DE3212197A1 - Laeufer fuer eine supraleitende elektrische rotationsmaschine - Google Patents

Description

Henkel, Kern, Feiler £r Henzel

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FAM-5457

Läufer für eine supraleitende elektrische Rotationsmaschine

-ti.

Die Erfindung betrifft einen Rotor bzw. Läufer für eine supraleitende elektrische Rotationsmaschine, insbesondere die Halterung der supraleitenden Feldspulen an der diese tragenden Welle eines solchen Läufers.

Der elektrische Widerstand bestimmter Metalle, wie Blei, Zinn und Vanadium, sowie bestimmter Legierungen, wie Niob-Zinn- und Niob-Titanlegierung, wird verschwindend klein, d.h. der Werkstoff wird supraleitend, wenn die Temperatur des Werkstoffs unter seine Sprungtemperatür abfällt, die in der Größenordnung von einigen Graden über dem absoluten Nullpunkt liegt. Wenn somit z.B. die Feldwicklungen eines Wechselstrommotors aus einem solchen supraleitenden Werkstoff hergestellt und auf eine Temperatur unterhalb seiner Sprungtemperatur gekühlt werden, kann ohne Aufwand nennenswerter Mengen an elektrischer Energie ein großes Magnetfeld erzeugt werden. Wechselstromgeneratoren mit Läufern, die supraleitende Feldwicklungen bzw. -spulen tragen, sind bereits gebaut worden. Bei solchen supraleitenden Läufern ist jedoch die sichere und zuverlässige Montage bzw. Halterung der supraleitenden Feldspulen an der diese tragenden Welle des Läufers von größter Bedeutung, denn wenn sich die Feldspulen infolge von Schwingung bei der Drehung des Läufers verschieben, kann die dabei erzeugte Wärme zu einer Störung der Supraleitfähigkeit der Feldspulen führen. Da zudem die Feldspulen mehrfach mit einer komplizierten Abdeckkonstruktion abgeschirmt sein müssen, um das Eindringen von Wärme von außen her zu verhindern.

sind Überprüfungs- und Instandsetzungsarbeiten schwierig durchführbar.

g Es wurde daher bereits vorgeschlagen, die supraleitenden Feldspulen oder -wicklungen auf Spulenkörper zu wickeln und diese dann an der Außenfläche der Welle zu montieren. Auf diese Weise können die Feldspulen getrennt von der Welle an einer Stelle gewickelt werden, an welcher das Wickeln wirtschaftlich und zuverlässig erfolgen kann. Die Spulenkörper vergrößern jedoch die Abmessungen des Läufers, und sie bedingen eine Erhöhung der Fertigungskosten und eine Verlängerung der Fertigungszeit.

Aus diesem Grund wurde eine andere Halterungskonstruktion für die Montage der Feldspulen an der Welle vorgeschlagen, um das mit der Verwendung der Spulenkörper verbundene Problem auszuschalten. Dabei werden in der Außenfläche der die Spulen tragenden Welle Nuten mit Formen entsprechend den rechteckschleifenförmigen Feldspulen ausgebildet, in welche die Feldspulen eingesetzt werden. Sodann werden zahlreiche Keile in die Ausnehmungen zwischen den Seitenflächen der Nuten über ihren die Feldspulen aufnehmenden Abschnitten eingetrieben, um die darunter liegenden Feldspulen sicher in den vorgesehenen Einbaulagen zu halten. Die in Umfangsrichtung der Welle verlaufenden Abschnitte dieser Nuten, die eine Kreisbogenform besitzen, sind dabei jedoch schwierig auszubilden. Die Keile und die Ausnehmungen entsprechend diesen umfangsmäßig verlaufenden Abschnitten der Nuten sind ebenfalls gekrümmt. Die komplizierten Formen dieser umfangsmäßig verlaufenden Nut- und Keilabschnitte tragen nicht nur zu erhöhten Fertigungskosten und

längerer Fertigungszeit bei, sondern bedingen auch Schwierigkeiten bei der genauen, maßhaltigen maschi-P-nellen Bearbeitung dieser Teile.

Aufgabe der Erfindung ist damit insbesondere die Schaffung eines Läufers für eine supraleitende elektrische Rotationsmaschine, bei dem die supra-,Q leitenden Feldspulen sicher und zuverlässig an der Läuferwelle montiert sind und wobei die Anbringung der Feldspulen an der Welle in kosten- und zeitsparender Weise und mit größerer Genauigkeit erfolgen kann.

