DE68914512T2 - Wicklung, Ständer und Pumpe. - Google Patents

Description

• Die Regierung der Vereinigten Staaten hat Rechte an dieser Erfindung gemäß dem Kontrakt Nr. DE-AC03-85NE37937, der von dem US Department of Energy zuerkannt wurde.
• Die Erfindung bezieht sich auf eine Wicklung zur Verwendung in z. B. einem Linearstator, und auf einen derartigen Linearstator und eine Pumpe, beispielsweise eine untertauchbare Flüssignatriumpumpe, die einen deratigen Stator enthält.
• Im folgenden wird auf Flüssignatriumpumpen als Beispiel und der Zweckmäßigkeit halber Bezug genommen. Flüssignatriumpumpen sind bekannt. Typisch sind diese Pumpen nicht tauchbar und in den sogenannten "kalten Schenkeln" von Natrium-gekühlten Kernreaktoren angeordnet. Die Pumpen können am besten dadurch verstanden werden, daß zunächst auf ihre physikalische Konfiguration und dann auf ihre Betriebscharakteristiken und schließlich auf das Problem der Isolierung der Wicklungen derartiger Pumpen in der Hochtemperaturumgebung von einer tauchbaren Natriumpumpe Bezug genommen wird.
• Anschließend wird kurz Bezug genommen auf Motoren, um den Unterschied zwischen Rotor und Stator von einem Motor mit dem gepumpten Natrium und dem Stator gemäß der Erfindung hervorzuheben.
• Die physikalische Konfiguration von derartigen Flüssignatriumpumpen kann leicht verstanden werden. Typisch ist ein zylindrischer Stator vorgesehen. Dieser zylindrische Stator hat einen konzentrischen zylindrischen Kanal. Dieser Kanal bildet eine zylindrische Öffnung in dem Stator.
• Der Kanal ist von Spulen und Blechen umgeben für eine entsprechende Erzeugung sich schnell ändernder Magnetfelder und zum Leiten dieser sich schnell ändernden Magnetfelder entlang der Länge des Kerns. Die Spulen sind diskret entlang der Länge der Pumpe ausgerichtet. Sie sind in dem Stator und um den zylindrischen Mittelkanal herum angeordnet.
• Die leitenden Bleche des Magnetkerns erstrecken sich zwischen den Spulen, um so die Spulen sandwichartig dazwischen zu halten. Diese leitenden Bleche des Magnetkerns erstrecken sich wie die Spulen um den Mittelkanal herum. Die leitenden Bleche des Magnetkerns mit den dazwischen sandwichartig angeordneten Spulen erstrecken sich über die gesamte Länge des Stators um den Mittelkanal herum.
• Ein zentraler, ein Magnetfeld leitender Kern ist konzentrisch zu dem Kanal. Dieser Kern ist kleiner als die zylindrische Abmessung des Kerns. Er bildet deshalb mit dem Kanal ein zylindrische Pumpzwischenvolumen.
• Unter der Annahme, daß die Pumpe vertikal ausgerichtet ist und Natrium vom Boden der Pumpe zum Oberteil der Pumpe pumpt, hat die Pumpe einen unteren Einlaß und einen oberen Auslaß.
• Der Fall von einem toroidförmigen Magnetfeld innerhalb des Kerns kann leicht verstanden werden. Typisch ist die eine vertikale Seite des toroidförmigen Feldes in dem Stator. Die andere und innere vertikale Seite des toroidförmigen Feldes befindet sich in dem zentralen, ein Magnetfeld leitenden Kern. Das Feld schneidet typisch das zylindrische Pumpzwischenvolumen an zwei Stellen. Dies geschieht an dem Oberteil des Feldes und an dem Unterteil des Feldes. Es ist gerade das Magnetfeld, das den dazwischen befindlichen Pumpspalt an dem Oberteil und dem Unterteil schneidet, das mit dem Natrium der Pumpe zusammenwirkt, um eine Pumpwirkung herbeizuführen.
• Die Spulen sind in Phasen mit einer dreiphasigen Leistungsversorgung verbunden. Die Leistungsversorgung hat den Zweck, kontinuierlich die Magnetfelder von dem Unterteil der Pumpe zu dem Oberteil der Pumpe zu bewegen. Genauso wie Felder in einem Motor kontinuierlich umlaufen und eine gewollte Rotation des Rotors herbeiführen, verschieben sich die Felder in der Linearpumpe kontinuierlich und bewirken durch Wechselwirkung mit dem stark leitfähigen Natrium eine gewollte Bewegung des Natriums.
• Kurz gesagt, bewegen sich die Felder entlang dem Stator und dem zentralen Kern von dem Einlaß zum Auslaß. Das Natrium wird in gleicher Weise entlang dem Mittelkern von dem Einlaß zum Auslaß transportiert.
