DE3212197C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Läufer für supraleitende elektrische Rotationsmaschinen mit einer aus supraleitendem Material bestehenden Erregerwicklung, mit mehreren im Hauptbereich des Läuferkörpers parallel zu seiner Achse sowie in Verbindung damit an den Endbereichen des Läuferkörpers in radialer Umfangsrichtung ausgebildeten Nuten zur Aufnahme der Erregerwicklungen, mit mindestens einer Haltehülse, welches zumindestens Teile des Läuferkörpers umschließt und die Wickelköpfe bewegungsfest fixiert.

Der elektrische Widerstand bestimmter supraleitender Metalle, wie Blei, Zinn und Vanadium, sowie bestimmter Legierungen, wie Niob-Zinn- und Niob-Titanlegierungen, wird verschwindend klein, wenn die Temperatur des Werkstoffs unter seine Sprungtemperatur abfällt, die in der Größenordnung von einigen Graden über dem absoluten Nullpunkt liegt. Befindet sich der Werkstoff in supraleitendem Zustand, so kann ohne Aufwand nennenswerter Mengen an elektrischer Energie ein großes Magnetfeld erzeugt werden. Bei elektrischen Rotationsmaschinen mit supraleitenden Erregerwicklungen ist eine sichere und zuverlässige Montage bzw. Halterung der supraleitenden Erregerwicklungen an dem diese tragenden Läuferkörper von größter Bedeutung, da eine durch Schwingungen beim Betrieb des Läuferkörpers erzeugte Reibungswärme zu einer Störung der Supraleitfähigkeit der Erregerwicklung führen kann. Um das Eindringen von Wärme von außen her zu verhindern, muß die Erregerwicklung in geeigneter Weise zur Außenseite hin abgeschirmt sein, und zwar vor allem im Bereich der Wickelköpfe, an denen die Erregerwicklung in Umfangsrichtung des Läuferkörpers verläuft ergeben sich von daher einerseits Probleme hinsichtlich eines sicheren Sitzes der Erregerwicklung, andererseits sind die für einen zuverlässigen Einbau bzw. Sitz der Erregerwicklung im Bereich der Wickelköpfe notwendigen Einbaumaßnahmen aufwendig und umständlich.

Ein Läufer gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist bereits in der GB 15 05 964 beschrieben. Hierbei sind in der Mantelfläche des Läuferkörpers mehrere längs zum Läuferkörper sowie an den Endbereichen des Läuferkörpers in Umfangsrichtung des Läuferkörpers verlaufende Nuten vorgesehen. Die Erregerwicklung bzw. die Wickelkopfverbindungen sind jeweils einzeln in die entsprechenden Axialnuten bzw. in die an den Wickelköpfen entlang der Umfangsrichtung des Läuferkörpers verlaufenden Nuten eingelegt, wobei die Erregerwicklung in den jeweiligen Nuten durch Aufschrumpfen einer Haltehülse über den gesamten Läuferkörpers gehalten wird. Neben der relativ aufwendigen Herstellung der in Umfangsrichtung zum Läuferkörper verlaufenden Nuten erweist sich dieser bekannte Läufer insofern als nachteilig, als ein fester Sitz der an den Endbereichen des Läuferkörpers eingelegten Wickelkopfverwindungen, an denen erfahrungsgemäß die Gefahr eines Schlupfes am größten ist, nicht ausreichend gewährleistet ist.

Es ist demnach Aufgabe der Erfindung, einen Läufer für supraleitende Rotationsmaschinen zu schaffen, bei dem die supraleitenden Erregerwicklung jeweils an den Endbereichen des Läuferkörpers einfach, sicher und zuverlässig montiert werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die in Umfangsrichtung des Läuferkörpers verlaufenden Nuten mindestens zwei Wickelkopfverbindungen aufnehmen, die mittels elektrisch isolierender Füllstücke voneinander getrennt sind, und die Unter- und Oberseiten der in den Nuten angeordneten Wickelkopfverbindungen von isolierenden Schichten umgeben sind. Weitere Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Läufers ergeben sich aus den Ansprüchen 2-6.

