DE19710501A1 - Mehrfachnutzung von Hochtemperatur-Supraleitern in elektrischen Maschinen - Google Patents

Description

Das technische Gebiet der Erfindung sind die elektrischen Maschinen, die aus einem Stator und einem Rotor bestehen. Der Stator enthält eine mehrphasige Wicklung, die ein magnetisches Drehfeld erzeugt, das den Rotor (oder: Läufer) in Drehrichtung antreibt. In gleicher Weise kann ein mit kinetischer Energie versehener Rotor abgebremst werden und elektrische Energie auf der Statorseite zurückgewonnen werden.

Die Erfindung hat sich zur Aufgabe gestellt, die Lagerung zu vereinfachen und gleichwohl verlustfrei zu gestalten und die Antriebseigenschaften der Maschine zu verbessern.

Dazu schlägt die Erfindung vor, einen hochtemperatur­ supraleitendes Material beinhaltenden Läufer (Rotor) zu verwenden, der überraschend bessere Antriebseigenschaften zeigt, als ein geblechter Läufer oder ein Permanentmagnet-Läufer, der aber zusätzlich die Möglichkeit eröffnet, mit einem Magnetlager den Rotor berührungslos und damit verlustfrei so zu lagern, daß er um eine Drehachse 100 leicht drehbar ist (Anspruch 1). Die Erfindung macht sich dabei die Erkenntnis zunutze, daß ein Hochtemperatur-Supraleiter, der selbstverständlich entsprechend gekühlt wird, um seine Supraleiter-Eigenschaft zu erhalten, in Verbindung mit Permanentmagneten, die als Lager verwendet werden, Magnetflußröhren verankert und auf diese Weise das passiv berührungslos arbeitende Magnetlager ohne Reibung gebildet werden kann. Die Magnetflußröhren entstehen aufgrund eines als "Pinning-Effektes" bezeichneten physikalischen Vorgangs.

Die elektrischen Maschinen, die von der Erfindung vorgeschlagen werden, sind Maschinen vorzugsweise kleiner Leistung und Baugröße. Diese Auswahl bedingt, daß die eigentlich zu kühlenden Wicklungen bzw. der aus HTSL-Material gebildete Rotor thermisch aufgrund der kleinen Abmessungen nicht vor den restlichen Konstruktionsteilen zu trennen sind. Es wird also die komplette Kleinmaschine abgekühlt, was dadurch realisiert werden kann, daß die gesamte Maschine in einem z. B. aus Flüssigstickstoff ausgebildeten Tiefkühlbad betrieben wird, die die Kühleinrichtung bildet, über die das HTSL-Material entsprechend tiefkühlbar ist.

Der aus schmelztexturiertem Hochtemperatur-Supraleiter-Material hergestellte Läufer (Rotor) kann als Hystereseläufer viel bessere Antriebseigenschaften entwickeln, als die bislang bei Normaltemperatur betriebenen Hystereseläufer (Anspruch 2).

Mit der Erfindung werden eine berührungslose und deshalb verlustfreie Lagerung des Rotors sowie ein verbesserter elektromotorischer Antrieb mit höherer Effizienz geschaffen, der auch ein generatorisches Abbremsen des Läufers erlaubt. Baulich und funktionell werden in demselben aus Hochtemperatur- Supraleiter-Material gebildeten Rotor beide Eigenschaften verankert. Das Magnetlager kann auf Statorseite aus einem Permanentmagnet gebildet sein (Anspruch 3) . Es kann aus mehreren in axialer Richtung magnetisierten Ringen bestehen, die über ein Stator-Rückflußjoch dann in Verbindung stehen, wenn sie an gegenüberliegenden Seiten des Rotors (seinen Stirnseiten) angeordnet werden (Anspruch 4, 5).

Auch die Statorwicklung der Maschine kann aus einem supraleitenden Material gebildet sein, das in seiner Temperatur an die Temperatur des Rotors angepaßt ist, zu der er seine supraleitende Eigenschaft entwickelt (Anspruch 6).

Die Kleinmaschine kann wegen der in ihr oft vorliegenden hohen Magnetflußdichte (B beträgt etwa zwei Tesla) mit einer Luftspaltwicklung ausgestattet sein (Anspruch 7), da eine Flußführung in Zähnen eines Eisenblechpaketes aufgrund der Eisensättigung nicht mehr sinnvoll ist. Die Wicklung ist dabei im Luftspalt zwischen Läufer und einem nutenlosen Stator (Ständer) der Maschine angeordnet. Werden geringere Flußdichten verwendet, als oben angegeben, können auch genutete Blechpakete des Stators verwendet werden.