• Die Wicklungen von Flüssignatriumpumpen erzeugen unausweichlich eine Widerstandserwärmung. Diese Widerstandserwärmung muß von den Wicklungen abgeführt werden, damit die Wicklungen bei einer richtigen Temperatur arbeiten können. Gleichzeitig können die Wicklungen nicht zweckmäßig bei einer Temperatur arbeiten, die niedriger als das zu pumpende flüssige Natrium ist. Aus diesem Grunde sind derartige Pumpen typisch in den "kalten Schenkeln" von Kernreaktoren angeordnet.
• Der Begriff "kalter Schenkel" ist relativ. Kalte Schenkel von Kernreaktoren haben Temperaturen in dem Bereich von 315ºC (600ºF).
• Es ist in der Vergangenheit vorgeschlagen worden, derartige Wicklungen in Reihe zu schalten. Leider erfordern derartige Reihenschaltungen hohe Spannungen. Das heißt, daß jede Spule von jedem Pol, der mit jeder Phase in Beziehung steht, entlang der gesamten Länge der Pumpe in Reihe geschaltet sein muß. Hohe Spannungen werden in bezug auf Erde und über den Spulen erzeugt.
• Unglücklicherweise haben bekannte Isolierungen, die die Betriebstemperaturen von Natriumpumpen überleben können relativ kleine dielektrische Werte. Das heißt, diese Isolierungen sind nicht in der Lage, die hohen Spannungen zu isolieren, die für eine Reihenwicklung derartiger Pumpen erforderlich sind.
• Um die Spannung auf einen Wert zu senken, der von Hochtemperatur-Isolierungen toleriert werden kann, ist vorgeschlagen worden, diese Pumpen in parallelen Wicklungen zu verdrahten. Natürlich würde dies die Spannung senken, die zum Antrieb der Pumpe verwendet wird, es sind aber zwei andere Probleme im Stand der Technik aufgetreten, die noch nicht gelöst sind.
• An erster Stelle von diesen Problemen steht die sich verändernde Flußdichte des Natriums, wenn es durch die Pumpe strömt. Dies kann am besten dadurch verstanden werden, daß die Natriumpumpe mit einem Elektromotor verglichen wird.
• In einem Elektromotor mit einem umlaufenden Rotor ändert sich die Flußdichte des Rotors zunächst, wenn der Motor gestartet wird. Der Rotor startet mit einem anfänglichen kleinen Fluß. Wenn er einem magnetischen und umlaufenden Feld ausgesetzt wird, gewinnt der Rotorfluß und wird schließlich gesättigt. Anschließend folgt der Rotor dem umlaufenden Feld, abgesehen von einem gewissen Schlupf.
• Im Falle des Motors und des zentralen umlaufenden Kerns sind die Änderungen in der Flußdichte des Rotors zu allen Zeiten gleichförmig auf den Stator und sein umlaufendes elektrisches Feld verteilt. Alle Teile des Stators sehen zu jedem gegebenen Augenblick im wesentlichen den gleichen Fluß, der von dem umlaufenden Kern des Motors ausgeht.
• Leider stellen Flüssignatriumpumpen eine radikale Abweichung von den Motorstator- und Rotorüberlegungen dar.
• Wenn Natrium zunächst in den Einlaß von einer Linearpumpe eintritt, ist das stark leitende Natrium das Äquivalent des umlaufenden Kerns von einem Motor, gerade wenn der Rotor zu rotieren beginnt als Antwort auf das Feld des Stators. Der Fluß ist gering und wird durch das eintretende Natrium gesammelt.
• Wenn sich das Natrium in den Motor hineinbewegt hat, wird das Natrium analog zu dem Rotor von einem Motor, der mit Fluß gesättigt ist. Das heißt, wenn das Natrium durch die Linearpumpe fortschreitet, ändert sich seine Flußdichte. Und mit der Änderung in der Flußdichte kommen entsprechende Änderungen in der Flußantwort der Spulenelemente, wodurch sich das Natrium durch die Pumpe bewegt.
• Die diskreten Phasen bilden ebenfalls ein Problem. Typisch sind zahlreiche Spulen pro Phase pro Pol entlang der Länge des Stators vorgesehen. Benachbarte Spulen in der gleichn Phase des gleichen Pols haben unterschiedliche Phasenwinkel. Somit überlagert die lineare Natriumpumpe das Problem eines differierenden Phasenwinkels über einen differierenden Fluß.
• Der Stand der Technik hat das Phasenflußproblem erkannt. Bisher ist aber noch keine Lösung bekannt geworden, wie Linearpumpen auf effektive Weise gewickelt werden können, um parallele Wicklungen mit genügend kleinen Treiberspannungen verwenden zu können, denen von bekannten und sich entwickelnden Isolierungen bei hohen Temperaturen widerstanden werden kann.
