DE3706437A1 - Supraleitende, umlaufende elektrische maschine - Google Patents
Supraleitende, umlaufende elektrische maschineInfo
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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 (6)
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.
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