WO2015197478A1 - Kühlvorrichtung zur kühlung einer elektrischen maschine, mit kühlmittelübertragung in axialer richtung - Google Patents

Kühlvorrichtung zur kühlung einer elektrischen maschine, mit kühlmittelübertragung in axialer richtung Download PDF

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WO2015197478A1
WO2015197478A1 PCT/EP2015/063789 EP2015063789W WO2015197478A1 WO 2015197478 A1 WO2015197478 A1 WO 2015197478A1 EP 2015063789 W EP2015063789 W EP 2015063789W WO 2015197478 A1 WO2015197478 A1 WO 2015197478A1
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WO
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coolant
rotor
cooling device
space
cooling
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PCT/EP2015/063789
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Inventor
Tabea Arndt
Michael Frank
Jörn GRUNDMANN
Anne KUHNERT
Peter Kummeth
Wolfgang Nick
Marijn Pieter Oomen
Peter Van Hasselt
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • 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
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K9/00—Arrangements for cooling or ventilating
    • H02K9/22—Arrangements for cooling or ventilating by solid heat conducting material embedded in, or arranged in contact with, the stator or rotor, e.g. heat bridges
    • H02K9/225—Heat pipes
    • 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

  • Cooling device for cooling an electric machine, with coolant transfer in the axial direction
  • the invention relates to a cooling device for cooling an electrical machine with a rotatably mounted around a rotation axis rotatably rotatably mounted rotor rotor, which is arranged on a central rotor shaft with a fixed condenser space, which is in thermal contact with a stationary cold head and at least one on the rotor arranged first coolant space.
  • Thermosiphon principle circulates and thereby dissipate heat from the rotor.
  • cooling systems can superconducting coil windings, especially superconducting Rotie ⁇ Rende excitation windings are cooled to an operating temperature below the critical temperature of the superconductor and be maintained at this operating temperature.
  • both a generator and a gas turbine and a steam turbine on the same rotating shaft.
  • the generator between the gas turbine and the steam turbine is advantageously arranged so that in each case only a short axial path for the respective Drehmo ⁇ ment transmission has to be bridged over the shaft.
  • Wei ⁇ terhin the design of a solid and continuous wave is advantageous in order to transmit the sometimes high torques at very high speeds under certain circumstances with high stability. In such an arrangement, no free shaft end for supplying coolant in the vicinity of the Ge ⁇ nerators is available.
  • Object of the present invention is therefore to provide a cooling device for an electrical machine, which avoids the disadvantages mentioned.
  • a cooling device is to be specified, via which a coolant can be fed from a fixed refrigeration system into a rotatably mounted rotor in a simple manner, without using a cavity in the interior of a rotor wool for this purpose.
  • Another object of the invention is to provide an electric machine with such a cooling device.
  • the cooling device according to the invention for cooling an electrical machine with a rotor rotatably mounted about a rotation axis and arranged on a central rotor shaft comprises at least one fixed one
  • Cold head is in thermal contact, and at least one arranged on the rotor first coolant space, wherein the first coolant space annularly surrounds the central rotor shaft and has an axial boundary wall, which is provided with egg ⁇ nem annular gap for feeding and / or discharge of coolant.
  • a significant advantage of the cooling device according to the invention is that a cooling reservoir arranged on the rotor is provided by the first coolant space, which is arranged radially outside the rotor shaft.
  • the first coolant space which is arranged radially outside the rotor shaft.
  • an interface for inlet and / or outlet of coolant is provided, which is also arranged radially outside the rotor shaft.
  • the rotor shaft can be designed as a continuous component, which connects the rotor on one or both sides with other rotating devices.
  • the coolant of the cooling device can be circulated in a closed circuit according to the principle of thermosiphon cooling in order to dissipate heat from the rotor.
  • the closed circuit of the coolant can advantageously run off completely radially outside the region of the rotor shaft.
  • the electric machine according to the invention has a rotor rotatably mounted about a rotation axis, which is arranged on a central rotor shaft, and at least one inventions ⁇ tion proper cooling device.
  • the advantages of such an electric machine are analogous to the descriptions ⁇ nen advantages of the cooling device according to the invention.
  • the electrical machine to be on the rotor ⁇ associated electrical coil which can be cooled via thedevor ⁇ direction.
  • This coil winding can be a superconducting coil winding, in particular a high-temperature coil winding. be superconducting coil winding.
  • the electric machine may be, for example, a generator or a motor.
  • the first coolant chamber of the cooling device can be fluidically connected to the condenser space via the annular gap.
  • a fluidically closeddemit ⁇ tel Vietnameselauf be formed, which extends over the rotating first coolant chamber and the fixed condenser space he stretches.
  • This allows coolant circulate on the principle of Ther mosiphon cooling between the condenser and the first coolant chamber of the rotor and dissipate heat from the rotor in this way.
  • thisdemit tel in the condenser space can be liquefied by the cooling effect of the cold head and fed in liquid form into the first coolant chamber of the rotor.
  • the liquid coolant ⁇ medium can evaporate in the region of the rotor and thereby extract the arranged on the rotor components heat.
  • This evaporation need not be of the rotor in the first coolant chamber, but may be spatially removed from the saufin, for example in the vicinity of a rotor in the angeord ⁇ Neten electrical coil winding, in particular a superconducting coil winding.
  • the refrigerant can be performed as gaseous substance in turn via the acting as an interface annular gap in the fixed condenser space, where it can condense by the cooling effect of the cold head and the cycle begins again.
  • a supercritical state of the coolant can also be passed through. to run. This can occur, in particular, when the coolant is pressurized in radially outward regions of the rotor by the rotational forces and hereby passes through into a supercritical state in which the difference between liquid and gas is no longer present. Then, a similar cycle can take place, which is driven by temperature-dependent dich ⁇ teunter Kunststoffe in the supercritical coolant.
  • a circuit between condensed refrigerant at lower pressure, supercritical refrigerant at high pressure, and gaseous refrigerant at lower pressure may be passed, the gaseous refrigerant in turn condensing in the condenser space to subcritical liquid refrigerant.
  • the gaseous refrigerant in turn condensing in the condenser space to subcritical liquid refrigerant.
  • the average distance of the annular gap from the outer side of the rotor shaft can advantageously at most 5 cm Betra ⁇ gene.
  • mean diameter of the annular gap can not exceed 200% of the outer diameter of the rotor shaft.
  • Such a limitation of the diam ⁇ sers of the annular gap is advantageous Reibungsver ⁇ losses both between reduce between stationary coolant and rotating elements, because in radially inner portions the velocities of the moving parts are less rotating coolant and fixed elements as well.
  • the first coolant chamber may be fluidly connected to at least one cooling tube loop arranged on the rotor, which is thermally coupled at least in a partial region to an electrical coil winding arranged on the rotor.
  • the coolant of the f th ⁇ coolant space does not have to directly to the heat-dissipating grain b
  • the components of the rotor may be coupled, but it can be transported ⁇ advantage over such a cooling pipe loop to a region of the rotor, in which the to entffynde electrical coils ⁇ winding is arranged.
  • the first coolant space can be located in an axial end region of the rotor, and the cooling pipe loop can serve to guide thedemit ⁇ tel other, from the first coolant space distant axial regions.
  • the cooling tube loop may be configured to direct coolant into other radial regions remote from the first coolant space.
  • the annular first coolant ⁇ space surround the rotor shaft in a radially inner region, and the cooling tube loop can transport the coolant from there into radially further outlying areas (and back again) in which, for example, an electrical coil winding can be arranged ,
  • the cooling pipe loop can be designed to transport the compressed coolant by means of centrifugal forces occurring during the rotation into radially further outward regions of the rotor.
  • ausbil ⁇ Denden pressure and temperature conditions and thereby entste ⁇ Henden differences in density the evaporated in radially penetratelie ⁇ restricting portion gaseous coolant or heated in this area and extended over a critical cooling ⁇ medium can return to the radially inner region of the first coolant space be transported.
  • the cooling pipe loop called a radially outboard section for transporting kal ⁇ system coolant in the area to be cooled and a radially inner portion for the transport of heated coolant back to the first coolant chamber.
  • the cooling device may comprise a plurality of cooling ⁇ tube loops to cool different regions of the rotor.
  • such cooling tube loops in Circumferentially connected at different points of the first coolant chamber, so as to cool areas in different ⁇ nen circumferential segments of the rotor.
  • a plurality of cooling tube loops for cooling different axial and / or radial regions of the rotor may be provided.
  • the fixed condenser space may be fluidically coupled to the first coolant space of the rotor via at least one connecting tube protruding into the annular gap.
  • This connecting pipe can advantageously be stationary.
  • a closed cooling circuit between the fixed condenser space and the rotating first coolant space can advantageously be formed via this at least one connecting pipe.
  • a transport of liquid coolant toward the rotor and a transport of gaseous coolant away from the rotor to the fixed condenser space can take place in the same connecting tube .
  • the connecting pipe thus acts as part of a heat ⁇ pipe, the coolant transported in both directions.
  • the connecting tube protruding into the annular gap can be arranged in an annular connecting piece whose cross-section fills a majority part of the annular gap.
  • the annular connector and since ⁇ rin arranged connecting tube may both be advantageously fixed ⁇ standing, wherein the connecting pipe is fluidly connected to the fixed condenser.
  • the annular connector advantageously has a circular Geome ⁇ trie and is adapted in shape and size to the gap that it substantially fills these. For example, the Be cross-section of the connector so large that it fills the gap to at least 80%, in particular at least 90 ⁇ 6 of its width.
  • the annular connecting piece may in particular be a cylindrical connecting piece. It may also include a conically-shaped cross-sectional profile and / or a stepped cross-sectional profile to be introduced particularly passge ⁇ precisely into the annular gap to.
  • one or more connecting tubes may be in the form of tubular recesses. These connecting pipes can then outwardly, for example, as self-supporting pipes to the annular connecting piece.
  • the at least one connecting pipe may be disposed in the region of the annular gap, for example geodetically above the center ⁇ eral rotor shaft.
  • liquefied coolant can pass through the influence of heavy ⁇ force from the connecting pipe in a large area of the coolant space.
  • the connecting tube can also be arranged geodetically below the central rotor shaft, or it can be arranged laterally next to it. In these cases, liquefied coolant with the help of
  • connection pipe arranged between the fixed condenser space and the rotating first coolant space may be arranged sloping at least in a partial area towards the first coolant space in order to assist the feeding of the coolant into the first coolant space by gravity.
  • an obliquely sloping region can advantageously be formed on the side of the connecting tube facing the first coolant chamber.
  • the at least one fixed condenser space can be fluidically coupled to the first coolant space of the rotor via a plurality of connecting tubes projecting into the annular gap.
  • these connecting tubes can be arranged at different ⁇ positions in the circumferential direction of the annular gap.
  • they can each be arranged in ⁇ nerrenz an annular connector, as described above.
  • a single condenser space can be connected to the first coolant space via a plurality of connecting pipes, for example in order to provide an increased pipe cross-section at a comparable size of the annular gap and / or to distribute the entry of the coolant spatially more evenly.
  • a plurality of condenser spaces which are each thermally coupled to at least one separate cold head, may be connected to the first coolant space via respective connecting tubes. This may for example be necessary to wait for some cold ⁇ heads or replace can, without interrupting the operation of the entire electrical machine.
  • the fixed condenser space may be fluidly coupled to the first coolant space via at least one pair of connecting tubes, wherein each of a first connecting tube of the pair for feeding coolant into the first coolant space and a second connecting tube of the pair for discharging coolant from the first coolant space is.
  • a first connecting pipe may be at least, for example, having formed in the condenser column of liquid of the refrigerant in connection ste ⁇ hen, and the at least one second connecting pipe may be in communication with a region of the condenser space, present in the gaseous refrigerant.
