DE2735857A1

DE2735857A1 - Dynamoelektrische maschine mit supraleitfaehiger feldwicklung

Info

Publication number: DE2735857A1
Application number: DE19772735857
Authority: DE
Inventors: Donald C Litz
Original assignee: Westinghouse Electric Corp
Current assignee: CBS Corp
Priority date: 1976-08-17
Filing date: 1977-08-09
Publication date: 1978-02-23
Also published as: SE424390B; FR2362518A1; JPS6056060B2; GB1590222A; US4076988A; SE7709109L; FR2362518B1; JPS5330709A; ES461614A1; CA1079339A

Description

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DIPlING. WUlF WEHSER 3000 Honnov»r 1 * 0511-J2U4»

Mönchen, den 8. August 1977

VS91P-1616

Westinghouse Electric Corp. Gateway Center, Pittsburgh. Pennsylvania 15222,USA

Dynamoelektrische Maschine mit supraleitfähiger Feldwicklung

Die Erfindung betrifft eine dynamoelektrische Maschine mit einem den Stator aufnehmenden Rahmen, in welchem ein Rotor mit supraleitfähiger Gleichstrom-Feldwicklung gelagert ist.

Die Feldwicklungen von supraleitfähigen dynamoelektrischen Maschinen sind üblicherweise auf dem Rotor montiert und werden von einem Strahlungsschirm und einem Dämpfungsschirm •umgeben, die konzentrisch zueinander liegen. Diese beiden Schirme sind derart miteinander verbunden, daß ein Vakuummantelgefäß bzw. ein Thermosgefäß entsteht, welches die Feldwicklung unter einem Vakuum bei etwa 4-,2⁰K hält. Damit erhält man einen ungewöhnlich guten Wirkungsgrad und ein sehr gutes Leistungsverhalten. Der Strahlungsschirm, der sowohl axial als auch radial verlaufende Elemente enthält, ist

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zwischen den warmen und den kalten Teilen der Maschine angeordnet, um die direkte thermische Strahlung fernzuhalten, die von den im wesentlichen auf Umgebungstemperatur liegenden Maschinenteilen ausgeht. Der Dämpfungsschirm, der außerhalb des Strahlungsschirmes konzentrisch angeordnet ist, wird normalerweise auf einer niederen bzw. im Bereich einer niederen Temperatur gehalten. Dieser Dämpfungsschirm hat eine zweifache Punktion, u.z. bewirkt er zum einen eine Torsionsrückstellung für den Rotor infolge von sich ändernden Lastbedingungen. Zum anderen schirmt er die Feldwicklungen gegen im Stator entwickelte Wechselfelder ab und verhindert, daß diese in die Tieftemperaturzone bei einer Temperatur von etwa 4,2⁰K sowohl während eines eingeschwungenen Betriebszustandes als auch während eines Betriebszustandes unter Übergangsbedingungen ein dringen. Dadurch werden unerwünschte Verluste reduziert. Da die Kosten für das Verringern dieser Verluste mit Hilfe von durch die Maschine zirkulierendem flüssigem Helium sehr hoch sind, ist der Dämpfungsschirm aus einem Material mit hoher elektrischer Leitfähigkeit hergestellt, damit dieser Schirm im wesentlichen die Abschirmfunktion übernimmt.

Wenn thermische Kurzschlüsse an einer supraleitenden Dreiphasenmaschine auftreten, kann der Dämpfungsschirm sehr hohen radialen Verformungskräften ausgesetzt werden, die von der Wechselwirkung des Ankerflusses und des abgeschirmten Flusses •herrühren, welcher durch in dem Schirm induzierte Ströme er zeugt wird. Diese Verformungskräfte können sich auf den Dämpfungsschirm in der in Fig. 1 dargestellten Weise auswirken, die die Verformungskräfte aufgrund eines Dreiphasen kurzschlusses illustriert. Die Kräfte P. und Pp sind der einfacheren Darstellung wegen als konzentrierte Kräfte gezeigt,

