Beschreibung Maschine mit einer in einem Wicklungsträger angeordneten sup- raleitenden Wicklung sowie mit Mitteln zur Halterung des Wicklungsträgers Die Erfindung bezieht sich auf eine Maschine mit einem um eine Rotationsachse drehbar gelagerten Rotor, der ein warmes Rotoraußengehäuse hat, das an axialen Rotorwellenteilen be- festigt ist und einen kalten Wicklungsträger mit einer supra- leitenden Wicklung umschließt. Der Rotor weist ferner Mittel zur Halterung des Wicklungsträgers innerhalb des Rotoraußen- gehäuses auf, die auf einer Seite des Rotors zur Übertragung eines Drehmomentes zwischen dem Wicklungsträger und dem zuge- ordneten Rotorwellenteil ausgelegt sind. Ferner sind Mittel zur Kühlung und thermischen Isolation der supraleitenden Wicklung vorgesehen. Eine entsprechende Maschine geht aus der DE 23 26 016 B2 hervor.

Elektrische Maschinen, insbesondere Generatoren oder Motoren, besitzen in der Regel eine rotierende Feldwicklung und eine feststehende Ständerwicklung. Durch die Verwendung von tief- gekühlten und insbesondere supraleitenden Leitern kann man dabei die Stromdichte und dadurch die spezifische Leistung der Maschine, d. h. die Leistung pro Kilogramm Eigengewicht, erhöhen und auch den Wirkungsgrad der Maschine steigern.

Tiefkalte Wicklungen elektrischer Maschinen müssen im allge- meinen von der Umgebung thermisch isoliert und mit einem Kühlmittel auf der geforderten Tieftemperatur gehalten wer- den. Eine effektive Wärmeisolation kann dabei nur erreicht werden, wenn die tiefkalten Teile der Maschine von dem warmen Außenraum möglichst durch ein Hochvakuum mit einem Restgas- druck im allgemeinen unter 10-3 mbar getrennt sind und wenn Verbindungsteile zwischen diesen tiefkalten Teilen und dem warmen Außenraum möglichst wenig Wärme übertragen.

Für eine Vakuumisolation von Rotoren mit tiefzukühlenden Läu- ferwicklungen und warmen Ständerwicklungen sind insbesondere zwei Varianten bekannt : Bei einer ersten Ausführungsform hat der Rotor ein warmes Außengehäuse und einen mitrotierenden abgeschlossenen Vakuumraum. Der Vakuumraum sollte dabei den tiefkalten Bereich allseitig umgeben (vgl. z. B."Siemens Forsch. u. Entwickl.-Ber.", Bd. 5,1976, No. 1, Seiten 10 bis 16). Über sich durch den Vakuumraum erstreckende Abstützungen erfolgt jedoch eine unerwünschte Übertragung von Wärme auf die tiefkalten Teile. Bei einer zweiten Ausführungsform ro- tiert der im wesentlichen kalte Rotor in einem Hochvakuum.

Dabei wird die äußere Begrenzung des Hochvakuumraumes durch die Innenbohrung des Ständers festgelegt. Eine solche Anord- nung erfordert jedoch hochvakuumdichte Wellendichtungen zwi- schen dem Rotor und dem Ständer (vgl. z. B. DE 27 53 461 A1).

Bei der aus der eingangs genannten DE-B2-Schrift entnehmbaren Maschine ist die erstgenannte Ausführungsform realisiert. Bei ihrem Rotor befindet sich die supraleitende Wicklung im Inne- ren eines Läuferkryostaten, der mit angebrachten Flanschwel- len ein Außengehäuse des Rotors bildet. Auf Grund einer Ver- wendung von klassischem Supraleitermaterial für die Leiter der Wicklung ist eine Heliumkühlung vorgesehen mit einer Be- triebstemperatur um etwa 4 K. Demgegenüber befindet sich die Außenkontur des Rotoraußengehäuses etwa auf Raumtemperatur und im Betrieb auch gegebenenfalls darüber. Das Nutzdrehmo- ment der Maschine wird in der Rotorwicklung erzeugt. Diese ist in einem kalten Wicklungsträger angeordnet, der seiner- seits isoliert in dem als Kryostaten wirkenden Rotoraußenge- häuse aufgehängt bzw. gehaltert ist. Dabei muss diese Aufhän- gung bzw. Halterung auf der Antriebsseite des Rotors stabil genug sein, um das Drehmoment von dem kalten Wicklungsträger auf einen antriebsseitigen Wellenteil zu übertragen. Eine entsprechende, starre Verbindungseinrichtung zur Drehmoment- übertragung muss daher verhältnismäßig massiv ausgeführt und kraftschlüssig mit dem Wicklungsträger und dem antriebsseiti- gen Wellenteil verbunden werden. Zugleich übernimmt diese