Diese Aufgabe wird durch die in den beigefügten Patentansprüchen gekennzeichneten Merkmalen gelöst.

Der erfindungsgemäße Läufer für eine elektrische Rotationsmaschine umfaßt eine die Spulen tragende Welle mit einer zylindrischen Mantelfläche und mindestens eine Wicklung aus einem elektrisch leitenden, linearen Werkstoff, In der Außen- bzw. Mantelfläche der Welle sind mehrere parallele, in Wellenlängsrichtung verlaufende Nuten sowie zwei ringförmig in Wellenumfangsrichtung umlaufende Ausnehmungen ausgebildet. Jede Ausnehmung ist jeweils mit dem einem Ende jeder Nut verbunden. Die axial verlaufenden Abschnitte der Wicklung sind in die entsprechenden Nuten eingesetzt, während die Endabschnitte, d.h. die umfangsmäßig verlaufenden Wicklungsabschnitte, in den beiden Ausnehmungen liegen. Die durch die Endabschnitte der Feldspulen in den Ausnehmungen gebildeten Zwischenräumen sind mit einem elektrisch isolierenden, fest eingepaßten Füllmaterial ausgefüllt. Über den beiden Ausnehmungen

sind auf die Welle zwei hohlzylindrische Hülsen aufgeschoben, durch welche die Endabschnitte der _K Feldspulen sicher in ihrer Einbaulage in den Ausnehmungen gehalten werden.

Vorzugsweise sind die beiden Hülsen jeweils auf die die Spulen tragende Welle nur mit dem einen Ende aufgesetzt, das vom Mittelteil der Welle abgewandt ist, wodurch das Problem einer Reibungs-Schleifwirkung zwischen den Oberflächen der Hülsen und der Welle sowie eine unnötige Vergrößerung der Läuferabmessungen vermieden werden. Vorzugsweise sind auch Ringe zur Verhinderung eines Schlupfes der Hülsen gegenüber der Welle zwischen die zusammengepaßten, d.h. miteinander verbundenen Bereiche der Innenflächen der Hülsen und der Außenoder Mantelfläche der Welle eingesetzt.

Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Längsschnittansicht eines Läufers mit

Merkmalen nach der Erfindung für eine supraleitende elektrische Rotationsmaschine,

Fig. 2 einen in vergrößertem Maßstab gehaltenen Schnitt längs der Linie II-II in Fig. 1

durch die die Spulen tragende Welle als Teil des Läufers gemäß Fig. 1,

Fig. 3 einen in vergrößertem Maßstab gehaltenen Querschnitt durch einen Endabschnitt der

Läuferwelle,

Fig. 4 eine teilweise weggebrochene perspektivische Darstellung des einen Endes der Läuferwelle nach Fig. 1,

Fig. 5 eine Fig. 3 ähnelnde Darstellung, die jedoch eine Abwandlung der Ausbildung des Endes der Läuferwelle zeigt, und

Fig. 6 eine Fig. 3 ähnelnde Darstellung, die eine

bevorzugtere Abwandlung der Ausbildung des Endes der Läuferwelle veranschaulicht.

In den Figuren sind einander entsprechende Teile mit jeweils gleichen Bezugsziffern bezeichnet.

Fig. 1 veranschaulicht allgemein einen Läufer für einen Wechselstromgenerator mit supraleitenden FeIdspulen. Das Außengehäuse des Läufers wird durch ein Normaltemperatur-Dämpfungselement (damper) 4, einen scheibenförmigen Teil 8A eines antriebsseitigen Wellenstummels 8 und einen nach außen herumgezogenen ringförmigen Flanschteil 9A eines antriebsfreien Wellenstummels 9 mit einer Zentralbohrung 9B gebildet, wobei die beiden Wellenstummel 8 und 9 in Lagern 10 drehbar gelagert sind. Eine die Wicklung oder die Spulen tragende Welle 2 in Form eines dicken Hohlzylinders ist koaxial zum Dämpfungselement 4 in diesem angeordnet. Die beiden Enden der Welle 2 sind an zwei Torsionsrohren 1 in Form von dünnen Hohlzylindern befestigt, die ihrerseits am Scheibenteil 8A bzw. am Flanschteil 9A der beiden Wellenstummel 8 bzw. 9 befestigt sind. Aus einem supraleitenden Werkstoff hergestellte Feldspulen 3 sind an der äußeren Mantelfläche der Welle 2 montiert. Jede Feldspule 3

besitzt im wesentlichen die Form einer Rechteckschleife mit zwei geraden, in Axialrichtung der

