Beschreibung

Maschine der Supraleitungstechnik mit Dämpferschirmteil

Die Erfindung bezieht sich auf eine Maschine der Supralei ^¬ tungstechnik mit einem Ständer, der einen um eine Läuferachse drehbar gelagerten Läufer unter Ausbildung eines Luftspaltes umschließt, wobei der Läufer

- einen Kaltteil enthält, a) in dem zu kühlende Supraleiter einer Läuferwicklung angeordnet sind und b) der von einem warmen Gehäuse umschlossen ist, an dessen dem Luftspalt zugewandter Außenwand wenigstens ein als ein Dämpferschirm wirkender Teil vorhanden ist, sowie

- zwischen dem Kaltteil und dem warmen Gehäuse thermische Isolationsmittel aufweist.

Eine entsprechende Maschine geht aus der US 4,914,328 A her- vor.

Einen gravierenden Störungsfall von rotierenden elektrischen Maschinen stellt der so genannte Stoßkurzschluss dar. Bei einem solchen Stoßkurzschluss können überlastmomente auftre- ten, die ein Vielfaches, z.B. bei einer zweipoligen Läuferwicklung das 10- bis 20-Fache des Nettomomentes der Maschine, betragen. Trotz aller Vorsichtsmaßnahmen können im Betrieb einer Maschine solche Kurzschlüsse, die z.B. eine Folge von Fehlschaltungen oder Fehlbedienungen bzgl. der Ständerwick- lung eines Ständers sein können, nicht ausgeschlossen werden. Darüber hinaus wird bei einem Typtest einer Maschine als ent ^¬ sprechende Vorsichtsmaßnahme vielfach auch der Nachweis ver ^¬ langt, dass solche Störungsfälle zu keiner Dauerschädigung von Teilen der Maschine führen.

Bei einer Maschine mit supraleitender Läuferwicklung treten neben anderen unerwünschten Auswirkungen in solchen Störungsfällen auch erhebliche Belastungen in der radialen Außenwand

eines warmen Gehäuses des Läufers auf, das aus thermischen Isolationsgründen als Vakuumgehäuse bzw. Kryostatgehäuse aus ^¬ gebildet ist. Denn die der Ständerwicklung zugewandte Gehäu ^¬ se- bzw. Kryostataußenwand, die im Allgemeinen aus metalli- schem Material besteht, wirkt zugleich als ein elektromagne ^¬ tischer Dämpferschirm bzw. trägt einen solchen Schirm (vgl. die eingangs genannte US 4,914,328 A) . Hier können nämlich hohe Ströme induziert werden, insbesondere wenn der Dämpfer ^¬ schirm aus einem elektrisch gut-leitenden Material besteht. Diese Ströme haben dann in Wechselwirkung mit dem zwischen Läufer und Ständer erzeugten magnetischen B-Feld hohe Lo- rentz-Kräfte zur Folge.

Solche Belastungen wie erwähnt haben zweierlei Auswirkungen auf einen Dämpferschirm. Zum einen wird der Dämpferschirm durch die auftretenden Kräfte deformiert. Dabei gibt es Be ^¬ reiche, in denen er einer Druckkraft von außen ausgesetzt ist und sich dabei nach innen wölbt, während er in anderen Berei ^¬ chen eher eine entsprechende Deformation nach außen erfährt. Dabei darf der Dämpferschirm den Ständer nicht berühren, da dieser sonst zerstört werden könnte. Abhilfe lässt sich hier durch einen entsprechend großzügig bemessenen Luftspalt zwi ^¬ schen Ständerinnenradius und Gehäuseaußenradius erreichen. Dies hat zur Folge, dass insbesondere bei axial ausgedehnten Läufern Werte für die radiale Ausdehnung des Luftspaltes er ^¬ forderlich werden, die deutlich oberhalb von einigen Millimetern liegen, wie sie bei konventionellen Maschinen üblich sind. Zum anderen treten in einem solchen Störungsfall in dem Dämpferschirm durch die Deformation auch Materialspannungen auf. Die entsprechenden Belastungen müssen unterhalb der Grenzwerte für eine plastische Deformation des gewählten Dämpferschirmmaterials liegen, da sonst das Außengehäuse des Läufers nach einem Stoßkurzschluss deformiert bleiben würde. Abhilfe kann hier nur durch eine ausreichende Wandstärke des Dämpferschirms geschaffen werden.