Verbindungseinrichtung die antriebsseitige Zentrierung des kalten Wicklungsträgers. Auf der gegenüberliegenden Rotorsei- te, die auch als Nichtantriebs-oder Betriebsseite bezeichnet wird, weil an ihr für einen Betrieb der Maschine wichtige Verbindungen wie z. B. eine Kühlmittelzufuhr vorgesehen sind, wird praktisch kein Drehmoment ausgeleitet. Daher sind hier im wesentlichen nur die Funktionen einer Zentrierung und thermischen Isolierung zu erfüllen. Da sich jedoch bei einem Übergang von Raumtemperatur auf die Betriebstemperatur die axiale Länge des Wicklungsträgers relativ zur entsprechenden Ausdehnung des Rotoraußengehäuses um mindestens einen Milli- meter reduziert, muss die betriebsseitige Aufhängung zusätz- lich die Funktion eines entsprechenden Längenausgleichs ge- währleisten. Bei der aus der eingangs genannten DE-B2-Schrift entnehmbaren Maschine sind deshalb zwischen dem Rotoraußenge- häuse und dem Wicklungsträger radial verlaufende, scheiben- förmige Verbindungselemente vorgesehen, die zum Dehnungsaus- gleich eine entsprechende Verbiegung in axialer Richtung er- möglichen. Auch über diese Verbindungselemente erfolgt eine Wärmeeinleitung in den Kryobereich des Wicklungsträgers.

Bei einem weiteren, aus der DE 27 17 580 AI entnehmbaren Ro- tor einer elektrischen Maschine mit supraleitender Erreger- wicklung ist ein entsprechendes, sich radial erstreckendes Verbindungselement zwischen einem Rotoraußengehäuse und einem Wicklungsträger vorgesehen, das zwar eine axiale Deformation zulässt, jedoch zu unerwünschter Wärmeeinleitung in den Kryo- bereich der Maschine führt.

Neben den seit langem bekannten metallischen Supraleitermate- rialien wie z. B. NbTi oder Nb3Sn, wie sie bei den vorstehend erwähnten Maschinen eingesetzt werden, sind seit 1987 auch metalloxidische Supraleitermaterialien mit Sprungtemperaturen von über 77 K bekannt. Mit Leitern unter Verwendung solcher Hoch (High)-Tc-Supraleitermaterialien, die auch als HTS-Ma- terialien bezeichnet werden, versucht man, supraleitende Wicklungen von Maschinen zu erstellen. Auch Maschinen mit

diesem Leitertyp erfordern auf Grund der Temperaturunter- schiede zwischen der Betriebstemperatur des Supraleitermate- rials und der Außentemperatur des wärmeren Rotoraußengehäuses einen entsprechenden Dehnungsausgleich in axialer Richtung.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, für eine Maschine mit den eingangs genannten Merkmalen Halterungsmittel für de- ren Wicklungsträger anzugeben, die auf verhältnismäßig einfa- che Weise einen solchen axialen Dehnungsausgleich (=Längen- ausgleich) des Wicklungsträgers ermöglichen und dabei insbe- sondere Wärmeeinleitungsverluste der supraleitenden Wicklung begrenzt halten.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des An- spruchs 1 gelöst. Dementsprechend soll bei einer Maschine mit den eingangs genannten Merkmalen vorgesehen sein, dass deren Halterungsmittel auf der drehmomentübertragenden Seite des Rotors als einseitige, sich axial (= in Richtung parallel zur Rotorachse bzw. achsenparallel) erstreckende Befestigungsvor- richtung des Wicklungsträgers innerhalb des Rotoraußengehäu- ses ausgebildet sind. Unter einer Befestigungsvorrichtung werden in diesem Zusammenhang Halterungsmittel verstanden, die sowohl eine mechanisch stabile Halterung und Zentrierung des Wicklungsträgers innerhalb des Rotoraußengehäuses als auch eine Drehmomentübertragung nicht nur im normalen Be- triebsfall sondern auch bei Überlast mit vergleichsweise hö- heren Momenten z. B. beim Anlaufen oder bei verschiedenen Störfällen der Maschine gewährleisten.

