DE10335040B4

DE10335040B4 - Elektrische Maschine mit ferromagnetischem Polkern ihres Rotors

Info

Publication number: DE10335040B4
Application number: DE10335040A
Authority: DE
Inventors: Michael Dr. Frank; Adolf KÜHN; Peter van Dr. Haßelt
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2003-08-01
Filing date: 2003-08-01
Publication date: 2009-09-03
Anticipated expiration: 2023-08-02
Also published as: US20050082935A1; DE10335040A1

Abstract

Elektrische Maschine
– mit einem um eine Rotationsachse drehbar gelagerten Rotor (2), der einen ferromagnetischen Polkern (3; 3a bis 3c) aufweist, welcher
α) mit einer zu kühlenden supraleitenden Wicklungsanordnung (4) versehen ist, deren Leiter Hoch-T_c-Supraleitermaterial aufweisen,
und
β) einen zentralen Innenraum (10) umschließt, über den die Kälteleistung zur Kühlung der Wicklungsanordnung (4) bereitzustellen ist,
sowie
– mit einer thermischen Ankopplung der supraleitenden Wicklungsanordnung (4) an den zentralen Innenraum (10),
dadurch gekennzeichnet, dass der Polkern (3; 3a bis 3c) aus einem Material besteht, das zu mindestens 70 Gew.-% Nickel enthält.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrische Maschine

– mit einem um eine Rotationsachse drehbar gelagerten Rotor, der einen ferromagnetischen Polkern aufweist, welcher α) mit einer zu kühlenden supraleitenden Wicklungsanordnung versehen ist, deren Leiter Hoch-T_c-Supraleitermaterial aufweisen, und β) einen zentralen Innenraum umschließt, über den die Kälteleistung zur Kühlung der Wicklungsanordnung bereitzustellen ist, sowie
– mit einer thermischen Ankopplung der supraleitenden Wicklung an den zentralen Innenraum.

Eine derartige elektrische Maschine geht aus der WO 01/20756 A1 hervor.
Bei supraleitenden Maschinen wie Synchronmaschinen wird zur Erhöhung des nutzbaren Magnetfeldes vielfach ein ferromagnetischer Polkern verwendet. Als Material für diesen Polkern wird dabei insbesondere eine Speziallegierung mit der Bezeichnung ”X8Ni9” verwendet (vgl. WO 02/31949 A1 ). Diese Legierung bietet als Vorteil eine hohe Permeabilität bei gleichzeitiger Duktilität auch bei für die Hochtemperatursupraleitungs(HTS)-Technologie erforderlichen kryogenen Betriebstemperaturen. Die geringe thermische Leitfähigkeit dieser Sonderlegierung erfordert allerdings den Einsatz zusätzlicher, gut-wärmeleitender Verbindungen zur Kühlung der supraleitenden Wicklung. Außerdem muss zur Vermeidung eines etwaigen Verziehens eines Polkerns darauf geachtet werden, dass auch dieser selbst möglichst gleichmäßig abgekühlt wird. Bei der aus der eingangs genannten WO 01/20756 A1 bekannten Maschine sind deshalb zwischen einem zentralen Innenraum, der zur Aufnahme eines die supraleitende Wicklung kühlenden Mediums dient, und dem Bereich der Wicklung besondere radiale Kühlkanäle vorgesehen.
Die Bereitstellung der Kälteleistung in dem zentralen Innenraum kann auch über einen Wärmeübertragungskörper erfolgen, der als ein Kühlfinger bzw. Wärmebus in den zentralen Innenraum hineinragt. Auch hier sind noch wärmeleitende Mittel zur thermischen Ankopplung der supraleitenden Wicklung an den kalten Innenraum des Polkerns erforderlich.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Maschine mit den eingangs genannten Merkmalen dahingehend auszugestalten, dass der kühltechnische Aufwand zur Kühlung der supraleitenden Wicklung vermindert ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den in Anspruch 1 angegebenen Maßnahmen gelöst. Demgemäss soll der Polkern aus einem Material bestehen, das zu mindestens 70 Gew.-% Nickel (Ni) enthält.
Die mit der Verwendung dieses Materials verbundenen Vorteile sind insbesondere darin zu sehen, dass das Polkernmaterial

1. hinreichend ferromagnetisch zur Felderzeugung ist,
2. hinreichend tieftemperaturtauglich, d. h. duktil ist und keine Versprödung zeigt und
3. hinreichend gut wärmeleitend ist.

