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WO2019197305A1 - Rotor mit eingebettetem supraleitendem spulenelement - Google Patents

Rotor mit eingebettetem supraleitendem spulenelement Download PDF

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Publication number
WO2019197305A1
WO2019197305A1 PCT/EP2019/058749 EP2019058749W WO2019197305A1 WO 2019197305 A1 WO2019197305 A1 WO 2019197305A1 EP 2019058749 W EP2019058749 W EP 2019058749W WO 2019197305 A1 WO2019197305 A1 WO 2019197305A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
coil
rotor
container
coil element
winding
Prior art date
Application number
PCT/EP2019/058749
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Johannes Richter
Christian WEIDERMANN
Original Assignee
Siemens Aktiengesellschaft
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens Aktiengesellschaft filed Critical Siemens Aktiengesellschaft
Publication of WO2019197305A1 publication Critical patent/WO2019197305A1/de

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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K3/00—Details of windings
    • H02K3/46—Fastening of windings on the stator or rotor structure
    • H02K3/47—Air-gap windings, i.e. iron-free windings
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K3/00—Details of windings
    • H02K3/46—Fastening of windings on the stator or rotor structure
    • H02K3/52—Fastening salient pole windings or connections thereto
    • H02K3/527—Fastening salient pole windings or connections thereto applicable to rotors only
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K55/00—Dynamo-electric machines having windings operating at cryogenic temperatures
    • H02K55/02—Dynamo-electric machines having windings operating at cryogenic temperatures of the synchronous type
    • H02K55/04—Dynamo-electric machines having windings operating at cryogenic temperatures of the synchronous type with rotating field windings
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K2213/00—Specific aspects, not otherwise provided for and not covered by codes H02K2201/00 - H02K2211/00
    • H02K2213/03—Machines characterised by numerical values, ranges, mathematical expressions or similar information
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E40/00—Technologies for an efficient electrical power generation, transmission or distribution
    • Y02E40/60—Superconducting electric elements or equipment; Power systems integrating superconducting elements or equipment

Definitions

  • the present invention relates to a rotor for an electric machine, wherein the rotor comprises at least one superconducting coil element and at least one winding carrier, which mechanically carries the at least one coil element. Furthermore, the invention relates to an electrical Ma machine with such a rotor and a Stanfordsverfah ren for it.
  • the superconducting coil elements are mechanically held in the rotors of superconducting machines typically by a winding support.
  • a winding support In principle, it may be either a radially innenlie lowing winding carrier or a radially outer winding carrier.
  • the individual coils When using a radially inner winding carrier, the individual coils are often bandaged onto the winding support.
  • a bandages material for example, a glass fiber
  • delamination can occur either within the layer composite of the strip conductor itself (that is, for example, between a superconductor layer and an adjacent metallic layer) or else delamination can occur between adjacent turns in the winding package. In other words, it may come to a separation of the winding package, wherein the typically ten interconnected by an impregnating agent th neigh turns are separated. It is also possible that both effects occur simultaneously.
  • a radially outer winding support for example, as described in DE102016217734A1, be formed as a parent cylindrical hollow body and having a plurality of distributed over the circumference recesses into which the individual superconducting coil elements are then embedded from radially inside.
  • Such a configuration has the advantage that an internal cavity for a fluid coolant is available, which can cool the embedded superconducting coil elements to a cryogenic operating temperature.
  • Such known from the prior art external winding support may be formed for example of aluminum or other material with high thermal expansion coefficients, so that when cooling to a cryogenic operating temperature compression of the superconducting winding is achieved because during cooling of the winding support on the coil element shrunk on.
  • a problem with the design of a high thermal shrink wrapper is that the available high thermal expansion coefficient materials often do not meet the other requirements imposed on the mechanical support structure of the rotor, namely high strength and high rigidity, especially at cryogenic temperatures , and at the same time compatibility with the coolant used - often with liquid hydrogen. Often these different material requirements can not be achieved simultaneously to the required extent, so that the outer winding support alone can not meet the mechanical requirements, especially at very high speeds, without further ado. Therefore, according to the state of the art for compatibility with very high centrifugal forces, it is necessary that such an external winding carrier, which is made of aluminum for example, is additionally wrapped with a pretensioned bandage.
  • the object of the invention is therefore to provide a rotor for an electrical machine, which overcomes said parts after.
  • a rotor is to be provided whose supporting structure has a very high rigidity and strength for high rotational speeds (in particular in a cryogenic environment) and in which at the same time the existing superconducting coil elements are protected against delamination effects.
  • the rotor should be as easy to manufacture and / or can be designed with the lowest possible ge mass.
  • a high one Compressive strength (for a high operating pressure of the fluid coolant) is desirable.
  • Other objects of the inven tion are suits a machine with such a rotor and a method for producing such a rotor ben.
  • the rotor according to the invention is designed as a rotor for an electric machine. It has a central rotor axis A, around which the rotor can in particular be rotatably mounted.
  • the rotor comprises at least one superconducting coil element with an annularly closed basic structure and a right corner-shaped winding cross-section through which four umlau fende surfaces of the coil element are defined. Furthermore, the rotor encloses at least one coil container, which is assigned to the coil element and which encloses it like a shell on at least three of its four circumferential surfaces.
  • the rotor comprises at least one winding carrier which mechanically carries the at least one coil container and is mechanically connected thereto at least on a side of the coil container which is radially outer with respect to the rotor axis A.
  • the coil container is designed so that it has a higher thermal shrinkage when cooled from room temperature to a cryogenic gene operating temperature of the superconducting coil element as the closed coil element as a whole.
  • a ra dial outer support structure is given by the winding support, since the winding carrier the coil container - and thus also the angeord designated coil element - mechanically carries on the radially outer side.
  • the term "radially outward” here refers to a radial position with respect to the central rotor axis A and not with reference to a radial position. borrowed a local winding axis of a selected coil elements.
  • a coil element can be understood as meaning either a single coil or else an arrangement of a plurality of individual coils joined together (for example a stack of several individual coils).
  • a coil element has a ring-shaped closed GE basic structure.
  • the cross section at a belie ce circumferential position of this ring structure should be quite eckförmig.
  • Formed by the four side surfaces of this rectangle form four boundary surfaces in the three-dimensional structure of the coil element, which are each Weil circulate annularly Weil.
