des Flanschabschnitts sind ein Magnet und zwei Polstücke aus einem magnetischen Material angeordnet, wobei magnetische Teile mit flanschförmigen Stufen am Außen­ umfang des gegenüberliegenden Rotor-Wellenendabschnitts angeordnet sind. Zwischen die Stufe und die auf beschrie­ bene Weise angeordneten Polstücke ist ein magnetisches Fluidum eingefüllt, das den Raum zwischen der Stufe und den Polstücken vollständig ausfüllt, um eine abgedichtete Wand zu bilden, ohne die Drehung des Rotors zu behindern oder die Umgebungsatmosphäre zu verunreinigen.

Bei dem beschriebenen supraleitenden Generator ergeben sich jedoch die nachstehend geschilderten Probleme.

• 1. Da der kalte Rotor mechanisch mit den Bauelementen des außenseitigen Rotors verbunden ist, erfolgt eine Wärme­ einleitung in den kalten Rotor von außen her.
• 2. Wärme wird von außen her über Stromzuleitungen zum Zu­ speisen des Erregerstroms zur Erregerwicklung durch Wärmelei­ tung zum kalten Rotor eingeführt.
• 3. Da ein Abschnitt der Stromzuleitungen im allgemeinen aus einem normalleitenden Leiter besteht, wird der kal­ te Rotor durch Joulesche Wärme erwärmt, die durch den Erregerstrom erzeugt wird.
• 4. Es ist dabei nötig, im Betrieb ständig Kältemittel zuzu­ führen, um einen Temperaturanstieg des kalten Rotors zu unterdrücken und den die Erregerwicklung bildenden Supra­ leiter auf der Supraleitungstemperatur zu halten; dem­ zufolge muß die Kältemittelspeisevorrichtung eine große Kapazität aufweisen.
• 5. Bei der Zuspeisung des Kältemittels zum Tieftemperatur­ raum des kalten Rotors über das Speiserohr entsteht Kältemittelströmungsverlust; das Speiserohr selbst stellt eine Wärmeübertragungsstrecke für die Einführung von externer Wärme zum Rotor dar.
• 6. Da ein Wellenendabschnitt des Rotors für die beschriebene Zuspeisung des Kältemittels belegt ist, ist es schwierig, andere Bauteile an diesem Wellenendabschnitt zu montieren. Da es auch schwierig ist, die Abdichtleistung aufrechtzuerhalten, weil die genannte Dichteinrichtung einen größeren Durchmes­ ser besitzt und daher höhere Umfangsgeschwindigkeit auf­ weist, ist eine mit hohem Drehmoment arbei­ tende Welle unmittelbar nur schwer anzuschließen.

Im einzelnen ist aus der DE-OS 21 07 535 eine elektri­ sche Maschine mit supraleitender Wicklung bekannt, bei der im Innern eines Rotors ein erster Durchlaß von einer Kühlmittelquelle zu einem Kühlmittelkanal und ein zweiter Durchlaß zu weiteren Kühlmittelkanälen vorgese­ hen sind. Mit anderen Worten, im Rotor ist bei dieser bekannten elektrischen Maschine eine Kälteapparatein­ heit als Kältemittelquelle vorgesehen. Dabei wird das Kältemittel in axialer Richtung über die auf der Welle vorgesehenen Kältemittelkanäle von einer externen Vor­ richtung zugespeist. Diese elektrische Maschine besitzt also die Merkmale im Oberbegriff des Anspruches 1.

Weiterhin ist aus CH-Z. "Technische Rundschau", Nr. 48, Seite 27, 28, 1980, eine dauermagnetische Synchronkupp­ lung zum Übertragen von Kräften und Drehmomenten be­ kannt. Dabei werden Einzelheiten von sogenannten Zen­ tralkupplungen und Stirnkupplungen erläutert.

