DE4133001A1 - Supraleitende drehanordnung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine supraleitende Rotations- oder Drehanordnung, z. B. einen supraleitenden Generator, bei dem mindestens eine auf einem Rotor montierte Wicklung aus einem Supraleiter hergestellt ist.

Bei einem herkömmlichen Generator (Stromerzeuger) ist eine aus einem Supraleiter gebildete Feldwicklung in einem Rotor enthalten, dessen beiden Endabschnitte in Lagern drehbar gelagert sind. Ein Stator weist eine in einem vorbestimmten Abstand vom Rotor angeordnete Ankerwicklung auf und ist in einem Statorrahmen montiert. Letzterer ist mit den Lagern verbunden und wird von einer Basis oder einem Sockel getra­ gen. An der einen Seite des Rotors ist eine Kupplung zur Verbindung einer Antriebsvorrichtung mit einem Wellenend­ abschnitt des Rotors vorgesehen, während eine Feldstrom­ quelle zum Zuspeisen eines Feldstroms zu einer Feldwicklung und eine Kältemittel(liefer)quelle zum Einspeisen von Kälte­ mittel in den Rotor am anderen Wellenendabschnitt des Rotors angeordnet sind.

Der Rotor des supraleitenden Generators weist einen kompli­ zierten Mechanismus bzw. Aufbau und Teile auf, um die Supra­ leiter auf einer supraleitenden Temperatur zu halten. Bei­ spielsweise ist ein "kalter" oder Tieftemperatur-Rotor, wel­ cher die Feldwicklung enthält, gegenüber der Außenseite abgeschirmt, um die Supraleiter auf supraleitender Tempera­ tur bzw. Supraleitungstemperatur zu halten, und so ausge­ bildet, daß er mittels eines Kältemittels (coolant) kühl­ bar ist. Insbesondere sind ein Wärmeabschirmzylinder mit einer Hochglanz-Oberfläche und ein Magnetabschirmzylinder zum Abschirmen der Feldwicklung gegen schädlichen Magnetis­ mus vom Anker (her) konzentrisch am Außenumfang des kalten Rotors (cold rotor) angeordnet; zwischen dem kalten Rotor, dem Wärmeabschirmzylinder und dem Magnetabschirmzylinder gebildete (Zwischen-) Räume sind jeweils zu Unterdruckräumen geformt, die auf einem Unterdruck gehalten werden. Dadurch wird eine Wärmeleitung vom Außenumfang zum kalten Rotor durch die Unterdruck- oder Vakuumräume verhindert, während Strahlungswärme durch die Hochglanzfläche des Wärmeabschirm­ zylinders (strahlungs)abgeschirmt wird. An den Wellenenden des kalten Rotors sind ein Torsionsrohr eines dünnen, hohl­ zylindrischen Aufbaus und eine Strahlungsabschirmung mit Hochglanzfläche zum Versperren oder Verschließen der end­ seitigen Öffnung des Torsionsrohrs angeordnet, wobei ein zwischen der Wellenendabschnittseite des Rotors und der Strahlungsabschirmung gebildeter (Zwischen-)Raum sowie im Torsionsrohr gebildete Räume als auf einem Unterdruck gehaltene Unterdruckräume ausgelegt sind. Die Wärmeüber­ tragung in Axialrichtung des Rotors wird daher durch die Unterdruckräume verhindert, während Strahlungswärme durch die Hochglanzfläche der Strahlungsabschirmung abgeschirmt wird. Zudem können um den kalten Rotor herum befindliche Bauelemente mit Hilfe von Kältemittel zwangsweise gekühlt werden, wodurch die Kühlung des kalten Rotors verstärkt wird.

Andererseits wird Kältemittel, das in den Rotor eingespeist und aus ihm abgeführt wird, von einer zentralen Bohrung am bzw. im Wellenendabschnitt des Rotors an der von der Kupplung abgewandten Seite über ein Speiserohr in den Rotor geleitet. Da hierbei aufgrund der Rotations-Fliehkraft eine radial auswärts gerichtete Kraft auf das Kältemittel ausgeübt wird, strömt das in den kalten Rotor eingeleitete Kältemittel durch eine(n) in diesem Rotor vorgesehene(n) Durchgang oder Leitung zum Kühlen der Feldwicklung. Da sich das spezifische Gewicht des Kältemittels, wenn sich dessen Temperatur erhöht, verringert, wird das vom Speise­ rohr zugespeiste Kältemittel an der radialen Außenseite des Tieftemperaturraums im Rotor gesammelt (gathered), während das Kältemittel, das diesen Raum gekühlt hat und dessen Temperatur sich erhöht hat, am bzw. im zentralen Bereich gesammelt wird. Ein Teil des in seiner Temperatur erhöhten Kältemittels verdampft im zentralen Abschnitt. Das in letzterem gesammelte verdampfte Kältemittel kann durch die Ablaßbohrung über ein Ablaßrohr abgeführt werden.

Bei diesem supraleitenden Generator ist ein Absaugrohr zum Evakuieren der Unterdruckräume um das Speiserohr und das Ablaßrohr im kalten Rotor (auf einen Unterdruck- oder Vakuumzustand) vorgesehen, um eine Wärmeabschirmung zwi­ schen zugespeistem und abgeführtem Kältemittel sowie dem Rotor vorzusehen. Bei dieser bisherigen Anordnung kommuni­ zieren die Unterdruckräume mit einer Unterdruckpumpen- oder -absaugbohrung in dem von der Kupplung abgewandten Wellen­ endabschnitt, um (diese) von einem entsprechenden festen Abschnitt her zu evakuieren.

