DE2855832A1

DE2855832A1 - Elektromaschine mit kryogenkuehlung

Info

Publication number: DE2855832A1
Application number: DE19782855832
Authority: DE
Inventors: Garri Michajlovits Chutoreckij; Iosif Fillipovitsch Filippov; Jurij Stepanovitsch Popov; Jurij Vasiljevitsch Skatschkov
Original assignee: LE PROIZU ELMASH STR OB ELEKTR; SP K BJURO ENERGOCHIMMASCH NOW
Current assignee: LE PROIZU ELMASH STR OB ELEKTR; SP K BJURO ENERGOCHIMMASCH NOW
Priority date: 1978-12-22
Filing date: 1978-12-22
Publication date: 1980-07-10
Also published as: DE2855832C2

Description

Beschreibung
Die Erfindung betrifft Elektromaschinen, insbesondere Elektromaschinen mit einer Kryogen- bzw. Tieftemperaturkühlung, nämlich Motore, Generatoren, Umformer, die in Atom-, Wärme-und anderen Kraftwerken sowie im Transportwesen, der Luftfahrt und in kosmischen Elektrizitätswerken und Einrichtungen eingesetzt werden2 bei denen ein rotierender Gegenstand, beispielsweise eine elektrische Wicklung, auf einer Kryogentemperatur bzw. Tieftemperatur zu halten Bekannt sind Elektromaschinen ,die die Supraleitfähigkeit ausnutzen, bei welcher sich der Widerstand in den Stromkreisen seinem Nullwert nähert. >En kennt Materialien, bei denen sich die Supraleitung bei einer Temperatur nahe der Temperatur des absoluten Nullpunktes einstellt. Deshalb wird bei diesen Maschinen zur Abkühlung von Stromwicklungen auf die Temperatur, bei der sie supraleitend werden, eine Kryogenflüssigkeit, beispielsweise ein flüssiges Helium, verwendet.
Bei derartigen Elektromaschinen werden zur Abkühlung der supraleitenden Wicklungen verschiedene Kühlsysteme eingesetzt. Man ist heute der Auffassung, daß am aussichtsreichsten 4n Normalschaltung ausgeführte, also solche supraleitende Elektromaschinen sind, in denen der Induktor drehbar und der Anker unbeweglich ausgeführt ist. Hierbei ist die Induktionswicklung aus einem supraleitenden Werkstoff hergestellt und wird gleichstromgespeist, während die Ankerwicklung sowohl aus einem herkömmlichen als auch aus einem reinen oder einem supraleitenden Material hergestellt werden kann.
Als Problem bei derartigen Konstruktionen hat sich u.a.
herausgestellt, daß das die supraleitende Wicklung kühlende flüssige Helium einer Fliehkraftkompression unterliegt, wodurch sich Druck und Temperatur des Heliums erhöhen. Die Temperaturerhöhung des flüssigen Heliums erfolgt auch durch Wärmezufuhr zum flüssigen Helium, beispielsweise aufgrund der Konstruktion der Läuferwelle, über die supraleitende Wicklung mit einer Stromzuführungseinrichtung und durch eine außerhalb der Elektromaschine befindliche Speisequelle verbindende Stromzuführungen.
Der Temperaturanstieg des flüssigen Heliums führt automatisch zum Temperaturanstieg der supraleitenden Wicklung, was seinerseits einen Abfall des Wirkungsgrades der Elektromaschine nach sich zieht und in einigen Fällen einen Verlust der Supraleitfähigkeit und der Funktionstüchtigkeit der Eloktromaschine bewirkt.
Der durch die Fliehkraftkompression hervorgerufenen Temperaturerhöhung des flüssigen Heliums wird in verschiedener Weise entgegengewirkt. Der supraleitenden Wicklung wird untergekühltes Helium zugeführt, ein Teil der Kältemaschine, speziell die Drosselstufe, wird innerhalb des drehbaren Läufers untergebracht, der Druck des Heliums in der Gasphase wird über die Flüssigphase reduziert oder die Wärmeleitfähigkeit eines der Elemente des Läufers der Elektromaschine wird zur Ableitung von sich in dem am Umfang des Läufers befindlichen flüssigen Helium entwickelnden Wärme an das in der Nähe der Drehachse des Läufers befindliche flüssige Helium ausgenutzt. Zur Kompensation der Wärme zuführung über die Konstruktion der Welle und die Stromzuführungen wird zwischen dem "kalten' und dem warmen" Teil des Läufers ein Stoff mit niedriger Wärmeleitung untergebracht, oder es wird an dieser Stelle eine zusätzliche Abkühlung durch ein Zwischenkühlmittel vorgesehen, oder man legt derartige Konstruktionen so aus, daß die wärmeentwickelnden und -leitenden Elemente der "Tieftemperaturzone" auf der ganzen Länge durch von der supraleitenden Wicklung zuströmendes gasförmiges Helium abgekühlt werden.
Es ist eine supraleitende Elektromaschine bekannt (US-PS 3 729 640), bei welcher der Läufer eine gleichstromerregte supraleitende Wicklung aufweist. Bei dieser Konstruktion ist innerhalb des Läufers eine "Wärmeableitung" vorgesehen, die zur radialen Wärmeabführung von dem an der Außenwand des Läufers befindlichen flüssigen Helium an das durch einen axialen Zufuhrkanal für das flüssige Helium zur supraleitenden Wicklung strömende flüssige Helium bestimmt ist. Die "Wärmeableitung" stellt in der vorliegenden Konstruktion eine an der Stirn der supraleitenden Wicklung angeordnete dickwandige Scheibe dar, die in Wärmekontakt mit dem auf der Achse und am Umfang des Läufers befindlichen flüssigen Helium steht. Diese Lösung ist aber nicht sehr effektiv, da die Fläche des Zufuhrkanals für das flüssige Helium klein ist, und dadurch die Konstruktion der elektrischen Maschine kompliziert wird, denn die ärbeableitung muß zum einen die Wärme gut abführen und zu diesem Zweck eine entwickelte Oberfläche aufweisen und zum anderen kompakt und fest wegen der Beeinflussung durch die Fliehkräfte sein.. Außerdem weisen die guten Wärmeleiter, beispielsweise reines Kupfer oder Aluminium, eine geringe Festigkeit auf und müssen daher durch ein festeres Material verstärkt werden, das dazu inert gegen die Einwirkung starker Magnetfelder sein muß.
Die Trägheit der "Wärmeableitung" gestattet nicht, einer Temperaturerhöhung der supraleitenden Wicklung im nichtstationären Betrieb der Elektromaschine, d.h. im Anlauf- und Ubergangsbetrieb, wirksam entgegenzuwirken, weil die Wärmezuführung an der supraleitenden Wicklung über die Welle und die Stromzuführungen in der Maschine groß bleibt.
Es ist auch eine Elektromaschine mit einer Kryogenkühlung (tJdSSR-Urheberscheine 476 638 und 262 240) bekannt, die einen Hohlläufer mit einer supraleitenden Erregerwicklung, an die Stromschienen angeschlossen sind, ein einen axial zur Läuferwelle verlaufenden Zufuhrkanal für das Kühlmittel (Helium) der supraleitenden Erregerwicklung, eine Kühleinrichtung für die Enden der Läuferwelle und Abführungskanäle für das Kühlmittel des die supraleitende Wicklung einschließenden Kühlsystems enthält.
Als Kühleinrichtung für die Läuferwelle werden wärmeisolierende Blindverschlüsse ausgenutzt, die im zylindrischen Teil des Hohlläufers an dessen Verbindungsstellen mit der Läuferwelle angeordnet sind. Die zu koppelnden Flächen der wärmeisolierenden Blindverschlüsse und des zylindrischen Teiles des Läufers weisen spiralförmig verlaufende Rippen aul.
Zur Druckminderung des gasförmigen Heliums und zur Widerstandsabnahme in den Kühlkanälen wird das gasförmige Helium in einen Raum zwischen dem Ständer und Läufer abgelassen, von wo aus es dann in die Kältemaschine gelangt.
