EP3123601A2 - Isotherme abstützung und vakuumbehälter für supraleitende wicklungen in rotierenden maschinen - Google Patents

Isotherme abstützung und vakuumbehälter für supraleitende wicklungen in rotierenden maschinen

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Publication number
EP3123601A2
EP3123601A2 EP15741802.1A EP15741802A EP3123601A2 EP 3123601 A2 EP3123601 A2 EP 3123601A2 EP 15741802 A EP15741802 A EP 15741802A EP 3123601 A2 EP3123601 A2 EP 3123601A2
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EP
European Patent Office
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vacuum
rotor body
wall
vacuum container
pair
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP15741802.1A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Otto Batz
Michael Frank
Jörn GRUNDMANN
Anne Bauer
Peter Kummeth
Peter Van Hasselt
Dietmar Bayer
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Voith Patent GmbH
Siemens AG
Original Assignee
Voith Patent GmbH
Siemens AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Voith Patent GmbH, Siemens AG filed Critical Voith Patent GmbH
Publication of EP3123601A2 publication Critical patent/EP3123601A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H02K3/34—Windings characterised by the shape, form or construction of the insulation between conductors or between conductor and core, e.g. slot insulation
    • H02K3/345—Windings characterised by the shape, form or construction of the insulation between conductors or between conductor and core, e.g. slot insulation between conductor and core, e.g. slot insulation
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K55/00—Dynamo-electric machines having windings operating at cryogenic temperatures
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    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
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    • H02K3/00—Details of windings
    • H02K3/46—Fastening of windings on the stator or rotor structure
    • H02K3/50—Fastening of winding heads, equalising connectors, or connections thereto
    • H02K3/51—Fastening of winding heads, equalising connectors, or connections thereto applicable to rotors only
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    • H02K9/00—Arrangements for cooling or ventilating
    • H02K9/22—Arrangements for cooling or ventilating by solid heat conducting material embedded in, or arranged in contact with, the stator or rotor, e.g. heat bridges
    • H02K9/225—Heat pipes
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    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E40/00—Technologies for an efficient electrical power generation, transmission or distribution
    • Y02E40/60—Superconducting electric elements or equipment; Power systems integrating superconducting elements or equipment

Definitions

  • the present invention relates to a rotating machine according to the preamble of the main claim and a method for its production according to the preamble of the first independent claim and associated method for cooling a corresponding rotating machine.
  • cryogenic or cold superconducting windings in rotating machines in particular synchronous generators or synchronous motors
  • warm motor thorns basically results in the need to accommodate each winding in a vacuum vessel in order to allow a sufficiently good thermal insulation in the first place.
  • the forces acting on the winding in the respective application must be reliably transmitted from the cold winding to the warm wall of the vacuum container which is at or above the room temperature.
  • Such attacking forces may be, for example, magnetic forces or centrifugal forces, or also occur in accidents, which must be considered.
  • thermally poorly conducting materials are used for corresponding support or tension elements between a single winding and its vacuum envelope.
  • Such materials may be, for example titanium or preferably glass fiber reinforced plastics (GRP).
  • GFP glass fiber reinforced plastics
  • a rotary machine in particular a synchronous machine, having cold superconducting windings positioned in a warm soft magnetic rotor body, wherein at least two windings between two adjacent soft magnetic pole bodies are positioned adjacent to each other for thermal insulation in a common pair vacuum tank by means of support elements are fixed, and the at least two windings are connected to each other at their two sides facing each other isothermally by means of at least one common support and / or tension element.
  • the superconducting winding may be referred to as “cold” and the soft-magnetic rotor body and the wall of the vacuum vessel may be referred to as “warm”.
  • Cold here means having a temperature close to the operating temperature of the superconductor and “warm” here means having a temperature greater than or equal to room temperature.
  • Connecting isothermally means, in particular, that two elements, in particular windings, are mechanically coupled to one another and / or mechanically connected to one another such that both elements have the same temperature, in particular in the region of a bridge providing the isothermal connection or one that is isothermal Connect providing link, have. It takes place in this way no heat transfer by means of heat conduction between the both elements, since a temperature profile from one to the other element is constant.
  • a rotating machine may comprise a soft-magnetic rotor body having a plurality of soft-magnetic pole bodies on a soft-magnetic support body (yoke).
  • a soft magnetic material for example, iron, steel, nickel-iron or cobalt-iron alloys can be used. Between two soft magnetic pole bodies in each case two windings are positioned adjacent to each other. Between two soft magnetic pole bodies, a spacing region may be formed in the form of a groove.
  • Polar bodies may be formed as pole teeth or as a pole shoe-pole core combination.
  • Single and pair vacuum containers in a rotor body may have outer and inner radii to the axis of rotation thereof.
  • Windings a complicated shape of the entire vacuum container or vacuum vessel, in particular in the field of winding heads.
  • a method is proposed for producing a rotating machine, in particular a synchronous machine, having cold superconducting windings positioned in a hot soft magnetic rotor body, two windings each positioned adjacent to each other between two adjacent soft magnetic pole bodies for thermal insulation in a common Pair of vacuum containers are fixed by means of support elements, and the two windings are connected to one another at their two mutually facing sides by means of at least one common support and / or Buchele- element with each other.
  • a method of cooling a rotary machine wherein the heat generated by regions of a soft magnetic rotor body enclosed in an overall vacuum vessel is dissipated by heat conduction and / or heat radiation to an inner wall of a hollow cylinder.
  • all pair of vacuum containers of a common total vacuum container or total vacuum vessel can be replaced by this includes all pair vacuum container volume and additionally at least parts of the soft magnetic rotor body.
  • the respective pair of vacuum containers can be provided by forming a vacuum-tight connecting channel between the two
  • Winding enclosing individual vacuum containers are generated, wherein the connecting channel receives the common support and / or tension element.
  • the respective pair of vacuum containers can be produced by removing two intermediate walls between the two individual vacuum containers respectively enclosing a winding, wherein the two vacuum container parts resulting therefrom have been connected to one another in a vacuum-tight manner.