Alle diese Eigenschaften werden mit einer Ni-Legierung mit dem genannten Ni-Gehalt erhalten. Besonders vorteilhaft ist eine Verwendung von Reinnickel. Die Wärmeleitfähigkeit von Ni beträgt zwar nur etwa 20% im Vergleich zu Kupfer. Da aber der gesamte Polkern, der vorzugsweise aus einem Stück zu fertigen ist, als Wärmebus dienen kann, ist diese thermische Leitfähigkeit auf Grund der großen zur Verfügung stehenden Querschnitte für eine hinreichende thermische Ankopplung der supraleitenden Wicklung an den zentralen Innenraum, über den die Kälteleistung bereitgestellt wird, ausreichend. Wegen der direkten thermischen Ankopplung der HTS-Wicklung an den zentralen Innenraum können gegenüber bisher bekannten Ausführungsformen von HTS-Rotoren bisher erforderliche Einzelteile zur Wärmeübertragung weggelassen werden. Hinzu kommen eine vereinfachte Konstruktion, Fertigung und Montage. Die damit verbundenen Einsparungen übertreffen bei weitem die höheren Materialkosten des Ni-Materials gegenüber der bekannten X8Ni9-Legierung.
Konstruktiv ist es insbesondere von Vorteil, dass die derzeit zahlreichen Durchbrüche von dem zentralen Innenraum nach außen hin zur supraleitenden Wicklungsanordnung vermieden werden können und der zentrale Innenraum außerdem einen kleineren Durchmesser aufweisen kann. Außerdem wird eine damit verbundene mechanische Schwächung des Polkerns reduziert, die auch Eigenresonanzprobleme vermindern lässt.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Maschine gehen aus den abhängigen Ansprüchen hervor.
Die Erfindung wird nachfolgend an Hand eines bevorzugten Ausführungsbeispieles unter Bezugnahme auf die Zeichnung noch weiter erläutert. Dabei zeigt deren einzige Figur einen Querschnitt durch den Rotor einer erfindungsgemäßen Maschine.
Der in der Figur allgemein mit 2 bezeichnete Rotor der Maschine enthält einen Polkern 3, der als ein Wicklungsträger für eine supraleitende Wicklungsanordnung 4 dient. Gemäß dem Ausführungsbeispiel ist diese Wicklungsanordnung aus zwei Teilspulen 4a und 4b zusammengesetzt (vgl. die genannte WO 01/20756 A1 ). Die Teilspulen vom sogenannten Rennbahn(race track)-Typ sind aus bandförmigen Leitern aus einem der bekannten HTS-Materialien wie z. B. einem (Bi, Pb)-Cuprat aufgebaut.
Der Polkern 3 kann, wie für das Ausführungsbeispiel angenommen, aus mehreren Teilen zusammengesetzt sein. So kann er einen zentralen Kernteil 3a, zwei von den Teilspulen 4a und 4b umschlossene Kernteile 3b sowie zwischen den Teilspulen liegende Kernteile 3c aufweisen.
In der Figur sind ferner noch vier Kappen mit kreissegmentartigem Querschnitt gezeigt, mit denen die Teilspulen 4a und 4b an dem Polkern 3 befestigt sind. Die die Wicklungsanordnung 4 und die Kappen 5a bis 5d umschließende Zylindermantelfläche wird beispielsweise durch ein Innenrohr 7 festgelegt. Innerhalb dieses gegebenenfalls durch ein besonderes Hüllrohr gebildeten Innenrohres können die von ihm eingeschlossenen Teile mittels eines aushärtbaren Kunststoffes vergossen sein. Da das Innenrohr 7 im Allgemeinen auf Tieftemperatur wie die von ihm umgebene Wicklungsanordnung aus den Teilspulen 4a und 4b liegt, kann es z. B. von einem Außenrohr 8 auf Raumtemperatur konzentrisch umschlossen sein, wobei der Zwischenraum zwischen Außen- und Innenrohr zu deren gegenseitiger thermischer Isolation noch mit Isolationsmitteln 9 wie z. B. Isolationsfolien und/oder Vakuum versehen ist.
Erfindungsgemäß soll der Polkern 3 mit seinen Kernteilen 3a bis 3c aus einer Ni-Basislegierung mit hohem Ni-Gehalt bestehen, die zu mindestens 70 Gew.-% Ni enthält. Vorteilhaft wird ein noch höherer Ni-Gehalt von mindestens 80 Gew.-% Ni, vorzugsweise von mindestens 90 Gew.-% Ni vorgesehen. Besonders vorteilhaft ist es, wenn man ein Material für den Polkern 3 einplant, das als Reinnickel bezeichnet wird. Ein solches Material weist einen Ni-Gehalt von über 99 Gew.-% auf, wobei unvermeidbare Verunreinigungselemente selbstverständlich bei allen vorstehend genannten Materialien mit eingeschlossen sind. Eine solche Legierung und vorzugsweise das Reinmaterial zeichnen sich nämlich dadurch aus, dass sie eine hinreichend gute thermische Ankopplung der supraleitenden Wicklungsanordnung 4 über den Polkern 3 an die erforderliche Kälteleistung ermöglichen. So weist z. B. Reinnickel bei 77 K einen Wärme leitungskoeffizienten λ auf, der je nach Reinheitsgrad bis zu 4 W/cm·grd beträgt (vgl. z. B. „Gmelins Handbuch der Anorganischen Chemie”, 8. Aufl., „Nickel”, Teil AII-Lieferung 1, Weinheim (DE), 1967, Seite 316).
Beispiel geeigneter Legierungen sind spezielle Ni-Fe-Legierungen mit einem Ni-Gehalt von über 70 Gew.-%, insbesondere spezielle Ni-Fe-Mo-Legierungen (vgl. „Materials Science and Technology”, [Ed.: R. W. Cahn et al.], Vol. 8 (Structure and Properties of Nonferrous Alloys), VCH-Verlagsgesellschaft, Weinheim (DE), 1996, Seiten 347 bis 399, insbesondere Seiten 385 bis 389).
Die zur Kühlung des Supraleitermaterials der Wicklungsanordnung erforderliche Kälteleistung wird im Bereich eines zentralen Innenraums 10 innerhalb des Polkerns 3 bzw. des zentralen Polkernteil 3a zur Verfügung gestellt. Der Innenraum 10 kann nach einer bevorzugten Ausführungsform durch eine Bohrung in dem Kernteil 3a erzeugt worden sein. Die Kälteleistung wird z. B. durch ein von außen in den Rotor 2 bzw. dessen Innenraum 10 einzuleitendes kryogenes Medium wie beispielsweise durch LN₂ oder LNe bereitgestellt wobei der Innenraum 10 mit dem Medium zumindest teilweise befüllt sein kann (vgl. z. B. WO 02/43224 A1 ). Es ist aber auch möglich, dass in den Innenraum 10 ein thermisch gut leitender Körper quasi als ein Kühlfinger hineinragt, der seinerseits gekühlt wird (vgl. z. B. WO 02/15370 A1 ).
Bei dem vorstehenden Ausführungsbeispiel wurde davon ausgegangen, dass der Polkern 3 aus mehreren Kernteilen 3a bis 3c zusammengesetzt ist. Besonders vorteilhaft ist es, dass bei der erfindungsgemäßen Maschine der Polkern auch einstückig ausgebildet sein kann.