. obwohl

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obwohl sie in der Tat über den Rotor verteilt sind und sich

ρ in ihrer Amplitude nach dem Ausdruck sin θ ändern. Die Kraft P,. bleibt bezüglich der Rotoroberfläche fixiert, während die Kraft Po*um den Rotor mit zweifacher Synchrongeschwindxgkeit umläuft. Die gemeinsame Wirkung der Kräfte P^. und Pp erzeugt in radialer Richtung wirkende Verformungskräfte, die Werte

erreichen können bis in eine Größenordnung von 250 kg/cm (5000 psi). Diese Kräfte bewirken eine Verformung sowohl des Dämpfungsschirmes als auch der Stützkonstruktion, so daß hohe Biegespannungen sowohl im stützenden Rahmen als auch in den zylindrischen Konstruktionsteilen auftreten. Der wichtigste Nachteil aufgrund dieser Verformung wird darin gesehen, daß durch die Verformung eine Berührung zwischen dem Strahlungsschirm und der Feldwicklung stattfinden kann, wodurch thermische Verluste entstehen, welche zum Verlust der Supraleitfähigkeit führen können. Ein solcher Verlust der Supraleitfähigkeit würde den Generator vom Standpunkt der Leistungsfähigkeit und des Wirkungsgrades ausgesehen unbrauchbar machen. Die hohen Spannungen in der Stützkonstruktion könnten ferner zu einer plastischen Verformung führen, so daß schließlich die gesamte Stützkonstruktion nachgibt und die dynamoelektrische Maschine extrem beschädigt wird.

Zusätzlich zu den erwähnten Verformungskräften P^ und P~ wirkt auf den Dämpfungsschirm auch eine Torsionskraft P., welche sich entsprechend dem sinusförmigen Dämpfungsverlauf nach dem Auftreten einer Störung ändert. Je nach der Stabilität der Maschine, können die Spitzen derartiger Torsionskräfte etwa bis zu dem zehnfachen Wert der Nenntorsion ansteigen. Aufgrund dieser hohen oszillierenden Torsionskraftwerte, die erreicht werden können, ist es erforderlich, die Antriebswelle der Maschine sehr viel stärker und schwerer auszuführen, damit eine Beschädigung der Maschine bei Störungen im Betrieb verhindert wird.

Der

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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde den Rotor einer dynamoelektrischen Maschine mit einer supraleitfähigen Feldwicklung derart zu gestalten, daß er wirtschaftlicher hergestellt werden kann und eine größere Sicherheitstoleranz aufweist, wenn Verformungskrafte und Torsionskräfte während des Betriebs auftreten, indem sowohl die Wirkung die Abschirmung gegen Temperaturstrahlung als auch die Dämpfung durch den Dämpfungsschirm verbessert wird.·

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Feldwicklung von einem zylindrischen Teil mit ausreichender Festigkeit umgeben ist, um betriebsabhängige Torsionskräfte aufzunehmen, daß innerhalb des zylindrischen Teils Strahlungsschirme zur Absorption der von im wesentlichen auf Umgebungstemperatur sich befindenden Maschinenteilen ausgehenden thermischen Strahlung angebracht sind, daß der zylindrische Teil mit einem Dämpfungsschirm versehen ist, in welchem eine elektrisch leitfähige Flüssigkeit enthalten ist, die eine Torsionsrückstellung bei sich ändernden Lastzuständen für den Rotor bewirkt und ferner die supraleitenden Feldwicklungen gegen im Stator während des Betriebs entstehende Wechselfelder abschirmt, und daß die Rotorwelle mit Einrichtungen versehen ist, über welche der Erregerstrom und das Kühlmittel zugeführt wird, um die Feldwicklung auf einer Temperatur von etwa 4-,2⁰K zu halten.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.