Allerdings bewirken beide Vorsichtsmaßnahmen, dass der

„magnetische Luftspalt" (der elektromagnetischen Wechselwirkung zwischen Läuferwicklung und Ständerwicklung der Maschine) folglich entsprechend groß bemessen sein muss. Da ande ^¬ rerseits die Felder mit abnehmendem Abstand vom felderzeugen- den Kaltteil des Läufers bzw. dessen supraleitender Läuferwicklung abnehmen, bedingen große Wandstärken und große Luftspalte eine deutlich schlechtere Ausnutzung des eingesetzten Supraleitermaterials .

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, bei einer Maschine mit den eingangs genannten Merkmalen eine derartige überdimensionierung zu vermeiden, die insbesondere auf eine Deformation des Dämpferschirms oder von entsprechend wirken ^¬ den Gehäuseteilen in einem Störungsfall zurückzuführen ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den in Anspruch 1 an ^¬ gegebenen Merkmalen gelöst. Demgemäß sollen bei der Maschine mit den eingangs genannten Merkmalen zwischen dem warmen Gehäuse und dem Kaltteil an vorbestimmten Stellen Abstützele- mente vorgesehen sein, die sich in radialer Richtung so weit erstrecken, dass

- in einem ungestörten Betriebsfall der Maschine zwischen den Abstützelementen und dem warmen Gehäuse oder dem Kaltteil jeweils ein geringer Abstand ausgebildet ist und

- erst in einem Störungsfall der Maschine, der zu einer ein vorbestimmtes Maß überschreitenden Deformation des warmen Gehäuses (bzw. des damit verbundenen Dämpferteils) führt, ein Kraftschluss zwischen dem warmen Gehäuse und dem KaIt- teil über die Abstützelemente gegeben ist.

Bei den Maßnahmen nach der Erfindung wird nämlich von der überlegung ausgegangen, dass mit Abstützelementen an dem warmen Gehäuse oder dem Kaltteil an den Stellen, an denen der Dämpferschirm (oder der als ein solcher wirkende Gehäuseteil) komprimierende Kräfte erfährt, einerseits ermöglicht wird, mit verhältnismäßig geringen Wandstärke von Gehäuse und/oder Dämpferschirm sowie mit kleinen mechanischen Luftspalten aus-

zukommen und andererseits aber Belastungen der Stoßkurzschlüsse hinreichend sicher beherrschen zu können. Die Ab ^¬ stützelemente sind dabei so bemessen, dass sie im Normalbe ^¬ trieb zur Vermeidung von Wärmeeinleitungsverlusten keinen me- chanischen Kontakt mit der warmen Gehäuse- bzw. Kryostatwand bzw. des Dämpferschirms einerseits oder mit dem Kaltteil an ^¬ dererseits aufweisen. Abhängig von der Geometrie und den Materialdaten des Dämpferschirms ist dabei ein gewisses Maß an Deformation ohne schädliche Auswirkungen zulässig. D.h., die Abstützelemente sind dann so bemessen, dass sie erst ab einer vorgegebenen Deformation des Dämpferschirms wirksam werden. Damit brauchen sie auch nur noch jene Kraftanteile aufzunehmen, die notwendig sind, um den Dämpferschirm um mehr als dieses vorgegebene, zulässige Maß zu verformen.

Die mit der erfindungsgemäßen Ausgestaltung der Maschine verbundenen Vorteile sind folglich darin zu sehen, dass der magnetische Luftspalt verhältnismäßig klein gehalten werden kann und damit die eingesetzten Supraleiter mit entsprechend hohem Wirkungsgrad auszunutzen sind. Durch die spezielle vorge ^¬ schlagene Ausführung von Abstützelementen wird zudem auch die Wärmelast im Normalbetrieb der Maschine nicht oder nur ge ^¬ ringfügig erhöht .

Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Maschine gehen aus den von Anspruch 1 abhängigen Ansprüchen hervor. Dabei kann die Ausführungsform nach Anspruch 1 mit den Merkmalen eines der Unteransprüche oder vorzugsweise auch denen aus mehreren Unteransprüchen kombiniert werden. Demgemäß kann die insbesondere als Synchronmotor, vorzugsweise als Genera ^¬ tor, ausgebildete Maschine nach der Erfindung zusätzlich noch folgende Merkmale aufweisen:

• So können bevorzugt die Abstützelemente an solchen Stellen angeordnet sein, in denen in dem Störungsfall an dem Ge ^¬ häuse eine radial nach innen wirkende Deformationskraft angreift. Diese Stellen befinden sich im Allgemeinen in einem axial gesehen mittleren Bereich des Läufers, wo die

größte Deformation zu befürchten ist. In den stirnseitigen Bereichen weist nämlich das Gehäuse im Allgemeinen eine hinreichend große radiale Steifigkeit. Die Anzahl der Ab ^¬ stützelemente und damit ihr wärmeleitender Gesamtquer- schnitt sind somit zu begrenzen.

• Der Dämpferschirm kann entweder als Teil des warmen Gehäuses ausgebildet sein oder an der Außen- oder Innenseite des warmen Gehäuses angeordnet sein. Beide Ausgestaltungs ^¬ möglichkeiten sind allgemein bekannt. • Vorteilhaft werden mehrere in axialer Richtung verteilt angeordnete Abstützelemente vorgesehen, die verhältnismä ^¬ ßig kleine Einzelquerschnitte aufweisen. Auch so lässt sich eine Wärmeübertragung zwischen Kaltteil und warmem Gehäuse begrenzen. • Bevorzugt können die Abstützelemente aus thermisch schlecht-leitendem Material wie insbesondere aus einem glasfaserverstärkten Material bestehen, um den Wärmeübertrag bei hinreichender Steifigkeit so gering wie möglich zu halten. • Als thermische Isolationsmittel kommen insbesondere Vakuum und/oder wenigstens eine Superisolation in Frage. Entspre ^¬ chende Maßnahmen sind allgemein bekannt.

• Die Vorteile einer geringen radialen Ausdehnung des Luftspalts kommen insbesondere bei einer Läuferwicklung zum Tragen, die mit Leitern aus einem der bekannten metalloxi- dischem HTS (High-T _c -Superconducting) -Materialien erstellt ist. Stattdessen sind selbstverständlich auch Leiter aus metallischem LTS (Low-T _c -Superconducting) -Material verwend ^¬ bar. Die einsetzbaren Leitertypen können dabei Bandleiter oder Seilverbundleiter wie z.B. Röbelleiter sein.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird nachfolgend auf die Zeichnung Bezug genommen, an Hand derer ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer Maschine nach der Erfindung noch weiter beschrieben ist. Dabei zeigt deren einzige Figur einen Längsschnitt durch die Maschine in schematisierter Form.

Bei der nachfolgend an Hand der Figur angedeuteten Ausführungsform der Maschine kann es sich insbesondere um einen Synchron-Motor oder einen Generator handeln. Die Maschine um- fasst eine rotierende, supraleitende Erregerwicklung, die prinzipiell eine Verwendung von metallischem LTS-Material oder oxidischem HTS-Material gestattet. Letzteres Material sei für das Ausführungsbeispiel zugrunde gelegt. Maßnahmen zu einer Kühlung des Supraleitermaterials z.B. auf eine Tempera ^¬ tur von etwa 30 K sind allgemein bekannt, so dass in der Fi- gur auf eine Darstellung dieser Maßnahmen verzichtet wurde. Die Wicklung kann aus einer Spule oder einem System von Spulen in einer zwei-, vier- oder sonstigen mehrpoligen Anordnung bestehen. Der prinzipielle Aufbau eines entsprechenden Synchronmotors geht aus der Figur hervor, wobei von bekannten Ausführungsformen entsprechender Maschinen ausgegangen wird (vgl. die eingangs genannte US 4,914,328 A oder die WO 02/43224 A) .