• US-A-1 546 870 beschreibt ein Verdrahtungsmuster für einen Dynamo, wobei zur Eliminierung eines parasitären Stroms zwischen den Unterabschnitten von Leiterabschnitten die Reihenfolge der Unterabschnitte innerhalb jedes Abschnitts so verändert wird, daß angesammelte Elemente von jeden Unterabschnitt verkettenden Fluß, die die Tendenz haben, einen Stromfluß zwischen den Unterabschnitten zu bewirken, für die gesamte Wicklung der gleiche ist. Diese Beschreibung ist zwar auf die Verminderung der Zirkulation parasitärer Ströme gerichtet, trotzdem kann diese Beschreibung nicht auf Probleme der vorliegenden Erfindung von einem Linearmotor mit einer sich verändernden Flußdichte in Natrium angewendet werden, wenn dieses von dem Motoreinlaß zu dem Motorauslaß strömt. In einem Dynamo erfahren alle Teile des Stators im wesentlichen den gleichen Fluß.
• JP-A-50-94974 beschreibt eine elektromagnetische Linearpumpe des Induktionstyps mit mehreren Statorspulen entlang der Länge der Pumpe. Es werden jedoch keine Mittel beschrieben zur Verdrahtung der Statorspulen in irgendeiner bestimmten Konfiguration, um die Probleme zu überwinden, mit denen sich die vorliegende Erfindung befaßt.
• Die vorliegende Erfindung schafft einen Linearstator, der entlang einer linearen Achse angeordnet und zur Verwendung in einer Linearpumpe zum Pumpen von Natrium geeignet ist, wobei der Stator einen ein Magnetfeld leitenden Kern, der entlang der Achse angeordnet ist, und mehrere Leistungswicklungseinrichtungen aufweist, die entlang der Achse über die lineare Achse in der Einrichtung zum Leiten eines Nagnetfeldes in dem Stator räumlich verteilt sind; wobei die Leistungswicklungseinrichtungen aufweisen: eine Leistungsversorgung mit wenigstens zwei wechselnden Phasen; eine Gruppe von Wicklungen seitlich nebeneinander entlang der Länge des Stators und die lineare Achse des Stators kreuzend zum Erzeugen eines Magnetfeldes für den das Magnetfeld leitenden Kern; wobei die Wicklungen wenigstens drei Pole bilden; wobei jeder Pol durch mehrere Wicklungen für jede Phase gebildet ist, wobei die mehreren Wicklungen für jede Phase in einer Reihenanordnung sind und jeweils verschiedene Phasenwinkel bezüglich der Leistungsversorgung aufweisen; und mehrere parallele Verbindungen, die jeweils wenigstens eine Wicklung von einer Phase auf jedem Pol aufweisen, wodurch Flußänderungen entlang der linearen Länge des Stators zwischen den parallelen Verbindungen gemittelt werden und ferner eine vertauschte Abtastung der Wicklungen der entsprechenden Phase von jedem Pol aufweisen, wodurch unterschiedliche Phasenwinkel von unterschiedlichen Wicklungen in unterschiedlichen Polen in jeder parallelen Verbindung gemittelt werden, um zirkulierende Ströme in den parallelen Verbindungen zu verkleinern.
• Ein Ausführungsbeispiel von einem Merkmal der Erfindung betrifft eine Wicklung und ein Wickelverfahren für eine untertauchbare Linearpumpe zum Pumpen von flüssigem Natrium. Die Pumpe enthält einen Stator mit einem zentralen zylindrischen Kanal, der vorzugsweise vertikal ausgerichtet ist. Der zentrale vertikale Kanal ist von einem System von Spulen in Nuten umgeben. Diese Nuten sind mit Magnetfluß leitenden Elementen verschachtelt, wobei diese Magnetfluß leitenden Elemente einen kontinuierlichen Magnetfeldleitungspfad entlang dem Stator bilden. In dem zentralen Kanal ist ein zylindrischer, Magnetfluß leitender Kern angeordnet, wobei dieser Kern einen zylindrischen Durchmesser hat, der kleiner als der Durchmesser des zylindrischen Kanals ist. Wenn der Kern in dem Kanal angeordnet ist, bildet er ein zylindrisches, dazwischen befindliches Pumpvolumen der Pumpe. Dieses zylindrische Pumpzwischenvolumen bildet vorzugsweise einen Einlaß am Unterteil der Pumpe und einen Auslaß am Oberteil der Pumpe. Ein Pumpbetrieb erfolgt durch statische