Das gemäß den Maßnahmen der Erfindung zwischen den Zylindern des Dämpfungsschirmes angeordnete flüssige Metall nimmt im Betrieb die Drehgeschwindigkeit des Rotors an, wodurch die Abschirmfunktion für den Rotor durch die elektrische Leitfähigkeit des flüssigen Metalls bewirkt wird, indem nämlich

Ströme 809808/0727

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Ströme im flüssigen Metall sowohl während des eingeschwungenen Betriebs als auch während Störzuständen erzeugt werden. Diese Ströme treten in Wechselwirkung mit dem Feldfluß und erzeugen einen Druckgradienten in der Flüssigkeit, welche diese im Innenraum des Dämpfungsschirmes in Umfangsrichtung verschiebt und damit einen Druckausgleich bewirkt. Diese Kräfte erzeugen auch tangentiale Kräfte am Rotorkörper, die zu einer oszillierenden Strömung in Umfangsrichtung innerhalb des Innenraums des Dämpfungsschirmes führen.

Die Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich auch aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispieles in Verbindung mit den Ansprüchen und der Zeichnung. Es zeigen:

Fig. 1 einen schematischen Schnitt durch einen Dämpfungsschirm mit der Verteilung der wirksamen Kräfte;

Fig. 2 eine teilweise geschnittene Seitenansicht des supraleitenden Synchrongenerators;

Fig. 3 einen Längsschnitt durch den Rotor des supraleitenden Synchrongenerators gemäß Fig.. 2;

Fig. 4 einen Schnitt längs der Linie 4-4 der Fig. 3.

Der in Fig. 2 dargestellte supraleitende Sychrongenerator umfaßt einen Rahmen 20, in dem sowohl der Stator 22 als auch der Rotor 24- axial verlaufend gehaltert sind. Der Stator umfaßt einen umlaufenden Stützmantel 26, der einen laminierten Eisenkern 28 enthält, der mit Hilfe von stirnseitigen Ringen 30 zusammengepreßt wird. Eine Ankerwicklung 32 ist in Schlitzen des Stators in herkömmlicher Weise angeordnet und mit nicht dargestellten Anschlüssen für die vom Generator aus zu versorgende Last versehen.

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Der

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Der zentrisch im Stator angeordnete Rotor 24 ist über eine Kupplung 35 niit einer Antriebswelle 3^- verbunden, über welche die mechanische Leistung zugeführt wird. Die Antriebswelle ist in Lagern 36 an gegenüberliegenden Enden des Rahmens gelagert. Eine Feldwicklung 38 ist auf der Vellenoberflache montiert und steht in direkter Berührung mit der Rotoroberfläche.

In Fig. 3 ist der Rotor dargestellt, der aus Wellenabschnitten und einem dazwischen angeordneten Rotorkörper besteht. Die Wellenabschnitte 40 sind in den Lagern 36 gelagert und enden auf der Rotorseite in einem Flansch 42, der mit den Enden des Rotorkörpers über Bolzen 46 verschraubt ist. Mit den Enden 44 des Rotorkörpers ist einstückig ein zylindrisch geformter Dämpfungsschirm 48 verbunden, dar die Wand des Vakuummantelgefäßes darstellt und gleichzeitig die äußere Oberfläche des Rotors bildet. Der gesamte Rotor ist in seiner Struktur derart ausgebildet, daß er mit einem Vakuum von etwa 10"^ Torr funktionsfähig ist. Eine den Drehwiderstand aufnehmende Hohlwelle 50 verläuft in einem radialen Abstand zum Dämpfungsschirm zwischen dem Ende 44 des Rotorkörpers sowie der gegenüberliegenden Seite des Rotorkörpers und endet in einem Stützzapfen 52. Dadurch entsteht ein freier Raum 51· Der Stützzapfen wird in einer Platte 5^ gehaltert. Innerhalb der Hohlwelle ist ein zweiter freier Raum 55 vorgesehen, der die Feldwicklung 38 aufnimmt. Um die Feldwicklung herum sind axiale und radiale Strahlungsschirme 56 und 58 vorgesehen, welche auf längs dem Rotor verteilt angeordneten Speichen 59 gehaltert sind. Auf dem äußeren Teil des Wellenabschnittes 40 sind der Kupplung gegenüberliegend Schleifringe 60 in herkömmlicher Weise montiert, um elektrische Energie zuzuführen, welche über Leiter 62 der Rotorwicklung zur Felderregung zugeführt wird.