._ Welle 2 verlaufenden Seiten (Schenkeln) sowie b

zwei bogenförmig gekrümmten, in Wellenumfangsrichtung verlaufenden Abschnitten; die Querschnitte der gekrümmten Abschnitte der Feldspule(n) 3 sind in Fig. 1 schematisch dargestellt. Auf den antriebsfreien Wellenstummel 9 sind zwei Schleifringe 11 für die Abnahme des den Feldspulen 3 zugeführten Feldstroms aufgesetzt.

Ein zentraler Behälter 15 für flüssiges Helium wird

,_c durch die Innenfläche der Welle 2 sowie zwei Stirnb

platten oder -scheiben 7 gebildet. Helium in flüssiger Phase wird dem Behälter 15 über eine schematisch eingezeichnete Helium-Speiseleitung Pl zugeführt, welche die Zentralbohrung 9B des antriebsfreien Wellenstummels 9 durchsetzt. Ein Umfangs-Behälter 15A für flüssiges Helium wird durch die Außenfläche der Welle 2 und eine zylindrische Außenwand 6 festgelegt, wobei die Heliumzufuhr zu diesem Behälter über nicht dargestellte Zulasse erfolgt, welche die Läufer- oder Spulen-Welle 2 radial durchsetzen. Die Feldspulen 3 werden somit durch das in den beiden Behältern 15 und 15A befindliche flüssige Helium gekühlt. Ein Tieftemperatur-Dämpfungselement (damper) 5 in Form eines HohlZylinders ist zwischen der Außenwand 6 des Umfangs-Heliumbehälter 15A und dem Normaltemperatur-Dämpfungselement 4 angeordnet und an den Außenflächen der Torsionsrohre befestigt. Die zylindrischen Räume zwischen dem Normaltemperatur-Dämpfungselement 4 und dem Tieftemperatur-Dämpfungselement 5 sowie zwischen letzterem und der Außenwand des Ümfangs-Behälters 15A werden auf einem hohen Vakuum gehalten, so daß ein Wärmeein-

- zuvon der Außenseite in den Tieftemperaturbereich an den Behältern 15 und 15A verhindert wird. In den von den Torsionsrohren 1 festgelegten Räumen 14A herrscht ebenfalls ein Vakuum. An den Innenflächen der Torsionsrohre 1 sind ringscheibenförmige Strahlungsabschirmungen 13 zur Verhinderung eines Eindringens von Strahlungswärme in den Tieftemperatürbereich angebracht. Jedes Torsionsrohr 1 ist an seiner Außenseite mit einem vorspringenden Abschnitt IA versehen, in welchem ein Wärmetauscher in Form einer eingestochenen wendel- oder schraubenförmigen Nut 12B und einer hohlzylindrischen, die Nut 12B verschließenden Abdeckung 12A ausgebildet ist. Das Helium aus dem zentralen Behälter 15 wird über eine schematisch eingezeichnete Leitung P2 am einen Ende in jede Nut 12B eingespeist und an ihrem anderen Ende über eine schematisch dargestellte Leitung P3 abgezogen, die das Helium über die Zentralbohrung 9B des antriebsfreien Wellenstummels 9 nach außen abführt. Die dünnwandigen Torsionsrohre 1 werden somit durch den Wärmetauscher 12 gekühlt, wobei der Eintritt von Ableitwärme über die Torsionsrohre 1 in den Tieftemperaturbereich auf ein Mindestmaß verringert wird.

Fig. 2 zeigt die Spulen-Welle 2 im Schnitt längs der Linie II-II in Fig. 1. Die in Axialrichtung der Welle 2 verlaufenden Abschnitte der Feldspulen 3 sind in komplementäre, in der Mantelfläche der Welle 2 ausgebildete Nuten 17 unter Zwischenfügung von elek-r· trisch isolierenden Schichten 18 eingesetzt. Die Außenflächen der Feldspulen 3 sind durch elektrisch isolierende Abdeckungen 20 abgedeckt, während mehrere Keile 19 in Ausnehmungen (Hinterschnitte) in den

-Xt-

Flanken der Nuten 17 über ihren die Feldspulen 3 aufnehmenden Abschnitten eingesetzt sind. Die axial c verlaufenden Abschnitte der Feldspulen 3 sind somit sicher in die Nuten 17 eingesetzt und durch die Keile 19 in ihrer vorgesehenen Einbaulage festgelegt. Da die supraleitenden Feldspulen 3 längs der Linie C-C in Fig. 2 gewickelt sind, wird ein starkes Magnet-2Q feld erzeugt, dessen Polachse der Linie C-C entspricht.