Wicklungen in dem äußeren Stator, die der Reihe nach toroidförmige Felder von dem Pumpeneinlaß am Unterteil der Pumpe zu dem Pumpenauslaß am Oberteil der Pumpe bewegen. Die beschriebene Wicklungseinrichtung und das Wickelverfahren verwenden zahlreiche Nuten pro Pol pro Phase mit parallelen Wicklungsschenkeln auf jeder Phase, die gleich oder kleiner als die Anzahl von Nuten pro Pol pro Phase ist. Die Nutfolge pro Pol pro Phase ist so gewählt, daß die Änderungen in der Flußdichte des Natriums der Pumpe ausgeglichen werden, wenn es an dem Pumpeneinlaß mit wenig oder gar keinem Fluß in die Pumpe strömt und Magnetfluß gewinnt beim Durchtritt durch die Pumpe zu dem Pumpenauslaß. Dementsprechend werden parallele Schenkel für jede Phase, die diskrete Pole entlang der Länge der Pumpe bedienen, beschrieben, bei der sich eine Nut in jedem Pol pro Phase, die sich über die gesamte Länge der Pumpe erstreckt, ausgewählt ist, um die Flußdichte auf jedem parallelen Schenkel der Wicklung auszugleichen. In gleicher Weise enthalten die parallelen Schenkel auch symmetrisch vertauschte Nuten in jedem Pol pro Phase, um Phasenwinkelverschiebungen zwischen den Nuten von jedem Pol an jeder Phase in jedem Schenkel auszugleichen. Die übliche Hochspannungs-Reihenverbindung von allen Polen wird vermieden, mit dem vorteilhafen Ergebnis, daß Spulenspannungen gesenkt und Isoliermaterialien mit kleineren dielektrischen Nenndaten in der Hochtemperaturumgebung von Flüssignatriumpumpen verwendet werden können.
• Gemäß einem Merkmal der Erfindung werden Konstruktionskriterien geschaffen zum Ausgleichen des variierenden Flusses entlang der Länge von Wicklungen für Nuten von einem Linearstator, der beispielsweise in einer untergetauchten Flüssignatriumpumpe verwendet wird. Dementsprechend werden parallele Schenkel für jede Phase gewählt, die gleich oder kleiner als die Anzahl von Nuten pro Pol pro Phase sind. Diese parallelen Schenkel enthalten wenigstens eine Nut von jedem Pol entlang der gesamten Länge der Pumpe. Durch diese Einbeziehung können Änderungen in der Flußdichte in jedem parallelen Schenkel im wesentlichen ausgeglichen werden.
• Ein Vorteil der Einbeziehung von einer Nut von jedem Pol besteht darin, daß, obwohl sich der Fluß in dem Natrium ändert, wenn es durch die Länge der Linearpumpe strömt, der zusätzliche Fluß auf jedem parallelen Schenkel von einer diskreten Wicklung etwa der gleiche ist. Somit werden parallele Schenkel in bezug auf die Änderung der Flußdichte in dem zylindrischen Pumpvolumen der Pumpe gleich gemacht. Zirkulierende Ströme zwischen den parallel verbundenen Schenkeln werden minimiert.
• Ein weiteres Merkmal der Erfindung sorgt für einen Ausgleich der Phasenwinkelverteilung der diskreten parallelen Schenkel, die in einem Linearstator verwendet werden. Gemäß diesem Merkmal der Erfindung enthält jede Phase von jedem Pol des Stators eine sich wiederholende Sequenz von Wicklungen oder Nuten. Jeder parallele Schenkel auf jeder Phase ist so gewählt, daß er eine vertauschte Sequenz von Nuten von jedem Pol aufweist, so daß die sequentielle Verteilung der Nutfolge für jeden parallelen Schenkel die gleiche ist.
• Ein Vorteil dieser vertauschten Sequenz besteht darin, daß Phasenwinkeldifferenzen zwischen benachbarten Wicklungen in jedem Pol gleichfalls ausgeglichen sind. Indem also sowohl Flußdichtänderungen ausgeglichen und Phasenwinkeländerungen ausgeglichen sind, sind diskrete parallele Schenkel innerhalb jeder Phase für die Versorgung des Stators möglich.
• Ein Vorteil der Gesamtkonstruktion besteht darin, daß zum ersten Mal eine große Linearpumpe durch parallele Stromkreise gespeist werden kann, um die erforderliche Treiberspannung zu verkleinern und wirksame Isolierungen zur Verfügung zu stellen, die den hohen Temperaturen von gepumptem Natrium ausgesetzt werden.
• Andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile dieser Erfndungen werden durch die folgende Beschreibung und die beigefügten Zeichnungen deutlicher, in denen:
• Figur 1A eine Seitenansicht von einem bekannten Natrium-gekühlten Reaktor ist, die die Natriumströmungsschleife während des normalen Reaktorbetriebs darstellt und die Lage der Natriumpumpe gemäß der Erfindung in dem sogenannten "kalten Schenkel" von einer Natriumpumpe darstellt;
• Figur 1B eine Draufsicht auf den Reaktor gemäß Figur 1A an dem Schnitt entlang den Linien 1B-1B gemäß Figur 1A ist, um die Anordnung der vier Pumpen gemäß dieser Beschreibung in einem einzigen Natrium-gekühlten Reaktor zu zeigen;
• Figur 2 ein Seitenschnitt von einer Pumpe mit 96 Spuleneinheiten ist, die sandwichartig zwischen 97 Ringblechkonstruktionen angeordnet sind, wobei die Spuleneinheiten gemäß den Lehren dieser Beschreibung parallel zu einer (beispielsweise) dreiphasigen Spannungsquelle von 15 Hertz und 700 Volt geschaltet ist, um in dem Stator seriell nach oben wandernde Magnetfelder zu erzeugen, die das Natrium von dem unteren Einlaß der Pumpe zu dem oberen Auslaß der Pumpe mitreißen; und
• Figur 3 ein schematische Verdrahtungsbild ist, das das Prinzip der vorstehend erläuterten Verdrahtung darstellt.
• Gemäß Figur 1A ist ein Natrium-Reaktor in einem Einschluß- bzw. Containment-Behälter C in einem Reaktor-Behälter V eingeschlossen. Wie allgemein üblich, ist der Containment- Behälter C im engen Abstand zu dem Reaktor-Behälter V angeordnet und kann das flüssige Natrium S im Falle eines Bruches des Reaktor-Behälters V aufnehmen.
• Die Komponenten des Reaktors und die Anordnung der Pumpen kann am besten verstanden werden, indem dem Natrium-Kühlmittelströmungsweg gefolgt wird und zur gleichen Zeit die Komponententeile beschrieben werden.
• Wenn man weiterhin Figur 1A betrachtet und davon ausgeht, daß der Reaktor einen normalen Betrieb durchläuft, so leitet der Kern 412 Natrium S und gibt das erhitzte Natrium S in einen heißen Pool 414 ab. Der heiße Pool 414 ist in dem Innenraum des Reaktors durch eine Behälterauskleidung L eingeschlossen. Die Behälterauskleidung L erstreckt sich über einen Teil der vollen Höhe des Reaktors V und endet kurz vor dem Oberteil des Reaktors V bei 416. Dieser Abschluß ist Teil von einem Abkühlmerkmal des Reaktors, der für diese Erfindung nicht wichtig ist und infolgedessen hier nicht weiter erläutert wird.
• Natrium aus dem heißen Pool 414 tritt in einen Zwischenwärmetauscher H und gibt Wärme ab. Wärme wird durch sekundäre Natriumkreise abgeführt, die schematisch mit 418 bezeichnet sind und die typisch in einer kontinuierlichen Schleife zu einem Dampferzeugungs-Wärmetauscher und danach in den Reaktor zurückführen. Die übliche Leistungserzeugung unter Verwendung der sekundären Natriumschleife und der erzeugte Dampf werden nicht weiter beschrieben.
• Nach dem durch die Wärmeaustauschströmung hervorgerufenen Druckabfall über dem Wärmetauscher H strömt das flüssige Natrium zu einem kalten Pool 420. Der kalte Pool 420 befindet sich auf einem niedrigerem hydrostatischen Druck als der heiße Pool 414 aufgrund des Druckabafalles über dem Wärmetaucher H. Der Inhalt des kalten Pools 420 strömt durch feststehende Abschirmungszylinder 422 zu dem Einlaß 424 von den Hauptreaktorpumpen P. Diese Reaktorpumpen sind die Pumpvorrichtungen, die hier näher beschrieben werden.
• Typisch sind die Reaktorpumpen P elektromagnetische Pumpen. Diese Pumpen P haben einen unteren Niederdruck-Einlaß 424 und einen oberen Hochdruck-Auslaß 426. Das Natrium durch den Hochdruck-Auslaß 426 strömt durch den Pumpenausgang 428 zum Einlaß des Kerns 412. Dadurch wird der Natriumkreislauf geschlossen.
• Der kalte Pool des Reaktors wird während des normalen Betriebs auf einem etwas kleineren Druck (etwa 0,3 bar beziehungsweise 4 psi) von dem heißen Pool des Reaktors gehalten. Die Temperatur des kalten Pools des Reaktors liegt in der Größenordnung von 315ºC (600ºF). Die notwendigen Steuerstäbe treten von einer Steuerstabkammer 430 ein und werden in diese herausgezogen. Da die Steuerstäbe nicht Teil dieser Erfindung sind, werden sie nicht weiter erläutert.