Die Erfindung gewährleistet einerseits eine wesentlich einfachere Bearbeitung des Läuferkörpers speziell an dessen Endbereichen, da die Möglichkeit besteht, sämtliche Wickelkopfverbindungen in eine ausgedehnte Nut einzulegen, wodurch die aufwendig einzufräsenden Einzelnuten überflüssig werden. Andererseits lassen sich die Wickelkopfverbindungen zusammen mit den Füllstücken komplett in die jeweilige Nut einsetzen bzw. einpassen, wobei das Füllmaterial einen seitlich an die Wickelkopfverbindungen angreifenden Druck durch den eingepaßten Sitz gewährleistet, welcher den Halt der Wickelkopfverbindungen während des Betriebs des Läufers in hohem Maße verbessert. Zudem kann beim erfindungsgemäßen Läufer die Montage in wesentlich kürzerer Zeit vollzogen werden als bisher.

Vorzugsweise sind die beiden Haltehülsen jeweils auf die die Erregerwicklung tragenden Läuferkörper nur mit dem einen Ende aufgesetzt, das vom Mittelteil des Läuferkörpers ab­ gewandt ist, wodurch das Problem einer Reibungs- Schleifwirkung zwischen den Oberflächen der Haltehülsen und des Läuferkörpers sowie eine unnötige Vergrößerung der Läuferabmessungen vermieden werden. Vorzugs­ weise sind auch Ringe zur Verhinderung eines Schlupfes der Haltehülsen gegenüber dem Läuferkörper zwischen die zusammengepaßten, d. h. miteinander verbundenen Bereiche der Innenflächen der Haltehülsen und der Außen- oder Mantelfläche des Läuferkörpers eingesetzt.

Im folgenden sind Ausführungsformen der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine Längsschnittansicht eines Läufers mit Merkmalen nach der Erfindung für eine supra­ leitende elektrische Rotationsmaschine,

Fig. 2 einen in vergrößertem Maßstab gehaltenen Schnitt längs der Linie II-II in Fig. 1 durch die die Erregerwicklung tragenden Läuferkörper als Teil des Läufers gemäß Fig. 1,

Fig. 3 einen in vergrößertem Maßstab gehaltenen Querschnitt durch einen Endabschnitt des Läuferkörpers,

Fig. 4 eine teilweise weggebrochene perspektivische Darstellung eines Endbereichs des Läuferkörpers nach Fig. 1,

Fig. 5 eine Fig. 3 ähnelnde Darstellung, die jedoch eine Abwandlung der Ausbildung des Endbereichs des Läuferkörpers zeigt, und

Fig. 6 eine Fig. 3 ähnelnde Darstellung, die eine weitere Abwandlung der Ausbildung des Endbereichs des Läuferkörpers veranschaulicht.

In den Figuren sind einander entsprechende Teile mit jeweils gleichen Bezugsziffern bezeichnet.

Fig. 1 veranschaulicht allgemein einen Läufer für einen Wechselstromgenerator mit supraleitender Erregerwicklung. Das Außengehäuse des Läufers wird durch ein, auf Umgebungs­ temperatur befindliches Dämpfungselement 4, einen scheibenförmigen Teil 8 A eines antriebsseitigen Wellenstummels 8 und einen nach außen herumgezogenen ringförmigen Flanschteil 9 A eines antriebsfreien Wellenstummels 9 mit einer Zentralbohrung 9 B gebildet, wobei die beiden Wellenstummel 8 und 9 in Lagern 10 drehbar gelagert sind. Ein die Erregerwicklung tragender Läuferkörper 2 in Form eines dicken Hohl­ zylinders ist koaxial zum Dämpfungselement 4 in diesem angeordnet. Die beiden Enden des Läuferkörpers 2 sind an zwei Torsionsrohren 1 in Form von dünnen Hohl­ zylindern befestigt, die ihrerseits am Scheibenteil 8 A bzw. am Flanschteil 9 A der beiden Wellenstummel 8 bzw. 9 befestigt sind. Eine aus supraleitendem Werk­ stoff hergestellte Erregerwicklung 3 ist an der äußeren Mantelfläche des Läuferkörpers 2 montiert. Jede Feldspule der Erregerwicklung besitzt im wesentlichen die Form einer Rechteck­ schleife mit zwei geraden, in Axialrichtung des Läuferkörpers 2 verlaufenden Abschnitten sowie zwei bogenförmig gekrümmten in Umfangs­ richtung zum Läuferkörper verlaufenden Abschnitten; die Querschnitte der gekrümmten Abschnitte der Erregerwicklung 3 sind in Fig. 1 schematisch dargestellt. Auf den antriebs­ freien Wellenstummel 9 sind zwei Schleifringe 11 für die Abnahme des der Erregerwicklung 3 zugeführten Feldstroms aufgesetzt.