Die mit dieser Ausgestaltung der Maschine verbundenen Vortei- le bestehen in einer einfachen, billigen Fertigbarkeit, der Zentrierung und der gleichzeitig begrenzt zu haltenden Wärme- lecks. Dabei sind besondere Maßnahmen zu einem Schrumpfungs- ausgleich (= axiale Bewegung) des Wicklungsträgers nicht mehr erforderlich. Der Erfindung liegt nämlich die Erkenntnis zugrunde, dass für die Maschine bei Verzicht auf eine beid- seitige Aufhängung wie beim Stand der Technik eine Schrump-

fungsproblematik umgangen werden kann. Durch die einseitige Aufhängung (im Sinne einer starren Befestigung unabhängig von der Ausrichtung der Rotorachse) entstehen nämlich durch den thermischen Schrumpf des Wicklungsträgers keine Spannungen zwischen kälteren Innen-und wärmeren Außenteilen des Rotors.

Die verbleibende, einseitige Aufhängung muss selbstverständ- lich mechanisch entsprechend stark ausgelegt sein. Dies ist für Motoren und Generatoren im Allgemeinen jedoch kein Prob- lem. Da nämlich durch diese Aufhängung das Drehmoment der Ma- schine übertragen werden muss, ist eine hierfür hinreichend massive Auslegung der Befestigungsvorrichtung auf der An- triebsseite der Maschine von vornherein vorhanden.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Maschine gehen aus den abhängigen Ansprüchen hervor.

So kann die sich axial erstreckende Befestigungsvorrichtung hohlzylinderförmig gestaltet sein. Eine gute Zentrierung des Wicklungsträgers über diese Vorrichtung bei gleichzeitig ge- ringem, die Wärmeeinleitungsverluste begrenzenden Material- querschnitt lässt sich so erreichen.

Vorzugsweise besteht zumindest ein Teil der sich axial er- streckenden Befestigungsvorrichtung aus einem mit Fasern ver- stärkten Kunststoffmaterial. Mit entsprechenden Materialien ist eine hinreichende mechanische Stabilität bei vorteilhaft geringer Wärmeübertragung zu gewährleisten.

Für die Leiter der supraleitenden Wicklung der Maschine kommt metallisches Niedrig-Tc-Supraleitermaterial oder insbesondere metalloxidisches Hoch-Tc-Supraleitermaterial in Frage.

Üblicherweise erstreckt sich die Rotationsachse der erfin- dungsgemäßen Maschine in horizontaler Richtung. Gegebenen- falls kann jedoch auch, insbesondere im Hinblick auf eventu- elle Unwuchtprobleme, eine Anordnung der Maschine mit verti-

kaler Ausrichtung der Rotationsachse ihres Rotors vorgesehen werden.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Maschine sind Gegenstand der restlichen Unteransprüchen.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer Maschine nach der Erfindung wird nachfolgend an Hand der Zeichnung noch weiter erläutert. Dabei zeigt schematisch im Längsschnitt deren ein- zige Figur eine mögliche Ausführungsform der Maschine.

Bei der nachfolgend angedeuteten Maschine kann es sich insbe- sondere um einen Synchron-Motor oder einen Generator handeln.

Selbstverständlich sind auch andere Anwendungs-bzw. Einsatz- gebiete entsprechender Maschinen wie für hohe Drehzahlen, kompakte Antriebe z. B. von Schiffen oder für sogenannte Offs- hore-Einrichtungen wie z. B. Bohrplattformen möglich. Die er- findungsgemäße Maschine umfasst eine rotierende, supraleiten- de Wicklung, die prinzipiell eine Verwendung von metallischem LTS-Material (Niedrig-Tc-Supraleitermaterial) oder insbeson- dere oxidischem HTS-Material (Hoch/Tc-Supraleitermaterial) gestattet. Letzteres Material sei für das nachfolgende Aus- führungsbeispiel ausgewählt. Die Wicklung kann aus einer Spu- le oder einem System von Spulen in einer zwei-, vier-oder sonstigen mehrpoligen Anordnung bestehen. Der prinzipielle Aufbau einer solchen Synchronmaschine geht aus der Figur her- vor, wobei von bekannten Ausführungsformen solcher Maschinen ausgegangen wird (vgl. z. B. den vorstehend genannten Stand der Technik).

