WO2004068682A1 - Maschine mit einem rotor und einer supraleitenden rotorwicklung - Google Patents

Maschine mit einem rotor und einer supraleitenden rotorwicklung Download PDF

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WO2004068682A1
WO2004068682A1 PCT/EP2004/000633 EP2004000633W WO2004068682A1 WO 2004068682 A1 WO2004068682 A1 WO 2004068682A1 EP 2004000633 W EP2004000633 W EP 2004000633W WO 2004068682 A1 WO2004068682 A1 WO 2004068682A1
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winding
rotor
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cryostat
coil
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PCT/EP2004/000633
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Günter RIES
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Siemens Aktiegesellschaft
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K55/00—Dynamo-electric machines having windings operating at cryogenic temperatures
    • H02K55/02—Dynamo-electric machines having windings operating at cryogenic temperatures of the synchronous type
    • H02K55/04—Dynamo-electric machines having windings operating at cryogenic temperatures of the synchronous type with rotating field windings
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E40/00—Technologies for an efficient electrical power generation, transmission or distribution
    • Y02E40/60—Superconducting electric elements or equipment; Power systems integrating superconducting elements or equipment

Definitions

  • the invention relates to a machine with a rotor rotatably mounted about an axis of rotation, which contains a superconducting rotor winding to be cooled or cooled and an uncooled rotor body.
  • the rotor body has flattenings on its outer side, so that outer regions with an at least approximately circular segment-like cross section are formed, in which at least one coil of the rotor winding is arranged in at least one cryostat on a tension-receiving holding device.
  • a corresponding machine can be found in EP 1 261 114 AI.
  • a rotating superconducting excitation winding can achieve higher power densities, lower losses and other advantages.
  • the superconductor of the winding must be cooled, the winding having to be enclosed in a highly vacuum-insulated cryostat for thermal insulation reasons.
  • the torque generated acts on the superconductor and must be transmitted to a warm rotor shaft via suitable transmission elements.
  • Radial centrifugal and azimuthal magnetic forces are to be transferred from the winding to a mechanically stable rotor body or a winding or rotor core using suitable fastening means.
  • This core can preferably consist of magnetically permeable material such as iron, in order to increase the field of excitation.
  • Embodiments of machines with a winding are known, which are attached directly to a cylindrical rotor body, which consists of non-magnetic or magnetic material and is at the winding temperature (DE 199 43 783 AI, US 4,146,804 AI, WO 98/02953 AI " ).
  • the rotor body has a large cold mass of up to several 10 tons, which requires long cooling and warm-up times, stable torque transmission elements to the warm shaft with a high heat flow into the cold area and a large vacuum cryostat encloses the cold core and the winding.
  • Machines with rotors are also known, the rotor body of which is not cooled to the temperature of the winding (cf. EP 0 805 546 B1 or EP 0 690 550 B1).
  • the windings are of the so-called racetrack type and, together with a cryostat vacuum container, a cryoshield and the cooling tubes carrying the coolant, are inserted into a groove milled into the warm rotor core.
  • the groove is closed to the outside by a relatively solid closure element, via which forces acting on the winding during operation are absorbed and transmitted to the rotor core.
  • Forces on longitudinal loops or honeycomb structures transmit forces between the winding and the shield or the shield and the closure element of the rotor core.
  • the winding cryostat is guided through radial bores in the rotor core.
  • the superconductor material for the windings is Nb 3 Sn, which is cooled with 10 K cold He gas. Details of how the winding and the cryostat are formed in the respective slot do not emerge from this prior art. However, winding and mounting directly in the grooves require considerable effort.
  • the rotor body of the machine to be removed from EP 1 261 114 A1 mentioned at the outset is also uncooled.
  • This rotor body has flattening on opposite long sides tion, so that, with respect to a cylindrical shape, outer regions are formed, each with a circular segment-like cross section. In these outer areas there is at least one cryostat for holding the conductors of the rotor winding to be cooled. At the ends is the winding cryostat by radial
  • the rotor core is constructed in three parts for assembly; the magnetic core with flats encompasses the winding; Axial end pieces are attached axially on both sides, which have cutouts for the winding on one side and the shaft ends of the rotor at the outward-facing end. These end pieces can be made of non-magnetic material such as stainless steel.
  • At least one cold tension element of a holding device extends through the rotor body and is thermally insulated from it, by which the radially opposite parts of the cryostat (s) and thus the rotor winding are held. Such fastening and mounting of the rotor winding is complex. In addition, with this design of the machine and in particular its holding device, it is not sufficiently possible to absorb tangential forces which act during operation and in particular in the event of short circuits or other malfunctions.
  • the object of the present invention is therefore to design the machine with the features mentioned at the outset in such a way that the assembly of the winding is simplified compared to this prior art and nevertheless secure fixing is to be ensured even with large radial and azimuthal forces.
  • the machine with the features mentioned at the outset should be designed such that the holding device on the rotor body is absorbed in the area of the flats.
  • the advantages associated with this configuration can be seen in particular in the fact that it is possible to dispense with cold tension elements which extend through the rotor body and are thermally insulated from it.
  • the holding device therefore essentially only transmits the forces acting on the winding during operation to the uncooled rotor body in the region of the bottoms of the flattenings in the form of tensile forces.
  • the cryostat is at least partially prefabricated and on the laterally flattened areas of the warm rotor body fasten or complete there.
  • the rotor body therefore has no longitudinal grooves which accommodate the winding or parts of the holding device.
  • winding can be cooled and tested without an iron core for test purposes.
  • the machine which is designed in particular as a synchronous motor, preferably a generator, according to the invention can additionally have the following features: o
  • its rotor body can contain a rotor core made of ferromagnetic material or be formed by this core.
  • Your at least one cryostat can be at least partially prefabricated, whereby it is to be attached to the flattenings.
  • the cryostat can have an outer contour that complements the cylindrical shape of the rotor body.
  • At least one cryostat or at least parts thereof can be made of electrically good conductive metal, so that it then advantageously acts as an electromagnetic damper shield.
  • the holding device of the machine preferably has loop-shaped and / or rod-shaped tension elements.
  • the tension elements can advantageously be designed such that they allow a longitudinal contraction of the rotor winding when cooling relative to the cryostat.
  • the tension elements can advantageously consist of thermally insulating material of sufficient mechanical strength.
  • the rotor winding can be arranged in an electrically insulated manner in mounting rails which are fastened to the tension elements.
  • the winding height of the at least one coil to be measured in the radial direction is advantageously selected such that the maximum permissible, total pressure loads of the superconducting conductors of the respective coil are not exceeded due to centrifugal and / or torque forces.
  • the generally several coils of the rotor winding can each be arranged in one winding chamber, the minimum number of chambers and / or coils being determined by the maximum permissible winding height of the respective coil in the chamber assigned to it.
