Wechselstrom-Synchronmaschinen-Anlage
Die Erfindung betrifft eine Wechselstrom-Synchronmaschinen-Anlage mit einem hohlen, aus nichtmagnetischem Material hergestellten und mittels eines Kryomediums gekühlten Rotor, welches an seinen beiden Enden von Lagern getragen wird und einen zylindrischen Körper aufweist, welcher eine supraleitende Gleichstromwicklung sowie hohle Übergangsteile trät, mittels welcher die Enden des zylindrischen Körpers mit den von den Lagern getragenen Wellenzapfen verbunden sind.
Aufgrund der Entwicklung von supraleitenden Materialien, d. h. z. B. von Niob-, Titan- sowie Niob-Zinn-Legierungen, welche in starken magnetischen Feldern supraleitend sind, wurde verschiedentlich die Verwendung von supraleitenden Wicklungen in rotierenden elektrischen Maschinen vorgeschlagen. Bei den entsprechenden Entwicklungsarbeiten wurde dabei in der Hauptsache die Verwendung einer stationären Feldwicklung aus supraleitendem Material sowie eines Rotors mit nichtsupraleitenden Leitern oder Wicklungen vorgesehen. Das Abkühlen der Feldwicklung auf eine für die Supraleitfähigkeit erforderliche Temperatur wird dadurch vereinfacht, während der Rotor bei Umgebungstemperatur arbeiten kann.
Bisher wurde angenommen, dass das Kühlen einer supraleitenden Rotorwicklung mit grossen Schwierigkeiten verbunden ist, welche auf die Wärmeleitung, von der angekuppelten Maschine her, längs der Rotorwelle, sowie auf die mit der Isolierung und dem Kühlen eines rotierenden Körpers verbundenen Probleme zurückzuführen sind.
Zweck der Erfindung ist es somit, eine Wechselstrom Synchronmaschinen-Anlage zu schaffen, welche die mit bestehenden Ausführungen verbundenen Nachteile und Probleme weitgehend nicht aufweist.
Die erfindungsgemässe Wechselstrom-Synchronmaschinen-Anlage der eingangs genannten Art ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Zufuhrvorrichtung für das Kryomedium zur supraleitenden Wicklung, ferner zu den Übergangsteilen sowie zu mindestens einem thermischen Strahlungsschutzschirm vorgesehen ist, welcher an der Aussenseite des Rotors mit Abstand vom zylindrischen Körper angeordnet ist.
Zweckmässigerweise haben die vorzugsweise kegelstumpfförmigen Übergangsteile eine der erforderlichen Festigkeit entsprechende, möglichst kleine Stärke, damit der Wärmefluss von den Wellenzapfen zur Rotorwicklung auf ein Minimum reduziert wird. Zur Verstärkung der Übergangsteile, ohne Erhöhung des Wärmeflusses, können Ringe oder Rippen vorgesehen werden. Die Übergangsteile sind vorzugsweise aus einem. Material hergestellt, welches bei den herrschenden tiefen Temperaturen eine niedrige thermische Leitfähigkeit besitzt, wie z. B. Titanlegierungen oder rostfreier Stahl.
Die Strahlungsschutzschicht dient zur Herabsetzung der nach innen gegen den Rotor gerichteten Wärmestrahlung und ist vorzugsweise durch einen Vakuumrahmen vom hohlen kreiszylindrischen Körper getrennt. Dieser Vakuumraum kann von einem am Rotor angeordneten und das Strahlungsschild umgebenden Gehäuse begrenzt werden, welches mit Abstand vom Strahlungsschutzschild befestigt ist. Das Strahlungsschild kann mittels Röhren gekühlt werden, welche ein Kühlmedium, z. B. Helium, von einer unterhalb derjenigen der Umgebungsatmosphäre liegenden Temperatur führt.