• Für den Leser wird weiterhin deutlich, daß Figur 1A und ihr zugehöriger Schnitt gemäß Figur 1B eine starke Vereinfachung des Natrium-gekühlten Reaktors darstellen. In der Praxis enthält der Reaktor zwei im Schnitt nierenförmige Wärmetauscher H und vier Pumpen P (siehe Figur 1B). Die allgemeinen Anordnungen der Pumpen P und des Wärmetauschers H werden aus Figur 1B verständlich.
• Es wird weiterhin deutlich, daß der Schnitt von Figur 1A zu Zwecken des Verständnisses dient. Verständlicherweise ist es wünschenswert, auch Natrium auch in der sekundären Schleife zu pumpen. Diese sekundäre Schleife führt durch nicht-gezeigte Rohrleitungen in den Zwischenwärmetauscher H hinein und aus diesem heraus. Wiederum wird auf dem kalten Schenkel von derartigen Rotorleitungen eine untergetauchte Natriumpumpe oder -pumpen P ähnlich der hier beschriebenen Konstruktion verwendet.
• Nachdem auf die Umgebung des Natrium-gekühlten Reaktors und die Anordnung von vier Pumpen gemäß der Erfindung darin eingegangen wurde, wird nun die Aufmerksamkeit auf die Konstruktion der Pumpe gerichtet, die in Figur 2 dargestellt ist.
• In Figur 2 ist eine Pumpe P dargestellt. Die Pumpe enthält einen äußeren Stator T und einen inneren zentralen Kern K.
• Der Stator T weist einen zentralen Kanal D auf, der auf seiner gesamten Länge von zwei abwechselnden Konstruktionen umgeben ist. Eine erste Konstruktion ist eine Gruppe von Magnetblechringen L. Die Blechringe L dienen zwei Funktionen in der Pumpe.
• Erstens leiten die Blechringe L ein Magnetfeld entlang der Länge des Stators T.
• Zweitens sind die Blechringe L mit dem zentralen Kanal K des Stators fest verkeilt. Bei dieser Verkeilung dienen die Blechringe zwei zusätzlichen Zwecken.
• Erstens wiederstehen die Blechringe L dynamischen Belastungen auf das Natrium durch das Magnetfeld zu der Pumpe. Durch die feste Verkeilung mit dem Kanal D werden Schwingungsbewegungen und Abnutzung verhindert.
• Zweitens dienen die Blechringe D dazu, Wiederstandserwärmung von den Spulen abzuleiten, die in der Pumpe erzeugt wird. Diese Erwärmung wird von den Spulen zu den Blechringen L und anschließend zu und durch den Kanal D zu dem strömenden Natrium geleitet.
• Es sei darauf hingewiesen, daß das strömende Medium heiß ist in dem Bereich von 315ºC (600ºF). Deshalb werden die Spulen eine sogar höhere Temperatur haben. Es werden Betriebstemperaturen an den Spulen in den Bereich von 530ºC (1000ºF) angenommen.
• Zwischen den Blechkonstruktionen L sind die Spulen C sandwichartig angeordnet. Diese entsprechenden Spulen C weisen Bänder aus spiralförmig gewickeltem Kupfer auf. Diese Bänder können in üblicher Weise einzeln, zu zweit, zu dritt usw. gewickelt werden, was von der Konstruktion der Pumpe abhängt.
• Mittig in dem Kanal D ist ein leitender Magnetkern K angeordnet. Der Kern K weist eine Blechwandkonstruktion 540 auf. Die Funktion der Blechwandkonstruktion wie die Funktion der Blechringe L ist die Leitung von Magnetfeldern.
• Typisch sind die Wicklungen für die Leitung der Magnetfelder von dem Pumpeinlaß 524 zu dem Pumpauslaß 526 verdrahtet. Das Magnetfeld ist typischerweise toroidförmig.
• Der eine vertikale Schenkel von jedem toroidförmigen Magnetfeld wird in Blechringen L geleitet. Dies ist der vertikal äußere und zylindrische Abschnitt des toroidförmigen Magnetfeldes.
• Die anderen vertikalen Schenkel von jedem toroidförmigen Magnetfeld werden in den Blechschichten 540 des zentralen Kerns K geleitet.
• Die toroidförmigen Magnetfelder überbrücken den Spalt des zylindrischen Pumpzwischenvolumens, das zwischen dem Kanal D und der Außenseite des Kerns K gebildet ist. Es ist gerade dieser Abschnitt des Feldes, in dem eine induzierte Pumpwirkung des flüssigen Natriums innerhalb der Pumpe auftritt.
• Anhand von Figur 2 wird das Problem der ungleichförmigen Flußverteilung verständlich.
• Typisch wird das Natrium, das an dem Einlaß 524 in die Pumpe eintritt, keinen merklichen Fluß besitzen. Es wird die Magnetfelder sehen, die zunächst durch die Spulen C aufgebracht werden. Beim Sehen dieses Feldes wird das Natrium beginnen, Fluß graduell aufzunehmen. Das Natrium wird der Entwicklung von Fluß widerstehen, wie es durch die Lenz'sche Regel angegeben ist.