In Fig. 4 ist ein Schnitt durch den Rotor dargestellt, au· dem der Aufbau dee Dämpfings schirme β 48 hervorgeht. Dieser

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Dämpfungsschirm liegt außerhalb des Strahlungsschirmes und besteht aus einem inneren Zylinder 64 sowie einem äußeren Zylinder 66, die mit Hilfe von Stützklötzen 68 gegeneinander abgestützt sind, so daß ein freier Innenraum 70 entsteht. Dieser durch die konzentrische Anordnung der beiden Zylinder begrenzte Innenraum 70 ist mit einem flüssigen Metall gefüllt, das aufgrund der Zentrifugalkräfte und auch während des Betriebs auf das flüssige Metall einwirkende elektromagnetischen Kräfte zirkuliert. Da es wichtig ist, daß das flüssige Metall völlig frei zirkulieren kann, sind die Stützklötze 68 in ihrer Form so ausgebildet, daß sie sich weder in axialer Richtung noch in Umfangsrichtung über wesentliche Längen erstrecken.

Die supraleitende Feldwicklung 38 wird mit Helium über ein System gekühlt, das in Fig. 2 auf der rechten Seite dargestellt ist. Dieses Zuführungssystem für das Helium kann vielgestaltig ausgeführt sein und hat in der dargestellten Ausführungsform eine Zuführleitung 72* durch welche das Helium in das Innere des Rotors geleitet wird. Die dem Zuführsystem zugeordnete Einrichtung mit Pumpen, Ventilen und dergleichen ist nicht dargestellt. Nachdem das Helium im Rotor die "Wärme absorbiert hat, wird es in herkömmlicher Weise wieder zurückgeleitet. Ein Leiter, der seiner Art nach für die Verwendung für supraleitende Feldwicklungen geeignet ist, besteht aus einem feinen drahtförmigen Niob-Titanleiter der in einer Kupfermatrix verdrillt ist. Diese Art von Leiter zeigt nur geringe Wirbelstrom- und Hystereseverluste, wenn er den rasch sich ändernden Wechselfeldern ausgesetzt ist, wie sie bei supraleitenden elektromagnetischen Maschinen auftreten.

Die Leiter der Feldwicklung werden im Rotor derart montiert, daß das Helium in axialer Richtung durch diese hindurch-

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fließen kann, bevor es wieder vom Rotor abgeführt wird. Es ist auch möglich, die supraleitende Wicklung in ein Bad aus flüssigem Helium einzutauchen, wobei dieses sich auf atmosphärischem Druck befindet, so daß es an den Wicklungsoberflächen zu kochen beginnt und die Wärme durch die benötigte Verdunstungswärme abgeführt wird. Unabhängig von der Art der Kühlung muß das flüssige Kühlmittel über ein Zuführungssystem in den Wicklungsbereich geleitet werden, das aus stationären und sich drehenden Teilen besteht. Auch die elektrischen Anschlußleitungen der Feldwicklung zu den Schleifringen bestehen aus vieldrähtigen Leiterbündeln, die gegen die Zuführungsleitung isoliert sind und von dem ausströmenden Heliumgas gekühlt werden. Wie bereits erwähnt, dient der axiale und der radiale Strahlungsschirm 56 bzw. dazu die direkte thermische Abstrahlung von der umgebenden Konstruktion zu den gekühlten Teilen hin und dem Tieftemperatursystem hin zu reduzieren. Diese Strahlungsschirme werden durch das ausströmende Heliumgas auf eine Temperatur optima,
liegt.