  • their rotor winding can have at least one rectangular coil or at least one coil of the racetrack type or at least two saddle coils.
  • its rotor winding which has a rectangular coil or a coil of the racetrack type, can be arranged on a central part of a composite rotor body.
  • the rotor winding can be at least partially prefabricated.
  • Coolant lines for a circulating gaseous and / or liquid coolant run particularly advantageously parallel to the axis of the rotor winding or through it. It is advantageous if the coolant circulates in the coolant lines using free (natural) convection.
  • the circulation of the Coolant can be done in particular in thermosiphon loops.
  • At least some of the coolant lines can advantageously be in thermal connection with parts such as, in particular, tension elements of the holding device.
  • the rotor winding of the machine can be made in particular with conductors made of HTS (high-temperature superconducting) material. Instead, conductors made of LTS (low-temperature superconducting) material can of course also be used.
  • the conductors used can be ribbon conductors or composite rope conductors.
  • FIGS. 3 and 4 show a first embodiment of a machine according to the invention in longitudinal or cross section, the FIGS. 3 and 4 of which the cryostat of this machine in the transverse or. Longitudinal section, the figures 5 and 6 further design options of
  • FIGS. 8 and 9 of which are a further embodiment of a rotor body with two cryostats in an oblique view or in cross section
  • FIG. 10 of which is another embodiment of a rotor body with two specially shaped cryostats or coils.
  • the rotor shown in FIGS. 1 and 2 is based on known embodiments, in particular of superconducting synchronous motors or generators.
  • 2 denotes the rotor which is rotatably mounted about an axis A in general, 3a and 3b rotor bearings,
  • a rotor body comprising a rotor core made of uncooled iron
  • one or more superconducting rectangular coils of the winding 5 are held in a vacuum-insulated housing of a ring cryostat 10 by the holding device 6, which at least essentially only receives tension.
  • the cryostat advantageously consists, at least on its outside, of an electrically highly conductive metal such as aluminum or copper and can thus act as an electromagnetic damper shield.
  • means such as heat radiation shields and / or superinsulation which further reduce the introduction of heat onto the winding 5 may also be present in a manner known per se.
  • the rotor winding is designed with two poles, its cryostat being arranged or fastened in the region of the flattenings 4a and 4b on the outside of the rotor body 4.
  • the outer areas there are generally designated 4c and 4d. Seen in cross-section, each of these outer areas occupy an area at least approximately circular segment-like or cap-like with respect to a circular area.
  • 4-, 6-, 8- etc. -pole configurations of the rotor winding with 2, 3, 4 etc. separate winding cryostats on a warm core with 4, 6, 8 etc. flattenings are to be realized.
  • the advantageously prefabricated winding is attached to the rotor body, specifically on a warm iron core that is flattened on the side.
  • the winding consists of flat coils of the racetrack or square type. It is preferably made from band-shaped conductors with high-T c superconductor (HTS) material or from an HTS composite cable in the form of so-called "pancakes" 18 and is inside winding chambers 19 in
  • the winding blocks are accommodated on the radially inner side in one or more adjacent winding chambers of rail-like, trough-like or trough-like holding elements, hereinafter referred to as support rails 21, which can in particular consist of a non-magnetic steel.
  • the number of turns is given by the required number of ampere turns; this also determines the cross-sectional area from the product "winding height times total winding width".
  • the winding height in the individual winding chambers is limited by the maximum permissible pressure which is exerted on the HTS conductor at maximum speed on the surface facing the holding rails as a result of centrifugal and / or torque forces on the HTS winding.
  • the centrifugal pressure should not exceed 50 MPa, preferably less than 15 MPa.
  • the total winding width also results from the winding height.
  • the winding chamber widths are dimensioned in such a way that the torques acting on the winding do not exceed the permissible value in all operating and / or fault conditions that occur due to the azimuthal forces on the superconductor windings on the side faces of the winding chambers.
  • the corresponding pressure should be at most 50 MPa, preferably less than 15 MPa.
  • Winding chambers In the embodiments according to the figures Ren 1 to 4 and 7 is based on windings with two chambers.
  • the tension elements of the holding device 6 engage on the mounting rails 21, preferably in the region of the webs formed between the winding chambers 19 and on the side webs.
  • the holding device 6 receiving the tension comprises a base plate 24 of the cryostat, which is parallel to the respective one
  • This base plate generally forms the cryostat inner wall 10b.
  • FIG. 3 shows a cross section of the winding 5 in the cryostat 10, including the force absorption.
  • the tension elements of the holding device 6 are preferably loops 22 or rods 23. They are advantageously made of thermally poorly conductive material such as GRP or CFRP, which has sufficient mechanical strength with regard to the forces that occur. In addition, these elements advantageously allow tilting in the direction of the rotor axis so as to absorb thermal shrinkage of the winding relative to the rotor body.
  • Figure 4 shows in longitudinal section an embodiment with loops
  • the base plate 24 preferably has axially spaced, parallel, perpendicular to the rotor axis trapezoidal ribs 24a, which are dovetail-shaped and engage in correspondingly shaped recesses 25 in the rotor body 4 and thus transmit the forces acting on the winding 5 to them.
  • the ring cryostat 10 has a segment-shaped cross section. It is preferably made of highly conductive metal and thus also acts as a magnetic damper shield.
  • the outer contour of the rotor body 4 and the corresponding contour of the cryostat preferably form a cylinder so as to minimize air friction.
  • the holding device 6 or its tension elements can also be anchored directly to the rotor body 4.
  • the winding area is then covered with curved wall segments 26 which can be welded to the iron of the rotor body in a vacuum-tight manner at the edges. In this way, it is possible to form and maintain an insulating vacuum around the winding.
  • the cryostat wall can be non-magnetic or, in order to improve its weldability, it can consist of a similar or the same magnetic material as the rotor body.
  • cooling tubes which preferably have one or more thermosiphon, run along branches parallel to the axis on the superconducting rotor winding 5 or through it.
  • a cryogenic coolant K circulates using free convection.
  • HTS material for example liquid neon (LNe) or liquid hydrogen (LH 2 ) or a mixture of these liquids with helium (He) can be used.
  • the inlet in the coolant supply line 7a can be designed as axially parallel channels inside or as cooling tubes in thermal contact with the mounting rails 21 (cf. FIG. 3).
  • the warmer return of the coolant in the coolant return line 7b advantageously runs closer to the axis of rotation, so as to produce a self-pumping effect during rotation. It is primarily in thermal contact with the tension elements 22 in order to intercept incoming heat via these elements in front of the winding 5.
  • the radial coil parts located at the winding ends can only be cooled, for example, by heat conduction along the superconductor.
  • thermosiphon loops open into a rotating supply bath in the coolant chamber 8 (see FIG. 1), which is accommodated about the rotor axis A in the vacuum of the cryostat housing 10.
