WO2002050985A1

WO2002050985A1 - Wicklungsträger eines supraleitenden rotors mit konstruktion für dessen axialen dehnungsausgleich

Info

Publication number: WO2002050985A1
Application number: PCT/DE2001/004638
Authority: WO
Inventors: Michael Frank; Adolf KÜHN; Peter Massek; Peter Van Hasselt
Original assignee: Siemens Aktiengesellschaft
Priority date: 2000-12-20
Filing date: 2001-12-10
Publication date: 2002-06-27
Also published as: US20040051419A1; DE10063724A1; US7211921B2

Abstract

Die Maschine weist einen um eine Rotationsachse (A) drehbar gelagerten Rotor mit einer supraleitenden Wicklung in einem Wicklungsträger (9) auf. Zur Halterung des Wicklungsträgers innerhalb eines Rotoraußengehäuses (7b) sind Verbindungseinrichtungen vorgesehen. Zum Ausgleich von Dehnungsänderungen des Wicklungsträgers (9) soll eine Verbindungseinrichtung (8b) mindestens ein sich axial erstreckendes Verbindungselement (12) aufweisen, das einseitig starr mit dem Wicklungsträger (9) verbunden ist und dessen gegenüberliegendes, freies Ende (12a) in einer axial beweglichen, radial kraftschlüssigen Verbindung mit einem zentrierenden Halterungselement (18) des Rotoraußengehäuses (7b) steht.

Description

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Verbindungsteile zwischen diesen tiefkalten Teilen und dem warmen Außenraum möglichst wenig Wärme übertragen.

Für eine Vakuumisolation von Rotoren mit tiefzukühlenden Läu- ferwicklungen und warmen Ständerwicklungen sind insbesondere zwei Varianten bekannt: Bei einer ersten Ausführungsform hat der Rotor ein warmes Außengehäuse und einen mitrotierenden abgeschlossenen Vakuumraum. Der Vakuumraum sollte dabei den tiefkalten Bereich allseitig umgeben (vgl. z.B. „Siemens Forsch, u. Entwickl . -Ber ." , Bd. 5, 1976, No. 1, Seiten 10 bis 16) . Über sich durch den Vakuumraum erstreckende Abstützungen erfolgt jedoch eine unerwünschte Übertragung von Wärme auf die tiefkalten Teile. Bei einer zweiten Ausführungsform rotiert der im wesentlichen kalte Rotor in einem Hochvakuum. Dabei wird die äußere Begrenzung des Hochvakuumraumes durch die Innenbohrung des Ständers festgelegt. Eine solche Anordnung erfordert jedoch hochvakuumdichte Wellendichtungen zwischen dem Rotor und dem Ständer (vgl. z.B. DE 27 53 461 A) .

Bei der aus der eingangs genannten DE-B2-Schrift entnehmbaren Maschine ist die erstgenannte Ausführungsform realisiert. Bei ihrem Rotor befindet sich die supraleitende Wicklung im Inneren eines Läuferkryostaten, der mit angebrachten Flanschwellen ein Außengehäuse des Rotors bildet. Auf Grund einer Ver- wendung von klassischem Supraleitermaterial für die Leiter der Wicklung ist eine Heliumkühlung vorgesehen mit einer Betriebstemperatur um etwa 4 K. Demgegenüber befindet sich die Außenkontur des Rotoraußengehäuses etwa auf Raumtemperatur und im Betrieb auch gegebenenfalls darüber. Das Nutzdrehmo- ment der Maschine wird in der Rotorwicklung erzeugt. Diese ist in einem kalten Wicklungsträger angeordnet, der seinerseits isoliert in dem als Kryostaten wirkenden Rotoraußengehäuse aufgehängt bzw. gehaltert ist. Dabei muss diese Aufhängung bzw. Halterung auf der Antriebsseite des Rotors stabil genug sein, um das Drehmoment von dem kalten Wicklungsträger auf einen antriebsseitigen Wellenteil zu übertragen. Eine entsprechende, starre Verbindungseinrichtung zur Drehmoment- Übertragung muss daher verhältnismäßig massiv ausgeführt und kraftschlüssig mit dem Wicklungsträger und dem antriebsseiti- gen Wellenteil verbunden werden. Zugleich übernimmt diese Verbindungseinrichtung die antriebsseitige Zentrierung des kalten Wicklungsträgers. Auf der gegenüberliegenden Rotorseite, die auch als Nichtantriebs- oder Betriebsseite bezeichnet wird, weil an ihr für einen Betrieb der Maschine wichtige Verbindungen wie z.B. eine Kühlmittelzufuhr vorgesehen sind, wird praktisch kein Drehmoment ausgeleitet. Daher sind hier im wesentlichen nur die Funktionen einer Zentrierung und thermischen Isolierung zu erfüllen. Da sich jedoch bei einem Übergang von Raumtemperatur auf die Betriebstemperatur die axiale Länge des Wicklungsträgers relativ zur entsprechenden Ausdehnung des Rotoraußengehäuses um mindestens einen Milli- meter reduziert, muss die betriebsseitige Aufhängung zusätzlich die Funktion eines entsprechenden Längenausgleichs gewährleisten. Bei der aus der eingangs genannten DE-B2-Schrift entnehmbaren Maschine sind deshalb zwischen dem Rotoraußengehäuse und dem Wicklungsträger radial verlaufende, scheiben- förmige Verbindungselemente vorgesehen, die zum Dehnungsausgleich eine entsprechende Verbiegung in axialer Richtung ermöglichen.