In der US 4 352 033 ist eine berührungsfreie supralei­ tende Synchron-Elektromaschine beschrieben. Diese Ma­ schine umfaßt einen an einer Welle festgelegten Rotor, der eine supraleitende Feldwicklung aufweist. Die Feld­ wicklung ist innerhalb eines Kryostaten vorgesehen. Ein ringförmiger Stator liegt konzentrisch zu einem Rotor, und eine Einheit zum Erregen der supraleiten­ den Erregerwicklung ist mit einem Induktor und einer supra­ leitenden Ankerwicklung versehen. Die Ankerwicklung liegt in dem Kryostaten und ist an der Welle festgelegt sowie elektrisch mit der supraleitenden Erregerwicklung verbunden.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine elektri­ sche Maschine zu schaffen, bei welcher die in den kal­ ten Rotor eingeführte bzw. zu ihm übertragene Wärmemen­ ge verringert ist, indem die Wärmeübertragung von den Wellenendabschnitten her möglichst weitgehend verhin­ dert wird.

Diese Aufgabe wird bei einer elektrischen Maschine nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 erfindungsgemäß durch die in dessen kennzeichnendem Teil enthaltenen Merkmale gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung ermöglicht die Schaffung einer elektri­ schen Maschine, bei welcher elektrischer Strom einem Rotor zuspeisbar und der Rotor anschlußfrei und berüh­ rungsfrei gelagert ist, so daß die Einführung von Wärme in den Rotor verhindert wird.

Die elektrische Maschine hat einen eine supraleitende Wicklung enthaltenden supraleitenden Rotor, einen in einem Raum in einem vorbestimmten Abstand am supralei­ tenden Rotor angeordneten Stator, der eine in einem Sta­ torrahmen montierte Wicklung aufweist, eine Kammer einer Kryostatstruktur zum Aufnehmen des supraleitenden Rotors und einen am Rotor montierten Kälteapparat für Kältemittel zum Kühlen der supraleitenden Wicklung. Ein photoelektrischer Wandler und ein Photokoppler sind im supraleitenden Rotor angeordnet und ein Abschnitt von Stromzuleitungen im Rotor oder zumindest ein Abschnitt von Stromzuleitungen zwischen dem Wandler und dem Rotor ist aus einem Supraleiter geformt. Eine Vakuum- oder Unterdruckkammer ist zwischen dem supraleitenden Rotor und dem Stator vorgesehen, und zumindest ein Abschnitt des Außenumfangs des Rotors ist unter einem Unterdruck gehalten. Der Kälteapparat, ein Kältemittel-Speiserohr zum Zuspeisen von Kältemittel vom Kälteapparat zur Wick­ lung im Rotor und ein Kältemittel-Rückführrohr zum Rück­ führen des Kältemittels zum Kälteapparat sind im Kryo­ staten vorgesehen.

Bei der elektrischen Maschine mit dem oben umrissenen Aufbau ist also zumindest ein Abschnitt zwischen einen Kryostaten bildenden Elementen in einem supraleitenden Rotor über eine magnetische Trag- oder Lagervorrichtung verbunden, so daß eine mechanische Verbindung zwischen den Elementen entfällt. Da demzufolge keine externe Wär­ me von außen her durch Wärmeleitung in den kalten Rotor eingeführt wird, wird die zu dem kalten Rotor übertra­ gene Wärmemenge herabgesetzt, wodurch eine Erwärmung des Kältemittels verringert wird.

Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsformen der Er­ findung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zei­ gen:

Fig. 1A eine Schnittansicht einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine,

Fig. 1B eine Schnittansicht einer anderen erfindungsgemäßen elektrischen Maschine,

Fig. 2 einen Längsschnitt durch einen Rotor bei der Maschine nach Fig. 1,

Fig. 3A und 3B schematische Darstellungen zur Verdeutlichung des Prinzips einer Magnetkupplung,

Fig. 4 eine Darstellung einer Magnetkupplung gemäß einem Ausführungsbeispiel,

Fig. 5 eine Darstellung einer Magnetkupplung gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel,

Fig. 6 ein Blockschaltbild einer Magnetkupplung gemäß Fig. 5,

Fig. 7 eine Darstellung einer Magnetkupplung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel,

Fig. 8 eine schematische perspektivische Darstellung der Magnetkupplung,

Fig. 9 eine Schnittansicht einer Axialkupplung,

Fig. 10 eine Schnittansicht einer senkrecht zu einer Achse liegenden Kupplung,

Fig. 11 eine Schnittansicht einer anderen, senkrecht zu einer Achse liegenden Kupplung,

Fig. 12 eine Teilschnittansicht einer Magnetkupplung zum Festlegen von Stellungen in Axialrichtung, in einer Richtung senkrecht zur Achse und in einer Drehrichtung und

Fig. 13 eine Schnittansicht eines Rotors einer elektrischen Maschine gemäß einer weiteren Ausführungsform.

