DE3249077T1

DE3249077T1 - Elektrische synchronmaschine zur supraleiter-induktion

Info

Publication number: DE3249077T1
Application number: DE823249077T
Authority: DE
Inventors: Alain 54136 Bouxiéres Mailfert
Original assignee: Institut National Polytechnique de Lorraine
Current assignee: Institut National Polytechnique de Lorraine
Priority date: 1981-10-19
Filing date: 1982-10-19
Publication date: 1983-12-15
Also published as: GB8316183D0; JPS58501800A; US4577126A; GB2119583A; GB2119583B; FR2514965A1; FR2514965B1; WO1983001541A1

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-

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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. 3_S 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

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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

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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

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^c"riäberi-einen Durchmesser, der größer ist als die Breite ^iJ:-äer^r 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 supra^f 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, ' 'wo^r 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

PATENTANWÄLTE MEINKE UND DABRINGHAUS

ZUGELASSEN BEIM EUROPÄISCHEN PATENTAMT · EUROPEAN PATENT ATTORNEYS · MANDATAIRES EN BREVETS EUROPEES

DIPL.-ING. J. MEINKE DIPL.-ING. W. DABRINGHAUS

4600 Dortmund 1, 03. Juni 1983

WESTENHELLWEG 67 £)/J

TELEFON (02 31)14 50 71 TELEGRAMM DOPAT Dortmund TELEX 822 7328 pat d

AKTEN-NR.: 54/4457

Anmelderin : INSTITUT NATIONAL POLYTECHNIQUE DE LORRAINE

(I.N.P.L.), Porte de la Craffe, F-54OOO Nancy

Ansprüche :

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 und

dadurch,

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).