  • the overall vacuum container may be in the form of an outer wall and an inner wall having a hollow cylinder, which may be closed in the region of the base surfaces by means of annular cover.
  • the radius of the outer wall of the hollow cylinder may equal or correspond to an outer radius of the pair of vacuum containers.
  • the radius of the outer wall can be adapted in such a way that outer regions of polar bodies, in particular pole caps or pole shoes, are not contained in the overall vacuum container.
  • the radius of the outer wall of the hollow cylinder may equal or correspond to an outer radius of polar bodies of the rotor body.
  • the outer wall of the hollow cylinder is provided in such a way that outer regions of polar bodies, in particular pole caps or pole shoes, are contained in the overall vacuum container.
  • the radius of the inner wall of the hollow cylinder may correspond or equal to an inner radius of the pair of vacuum containers.
  • a yoke of soft magnetic material or a soft magnetic support body is not included in the overall vacuum container.
  • the radius of the inner wall of the hollow cylinder can correspond or equal to an inner radius of a soft magnetic support body of the rotor body.
  • a yoke of soft magnetic material or a corresponding support body of the rotor body in the overall vacuum container which may also be referred to as a total vacuum vessel, included.
  • the heat generated by the areas enclosed in the total vacuum container areas of the soft magnetic rotor body can be derived by air cooling of the outer wall of the hollow cylinder.
  • the heat generated by the areas enclosed in the total vacuum container areas of the soft magnetic rotor body can be derived by means of arranged on the rotor body circulation cooling with coolant in reaching the areas of the pipes.
  • the material of the overall vacuum container may be magnetic adjacent to the region of the soft magnetic rotor body.
  • the areas of the soft magnetic rotor body may also be referred to as "cut".
  • FIG. 1 shows an embodiment of a conventional rotating machine, wherein FIG. 1b shows an enlarged view of two individual vacuum containers of a cross-section according to FIG.
  • Figure 2a shows a first embodiment of a rotating machine according to the invention in cross section
  • Figure 2b is an enlargement of Figure 2a
  • FIG. 3 shows a second embodiment of a rotating machine according to the invention
  • FIG. 4 a representation of an overall vacuum container according to the invention
  • Figure 5 shows an embodiment of an inventive
  • FIG. 6 a representation of a cooling method according to the invention.
  • 1 a shows an embodiment of a conventional rotating machine 1.
  • the rotating machine 1 shown has a warm, soft-magnetic rotor body 3 in which cold superconducting windings 9 are each thermally insulated in a separate individual vacuum container 5 by means of support elements 7 (see FIG are positioned.
  • the soft magnetic rotor body 3 consists of a soft magnetic support body 21, which may also be referred to as a yoke, and of polar bodies 11, which may also be produced from the weichmagneti- see material.
  • the stator of the rotating machine 1 is identified by the reference numeral 2.
  • FIG. 1b shows an enlarged section of FIG. 1a with reference to two separate individual vacuum containers 5, which are positioned in the rotor body 3 and transmit forces of the windings 9 to the rotor body 3 by means of supporting elements 7 or supporting and / or pulling elements 7.
  • FIG. 2a shows a first embodiment of a rotating machine 1 according to the invention.
  • Identical elements to FIGS. 1a designate the same elements of a rotating machine 1.
  • one another adjacent positioned windings 9 creates a common pair vacuum tank 13.
  • the two windings 9 are connected to one another at their two mutually facing sides by means of a common support and / or tension element 7a. This is shown in particular in FIG. 2b, in which support elements 7 and 7a are shown.
  • FIG. 2 a shows, in particular, that in the case of synchronous machines 1 with a high number of poles, the magnetic forces of a single winding 9 in normal operation are directed essentially towards the soft-magnetic material.
  • the two deep-cold windings 9 are isothermal in this area with a common support and / or tension element 7a to connect together and thus completely save the previously incurred heat input. For this purpose, it is only necessary to connect the previously separate for each individual winding 9 individual vacuum container 5.
  • individual connections can be opened by corresponding openings in the two warm walls of the original individual sections.
  • Vacuum containers 5 are generated, which can be connected again vacuum-tight with, for example, a connecting pipe.
  • FIG. 2b shows a further alternative in which a support of two adjacent winding parts 9 of different windings 9 is advantageous, wherein the double warm wall between the original individual vacuum containers 5 is completely omitted, with the resulting vacuum vessel parts or vacuum container parts again at a suitable location must be connected according vacuum-tight. The latter can be carried out in particular by means of suitable weld-in parts.
  • FIG. 3 shows a second exemplary embodiment of a rotating machine 1 according to the invention.
  • FIG. 3 shows that all the pair of vacuum containers 13, for example according to FIG. 2 a, can be replaced by a common overall vacuum container 15.
  • a particular embodiment is an overall vacuum container 15 of a hollow cylinder having an outer wall 17 and an inner wall 19, as shown in FIG. 4, which can be closed in the region of its base surfaces by means of annular lids 20.
  • the radius Rai of the outer wall 17 of the hollow cylinder is adapted to an outer radius of the pair of vacuum containers 13.
  • the radius Ril of the inner wall 19 of the hollow cylinder corresponds to an inner radius of the pair of vacuum containers 13. According to FIG.
  • FIG. 3 additionally shows a further exemplary embodiment, in which additionally a radius Ra2 of the outer wall 17 of the hollow cylinder according to FIG. 4 is shown, which equals an outer radius of polar bodies 11 of the rotor body 3.
  • FIG. 3 likewise represents the embodiment in which the radius Ri2 of the inner wall 19 of the hollow cylinder according to FIG. 4 corresponds to an inner radius of a support body 21 of the rotor body 3.
  • outer portions of the pole bodies 11 and the support body 21 are contained in the overall vacuum tank 15.
  • the radius Rai and the radius Ra2 are shown as dashed lines.
  • FIG. 4 shows a graphic simplification of the illustration according to FIG. 3.