Fig. 1A veranschaulicht eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine, während Fig. 2 den Innenaufbau eines supraleitenden Rotors zur Verwendung bei dieser elektrischen Maschine veranschaulicht.

Gemäß Fig. 1A ist eine Feldwicklung aus einem Supraleiter in einem Rotor 1 enthalten, wobei die beiden Endabschnitte einer Welle des Rotors 1 in Lagern 5 gelagert sind. Ein Stator 2 weist eine Ankerwick­ lung 2a auf, die in einem Raum in einem vorbestimmten Ab­ stand vom Rotor 1 angeordnet ist. Der Stator 2 ist in einen Statorrahmen 4 eingebaut, der mit den Lagern 5 verbunden ist und von einem Sockel 3 getragen wird.

Eine Kupplung 6 für den Anschluß einer Antriebsvorrichtung am einen Endabschnitt der Welle des Rotors 1 ist an deren einem Ende vorgesehen, während am anderen, von der Kupp­ lung 6 abgewandten Endabschnitt der Welle eine Erregerstrom­ quelle 7 zum Zuspeisen des Stroms zur Erregerwicklung angeordnet ist.

Eine zylindrische Kammer 41 ist so angeordnet, daß sie den Rotor 1 zwischen diesem und dem Stator 2 umschließt. Axial zur Welle bzw. Drehachse von beiden End­ abschnitten der Kammer 41 abgehende Kammeranbauteile sind mit im Bereich der Lager 5 vorgesehenen Wellen-Dichteinrich­ tungen 42 verbunden, um zwischen der Kammer 41 und dem Rotor 1 einen Raum 44 zu bilden, der unter einem Unterdruck bzw. Vakuum haltbar ist. Dabei wird die Wellen-Dichteinrich­ tung 42 auf einem Differenz- bzw. Wirkdruck zwischen dem Inneren des Raums 44, in welchem der Rotor 1 angeordnet ist, und der Außenseite der Kammer 41 gehalten.

Wenn die Kammer 41 mit einer Wärmeabschirmstruktur ausge­ bildet ist, kann von der Außenseite in die Kammer 41 ein­ dringende Strahlungswärme weiter unterdrückt werden. Als konkrete Wärmeabschirmstruktur der Kammer 41 kann eine Struktur angesehen werden, bei welcher eine Kammer 41a ge­ mäß Fig. 1B mehrlagig aus zwei oder mehr Schich­ ten gebildet ist und Zwischenräume zwischen den mehreren Schichten evakuiert oder gekühlt werden. Jede der mehreren Schichten besitzt eine Hochglanzoberfläche zur Verhinderung des Eindringens von Strahlungswärme in die Kammer 41a.

Bei dieser Ausführungsform ist im Rotor 1 ein noch zu be­ schreibender, kleine Abmessungen besitzender Kälteapparat vorgesehen, so daß auf eine Vorrichtung zum Zuspeisen von Kältemittel zum Rotor im Betrieb verzichtet werden kann. Infolgedessen können andere Bauteile an beiden Wellenend­ abschnitten des Rotors angebracht werden. Bei der darge­ stellten Ausführungsform ist eine Kupplung 43 für den un­ mittelbaren Anschluß einer anderen umlaufenden Welle vor­ gesehen.

