DE3220270A1

DE3220270A1 - Laeufer fuer eine supraleitende elektrische rotationsmaschine

Info

Publication number: DE3220270A1
Application number: DE19823220270
Authority: DE
Inventors: Shiro Takarazuka Hyogo Nakamura; Kouichi Kobe Hyogo Okamoto; Masaki Ashiya Hyogo Sakuyama; Tadatoshi Kobe Hyogo Yamada
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1981-05-29
Filing date: 1982-05-28
Publication date: 1983-06-23
Also published as: JPS57199443A; DE3220270C2; US4439701A; GB2103887A; GB2103887B

Description

Die Erfindung bezieht sich auf die Konstruktion des Läufers einer supraleitenden elektrischen Rotationsmaschine.

Ein Beispiel für einen bisherigen Läufer einer supraleitenden elektrischen Rotationsmaschine ist in Fig. 1 dargestellt, die den einen Endabschnitt einer die Wicklung(en) oder Spulen tragenden'Welle 2 für den Läufer, nämlich die Endabschnitte der supraleitenden magnetischen Feldspulen 3, Haltehülsen 16, eine elektrisch isolierende Grund- oder Bodenplatte 21, eine Isolierhülle 22 und elektrisch iso-

!5 lierende Füllstücke'23 zeigt.

Figl 2 veranschaulicht in perspektivischer Darstellung den Endabschnitt der Wicklungs-Welle 2 zum besseren Verständnis von Fig. 1.
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. Gemäß den Fig. 1 und 2 sind die supraleitenden Feldspulen 3 in ausgesparte Abschnitte der Wicklungs-Welle 2 eingesetzt, wobei die Zwischenräume zwischen den Spulen sowie die ausgesparten Abschnitte mit den Füllstücken 23 ausgefüllt sind. ^5 Die Haltehülsen 16 sind um den Gesamtumfang der Welle 2 auf diese aufgeschrumpft, so daß die Feldspulen 3 sicher in der richtigen Einbaulage festgelegt sind.

Die bisherigen isolierenden Füllstücke 23, die sowohl in

Axial- als auch in Umfangsrichtung der Wicklungs-Welle 2 verlaufen, sind einheitlich (integral) mit der Welle 2 verbunden (vgl. Fig. 1 und 2). Beim Einsetzen der FvQlstücke 3 in die Zwischenräume zwischen den supraleitenden magnetischen Feldspulen 3 sowie in die Zwischenräume zwischen letzteren und der Welle 2 ergeben sich daher die im folgenden erläuterten Schwierigkeiten.

L. C. W A. I

Eine supraleitende Feldspule 3 umfaßt mehrere Windungen, die gegeneinander elektrisch isoliert sind. Die elektrische Isolierung erfolgt in der Weise, daß Isolierbänder wendelförmig um die Spulenleiter herumgewickelt werden. Beim Einsetzen der Füllstücke 3 kann aber die Isolierung der Isolierbänder unterbrochen werden, so daß ein Kurzschluß der Spulen auftreten kann, der einen Betriebsausfall der Rotationsmaschine herbeiführt. Wenn die Zwischenräume zwischen den Füllstücken 2 3 und den Feldspulen 3 am Außenumfang kleiner sind als am Innenumfang., bilden sich Spalte zwischen den Unterseiten der Feldspulen 3 und den Füllstücken 23, so daß die Unterseiten der Feldspulen 3 locker sitzen. In diesem Fall können sich die Feldspulen im Betrieb unter elektromagnetischen Kräften und Fliehkräften verschieben, so daß Reibungswärme entsteht, die den Betrieb der elektrischen Rotationsmaschine beeinträchtigt.

Fig. 3 zeigt eine andere bisherige Anordnung, bei welcher isolierende Füllstücke in eine Anzahl von Puffer- oder Füllplatten 23a (padding plates) getrennt bzw. unterteilt sind, die ihrerseits so eingesetzt sind, daß sie die Seiten der supraleitenden Feldspulen und der anderen Abschnitte bedecken. Die Füllplatten 23a bedecken die gesamten Seitenflächen der Feldspulen 3, während an ihren anderen Seiten jeweils die Füllstücke 23b angeordnet sind. Nach der Anbringung der supraleitenden Feldspulen 3 an der Wicklungs-Welle 2 werden die Seiten der Feldspulen 3 mit den isolierenden Füllplatten 23a abgedeckt, worauf die isolierenden

Füllstücke 23b eingesetzt werden. Bei diesem Einbauverfahren

^ow ren werden die Feldspulen 3 ohne Unterbrechung der Isolierung zwischen den einzelnen Windungen der Feldspulen 3 sicher festgelegt.