  • the size and shape of the winding cross-section can be substantially constant over the entire circumference of the coil element.
  • Essential in the context of the present invention is that in the relevant temperature range (ie in the range between room temperature and a cryogenic operating tempera ture of the superconductor), the thermal shrinkage on cooling for the bobbin container is greater than for the umen enclosed coil element.
  • the coil element should be considered as a whole.
  • the effective shrinkage of the entire parent element should be considered.
  • the coefficient of thermal expansion of the material of the coil container is therefore greater than the effective thermal expansion coefficient for the entire coil element in the relevant temperature range.
  • the winding support which forms the essential support structure of the entire rotor can be formed of a material with a relatively lower thermal shrinkage, which is better adapted to the mechanical requirements of the winding support is.
  • the winding support may be formed of a material which has a lower coefficient of thermal expansion than the coil container, but since for a higher strength and / or rigidity, in particular at cryogenic temperature.
  • a cryogenic temperature is to be understood in particular to mean a temperature at which the coil element is superconducting.
  • the core idea of the present invention is to divide the functionality of the shrinkage on the coil element and the functionality of the superordinate support structure into two separate elements - namely the coil container and the winding carrier - and thus enable an optimized choice of material for each of these two elements.
  • the electric machine according to the invention comprises a inventions to the invention rotor and a stator fixedly arranged.
  • the advantages of the machine according to the invention are analogous to the described advantages of the rotor according to the invention.
  • the inventive method is used to produce a rotor according to the invention. The method has at least the following steps:
  • step a) the preparation of the coil element in step a) is decoupled from the step b), in which the coil element is combinatorial with the coil container.
  • the coil container and the winding support are initially provided separately and only in step c) subsequently combined with each other.
  • step c) in principle either before or after step b) he follow. It is only essential that coil element, Spulenbenzol ter and winding support are made as individual components separately from each other and made available.
  • the coil container is preferably formed from a material which has a thermal coefficient of linear expansion a of at least 16 ⁇ 10 -6 1 / K. In such an embodiment, it is achieved that the thermal shrinkage of the coil container is significantly greater than the effective shrinkage of the entire coil element inserted therein, if typical materials for such a superconducting coil element are used. element to be used.
  • the essential materials in the superconducting coil element are, in particular, the materials of the superconducting strip conductor and the impregnating agent used. In the case of the strip conductor, the material of the strip-shaped substrate (frequently a nickel-tungsten alloy or also a steel or an alloy such as Hastelloy) is particularly crucial for the overall thermal shrinkage due to the high relative volume fraction.
  • a significant compression effect can be achieved by a container material having the above-mentioned thermal expansion coefficient.
  • a is even at least 19 x IO -6 1 / K or even at least 22 x IO -6 1 / K.
  • the stated values for the expansion coefficients should apply to the relevant temperature range (ie the range between room temperature and the cryogenic operating temperature).
  • the total relative shrinkage that takes place when cooling from room temperature to the cryogenic operating temperature in the coil container can be, for example, at least 0.3% and in particular at least 0.35% or even at least 0.4%.
  • the coefficient of thermal expansion coefficient of the winding carrier is smaller than the thermal expansion coefficient of the coil container.
  • the described Aufschrumpf cement on the embedded coil element is thus essentially not effected by the winding support, but by the coil container.
  • the material of the coil container comprises aluminum and / or magnesium.
  • aluminum and / or magnesium may be present either as a main component or as a minor component. Regardless of the exact configuration applies that by the use of aluminum and / or magnesium in the material of the coil container, a relatively large thermal expansion coefficient, it can be enough and thus a comparatively strong on shrinkage of the coil container on the coil element.
  • the coil container may generally preferably have a comparatively small wall thickness.
  • the wall thickness of the coil container (at uneven Wandstär ke the one at the thickest point) be dimensioned smaller than the wall thickness of the winding support (at ununiform Licher wall thickness here is the one at the thinnest place apply).
  • the rotor has at least one internal cavity in which a fluid coolant can be circulated.
  • a fluid coolant can flow, for example, through the cavity in the interior of the rotor to the coil elements, cool them by ther mix contact, then flow to a cold head outside the rotor and are cooled back there and in turn fed into the cavities of the rotor, so in total closed cooling circuit is formed.
  • a cooling system is particularly effective to cool the superconducting coil elements to a cryogenic temperature below the critical temperature of the superconductor material used.
  • the inner cavity is so designed so that the at least one coil element can come into thermal contact with the coolant on its radially inner side.
  • the coil element is open on its (with respect to A) radially innenlie ing side so that it can come into direct contact with the coolant.
  • either the superconducting conductor itself or a conductor around the electrical insulation, impregnation and / or protective layer of the coil element may be in direct contact with the coolant in such a way that the coil element can dissipate the heat generated during operation to the coolant.
  • the coil element can be at least partially exposed on its radially inner-lowing side (ie, not be covered by the coil container and / or the winding support), so that it can be flown by the fluid coolant.
  • the fluid coolant of the rotor may be particularly advantageous hydrogen.
  • Hydrogen is particularly suitable because, on the one hand, it has a sufficiently low boiling point to act as a cryogenic coolant in the liquid state. On the other hand, it has a low density, which has a favorable effect on the total weight of the rotor including coolant.
  • Such low density coolant is also particularly suitable for providing rotors for large diameter, high speed machines. Due to the low density also caused by the hydrostatic pressure boiling point shift is small.
  • cryogenic coolants are liquid helium, liquid neon, liquid
  • cryogenicdemit tel circulates inside the rotor in particular according to the thermosiphon principle and / or in the manner of a heat pipe.
  • the winding support may be formed from a mate rial, which is a nickel-based alloy
  • a nickel base alloy (for example one of the alloys sold under the name Inconel) is particularly suitable for achieving high strength and high rigidity of the winding support at cryogenic temperatures.
  • nickel-base alloys are compatible with use in a hydrogen-containing environment.
  • titanium or titanium-containing alloys and / or fiber composites may be used as preferred materials for the winding support.
  • High strength and stiffness at cryogenic temperatures can also be achieved with such materials, and especially with carbon fiber composites. At the same time, the density of such materials is advantageously low.
  • the coil container can surround the coil element on exactly three of its four circumferential surfaces like a coat. This is particularly advantageous because then the bobbin container has an open side over which the coil element can be inserted into the bobbin container. It is particularly preferred if this open side of the coil container remains open even in the final operation, since then allows direct contact of the Spu lenelements with an oncoming coolant on this open side who can.