  • the liquid and the gas of the coolant K are separated, which is in connection with an external cryocooler via a cryocouple known per se with the vacuum-insulated coolant supply channel 9.
  • cooling can be used for a machine designed according to the invention.
  • the use of single-phase gas such as helium, hydrogen or neon as a coolant is also conceivable.
  • the gas can be under such high pressure that it is in the supercritical state.
  • the design of a rotor body 27 does not necessarily require an exact circular shape for its cross section, as in the case of the embodiment. tion forms according to FIGS. 2 and 5. Rather, it can advantageously have a predetermined profile, for example in the form of further flattenings 28, in order to obtain a better approximation to a desired field characteristic , B ° c cos ⁇ ".
  • the specific form is to be determined from field calculations Circular segment-like outer regions are present, in which the cryostat (s) is / are arranged.
  • an at least approximately circular segment-like shape of the outer regions is also understood to mean a shape in which the outer contour of these outer regions or the cryostats is not needs to be exactly arc-shaped.
  • pole numbers p> 2 can also be realized.
  • p flat coils in particular of a racetrack type, are attached in their own cryostat housings in the manner shown on a p-side rotor (base) body in flattened areas, which can have a core made of ferromagnetic material, in particular for field reinforcement, or at least in the area of the winding out of this
  • the rotor body 4 can be assembled.
  • it is divided into three parts and comprises two disk-shaped end faces 30a and 30b and a central part 31, which has two radially opposite flats and accommodates the winding 5 the assembly of the coil cryostat housing 10 attached to the central part 31, for example screwed to this.
  • parts 21a to 21d of support that are also cooled are seemed apparent on which the rotor winding 5 designed as a flat winding is held and non-positively connected to the central part 31.
  • the support rail parts 21c and 21d are assigned to axial coil parts 5c and 5d, while the support rail parts 21a and 21b hold radial coil parts 5a and 5b in the winding head regions of the winding 5.
  • the centrifugal force essentially generates tensile forces in the radial winding parts 5a and 5b at the winding ends or heads.
  • End rails and tension elements are also provided here to absorb the axial magnetic forces between the winding and the rotor body 4 or core.
  • the tensile forces are either absorbed by the optionally mechanically reinforced conductor of the winding or partly by the support rail parts 21a, 21b if the coil parts 5a and 5b of the winding are glued into the chambers with a suitable resin.
  • FIGS. 8 and 9 show an alternative design option for a two-pole rotor.
  • the rotor winding is divided into two spaced partial windings 35a and 35b, each of which is located in its own ring cryostat 36a and 36b.
  • These ring cryostats engage in end notches 37a and 37b in the shaft ends 32a and 32b of a rotor body 38 which is continuous here.
  • a subdivision of the rotor body can be dispensed with compared to that of FIG.
  • FIG. 10 A further embodiment with two cryostats on a continuous rotor body 41 is shown in FIG. 10.
  • the rotor winding is divided into two superconducting saddle coils 42a and 42b, which are not shown in the figure, and which are located in appropriately shaped cryostats 43a and 43b.
  • the winding is loaded with mounting rails and tension elements.
  • band-shaped HTS conductors bending radii over the high edge must be taken into account, which are often limited to a maximum of one meter.
  • the following information relates to a two-pole rotor according to FIG. 1 for an 830 MVA urbogenerator with HTS winding:

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Abstract

Die Maschine weist einem um eine Rotationsachse (A) drehbar gelagerten Rotor (2) auf, der eine von einem Kühlmittel (K) gekühlte in wenigstens einem Kryostaten (10) befindliche supraleitende Rotorwicklung (5) sowie einen ungekühlten Rotorkörper (4) umfasst. Zur Montageerleichterung der Wicklung und des Kryostaten besitzt der Rotorkörper (4) an seiner Aussenseite Abplattungen (4a, 4b), wo sich wenigstens ein Kryostat (10) befindet. In dem Kryostaten soll mindestens eine Spule der Rotorwicklung (5) an einer zumindest im wesentlichen nur zugaufnehmenden Halteeinrichtung (6) angeordnet sein. Die Zugaufnahme der Halteeinrichtung erfolgt dabei an den Abplattungen (4a, 4b) des Rotorkörpers (4). Für die Leiter der Wicklung kommt bevorzugt HTS-Material in Frage.

Description

Beschreibung
Maschine mit einem Rotor und einer supraleitenden Rotorwicklung
Die Erfindung bezieht sich auf eine Maschine mit einem um eine Rotationsachse drehbar gelagerten Rotor, der eine zu kühlende oder gekühlte supraleitende Rotorwicklung sowie einen ungekühlten Rotorkörper enthält. Dabei weist der Rotor- körper an seiner Außenseite Abplattungen auf, so dass Außenbereiche mit zumindest annähernd kreissegmentartigem Querschnitt ausgebildet sind, in denen in wenigstens einem Kryostaten mindestens eine Spule der Rotorwicklung an einer zugaufnehmenden Halteeinrichtung angeordnet ist. Eine entspre- chende Maschine geht aus der EP 1 261 114 AI hervor.
In Maschinen der Supraleitungstechnik wie Synchronmotoren und -generatoren können mit einer rotierenden supraleitenden Erregerwicklung höhere Leistungsdichten, geringere Verluste und weitere Vorteile erreicht werden. Der Supraleiter der Wicklung muss dabei gekühlt werden, wobei die Wicklung aus Gründen einer thermischen Isolation in einen hochvakuumisolierten Kryostaten eingeschlossen sein muss. Das hervorgerufene Drehmoment greift am Supraleiter an und muss über geeignete Über- tragungselemente auf eine warme Rotorwelle weitergeleitet werden. Insbesondere in großen Einheiten beträgt die auf die Supraleiterwicklung wirkende Zentrifugalbeschleunigung einige 1000 g (g = Erdbeschleunigung) , die ohne Schädigung des Supraleitermaterials aufgenommen werden müssen. Radiale Flieh- und azimutale Magnetkräfte sind von der Wicklung über geeignete Befestigungsmittel auf einen mechanisch stabilen Rotorkörper bzw. einen Wicklungs- oder Rotorkern zu übertragen. Dabei kann dieser Kern vorzugsweise aus magnetisch permeablem Material wie Eisen bestehen, um so eine Erhöhung des Erreger- feldes zu erreichen. Bekannt sind Ausführungsformen von Maschinen mit einer Wicklung, die direkt auf einem zylinderförmigen Rotorkörper befestigt ist, der aus unmagnetischem oder magnetischem Material besteht und sich auf der Wicklungstemperatur befindet (DE 199 43 783 AI, US 4,146,804 AI, WO 98/02953 AI"). Bei entsprechenden großen Einheiten wie z.B. Kraftwerksgeneratoren umfasst dann der Rotorkörper aber eine große kalte Masse von bis zu etlichen 10 Tonnen. Dies bedingt lange Abkühl- und Aufwärmzeiten, stabile Drehmomentsübertragungselemente auf die warme Welle mit einem hohen Wärmestrom in den Kaltbereich sowie einen großen Vakuumkryostaten, der den kalten Kern und die Wicklung umschließt.