Die in den Hohlraum des Läufers eindringende Wärme bringt das flüssige Helium zum Verdampfen. Die entstandenen Dämpfe dringen in die Spalte zwischen der Innenfläche des zylindrischen Teiles des Läufers und der Außenfläche der wärmeisolierenden Blindverschlüsse ein. Bei der Bewegung des kalten" gasförmigen Heliums durch die Spalte zwischen den Rippen zu den Abführungskanälen ibr das Kühlmittel nimmt es die von den Enden der Läuferwelle von außen eindringende Wärme auf.
Bei dieser Maschine ist der Schutz gegen die Wärmezufuhr über die Läuferwelle schlecht, weil an den Befestigungsstellen der Wellenenden am zylindrischen Teil des Läufers, wo ein Schutz gegen die Wärmezufuhr von außen fehlt, in den Hohlraum des Läufers eine beträchtliche Wärmemenge eingeführt wird, während ein Schutz gegen die über die Stromzuführungen erfolgende Wärmezufuhr ausbleibt.
Das Vorhandensein einer zusätzlichen Kühleinrichtung für die Enden der Läuferwelle, der wärmeisolierenden Blindverschlüsse, kompliziert die Konstruktion der elektrischen Maschine, indem es deren Abmessungen vergrößert und keine Problemlösung für den Schutz gegen die über die Welle und die Stromzuführungen erfolgende Wärmezufuhr zur supraleitenden Wicklung und folglich zum flüssigen Helium bringt.
Die Durchflußregelung ist an den beiden Wellenenden ebenfalls erschwert, weil das die Kühlkanäle der Blindverschlüsse verlassende Kühlmittel in einen Spalt zwischen dem Läufer und dem Ständer abgelassen wird und in der Masuhine keine vom Ständer getrennten Sammelkammern für das Kühlmittel vorgesehen sind.
Es ist eine andere Elektromaschine mit einer Kryogenkühlung (UdSSR-Urheberschein 484 606) bekannt, in der zur Verringerung der Wärmezufuhr über die Welle von einem zusätzlichen Kühlmittel Gebrauch gemacht wird. Zu diesem Zweck ist an jedem Ende der Läuferwelle der Elektromaschine auf der Seite der Stirnwände des zylindrischen Teiles des Hohlläufers eine Kammer für das Kühlmittel befestigt. Die Kammer hat Koaxialscheiben bzw. Koaxialzylinder mit einer gemeinsamen Wand, in die bezüglich dieser Kammer unbewegliche Zuführungsrohre für das Kühlmittel eingelassen sind.
Weiterhin sind entsprechende,am Ständer befestigte Scheiben vorgesehen, die die am Läufer befestigten Scheiben umfassen. Hicrbei gibt es im Spalt zwischen den beweglichen und unbeweglichen Scheiben Dichtungen.
Eine solche Ausführung für die Verringerung der Wärme zufuhr macht die KonstruktIon der Elektromaschine sehr kompliziert und setzt deren Zuverlässigkeit herab, weil es äußerst schwer ist, vakuumdichte und zuverlässige rotierende Dichtungen bei Kryogentemperaturen zu schaffen. Die Länge der Läuferwelle ist infolge der Anordnung der keinen wirksamen Schutz gegen die Igårmezufuhr über die Welle bietenden Kammern an den Wellenenden stark vergrößert, denn die Abschnitte der Wellenenden von diesen Kammern bis zu den Stirnwänden des zylindrischen Teiles des Läufers besitzen keinen Wärmeschutz und können keineswegs vergrößert werden, ohne daß die Festigkeitseigenschaften des Läufers beeinträchtigt werden. Der Wärmefluß zu der supraleitenden Wicklung und zu dem flüssigen Kühlmittel über die Welle vom Einsatzort dieser Kammern aus, deren Temperatur in einem Temperaturbereich von 20 bis 800K liegend gewählt ist, vordringt, ist beträchtlich. Der Einsatz eines anderen flüssigen Kühlmittels mit einer niedrigeren Temperatur ist thermodynamisch ungünstig. Ein Schutz gegen die an der supraleitenden Wicklung über die Stromzuführungen erfolgenden Wärme zufuhr ist bei dieser Maschine gleichfalls nicht vorgesehen.
--t q(zo 4 Am besten wird die genannte technische Aufgabe durch die Konstruktion einer elektrischen Maschine mit eine Kryogenkühlung gemäß P 2 753 459.4sgelöst, deren mit einem flüssigen Kühlmittel gefüllter Hohlläufer eine supraleitende Wicklung mit mindestens zwei gekühlten Stromzuführungen enthält, von denen eine mit einer Stromzuführungseinrichtung positiver Polarität verbunden und in mindestens einem Kühlkanal eines der Enden der hohlen Läuferwelle angeordnet ist, deren Kühlkanäle für die beiden Enden über ein entsprechendes Mittel zum Pumpen des Kühlmittels aus dem Läufer mit einer entsprechenden Sammelkammer für das Kühlmittel verbunden sind. Die andere Stromzuführung ist mit einer Stromzuführungse inrichtung negativer Polarität verbunden. Die Hohlwelle selbst ist mit einem mit einer an einem Ende der Hohlwelle angeordneten Baugruppe zur Einführung des Kühlmittels in den Läufer verbundenen Zufuhrkanal für das Kühlmittel der supraleitenden Wicklung versehen und in Lagern montiert, deren Gehäuse je eine Dichtung aufweisen.
Bei der genannten Elektromaschine mit einer Kryogenkühlung sind die Enden der hohlen Läuferwelle zur Verminderung einer an der innerhalb des Hohlläufers angeordneten supraleitenden Wicklung erfolgenden Wärme zufuhr mit tiefen Schraubenkanälen ausgeführt, in denen die Stromzuführungen angeordnet sind. Hierbei liegen die die supraleitende Wicklung mit den Stromzuführungseinrichtungen positiver und negativer Polarität verbindenden Stromzuführungen in den Kanälen eines der Enden der hohlen Läuferwelle, und zwar in den Kanälen seitlich der Baugruppe zur Einführung des Kühlmittels in den Läufer. Dabei sind die Stromzuführungseinrichtungen in Form drehbarer Ringe aus einem elektrisch leitenden Werkstoff und bezüglich dieser Ringe unbeweglicher Kohlenbürsten ausgeführt, deren Abkühlung durch einen Wärmeaustausch mit der Umgebung zustande kommt. Die Kühlkanäle der Enden der hohlen Läuferwelle sind über die bei der beschriebenen elektrischen Maschine in Form von Radialkanälen im Wellenkörper ausgeführten Mittel zum Pumpen mit den Sammelkammern für das Kühlmittel verbunden, deren zylindrische Gehäuse die Enden der Hohlwelle umschließen und in den Stirnwänden Gasdichtungen aufweisen. Zur Wärme isolierung der supraleitenden Wicklung der Elektromaschine gegenüber der Umgebung wird der Spalt zwischem dem Läufer und dem Ständer laufend evakuiert, weshalb an den Stirnschildern des Ständergehäuses außer den die Läuferdrehung ermöglichenden Lager drehbare Vakuumdichtungen montiert sind.
Die gemeinsame Anordnung der an die Stromzuführungseinrichtungen positiver und negativer Polarität angeschlossenen Stromzuführungen ir. den Kühlkanälen eines der Enden der hohlen Läuferwelle erschwert deren Isolierung und gestattet es nicht, Stromzuführungen mit einer ausgebildeten Kühlr fläche einzusetzen, was sich auf die Wärmeabnahme dieser Stromzuführungen auswirkt. Die Abkühlung der Stromzuführungseinrichtungen durch einen Wärmeaustausch mit der Umgebung ist wenig effektiv, deshalb wird eine große in den Stromzuführungseinrichtungen erzeugte Wärme menge an die Welle und die Stromzuführungen abgegeben, über die diese Wärme unmittelbar an die supraleitende Wicklung und an das flüssige, innerhalb des Hohlläufers befindliche Kühlmittel geleitet wird. Die gemeinsame Anordnung der an die Stromzuführungseinrichtungen positiver und negativer Polarität angeschlossenen Stromzuführungen erlaubt es auch nicht, einen Optimalbetrieb hinsichtlich der Wärmezuführung an der supraleitenden Wicklung im Anlauf- und Ubergangsbetrieb der Elektromaschine zu sichern. Die in Form von Radialkanälen im Körper der Wellenenden ausgeführten Mittel zum Pumpen des Künlmittels aus den Kanälen der Enden der hohlen Läufer welle sind ungenügend, weil sie einen beträchtlichen Strömungswiderstand sowohl beim Eintritt des Kühlmittels in diese Radialkanäle als auch beim Austritt des Kühlmittels aus den Radialkanälen aufweisen. Die während der durch den nichtstationären Betrieb der Elektromaschine hervorgerufenen Stromstöße erforderliche Durchflußregelung des Kühlmittels in den Kühlkanälen der Enden der hohlen Läuferwelle ist ebenfalls erschwert wegen des Fehlens eines zusätzlichen mit den Kühlkanälen der Enden der hohlen Läuferwelle nicht verbundenen Kanals für ein Überströmen des Kühlmittels.