Die supraleitende Rotorwicklung kann eine herkömmliche Form haben und beispielsweise in Epoxyharz eingebettet sein. Das Epoxyharz kann mittels Fasermaterial, wie z. B. Kohlenstoff- oder Glasfasern, verstärkt sein, damit es die Leiter tragen kann.
Vorzugsweise findet eine sinusförmige Verteilung des Radialfeldes rund um den Rotor statt, was durch eine sinusförmige Verteilung des Rotorstromes erreichbar ist.
Eine derartige Stromverteilung ist bei der beschriebenen Konstruktion durch eine Wicklungsverteilung möglich, bei welcher die radiale Tiefe rund um den Umfang des vierzylindrischen Körpers variiert. Bei einer zweipoligen Maschine können z. B. zwei einander diametral gegenüberliegende Wicklungen verwendet werden, von denen jede sich über etwa die Hälfte des Umfanges des zylindrischen Körpers erstreckt. Das radiale Tiefenmaximum jeder der einzelnen Wicklungen tritt dort auf, wo sie am weitesten voneinander entfernt sind, um dann allmählich auf ein Minimum abzusinken, welches sich dort befindet, wo die Wicklungen am nächsten beieinander liegen. Diese Anord nung kann derart geändert werden, dass sie einer Ausführung mit vier oder mehr Polen entspricht.
Damit der zylindrische Körper gleichmässig belastet ist, kann rund um ihn ein Wicklungsersatz oder eine Füllung zur Verbesserung der Gewichtsverteilung angeordnet werden.
Während Zentrifugalkräfte durch Verwendung eines Wicklungsersatzes undloder einer Füllung gleichmässig verteilt werden können, erzeugen elektromagnetische Kräfte eine ungleichmässige Belastung, welche dazu tendiert, dem zylindrischen Körper eine ovale Form zu geben. Als Mittel gegen diese Auswirkung kann der zylindrische Körper mit radial angeordneten Rippen ausgerüstet werden, welche sich von einer Nabe oder einem in der Mitte angeordneten Rohrstock erstrecken.
Das für die Rotorwicklung verwendete, supraleitende Material kann ein in seinem Innern gekürztes Rohr sein, oder es kann eine zusammengesetzte Form haben und aus mehreren sich kreuzenden Supraleitern bestehen, welche beispielsweise in Epoxyharz eingebettet sind. Die Leiter können mittels rund um die Wicklungen angeordneter Röhren undloder, sofern sie hohl sind, im Innern gekühlt werden.
Das Kühlmedium, z. B. Helium, kann in einer ausserhalb des Rotors angeordneten Kühlvorrichtung gekühlt und dann in die Wicklung eingeführt werden. Ferner kann mindestens ein Teil der Kühlanlage innerhalb des Rotorkörpers angeordnet werden, und zwar koaxial, damit die Zentrifugalkräfte möglichst stark reduziert werden.
Der Stator kann eine herkömmliche, nicht supraleitende Wicklung, z. B. eine Doppelschichtwicklung aus Kupfer umfassen. Infolge des intensiven Magnetfeldes ist aber kein Magnetkern erforderlich. Die Wicklung kann in Epoxyharz eingebettet sein, welches von einem Gehäuse getragen, jedoch mittels eines magnetischen Schildes, beispielsweise aus laminiertem Eisen, von ihm getrennt ist.
Als alternative Ausführung kann das Gehäuse zusätzlich als magnetisches Schild wirken, welches notwendig ist, damit das Vorhandensein von hohen magnetischen Feldern ausserhalb der Synchronmaschine vermieden wird.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemässen Wechselstrom-Synchronmaschinen-Anlage anhand der Zeichnung näher erläutert.
Es stellen dar:
Fig. 1 einen schematischen Längsschnitt durch eine Wechselstrom-Synchrongeneratoren-Anlage;
Fig. 2 einen Querschnitt durch eine Rotorwicklung mit zylindrischem Körper;
Fig. 3 einen Querschnitt durch einen zylindrischen Körper mit einer Verstärkungsrippe; und
Fig. 4 ein Prinzipschema des Kühlmediumkreises für den Rotor in Fig. 1.