Es sind auch Maschinen mit Rotoren bekannt, deren Rotorkörper nicht auf die Temperatur der Wicklung gekühlt wird (vgl. die EP 0 805 546 Bl oder die EP 0 690 550 Bl) . Die Wicklungen sind dabei vom sogenannten Rennbahntyp und zusammen mit einem Kryostat-Vakuumbehälter, einem Kryoschild und das Kühlmittel führenden Kühlrohren in eine in den warmen Rotorkern einge- fräste Nut eingelegt. Die Nut ist dabei durch ein verhältnismäßig massives Verschlusselement nach außen verschlossen, über das auf die Wicklung im Betrieb wirkende Kräfte aufgenommen und auf den Rotorkern übertragen werden. Auf änge- schlaufen bzw. Honigwabenstrukturen übertragen dabei Kräfte zwischen der Wicklung und dem Schild bzw. dem Schild und dem Verschlusselement des Rotorkerns. An den Enden ist der Wick- lungskryostat durch radiale Bohrungen im Rotorkern geführt . Als Supraleitermaterial für die Wicklungen ist Nb3Sn vorgesehen, das mit 10 K kaltem He-Gas gekühlt wird. Einzelheiten, wie die Wicklung und der Kryostat in der jeweiligen Nut ausgebildet sind, gehen aus diesem Stand der Technik nicht hervor. Ein Wickeln und eine Montage direkt in den Nuten erfordern jedoch einen erheblichen Aufwand.
Auch bei der aus der eingangs genannten EP 1 261 114 AI zu entnehmenden Maschine ist deren Rotorkörper ungekühlt. Dieser Rotorkörper weist an gegenüberliegenden Längsseiten Abplat- tungen auf, so dass bezüglich einer Zylinderform Außenbereiche mit jeweils kreissegmentartigem Querschnitt ausgebildet sind. In diesen Außenbereichen befindet sich wenigstens ein Kryostat zur Aufnahme der Leiter der zu kühlenden Rotorwick- lung. An den Enden ist der Wicklungskryostat durch radiale
Bohrungen im Rotorkern geführt. Zur Montage ist der Rotorkern dreiteilig ausgebildet; der magnetische Kern mit Abplattungen umfasst die Wicklung; axial beidseitig sind mit Bolzen Endstücke angesetzt, die auf einer Seite Aussparungen für die Wicklung und am nach außen weisenden Ende die Wellenenden des Rotors tragen. Diese Endstücke können aus unmagnetischem Material wie rostfreiem Stahl bestehen. Durch den Rotorkörper hindurch und gegenüber diesem thermisch isoliert erstreckt sich wenigstens ein kaltes Zugelement einer Halteeinrichtung, von dem die radial gegenüberliegenden Teile des oder der Kryostaten und damit der Rotorwicklung gehalten werden. Eine derartige Befestigung und Halterung der Rotorwicklung ist aufwendig. Außerdem ist mit dieser Ausbildung der Maschine und insbesondere ihrer Halteeinrichtung eine Aufnahme tangen- tialer Kräfte, die beim Betrieb und insbesondere bei Kurzschlüssen oder anderen Störungsfällen wirken, nicht hinreichend möglich.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, die Ma- schine mit den eingangs genannten Merkmalen dahingehend auszugestalten, dass die Montage der Wicklung gegenüber diesem Stand der Technik vereinfacht ist und dennoch eine sichere Fixierung auch bei großen radialen und azimutalen Kräften zu gewährleisten ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den in Anspruch 1 angegebenen Maßnahmen gelöst. Demgemäss soll die Maschine mit den eingangs genannten Merkmalen dahingehend ausgestaltet sein, dass die Zugaufnahme der Halteeinrichtung an dem Rotor- körper im Bereich der Abplattungen erfolgt. Die mit dieser Ausgestaltung verbundenen Vorteile sind insbesondere darin zu sehen, dass auf kalte, sich durch den Rotorkörper hindurch erstreckende und gegenüber diesem thermisch zu isolierende Zugelemente verzichtet werden kann. Die Halte- einrichtung überträgt also die auf die Wicklung im Betrieb wirkenden Kräfte im Wesentlichen nur in Form von Zugkräften auf den ungekühlten Rotorkörper im Bereich der Böden der Abplattungen. Damit verbunden ist auch der Vorteil, dass neben einer möglichen, zumindest teilweisen Vorfertigung der Wick- lung, deren wenigstens eine Spule als flache Rennbahn- oder Viereckspule ausgebildet sein kann, der Kryostat zumindest teilweise vorzufertigen ist und an den seitlich abgeplatteten Bereichen des warmen Rotorkörpers zu befestigen bzw. dort zu komplettieren ist. Der Rotorkörper hat also keine Längsnuten, die die Wicklung oder Teile der Halteeinrichtung aufnehmen.
Besonders vorteilhaft ist auch, dass die Wicklung zu Testzwecken ohne Eisenkern abgekühlt und getestet werden kann.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Maschine gehen aus den von Anspruch 1 abhängigen Ansprüchen hervor.
Dabei kann die Ausführungsform nach Anspruch 1 mit den Merkmalen eines der Unteransprüche oder vorzugsweise auch denen aus mehreren Unteransprüchen kombiniert werden. Demgemäss kann die insbesondere als Synchronmotor, vorzugsweise -gene- rator, ausgebildete Maschine nach der Erfindung zusätzlich noch folgende Merkmale aufweisen: o Ihr Rotorkörper kann aus Feldverstärkungsgründen einen Rotorkern aus ferromagnetische Material enthalten oder von diesem Kern gebildet werden. o Ihr wenigstens einer Kryostat kann zumindest teilweise vorgefertigt sein, wobei dieser an den Abplattungen zu befestigen ist. Dabei kann der Kryostat eine die Zylinderform des Rotorkörpers ergänzende Außenkontur besitzen. • Ferner kann ihr wenigstens einer Kryostat oder können zu- mindest Teile davon aus elektrisch gut leitendem Metall bestehen, so dass er dann vorteilhaft als ein elektromagnetischer Dämpferschild wirkt. • Bevorzugt weist die Halteeinrichtung der Maschine schlau- fenförmige und/oder stabförmige Zugelemente auf. Dabei können vorteilhaft die Zugelemente derart ausgebildet, sein, dass sie eine Längskontraktion der Rotorwicklung bei einer Abkühlung gegenüber dem Kryostaten erlauben.