  • FIG. 4 shows that an overall vacuum container 15 can be closed in the area of its base by means of annular lids 20.
  • FIG. 4 shows that, when the warm, soft-magnetic material is at least partially placed inside the vacuum container, a considerable simplification in the design of the vacuum container is possible.
  • topologically a double-walled hollow cylinder can result, which has either been flanged at both ends with annular covers or sealed with comparatively short welds.
  • the material for the vacuum wall in the areas where the soft magnetic rotor material has been "cut” can be made of a magnetic material to minimize the length of the magnetic air gap.
  • FIG. 5 shows an exemplary embodiment of a method according to the invention for producing a rotating machine 1.
  • Cold superconducting windings 9 are to be positioned by means of supporting elements 7 in a warm, soft-magnetic rotor body 3.
  • 5 respective pair vacuum container 13 can be generated from originally trained single vacuum containers (step Sl).
  • step Sl two windings 9 positioned adjacent to one another between two soft-magnetic pole bodies 11 can be fixed in a respective common pair vacuum container 13 by means of support elements 7.
  • the two windings 9 can be connected to one another at their two mutually facing sides by means of a common support and / or tension element 7a.
  • FIG. 6 is an illustration for cooling a rotary machine 1 during its operation.
  • Tl represents that the heat generated by regions of a soft-magnetic rotor body 3 enclosed in an overall vacuum container 15 is dissipated by heat conduction and / or heat radiation to an inner wall 19 of a hollow cylinder.
  • T2 illustrates that the heat generated by the regions of the soft magnetic rotor body 3 enclosed in the overall vacuum container 15 is dissipated by means of air cooling from an outer wall 17 of the hollow cylinder. Cooling can also be derived by means of a circulation cooling, not shown, arranged on the rotor body 3 with coolants in pipes reaching to the regions.
  • FIG. 6 shows that the warm, soft-magnetic material displaced into the vacuum space dissipates the heat arising therefrom For example, from the iron losses or possible damper rods and the like, should be able to dissipate suitable. Depending on the level of these losses, this heat dissipation can be realized, for example by means of heat conduction and / or heat radiation to the inner vacuum wall 19, followed by, for example, air cooling on the outside of the vacuum vessel.
  • Another embodiment is an active or passive circulation cooling system arranged on the rotor body 3 with coolant in tubes which reach into or onto the vacuum space and thus to the soft magnetic material to be cooled, and transport the heat generated therefrom out of the insulated area and to another Give the job.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
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  • Motor Or Generator Cooling System (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft eine rotierende Maschine (1), insbesondere eine Synchronmaschine, mit in einem warmen weichmagnetischen Rotorkörper (3) positionierten kalten supraleitenden Wicklungen (9). Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass jeweils zwei zwischen zwei benachbarten weichmagnetischen Polkörpern (11) zueinander benachbart positionierte Wicklungen (9) zur thermischen Isolierung in einem gemeinsamen Paar-Vakuumbehälter (13) mittels Stützelementen (7) fixiert sind und die zwei Wicklungen (9) an deren beiden zueinander zugewandten Seiten mittels mindestens eines gemeinsamen Stütz- und/oder Zugelements (7a) miteinander isotherm verbunden sind.

Description

Beschreibung
Isotherme AbStützung und Vakuumbehälter für supraleitende Wicklungen in rotierenden Maschinen
Die vorliegende Erfindung betrifft eine rotierende Maschine gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs und ein Verfahren zu dessen Herstellung gemäß dem Oberbegriff des ersten Nebenanspruchs sowie dazugehörige Verfahren zur Kühlung einer ent- sprechenden rotierenden Maschine.
Bei der Verwendung von tiefkalten beziehungsweise kalten supraleitenden Wicklungen in rotierenden Maschinen, insbesondere Synchrongeneratoren oder Synchronmotoren, mit warmen Motorei- sen ergibt sich grundsätzlich die Notwendigkeit, jede Wicklung in einem Vakuumgefäß unterzubringen, um eine hinreichend gute thermische Isolierung überhaupt erst zu ermöglichen. Die in der jeweiligen Anwendung an der Wicklung angreifenden Kräfte müssen dabei von der kalten Wicklung an die auf Raum- temperatur oder darüber befindliche warme Wand des Vakuumbehälters sicher übertragen werden. Derartige angreifende Kräfte können beispielsweise magnetische Kräfte oder Fliehkräfte sein, oder ebenso bei Störfällen auftreten, die berücksichtigt werden müssen.
Herkömmlicherweise kommen deshalb für entsprechende Stütz - oder Zugelemente zwischen einer einzelnen Wicklung und deren Vakuumhülle thermisch schlecht leitende Materialien zum Einsatz. Derartige Materialien können beispielsweise Titan oder bevorzugt glasfaserstärkte Kunststoffe (GFK) sein. Ein hierfür erforderlicher Materialquerschnitt dieser Stütz- oder Zugelemente und entsprechend die unerwünschte Wärmeleitung skaliert letztlich mit der Größe der Kräfte, die relativ zur warmen Wand abgestützt werden müssen.
Es ist Aufgabe der Erfindung bei einer rotierenden Maschine, insbesondere einer Synchronmaschine, mit kalten supraleitenden Wicklungen, die zur thermischen Isolierung jeweils in ei- nem Vakuumbehälter in einem warmen weichmagnetischen Rotorkörper positioniert sind, bei einer jeweiligen Anwendung an einer jeweiligen Wicklung angreifende Kräfte von der Wicklung an eine warme Wand eines jeweiligen Vakuumbehälters sicher zu übertragen. Des Weiteren soll die Bauform der Vakuumbehälter wirksam vereinfacht werden.
Die Aufgabe wird durch eine rotierende Maschine gemäß dem Hauptanspruch, sowie mittels Verfahren der beiden Nebenan- Sprüche gelöst.