Hinzu kommt, daß das Vorhandensein einer großen Menge der drehbaren Dichtungen an den Enden der Läuferwelle die Konstruktion der Elektromaschine kompliziert und sie weniger zuverlässig macht. Hierbei wird das in die Sammelkammern für das Kühlmittel von den Kühlkanälen der Enden der hohlen Läuferwelle kommende gasförmige Kühlmittel in diesen Kammern durch Verschleißprodukte der drehbaren Gasdichtungen gewährleistet ist. Deshalb ist es nicht möglich, die suprale itende Wicklung durch eine Druckminderung innerhalb des Hohlraumes des Läufers und durch eine Verringerung der Wärme zuführung an dieser supraleitenden Wicklung wirksam abzukühlen sowie dabei eine hohe Zuverlässigkeit sowohl der einzelnen Elemente des Läufers als auch der gesamten Elektromaschine im ganzen zu gewährleisten.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektrische Maschine mit einer Kryogenkühlung zu schaffen, in der die Druckminderung und die Temperatursenkung der Flüssigkeitsphase des innerhalb des Läufers befindlichen Kühlmittels eine Regelung des Kühlvorganges für die Enden der Läuferwelle und die Stromzuführungen sowie die konstruktive Ausführung der Stromzuführungse inrichtungen und der Sammelkammern für das Kühlmittel eine hohe Wirksamkeit der Kühlung der supraleitenden Wicklung bei allen Betriebsarten der Elektromaschine, eine Verringerung der gesamten Wärmezufuhr über die Enden der Läuferwelle und die Stromzuführungen, eine Erhöhung der Zuverlässigkeit der Stromzuführungseinrichtungen und eine Vereinfachung der Konstruktion der Elektromaschine gewährleisten.
Diese Aufgabe wird ausgehend davon, daß in der Elektromaschine mit einer Kryogenkühlung, deren mit einem Kühlmittel gefüllter Hohlläufer eine supraleitende Wicklung mit mindestens zwei gekühlten Stromzuführungen enthält, von denen die eine mit einer Stromzuführungseinrichtung positiver Polarität verbunden und in mindestens einem Kühlkanal eines der Enden.einer hohlen Läuferwelle angeordnet ist, deren Kühlkanäle für die beiden Enden über ein entsprechendes Mittel zum Pumpen des Kühlmittels aus dem Läufer mit einer entsprechenden Sammelkammer für das Kühlmittel verbunden sind, und von denen die andere mit einer Stromzuführungseinrichtung negativer Polarität verbunden ist, wobei die Hohlwelle selbst mit einem mit einer an einem Ende der Hohlwelle liegenden Baugruppe zur Einführung des Kühlmittels in den Läufer verbundenen Zufuhrkanal für das Kühlmittel der supraleitenden Wicklung ausgeführt und in Lagern angeordnet ist, deren Gehäuse je eine Dichtung aufweisen, erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Hohlwelle des Läufers mit einem am anderen Ende dieser Hohlwelle liegenden und mit dem Hohlraum des Läufers verbundenen zusätzlichen Kanal ausgeführt ist und ein zusätzliches Mittel zum Pumpen des Kühlmittels aus dem Läufer vorgesehen ist, mit dessen Hilfe der zusätzliche Kanal mit der entsprechenden Sammelkammer für das Kühlmittel verbunden ist, wobei die an die Stromzuführungseinrichtung negativer Polarität angeschlossene Stromzuführung im zusätzlichen Kanal und jede Stromzuführungseinrichtung in der entsprechenden Sammelkammer für das Kühlmittel liegt.
Xweskmaßig gibt es in der elektrischen Maschine zwei an die Stromzuführungseinrichtungen positiver Polarität angeschlossene Stromzuführungen. Diese Stromzuführungen sind in den Kühlkanälen für die beiden Enden der Hohlwelle des Läufers angeordnet, wobei eine der Stromzuführungseinrichtungen positiver Polarität, an die die am gleichen Ende der Hohlwelle des Läufers mit der an die Stromzuführungseinrichtung negativer Polarität angeschlossenen Stromzuführung liegende Stromzuführung angeschlossen ist, mit der Stromzuftthrungseinrichtung negativer Polarität in der gleichen Sammelkammer für das Kühlmittel liegt.
Es ist günstig, daß in der lektrischen Maschine mindestens eines der Mittel zum Pumpen des Kühlmittels aus dem Läufer, mit dessen Hilfe der Kühlkanal für das Ende der Hohlwelle des Läufers mit der Sammelkammer für das Kühlmittel verbunden ist, in Form eines Fliehkraftrades ausgeführt ist, das am Austrittsende des Kühlkanals für das entsprechende Ende der Hohlwelle des Läufers montiert und in der entsprechenden Sammelkammer für das Kühlmittel in unmittelbarer Nähe von der oder denjenigen Stromzuführungseinrichtungen untergebracht ist, die in dieser Kammer liegen.
Vorteilhaft ist, daß in der elektrischen Maschine das Fliehkraftrad in Form zweier Scheiben ausgeführt ist, zwischen denen ein Band liegt, das spiralförmig derart befestigt ist, daß die Breite eines durch dieses Band gebildeten Kanals vom Umfang der Spirale zum Zentrum in einer mit der Drehrichtung des Läufers zusammenfallenden Richtung zunimmt.
In der elektrischen Maschine kann jede Stromzuführungseinrichtung in Form einer auf der Hohlwelle des Läufers starr befestigten und in einem Hohlraum zwischen der Stirnwand der Sammelkammer für das Kühlmittel und einer in dieser Kammer ausgeführten Zwischenwand liegenden Scheibe aus-6« U W1L-G sein, wobei der Hohlraum mit einer Flüssigmetalllegierung zur Verwirklichung der Stromabnahme gefüllt und nach dem Kühlmittel mit dem durch die andere Stirnwand der Sammelkammer für das Kühlmittel und die Zwischenwand gebildeten Hohlraum verbunden ist.
In der elektrischen Maschine kann mindestens eine Sammelkammer für das Kühlmittel aus einem elektrischen Wärmeisolierstoff hergestellt und durch eine dem entsprechenden Lager zugekehrte Stirnwand mit dem Gehäuse dieses Lagers zur Zentrierung einer Scheibe der in der Kammer untergebrachten StromzufülLrungse inrichtung bezüglich dieser Kammer starr verbunden sein, wobei die am Ende der Hohlwelle des Läufers seitens der Baugruppe zur Einführung des Kühlmittels in den Läufer liegende Sammelkammer für das Kühlmittel zusätzlich durch eine der Baugruppe zur Einführung zugekehrte Stirnwand mit dieser Baugruppe zur Einführung starr verbunden ist.
Vorteilhafterweise ist in der elektrischen Maschine die an die Stromzuführungseinrichtung negativer Polarität angeschlossene Stromzuführung porös und aus einem Material hergestellt, das sich aus zwei Komponenten A und B zusammensetzt, deren erste normalleitend und deren zweite supraleitend ist, die nach der Länge der Stromzuführung in der Weise verteilt sind, daß das Material, aus dem das mit der Stromzuführungseinrichtung verbundene Ende dieser Stronzuführung ausgeführt ist, 100 % der Komponente A und das Material, aus dem das andere Ende der Stromzuführung ausgeführt ist, 100 0/0 der Komponente B enthält, und der Gehalt einer jeden dieser Komponenten in Richtung des entsprechenden Endes der Stromzuführung, dessen Material die Höchstmenge dieser Komponente enthält, zum entgegengesetzten Ende der Stromzuführung nach und nach abnimmt.