Der Rotor kann mit Aussparungen oder Auswölbungen versehen sein (Anspruch 8), die andere magnetische Eigenschaften besitzen, so ferromagnetisch, diamagnetisch, paramagnetisch oder als Permanentmagnet ausgebildet sind, gegenüber dem mit den Pinning-Effekt behafteten HTSL-Material. Geeignete Aussparungen oder Auswölbungen führen zur Verbesserung der Antriebs- und/oder Trag-, Führungs- oder Sensoreigenschaft des HTSL-Läufers. Solche Aussparungen können zu einem topfförmigen Läufer führen (Anspruch 14, Anspruch 19 bis 22).

Die Drehzahlerfassung des Rotors erfolgt vorteilhaft berührungslos oder sensorlos, die dabei gewonnenen Signale können gleichzeitig als Impulssteuerung für einen speisenden Stromrichter verwendet werden, der die Statorwicklung mit einem solchen Wechselstrom versieht, der ein entsprechendes Drehfeld für den Rotor erzeugt (Anspruch 10, 11).

Die Anordnung kann kugelförmig oder zumindest halbkugelförmig sein, betreffend den Läufer und den Stator, hierzu wird auf die deutsche Patentanmeldung 195 47 016.8 verwiesen, in der ein solcher Aufbau näher beschrieben ist. Die dortige Beschreibung wird hier durch Bezugnahme einbezogen.

Die Lagerung eines topfförmigen Läufers (Anspruch 15 bis 18) ist speziell für aufrecht stehende Ausführungen konzipiert.

Beispiele sollen die Erfindung erläutern.

Fig. 1 ist ein Schnitt durch eine Maschine mit HTSL-Läufer 1, deren Symmetrieachse mit 100 bezeichnet ist.

Fig. 2a ist ein Hysteresemotor in senkrechter Bauweise mit einem topfförmigen HTSL-Läufer 10.

Fig. 2b ist eine gegenüber Fig. 2a modifizierte Fassung des topfförmigen Läufers 10, der nicht nur einen Boden 10b, sondern auch einen Deckel 10c hat, verbunden über einen außenseitigen dünnen Zylinderabschnitt 10a, der Boden 10b und Deckel 10c verbindet. Innen ist der topfförmige Läufer 10 mit Eisen (Fe) gefüllt. Die stärkeren Stirnabschnitte, der Deckel und der Boden des Läufers 10 dienen der Erhöhung der Lagertragkraft und -stabilität.

Fig. 2c zeigt eine Ausschnittsvergrößerung des unteren Lagers gemäß Fig. 2a, mit einer nochmal geteilten Umfangs- Permanentmagnet-Lagerung 20a′, 20a′′ mit entgegengesetzter Polarität. Sie sind in Höhe des Bodens 10b des topfförmigen HTSL-Läufers 10 angeordnet.

Fig. 3 ist ein Beispiel eines Kugel-HTSL-Läufers.

Eine Welle 5 dient in Fig. 1 als Abtrieb zu einem Objekt, das mit einer Drehzahl beaufschlagt werden soll. An der Welle 5 ist starr der Rotor 1 angekoppelt, der hier als zylindrisch dargestellt ist, mit einem Durchmesser, der erheblich größer ist, als derjenige der Welle 5. Gegenüber dem Rotor 1 ist ein geblechter Stator 3 vorgesehen, der eine Wicklung trägt, die in der Fig. 1 nur durch ihre Wickelköpfe 3a, 3b symbolisiert ist. Diese Wicklung ist eine mehrphasige Wicklung, die es erlaubt, ein Drehfeld im Luftspalt zwischen Rotor und Stator auszubilden, um den Rotor 1 anzutreiben.

Der Rotor 1 ist über zwei dargestellte magnetisierte Zylinder 2 gelagert, und zwar an seinen beiden Stirnseiten im äußeren Bereich. Die beiden Lagerringe haben eine Polarisierung, die in axialer Richtung verläuft, oder ein entsprechendes radialsymmetrisches Feld durch Flußleitstücke erzeugt. Die Radialkräfte können durch gegenüberliegende Magnetlager entsprechend erhöht werden.

Ein magnetisches Rückflußjoch 4 kann vorgesehen sein, das ein Gehäuse für den gesamten Rotor bildet. Über das Rückflußjoch 4 werden die Feldlinien des Rotorlagers 2 zurückgeführt und der Antrieb erhält einen kompakten Aufbau. Die Feldlinien eines jeden Lagers können durch geeignete Flußführung auch in sich selbst geschlossen werden.

