DE3249077T1 - Elektrische synchronmaschine zur supraleiter-induktion - Google Patents
Elektrische synchronmaschine zur supraleiter-induktionInfo
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Description
"Elektrische Synchronmaschine zur Supraleiter-Induktion"
Die Erfindung betrifft eine elektrische Synchronmaschine (Wechselstromgenerator oder Motor) des Types, der einen
festen supraleitenden Induktor aufweist, der dazu bestimmt
ist, von einem Gleichstrom durchlaufen zu werden, um ein kontinuierliches magnetisches Feld in axialer
Symmetrie, um die Rotationsachse des Rotors und der feststehenden Wicklungen mit normaler Konduktivität zu erzeugen,
letztere dazu bestimmt, während des Betriebes von mehrphasigen Wechselströmen durchlaufen zu werden, sowie
einen Rotor der ferromagnetische Massen trägt, die in dem Feld des Induktors umlaufen, um alternative elektromotorische
Kräfte in den festen Wicklungen mit normaler Konduktivität zu erzeugen.
Man kennt schon derartige drehende Maschinen, die bei drehenden Masshinen zur Supraleitung bei rotierendem
Induktor den Vorteil aufweisen, daß sie die Notwendigkeit sich drehender Verbindungen im Umlauf des kryogenetischen
Kühlfluids des Induktors beseitigen. Keiner dieser bekannten Maschinen ist geeignet, Maschinen erhöhter Leistungen
zu schaffen. In einem Artikel von J. Huret und im "Bulletin de la Societe Franeaise des Electriciens", Vol. 5,
Oktober 64, Nr. 58, pp. 654 und 655, ist ein Wechselstromgenerator
beschrieben, welcher eine übertragung auf das kryogenetische Feld von Wechselstromgeneratoren mit einer
klassischen Kupplung aus dem Gebiet des Automobilbaues darstellt: Es handelt sieh um eine Maschine, deren Rotor
einen Kern trägt, der als Doppelkreuz ausgebildet ist, wobei die zwei Kreuze den Stator einrahmen. Der Dynamo, weleher
im "PHILIPS Research Reports", Vol. 23, Nr. 3, Juni 1968,.pp..249 - 2β9, beschrieben ist, ist ein homopolarer
Typ, der keinen Anker mit normaler Konduktivität trägt.
Die Druckschrift FR-A-2 280 998 beschreibt eine sieh drehende
elektrische Maschine, deren Induktor und Anker, der eine sowie der andere, aus einem supraleitenden Material besteht.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine elektrische Synchronmaschine zur Supraleitung zu schaffen, welche besser
als die älteren bekannten den Forderungen der Praxis entspricht und es insbesondere erlaubt, die Industrie»
leistungen leichter zu erreichen.
Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung insbesondere eine Maschine vor, bei der der Rotor im Inneren der Wicklungen
im radialen Sinne angeordnet ist und eine Mehrzahl von regelmäßig verteilten Scheiben im axialen Sinne aufweist,
von denen jede mehrere Kontakte in einem ferromagnetischen Material trägt, die eine regelmäßige Winkelverteilung
aufweisen, wobei die Kontakte aller Scheiben in einer Reihe ausgeriehtet sind.
Dank der Verwendung eines supraleitenden Induktors kann
man ein sehr erhöhtes polarisiertes Feld vorsehen, welches auf Dauer das ferromagnetische Material saturiert,
was es erlaubt, einen schwächeren Wert der Induktion für den Anker zu erreichen, wie groß auch immer der
Wert der:Induktionsströme sein mag. Jeglicher Gleitkontakt
ist entbehrlich. Der Rotor kann aus einem massiven Stück gefertigt sein, was ihn für Zentrifugalkräfte
besser geeignet macht.
Im allgemeinen wird der Induktor von einer Wicklung gebildet sein, die der Art nach ähnlich ist, wie diejenige
eines Solenoiden, die ein magnetisches Feld erzeugt, welches axialsymmetrisch zur Rotationsachse des Rotors ist.
Dieser letztere wird sehr genau im Induktor zentriert sein, da jedes Spiel elektrisch magnetische Kräfte erzeugt, die
die Neigung haben, sich während des Betriebes noch zu vermehren .