Gemäß einem ersten Aspekt wird eine rotierende Maschine, insbesondere eine Synchronmaschine, beansprucht, mit in einem warmen weichmagnetischen Rotorkörper positioniertem kalten supraleitenden Wicklungen, wobei jeweils mindestens zwei zwischen zwei benachbarten weichmagnetischen Polkörpern zueinander benachbart positionierte Wicklungen zur thermischen Isolierung in einem gemeinsamen Paar-Vakuumbehälter mittels Stützelementen fixiert sind, und die mindestens zwei Wicklun- gen an deren beiden zueinander zugewandten Seiten mittels mindestens eines gemeinsamen Stütz- und/oder Zugelements miteinander isotherm verbunden sind.
Die supraleitende Wicklung kann als „kalt" und der weichmag- netische Rotorkörper und die Wand des Vakuumbehälters können als „warm" bezeichnet werden. „Kalt" bedeutet hier eine Temperatur nahe der Betriebstemperatur des Supraleiters aufweisend und „warm" bedeutet hier eine Temperatur größer oder gleich Raumtemperatur aufweisend.
Isotherm verbinden bedeutet hier insbesondere, dass zwei Elemente, und zwar hier insbesondere Wicklungen, derart miteinander mechanisch gekoppelt und/oder mechanisch aneinander angeschlossen sind, dass beide Elemente eine gleiche Tempera- tur, insbesondere im Bereich einer das isotherme Verbinden bereitstellenden Brücke oder eines das isotherme Verbinden bereitstellenden Bindeglieds, aufweisen. Es erfolgt auf diese Weise kein Wärmeübergang mittels Wärmeleitung zwischen den beiden Elementen, da ein Temperaturverlauf von einem zum anderen Element konstant ist.
Eine rotierende Maschine kann einen weichmagnetischen Rotor- körper umfassen, der auf einem weichmagnetischen Tragekörper (Joch) eine Vielzahl von weichmagnetischen Polkörpern aufweist. Als weichmagnetisches Material kann beispielsweise Eisen, Stahl, Nickel -Eisen- oder Kobalt-Eisen-Legierungen verwendet werden. Zwischen zwei weichmagnetischen Polkörpern sind jeweils zwei Wicklungen zueinander benachbart positioniert. Zwischen zwei weichmagnetischen Polkörpern kann ein Abstandsbereich in Form einer Nut ausgebildet sein. Polkörper können als Polzähne oder als Polschuh-Polkern-Kombination ausgebildet sein.
Einzel- und Paar-Vakuumbehälter in einem Rotorkörper können zu dessen Rotationsachse Außen- und Innenradien aufweisen.
Erfindungsgemäß ist erkannt worden, dass in einer Anordnung kalter Wicklungen um einen auf Raumtemperatur befindlichen Rotorkörper - und zwar mit einem magnetischen Polkörper pro Wicklung - benachbarte Wicklungen sich direkt aneinander abstützen können. Vorteilhaft müssen deshalb im besten Fall, nämlich bei dem alle in entgegengesetzter Richtung auftreten- den Kräfte direkt mit entsprechenden kalten isothermen Verbindungen kompensierbar sind, lediglich die tatsächlich auftretenden Nettokräfte zwischen kaltem Wicklungssystem und warmen Rotoreisen übertragen werden. Zu den tatsächlich auftretenden Nettokräften gehört beispielsweise der auf Wick- lungssystem und Rotorkörper entfallende Anteil des Nennmoments. Erfindungsgemäß werden entsprechend reduzierte Materialquerschnitte für die hierfür noch benötigten Kalt-Warm- Verbindungen beziehungsweise Stützelementen mit entsprechend geringerer Wärmelast ermöglicht. Als unmittelbare vorteilhaf- te Folge sinkt ein Investitionsaufwand für die zugehörige Kühltechnik und deren Betriebskosten. Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, die herkömmlicherweise topologisch getrennten Vakuumbehälter einzelner Wicklungen, also getrennte Einzel -Vakuumbehälter, einer rotierenden Synchronmaschine mit Rotorwicklungen aus Hochtemperatursupralei - tern (HTS) und warmen Polkörpern zwecks direkter AbStützung mit geeigneten Öffnungen für Zug- und/oder Stützverbindungen untereinander zu verbinden. Je nach konkreter Ausführung entsteht hierdurch entweder eine Vielzahl von Einzelverbindungen oder bei einer vollständigen Verbindung der bislang getrenn- ten Einzel -Vakuumbehälter im geraden aktiven Bereich der
Wicklungen eine komplizierte Form des gesamten Vakuumbehälters beziehungsweise Vakuumgefäßes, und zwar insbesondere im Bereich der Wicklungsköpfe. Gemäß einem zweiten Aspekt wird ein Verfahren zur Herstellung einer rotierenden Maschine, insbesondere einer Synchronmaschine, vorgeschlagen, mit in einem warmen weichmagnetischen Rotorkörper positionierten kalten supraleitenden Wicklungen, wobei jeweils zwei zwischen zwei benachbarten weichmagneti - sehen Polkörpern zueinander benachbart positionierte Wicklungen zur thermischen Isolierung in einem gemeinsamen Paar- Vakuumbehälter mittels Stützelementen fixiert sind, und die zwei Wicklungen an deren beiden zueinander zugewandten Seiten mittels mindestens eines gemeinsamen Stütz- und/oder Zugele- ments miteinander isotherm verbunden werden.