  • the first coolant chamber may be connected via the annular gap with an intermediate chamber which surrounds the central rotor shaft in an annular manner. It can be advantageously arranged on at least one boundary wall of this intermediate chamber, a seal between rotating elements of the rotor and fixed elements which are connected to the connecting tube.
  • the connection chamber may be bounded in part by fixed elements and partly by rotating elements.
  • the connecting chamber is advantageously a relatively closed region, which is connected to the first coolant chamber essentially only via the remaining opening of the annular gap, at least as far as this opening is not filled by an annular connecting piece.
  • the intermediate chamber may still be connected via a residual permeability of the seal between the rotating and stationary elements with the surrounding atmosphere.
  • the intermediate chamber may be delimited, at least in a partial region, by thermally poorly conducting material, so that a separation from a cold boundary wall and a warm boundary wall can result in this region.
  • the annular gap can then advantageously be arranged in a cold boundary wall of the intermediate chamber, as this boundary wall a Begren ⁇ may be wetting wall of the first coolant space simultaneously.
  • the seal between rotating and fixed elements can be arranged in a relatively warm region of the boundary wall of the intermediate chamber. In this embodiment, the requirements for the seal are significantly lower because rotary seals for higher temperature ranges can be made much less expensive, cheaper and / or gas-tight.
  • the intermediate chamber may be at least partially filled with gaseous coolant.
  • the annular gap does not have to be sealed gas-tight.
  • no gas-tight rotary seal must be present in the cryogenic temperature range.
  • the transition from fixed to rotating elements can advantageously be decoupled from a transition between cold and warm wall regions.
  • the intermediate chamber may be fluidly connected to the first coolant space.
  • the intermediate chamber may be formed as a vacuum-tight chamber.
  • a said at least one connecting tube supporting connector must be vacuum-tight sealed against the axial boundary wall of the first coolant ⁇ period.
  • Such a seal should end expedient ⁇ SSIG vacuum-tight manner in a cryogenic temperature range, since the axial boundary wall of the firstdemit ⁇ telraums is expediently designed as a cold wall.
  • the thermal losses and / or the coolant losses in the region of the intermediate chamber may be lower than in embodiments in which the intermediate chamber is filled with gaseous coolant.
  • the requirements for the seals are correspondingly higher.
  • the intermediate chamber may be located axially further outward relative to the position of the first coolant chamber on the rotor. orders be. This embodiment simplifies the lateral coupling of coolant from a fixed tube.
  • the annular intermediate chamber may have on its respective peripheral segments a radial extension that is greater than an axial length of the intermediate chamber. Especially before ⁇ geous, the radial extent by at least 25% greater than the axial length. Such a size ratio may be advantageous if only little axial space is available for the supply of the coolant, for example, if in a gas and steam power plant, the generator is very close to the gas turbine and / or the steam turbine angeord ⁇ net.
  • the annular intermediate chamber may have on its respective circumferential segments a radial extent which is smaller than the axial length of the intermediate chamber. Be ⁇ Sonders the radial extent of at least 25% may be smaller than the axial length advantageous.
  • the first coolant space may be thermally coupled to a second coolant space via an intermediate wall, wherein the second coolant space is fluidically connected to at least one cooling tube loop arranged on the rotor, which is thermally coupled at least in a partial area to an electrical coil winding arranged on the rotor.
  • the second coolant space is fluidically connected to at least one cooling tube loop arranged on the rotor, which is thermally coupled at least in a partial area to an electrical coil winding arranged on the rotor.
  • the first coolant circuit extends over the fixed condenser space and the rotating first coolant space and via one or more optionally interposed connecting pipes.
  • the second coolant circuit extends over the second coolant space and the weir tendonss a cooling pipe loop can be transported away by the heat from the elec ⁇ tric coil winding. It is therefore a cascaded system of two cooling circuits.
  • the same refrigerant can be chosen as examples game, wherein un ⁇ ter circumstances in the two cooling circuits may be a significantly different pressure. For example, there may be a higher average pressure in the second cooling circuit, thereby causing operation at relatively higher temperatures.
  • a circuit between liquid phase and gas phase can take place in the first cooling circuit, while in the second cooling circuit a cycle takes place between different dense states of a supercritical coolant. It may come to a ⁇ set in the two cooling circuits different coolant.
  • the second coolant space can also surround the central rotor shaft in an annular manner.
  • the condenser and at least the first coolant space can be filled with a refrigerant comprising nitrogen, He ⁇ lium or neon.
  • the possibly present second coolant space can be advantageously filled with such a coolant.
  • the electrical machine may comprise at least one electric coil winding arranged on the rotor and at least two power supply lines for connecting the coil winding to an external circuit, wherein the power supply lines are arranged in a first axial end region of the rotor and the first coolant chamber is arranged in the same first axial end region of the rotor is.
  • an optionally present intermediate chamber and one or more connecting tubes on the same axial side of the Ro ⁇ tors can be suitably arranged.
  • An injection of the coolant on the axial side of the power supply lines may be advantageous to dissipate the heat additionally generated and / or coupled in this area by the power supply lines.
  • the electric machine may comprise at least two cooling devices according to the invention. This may be advantageous to increase the overall cooling performance of the system and / or to provide redundancy in the event of failure of one of the cooling systems. Such an embodiment may also be useful for purely geometrical considerations, for example, to feed coolant from two axial end portions of the rotor.
  • cooling devices In an electric machine with two or more cooling devices, these can be fluidly separated and operate independently of each other.
  • one cooling device fails, another can take over the complete cooling of the electrical machine.
  • these can be configured differently. For example, they can be designed for different cooling capacities.
  • a cooling device with a higher cooling power on this axial side than in the opposite axial region.
  • the cooling devices in particular the cooling tube loops of the individual cooling devices may overlap in their axial Ausdeh- voltage, so that at least some axial regions of the rotor may be redundant ge ⁇ cools by at least two cooling devices.
  • two or more cooling devices may be fluidly coupled in an electric machine, in particular they may be fluidically coupled within the rotor.
  • Such an embodiment may be useful, for example, to both axial end portions of a rotor for To use coupling of coolant, on the other hand, but to keep the number of arranged on the rotor cooling tube loops low.
  • cooling devices In an electric coil winding having extended radial coil sections in both axial end regions of the rotor, it may be advantageous cooling devices to attach the axial sides of the rotor at ⁇ whose cooling tube loops extend radially at least in a partial region and is coupled there thermally coupled to adjacent extending radial coil sections are.
  • Such execution ⁇ form may be particularly advantageous in such an electrical coil windings which is provided to form a two-pole magnetic field.
  • FIG. 1 shows a schematic longitudinal section through a rotor and a cooling device according to a first exemplary embodiment
  • FIG. 2 shows a schematic cross section through an annular gap according to a second exemplary embodiment
  • FIG. 3 shows a schematic cross section through a connecting piece according to a third embodiment
  • FIG. 4 shows a schematic cross section through a connecting piece according to a fourth exemplary embodiment
  • FIG. 5 shows a schematic cross section through a connecting piece according to a fifth exemplary embodiment
  • Fig. 6 is a schematic longitudinal section through a part
  • FIG. 7 shows a schematic longitudinal section through a part of a cooling device according to a seventh embodiment
  • Fig. 8 is a schematic longitudinal section through a rotor
  • FIG. 1 shows a schematic longitudinal section through a rotor 3 of an electric machine and a cooling device 1 according to a first embodiment.
  • the rotor 3 is carried by a rotor shaft 7 and rotates together with this about a central axis of rotation 5.
  • an electrical coil winding 27 is arranged, which in this example is a winding with high-temperature superconducting conductor material.
  • the superconducting winding 27 is cooled by the cooling device 1 to an operating temperature below its transition temperature. To maintain this operating temperature, a constant removal of heat from the coil winding 27 is necessary.
  • the cooling device 1 has a fixed area, an area rotating with the rotor 3, and a device for coupling and decoupling coolant between these two areas.
  • the refrigerant in this example, neon is provided, which is generally indicated by Ne in the drawings.
  • the cooling device has a cold head 11 of a refrigerating machine and a thermally coupled thereto condenser space 9, in which gaseous coolant can condense kon ⁇ by the action of the cold head. 11
  • This coolant Ne is fluidly connected via a connecting pipe 29 to the rotating areas of the cooling device.
  • a cooling medium flow 21 in both directions before, because it is the same pipe 29 both gaseous refrigerant to the cold head 11 toward and condensed refrigerant from the cold head 11 away trans ⁇ ported.
  • the connecting pipe 29 and the condenser 9 are surrounded by a vacuum-tight outer wall 15 in order to provide a thermal insulation against the warm environment.
  • the coolant is coupled via a wei ⁇ ter below described in more detail coupling device in a rotating with the rotor 3 first coolant chamber 13.
  • This first coolant space 13 is arranged within the rotor 3 in a first axial end region.
  • the first coolant chamber 13 contains during operation both gaseous and condensed coolant.
  • the condensed coolant is urged by centrifugal forces in radially outer regions of the Ers ⁇ th coolant chamber 13, as outlined in FIG. From the first coolant chamber 13, the coolant can pass through one or more closed cooling tube loops 25 into the region of the electrical coil winding 27 and cool it.
  • Fig. 1 two oppositederohrschlei ⁇ fen 27 are shown, which are provided for the cooling of opposite sections of the coil winding 27.
  • Cooling tube loops 25 the coolant is passed along a flow direction 23 in radially outer regions in the vicinity of the coil winding 27. Furthermore, a relatively large axial region of the rotor 3 is covered by the cooling tube loop 25, which in this example corresponds approximately to the axial extent of the coil winding 27.
  • the centrifugal forces generated during the rotation can drive a transport of the liquid coolant in this direction.
  • a coolant flow can be supported in a geodetically inferior portion of the rotor 3 at least by the force of gravity to ⁇ minimum, so Example ⁇ , in the lower half of the rotor 3 shown in FIG. 1.
  • the rotor ⁇ must be cooled 3 for a long time without constant rotation ge, it may therefore be expedient easier to change to be cooled underlying section by occasional partial rotations.
  • the transport of condensed coolant from the fixed condenser 9 in the rotating first coolant chamber 13 is supported by gravity, since the condenser 9 is arranged geodetically above the coupling device on the rotating area.
  • the connecting pipe 29 to a vertical portion and an obliquely, for example, drop ⁇ the area 30 on the rotor 3 side facing.
  • annular gap 17 is formed in a first axial boundary wall 15 of the first coolant chamber.
  • this Begren ⁇ Zung wall 15 there is an axially outer Be ⁇ grenzungswand so that coolant can be a total coupled from an axially outer side, so an end face into the rotor.
  • the connecting pipe 29 In the annular gap 17 projects here at a geodetically overhead location, the connecting pipe 29 into it. During a rotation of the rotor 3, this end of the connecting tube 29 successively passes through the various circumferential positions of the annular gap 17.
  • the gap is here filled at least in part with an annular connector 31, in the interior of which the connecting pipe 29 is performed as a tubular recess.
  • an intermediate chamber 33 is arranged here, which in this example is fluidically connected to the first coolant chamber 13 via the part of the annular gap 17 which is not completely filled by the connector 31.
  • this intermediate chamber 33 is therefore also filled with gaseous coolant Ne.
  • the wall parts of the intermediate chamber adjoining these heat-insulating regions 34 are therefore at a comparatively high temperature during operation of the electric machine, which is somewhat lower than the ambient temperature, mainly due to the thermal coupling via the gaseous coolant located in the intermediate chamber 33.
  • annular rotary seals 32 are arranged, which seal the ⁇ fixed parts of the boundary wall (together with the connecting ⁇ pipe 29) against the rotating parts of the boundary wall ⁇ .
  • These rotary seals 32 need not be designed for cryogenic temperatures due to the spatial and thermal separation of the cold wall portions of the intermediate chamber.
