DE3706437A1

DE3706437A1 - Supraleitende, umlaufende elektrische maschine

Info

Publication number: DE3706437A1
Application number: DE19873706437
Authority: DE
Inventors: Hidenao Hatanaka; Akinori Ueda; Toshiki Hirao; Susumu Maeda; Kouichi Ooshita; Mitsuhiro Uchida
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1986-03-12
Filing date: 1987-02-27
Publication date: 1987-09-24
Also published as: FR2603430A1; FR2598045B1; US4739202A; DE3706437C2; FR2598045A1; FR2603430B1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine supra leitende, umlaufende elektrische Maschine. Speziell be zieht sich die Erfindung auf einen Rotor für eine supra leitende elektrische Maschine mit einer Kühlvorrichtung, mit der die supraleitende Feldspule im Rotor unter der Sprungtemperatur gehalten werden kann.

Aus der JP-OS 22 372-82 ist ein Rotor für eine supra leitende, umlaufende elektrische Maschine bekannt, der in Fig. 27 der anliegenden Zeichnungen dargestellt ist. In dieser bezeichnet 1 ein Drehrohr, 2 ein wicklungstragen des Rohr, das einen Zwischenabschnitt des Drehrohrs 1 bildet, 3 eine supraleitende Feldwicklung, die auf dem Zwischenrohr 2 angeordnet ist, 4 einen auf Umgebungs temperatur befindlichen Dämpfer (nachfolgend als erster Dämpfer bezeichnet), der das Drehrohr 1 und das Zwischen rohr 2 umgibt, 5 einen Strahlungsabschirmdämpfer (nach folgend als zweiter Dämpfer bezeichnet), der zwischen dem ersten Dämpfer 4 und dem die Wicklung tragenden Zwi schenrohr 2 angeordnet ist, 6 ein äußeres Rohr, das am äußeren Umfang des Zwischenrohrs 2 befestigt ist und die supraleitende Feldwicklung abdeckt, 7 ein Paar Endplatten, die an beiden Seiten des Zwischenrohres 2 befestigt sind, 8 und 9 sind jeweils Wellenzapfen, die sich von beiden Seiten des Rotors erstrecken, mit 10 sind Dreh lager zur Abstützung der Wellenzapfen 8 und 9 bezeichnet, 11 sind Schleifringe zur Zuführung eines Feldstroms, 12 ist ein Wärmetauscher, der einstückig mit dem Drehrohr 1 ausgebildet oder an diesem befestigt ist, 13 sind ein Paar Seitenplatten zur Abschirmung von Strahlung, und 14 bezeichnet evakuierte Abschnitte.

Bei dem Rotor der supraleitenden, umlaufenden elektri schen Maschine des oben genannten Aufbaus wird der elek trische Widerstand der Wicklung im wesentlichen null und werden die Erregerverluste eliminiert, wenn die supra leitende Feldwicklung 3 auf dem Zwischenrohr 2 auf Kryo temperatur abgekühlt wird, wodurch ein starkes Magnet feld von der supraleitenden Feldwicklung 3 erzeugt wird und von einem Stator (nicht dargestellt) Wechselstrom energie zur Verfügung gestellt wird. Um die supraleiten de Feldwicklung 3 auf Kryotemperatur abzukühlen, wird durch eine Mittenbohrung des Wellenzapfens 9, der sich an der gegenüberliegenden Seite in Bezug auf den getrie benen Wellenzapfen 8 befindet, von einer Zuführleitung (nicht dargestellt) flüssiges Helium in einen Raum zuge führt, der von dem die Wicklung tragenden Zwischenrohr 2, dem Außenrohr und den Endplatten 7 begrenzt wird. Die Zwischenräume 14 im Rotor werden unter hoch evakuiertem Zustand gehalten. Das Drehrohr 1 zur Übertragung eines Drehmomentes zum Zwischenrohr 2 mit der darauf befind lichen supraleitenden Feldwicklung 3, die auf Kryo temperatur abgekühlt ist, wird von einem dünnen zylin drischen Körper gebildet und ist mit dem erwähnten Wärme tauscher 12 oder Wärmetauschern 12 versehen, so daß das Vordringen von Wärme über das Drehrohr 1 zu dem auf Kryo temperatur befindlichen Abschnitt auf ein Minimum herab gesetzt ist. Die Seitenplatten 13 sind so angeordnet, daß Strahlungswärme von der Seite der Endplatte 9 ver mindert werden kann.

Die ersten und zweiten Dämpfer 4 und 5 sind dazu einge richtet, ein magnetisches Feld hoher Harmonischer vom Stator abzuschirmen, um die supraleitende Feldwick lung 3 zu schützen, und sind ferner dazu eingerichtet, Schwingungen des Rotors aufgrund einer Störung in einem Stromversorgungssystem zu dämpfen. Außerdem wirkt der erste Dämpfer 4 als Vakuumaußenrohr, und der zweite Dämpfer 5 wirkt als Strahlungsabschirmung zu dem von Helium erfüllten Raum. In Fig. 27 sind das Leitungs system zur Zuleitung von Helium und ein Abführsystem für den Rotor und eine Heliumzuleitungs- und Abführvorrich tung, die mit dem Rotor verbunden ist, nicht dargestellt.

Fig. 28 zeigt eine Querschnittsdarstellung eines Teils des Drehrohres längs der Linie VII-VII von Fig. 27. In Fig. 28 bezeichnet 15 einen Abschnitt zur Speicherung des flüssigen Heliums, 16 einen Raum, der mit dampf förmigem Helium gefüllt ist, 17 einen Schlitz, der einen Teil der supraleitenden Feldwicklung 3 aufnimmt, die sich auf dem Zwischenrohr 2 befindet, 18 einen Erdisolator zwischen der supraleitenden Feldwicklung 3 und dem sie tragenden Zwischenrohr 2, 19 einen Keil zur Festlegung der Wicklung 3, 20 eine Öffnung zwischen dem Zwischenrohr 2 und dem Außenrohr 6, 21 einen Heliumkanal zur Verbin dung des Abschnitts 15 zur Speicherung flüssigen Heliums mit dem Schlitz 17, und schließlich bezeichnen 22 a und 22 b Durchgangsbohrungen von beispielsweise kreisförmiger Gestalt, die in dem Erdisolator 18 ausgebildet sind.