Gemäß einem dritten Aspekt wird ein Verfahren zur Kühlung einer rotierenden Maschine vorgeschlagen, wobei die von in einem Gesamt-Vakuumbehälter eingeschlossenen Bereiche eines weichmagnetischen Rotorkörpers erzeugte Wärme mittels Wärmeleitung und/oder Wärmestrahlung an eine innere Wand eines Hohlzylinders abgeleitet wird.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen werden in Verbindung mit den Unteransprüchen beansprucht.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung können alle Paar- Vakuumbehälter von einem gemeinsamen Gesamt-Vakuumbehälter beziehungsweise Gesamt-Vakuumgefäß ersetzt werden, indem dieser alle Paar-Vakuumbehältervolumen und zusätzlich zumindest Teile des weichmagnetischen Rotorkörpers einschließt beziehungsweise umfasst. Es ist vorteilhaft erkannt worden, dass herkömmlicherweise das warme, das heißt auf Raumtemperatur oder darüber befindliche magnetische Eisen oder ein weichmagnetischer Rotorkörper außerhalb des Isoliervakuums für eine kalte Wicklung angebracht wird. Mittels der Einbeziehung des weichmagnetischen Materials, beispielsweise von Eisen, in den Vakuumbehälterraum vereinfacht sich die Bauform eines herkömmlichen Vakuumgefäßes erheblich und ermöglicht einfache Vakuumbehälter. Eine benötigte Gesamtlänge von hochvakuumdichten Löt- oder Schweißverbindungen ist wirksam kleiner und führt somit zu einer schnelleren und kostengünstigeren Ferti- gung gegenüber dem Stand der Technik. Besonders wirksam sind derartige Vorteile bei hochpoligen Rotationsmaschinen.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann der jeweilige Paar-Vakuumbehälter mittels Ausbilden eines vakuum- dichten Verbindungskanals zwischen den zwei jeweils eine
Wicklung umschließenden Einzel -Vakuumbehälter erzeugt werden, wobei der Verbindungskanal das gemeinsame Stütz- und/oder Zugelement aufnimmt . Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann der jeweilige Paar-Vakuumbehälter mittels Entfernen von zwei Zwischenwänden zwischen den zwei jeweils eine Wicklung umschließenden Einzel -Vakuumbehältern erzeugt werden, wobei die zwei daraus entstandenen Vakuumbehälterteile vakuumdicht miteinan- der verbunden wurden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann der Gesamt-Vakuumbehälter in Form eines eine äußere Wand und eine innere Wand aufweisenden Hohlzylinders ausgebildet sein, der im Bereich dessen Grundflächen mittels ringförmiger Deckel verschlossen sein kann. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann der Radius der äußeren Wand des Hohlzylinders einem Außenradius der Paar-Vakuumbehälter gleichen oder entsprechen. Der Radius der äußeren Wand kann dabei derart angepasst sein, dass äußere Bereiche von Polkörpern, insbesondere Polkappen oder Polschuhe, nicht im Gesamt-Vakuumbehälter enthalten sind.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann der Radius der äußeren Wand des Hohlzylinders einen Außenradius von Polkörpern des Rotorkörpers gleichen oder entsprechen. Die äußere Wand des Hohlzylinders ist dabei derart bereitgestellt, dass äußere Bereiche von Polkörpern, insbesondere Polkappen oder Polschuhe, in dem Gesamt-Vakuumbehälter enthalten sind.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann der Radius der inneren Wand des Hohlzylinders einen Innenradius der Paar-Vakuumbehälter entsprechen oder gleichen. Gemäß dieser Ausführungsform ist ein Joch aus weichmagnetischem Material beziehungsweise ein weichmagnetischer Tragekörper nicht in dem Gesamt-Vakuumbehälter enthalten.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann der Radius der inneren Wand des Hohlzylinders einem Innenradius ei- nes weichmagnetischen Tragekörpers des Rotorkörpers entsprechen oder gleichen. Gemäß dieser Ausführung ist ein Joch aus weichmagnetischem Material beziehungsweise ein entsprechender Tragekörper des Rotorkörpers in dem Gesamt-Vakuumbehälter, das ebenso als Gesamt-Vakuumgefäß bezeichnet werden kann, enthalten.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die von den im Gesamt-Vakuumbehälter eingeschlossenen Bereichen des weichmagnetischen Rotorkörpers erzeugte Wärme mittels Luft- kühlung von der äußeren Wand des Hohlzylinders abgeleitet werden . Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann die von den im Gesamt-Vakuumbehälter eingeschlossenen Bereichen des weichmagnetischen Rotorkörpers erzeugte Wärme mittels einer auf dem Rotorkörper angeordneten Umlaufkühlung mit Kühlmit- teln in an die Bereiche heranreichenden Rohren abgeleitet werden .
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann das Material des Gesamt-Vakuumbehälters angrenzend an den Bereich des weichmagnetischen Rotorkörpers magnetisch sein. Die Bereiche des weichmagnetischen Rotorköpers können ebenso als "geschnitten" bezeichnet werden.
Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen in Ver- bindung mit den Figuren näher beschrieben. Es zeigen:
Figur 1 ein Ausführungsbeispiel einer herkömmlichen rotierenden Maschine, wobei lb eine vergrößerte Darstellung zweier Einzel -Vakuumbehälter eines Quer- Schnitts gemäß Figur la darstellt;
Figur 2a ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen rotierenden Maschine im Querschnitt; Figur 2b eine Vergrößerung zur Figur 2a;
Figur 3 ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen rotierenden Maschine; Figur 4 eine Darstellung zu einem erfindungsgemäßen Gesamt- Vakuumbehälter ;
Figur 5 ein Ausführungsbeispiel für ein erfindungsgemäßes
Herstellungsverfahren;
Figur 6 eine Darstellung zu einem erfindungsgemäßen Kühl- verfahren . Figur la zeigt ein Ausführungsbeispiel einer herkömmlichen rotierenden Maschine 1. Die dargestellte rotierende Maschine 1 weist einen warmen, weichmagnetischen Rotorkörper 3 auf, in dem zur thermischen Isolierung jeweils in einem getrennten Einzel -Vakuumbehälter 5 mittels Stützelementen 7 (siehe Figur lb) kalte supraleitende Wicklungen 9 positioniert sind. Der weichmagnetische Rotorkörper 3 besteht aus einem weichmagnetischen Tragkörper 21, der ebenso als Joch bezeichnet werden kann, und aus Polkörpern 11, die ebenso aus dem weichmagneti- sehen Material erzeugt sein können. Der Stator der rotierenden Maschine 1 ist mit dem Bezugszeichen 2 gekennzeichnet.
