DE2516369A1

DE2516369A1 - Elektrische maschine mit tieftemperatur-erregerwicklung

Info

Publication number: DE2516369A1
Application number: DE19752516369
Authority: DE
Inventors: Michel Berthet; Roger Gillet; Francois Moisson-Franckhauser
Original assignee: Electricite de France SA; Cegelec SA
Current assignee: Electricite de France SA; Cegelec SA
Priority date: 1974-04-17
Filing date: 1975-04-15
Publication date: 1975-11-06
Also published as: JPS6012871B2; GB1505562A; US4020371A; DE2516369C2; FR2268382B1; JPS50139310A; CH591781A5; FR2268382A1; SU588937A3

Description

DE

^FO9137D 15. April 1375

DipL-Ιηα- Jürgen WEINMILLER PATENTASSESSOR 251 6369

SOSPi GmbH

8OOO M ü η c i-, - ι 3O
Zeppeünstr. 63

SOCIETE GENERALE DE CONSTRUCTIONS ELECTRIQUES

ET MECANIQUES ALSTHOM

38, avenue Kleber, 75784 PARIS CEDEX 16 Frankreich

und

ELECTRICITE DE FRANCE - Service National 2, rue Louis Murat, 75008 PARIS, Frankreich

ELEKTRISCHE MASCHINE MIT TIEFTEMPERATUR-ERRE GERWICKLUNG

Die Erfindung betrifft eine elektrische drehende Maschine, deren Erregerwicklung bei sehr tiefer Temperatur arbeitet, beispielsweise bei der Temperatur von flüssigem Helium oder Wasserstoff, so daß die aus einer supraleitenden Legierung bestehende Erregerwicklung einer Temperatur ausgesetzt ist, die unter der kritischen Temperatur dieser Legierung liegt, während der Anker des elektrischen Generators einer

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höheren Temperatur ausgesetzt ist, die beispielsweise gleich oder sogar über der Umgebungstemperatur liegt.

Es wurde bereits vorgeschlagen, eine elektrische Maschine mit im Rotor der Maschine liegender supraleitender Erregerwikclung zu bauen. Da die z.Zt. verfügbaren supraleitenden Erregerwicklungen keine Wechselstrominduktion der Ankerwicklung aushalten können, folgt daraus die Verwendung eines sog. "warmen" Stators, der bei einer Temperatur arbeitet, die gleich oder höher als die Umgebungstemperatur ist (T > 300 K), und eines sog. "kalten" Rotors, der die Erregerwicklung bei einer Temperatur enthält, die in der Nähe oder unterhalb der kritischen Temperatur der verwendeten Supraleiter liegt. Beispielsweise kann die Temperatur der Erregerwicklung zwischen drei und fünf Grad K bei Supraleitern auf der Basis von Niob-Titan oder bei höheren Temperaturen bei günstigeren Supraleitern (Nb3-Sn, V3-Ga und andere) liegen.

Die Erregerwicklung wird dabei thermisch vom Anker durch einen Leerraum isoliert, der von zwei drehenden koaxial liegenden zylindrischen Teilen begrenzt wird : einem kalten zylindrischen Teil, das in der Nähe der Erregerwicklung liegt und darüber hinaus den Träger der Erregerwicklung bilden kann, und einem warmen zylindrischen Teil, das von der Erregerwicklung weiter entfernt ist; diese beiden Teile werden miteinander an ihren axialen Enden hermetisch dicht schließend verbunden.

In diesem Fall ist es günstig, daß das heiße zylindrische Teil aus einem nicht-magnetischen Material besteht, das als elektromagnetischer Schirm wirkt, der bei einer Temperatur

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in der Nähe der Umgebungstemperatur oder sogar bei tieferen Temperaturen arbeitet, die jedoch stets wesentlich über der Betriebstemperatur der Supraleiter liegen. Dieser "warme" Schirm sorgt für eine gute Filterung der periodischen vom Stator stammenden Induktionskomponenten und für einen guten Schutz der Supraleiter. Die auftretenden entsprechenden Verluste werden an die Umgebungstemperatur bzw. mindestens an eine Temperatur, die wesentlich über der Temperatur der Supraleiter liegt, abgegeben, was aufgrund des der Kühlung des Rotors entsprechenden Wirkungsfaktors einen deutlichen wirtschaftlichen Vorteil bildet.

Dieser wärme Schirm, der durch ein Hochvakuum von der aus Supraleitern bestehenden Erregerwicklung getrennt ist, führt an die Supraleiter lediglich geringe Wärmeverluste durch Gaskonvektion oder durch Feststoffkonduktion ab, da in radialer Richtung Berührungen zwischen diesen beiden konzentrischen Körpern fehlen. Dagegen könnten die Erregerwicklung Verluste durch Strahlung erreichen. Diesen Nachteil zu vermeiden ist Aufgabe der Erfindung.