  • Such rotary seals can advantageously be, for example, ferrofluid seals, Kevlar brush seals or labyrinth seals.
  • the fixed areas of the rotary seals are gas-tightly connected to the outer wall 15 of the connecting pipe 29 and to the connection pipe 29 carrying connecting piece 31.
  • the seals do not have to be absolutely vacuum-tight 32 by the presence of a gas filled intermediate chamber 33, but they only need to be relatively gas-tight, in order to avoid too great a loss of coolant during a Be ⁇ drive the electrical machine.
  • the rotor shaft 7 is formed in the example of FIG. 1 and in all other embodiments as a solid, continuous shaft via which the rotor 3 of the electric machine can be mechanically coupled to other, not shown here devices, for example, on both sides adjacent arranged gas and Steam turbines in a power plant.
  • FIG. 1 In the figures 2 to 5 are schematic cross sections Be ⁇ rich the annular gap for four different principalsbei ⁇ games of the invention shown. These embodiments Kgs ⁇ nen in its other, not shown, similar characteristics relative borrowed as the example of FIG. 1 may be formed.
  • FIG. 2 shows the cross section of the annular gap 17 according to a second embodiment, in which only one connecting pipe 29 protrudes into the annular gap 17, without here a üb ⁇ cal region filling the annular gap connecting piece would be provided.
  • the connecting tube 29 is arranged here in a lower region of the annular gap 17, so that it is also geodetically below the solid rotor shaft 7.
  • the connecting pipe 29 is inclined slightly sloping in this area, so that liquid coolant 35b can be transported in the direction of the rotor 3 with the aid of gravity.
  • gaseous coolant 35a flows in the majority in the direction of the condenser 9.
  • the first coolant ⁇ middle space 13 is fluidly coupled by the relatively large remaining opening of the annular gap 17 fluidly with the adjacent intermediate chamber. This strong coupling sets in the intermediate chamber, an atmosphere of gaseous coolant whose temperature is in a range between the operating temperature of the electric coil 27 and an external ambient temperature.
  • Fig. 3 shows a ring-shaped intermediate piece 31 in the region of the annular gap 17 according to a third exemplary embodiment of the ⁇ invention.
  • This intermediate piece 31 largely fills the annular gap 17, so that the annular gap 17 itself is not shown in FIG. 3.
  • the connecting pipe 29 is guided, that geodetically below the rotor shaft 7 is also in this example and also here for the transport of both liquid 35b and gaseous 35a coolant is formed.
  • Fig. 4 shows a schematic cross section of a similar annular intermediate piece 31 according to a fourth embodiment of the invention.
  • the connector carries four connecting tubes 29, which can serve for example for coupling and decoupling of coolant from four different refrigerators. It may be necessary to use a plurality of condenser spaces and / or cold heads in order to ensure the required cooling capacity of the cooling device.
  • the four connecting tubes 29 are distributed to different circumferential positions of the ringför ⁇ shaped connector.
  • Each of the connecting tubes is designed to carry both liquid 35b and for the simultaneous return of gaseous 35a refrigerant.
  • Fig. 5 shows a schematic cross section of an annular connecting piece 31 according to a fifth,sbei ⁇ game of the invention.
  • the connector 31 fills the annular gap 17 largely, so that the annular gap is not shown separately.
  • the opening of the annular gap 17 and thus the leg width of the connecting piece 31 is substantially narrower than in the previous examples, since the connecting piece here carries a plurality of individual thinner connecting tubes, of which the first connecting tubes 29a each substantially for the transport of liquid coolant 35b in the rotating region and the second connecting pipes 29b are each provided substantially only for the return of gaseous refrigerant in the fixed area.
  • FIG. 6 shows a schematic longitudinal section through a part of a cooling device 1 according to a sixth embodiment example.
  • an intermediate chamber 33 is disposed axially adjacent to the first coolant chamber 13.
  • the axial extent of the intermediate chamber is greater here than the radial extent of a ring segment of the annular chamber 33.
  • Fig. 7 shows a schematic longitudinal section through a part of a cooling device 1 according to a seventh embodiment of the invention.
  • an intermediate chamber 33 is disposed axially adjacent to the first coolant chamber 13.
  • the intermediate chamber 33 is closed in a vacuum-tight manner against the first coolant chamber 13 and against the external environment.
  • the intermediate chamber 33 is axially traversed by at least one fixed standing
  • this connecting piece 31 is not formed here as solid body as in the previous examples, but it comprises only an annular cold axial end piece 31a, which is sealed via two annular vacuum-tight rotary seals ⁇ 32a against the axial boundary wall 15 of the first vacuum space 13 and a annular, warm axial end piece 31 b, which is sealed via two annular rotary seals ⁇ 32 relative to the other rotating boundary wall of the intermediate chamber.
  • the se rotating boundary wall of the intermediate chamber 33 has two annular heat insulation 34, the cold and warm Be ⁇ rich the boundary wall thermally insulated from each other.
  • the seals 32 and 32a must all be not only gas-tight, but vacuum-tight, in order to sustainably maintain a vacuum V in the intermediate chamber and warm areas of the rotor significantly improved.
  • the seals 32a in the cold region of the boundary wall have to be vacuum-tight, even in a cryogenic temperature range, which leads to an increased outlay for the formation of these seals.
  • the rotor 3 according to the seventh embodiment has a second annular coolant space 39, which is fluidly separated from the first annular coolant space 13 by an intermediate wall 37.
  • This intermediate wall 37 is ther ⁇ mally well conductive, so that the coolant in the two coolant chambers 13 and 37 are thermally coupled.
  • the coolant Ne of the second coolant space 39 is fluidically coupled to at least one cooling pipe loop 25, which are indicated in the lower part of FIG. 7 only by the two flow directions 23. It is therefore a matter of two separate coolant circuits, the first of which is the
  • Condenser 9 of the refrigerator and the transmission from the fixed areas in the rotor 3 includes, and of which the second accomplished the actual cooling of the electric coil winding 27.
  • the coolant circuits neon (Ne) as a refrigerant, but it may alternatively also have different refrigerant can be used.
  • FIG. 8 shows a schematic longitudinal section through a rotor 3 of an electric machine according to an eighth exemplary embodiment of the invention.
  • the rotor 3 is mounted on a continuous solid rotor shaft 7.
  • the Rotorwel ⁇ le 7 carries a rotor core 47, on which a superconducting coil winding 27 is arranged to form a two-pole magnetic field.
  • Such a two-pole coil winding 27 comprises pronounced, radially extending regions 27a, which also have to be cooled in addition to the axially extended regions. Since such radial regions 27a are arranged on both axial sides of the rotor, a cooling system is used. What is needed to effectively cool these radial sections on both sides.
  • the rotor 3 of the eighth embodiment is provided with two coolers 41a and 41b.
  • Each of these cooling devices in this case comprises a plurality of cold heads 11, at least one condenser 9 and a device 43 a, 43 b for the transmission of coolant between fixed and rotating areas.
  • These components of the cooling devices 41a and 41b are shown only very schematically in FIG. 8 and may be similar to those discussed above for each of the two devices, for example
  • coolant can be coupled into the rotating part of the machine by the two cooling devices 41a and 41b in both axial end regions 45a and 45b of the rotor.
  • two sets of cooling pipe loops each extending approximately to the axial center of the rotor 3 extend.
  • These cooling tube loops 25 each have pronounced radial portions 25a which are substantially parallel to the radial portions 27a of FIG.
  • Coil winding 27 extend and thus are suitable for cooling these sections.
  • cooling tube loops 25 can be opposite those
  • cooling devices 41a and 41b also overlap axially and / or the individual cooling devices can be designed differently and asymmetrically.

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Abstract

Es wird eine Kühlvorrichtung zur Kühlung einer elektrischen Maschine mit einem um eine Rotationsachse drehbar gelagerten Rotor, der auf einer zentralen Rotorwelle angeordnet ist, angegeben. Die Kühlvorrichtung umfasst wenigstens einen feststehenden Kondensorraum, der mit wenigstens einem feststehenden Kaltkopf in thermischem Kontakt steht, und wenigstens einen auf dem Rotor angeordneten ersten Kühlmittelraum, wobei der erste Kühlmittelraum die zentrale Rotorwelle ringförmig umgibt und eine axiale Begrenzungswand aufweist, die mit einem ringförmigen Spalt zur Einspeisung und/oder Ausleitung von Kühlmittel versehen ist. Weiterhin wird eine elektrische Maschine mit einem um eine Rotationsachse drehbar gelagerten Rotor, der auf einer zentralen Rotorwelle angeordnet ist, und einer solchen Kühlvorrichtung angegeben.

Description

Beschreibung
Kühlvorrichtung zur Kühlung einer elektrischen Maschine, mit Kühlmittelübertragung in axialer Richtung
Die Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung zur Kühlung einer elektrischen Maschine mit einem um eine Rotationsachse dreh¬ bar gelagerten Rotor, der auf einer zentralen Rotorwelle angeordnet ist, mit einem feststehenden Kondensorraum, der mit einem feststehenden Kaltkopf in thermischem Kontakt steht und mit wenigstens einem auf dem Rotor angeordneten ersten Kühlmittelraum.
Aus dem Stand der Technik sind elektrische Maschinen bekannt, die mit Kühlvorrichtungen zur Kühlung von rotierenden elektrischen Spulenwicklungen ausgestattet sind. Insbesondere Ma¬ schinen mit supraleitenden Rotorwicklungen werden typischerweise mit Kühlvorrichtungen ausgestattet, bei denen ein Kühlmittel wie flüssiger Stickstoff, flüssiges Helium oder flüs- siges Neon im Inneren einer zentralen Rotorwelle nach dem
Thermosiphon-Prinzip zirkuliert und hierdurch Wärme aus dem Rotor abführen kann. Mit solchen Kühlsystemen können supraleitende Spulenwicklungen, insbesondere supraleitende rotie¬ rende Erregerwicklungen auf eine Betriebstemperatur unterhalb der Sprungtemperatur des Supraleiters gekühlt werden und auf dieser Betriebstemperatur gehalten werden.
Bei solchen bekannten Kühlvorrichtungen wird oft ein Endbereich der Rotorwelle verwendet, um von einer feststehenden Kälteanlage verflüssigtes Kühlmittel in einen Innenraum der Rotorwelle einzuspeisen, beispielsweise über ein in die Ro¬ torwelle hineinragendes feststehendes Kühlmittelrohr. Eine derartige Kühlvorrichtung ist aus der EP2603968A1 bekannt. Nachteilig bei einer derartigen Einspeisung über ein Wellenende ist jedoch, dass nicht bei allen elektrischen Maschinen ein freies Ende der Rotorwelle für diesen Zweck zur Verfügung steht. Weiterhin gibt es zahlreiche Anwendungen, für die die Rotorwelle als durchgehende, massive Welle ausgestaltet wer¬ den sollte, und bei der kein Hohlraum im Inneren der Welle für eine Zirkulation des Kühlmittels zur Verfügung steht. Ein Beispiel für eine solche Anwendung einer elektrischen Maschi- ne ist ein Generator in einem Gas- und Dampfkraftwerk. Hier ist es wünschenswert, sowohl einen Generator als auch eine Gasturbine und eine Dampfturbine auf derselben rotierenden Welle anzuordnen. Dabei ist vorteilhaft der Generator zwischen der Gasturbine und der Dampfturbine angeordnet, so dass jeweils nur ein kurzer axialer Weg für die jeweilige Drehmo¬ mentübertragung über die Welle überbrückt werden muss. Wei¬ terhin ist die Ausgestaltung einer massiven und durchgehenden Welle vorteilhaft, um die teils hohen Drehmomente bei unter Umständen sehr hohen Drehzahlen mit hoher Stabilität übertra- gen zu können. Bei einer solchen Anordnung steht kein freies Wellenende zur Einspeisung von Kühlmittel in der Nähe des Ge¬ nerators zur Verfügung.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Kühl- Vorrichtung für eine elektrische Maschine anzugeben, welche die genannten Nachteile vermeidet. Insbesondere soll eine Kühlvorrichtung angegeben werden, über die auf einfache Weise ein Kühlmittel von einer feststehenden Kälteanlage in einen drehbar gelagerten Rotor eingespeist werden kann, ohne hier- für einen Hohlraum im Inneren einer Rotorwolle zu nutzen.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine elektrische Maschine mit einer solchen Kühlvorrichtung anzugeben.