  • a three-sided enclosing of the coil element with a coil container made of a material which shrinks more thermally is sufficient, in particular, to achieve a compression effect which protects against delamination. It is not necessary here that the coil element is surrounded on all four outer surfaces of the coil container.
  • the fourth side (in particular subsequently, ie after an insertion of the coil element into the coil container) is likewise covered.
  • a lid for use kom men which is formed from the same material as the remaining coil container and is firmly connected to this after assembly. In this way, even an overall even greater compression effect through the coil container it will be enough.
  • by providing such a cover can be achieved that falling out of the coil element is prevented from the coil container - especially at a standstill of the rotor, so if no centrifugal forces occur.
  • Winding axis a of the coil element is radially inwardly ori suedt
  • Winding axis a of the coil element is radially outwardly ori sunt.
  • a radially inner surface of the coil element is open, so that the coil element flows from this side of a fluid coolant who can.
  • This is particularly advantageous because so the coolant can be transported by centrifugal forces during rotation of the rotor particularly easy to the coil element.
  • a mechanical support of this in the entire radially inner side is not necessary because due the high centrifugal forces acting on the coil element are much more important for support radially outward than support radially inward direction.
  • the three surfaces of the coil element enclosed by the coil container may also be the following surfaces:
  • a third coil surface which is oriented with respect to the winding axis a of the coil element radially outward and
  • an advantage of this alternative embodiment is that in this case the coil container is lenelement as a kind of clamp around the Spu which compresses relative to the local Wicklungsach se of the coil as a whole from radially outside. From the water direction, a greater compression effect can be achieved for the annular coil winding with the same choice of material and wall thickness of the bobbin container than with other ren three-sided enclosing geometries.
  • the coil container is on a first outer surface, which is radially inwardly oriented with respect to the local winding axis a of the Spulenele element, and on a second outer surface, which is oriented with respect to the central rotor axis A radially outward, mechanically on the Wicklungsträ- fixed. It is particularly preferred if the Spulenbe container is fixed exclusively on these two described surfaces on the winding support.
  • the advantage of this imple mentation is that by the fixation on the two described contact surfaces a sufficiently strong mechanical cal holder of the coil container and thus of the Spulenele element can be achieved.
  • the reason for this is that act on the coil element mainly on the one hand (with respect to A) radially outwardly directed centrifugal forces and act on the aligned in the circumferential direction of the rotor lateral tensile forces. With respect to mechanical loads with these directional components, the coil element is then sufficiently fixed. If the third surface of the coil container remains free and is accordingly not covered by a part of the Wick treatment carrier, then this surface can be advantageously additionally flowed by fluid coolant. This further improves the cooling of the coil element.
  • the Ro tor is designed free of an outer bandage.
  • no additional Liche bandage of biased band-shaped material should be wrapped around the outside of the winding support no additional Liche bandage of biased band-shaped material.
  • additional bandaging is not necessary in the context of the present invention, because a compression of the coil element is already achieved by the thermal shrinkage of the coil container and the winding support can be made sufficiently stable and stiff, so that a support by additional external bands is not necessary .
  • the structure of the rotor can be significantly simplified compared to the prior art and the rotor is thus easier to manufacture.
  • the rotor may generally preferably have a plurality of superconducting coil elements, which are in particular made equal to one another un. Appropriately then there is also a plurality of in particular the same coil containers, wherein each coil element is then assigned in each case exactly one coil container, in which the coil element is embedded.
  • the individual coil elements and the individual coil containers can be distributed uniformly over the circumference of the rotor. A such evenly distributed arrangement is particularly given before, for example, to produce a symmetrical excitation field for an electrical machine.
  • the rotor has only a parent common Wick development carrier, which extends over the entire circumference of the rotor.
  • each of the coil elements is preferably arranged together with its associated coil container on an associated circumferential segment of the common Wick tion carrier.
  • the wesentli support structure of the rotor is then formed by a single azimu tal circumferential and in particular one-piece winding carrier.
  • the winding support may have the basic structure of a hollow cylinder, wherein radially inward Aussparun conditions may be provided for the individual coil container.
  • This embodiment is particularly advantageous in order to achieve a high mechanical stability, in particular against centrifugal forces, even without an additional external bandage. Furthermore, a comparatively high compressive strength can be achieved by a hollow cylindrical Ausgestal direction of the winding support and in particular by a hermetic table completed hollow cylindrical structure.
  • the rotor can be advantageously designed to withstand a high coolant pressure of, for example, at least 6 bar or even 20 bar and in particular even 40 bar.
  • the winding carrier is subsequently composed of individual azimuthal segments.
  • the coil element (or the plurality of coil elements) can each be configured as a flat coil.
  • a flat coil may have the shape of a straight cylinder.
  • a straight cylinder is understood to mean, according to the general geometric definition, a body. that which arises by shifting a flat base along a line perpendicular to it. The shape is therefore not limited to cylinders with a circular base be.
  • the coil winding may be a cylindri cal coil winding with a base in the form of a Krei ses, an ellipse, an oval, a raceway geometry or a rectangle with rounded corners.
  • the superconducting coil element preferably has a high temperature superconducting conductor material.
  • the coil element is wound from a high-temperature superconducting band conductor.
  • High-temperature superconductors are superconducting materials with a transition temperature above 25 K and some classes of materials, such as the cuprate superconductors, above 77 K, where the loading operating temperature can be achieved by cooling with other cryogenic Materia lien as liquid helium. HTS materials are also particularly attractive, since these materials can have high upper critical magnetic fields and high critical current densities, depending on the choice of operating temperature.
  • the high-temperature superconductor may comprise, for example, magnesium diboride or an oxide-ceramic superconductor, for example a compound of the REBa2Cu30 x type ( REBCO for short), where RE stands for a rare-earth element or a mixture of such elements.
  • REBa2Cu30 x type REBCO for short
  • the superconducting coil element can generally be mechanically fixed in the coil container, for example, be glued there.
  • the bond need not necessarily be formed in the entire region of the contact surface between the coil element and the coil container. Rather, it is sufficient if these two elements are glued together only in a portion of their common seed contact surface.
  • the mechanical connec tion between the coil container and the winding carrier by a Adhesive be fixed.