Auch bei dem aus der DE 27 17 580 A entnehmbaren Rotor einer elektrischen Maschine mit supraleitender Erregerwicklung ist ein entsprechendes, sich radial erstreckendes Verbindungselement zwischen einem Rotoraußengehäuse und einem Wicklungsträger vorgesehen, das eine axiale Deformation zulässt.

Neben den seit langem bekannten metallischen Supraleitermaterialien wie z.B. NbTi oder Nb₃Sn, wie sie bei den vorstehend erwähnten Maschinen eingesetzt werden, sind seit 1987 auch metalloxidische Supraleitermaterialien mit Sprungtemperaturen von über 77 K bekannt. Mit Leitern unter Verwendung solcher Hoch (High) -T_c-Supraleitermaterialien, die auch als HTS-

Materialien bezeichnet werden, versucht man, supraleitende Wicklungen von Maschinen zu erstellen. Auch Maschinen mit diesem Leitertyp erfordern auf Grund der Temperaturunterschiede zwischen der Betriebstemperatur des Supraleitermaterials und der Außentemperatur des wärmeren Rotoraußengehäuses einen entsprechenden Dehnungsausgleich in axialer Richtung.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine geeignete Verbindungseinrichtung einer entsprechenden Maschine anzugeben, die auf verhältnismäßig einfache Weise einen solchen axialen Dehnungsausgleich (=Längenausgleich) ermöglicht und dabei insbesondere Wärmeeinleitungsverluste der supraleitenden Wicklung über die Verbindungseinrichtung begrenzt.

Diese Aufgabe wird für eine Maschine mit den eingangs genannten Merkmalen erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Deh- nungsänderungen ausgleichende zweite Verbindungseinrichtung mindestens ein sich axial erstreckendes Verbindungselement aufweist, das einseitig starr mit dem Wicklungsträger verbunden ist und dessen gegenüberliegendes, freies Ende in einer axial beweglichen, radial kraftschlüssigen Verbindung mit mindestens einem zentrierenden Halterungselement des Rotoraußengehäuses steht.

Die mit dieser Ausgestaltung der Maschine verbundenen Vorteile bestehen in einer einfachen, billigen Fertigbarkeit, der Zentrierung und der gleichzeitig erzielbaren geringen Wärmelecks. Dabei wird ein Schrumpfungsausgleich (= axiale Bewegung) durch eine echte Relativbewegung der beiden Aufhän- gungs- bzw. Halterungskomponenten „Verbindungselement und Halterungselement" zugelassen. Dennoch bleibt die Zentrierung und Steifigkeit der Verbindungseinrichtung erhalten. Dabei sind keine speziellen Materialienpaarungen notwendig, und eine Problematik von Wärmelecks wird von der Problematik der Materialspannungen der Aufhängung durch thermischen Schrumpf entkoppelt. Außerdem sind im allgemeinen für die üblichen An- wendungsfälle der Maschine inhärente Verschleißprobleme von untergeordneter Bedeutung. Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Maschine gehen aus den abhängigen Ansprüchen hervor.

So kann insbesondere das sich axial erstreckende Verbindungs- element hohlzylinderförmig gestaltet sein und vorteilhaft an seinem freien Ende in eine entsprechende Öffnung des Halterungselementes spielfrei gleitend hineinragen. Unter einem spielfreien Gleiten wird in diesem Zusammenhang verstanden, dass eventuelle Reibungskräfte ein axiales Verschieben des Endes des Verbindungselementes in der Öffnung des Halterungselementes trotz eines radialen Kraftschlusses zwischen diesen Bauteilen praktisch nicht behindern. Eine gute Zentrierung des Verbindungselementes und damit des Rotors auf der nicht- drehmomentübertragenden (Betriebs-) Seite lässt sich so errei- chen.