Als supraleitende Feldwicklung, die für den Rotor dieses beschriebenen Aufbaus verwendet wird, ist in der JP-OS 1 86 960-82 eine solche vorgeschlagen worden, wie sie in Fig. 29 dargestellt ist.

Gemäß Fig. 29 ist die supraleitende Feldwicklung 3 durch Wicklung eines supraleitenden Drahtes 3 a auf das die Wicklung tragende Rohr 2 in mehreren Reihen und Lagen ausgebildet. Der supraleitende Draht 3 a besteht aus mehreren, miteinander verdrillten elektrischen Einzel drähten. Mit 23 sind in Reihe angeordnete Isolatoren be zeichnet, die zwischen benachbarte Reihen des gewickelten supraleitenden Drahtes 3 a eingefügt sind, und mit 24 sind Isolatoren bezeichnet, die die einzelnen, vertikal übereinanderliegenden Lagen der Wicklung voneinander trennen.

Die Isolatoren 23 und 24 bestehen aus einem isolierenden, plattenartigen Material ohne jegliche Rille oder Öffnung. Die in Reihe angeordneten Isolatoren 23 und die Lagen isolatoren 24 werden beim Wickeln des einzelnen supra leitenden Drahtes zwischen nebeneinander gewickelte Drahtwicklungen und vertikal übereinander gewickelte Lagen eingefügt. Jede Windung ist daher von benachbarten Windungen bzw. Lagen durch Isolatoren 23 bzw. 24 isoliert. Nach Abschluß des Wickelvorgangs wird die Wicklung mit einem geschmolzenen Epoxyharz behandelt, wodurch Zwi schenräume zwischen benachbarten Drahtwindungen mit Iso liermaterial ausgefüllt werden, um einen Kurzschluß zu vermeiden.

In einer supraleitenden, umlaufenden elektrischen Ma schine besteht im allgemeinen das technische Problem darin, die supraleitende Feldwicklung auf Kryotemperatur abzukühlen. Es ist notwendig, die Wicklung unter die Sprungtemperatur abzukühlen, um den supraleitenden Zu stand der Wicklung aufrechtzuerhalten. Der Kühlvorgang wird unter Verwendung von Helium als Kältemedium ausge führt, um einen Temperaturbereich von 1 bis 20°K (abso lute Temperaturskala) zu erreichen. Da die spezifische Wärme der supraleitenden Feldwicklung bei solchen Kryo bedingungen jedoch extrem klein wird, steigt die Tempe ratur der Wicklung schon bei geringer, in der Wicklung erzeugter Wärme oder durch Zutritt einer geringen Wärme menge zur Wicklung an, wodurch die Temperatur der supra leitenden Feldwicklung die Sprungtemperatur übersteigen kann. Es ist daher bei der Gestaltung der supraleitenden, umlaufenden elektrischen Maschine ein wesentlicher Punkt, wie die in der Wicklung selbst erzeugte Wärme und die zur Wicklung vorgedrungene Wärme schnell abgeführt werden kann.

Die Wärme in der Wicklung 3 oder die zur Wicklung 3 vor stoßende Wärme wird durch das Helium aufgenommen, das schmale Zwischenräume zwischen der supraleitenden Feld wicklung 3 und den die Wicklung 3 umgebenden Erdisola toren 18 ausfüllt. Wenn das Helium diese Wärme aufnimmt, dann vergrößert sich sein Volumen. Das Helium, das eine geringe Dichte hat, strömt durch die Bohrungen 22 a, die in dem Erdisolator 18 ausgebildet sind, aufgrund natür licher Konvektion in einem Zentrifugalkraftfeld und strömt dann durch den Heliumkanal 21 im Zwischenrohr 2 in den Abschnitt 15, wo flüssiges Helium gespeichert ist. Andererseits ergibt sich in Zwischenräumen um die supraleitende Feldwicklung 3 eine Heliumverknappung. Dem entsprechend wird der Bereich um die supraleitende Feld wicklung 3 mit Helium versorgt, das von der Öffnung 20, die mit dem Innenraum des Außenrohres 6 verbunden ist, durch Spalte im Keil 19 und die Durchgangsbohrung 22 b des Erdisolators 18 zuströmt. Das Helium geringer Dichte, das in den Speicherabschnitt 15 geflossen ist, wird einer Teilverdampfung unterworfen und gekühlt. Das gekühlte Helium wird durch einen weiteren Heliumkanal 21, eine weitere Durchgangsbohrung 22 a im Erdisolator 18, den Bereich um die Wicklung 3, eine weitere Durchgangs bohrung 22 b im Erdisolator 18, Spalte im Keil 19 und die Öffnung 20 zirkuliert.

Auf diese Weise wird die Kühlung der supraleitenden Feld wicklung 3 nur durch die natürliche Zirkulation der oben beschriebenen Art ausgeführt, so daß die Feldwicklung 3 auf einer Temperatur gehalten wird, die niedriger als die Sprungtemperatur ist.

Dennoch weist die bekannte supraleitende, umlaufende elektrische Maschine Probleme auf, die nachfolgend be schrieben werden sollen. Da die Kühlung der supraleiten den Feldwicklung 3 nur von Seiten ihrer äußeren Umfangs fläche durchgeführt wird, muß nämlich im supraleitenden Draht 3 a, der die Wicklung 3 bildet, erzeugte Wärme über die Windungsisolatoren 23, die Lagenisolatoren 24 und den supraleitenden Draht 3 a zum äußeren Umfang der Wicklung 3 abgeführt werden, um das Helium zu erreichen, das die Wicklung 3 umgibt. Dementsprechend bewirkt der bescheidene Kühleffekt in der bekannten Maschine, daß die Temperatur des supraleitenden Drahtes 3 a steigt, was zur Folge hat, daß der supraleitende Zustand unterbrochen werden kann.