Diese Aufgabe wird durch eine Kühlvorrichtung mit den Merkma- len des Anspruchs 1 und durch eine elektrische Maschine mit den Merkmalen des Anspruchs 13 gelöst.
Die erfindungsgemäße Kühlvorrichtung zur Kühlung einer elektrischen Maschine mit einem um eine Rotationsachse drehbar gelagerten Rotor, der auf einer zentralen Rotorwelle angeordnet ist, umfasst wenigstens einen feststehenden
Kondensorraum, der mit wenigstens einem feststehenden
Kaltkopf in thermischem Kontakt steht, und wenigstens einen auf dem Rotor angeordneten ersten Kühlmittelraum, wobei der erste Kühlmittelraum die zentrale Rotorwelle ringförmig umgibt und eine axiale Begrenzungswand aufweist, die mit ei¬ nem ringförmigen Spalt zur Einspeisung und/oder Ausleitung von Kühlmittel versehen ist.
Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung ist, dass durch den ersten Kühlmittelraum ein auf dem Rotor angeordnetes Kühlreservoir zur Verfügung gestellt wird, das radial außerhalb der Rotorwelle angeordnet ist. Durch den ringförmigen Spalt der Begrenzungswand des ersten Kühlmittel¬ raums wird eine Schnittstelle zur Ein- und/oder Ausleitung von Kühlmittel zur Verfügung gestellt, die ebenfalls radial außerhalb der Rotorwelle angeordnet ist. Somit wird die Ein- Speisung von Kühlmittel von einem feststehenden Kondensorraum einer Kälteanlage in den drehbaren Rotor möglich, ohne dafür einen Innenraum der Rotorwelle zu benötigen. Die Welle kann dadurch vorteilhaft als massives Bauteil ohne zentralen Hohl¬ raum ausgeführt werden. Insbesondere kann die Rotorwelle als durchgehendes Bauteil ausgeführt werden, welches den Rotor ein- oder beidseitig mit anderen rotierenden Vorrichtungen verbindet. Besonders vorteilhaft kann das Kühlmittel der Kühlvorrichtung in einem geschlossenen Kreislauf nach dem Prinzip der Thermosiphon-Kühlung zirkuliert werden, um Wärme vom Rotor abzuführen. Hierbei kann der geschlossene Kreislauf des Kühlmittels vorteilhaft vollständig radial außerhalb des Bereichs der Rotorwelle ablaufen.
Die erfindungsgemäße elektrische Maschine weist einen um eine Rotationsachse drehbar gelagerten Rotor, der auf einer zentralen Rotorwelle angeordnet ist, und wenigstens eine erfin¬ dungsgemäße Kühlvorrichtung auf. Die Vorteile einer solchen elektrischen Maschine ergeben sich analog zu den beschriebe¬ nen Vorteilen der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung. Zweckmä- ßig weist die elektrische Maschine eine auf dem Rotor ange¬ ordnete elektrische Spulenwicklung auf, die über die Kühlvor¬ richtung gekühlt werden kann. Diese Spulenwicklung kann eine supraleitende Spulenwicklung, insbesondere eine hochtempera- tursupraleitende Spulenwicklung sein. Bei der elektrischen Maschine kann es sich beispielsweise um einen Generator oder um einen Motor handeln.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den von den Ansprüchen 1 und 13 abhängigen An Sprüchen hervor. Dabei können die Merkmale der Kühlvorrichtung vorteilhaft mit den Merkmalen der elektrischen Maschine kombiniert werden.
Der erste Kühlmittelraum der Kühlvorrichtung kann über den ringförmigen Spalt fluidisch mit dem Kondensorraum in Verbin dung stehen. Dabei kann vorteilhaft über den ringförmigen Spalt als Schnittstelle ein fluidisch geschlossener Kühlmit¬ telkreislauf ausgebildet sein, der sich über den rotierenden ersten Kühlmittelraum und den feststehenden Kondensorraum er streckt. Hierdurch kann Kühlmittel nach dem Prinzip der Ther mosiphon-Kühlung zwischen dem Kondensorraum und dem ersten Kühlmittelraum des Rotors zirkulieren und auf diese Weise Wärme von dem Rotor abführen. Insbesondere kann dazu Kühlmit tel im Kondensorraum durch die Kühlwirkung des Kaltkopfes verflüssigt werden und in flüssiger Form in den ersten Kühlmittelraum des Rotors eingespeist werden. Das flüssige Kühl¬ mittel kann im Bereich des Rotors verdampfen und dadurch den auf dem Rotor angeordneten Bauteilen Wärme entziehen. Diese Verdampfung muss nicht im ersten Kühlmittelraum des Rotors erfolgen, sondern kann räumlich entfernt von diesem stattfin den, beispielsweise in der Nähe einer auf dem Rotor angeord¬ neten elektrischen Spulenwicklung, insbesondere einer supraleitenden Spulenwicklung. Danach kann das Kühlmittel als gas förmiger Stoff wiederum über den als Schnittstelle wirkenden ringförmigen Spalt in den feststehenden Kondensorraum zurück geführt werden, wo es durch die Kühlwirkung des Kaltkopfes kondensieren kann und der Kreislauf von neuem beginnt.
Alternativ zu dem beschriebenen Kreislauf zwischen flüssigem und gasförmigem Kühlmittel kann bei einem alternativen Kreis lauf auch ein überkritischer Zustand des Kühlmittels durch- laufen werden. Dies kann insbesondere dann eintreten, wenn das Kühlmittel in radial außenliegenden Bereichen des Rotors durch die Rotationskräfte unter Druck gesetzt wird und hier¬ durch in einen überkritischen Zustand gerät, bei dem der Unterschied zwischen Flüssigkeit und Gas nicht mehr vorliegt. Dann kann ein ähnlicher Kreislauf ablaufen, der im Bereich des überkritischen Kühlmittels durch temperaturbedingte Dich¬ teunterschiede angetrieben wird. Es kann also ein Kreislauf zwischen kondensiertem Kühlmittel bei niedrigerem Druck, überkritischem Kühlmittel bei hohem Druck und gasförmigem Kühlmittel bei niedrigerem Druck durchlaufen werden, wobei das gasförmige Kühlmittel wiederum im Kondensorraum zu unterkritischem flüssigem Kühlmittel kondensiert. Bei einem sol¬ chen Durchlauf des überkritischen Bereichs des Phasendiag¬ ramms des Kühlmittels kommt es im niedrigeren Druckbereich immer wieder zu einer Kondensation des Kühlmittels, aber trotzdem nie zu einer richtigen Verdampfung, da der Übergang von flüssig zu gasförmig indirekt über den überkritischen Bereich stattfindet.
Der mittlere Abstand des ringförmigen Spalts von der Außenseite der Rotorwelle kann vorteilhaft höchstens 5 cm betra¬ gen. Alternativ oder zusätzlich kann mittlere Durchmesser des ringförmigen Spalts höchstens 200 % des Außendurchmessers der Rotorwelle betragen. Eine derartige Begrenzung des Durchmes¬ sers des ringförmigen Spalts ist vorteilhaft, um Reibungsver¬ luste sowohl zwischen rotierendem Kühlmittel und feststehenden Elementen als auch zwischen ruhendem Kühlmittel und rotierenden Elementen zu verringern, da in radial weiter innenliegenden Bereichen die Geschwindigkeiten der bewegten Teile geringer sind.
Der erste Kühlmittelraum kann fluidisch mit wenigstens einer auf dem Rotor angeordneten Kühlrohrschleife verbunden sein, die zumindest in einem Teilbereich thermisch an eine auf dem Rotor angeordnete elektrische Spulenwicklung angekoppelt ist. Bei dieser Ausführungsform muss also das Kühlmittel des ers¬ ten Kühlmittelraums nicht direkt an die zu entwärmenden Korn- b
ponenten des Rotors gekoppelt sein, sondern es kann über eine solche Kühlrohrschleife zu einem Bereich des Rotors transpor¬ tiert werden, in dem die zu entwärmende elektrische Spulen¬ wicklung angeordnet ist. Beispielsweise kann sich der erste Kühlmittelraum in einem axialen Endbereich des Rotors befinden, und die Kühlrohrschleife kann dazu dienen, das Kühlmit¬ tel in andere, vom ersten Kühlmittelraum entferntere axiale Bereiche zu leiten. Alternativ oder zusätzlich kann die Kühlrohrschleife dazu ausgelegt sein, um Kühlmittel in vom ersten Kühlmittelraum entfernte andere radiale Bereiche zu leiten. Besonders vorteilhaft kann der ringförmige erste Kühlmittel¬ raum die Rotorwelle in einem radial innenliegenden Bereich umgeben, und die Kühlrohrschleife kann das Kühlmittel von dort aus in radial weiter außenliegende Bereiche (und von dort wieder zurück) transportieren, in denen beispielsweise eine elektrische Spulenwicklung angeordnet sein kann.
Beispielsweise kann die Kühlrohrschleife dazu ausgebildet sein, das verdichtete Kühlmittel mittels bei der Rotation auftretender Fliehkräfte in radial weiter außenliegende Be¬ reiche des Rotors zu transportieren. Durch die sich ausbil¬ denden Druck- und Temperaturverhältnisse und dadurch entste¬ henden Dichteunterschiede kann das in diesem radial außenlie¬ genden Bereich verdampfte gasförmige Kühlmittel oder das in diesem Bereich erwärmte und ausgedehnte überkritische Kühl¬ mittel wieder zurück zum radial weiter innenliegenden Bereich des ersten Kühlmittelraums transportiert werden.
Zur Ausbildung eines geschlossenen Kühlmittelkreislaufs ist es allgemein vorteilhaft, wenn die genannte Kühlrohrschleife einen radial außenliegenden Abschnitt zum Transport von kal¬ tem Kühlmittel in den zu kühlenden Bereich und einen radial weiter innenliegenden Abschnitt zum Transport von erwärmtem Kühlmittel zurück zum ersten Kühlmittelraum aufweist.
Besonders vorteilhaft kann die Kühlvorrichtung mehrere Kühl¬ rohrschleifen aufweisen, um verschiedene Bereiche des Rotors zu kühlen. Insbesondere können solche Kühlrohrschleifen in Umfangsrichtung an verschiedenen Stellen des ersten Kühlmittelraums angeschlossen sein, um damit Bereiche in verschiede¬ nen Umfangssegmenten des Rotors zu kühlen. Alternativ oder zusätzlich kann auch eine Mehrzahl von Kühlrohrschleifen zur Kühlung unterschiedlicher axialer und/oder radialer Bereiche des Rotors vorgesehen sein.
Der feststehende Kondensorraum kann fluidisch über wenigstens ein in den ringförmigen Spalt hineinragendes Verbindungsrohr mit dem ersten Kühlmittelraum des Rotors gekoppelt sein. Dieses Verbindungsrohr kann vorteilhaft feststehend sein. Dann kann vorteilhaft über dieses wenigstens eine Verbindungsrohr ein geschlossener Kühlkreislauf zwischen dem feststehenden Kondensorraum und dem rotierenden ersten Kühlmittelraum gebildet werden. Beispielsweise können in demselben Verbindungsrohr ein Transport von flüssigem Kühlmittel hin zum Rotor und ein Transport von gasförmigem Kühlmittel weg vom Ro¬ tor hin zum feststehenden Kondensorraum erfolgen. In diesem Fall wirkt das Verbindungsrohr also als Teil eines Wärme¬ rohrs, das Kühlmittel in beide Richtungen transportiert.
