DE2028158B2

DE2028158B2 - Wechselstrom-Synchronmaschine

Info

Publication number: DE2028158B2
Application number: DE2028158A
Authority: DE
Inventors: Robert Beattie Macnab; John Sterry Hawley Ross; Michael Burke Wood
Original assignee: International Research & Development Co Ltd Newcastle Upon Tyne (ver Koenigreich)
Current assignee: International Research & Development Co Ltd Newcastle Upon Tyne (ver Koenigreich)
Priority date: 1969-06-10
Filing date: 1970-06-09
Publication date: 1980-10-09
Also published as: JPS5431162B1; GB1315302A; US3648082A; FR2051048A5; DE2028158A1; SE377871B

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Wechselstrom-Synchronmaschine mit einem Läufer, der eine supraleitende Gleichstromwicklung aufweist, die von einem zylindrischen Hohlkörper aus nichtmagnetischem Material getragen wird und mit einem Stator, dtr eine nicht supraleitende Wicklung aufweist, v/obei die Läuferwicklung von einer Strahlungsabschirmung umgeben wird.

Eine derartige Wechselstrom-Synchronmaschine ist bereits durch die DE-AS 14 88 730 vorgeschlagen worden.

Im Anschluß an die Entwicklung von supraleitenden Materialien, z. B. Niobium-Titan- und Niobium-Zinn-Legierungen, die auch in starken Magnetfeldern supraleitend bleiben, wurden schon verschiedene Vorschläge gemacht, supraleitende Wicklungen auch in elektrischen Maschinen zu verwenden. Die Haupt-Entwicklungslinie führte zur Verwendung einer stationären Feldwicklung aus supraleitendem Material und eines Läufers mit einer nicht supraleitenden Wicklung. Letztere erleichtert die Abkühlung der Feldwicklung auf die erforderlichen niedrigen Temperaturen, damit sie supraleitfähig wird, während gleichzeitig der Läufer unter der Umgebungstemperatur arbeiten kann. Bisher glaubte man, daß das Kühlen einer supraleitenden Wicklung auf einem Läufer sehr große Schwierigkeiten bereitet, und zwar wegen der Wärmeleitung entlang der Läuferwelle von der Maschine her, mit der der Läufer gekuppelt ist, sowie wegen der Probleme bezüglich der Isolierung und Kühlung eines rotierenden Körpers.

Der Erfindung liegt demzufolge die Aufgabe zugrunde, den zylindrischen Hohlkörper des Läufers der in Frage stehenden Maschinen derart abzustützen, daß der Wärmeübergang in den Läufer auf ein Minimum reduziert ist.

Die Lösung obiger Aufgabe erfolgt bei einer Wechselstrom-Synchronmaschine der eingangs bezeichneten Art erfindungsgemäß dadurch, daß der die Läuferwicklung tragende zylindrische Hohlkörper mittels hohler, kegelstumpfförmiger Übergangsglieder, welche das Drehmoment der Maschine übertragen können, an endseitigen Läuferwellenteilen befestigt ist.

Die hohlen kegelstumpfförmigen Übergangsgliedcr sollten eine minimale Dicke haben, damit zwar die erforderliche Festigkeit gewährleistet ist, jedoch die Wärmeübertragung von den Läuferwellenteilen auf die Läuferwicklung auf ein Minimum herabgesetzt wird. Aussteifungsringe oder -Stege können vorgesehen werden, um die Übergangsglieder zu verstärken, ohne daß sich die Wärmeübertragung erhöht. Diese Übergangsglieder sind vorzugsweise aus einem Material, wie z. B. einer Titanlegierung oder rostfreiem Stahl hergestellt, das bei der sehr niedrigen Arbeiuiemperatur eine geringe Wärmeleitfähigkeit aufweist
Die Erfindung wird nun anhand eines Ausführungsbeispiels beschrieben. Die Abbildung zeigt einen Längsschnitt, der jedoch nur in Umrissen die Anordnung der wesentlichen Teile einer supraleitenden Wechselstrom-Synchronmaschine zeigt

ίο Im einzelnen zeigt die Abbildung einen Wechselstrom-Synchrongenerator, der einen Läufer 1 mit der Läuferwicklung 2 und ein Generatorgehäuse 3 aufweist, in dem die Statorwicklung 4 abgestützt ist
Der Läufer umfaßt einen zylindrischen Hohlkörper la

is aus nichtmagnetischem Material, z. B. rostfreiem Stahl, Titan oder ein mit Kohlenstoffatom verstärktes Material, sowie zwei hohle konische Übergangsglieder 16 an den Enden des zylindrischen Hohlkörpers. Die Übergangsglieder ib verbinden den Hohlkörper la mit Läufer-Wellenteilen 5a und 5b, welche in den Lagern 6 abgestützt sind.