Diese Anordnung ist aber immer noch mit den folgenden Nachteilen behaftet: Es ist dabei nämlich unmöglich, die Feldspulen 3 so zu befestigen, daß die Seiten der Feldspulen 3 nicht bündig miteinander sind, unabhängig davon,

wie sorgfältig die Befestigung der Feldspulen 3 an der Welle durchgeführt wird. Infolgedessen werden alle Windungen der Feldspulen 3 durch die Füllplatten 23a fest zusammengepreßt. '■

Aufgabe der Erfindung ist damit insbesondere die Ausschaltung der Mängel des Stands der Technik durch Schaffung einer verbesserten Läuferkonstruktion für eine supraleitende elektrische Rotationsmaschine. ..

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

Die in Längsrichtung der Wicklungs-Welle verlaufenden supraleitenden magnetischen Feldspulen sind am Ende rechtwinkelig abgebogen. Die längs des Wellenumfangs gekrümmten Endabschnitte der Feldspulen können daher sicher befestigt werden. An den Endabschnitten der Feldspulen sind elektrisch isolierende Puffer- oder Füllplatten 23a unter Zwischen-²^ fügung elektrisch isolierender Füllstücke an den Seiten der Feldspülen angesetzt. Die Füllstücke 23b sind dabei so gedrängt eingebaut ("gepackt"), daß sich in den auf die Außenseite des Spulenendabschnitts aufgesetzten Haltehülsen keine Zwischenräume oder Spalte bilden. Auf diese Weise ° kann der Läufer mit sicherer Feldspulenbefestigung zusammengebaut werden.

Im folgenden ist eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung im Vergleich zum Stand der Technik anhand der bei-

gefügten Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Teilschnittansicht der Endabschnitte von supraleitenden magnetischen Feldspulen bei einem bisherigen Läufer einer supraleitenden elektrischen

Rotationsmaschine,

Fig. 2 eine teilweise im Schnitt gehaltene perspektivische Darstellung der Gesamtanordnung nach Fig. 1,

£. Z. \J C f

1 Fig. 3 eine Fig. 1 ähnelnde Darstellung einer anderen bisherigen Läuferkonstruktion,

Fig. 4 einen Längsschnitt zur Darstellung des allgemeinen Aufbaus des Läufers einer supraleitenden Rotations-, maschine/

Fig. 5 einen in vergrößertem Maßstab gehaltenen Teilquerschnitt zur Verdeutlichung der Nachteile der (bisherigen) Feldspulen-Einbauanordnung,

Fig. 6 eine perspektivische Darstellung der Einbauanordnung nach Fig. 5,

Fig. 7 einen Teillängsschnitt zur Veranschaulichung der Konstruktion eines Läufers gemäß der Erfindung . und

Fig. 8 eine in vergrößertem Maßstab gehaltene Teilschnittdarstellung der Anordnung nach Fig. 7.

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

²⁵Vor der näheren Erläuterung des erfindungsgenäßen Läufers ist nachstehend anhand der Fig. 4 bis 6 der allgemeine Aufbau des Läufers einer supraleitenden elektrischen Rotationsmaschine beschrieben. Die'Anordnung nach Fig. 4 umfaßt Torsionsrohre 1, eine den Mittelteil der letzteren bildende,

^dIe Spulen bzw. Wicklung tragende Welle 2, an letzterer montierte supraleitende magnetische Feldspulen 3, ein die Torsionsrohre 1 und die Welle 2 umschließendes Normaltemperatur-Dämpfungselement (damper) 4, ein zwischen letzterem und der Welle 2 angeordnetes Tieftemperatur-Dämpfungselement 5, zylindrische Außenwände 6 und an den Enden der Welle 2 angeordnete Stirnplatten 7 eines um den Außenumfang der Welle 2 herum angeordneten Heliumbehälters, einen

antriebsseitigen (driving) und einen antriebslosen (antidriving) Wellenstummel 8 bzw. 9 an den beiden Enden der Welle 2, die Wellenstummel 8 und 9 tragende Lager 10, Schleifringe IT zur Zufuhr des Feldstroms zu den Spulen 3, einen in den Torsionsrohren 1 vorgesehenen Wärmetauscher 12, seitliche Hitzeschilde 13, einen Unterdruckabschnitt 14 sowie einen Behälter 15 für flüssiges Helium.