In der JP-OS 2 02 852-82 wird eine Lösung zur Abführung von Wärme beschrieben, die in der supraleitenden Feld wicklung erzeugt worden oder dieser von außen zugeführt worden ist. Diese Lösung ist in den Fig. 30 und 31 dargestellt, in denen dieselben Bezugszeichen für solche Teile verwendet werden, die schon unter Bezugnahme auf die Fig. 27 bis 29 beschrieben worden sind. In den Fig. 30 und 31 bezeichnet 30 a mehrere kreisförmige Durchgangsbohrungen, die in einer oberen Isolierpackung ausgebildet sind, 31 a mehrere kreisförmige Durchgangs bohrungen, die in einer unteren Isolierpackung 31 ausge bildet sind, und 38 eine Seitenisolierpackung, die am Seitenteil der supraleitenden Feldspule 3 im Schlitz 17 angeordnet ist. Bei dem Rotor des beschriebenen Aufbaus sind die Durchgangsbohrungen 30 a der oberen Isolier packung 30 und die Durchgangsbohrungen 31 a der unteren Isolierpackung 31 jedoch jeweils in radialer Richtung in Bezug auf das die Wicklung tragende Zwischenrohr 2 ausge bildet, und die Abstände zwischen den Durchgangsbohrungen 30 a und zwischen den Durchgangsbohrungen 31 a sind in axialer Richtung des Zwischenrohres 2 relativ groß. In diesem Falle ist ein Weg zur Übertragung von Wärme, die in der supraleitenden Feldwicklung 3 erzeugt wird, bei welchem die Durchgangsbohrungen 30 a und 31 a relativ dicht bei dem Wärme erzeugenden Teil liegen, vorteil hafter als ein Weg, bei welchem die Durchgangsbohrungen 30 a und 31 a relativ fern liegen. Wenn dementsprechend eine geringe Wärmemenge an einer Stelle fern von den Durchgangsbohrungen 30 a oder 31 a erzeugt wird oder zutritt, ist es schwierig, daß das Helium, das die Wärme aufnimmt, den Heliumkanal in dem die Wicklung tragenden Zwischenrohr 2 durchströmt. Die Temperatur der Wicklung 3 kann daher ansteigen, wodurch der Kryozustand unter brochen werden kann.

In dem Rotor, der einen solchen Aufbau hat, daß die supraleitende Feldwicklung 3 im Schlitz 17 gehalten wird, der in dem Zwischenrohr 2 ausgebildet ist, und bei dem die Wicklung bei Sprungtemperatur oder darunter ge halten wird, ist es notwendig, Isolatoren vorzusehen, die ausreichende Isoliereigenschaften haben, um keinen elektrischen Durchbruch zu verursachen, weil eine Span nung von etwa mehreren 100 bis etwa 1000 Volt auftreten kann, wenn der supraleitfähige Zustand verlorengeht (im supraleitenden Zustand liegt an der supraleitenden Feld wicklung 3 im wesentlichen keine Spannung).

Zum Kühlen der supraleitenden Feldwicklung wird in die Betrachtungen einbezogen, daß Durchgangsbohrungen 30 a oder 31 a in der oberen und/oder unteren Isolierpackung 30 bzw. 31 angeordnet sind, um das Helium durchzulei ten. Solche Durchgangsbohrungen 30 a und 31 a vermindern jedoch die Isoliereigenschaften. Um eine Verminderung der Isoliereigenschaften zu verhindern, müssen die Dicken der oberen und/oder unteren Isolierpackungen 30 und 31 gesteigert werden, um eine ausreichende Isolier strecke zu ergeben. Die Isolierpackungen nehmen jedoch im Schlitz 17 erheblichen Raum in Anspruch. Dies ver mindert den Raum für die supraleitende Feldwicklung 3 mit der Folge, daß die Leistung der supraleitenden Feldwicklung 3 vermindert wird. Dies ist ein großes Problem in der Funktion der supraleitenden, umlaufenden elektrischen Maschine. Wenn im Schlitz 17 andere Teile als die Isolatoren das gleiche Volumen haben, dann muß die Tiefe des Schlitzes 17 wegen der vergrößerten Dicken der oberen und/oder unteren Isolierpackungen 30 und 31 groß sein. Dies macht die bekannte Maschine wenig effizient.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Rotor für eine supraleitende, umlaufende elektrische Maschine anzugeben, der in der Lage ist, den Kühleffekt zu steigern und einen Quench der supraleitenden Feld wicklung zu verhindern. Der Rotor sollte die in der Wicklung erzeugte Wärme leicht abführen, um das Be triebsverhalten der supraleitenden Feldwicklung zu ver bessern.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebene Erfindung gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Er findung sind Gegenstand weiterer Ansprüche.

So wird gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ein Rotor für eine supraleitende, umlaufende elektrische Maschine mit einem wicklungstragenden Rohr, einer in einem Schlitz in dem Rohr gehaltenen supraleitenden Feldwicklung und oberen und unteren Isolierpackungen, die auf den äußeren und inneren Umfangsflächen der supraleitenden Wicklung angeordnet sind, angegeben, bei dem jede der oberen und unteren Isolierpackungen eine Oberfläche aufweist, die wenig stens eine Rille in axialer Richtung des die Wicklung tragenden Rohres und wenigstens eine Rille in Umfangs richtung der Wicklung aufweisen, wobei mehrere Boh rungen in den Rillen zur Verbindung mit der anderen Oberfläche vorgesehen sind.

