DE3524163C2

DE3524163C2 -

Info

Publication number: DE3524163C2
Application number: DE3524163A
Authority: DE
Inventors: Akinori Kobe Hyogo Jp Ueda
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1984-07-05
Filing date: 1985-07-05
Publication date: 1990-07-12
Also published as: FR2567337A1; US4658170A; JPS6118349A; DE3524163A1; FR2567337B1

Description

Die Erfindung betrifft einen Rotor für eine supraleitende rotierende elektrische Maschine nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Aufgrund der sehr hohen Drehzahlen eines Rotors einer supraleitenden rotierenden elektrischen Maschine sind die supraleitenden Feldspulen eines derartigen Rotors sehr gro ßen Zentrifugalkräften ausgesetzt. Da jede Bewegung der Feld spulen nicht nur zu ihrer Beschädigung führen kann, sondern auch Reibungswärme erzeugen kann, die wiederum den Verlust der Supraleitfähigkeit mit sich bringen kann, ist es extrem wichtig, daß die Spulen fest am Rotor befestigt sind.

Die Fig. 1 bis 5 zeigen einen herkömmlichen Rotor für eine supraleitende rotierende elektrische Maschine gemäß der JP-OS 57-1 66 839, wobei Fig. 1 einen Gesamtquerschnitt zeigt. Wie aus Fig. 1 ersichtlich, weist der Rotor ein zylindrisches Drehmomentrohr 1 auf, in dessen Mitte eine Feld spulen tragende Welle 2 ausgebildet ist. Der Außenumfang des Rotors wird von einem zylindrischen "warmen" Dämpfungs schild 4 gebildet, der an beiden Enden fest an einer nach innen gehenden Welle 9 und einer nach außen gehenden Welle 8 befestigt ist. Die nach innen gehende Welle 9 ist an eine nicht dargestellte Turbine oder Last angeschlos sen, je nachdem, ob der Rotor als Teil eines Generators oder eines Motors verwendet wird. Beide Wellen 8 und 9 sind in Lagern 10 drehbar gelagert. An der nach innen gehenden Welle 9 sind Schleifringe 11 ausgebil det, mit denen Strom den supraleitenden Feldspulen 3 zu geführt wird, die an der Welle 2 angebracht sind. Ein zylindrischer "kalter" Dämpfungsschild 5 ist am Drehmomentrohr 1 zwischen der Welle 2 und dem "warmen" Dämpfungsschild 4 befestigt. Die Abschirmungen oder Dämpfungsschilde 4 und 5 dienen dazu, die supraleiten den Feldspulen 3 gegenüber einem Wechselstrom-Magnetfeld abzuschirmen und außerdem dazu, Niederfrequenz schwingungen des Rotors während Störungen des elektrischen Systems, an das der Rotor angeschlossen ist, zu dämpfen. Flüssiges Helium, dessen Strömungsweg mit Pfeilen angedeu tet ist, wird dem inneren Hohlraum der Welle 2 sowie Wärmetauschern 12, die in dem Drehmoment rohr 1 ausgebildet oder an diesem angebracht sind, mit einer nicht dargestellten Leitungsanordnung zugeführt. Der innere Hohlraum der Welle 2 ist mit einem Außenrohr 6, das am Außenumfang der Welle 2 befestigt ist, und mit Stirnplatten 7, die an den Enden der Welle 2 befestigt sind, hermetisch abgedichtet, so daß flüssiges Helium, das in den Hohlraum eingeleitet wird, sich nicht auf die anderen Teile des Rotors vertei len wird. Wärmestrahlungsabschirmungen 13, welche die supraleitenden Feldspulen 3 gegenüber seitlicher Strahlung schützen, sind am Drehmomentrohr 1 an den Enden der Welle 2 montiert. Die mit dem Bezugszeichen 14 bezeichneten Bereiche sind evakuiert.

Wie in Fig. 2 dargestellt, weist jede der supraleitenden Feldspulen 3 parallele geradlinige Bereiche 31, die sich parallel zur Ache der Welle 2 erstrecken, an der sie montiert sind, gekrümmte oder bogenförmige Bereiche 32, die an den Enden der geradlinigen Bereiche 31 ausgebildet sind und sich in Umfangsrichtung über der Welle 2 erstrecken, sowie Ecken 33 auf, welche die gerad linigen Bereiche 31 und die bogenförmigen Bereiche 32 ver binden.