Figur lb zeigt einen vergrößerten Abschnitt aus Figur la mit Bezug auf zwei getrennte Einzel -Vakuumbehälter 5, die in dem Rotorkörper 3 positioniert sind und mittels Stützelementen 7 beziehungsweise Stütz- und/oder Zugelementen 7 Kräfte der Wicklungen 9 auf den Rotorkörper 3 übertragen.
Figur 2a zeigt ein erstes erfindungsgemäßes Ausführungsbei - spiel einer rotierenden Maschine 1. Gleiche Elemente zu den Figuren la bezeichnen gleiche Elemente einer rotierenden Maschine 1. Im Unterschied zum Stand der Technik gemäß Figur la und lb wird nun für jeweils zwei zwischen zwei weichmagnetischen Polkörpern 11 zueinander benachbart positionierte Wick- lungen 9 ein gemeinsamer Paar-Vakuumbehälter 13 erzeugt. Zusätzlich sind die zwei Wicklungen 9 an deren beiden zueinander zugewandten Seiten mittels eines gemeinsamen Stütz- und/oder Zugelementes 7a miteinander isotherm verbunden. Dies zeigt insbesondere Figur 2b, in der Stützelemente 7 und 7a dargestellt sind.
Figur 2a zeigt insbesondere, dass bei Synchronmaschinen 1 mit einer hohen Polzahl die magnetischen Kräfte einer Einzelwicklung 9 im Normalbetrieb im Wesentlichen hin zum weichmagneti - sehen Material gerichtet sind. Ein in einer gemeinsamen Nut zwischen zwei Polkörpern 11 befindlicher Teil der unmittelbar in Umfangsrichtung benachbarten Wicklung 9 erfährt dabei magnetische Kräfte in fast genau der entgegensetzten Richtung. Erfindungsgemäß ist nun folgendes erkannt worden: Anstatt lediglich die Kräfte jeweils an der warmen Wand eines Einzel- Vakuumbehälters 5 gemäß Figur lb abzustützen, wird nun vorgeschlagen, die beiden tiefkalten Wicklungen 9 in diesem Be- reich isotherm mit einem gemeinsamen Stütz- und/oder Zugelement 7a miteinander zu verbinden und auf diese Weise die vorher anfallende Wärmeeinleitung vollständig einzusparen. Hierfür ist es lediglich erforderlich, die bisher für jede Einzelwicklung 9 separaten Einzel -Vakuumbehälter 5 entsprechend zu verbinden.
Je nach Größe der zu übertragenden Kräfte und dem sich daraus ergebenden System der isothermen Verbindungen können beispielsweise einzelne Verbindungen durch entsprechende Öffnun- gen in den beiden warmen Wänden von ursprünglichen Einzel -
Vakuumbehältern 5 erzeugt werden, die mit beispielsweise einem Verbindungsrohr wieder vakuumdicht verbunden werden können . Figur 2b zeigt eine weitere Alternative, bei der eine Abstüt- zung zweier benachbarter Wicklungsteile 9 verschiedener Wicklungen 9 von Vorteil ist, wobei die doppelte warme Wand zwischen den ursprünglichen Einzel -Vakuumbehältern 5 komplett weggelassen wird, wobei an geeigneter Stelle die entstandenen Vakuumgefäßteile beziehungsweise Vakuumbehälterteile wieder entsprechend vakuumdicht verbunden werden müssen. Letzteres kann insbesondere mittels passender Einschweißteile ausgeführt werden. Figur 3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen rotierenden Maschine 1. Figur 3 zeigt, dass alle Paar-Vakuumbehälter 13, beispielsweise gemäß Figur 2a, von einem gemeinsamen Gesamt-Vakuumbehälter 15 ersetzt werden können. Dies kann dadurch erfolgen, dass der auszubildende gemeinsame Gesamt-Vakuumbehälter 15 alle Paar-Vakuumbehältervolumen 13 und darüber hinaus zumindest Teile des weichmagnetischen Rotorkörpers 3 einschließt. Eine besondere Ausgestaltung ist ein Gesamt-Vakuumbehälter 15 in Figur 4 dargestellter Form eines eine äußere Wand 17 und eine innere Wand 19 aufweisenden Hohlzylinders, der im Bereich dessen Grundflächen mittels ringförmiger Deckel 20 ver- schlössen werden kann. Der Radius Rai der äußeren Wand 17 des Hohlzylinders ist einem Außenradius der Paar-Vakuumbehälter 13 angepasst. Gemäß Figur 4 entspricht der Radius Ril der inneren Wand 19 des Hohlzylinders einem Innenradius der Paar- Vakuumbehälter 13. Gemäß Figur 4 ist ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel eines Gesamt-Vakuumbehälters 15 dargestellt, bei dem ein Tragekörper 21 oder Joch sowie äußere Bereiche von Polkörpern 11, insbesondere Polkappen oder Pol- schuhe, nicht im Gesamt-Vakuumbehälter 15 enthalten sind. Figur 3 stellt zusätzlich ein weiteres Ausführungsbeispiel dar, bei der zusätzlich ein Radius Ra2 der äußeren Wand 17 des Hohlzylinders gemäß Figur 4 dargestellt ist, der einem Außenradius von Polkörpern 11 des Rotorkörpers 3 gleicht. Figur 3 stellt ebenso die Ausführungsform dar, bei der der Ra- dius Ri2 der inneren Wand 19 des Hohlzylinders gemäß Figur 4 einem Innenradius eines Tragekörpers 21 des Rotorkörpers 3 entspricht. Gemäß dieser Ausführungsform sind äußere Bereiche der Polkörper 11 und der Tragkörper 21 in dem Gesamt-Vakuum- behälter 15 enthalten. In Figur 3 sind der Radius Rai und der Radius Ra2 als gestrichelte Linien dargestellt.
Figur 4 stellt eine graphische Vereinfachung der Darstellung gemäß Figur 3 dar. Zusätzlich zeigt Figur 4, dass ein Gesamt- Vakuumbehälter 15 im Bereich dessen Grundfläche mittels ring- förmiger Deckel 20 verschließbar ist.