Die Erfindung und ihre Vorteile sowie weitere Merkmale der Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 im Querschnitt eine Ausführungsform einer supra leitenden Feldwicklung, die auf dem Rotor einer supraleitenden, umlaufenden Maschine nach der vorliegenden Erfindung angeordnet ist;

Fig. 2 eine vergrößerte Querschnittsdarstellung eines wichtigen Teils der supraleitenden Feldwicklung nach Fig. 1;

Fig. 3 einen Schnitt längs der Linie III-III in Fig. 2;

Fig. 4 eine vergrößerte Schnittdarstellung einer zweiten Ausführungsform einer supraleitenden Feldwicklung auf einem Rotor nach der vor liegenden Erfindung;

Fig. 5 einen Schnitt längs der Linie IV-IV in Fig. 4;

Fig. 6 eine vergrößerte Schnittdarstellung einer dritten Ausführungsform einer supraleitenden Feldwicklung auf einem Rotor nach der vorlie genden Erfindung;

Fig. 7 eine Schnittdarstellung längs der Linie V-V in Fig. 6;

Fig. 8 eine vergrößerte Schnittdarstellung einer vierten Ausführungsform einer supraleitenden Feldwicklung auf einem Rotor nach der vorlie genden Erfindung;

Fig. 9 eine Schnittdarstellung längs der Linie VI-VI in Fig. 8;

Fig. 10 einen Längsschnitt durch eine fünfte Ausführungs form einer supraleitenden Feldwicklung auf einem Rotor nach der vorliegenden Erfindung;

Fig. 11 einen Schnitt ähnlich Fig. 10 durch eine sechste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 12 einen Schnitt ähnlich den Fig. 10 und 11 einer siebenten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 13 einen Schnitt ähnlich den Fig. 10 bis 12 einer achten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 14 eine ebene Darstellung einer oberen und unteren Isolierpackung, die für die supraleitende Feld wicklung nach den Fig. 10 bis 13 Verwendung finden;

Fig. 15 eine Schnittdarstellung eines Rotors für eine supraleitende, umlaufende elektrische Maschine nach einer neunten Ausführungsform der vorlie genden Erfindung;

Fig. 16 eine vergrößerte Teilschnittdarstellung des unteren Abschnitts einer supraleitenden Feld wicklung nach Fig. 15;

Fig. 17 eine Draufsicht auf die äußere Lage einer unteren Isolierpackung in Fig. 16;

Fig. 18 eine Schnittdarstellung der äußeren Lage der unteren Isolierpackung in Fig. 16;

Fig. 19 eine Draufsicht auf die Innere Lage der unteren Isolierpackung in Fig. 16;

Fig. 20 eine Schnittdarstellung der inneren Lage der unteren Isolierpackung;

Fig. 21 eine Schnittdarstellung, die einen Rotor für eine supraleitende, umlaufende elektrische Maschine nach einer zehnten Ausführungsform der Erfindung zeigt;

Fig. 22 eine Schnittdarstellung des oberen Abschnitts einer supraleitenden Feldwicklung in Fig. 21;

Fig. 23 eine Draufsicht auf die innere Lage einer oberen Isolierpackung, die bei dem Rotor nach der vorliegenden Erfindung verwendet wird;

Fig. 24 eine Schnittdarstellung der inneren Lage der oberen Isolierpackung in Fig. 22;

Fig. 25 eine Draufsicht auf die äußere Lage einer oberen Isolierpackung;

Fig. 26 eine Schnittdarstellung der oberen Lage der oberen Isolierpackung;

Fig. 27 einen Längsschnitt durch einen bekannten Rotor für eine supraleitende, umlaufende elektrische Maschnine;

Fig. 28 einen Schnitt längs der Linie VII-VII in Fig. 27;

Fig. 29 einen schematischen Schnitt, der die bekannte supraleitende Feldwicklung zeigt;

Fig. 30 einen Querschnitt durch den bekannten Rotor für die supraleitende, umlaufende elektrische Maschine, und

Fig. 31 eine schematische Schnittdarstellung eines Aus schnitts des bekannten Rotors für die supralei tende, elektrische Maschine.

Nachfolgend wird die erste Ausführungsform der vor liegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Fig. 1 bis 3 erläutert, wobei dieselben Bezugszeichen für ent sprechende, unter Bezugnahme auf die Fig. 27 bis 31 bereits erläuterte Teile verwendet werden.

Eine supraleitende Feldwicklung 3 ist durch Wicklung eines supraleitenden Drahtes in mehreren Reihen und Lagen ausgebildet, wobei der supraleitende Draht durch Verdrillen mehrerer Einzeldrähte hergestellt ist. Mit 25 sind in Linie, d.h. übereinander ausgerichtet ange ordnete Isolatoren bezeichnet, die aus einem gerillten Isoliermaterial, wie beispielsweise einer glasfaser verstärkten Epoxylaminatplatte bestehen. Jeder der Iso latoren ist zwischen benachbarten Leitungen des ge wickelten supraleitenden Drahtes 3 a angeordnet und ist jeweils mit wenigstens einer Rille 25 a versehen, die sich in vertikaler Richtung in Fig. 1 erstreckt. Mit 26 sind Lagenisolatoren bezeichnet, die aus einem perforierten Isoliermaterial, wie beispielsweise einer glasfaser-verstärkten Epoxylaminatplatte bestehen, die mehrere Öffnungen 26 a aufweist. Jeder der Lagenisola toren ist zwischen vertikal benachbarten Lagen des ge wickelten supraleitenden Drahtes 3 a in Mehrfachstufung in Umfangsrichtung der supraleitenden Feldwicklung 3 eingefügt. Die supraleitende Feldwicklung 3 ist durch Wicklung eines einzelnen supraleitenden Drahtes 3 a hergestellt, wobei jeder der Windungsisolatoren 25 zwischen benachbarte Windungen des Drahtes 3 a und jeder der Lagenisolatoren 26 zwischen vertikal benach barte Lagen supraleitenden Drahtes 3 a eingefügt ist, so daß der einzelne, zu einer Wicklung gewickelte Draht jeweils von Windungsisolatoren 25 und Lagenisolatoren 26 umgeben ist, um einen Kurzschluß der einzelnen Windungen des Drahtes 3 a zu vermeiden. In der Aus führungsform der vorliegenden Erfindung ist die supra leitende Feldwicklung 3 nicht mittels eines Epoxy harzes imprägniert. Da der supraleitende Draht 3 a ein verdrillter Draht ist, bestehen winzige Spalte zwischen dem supraleitenden Draht 3 a und den Windungsisolatoren 25 sowie zwischen dem Draht 3 a und den Lagenisolatoren 26.