Ein zentraler Behälter 15 für flüssiges Helium wird durch die Innenfläche des Läuferkörpers 2 sowie zwei Stirn­ platten oder -scheiben 7 gebildet. Helium in flüs­ siger Phase wird dem Behälter 15 über eine schema­ tisch eingezeichnete Helium-Speiseleitung P 1 zuge­ führt, welche die Zentralbohrung 9 B des antriebs­ freien Wellenstummels 9 durchsetzt. Ein Umfangs- Behälter 15 A für flüssiges Helium wird durch die Außenfläche des Läuferkörpers 2 und eine zylindrische Außenwand 6 festgelegt, wobei die Heliumzufuhr zu diesem Behälter über nicht dargestellte Zulässe er­ folgt, welche den Läuferkörper 2 radial durchsetzen. Die Erregerwicklung 3 wird somit durch das in den beiden Behältern 15 und 15 A befindliche flüssige Helium gekühlt. Ein auf Tieftemperatur befindliches Dämpfungs­ element 5 in Form eines Hohlzylinders ist zwischen der Außenwand 6 des Umfangs-Heliumbehälters 15 A und dem Dämpfungselement 4 ange­ ordnet und an den Außenflächen der Torsionsrohre 1 befestigt. Die zylindrischen Räume zwischen dem Dämpfungselement 4 und dem Dämpfungselement 5 sowie zwischen letzterem und der Außenwand des Umfangs-Behälters 15 A werden auf einem hohen Vakuum gehalten, so daß ein Wärmeein­ tritt von der Außenseite in den Tieftemperaturbereich an den Behältern 15 und 15 A verhindert wird. In den von den Torsionsrohren 1 festgelegten Räumen 14 A herrscht ebenfalls ein Vakuum. An den Innenflächen der Torsionsrohre 1 sind ringscheibenförmige Strah­ lungsabschirmungen 13 zur Verhinderung eines Ein­ dringens von Strahlungswärme in den Tieftemperatur­ bereich angebracht. Jedes Torsionsrohr 1 ist an seiner Außenseite mit einem vorspringenden Abschnitt 1 A versehen, in welchem ein Wärmetauscher in Form einer eingestochenen wendel- oder schraubenförmigen Nut 12 B und einer hohlzylindrischen, die Nut 12 B verschließenden Abdeckung 12 A ausgebildet ist. Das Helium aus dem zentralen Behälter 15 wird über eine schematisch eingezeichnete Leitung P 2 am einen Ende in jede Nut 12 B eingespeist und an ihrem anderen Ende über eine schematisch dargestellte Leitung P 3 abgezogen, die das Helium über die Zentralbohrung 9 B des antriebsfreien Wellenstummels 9 nach außen ab­ führt. Die dünnwandigen Torsionsrohre 1 werden somit durch den Wärmetauscher 12 gekühlt, wobei der Ein­ tritt von Ableitwärme über die Torsionsrohre 1 in den Tieftemperaturbereich auf ein Mindestmaß verrin­ gert wird.