Die allgemein mit 2 bezeichnete Maschine umfasst ein festste- hendes, auf Raumtemperatur befindliches Maschinenaußengehäuse 3 mit einer Ständerwicklung 4 darin. Innerhalb dieses Außen- gehäuses und von der Ständerwicklung 4 umschlossen ist ein Rotor 5 drehbar um eine Rotationsachse A in Lagern 6a und 6b gelagert. Hierzu weist der Rotor ein als Vakuumgefäß gestal- tetes Rotoraußengehäuse 7 auf, in dem ein Wicklungsträger 9

mit einer HTS-Wicklung 10 erfindungsgemäß einseitig gehaltert ist. Hierzu dient auf der Antriebsseite AS eine starre, rohr- förmige Befestigungsvorrichtung 8 zwischen dem Wicklungsträ- ger 9 und einem scheibenförmigen, mit dem Rotorwellenteil 5a fest verbundenen scheibenförmigen Seitenteil 7a des Rotorau- ßengehäuses. Über diese starre, sich axial (d. h. parallel zu Rotationsachse A) erstreckende Befestigungsvorrichtung 8 er- folgt auch die Drehmomentübertragung. Im Wesentlichen besteht diese Befestigungsvorrichtung vorteilhaft aus einem schlecht- wärmeleitenden Hohlzylinder. Im Wesentlichen besteht diese Befestigungseinrichtung vorteilhaft aus einem schlecht-wär- meleitenden Hohlzylinder, der aus einem mit Fasern wie bei- spielweise mit Glasfasern verstärkten Kunststoffmaterial (so- genanntes"GFK"-Material) oder aus einem anderen faserver- stärkten Material besteht. Dabei sind in an sich bekannter Weise die Fasern in das für sie als Matrix dienende, unter Festigkeitsgesichtspunkten ausgewählte Kunststoffmaterial ge- legt. Dieses Verbundmaterial gewährleistet dann eine für die Drehmomentübertragung hinreichend große mechanische Steifig- keit und großen Schubmodul (G-Modul) bei gleichzeitig gerin- ger Wärmeleitfähigkeit.

Auf der der Antriebsseite AS gegenüberliegenden, nachfolgend mit BS bezeichneten Nichtantriebsseite ist erfindungsgemäß keine entsprechende Befestigungsvorrichtung vorgesehen. D. h., die Halterung und Zentrierung des Wicklungsträgers 9 erfolgt ausschließlich mittels der Befestigungsvorrichtung 8.

Selbstverständlich können auf der antriebsabgewandten Seite BS Verbindungselemente zwischen dem Wicklungsträger 9 und dem Rotoraußengehäuse 7 bzw. dessen Gehäusewand 7b vorhanden sein. Diese Verbindungselemente tragen jedoch praktisch nicht zur Halterung und Zentrierung des Wicklungsträgers bei, son- dern sind beispielsweise für die elektrische und/oder kühl- technische Verbindung der supraleitenden Wicklung vorgesehen.

Eine entsprechende kühltechnische Verbindung ist in der Figur angedeutet. Dementsprechend erfolgt auf der antriebsabgewand-

ten Seite BS über den hohlzylindrisch ausgebildeten, in dem Lager 6b gelagerten Wellenteil 5b unter anderem eine Kühlmit- telzufuhr zur Kühlung der supraleitenden Wicklung 10 von au- ßerhalb der Maschine. Einzelheiten der Kühlmittelzufuhr und der Abdichtung sind allgemein bekannt. Auf eine detaillierte Darstellung wurde deshalb in der Figur verzichtet. Selbstver- ständlich ist es auch möglich, eine entsprechende Kühlmittel- zufuhr in den antriebsseitigen Wellenteil 5a zu integrieren.

Ein aus Gründen einer thermischen Isolation den Wicklungsträ- ger 9 mit der supraleitenden Wicklung 10 umschließendes Vaku- um in mindestens einem Vakuumraum ist in der Figur mit V be- zeichnet. Selbstverständlich können noch weitere thermisch isolierende Maßnahmen wie insbesondere Superisolation vorge- sehen sein.

Abweichend von der in der Figur dargestellten Ausführungsform der Befestigungsvorrichtung 8 in Form eines Hohlzylinders kann diese Vorrichtung selbstverständlich auch mehrstückig ausgebildet sein. So können entsprechende Elemente z. B. als mehrere sich konzentrisch umschließende Rohre ausgebildet sein.

Darüber hinaus braucht die Maschine nach der Erfindung auch nicht, wie in der Figur dargestellt, so angeordnet zu sein, dass ihre Rotationsachse A horizontal verläuft. Vielmehr kann es unter dem Gesichtspunkt eventueller Unwuchtprobleme vor- teilhaft sein, wenn ihre Rotationsachse A in vertikaler Rich- tung ausgerichtet ist. Der Wicklungsträger 9 würde dann mit- tels der Befestigungsvorrichtung 8 innerhalb des Rotoraußen- gehäuses 7 und damit an dem Wellenteil 5a aufgehängt sein.