Bei dieser Läuferkonstruktion werden die an der Welle 2 montierten supraleitenden Feldspulen 3 unter die Sprungtemperatur im Bereich von einigen Graden über dem absoluten Nullpunkt gekühlt. Der elektrische Widerstand wird dabei verschwindend klein,, so daß große bzw. starke Magnetfelder ohne Aufwendung, nennenswerter Mengen an elektri-

!5 scher Energie erzeugt werden (können).. Unter diesen Bedingungen wird in einem nicht dargestellten Ständer elektrischer Wechselstrom erzeugt, über eine nicht dargestellte Leitung im Wellenstummel 9 wird flüssiges Helium dem durch die Außenwand 6 und die Stirnplatten 7 gebildeten Heliumbehälter zugeführt, um die Feldspulen 3 auf Mindesttemperatur zu kühlen, während im Unterdruckabschnitt 14 innerhalb des Läufers ein Vakuum aufrechterhalten wird. Die das Drehmoment auf die Feldspulen 3 und die Welle 2 übertragenden Torsionsrohre besitzen die Form dünnwandi-

^ . ger Hohlzylinder, und der Wärmetauscher 12 ist so angeordnet, daß.ein Eintritt von äußerer Wärme in den Tiefoder Tiefsttemperaturbereich über die Torsionsrohre 1 praktisch unterdrückt wird. Der beschriebene Aufbau wird allgemein bei derartigen Läufern angewandt. Die

seitlichen Strahlungs- oder Hitzeschilde 13 sollen außerdem das Eindringen von Strahlungswärme von den Stirnseiten her unterdrücken. . .

Die Normal- und Tieftemperatur-Dämpfungselemente 4 bzw. 5 schirmen weiterhin im nicht dargestellten Ständer erzeugte Hochfrequenz-Magnetfelder ab und schützen die supraleitenden Feldspulen 3 davor. Außerdem dämpfen sie Schwingungen

-δι des Läufers infolge von Störungen des elektrischen Systems. Das Normaltemperatur-Dämpfungselement 4 wirkt auch als Außenzylinder des Unterdruckabschnitts 14, während das Tieftemperatur-Däir.pfungselement 5 als Strahlungsabschirmung oder -schild zur Verhinderung eines Eindringens von Strahlungswärme in den Heliumbehälter 15 wirkt. In Fig.4 sind die im Läufer vorgesehenen Leitungen zur' Zufuhr und Abfuhr von flüssigem Helium.zum bzw. vom Behälter 15 sowie die Einrichtungen für die Förderung und Abfuhr des Heliums zum bzw. vom Läufer weggelassen.

Es ist außerordentlich wichtig, die Spulen sicher und fest am Läufer zu montieren, weil ihre Verschiebung bei der Bewegung bzw. Drehung des Läufers zur Erzeugung von Reibungswärme führen kann, durch welche die Supraleitfähigkeit der Feldspulen gestört oder aufgehoben wird. Aus Fig. 4 ist ersichtlich, daß eine Prüfung und Instandsetzung der supraleitenden Feldspulen 3 schwierig durchzuführen ist, weil die Feldspulen 3 durch die Außenwand 6 sowie die Dämpfungselemente 5 und 4 dreifach eingeschlossen sind. Die. Feldspulen 3 müssen insbesondere deshalb sicher befestigt sein, weil von einer elektrischen Rotationsmaschine hohe Zuverlässigkeit gefordert wird.

Gemäß Fig.. 5, welche die allgemeine Anordnung zur Halterung der Feldspulen 3 veranschaulicht, sind in die Mantelfläche der Wicklungs-Welle 2 axial verlaufende Nuten eingestochen, in denen die supraleitenden FeLdspulen 3 angeordnet und unter Zwischenfügung von Isolierstücken 20 durch Keile 19 abgedeckt und festgelegt sind. Gemäß Fig. sind die Feldspulen 3 längs der Linie B-B gewickelt, so daß ein starkes Magnetfeld mit einer Polachse entsprechend der Linie C-C erzeugt wird. Durch die Keile T9 werden die Feldspulen 3 sicher in den Nuten 3 festgehalten. Nachtei-

3^ lig an dieser Anordnung ist jedoch, daß die Enden der Feldspulen 3 bei der Herstellung des Läufers mittels der Keile in den Nuten befestigt werden müssen.