Die Kühlung der supraleitenden Feldwicklung 3 vollzieht sich wie folgt. Flüssiges Helium als Kühlmedium fließt längs der Außenseite der supraleitenden Feldwicklung 3 und fließt gleichzeitig um den gewickelten supralei tenden Draht 3 a durch die winzigen Spalte zwischen dem verdrillten Draht 3 a und den Isolatoren 25 und 26, sowie durch die Rillen 25 a in den Windungsisolatoren 25 und durch die Öffnungen 26 a in den Lagenisolatoren 26, wodurch der gewickelte supraleitende Draht 3 a, der die supraleitende Feldwicklung 3 bildet, direkt über die gesamte Oberfläche durch das Helium gekühlt wird. Dementsprechend kann in der supraleitenden Wicklung 3 a erzeugte Wärme sehr schnell durch das flüssige Helium beseitigt werden. Ein Temperaturanstieg in dem supra leitenden Draht 3 a ist daher extrem klein und ein Quenching findet daher nicht statt. Die Fig. 4 und 5 zeigen die zweite Ausführungsform des Kühlaufbaus für die supraleitende Feldwicklung nach der vorlie genden Erfindung.

Der Aufbau der zweiten Ausführungsform ist im wesent lichen der gleiche wie der der ersten Ausführungsform, insoweit wie die Windungsisolatoren und die Lagen isolatoren 26 jeweils mit wenigstens einer vertikalen Rille 25 a und einer Querrille 26 a versehen sind. Dem entsprechend werden die gleichen Bezugszeichen wie in den Fig. 2 und 3 für die gleichen oder die entspre chenden Teile verwendet.

Wie speziell aus Fig. 5 hervorgeht, sind die Rillen 26 a, die in der Längsrichtung der Lagenisolatoren 26 ausgebildet sind, dazu eingerichtet, mit den Rillen 25 a der Windungsisolatoren 25 in Verbindung zu treten, die sich mit den Lagenisolatoren in vertikaler Richtung überkreuzen.

Die Fig. 6 und 7 zeigen die dritte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die dritte Ausführungsform enthält mehrere Windungsisolatoren 25, die aus einem perforierten Isoliermaterial bestehen und mehrere Öffnungen 25 a haben, sowie mehrere Lagenisolatoren 26, die aus einem gerillten Isoliermaterial bestehen, das mit dem gerillen Material übereinstimmt, das in den ersten und zweiten Ausführungsformen verwendet worden ist. Dementsprechend wird die supraleitende Feldwick lung 3 durch das flüssiges Helium als Kühlmedium gekühlt, das um die Außenseite der Wicklung 3 und die Oberfläche des supraleitenden Drahtes längs dessen gesamter Oberfläche fließt, wobei es durch die Öffnun gen 25 a der Windungsisolatoren 25 und Rillen 26 a der Lagenisolatoren 26 strömt und dann längs der winzigen Spalte an dem verdrillten supraleitenden Draht 3 a strömt.

Die Fig. 8 und 9 zeigen die vierte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Der Aufbau der vierten Ausführungsform ist im wesent lichen der gleiche, wie der bei der dritten Ausführungs form, jedoch bestehen die Windungsisolatoren 25 a und die Lagenisolatoren 26 aus dem perforierten Isolier material.

In der vierten Ausführungsform fließt das flüssige Helium als Kühlmedium längs der Außenseite der supra leitenden Feldwicklung 3, um sie zu kühlen. Das flüs sige Helium fließt auch durch die winzigen Spalte zwischen dem verdrillten supraleitenden Draht 3 a und den Oberflächen der Windungs- und Lagenisolatoren 25 und 26 und strömt durch die Öffnungen 25 a und 26 a dieser Isolatoren 25 und 26, wodurch die Oberfläche des supraleitenden Drahtes 3 a gekühlt wird.

In den ersten bis dritten Ausführungsformen werden für die Windungs- und/oder Lagenisolatoren Isoliermateri alien verwendet, die Rillen 26 a auf beiden Seiten aufweisen. Es kann jedoch auch Isoliermaterial verwen det werden, das die Rillen nur auf einer seiner Seiten aufweist.

Gemäß den ersten bis vierten Ausführungsformen der Er findung, wie oben beschrieben, kühlt das flüssige Helium direkt den supraleitenden Draht, der die supra leitende Feldwicklung bildet, durch die Rillen und/oder Öffnungen, die in den Windungs- und/oder Lagenisola toren ausgebildet sind, wodurch sich ein Rotor für eine supraleitende, umlaufende elektrische Maschine erzielen läßt, beim dem die Kühlwirkung verbessert und somit das Auftreten des sog. Quenching verhindert ist.

Fig. 10 zeigt die fünfte Ausführungsform eines Rotors, der eine Kühlstruktur für die supraleitende Feldwick lung nach der vorliegenden Erfindung aufweist. In Fig. 10 bezeichnen die Bezugszeichen 2, 3, 6, 15, 19, 20 und 21 die gleichen Teile wie in den Fig. 27 bis 31.

In Fig. 10 erkennt man weiterhin eine obere Isolations packung 44, die mit der Außenumfangsfläche der supra leitenden Feldwicklung 3, bezogen auf das die Feldwick lung tragende Rohr 2, in Berührung ist. Die obere Isolationspackung 44 hat auf ihrer die supraleitende Feldwicklung 3 berührenden Seite eine Mehrzahl von ersten Rillen 45, die in Axialrichtung in Bezug auf die axiale Mitte des Rotors und in Umfangsrichtung der Wicklung 3 verlaufen. Mit 46 sind mehrere kleine Löcher bezeichnet, die in den ersten Rillen ausgebildet sind. Einige der Löcher liegen an Stellen, daß sie mit kleinen Spalten im Keil 19 in Verbindung stehen. Mit 47 ist eine untere Isolierpackung bezeichnet, die die Innenseite der supraleitenden Feldwicklung 3, bezogen auf das die Feldwicklung tragende Rohr 2, berührt. Die untere Isolierpackung 47 hat eine Oberfläche, die die innere Umfangsfläche der Wicklung 3 nicht berührt und in der mehrere zweite Rillen 48 in axialer Richtung in Bezug auf die axiale Mitte des Rotors und in Umfangs richtung der Wicklung 3 ausgebildet sind. Mehrere kleine Löcher 49 sind in den zweiten Rillen 48 ausge bildet, wobei einige dieser kleinen Löcher mit den Heliumkanälen 21 in Verbindung stehen, die in dem die Wicklung tragenden Rohr 2 ausgebildet sind.