Anhand der Zeichnungen wird die Erfindung beispielsweise roher erläutert. Es zeigt: Fig. 1 eine erfindungsgemäße Elektromaschine mit einer Kryogenkühlung, teilweise im Längsschnitt; Fig. 2 eine Elektromaschine mit einer Kryogenkühlung, in der die an die Stromzuführungseinrichtungen positiver Polarität angeschlossenen Stromzuführungen an den beiden Enden der Hohlwelle ausgeführt sind, teilweise im Längsschnitt; Fig. 3 einen Teil einer Elektromaschine, in der das Mittel zum Pumpen in Form eines Fliehkraftrades ausgeführt ist, im Längsschnitt; Fig. 4 einen Schnitt längs der Linie IV-IV von Fig. 3; Fig. 5 im Längsschnitt einen Teil einer Elektromaschine, in der das Mittel zum Pumpen in Form von Scheiben mit einem zwischen ihnen befestigten Band und mit einer Flüssigmetall-Stromableitung ausgeführt ist; Fig. 6 einen Schnitt längs der Linie VI-VI von Fig. 5; Fig. 7 eine Elektromaschine, teilweise im Längsschnitt, in der die Stromzuführungseinrichtungen an den zwei Enden der Hohlwelle ausgeführt sind, eine Flüssigmetall-Stromableitung aufweisen und die Gehäuse der Sammelkammern für das Kühlmittel mit den Gehäusen der in den Stirnschildern des Ständergehäuses angeordneten Lager starr verbunden sind; Fig. 8 im Längsschnitt einen Teil der Elektromaschine, in der die an die Stromzuführungseinrichtung negativer Polarität angeschlossene Stromzuführung porös und die Stromzuführungseinrichtungen mit einer Flüssigmetall-Stromableitung ausgeführt sind und Fig. 9 einen Schnitt längs der Linie IX-IX von Fig. 8.
Die erfindungsgemäne Blektromaschine mit einer Kryogenkühlung hat ein Gehäuse 1 (Fig. 1), in dem eine (in der Zeichnung bedingt angedeutete) Ständerwicklung 2 angeordnet ist, und einen sich mit den Enden 4, 5 der Hohlwelle auf Lager 6 stützenden Hohlläufer 3. Die Lager 6 liegen in Stirnschildern 7 des Gehäuses 1 zur Aufrechterhaltung eines Vakuums im Spalt zwischen der Ständerwicklung 2 und dem Läufer 3. In den Stirnschildern 7 gibt es auch drehbare Vakuumdichtungen 8 und drehbare Gasdichtungen 9.
Innerhalb des zylindrischen Teiles des Läufers 3 ist in bekannter Weise, beispielsweise mit Hilfe einer Epoxidkompoundmasse, eine in der Zeichnung bedingt angedeutete, mindestens zwei gekühlte Stromzuführungen 11, 12 aufweisende supraleitende Wicklung 10 angeordnet. Die Stromzuführung 11 ist elektrisch mit der supraleitenden Wicklung 10 und einer Stromzuführungseinrichtung 13 positiver Polarität verbunden und innerhalb von mindestens einem Kühlkanal eines der Enden der Hohlwelle des Läufers angeordnet. Eine Gruppe von schraubenförmig verlaufenden Kühlkanälen 14 ist am Ende 4 der Hohlwelle des Läufers 3 ausgeführt. Die Stromzuführung 12 ist elektrisch mit der supraleitenden Wicklung 10 und einer Stromzuführungseinrichtung 15 negativer Polarität verbunden und liegt in einem in Form einer am Ende 4 der Hohlwelle des Läufers 3 verlaufenden und mit dem Hohlraum des Läufers 3 verbundenen Rohrleitung ausgeführten Axialkanal 16. Zur Sicherung der Abkühlung ist die supraleitende Wicklung 10 zusätzlich mit einem in Form einer innerhalb des Endes 5 der Hohlwelle des Läufers 3 befindlichen, wärme- und vakuumdicht isolierten und mit einer Baugruppe 18 zur Einführung des Kühlmittels in den Läufer verbundenen Rohrleitung ausgeführten Axialkanal 17 hydraulisch verbunden.
Zur Abkühlung des Endes 5 der Hohlwelle des Läufers 3 sind innerhalb dessen analog zu den Kühlkanälen 14 ausgeführte Kühlkanäle 19 vorgesehen.
Am Ausgang der Kühlkanäle 14, 19 und am Ausgang des Kanals 16 sind an den beiden Enden 4, 5 der Hohlwelle des Läufers 3 Mittel 20, 21 22 zum Pumpen des Kühlmittels aus dem Läufer 3 ausgeführt, mit deren Hilfe die Kanäle 14, 16, 19 mit jeweils an den Enden 4, 5 der Hohlwelle des Läufers 3 angeordneten Sammelkammern 23, 24 für das Kühlmittel verbunden sind. Bei dieser Elektromaschine mit einer Kryogenkühlung sind die Mittel, 20, 21, 22 zum Pumpen in der Wand der Welle des Läufers 3 ausgeführte Radialkanäle. In den Stirnwänden der Sammelkammern 23, 24 für das Kühlmittel sind analog den drehbaren Gas dichtungen 9 ausgeführte drehbare Gasdichtungen 25 angeordnet.
Bei der Elektromaschine mit einer Kryogenkühlung sind die Stromzuführungseinrichtungen 13 bzw. 15 5 positiver und negativer Polarität in einer entsprechenden Sammelkammer für das Kühlmittel, nämlich in der Kammer 23, angeordnet und in bekannter Weise in Form eines mit dem entsprechenden Wellenende 4 des Läufers 3 starr verbundenen Metallringes und einer Stromabnahmebürste ausgeführt.
Zur Verringerung der an die supraleitende Wicklung 10 über die Enden 4, 5 der Hohlwelle des Läufers 3 und über die Stromzuführungen 11, 12 vordringenden gesamten Wärmezufuhr sind auch a-ndere Varianten der gegenseitigen Anordnung möglich.
Zweckmäßig ist eine Variante, bei der es außer der an die Stromzuführungseinrichtung 13 positiver Polarität angeschlossenen Stromzuführung 11 eine zweite innerhalb der Kühlkanäle 19 des Endes 5 der Hohlwelle des Läufers 3 angeordnete und analog der Stromzuführung 11 ausgeführte Stromzuft)rung 26 (Fig. 2) gibt. Die genannte zweite Stromzuführung 26 ist elektrisch mit der supraleitenden Wicklung 10 und einer zweiten Stromzuführungseinrichtung 27 positiver Polarität verbunden und innerhalb der Sammelkammer 24 für das Kühlmittel angeordnet.
Zur Druckminderung des gasförmigen Kühlmittels innerhalb des Läufers 3, der Erhöhung der Wirksamkeit der Mittel zum Pumpen und also der Erhöhung der Wirksamkeit der Kühlkanäle 14, 19 und des Kanals 16 ist mindestens eines der Mittel zum Pumpen - in der beschriebenen Variante das Mittel 20 zum Pumpen - in Form eines an der Austrittsstelle der Kühlkanäle 14 (Fig. 3) am Ende 4 der Hohlwelle 4 des Läufers 3 starr befestigten Fliehkraftrades 28 (Fig. 3, 4) ausgeführt. Der Eintritt des Fliehkraftrades 28 liegt im gleichen Radius mit dem Austritt der Kühlkanäle 14, wobei die Kanäle des Fliehkraftrades 28 und des Austrittsstutzens der Sammelkammer 23 für das Kühlmittel ebenso wie die Sammelkammer 23 für das Kühlmittel selbst in der Weise ausgeführt sind, daß ein stoßfreier Eintritt des Kühlmittels in das Fliehkraftrad 28 aus den Kanälen 14 und dessen stoßfreier Austritt aus dem Fliehkraftrat 28 in den Eintrittsstutzen der Sammelkammer 23 für das Kühlmittel gewährleistet sind.
