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B e s c h r e i b u n g Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrische
Maschine, insbesondere auf eine elektrische kryogengekühlte Maschine.
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Diese Erfindung findet bei elektrischen Maschinen, wie Motoren, Generatoren,
Umformer, ihre Anwendung, die ihrerseits in Kern-, Wärme und anderen Kraftwerken,
sowie im Transport-5 Fix wesen und Weltraum betrieben werden.
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Elektrische kryogengekühlte Maschinen mit Normals chaltung haben
einen Läufer, welcher einen thermisch und elektromagnetisch abgeschirmten umlaufenden
Kryostat mit einer darin befindlichen supraleitenden Erregerwicklung darstellt,
wobei die supraleitende Erregerwicklung im supraleitenden Zustand durch deren Abkühlung
mit Hilfe eines Kältemittels auf sehr tiefe Temperaturen der Größenordnung von 4,5°K
aufrechterhalten wird. Als Kältmittel wird vornehmlich flüssiges Helium verwendet.
Eine
der Schwerpunktaufgaben bei der Schaffung einer derartigen Maschine besteht in der
Auswahl einer Kryostatanordnung für die supraleitende Wicklung. Flüssiges Helium
fließt aus einer Kältemaschine bzw. einem Behälter der supraleitenden Wicklung zu,
umströmt sie und wird abgeleitet. Hierbei bedarf der Tieftemperaturabschnitt der
supraleitenden Wicklung einer Wärmeisolierung sowohl gegen Konvektions- und Strahlungswärmezuflüsse,
als auch gegen auf Grund der Wärmeleitfähigkeit über die Leistungsschalter zufließende
Wärme. Als weitere Schwerpunktaufgabe bei der Entwicklung der besagten Maschine
gilt die Zuverlässigkeit der supraleitenden Maschine, denn einmal muß die Läuferkonstruktion
das gesamte, durch die supraleitende Wicklung übertragene Drehmoment aufnehmen und
hierbei einen ausreichenden Widerstand gegen Wärmespannungen zur Verhinderung von
Läuferschwingungen aufweisen und zum anderen muß die supraleitende Wicklung vor
unzulässig großem Wärme zufluß geschützt werden, da die Wärmemenge proportional
zum Querschnitt der Bauelemente ist, die für die Befestigung der supraleitenden
Wicklung dienen.
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Aus der DE-OS 27 53 460 ist eine elektrische kryogengekühlte Maschine
bekannt, die eine supraleitende Erregerwicklung, welche sich im mit einem Kältemittel.
gefüllten Hohlraum des Läufers befindet und an der Welle des Läufers sitzt, und
eine elektrothermische Abschirmung, die in einem Vakuumraum zwischen dem Läufer
und dem Gehäuse vorgesehen ist und durch das Kältemittel abgekühlt wird, das aus
dem
Hohlraum des Läufers über in unmittelbarer Nähe von den Stirnwänden
des Läufers angeordnete Ringkammern für die Zuführung des Kältemittels zur elektrothermischen
Abschirmung abgeleitet wird, umfaßt.
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Bei dieser elektrischen Maschine ist der mit dem Kältemittel gefüllte
Hohlraum des Läufers durch einen Mantel gebildet, dessen Stirnwand an der Läuferwelle
befestigt ist.
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Nachteilig an dieser Ausführung ist, daß die Stirnwand des Mantels
des Läufers starr mit der Läuferwelle und der Stirnwand der Ringkammer für die Zuführung
des Kältemittels zur elektrothermischen Abschirmung verbunden ist. Eine derartige
Anbringung des Mantels bewirkt, daß die in der elek--trothermischen Abschirmung
erzeugte Wärme über die Stirnwand des b!lanels des Läufers direkt zum flüssigen
Helium im Hohlraum des Läufers fließt. Die gleiche Aussage trifft auch für die von
der elektrothermischen Abschirmung über die Welle zur supraleitenden Erregerwicklung
kommende Wärme zu, weil die elektrothermische Abschirmung starr mit der Welle verbunden
ist und außerdem die Welle über keine Mittel zur Verhinderung solcher Wärmezuflüsse
verfügt Hinzu kommt, daß beim Anlassen der Maschine infolge einer rapiden Temperatursenkung
der Mantel des Läufers einer komplizier-ten Belastung ausgesetzt wird. Einmal greifen
an dessen Stirnwänden Axialkräfte an, die aufgrund unterschiedlicher Dehnung (Einengung)
des Mantels und der Läuferwelle bei einem hohen Temperaturgefälle entstehen, und
zum anderen nehmen die Stirnwände Druclrkräfte des flüssigen Heliums
sowie
Zentrifugaikräfte auf, die auf den Mantel und dessen Stirnwände einwirken. Daher
müssen die Stirnwände so massiv sein, daß die Stabilität sowohl der Stirnwände selbst,
als auch des Mantels sichergestellt wird.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektrische kryogengekühlte
Maschine zu schafen, bei welcher der konstruktive Aufbau des Läufers zu einer wesentlichen
Verminderung von über die Läuferwelle zur supraleitenden Erregerwicklung kommenden
Wärmezuflüssen beiträgt.