Claims

Elektrische Maschine – mit einem um eine Rotationsachse drehbar gelagerten Rotor (2), der einen ferromagnetischen Polkern (3; 3a bis 3c) aufweist, welcher α) mit einer zu kühlenden supraleitenden Wicklungsanordnung (4) versehen ist, deren Leiter Hoch-T_c-Supraleitermaterial aufweisen, und β) einen zentralen Innenraum (10) umschließt, über den die Kälteleistung zur Kühlung der Wicklungsanordnung (4) bereitzustellen ist, sowie – mit einer thermischen Ankopplung der supraleitenden Wicklungsanordnung (4) an den zentralen Innenraum (10), dadurch gekennzeichnet, dass der Polkern (3; 3a bis 3c) aus einem Material besteht, das zu mindestens 70 Gew.-% Nickel enthält.
Elektrische Maschine nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Polkern (3; 3a bis 3c) aus einer Nickel-Legierung mit einem Nickel-Anteil von mindestens 80 Gew.-%.
Elektrische Maschine nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch einen Polkern (3; 3a bis 3c) aus einer Nickel-Legierung mit einem Nickel-Anteil von mindestens 90 Gew.-%.
Elektrische Maschine nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Polkern (3; 3a bis 3c) aus Reinnickel.
Elektrische Maschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ihr Polkern (3) aus mehreren Kernteilen (3a bis 3c) zusammengesetzt ist.
Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch eine einstückige Ausbildung des Polkerns (3).
Elektrische Maschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine zentrale Bohrung in dem Polkern (3) als zentraler Innenraum (10).