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B e s c h r e i b u n g
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Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrische Maschine, insbesondere
auf eine elektrische kryogengekühlte Maschine.
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Diese Erfindung eignet sich für solche elektrische Maschinen wie
Motoren, Generatoren, Umformer, die in Kern-, Wärme- und anderen kraftwerken sowie
im Transport- und Blugwesen ihre Anwendung finden Außerdem kann sie in Weltraumkraftwerken
und -anlagen weitgehend verwendet werden, wo eine umlauf ende elektrische Wicklung
auf einen supraleitenden Zustand abzukühlen ist Eletrische kryogengekühlte Maschinen
mit Normalschaltung verfügen bekanntlich über eine supraleitende Erregerwicklung,
welche in einem hohlen LäuSer in Form eines umlaufenden Kryostates befestigt ist.
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Der supraleitende Zustand der Erregerwicklung wird sich durch deren
Abkühlung auf eine sehr tiefe Temperatur von ca 4,5 K unter Zuhilfenahme eines Kältemittels
aufrechterhalten.
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Als Kältemittel wird flüssiges Helium verwendet.
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Je tiefer die Temperatur einer supraleitenden Wicklung und mithin
eines Supraleiters liegt, desto größere Werte des Stromes und der Spannung des iiagnetfeldes
läßt die supraleitende Wicklung zu und desto besser ist der Wirkungsgrad der gesamten
Maschine. Eine Erhöhung der Temperatur der supraleitenden Wicklung um 1 bis 3 Grad
führt eine beachtliche Verschlechterung des Wirkungsgrades der Maschine herbei.
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Es bestehen viele Schaltungen für supraleitende elektorische Maschinen,
be denen zur Beibehaltung eines supraleitenden Zustandes der umlaufenden Wicklungen
die letzteren in flüssiges Helium eingetaucht sind.
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Es ist eine elektrische kryogengekühlte Maschine bekannt, die eine
supraleitende Erregerwicklung mit daran angeschlossenen Stromschienen besitzt, welche
im mit einem Kältemittel aufgefüllten Hohlraum des-Läufers an dessen Welle angebracht
ist, die einen Axialkanal für die Zuführung des Kältemittels zu der supraleitenden
Erregerwicklung, die an dem einen Wellenende vorgesehen ist, und an den beiden Wellenenden
geführte Kanäle für die Ableitung des Kältemittels aufweist.
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Jedoch erhöhen sich unter Einwirkung der Zentrifugalkräfte auf das
im rotierenden Raum befindliche flüssige Helium dessen Temperatur und Druck, was
zur Entstehung eines zweiphasigen Kältemittel-Gemisches sowie zu einem erhöhten
Dampfgehalt des Gemisches führt. Die Erhöhung der Temperatur und des Druckes geschieht
desto intensiver, je größer die Umfangsgeschwindigkeit des Läufers und sein Halbmesser
sind. Eine derartige Erhöhung des Temperatur des flüssigen Heliums und folglich
der umlaufenden supraleitenden Wicklung ist unerwünscht, weil die durch die Industrie
beherrschten Supraleiter und daraus angefertigte supraleitende Wicklungen nur bei
Temperaturen von nicht über 5 K zufriedenstellend eingesetzt werden können.
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Bei der bekannten Maschine wirkt es sich außerdem nachteilig aus,
daß sich die Temperatur der supraleitenden Wicklung nach der Berührungs-Wärmeleitung
zur Welle richtet, die umso höher ist, je größer die Druckbeanspruchungen durch
die Einwirkung der Druckkräfte der supraleitenden Wicklung auf die Welle sind, die
erforderlich sind, uni das Drehmoment von dar supraleitenden Wicklung her auf den
Antrieb zu übertragen. Bei solch einer Befestigung und Abkühlung der supraleitenden
Wicklung fällt es schwer, ein gleichmäßiges Temperaturfeld sowohl an der Oberfläche,
als auch über den Halbmesser sicherzustellen. Bei vollständiger Auffüllung des Hohlraumes
des
Läufers mit einem flüssigen Kältemittel ist der Auslaß seiner Gasphase erschwert.