Vorzugsweise besteht zumindest das sich axial erstreckende Verbindungselement aus einem mit Fasern verstärkten Kunst- stoffmaterial. Mit entsprechenden Materialien ist eine hin- reichende mechanische Stabilität bei vorteilhaft geringer Wärmeübertragung zu gewährleisten.

Für die Leiter der supraleitenden Wicklung kommt metallisches Niedrig-T_c-Supraleitermaterial oder insbesondere etalloxidi- sches Hoch-T_c-Supraleitermaterial in Frage.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Maschine sind Gegenstand der restlichen Unteransprüchen.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer Maschine nach der Erfindung wird nachfolgend an Hand der Zeichnung noch weiter erläutert. Dabei zeigen jeweils schematisch im Längsschnitt deren Figur 1 eine mögliche Ausführungsform der Maschine sowie deren Figur 2 eine spezielle Ausgestaltung einer Verbindungseinrichtung dieser Maschine.

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folgt auch die Drehmomentübertragung. Im Wesentlichen besteht diese Verbindungseinrichtung vorteilhaft aus einem schlechtwärmeleitenden Hohlzylinder, insbesondere aus einem beispielweise mit Glasfasern (sogenanntes ,,GFK"-Material) oder ande- ren Fasern verstärkten Kunststoffmaterial. Dieses Material gewährleistet eine für die Drehmomentübertragung hinreichend große mechanische Steifigkeit und großen Schubmodul (G-Modul) bei gleichzeitig geringer Wärmeleitfähigkeit. Auf der der Antriebsseite AS gegenüberliegenden, nachfolgend mit BS be- zeichneten Nichtantriebsseite bzw. /oder Betriebsseite ist eine erfindungsgemäß gestaltete (zweite) Verbindungseinrichtung 8b zwischen dem Wicklungsträger 9 und einem scheibenförmigen Seitenteil 7b des Rotoraußengehäuses 7 angeordnet.

In Figur 1 ist ferner auf der antriebsabgewandten Seite BS ein hohlzylindrischer Wellenteil 5b angedeutet, der an seiner dem Rotoraußengehäuse 7 zugewandten Seite mit dessen scheibenförmigem Seitenteil 7b starr verbunden ist. Über diesen in einem Lager 6 gelagerten Wellenteil erfolgt u.a. eine Kühl- mittelzufuhr zur Kühlung der supraleitenden Wicklung 10 von außerhalb der Maschine. Einzelheiten der Kühlmittelzufuhr und der Abdichtung sind bekannt. Auf eine detaillierte Darstellung wurde deshalb in der Figur verzichtet. Ein den Wicklungsträger 9 mit der supraleitenden Wicklung 10 umschließen- des Vakuum ist mit V bezeichnet. Das Vakuum ist insbesondere zwischen dem warmen Rotoraußengehäuse 7 und dem Wicklungsträger 9 vorhanden.

Aus Gründen einer thermischen Isolation kommt als Material für eine zentrische Aufhängung des Wicklungsträgers 9 auch auf der praktisch kein Drehmoment übertragenden Rotorseite BS in erster Linie GFK in radial verlaufenden und/oder insbesondere axial verlaufenden Teilen in Frage. Eine spezielle Ausführungsform einer entsprechenden Verbindungseinrichtung 8b geht aus Figur 2 hervor. Diese Verbindungseinrichtung weist als ein Verbindungselement 12 ein GFK-Rohr auf, das einseitig z.B. in einen Flansch 13 eingeklebt ist. Dieser Flansch ist mit einem Kaltteil des Wicklungsträgers 9 starr und wärmeleitend verbunden; beispielsweise mit diesem verschraubt. Der Flansch kann aber auch Teil des Wicklungsträgers selbst sein oder mit anderen Teilen des Wicklungsträgers verbunden sein. Das gegenüberliegende freie Ende 12a des GFK-Rohrs 12 ist vorteilhaft durch einen gehärteten Stützring 15 gefasst. Dieser insbesondere aus Metall wie gehärtetem Stahl bestehende Ring soll spielfrei in der Öffnung 20 eines ihn umschließenden Halterungselementes 18 gleiten können. Unter einem spiel- freien Gleiten wird in diesem Zusammenhang verstanden, dass ein axiales Verschieben des Endes 12a des Verbindungselementes 12 bzw. dessen Stützrings 15 in der entsprechenden Öffnung 20 des Halterungselementes 18 durch eventuelle Reibungskräfte praktisch nicht behindert wird. Gleichzeitig soll je- doch ein radialer Kraftschluss zwischen dem Stützring und dem Halterungselement erhalten bleiben. Das Halterungselement 18 besteht deshalb zweckmäßig aus demselben Material wie der Stützring. Dieses im Wesentlichen ringförmige Halterungselement ist in einen warmen Flansch 19 eingelassen, mit diesem verbunden oder Teil desselben. Dieser Flansch ist Teil des