Ein Gitter aus einem elektrischleitenden Material wird
im allgemeinen zwischen den Wicklungen und dem Induktor vorgesehen sein, um den letzteren gegen die Änderungen
der Induktion während des Laufes beim Betrieb der Maschine zu beschützen.
Der Rotor kann von einer Reihe von Scheiben gebildet sein,
die mit ferromagnetischen Kontakten ausgerüstet sind, welche regelmäßig verteilt sind und von einer gemeinsamen WeI-
I !s£R??Pi W$&$n ?n $&£t $5rn.:. ?^η^§?β:. fi zw.e-n Ausgangn der-,:,,: ■■;
meptiapJLpchentLei8tung bildet,-je:nach--<5lema.jpb;-die-.-Vpr--
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bezeichnet ,werden·,-,:,umceine, iibliche,c. τ
iun^g.jZu.^Jblein, ,,können, abep-ayf tiie.sten.isplier'-
· mit ,den,-Scheiben t des Rotors
l||e,^t,eire ,jvierkina^e,. Einzelheit en und ,Vorteile der Erfindung,
erg.eib.en,..sich ,aufgrund der nachfolgenden Beschreibung
von Beispielen sowie anhand der Zeichnung. D^e1Sg,„?eigt .in
Fig, 1 eine schematische Prinzipdarstellung der Drehvorrichtung
in einem V^rtikalschnitt,
Fig. 2 eine Aufsicht von/Links auf die Vorrichtung mit
entferntem Motor,
Fig. 3
und 4 Prinzipdarstellungen bzw. Ansichten von rechts
unten im Schnitt der Scheiben der Induktionswicklungen,
Fig. 5 eine Prinzipdarstellung einer niglicnen Rotorgestaltung
mit den Scheiben^ die er trägt, im Schnitt,
Pig. 6 eine Aufsicht von links auf den Rotor gemäß Fig. 5,
Fig. 7 ähnlich derjenigen von Fig. 3S eine Scheibe mit
Induktionswicklungen nach einem abgewandelten Ausführungsbeispiel,
Fig. 8 eine perspektivische Darstellung der Scheibe gemäß Fig. 7 und in
Fig. 9 ähnlich Fig. 6, eine Rotorscheibe, die mit einer feststehenden Scheibe nach Fig. 7 einsetzbar ist.
Die in den Fig. 1 und 2 dargestellte (Dreh-)Vorrichtung,
die in gleicher Weise als Wechselstromgenerator ebenso wie als Motor einsetzbar ist, umfaßt einen supraleitenden
Induktor 10, der bestimmt ist, um von einem Gleichstrom beständiger Leistung durchflossen zu werden, aus
festen mehrphasigen Konduktorwicklungen 12, den Sitzen
der wechselnden elektrischen Kräfte, während des Umlaufes beim Betrieb und die man "Anker" nennt und einem Rotor 11,
ausgerüstet mit ferromagnetisehen Kontakten, die unter
dem vom Induktor produzierten Feld eine Magnetisierung annehmen.
Nachfolgend sind nun die verschiedenen Komponente und Organe,
die diesen direkt zugeordnet sind, beschrieben.
Der supraleitende Induktor 10, der in den Figuren 1 und 2 dargestellt ist, besteht aus einer zylindrischen Wicklung,
die eine Achse 13 aufweist, die mit der Rotationsachse des Rotors 11 zusammenfällt. Diese Wicklung kann
aus einem supraleitenden herkömmlichen Material bestehen, z.B. aus einem Niobium-Titan, aufgewickelt auf einem isolierten
Kern entsprechend einer der unterschiedlichsten bekannten Technologien. Diese Wicklung ist in einem
Kryostaten mit flüssigem Helium 14 untergebracht, in gleieher
Weise in herkömmlicher Bauweise ausgestattet mit einem Zufuhrstutzen 15 für flüssiges Helium. Dieser Kryostat
14, der wiederum in gleicher Weise nach bekannten Techniken realisiert ist, welche z. B. aufbauen auf den elektromagnetischen
Supraleitern zur Leitung von Partikelbündeln, weist einen zylindrischen inneren Schirm 16 auf, der eine öffnung
der Achse 13 umgrenzt, die einen nicht abgekühlten Raum bildet.