Der Rotor 1 besitzt den in Fig. 2 gezeigten Aufbau. An beiden axialen Seiten bzw. Enden des Rotors 1 vorgesehene Anschlußwellen oder Wellenstummel 45 und 46 sind über Magnetkupplungen 47a bzw. 47b mit dem "kalten" bzw. Tieftemperatur-Rotor 10 verbun­ den. Ein Wärmeabschirmzylinder 11 mit einer Hochglanzober­ fläche und ein Magnetabschirmzylinder 12 zum Abschirmen der Feldwicklung 2a gegen schädliche magnetische Felder vom Anker sind koaxial am Außenumfang des kalten Rotors 10 angeordnet. An den Seiten der beiden axialen Enden sind zudem hochglanzpolierte axiale Wärmeabschirmelemente 48a und 48b vorgesehen. Durch diese Bauteile gebildete Räume 13a, 14, 49b, 49c und 49c werden unter einem Unterdruck gehalten.

Als Einrichtung zum Zuspeisen des Stroms zu einer im kalten Rotor 10 enthaltenen Erregerwicklung 9 sind Anschlüsse der letzteren über Stromzuleitungen 50a und 50b mit photoelektrischen Wandlern 51a und 51b verbunden, die an den axialen Wärmeabschirmelementen 48b an der einen Seite des kalten Rotors 10 montiert sind, während Photokoppler 52a und 52b an entsprechenden Stellen der Anschlußwelle 46 ange­ bracht sind. Die Photokoppler 52a und 52b sind jeweils über Lichtleiterkabel 53a bzw. 53b mit am Außen­ umfangsteil der Welle angebrachten Photokopplern 54a bzw. 54b verbunden. Der Erregerstrom wird somit der Erregerwicklung 9 durch optische Übertragung zugespeist. Im vorliegenden Fall wird er von der feststehenden Seite zur Rotationsseite über nicht dargestellte optische Sende- und Empfangsvorrichtungen zugespeist. Die Stromleitungen 50a, 50b bestehen aus Supraleitern und werden im kalten Ro­ tor 10 auf eine Supraleitungstemperatur gekühlt.

Bei der beschriebenen Stromzuspeiseanordnung wird eine Wärme­ übertragung von den Stromleitungen 50a, 50b zu den Licht­ leiterkabeln 53a, 53b durch den Unterdruckraum 49c sowie die Photokoppler 52a, 52b und 54a, 54b verhindert.

Ferner ist ein Kältemittelumwälzsystem vor­ gesehen, bei dem ein Kälteapparat 55 kleiner Abmessungen an der Welle 45 im Raum 49a des kalten Rotors 10 montiert ist; dem kalten Rotor 10 zum Kühlen des Inneren desselben zugespeistes und darin erwärmtes Kältemittel wird über ein Rücklaufrohr 56 dem Kälteapparat 55 zuge­ führt, und das durch letzteren abgekühlte Kältemittel wird dem kalten Rotor 10 zum Kühlen vorbestimmter Abschnitte über nicht dargestellte Durchgänge oder Leitungen über ein Speiserohr 57 erneut zugespeist und dann über das Rücklaufrohr 56 wieder in den Kälteapparat 55 eingeführt. Bei diesem Kältemittelumwälzsystem ist ein Kältemittelrohr 58 trennbar mit einer nicht dar­ gestellten Kältemittelquelle über eine Beschickungs­ öffnung 60 zum Einfüllen von Kältemittel in den kalten Rotor 10 in einer Anfangsphase vor Inbetrieb­ nahme der elektrischen Maschine verbunden. Das Kälte­ mittelspeiserohr 58 ist über die Anschlußwelle 46 zum Tief­ temperaturraum 10a im kalten Rotor 10 geführt, wobei ein Rückschlagventil 59 vorge­ sehen ist, um einen Rückfluß von Kältemittel aus dem Tief­ temperaturraum 10a über das Kältemittelspeiserohr 58 zu verhindern. Dabei ist der in der Nähe des kalten Rotors 10 befindliche Abschnitt des Kältemittelspeiserohrs 58 aus einem Wärmeisoliermaterial geformt, so daß damit die Übertragung von Wärme von außen her über das Kältemittel­ speiserohr 58 in den kalten Rotor 10 verhindert wird. Die vom Kälteapparat 55 erzeugte Wärme wird über die Welle 45 abgeführt.