Seitenteils 7b des Rotoraußengehäuses 7 oder des Wellenteils 5b.

Zur Verbesserung der gegenseitigen Gleitfähigkeit des Stütz- ringes 15 und des Halterungselementes 18 in axialer Richtung ist einer dieser Bauteile, beispielsweise das Halterungselement 18 an der Innenseite der Öffnung 20, vorteilhaft mit in Umfangsrichtung regelmäßig angeordneten, sich radial erstreckenden nasenartigen Fortsätzen 17i versehen, an denen der Stützring 15 form- und kraftschlüssig anliegt. Damit wird die Kontaktfläche zwischen den beiden Teilen und damit die Reibungskraft auf den Bereich der Nasen reduziert, ohne dass die für den radialen Kraftschluss erforderliche Übermaßpassung (Presssitz) aufgehoben würde.

Gemäß einem entsprechenden konkreten Ausführungsbeispiel beträgt der Durchmesser des GFK-Rohres 12 z.B. 90 mm bei einer Wandstärke von 2 mm. Die freie Rohrlänge liegt beispielsweise bei 40 mm. Durch die Exaktheit der Fertigung wird ein Rundlauf der einzelnen Teile zueinander bestimmt. Die Einpassung des Stützringes 15 aus gehärtetem Stahl mit einem Außendurch- messer von 100 mm in die radial nach innen weisenden Führungsnasen 17i des Halterungselementes 18 aus gehärtetem Stahl erfolgt derart, dass einerseits keine Spielfreiheit entsteht, andererseits aber noch ein axiales Verschieben des Ringes in der Nasenfassung bei den auftretenden Kräften zu gewährleisten ist. Hierzu ist das Halterungselement 18 im wesentlichen hohlzylindrisch ausgeführt mit einem Außendurchmesser von 133 mm und einer axialen Ausdehnung von 25,5 mm. Seine Wandstärke liegt bis auf den Bereich seiner beispielsweise 6 Führungsnasen 17i bei 7,5 mm. Im Bereich der Nasen verringert sich der Innendurchmesser des Halterungselementes auf etwa 100 mm. Damit wird ein axialer Längenausgleich beim Abkühlen und Aufwärmen des Trägerkörpers 9 ermöglicht. Zudem bringt es diese Ausbildung auch mit sich , dass bis zu einem gewissen Grad Fertigungstoleranzen in axialer Richtung aus- zugleichen sind.

Bei dem konkreten Ausführungsbeispiel stellt die Verbindungseinrichtung 8b ein Wärmeleck von ca. 2,5 W dar und erfüllt daher auch die Funktion der thermischen Isolation hinreichend gut. Eine Abschätzung des thermischen Übergangswiderstandes zwischen den Führungsnasen und dem Stützring hat ergeben, dass dieser hinreichend klein sein kann, so dass keine nennenswerte Abkühlung (deutlich unter 1 K) und damit kein Schrumpf des Stützringes mit dem damit verbundenen Verlust der Zentrierfunktion zu befürchten ist.

Abweichend von der in Figur 2 dargestellten Ausführungsform der Verbindungseinrichtung mit einem hohlzylindrischen Verbindungselement 12 sind auch andere Ausführungsformen denk- bar, bei denen ein hohlzylinderförmiges Verbindungselement einseitig starr mit dem Wicklungsträger verbunden ist und an seinem gegenüberliegenden freien Ende in einer axial bewegli- chen, radial kraftschlüssigen Verbindung mit einem starr an dem Rotoraußengehäuse befestigten Halterungselement steht. So können beispielsweise an dem Halterungselement statt der angenommenen Nasen auch Zähne vorgesehen sein. Entsprechende Fortsätze lassen sich statt an dem Halterungselement auch an dem freien Ende des Verbindungselementes, insbesondere an dessen Stützring vorsehen. Gegebenenfalls können auch beide Teile mit solchen Fortsätzen ausgestattet sein, die auch ineinandergreifen können.