Wie in Fig. 4 dargestellt, die einen Querschnitt längs der Linie A-A in Fig. 1 zeigt, weist die Welle 2 eine Reihe von parallelen, in Längsrichtung eingearbeiteten Nuten 18 a auf, in denen die geradlinigen Bereiche der Feldspulen 31 untergebracht sind. Die Nuten 18 a sind vonein ander durch Rotorzähne 2 a getrennt, die sich von der Längs achse der Welle 2 radial nach außen erstrecken. Keile 15 sind in Keilnuten eingesetzt, die in den Rotorzähnen 2 a ausgebildet sind, um die geradlinigen Bereiche 31 der in den Nuten 18 a sitzenden Feldspulen 3 gegenüber Zentrifugalkräften festzuhalten. Jede der Feldspulen 3 ist an ihrem Boden und an ihren Seiten von einer in Längsrich tung verlaufenden elektrischen Spulenisolierung 19 und an ihrer Oberseite von einer Keilisolierung 20 umgeben. Zum besseren Verständnis der Anordnung sind in Fig. 4 die Feldspule 3 und die Isolierung für die ganz links angeord nete Nut 18 a weggelassen.

Wie in Fig. 5 dargestellt, ist an jedem Ende der Welle 2 ein Bereich mit reduziertem Außendurch messer vorgesehen. In diesen Bereichen sind die bogen förmigen Bereiche 32 und die Ecken 33 der supraleitenden Feldspulen 3 in breiten, sich längs des Umfanges erstrecken den Nuten 18 b untergebracht, welche die Enden der axial verlaufenden Nuten 18 a verbinden. Während jede der axial verlaufenden Nuten 18 a den geradlinigen Bereich 31 von nur einer einzigen Feldspule 3 aufnimmt, nehmen die längs des Umfanges verlaufenden Nuten 18 b jeweils die bogenförmigen Bereiche 32 und die Ecken 33 mehrerer Feldspulen 3 auf. Die Bodenfläche von jedem dieser Nuten 18 b ist mit einer elektrischen Boden isolierung 21 bedeckt, auf denen die Feldspulen 3 sitzen. Die Oberseiten der Feldspulen 3 sind mit einer zylin drischen elektrisch isolierenden Abdeckung 22 überdeckt. Ein Haltering 16 ist mit Schrumpfsitz über die isolierende Abdeckung 22 gesetzt, um die Feld spulen 3 gegen Zentrifugalkräfte festzuhalten. Zwischen den jeweiligen Feldspulen 3 und zwischen den Feldspulen 3 und den Seiten der Nuten 18 b ist eine elektrisch iso lierende Packung 17 angeordnet, die dazu dient, die Feld spulen 3 gegeneinander zu isolieren und ihre seitliche Bewegung zu verhindern.

Die elektrisch isolierende Packung 17 zwischen den bogen förmigen Bereichen 32 der Feldspulen 3 hat jedoch einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten, der doppelt so groß wie der der Spulen tragenden Welle 2 oder der Feldspulen 3 ist. Während es somit möglich ist, die Feldspulen 3 in den längs des Umfanges verlaufenden Schlitzen 18 b bei normalen Themperaturen sicher zu befestigen, bilden sich dann, wenn der Rotor im Betrieb auf extrem niedrige Temperaturen gekühlt wird, Spalte zwischen den bogenförmigen Bereichen 32 der Feldspulen 3 und der elektrisch isolierenden Packung 17 bilden. Da die elektrisch isolierende Packung 17 nicht in den Schlitzen 18 b in der Spulen tragenden Welle 2 befestigt ist, ist es für die bogenförmigen Bereiche 32 der Feldspulen 3 möglich, sich aufgrund der Spalte zu bewegen, was Reibungswärme erzeugt, die zu einem Verlust der Supraleitfähigkeit führen kann.

Eine andere Möglichkeit der Befestigung der Feldspulen an einem Rotor besteht darin, nicht nur die in Längsrichtung verlaufenden Bereiche der Feldspulen, sondern auch die bogenförmigen Bereiche der Feldspulen in einzelnen Nuten im Rotor unterzubringen. Die bogenförmigen Bereiche der Feldspulen werden in den Nuten mit Keilen gehalten, ebenso wie die in Längsrichtung verlaufenden Bereiche. Während eine derartige Anordnung die Feldspulen gegen eine Bewegung sichern kann, ist es nicht möglich, eine vorher gewickelte Feldspule in den Nuten im Rotor unterzubrin gen. Statt dessen müssen die Feldspulen im Inneren der Nuten gewickelt werden, was ihren Einbau extrem zeit raubend und kostspielig macht.

Aus der US 43 85 248 ist eine Anordnung bekannt, bei welcher die Halteteile aus hochfestem Epoxygewebe oder Kevlar gefer tigt sind. Die Montage dieser Anordnung ist jedoch schwierig, die Haltbarkeit nicht zufriedenstellend.