• Allgemein können vorteilhaft die Zugelemente aus thermisch isolierendem Material hinreichender mechanischer Festigkeit bestehen.
• Außerdem kann die Rotorwicklung elektrisch isoliert in Tragschienen angeordnet sein, welche an den Zugelementen befestigt sind. o Vorteilhaft ist die in radialer Richtung zu messende Wicklungshöhe der mindestens einen Spule so gewählt, dass die maximal zulässigen, summierten Druckbeanspruchungen der supraleitenden Leiter der jeweiligen Spule auf Grund von Zentrifugal- und/oder Drehmomentkräften nicht überschritten werden. Dabei können die im Allgemeinen mehreren Spulen der Rotorwicklung jeweils in einer Wicklungskammer angeordnet sein, wobei die minimale Anzahl der Kammern und/oder Spulen durch die maximal zulässige Wicklungshöhe der jeweiligen Spule in der ihr zugeordneten Kammer festgelegt ist.
• Ferner kann ihre Rotorwicklung mindestens eine Rechteckspule oder mindestens eine Spule vom Rennbahntyp oder min- destens zwei Sattelspulen aufweisen.
© Dabei kann ihre eine Rechteckspule oder eine Spule vom Rennbahntyp aufweisende Rotorwicklung an einem Mittelteil eines zusammensetzbaren Rotorkörpers anzuordnen sein. o Die Rotorwicklung kann zumindest teilweise vorgefertigt sein. o Besonders vorteilhaft verlaufen achsenparallel an der Rotorwicklung oder durch diese hindurch Kühlmittelleitungen für ein zirkulierendes gasförmiges und/oder flüssiges Kühlmittel. Dabei ist es günstig, wenn das Kühlmittel in den Kühlmittelleitungen unter Ausnutzung einer freien (natürlichen) Konvektion zirkuliert. Die Zirkulation des Kühlmittels kann insbesondere in Thermosyphon-Schleifen erfolgen.
• Dabei können zumindest einige der Kühlmittelleitungen vorteilhaft in thermischer Verbindung mit Teilen wie insbe- sondere Zugelementen der Halteeinrichtung stehen.
• Die Rotorwicklung der Maschine kann insbesondere mit Leitern aus HTS (High-Temperature-Superconducting) -Material erstellt sein. Stattdessen sind selbstverständlich auch Leiter aus LTS (Low-Temperature-Superconducting) -Material verwendbar. Die verwendeten Leiter können dabei Bandleiter oder Seilverbundleiter sein.
Die Erfindung wird nachfolgend an Hand von bevorzugten Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung noch weiter erläutert. Dabei zeigen in jeweils schematisierter Form deren Figuren 1 und 2 eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Maschine im Längs- bzw. Querschnitt, deren Figuren 3 und 4 den Kryostaten dieser Maschine im Querbzw. Längsschnitt, deren Figuren 5 und 6 weitere Ausgestaltungsmöglichkeiten von
Kryostaten für verschiedene Rotorkörper erfindungsgemäßer Maschinen, deren Figur 7 eine Ausführungsform einer Rotorwicklung mit
Kryostat in Schrägansicht, deren Figuren 8 und 9 eine weitere Ausführungsform eines Rotorkörpers mit zwei Kryostaten in Schrägansicht bzw. im Querschnitt, sowie deren Figur 10 eine andere Ausführungsform eines Rotorkörpers mit zwei speziell geformten Kryostaten bzw. Spulen. Dabei sind in den Figuren sich entsprechende Teile mit den- selben Bezugszeichen versehen. Bei dem in den Figuren 1 und 2 gezeigten Rotor wird von bekannten Ausführungsformen insbesondere von supraleitenden Synchronmotoren bzw. -generatoren ausgegangen. In der Figur sind bezeichnet mit 2 der um eine Achse A drehbar gelagerte Rotor allgemein, 3a und 3b Rotorlager,
4 ein einen Rotorkern aus ungekühltem Eisen umfassender Rotorkörper,
4a und 4b radial gegenüberliegende Abplattungen des Rotor- körpers,
5 eine vorgefertigte, zweipolige Rotorwicklung unter Verwendung von Leitern mit supraleitendem Material, vorzugsweise Hoch-Tc-Supraleitermaterial,
6 eine Halteeinrichtung zur radialen Aufhängung bzw. Fixie- rung der Wicklung,
7 ein Kühlmittelleitungssystem mit mindestens einer Kühlmittelhinleitung 7a und mindestens einer Kühlmittelrückleitung 7b in wärmeleitender Verbindung mit der supraleitenden Wicklung 5 für ein Kühlmittel K, 8 ein mitrotierender Kühlmittel (sammel) räum, in den von außen flüssiges Kühlmittel K über eine stationäre Kühlmittelzuführungsleitung 9 eingeleitet wird und der in Verbindung mit der Kühlmittelhinleitung 7a und der - rückleitung 7b steht, 10 ein die supraleitende Wicklung 5, den Kühlmittelraum 8 sowie den Kühlmittelzuführungskanal 9 umgebender, mitrotierender Kryostat mit einer Kryostatenaußenwand 10a und einer den Rotorkörper 4 umschließenden Kryostateninnen- wand 1Ob, 11 ein den Kühlmittelzuführungskanal 9 umschließender stationärer Vakuumraum,
12 ein rotierender Vakuumraum,
13 eine zwischen dem stationären Vakuumraum 11 und einem diesen konzentrisch umschließenden Teil der rotierenden Kryostatenaußenwand ausgebildete ringförmige Spaltdichtung,
14 eine Ferrofluidikdichtung sowie
15 eine an sich bekannte Kältemitteltransferkupplung, insbesondere mit dem Kühlmittelzuführungskanal 9, den Vakuumräumen 11 und 12 sowie den Dichtungen 13 und 14.
Wie insbesondere aus Figur 2 näher hervorgeht, werden eine oder mehrere supraleitende Rechteckspulen der Wicklung 5 von der zumindest im wesentlichen nur zugaufnehmenden Halteeinrichtung 6 in einem vakuumisolierten Gehäuse eines Ringkry- ostaten 10 gehalten. Der Kryostat besteht vorteilhaft zumindest auf seiner Außenseite aus einem elektrisch gut leitenden Metall wie Aluminium oder Kupfer und kann so als ein elektromagnetischer Dämpferschild wirken. In dem evakuierten Kry- ostatengehäuse können noch in an sich bekannter Weise eine Wärmeeinleitung auf die Wicklung 5 weiter reduzierende Mittel wie Wärmestrahlungsschilde und/oder Superisolation vorhanden sein. Die Rechteckspulen werden zusammen mit dem rotierenden Teil der an sich bekannten Kältemitteltransferkupplung 15, über die von feststehenden Teilen auf rotierende Teile das Kühlmittel K insbesondere in den Kühlmittelsammelraum 8 gelangt, vorgefertigt. Bei der dargestellten Ausführungsform ist die Rotorwicklung zweipolig ausgebildet, wobei ihr Kryostat im Bereich der Abplattungen 4a und 4b an der Außenseite des Rotorkörpers 4 angeordnet bzw. befestigt ist. Die dort vorhandenen Außenbereiche sind allgemein mit 4c bzw. 4d bezeichnet. Im Querschnitt gesehen nehmen jeweils diese Außenbereiche eine bezüglich einer Kreisfläche zumindest annähernd kreissegmentartige oder -kappenartige Fläche ein. Entsprechend sind 4-, 6-, 8- usw. -polige Ausbildungen der Rotor- wicklung mit 2, 3, 4 usw. getrennten Wicklungskryostaten auf einem warmen Kern mit 4, 6, 8 usw. Abplattungen zu realisieren.