Gemäß dieser Variante liegt das Fliehkraftrad 28 in der Sammelkammer 23 für das Kühlmittel in unmittelbarer Nähe der Stromzuführungseinrichtungen 13 und 15 positiver bzw. negativer Polarität. Dabei sind Mittel 21 zum Pumpen, die den Kanal 16 mit der darin verlaufenden Stromzuführung 12 mit der Sammelkammer 23 für das Kühlmittel verbinden, in Form von Radialkanälen ausgeführt und und zwischen dem Fliehkraftrad 28 und der Stromzuführungseinrichtung 15 negativer Polarität vorgesehen. Hierbei sind die Stromzuführungen 13, 15, wie oben beschrieben, in Form drehbarer elektrisch leitender Ringe mit bezüglich des sich drehenden Läufers 3 unbeweglichen Graphitbürsten ausgeführt.
Zur Beseitigung des Einflusses der Druckerhöhung des gasförmigen Kühlmittels innerhalb der Sammelkammer 23 für das Kühlmittel auf die Pumpeigenschaften der Kühlkanäle 14 wird das Fliehkraftrad 28, mit dessen Hilfe die Kühlkanäle 14 mit der Sammelkammer 23 für das Kühlmittel verbunden sind, zweckmässigerweise in Form von Scheiben 29 (Fig. 5), 30 ausgeführt, zwischen denen ein Band 31 spiralförmig gewickelt ist. Das Band 31 ist derart gewickelt, daß die Breite eines durch dieses Band 31 und die Stirnseiten der Scheiben 29, 30 gebildeten Kanals 32 vom Umfang der Spirale zu deren Mitte zunimmt und die Richtung der Zunahme der Breite der Kanäle 32 (Fig. 6) mit der Drehrichtung des Läufers 3 zusammenfällt.
Bei der beschriebenen Variante werden zweckmäßig die Stromzuführungseinrichtungen 13 (Fig. 5) und 15 positiver bzw. negativer Polarität in Form von Scheiben 33 bzw. 34 aus elektrisch leitendem Werkstoff (beispielsweise aus Kupfer) hergestellt und über Wärmeisolierzwischenlagen 35 am Ende 4 der Hohlwelle des Läufers 3 an der Austrittsstelle der Stromzuführungen 11, 12 starr befestigt. Die Scheiben 33, 34 werden in einzelne, durch die Stirnwände der Sammelkammer 23 für das Kühlmittel und innere ringförmige Zwischenwände 38, 39 gebildete Kammern 36 bzw. 37 eingebaut und elektrisch über aus einer zur Stromabnahme vorgesehenen eutektischen Gallium-Indium-Legierung hergestellte Kontakte 40 bzw. 41 mit den Klemmen der Stromzuführungseinrichtungen 13 3 und 15 positiver bzw. negativer Polarität verbunden. Hierbei wird das Gehäuse der Kammer 23 und die Zwischenwände 38, 39 aus einem elektrischen Wärmeisolierstoff, beispielsweise aus glasfaserverstärktem Kunststoff oder aus Keramikmaterial hergestellt.
Bei dieser Variante sind die Scheiben 29, 30 in einer durch die Zwischenwände 38, 39 gebildeten und nach dem Kühlmittel mit den Kammern 36, 37 verbundenen Zentralkammer 42 untergebracht, während das den Kanal 16 mit der Sammelkammer 23 für das Kühlmittel verbindende Mittel 21 zum Pumpen zwischen den Scheiben 30, 34 liegt. Die durch die Zwischenwände 38, 39 gebildete Kammer 42 ist mit einem diese Kammer 42 mit einer (in der Zeichnung nicht gezeigten) Kältemaschine verbindenden Austrittsstutzen 43 für das Kühlmittel verbunden. Der Stutzen 43 ist mit einer Erweiterung ausgeführt, tangential zu Kammer 42 montiert. Sein Austritt ist zu einer der Drehrichtung des Läufers 3 entgegengesetzten Seite gerichtet.
Zur Zentrierung der Scheiben 33, 34 bezüglich der Kammern 36 bzw. 37 und zur Verringerung der Anzahl der drehbaren Gasdichtungen 25 sind die Sammelkammern 23 (Fig. 7), 24 mit den Gehäusen der an den entsprechenden Stirnschilaern 7 des Gehäuses 1 der Elektromaschine angeordneten Lager 6 starr verbunden, während die Kammer 24 zusätzlich mit der Baugruppe 18 zur Einführung des Kühlmittels in den Läufer starr verbunden ist. Dabei ist die innerhalb der Kammer 24 liegende Stromzuführungseinrichtung 27 positiver Polarität analog der in der Kammer 23 liegenden Stromzuführungseinrichtung 13 positiver Polarität ausgeführt. Die Stromzuführungseinrichtung 27 enthält eine in einer durch eine Zwischenwand 45 und die Stirnwand der Sammelkammer 24 für das Kühlmittel gebildeten Kammer montierte Scheibe 44 und einen den Kontakten 40, 41 ähnlichen Flüssigmetallkontakt 46.
Für eine stabile Arbeit der Elektromaschine im Anlauf- und Ubergangsbetrieb, für eine Verbesserung der Durchflußregelung des gasförmigen Kühlmittels in den Kühlkanälen 14, 19 und dem Kanal 16 sowie für eine Erhöhung ihrer Wirksamkeit ist es angebracht, die an die Stromzuführungseinrichtung 15 negativer Polarität angeschlossene Stromzuführung 12 (Fig. 8) porös und aus einem Material herzustellen, das sich aus zwei Komponenten A und B zusammensetzt, deren eine normalleitend und deren zweite supraleitend ist. Hierbei sind die Komponenten A und B über die Länge der Stromzuführung 12 derart zu verteilen, daß das Material, aus dem das mit der Stromzuführungseinrichtung 15 negativer Polarität verbundene Ende dieser Stromzuführung 12 ausgeführt ist, 100 % der Komponente A und das Material, aus dem das andere, mit der supraleitenden Wicklung 10 (Fig. 1) verbundene Ende der Stromzuführung 12 ausgeführt ist, 100 % der Komponente B enthält. Es ist notwendig, daß der Gehalt einer jeden der Komponenten A und B in Richtung von dem entsprechenden Ende der Stromzuführung 12 weg, dessen Material die Höchstmenge dieser Komponente enthält, zu dem entgegengesetzten Ende der Stromzuführung 12 hin nach und nach abnimmt. Bei einer derartigen Ausführung der Stromzuführung 12 gibt es im mittleren Teil einen zehn bis zwanzig Durchmesser der Stromzuführung 12 langen Abschnitt, der eine gleiche Menge der beiden Komponenten enthält.
Bei der beschriebenen Variante ist die Stromzuführung 12 in einem der bekannten Verfahren (beispielsweise durch Sintern oder Pressen) und porös auf der ganzen Länge von der supraleitenden Wicklung 10 bis zur Scheibe 34 (Fig. 8) der Stromzuführungseinrichtung 15 negativer Polarität ausgeführt.
Eine solche konstruktive Ausführung der Stromzuführung 12 gestattet es, sie mit dem Mittel zum Pumpen zu vereinigen, weshalb in der Scheibe 34 Kanäle 47 ausgeführt sind, während die Stromzuführung 12 mit einem verzweigten Ende ausgebildet ist, dessen Zweige in den Kanälen 47 liegen. Die Anzahl der Kanäle 47 (Fig. 9) und die entsprechende Anzahl der Zweige beträgt in der beschriebenen Variante acht.
Zum freien und gleichmäßigen Austritt des Kühlmittels aus der Scheibe 34 und folglich auch zur Wärmeverteilung über diese wird zweckmäßig der Austritt der Kanäle 47 (Fig. 8, 9) aus der Scheibe 34 der Stromzuführungseinrichtung 15 5 (Fig. 8) negativer Polarität nach der Seite der Innenkammer 42 der Sammelkammer 23 für das Kühlmittel ausgerichtet und in einem Radius unterhalb des Radius der bei der Drehung des Läufers ausgebildeten freien Fläche des Flüssigmetallkontaktes 41 (Fig. 9) angeordnet.