Die allgemein mit 2 bezeichnete Maschine umfasst ein festste- hendes, auf Raumtemperatur befindliches Außengehäuse mit einem ortsfesten Ständer 3, von dessen Ständerwicklung stirnseitige Wickelköpfe 3a ersichtlich sind. Innerhalb des Außen ^¬ gehäuses und von der Ständerwicklung unter Ausbildung eines Luftspaltes 4 mit einer radialen Spaltweite w umschlossen ist ein Läufer 5, der drehbar um eine Läuferachse A gelagert ist. Der Läufer weist ein warmes, im Allgemeinen auf Raumtempera ^¬ tur befindliches Gehäuse 6 auf, in dem aus thermischen Isola ^¬ tionsgründen nach Art eines Kryostaten ein Vakuum V herrscht. Innerhalb des somit als ein Vakuumgehäuse oder Kryostatgehäu- se anzusehenden Gehäuses 6 ist über Aufhänge- oder sonstige Befestigungselemente 7a und 7b ein Kaltteil 8 gehaltert. Der in der Figur nicht näher ausgeführte Kaltteil umfasst in an sich bekannter Weise einen Wicklungsträger zur Aufnahme einer von einem Kältemittel zu kühlenden supraleitenden Erreger- wicklung. Die erforderliche Kältemittelversorgung der Erregerwicklung ist in der Figur nicht dargestellt, da sie allge ^¬ mein bekannt ist. Der Kaltteil 8 weist dabei eine von dem

Kältemittel der Wicklung direkt oder indirekt mit gekühlter kalter Außenseite 8a auf.

Aus der Figur geht ferner hervor, dass zumindest in einem mittleren Bereich des Kaltteils 8 auf dessen Außenseite 8a einzelne, sich radial erstreckende Abstützelemente 9a bis 9d z.B. in Form von einzelnen Abstandshaltern oder von Abstandsringen angebracht sind. Diese Abstützelemente können die Au ^¬ ßenseite konzentrisch umschließen. Sie erstrecken sich dabei erfindungsgemäß nicht hin bis zur Innenseite der rohrförmigen Gehäusewand 6a des Vakuumgehäuses 6; vielmehr ist zwischen dieser Wand 6a und der entsprechenden Stirnseite jedes Ab ^¬ stützelementes ein vorbestimmter Zwischenraum oder Abstand a eingehalten, um so im Normalbetrieb der Maschine Wärmelei- tungsverluste über diese Elemente zu vermeiden bzw. zu be ^¬ grenzen .

Wie darüber hinaus in der Figur durch eine verstärkte Linie angedeutet sein soll, ist die Gehäusewand 6a selbst in an sich bekannter Weise als ein Dämpferschirm (teil) 10 ausgebil ^¬ det, wobei das Gehäuse z.B. aus Stahl bestehen kann. Oder aber es ist an der Innen- oder Außenseite der Gehäusewand 6a ein besonderer Dämpferschirm z.B. aus Kupfer (Cu) oder Aluminium (al) oder gegebenenfalls auch aus einer Legierung eines der genannten Materialien angebracht. Selbstverständlich kann dabei der Dämpferschirm oder der als ein solcher wirkende Gehäuseteil auch aus mehreren Teilen zusammengesetzt sein (vgl. die eingangs genannte US 4,914,328 A oder die EP 0 087 263 A2 ) . Die Abstützelemente 9a bis 9d werden dann bevorzugt an den Stellen des Kaltteils 8 angeordnet, wo auf diesen Dämpferschirm 10 komprimierende, d.h. radial nach innen wirkende Kräfte in einem Störungsfall wie z.B. einem Kurzschluss der Ständerwicklung einwirken. Gemäß dem Ausführungsbeispiel sein davon ausgegangen, dass in einem axial ge- sehen mittleren Bereich des Kaltteils 8 solche komprimierenden Kräfte wirken können. Abhängig von der Geometrie und den für den Dämpferschirm gewählten Materialien wie z.B. Cu sei ein gewisses Maß an radialer Deformation, z.B. von 2 mm, oh-

ne schädliche Auswirkungen zulässig. Die Abstützelemente sollten dann so bemessen sein, dass sie erst ab einer Deformation über ein vorbestimmtes Maß hinaus wie z.B. von 1,5 mm zum Tragen kommen. Damit brauchen sie auch nur Kraftanteile aufzunehmen, die notwendig sind, um den Dämpferschirm um mehr als dieses vorgegebene Maß zu verformen.