• Etwa auf der Hälfte des Weges durch die Pumpe wird das flüssige Natrium mit Fluß gesättigt sein. Es ist dieser graduelle Anstieg der Flußdichte des strömenden Natriums, der das primäre Problem hervorruft, das durch diese Erfindung gelöst wird. Diese Änderung in der Flußdichte macht die Wicklungen gemäß der Erfindung nicht-analog zu Flußproblemen, die in üblichen umlaufenden Motoren auftreten.
• Typisch hat die Pumpe gemäß Figur 1 eine Länge von mehr als 4,6m (15 Fuß). Sie enthält 96 diskrete Spulen, die zwischen 97 Ringblechen L eingeschlossen sind.
• Eine bevorzugte Konstruktion enthält acht diskrete Pole, die entlang der Länge der Pumpe verteilt sind. Somit enthält jeder Pol zwölf Wicklungen.
• Da ferner eine dreiphasige Spannungsversorgung verwendet ist, sind vier Wicklungen pro Phase pro Pol vorhanden. Nach diesen Ausführungen und indem auf Figur 3 Bezug genommen wird, wird die Erfindung verständlich.
• In Figur 3 sind die Pole der Spulen C schematisch bezeichnet. Ein erster Pol in der Pumpe ist mit Spulen 1, 2, 3 und 4 in Phase A, Spulen 11, 12, 13 und 14 in Phase B, Spulen 21, 22, 23 und 24 in Phase C gezeigt.
• Wenn die erste Phase des ersten Pols betrachtet wird, hat die erste Phase vier Spulen, die ihr zugeordnet sind. Diese Spulen sind die Spulen 1, 2, 3, 4.
• Wird nun der zweite Pol betrachtet, so sind die zwölf diskreten Spulen mit Spulen 101, 102, 103 und 104 in Phase A, 111, 112, 113, 114 in Phase B, Spulen 121, 122, 123 und 124 in Phase C bezeichnet.
• Wird die Phase A des zweiten Pols betrachtet, so sind Spulen 101, 102, 103 und 104 vorhanden.
• Wird mit dem dritten Pol fortgefahren, so sind Spulen 201, 202, 203 und 204 für Phase A vorhanden; Spulen 211, 212, 213 und 214 sind für Phase B vorhanden; Spulen 221, 222, 223 und 224 sind für Phase C vorhanden. Schließlich ist das Oberteil des vierten Pols an Spulen 301, 302, 303, 304 von Phase A gezeigt. Der Leser kann die Folge durch die entsprechenden 96 Nuten fortsetzen.
• In den parallelen Wicklungen, die hier dargestellt sind, enthält jeder Pol vier getrennte Wicklungen pro Phase. Die vier getrennten Wicklungen unterteilen sich selbst in einen diskreten parallelen Schenkel gemäß zwei Prinzipien.
• Ersten und um die Flußdichteänderungen aufzunehmen, weist jede Wicklung eine Spule von jedem Pol auf. Dies mittelt etwa die Änderung in der Flußdichte entlang der Länge des Stators T der Linearpumpe.
• Zweitens tastet jede parallele Wicklung von jeder Phase eine Spule ab, die dieser Phase in einer Sequenz zugeordnet ist, die unter den Spulen von aufeinanderfolgenden Phasen an aufeinanderfolgenden Polen vertauscht ist.
• Nimmt man den Fall der Verbindung A1, ist ersichtlich, daß sie die Spule 1 in dem ersten Pol abtastet (gesampelt). an dem zweiten Pol ist ersichtlich, daß die Spule 102 abgetastet wird. Das heißt, die zweite Spule in der Reihenfolge wird abgetastet. Geht man zum dritten Pol, ist ersichtlich, daß die dritte Spule in der Folge abgetastet wird. Das heißt, die Spule 203 wird abgetastet. Schließlich wird bezüglich des vierten Pols die Spule 304 abgetastet. Bei dieser Tauschung wird deutlich, daß die Spulen in jeder Phase der Spannungsversorgung, die jedem Pol zugeordnet ist, variierende Zeitphasen in bezug auf die Spannungsversorgung haben. Obwohl sich diese Phasen durch die Vertauschung der Reihenfolge voneinander unterscheiden, wird die gleiche gesamte Phasendifferenz in jedem Schenkel erzielt.
• Der Leser kann auf einfache Weise aus Figur 3 die Fortsetzung der Änderung verifizieren. Beispielsweise verläuft der zweite parallele Schenkel in Phase A durch Spule 2, Spule 103, Spule 204 und schließlich Spule 301 in der entsprechenden Darstellung der Phase A der dargestellten Pole.