Fig. 2 zeigt den Läuferkörper 2 im Schnitt längs der Linie II-II in Fig. 1. Die in Axialrichtung des Läuferkörpers 2 verlaufenden Abschnitte der Erregerwicklung 3 sind in komplementäre, in der Mantelfläche des Läuferkörpers 2 aus­ gebildete Nuten 17 unter Zwischenfügung von elek­ trisch isolierenden Schichten 18 eingesetzt. Die Außenflächen der Erregerwicklung 3 sind durch elektrisch isolierende Abdeckungen 20 abgedeckt, während mehrere Keile 19 in Ausnehmungen (Hinterschnitte) in den Flanken der Nuten 17 über ihren die Erregerwicklung 3 aufnehmenden Abschnitten eingesetzt sind. Die axial verlaufenden Abschnitte der Erregerwicklung 3 sind somit sicher in die Nuten 17 eingesetzt und durch die Keile 19 in ihrer vorgesehenen Einbaulage festgelegt. Da die supraleitende Erregerwicklung 3 längs der Linie C-C in Fig. 2 gewickelt sind, wird ein starkes Magnet­ feld erzeugt, dessen Polachse der Linie C-C entspricht.

Die Fig. 3 und 4 sind ein Querschnitt durch einen End­ abschnitt des die Erregerwicklung tragenden Läuferkörpers 2 bzw. eine perspektivische Darstellung dieses Abschnitts. Die in Umfangsrichtung des Läuferkörpers 2 verlaufenden Wickelkopfverwindungen der Erregerwicklung 3 liegen in zwei umlaufenden Nuten 17 A, die an den Endabschnitten des Läuferkörpers 2 um dessen Umfang verlaufend ausgebildet sind. Zwischen die Bodenflächen der Nuten 17 A und die Wickelkopf­ verwindungen der Erregerwicklung 3 sind elektrisch isolieren­ de Schichten 21 eingesetzt, und die von den Wickelkopfverwindungen der Erregerwicklung 3 in den Nuten 17 A freigelassenen Zwischenräume sind mit fest eingepaßten, elektrisch isolierenden Füllstücken 23 ausgefüllt. Die Außenflächen der Wickelkopf­ verwindungen 3 und der Füllstücke 23 sind durch elektrisch isolierende Abdeckungen 22 abgedeckt. Je eine hohl­ zylindrische, die Wickelköpfe festlegende Haltehülse 16 ist auf jedes Ende des Läuferkörpers 2 über den Nuten 17 A aufgeschrumpft. Diese Endabschnitte der Erregerwicklung 3 werden also durch die Füllstücke 23 und die Haltehülsen 16 ebenfalls sicher und zuverlässig in ihrer richtigen Einbaulage gehalten.

Bei der in Fig. 5 dargestellten Abwandlung der Hal­ terungskonstruktion sind zwei die Wickelköpfe festlegende Haltehülsen 16 jeweils nur mit einem Ende, d. h. dem näher zum Mittelbereich des Läuferkörpers 2 hin gelegenen Ende, auf den Läuferkörper 2 aufgeschrumpft. Ein kreisrunder Sicherungsring 24 zur Verhinderung eines Schlupfes zwischen der betreffenden Haltehülse 16 und dem Läuferkörper 2 ist in komplementäre Nuten in der Außenfläche des Läuferkörpers 2 und in der Innenfläche der Haltehülse 16 einge­ setzt. Das andere, dem Torsionsrohr 1 benachbarte Ende jeder Haltehülse 16 ist nicht aufgeschrumpft, denn wenn beide Enden Haltehülsen 16 auf den Läuferkörper 2 auf­ geschrumpft sind, sind die beiderseitigen aufge­ schrumpften Endflächen jeder Haltehülse 16 einer Reibung aufgrund von Schwingungen des Läuferkörpers 2 unter­ worfen, so daß die durch die Reibung erzeugte Wärme eine Scheuerwirkung an den Schrumpfflächen hervorruft.

Bei der Halterungskonstruktion für die Endabschnitte der Erregerwicklung 3 gemäß Fig. 5 ist eine elektrische Isolierung zwischen den Wickelkopfverwindungen der Erregerwicklung 3 und den Sicherungsringen 24 nötig, die den gesamten Umfang des Läuferkörpers 2 umfassend eingesetzt sind. Wenn somit die Sicherungsringe 24 zur Verhinderung eines Schlupfes der Haltehülsen 16 an deren näher zur Mitte des Läuferkörpers 2 hin gelegenen Enden angeordnet sind, kann der Innendurchmesser dieser Sicherungsringe 24 nicht kleiner sein als der Abstand der Außenfläche der isolierenden Abdeckungen 20, die auf den axial ver­ laufenden Teilen der Erregerwicklung 3 unterhalb der Sicherungsringe 24 angeordnet sind, von der Mittelachse des Läuferkörpers 2. Die Lage der Sicherungsringe 24 bestimmt somit die Dicke der elektrisch isolierenden Abdeckungen 22 und 20, die - mit Ausnahme ihrer unter den Sicherungsringen 24 befindlichen Abschnitte - dicker sein müssen als für die elektrische Isolierung nötig ist. Die von der Erregerwicklung 3 eingenommenen Räumen werden daher im Ver­ gleich zu den Läuferabmessungen kleiner, was zu größeren (Gesamt-)Abmessungen der betreffenden supra­ leitenden elektrischen Rotationsmaschine führt.