Im folgenden sind Ausführungsbeispiele der erwähnten Magnet­ kupplungen 47a und 47b erläutert.

Fig. 3A veranschaulicht das Grundprinzip einer Magnetkupplung. Gemäß Fig. 3A weisen zu lagern­ de oder zu tragende Elemente 61 (d. h. die Anschlußwellen oder Wellenstummel 45 und 46) zumindest teilweise oder stellenweise magnetische Materialien 62 auf, während ein lagerndes oder tragendes Element 63 (d. h. der kalte Rotor 10) Magnete 64 an den magnetischen Materia­ lien 62 entsprechenden Stellen aufweist.

Wenn sich die magnetischen Materialien 62 und die Magnete 64 jeweils an vorbestimmten Stellen der zu tragenden Ele­ mente 61 und des tragenden Elements 63 befinden, werden die zu tragenden Elemente 61 stark an die eine große Magnet­ kraft besitzenden Magnete 64 angezogen. Demzufolge können die zu tragenden Elemente 61 durch Änderung der Magnetkräf­ te der mehreren, an vorbestimmten Stellen des tragenden Ele­ ments 63 befestigten Magnete 64 in beliebigen Stellungen festgelegt werden.

Die beschriebene Magnetkupplung stützt sich auf die Anzie­ hungskraft des Magneten, doch kann sie auch die Abstoßungs­ kraft des Magneten nutzen. In diesem Fall ist ein diamagnetisches Material 62a anstelle der magnetischen Materialien in der gleichen Position des zu lagernden Ele­ ments 61 angeordnet. Als diamagnetisches Material wird z. B. ein supraleitendes Material verwendet; der entsprechen­ de Diamagnetismus ist als "Meißner-Effekt" bekannt. In einem anderen Ausführungsbeispiel sind gemäß Fig. 4 Magnete 64 und 65 gleicher Polarität einander gegenüberstehend am tragen­ den Element 63 und am zu tragenden Element 61 angeordnet.

Bei allen Anordnungen ist das Arbeitsprinzip zum Festlegen des zu lagernden Elements 61 in der beliebigen Stellung praktisch das gleiche, wie es in Fig. 3A darge­ stellt ist, obgleich die Richtungen der Magnetkräfte ent­ gegengesetzt sind. Da jedoch im Fall der Nutzung der Ab­ stoßungskraft dieser Magnete die Abstoßungskraft mit klei­ nerem Abstand zwischen dem tragenden Element 63 und dem zu tragenden Element 61 stärker wird, ist es vorteilhaft, die Festlegung der Stellungen zu steuern.

Da das tragende Element und das zu tragende Element bei allen oben beschriebenen Anordnungen berührungsfrei in den betreffenden Relativstellungen fest­ legbar sind, sind diese Anordnungen als Magnetkupplung brauchbar. Bei der beschriebenen Aus­ führungsform wird als verwendete Magnetkupplung repräsen­ tativ die Anordnung gemäß Fig. 3A eingesetzt, und diese ist im folgenden beschrieben.

Fig. 5 zeigt ein Beispiel für den Fall, daß die Stellung oder Position des zu tragenden Elements 61 festgelegt ist.

Der Magnet 64 ist dabei ein Elektromagnet. Diesem wird über Stromleitungen 66a, 66b ein Strom zugeführt, um in ihm eine Magnetkraft zu erzeugen. Die Position des zu tragenden Elements 61 wird durch einen Stellungssensor 67 erfaßt, des­ sen Detektions- oder Meßsignal über Meßleitungen 68a, 68b ausgegeben wird.

Ein Beispiel eines Stellungsbestimmungs­ reglers ist nachstehend anhand des Schaltbilds von Fig. 6 be­ schrieben.