Um die Supraleiterwicklung 10 und die gekühlten metallischen
Teile des Kryostaten vor den variierenden magnetisehen
Feldern zu schützen, die beim Umlauf der Maschine erzeugt werden, ist der innere Schirm 16 mit einem festen
metallischen Gitter 17 aus einem gut elektrisch leitenden Material ausgestattet. Die Dicke des Gitters 17 muß
ausreichend genug sein, damit die Foucault-Ströme, die auftreten, die Wechselfelder kompensieren, die vom Anker
32490??
und durch die Rotation des Rotors 11 hervorgerufen werden. Im allgemeinen reicht es aus, dem Gitter 17 eine
Dicke von doppelter Stärke des Skineffektes für die ins Auge gefaßten Frequenzen zu geben. Für einen Wechselstromgenerator,
betrieben mit 50 Hz, reicht im allgemeinen ein Kupfergitter aus mit ungefähr 1 cm Dicke.
Das Gitter muß, um den beachtlichen Kräften unterworfen werden zu können, fest am Gehäuse der Maschine
befestigt sein.
Man kann um den Induktor herum noch ein zusätzliches Gitter vorsehen, welches dazu bestimmt ist, die Umgebung
von magnetischen Feldern freizuhalten, welches dieser hervorruft, aber in der Praxis ist dieses Feld
weniger störend, da kontinuierlich, und man kann auf ein solches äußeres Gitter verzichten, welches sehr
schwer sein müßte, um effizient zu sein, und eine sehr genaue Zentrierung erforderte.
Der Rotor 11 kann massiv ausgebildet sein oder im Gegenteil dazu in Form einer Welle 18, auf welcher eine oder
mehrere Scheiben 19 befestigt sind; drei an der Zahl beim Ausführungsbeispiel, wie es in den Figuren 1 und 5 dargestellt
ist.
Diese Scheiben 19 sind identisch und in gleichmäßigen Intervallen verteilt. Kontakte oder Sektoren 20 sind auf den
Scheiben 19 in regelmäßigen Aständen gebildet oder ange-
bracht. Diese Kontakte, ein Dutzend im Falle des Ausführungsbeispieles
gezeigt in Pig. 6, müssen aus einem ferromagnetisehen Material bestehen, ebenso wie im allgemeinen
die Scheiben 19. Dieses Material muß mit einer Sättigungsmagnetisierung in der höchstmöglichen Art und
Weise ausgewählt werden; in der Praxis wählt man im allgemeinen Weicheisen oder eine Eisen~/Kobalt-Legierung. Das
vom Induktor 10 erzeugte Feld kann so sein, daß das Material immer seine Sättigungsmagnetisierung aufweist
(2,1 Teslas im Falle von Weicheisen). Auf diese Art und Weise ist die Magnetisierung wenigstens in der ersten
Ordnung durch das Reaktionsfeld des Ankers nicht gestört, und dieser letztere hat keinerlei ungünstige Auswirkungen
auf die elektromotorische Kraft.
Die Induktionswicklungen 12 sind dachziegelartig zwischen
den Scheiben 19 des Rotors angeordnet. Die Wicklungen im engeren Sinne können auf isolierten Tragplatten 21 realisiert
sein, die z. B. aus glasfieberverstärktem Harz bestehen.
Diese Tragplatten in Form von Scheiben sind am Maschinengehäuse befestigt, z. B. durch Bildung einer
Aufschichtung dieser Scheiben und von Stehbolzen 22 (Fig. 1), die man zwischen Endflanschen (nicht dargestellt)
einspannt. Diese Is&ationsscheiben sind an jeder Seite mit
Radialnuten versehen, in welchen die Leiter 23 (Fig· 3) angeordnet sind, um multipolare polyphasige Wicklungen
zu bilden. Diese Leiter der Wicklungen des Ankers sind
-u-
entsprechend den Anordnungsregeln der Formation von Wicklungen bei Synchronmaschinen entsprechend in einer
ebenen Geometrie angeordnet und miteinander verbunden und mit Leistungsklemmen der Maschine (nicht dargestellt)
verbunden.