Durch die Rotation des ersten Kühlmittelraums und seiner axi¬ alen Begrenzungswand durchläuft dabei das feststehende Ver¬ bindungsrohr nacheinander die verschiedenen Umfangssegmente des ringförmigen Spaltes in einem geschlossenen Kreis. Es ist daher zweckmäßig, wenn der ringförmige Spalt eine im Wesent¬ lichen kreissymmetrische Form aufweist, damit keine unnötig große Öffnung vorliegt.
Das in den ringförmigen Spalt hineinragende Verbindungsrohr kann in einem ringförmigen Verbindungsstück angeordnet sein, dessen Querschnitt einen mehrheitlichen Teil des ringförmigen Spalts ausfüllt. Das ringförmige Verbindungsstück und das da¬ rin angeordnete Verbindungsrohr können zweckmäßig beide fest¬ stehend sein, wobei das Verbindungsrohr fluidisch mit dem feststehenden Kondensorraum verbunden ist. Das ringförmige Verbindungsstück weist vorteilhaft eine kreisförmige Geome¬ trie auf und ist in Form und Größe so an den Spalt angepasst, dass es diesen weitgehend ausfüllt. Beispielsweise kann der Querschnitt des Verbindungsstücks so groß sein, dass es den Spalt zu wenigstens 80%, insbesondere wenigstens 90 ~6 seiner Breite ausfüllt. Somit verbleibt nach Einführen des Verbin¬ dungsstücks in den Spalt nur ein kleiner Teil der Spaltfläche als tatsächliche Öffnung in der axialen Begrenzungswand des Kühlmittelraums. Insbesondere kann durch das ringförmige Ver¬ bindungsstück ein wesentlich größerer Teil der Spaltfläche nach außen hin geschlossen werden als es durch ein Hineinstecken von einem einzelnen oder wenigen einzelnen Verbindungs- röhren möglich wäre. Das ringförmige Verbindungsstück kann insbesondere ein zylindrisches Verbindungsstück sein. Es kann auch ein konisch geformtes Querschnittsprofil und/oder ein gestuftes Querschnittsprofil aufweisen, um besonders passge¬ nau in den ringförmigen Spalt eingeführt werden zu können.
In dem ringförmigen Verbindungsstück können ein oder mehrere Verbindungsrohre in Form von rohrartigen Ausnehmungen ausgebildet sein. Diese Verbindungsrohre können sich dann nach außen hin beispielsweise als freitragende Rohre bis zum
Kondensorraum fortsetzen.
Das wenigstens eine Verbindungsrohr kann im Bereich des ringförmigen Spalts beispielsweise geodätisch oberhalb der zent¬ ralen Rotorwelle angeordnet sein. Bei dieser Ausführungsform kann verflüssigtes Kühlmittel durch den Einfluss der Schwer¬ kraft vom Verbindungsrohr in einen großen Bereich des Kühlmittelraums gelangen. Das Verbindungsrohr kann alternativ auch geodätisch unterhalb der zentralen Rotorwelle angeordnet sein, oder es kann seitlich neben ihr angeordnet sein. In diesen Fällen kann verflüssigtes Kühlmittel mit Hilfe der
Schwerkraft in einen Teilbereich des ringförmigen Kühlmittelraums transportiert werden. Zusätzlich zur Schwerkraft spie¬ len bei einer Drehung des Rotors auch die Fliehkräfte für die Verteilung des Kühlmittels innerhalb des Kühlmittelraums eine Rolle, so dass der Einfluss der Schwerkraft auf die Vertei¬ lung innerhalb des Rotors dann weniger relevant ist. Das zwischen feststehendem Kondensorraum und rotierendem ersten Kühlmittelraum angeordnete Verbindungsrohr kann zumindest in einem Teilbereich zum ersten Kühlmittelraum hin abfallend angeordnet sein, um die Einspeisung des Kühlmittels in den ersten Kühlmittelraum durch die Schwerkraft zu unterstützen. Dabei kann auf der dem ersten Kühlmittelraum zugewandten Seite des Verbindungsrohrs vorteilhaft ein schräg abfallender Bereich ausgebildet sein.
Der wenigstens eine feststehende Kondensorraum kann fluidisch über mehrere in den ringförmigen Spalt hineinragende Verbindungsrohre mit dem ersten Kühlmittelraum des Rotors gekoppelt sein. Insbesondere können diese Verbindungsrohre auf unter¬ schiedlichen Positionen in Umfangsrichtung des Ringspalts angeordnet sein. Besonders vorteilhaft können sie jeweils in¬ nerhalb eines ringförmigen Verbindungsstücks angeordnet sein, wie oben beschrieben. Es kann ein einzelner Kondensorraum über mehrere Verbindungsrohre mit dem ersten Kühlmittelraum verbunden sein, beispielsweise um bei vergleichbarer Größe des Ringspalts einen erhöhten Rohrquerschnitt zur Verfügung zu stellen und/oder den Eintrag des Kühlmittels räumlich gleichmäßiger zu verteilen. Alternativ können jedoch auch mehrere Kondensorräume, die thermisch jeweils an mindestens einen eigenen Kaltkopf gekoppelt sind, über jeweils eigene Verbindungsrohre mit dem ersten Kühlmittelraum verbunden sein. Dies kann beispielsweise nötig sein, um einzelne Kalt¬ köpfe warten oder ersetzen zu können, ohne den Betrieb der gesamten elektrischen Maschine zu unterbrechen. Der feststehende Kondensorraum kann fluidisch über wenigstens ein Paar von Verbindungsrohren mit dem ersten Kühlmittelraum gekoppelt sein, wobei jeweils ein erstes Verbindungsrohr des Paares zum Einspeisen von Kühlmittel in den ersten Kühlmittelraum und ein zweites Verbindungsrohr des Paares zum Aus- leiten von Kühlmittel aus dem ersten Kühlmittelraum vorgesehen ist. Durch eine derartige Trennung von Hin- und Rücklei- tung können die einzelnen Rohre vorteilhaft mit einem kleine¬ ren Querschnitt ausgebildet sein im Vergleich zu Rohren, die für beide Transportrichtungen ausgebildet sind. Hierdurch kann die offene Fläche des Ringspalts vorteilhaft kleiner ausgebildet werden und/oder die Einspeisung kann radial näher an der Rotorwelle erfolgen. Das wenigstens eine erste Verbin- dungsrohr kann beispielsweise mit einer im Kondensorraum gebildeten Flüssigkeitssäule des Kühlmittels in Verbindung ste¬ hen, und das wenigstens eine zweite Verbindungsrohr kann mit einem Bereich des Kondensorraum in Verbindung stehen, in dem gasförmiges Kühlmittel vorliegt.
Der erste Kühlmittelraum kann über den ringförmigen Spalt mit einer Zwischenkammer verbunden sein, die die zentrale Rotorwelle ringförmig umgibt. Dabei kann vorteilhaft an wenigstens einer Begrenzungswand dieser Zwischenkammer eine Dichtung zwischen rotierenden Elementen des Rotors und feststehenden Elementen, die mit dem Verbindungsrohr verbunden sind, angeordnet sein. Mit anderen Worten kann die Verbindungskammer zum Teil von feststehenden Elementen und zum Teil von rotierenden Elementen begrenzt sein. Insgesamt ist die Verbin- dungskammer jedoch vorteilhaft ein relativ abgeschlossener Bereich, der im Wesentlichen nur über die verbleibende Öffnung des ringförmigen Spalts mit der ersten Kühlmittelkammer verbunden ist, zumindest soweit diese Öffnung nicht durch ein ringförmiges Verbindungsstück gefüllt ist. Darüber hinaus kann die Zwischenkammer noch über eine Rest-Durchlässigkeit der Dichtung zwischen den rotierenden und feststehenden Elementen mit der umgebenden Atmosphäre verbunden sein. Je nach Qualität der Dichtung kann sich hierdurch ein geringfügiges Leck für das Kühlmittel ergeben, so dass sich ein Bedarf für das gelegentliche Nachfüllen von Kühlmittel ergeben kann. Die Zwischenkammer kann zumindest in einem Teilbereich von thermisch schlecht leitendem Material begrenzt sein, so dass sich in diesem Bereich eine Trennung von einer kalten Begrenzungswand und einer warmen Begrenzungswand ergeben kann. Bei- spielsweise kann der ringförmige Spalt dann vorteilhaft in einer kalten Begrenzungswand der Zwischenkammer angeordnet sein, da diese Begrenzungswand gleichzeitig auch eine Begren¬ zungswand des ersten Kühlmittelraums sein kann. Vorteilhaft kann die Dichtung zwischen rotierenden und feststehenden Elementen in einem relativ warmen Bereich der Begrenzungswand der Zwischenkammer angeordnet sein. In dieser Ausführungsform sind die Anforderungen an die Dichtung deutlich niedriger, da Drehdichtungen für höhere Temperaturbereiche wesentlich weniger aufwendig, kostengünstiger und/oder gasdichter hergestellt werden können.
Bei einem Betrieb der Kühlvorrichtung kann die Zwischenkammer wenigstens teilweise mit gasförmigem Kühlmittel gefüllt sein. Bei dieser Ausführungsform muss der ringförmige Spalt nicht gasdicht verschlossen sein. Besonders vorteilhaft muss bei einer solchen Ausführungsform gar keine gasdichte Drehdichtung im kryogenen Temperaturbereich vorliegen. Bei Vorliegen einer solchen Zwischenkammer kann der Übergang von feststehenden zu rotierenden Elementen vorteilhaft von einem Übergang zwischen kalten und warmen Wandbereichen entkoppelt werden. Die Zwischenkammer kann fluidisch mit dem ersten Kühlmittelraum verbunden sein.
Die Zwischenkammer kann als vakuumdichte Kammer ausgebildet sein. Bei einer solchen Ausführungsform muss ein das wenigstens eine Verbindungsrohr tragende Verbindungsstück vakuumdicht gegen die axiale Begrenzungswand des ersten Kühlmittel¬ raums abgedichtet sein. Eine solche Dichtung sollte zweckmä¬ ßig auch in einem kryogenen Temperaturbereich vakuumdicht abschließen, da die axiale Begrenzungswand des ersten Kühlmit¬ telraums zweckmäßig als kalte Wand ausgebildet ist. Bei einer solchen Ausführungsform können die thermischen Verluste und/oder die Kühlmittelverluste im Bereich der Zwischenkammer geringer sein, als bei Ausführungsformen, bei denen die Zwischenkammer mit gasförmigem Kühlmittel gefüllt ist. Allerdings sind die Anforderungen an die Dichtungen entsprechend höher .
Die Zwischenkammer kann im Verhältnis zur Position des ersten Kühlmittelraums auf dem Rotor axial weiter außenliegend ange- ordnet sein. Diese Ausführungsform vereinfacht die seitliche Einkopplung von Kühlmittel aus einem feststehenden Rohr.