optimal gekühlt, die gewöhnlich zwischen 20⁰K und 100°K

Der Dämpfungsschirm dient einer zweifachen Funktion. Zum einen stellt er eine Drehmomentrückstellung für den Rotor dar, wenn Änderungen im Lastsystem den Rotor in Schwingungen versetzen, und zum anderen schirmt er die supraleitenden Feldwicklungen gegen Wechselstromfelder ab, welche durch Harmonische der Statorwicklung und negative Folgefelder während dem eingeschwungenen Zustand und während Übergangsbedingungen erzeugt werden. Wegen der hohen Leitfähigkeit von Kupfer und Aluminium bei niederen Temperaturen, können einerseits dünne Schirme Verwendung finden,und andererseits bleiben die Verluste klein.

Wenn

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Venn der Rotor auf die Synchrongeschwindigkeit oder eine andere Geschwindigkeit beschleunigt wird, nähert sich auch das flüssige Metall dieser Synchrongeschwindigkeit aufgrund der Adhäsion des flüssigen Metalls zu den zylindrischen Wänden im Zwischenraum des Dämpfungsschirmes. Da diese Geschwindigkeit den eingeschwungenen Zustand darstellt, schirmen die in dem flüssigen Metall erzeugten Strome die supraleitenden Feldwicklungen gegen einen Wechselfluß ab, der im Stator aufgrund von Phasenungleichheiten und Harmonischen erzeugt wird. Während ernsthafter Störungen z.B. während eines thermischen Kurzschlusses ist der Dämpfungsschirm radialen Verformungskräften aufgrund der gegenseitigen Beeinflussung des Ankerflusses und des Flusses in der Abschirmung ausgesetzt, welcher durch in der Abschirmung induzierte Ströme erzeugt wird. Jedoch haben die entsprechenden Kräfte in dem flüssigen Metallschirm eine Verschiebung der Flüssigkeitsteilchen zur Folge. Daraus ergibt sich, daß, wenn die gegenseitige Flußeinwirkung eintritt, in dem flüssigen Metall Ströme erzeugt werden, die den hohen Ankerentmagnetisierungsfluß gegen die supraleitenden Wicklungen abschirmen. Diese Ströme im flüssigen Metall reagieren mit dem Feldfluß im Luftspalt und erzeugen Kräfte im flüssigen Metall, die eine Verschiebung des Metalls in Umfangsrichtung in dem Hohlraum des Dämpfungsschirmes auslösen. Wenn die elektromagnetisehen Kräfte in radialer Richtung einwirken, würde dies normalerweise eine Erhöhung des Druckes im •flüssigen Metall bewirken, jedoch da das flüssige Metall frei beweglich ist, kann sich kein Druckgradient aufbauen, Tielmehr wird durch die Verschiebung des flüssigen Metalls ein Druckausgleich in de» BlngrttUB bewirkt. Sie tangenialen KrIfte, die ein oszillierende« Drehmoment auf die Betallischen lampfeinrichtungen der bekannten Art einleiten, veranlassen,

daß • OMOI/0727

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daß das flüssige Metall in oszillierender Weise längs dem Umfang des Dämpfungsschirmes in dessen Innenraum fließt.

Die zwischen dem inneren und dem äußeren Zylinder angeordneten Stützklötze reichen aus, um eine Veränderung des Ringraumes zu verhindern. Wenn sich Drücke im Ringraum aufbauen, tendieren sie dazu den inneren Zylinder zusammenzudrücken und den äußeren Zylinder aufzuweiten. Die Stützklötze wirken der Druckerhöhung im Innenraum entgegen, indem Zugkräfte entstehen, wenn sich der innere und der äußere Zylinder voneinander zu entfernen suchen bzw. eine Tendenz zur Abstandsvergrößerung besteht.