Den zylindrischen Hohlkörper la und die Übergangsglieder ib umgibt eine Strahlungsabschirmung lc, welche einen Abstand zu dem Hohlkörper und den

Übergangsgliedern hat, ausgenommen an den Enden, an denen sie in Berührung mit den Übergangsgliedern steht. Die Strahlungsabschirmung wird wiederum von einem äußeren Gehäuse id mit Abstand umgeben. Die Abschirmung Ic besteht vorzugsweise aus einem

J» Material mit sehr guter Wärmeleitfähigkeit, um die Kühlung zu erleichtern. Es kann z. B. eine Aluminiumlegierung sein. Das Gehäuse id bildet einen Vakuumbehälter und muß aus einem Material hergestellt sein, wie z. B. Aluminium, Titan oder rostfreiem Stahl, das ein

J5 hohes Festigkeits/Gewichts-Verhältnis aufweist. Das Gehäuse 1 d ist an den Läufer-Wellenteilen 5a und 5b an beiden Enden des Läufers angeschweißt

Die Räume 7 und 8 zwischen dem Hohlkörper und der Strahlungsabschirmung bzw. zwischen der Strahlungsabschirmung und dem Gehäuse stehen unter Unterdruck, um die Wärmeeinströmung zu verringern. Ein Material mit niedriger Wärmeleitfähigkeit ζ. Β. Aluminium und Glasfasern kann in den Räumen 7 und 8 untergebracht sein, um die Wärmeeinströmung gering zuhalten.

Die Läuferwicklung 2 aus supraleitendem Material ist auf der Innenseite des Hohlkörpers la abgestützt, die Einzelheiten der Wicklung sind jedoch aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht gezeigt. Sie kann in ein Material,

z. B. Epoxydharz, eingebettet werden, das aushärtet und eine Verbindung unter den Wicklungen und zwischen den Wicklungen und dem Hohlkörper herstellt.

Die Statorwicklung 4 besteht aus einem nicht supraleitenden Material und kann eine herkömmliche Form einnehmen, z. B. die Form einer zweitägigen Wicklung. Da jedoch kein Eisenkern notwendig ist, kann diese Wicklung in ein Epoxydharz eingeschlossen werden, wie im Fall der Läuferwicklung. Aus Gründen der besseren Übersichtlichkeit sind auch die Einzelheiten der Statorwicklung nicht dargestellt. Der Durchmesser der einzelnen Drähte in der Statorwicklung muß klein gehalten werden, und er liegt in einem typischen Fall in der Größenordnung von 1 mm.

Das Generatorgehäuse 3 ist im Abstand von der Stator-Wicklung 4 angeordnet und muß wegen der kräftigen vorhandenen Magnetfelder als eine magnetische Abschirmung für die Maschine wirken. Ein Weg, dieses Ziel zu erreichen, besteht darin, das Gehäuse aus

lameliiertem magnetischem Material herzustellen, ζ. Β Eisen oder Weicheisen. Es kann aber auch andererseits eine getrennte magnetische Abschirmung zwischen dem Gehäuse 3 und der Statorwicklung 4 angeordnet werden. ^r.

Die supraleitende Läuferwicklung ? kann z. B. aus Niobium-Titan- oder aus Niobium-Zinn-Legierungen zusammengesetzt sein. Diese Werkstoffe haben bei einer Temperatur im Bereich von 10° bis 20⁰K enen Widerstand von gleich Null, d. h. sie werden in diesem h> Temperaturbereich supraleitend. Wenngleich gewisse supraleitende Werkstoffe ihre Supraleitfähigkeit beim Auftreten starker Magnetfelder nicht beibehalten, bleiben diese Legierungen bei 5° K bis 10⁰K auch beim Auftreten von Magnetfeldern supraleitend. Die Wicklung wird auf der erforderlichen niedrigen Temperatur durch Umwälzung eines Kühlmediums gehalten, das z. B. superkritisches Heliumgas sein kann.

!n der Abbildung ist schematisch gezeigt, wie das Kühlmedium an einem Einlaß 9 in dal Ende des Lauferwellenteils 5ö eintritt und über die Leitung 10 zur Wicklung strömt, sowie über die Leitung 11 zu einem Auslaß 12 in der Oberfläche des Läuferwellenteils 56 zurückströmt. Die Leitungen 10 und 11 sind in dem Raum 13 innerhalb des hohlen Läufers 1 und in dem hohlen Läuferwellenteil 5b untergebracht. Vorzugsweise ist der Raum 13 evakuiert, um den Wärmeabfluß in das Leitungssystem und die Wicklung zu verringern. Das Kühlmedium wird ferner dazu verwendet, die kegelstumpfförmigen Übergangsglieder \b zu kühlen, so daß die über die Läuferwellenteile 5a und 5b eintretende Wärme den Hohlkörper Xa des Läufers nicht erreichen und damit auch nicht in die Richtung gelangen kann. Vorzugsweise wird ein getrennter Kühlkreis (in der Abbildung nicht gezeigt) für die Übergangsglieder Xb vorgesehen.

Der Erregerstrom wird der Läuferwicklung über Schleifringe 14 auf dem Läuferwcllenteil 5b zugeführt, und diese Schleifringe arbeiten unter normalen Temperaturen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

Wechselstrom-Synchronmaschine mit einem Laufer, der eine supraleitende Gleichstromwicklung aufweist, die von einem zylindrischen Hohlkörper aus nichtmagnetischem Material getragen wird und mit einem Stator, der eine nicht supraleitende Wicklung aufweist, wobei die Läuferwicklung von einer Strahlungsabschirmung umgeben wird, d a durch gekennzeichnet, daß der die Läuferwicklung (2) tragende zylindrische Hohlkörper (ta) mittels hohler, kegelstumpfförmiger Übergangsglieder (ib), welche das Drehmoment der Maschine übertragen können, an endseitigen Läuferwellenteilen (5a, 5b) befestigt ist.