Die ringförmige Zwischenkammer kann auf ihren jeweiligen Um- fangssegmenten eine radiale Ausdehnung aufweisen, die größer ist als eine axiale Länge der Zwischenkammer. Besonders vor¬ teilhaft kann die radiale Ausdehnung um wenigstens 25% größer sein als die axiale Länge. Ein solches Größenverhältnis kann vorteilhaft sein, wenn für die Einspeisung des Kühlmittels nur wenig axialer Platz zur Verfügung steht, beispielsweise wenn in einem Gas- und Dampfkraftwerk der Generator sehr dicht neben der Gasturbine und/oder der Dampfturbine angeord¬ net ist. Alternativ kann die ringförmige Zwischenkammer auf ihren jeweiligen Umfangssegmenten eine radiale Ausdehnung aufweisen, die kleiner ist als die axiale Länge der Zwischenkammer. Be¬ sonders vorteilhaft kann die radiale Ausdehnung um wenigstens 25% kleiner sein als die axiale Länge. Ein solches Größenver- hältnis kann vorteilhaft sein, um eine Einspeisung des Kühl¬ mittels möglichst dicht an der Rotorwelle zu ermöglichen und somit Reibungsverluste zwischen dem Kühlmittel und rotieren¬ den und/oder feststehenden Teilen möglichst gering zu halten. Der erste Kühlmittelraum kann über eine Zwischenwand thermisch mit einem zweiten Kühlmittelraum gekoppelt sein, wobei der zweite Kühlmittelraum fluidisch mit wenigstens einer auf dem Rotor angeordneten Kühlrohrschleife verbunden ist, die zumindest in einem Teilbereich thermisch an eine auf dem Ro- tor angeordnete elektrische Spulenwicklung angekoppelt ist. Bei dieser Ausführungsform liegen also zwei fluidisch getrennte Kühlkreisläufe vor, zwischen denen Wärme über die Wärmeleitfähigkeit der Zwischenwand übertragen werden kann. Der erste Kühlmittelkreislauf erstreckt sich dabei über den feststehenden Kondensorraum und den rotierenden ersten Kühlmittelraum sowie über ein oder mehrere optional dazwischen angeordnete Verbindungsrohre. Der zweite Kühlmittelkreislauf erstreckt sich über den zweiten Kühlmittelraum und die we- nigstens eine Kühlrohrschleife, über die Wärme von der elek¬ trischen Spulenwicklung abtransportiert werden kann. Es handelt sich dabei also um ein kaskadiertes System von zwei Kühlkreisläufen. Für die beiden Kühlkreisläufe kann bei- spielsweise das gleiche Kühlmittel gewählt werden, wobei un¬ ter Umständen in den beiden Kühlkreisläufen ein deutlich unterschiedlicher Druck vorliegen kann. Beispielsweise kann im zweiten Kühlkreislauf ein höherer durchschnittlicher Druck vorliegen, wodurch ein Betrieb bei vergleichsweise höheren Temperaturen bewirkt wird. Es ist zum Beispiel auch möglich, dass im ersten Kühlkreislauf ein Kreislauf zwischen flüssiger Phase und Gasphase abläuft, während im zweiten Kühlkreislauf ein Kreislauf zwischen verschieden dichten Zuständen eines überkritischen Kühlmittels abläuft. Es können auch in den beiden Kühlkreisläufen unterschiedliche Kühlmittel zum Ein¬ satz kommen. Der zweite Kühlmittelraum kann die zentrale Rotorwelle ebenfalls ringförmig umgeben.
Der Kondensorraum und wenigstens der erste Kühlmittelraum können mit einem Kühlmittel gefüllt sein, das Stickstoff, He¬ lium oder Neon umfasst. Auch der gegebenenfalls vorliegende zweite Kühlmittelraum kann vorteilhaft mit einem derartigen Kühlmittel gefüllt sein. Mit den genannten Stoffen kann mit verschiedenen Druckbereichen ein relativ großer Bereich an kryogenen Betriebstemperaturen zugänglich gemacht werden.
Die elektrische Maschine kann wenigstens eine auf dem Rotor angeordnete elektrische Spulenwicklung und wenigstens zwei Stromzuführungen zur Verbindung der Spulenwicklung mit einem äußeren Stromkreis umfassen, wobei die Stromzuführungen in einem ersten axialen Endbereich des Rotors angeordnet sind und der erste Kühlmittelraum im selben ersten axialen Endbereich des Rotors angeordnet ist. Zusätzlich können zweckmäßig eine gegebenenfalls vorliegende Zwischenkammer und ein oder mehrere Verbindungsrohre auf derselben axialen Seite des Ro¬ tors angeordnet sein. Eine Einspeisung des Kühlmittels auf der axialen Seite der Stromzuführungen kann vorteilhaft sein, um die in diesem Bereich durch die Stromzuführungen zusätzlich erzeugte und/oder eingekoppelte Wärme abzuführen.
Die elektrische Maschine kann wenigstens zwei erfindungsgemä- ße Kühlvorrichtungen umfassen. Dies kann vorteilhaft sein, um die gesamte Kühlleistung des Systems zu erhöhen, und/oder um Redundanz beim Ausfall eines der Kühlsysteme zu schaffen. Eine solche Ausgestaltung kann auch schon aus rein geometrischen Erwägungen sinnvoll sein, beispielsweise um Kühlmittel von zwei axialen Endbereichen des Rotors aus einzuspeisen.
Bei einer elektrischen Maschine mit zwei oder mehr Kühlvorrichtungen können diese fluidisch getrennt sein und unabhängig voneinander arbeiten. Vorteilhaft kann dann bei Ausfall einer Kühlvorrichtung eine andere die vollständige Kühlung der elektrischen Maschine übernehmen.
Bei einer elektrischen Maschine mit zwei oder mehr Kühlvorrichtungen können diese unterschiedlich ausgestaltet sein. Beispielsweise können sie für unterschiedliche Kühlleistungen ausgebildet sein. Bei einem Rotor, bei dem nur auf einer axialen Seite Stromzuführungen für die elektrische Spulenwicklung angeordnet sind, kann es vorteilhaft sein, auf dieser axialen Seite eine Kühlvorrichtung mit einer höheren Kühl- leistung vorzusehen als im gegenüberliegenden axialen Bereich.
Die Kühlvorrichtungen, insbesondere die Kühlrohrschleifen der einzelnen Kühlvorrichtungen können in ihrer axialen Ausdeh- nung überlappen, so dass zumindest einige axiale Bereiche des Rotors redundant durch wenigstens zwei Kühlvorrichtungen ge¬ kühlt werden können.
Alternativ können in einer elektrischen Maschine zwei oder mehr Kühlvorrichtungen fluidisch gekoppelt sein, insbesondere können sie innerhalb des Rotors fluidisch gekoppelt sein. Eine solche Ausführungsform kann beispielsweise sinnvoll sein, um beide axialen Endbereiche eines Rotors zur Einkopplung von Kühlmittel zu nutzen, andererseits aber die Anzahl der auf dem Rotor angeordneten Kühlrohrschleifen gering zu halten.
Bei einer elektrischen Spulenwicklung, die ausgedehnte radiale Spulenabschnitte in beiden axialen Endbereichen des Rotors aufweist, kann es vorteilhaft sein Kühlvorrichtungen auf bei¬ den axialen Seiten des Rotors anzubringen, deren Kühlrohrschleifen sich zumindest in einem Teilbereich radial erstrecken und dort thermisch an benachbart verlaufende radiale Spulenabschnitte angekoppelt sind. Eine solche Ausführungs¬ form kann besonders bei solchen elektrischen Spulenwicklungen vorteilhaft sein, die zur Ausbildung eines zweipoligen Magnetfeldes vorgesehen ist.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand einiger bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die angehängten Zeichnungen beschrieben, in denen:
Fig. 1 einen schematischen Längsschnitt durch einen Rotor und eine Kühlvorrichtung nach einem ersten Ausführungsbeispiel zeigt,
Fig. 2 einen schematischen Querschnitt durch einen Ringspalt nach einem zweiten Ausführungsbeispiel zeigt,
Fig. 3 einen schematischen Querschnitt durch ein Verbindungsstück nach einem dritten Ausführungsbeispiel zeigt,
Fig. 4 einen schematischen Querschnitt durch ein Verbindungsstück nach einem vierten Ausführungsbeispiel zeigt,
Fig. 5 einen schematischen Querschnitt durch ein Verbindungsstück nach einem fünften Ausführungsbeispiel zeigt,
Fig. 6 einen schematischen Längsschnitt durch einen Teil
einer Kühlvorrichtung nach einem sechsten Ausführungsbeispiel zeigt, Fig. 7 einen schematischen Längsschnitt durch einen Teil einer Kühlvorrichtung nach einem siebten Ausführungsbeispiel zeigt und
Fig. 8 einen schematischen Längsschnitt durch einen Rotor
einer elektrischen Maschine nach einem achten Ausführungsbeispiel zeigt. Fig. 1 zeigt einen schematischen Längsschnitt durch einen Rotor 3 einer elektrischen Maschine und eine Kühlvorrichtung 1 nach einem ersten Ausführungsbeispiel. Der Rotor 3 wird von einer Rotorwelle 7 getragen und rotiert zusammen mit dieser um eine zentrale Rotationsachse 5. Im Inneren des Rotors 3 ist eine elektrische Spulenwicklung 27 angeordnet, die in diesem Beispiel eine Wicklung mit hochtemperatursupraleiten- dem Leitermaterial ist. Die supraleitende Wicklung 27 wird durch die Kühlvorrichtung 1 auf eine Betriebstemperatur unterhalb ihrer Sprungtemperatur gekühlt. Zur Aufrechterhaltung dieser Betriebstemperatur ist ein ständiger Abtransport von Wärme aus dem Bereich der Spulenwicklung 27 nötig.
Die Kühlvorrichtung 1 weist einen feststehenden Bereich, einen mit dem Rotor 3 rotierenden Bereich und eine Vorrich- tung zur Ein- und Auskopplung von Kühlmittel zwischen diesen beiden Bereichen auf. Als Kühlmittel ist in diesem Beispiel Neon vorgesehen, das in den Zeichnungen allgemein mit Ne bezeichnet ist. Im feststehenden Bereich weist die Kühlvorrichtung 1 einen Kaltkopf 11 einer Kältemaschine und einen ther- misch daran angekoppelten Kondensorraum 9 auf, in dem gasförmiges Kühlmittel durch die Einwirkung des Kaltkopfs 11 kon¬ densieren kann. Dieses Kühlmittel Ne ist fluidisch über ein Verbindungsrohr 29 mit den rotierenden Bereichen der Kühlvorrichtung verbunden. Dabei liegt im Verbindungsrohr ein Kühl- mittelfluss 21 in beiden Richtungen vor, denn es wird im selben Rohr 29 sowohl gasförmiges Kühlmittel zum Kaltkopf 11 hin als auch kondensiertes Kühlmittel vom Kaltkopf 11 weg trans¬ portiert. Das Verbindungsrohr 29 und der Kondensorraum 9 sind dabei von einer vakuumdichten Außenwand 15 umgeben, um eine thermische Isolation gegenüber der warmen Umgebung zu schaffen . Von dem Verbindungsrohr 29 wird das Kühlmittel über eine wei¬ ter unten noch näher beschriebene Einkopplungsvorrichtung in einen mit dem Rotor 3 rotierenden ersten Kühlmittelraum 13 eingekoppelt. Dieser erste Kühlmittelraum 13 ist innerhalb des Rotors 3 in einem ersten axialen Endbereich angeordnet. Der erste Kühlmittelraum 13 enthält dabei im Betrieb sowohl gasförmiges als auch kondensiertes Kühlmittel. Bei einer Dre¬ hung des Rotors 3 wird das kondensierte Kühlmittel durch Fliehkräfte in radial weiter außenliegende Bereiche des ers¬ ten Kühlmittelraums 13 gedrängt, wie in der Fig. 1 skizziert. Vom ersten Kühlmittelraum 13 aus kann das Kühlmittel über eine oder mehrere geschlossene Kühlrohrschleifen 25 in den Bereich der elektrischen Spulenwicklung 27 gelangen und diese kühlen. In Fig. 1 sind zwei gegenüberliegende Kühlrohrschlei¬ fen 27 gezeigt, die für die Kühlung gegenüberliegender Ab- schnitte der Spulenwicklung 27 vorgesehen sind. Über die
Kühlrohrschleifen 25 wird das Kühlmittel entlang einer Flussrichtung 23 in radial weiter außenliegende Bereiche in der Nähe der Spulenwicklung 27 geleitet. Weiterhin wird von der Kühlrohrschleife 25 ein relativ großer axialer Bereich des Rotors 3 abgedeckt, der in diesem Beispiel etwa der axialen Ausdehnung der Spulenwicklung 27 entspricht.