Figur 4 zeigt, dass, wenn das warme weichmagnetische Material zumindest teilweise innerhalb des Vakuumbehälters platziert wird, eine erhebliche Vereinfachung in der Bauform des Vaku- umbehälters möglich ist. Beispielsweise kann sich topologisch ein doppelwandiger Hohlzylinder ergeben, der an beiden Enden mit ringförmigen Deckeln entweder geflanscht oder mit vergleichsweise kurzen Schweißnähten verschlossen worden ist. Vorteilhaft kann das Material für die Vakuumwand in den Bereichen, in denen das weichmagnetische Rotormaterial "geschnitten" wurde, aus einem magnetischen Material gefertigt werden, um die Länge des magnetischen Luftspalts möglichst klein zu halten.
Figur 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer rotierenden Maschine 1. Es sollen in einem warmen weichmagnetischen Rotorkörper 3 kalte supraleitende Wicklungen 9 mittels Stützelementen 7 positioniert werden. Dazu können aus ursprünglich bereits ausgebildeten Einzel -Vakuumbehältern 5 jeweilige Paar-Vakuumbehälter 13 erzeugt werden (Schritt Sl) . Mit einem zweiten Schritt S2 können jeweils zwei zwischen zwei weichmagnetischen Polkör- pern 11 zueinander benachbart positionierte Wicklungen 9 in einem jeweiligen gemeinsamen Paar-Vakuumbehälter 13 mittels Stützelementen 7 fixiert werden. Mit einem dritten Schritt S3 können die zwei Wicklungen 9 an deren beiden zueinander zugewandten Seiten mittels eines gemeinsamen Stütz- und/oder Zug- elementes 7a miteinander isotherm verbunden werden.
Figur 6 ist eine Darstellung zum Kühlen einer rotierenden Maschine 1 während ihres Betriebes. Tl stellt dar, dass die von in einem Gesamt-Vakuumbehälter 15 eingeschlossenen Bereiche eines weichmagnetischen Rotorkörpers 3 erzeugte Wärme mittels Wärmeleitung und/oder Wärmestrahlung an eine innere Wand 19 eines Hohlzylinders abgeleitet wird.
T2 stellt dar, dass die von den im Gesamt-Vakuumbehälter 15 eingeschlossenen Bereichen des weichmagnetischen Rotorkörpers 3 erzeugte Wärme mittels Luftkühlung von einer äußeren Wand 17 des Hohlzylinders abgeleitet wird. Eine Kühlung kann ebenso mittels einer nicht dargestellten auf dem Rotorkörper 3 angeordneten Umlaufkühlung mit Kühlmitteln in an die Bereiche heranreichenden Rohren abgeleitet werden.
Figur 6 zeigt, dass das in den Vakuumraum verlagerte warme weichmagnetische Material die dort entstehende Wärme, die sich beispielsweise aus den Eisenverlusten oder eventuellen DämpferStäben und dergleichen ergibt, geeignet abführen können sollte. Abhängig von der Höhe dieser Verluste kann diese Wärmeabfuhr realisiert werden, beispielsweise mittels Wärme- leitung und/oder Wärmestrahlung an die innere Vakuumwand 19, gefolgt von beispielsweise Luftkühlung an der Außenseite des Vakuumgefäßes. Eine weitere Ausführung ist eine auf dem Rotorkörper 3 angeordnete aktive oder passive Umlaufkühlung mit Kühlmittel in Rohren, die in oder an den Vakuumraum und somit an das zu kühlende weiche magnetische Material heranreichen, und die dort entstehende Wärme aus dem isolierten Bereich heraus transportieren und an anderer Stelle abgeben.

Claims

Patentansprüche
1. Rotierende Maschine (1), insbesondere eine Synchronmaschine, mit in einem warmen weichmagnetischen Rotorkörper (3) positionierten kalten supraleitenden Wicklungen (9), dadurch gekennzeichnet, dass
jeweils zwei zwischen zwei benachbarten weichmagnetischen Polkörpern (11) zueinander benachbart positionierte Wicklungen (9) zur thermischen Isolierung in einem gemeinsamen Paar-Vakuumbehälter (13) mittels Stützelementen (7) fixiert sind und die zwei Wicklungen (9) an deren beiden zueinander zugewandten Seiten mittels mindestens eines gemeinsamen Stütz- und/oder Zugelements (7a) miteinander isotherm verbunden sind.
2. Rotierende Maschine gemäß Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
alle Paar-Vakuumbehälter (13) von einem gemeinsamen Gesamt-Vakuumbehälter (15) ersetzt wurden, indem dieser alle Paar-Vakuumbehältervolumen (13) und zusätzlich zumindest
Teile des weichmagnetischen Rotorkörpers (3) einschließt.
3. Rotierende Maschine gemäß Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
der jeweilige Paar-Vakuumbehälter (13) mittels Ausbilden mindestens eines vakuumdichten Verbindungskanals zwischen ursprünglich zwei jeweils eine Wicklung (9) umschließenden Einzel -Vakuumbehältern (5) erzeugt wurde, wobei jeweils ein Verbindungskanal mindestens ein gemeinsames Stütz - und/oder Zugelement (7a) aufnimmt.
4. Rotierende Maschine gemäß Anspruch 1, 2 oder 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
der jeweilige Paar-Vakuumbehälter (13) mittels Entfernen von zwei Zwischenwänden zwischen ursprünglich zwei jeweils eine Wicklung umschließenden Einzel -Vakuumbehältern (5) erzeugt wurde, wobei die zwei daraus entstandenen Vakuumbehälterteile vakuumdicht miteinander verbunden wurden.
5. Rotierende Maschine gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Gesamt-Vakuumbehälter (15) in Form eines eine äußere
Wand (17) und eine innere Wand (19) aufweisenden HohlZylinders ausgebildet ist, der im Bereich dessen Grundflächen mittels ringförmiger Deckel (20) verschlossen ist.