In Fig. 1 werden eine Wechselstrom-Synchrongenerator-Anlage mit einem Rotor 1, welcher eine Rotorwicklung 2 und einen, den Rotor umgebenden Stator 3 trägt, sowie eine Statorwicklung 4 gezeigt.
Der Rotor umfasst einen zylindrischen Körper oder Trägerzylinder la aus nichtmagnetischem Material, wie z. B. rostfreiem Stahl, Titan oder mit Kohlenstofffasern verstärktem Material, sowie zwei hohle konische Übergangsteile lb, welche jeweils an den Enden des Trägerzylinders la angeordnet sind. Die Übergangsteile Ib verbinden den Trägerzylinder la mit zwei Wellenzapfen 5a und Sb, welche von zwei Lagern 6 getragen werden.
Rund um den Trägerzylinder la und die Übergangsteile lb ist ein Strahlungsschutzschild Ic vorgesehen, welches mit Ausnahme von seinen Enden, wo es mit den Übergangsteilen in Verbindung kommt, mit Abstand vom Trägerzylinder und den Übergangsteilen angeordnet ist.
Ein Aussengehäuse Id umgibt das Strahlungsschild 1 c, ist aber mit Abstand von ihm angeordnet. Das Strahlungsschild Ic besteht vorzugsweise aus einem Material mit hoher thermischer Leitfähigkeit, wie z. B. einer Aluminium legierung. Das Aussengehäuse Id begrenzt einen Vakuumraum und besteht aus einem Material mit einem hohen Verhaltnis zwischen Festigkeit und Gewicht. Das Aussengehäuse Ic ist an den Wellenzapfen 5a und 5b mit den Enden des Rotors verschweisst.
Zwischen dem Trägerzylinder und dem Schutzschild, bzw. zwischen dem Schutzschild und dem Aussengehäuse, befinden sich zwei Räume 7 und 8, welche zur Herabsetzung des Wärmeflusses nach innen entweder unter Vakuum oder sehr tiefem Druck stehen. In den Räumen 7 und 8 kann ferner zur Herabsetzung des Wärmeflusses nach innen, ein Material mit tiefer thermischer Leitfähigkeit, z. B. ein aluminisierter Polyesterfilm der Marke Mylar oder Aluminiumglasfiber verwendet werden.
Die Rotorwicklung 2 aus supraleitendem Material wird von der Innenseite des Trägerzylinders la getragen, wobei aber die Details einfachheitshalber weggelassen sind. Die Rotorwicklung 2 kann beispielsweise in Epoxyharz eingebettet sein, welches zur Herstellung einer Verbindung zwischen den einzelnen Wicklungen, sowie zwischen den Wicklungen und dem Trägerzylinder härtbar ist.
Die Statorwicklung besteht aus nicht supraleitendem Material und kann eine herkömmliche Form aufweisen, d. h. als Doppelschichtwicklung ausgeführt sein, jedoch mit der Ausnahme, dass ein Eisenkern nicht erforderlich ist Die Wicklung kann, wie im Falle der Rotorwicklung, in einem Epoxyharz eingebettet sein. Aus Gründen der Einfachheit wurde auch noch die Statorwicklung nicht detailliert gezeigt Der Durchmesser der Einzeldrähte in der Statorwicklung muss klein gehalten werden und beträgt in den meisten Fällen etwa 1 mm.
Das Aussengehäuse des Stators 3 ist mit Abstand von der Wicklung 4 angeordnet und dient infolge des vorhandenen starken magnetischen Feldes als magnetisches Schild für die Synchronmaschine. Zu diesem Zweck kann das Aussengehäuse aus laminiertem, magnetischem Material, wie Eisen oder Flusseisen, bestehen. Als alternative Ausführung kann ein getrenntes Magnetschild zwischen dem Aussengehäuse und der Statorwicklung vorgesehen werden.