  • the rotor may encompass an electrically conductive damper screen which radially surrounds the at least one coil element.
  • a damper screen is advantageous to reduce the coupling electromagnetic alternating fields in the least one coil element of the rotor and thus to reduce ent speaking AC losses in the rotor.
  • Such a damper shield may in particular be arranged as an electrically lei tender cylindrical shell to the at least one element Spulenele the rotor. Basically, the Dämp ferline as an additional element to close the winding support or the function of the damper shield can already be gege ben by an electrically conductive winding support.
  • the rotor may comprise a cryostat whose wall surrounds the at least one coil element ra dial.
  • a cryostat wall is advantageous for encapsulating the superconducting elements of the rotor located therewith against the warmer external environment and for cooling down to a cryogenic operating temperature of the superconductor.
  • a cryostat wall can either be a single cryostat wall or, alternatively, a combination of an inner and an outer cryostat wall can be present, with an insulating vacuum being provided between these two cryostat walls before geous.
  • the electric machine with the rotor according to the invention can advantageously be designed for a power density of at least 5 kW / kg, particularly advantageously it can even be designed for a power density of at least 10 kW / kg.
  • a machine with such a high power density the advantages of the rotor described are particularly significant.
  • Machines with such high power densities are on the other hand a prerequisite for fully electric powered air vehicles. However, they are also in the field of others - in particular special mobile applications - advantageous. Under the said power density, the rated power of the machine based on their total weight to be understood, so based on the weight of the stator, rotor, housing, cooling system plus any additional components present.
  • the machine or the rotor is preferably designed for a rated power of at least 5 MW, in particular at least 10 MW. With such a high performance, it is basically suitable for driving a vehicle, in particular an aircraft. Alternatively, with one of the art powerful machine but also when operating as Ge generator required for the drive electric power can be generated on board the vehicle. In principle, the machine may be designed either as a motor or as a generator or optionally designed for both modes of operation. In order to achieve the described high powers and / or power densities, high-temperature superconducting coil elements are particularly suitable because they ben ben particularly high current densities.
  • the machine or the rotor may preferably be designed for a rotational speed of the rotor of at least 1000 revolutions per minute, in particular even for at least 3000 revolutions per minute.
  • a rotational speed of the rotor of at least 1000 revolutions per minute, in particular even for at least 3000 revolutions per minute.
  • FIG. 1 shows a schematic cross-sectional view of a rotor according to a first example of the invention
  • FIG. 2 shows a schematic longitudinal section of a machine according to an example of the invention
  • Figure 3 is a schematic partial view of the cross section
  • FIG. 1 shows
  • Figure 4 is a schematic perspective view of a
  • Figure 5 is a schematic perspective view of a
  • Coil element and a coil container shows
  • Figure 6 shows a schematic sectional view through a spool element
  • Figure 7 shows a schematic partial view of a Querterrorismsdars position of a rotor according to a second example of the invention.
  • FIG. 1 shows a schematic cross-sectional view of a rotor 1 according to a first example of the invention. Shown is a section perpendicular to the central rotor axis A, around which the rotor 1 is rotatably mounted.
  • the rotor has in this example, eight superconducting coil elements 3, which together form a parent rotor winding sam.
  • This Rotorwick development is designed to generate an eight-pole electromagnetic field.
  • the individual coil elements 3 are mechanically held in this example by a common hollow cylindrical Wick carrier 5.
  • This winding support 5 supports all eight coil elements 3 from a relative to the central axis A radially outer side. On a Be a moment A radially inner side of the coil elements 3, these adjoin a cavity 7 and are flowed from here by a fluid coolant 9 and thereby cooled to a cryogenic temperature.
  • the Wick is ment carrier 5 surrounded by a double-walled cryostat, the wall here by a cylinder jacket inner cryostat 15a and also a cylinder jacket-shaped outer cryostat 15b is reproduced. Between these two walls Kryostat- an annular vacuum space is formed so that the winding support 5 and the other radially inner components are thermally insulated from the external environment.
  • FIG. 2 shows an embodiment of an electric machine 21, which is equipped with a rotor 1 according to the present invention. Shown here is a schemati shear longitudinal section along the axis of rotation A.
  • the machine also has a fixedly arranged stator 23 which surrounds the rotor 1 radially and is connected to the se 27 Maschinengeophu.
  • the rotor 1 is rotatably mounted on a rotor shaft 31 about the rotation axis A, said rotor shaft 31 in the central part of the rotor 1 and in the right-hand area is designed as a hollow shaft 33. It is therefore a segmented wave.
  • the rotor shaft 31, 33 is rotatably supported via bearings 29 in the axial end portions of the machine against the fixed machine housing 27 consider.
  • the torque is transmitted in the left part of the rotor 1 between the rotor shaft 31 and the actual Ro tor 1.
  • a torque transmission device 39 is arranged between the rotor 1 and rotor shaft 31, which is configured in the form of a circular cylinder in the example shown.
  • power supply lines 41 are arranged to connect the coil elements 3 of the rotor 1 with an external circuit via slip rings 43.
  • fluid coolant 9 is introduced into the interior of the rotor via the hollow shaft 33. fed and led from here to the outside.
  • the hollow shaft 33 in its interior a supply line 35a and a return line 35b.
  • the rotor 1 of the electrical machine shown in Figure 2 for example, be similar to that shown in Figure 1 be staltet out. It may in particular have a plurality of coil elements 3, which are designed to form a p-pole magnetic field. These coil elements 3 are in turn distributed over the circumference of the rotor 1 and are mechanically held by an outer winding support 5. This winding support is not shown in detail here for the sake of clarity.
  • the Rotorin nere a continuous inner cavity 7, sim i lar as in the rotor of Figure 1.
  • the winding support and so with the coil elements 3 are rich at the two axial Endbe the rotor by disk-shaped support members 40 ge hold.
  • the coil elements 3 and thus also the winding carriers not shown here are surrounded radially by an inner cryostat wall 15a and then by an outer cryostat wall 15b.
  • a vacuum space V is provided for thermal insulation, which is shown in comparison to the example of Figure 1 significant Lich enlarged.
  • the fixed parts of the stator 23 are arranged outside the outer cryostat wall 15b.
  • a stator winding 24 is arranged on the stator winding support 25, the axial winding sections in their axial end portions with end windings 24 a are connected.