Die Erfindung, die ihrem allgemeinen Inhalt nach ebenso gut für eine Maschine mit fester Erregerwicklung und drehendem Anker wie für eine Maschine mit festem Anker und drehender Erregerwicklung eingesetzt werden kann, hat daher zum Gegenstand, eine elektrische drehende Maschine, deren Tieftemperatur-Erregerwicklung thermisch vom Anker durch einen unter Vakuum stehenden Raum getrennt ist, der durch ein kaltes zylindrisches Teil, das in der Nähe der Erregerwicklung liegt,

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und ein warmes zylindrisches Teil, das koaxial und etwas weiter von der Erregerwicklung entfernt liegt, begrenzt wird, wobei diese beiden zylindrischen Teile an ihren axialen Enden hermetisch dicht schließend miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß in den so begrenzten Raum ein Zwischenreflektorschxrm eingebaut ist, der an seinen axialen Enden mit dem kalten zylindrischen Teil durch wärmeleitende Montageelemente verbunden ist und mindestens eine Schicht von getrennten, thermisch leitenden Streifen umfaßt, die zueinander parallel zwischen den beiden axialen Enden der Erregerwicklung angeordnet sind.

Da die Strahlung zwischen zwei Körpern, von denen

der eine die Temperatur Tl und der andere die Temperatur T2

4 4 aufweist, von der Differenz (Tl - T2 ) abhängt, liegt der Nutzen eines solchen Schirms auf der Hand.

Jedoch würde ein solcher Niedrigtemperaturwärmeschxld sehr stark als elektromagnetischer Filter oder Schirm wirken, wenn diese Wirkungsweise nicht durch geeignete Maßnahmen vermieden würde; es käme zu Verlusten bei tiefer Temperatur, was in Hinsicht auf eine wirtschaftliche Arbeitsweise und auf ein einfaches Versorgungssystem für die kryogene wärmetransportierende Flüssigkeit gerade vermieden werden soll.

Der Reflektorschirm gemäß der Erfindung wirkt also im wesentlichen nicht als elektromagnetischer Filter sondern als Reflektorschirm, der koaxial zwischen einem äußeren (relativ) warmen elektromagnetischen Schirm und einem inneren kalten Körper liegt, der die supraleitende Erregerwicklung aufnimmt.

Nachfolgend werden anhand der Figuren 1 bis 4 einige

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bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung näher beschrieben.

Pig. I zeigt einen halben axialen Schnitt durch einen Teil eines Rotors eines erfxndungsgemäßen elektrischen Generators, der eine Erregerwicklung trägt.

Die Figuren 2 und 3 stellen Querschnitte durch zwei erfindungsgemäße Varianten eines Reflektorschirms dar, mit dem der Rotor des elektrischen Generators versehen ist.

Fig. 4 zeigt einen teilweisen Achsenschnitt durch ein Ende des Rotors in größerem Maßstab als die Fig. 1.

Zum Rotor gemäß Fig. 1 gehört ein äußerer dicker Zylinder 1, der an seinen Enden mit zwei Wellenköpfen 2 und 3 verbunden ist; dieser Zylinder 1 hat sowohl die Funktion eines elektromagnetischen Schirms als auch die einer tragenden mechanischen Struktur. Der Zylinder 1 befindet sich in Umgebungstemperatur oder mindestens in einer im Verhältnis zur Tiefsttemperatur höheren Temperatur. Die hier im einzelnen nicht dargestellte Erregerwicklung ist in einem insgesamt mit dem Bezugszeichen 5 versehenen Gebilde untergebracht und ist einer Tiefsttemperatur ausgesetzt. Das Gebilde 5 wird von einem außen liegenden zylindrischen Abschnitt 6 begrenzt, der an seinen axialen Enden 7 und 8 hermetisch dicht mit dem Zylinder 1 verbunden ist, so daß ein unter Hochvakuum stehender zylindrischer Raum 9 die Zylinder 1 und 5 trennt.

In diesen Raum 9 wird erfindungsgemäß ein Zwischen-Reflektorschirm 10 eingeführt, der an seinen axialen Enden 11 und 12 mit dem Zylinder 6 über leitende Ringe 13, beispielsweise aus Kupfer, verbunden ist, die auf den Zylinder 6 gespannt

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und evtl. durch leichtes Löten unverrückbar fest montiert werden.