Da das flüssige Metall Kräfte nur durch Druck und Schub übertragen kann, und da sich große Druckgradienten in dem Ringraum nicht aufbauen können, begründen die auf die Zylinder wirkenden Kräfte externe und interne Drücke und eliminieren dadurch die Biegebeanspruchung, die in metallischen Schirmen bekannter Art auftritt. Da die Umfangskräfte im Körper den Schub nur durch Viskosekräfte übertragen können, werden Drehmoment sreaktionen wesentlich verringert.

In dem Ringraum können flüssige Metalle unterschiedlichen Materials Verwendung finden, wie z.B. Quecksilber, Gallium, Indium, Woodmetall, Natrium, Kalium oder Legierungen dieser Metalle. Wenn die Leitfähigkeit nicht ausreichend groß ist, können Metallteilchen in derselben Weise zugefügt werden, wie dies für ferritische Flüssigkeiten erfolgreich getan wird, indem magnetische Teilchen bis auf Durchmesser in der Größenordnung von Ä zerkleinert und im wesentlichen in einer Flüssigkeit gelöst werden.

Patentansprüche: 809808/0727

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Mönthen, den 8, August 1977

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Westinghouse Electric Corp, Gateway Center, Pittsburgh. Pennsylvania 15222, USA

Patentansprüche

Dynamoelektrische Haschine mit einem den Stator aufnehmenden Rahmen, in welchem ein Rotor mit supraleitfähigen Gleichstrom-Feldwicklungen gelagert ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Feldwicklung (38) von einem zylindrischen Teil mit ausreichender Festigkeit umgeben ist, um betriebsabhängige Torsionskräfte aufzunehmen, daß innerhalb des zylindrischen Teils Strahlungsschirme (56, 57) zur Absorption der von im wesentlichen auf Umgebungstemperatur sich befindenden Maschinenteilen ausgehenden thermischen Strahlung angebracht sind, daß der zylindrische Teil mit einem Dämpfungsschirm (48) versehen ist, in welchem eine elektrisch leit fähige Flüssigkeit enthalten ist, die eine Torsionsrück-' stellung bei sich ändernden Last zuständen für den Rotor bewirkt und ferner die supraleitenden Feldwicklungen gegen im Stator während des Betriebs entstehende Wechselfelder abschirmt, und daß die Rotorwelle (40) mit Einrichtungelt (60, 62; 72) versehen ist, über welche der Erregerstrom und das Kühlmittel zugeführt wird, um die Feldwicklung auf einer Temperatur von etwa 4,2°K zu halten.

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2. Dynamoelektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Dämpfungsschirm (48) aus einem inneren Zylinder (64) und einem äußeren Zylinder (66) besteht, die unter Ausbildung eines Innenraumes (70) mit Stützklötzen (68) auf Abstand gehalten werden, und daß die elektrisch leitfähige Flüssigkeit den Innenraum zwischen dem inneren und dem äußeren Zylinder ausfüllt.
3. Dynamoelektrische Maschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrisch leitfähige Flüssigkeit aus einem flüssigen Metall besteht, das während Störungszuständen im Betrieb der Maschine einen Strom im Metall erzeugt, der mit dem Feldfluß im Luftspalt in Wechselwirkung tritt und im flüssigen Metall Kräfte auslöst, die eine Fließbewegung auslösen und Druckgradienten im flüssigen Metall zwischen dem inneren und dem äußeren Zylinder ausgleichen.
4. Dynamoelektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das in dem ringförmigen Innenraum zwischen dem inneren und äußeren Zylinder befindliche flüssige Metall eine Dämpfungswirkung durch die im flüssigen Metall fließenden Ströme bewirkt, um dadurch eine Übertragung hoher Flußkräfte auf die supraleitende Feldwicklung auszuschließen, wobei diese Flußkräfte im flüssigen Metall Druckfluktuationen und Zirkulationsströmungen auslösen.

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