Ferner braucht auch nicht eine einzige zentrale Verbindungseinrichtung nach der Erfindung vorgesehen zu werden. Stattdessen ist es auch möglich, mehrere auf einer gedachten Zylindermantelfläche untereinander regelmäßig verteilte Verbin- dungseinrichtungen anzubringen. So sind beispielsweise 3 untereinander um 120° in Umfangsrichtung versetzte Verbindungsvorrichtungen denkbar.

Darüber hinaus kann statt eines als geschlossener Hohlzylin- der ausgebildeten Verbindungselementes 12 auch eine Anordnung von mehreren auf einer gedachten Zylindermantelfläche liegenden Einzelteilen verwendet werden. Diese entsprechende Verbindungselemente darstellenden Einzelteile lassen sich beispielsweise balken- oder stangenförmig ausbilden.

Generell kann das Verbindungselement mehrstückig gestaltet sein. Dasselbe gilt auch für das es umschließende Halterungselement. Auch dieses Element lässt sich gegebenenfalls aus mehreren Teilstücken zusammensetzen.

Claims

Patentansprüche

1. Maschine

• mit einem um eine Rotationsachse drehbar gelagerten Rotor, der a) ein Rotoraußengehäuse hat, das an axialen Rotorwellenteilen befestigt ist und einen Wicklungsträger mit einer supraleitenden Wicklung umschließt, und b) Mittel zur Halterung des Wicklungsträgers innerhalb des Rotoraußengehäuses aufweist, die auf einer drehmomentübertragenden Seite eine erste, starre Verbindungseinrichtung zwischen dem Wicklungsträger und dem Rotoraußengehäuse und auf der gegenüberliegenden Seite eine zweite, axiale Dehnungsänderungen des Wicklungsträgers ausgleichende Verbindungseinrichtung umfassen, sowie

• mit Mitteln zur Kühlung und thermischen Isolation der supraleitenden Wicklung, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Dehnungsänderungen ausgleichende zweite Verbindungseinrichtung (8b) mindestens ein sich axial erstreckendes Verbindungselement (12) aufweist, das einseitig starr mit dem Wicklungsträger (9) verbunden ist und dessen gegenüberliegendes, freies Ende (12a) in einer axial beweglichen, radial kraftschlüssigen Verbindung mit mindestens einem zentrierenden Halterungselement (18) des Rotoraußengehäuses (7b) steht.

2. Maschine nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n - z e i c h n e t , dass das sich axial erstreckende Verbindungselement (12) hohlzylinderförmig gestaltet ist.

3. Maschine nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das sich axial erstreckende Verbindungselement (12) an seinem freien Ende (12a) in eine Öffnung (20) des Halterungselementes (18) spielfrei gleitend hineinragt .

4. Maschine nach Anspruch 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das sich axial erstreckende Verbindungselement (12) an seinem freien Ende (12a) mit einem Stützring (15) versehen ist, der in die Öffnung (20) des Halterungselementes (18) hineinragt.

5. Maschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das Halte- rungselement (18) und/oder das freie Ende (12a) des Verbindungselementes (12) mit sich radial erstreckenden Fortsätzen (17i) versehen sind/ist, an denen das freie Ende (12a) des Verbindungselementes (12) bzw. das Halterungselement (18) in axialer Richtung spielfrei gleitend anliegt.

6. Maschine nach Anspruch 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Fortsätze (17i) nasenförmig oder zahnförmig ausgebildet sind.

7. Maschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das sich a- xial erstreckende Verbindungselement (12) zentral bzgl. der Rotorachse (A) angeordnet ist.

8. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die zweite Verbindungseinrichtung mehrere sich axial erstreckende, auf einer gedachten Zylindermantelfläche angeordnete Verbindungselemente aufweist, deren freie Enden in einer axial beweglichen, ra- dial kraftschlüssigen Verbindung mit dem mindestens einen Halterungselement stehen.

9. Maschine nach Anspruch 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Verbindungselemente balken- oder stangenförmig ausgebildet sind.

10. Maschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass zumindest das sich axial erstreckende Verbindungselement (12) aus einem mit Fasern verstärkten Kunststoffmaterial besteht.

11. Maschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Leiter der supraleitenden Wicklung (10) metallisches Niedrig-T_c- Supraleitermaterial oder metalloxidisches Hoch-T_c- Supraleitermaterial enthalten.

12. Maschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass zumindest zwischen dem Rotoraußengehäuse (7) und dem Wicklungsträger (9) ein Vakuumraum vorhanden ist.