Die Wärmeverluste und die Temperatur des Kältemittels steigen ebenfalls an, was
auf eine Reibung und ein Zusammenpressen der zweiphasigen Flüsigkeit im Fliehkraftfeld
zurückzuführen ist.
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Dar Erfindung liegt; daher die ausgabe zugrunde, eine elektrische
kryogengekühlte Maschine zu schaffen, deren konstruktiver Aufbau der Welle des Läufers
zu einer Senkung von Wärmezuflüssen durch dia Welle des Läufers zu einer supraleitenden
Erregerwicklung beiträgt und eine Abkühlung der Erregerwicklung nur mit flüssiger
Phase eines Kältemittels bei ca. 4,5 K gestattet.
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Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß bei einer elektrischen kryogengekühlten
Maschine, die eine supraleitende Erregerwicklung mit daran angeschlossenen Stromschienen
besitzt welche im mit einem Kältemittel aufgefüllten Hohlraum eines Läufers an dessen
Welle angebracht ist, die einen Axialkanal für die Zuführung des Kältemittels zu
der supraleitenden Erregerwicklung, die an dem einen Wellenende vorgesehen ist,
und an den beiden Wellenenden geführte Kanäle für die Ableitung des Kältemittels
aufweist, gemäß der Erfindung die Welle des Läufers mit Nuten versehen ist, welche
prailel der Wellenachse an den Anbringungsstellen der supraleitenden Wicklung über
deren ge0.aflite Lange verlaufen und mit einen kanal für die Zuführung des Kältemittels
in Verbindung stehen, wobei an dem anderen wellenende ein zusätzlicher,
längs
der Wellenachse des Läufers geführter Kanal für die Ableitung des Kältemittels vorgesehen
und mit den Nuten verbunden ist.
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Es ist hierbei sinnvoll, für die Senkung von Warmezuflüssen ins Innere
des Läufers über die Stromschienen in dem zusätzlichen Kanal für die Ableitung des
Kältemittels die Stromschienen unterzubringen.
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Eine derartige Ausführung einer elektrischen kryogengekühlten Maschine
trägt somit zu einer wesentlichen Verbesserung dos Wärme schutzes der supraleitenden
Erregerwicklung bei und ermöglicht die Aufrechterhaltung deren Zustandes be:i 4,5
K durch die Abkühlung mit einem einphasigen flüssigen Kältemittel.
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Nachstehend wird die Erfindung anhand des in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 den Längsschnitt einer erfindungsgemäßen
elektrischen kryogengekühlten Maschine, Fig. 2 den Schnitt II-II der Fig. 1 in vergrößertem
Maßstab, und Fig. 3 den Längsschnitt eines Abschnittes eines zusätzlichen Kanals
für die Abführung des Kältemittels in vergrößertem Maßstab, der die Anbringung von
Stromschienen gemäß der Erfindung klarmacht.
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Die elektrische kryogengekühlte Maschine umfaßt einen Läufer 1 (Fig.
1), dessen Welle 2 in Lagern 3 gelagert ist, die in Stirnböden 4 eines hermetisch
abgedichteten Gehäuses 5 angeordnet sind, an dessen Innenfläche eine Ständerwicklung
6 befestigt ist Näher ist die Ständerwicklung 6 nicht abgebildet.
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Im Zwischenraum zwischen dem Läufer 1 und dem luftdichten Gehäuse
5 wird ein Vakuum aufrechterhalten, das als Wärmedämmung fungiert. Für die Beibehaltung
des Vakuums sind in den Stirnböden 4 umlaufende Unterdruck-Stopfbuchsen 7 vorgesehen.
Der hohle Läufer 1 hat eine sunraleitende Brregerwicklung B, welche an dar Welle
2 des Läufers 1 sitzt und sich innerhalb eines Mantels 9 befindet, der den mit einem
Kältemfttel 10 gefüllten Hohlraum des Läufers 1 umschließt.