Zur Ausführungsform der Wicklung 5 insbesondere gemäß Figur 3 - Die vorteilhaft vorgefertigte Wicklung wird auf den Rotorkörper, und zwar auf einem seitlich abgeplatteten warmen Eisenkern befestigt. - Die Wicklung besteht aus flachen Spulen vom Rennbahn- bzw. Viereck-Typ. Sie wird vorzugsweise aus bandförmigen Leitern mit Hoch-Tc-Supraleiter (HTS) -Material oder aus einem HTS-Seilverbundleiter in Form sogenannter "Pancakes" 18 erstellt und ist innerhalb von Wicklungskammern 19 in
Wicklungsblöcken gestapelt. Die Wicklungsblöcke sind auf der radial innen liegenden Seite in einer oder mehreren nebeneinander liegenden Wicklungskammern von schienenarti- gen, rinnenartigen oder trogartigen, nachfolgend als Trag- schienen 21 bezeichneten Halteelementen untergebracht, die insbesondere aus einem unmagnetischen Stahl bestehen können.
- Die Windungszahl ist durch die nötige Anzahl an Amperewindungen gegeben; damit ist auch die Querschnittsfläche aus dem Produkt „Wicklungshöhe mal gesamte Wicklungsbreite" bestimmt .
- Die Wicklungshöhe in den einzelnen Wicklungskammern ist durch den maximal zulässigen Druck begrenzt, der infolge von Zentrifugalkräften und/oder Drehmomentkräften auf die HTS-Wicklung bei maximaler Drehzahl auf die HTS-Leiter an der den Halteschienen zugewandten Oberfläche ausgeübt wird. Bei Wismut-Cuprat-Supraleiterbändern soll der Zentrifugaldruck höchstens 50 MPa, vorzugsweise weniger als 15 MPa betragen. Aus der Wicklungshöhe ergibt sich auch die gesamte Wicklungsbreite.
- Die Wicklungskammerbreiten sind so bemessen, dass bei den auf die Wicklung wirkenden Drehmomenten in allen auftretenden Betriebs- und/oder Fehlerzuständen die summierten Flächendrucke infolge der azimutalen Kräfte auf die Supra- leiterwicklungen an den Seitenflächen der Wicklungskammern den zulässigen Wert nicht übersteigen. Bei Wismut-Cuprat- Supraleiter-Bändern soll der entsprechenden Druck höchstens 50 MPa, vorzugsweise weniger als 15 MPa betragen.
- Bei einer vorgegebenen gesamten Wicklungsbreite und Wick- lungshöhe ergibt sich daraus die nötige Mindestzahl von
Wicklungskammern. Bei den Ausführungsformen nach den Figu- ren 1 bis 4 und 7 ist jeweils von Wicklungen mit zwei Kammern ausgegangen.
- Die Zugelemente der Halteeinrichtung 6 greifen an den Tragschienen 21 vorzugsweise im Bereich der zwischen den Wicklungskammern 19 ausgebildeten Stege und an den Seitenstegen an.
Zur Ausführungsform der Aufhängung insbesondere gemäß den Figuren 3 und 4 - Die Darstellungen in den beiden Figuren ergeben sich bei einem Schnitt längs einer entsprechenden, in der jeweiligen Figur eingetragenen Schnittlinie. Die Darstellungen sind nicht maßstabgetreu.
- Die zugaufnehmende Halteeinrichtung 6 umfasst eine Grund- platte 24 des Kryostaten, die sich parallel zur jeweiligen
Ebene der zugehörenden Abplattung erstreckt und auf die radiale und tangentiale Kräfte von der in den Tragschienen
21 der Wicklungskammern 19 befindlichen Wicklung 5 über Zugelemente 22 und 23 weitergeleitet werden. Diese Grund- platte bildet im allgemein die Kryostateninnenwand 10b.
Diese Wand wird entweder durch den Rotorkörper im Bereich der zugeordneten Abplattung selbst gebildet oder ist wie im Fall der in den Figuren gezeigten Ausführungsform mit dem Körper an der jeweiligen Abplattung kraftschlüssig verbunden. Figur 3 zeigt in einem Querschnitt die Wicklung 5 im Kryostaten 10 einschließlich der Kraftaufnahme.
- Die Zugelemente der Halteeinrichtung 6 sind vorzugsweise Schlaufen 22 oder Stäbe 23. Sie sind vorteilhaft aus thermisch schlecht leitendem Material wie GFK oder CFK herge- stellt, das im Hinblick auf die auftretenden Kräfte eine hinreichende mechanische Festigkeit besitzt. Darüber hinaus erlauben diese Elemente vorteilhaft eine Verkippung in Richtung der Rotorachse, um so eine thermische Schrumpfung der Wicklung gegenüber dem Rotorkörper aufzunehmen. Figur 4 zeigt im Längsschnitt eine Ausführungsform mit Schlaufen
22 als Zugelementen, die in Aufhängeelemente 20a (kalt) und 20b (warm) eingehängt sind. - Die Grundplatte 24 hat vorzugsweise axial beabstandet parallele, senkrecht zur Rotorachse verlaufende trapezförmige Rippen 24a, die Schwalbenschwanzförmig ausgebildet sind und in entsprechend geformte Ausnehmungen 25 im Rotorkör- per 4 eingreifen und so auf diesen die auf die Wicklung 5 wirkenden Kräfte übertragen.
- Selbstverständlich kann eine von der Darstellung abweichende Ausführungsform der Halterung der Wicklung an der Grundplatte zur Kraftübertragung vorgesehen sein. Wesent- lieh dabei ist nur, dass die Aufhängung auch thermisch bedingte Schrumpfungen zulässt.
Weitere Ausführungsformen des Kryostaten bzw. der Halteeinrichtung - Nach Figur 3 hat der Ringkryostat 10 einen segmentförmigen Querschnitt. Er besteht vorzugsweise aus gut leitendem Metall und wirkt so zugleich als ein magnetischer Dämpferschild.