Der Rotor 1 besteht aus einem schmelztexturierten Hochtemperatur-Supraleiter-Material, abgekürzt HTSL. Er ist durch die Lagerringe 2 berührungslos gelagert und hat einen entsprechenden Durchmesser, der gerade noch nicht an der Innenfläche des Stators 3 anliegt, sondern einen mäßigen Luftspalt beläßt. Über diesen Luftspalt wird das Drehfeld übertragen.

Zusätzlich zu der axialen Lagerung über das statorseitige Lager 2 können in radialer Richtung wirkende Kompensationsmagnete (Permanentmagnete oder steuerbare Elektromagnete) vorgesehen sein, die für einen gleichbleibenden Luftspalt sorgen, mithin dafür sorgen, daß die Achse der Welle immer weitgehend in der Achse 100 zu liegen kommt, die auch die Symmetrieachse des rotationssymmetrischen Stators 3 ist. Geringe Schwankungen können indes zugelassen werden, da der Rotor 1 nicht mechanisch gelagert ist und die Öffnung in dem Rückflußjoch so gestaltet sein sollte, daß sie ein entsprechendes Spiel der Welle 5 zuläßt. An der Abtriebsseite würde eine entsprechende Kopplung vorzusehen sein, die das Spiel erlaubt.

Fig. 2a veranschaulicht einen topfförmigen Läufer 10, der einen äußeren Mantel an HTSL-Material hat. Der Anteil des HTSL-Materials besteht aus einer vergleichsweise dünnen Wandlage 10a, die zylindrisch ist, und einem vergleichsweise dicken Bodenbereich 10b, um den topfförmigen Läufer 10 auszubilden. Innen ist der Läufer mit Eisen aufgefüllt, so daß er im wesentlichen außenseitig aus HTSL-Material besteht.

Ersichtlich an der Fig. 2a sind die Statorblech-Pakete 3 mit den Wickelköpfen 3a, 3b, wie schematisch schon in Fig. 1 veranschaulicht. Deutlicher wird an der Fig. 2a die Art und Weise der Lagerung des Läufers 10.

In dem gezeigten Beispiel ist eine senkrecht stehende Variante gewählt. Der Boden 10b ist gegenüber der Zylinderwand 10a deutlich stärker, er ist mindestens doppelt so stark ausgebildet. Der zylindrische Kern des HTSL-Läufers besteht aus einem weichmagnetischen Material, z. B. Eisen.

Die Lagerung erfolgt im unteren Bereich des topfförmigen Läufers 10, dort wo der Boden 10b ist, durch einen vorzugsweise ringförmigen Permanentmagnet 20b, der stirnseitig zum Boden ausgerichtet ist und durch einen ebenfalls vorzugsweise ringförmigen radialen Magneten 20a, der einen größeren Durchmesser hat, als der zuvor erwähnte Magnet 20b, dennoch auch im Bodenbereich 10b des HTSL-Läufers angeordnet ist, jedoch axial gering versetzt. Die beiden am Umfang und an der Stirnseite lagernden Permanentmagnete 20a, 20b haben vorzugsweise entgegengesetzte Polarität und sind vorteilhaft über einen ringförmigen Verbindungsbereich 20c aus HTSL-Material verbunden.

In Fig. 2c ist das Lager deutlicher dargestellt. An Fig. 2c ist auch ersichtlich, daß der am Umfang lagernde Permanentmagnet 20a in nochmals zwei Permanentmagnetringe 20a′ und 20a′′ gesplittet werden kann, um zwischen diesen beiden ringförmigen Permanentmagneten eine Schicht aus HTSL vorzusehen. Die Achse 100 gibt eine Orientierung hinsichtlich der Fig. 1.

Am oberen Ende des topfförmigen Läufers 10 sind ebenfalls zwei beabstandete, vorzugsweise ringförmige Permanentmagnete 21a, 21b in Fig. 2a vorgesehen, die ähnlich der geteilten Ringmagnet-Anord­ nung 20a′ und 20a′′ am Boden eine umfängliche Lagerung erreichen. Die Ringe am oberen Ende des topfförmigen Läufers 10 haben entgegengesetzte Polarität, auch zwischen Ihnen kann eine HTSL-Zwischenlage vorgesehen werden.

Zuvor war erwähnt, daß der Mantel 10a des Läufers zumindest innerhalb des axialen Bereiches des Stators 3 eine sehr geringe Wanddicke hat, z. B. etwa zwischen 5%, 10% und 15% des Durchmessers des Läufers 10. Die stirnseitige HTSL-Schicht, die gemäß Fig. 2b an beiden Enden des topfförmigen Läufers 10 angebracht ist, dient der Erhöhung der Lagertragkraft und der Lagerstabilität, womit die dortigen HTSL-Schirme 10b, 10c deutlich verstärkt sind.