Zu einer Begrenzung der Wärmeübertragung über die Abstützelemente 9a bis 9d bei einem mechanischen Kontakt mit dem warmen Gehäuse 6 und dem Kaltteil 8 sollten die Abstützelemente be ^¬ vorzugt aus wenigstens einem thermisch schlecht-leitenden Material bestehen. Hierfür geeignete Materialien sind insbesondere glasfaserverstärkte Kunststoffmaterialien.

Um die Wärmelast durch Strahlungsverluste im Normalbetrieb, d.h. bei Fehlen eines solchen mechanischen Kontaktes zwischen den drei genannten Teilen (d.h. Kaltteil 8, Abstützungsele- mente 9a bis 9d, Gehäuse 6) , klein halten zu können, sollten entweder die Abstützelemente 9a bis 9d auf dem Kaltteil 8 un- terhalb einer notwendigen Superisolation 11, d.h. innerhalb dieser angebracht werden. Gegebenenfalls ist es auch möglich, die Oberfläche des Anteils der Abstützelemente, die unter Um ^¬ ständen aus technischen Gründen nicht unterhalb der Superisolation 11 liegen kann und dem Dämpferschild zugewandt ist, durch eine geeignete Strukturierung wie z.B. Querschnittsflä ^¬ chenverringerungen klein zu halten. Entsprechende Maßnahmen sind insbesondere dann von Vorteil, wenn auf eine den Kalt ^¬ teil 8 umschließende Superisolation verzichtet werden soll. Dann können nämlich die Strahlungsverluste ohne eine um- schließende Superisolation bis zu etwa 500 W/m ² betragen.

In der Figur ist noch eine weitere Superisolation 12 ersichtlich, die so angebracht ist, dass die Abstützelemente 9a bis 9d teilweise durch die Superisolation 12 hindurch ragen. Falls eine solche Superisolation allein vorgesehen werden soll, ist eine Minimierung der Oberfläche der Abstützelemente, die der Strahlung des Dämpferschildes ausgesetzt ist, be ^¬ sonders vorteilhaft.

Außerdem ist zu berücksichtigen, dass ein als ringförmiges Abstützelement, z.B. als Element 9b, ausgebildeter umlaufen ^¬ der Abstützwulst von nur 10 cm Breite selbst bei einem KaIt- teilumfang von nur 1 m bereits Verluste von etwa 50 W verursachen kann. Entsprechende Kälteleistungen können bei etwa 30 K oftmals von Kaltköpfen bekannter Maschinen kaum erbracht werden. Neben den dadurch bedingten hohen Kosten käme auch noch eine dafür notwendige Kompressoranschlussleistung bei- spielsweise von etwa 6 kW hinzu. Aus diesem Grunde ist es vorteilhaft, mehrere, z.B. 10 säulenartige Abstützelemente 9a bis 9d mit jeweils kleinem Querschnitt von beispielsweise 1 cm ² auf einer Fläche von z.B. 10 x 10 cm ² anzuordnen anstelle einer kaum wirksameren größeren Abstützung mit 10 cm x 10 cm = 100 cm ² Querschnittsfläche.

Die Abstützelemente können entweder nach einem Bandagieren des Läuferkaltteils 8 auf der Bandage aufgebracht werden; oder aber man befestigt sie vor dem Bandagieren auf dem KaIt- teil, so dass sie dann praktisch nach Art einer Laminierung in die Bandage eingebracht werden.

Gemäß dem dargestellten Ausführungsbeispiel wurde davon aus ^¬ gegangen, dass die Abstützelemente 9a bis 9d an dem Kaltteil 8 angebracht werden und der Abstand a gegenüber der Gehäuse ^¬ wand 6a bzw. dem Dämpferschild 10 ausgebildet ist. Selbstver ^¬ ständlich können die Abstützelemente auch im Warmen an der Innenseite des Dämpferschildes bzw. der entsprechenden Gehäu ^¬ sewand befestigt werden, so dass dann der Abstand a gegenüber dem Kaltteil eingehalten wird. Hinsichtlich der überlegung zur Minimierung der Strahlungsverluste gelten auch hier die analogen überlegungen wie bei der in der Figur dargestellten Ausführungsform der Maschine.