Aus der DE 32 23 294 A1 ist ein Rotor nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 bekannt. Dort ist eine elektrisch isolie rende Packung zwischen den bogenförmigen Bereichen der Feld spule vorgesehen. Durch diese Materialwahl ergeben sich bei extrem niedrigen Temperaturen Spalte zwischen den bogenförmi gen Bereichen der Feldspule und der isolierenden Packung, so daß die Befestigung nicht mehr sichergestellt ist. Dies wie derum kann zu Reibungswärme mit den bekannten kritischen Fol gen führen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Rotor der ein gangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, daß ein siche rer und spaltfreier Halt mit einfachen Mitteln gewährleistet ist.

Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Patentanspru ches 1 angegebenen Merkmale gelöst. Bevorzugte Ausführungs formen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand von Abbildungen näher erläutert. Hierbei zeigt

Fig. 1 einen Längsschnitt eines herkömmlichen Rotors für eine supraleitende rotierende elektrische Maschine, auf den sich die Erfindung bezieht;

Fig. 2 eine perspektivische Darstellung einer supralei tenden Feldspule des Rotors gemäß Fig. 1;

Fig. 3 eine perspektivische Darstellung des Endbereiches der Spulen tragenden Welle des Rotors gemäß Fig. 1;

Fig. 4 einen Querschnitt durch den Rotor längs der Linie A-A in Fig. 1;

Fig. 5 einen Längsschnitt eines Teiles der Spulen tragen den Welle längs der Linie B-B in Fig. 3;

Fig. 6 einen der Fig. 5 ähnlichen Längsschnitt zur Erläu terung des Aufbaues einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Rotors;

Fig. 7 eine perspektivische Darstellung zur Erläuterung eines Halteteiles der Anordnung gemäß Fig. 6.

Eine Ausführungsform eines Rotors für eine supraleitende rotierende elektrische Maschine wird nachstehend unter Bezugnahme auf Fig. 6 und 7 näher erläutert. Der Gesamt aufbau des Rotors ist im wesentlichen der gleiche wie bei der Anordnung gemäß Fig. 1. Die Art der Unterbringung der geradlinigen Bereiche 31 der Feldspulen 3 ist in gleicher Weise vorgesehen wie in Fig. 3 und 4 dargestellt, so daß diese Bereiche hier nicht erneut beschrieben werden.

Fig. 6 zeigt einen Längsschnitt durch den Endbereich ei ner Welle 2 eines Rotors, wobei die bogenförmigen Bereiche 32 und die Ecken 33 der Feldspulen 3 in längs des Umfanges verlaufenden Nuten 18 b aufgenommen sind und gegen Zentri fugalkräfte mit einem Haltering 16 festgehalten sind, der mit Schrumpfsitz über das Ende der Welle 2 gesetzt ist. Jede der längs des Umfanges verlaufenden Nuten 18 b nimmt die bogenförmigen Bereiche 32 und die Ecken 33 einer Vielzahl von Feldspulen 3 auf. Die Oberseiten der Feld spulen 3 sind mit einer elektrisch isolierenden Abdeckung 22 wie in Fig. 5 abgedeckt.

Bei der vorliegenden Ausführungsform sind jedoch die Boden bereiche und Seitenbereiche der Feldspulen 3 mit einer Spulenisolierung 25 isoliert, die ähnlich der ist, die zur Isolierung der geradlinigen Bereiche 31 der Feldspulen 3 verwendet wird. Anstelle der elektrisch isolierenden Packung 17 werden Halteteile 23, die an der Bodenfläche der längs des Umfanges verlaufenden Nuten 18 b befestigt sind, verwendet, um die bogenförmigen Bereiche 32 und die Ecken 33 der angrenzenden Feldspulen 3 gegen seitliche Kräfte zu halten. Die Halteteile 23 sind zwischen benachbarten Feldspulen 3 sowie zwischen den Feldspulen 3 und den Seiten der Nuten 18 b angeordnet. Fig. 7 zeigt eine perspektivische Darstellung von einem der Halteteile 23 gemäß Fig. 6. Jedes Halteteil 23 hat bogenförmige Flächen an der Oberseite und der Unterseite, die an die Gestalt der längs des Umfanges verlaufenden Nuten 18 b bzw. die Innenoberfläche der isolierenden Abdeckung 22 angepaßt sind. Ferner hat jedes Halteteil ein oder mehrere versenkte Schraubenlöcher 23 a, durch die Schrauben 24 hindurchgehen, welche in Löcher in der Bodenfläche der Nuten 18 b eingeschraubt sind. Die Abmessungen der Halteteile 23 sind so gewählt, daß sie die Zwischenräume zwischen benachbar ten bzw. aneinander angrenzenden Feldspulen 3 vollständig ausfüllen und damit deren seitliche Bewegung verhindern.