Der Teil der Kühlrohrschleife 27, der für den Transport von flüssigem Kühlmittel in den Bereich der Spulenwicklung 27 vorgesehen ist, liegt in diesem Beispiel radial weiter außen als der Teil, der für den Rücktransport von gasförmigem Kühlmittel vorgesehen ist. Bei dieser Anordnung können die während der Drehung entstehenden Fliehkräfte einen Transport des flüssigen Kühlmittels in dieser Richtung antreiben. Wenn der Rotor 3 steht, dann kann zumindest durch die Schwerkraft zu¬ mindest ein Kühlmittelfluss in einem geodätisch unten liegenden Bereich des Rotors 3 unterstützt werden, also beispiels¬ weise in der unteren Hälfte des in Fig. 1 gezeigten Rotors 3. Wenn der Rotor 3 über längere Zeit ohne ständige Drehung ge¬ kühlt werden muss, kann es daher zweckmäßig sein, den leichter zu kühlenden untenliegenden Abschnitt durch gelegentliche Teildrehungen zu wechseln. Auch der Transport von kondensier- tem Kühlmittel aus dem feststehenden Kondensorraum 9 in den rotierenden ersten Kühlmittelraum 13 wird von der Schwerkraft unterstützt, da der Kondensorraum 9 geodätisch oberhalb der Einkopplungsvorrichtung auf den rotierenden Bereich angeordnet ist. Dazu weist das Verbindungsrohr 29 einen senkrecht stehenden Abschnitt und einen beispielsweise schräg abfallen¬ den Bereich 30 auf der dem Rotor 3 zugewandten Seite auf.
Die Ein- und Auskopplung von Kühlmittel in den rotierenden Bereich der Kühleinrichtung erfolgt über einen ringförmigen Spalt 17, der in einer ersten axialen Begrenzungswand 15 des ersten Kühlmittelraums ausgebildet ist. Bei dieser Begren¬ zungswand 15 handelt es sich um eine axial außenliegende Be¬ grenzungswand, so dass Kühlmittel insgesamt von einer axial außenliegenden Seite, also einer Stirnseite in den Rotor 3 eingekoppelt werden kann. In den Ringspalt 17 ragt hier an einer geodätisch oben liegenden Stelle das Verbindungsrohr 29 hinein. Bei einer Drehung des Rotors 3 durchläuft dieses Ende des Verbindungsrohrs 29 dabei nacheinander die verschiedenen Umfangspositionen des Ringspalts 17. Um in den Bereichen des Ringspalts 17, an denen sich das Verbindungsrohr 29 gerade nicht befindet, eine unnötig große Öffnung zu verhindern, ist der Spalt hier zumindest zu einem Teil mit einem ringförmigen Verbindungsstück 31 gefüllt, in dessen Innerem das Verbindungsrohr 29 als rohrartige Ausnehmung durchgeführt ist. Axi- al außerhalb und neben dem ersten Kühlmittelraum 13 ist hier eine Zwischenkammer 33 angeordnet, die in diesem Beispiel über den von dem Verbindungsstück 31 nicht vollständig ausgefüllten Teil des Ringspalts 17 fluidisch mit dem ersten Kühlmittelraum 13 verbunden ist. Bei einem Betrieb der Kühlvor- richtung ist diese Zwischenkammer 33 daher auch mit gasförmigem Kühlmittel Ne gefüllt. Der an den Ringspalt 17 direkt an¬ grenzende Wandbereich, der den ersten Kühlmittelraum 13 von der Zwischenkammer 33 trennt, ist ein kalter Wandbereich, der mit dem im ersten Kühlmittelraum stehenden kondensierten Kühlmittel in direktem thermischen Kontakt ist. Innerhalb der Begrenzungswand der Zwischenkammer sind jedoch zwei ringförmige thermische Isolationen aus thermisch schlecht leitfähigem Material, in diesem Beispiel aus glasfaserverstärktem Kunststoff (GFK) , angeordnet. Die sich an diese wärmeisolier¬ ten Bereiche 34 anschließenden Wandteile der Zwischenkammer befinden daher bei einem Betrieb der elektrischen Maschine auf einer vergleichsweise hohen Temperatur, die hauptsächlich durch die thermische Kopplung über das in der Zwischenkammer 33 befindliche gasförmige Kühlmittel etwas niedriger liegt als die Umgebungstemperatur. Innerhalb einer axial außenlie¬ genden warmen Begrenzungswand der Zwischenkammer 33 sind zwei ringförmige Drehdichtungen 32 angeordnet, die die feststehen¬ den Teile der Begrenzungswand (zusammen mit dem Verbindungs¬ rohr 29) gegen die rotierenden Teile der Begrenzungswand ab¬ dichten. Diese Drehdichtungen 32 müssen aufgrund der räumlichen und thermischen Trennung von den kalten Wandbereichen der Zwischenkammer nicht für kryogene Temperaturen ausgelegt sein. Bei solchen Drehdichtungen kann es sich beispielsweise vorteilhaft um Ferrofluid-Dichtungen, um Kevlar-Bürstendich- tungen oder um Labyrinth-Dichtungen handeln. Im gezeigten Beispiel sind die feststehenden Bereiche der Drehdichtungen gasdicht mit der Außenwand 15 des Verbindungsrohrs 29 sowie mit dem das Verbindungsrohr 29 tragenden Verbindungsstück 31 verbunden. Insgesamt müssen die Dichtungen 32 durch das Vorliegen einer gasgefüllten Zwischenkammer 33 nicht absolut vakuumdicht sein, sondern sie müssen nur relativ gasdicht sein, um einen zu großen Verlust an Kühlmittel während eines Be¬ triebs der elektrischen Maschine zu vermeiden.
Die Rotorwelle 7 ist im Beispiel der Fig. 1 sowie in allen weiteren Ausführungsbeispielen als massive, durchgehende Welle ausgebildet, über die der Rotor 3 der elektrischen Maschine mechanisch an weitere, hier nicht gezeigte Vorrichtungen gekoppelt sein kann, beispielsweise an beidseitig benachbart angeordnete Gas- und Dampfturbinen in einem Kraftwerk. In den Figuren 2 bis 5 sind schematische Querschnitte im Be¬ reich des Ringspalts für vier verschiedene Ausführungsbei¬ spiele der Erfindung gezeigt. Diese Ausführungsbeispiele kön¬ nen in ihren übrigen, nicht gezeigten Merkmalen relativ ähn- lieh wie das Beispiel der Fig. 1 ausgebildet sein. Fig. 2 zeigt dabei den Querschnitt des Ringspalts 17 nach einem zweiten Ausführungsbeispiel, bei dem nur ein Verbindungsrohr 29 in den Ringspalt 17 hineinragt, ohne dass hier ein den üb¬ rigen Bereich des Ringspalts ausfüllendes Verbindungsstück vorgesehen wäre. Das Verbindungsrohr 29 ist hier in einem unteren Bereich des Ringspalts 17 angeordnet, so dass es sich auch geodätisch unterhalb der massiven Rotorwelle 7 befindet. Das Verbindungsrohr 29 ist in diesem Bereich leicht schräg abfallend, so dass mit Hilfe der Schwerkraft flüssiges Kühl- mittel 35b in Richtung des Rotors 3 transportiert werden kann. In demselben Verbindungsrohr 29 strömt gasförmiges Kühlmittel 35a mehrheitlich in Richtung des Kondensorraums 9. Im gezeigten zweiten Ausführungsbeispiel ist der erste Kühl¬ mittelraum 13 durch die relativ große verbleibende Öffnung des Ringspalts 17 fluidisch stark mit der benachbarten Zwischenkammer gekoppelt. Durch diese starke Kopplung stellt sich in der Zwischenkammer eine Atmosphäre aus gasförmigem Kühlmittel ein, deren Temperatur in einem Bereich zwischen der Betriebstemperatur der elektrischen Spule 27 und einer äußeren Umgebungstemperatur liegt.
Fig. 3 zeigt ein ringförmiges Zwischenstück 31 im Bereich des Ringspalts 17 nach einem dritten Ausführungsbeispiel der Er¬ findung. Dieses Zwischenstück 31 füllt den Ringspalt 17 weit- gehend aus, so dass der Ringspalt 17 selbst in der Fig. 3 nicht dargestellt ist. Durch das ringförmige Zwischenstück 31 ist das Verbindungsrohr 29 geführt, dass sich auch in diesem Beispiel geodätisch unterhalb der Rotorwelle 7 befindet und auch hier zum Transport von sowohl flüssigem 35b als auch gasförmigem 35a Kühlmittel ausgebildet ist. Alternativ kann eine solche einzelne rohrartige Ausnehmung in dem Ringstück aber auch auf verschiedenen anderen Umfangspositionen des ringförmigen Verbindungsstücks 31 angeordnet sein. Fig. 4 zeigt einen schematischen Querschnitt eines ähnlichen ringförmigen Zwischenstücks 31 nach einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Bei diesem Beispiel trägt das Verbindungsstück vier Verbindungsrohre 29, die beispielsweise zur Ein- und Auskopplung von Kühlmittel von vier verschiedenen Kältemaschinen dienen können. Dabei kann es nötig sein, eine Mehrzahl von Kondensorräumen und/oder Kaltköpfen zu verwenden, um die benötigte Kühlleistung der Kühlvorrichtung si- cherzustellen . Im gezeigten Beispiel sind die vier Verbindungsrohre 29 auf verschiedene Umfangspositionen des ringför¬ migen Verbindungsstücks verteilt. Jedes der Verbindungsrohre ist zum Transport sowohl von flüssigem 35b als auch zum gleichzeitigen Rücktransport von gasförmigem 35a Kühlmittel ausgelegt.
Fig. 5 zeigt einen schematischen Querschnitt eines ringförmigen Verbindungsstücks 31 nach einem fünften Ausführungsbei¬ spiel der Erfindung. Auch hier füllt das Verbindungsstück 31 den Ringspalt 17 weitgehend aus, so dass der Ringspalt nicht separat dargestellt ist. Die Öffnung des Ringspalts 17 und damit die Schenkelbreite des Verbindungsstücks 31 ist jedoch wesentlich schmaler als in den vorherigen Beispielen, da das Verbindungsstück hier eine Mehrzahl einzelner dünnerer Ver- bindungsrohre trägt, von denen die ersten Verbindungsrohre 29a jeweils im Wesentlichen für den Transport von flüssigem Kühlmittel 35b in den rotierenden Bereich und die zweiten Verbindungsrohre 29b jeweils im Wesentlichen nur für den Rücktransport von gasförmigem Kühlmittel in den feststehenden Bereich vorgesehen sind. Durch den geringeren radialen Platzbedarf des Verbindungsstücks 31 und des Ringspalts 17 kann bei einer solchen Ausführungsform generell die Ein- und Auskopplug von Kühlmittel vorteilhaft radial näher an der Rotor¬ welle 7 erfolgen. Hierdurch können Reibungsverluste zwischen dem Kühlmittel und rotierenden und feststehenden Bauteilen minimiert werden. Fig. 6 zeigt einen schematischen Längsschnitt durch einen Teil einer Kühlvorrichtung 1 nach einem sechsten Ausführungs beispiel. Auch hier ist eine Zwischenkammer 33 axial neben dem ersten Kühlmittelraum 13 angeordnet. Im Unterschied zum Beispiel der Fig. 1 ist die axiale Ausdehnung der Zwischenkammer hier jedoch größer als die radiale Ausdehnung eines Ringsegments der ringförmigen Kammer 33. Durch geschickte Platzierung der Dichtungen und thermischer Isolation wurde hier die radiale Ausdehnung minimiert. Dies bewirkt vorteil¬ haft, dass die Ein- und Auskopplung von Kühlmittel besonders nah an der Rotorwelle 7 erfolgen kann.