Gemäß Fig. 6 werden Detektions- oder Meßsignale vorbestimm­ ter Stellungssensoren 67a und 67b einer Fehlersignalopera­ tionsschaltung 70 eingegeben und zu Fehlersignalen 72 verarbeitet, die einem Signalprozessor 73 eingegeben werden. In letzterem werden die Fehlersignale 72 mit einem Bezugssignal verglichen. Ein Ausgangssignal, d. h. ein Vergleichssignal vom Signalprozessor 73, wird durch eine Übertragungsfunktionsoperationsschaltung 74 verarbeitet und in Form von Ausgangssignalen 74a und 74b Leistungsverstärkern 75a bzw. 75b eingespeist. Entsprechend den Ausgangssignalen 74a und 74b werden Erregungssignale durch die Leistungsverstärker 75a bzw. 75b verstärkt und als Erregungsströme 76 den Elektromagneten 64a und 64b zu­ gespeist. Damit wird die Stellung des tragenden Ele­ ments 61 gesteuert.

Fig. 7 zeigt eine Stellungsbestimmungsvorrichtung für das zu tragende Element 61 gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel. Diese Vorrichtung enthält eine Anzahl von an mehreren Stellen zwischen das zu tra­ gende Element 61 und ein tragendes Ele­ ment 63 eingefügte Abstandshalter 69, die eine vorbestimmte Steifheit besitzen, um die Lagen der beiden Elemente 61 und 63 mechanisch zu begrenzen. Da bei dieser Anordnung ein mechanischer Berührungsab­ schnitt besteht, ist eine Wärmeübertragungsstrecke zwi­ schen dem zu tragenden Element 61 und dem tragenden Ele­ ment 63 gebildet. Da die Funktion der Abstandshalter 69 bei der diese verwendenden Magnetkupplung lediglich darin besteht, die magnetische Kupplung zu unterstützen oder zu ergänzen, kann das die Abstandshalter 69 aufweisende Festlegungselement so ausgelegt werden, daß der Wärmeüber­ gangswiderstand erhöht und die Wärmeübertragungsmenge deshalb ver­ ringert sind. Diese Stellungsbestimmungsvorrichtung eignet sich aus dem oben angegebenen Grund vorteilhaft zur Ver­ wendung bei der insbesondere die Abstoßungskraft der Magnete nutzenden Magnetkupplung.

Das oben umrissene Arbeitsprinzip ist anhand eines Beispiels beschrieben, bei dem die Erfindung auf die Magnetkupplungen 47a und 47b der dargestellten Ausführungsform angewandt ist.

Bei der Anordnung nach Fig. 2 ist es nötig, den kalten Rotor 10 mit den an seinen beiden Endseiten angeordneten Anschlußwellen 45 und 46 mit ausreichender Festigkeit gegen die in drei Richtungen wirkenden Kräfte, d. h. die Axialkraft, die senkrecht dazu wirkende radiale Kraft und die Rotationskraft, zu verbinden. Die Magnet­ kupplungen 47a und 47b sind daher so angeord­ net, daß sie die Kräfte in diesen drei Richtungen aufzunehmen vermögen.

Beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 8 sind axiale Magnet­ kupplungen 81a und 81b′ senkrechte Magnet­ kupplungen 82a und 82b sowie Rotations-Magnetkupplungen 83a und 83b jeweils an den beiden axialen Enden des Tief­ temperatur-Rotors 10 und den dessen beiden Enden gegenüber­ stehenden Enden der Anschlußwellen 45 und 46 angeordnet. Als senkrechte Magnetkupplungen 82a und 82b wer­ den Magnetkupplungen der Ausführungsbeispiele nach den Fig. 10 und 11 (letztere im Schnitt längs der Linie A-A in Fig. 10) verwendet; als Rotations-Magnetkupplungen 83a und 83b werden die Magnetkupplungen nach Fig. 12 verwen­ det. Alle diese Magnetkupplungen sind vorher bereits be­ schrieben worden.