Die supraleitende Rotorwicklung 2 kann beispielsweise aus einer Niob-Titan- oder einer Niob-Zinn-Legierung bestehen. Derartige Materialien haben einen Widerstand gleich Null, d. h dass sie im Temperaturbereich von 10 bis 20 K supraleitend werden. Während einige supraleitende Materialien ihre Superleitfähigkeit dann verlieren, wenn starke Magnetfelder vorhanden sind, bleiben die genannten Legierungen bei einer Temperatur von 5 K bis 10 K auch noch innerhalb von magnetischen Feldern supraleitend. Die Wicklung wird mittels eines umlaufenden Kryomediums, wie z. B. eines superkritischen Heliumgases, bei der erforderlichen Tieftemperatur gehalten.
In Fig. list schematisch gezeigt, wie das Kryomedium durch einen Einlass 9 im Wellenzapfen 5b eintreten und durch Kanäle 10 zur Wicklung und ferner durch einen Kanal 11 zu einem Auslass 12 in der Oberfläche des Wellenzapfens Sb strömen kann. Die Kanäle 10 und 11 sind im Raum 13 innerhalb des Rotors 2 des hohlen Wellenzapfens Sb angeordnet Der Raum 13 ist vorzugsweise evakuiert, damit der Wärmeverlust in den Kanälen und in der Wicklung reduziert wird. Das Kryomedium wird ferner zur Kühlung des Übergangsteils lb verwendet, damit die durch die Wellenzapfen Sa und 5b einströmende Wärme nicht den Körper la und demzufolge die Wicklung erreichen kann.
Weiter unten ist mit Bezug auf Fig. 4 ein getrennter, nicht in Fig. 1 gezeigter Kühlkreis beschrieben, welcher vorteilhafterweise für den Übergangsteil vorgesehen ist.
Der Erregerstrom für die Rotorwicklung wird über am Wellenzapfen 5b angeordnete Schleifringe 14 geleitet, deren Betriebstemperatur normal ist.
In Fig. 2 ist ein Schnitt durch einen Trägerzylinder und die mit ihm verbundene Rotorwicklung für eine zweipolige Wicklung abgebildet. Die Gesamtwicklung besteht wie gezeigt aus einander diametral gegenüberliegenden Wicklungen. Um eine sinusförmige Stromverteilung zu erhalten, werden die Leiter 2a der Spulen derart verteilt, dass die Tiefe der Wicklungen in radialer Richtung am Umfang des Trägerzylinders 1 a wie gezeigt variieren. Die Tiefe in radialer Richtung hat ein Maximum an den Seiten jeder Wicklung. Eine derartige Anordnung führt zu einer uneinheitlichen Gewichtsverteilung innerhalb der Wicklung. Um eine gleichmässige Gewichtsverteilung zu erhalten, kann ein Wicklungsersatz oder eine Füllung 15 verwendet werden. Der von einer derartigen Wicklung erzeugte Fluss ist mit den Kraftlinien F bezeichnet.
Die Form der Wicklung kann den vorliegenden Bedingungen angepasst werden und kann beispielsweise, wie bei herkömmlichen Synchronmaschinen, konzentrisch sein. Die gesamte Wicklung ist in einem Material 2b, z. B.
Epoxyharz, eingebettet.
Während die Zentrifugalkraft-in der beschriebenen Weise gleichmässig verteilt werden kann, neigen die elektromagnetischen Kräfte dazu, den Trägerzylinder zu verformen. Um dieser Neigung entgegenzuwirken, kann der Tragzylinder mittels Rippen 16, wie in Fig. 3 gezeigt, verstärkt werden. Die Rippe kann sich dabei diametral über den Tragzylinder erstrecken. Vorzugsweise wird aber eine Nabe oder ein Rohr 17 verwendet, von welchem sich die Rippen in der gezeigten Weise erstrecken. Die Verwendung einer solchen Nabe trägt dazu bei, die Rippenstärke auf ein Mindestmass zu reduzieren. Die Rippen teilen, im Falle einer zweipoligen Wicklung, den Raum 13 zweckmässigerweise in zwei gleiche Teile. Bei Synchrongeneratoren mit vier oder mehr Polen wird der Raum vorteilhaft in entsprechend viele Räume aufgeteilt.