- Die Außenkontur des Rotorkörpers 4 sowie die entsprechende Kontur des Kryostaten bilden vorzugsweise einen Zylinder, um so die Luftreibung zu minimieren.
- Gemäß Figur 5 kann die Halteeinrichtung 6 bzw. können deren Zugelemente auch direkt an dem Rotorkörper 4 verankert werden. Der Wicklungsbereich wird dann mit gebogenen Wand- Segmenten 26 überdeckt, die an den Rändern mit dem Eisen des Rotorkörpers vakuumdicht verschweißt werden können. Auf diese Weise ist die Ausbildung und Einhaltung eines Isoliervakuums um die Wicklung möglich. Die Kryostatenwand kann unmagnetisch sein oder auch, um ihre Schweißbarkeit zu verbessern, aus ähnlichem oder gleichem magnetischen Material wie der Rotorkörper bestehen.
Zur Ausführungsform der Wicklungskühlung insbesondere nach den Figuren 1 und 2 - Entlang achsenparalleler Zweige an der supraleitenden Rotorwicklung 5 oder durch diese hindurch verlaufen Kühlrohre, die vorzugsweise eine oder mehrere Thermosyphon- Schleifen bilden, in denen ein kryogenes Kühlmittel K unter Ausnutzung einer freien Konvektion zirkuliert. Bei der Verwendung von HTS-Material für die Leiter der Wicklung kommt beispielsweise Flüssig-Neon (LNe) oder Flüssig- Wasserstoff (LH2) oder ein Gemisch dieser Flüssigkeiten mit Helium (He) in Frage. Der Zulauf in der Kühlmittelhinleitung 7a kann als achsenparallele Kanäle innerhalb oder als Kühlrohre in thermischem Kontakt mit den Tragschienen 21 ausgebildet sein (vgl. Figur 3) . Der wärmere Rücklauf des Kühlmittels in der Kühlmittelrückleitung 7b verläuft vorteilhaft näher zur Rotationsachse, um so bei Rotation einen Selbstpumpeffekt zu erzeugen. Er ist vor allem im thermischem Kontakt mit den Zugelementen 22, um einströmende Wärme über diese Elemente vor der Wicklung 5 abzu- fangen. Die sich an den Wicklungsenden befindenden radialen Spulenteile können beispielsweise nur über Wärmeleitung entlang dem Supraleiter gekühlt werden.
- Am erregerseitigen Ende münden alle Thermosyphon-Schleifen in ein rotierendes Vorratsbad in dem Kühlmittelraum 8 (vgl. Figur 1) , der um die Rotorachse A im Vakuum des Kry- ostatengehäuses 10 untergebracht ist. In diesem Kühlmittelraum wird die Flüssigkeit und das Gas des Kühlmittels K getrennt, das über eine an sich bekannte Kryokupplung mit dem vakuumisolierten Kühlmittelzuführungskanal 9 in Ver- bindung mit einem externen Kryokühler steht.
- Selbstverständlich sind auch andere an sich bekannte Kühlarten wie z.B. eine forcierte Kühlung für eine erfindungsgemäß ausgeführte Maschine anwendbar. Auch eine Verwendung von einphasigem Gas wie Helium, Wasserstoff oder Neon als Kühlmittel ist denkbar. Das Gas kann unter so hohem Druck stehen, dass es sich im superkritischen Zustand befindet.
Zur Ausführungsform des Rotorkörpers 4 insbesondere nach den Figuren 2 , 5 und 6 - Wie aus Figur 6 hervorgeht, braucht bei der Gestaltung eines Rotorkörpers 27 nicht unbedingt von einer exakten Kreisform seines Querschnitts wie im Falle der Ausfüh- rungsformen nach den Figuren 2 und 5 ausgegangen zu werden. Er kann vielmehr vorteilhaft ein vorgegebenes Profil, etwa in Form weiterer Abflachungen 28, aufweisen, um so eine bessere Annäherung an eine gewünschte Feldcharakte- ristik ,B °c cos Φ" zu erhalten. Die konkrete Form ist aus Feldberechnungen festzulegen. Auch hier sind etwa kreissegmentartige Außenbereiche vorhanden, in denen der oder die Kryostaten 10 angeordnet ist/sind. Wie ersichtlich, wird bei einer erfindungsgemäßen Maschine unter einer zu- mindest annähernd kreissegmentartigen Gestalt der Außenbereiche auch eine Form verstanden, bei der die Außenkontur dieser Außenbereiche bzw. der Kryostaten nicht exakt kreisbogenförmig zu sein braucht.
- Selbstverständlich sind auch Polzahlen p>2 realisierbar. Hier sind p flache Spulen insbesondere von Rennbahntyp in eigenen Kryostatengehäusen in der dargestellten Weise auf einem p-seitigen Rotor (grund) körper in abgeplatteten Bereichen angebracht, wobei dieser insbesondere zur Feldverstärkung einen Kern aus ferromagnetischem Material besit- zen kann oder zumindest im Bereich der Wicklung aus diesem
Material besteht.
Zur Ausführungsform der Wickelköpfe der Wicklung 5
- Bei einem zweipoligen Rotor, wie er mit einer der vorste- hend beschriebenen Flachwicklungen ausgestattet ist, müssen die Wicklungsenden den massiven Rotorkörper 4 durchdringen. Gemäß der in Figur 7 dargestellten Ausführungsform ist der Rotorkörper 4 zusammensetzbar. Z.B. ist er dreigeteilt und umfasst zwei scheibenförmige, stirnseitige Endstücke 30a und 30b sowie einen zwei radial gegenüberliegende Abplattungen aufweisenden, die Wicklung 5 aufnehmenden Mittelteil 31. Die Wellenenden 32a und 32b mit den Endstücken 30a bzw. 30b werden dann mit ihren beispielsweise genuteten Flanschen erst nach dem Zusammenbau des Spulenkryostatengehäuses 10 an dem Mittelteil 31 befestigt, beispielsweise mit diesem verschraubt. In Figur 7 sind ferner noch mitgekühlte Teile 21a bis 21d von Trag- schienen ersichtlich, an denen die als Flachwicklung ausgebildete Rotorwicklung 5 gehalten und kraftschlüssig mit dem Mittelteil 31 verbunden wird. Die Tragschienenteile 21c und 21d sind axialen Spulenteilen 5c bzw. 5d zugeord- net, während die Tragschienenteile 21a und 21b radiale Spulenteile 5a bzw. 5b in den Wickelkopfbereichen der Wicklung 5 halten.