— 9 —

Fig. 6 veranschaulicht in perspektivischer Darstellung den einen Endabschnitt der Wicklungs-Welle 2 sowie die Keile 19 für die geraden Abschnitte und Keile 191 für die Enden der supraleitenden Feldspulen 3.
5

Gemäß Fig. 6 müssen die Keile 191 einen gekrümmten Querschnitt besitzen, weil die Endabschnitte der Feldspulen 3 mit einer Krümmung in Umfangsrichtung der Welle 2 verlaufen. Weiterhin besitzen die unter den gekrümmten Keilen 191 befindlichen Nuten eine Teilringform, die auf der Drehbank unmöglich auszubilden ist. Der Umstand, daß die Endabschnitte der Keile 191 und der Nuten im Vergleich zu den geraden Abschnitten der Feldspulen 3 eine kompliziertere Form besitzen, bedingt nicht nur eine Erhöhung des Zeit- und Kostenaufwands für die Fertigung, sondern auch eine Verringerung, der Fertigungsgenauigkeit, durch welche die Sicherheit der Montage der Feldspulen 3 an der Welle 2 beeinträchtigt wird.

Die Anordnungen gemäß den Fig. 1 bis 3, die zur Vermeidung V dieser Märigel entwickelt worden sind, sind andererseits wiederum mit den bereits geschilderten Mängeln und Nachteilen behaftet.

Die Erfindung bezweckt nun die sichere Halterung und Festlegung der gekrümmten Endabschnitte der supraleitenden Feldspulen, die sich bei den bisherigen Konstruktionen als Schwachpunkt herausgestellt hat.

^ Bei der in den Fig. 7 und 8 dargestellten Ausführungsform der Erfindung sind elektrisch isolierende Füllstücke 23c aus einem elastischen Werkstoff, wie Filz o.dg.1., zwischen die jeweilige supraleitende Feldspule 3 und die elektrisch

isolierenden Puffer- oder Füllplatten 23a eingesetzt. 35

-ιοί Beim Zusammenbau werden die Isolier-Füllstücke 23c an den Seiten der supraleitenden Feldspulen 3 angebracht oder angesetzt, nachdem letztere an oder in der Welle 2 montiert worden sind. Sodann werden die Puffer- oder Füllplatten 23a an den Füllstücken 23c angesetzt, worauf schließlich die Füllstücke 23b eingesetzt werden. Die isolierenden Füllplatten 23a bzw. die Füllstücke 23c können gemäß Fig.8 an der Seite eine unregelmäßige Kontur entsprechend der Kontur der Seitenflächen der Feldspulen 3 besitzen. ■

Für die Isolier-Füllstücke 23c kann mit einem Kunstharz imprägnierter Filz verwendet werden; in diesem Fall können die Feldspulen 3 noch sicherer an bzw. in der Welle 2 festgelegt werden.
' ■ Mit der Erfindung wird also' ein Läufer geschaffen, bei dem die supraleitenden Feldspulen, die in Längsrichtung . der Wicklungs-Weile verlaufen, an ihren.Enden unter einem rechten Winkel abgebogen sind, wobei an die gegenüberlie- ■ genden Enden der Feldspulen elektrisch isolierende Pufferoder Füllplatten unter Zwischenfügung von isolierenden Füllstücken angesetzt und (dazwischen) elektrisch isolierende Füllstücke eingesetzt sind, so daß die Entstehung eines Spalts in den auf die Feldspulenenden auf-

²^ gesetzten Haltehülsen verhindert wird..

■ι . Μ- ..

Leerseite

Claims

Henkel, Kern, FeilerCrHänzel Patentanwälte
Registered Representatives
before the
European Patent Office
Möhistraße 37 Mitsubishi Denki D-8000 München 80
Kabushiki Kaisha . Tel.: 089/982085-87
Telex: 05 29 802 hnkl d Tokio, Japan Telegramme: ellipsoid
FAM-5515 28. Mai 1982
Läufer für eine supraleitende elektrische Rotationsmaschine
Patentansprüche
Läufer für eine supraleitende elektrische Rotationsmaschine, gekennzeichnet durch an'bzw. in einer Wicklungs-Welle (2) montierte supraleitende magnetische Feldspulen (3), deren einer Endabschnitt längs des Umfangs der Welle (2) gekrümmt ist, durch unter Zwischenfügung (jeweils) eines elektrisch isolierenden Füllstücks (23c) an die gegenüberliegenden Seiten jeder Feldspule (3) angesetzte, elektrisch isolierende Puffer- oder Füllplatten (23a) und durch elektrisch isolierende Füllstücke (23b), welche die Zwischenräume in Haltering- oder Haltehülseneinheiten (16) ausfüllen.
1 2. Läufer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Füllstücke (23c) aus einem elastischen und/oder kunstharzartigen Werkstoff hergestellt sind.

5 3- Läufer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der elastische Werkstoff Filz ist.

4. Läufer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

die elektrisch isolierende(n) Puffer- bzw. Füllplatte(n) 10 (23a) eine der Seitenfläche der supraleitenden Feldspule (n) (3) angepaßte, unregelmäßig geformte Seitenfläche besitzt (besitzen).