• Es wird deutlich, daß, wenn die diskreten Spulen zahlreiche Stränge haben, diese diskreten Stränge entweder eigene parallele Schenkel bilden können oder alternativ miteinander verbunden sind. In gleicher Weise sind zwar Sequenzen in der Reihenfolge 1, 2, 3, 4 gezeigt, aber die Sequenz kann variiert werden. Beispielsweise würde die Sequenz 2, 3, 4, 1 ebenfalls arbeiten.
• Zur Vermeidung von Verwirrung sind vier parallele Schenkel nur für Phase A dargestellt. Die Phasen B und C wurden weggelassen. Deren Wicklung ist genau analog.
• Vorstehend wurde als Beispiel eine Wickelfolge beschrieben, die Änderungen in der Flußdichte und dem Phasenwinkel in parallelen Schenkeln minimiert, die in einer Flüssignatriumpumpe verwendet werden.
• Es wurde als ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel für die hier beschriebene Wicklung des Linearstators der Stator von einer Natriumpumpe dargestellt. Der Leser wird verstehen, daß andere Statoren eingeschlossen sind. Beispielsweise könnte ein Linearstator, der auf einem Linearmotor zum Antrieb eines schienengebundenen Transportsystems verwendet wird, die hier beschriebene Wicklung gleichfalls verwenden. In derartigen Vorrichtungen können aufgrund der Spannungseinschränkungen von erforderlichen Festkörper-Spannungssteuerungen Wickelpläne von Linearstatoren verwendet werden, die im wesentlichen die gleichen wie die hier beschriebenen sind. Im Falle dieser Wicklungen wird der zentrale Kanal weggelassen. Die Wicklung würde im wesentlichen wie die schematische Darstellung in Figur 3 aussehen.

Claims (5)

1. Linearstator (T), der entlang einer linearen Achse angeordnet und zur Verwendung in einer Linearpumpe zum Pumpen von Natrium geeignet ist, wobei der Stator einen ein Magnetfeld leitenden Kern (K), der entlang der Achse angeordnet ist, und mehrere Leistungswicklungseinrichtungen aufweist, die entlang der Achse über die lineare Achse in der Einrichtung zum Leiten eines Magnetfeldes in dem Stator räumlich verteilt sind,

wobei die Leistungswicklungseinrichtungen aufweisen:

eine Leistungsversorgung mit wenigstens zwei Wechselphasen,

eine Gruppe von Wicklungen (C) seitlich nebeneinander entlang der Länge des Stators und die lineare Achse des Stators kreuzend zum Erzeugen eines Magnetfeldes für den das Magnetfeld leitenden Kern,

wobei die Wicklungen wenigstens drei Pole bilden,

wobei jeder Pol durch mehrere Wicklungen für jede Phase, wobei die mehreren Wicklungen für jede Phase (A,B,C) in einer Reihenanordnung sind und jeweils verschiedene Phasenwinkel bezüglich der Leistunsversorgung aufweisen, und mehrere parallele Verbindungen gebildet ist, die jeweils wenigstens eine Wicklung von einer Phase auf jedem Pol, wodurch Flußänderungen entlang der linearen Länge des Stators zwischen den parallelen Verbindungen gemittelt werden, und ferner eine vertauschte Abtastung der Wicklungen der entsprechenden Phase von jedem Pol aufweisen, wodurch unterschiedliche Phasenwinkel von unterschiedlichen Wicklungen in unterschiedlichen Polen in jeder parallelen Verbindung gemittelt werden, um zirkulierende Ströme in den parallelen Verbindungen zu verkleinern.

2. Stator nach Anspruch 1, wobei die Spulen wenigstens acht Pole bilden und jeder Pol durch vier Spulen für jede Phase gebildet ist und die Leistungsversorgung drei Phasen hat.

3. Stator nach Anspruch 1 oder 2, wobei die mehreren parallelen Verbindungen vier parallele Verbindungen für jede Phase aufweisen.

4. Stator nach Anspruch 1, wobei die Wicklung Spulen aufweist.

5. Stator nach einem der Ansprüche 1 bis 4 in einer Linearpumpe zum Pumpen von Natrium, wobei die Pumpe einen zylindrischen Mittelkanal (D) aufweist, der konzentrisch in dem Stator befestigt ist, der das Magnetfeld leitende Kern (K) mittig an dem Mittelkanal befestigt ist und einen Durchmesser aufweist, der kleiner als der Durchmesser des zylindrischen Mittelkanals ist, wodurch der zylindrische Mittelkanal und der mittige das Magnetfeld leitende Kanal zusammen ein zylindrisches Zwischenpumpvolumen mit einem Einlaß (524) und einem Auslaß (526) bilden.