Bezüglich des Rotor-Wellenendabschnitts der Kältemittel- Zuspeise/Abführanordnung und des entsprechenden festen Abschnitts ist eine Kältemittelspeisevorrichtung des festen Abschnitts durch mehrere Flanschelemente unterteilt, die axial in mehreren vom Außenumfang des Rotors beabstandeten Positionen angeordnet sind, wobei in einem Spalt (oder Zwischenraum) zwischen den Flanschelementen und einer Rotor­ welle eine Dichteinrichtung vorgesehen ist. Demzufolge können die zentrale Bohrung, die Ablaßbohrung und die Unter­ druckpumpenbohrung der Rotorwelle unabhängig mit den gegen­ überliegenden Räumen in der Kältemittelspeisevorrichtung als den festen Abschnitten kommunizieren. In die Kältemit­ telspeisevorrichtung können ein Übertragungs- oder Förder­ rohr, das mit einer Kältemittel-Speise/Rückführvorrichtung kommuniziert, und ein Unterdruckpumpenrohr, das mit einer Unterdruckpump(en)vorrichtung kommuniziert, eingebaut sein und unabhängig (jeweils) mit der zentralen Bohrung, der Ablaßbohrung und der Unterdruckpumpenbohrung des Rotors kommunizieren.

Am Innenumfang des Flanschabschnitts sind ein Magnet und zwei Polstücke aus einem magnetischen Material angeordnet, wobei magnetische Teile mit flanschförmigen Stufen am Außen­ umfang des gegenüberliegenden Rotor-Wellenendabschnitts angeordnet sind. Zwischen die Stufe und die auf beschrie­ bene Weise angeordneten Polstücke ist ein magnetisches Fluidum eingefüllt, das den Raum zwischen der Stufe und den Polstücken vollständig ausfüllt, um eine abgedichtete Wand zu bilden, ohne die Drehung des Rotors zu behindern oder die Umgebungsatmosphäre zu verunreinigen.

Bei dem beschriebenen supraleitenden Generator ergeben sich jedoch die nachstehend geschilderten Probleme.

• 1) Da der kalte Rotor mechanisch mit den Bauelementen des außenseitigen Rotors verbunden ist, erfolgt eine Wärme­ einleitung in den kalten Rotor von außen her.
• 2) Wärme wird von außen her über Stromzuleitungen zum Zu­ speisen des Feldstroms zur Feldwicklung durch Wärmelei­ tung zum kalten Rotor eingeführt.
• 3) Da ein Abschnitt der Stromzuleitungen im allgemeinen aus einem normalleitenden Leiter besteht, wird der kal­ te Rotor durch Joulesche Wärme erwärmt, die durch den Feldstrom erzeugt wird.
• 4) Es ist dabei nötig, im Betrieb ständig Kältemittel zuzu­ führen, um einen Temperaturanstieg des kalten Rotors zu unterdrücken und den die Feldwicklung bildenden Supra­ leiter auf der Supraleitungstemperatur zu halten; dem­ zufolge muß die Kältemittelspeisevorrichtung eine große Kapazität aufweisen.
• 5) Bei der Zuspeisung des Kältemittels zum Tieftemperatur­ raum des kalten Rotors über das Speiserohr entsteht Kältemittelströmungsverlust; das Speiserohr selbst stellt eine Wärmeübertragungsstrecke für die Einführung von externer Wärme (Wärme von außen her) zum Rotor dar.
• 6) Da ein Wellenendabschnitt des Rotors für die beschriebene Zuspeisung des Kältemittels belegt ist, ist es schwierig, andere Bauteile an diesem Wellenendabschnitt zu montieren. Da es schwierig ist, die Abdichtleistung aufrechtzuerhalten, weil die genannte Dichteinrichtung einen größeren Durchmes­ ser besitzt und daher höhere Umfangsgeschwindigkeit auf­ weist, ist es schwierig, eine mit hohem Drehmoment arbei­ tende Welle unmittelbar anzuschließen.

Aufgabe der Erfindung ist damit die Schaffung einer supra­ leitenden Drehanordnung, bei welcher die in den kalten Rotor eingeführte bzw. zu ihm übertragene Wärmemenge ver­ ringert ist und damit der Temperaturanstieg des Kältemit­ tels in einem Raum zur Aufnahme eines zu kühlenden Elements unterdrückt werden kann.

Die Erfindung bezweckt auch die Schaffung einer supraleiten­ den Drehanordnung, bei welcher die Wärmeübertragung vom Wel­ lenendabschnitt an der von der Kupplung mit der Antriebs­ vorrichtung abgewandten Seite her durch Weglassung der Kältemittelzuspeisung an dem genannten Abschnitt verhin­ dert wird.

Die Erfindung bezweckt zudem die Schaffung einer elektri­ schen supraleitenden Drehanordnung, bei welcher elektrischer Strom einem Rotor zuspeisbar und der Rotor anschlußfrei und berührungsfrei gelagert ist, so daß die Einführung von Wärme in den Rotor verhindert wird.

Gegenstand der Erfindung ist eine supraleitende Drehanord­ nung mit einem eine supraleitende Wicklung enthaltenden supra­ leitenden Rotor, einem in einem Raum in einem vorbestimmten Abstand am supraleitenden Rotor angeordneten Stator, der eine in einem Statorrahmen montierte Wicklung aufweist, einer Kammer einer Kryostatstruktur zum Aufnehmen des supraleiten­ den Rotors und einem am Rotor montierten Kälteapparat für Kältemittel zum Kühlen der supraleitenden Wicklung.