Bei der beschriebenen Ausführungsform sind die Elektromagnete an der Seite des kalten Rotors 10 mon­ tiert, und die Wicklungen zur Bildung der Elektromagnete bestehen aus Supraleitern. Zum Kühlen der Supraleiter auf eine Supraleitungstemperatur wird ein Teil des Kältemit­ tels des kalten Rotors den supraleitenden Wicklungen über eine nicht dargestellte Kältemittelspeisestrecke zugespeist. Wenn andererseits der Meißner-Effekt des beschriebenen supraleitenden Materials genutzt wird, werden Magnete an den Anschlußwellen 45 und 46 und supraleitende Materialien am kalten Rotor 10 montiert, um damit auf ähnliche Weise das supraleitende Material auf der Supraleitungstemperatur zu halten.

Bei den beschriebenen Ausführungsbeispielen ist der kalte Rotor 10 mit den Anschlußwellen 45 und 46 an seinen beiden axialen Enden durch die Magnetkupplungen 47a und 47b über einen vorbestimmten Unterdruckspalt verbunden. Damit wird die Wärmeleitung zum kalten Rotor 10 über den Verbindungsabschnitt verhindert und somit eine Erwärmung dieses Rotors 10 unterdrückt. Da die Stromleitungen 50a und 50b im kalten Rotor 10 aus Supraleitern bestehen, kön­ nen die Erzeugung von Joulescher Wärme verhindert und ein Temperaturanstieg dieses Rotors 10 vermieden werden. Da zudem den Stromleitungen 50a und 50b Strom abhängig von Lichtübertragung vom äußeren Abschnitt von den Photokopplern 52a, 52b und 54a, 54b zugeführt wird, können die Wärmeübertragung von außen her und eine Erwär­ mung des kalten Rotors 10 unterdrückt werden.

Gleichzeitig rotiert der größte Teil des Rotors im Vakuum, so daß eine Erwärmung der Rotoroberfläche aufgrund des Luftwiderstands entfällt und die Erwär­ mung des kalten Rotors weiter unterdrückt wird. Da hier­ bei die nötige, dem Rotor im Betrieb zuzuliefernde Kälte­ mittelmenge herabgesetzt ist, können Kapazität und Größe der Kältemittelspeisevorrichtung verkleinert sein, so daß ein wirtschaftlicher Betrieb gewährleistet wird. Weiterhin ist der Kälteapparat 55 im Rotor angeordnet, so daß die Käl­ temittelspeisevorrichtung zum Zuspeisen des Kältemittels zum Rotor im Betrieb entfällt. Demzufolge ist auch ein An­ wendungsfall möglich, bei dem der Rotor an beiden Wellen­ enden angetrieben wird.

Fig. 13 zeigt noch eine andere Ausführungsform der Erfin­ dung. Bei ihr sind Feld­ wicklungen 9 beider Pole durch supraleitende Leiter 91 über einen Permanentstromschalter 90 verbunden, der durch ein optisches Signal betätigbar ist. Zwischen diesem Schal­ ter 90 und dem Außenumfang der einen Anschlußwelle 46 ist ein Lichtleiterkabel 92 angeordnet, wobei ein Ansteuersignal von einer extern angeordneten Steuereinheit 94 als opti­ sches Signal dem Permanentstromschalter 90 über das Licht­ leiterkabel 92 und einen Photokoppler 93 zugespeist wird. Dabei wird das optische Signal für den Schalter 90 diesem zusammen mit dem optischen Signal zum Steuern des Stroms der Erregerwicklung 9 über einen Photokoppler 95 von der exter­ nen Steuereinheit 94 zugespeist.

Wenn der beschriebene supraleitende Generator mit konstan­ tem Erregungsstrom betrieben wird, wird der Permanentstrom­ schalter 90 bei Zuspeisung von Strom einer vorbestimmten Stromgröße zur Erregerwicklung 9 zum Abschalten des Speisestroms betätigt, so daß ein wirtschaftlicher Betrieb ohne Notwendigkeit für - externe Stromzuspeisung realisiert wird.

Obgleich sich die beschriebenen Ausführungsformen repräsen­ tativ auf einen supraleitenden Generator beziehen, ist die Erfindung auch auf supraleitende Dreh- oder Rotationsmaschi­ nen im allgemeinen anwendbar, wobei die einzelnen Bauelemen­ te verschiedenartig kombiniert werden können.