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Die Erregerwicklung 8 ist aus einem Werkstoff gefertigt, der sich
bei sehr tiefen Temperaturen wie ein Supraleiter verhält, beispielsweise aus einem
Niob-Titandraht, der mit einer Reinkupfer-Matrix stabilisiert ist. Die Erregerwicklung
8 wird durch ein Kältemittel 10 (flüssiges Helium mit einer Temperatur von 4,2 E)
auf den supraleitenden Zustand abgekühlt.
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Zur Abkühlung der Erregerwicklung 8 besitzt diese radiale, sich erweiternde
Kanäle 11. Die Anzahl der Kanäle 11 ist lediglich durch die Festigkeit der supraleitenden
Erregerwicklung
8 beschränkt. Befestigt wird die supraleitende
Erregerwicklung 8 an der Welle 2 nach einem bekannten Verfahren, beispielsweise
nit Hilfe von Deckbändern aus geschichtetem glasfaserverstärktem Kunststoff. An
den Stellen der Anbringung der Erregerwicklung g 8 an der Welle 2 des Läufers i
sind parallel zur Achse des Lufers 1 über die gesamte Länge der Erregerwicklung
8 Nuten 12 ausgebildet Diese sind mit Segmenten 13 aus einem wärmeleitfähigen Werkstoff,
z . B. Bronze, abgedeckt, welche Bohrungen aufweisen, die sich mit den Kanälen 11
der supraleitenden Erregerwicklung 8 decken.
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Die Enden der Wele 2 sind als ei gleichachsige Pohre 14, 15 ausgestalltet,
die miteinander mittels eines Gewindes verbunden sind, dessen Spalte als Kanäle
16 für die Ableitung des Kältemittels 10 dienen. Die Kanäle 16 stehen mit dem Hohlraum
des Läufers 1 in Verbindung.
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Für die Zuführung des Kältemittels 10 zu der Brregerwicklung 8 weist
die Welle 2 des Läufers 1 einen Axialkanal 17 auf, der an dem einen Wellenende in
Form einer isolierten Vakuumleitung hergestellt ist.
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An d3m anderen Wellenende des Läufers 1 verläuft an dessen Achse
ein Kanal 18 für die Ableitung des Kältemittels 10, der ebenfalls als isolierte
Vakuumleitung ausgebildet ist.
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Der Kanal 17 für die Zuführung des Kältemittels 10 und der Kanal
18 für die Ableitung des Kältemittels 10 stehen mit den Nuten 12 in Verbindung.
Für den Auslass des Kältemittels 10 aus den ECanalen 16 und 18 sind an den Enden
der Welle 2 Gasaufnehmer 19 vorgesehen. Zur Stromversorgung der Erregerwicklung
8 dienen Stromschienen 20 aus Kupfer. Die Stormschienen 20 befinden sich im Kanal
18 für die Ableitung dos kältemittels 10 und sind mit Schleifringen 21, die an der
Welle angebracht sind, an dem Ende verbunden, an welchem der Kanal 18 für die Ableitung
des Kältemittels 10 geführt ist.
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Wie aus Fig.2 zu erkennen ist, ist die Erregerwicklung 8 zweipolig
und besteht in diesem Fall aus zwei Sektionen. Entsprechend der Anzahl der Sektionen
ist die Anzahl der Nuten 12 auch gleich zwei.
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Bei der Erregerwicklung 8, die eine andere Anzahl vor Polen hat,
sind die Nuten unterhalb einer jeden Sektion der Wicklung hergestellt. Die Breite
und die Tiefe der Nuten
12 sind in Abhängigkeit von der erforderlichen
Festigkeit der Welle 2 gewählt.
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Zwischen den Polen der Erregerwicklung 8 befinden sich Einsätze 22
(Fig. 2) aus einem elelctrisch wärmeisolierenden Werkstoff, $z.B. Mikart.