Gegenstand der Erfindung ist auch eine supraleitende Dreh­ anordnung, bei welcher ein photoelektrischer Wandler und ein Photokoppler in einem supraleitenden Rotor angeordnet sind und ein Abschnitt von Stromzuleitungen im Rotor aus einem (optischen) Lichtleiterkabel geformt ist.

Gegenstand der Erfindung ist zudem eine supraleitende Dreh­ anordnung, bei welcher ein photoelektrischer Wandler in ei­ nem Kryostaten angeordnet und zumindest ein Abschnitt von Stromzuleitungen zwischen dem Wandler und dem Rotor aus ei­ nem supraleitenden Leiter bzw. einem Supraleiter geformt ist.

Gegenstand der Erfindung ist ferner eine supraleitende Dreh­ anordnung, bei welcher eine Vakuum- oder Unterdruckkammer zwischen einem supraleitenden Rotor und einem Stator vorge­ sehen ist und zumindest ein Abschnitt des Außenumfangs des Rotors unter einem Unterdruck gehalten wird.

Gegenstand der Erfindung ist schließlich auch eine supra­ leitende Drehanordnung, bei welcher ein Kälteapparat, ein Kältemittel-Speiserohr zum Zuspeisen von Kältemittel vom Kälteapparat zur Wicklung in einem Rotor und ein Kältemit­ tel-Rückführrohr zum Rückführen (recovering) des Kältemit­ tels zum Kälteapparat in einem Kryostaten vorgesehen bzw. angeordnet sind.

Bei der supraleitenden Drehanordnung mit dem oben umrisse­ nen Aufbau ist zumindest ein Abschnitt zwischen einen Kryo­ staten bildenden Elementen in einem supraleitenden Rotor über eine magnetische Trag- oder Lagervorrichtung verbun­ den, so daß eine mechanische Verbindung zwischen den Ele­ menten entfällt. Da demzufolge keine externe Wärme (von außen her) durch Wärmeleitung in einen kalten Rotor einge­ führt wird, wird die in den kalten Rotor eingeführte bzw. zu ihm übertragene Wärmemenge herabgesetzt, wodurch eine Erwärmung des Kältemittels verringert wird.

Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsformen der Erfin­ dung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1A eine Schnittansicht einer supraleitenden Drehanord­ nung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 1B eine Schnittansicht einer supraleitenden Drehanord­ nung gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfin­ dung,

Fig. 2 einen Längsschnitt durch einen Rotor bei der Aus­ führungsform nach Fig. 1,

Fig. 3A und 3B schematische Darstellungen zur Verdeut­ lichung des Prinzips einer magnetischen Kupplung,

Fig. 4 eine Darstellung einer magnetischen Kupplung gemäß einem Ausführungsbeispiel,

Fig. 5 eine Darstellung einer magnetischen Kupplung gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel,

Fig. 6 ein Blockschaltbild einer die magnetische Kupp­ lung gemäß Fig. 5 anwendenden magnetischen Kupp­ lungsvorrichtung,

Fig. 7 eine Darstellung einer magnetischen Kupplung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel,

Fig. 8 eine schematische (perspektivische) Darstellung der Anordnung der magnetischen Kupplung bzw. Magnet­ kupplung (magnetic coupling),

Fig. 9 eine Schnittansicht einer Axialkupplung,

Fig. 10 eine Schnittansicht einer senkrecht zu einer Achse liegenden Kupplung,

Fig. 11 eine Schnittansicht einer anderen, senkrecht zu einer Achse liegenden Kupplung,

Fig. 12 eine Teilschnittansicht einer Magnetkupplung zum Festlegen von Stellungen in Axialrichtung, in einer Richtung senkrecht zur Achse und in einer Drehrichtung und

Fig. 13 eine Schnittansicht eines Rotors einer supralei­ tenden Drehanordnung gemäß noch einer anderen Ausführungsform der Erfindung.

Fig. 1A veranschaulicht eine Ausführungsform einer gesam­ ten supraleitenden Drehanordnung gemäß der Erfindung, wäh­ rend Fig. 2 den Innenaufbau eines supraleitenden Rotors zur Verwendung bei der supraleitenden Drehanordnung veran­ schaulicht.

Gemäß Fig. 1A ist eine Feldwicklung aus einem Supraleiter (superconducting conductor) in einem Rotor 1 enthalten, wobei die beiden Endabschnitte einer Welle des Rotors 1 in Lagern 5 gelagert sind. Ein Stator 2 weist eine Ankerwick­ lung 2a auf, die in einem Raum in einem vorbestimmten Ab­ stand vom Rotor 1 angeordnet ist. Der Stator 2 ist in einen Statorrahmen 4 eingebaut, der mit den Lagern 5 verbunden ist und von einer Basis bzw. einem Sockel 3 getragen wird. Eine Kupplung 6 für den Anschluß einer Antriebsvorrichtung am einen Endabschnitt der Welle des Rotors 1 ist an deren einem Ende vorgesehen, während am anderen, von der Kupp­ lung 6 abgewandten Endabschnitt der Welle eine Feldstrom­ quelle 7 zum Zuspeisen eines Feldstroms zur Feldwicklung angeordnet ist.