  • the stator winding 24 occurs during operation of the electric machine 21 in electromagnetic interaction with the electromagnetic field of the rotor 1.
  • stator winding 24 is supported in the example shown by a non-magnetically madebil Deten stator winding 25, so this is an air gap winding without iron teeth between the turns of the winding.
  • FIG. 3 shows a schematic partial view of the cross section of the rotor from FIG. 1. Shown here is an off section of the winding, which corresponds to a magnetic pole.
  • an azimuthal section of the hohlzylindri rule winding carrier is shown, which carries one of the total eight coil elements 3.
  • the coil element 3 is an annularly closed Spulenanord voltage, of which in the cross-sectional view shown both coil legs can be seen. These coil legs each have a rectangular cross-sectional shape.
  • the coil element 3 is mechanically supported by the winding support 5.
  • the coil element 3 is not in direct contact with the winding carrier 5, but it is first embedded in a coil container 4.
  • three of its four circumferential outer surfaces are enveloped by the coil container 4. These are the following surfaces:
  • the material of the coil container 4 is selected so that when cooled from room temperature to a cryogenic Be operating temperature of the coil element 3 shrinks more than the inserted coil element 3 considered as a whole.
  • This compression protects the inserted coil element - and in particular the superconducting band conductor 8, from which the coil is wound - from undesired delamination effects.
  • delamination basically can occur so well between the layers within the strip conductor 8 and between the individual superimposed turns of the coil element. Both types of delamination are typically caused by mechanical tensile forces.
  • the described compression means of the shrinkage of the coil container 4 serves in contrast to build up pressure forces and thus counteracts the unfavorable tensile forces.
  • an alloy may be selected with the main component aluminum.
  • the coil element 3 is here not directly, but indirectly via the coil container 4 with the winding support 5 verbun the. However, this mechanical contact is not present on all three outer sides of the coil container 4, but only on the two outer sides, which chen the two above be described surfaces 10 a and 10 b of the coil element 3 corre sponding.
  • the first outer surface 10 a is in contact with a support bar 6, which is adapted to the local inner contour of the Spu lenelements 3.
  • the second outer surface 10b is in contact with the hollow cylindrical main part of the winding support 5.
  • the wall thickness d2 of the support web is significantly thinner than the (thinnest) wall thickness d3 of the hollow cylindrical wall.
  • wall thicknesses d2 and d3 are both significantly thicker than the wall thickness dl of the coil container 4 (which is homogeneous in the case of the example shown).
  • This choice of wall thicknesses is due to the fact that for a compression effect, a comparatively thin wall thickness dl of the coil container extends, while for the mechanical load-bearing properties of the winding support 5, a higher rigidity and strength is necessary.
  • this is formed here from a cold-tough alloy, for example from an alloy of the Inconel type. Due to the different choice of materials for the coil container 4 and the winding support 5 can be advantageously achieved that both a compression effect and a very stable support structure are present. This can be achieved at comparatively simp cher production and / or comparatively low Monge weight of the rotor.
  • FIG 4 shows a schematic perspective view of the section of the winding support 5, which has already been shown in cross section in Figure 3.
  • the coil element 3 is designed here as a cylindrical flat coil, which was prepared by winding a plurality of turns of a superconducting strip conductor 8 to a lo cal coil axis a.
  • the coil element 3 has the geometry of a straight cylinder, wherein as the basic shape of the cylinder is an oval, racetrack-like shape.
  • the bobbin case 4 is formed so as to envelop this race-track-like bobbin shape on three of the circumferential sides like a cassette. His respect to the local Spulenach se a radially inner surface nestles closely to the contour of the support web 6 of the winding support 5.
  • the coil container 4 with the coil element 3 is mechanically held against the azimuthal forces occurring during operation.
  • the coil element 3 is open on its respect to the central rotor axis A ra dial inner side lOd and can here of the are immersed in fluid coolant directly.
  • the coil element 3 is surrounded by the Spulenbenzol ter 4 on the third surface 10c, but not the winding support 5. Since the coil container 4 is formed comparatively thin, can be achieved via this wall also a relatively effective cooling with means of incoming coolant 9.
  • FIG. 5 is Darge in simplified perspective form provides how a coil element 3 can be inserted into a coil container 4.
  • the manufacture of the rotor is hereby particularly simple that the coil element can be formed as a prefabricated component and then inserted as a franchising integer subsequently in the coil container 4.
  • This coil container 4 can be connected either after his Ver connection with the coil element 3 or alternatively also previously with the winding support 5.
  • FIG. 6 For a better understanding is shown in Figure 6 once again visibly, as the four described coil surfaces 10 a to lOd (ie the outer sides of the rectangular cross-sectional profile of the two coil legs) are defined.
  • the orientation of the coil element 3 shown here corresponds approximately to the orientation of the coil element of the fi gure 4 and Figure 5. In other words, it is a geodetically underlying coil element, and the central axis of rotation A not shown above the ge showed cutout lie.
  • FIG. 7 shows a schematic partial view of a cross-sectional view of a rotor 1 according to a second example of the invention.
  • the section shown again corresponds to the section of Figure 3, which had been chosen for the first exemplary embodiment from.
  • the rest of the structure of the rotor 1 and an electrical machine constructed therefrom 21 should be analogous as in the first domesticsbei game.
  • the main difference consists in the second exemplary embodiment from the fact that the coil element 3 is embedded on under different sides in the coil container 4.
  • the contact surfaces between coil element 3 and coil container 4 are the surfaces 10b, 10c and 10d (using the same nomenclature as above).

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Abstract

Es wird ein Rotor (1) für eine elektrische Maschine (21) mit einer zentralen Rotorachse (A) angegeben. Der Rotor umfasst - wenigstens ein supraleitendes Spulenelement (3) mit einer ringförmig geschlossenen Grundstruktur und einem rechteckförmigen Wicklungsquerschnitt, durch welchen vier umlaufende Flächen (10a,10b,10c,10d) des Spulenelements definiert sind, - wenigstens einen Spulenbehälter (4), welcher dem Spulenelement (3) zugeordnet ist und welcher dieses zumindest auf drei seiner vier umlaufenden Flächen mantelartig umschließt, - wenigstens einen Wicklungsträger (5), der den wenigstens einen Spulenbehälter (4) mechanisch trägt und zumindest auf einer bezüglich der Rotorachse radial außenliegenden Seite des Spulenbehälters (4) mechanisch mit diesem verbunden ist, - wobei der Spulenbehälter (4) bei einer Abkühlung von Raumtemperatur auf eine kryogene Betriebstemperatur des supraleitenden Spulenelements (3) einen höheren thermischen Schrumpf aufweist als das davon umschlossene Spulenelement (3). Weiterhin werden eine Maschine (21) mit einem derartigen Rotor (1) sowie ein Herstellungsverfahren für einen solchen Rotor (1) angegeben.