Fig. 6 veranschaulicht einen Endabschnitt einer anderen Ausführungsform gemäß der Erfindung. Dabei sind die beiden Haltehülsen 16 jeweils nur mit ihrem dem jeweiligen Torsionsrohr 1 benachbarten Ende auf den Läuferkörper 2 aufgeschrumpft, wobei ein kreisrunder Sicherungs­ ring 24 zur Verhinderung eines Schlupfes zwischen Halte­ hülse 16 und Läuferkörper 2 in komplementäre Ringnuten ein­ gesetzt ist, die in der Außenfläche des Läuferkörpers 2 und in der Innenfläche der jeweiligen Haltehülsen 16 ausgebildet sind. Die anderen Teile des Läufers gemäß Fig. 6 sind ähnlich ausgebildet wie beim Läufer nach Fig. 5, der seinerseits, abgesehen von den beschriebenen Unter­ schieden, dem Läufer nach den Fig. 1 bis 4 gleicht. Bei der Anordnung nach Fig. 6 sind die Sicherungsringe 24 auswärts der Mantelflächenabschnitte des Läuferkörpers 2, in welche die Erregerwicklung 3 eingelassen ist, angeordnet, so daß die elektrisch isolierenden Abdeckungen 20 und 22 eine geringere, für elektrische Isolierzwecke aus­ reichende Dicke besitzen können.

Claims (6)

1. Läufer für supraleitende elektrische Rotationsmaschinen, mit einer aus supraleitendem Material bestehenden Erregerwicklung, mit mehreren im Hauptbereich des Läuferkörpers parallel zu seiner Achse sowie in Verbindung damit an den Endbereichen des Läuferkörpers in radialer Umfangsrichtung ausgebildeten Nuten zur Aufnahme der Erregerwicklung, mit mindestens einer Haltehülse, welche zumindest Teile des Läuferkörpers umschließt und die Wickelköpfe bewegungsfest fixiert, dadurch gekennzeichnet, daß die in Umfangsrichtung des Läuferkörpers (2) verlaufenden Nuten (17 A) mindestens zwei Wickelkopfverbindungen (3) aufnehmen, die mittels elektrisch isolierender Füllstücke (23) voneinander getrennt sind, und die Unter- und Oberseiten der in den Nuten (17 A) angeordneten Wickelkopfverbindungen (3) von isolierenden Schichten (21, 22) umgeben sind.

2. Läufer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Haltehülsen (16) auf die Außen- oder Mantelfläche des Läuferkörpers (2) aufgeschrumpft sind.

3. Läufer nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß jede Haltehülse (16) nur mit ihrem einen Ende auf die Außenfläche des Läuferkörpers (2) aufgesetzt bzw. aufgeschrumpft ist.

4. Läufer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß je ein kreisrunder Sicherungsring (24) zwischen den Endabschnitt jeder Haltehülse (16) und die Außenfläche des Läuferkörpers (2) eingesetzt ist, um einen Schlupf der Halte­ hülsen (16) gegenüber dem Läuferkörper zu verhindern.

5. Läufer nach den Ansprüchen 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß das aufgeschrumpfte bzw. aufgesetzte Ende jeder Haltehülse (16) an der vom Mittelbereich des Läuferkörpers (2) abgewandten Seite liegt.

6. Läufer nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß das aufgeschrumpfte bzw. aufgesetzte Ende jeder Haltehülse (16) an der dem Mittelbereich des Läuferkörpers (2) zugewandten Seite liegt.