Die Bewegungsrichtung des Kühlmittels ist in Fig. 1 bis 8 durch Pfeile angedeutet.
Die Aufrechterhaltung der supraleitenden Wicklung 10 (Fig. 1) des Läufers 3 der Elektromaschine mit einer Kryogenkühlung im supraleitenden Zustand wird durch deren Tauchen in ein Bad mit einem flüssigen Kühlmittel erreicht, für welches ein flüssiges Helium in Frage kommt. Wegen der Einwirkung der Fliehkräfte auf das sich von der Achse des Läufers zu dessen Peripherie bewegende Kühlmittel (flüssiges Helium) entsteht darin ein Druckgefälle, das automatisch sowohl die Temperaturerhöhung des Kühlmittels selbst als auch der davon umspülten supraleitenden Wicklung 10 bewirkt. Eine der Methoden zur Aufrechterhaltung des Kühlmittels und folglich auch der sich drehenden supraleitenden Wicklung 10 im vorgegebenen Temperaturbereich ist eine Druckminderung der Gasphase des Kühlmittels über der Flüssigphase. Bei der Ausführungsform nach Fig. 1 geschieht dies folgendermaßen.
Das flüssige Helium wird von einer (in der Zeichnung nicht gezeigten) Kältemaschine unter einem geringen Uberdruck über die Baugruppe 18 zur Einführung und über den Kanal 17 in den Hohlraum des Läufers 3 und die (nicht gezeigten) Kanäle der supraleitenden Wicklung 10 geleitet. Bei seiner Bewegung von der Achse des Läufers 7 zu dessen Peripherie kühlt es die supraleitende Wicklung 10 und wird unter der Wirkung der Fliehkräfte in die Flüssig- und Gasphase aufgeteilt. Das flüssige Helium sammelt sich an der Innenwand des zylindrischen Teiles des Hohlläufers 3 an, während dessen Gasphase bestrebt ist, näher an die Achse des Läufers 3 zu kommen.
In unmittelbarer Nähe von der Achse des Läufers 3 wird das gasförmige Helium in drei Ströme aufgeteilt, von denen zwei in die Kühlkanäle 14, 19 für die Enden 4, 5 der Hohlwelle des Läufers 3 gehen, während der dritte in den Kanal 16 strömt, in dem die die supraleitende Wicklung 10 mit dr Stromzuführungseinrichtung 15 5 negativer Polarität verbindende Stromzuführung 12 liegt. Aufgrund dessen, daß der Koeffizient der Wärmeabgabe von flüssigem Helium an die supraleitende Wicklung 10 größer als der des gasförmigen Heliums ist, wird deren Temperatur durch die Temperatur des an der Innenwand des Zylindrischen Teiles des Hohlläufers 3 anliegenden flüssigen Heliums bestimmt. Hierbei wird die Abkühlung der supraleitenden Wicklung 10 umso wirksamer sein, je wirksamer die Pumpeigenschaften der Kanäle 14, 19 und der entsprechenden Kanäle 14;19 mit den entsprechenden Sammelkammern 23, 24 für das Kühlmittel verbindenden Mittel 20, 22 zum Pumpen des Kühlmittels sind.
Die Temperatursenkung des flüssigen Heliums ebenso wie die der supraleitenden Wicklung 10 selbst wird auch von der der supraleitenden Wicklung 10 und dem flüssigen Helium von den Enden 4, 5 der Hohlwelle, den Stromzuführungen 11, 12 sowie der Stromzuführungseinrichtung 13 positiver Polarität und der Stromzuführungseinrichtung 15 negativer Polarität zugeführten Wärmemenge abhängig sein. Zu diesem Zweck umspült das in die Kühlkanäle 14 geratene gasförmige Helium der Reihe nach das Ende 4 der Hohlwelle des Läufers 3 mit der Stromzuführung 11 und die Stromzuführungseinrichtung 13 positiver Polarität, während das in die Kanäle 19 geratene gasförmige Helium das Ende 5 der Hohlwelle des Läufers 3 umspült. Hierbei sind zur effektiven Wärmeabnahme von den StromzuSührungen und den Strozzufuhrungseinrichtungen die an die Stromzuführungseinrichtungen positiver und negativer Polarität angeschlossenen Stromzuführungen voneinander getrennt. Die Str omzuführungs einrichtungen liegen innerhalb der Sammelkam-.
mern für das Kühlmittel, wo auch die diese Kammern mit den Kühlkanälen verbindenden Mittel zum Pumpen des Kühlmittels angeordnet sind. Die an die Stromzuführungseinrichtung 15 negativer Polarität angeschlossene Stromzuführung 12 liegt im Kanal 16, während das Mittel 21 zum Pumpen ebenso wie die 5 rlzuîührungseinrichtung l5 negativer Polarität in der Sammelkammer 23 für das Kühlmittel angeordnet ist. Das die Stromzuführung 12 abkühlende gasförmige Helium gelangt daher ebenso wie das die in den Kühlkanälen 14 für das Ende 4 der Hohlwelle des Läufers 3 liegende Stromzuführung 11 abkühlende gasförmige Helium nach dem Verlassen der Kanäle 14, 16 über die entsprechenden Mittel 20, 21 zum Pumpen in die gleiche Sammelkammer 23 für das Kühlmittel, wo diese zwei Ströme des gasförmigen Heliums zusammenfließen und gleichzeitig die Stromzuführungseiririchtung 13 positiver Polarität und die Stromzuführungseinrichtung 15 5 negativer Polarität abkühlen.
Von der Sammelkammer 23 für das Kühlmittel wird das gasförmige Helium ebenso wie das von den Kanälen 19 über das Mittel 22 zum Pumpen in die Sammelkammer 24 für das Kühlmittel geratene gasförmige Helium in eine (nicht eingezeichnete) Kältemaschine abgeleitet.
Bei seiner Bewegung führt das Kühlmittel einen Teil der Wärme von den genannten Elementen ab. Dadurch wird die Wärmezufuhr an der supraleitenden Wicklung 10 des Läufers 3 gesperrt.
Bei einer zwei an die Stromzuführungseinrichtung 13, 27 positiver Polarität angeschlossene Stromzuführungen 11, 26 (Fig. 2) aufweisenden Elektromaschine mit einer Kryogenkühlung werden die Wärmeableitung von den Enden 4, 5 der Hohlwelle des Läufers 3, den Stromzuführungen 11, 12 und den entsprechenden Stromzuführungseinrichtungen 13, 15 positiver bzw. negativer Polarität sowie die Abkühlung der supraleitenden Wicklung 10 in der Weise verwirklicht, wie dies oben beschrieben ist. Der Unterschied besteht nur darin, daß dabei die Wärme zusätzlich von der in den Kühlkanälen 19 liegenden Stromzuführung 26 und von der Stromzuführungseinrichtung 27 positiver Polarität zur wirksameren Verhinderung der Wärmezufuhr an der supraleitenden Wicklung 10 im Anlauf-und übergangsbetrieb der elektrischen Maschine abgeleitet wird, wo die Ströme ihren Nennwert um- das 3- bis 5-fache übersteigen. Die Einrichtung zum Ein- und Abschalten der Stromzuführung 26 in der Elektromaschine (nicht gezeigt) kann sowohl außerhalb als auch innerhalb der Elektromaschine liegen. Bei der Einschaltung der Stromzuführung 26 und ihrer Abschaltung muß eine Durchflußregelung des in den Kanälen 14, 16, 19 fließenden Kühlmittels vorgenommen werden, um deren Optimalbetrieb vom Standpunkt der an die supraleitende Wicklung 10 über die Enden 4, 5 der Hohlwelle des Läufers 3 und die in den jeweiligen Kanälen 14, 16, 19 liegenden Stromzuführungen 11, 12, 26 vordringenden gesamten Wärmezufuhr zu sichern. Diese Regelung kann grundsätzlich durch die Anordnung von (nicht gezeigten) Regelorganen nur am Austritt aus den Kanälen 14, 16, 19 in der "warmen" Zone verwirklicht werden. Anderenfalls wird die Konstruktion der Elektromaschine sehr kompliziert und ihre Betriebssicherheit nimmt ab. Als Regelorgane können an jedem der Enden der Kanäle 14, 16, 19 montierte automatische Drosselgeräte eingesetzt werden. Deren Montage an den sich drehenden Kanälen komliziert aber auch die Konstruktion, weil dadurch nichtumkehrbare Verluste im Zusammenhang mit der Drosselung des Kühlmittels durch diese Geräte verursacht werden. Deshalb ist in der erfindungsgemäßen Elektromaschine mindestens eines der Mittel zum Pumpen, das die Kanäle 14 mit der Sammelkammer 23 für das Kühlmittel verbindet, in Form eines Fliehkraftrades 28 (Fig. 3, 4) ausgeführt. Indem der Druck in der Kammer 23 geregelt wird, kann eine Umverteilung der Durchflußmenge des Kühlmittels in den Kanälen 14, 16 erreicht werden.