Je nach der Grösse der Synchronmaschine kann es notwendig werden, die letzte Kühlstufe innerhalb des Rotors anzuordnen, damit die Temperatur des Kryomediums auf die zur Erhaltung des supraleitenden Zustandes der Wicklung 2 erforderliche Höhe reduziert werden kann. In diesem Falle kann eine kleine Kühlvorrichtung im Raum 13 zusätzlich zur Hauptkühlvorrichtung ausserhalb der Synchronmaschine vorgesehen werden. Als alternative Ausführungsform kann die Kühlvorrichtung ganz oder teilweise innerhalb des Rotors eingebaut sein. In diesem Falle, d. h. wenn der gesamte Kühlzyklus innerhalb des Rotors stattfindet, wird das Kryomedium einem Rotor von normaler Temperatur unter einem Druck von z. B. 7 Atmosphären zugeführt. Wenn das Kryomedium vom Rotor abgeführt wird, hat es sowohl eine beinahe normale Temperatur als einen normalen Druck, d. h. etwa 1,2 Atmosphären.
In Fig. 4 ist der Kryomediumskreis in schematischer Form für den Fall dargestellt, dass die letzte Kühlstufe innerhalb des Rotors angeordnet ist. Das Kryomedium wird in einem Kompressor 18 verdichtet und dann in einer Kühlvorrichtung 19 verflüssigt. Das Kühlmedium verlässt die Kühlvorrichtung bei einer Temperatur von etwa 80 K, tritt dann in den Wellenzapfen 5b ein und fliesst zu einer weiteren Kühlstufe 20, welche in der Welle 5 angeordnet ist. Dort wird die Temperatur des Kryomediums weiter auf einen Wert herabgesetzt, der dazu geeignet ist, die Wicklung auf eine Temperatur von z. B. 4" K zu reduzieren, bei welcher sie supraleitend wird. Das Kryomedium fliesst dann von der Kühlstufe 20 zur Rotorwicklung 2 und weiter durch in der Wicklung angeordnete Röhren undloder Hohlleiter.
Nachdem das Kryomedium die Wicklung verlassen hat, wird es zum Kompressor 18 zurückgeführt, jedoch erst nachdem es zur Vorkühlung des durch die Kühlstufe 20 geleiteten Mediums verwendet wurde.
Ein Teil des die Wicklung verlassenden Kryomediums wird aussen um die Kühlstufe 20 herumgeführt und in den Kühlvorrichtungen 21 und 22 zur Kühlung von nicht gezeigten Leitern verwendet, welche Erregerstrom zur Wicklung führen. Ausserdem wird ein Teil des Kühlmediums vom Kreis zwischen der Kühlvorrichtung 19 und der Kühlstufe 20 abgezweigt und den Rohrwicklungen 23 zugeführt, welche zum Kühlen der Übergangsteile lb sowie zur Herabsetzung des Wärmeflusses von den Wellenzapfen 5a und 5b zum Trägerzylinder la benutzt wird. Das Medium kann ferner durch am Strahlschutzschild Ic befestigte Röhren geleitet werden, was nicht in Fig. 4 gezeigt ist.
Die Wärmeaustauscher und die Kühlstufe können in einen in der Welle 5 angeordneten Manschette eingebaut werden, damit der Ausbau und der Unterhalt erleichtert werden.
Alternating current synchronous machine system
The invention relates to an alternating current synchronous machine system with a hollow rotor made of non-magnetic material and cooled by means of a cryomedium, which rotor is supported at both ends by bearings and has a cylindrical body with a superconducting direct current winding and hollow transition parts by means of which the ends of the cylindrical body are connected to the shaft journals carried by the bearings.