Description

Beschreibung
Rotor mit eingebettetem supraleitendem Spulenelement
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Rotor für eine elektrische Maschine, wobei der Rotor wenigstens ein supra leitendes Spulenelement und wenigstens einen Wicklungsträger umfasst, der das wenigstens eine Spulenelement mechanisch trägt. Weiterhin betrifft die Erfindung eine elektrische Ma schine mit einem solchen Rotor sowie ein Herstellungsverfah ren dafür.
Nach dem Stand der Technik werden die supraleitenden Spulen elemente in den Rotoren supraleitender Maschinen typischer weise durch einen Wicklungsträger mechanisch gehalten. Dabei kann es sich prinzipiell entweder um einen radial innenlie genden Wicklungsträger oder um einen radial außenliegenden Wicklungsträger handeln. Bei Verwendung eines radial innen liegenden Wicklungsträgers werden die einzelnen Spulen häufig auf den Wicklungsträger bandagiert. Dabei wird ein Bandagen material (beispielsweise eine Glasfaser) unter Vorspannung um die übrigen Komponenten des Rotors gewickelt und fixiert so die einzelnen Spulen unter Druck auf dem Wicklungsträger .
Eine derartige Vorspannung kann das Risiko einer Delamination innerhalb des supraleitenden Spulenelements wirksam verrin gern. Besonders die Wicklungen aus supraleitenden Bandleitern sind sehr empfindlich gegenüber solchen Delaminationsschäden . Prinzipiell kann dabei eine Delamination entweder innerhalb des Schichtverbundes des Bandleiters selbst (also beispiels weise zwischen einer Supraleiterschicht und einer benachbar ten metallischen Schicht) auftreten oder aber es kann zu einer Delamination zwischen benachbarten Windungen im Wick lungspaket kommen. Mit anderen Worten, es kann zu einem Auf trennen des Wicklungspaketes kommen, wobei die typischerweise durch ein Imprägniermittel miteinander verbundenen benachbar ten Windungen voneinander getrennt werden. Es ist auch mög lich, dass beide Effekte gleichzeitig auftreten. In all die sen Fällen kann es als Folge der Delamination zur Reduktion der Stromtragfähigkeit der supraleitenden Spule bis hin zum vollständigen Verlust der supraleitenden Eigenschaften kom men. Es ist also generell wünschenswert, die Gefahr solcher Delamination durch eine Vor-Kompression der supraleitenden Spulen zu verringern. Dieser Aspekt ist besonders wichtig bei sehr schnell drehenden elektrischen Maschinen und/oder bei Maschinen mit sehr hoher Nennleistung beziehungsweise sehr hoher Leistungsdichte. Bei solchen Maschinen sind die mecha nischen Belastungen der supraleitenden Spulenelemente durch Fliehkräfte, elektromagnetische Kräfte, durch Fluiddrücke und/oder auch durch thermische Effekte besonders hoch. Meis tens entsteht die resultierende mechanische Belastung der supraleitenden Wicklung und der einzelnen supraleitenden Lei ter durch eine Kombination von mehreren der genannten Effek te .
Ein radial außenliegender Wicklungsträger kann beispielsweise wie in der DE102016217734A1 beschrieben, als übergeordneter zylindrischer Hohlkörper ausgebildet sein und eine Mehrzahl von über den Umfang verteilten Aussparungen aufweisen, in die die einzelnen supraleitenden Spulenelemente dann von radial innen aus eingebettet werden. Eine derartige Ausgestaltung bringt den Vorteil mit sich, dass ein innenliegender Hohlraum für ein fluides Kühlmittel zur Verfügung steht, welches die eingebetteten supraleitenden Spulenelemente auf eine kryogene Betriebstemperatur kühlen kann. Ein solcher aus dem Stand der Technik bekannter außenliegender Wicklungsträger kann bei spielsweise aus Aluminium oder einem anderen Material mit ho hen thermischen Ausdehnungskoeffizienten gebildet sein, so- dass beim Abkühlen auf eine kryogene Betriebstemperatur eine Kompression der supraleitenden Wicklung erreicht wird, weil beim Abkühlen der Wicklungsträger auf das Spulenelement auf geschrumpft. Es entsteht dadurch wiederum ein Vorspannungszu stand, bei dem vorwiegend Druckspannungen auf den supralei tenden Leiter wirken. Diese Leiter sind allgemein gegenüber Druckspannungen weniger empfindlich als gegenüber Zugspannun gen, da Zugspannungen leichter zu einer Delamination des sup raleitenden Materials von einem darunterliegenden Träger füh- ren können und Druckspannungen der Delamination entgegenwir ken .