Der Schirm 10 besteht im wesentlichen aus mindestens einer Schicht von leitenden Metallstreifen 14, vorzugsweise aus Kupfer oder Aluminium, evtl. vernickelt. Diese Streifen 14 weisen vorteilhafterweise eine Breite von 5 bis 20 Millimetern und eine Stärke von 1 bis 5 Millimetern auf. Sie können auf die Innenseite einer Bandagierung 15 geklebt sein, wie es die Fig. 2 darstellt. Diese Bandagierung soll im Beispiel aus nichtrostendem Stahl bestehen und eine Stärke von etwa 1 Zentimeter aufweisen; jedoch könnte sie auch aus einem Verbundmaterial aus mechanisch hochfesten Fasern, wie beispielsweise Glasfasern, und einem Synthetikharz, wie beispielsweise Epoxyharz, gebildet werden. Wenn die Bandagierung 15 aus rostfreiem Stahl besteht, dann werden die Streifen 14 auf ihr mit einem elektrisch isolierenden Kleber befestigt; sie können auch mit Emaille beschichtet sein und dann mit einem beliebigen Kleber befestigt werden.

Im Beispiel gemäß Fig. 3 sind die Streifen 14 in tangentialer Richtung unter Zwischenschaltung einer elektrischen Isolierung 16, die aus dem Kleber selbst und/oder einer Emailleschicht, mit der die Streifen dann versehen sind, gebildet werden kann, aneinander geklebt. In radialer Richtung liegen alle Streifen 14 zwischen zwei koaxialen Zylindern, die aus einem aus mechanisch hochfesten Fasern und einem Synthetikharz gebildeten Verbundmaterial bestehen : dabei dient ein innerer Zylinder 17 als Grundlage für die Streifen 14 und ein äußerer Zylinder 18 als mechanische Bandagierung.

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Der Reflektorschirm gemäß Fig. 4 entspricht dem in Fig. 3 dargestellten Schirm. Es ist zu sehen, daß dieser Schirm den Raum 9 in zwei Vakuumzonen unterteilt : in eine innere 19 und eine äußere 20. Die Streifen 14 sind mit ihren axialen Enden 21 auf die Ringe 13 geschweißt. Bei dem Schweißverfahren kann es sich um ein Verfahren handeln, bei dem Energie gebündelt wird, wie es beispielsweise bei dem Verfahren mit Elektronenbeschuß der Fall ist. Die Zylinder 17 und 18 sind mit ihren axialen Enden auf die Ringe 13 geklebt.

Die Streifen 14 führen die Wärme, die sie vom Zylinder 1 empfangen, an ihre axialen Enden ab und schützen so die Erregerwicklung gegen äußere Energiezuflüsse. Sie können parallel zur Achse der elektrischen Maschine angeordnet sein, wodurch sich der kürzeste Wärmeweg ergibt, jedoch werden sie dann vortexlhafterweise an einem Punkt, vorzugsweise in der Mitte ihrer Länge, unterbrochen, um zu verhindern, daß sie geschlossene Schleifen bilden und so wie ein elektromagnetischer Schirm wirken. Dieser Nachteil kann auch verhindert werden, indem die Streifen unter Zwischenschaltung einer elektrisch isolierenden Schicht, die beispielsweise aus einem Kleber und/ oder einer Emailleschicht bestehen kann, an den Ringen befestigt werden.

Die Streifen 14 können auch schraubenförmig angeordnet werden, wodurch der Wärmeweg verlängert wird, jedoch vermieden wird, daß sie durchgeschnitten werden, insbesondere wenn von einem axialen Ende zum anderen des Reflektorschirms ein Schraubengang gewählt wird, der mindestens einer Polteilung der elektrischen Maschine entspricht.

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Die sich auf Tieftemperatur befindende Struktur 5 und der eine höhere Temperatur aufweisende Zylinder 1 werden durch den zylindrischen Abschnitt 6 verbunden, der einem Wärmegefälle ausgesetzt ist und das mechanische Moment der elektrischen Maschine überträgt. Die Stärke des zylindrischen Abschnitts 6 wird so klein wie möglich gestaltet, um den von den Enden 7 und 8, die eine über der Kryotemperatur liegende Temperatur aufweisen, stammenden Wärmefluß zu verringern.

Der zylindrische Abschnitt 6 kann auf einem Teil oder über seine gesamte Länge hinweg einen in Fig. 4 nicht dargestellten Wärmeaustauscher aufweisen, in dem die Zirkulation eines kryogenen Mittels den Konduktionswärmefluß zum kalten Ende des zylindrischen Abschnitts mindern kann.

Eine in den Figuren nicht dargestellte Variante besteht darin. Wärmeaustauscher in den Ringen 13 unterzubringen, die gleichzeitig die vom Wärmeschild aufgefangene Wärme sowie die durch Konduktion von den Enden 7 und 8 stammende Wärme ableiten.