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Bei einer elektrischen kryogengekühlten Maschine die eine supraleitende
Brregerwicklung, welche sich Im mit einem Kältemittel gefüllten Ho'alraum eines
Läufers befindet und an der Welle des Läufers sitze, und eine elektrothermische
Abschirmung, die in einem Vakuumraum zwischen dem Läufer und dem Gehäuse vorgesehen
ist und durch das Kältemittel abgekühlt wird, das aus dem Hohlraum des Läufers über
in unmittelbarer Nähe von den Stirnwänden des Läufers angeordnete Ringkammern für
die Zuf\xhrung des Eältemittels zur elektrothermischen Abschirmung abgeleitet wird,
umfaßt, weisen gemäß der Erfindung die Stirnwände des Läufers und die der Ringkammern
für die Zuführung des Kältemittels zur alektrothermischen Abschirmung Hälse auf,
die gleichachsig mit der Läuferwelle angeordnet, ineinander mit einem Spalt eingebracht
und an den Enden miteinander verbunden sind, wobei der Spalt zwischen den Hälsen
mit dem Vakaumraum zwischen dem Lauter und dem Gehäuse in Verbindung steht und zwei
innerhalb der Hälse angeordnete Wärmaustauscher vorgesehen sind.
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Bei einer solchen Ausführung des Läufers der elektrischen Maschine
gehen die Wärmezuflüsse zurück, die über die Welle des Läufers in dessen Hohlraum
zur supraleitenden Erregerwicklung gelangen und durch die Wärme der elektrothermischen
Abschirmung sowie durch die über den Mantel des Läufers kommenden Wärme erzeugt
werden.
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Es ist hierbei günstig, zur Entspannung des Mantels des Läufers die
Wärmeaustauscher als schraubenförmige, an der Läuferwelle und im Inneren der Hälse
unter Belassung eines Spaltes dazwischen angeordnete Rippen auszubilden.
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Nachstehend wird die Erfindung anhand des in der Zeichnung gezeigten
Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 den Längsschnitt einer erfindungsgemäßen
elekr trischen kryogenÕekiihlten Maschine, Fig. 2 die Einzelheit A der Fig. 1 in
vergrößertem Maßstab, zur Erläuterung der erfindungsgemäßen Anordnung eines Wärmeaustauschers
innerhalb von Hälsen, Fig. 3 eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform der Einzelheit
A der Fig. 1 in vergrößertem Maßstab, und Fig. 4 eine Gesamtansicht der Einzelheit
A der Fig. 1, die die Ausführung des Wärmeaustauschers klarmacht.
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Die elektrische kryogengekühlte Maschine hat einen hohlrn Laufer
1 (Fig. 1), dessen Welle 2 in Lagern 3 gelagert :.st e sich in Stirnböden 4 des
Gehäuses 5 befinden, an
dessen Innenfläche eine Ständerwicklung
6 (die Ständerausführung ist nicht ausführlich gezeigt) befestigt ist. Im Zwischenraum
zwischen dem Läufer 1 und dem Gehäuse 5 wird ein Vakuum aufrechterhalten, das als
Wärmedämmung des Läufers 1 dient. Zur Aufrechterhaltung des Vakuums sind in den
Stirnböden 4 umlaufende Unterdruck-Stopfbuchsen 7 vorgesehen.
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Der hohle Läufer 1 besteht aus einem zylindrischen Mantel 8, dessen
Stirnwände an der Welle 2 des Läufers 1 anliegen. Innerhalb des Mantels ist an der
Welle 2 mittels Epoxydcompounds eine supraleitende Erregerwicklung 9 befestigt.
Diese ist aus einem Werkstoff, der sich bei unterhalb der Wandlungstemperatur liegenden
Temperaturen als Supraleiter verhält, z.B. aus einem mit einer Reinkupfermatrix
stabilisierten Niob-Titandraht, hergestellt.
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Im zwischen dem Mantel 8 und dem Gehäuse 5 liegenden tZa'.lumraum
befindet sich eine elektrothermische Abschirmung 10, die aus einem Tjerkstoff mit
den Eigenschaften eines Supraleiters und guter elektrischer Leitfähigkeit angefertigt
ist und die Form eines Zylinders mit Stirnwänden hat.