Claims (9)

1 Elektrische Maschine, umfassend:
einen Rotor (1), der in einer Kryostatstruktur ausgebildet ist und eine durch ein Kältemittel zu kühlende supraleitende Wicklung (9) aufweist,
eine Erregerstromquelle (7) zum Zuspeisen des Er­ regerstroms zur supraleitenden Wicklung (9),
einen in einem vorbestimmten Abstand vom Rotor (1) angeordneten Stator (2) mit einer Ankerwicklung (2a),
eine im Rotor (1) untergebrachte Kälteapparatein­ heit (55) zum Kühlen des darin eingeführten und durch Kühlung der supraleitenden Wicklung erwärmten Kältemittels und
eine Kältemittel-Zufuhreinrichtung (58, 60) zum Zuführen des Kältemittels zum Rotor (1) in einer Anfangsstufe vor dem Betreiben der Maschine, dadurch gekennzeichnet, daß eine Magnetkupplungseinrichtung (62, 64) an ersten und zweiten Wellenendabschnitten (63) und den diesen entsprechenden Enden (61) des Rotors (10) vorgesehen ist und Elektromagneten (64) mit einer durch das Kältemittel gekühlten supraleiten­ den Leiterwicklung zum Kuppeln des Rotors mit den Wellenendabschnitten in berührungsfreiem Zustand mittels Magnetkraft aufweist und daß der Erreger­ strom von der Erregerstromquelle (7) zur supralei­ tenden Wicklung durch photoelektrische Umsetzung übertragen wird.

2. Elektrische Maschine nach Anspruch l, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Rotor (1) sich in einem Wärme­ abschirmgefäß (11) befindet.

3. Elektrische Maschine nach Anspruch 1 oder 2, da­ durch gekennzeichnet, daß die Kältemittel-Zufuhrein­ richtung (58, 60) eine Beschickungsöffnung (60) zum Aufnehmen eines von einem Kältemittel-Vorrat gelie­ ferten Kältemittels in der Anfangsstufe vor dem Be­ treiben der Maschine, ein Speiserohr (58) zum Lei­ ten des Kältemittels zum Rotor (10) und ein Kälte­ mittelumwälzsystem aufweist.

4. Elektrische Maschine nach Anspruch 1 oder 2, da­ durch gekennzeichnet, daß Stellungssensoren (67; 67a, 67b) zum Erfassen der Stellung des Rotors und zum Ausgeben eines Meßsignals und eine Einrichtung (75a, 75b) zum Zuspeisen des Erregerstroms in Abhän­ gigkeit vom Meßsignal vorhanden sind.

5. Elektrische Maschine nach Anspruch 1 oder 2, da­ durch gekennzeichnet, daß die Magnetkupplungsein­ richtung eine erste Magnetkupplungseinheit (81a, 81b) zum axialen Kuppeln des Rotors mit der Wellen­ einheit, eine zweite Magnetkupplungseinheit (82a, 82b) zum Kuppeln des Rotors senkrecht zu einer Ach­ se der Welleneinheit und eine dritte Magnetkupp­ lungseinheit (83a, 83b) zum Kuppeln des Rotors mit der Welleneinheit in Rotationsrichtung umfaßt.

6. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektro­ magnete (64) der Magnetkupplungseinrichtung (62, 64) mit einer durch das Kältemittel gekühlten supra­ leitenden Leiterwicklung versehen sind.

7. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur photo­ elektrischen Umsetzung eine Photokopplereinrichtung (51a, 51b, 52a, 52b) zwischen dem einen der ersten und zweiten Wellenendabschnitte und dem Rotor vor­ gesehen ist, die den Erregerstrom und einen Ansteu­ erstrom zur Kälteapparateinheit überträgt.

8. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor einen Schalter (90) aufweist, der geöffnet wird, wenn der von der Erregerstromquelle der supralei­ tenden Wicklung zugespeiste Erregerstrom eine vor­ bestimmte Größe erreicht.

9. Elektrische Maschine nach Anspruch 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Wärmeabschirmgefäß (11) einen mehrlagigen Aufbau aufweist.