Eine zylindrische Kammer 41 ist so angeordnet, daß sie den Rotor 1 zwischen diesem und dem Stator 2 umschließt. Axial zur drehenden Welle oder Drehachse von beiden End­ abschnitten der Kammer 41 abgehende Kammeranbauteile sind mit im Bereich der Lager 5 vorgesehenen Wellen-Dichteinrich­ tungen 42 verbunden, um zwischen der Kammer 41 und dem Rotor 1 einen Raum 44 zu bilden, der unter einem Unterdruck oder Vakuum haltbar ist. Dabei wird die Wellen-Dichteinrich­ tung 42 auf einem Differenz- bzw. Wirkdruck zwischen dem Inneren des Raums 44, in welchem der Rotor 1 angeordnet ist, und der Außenseite der Kammer 41 gehalten.

Wenn die Kammer 41 mit einer Wärmeabschirmstruktur ausge­ bildet ist, kann von der Außenseite in die Kammer 41 ein­ dringende Strahlungswärme weiter unterdrückt werden. Als konkrete Wärmeabschirmstruktur der Kammer 41 kann eine Struktur angesehen werden, bei welcher eine Kammer 41a ge­ mäß Fig. 1B mehrlagig aus zwei oder mehr Lagen bzw. Schich­ ten gebildet ist und Zwischenräume zwischen den mehreren Schichten evakuiert (vacuum pumped) oder gekühlt werden. Jede der mehreren Schichten besitzt eine Hochglanzoberfläche zur Verhinderung des Eindringens von Strahlungswärme in die Kammer 41a.

Bei dieser Ausführungsform ist im Rotor 1 ein noch zu be­ schreibender, kleine Abmessungen besitzender Kälteapparat vorgesehen, so daß auf eine Vorrichtung zum Zuspeisen von Kältemittel zum Rotor im Betrieb verzichtet werden kann. Infolgedessen können andere Bauteile an beiden Wellenend­ abschnitten des Rotors angebracht werden. Bei der darge­ stellten Ausführungsform ist eine Kupplung 43 für den un­ mittelbaren Anschluß einer anderen (drehenden) Welle vor­ gesehen.

Der Rotor 1 besitzt den in Fig. 2 gezeigten Aufbau. An beiden axialen Seiten (Enden) des Rotors 1 vorgesehene Anschlußwellen oder Wellenstummel (connection shafts) 45 und 46 sind über Magnetkupplungen 47a bzw. 47b mit einem "kalten" bzw. Tieftemperatur-Rotor (cold rotor) 10 verbun­ den. Ein Wärmeabschirmzylinder 11 mit einer Hochglanzober­ fläche und ein magnetischer oder Magnetabschirmzylinder 12 zum Abschirmen der Feldwicklung 2a gegen schädlichen Magnetis­ mus vom Anker sind koaxial am Außenumfang des kalten Rotors 10 angeordnet. An den Seiten der beiden axialen Enden sind zudem hochglanzpolierte axiale Wärmeabschirmelemente 48a und 48b vorgesehen. Durch diese Bauteile gebildete Räume 13a, 14, 49b, 49c und 49c werden unter einem Unterdruck gehalten.

Als Mechanismus bzw. Einrichtung zum Zuspeisen eines Stroms zu einer im kalten Rotor 10 enthaltenen Feldwicklung 9 sind Anschlüsse der letzteren über Strom(zu)leitungen 50a und 50b mit photoelektrischen Wandlern 51a und 51b verbunden, die an den axialen Wärmeabschirmelementen 48b an der einen Seite des kalten Rotors 10 montiert sind, während Photokoppler 52a und 52b an (entsprechenden) Stellen der Anschlußwelle 46 ange­ bracht sind. Die Photokoppler 52a und 52b sind jeweils über optische bzw. Lichtleiterkabel 53a bzw. 53b mit am Außen­ umfangsteil der Welle angebrachten Photokopplern 54a bzw. 54b verbunden. Der Feldstrom wird somit der Feldwicklung 9 durch optische Übertragung zugespeist. Im vorliegenden Fall wird der Feldstrom von der feststehenden (drehfesten) Seite zur Rotationsseite über nicht dargestellte optische Sende- und Empfangsvorrichtungen zugespeist. Die Stromleitungen 50a, 50b bestehen aus Supraleitern und werden im kalten Ro­ tor 10 auf eine Supraleitungstemperatur gekühlt.

Bei der beschriebenen Stromzuspeiseanordnung wird Wärme­ übertragung von den Stromleitungen 50a, 50b zu den Licht­ leiterkabeln 53a, 53b durch den Unterdruckraum 49c sowie die Photokoppler 52a, 52b und 54a, 54b verhindert.

Erfindungsgemäß ist ferner ein Kältemittelumwälzsystem vor­ gesehen, bei dem ein Kälteapparat 55 kleiner Abmessungen an der Welle 45 im Raum 49a des kalten Rotors 10 montiert ist; dem kalten Rotor 10 zum Kühlen des Inneren desselben zugespeistes und darin erwärmtes Kältemittel wird über ein(e) Rücklaufrohr(leitung) 56 dem Kälteapparat 55 zuge­ führt, und das durch letzteren abgekühlte Kältemittel wird dem kalten Rotor 10 zum Kühlen vorbestimmter Abschnitte über nicht dargestellte Durchgänge oder Leitungen über ein(e) Speiserohr(leitung) 57 erneut zugespeist und (dann) über das Rücklaufrohr 56 (wieder) in den Kälteapparat 55 eingeführt. Bei diesem Kältemittelumwälzsystem ist ein(e) Kältemittelrohr(leitung) 58 trennbar mit einer nicht dar­ gestellten Kältemittel(speise)quelle über eine Beschickungs­ öffnung 60 zum Einfüllen von Kältemittel in den kalten Rotor 10 in einer Anfangsstufe oder -phase vor Inbetrieb­ nahme der supraleitenden Drehanordnung verbunden. Das Kälte­ mittelspeiserohr 58 ist über die Anschlußwelle 46 zum Tief­ temperaturraum 10a im kalten Rotor 10 geführt, wobei ein Einwege- oder Rückschlagventil (non-return valve) 59 vorge­ sehen ist, um einen Rückfluß von Kältemittel aus dem Tief­ temperaturraum 10a über das Kältemittelspeiserohr 58 zu verhindern. Dabei ist der in der Nähe des kalten Rotors 10 befindliche Abschnitt des Kältemittelspeiserohrs 58 aus einem Wärmeisoliermaterial geformt, so daß damit die Übertragung von Wärme von außen her über das Kältemittel­ speiserohr 58 in den kalten Rotor 10 verhindert wird. Die vom Kälteapparat 55 erzeugte Wärme wird über die Welle 45 abgeführt.