Die Fig. 3 und 4 sind ein Querschnitt durch einen Endabschnitt der die Spulen tragenden Welle 2 bzw. eine perspektivische Darstellung dieses Abschnitts. Die in Umfangsrichtung der Welle 2 verlaufenden Endabschnitte der Feldspulen 3 liegen in zwei umlaufenden Ausnehmungen 17A, die an den Endabschnitten der Welle 2 um deren Umfang verlaufend ausgebildet sind. Zwischen die Bodenflächen der Ausnehmungen 17A und die Endabschnitte der Feldspulen 3 sind elektrisch isolierende Schichten 21 eingesetzt, und die von den Feldspulen 3 in den Ausnehmungen 17A freigelassenen Zwischenräume sind mit fest eingepaßten, elektrisch isolierenden Füllstücken 23 ausgefüllt. Die Außenflächen der FeIdspulen 3 und der Füllstücke 23 sind durch elektrisch isolierende Abdeckungen 22 abgedeckt. Je eine hohlzylindrische, die Spulenenden festlegende Hülse 16 ist auf jedes Ende der Welle 2 über den Ausnehmungen 17A aufgeschrumpft. Diese Endabschnitte der Feldspulen 3 werden also durch die Füllstücke 23 und die Hülsen 16 ebenfalls sicher und zuverlässig in ihrer richtigen Einbaulage gehalten.

Bei der in Fig. 5 dargestellten Abwandlung der HaI-terungskonstruktion für die Endabschnitte der Feldspulen 3 sind zwei die Spulenenden festlegende Hülsen

-Vi-

16 jeweils nur mit einem Ende, d.h. dem näher zum Mittelbereich der Welle 2 hin gelegenen Ende, auf die Spulen-Welle 2 aufgeschrumpft. Ein kreisrunder Sicherungsring 24 zur Verhinderung eines Schlupfes zwischen der betreffenden Hülse 16 und der Welle 2 ist in komplementäre Nuten in der Außenfläche der Welle 2 und in der Innenfläche der Hülse 16 eingesetzt. Das andere, dem Torsionsrohr 1 benachbarte Ende jeder Hülse 16 ist nicht aufgeschrumpft, denn wenn beide Enden der Hülsen 16 auf die Welle 2 aufgeschrumpft sind, sind die beiderseitigen aufgeschrumpften Endflächen jeder Hülse L6 einer Reibung aufgrund von Schwingungen der Spulen-Welle 2 unterworfen, so daß die durch die Reibung erzeugte Wärme eine Scheuerwirkung (fretting abrasion) an den Schrumpfflächen hervorruft.

^Bei der Halterungskonstruktion für die Endabschnitte der Feldspulen 3 gemäß Fig. 5 ist eine elektrische Isolierung zwischen den supraleitenden Feldspulen und den Sicherungsringen 24 nötig, die den gesamten Umfang der Welle 2 umfassend eingesetzt sind. Wenn somit die Sicherungsringe 24 zur Verhinderung eines Schlupfes der Hülsen 16 an deren näher zur Mitte der Welle 2 hin gelegenen Enden angeordnet sind, kann der Innendurchmesser dieser Sicherungsringe 24 nicht kleiner sein als der Durchmesser der Außenfläche der isolierenden Abdeckungen 20, die auf den axial verlaufenden Teilen der Feldspulen 3 unterhalb der Sicherungsringe 24 angeordnet sind. Die Lage der Sicherungsringe 24 bestimmt somit die Dicke der elektrisch isolierenden Abdeckungen 22 und 20, die - mit Ausnahme ihrer unter den Sicherungsringen 24 befindlichen Abschnitte - dicker sein müssten als

-vs-

für die elektrische Isolierung nötig ist. Die von den Feldspulen 3 eingenommenen Räume werden daher im Verc gleich zu den Läuferabmessungen kleiner, was zu größeren (Gesamt-)Abmessungen der betreffenden supraleitenden elektrischen Rotationsmaschine führt.