- Die Zentrifugalkraft erzeugt in den radialen Wicklungsteilen 5a und 5b an den Wicklungsenden bzw. -köpfen im We- sentlichen Zugkräfte. Zur Aufnahme der axialen Magnetkräfte zwischen der Wicklung und dem Rotorkörper 4 bzw. -kern sind hier ebenfalls endseitige Tragschienen und Zugelemente vorgesehen. Die Zugkräfte werden entweder vom gegebenenfalls mechanisch verstärkten Leiter der Wicklung aufge- nommen oder zum Teil von den Tragschienenteilen 21a, 21b, wenn die Spulenteile 5a und 5b der Wicklung mit einem geeigneten Harz in die Kammern eingeklebt sind.
- Eine alternative Ausbildungsmöglichkeit eines zweipoligen Rotors zeigen die Figuren 8 und 9. Hier ist die Rotorwick- lung in zwei beabstandete Teilwicklungen 35a und 35b unterteilt, die sich jeweils in einem eigenen Ringkryostaten 36a bzw. 36b befinden. Diese Ringkryostaten greifen in stirnseitige Einkerbungen 37a und 37b in den Wellenenden 32a und 32b eines hier durchgehenden Rotorkörpers 38 ein. Bei dieser Ausführungsform kann gegenüber der nach Figur 7 auf eine Unterteilung des Rotorkörpers verzichtet werden.
- Eine weitere Ausführungsform mit zwei Kryostaten auf einem durchgehenden Rotorkörper 41 zeigt Figur 10. Bei dieser Ausführungsform ist die Rotorwicklung in zwei in der Figur nicht näher ausgeführte supraleitende Sattelspulen 42a und 42b unterteilt, die sich in entsprechend geformten Kryostaten 43a bzw. 43b befinden. Auch hier erfolgt die Kraftaufnahme der Wicklung mit Tragschienen und Zugelementen. Bei dieser Ausführungsform sind bei einer Verwendung von bandförmigen HTS-Leitern Biegeradien über die hohe Kante zu berücksichtigen, die häufig auf maximal einen Meter begrenzt sind. Konkretes Ausführungsbeispiel
Die nachfolgenden Angaben beziehen sich auf einen zweipoligen Rotor gemäß Figur 1 für einen 830 MVA- urbogenerator mit HTS- Wicklung:
Drehzahl 50/s
Nenndrehmoment 2 , 4 MNm
Lä ferabmessungen (0 x axiale Länge) 1,16 m x 6,3 m Windungszahl 4100 Radialbeschleunigung auf Wicklung 55000 m /s
Wickelhöhe x Breite x Kammerzahl 15 mm x 75 mm x 4 Breite x Dicke Tragschiene 350 mm x 15 mm
Radialkraft gesamte Wicklung 50 MN Tangentialkraft gesamte Wicklung 4,5 MN Max. Radialdruck auf HTS-Leiter 6,5 MPa Tangentialdruck auf HTS-Leiter 5,8 MPa Länge der GFK-Zugelemente 0,06 m
(x = Multiplikationszeichen)

Claims

Patentansprüche
1. Maschine mit einem um eine Rotationsachse drehbar gelagerten Rotor, der eine supraleitende Rotorwicklung sowie einen ungekühlten Rotorkörper enthält, wobei der Rotorkörper an seiner Außenseite Abplattungen aufweist, so dass Außenbereiche mit jeweils zumindest annähernd kreissegmentartigem Querschnitt ausgebildet sind, in denen in wenigstens einem Kryostaten mindesten eine Spule der Rotorwicklung an einer zug- aufnehmenden Halteeinrichtung angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Zugaufnahme der Halteeinrichtung (6) an dem Rotorkörper (4) im Bereich (4c, 4d) der Abplattungen (4a, 4b) erfolgt.
2. Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotorkörper (4) einen Rotorkern aus ferromagnetischem Material enthält .
3. Maschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Kryostat (10) zumindest teilweise vorgefertigt und an den Abplattungen (4a, 4b) befestigt ist.
4. Maschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Kryostat (10) eine Zylinderform des Rotorkörpers (4) ergänzende Außenkontur besitzt .
5. Maschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Kryostat (10) zumin- dest teilweise aus elektrisch gut leitendem Metall besteht und als ein elektromagnetischer Dämpferschild wirkt.
6. Maschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Halteeinrichtung (6) schlaufenförmi- ge und/oder stabförmige Zugelemente (22, 23) aufweist.
7. Maschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Zugelemente (22, 23) derart ausgebildet sind, dass sie eine Längskontraktion der Rotorwicklung (5) bei einer Abkühlung gegenüber dem Kryostaten (10) erlauben.
8. Maschine nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Zugelemente (22, 23) aus thermisch isolierendem Material hinreichender mechanischer Festigkeit bestehen.
9. Maschine nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorwicklung (5) elektrisch isoliert in Tragschienen (21; 21a bis 21d) angeordnet ist, welche an den Zugelementen (22, 23) befestigt sind.
10. Maschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Spule der Rotorwicklung (5) eine in radialer Richtung zu messende Wicklungshöhe aufweist, die durch die maximal zulässigen, summierten Druckbeanspruchungen der supraleitenden Leiter der jeweiligen Spu- le auf Grund von Zentrifugal- und/oder Drehmomentkräften begrenzt ist.
11. Maschine nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Spulen der Rotorwicklung (5) jeweils in einer Wick- lungskammer (19) angeordnet sind, wobei die minimale Anzahl der Kammern (19) und/oder Spulen durch die maximal zulässige Wicklungshöhe der jeweiligen Spule in der ihr zugeordneten Kammer festgelegt ist.
12. Maschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorwicklung (5) mindestens eine Rechteckspule oder eine Spule vom Rennbahntyp oder zwei Sattelspulen (42a, 42b) aufweist.
13. Maschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorwicklung (5) eine Rechteckspule oder eine Spule vom Rennbahntyp aufweist, die an einem Mit- telteil (31) eines zusammensetzbaren Rotorkörpers (4) anzuordnen ist (vgl. Figur 7).
14. Maschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorwicklung (5) zumindest teilweise vorgefertigt ist.
15. Maschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass achsenparallel an der Rotorwicklung (5) oder durch diese Kühlmittelleitungen (7a, 7b) für ein Kühlmittel (K) verlaufen.
16. Maschine nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmittel (K) in den Kühlmittelleitungen (7a, 7b) unter Ausnutzung einer freien Konvektion zirkuliert.
17. Maschine nach Ansprüche 15 oder 16, gekennzeichnet durch eine Zirkulation des Kühlmittels (K) in Thermosyphon- Schleifen.
18. Maschine nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einige der Kühlmittelleitungen (7a, 7b) in thermischer Verbindung mit Teilen der Halteeinrichtung (6) stehen.
19. Maschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorwicklung (5) mit Leitern aus HTS-Material erstellt ist.
20. Maschine nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass HTS-Bandleiter oder HTS-Seilverbundleiter vorgesehen sind.
21. Maschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Ausbildung als Synchronmotor, vorzugswei- se -generator.
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