Fig. 7 zeigt einen schematischen Längsschnitt durch einen Teil einer Kühlvorrichtung 1 nach einem siebten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Auch hier ist eine Zwischenkammer 33 axial neben dem ersten Kühlmittelraum 13 angeordnet. Im Unterschied zu den anderen gezeigten Beispielen ist die Zwischenkammer 33 jedoch vakuumdicht gegen den ersten Kühlmittelraum 13 und gegen die äußere Umgebung abgeschlossen. Die Zwischenkammer 33 wird axial von wenigstens einem feststehen den Verbindungsrohr 29 durchquert, das auch hier als Teil ei nes feststehenden ringförmigen Verbindungsstücks 31 ausgebil det ist. Dieses Verbindungsstück 31 ist hier jedoch nicht al massiver Körper gebildet wie in den vorherigen Beispielen, sondern es umfasst lediglich ein ringförmiges kaltes axiales Endstück 31a, das über zwei ringförmige vakuumdichte Dreh¬ dichtungen 32a gegenüber der axialen Begrenzungswand 15 des ersten Vakuumraums 13 abgedichtet ist und ein ringförmiges warmes axiales Endstück 31b, das über zwei ringförmige Dreh¬ dichtungen 32 gegenüber der weiteren rotierenden Begrenzungs wand der Zwischenkammer abgedichtet ist. Auch hier weist die se rotierende Begrenzungswand der Zwischenkammer 33 zwei ringförmige Wärmeisolationen 34 auf, die kalte und warme Be¬ reiche der Begrenzungswand thermisch voneinander isolieren. In diesem Beispiel müssen die Dichtungen 32 und 32a alle nicht nur gasdicht, sondern vakuumdicht ausgeführt sein, um ein Vakuum V in der Zwischenkammer dauerhaft aufrechtzuerhal ten. Hierdurch wird die thermische Isolation zwischen kalten und warmen Bereichen des Rotors deutlich verbessert. Die Dichtungen 32a im kalten Bereich der Begrenzungswand müssen dazu allerdings sogar in einem kryogenen Temperaturbereich vakuumdicht sein, was zu einem erhöhten Aufwand für die Aus- bildung dieser Dichtungen führt.
Ein weiterer Unterschied zu den vorherigen Beispielen ist, dass der Rotor 3 nach dem siebten Ausführungsbeispiel einen zweiten ringförmigen Kühlmittelraum 39 aufweist, der von dem ersten ringförmigen Kühlmittelraum 13 fluidisch durch eine Zwischenwand 37 getrennt ist. Diese Zwischenwand 37 ist ther¬ misch gut leitfähig, so dass die Kühlmittel in den beiden Kühlmittelräumen 13 und 37 thermisch gekoppelt sind. Das Kühlmittel Ne des zweiten Kühlmittelraums 39 ist fluidisch mit wenigstens einer Kühlrohrschleife 25 gekoppelt, die im unteren Teil der Fig. 7 nur durch die beiden Flussrichtungen 23 angedeutet sind. Es handelt sich hier also um zwei ge¬ trennte Kühlmittelkreisläufe, von denen der erste den
Kondensorraum 9 der Kältemaschine und die Übertragung von den feststehenden Bereichen in den Rotor 3 umfasst, und von denen der zweite die eigentliche Kühlung der elektrischen Spulenwicklung 27 bewerkstelligt. Im gezeigten Beispiel ist in bei¬ den Kühlmittelkreisläufen Neon (Ne) als Kühlmittel vorgesehen, es können aber alternativ auch unterschiedliche Kühlmittel zum Einsatz kommen.
Fig. 8 zeigt einen schematischen Längsschnitt durch einen Rotor 3 einer elektrischen Maschine nach einem achten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Auch hier ist der Rotor 3 auf einer durchgehenden massiven Rotorwelle 7 montiert. In einem axial innenliegenden Bereich des Rotors 3 trägt die Rotorwel¬ le 7 einen Rotorkern 47, auf dem eine supraleitende Spulenwicklung 27 zur Ausbildung eines zweipoligen Magnetfeldes angeordnet ist. Eine solche zweipolige Spulenwicklung 27 um- fasst ausgeprägte, sich radial erstreckende Bereiche 27a, die zusätzlich zu den axial ausgedehnten Bereichen auch gekühlt werden müssen. Da solche radialen Bereiche 27a auf beiden axialen Seiten des Rotors angeordnet sind, wird ein Kühlsys- tem benötigt, das diese radialen Abschnitte auf beiden Seiten effektiv kühlen kann. Zu diesem Zweck ist der Rotor 3 des achten Ausführungsbeispiels mit zwei Kühlvorrichtungen 41a und 41b ausgestattet. Jede dieser Kühlvorrichtungen umfasst dabei mehrere Kaltköpfe 11, wenigstens einen Kondensorraum 9 und eine Vorrichtung 43a, 43b zur Übertragung von Kühlmittel zwischen feststehenden und rotierenden Bereichen. Diese Komponenten der Kühlvorrichtungen 41a und 41b sind in Fig. 8 nur äußerst schematisch gezeigt und können für jede der beiden Vorrichtungen beispielsweise ähnlich den vorab besprochenen
Ausführungsbeispielen ausgestaltet sein. Wesentlich ist, dass durch die beiden Kühlvorrichtungen 41a und 41b in beiden axialen Endbereichen 45a und 45b des Rotors Kühlmittel in den rotierenden Teil der Maschine eingekoppelt werden kann. Von diesen beiden endseitig angeordneten Übertragungsvorrichtungen 43a und 43b aus erstrecken sich wiederum zwei Sätze von Kühlrohrschleifen, die sich jeweils etwa bis zum axialen Zentrum des Rotors 3 erstrecken. Diese Kühlrohrschleifen 25 weisen jeweils ausgeprägte radiale Abschnitte 25a auf, die im Wesentlichen parallel zu den radialen Abschnitten 27a der
Spulenwicklung 27 verlaufen und somit zu einer Kühlung dieser Abschnitte geeignet sind.
Im Unterschied zu dem in Fig. 8 gezeigten Beispiel können sich die Kühlrohrschleifen 25 solcher gegenüberliegenden
Kühlvorrichtungen 41a und 41b alternativ auch axial überlappen und/oder die einzelnen Kühlvorrichtungen können unterschiedlich und asymmetrisch ausgebildet sein.

Claims

Patentansprüche
1. Kühlvorrichtung (1) zur Kühlung einer elektrischen Maschine mit einem um eine Rotationsachse (5) drehbar gelagerten Rotor (3), der auf einer zentralen Rotorwelle (7) angeordnet ist,
umfassend
- wenigstens einen feststehenden Kondensorraum (9), der mit wenigstens einem feststehenden Kaltkopf (11) in thermischem Kontakt steht,
- und wenigstens einen auf dem Rotor (3) angeordneten ersten Kühlmittelraum (13),
wobei
- der erste Kühlmittelraum (13) die zentrale Rotorwelle (7) ringförmig umgibt und eine axiale Begrenzungswand (15) auf¬ weist, die mit einem ringförmigen Spalt (17) zur Einspei- sung und/oder Ausleitung von Kühlmittel (Ne) versehen ist.
2. Kühlvorrichtung (1) nach Anspruch 1, bei der der erste Kühlmittelraum (13) über den ringförmigen Spalt (17)
fluidisch mit dem Kondensorraum (9) in Verbindung steht.
3. Kühlvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei der der erste Kühlmittelraum (13) fluidisch mit wenigstens einer auf dem Rotor (3) angeordneten Kühlrohrschleife (25) verbunden ist, die zumindest in einem Teilbereich thermisch an eine auf dem Rotor (3) angeordnete elektrische Spulenwick¬ lung (27) angekoppelt ist.
4. Kühlvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der feststehende Kondensorraum (9) fluidisch über wenigstens ein in den ringförmigen Spalt (17) hineinragendes Verbindungsrohr (29) mit dem ersten Kühlmittelraum (13) des Rotors (3) gekoppelt ist.
5. Kühlvorrichtung (1) nach Anspruch 4, bei der das in den ringförmigen Spalt (17) hineinragende Verbindungsrohr (29) in einem ringförmigen Verbindungsstück (31) angeordnet ist, das einen mehrheitlichen Teil des ringförmigen Spalts (17) ausfüllt.
6. Kühlvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 4 oder 5, bei der der wenigstens eine feststehende Kondensorraum (9) fluidisch über mehrere in den ringförmigen Spalt (17) hineinragende Verbindungsrohre (29) mit dem ersten Kühlmittelraum (13) des Rotors (3) gekoppelt ist.
7. Kühlvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 4 bis 6, bei der der feststehende Kondensorraum (13) fluidisch über wenigstens ein Paar von Verbindungsrohren (29a, 29b) mit dem ersten Kühlmittelraum (13) gekoppelt ist, wobei jeweils ein erstes Verbindungsrohr (29a) des Paares zum Einspeisen von Kühlmittel (Ne) in den ersten Kühlmittelraum (13) und ein zweites Verbindungsrohr (29b) des Paares zum Ausleiten von Kühlmittel (Ne) aus dem ersten Kühlmittelraum (13) vorgesehen ist .
8. Kühlvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der erste Kühlmittelraum (13) über den ringförmigen Spalt (17) mit einer Zwischenkammer (33) verbunden ist, die die zentrale Rotorwelle (7) ringförmig umgibt.
9. Kühlvorrichtung (1) nach Anspruch 8, bei der die Zwischenkammer (33) bei einem Betrieb der Kühlvorrichtung (1) wenigstens teilweise mit gasförmigem Kühlmittel (35a) gefüllt ist.
10. Kühlvorrichtung (1) nach Anspruch 8, bei der die Zwi- schenkammer (33) als vakuumdichte Kammer ausgebildet ist.
11. Kühlvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der erste Kühlmittelraum (13) über eine Zwischenwand (37) thermisch mit einem zweiten Kühlmittelraum (39) gekoppelt ist, wobei der zweite Kühlmittelraum (39) fluidisch mit wenigstens einer auf dem Rotor (3) angeordneten Kühlrohrschleife (25) verbunden ist, die zumindest in einem Teilbereich thermisch an eine auf dem Rotor (3) angeordnete elektrische Spulenwicklung (27) angekoppelt ist.
12. Kühlvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprü- che, bei der der Kondensorraum (9) und wenigstens der erste
Kühlmittelraum (13) mit einem Kühlmittel gefüllt sind, das Stickstoff, Helium oder Neon umfasst.
13. Elektrische Maschine mit einem um eine Rotationsachse (5) drehbar gelagerten Rotor (3) , der auf einer zentralen Rotorwelle (7) angeordnet ist, mit einer Kühlvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
14. Elektrische Maschine nach Anspruch 13, die wenigstens ei- ne auf dem Rotor (3) angeordnete elektrische Spulenwicklung
(27) und wenigstens zwei Stromzuführungen zur Verbindung der Spulenwicklung (27) mit einem äußeren Stromkreis umfasst, wobei die Stromzuführungen in einem ersten axialen Endbereich (45a) des Rotors (3) angeordnet ist und der erste Kühlmittel- räum (13) in diesem ersten axialen Endbereich (45a) des Rotors (3) angeordnet ist.
15. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 13 oder 14, die wenigstens zwei Kühlvorrichtungen (41a, 41b) nach einem der Ansprüche 1 bis 12 umfasst.
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