Zur effektiveren Durchflußregelung des Kühlmittels in kleinen Elektromaschinen oder Maschinen mit einer geringen Durchflußmenge des Kühlmittels wird mindestens eines der Mittel zum Pumpen in Form zweier Scheiben 29 (Fig. 5), 30 mit einem zwischen ihnen liegenden spiralförmigen Band 31 ausgeführt. Dann wird die Druckerhöhung des gasförmigen Heliums in der Sammelkammer 23 für das Kühlmittel auf die Verschlechterung der Pumpeigenschaften der Kanäle 14 noch weniger Einfluß nehmen, während die Durchflußmenge im Kanal 16 in Abhängigkeit vom erforderlichen Betrieb der Elektromaschine erhöht oder erniedrigt werden kann.
Zur Verbesserung der Abkühlung und einer wirksamen Wärmeabnahme von den Stromzuführungseinrichtungen 13, 15 ist es erwünscht, diese in Form von Scheiben 33, 34 mit Flüssigmetallkontakten 40, 41 auszuführen. Hierbei wird das in die Kammer 23 geratene gasförmige Helium die Stromzuführungseinrichtungen 13, 15 zusätzlich abkühlen. Es ist hinzuzufügen, daß die Flüssigmetallkontakte 40, 41 bei der Arbeit durch die Scheiben 33, 34 in Drehung versetzt werden, wobei sie in den Kammern 36, 37 gleichmaßig zerfließen. Hierbei verbessert sich ihre Kühlung. Nicht unbedeutend ist auch die Tatsache, daß die Flüssigmetallkontakte in der Regel eine hohe chemische Aktivität aufweisen und daher nur unter Vakuum oder Inertgas, beispielsweise in Argon oder Helium, normal arbeiten können. Das in die Kammer 23 geratene gasförmige Helium schirmt daher die Flüssigmetallkontakte 40, 41 gegen eine Oxydation ab, während das Kühlmittel selbst durch die Scheiben 33, 34 und die Flüssigmetallkontakte 40, 41 vor einer Verschmutzung durch die Verschleißprodukte der Gasdichtungen 25 der Sammelkammer 23 für das Kühlmittel bewahrt wird. Eine Verunreinigung des Kühlmittels durch die Verschleißprodukte der Stromzuführungseinrichtungen 13, 3 , zu 15 wird ebenfalls ausgeschlossen.
Zur Verringerung hydraulischer Verluste am Austritt des Kühlmittels aus der Kammer 23 ist diese mit einem sich erweiternden Stutzen 43 (Fig. 6) ausgeführt, der an dieser tangential befestigt und nach der der Drehrichtung des Läufers 3 entgegengesetzten Seite gerichtet ist. Das Kühlmittel tritt aus dem Kanal 32 aus, in dem es verwirbelt wird, tritt in den Stutzen 43 ohne wesentliche hydraulische Verluste ein und gelangt dann auf den Eingang einer (nicht gezeigten) Kältemaschine.
Ber den in Fig. 7, 8, 9 gezeigten Ausführungsformen der Elektromaschine erfolgt die Arbeit in Analogie zur Arbeit der in Fig. 1 bis 6 gezeigten Elektromaschine. Der Unter schied besteht nur darin, daß das aus den Kühlkanälen 19 (Fig. 7) für das Ende 5 der Hohlwelle des Läufers 3 austretende Kühlmittel den Flüssigmetallkontakt 46 zusätzlich abschirmt, während es selbst gegen die Verschleißprodukte der Gasdichtung 9 durch eine in der Sammelkammer 24 für das Kühlmittel liegende Scheibe 44 der Stromzuführungseinrichtung 27 positiver Polarität geschützt wird. Aus der Sammelkammer 24 für das Kühlmittel wird das Kühlmittel über den Stutzen 43 dem Eingang der Kältemaschine zugeführt.
Zur Sicherung einer störungsfreien Arbeit der Elektromaschine im Anlauf- und tibergangsbetrieb sowie zur Verbesserung ihrer Regelcharakteristiken wird der Bereich der Durchflußmenge für das Kühlmittel über die Stromzuführung 12 und die Kanäle 47 (Fig. 8, 9) in der Weise so gewählt, daß der ubergang der Komponente B der Stromzuführung 12 in den supraleitenden Zustand dort eintritt, wo der prozentuale Gehalt der beiden Komponenten A und B gleich ist. Im betreffenden Fall wird die Stromzuführung 12 bei deren Optimaiwerten arbeiten, d.h. die über die Stromzuführung 12 an die supraleitende Wicklung 10 geleitete Wärmemenge ist minimal und von starken Stromschwankungen unabhängig.
Zur Sicherung einer Wärmeisolierung zwischen der Ständerwicklung 2 (Fig. 7) und dem Läufer 3 wird der Raum zwischen ihnen evakuiert und durch die Gasdichtungen 9 der Hohlwelle des Läufers 3 und in der Zeichnung nicht gezeigte unablässig arbeitende Vakuumpumpen vakuumdicht gehalten. Die Vakuumisolation muß auch zwischen den Enden 4, 5 der Hohlwelle des Läufers 3 und den Kanälen 16, 17 vorliegen, von denen der erste zur Zuführung und der zweite zur Abführung des Kühlmittels aus dem Hohlraum des Läufers 3 vorgesehen ist.
Die vorgeschlagene konstruktive Ausführung der Elektromaschine mit einer Kryogenkühlung gestattet es, das gasförmige Helium aus dem Hohlraum des sich drehenden Läufers effektiver zu entfernen. Da aber mit der Entfernung des gasförmigen Heliums dessen Dampfdruck über der Flüssigkeitsphase innerhalb des Läufers abfällt, nehmen der Druck und die Temperatur des Kühlmittels selbst und folglich auch die Temperatur der supraleitenden Wicklung ab. Die Temperatursenkung der supraleitenden Wicklung führt zur Erhiihung ihrer Zuverlässigkeit, zur Zunahme der Stromdichte im Supraleiter und somit zur Steigerung des Wirkungsgrades der Elektromaschine insgesamt.
Mit der Steigerung der Drehzahl nimmt der Pumpeffekt für das Helium zu, was sich auf die Temperaturführung der supraleitenden Wicklung günstig auswirkt, während die vollständigere Ausnutzung der "Kälte" der Heliumdämpfe für die Abkühlung der Wellenenden, Stromzuführungen und der Stromzuführungseinrichtungen den für die Aufrechterhaltung des supraleitenden Zustandes in der Läuferwicklung erforderlichen Gesamtaufwand von Helium reduziert.
Die Anordnung der an die Stromzuführungseinrichtungen positiver und negativer Polarität angeschlossenen Stromzuführungen in den getrennten Kanälen vereinfacht deren Isolierung und erhöht die Zuverlässigkeit dadurch, daß die Welle eine größere Wärmekapazität gegenüber der Stromzuführung besitzt.
Die an die Stromzufühiungseinrichtungen positiver Polarität angeschlossenen Stromzuführungen nehmen daher die in der Elektromaschine im Anlauf- und übergangsbetrieb entstehenden Wärmestöße besser auf, während die Herstellung der Stromzuführung negativer Polarität aus einem porösen Werkstoff mit der normal- und supraleitenden Komponente A bzw. B es erlaubt, die Übergangszone der Stromzuführung für den supraleitenden Zustand zu erweitern. Dadurch können der über die Stromzuführung fließende Strom und die für deren Optimalbetrieb notwendige Menge des gasförmigen Heliums in einem weiten Bereich geregelt werden.