Problematisch bei der Auslegung eines Wicklungsträgers mit starkem thermischen Schrumpf ist jedoch, dass die verfügbaren Materialien mit hohen thermischen Expansionskoeffizienten häufig nicht die übrigen Anforderungen erfüllen, die an die mechanische Tragestruktur des Rotors gestellt werden, nämlich eine hohe Festigkeit und hohe Steifigkeit, insbesondere bei kryogenen Temperaturen, und gleichzeitig eine Kompatibilität mit dem verwendeten Kühlmittel - häufig mit flüssigem Wasser stoff. Diese verschiedenen Materialanforderungen sind häufig nicht gleichzeitig im geforderten Maße zu erreichen, sodass der außenliegende Wicklungsträger alleine die mechanischen Anforderungen insbesondere bei sehr hohen Drehzahlen nicht ohne weiteres erfüllen kann. Daher ist es nach dem Stand der Technik für die Kompatibilität mit sehr hohen Fliehkräften nötig, dass ein solcher außenliegender Wicklungsträger, der beispielsweise aus Aluminium gefertigt ist, zusätzlich mit einer vorgespannten Bandage umwickelt wird. Umgekehrt ist es so, dass wenn für den außenliegenden Wicklungsträger ein Ma terial verwendet wird, welches auch für sehr hohe mechanische Belastungen und in der kryogenen Umgebung die nötige Steifig keit und Festigkeit aufweist, dass dann meist nicht gleich zeitig das oben beschriebene Aufschrumpfen des Wicklungsträ- gers auf die Spulenwicklung in dem gewünschten Maß erreicht werden kann.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Rotor für eine elektrische Maschine anzugeben, welcher die genannten Nach teile überwindet. Insbesondere soll ein Rotor zur Verfügung gestellt werden, dessen Tragstruktur eine sehr hohe Steifig keit und Festigkeit für hohe Drehzahlen aufweist (insbesonde re in einer kryogenen Umgebung) und bei welchem gleichzeitig die vorhandenen supraleitenden Spulenelemente vor Delamina- tionseffekten geschützt sind. Gleichzeitig sollte der Rotor möglichst leicht zu fertigen sein und/oder mit möglichst ge ringer Masse ausgestaltet werden können. Auch eine hohe Druckfestigkeit (für einen hohen Betriebsdruck des fluiden Kühlmittels) ist wünschenswert. Weitere Aufgaben der Erfin dung sind es, eine Maschine mit einem derartigen Rotor sowie ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Rotors anzuge ben .
Diese Aufgaben werden durch den in Anspruch 1 beschriebenen Rotor, die in Anspruch 14 beschriebene elektrische Maschine und das in Anspruch 15 beschriebene Herstellungsverfahren ge löst.
Der erfindungsgemäße Rotor ist als Rotor für eine elektrische Maschine ausgelegt. Er weist eine zentrale Rotorachse A auf, um die der Rotor insbesondere drehbar gelagert sein kann. Der Rotor umfasst wenigstens ein supraleitendes Spulenelement mit einer ringförmig geschlossenen Grundstruktur und einem recht eckförmigen Wicklungsquerschnitt, durch welchen vier umlau fende Flächen des Spulenelements definiert sind. Ferner um fasst der Rotor wenigstens einen Spulenbehälter, welcher dem Spulenelement zugeordnet ist und welcher dieses zumindest auf drei seiner vier umlaufenden Flächen mantelartig umschließt. Weiterhin umfasst der Rotor wenigstens einen Wicklungsträger, der den wenigstens einen Spulenbehälter mechanisch trägt und zumindest auf einer bezüglich der Rotorachse A radial außen liegenden Seite des Spulenbehälters mechanisch mit diesem verbunden ist. Dabei ist der Spulenbehälter so ausgestaltet, dass er bei einer Abkühlung von Raumtemperatur auf eine kryo gene Betriebstemperatur des supraleitenden Spulenelements einen höheren thermischen Schrumpf aufweist als das davon um schlossene Spulenelement als Ganzes.
Bei diesem Rotor ist also durch den Wicklungsträger eine ra dial außenliegende Tragestruktur gegeben, da der Wicklungs träger den Spulenbehälter - und somit auch das darin angeord nete Spulenelement - auf dessen radial außenliegender Seite mechanisch trägt. Der Begriff „radial außenliegend" bezieht sich hier auf eine radiale Position bezüglich der zentralen Rotorachse A und nicht etwa auf eine radiale Position bezüg- lieh einer lokalen Wicklungsachse eines ausgewählten Spulen elements .
Unter einem Spulenelement kann im vorliegenden Zusammenhang entweder eine Einzelspule oder aber auch eine Anordnung aus mehreren zusammengefügten Einzelspulen verstanden werden (beispielsweise ein Stapel aus mehreren Einzelspulen). In je dem Fall weist ein solches Spulenelement eine ringförmig ge schlossene Grundstruktur auf. Der Querschnitt an einer belie bigen Umfangsposition dieser Ringstruktur soll dabei recht eckförmig sein. Durch die vier Seitenflächen dieser Rechteck form sind in der dreidimensionalen Struktur des Spulenele ments vier Begrenzungsflächen definiert, welche ebenfalls je weils ringförmig umlaufen sind. Insbesondere können dabei Größe und Form des Wicklungsquerschnitts über den gesamten Umfang des Spulenelements im Wesentlichen konstant sein.
Wesentlich im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung ist, dass im relevanten Temperaturbereich (also im Bereich zwischen Raumtemperatur und einer kryogenen Betriebstempera tur des Supraleiters) der thermische Schrumpf bei Abkühlung für den Spulenbehälter größer ist als für das davon umschlos sene Spulenelement. Dabei soll das Spulenelement als Ganzes betrachtet werden. Mit anderen Worten soll bei einem Aufbau des Spulenelements aus mehreren unterschiedlichen Materialien der effektive Schrumpf des gesamten übergeordneten Elements betrachtet werden. Der thermische Ausdehnungskoeffizient des Materials des Spulenbehälters ist also im relevanten Tempera turbereich größer als der effektive thermische Ausdehnungsko effizienten für das gesamte Spulenelement. Durch den ver gleichsweise höheren thermischen Schrumpf des Spulenbehälters wird erreicht, dass dieser bei einer Abkühlung auf eine kryo gene Betriebstemperatur auf das darin eingelegte Spulenele ment aufschrumpft und dieses somit durch Druck von außen kom primiert. Dies dient dazu, wie weiter oben beschrieben, das Risiko einer Delamination innerhalb des Spulenelements zu verringern . Wesentlich ist weiterhin, dass das beschriebene Aufschrumpfen nicht durch die Wahl des Materials für den Wicklungsträger, sondern durch die Wahl des Materials für den zusätzlichen Spulenbehälter erreicht wird. So kann der Wicklungsträger, welcher die wesentliche Tragestruktur des gesamten Rotors bildet, aus einem Material mit vergleichsweise geringerem thermischen Schrumpf ausgebildet werden, welches dafür besser an die mechanischen Anforderungen des Wicklungsträgers ange passt ist. So kann insbesondere der Wicklungsträger aus einem Material gebildet sein, welches einen geringeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten als der Spulenbehälter aufweist, da für jedoch eine höhere Festigkeit und/oder Steifigkeit, ins besondere bei kryogener Temperatur. Unter einer kryogenen Temperatur soll im vorliegenden Zusammenhang insbesondere eine Temperatur verstanden werden, bei der das Spulenelement supraleitend ist.