Die Wirkungsweise der fünften Ausführungsform des be schriebenen Aufbaus wird nachfolgend erläutert.

Wärme in der supraleitenden Feldwicklung 3 wird durch das flüssige Helium aufgenommen, das in den kleinen Spalten der Wicklung 3 vorhanden ist. Das Volumen des Heliums dehnt sich aufgrund der Wärmeaufnahme aus, und ein Teil des Heliums, das eine niedrige Dichte hat, bewegt sich zum Flüssigkeitsspeicherabschnitt 15 durch eine Reihe von zweiten kleinen Löchern 49 in der unteren Isolierpackung 47, durch die zweiten Rillen 48 und den Heliumkanal 21 in dem Rohr 2 aufgrund der natürlichen Konvektion in einem Zentrifugalkraftfeld. Um die supraleitende Feldwicklung 3 findet ein Kurz schluß von Helium statt. Ein solcher Kurzschluß des Heliums wird jedoch durch Helium kompensiert, das in den Bereich durch die Öffnung 20, die Spalte im Keil 19, die ersten kleinen Löcher 46 in der oberen Isolier packung 44 und die ersten Rillen 45 in der oberen Iso lierpackung 44 strömt. Ein Teil des Heliums, der der Wärmeausdehnung unterworfen worden ist, wird in dem Heliumspeicherabschnitt 15 verdampft, wodurch die Temperatur des Heliums herabgesetzt wird. Das gekühlte Helium wird dem Bereich, der die supraleitende Feld wicklung umgibt, durch einen weiteren Heliumkanal 21, die zweiten Rillen 48 in der unteren Isolierpackung 47 und die zweiten kleinen Löcher 49 in der Packung 47 zugeführt. Das Helium strömt weiter durch die ersten Rillen 45 in der oberen Isolierpackung 44, die ersten kleinen Löcher 46, die engen Spalte im Keil 49 gegen die Öffnungen 20. Auf diese Weise kühlt eine sanfte natürliche Konvektion des Heliums die Wicklung 3 und hält die Temperatur derselben bei der Sprungtemperatur oder darunter.

Fig. 11 zeigt die sechste Ausführungsform der vor liegenden Erfindung.

Der Aufbau der sechsten Ausführungsform ist im wesent lichen der gleiche wie der der fünften Ausführungsform, die in Fig. 10 gezeigt ist, jedoch hat die untere Iso lierpackung 47 eine Oberfläche, die in Berührung mit der supraleitenden Feldwicklung 3 ist und in der mehrere zweite Rillen 48 in axialer Richtung in Bezug auf die axiale Mitte des Rotors und in Umfangsrichtung der Wicklung 3 ausgebildet sind. Mit 49 sind mehrere zweite kleine Löcher bezeichnet, die in den zweiten Rillen 48 ausgebildet sind, wobei einige der kleinen Löcher mit den Heliumkanälen 21 in dem die Wicklung tragenden Rohr 2 in Verbindung stehen.

Die Funktion und die Wirkungsweise der sechsten Aus führungform sind dieselben, wie die der fünften Aus führungsform der Erfindung.

Fig. 12 zeigt die siebente Ausführungsform der vor liegenden Erfindung. In der siebenten Ausführungsform ist die Seite der oberen Isolierpackung 44, die ent gegengesetzt zur Seite ist, die die ersten Rillen 45 in Axialrichtung in Bezug auf die axiale Mitte und die Umfangsrichtung der Wicklung 3 aufweist, d.h. die Seite ohne die ersten Rillen 45 in Berührung mit der supraleitenden Feldwicklung 3, und die Seite der unteren Isolierpackung 47, die entgegengesetzt zur Seite ist, die die zweiten Rillen 48 in axialer Rich tung und in Umfangsrichtung trägt, d.h. die Seite ohne die zweiten Rillen 48 in Berührung mit der Wicklung 3. Mehrere erste kleine Löcher 46 sind in den ersten Rillen 45 ausgebildet, wobei einige dieser ersten kleinen Löcher 46 mit den Spalten im Teil 19 in Verbin dung sind. In gleicher Weise sind mehrere zweite kleine Löcher 49 in den zweiten Rillen 48 ausgebildet, wobei einige dieser zweiten kleinen Löcher 49 mit den Heliumkanälen 21 in Verbindung stehen, die in dem die Wicklung tragenden Rohr 2 ausgebildet sind. Dement sprechend erfüllt die siebente Ausführungsform die gleiche Funktion und hat die gleiche Wirkung, wie die fünften und sechsten Ausführungsformen.

Fig. 13 zeigt die achte Ausführungsform der vorliegen den Erfindung.

Bei der achten Ausführungsform ist die Seite der oberen Isolierpackung 44, in der die ersten Rillen 45 in Axialrichtung in Bezug auf das Rohr 2 und in Um fangsrichtung der Wicklung 3 ausgebildet sind, in Be rührung mit der Wicklung 3, und die Seite der unteren Isolierpackung 47, die die zweiten Rillen 48 aufweist, die in Axialrichtung und in Umfangsrichtung ausgebildet sind, berührt die Wicklung 3. Mehrere kleine Löcher 46 sind in den ersten Rillen 45 ausgebildet, und mehrere kleine Löcher 49 sind in zweiten Rillen 48 der unteren Isolierpackung 47 ausgebildet, wobei einige der kleinen Löcher 46 und 49 mit den kleinen Spalten im Keil 19 bzw. mit den Heliumkanälen 21 in Strömungsverbindung sind. Dementsprechend sind die Funktion und die Wir kungsweise der achten Ausführungsform die gleichen wie bei den fünften bis siebenten Ausführungsformen der Erfindung.