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In de Erregerwicklung 8 (Fig. 1) sind zwischen den radialen Kanälen
11 in den Poleinsätzen 2 (Fig.2) Längskanäle 23 geführt, die mit dem Spalt zwischen
dem tt'tantel 9 und der Erregerwicklung 8 mittels über die gesamte Länge der Kanäle
23 angeordneter Radialbohrungen verbunden sind, Der Kanal 18 für die Ableitung des
Kältemittels 10 (Fig.1) besteht aus zwei koaxialen Rohren 24, 25 (Fig.3). Die Stromschienen
20 haben die Form von zwei Kupferleitern unterschiedlicher Polarität, die im Innerohr
24 angeordnet sind. Das Rohr 24 stützt sich innerhalb des Rohres 25 auf bogenförmigen
Stützelementen 26 aus einen elektrisch und wärmeisolierenden Werkstoff ab. Das Außenrohr
25 ist in der axialen Bohrung der Weile 2 an Kugelstützlagern 27 aus elektrisch
wärmeisolierenden Werkstoff, z.B. Keramik Al2O3 befestigt.
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Die Laufrichtung des Kältemittels 10 ist in Fig. als 2, 3 mit Pfeilen
markiert.
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Die Abkühlung der supraleitenden Erregerwicklung 8 (Fig.1) findet
bei der elektrischen krygengekühlten Maschine die folgt statt.
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Flüssiges helium als Kältemittel 10 gelangt aus einer Kältemaschine
(nicht gezeigt) unter Druck über den Kanal 17 für die Zuführung des Kältemittels
10 zum Hohlraum des rotierenden Läufers 1. Zunächst wird das Kältemittel 10 den
Nuten 12 der Welle 2 zugeleitet, wo dessen flüssige Phase durch die Fliehkräfte
zu der Innenfläche der Segmente 13 hin geschleudert wird, indes die Gasphase, die
sich infolge des zentrifugalen Vordruckes und der Reibkräfte ausgebildet hat, sich
in der Nähe von der Achse der Welle 2 staut. Aus den Nuten 12 wird die flüssige
Phase des Kältemittels 10 unter Einwirkung von Zentrifugal- und Druckkräften durch
die Bohrungen der Segmente 13 und die Sanäle 11 der Erregerwicklung 8 zum Hohlraum
des Läufers 1 hin gedrückt. An der Innenfläche des Mantels 9 geschieht eine weitere
Trennung des Kältemittels 10 in eine flüssige und eine Gasphase, wobei die flüssige
Phase an der Oberfläche des Mantels 9 bleibt, und die Gasphase über die Radialbohrungen
und die Längskanäle 23 (Fig.2) sowie die durch die Stirnfläche des Mantels 9 und
die Erregerwicklung 8 gebildeten ringförmigen Spalte zu den Kanälen 16 für die Ableitung
des Kältemittels zu den beiden Wellenenden gelangt und sich in den Gasaufnehmern
19 sammelt. Hierbei tritt die Gasphase des Kältemittels 10, die in den Nuten 12
weilt, in den Kanal 18 für die Ableitung des Kältemittels 10 ein, kühlt die Stromschienen
20 ab und wird
in die Gasaufnehmer 19 hineingeschleudert. Aus den
Gasaufnehmer 19 strömt das Kältemittel 10 zur Kältemaschine.
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Eine derartige Ausführung der elektrischen Maschine gestattet es,
die supraleitende Wicklung des Läufers wirksam abzukühlen und deren Temperatur aul
eine Größe zu senken, die nicht über der Temperatur des geförderten Kältemittels
liegt, weil der in den Nuten herrschende Zentrifugaldruck vorläufig deren geringen
Anstieg zur Folge hat. Diese Ausgestaltung des Kühlsystems für die Kühlung der Wicklung
ermöglicht darüber hinaus einen wirksamen Einsatz des Clüssigen Heliums als Kältemittel
unter Druck und tiefer Temperatur, verbessert die Wirksamkeit des Wärmeschutzes
der supraleitenden Wicklung und deren Kühlsystems, erhöht hierbei den Wirkungsgrad
der elektrischen Maschine und gestattete es, bei gleichen Abmessungen die Leistung
der elektrischen Maschine im Yergleich zu bekannten Maschinen um das 1,5-fache zu
vergrößern.