Im folgenden sind Ausführungsbeispiele der erwähnten Magnet­ kupplungen 47a und 47b erläutert.

Fig. 3A veranschaulicht das Grundprinzip einer magnetischen Kupplung oder Magnetkupplung. Gemäß Fig. 3A weisen zu lagern­ de oder zu tragende Elemente 61 (d. h. die Anschlußwellen oder Wellenstummel 45 und 46) zumindest teilweise oder stellenweise magnetische Materialien 62 auf, während ein lagerndes oder tragendes (supporting) Element 63 (d. h. der kalte Rotor 10) Magnete 64 an den magnetischen Materia­ lien 62 entsprechenden Stellen aufweist.

Wenn sich die magnetischen Materialien 62 und die Magnete 64 jeweils an vorbestimmten Stellen der zu tragenden Ele­ mente 61 und des tragenden Elements 63 befinden, werden die zu tragenden Elemente 61 stark an die eine große Magnet­ kraft besitzenden Magnete 64 angezogen. Demzufolge können die zu tragenden Elemente 61 durch Änderung der Magnetkräf­ te der mehreren, an vorbestimmten Stellen des tragenden Ele­ ments 63 befestigten Magnete 64 in beliebigen (arbitrary) Stellungen festgelegt werden.

Die beschriebene Magnetkupplung stützt sich auf die Anzie­ hungskraft des Magneten, doch kann sie auch die Abstoßungs­ kraft des Magneten nutzen. In diesem Fall ist oder wird ein diamagnetisches Material 62a anstelle der magnetischen Materialien in der gleichen Position des zu lagernden Ele­ ments 61 angeordnet. Als diamagnetisches Material wird z. B. ein supraleitendes Material verwendet; der entsprechen­ de Diamagnetismus ist als "Meißner-Effekt" bekannt. In einem anderen Ausführungsbeispiel sind gemäß Fig. 4 Magnete 64 und 65 gleicher Polarität einander gegenüberstehend am tragen­ den Element 63 und am zu tragenden Element 61 angeordnet.

Bei allen Anordnungen ist das Arbeitsprinzip zum Festlegen (fixing) des zu lagernden Elements 61 in der beliebigen Stellung praktisch das gleiche, wie es in Fig. 3A darge­ stellt ist, obgleich die Richtungen der Magnetkräfte ent­ gegengesetzt sind. Da jedoch im Fall der Nutzung der Ab­ stoßungskraft dieser Magnete die Abstoßungskraft mit klei­ nerem Abstand zwischen dem tragenden Element 63 und dem zu tragenden Element 61 stärker wird, ist es vorteilhaft, die Festlegung der Stellungen zu steuern.

Da das tragende (lagernde) Element und das zu tragende (zu lagernde) Element bei allen oben beschriebenen Anordnungen berührungsfrei in den (betreffenden) Relativstellungen fest­ legbar sind, sind diese Anordnungen als erfindungsgemäß ver­ wendete Magnetkupplung brauchbar. Bei der beschriebenen Aus­ führungsform wird als verwendete Magnetkupplung repräsen­ tativ die Anordnung gemäß Fig. 3A eingesetzt, und diese ist im folgenden beschrieben.

Fig. 5 zeigt ein Beispiel für den Fall, daß die Stellung oder Position des zu tragenden Elements 61 festgelegt (fixed) ist.

Der Magnet 64 ist dabei ein Elektromagnet. Diesem wird über Strom(zu)leitungen 66a, 66b ein Strom zugeführt, um (in ihm) eine Magnetkraft zu erzeugen. Die Position des zu tragenden Elements 61 wird durch einen Stellungssensor 67 erfaßt, des­ sen Detektions- oder Meßsignal über Meßleitungen 68a, 68b ausgegeben wird.

Ein Beispiel eines Stellungsfestlegungs- oder -bestimmungs­ reglers ist nachstehend anhand des Schaltbilds von Fig. 6 be­ schrieben.

Gemäß Fig. 6 werden Detektions- oder Meßsignale vorbestimm­ ter Stellungssensoren 67a und 67b einer Fehlersignalopera­ tionsschaltung 70 zugespeist und einer Datenverarbeitung zu Fehlersignalen 72 unterworfen, die einem Signalprozessor 73 eingegeben werden. In letzterem werden die Fehlersignale 72 mit einem Bezugssignal verglichen. Ein Ausgangssignal, d. h. ein Vergleichsergebnissignal vom Signalprozessor 73, wird durch eine Übertragungsfunktionsoperationsschaltung 74 verarbeitet und in Form von Ausgangssignalen 74a und 74b Leistungsverstärkern 75a bzw. 75b eingespeist. Entsprechend den Ausgangssignalen 74a und 74b werden Erregungssignale durch die Leistungsverstärker 75a bzw. 75b verstärkt und als Erregungsströme 76 den Elektromagneten 64a und 64b zu­ gespeist. Damit wird die Stellung des zu tragenden Ele­ ments 61 gesteuert.