Fig. 14 zeigt die oberen und unteren Isolierpackungen bei den fünften bis achten Ausführungsformen der vor liegenden Erfindung in Draufsicht gesehen.

In Übereinstimmung mit den fünften bis achten Ausfüh rungsformen der vorliegenden Erfindung sind die oberen und unteren Isolierpackungen also jeweils mit einer Oberfläche versehen, in der wenigstens eine Rille in axialer Richtung des die Wicklung tragenden Rohres und mit wenigstens einer Rille versehen, die in Umfangs richtung der Wicklung verläuft, sowie mit mehreren kleinen Löchern, die in den Rillen derart ausgebildet sind, daß sie mit der anderen Oberfläche in Verbindung stehen. Weiterhin liegen die Oberflächen mit den Rillen auf der gleichen oder auf der entgegengesetzten Seite in Bezug auf die supraleitende Feldwicklung. Dem entsprechend fließt Helium sowohl in axialer Richtung als auch in Umfangsrichtung, so daß die in der Wicklung 3 erzeugte Wärme wirksam abgeführt werden kann, wodurch die Kühleigenschaften der Wicklung verbessert werden.

Die Fig. 15 bis 20 zeigen die neunte Ausführungsform eines Aufbaus zum Kühlen der supraleitenden Feldwick lung nach der vorliegenden Erfindung. In den Figuren bezeichnen die Bezugszeichen 2, 3, 6, 15, 16, 17, 19, 20 und 21 die gleichen oder entsprechenden Teile wie die Fig. 1 bis 16.

In Fig. 15 bezeichnet das Bezugszeichen 33 eine obere Lage einer unteren Isolierpackung. Die obere Lage 33 ist mit der unteren Umfangsfläche der supraleitenden Feldwicklung 3 in Berührung. Mit 32 ist eine untere Lage der unteren Isolierpackung bezeichnet. Die untere Lage 32 der unteren Isolierpackung ist mit Durchgangs löchern 32 a versehen, die sich in radialer Richtung in Bezug auf das die Feldwicklung tragende Rohr 2 derart erstrecken, daß sie mit den Heliumkanälen in Strömungs verbindung stehen, die in dem genannten Rohr 2 ausge bildet sind. Die obere Lage 33 der unteren Isolier packung ist mit wenigstens einer ersten Rille 33 a ver sehen, die in ihrer Unterseite derart ausgebildet ist, daß sie sich in axialer Richtung in Bezug auf das Rohr 2 erstreckt und mit den Durchgangslöchern 32 a der unteren Lage 32 in Verbindung steht. Zweite Rillen 33 b sind in ihrer Unterseite derart ausgebildet, daß sie die ersten Rillen 33 a kreuzen und in Querrichtung gegenüber den sich radial erstreckenden Durchgangs löchern 32 a der unteren Lage 32 verschoben sind. Durch gangslöcher 33 c, die sich in radialer Richtung in Bezug auf das Rohr 2 erstrecken, sind ebenfalls in ihr ausgebildet und stehen mit den zweiten Rillen 33 b in Verbindung. Fig. 17 ist eine Draufsicht auf die obere Lage 33; Fig. 18 ist eine Querschnittsdarstellung der oberen Lage 33; Fig. 19 ist eine Draufsicht auf die untere Lage und Fig. 20 ist eine Querschnittsdarstel lung der unteren Lage.

Da bei der beschriebenen Konstruktion die sich radial erstreckenden Durchgangslöcher 33 c der oberen Lage 33 in Axialrichtung des Rotors gegenüber den sich radial erstreckenden Durchgangslöchern 32 a der unteren Lage verschoben sind, stehen beide Durchgangslöcher 33 c und 32 a miteinander über die ersten und zweiten Rillen in Verbindung, die in der Unterseite der oberen Lage der unteren Isolierpackung ausgebildet sind, wobei die Kriechstrecke für die elektrische Isolation der unteren Isolierpackung gesteigert werden kann, ohne die Dicke der Packung zu vergrößern. Dementsprechend kann das Volumen der unteren Isolierpackung relativ klein sein und das Volumen der supraleitenden Feldwicklung 3 relativ groß sein, wodurch die Leistungsfähigkeit der Wicklung gesteigert werden kann.

Die Fig. 21 bis 26 zeigen die zehnte Ausführungs form der vorliegenden Erfindung. In diesen Figuren werden die gleichen Bezugszeichen wie in den Fig. 15 bis 20 für die gleichen Teile verwendet. In Fig. 21 bezeichnet ein Bezugszeichen 35 eine untere Lage der oberen Isolierpackung. Die untere Lage 35 ist in Be rührung mit der oberen Umfangsfläche der supraleiten den Feldwicklung 3. Mit 36 ist eine obere Lage der oberen Isolierpackung bezeichnet.

In der zehnten Ausführungsform ist die obere Lage 36 der oberen Isolierpackung mit Durchgangslöchern 36 a versehen, die sich in radialer Richtung in Bezug auf das Rohr 2 erstrecken. Die untere Lage 35 der oberen Isolierpackung ist mit wenigstens einer ersten Rille 35 a versehen, die sich in axialer Richtung in Bezug auf die axiale Mitte des Rotors derart erstreckt, daß sie mit den sich radial erstreckenden Durchgangslöchern 36 a der oberen Lage 36 in Verbindung ist, wobei sich wenigstens eine zweite Rille 35 b in Umfangsrichtung der Wicklung 3 erstreckt und die erste Rille 35 a kreuzt und mehrere Durchgangslöcher 35 c in den zweiten Rillen ausgebildet sind, die sich in radialer Richtung erstrecken. Durch Übereinanderlegen der oberen und unteren Lagen der oberen Isolierpackung werden ge schlängelt verlaufende Heliumkanäle in der Packung aus gebildet. Die sich radial erstreckenden Durchgangs löcher 35 c in der oberen Lage stehen mit kleinen Spalten im Keil 19 in Verbindung.