Diese Kontakte 20 (Fig. 6) und die Induktionswicklungen
haben Formen, die die einen wie die anderen geeignet dazu machen, elektromotorische Kräfte nach dem Gesetz
der Variation in der Zeit entsprechend den Bedürfnissen zu erzeugen. Wenn z. B. die Maschine an das Netz
gekoppelt werden muß, müssen diese elektromotorischen
Kräfte ungefähr sinusförmig sein. Dieses Resultat kann man insbesondere durch das Plattieren dieser Leiter der
Induktionswicklungen auf den Nuten erreichen, wenn man diesen eine annähatmgsweise trapezoide Form gibt, während
die Kontakte .20 eine abgerundete Form aufweisen, derart, daß die von einem Kontakt umschlossene Oberfläche der
Wicklung ungefähr sinusförmig ist. Aber man kann auch zahlreiche andere unterschiedliche Formen benutzen, die
dargestellten und beschriebenen stellen nur Beispiele dar.
Die Störung bzw. Sperrung, die im axialen Sinne auf die Scheiben des Rotors 11 und die Induktionswicklungen
aufgegeben wird, ist das Ergebnis eines Kompromisses:
Wenn man,die Dicke der festen Scheiben verkleinert, vergrößert
man die elektromotorische Kraft, aber im Gegensatz dazu, vermindert man die Induktionsströme, und daher
die Leistung der Maschine. In der Praxis sind die
i : axialen Abmessungen der Scheiben des Rotors 11 und die
Intervalle der Kontakte, die sie bilden, in der selben Größenordnung. Für jede Tragplatte 21 ausgerüstet mit
diesen Wicklungen kann man eine Störung aufbringen in ungefähr einem Viertel der Axialstörungen der Scheiben
und der Wicklungen des Rotors 11.
. Um die Wärme zu beseitigen, die in den Induktionswicklungen
12 durch den Joule-Effekt entwickelt wird, wird man häufig veranlaßt, in diesen Wicklungen einen Kühlkreislauf
vorzusehen, der deswegen nicht dargestellt ist, weil es sich um einen herkömmlichen Typ handelt.
Welche Art der Realisation auch herangezogen wird, sie
erlaubt es, alle die Vorteile der Maschinen mit Supraleiter-Induktion
zu bewahren, d. h. insbesondere eine sehr viel stärkere synchrone Induktion als jene der
großen Maschien herkömmlicher Bauart, was insbesondere die reaktive Absorptionsleistung verkleinert und die
maximalen Leistungen erhöht, derart, daß man sich nicht mehr an einer der heÄBmmlichen Beschränkungen des Maximumstromes
des Ankers stört (verkleinerte Stabilität aufgrund der Vergrößerung des internen Winkels bei Dauerbe-
trieb). Unter diesen Synchronmaschinen weist die Maschine nach der Erfindung die höchsten Vorteile
auf. Gegenüber den tradionellen Synchronmaschinen, bei dsnen die Wicklungen aus einem Material normaler
Leitfähigkeit bestehen, weist die Erfindung den Vorteil auf, eine Maschine zu liefern, deren Kontakte
ferromagnetisch sind, mit einer vollständig gesättigten Magnetisierung, derart, daß deren differenzierte
Permeabilität in der Nähe der Permeabilität des Vakuums liegt.
In der Ausführungsvariante gemäß den Fig. 7, 8 und 9
sind die Scheiben 11 mit Kontakten 20 in trapezoider Querschnittsform ausgerüstet. Die Induktionswicklungen
12 werden von Leitern gebildet, vorzugsweise halbflach, eingebettet in Nuten 24 in Form von Kreisevolventen,
die in die Außenoberfläche der festen iaäLierten Scheiben eingebracht sind. Die gegenüberliegenden Flächen
der selben festen Scheiben sind mit Nuten 24 ausgerüstet,
die im umgekehrten Sinne orientiert sind. Dies ermöglicht es, durch Verbindung von halbflachen Leitern an der
äußeren Peripherie oder am Inneren der Scheibe für jede der Phasen eine wellenförmige Wicklung.