6. Rotierende Maschine gemäß Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Radius (Rai) der äußeren Wand (17) des Hohlzylinders einem Außenradius der Paar-Vakuumbehälter (13) entspricht.
7. Rotierende Maschine gemäß Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Radius (Ra2) der äußeren Wand (17) des Hohlzylinders einem Außenradius der Polkörper (11) des Rotorkörpers (3) entspricht .
8. Rotierende Maschine gemäß Anspruch 5, 6 oder 7,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Radius (Ril) der inneren Wand (19) des Hohlzylinders einem Innenradius der Paar-Vakuumbehälter (13) entspricht.
9. Rotierende Maschine gemäß Anspruch 5, 6 oder 7,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Radius (Ri2) der inneren Wand (19) des Hohlzylinders einem Innenradius eines Tragekörpers (21) des Rotorkörpers (3) entspricht.
10. Rotierende Maschine gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 9,
dadurch gekennzeichnet, dass
die von den im Gesamt-Vakuumbehälter (15) eingeschlossenen
Bereichen des weichmagnetischen Rotorkörpers (3) erzeugte Wärme mittels Wärmeleitung und/oder Wärmestrahlung an die innere Wand (19) des Hohlzylinders abgeleitet wird.
11. Rotierende Maschine gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 10,
dadurch gekennzeichnet, dass
die von den im Gesamt-Vakuumbehälter (15) eingeschlossenen
Bereichen des weichmagnetischen Rotorkörpers (3) erzeugte Wärme mittels Luftkühlung von der äußeren Wand (17) des Hohlzylinders abgeleitet wird.
12. Rotierende Maschine gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 11,
dadurch gekennzeichnet, dass
die von den im Gesamt-Vakuumbehälter (15) eingeschlossenen Bereichen des weichmagnetischen Rotorkörpers (3) erzeugte Wärme mittels einer auf dem Rotorkörper (3) angeordneten Umlaufkühlung mit Kühlmitteln in an die Bereiche heranreichenden Rohren abgeleitet wird.
13. Rotierende Maschine gemäß einem der vorhergehenden An- Sprüche 2 bis 10,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Material des Gesamt-Vakuumbehälters (15) angrenzend an den Bereich (23) des weichmagnetischen Rotorkörpers (3) magnetisch ist.
14. Verfahren zur Herstellung einer rotierenden Maschine (1), insbesondere einer Synchronmaschine, mit in einem warmen weichmagnetischen Rotorkörper (3) positionierten kalten supraleitenden Wicklungen (9) ,
dadurch gekennzeichnet, dass
jeweils zwei zwischen zwei benachbarten weichmagnetischen Polkörpern (11) zueinander benachbart positionierte Wicklungen (9) zur thermischen Isolierung in einem gemeinsamen Paar-Vakuumbehälter (13) mittels Stützelementen (7) fi- xiert werden (Sl, S2) und die zwei Wicklungen (9) an deren beiden zueinander zugewandten Seiten mittels mindestens eines gemeinsamen Stütz- und/oder Zugelements (7a) miteinander isotherm verbunden werden (S3) .
15. Verfahren gemäß Anspruch 14,
dadurch gekennzeichnet, dass
alle Paar-Vakuumbehälter (13) von einem gemeinsamen Ge- samt-Vakuumbehälter (15) ersetzt werden, indem dieser alle
Paar-Vakuumbehältervolumen (13) und zusätzlich zumindest Teile des weichmagnetischen Rotorkörpers (3) einschließt.
16. Verfahren gemäß Anspruch 14 oder 15,
dadurch gekennzeichnet, dass
der jeweilige Paar-Vakuumbehälter (13) mittels Ausbilden mindestens eines vakuumdichten Verbindungskanals zwischen ursprünglich zwei jeweils eine Wicklung (9) umschließenden Einzel -Vakuumbehältern (5) erzeugt wird, wobei jeweils ein Verbindungskanal mindestens ein gemeinsames Stütz - und/oder Zugelement (7a) aufnimmt.
17. Verfahren gemäß Anspruch 14, 15 oder 16,
dadurch gekennzeichnet, dass
der jeweilige Paar-Vakuumbehälter (13) mittels Entfernen von zwei Zwischenwänden zwischen ursprünglich zwei jeweils eine Wicklung umschließenden Einzel -Vakuumbehältern (5) erzeugt wird, wobei die zwei daraus entstehenden Vakuumbehälterteile vakuumdicht miteinander verbunden werden.
18. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche 15 bis 17,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Gesamt-Vakuumbehälter (15) in Form eines eine äußere Wand (17) und eine innere Wand (19) aufweisenden HohlZylinders ausgebildet wird, der im Bereich dessen Grundflächen mittels ringförmiger Deckel (20) verschlossen wird.
19. Verfahren zum Betrieb einer rotierende Maschine (1), dadurch gekennzeichnet, dass
die von in einem Gesamt-Vakuumbehälter (15) eingeschlossenen Bereichen eines weichmagnetischen Rotorkörpers (3) erzeugte Wärme mittels Wärmeleitung und/oder Wärmestrahlung an eine innere Wand (19) eines Hohlzylinders abgeleitet wird (Tl) .
20. Verfahren gemäß Anspruch 19,
dadurch gekennzeichnet, dass
die von den im Gesamt-Vakuumbehälter (15) eingeschlossenen Bereichen des weichmagnetischen Rotorkörpers (3) erzeugte Wärme mittels Luftkühlung von einer äußeren Wand (17) des Hohlzylinders abgeleitet wird (T2) .
21. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche 19 oder 20,
dadurch gekennzeichnet, dass
die von den im Gesamt-Vakuumbehälter (15) eingeschlossenen Bereichen des weichmagnetischen Rotorkörpers (3) erzeugte Wärme mittels einer auf dem Rotorkörper (3) angeordneten Umlaufkühlung mit Kühlmitteln in an die Bereiche heranreichenden Rohren abgeleitet wird.
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