Fig. 6 veranschaulicht einen Endabschnitt eines 0 anderen Läufers gemäß der Erfindung. Dabei sind die beiden Hülsen 16 jeweils nur mit ihrem dem jeweiligen Torsionsrohr 1 benachbarten Ende auf die Spulen-Welle 2 aufgeschrumpft, wobei ein kreisrunder Sicherungsring 24 zur Verhinderung eines Schlupfes zwischen Hülse 16 und Welle 2 in komplementäre Ringnuten eingesetzt ist, die in der Außenfläche der Welle 2 und in der Innenfläche der jeweiligen Hülse 16 ausgebildet sind. Die anderen Teile des Läufers gemäß Fig. 6 sind ähnlich ausgebildet wie beim Läufer nach Fig. 5, der seinerseits, abgesehen von den beschriebenen Unterschieden, dem Läufer nach den Fig. 1 bis 4 gleicht. Bei der Anordnung nach Fig. 6 sind die Sicherungsringe 24 auswärts der MantolfIMchenabschnitte der WeJIe 2, in welche die Feldspulen 2 eingelassen sind, angeordnet, so daß die elektrisch isolierenden Abdeckungen 20 und 22 eine geringere, für elektrische Isolierzwecke ausreichende Dicke besitzen können.

Claims (10)

1. Patentansprüche

   I./¹ Läufer für eine supraleitende elektrische Rotationsmaschine, gekennzeichnet durch eine Spulen tragende Welle (2) mit einer Zylinder-Mantelfläche, in welcher mehrere parallele, in Wellenlängsrichtung verlaufende Nuten (17) sowie zwei in Wellenumfangsrichtung verlaufende, kreisförmige bzw. umlaufende Ausnehmungen (17A), die jeweils mit dem einen Ende jeder der parallelen Nuten (17) verbunden sind, ausgebildet sind, durch mindestens eine aus einem elektrisch leitenden, linearen Werkstoff ausgebildete Wicklung (3) , deren axial verlaufenden Abschnitte in den Nuten (17) und deren umfangsmäßig verlaufenden Abschnitte in den Ausnehmungen (17A) angeordnet sind, durch elektrisch isolierende Füllstücke (23), die in die von der Wicklung (3) in den Ausnehmungen (17A) nicht eingenommenen Zwischenräume eingesetzt sind, und durch zwei hohlzylindrische Hülsen (16) , die über den Ausnehmungen (17A) auf die Außenflächen der Spulen-Welle (2) aufgesetzt sind.
2. 2. Läufer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrisch leitende, lineare Werkstoff

   ein supraleitender Werkstoff ist. 30
3. 3. Läufer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zur Kühlung der Wicklung (3) auf eine Temperatur unterhalb der Sprungtemperatur des supraleitenden Werkstoffs vorgesehen sind.
4. 4. Läufer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß erste elektrisch isolierende Schichten

   .. zwischen die axial verlaufenden Abschnitte der b

   Wicklung und die Nuten und zweite elektrisch isolierende Schichten zwischen die umfangsmäßig verlaufenden Wicklungsteile und die Ausnehmungen eingesetzt sind.
5. 5. Läufer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

   daß über den axial verlaufenden Abschnitten der Wicklung mehrere Keile in die Nuten eingesetzt sind.
6. 6. Läufer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,

   daß erste elektrisch isolierende Abdeckungen zwischen den axial verlaufenden Wicklungsabschnitten und den Keilen und zweite elektrisch OQ isolierende Abdeckungen zwischen den umfangsmäßig verlaufenden Wicklungsabschnitten und den Hülsen angeordnet sind.
7. 7. Läufer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, däß die Hülsen auf die Außen- oder Mantelfläche der Spulen-Welle aufgeschrumpft sind.
8. 8. Läufer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede Hülse nur mit ihrem einen Ende auf die Außenfläche der Spulen-Welle aufgesetzt, d.h. aufgeschrumpft ist.
9. 9. Läufer nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß je ein kreisrunder (Sicherungs-)Ring zwischen den genannten Endabschnitt jeder Hülse und die Außenfläche der Spulen-Welle eingesetzt ist, um einen Schlupf der Hülsen gegenüber der Spulen-Welle zu verhindern.
10. 10. Läufer nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß das genannte (aufgeschrumpfte) Ende jeder Hülse an ihrer vom Mittelbereich der Spulen-Welle abgewandten Seite liegt.