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Die Eregerwicklung 9 wird durch ein Kältemittel 11 auf den supraleitenden
Zustand abgekühlt, das den Hohlraum des Läufers 1 füllt und über in der supraleitenden
Erregerwicklung 9 geführte Kanäle (nicht gezeigt) umläuft. Als Kältemittel 11 kommt
flüssiges Helium zum Einsatz.
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Für die Zuführung des Kältemittels 11 zum Hohlraum des Läufers 1
weist dessen Welle 2 einen an einem Ende geführten Axialkanal mit einer darin eingebrachten
isolierten Vakuumleitung 12 auf. In dichter Nähe zu den Stirnwänden des Läufers
1 befinden sich durch einen Vakuumspalt getrennte Ringkamern
13
für die Zuführung des Kältemittels 11 zur elektrothermischen Abschirmung 10. Die
den Stirnwänden des Läufers 1 zugewandten Wände der Ringkammern 13 sind durch die
Stirnwände der elektrothermischen Abschirmung 10 ausgebildet. In der elektrothermischen
Abschirmung 10 sind Kanäle 14 für den Kreisumlauf des Kältemittels 11 hergestellt.
An den beiden Wellenenden des Läufers 1 sind Kanäle 15 für die Ableitung des Eältemittels
11. vorhanden. Die Kanäle 15 stehen mit den Kanälen 14, über welche das Kältemittel
11 umläuft, und mit an den beiden Wellenenden des Läufers 1 angebrachten Gasaufnehmern
16 in Verbindung.
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Zur Verhütung von Wärmezuflüssen in den Hohlraum des Läufers 1 sind
an der Welle 2 des Läufers 1 an dessen Stirnwänden Wärmeaustauscher 17 angebracht.
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Fig. 2 zeigt in vergrößertem Maßstab die .Anbringungsstelle der Wärmeaustauscher
17.
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Die Stirnwände des Mantels 8 (Fig. 2) weisen Hälse 18 und die der
elektrothermischen Abschirmung 10 Hälse 19 auf. Die Hälse 18 befinden sich innerhalb
der Hälse 19 und umfassen die Zelle 2 des Läufers 1. Zwischen den Hälsen 18 und
19 besteht ein Spalt. An den inden sind die Halse 18 und 19 miteinander mittels
einer vakuumdichten Schweißnaht verbinden, und der Spalt dazwischen steht mit dem
Vakuumraum zwischen dem Läufer 1 und dem Gehäuse 5 in Verbindung, in welchem ebenfalls
ein Vakuum erzeugt ist. Die Halse 18 und 19 sind dem Wellenende des Läufers 1 zugekehrt,
an dem sie angeordnet sind.
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Im Inneren der Hälse 18, 19 befinden sich die Wärmeaustauscher 17
In
Fig. 3 ist eine weitere Ausführungsform der Einzelheit; A, wie die in Fig. 2, dargestellt.
Bei dieser Ausführungsform sind die Hälse, 18, 19 von den Wellenenden des Läufers
1, an denen sie sitzen, abgewandt. Dieser Ausführung der Hälse 18, 19 ist eine verkürzte
Wellenlänge des Läufers 1 zu verdanken.
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In Fig. 4 ist ein Wärmeaustauscher 17 wiedergegeben, der an der Welle
2 des Läufers l angebrachte schraubenförmige Rippen 22 sowie innerhalb des Halses
18 hergestellte schraubenförmige Rippen 23 darstellt. Die schraubenförmigen Rippen
22, 23 sind unter Belassung eines Spaltes dazwischen angeordnet.
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Die Abkühlung der supraleitenden Erregerwicklung 9 (Fig. 1) der elektrischen
kryogengekühlten Maschine vollzieht sich wie folgt. Das flüssige Kältemittel 11
gelangt unter Druck aus einer Kältemaschine (nicht gezeigt) in die Rohrleitung 12,
fließt in den Hohlraum des Läufers 1 an die supraleitende Erregerwicklung 9 und
kühlt diese ab. Aus dem Hohlraum des Läufers 1 kommt das Kältemittel 11 in die Wärmetauscher
17. Indem das Kältemittel 11 die Wärmetauscher 17 passiert, kühlt es die Welle 2
und die Hälse 18 des Mantels 8. Aus den Wärme austauschern 17 fließt das Kältemittel
11 über die Ringkammern 15 den Kanälen 14 der elektrothermischen Abschirmung 10
zu.
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Auf seinem Weg über die Ringkammern 13 kühlt das Kältemittel 13 die
Stirnwände der elektrothermischen Abschirmung und über die Kanäle 14 die elektrothermische
Abschirmung selbst ab. Aus der elektrothermischen Abschirmung 10
gelangt
das Kältemittel 11 in die Kanäle 15 der Läuferwelle 2, kühlt die Welle 2 ab und
wird dann zu den Gasaufnehmern abgeführt.
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L e e r s e i t e