Due to the development of superconducting materials, i. H. z. B. of niobium, titanium and niobium-tin alloys, which are superconducting in strong magnetic fields, the use of superconducting windings in rotating electrical machines has been proposed on various occasions. In the corresponding development work, the use of a stationary field winding made of superconducting material and a rotor with non-superconducting conductors or windings were mainly provided. The cooling of the field winding to a temperature required for superconductivity is simplified, while the rotor can work at ambient temperature.
It was previously assumed that the cooling of a superconducting rotor winding is associated with great difficulties, which are due to the heat conduction, from the coupled machine, along the rotor shaft, as well as to the problems associated with the insulation and cooling of a rotating body.
The purpose of the invention is thus to create an alternating current synchronous machine system which largely does not have the disadvantages and problems associated with existing designs.
The alternating current synchronous machine system according to the invention of the type mentioned at the beginning is characterized in that a supply device for the cryomedium to the superconducting winding, further to the transition parts and to at least one thermal radiation protection shield is provided, which is arranged on the outside of the rotor at a distance from the cylindrical body is.
The preferably frustoconical transition parts expediently have a thickness that corresponds to the required strength and is as small as possible so that the heat flow from the shaft journal to the rotor winding is reduced to a minimum. Rings or ribs can be provided to reinforce the transition parts without increasing the heat flow. The transition parts are preferably made of one. Material made which has a low thermal conductivity at the prevailing low temperatures, such as. B. titanium alloys or stainless steel.
The radiation protection layer serves to reduce the thermal radiation directed inward towards the rotor and is preferably separated from the hollow circular cylindrical body by a vacuum frame. This vacuum space can be delimited by a housing arranged on the rotor and surrounding the radiation shield, which is fastened at a distance from the radiation protection shield. The radiation shield can be cooled by means of tubes containing a cooling medium, e.g. B. helium, leads from a temperature below that of the ambient atmosphere.
The superconducting rotor winding may have a conventional shape and may be embedded in epoxy resin, for example. The epoxy resin can by means of fiber material, such as. B. carbon or glass fibers, be reinforced so that it can support the ladder.
A sinusoidal distribution of the radial field around the rotor preferably takes place, which can be achieved by a sinusoidal distribution of the rotor current.
Such a current distribution is possible in the construction described by a winding distribution in which the radial depth varies around the circumference of the four-cylindrical body. In a two-pole machine, for. B. two diametrically opposite windings are used, each of which extends over about half the circumference of the cylindrical body. The radial depth maximum of each of the individual windings occurs where they are most distant from one another, and then gradually decreases to a minimum, which is where the windings are closest to one another. This arrangement can be changed so that it corresponds to a design with four or more poles.
So that the cylindrical body is evenly loaded, a winding replacement or a filling to improve the weight distribution can be arranged around it.
While centrifugal forces can be evenly distributed by using a winding substitute and / or a filling, electromagnetic forces create an uneven load which tends to give the cylindrical body an oval shape. As a means of counteracting this effect, the cylindrical body can be equipped with radially arranged ribs which extend from a hub or a cane arranged in the middle.
The superconducting material used for the rotor winding can be a tube with its interior shortened, or it can have a composite shape and consist of several superconductors crossing one another, which are embedded in epoxy resin, for example. The conductors can be cooled by means of tubes arranged around the windings and / or, if they are hollow, inside.
The cooling medium, e.g. B. helium, can be cooled in a cooling device arranged outside the rotor and then introduced into the winding. Furthermore, at least part of the cooling system can be arranged inside the rotor body, specifically coaxially, so that the centrifugal forces are reduced as much as possible.
The stator can have a conventional, non-superconducting winding, e.g. B. comprise a double layer winding made of copper. Due to the intense magnetic field, however, no magnetic core is required. The winding can be embedded in epoxy resin which is carried by a housing but separated from it by means of a magnetic shield, for example made of laminated iron.