Hierbei ist es so, daß die Halteteile 23 aus demselben Material wie die Welle 2 bestehen, so daß die Werte für die thermische Schrumpfung für beide Bauteile die gleichen sind und sich keine Spal te zwischen den Halteteilen 23 und den Feldspulen 3 bil den. Titan oder Titanlegierungen sind besonders geeignete Materialien für die Halteteile 23, da sie einen sehr nied rigen Wärmeausdehnungskoeffizienten haben.

Die supraleitenden Feldspulen 3 können in der Welle 2 in herkömmlicher Weise untergebracht wer den. Die geradlinigen Bereiche 31 der Feldspulen 3 werden nämlich in die axial verlaufenden Nuten 18 a eingesetzt, während die bogenförmigen Bereiche 32 und die Ecken 33 der Feldspulen 3 in die in Umfangsrichtung verlaufenden Nuten 18 b eingesetzt werden. Die Keile 15 werden dann in die Keilnuten in den Rotorzähnen 2 a, die an die gerad linigen Bereiche 31 angrenzen, eingeschlagen. Die Halteteile 23 werden zwischen den Feldspulen 3 eingesetzt und an die Welle 2 angeschraubt, worauf hin die Halteringe 16 mit Schrumpfsitz über die Enden der Welle 2 gesetzt werden. Die Breite von jeden der in Um fangsrichtung verlaufenden Nuten 18 b ist wesentlich größer als die Breite der darin untergebrachten Feldspulen. Somit kann eine vorher gewickelte Feldspule leicht eingesetzt werden.

Da die Halteteile 23 aus einem Material mit einem Wärme ausdehnungskoeffizienten bestehen, der gleich dem der Welle 2 ist, oder aus einem sonstigen Material wie Titan oder einer Titanlegierung besteht, die sehr niedrige Wärmeausdehnungskoeffizienten haben, bilden sich keine Spalte zwischen den Halteteilen 23 und den Feldspulen 3, und zwar auch nicht bei sehr niedrigen Temperaturen. Selbst wenn sich jedoch sehr kleine Spalte um die Feld spulen 3 bilden sollten, können sich, da die Halteteile 23 an ihrer Position sicher befestigt sind, winzige Spal te nicht aufaddieren, um durch die Bewegung der Halteteile 23 und der Feldspulen 3 größere Spalte zu bilden. Dementsprechend sind die Feldspulen gegen Bewegung gesichert gehalten. Da keine Bewegung der Feldspulen 3 möglich ist, kann auch keine Reibungswärme erzeugt wer den, die zum Verlust der Supraleitfähigkeit führen könnte.

Claims

1. Rotor für eine supraleitende rotierende elektrische Maschine, mit einer Vielzahl von supraleitenden Feldspulen (3),
mit einer die Feldspulen (3) tragenden Welle (2), in der eine Vielzahl von in Längsrichtung verlaufenden geradlinigen Nuten (18 a) und in Umfangsrichtung verlaufende Nuten (18 b) vorge sehen sind, welche die Enden der geradlinigen Nuten (18 a) ver binden, wobei jeder der geradlinigen Nuten (18 a) einen gerad linigen Bereich (31) von einer der Feldspulen (3) und jeder der in Umfangsrichtung verlaufenden Nuten (18 b) die bogen förmigen Bereiche (32) und die Ecken (33) der Feldspulen (3) aufnehmen;
mit Keilen (15), die in die geradlinigen Nuten (18 a) ein gesetzt sind, um die geradlinigen Bereiche (31) der Feldspu len (3) gegen Zentrifugalkräfte festzuhalten;
mit einem Haltering (16), der im Schrumpfsitz auf die Feld spulen (3) tragende Welle (2) über die in Umfangsrichtung verlaufenden Nuten (18 b) gesetzt ist und so die bogenförmi gen Bereiche (32) und die Ecken (33) der Feldspulen (3) gegen die Zentrifugalkräfte festhält,
dadurch gekennzeichnet, daß Halteteile (23) in den in Umfangsrichtung verlaufenden Nuten (18 b), an die bogenförmigen Bereiche (32) und die Ecken (33) der Feldspulen (3) angrenzend angeordnet sind und fest an den Bodenflächen der in Umfangsrichtung ver laufenden Nuten (18 b) über Bolzen (24) befestigt sind und die Zwischenräume vollständig ausfüllen und wobei die Hal teteile (23) aus demselben Material bestehen, wie die, die Feldspulen (3) tragende Welle (2).

2. Rotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Halteteile (23) aus Titan bestehen.

3. Rotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Halteteile (23) aus einer Titanlegierung bestehen.

4. Rotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Halteteile (23) in den in Umfangsrichtung verlau fenden Nuten mit Schrauben (24) befestigt sind.

5. Rotor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Halteteile (23) hindurchgehende, abgesenkte oder versenkte Schraubenlöcher (23 a) aufweisen.