Die Funktion und die Wirkungsweise der zehnten Aus führungsform sind im wesentlichen die gleichen, wie bei der neunten Ausführungsform.

Claims

1. Rotor für eine supraleitende, umlaufende elektrische Maschine, gekennzeichnet durch ein wicklungstragendes Rohr (2), eine supraleitende Feldwicklung (3) aus einem supraleitenden Draht (3 a), der um das wick lungstragende Rohr (2) in mehreren Windungen und Lagen gewunden ist, mit Windungsisolatoren (25) zwischen nebeneinanderliegenden Drahtwindungen und Lagenisolatoren (26) zwischen übereinanderliegenden Lagen von Drahtwindungen, wobei die Windungsisola toren (25) und/oder die Lagenisolatoren (26) aus einem gerillten oder mit Löchern versehenen Material bestehen.

2. Rotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das gerillte Isoliermaterial und das mit Löchern versehene Isoliermaterial aus einer glasfaserver stärkten Epoxylaminatplatte besteht.

3. Rotor für eine supraleitende, umlaufende elektrische Maschine, gekennzeichnet durch ein eine Wicklung (3) tragendes Rohr (2), eine supraleitende Feldwicklung (3), die in einem in dem die Wicklung tragenden Rohr (2) ausgebildeten Schlitz (17) gehalten ist, wobei obere und untere Isolierpackungen (44, 47) jeweils auf den äußeren und inneren Umfangsflächen der supraleitenden Wicklung (3) angeordnet sind, wobei jede der genannten oberen und unteren Isolierpac kungen (44, 47) eine Fläche aufweisen, in der wenig stens eine Rille (45 oder 48) in axialer Richtung des die Wicklung tragenden Rohres (2) verläuft und wenigstens eine Rille (45 oder 48) aufweisen, die in Umfangsrichtung der Wicklung (3) verläuft, und mehrere Löcher (46, 49) in den Rillen (45, 48) derart ausgebildet sind, daß sie mit der anderen Seite der Isolierpackungen in Verbindung sind.

4. Rotor für eine supraleitende, umlaufende elektrische Maschine mit einem eine Wicklung (3) tragenden Rohr (2), einer supraleitenden Feldwicklung (3), die in einem in dem die Wicklung tragenden Rohr ausge bildeten Schlitz gehalten ist, und einem isolieren den Füller, der in einen freien Raum in dem Schlitz (17) eingepaßt ist, um die Wicklung festzuhalten, wobei entweder eine obere Isolierpackung oder eine untere Isolierpackung auf der äußeren Umfangsfläche oder der inneren Umfangsfläche der supraleitenden Feldwicklung (3) in Bezug auf die radiale Richtung des die Wicklung tragenden Rohres (2) angeordnet ist, wobei die obere oder untere Isolierpackung eine obere Lage (33, 36) und eine untere Lage (32, 35) enthält, die in radialer Richtung übereinanderliegen, und wenigstens ein winkelig verlaufender Helium zuführkanal in den übereinanderliegenden oberen und unteren Lagen ausgebildet ist.

5. Rotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die obere Lage (33) der unteren Isolierpackung in Berührung mit der Unterseite der supraleitenden Feldwicklung (3) ist, und die untere Lage (32) der unteren Isolierpackung in Berührung mit dem die Wicklung tragenden Rohr (2) ist, und daß die untere Lage (32) mit einem Durchgangsloch (32 a) versehen ist, das sich in radialer Richtung in Bezug auf das die Wicklung tragende Rohr (2) erstreckt und das mit der ersten Rille (33 a) der oberen Lage (33) und einem Heliumkanal (31) in Verbindung ist, der in dem die Wicklung tragenden Rohr (2) ausgebildet ist, um Helium zuzuführen, und daß die obere Lage (33) mit einer ersten Rille (33 a) versehen ist, die in ihrer Unterseite ausgebildet ist und sich in axialer Richtung des die Wicklung tragenden Rohres erstreckt und mit dem Durchgangsloch (32 a) der unteren Lage in Verbindung ist, daß eine zweite Rille (33 b) in ihrer Unterseite derart ausgebildet ist, daß sie die erste Rille (33 a) kreuzt und in Querrichtung von dem sich radial erstreckenden Durchgangsloch (32 a) der unteren Lage (32) ver schoben ist, und daß ein Durchgangsloch (32 c), das sich in radialer Richtung in Bezug auf das die Feld wicklung tragende Rohr (2) erstreckt, mit der zweiten Rille (33 b) in Verbindung steht.

6. Rotor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die obere Lage (36) der oberen Isolierpackung in Berührung mit einem Keil (19) ist, der im oberen Abschnitt des Schlitzes (17) angeordnet ist, und daß die untere Lage (35) der oberen Isolierpackung in Berührung mit der Oberseite der supraleitenden Feldwicklung (3) ist, und daß die untere Lage (36) mit einem Durchgangsloch versehen ist, das sich in radialer Richtung in Bezug auf das die Wicklung tragende Rohr (2) erstreckt, eine erste Rille (35 b) in Umfangsrichtung der supraleitenden Feldwicklung (3) derart erstreckt, daß sie in Verbindung mit dem sich in radialer Richtung erstreckenden Durchgangs loch (35 c) ist, und eine zweite Rille (35 a) in ihrer Oberseite in axialer Richtung in Bezug auf das Rohr derart ausgebildet ist, daß sie die erste Rille (35 b) kreuzt, und die obere Lage (36) der oberen Isolierpackung mit einem Durchgangsloch (36 a) versehen ist, das sich in radialer Richtung in Bezug auf das die Wicklung tragende Rohr (2) erstreckt und mit einem Heliumkanal (19 a) in Ver bindung ist, der in dem Keil (19) ausgebildet ist.