As an alternative embodiment, the housing can also act as a magnetic shield, which is necessary in order to avoid the presence of high magnetic fields outside the synchronous machine.
An exemplary embodiment of the alternating current synchronous machine system according to the invention is explained in more detail below with reference to the drawing.
They represent:
1 shows a schematic longitudinal section through an alternating current synchronous generator system;
2 shows a cross section through a rotor winding with a cylindrical body;
3 shows a cross section through a cylindrical body with a reinforcing rib; and
FIG. 4 shows a basic diagram of the cooling medium circuit for the rotor in FIG. 1.
1 shows an alternating current synchronous generator system with a rotor 1, which carries a rotor winding 2 and a stator 3 surrounding the rotor, as well as a stator winding 4.
The rotor comprises a cylindrical body or support cylinder la made of non-magnetic material, such as. B. stainless steel, titanium or material reinforced with carbon fibers, and two hollow conical transition parts lb, which are each arranged at the ends of the support cylinder la. The transition parts Ib connect the carrier cylinder la with two shaft journals 5a and Sb, which are carried by two bearings 6.
A radiation protection shield Ic is provided around the carrier cylinder la and the transition parts lb, which, with the exception of its ends, where it comes into contact with the transition parts, is arranged at a distance from the carrier cylinder and the transition parts.
An outer housing Id surrounds the radiation shield 1c, but is arranged at a distance from it. The radiation shield Ic is preferably made of a material with high thermal conductivity, such as. B. an aluminum alloy. The outer housing Id delimits a vacuum space and consists of a material with a high ratio between strength and weight. The outer housing Ic is welded to the shaft journals 5a and 5b with the ends of the rotor.
Between the carrier cylinder and the protective shield, or between the protective shield and the outer housing, there are two spaces 7 and 8, which are either under vacuum or very low pressure to reduce the flow of heat inwards. In the spaces 7 and 8, a material with low thermal conductivity, e.g. B. Mylar brand aluminized polyester film or aluminum glass fiber can be used.
The rotor winding 2 made of superconducting material is carried from the inside of the carrier cylinder la, but the details are omitted for the sake of simplicity. The rotor winding 2 can be embedded in epoxy resin, for example, which can be hardened to produce a connection between the individual windings and between the windings and the carrier cylinder.
The stator winding is made of non-superconducting material and can be of a conventional shape; H. be designed as a double-layer winding, with the exception that an iron core is not required. The winding can, as in the case of the rotor winding, be embedded in an epoxy resin. For the sake of simplicity, the stator winding has not been shown in detail either. The diameter of the individual wires in the stator winding must be kept small and in most cases is around 1 mm.
The outer housing of the stator 3 is arranged at a distance from the winding 4 and, due to the strong magnetic field present, serves as a magnetic shield for the synchronous machine. For this purpose, the outer housing can consist of a laminated magnetic material such as iron or flux iron. As an alternative design, a separate magnetic shield can be provided between the outer housing and the stator winding.
The superconducting rotor winding 2 can for example consist of a niobium-titanium or a niobium-tin alloy. Such materials have zero resistance; This means that they become superconducting in the temperature range from 10 to 20 K. While some superconducting materials lose their superconductivity when strong magnetic fields are present, the alloys mentioned remain superconducting at a temperature of 5 K to 10 K even within magnetic fields. The winding is made by means of a circulating cryomedium, such as. B. a supercritical helium gas, held at the required low temperature.
FIG. 1 shows schematically how the cryomedium can enter through an inlet 9 in the shaft journal 5b and flow through channels 10 to the winding and further through a channel 11 to an outlet 12 in the surface of the shaft journal Sb. The channels 10 and 11 are arranged in the space 13 inside the rotor 2 of the hollow shaft journal Sb. The space 13 is preferably evacuated so that the heat loss in the channels and in the winding is reduced. The cryomedium is also used to cool the transition part lb, so that the heat flowing in through the shaft journals Sa and 5b cannot reach the body la and consequently the winding.