Die Abkühlung eines solchen Ankers kann z. B. sichergestellt
werden durch die verstärkte longidutinal Zirkulation eines Kühlgases durch Löcher (nicht dargestellt),
vorgesehen in den Scheiben an den Nuten 24. Diese Löcher
.Y'
c"riäberi-einen Durchmesser, der größer ist als die Breite
iJ:-äerr Nuten1, was' die Abkühlung der; Ceiter durch seitlichen
heiCoritakt des Gases mit den Hälbflachen' ermöglicht.
"·'-' öiiie; Erfindung ist für zahlreiche andere; Varianten der
^Realisation1 geeignet, was ebenso die Bildung von Kontakten
und Induktionswicklungen wie die technologischen * ^Realisationen von Komponenten betrifft.
^''Die"Indüktioriswicklungen können in bezug auf den supraf
leitenden Induktor in unterschiedlicher Art und Weise d angeordnet' sein, gegenüber derjenigen^ die dargestellt
hnis't!i Das Gitter 17 aus einem Leitermaterial (Kupferoder
Aluminiumlegierung) kann eine variable Dicke auf-7).■
^-ifte'iseh, um eine Maximum-Verminderung da zu erreichen,
' 'wor sie not wendig ist, z. B. kann sie an den Randbereichen
dicker sein. Ohne dies ausdrücklich sagen zu müssen, umfaßt die Erfindung alle Varianten ebenso wie
allgemein alle anderen Ausführungsformen von Äquivalen
ten, die im Rahmen des vorliegenden Patentes überdeckt sind.
Claims (4)
- PATENTANWÄLTE MEINKE UND DABRINGHAUSZUGELASSEN BEIM EUROPÄISCHEN PATENTAMT · EUROPEAN PATENT ATTORNEYS · MANDATAIRES EN BREVETS EUROPEESDIPL.-ING. J. MEINKE DIPL.-ING. W. DABRINGHAUS4600 Dortmund 1, 03. Juni 1983WESTENHELLWEG 67 £)/JTELEFON (02 31)14 50 71 TELEGRAMM DOPAT Dortmund TELEX 822 7328 pat dAKTEN-NR.: 54/4457Anmelderin : INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE DE LORRAINE(I.N.P.L.), Porte de la Craffe, F-54OOO NancyAnsprüche :l.\ Elektrische Synchronmaschine mit einem festen Supraleiter-Indiltor (10), der, um ein kontinuierliches magnetisches Feld in axialer Symmetrie um die Rotationsachse des Rotors (11) und der feststehenden Wicklungen (12) mit normaler Konduktivität zu erzeugen, von einem Gleichstrom durchlaufen wird, wobei die Wicklungen während des Betriebes von mehrphasigen Wechselströmen durchlaufen werden, sowie mit einem Rotor, der ferromagnetische Massen (20) trägt, die in dem Feld zur Erzeugung alternativer elektromotorischer Kräfte in den feststehenden Wicklungen (12) mit normaler Konduktivität umlaufen, dadurch gekennzeichnet,daß der Rotor (11) im Inneren der Wicklungen (12) im radialen Sinne angeordnet ist unddadurch,daß er mehrere regelmäßig im axialen Sinn verteilte Scheiben aufweist, von denen jede mehrere Kontakte (20) aus ferromagnetisehern Material trägt, die eine regelmäßige Winkelverteilung aufweisen, wobei die Kontakte aller Scheiben in einer Reihe ausgerichtet sind.
- 2. Maschine nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,daß der Supraleiter-Induktor (10) dazu vorgesehen ist, ein Feld zu liefern, waches ausreichend ist, um dauernd die ferromagnetischen Massen jenseits der Sättigung zu halten. - 3. Maschine nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,daß sie ein feststehendes Leiter-Gitter (17) zylindrisch und koaxial in bezug auf den Rotor (11) aufweist. - 4. Maschine nach Anspruch 1 oder 2.oder 3» dadurch gekennzeichnet,daß die Ankerwicklungen aus ebenen Spulen bestehen, die auf Scheiben (21) aus elektrisch isoliertem Material angeordnet sind, alternierend mit den Scheiben des Rotors (11).
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