Die Lage, in der die Ringe 13 des Wärmeschilds auf dem zylindrischen Abschnitt 6 der Welle befestigt sind, wird so bestimmt, daß die durch den Wärmeschild aufgefangene Strahlungswärme durch radiale Konduktion in den Ringen 13 zum gekühlten zylindrischen Abschnitt 6 abgeführt wird, wodurch gleichzeitig die zur Aufrechterhaltung der erforderlichen Tieftemperatur der Erregerwicklung notwendige Kühlleistung auf ein Minimum gesenkt wird. Die Stärke der Streifen 14, in denen die Wärmekonduktion in Längsrichtung erfolgt, und die Art des hochwärme-

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leitenden Metalls, das für die Streifen 14 verwendet wird, ermöglichen eine Begrenzung des Temperaturunterschieds im Wärmeschild zwischen seiner mittleren Ebene und seinen äußeren Flächen 11 und 12.

So bleibt die Wärmestrahlung zwischen dem Wärmeschirm und der Erregerwicklung 5 in Höhe der mittleren Ebene gering, und die entsprechende Kühlleistung wird durch die Wahl eines optimalen Werts der Höchsttemperatur in der Mittelebene des Wärmeschirms und einer optimalen Befestigungslage der Ringe auf den zylindrischen Abschnitt 6 auf einen Mindestwert gesenkt.

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Claims

- 10 PATENTANS PRÜCHE

1 -J Elektrische drehende Maschine, deren Tief temperatur-Erregerwicklung thermisch vom Anker durch einen unter Vakuum stehenden Raum getrennt ist, der durch ein kaltes zylindrisches Teil, das in der Nähe der Erregerwicklung liegt, und ein warmes zylindrisches Teil, das koaxial und etwas weiter von der Erregerwicklung entfernt liegt, begrenzt wird, wobei diese beiden zylindrischen Teile an ihren axialen Enden hermetisch dicht schliessend miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß in den so begrenzten Raum (9) ein Zwischenreflektorschirm (10)' eingebaut ist, der an seinen axialen Enden mit dem kalten zylindrischen Teil (6) durch wärmeleitende Montageelemente (13) verbunden ist und mindestens eine Schicht von getrennten, thermisch leitenden Streifen (14) umfaßt, die zueinander parallel zwischen den beiden axialen Enden (11, 12) der Erregerwicklung (5) angeordnet sind.

2 - Elektrische Maschine gemäß Anspruch 1, dadurch gekennz e ichnet, daß die Streifen (14) aus einem Metall bestehen, das aus der Gruppe von Metallen gewählt wird, die aus Kupfer und Aluminium besteht.

3 - Elektrische Maschine gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Streifen (14) unterbrochen sind.

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4 - Elektrische Maschine gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Streifen (14) mit Emaille beschichtet sind.

5 - Elektrische Maschine gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Streifen (14) eine Breite von 5 bis 20 mm und eine Stärke von 1 bis 3 rom aufweisen.

6 - Elektrische Maschine gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Streifen (14) parallel zur Achse der Maschine verlaufen.

7 - Elektrische Maschine gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß diese Streifen schraubenlinienförmig angeordnet sind.

8 - Elektrische Maschine gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Gang dieser Schraubenlinie von einem axialen Ende zum anderen der Erregerwicklung mindestens gleich einer Polteilung der Maschine ist.

9 - Elektrische Maschine gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, in der die Erregerwicklung auf dem drehenden Teil der Maschine sitzt, wobei der kalte und der warme zylindrische Teil ebenfalls auf dem drehenden Teil der Maschine angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Streifen (14) auf die Innenseite einer zylindrischen Bandagierung (15) geklebt sind.

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10 - Elektrische Maschine gemäß Anspruch 9, dadurch gekennze ich net, daß die zylindrische Bandagierung (15) aus rostfreiem Stahl besteht und die Streifen (14) mit Hilfe eines elektrisch isolierenden Klebstoffs befestigt sind.

11 - Elektrische Maschine gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die zylindrische Bandagierung (15) aus einem Verbundmaterial besteht das aus mechanisch festen Fasern und einem Synthetikhars besteht.

12 - Elektrische Maschine gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, in der die Erregerwicklung auf dem drehenden Teil der Maschine sitzt, wobei das kalte und warme zylindrische Teil ebenfalls auf dem drehenden Teil der Maschine sitzen, dadurch gekennzeichnet, daß die Streifen (14) in tangentialer Richtung aneinander geklebt und in radialer Richtung zwischen zwei koaxialen Zylindern (17, 18) gehalten werden, die aus einem Verbundmaterial bestehen, das aus mechanisch widerstandsfähigen Fasern und einem Synthetikharz gebildet wird.

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