A separate cooling circuit, not shown in FIG. 1, which is advantageously provided for the transition part, is described below with reference to FIG. 4.
The excitation current for the rotor winding is conducted through slip rings 14 arranged on the shaft journal 5b, the operating temperature of which is normal.
2 shows a section through a carrier cylinder and the rotor winding connected to it for a two-pole winding. As shown, the overall winding consists of diametrically opposed windings. In order to obtain a sinusoidal current distribution, the conductors 2a of the coils are distributed in such a way that the depth of the windings vary in the radial direction on the circumference of the carrier cylinder 1a as shown. The depth in the radial direction has a maximum on the sides of each winding. Such an arrangement leads to an inconsistent weight distribution within the winding. A winding replacement or a filling 15 can be used in order to obtain an even weight distribution. The flux generated by such a winding is denoted by the lines of force F.
The shape of the winding can be adapted to the prevailing conditions and can be concentric, for example, as in conventional synchronous machines. The entire winding is in a material 2b, e.g. B.
Epoxy resin embedded.
While the centrifugal force can be evenly distributed in the manner described, the electromagnetic forces tend to deform the carrier cylinder. To counteract this tendency, the support cylinder can be reinforced by means of ribs 16, as shown in FIG. 3. The rib can extend diametrically over the support cylinder. Preferably, however, a hub or tube 17 is used from which the ribs extend in the manner shown. The use of such a hub helps to reduce the rib thickness to a minimum. In the case of a two-pole winding, the ribs conveniently divide the space 13 into two equal parts. In the case of synchronous generators with four or more poles, the room is advantageously divided into a corresponding number of rooms.
Depending on the size of the synchronous machine, it may be necessary to arrange the last cooling stage within the rotor so that the temperature of the cryomedium can be reduced to the level required to maintain the superconducting state of the winding 2. In this case, a small cooling device can be provided in space 13 in addition to the main cooling device outside the synchronous machine. As an alternative embodiment, the cooling device can be installed entirely or partially inside the rotor. In this case, i. H. if the entire cooling cycle takes place inside the rotor, the cryomedium is supplied to a rotor of normal temperature under a pressure of e.g. B. 7 atmospheres supplied. When the cryomedium is evacuated from the rotor it is at both near normal temperature and pressure; H. about 1.2 atmospheres.
In Fig. 4 the cryomedium circuit is shown in schematic form for the case that the last cooling stage is arranged inside the rotor. The cryomedium is compressed in a compressor 18 and then liquefied in a cooling device 19. The cooling medium leaves the cooling device at a temperature of approximately 80 K, then enters the shaft journal 5b and flows to a further cooling stage 20, which is arranged in the shaft 5. There the temperature of the cryomedium is further reduced to a value which is suitable for the winding to a temperature of, for. B. 4 "K, at which it becomes superconducting. The cryomedium then flows from the cooling stage 20 to the rotor winding 2 and further through tubes and / or waveguides arranged in the winding.
After the cryomedium has left the winding, it is returned to the compressor 18, but only after it has been used to precool the medium passed through the cooling stage 20.
A part of the cryomedium leaving the winding is guided around the outside of the cooling stage 20 and used in the cooling devices 21 and 22 to cool conductors (not shown) which lead excitation current to the winding. In addition, part of the cooling medium is branched off from the circuit between the cooling device 19 and the cooling stage 20 and fed to the pipe windings 23, which is used to cool the transition parts lb and to reduce the heat flow from the shaft journals 5a and 5b to the carrier cylinder la. The medium can also be passed through tubes attached to the radiation protection shield Ic, which is not shown in FIG.
The heat exchangers and the cooling stage can be installed in a sleeve arranged in the shaft 5 so that removal and maintenance are facilitated.