Die Wirksamkeit der Abkühlung der an die Stromzuführungseinrichtungen positiver und negativer Polarität angeschlossenen Stromzuführungen verbessert sich aufgrund dessen, daß wegen des Peltier-Effekts an der Lötstelle des Normalleiters mit dem Supraleiter in der an die Stromzuführungseinrichtung positiver Polarität angeschlossene Stromzuführung eine bestimmte Wärmemenge aufgenommen und in der an die Stromzuführungseinrichtung negativer Polarität angeschlossenen Stromzuführung genau die gleiche Wärmemenge erzeugt wird. Da aber die Stromzuführung "negativer Polarität" mit einer großen Kontaktfläche für Helium ausgeführt ist, so bereitet die Ableitung dieser Wärme keine ernsthaften Schwierigkeiten. Die gemeinsame Anordnung der Mittel zum Pumpen und der Stromzuführungseinrichtungen verbessert deren Arbeit. Das austretende gasförmige Helium kühlt intensiv die sich drehenden Flüssigmetallkontakte und schirmt sie gegen eine Oxydation ab.
Zur selben Zeit verhindern die Flüssigmetallkontakte eine Verunreinigung des austretenden gasförmigen Heliums durch die Verschleißprodukte der sich drehenden Gasdichtungen. Die oben genannten Vorteile erhöhen im Endeffekt die Zuverlässigkeit der Elektromaschine und steigern deren Wirkungsgrad im ganzen unter gleichzeitiger Absenkung der Betriebskosten. Leerseite

Claims

ELEKTROMASCHINE MIT KRYOGENKÜHLUNG Patentansprüche öl Elektromaschine mit einer Kryogenkühlung, deren mit einem Kühlmittel gefüllter Hohlläufer eine supraleitende Wicklung mit mindestens zwei gekühlten Stromzuführungen enthält, von denen die eine mit einer StromzufUhrungseinrichtung positiver Polarität verbunden und in mindestens einem Kühlkanal eines der Enden einer hohlen Läuferwelle angeordnet ist, deren Kühlkanäle für die beiden Enden über ein entsprechendes Mittel zum Pumpen des Kühlmittels aus dem Läufer mit einer entsprechenden Sammelkammer für das Kühlmittel verbunden sind, und von denen die andere mit einer Stromzuführungseinrichtung negativer Polarität verbunden ist, wobei die Hohlwelle selbst mit einem mit einer an einem Ende der Hohlwelle liegenden Baugruppe zur Einführung des Kühlmittels in den Läufer verbundenen Zufuhrkanal für das Kühlmittel der supraleitenden Wicklung ausgeführt und in Lagern angeordnet ist, deren Gehäuse je eine Dichtung aufweisen, d a d u r c h Sc g e k e n n z e i c h n e t , daß Hohiwelle des Läufers (3) mit einem am anderen Ende (4) dieser Hohlwelle liegenden und mit dem Hohlraum des Läufers (3) verbundenen zusätzlichen Kanal (16) ausgeführt ist, und ein zusätzliches Mittel (21) zum Pumpen des Kühlmittels aus dem Läufer vorgesehen ist, mit dessen Hilfe der zusätzliche Kanal (16) mit der entsprechenden Sammelkammer (23) für das Kühlmittel verbunden ist, wobei die an die Stromzuftihrungseinrichtung (15) negativer Polarität angeschlossene Stromzuführung (12) im zusätzlichen Kanal (16) und jede Stromzuführungseinrichtung (13, 15) in der entsprechenden Sammelkammer (23) für das Kühlmittel liegt.
2. Elektromaschine nach Anspruch 1, in der es zwei an die Stromzuführungseinrichtungen positiver Polarität angeschlossene Stromzuführungen gibt, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß diese Stromzuführungen (11, 26) in den Kühlkanälen (14, 19) für die beiden Enden (4, 5) der Hohlwelle des Läufers (3) angeordnet sind und eine (13) der Stromzuführungseinrichtungen positiver Polarität, an die die am gleichen Ende (4) der Hohlwelle des Läufers (3) mit der an die Stromzuführungseinrichtung (15) negativer Polarität angeschlossenen Stromzuführung (12) liegende Stromzuführung (11) angeschlossen ist, mit der Stromzuführungseinrichtung (15) negativer Polarität in der gleichen Sammelkammer (23) für das Kühlmittel liegt.
3. Elektromaschine nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß mindestens eines der Mittel zum Pumpen des Kühlmittels aus dem Läufer, mit dessen Hilfe der Kühlkanal (14, 19) für das Ende (4, 5) der Hohlwelle des Läufers (3) mit der Sammelkammer (23, 24) für das Kühlmittel verbunden ist, in Form eines Fliehkraftrades (28) ausgeführt ist, und das entsprechende Ende (4) der Hohlwelle des Läufers (3) in der entsprechenden Sammelkammer (23) für das Kühlmittel in unmittelbarer Nähe von der- oder denjenigen Stromzufuhrungseinrichtungen (13, 15) untergebracht ist, die in dieser Kammer (23) liegen.
4. Elektromaschine nach Anspruch 3, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß das Fliehkraftrad (28) in Form zweier Scheiben (29, 30) ausgeführt ist, zwischen denen ein Band (31) liegt, das spiralförmig derart befestigt ist, daß die Breite eines durch dieses Band (31) gebildeten Kanals (32) vom Umfang der Spirale zum Zentrum in einer mit der Drehrichtung des Läufers (3) zusammenfallenden Richtung zunimmt.
5. Elektromaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß jede Stromzuführungs einrichtung (13, 15) 5 ) in Form einer auf der Hohlwelle des Läufers (3) starr befestigten und in einem Hohlraum (36, 37) zwischen der Stirnwand der Sammelkammer (23) für das Kühlmittel und einer in dieser Kammer (23) ausgeführten Zwischenwand (38, 39) liegenden Scheibe (33, 34) ausgeführt ist, wobei der Hohlraum (36, 37) mit einer Flüssigmetallegierung zur Verwirklichung der Stromabnahme gefüllt und nach dem Kühlmittel mit dem durch die andere Stirnwand der Sammelkammer (23) für das Kühlmittel und die Zwischenwand (39, 38) gebildeten Hohlraum (37, 36) verbunden ist.
6. Elektromaschine nach Anspruch 5, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t , daß mindestens eine Sammelkammer (23, 24) für das Kühlmittel aus einem elektrischen Wärmeisolierstoff ausgeführt und durch eine dem entsprechenden Lager (6) zugekehrte Stirnwand mit dem Gehäuse dieses Lagers (6) zur Zentrierung einer Scheibe (33, 34, 44) der in der Kammer (23, 24) untergebrachten Stromzuführungseinrichtung (13, 15, 27) bezüglich dieser Kammer (23, 24) starr verbunden ist, wobei die am Ende (5) der Hohlwelle des Läufers (3) seitens der Baugruppe (18) zur Einführung des Kühlmittels in den Läufer liegende Sammelkammer (24) für das Kühlmittel zusätzlich durch eine der Baugruppe (18) zur Einführung zugekehrte Stirnwand mit dieser Baugruppe (18) zur Einführung starr verbunden ist.
7. Elektromaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die an die Stromzuführungseinrichtung (15) negativer Polarität angeschlossene Stromzuführung (12) porös und aus einem Material hergestellt ist, das sich aus zwei Komponenten A und B zusammensetzt, deren erste normalleitend und deren Seite supraleitend ist, die nach der Länge der StromziILührung (12) in der Weise verteilt sind, daß das Material, aus dem das mit der Stromzuführungseinrichtung (15) verbundene Ende dieser Stromzuführung (12) ausgeführt ist, 100% der Komponente A und das Material, aus dem das andere Ende der Stromzuführung (12) ausgeführt ist, 100% der Komponente 3 enthält, und der Gehalt einer jeden dieser Komponenten in Richtung des entsprechenden Endes der Stromzuführung (12), dessen Material die Höchstmenge dieser Komponente enthält, zum entgegengesetzten Ende der Stromzuführung (12) langsam abnimmt.