In Fig. 3 ist ein HTSL-Kugellager gezeigt, bei dem ein kugelförmiger Läufer 50 aus HTSL-Material vorgesehen ist. Er wird in einer topfförmigen Lagerung gehalten, mit einem radial wirkenden Permanentmagnet 52b, der als Ring ausgestaltet ist und einem kalottenförmig ausgestalteten Tragmagnet 52a, der unterhalb der Läuferkugel 50 angeordnet ist. Beide Magnete 52a, 52b sind in einem Tragkörper 51 angeordnet und können durch einen HTSL-Ring 53 magnetisch abgeschirmt sein. Der horizontal liegende Lagerring 52b, der an die Kugeloberfläche mit seiner Innenwandung eng angepaßt sein kann, dient der seitlichen Führung der Läuferkugel 50. Die vertikale Führung, das Tragen der Kugel 50, übernimmt der Tragmagnet 52a in dem Haltekörper 51. Obgleich die beiden Magnete eng voneinander beabstandet sind, können sie durch den HTSL-Ring 53 voneinander magnetisch geschirmt werden.

Nicht dargestellt ist ein Sensor, der berührungslos den Rotor 1 so abtastet, daß beispielsweise eine Markierung oder mehrere Markierungen, die in gleichmäßigen Abständen am Umfang vorgesehen sind, abgetastet werden, um Signale hinsichtlich der Drehgeschwindigkeit (der Drehzahl) des Rotors zu erhalten. Diese Signale können einmal zur Erfassung der Drehzahl dienen, diese Signale können aber auch direkt zur Steuerung des statorseitigen Stromrichters herangezogen werden, um das Drehfeld entsprechend einzustellen.

Claims (25)

1. Elektrische Maschine mit einer Welle (5), einem bewickelten, geblechten Stator (3; 3a, 3b) zur Ausbildung eines magnetischen Stator-Drehfeldes, sowie einem Läufer (1, 10), der von dem magnetischen Stator-Drehfeld drehantreibbar ist; dadurch gekennzeichnet, daß

• (a) der Läufer (1, 10) zumindest im äußeren Bereich (10a) im wesentlichen aus einem hochtemperatur­ supraleitenden Material (HTSL) besteht, das über eine Kühleinrichtung entsprechend tiefkühlbar ist;
• (b) der Läufer (1, 10) mit magnetischen Lagern (2) im Stator-Drehfeld berührungslos drehbar gelagert ist.

2. Maschine nach Anspruch 1, bei der der Läufer (1) zylindrisch ausgebildet ist, insbesondere aus schmelztexturiertem HTSL-Material mit Hystereseeigenschaft.

3. Maschine nach einem der vorigen Ansprüche, bei der die magnetischen Lager (2) Permanentmagnete sind, insbesondere ein- oder beidseitig des Läufers angeordnet.

4. Maschine nach Anspruch 3, bei der zumindest eines der Lager (2) ein feststehende Lager (2) zum berührungslos drehbaren Lagern des Läufers (1; Rotor) ist, welches feststehende Lager ringförmig ausgebildet und in axialer Richtung permanent magnetisiert ist.

5. Maschine nach einem der vorigen Ansprüche, bei der mehrere axial magnetisierte Zylinderlager (2) vorgesehen sind, die über ein ferromagnetisches Rückflußjoch (4) magnetisch gekoppelt sind.

6. Maschine nach einem der vorigen Ansprüche, bei der die Statorwicklung (3a, 3b) aus einem im wesentlichen supraleitenden Werkstoff besteht.

7. Maschine nach einem der vorigen Ansprüche, die eine Luftspaltwicklung enthält, insbesondere aus einem Hochtemperatur-Supraleiter.

8. Maschine nach einem der vorigen Ansprüche, bei der der Läufer (Rotor; 1) Aussparungen oder Auswölbungen aufweist, die ganz oder teilweise aus Materialien mit anderer magnetischer Eigenschaft ausgefüllt oder ausgebildet sind.

9. Maschine nach Anspruch 8, bei der die Aussparungen oder Auswölbungen Nuten, Ringe, Kerne, geschichtete Scheiben oder Zylinder sind.

10. Maschine nach einem der vorigen Ansprüche, bei der die Erfassung der Drehlage des Läufers (1) berührungslos erfolgt.

11. Maschine nach Anspruch 10, bei der die berührungslos erfaßten Signale zur Erfassung der Läufer-Drehposition zur Impulsgabe für eine Steuerung von - insbesondere über einen Stromrichter gespeiste - Ständerströme in der Ständerwicklung (3a, 3b) verwendet werden.