Fig. 7 zeigt eine Stellungsbestimmungsvorrichtung (position fixing device) für das zu tragende Element 61 gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel. Diese Vorrichtung enthält eine Anzahl von an mehreren Stellen zwischen das zu tra­ gende Element 61 und ein tragendes (oder lagerndes) Ele­ ment 63 eingefügte Abstandstücke oder Abstandshalter 69, die eine vorbestimmte Steifheit besitzen, um die Lagen der beiden Elemente 61 und 63 mechanisch zu begrenzen. Da bei dieser Anordnung ein mechanischer Berührungsab­ schnitt besteht, ist eine Wärmeübertragungsstrecke zwi­ schen dem zu tragenden Element 61 und dem tragenden Ele­ ment 63 gebildet. Da die Funktion der Abstandshalter 69 bei der diese verwendenden Magnetkupplung lediglich darin besteht, die magnetische Kupplung zu unterstützen oder zu ergänzen, kann das die Abstandshalter 69 aufweisende Festlegungselement so ausgelegt werden, daß der Wärmeüber­ gangswiderstand erhöht und die Wärmeübertragungsmenge ver­ ringert sind. Diese Stellungsbestimmungsvorrichtung eignet sich aus dem oben angegebenen Grund vorteilhaft zur Ver­ wendung bei der insbesondere die Abstoßungskraft der Magnete nutzenden Magnetkupplung.

Das oben umrissene Arbeitsprinzip ist anhand eines Beispiels beschrieben, bei dem die Erfindung auf die Magnetkupplungen 47a und 47b der dargestellten Ausführungsform angewandt ist.

Bei der Anordnung nach Fig. 2 ist es nötig, den kalten Rotor 10 mit den an seinen beiden End- oder Stirnseiten angeordneten Anschlußwellen 45 und 46 mit ausreichender Festigkeit gegen die in drei Richtungen wirkenden Kräfte, d. h. die Axialkraft, die senkrecht dazu wirkende (radiale) Kraft und die Rotationskraft, zu verbinden. Die Magnet­ kupplungen 47a und 47b sind oder werden daher so angeord­ net, daß sie die Kräfte in diesen drei Richtungen effek­ tiv aufzunehmen vermögen.

Beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 8 sind axiale Magnet­ kupplungen 81a und 81b, senkrechte (perpendicular) Magnet­ kupplungen 82a und 82b sowie Rotations-Magnetkupplungen 83a und 83b jeweils an den beiden axialen Enden des Tief­ temperatur-Rotors 10 und den dessen beiden Enden gegenüber­ stehenden Enden der Anschlußwellen 45 und 46 angeordnet. Da die Bauteile der axialen Magnetkupplungen 81a und 81b bereits beschrieben worden sind, sind die betreffenden Elemente mit den gleichen Bezugsziffern wie vorher bezeichnet und daher nicht mehr im einzelnen erläutert. Als senkrechte oder radiale (perpendicular) Magnetkupplungen 82a und 82b wer­ den Magnetkupplungen der Ausführungsbeispiele nach den Fig. 10 und 11 (letztere im Schnitt längs der Linie A-A in Fig. 10) verwendet; als Rotations-Magnetkupplungen 83a und 83b werden die Magnetkupplungen nach Fig. 12 verwen­ det. Alle diese Magnetkupplungen sind vorher bereits be­ schrieben worden; ihre Elemente sind daher mit den glei­ chen Bezugsziffern wie vorher bezeichnet und nicht mehr im einzelnen erläutert.

Bei der beschriebenen Ausführungsform sind die Elektromagnete an der Seite des kalten (oder Tieftemperatur-)Rotors 10 mon­ tiert, und die Wicklungen zur Bildung der Elektromagnete bestehen aus Supraleitern. Zum Kühlen der Supraleiter auf eine Supraleitungstemperatur wird ein Teil des Kältemit­ tels des kalten Rotors den supraleitenden Wicklungen über eine nicht dargestellte Kältemittelspeisestrecke zugespeist. Wenn andererseits der Meißner-Effekt des beschriebenen supraleitenden Materials genutzt wird, werden Magnete an den Anschlußwellen 45 und 46 und supraleitende Materialien am kalten Rotor 10 montiert, um damit auf ähnliche Weise das supraleitende Material auf der Supraleitungstemperatur zu halten.

Bei den beschriebenen Ausführungsbeispielen ist der kalte Rotor 10 mit den Anschlußwellen 45 und 46 an seinen beiden axialen Enden durch die Magnetkupplungen 47a und 47b über einen vorbestimmten Vakuum- oder Unterdruckspalt verbunden. Damit wird die Wärmeleitung zum kalten Rotor 10 über den Verbindungsabschnitt verhindert und somit eine Erwärmung dieses Rotors 10 unterdrückt. Da die Stromleitungen 50a und 50b im kalten Rotor 10 aus Supraleitern bestehen, kön­ nen die Erzeugung von Joulescher Wärme verhindert und ein Temperaturanstieg dieses Rotors 10 unterdrückt werden. Da zudem den Stromleitungen 50a und 50b Strom in Form von bzw. abhängig von Lichtübertragung vom äußeren Abschnitt von den Photokopplern 52a, 52b und 54a, 54b zugeführt wird, können die Wärmeübertragung von außen her und eine Erwär­ mung des kalten Rotors 10 unterdrückt werden.