12. Maschine nach einem der vorigen Ansprüche, bei der der Läufer (1, 50) und der Stator (3, 52b) kugelförmig bzw. halbkugelförmig ausgebildet sind.

13. Maschine nach Anspruch 12, bei der ein kalottenförmiger Permanent-Tragmagnet (52a) unterhalb des kugelförmig ausgebildeten Läufers (50) angeordnet ist und ein horizontaler, kalottenförmig ausgestalteter Permanentmagnet-Ring (52b) die seitliche Führung der Läuferkugel (50) übernimmt, wobei zwischen dem Tragmagnet (52a) und dem Seitenführungs-Magnet (52b) ein umlaufender Abschirmung (53) aus HTSL-Material vorgesehen ist.

14. Maschine nach einem der Ansprüche 1, 8 oder 9, bei welcher der Läufer (1, 10) für eine senkrecht stehende Bauweise topfförmig (10a, 10b) ausgestaltet ist.

15. Maschine nach Anspruch 8, 9 oder 14, bei der Permanentmagnete zur Lagerung des Läufers (1, 10) vorgesehen sind, wobei zwei Permanentmagnet-Ring­ körper (21a, 21b) vorzugsweise entgegengesetzter Polarität am oberen Randbereich des topfförmigen Läufers (10) umfänglich lagernd angebracht sind.

16. Maschine nach Anspruch 14 oder 15, bei der am unteren Randbereich (10b) des topfförmigen Läufers (10) ein umfänglich lagernder Permanentmagnet-Ring (20a) vorgesehen ist und insbesondere ein stirnseitig zum Boden (10b) des Läufers (10) ausgerichteter Permanentmagnet (20b) vorgesehen ist, dessen Durchmesser geringer ist, als derjenige des zuvor erwähnten Permanentmagnet-Rings (20a).

17. Maschine nach Anspruch 16, bei der zwischen den zwei im Bodenbereich (10b) des topfförmigen Läufers (10a) angeordneten Permanentmagnet-Ringen (20a, 20b) eine vorzugsweise ringförmige Abschirmung (20c) angebracht ist.

18. Maschine nach Anspruch 16 oder 17, bei der die im Bodenbereich angeordneten Permanentmagnetlager (20a, 20b) unterschiedliche Polarität zur besseren Flußführung haben.

19. Maschine nach einem der Ansprüche 8, 9 oder 14 bis 18, bei der im Bereich des Stators (3) die Stärke des HTSL-Materials im Läufer (10) dünn ist, insbesondere im Bereich zwischen 5% und 15% des Durchmessers des Läufers.

20. Maschine nach Anspruch 19, bei der der Bodenbereich (10b) des Läufers (10) deutlich stärker, als die Wandstärke des dünnen Wandbereiches (10a) im Statorbereich ist.

21. Maschine nach Anspruch 20, bei der der topfförmige Läufer (10) an beiden Stirnseiten einen verstärkten HTSL-Stirnbereich (10b, 10c) hat.

22. Maschine nach Anspruch 1, bei der der Läufer im äußeren radialen Zylinderbereich (10a) im wesentlichen aus HTSL-Material besteht, insbesondere im wesentlichen ganz aus HTSL-Material besteht.

23. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Läufer (10, 1) zur Erzielung und Aufrechterhaltung seines hochtemperatur-supraleitenden (HTSL-) Zustandes mit Flüssiggasen, insbesondere Flüssigstickstoff, Flüssigwasserstoff vorzugsweise durch Aufsprühen gekühlt wird, zur Verringerung der Läuferreibung unter Ausnutzung des Verdampfungswärmeentzuges.

24. Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, deren HTSL-Läufer (1, 10) während oder nach Eintritt seines supraleitenden Zustandes permanentmagnetisch ganz oder teilweise aufmagnetisiert oder - insbesondere zwecks Feldschwächung - ganz oder teilweise abmagnetisiert wird.

25. Elektrische Maschine oder Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, wobei zwecks Verringerung von Auf- oder Abmagnetisierungsströmen, die normalerweise mittels einzelner oder mehrerer Ständerspulen erfolgen, die eine ganze Läufermagnetpolbreite umfassen, Zusatzspulen ständerseitig geeignet angeordnet sind, die nur einen Teil der Polbreite umfassen, um die gesamte Polbreite nacheinander in Schritten oder bei kontinuierlicher Läuferdrehung zu magnetisieren.