Gleichzeitig rotiert der größte Teil des Rotors im Vakuum, so daß eine Erwärmung der Rotoroberfläche aufgrund Wind­ widerstandsverlust (windage loss) entfällt und die Erwär­ mung des kalten Rotors weiter unterdrückt wird. Da hier­ bei die nötige, dem Rotor im Betrieb zuzuliefernde Kälte­ mittelmenge herabgesetzt ist, können Kapazität und Größe der Kältemittelspeisevorrichtung verkleinert sein, so daß ein wirtschaftlicher Betrieb gewährleistet wird. Weiterhin ist der Kälteapparat 55 im Rotor angeordnet, so daß die Käl­ temittelspeisevorrichtung zum Zuspeisen des Kältemittels zum Rotor im Betrieb entfällt. Demzufolge ist auch ein An­ wendungsfall möglich, bei dem der Rotor an beiden Wellen­ enden angetrieben wird.

Fig. 13 zeigt noch eine andere Ausführungsform der Erfin­ dung, bei welcher den Teilen von Fig. 2 entsprechende Teile mit den gleichen Bezugsziffern wie dort bezeichnet und daher nicht mehr im einzelnen erläutert sind; vielmehr sind im folgenden nur die unterschiedlichen Merkmale be­ schrieben. Bei der Ausführungsform nach Fig. 13 sind Feld­ wicklungen 9 beider Pole durch supraleitende Leiter 91 über einen Permanentstromschalter 90 verbunden, der durch ein optisches Signal betätigbar ist. Zwischen diesem Schal­ ter 90 und dem Außenumfang der einen Anschlußwelle 46 ist ein Lichtleiterkabel 92 angeordnet, wobei ein Ansteuersignal von einer extern angeordneten Steuereinheit 94 als opti­ sches Signal dem Permanentstromschalter 90 über das Licht­ leiterkabel 92 und einen Photokoppler 93 zugespeist wird. Dabei wird das optische Signal für den Schalter 90 diesem zusammen mit dem optischen Signal zum Steuern des Stroms der Feldwicklung 9 über einen Photokoppler 95 von der exter­ nen Steuereinheit 94 zugespeist.

Wenn der beschriebene supraleitende Generator mit konstan­ tem Erregungsstrom betrieben wird, wird der Permanentstrom­ schalter 90 bei Zuspeisung einer vorbestimmten Stromgröße zur Feldwicklung 9 zum Abschalten des Speisestroms betätigt, so daß ein wirtschaftlicher Betrieb ohne Notwendigkeit für externe Stromzuspeisung realisiert wird.

Obgleich sich die beschriebenen Ausführungsformen repräsen­ tativ auf einen supraleitenden Generator beziehen, ist die Erfindung auch auf supraleitende Dreh- oder Rotationsmaschi­ nen im allgemeinen anwendbar, wobei die einzelnen Bauelemen­ te verschiedenartig kombiniert werden können.

Mit der Erfindung wird eine supraleitende Drehanordnung ge­ schaffen, bei welcher die Wärmeübertragungsmenge zum kalten (oder Tieftemperatur-)Rotor unter Verringerung der Erwär­ mung des Kältemittels reduziert werden kann und eine Kälte­ mittelzuspeisung vom Wellenendabschnitt des Rotors entfällt, so daß eine Wärmeübertragung von den betreffenden Abschnit­ ten her vermieden wird.

Claims (16)

1. Supraleitende Drehanordnung, umfassend:
einen supraleitenden Rotor (1), der in einer Kryostat­ struktur ausgebildet ist und eine durch ein Kältemittel zu kühlende supraleitende Wicklung (9) aufweist,
eine Feldstromquelle (7) zum Zuspeisen eines Feld­ stroms zur supraleitenden Wicklung,
einen in einem Raum in einem vorbestimmten Abstand vom supraleitenden Rotor angeordneten Stator (2) mit einer Ankerwicklung (2a) und
eine im supraleitenden Rotor (1) untergebrachte Kälte­ apparateinheit (55) zum Kühlen des eingeführten und durch Kühlung der supraleitenden Wicklung erwärmten Kältemittels.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der supraleitende Rotor (1) eine Welleneinheit mit zwei in Drehrichtung der Welle axial angeordneten Wellenend­ abschnitten (45, 46), einen zwischen den beiden Wellen­ endabschnitten angeordneten, durch das Kältemittel ge­ kühlten und die supraleitende Wicklung enthaltenden kalten bzw. Tieftemperatur-Rotor (10), ein Wärmeabschirm­ gefäß (11), welches den kalten Rotor unter Abdichtung aufnimmt, und eine Magnetkupplungseinrichtung (62, 64) zum kontakt- oder berührungsfreien Verbinden des kalten Rotors mit der Welleneinheit mittels Magnetkraft auf­ weist.

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der supraleitende Rotor ein Kältemittelumwälzsystem mit einem Speiserohr (58) zum Zuspeisen des erwärmten Kältemittels zur Kälteapparateinheit (55) und mit einem Rücklaufrohr (56) zum Rückführen des durch die Kälte­ apparateinheit (55) abgekühlten Kältemittels zum kalten Rotor (10) aufweist.

4. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetkupplungseinrichtung an den ersten und zweiten Wellenendabschnitten (63) und den diesen entsprechenden Enden (61) des kalten Rotors (10) vorgesehene Mittel (64) zum berührungsfreien Kuppeln des kalten Rotors mit den Wellenendabschnitten mittels einer magnetischen An­ ziehungskraft aufweist.

5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetkupplungseinrichtung mindestens einen an jedem der ersten und zweiten Wellenendabschnitte mon­ tierten Magneten (64) und mindestens ein magnetisches Material (62) an einer dem jeweiligen Magneten entspre­ chenden Stelle an jedem der Enden des kalten Rotors aufweist.

6. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetkupplungseinrichtung mindestens einen an jedem der ersten und zweiten Wellenendabschnitte montierten Magneten (64) und mindestens ein diamagnetisches Mate­ rial (62a), das an einer Stelle entsprechend dem je­ weiligen Magneten vorgesehen ist, an jedem der Enden des kalten Rotors aufweist.

7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnet (64) ein Elektromagnet ist.

8. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetkupplungseinrichtung mindestens einen an jedem der ersten und zweiten Wellenendabschnitte montierten Elektromagneten (64), mindestens ein magnetisches Mate­ rial (62), das an einer Stelle entsprechend dem jeweili­ gen Elektromagneten angeordnet ist, an jedem der Enden des kalten Rotors, einen Stellungssensor (67a, 67b) zum Erfassen der Stellung des kalten Rotors und zum Ausgeben eines Detektions- oder Meßsignals und eine Einrichtung (75a, 75b) zum Zuspeisen eines Erregungsstroms zum Elek­ tromagneten in Abhängigkeit vom Meßsignal vom Stellungs­ sensor aufweist.

9. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetkupplungseinrichtung eine zusätzliche Einrich­ tung aufweist, die eine Anzahl von mechanischen Abstands­ haltern (69) zwischen jedem der ersten und zweiten Wellen­ endabschnitte (63) und jedem der Enden (61) des kalten Rotors umfaßt.

10. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetkupplungseinrichtung eine erste Magnetkupp­ lungseinrichtung (81a, 81b) zum axialen Kuppeln des kalten oder Tieftemperatur-Rotors mit der Welleneinheit, eine zweite Magnetkupplungseinrichtung (82a, 82b) zum Kuppeln des kalten Rotors mit der Welleneinheit senk­ recht zu einer Achse des kalten Rotors und eine dritte Magnetkupplungseinrichtung (83a, 83b) zum Kuppeln des kalten Rotors mit der Welleneinheit in Rotationsrichtung umfaßt.

11. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetkupplungseinrichtung mindestens einen an jedem der Endabschnitte des kalten Rotors montierten Elektro­ magneten (64) mit einer durch das Kältemittel zu kühlen­ den Supraleiterwicklung und mindestens einen an jedem der ersten und zweiten Wellenendabschnitte montierten Magne­ ten aufweist.

12. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der supraleitende Rotor eine Übertragungseinrichtung (53a, 53b, 54, 54b) zum Übertragen eines Feldstroms von der Feldstromquelle (7) zur supraleitenden Wicklung mit­ tels photoelektrischer Umwandlung aufweist.

13. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der supraleitende Rotor (1) eine Welleneinheit mit zwei in Drehrichtung der Welle axial angeordneten Wel­ lenendabschnitten (45, 46), einen zwischen den beiden Wellenendabschnitten angeordneten, durch das Kältemittel gekühlten und die supraleitende Wicklung enthaltenden kalten bzw. Tieftemperatur-Rotor (10), ein Wärmeabschirm­ gefäß (11), welches den kalten Rotor unter Abdichtung aufnimmt, eine Magnetkupplungseinrichtung (61, 63) zum berührungsfreien Verbinden des kalten oder Tieftempera­ tur-Rotors mit der Welleneinheit mittels einer Magnetkraft sowie eine zwischen dem einen der ersten und zweiten Wellen­ endabschnitte und dem kalten Rotor angeordnete Photokoppler­ einrichtung (51a, 51b, 52a, 52b) zum Übertragen eines Feld­ stroms und eines Ansteuerstroms von der Feldstromquelle zur supraleitenden Wicklung und zur Kälteapparateinheit mittels photoelektrischer Umwandlung aufweist.

14. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der kalte Rotor einen Permanentstromschalter (90) aufweist, der zu öffnen ist, wenn ein von der Feldstrom­ quelle der supraleitenden Wicklung zuzuspeisender Feld­ strom, um der supraleitenden Wicklung einen permanen­ ten Strom zuzuspeisen, eine vorbestimmte Stromgröße er­ reicht.

15. Anordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmeabschirmgefäß ein Gefäß (41a) eines mehr­ lagigen Aufbaus umfaßt.

16. Supraleitende Drehanordnung, umfassend:
einen supraleitenden Rotor (1), der in einer Kryostat­ struktur ausgebildet ist und einen eine mittels eines Kältemittels zu kühlende supraleitende Wicklung (9) auf­ weisenden kalten Rotor (10) sowie ein Wärmeabschirmgefäß (11) zum Aufnehmen des kalten Rotors (10) unter dichtem Einschluß desselben aufweist,
eine Feldstromquelle (7) zum Zuspeisen von Feldstrom zur supraleitenden Wicklung,
einen in einem Raum in einem vorbestimmten Abstand vom supraleitenden Rotor angeordneten Stator (2) mit ei­ ner Ankerwicklung (2a) und
eine Kälteapparateinheit (55) zum Kühlen des im supra­ leitenden Rotor (10) enthaltenen und durch die supralei­ tende Wicklung erwärmten Kältemittels.