Der Kerngedanke der vorliegenden Erfindung besteht also da rin, die Funktionalität des Aufschrumpfens auf das Spulenele ment und die Funktionalität der übergeordneten Tragestruktur auf zwei separate Elemente - nämlich den Spulenbehälter und den Wicklungsträger - aufzuteilen und somit eine optimierte Materialwahl für jedes dieser beiden Elemente zu ermöglichen. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass durch die Wahl eines besonders stark thermisch schrumpfenden Materials für den Spulenbehälter eine starke Kompression erzielt werden kann und dass gleichzeitig durch die Wahl eines anderen Materials für den Wicklungsträger eine sehr hohe mechanische Festigkeit für den Rotor als Ganzes erzielt werden kann.
Die erfindungsgemäße elektrische Maschine weist einen erfin dungsgemäßen Rotor und einen feststehend angeordneten Stator auf. Die Vorteile der erfindungsgemäßen Maschine ergeben sich analog zu den beschriebenen Vorteilen des erfindungsgemäßen Rotors . Das erfindungsgemäße Verfahren dient zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Rotors. Das Verfahren weist zumindest die folgenden Schritte auf:
a) Herstellung eines eigenstabilen Spulenelements als vorge fertigtes Bauteil
b) anschließendes Einlegen des Spulenelements in den Spulen behälter sowie
c) mechanische Verbindung des Spulenbehälters mit dem Wick lungsträger .
Durch dieses Verfahren kann auf einfache Weise ein erfin dungsgemäßer Rotor mit den weiter oben beschriebenen Vortei len zur Verfügung gestellt werden. Insbesondere ist die Her stellung dadurch besonders einfach, dass die Herstellung des Spulenelements in Schritt a) entkoppelt ist von dem Schritt b) , bei dem das Spulenelement mit dem Spulenbehälter kombi niert wird. Auch der Spulenbehälter und der Wicklungsträger werden zunächst separat zur Verfügung gestellt und erst in Schritt c) nachträglich miteinander kombiniert. Dabei kann Schritt c) prinzipiell entweder vor oder nach Schritt b) er folgen. Wesentlich ist nur, dass Spulenelement, Spulenbehäl ter und Wicklungsträger als einzelne Bauteile separat von einander hergestellt und zur Verfügung gestellt werden.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfin dung gehen aus den von den Ansprüchen 1 abhängigen Ansprüchen sowie der folgenden Beschreibung hervor. Dabei können die be schriebenen Ausgestaltungen des Rotors, der elektrischen Ma schine und des Herstellungsverfahrens allgemein vorteilhaft miteinander kombiniert werden.
Bevorzugt ist der Spulenbehälter aus einem Material gebildet, welches einen thermischen Längenausdehnungskoeffizienten a von wenigstens 16 x IO-6 1/K aufweist. Bei einer derartigen Ausführungsform wird erreicht, dass der thermische Schrumpf des Spulenbehälters deutlich größer ist als der effektive Schrumpf des gesamten darin eingelegten Spulenelements, wenn typische Materialien für ein solches supraleitendes Spulen- element verwendet werden. Bei den wesentlichen Materialien in dem supraleitenden Spulenelement handelt es sich insbesondere um die Materialien des supraleitenden Bandleiters und des verwendeten Imprägniermittels. Bei dem Bandleiter ist vor al lem das Material des bandförmigen Substrats (häufig eine Ni ckel-Wolfram-Legierung oder auch ein Stahl oder eine Legie rung wie z.B. Hastelloy) aufgrund des hohen relativen Volu menanteils besonders ausschlaggebend für den insgesamt vor liegenden thermischen Schrumpf. Im Vergleich zu diesen metal lischen Materialien und auch zu den typischerweise verwende ten Imprägniermittel kann durch ein Behältermaterial mit dem oben genannten thermischen Expansionskoeffizienten ein deut licher Kompressionseffekt erreicht werden. Besonders vorteil haft liegt a sogar bei wenigstens 19 x IO-6 1/K oder sogar bei wenigstens 22 x IO-6 1/K. Allgemein sollen die genannten Werte für die Expansionskoeffizienten für den relevanten Tem peraturbereich (also den Bereich zwischen Raumtemperatur und der kryogenen Betriebstemperatur) gelten. Der gesamte relati ve Schrumpf, der bei einer Abkühlung von Raumtemperatur auf die kryogene Betriebstemperatur im Spulenbehälter stattfin det, kann beispielsweise bei wenigstens 0,3% und insbesondere bei wenigstens 0,35% oder sogar wenigstens 0,4% liegen.
Besonders vorteilhaft ist der thermische Expansionskoeffi zient des Wicklungsträgers kleiner als der thermische Expan sionskoeffizient des Spulenbehälters. Bei dieser Ausführungs form wird also der beschriebene Aufschrumpfeffekt auf das eingebettete Spulenelement im Wesentlichen nicht durch den Wicklungsträger, sondern durch den Spulenbehälter bewirkt.
Der Vorteil dieser Trennung ist, dass für den Wicklungsträger andere (nämlich thermisch weniger stark schrumpfende) Materi alien gewählt werden können, welche in Bezug auf die Festig keit und Steifigkeit bei kryogenen Temperaturen bessere
Eigenschaften aufweisen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Material des Spulenbehälters Aluminium und/oder Magnesium. Beispiels weise kann der Spulenbehälter aus einem der beiden genannten Metalle oder alternativ aus einer Legierung mit wenigstens einem der beiden Metalle bestehen. Bei einer solchen Legie rung kann Aluminium und/oder Magnesium entweder als Hauptbe standteil oder als Nebenbestandteil vorliegen. Unabhängig von der genauen Ausgestaltung gilt, dass durch den Einsatz von Aluminium und/oder Magnesium im Material des Spulenbehälters ein relativ großer thermischer Ausdehnungskoeffizient er reicht werden kann und somit ein vergleichsweise starkes Auf schrumpfen des Spulenbehälters auf das Spulenelement.
Der Spulenbehälter kann allgemein bevorzugt eine vergleichs weise geringe Wandstärke aufweisen. Beispielsweise kann die Wandstärke des Spulenbehälters (bei uneinheitlicher Wandstär ke diejenige an der dicksten Stelle) geringer dimensioniert sein als die Wandstärke des Wicklungsträgers (bei uneinheit licher Wandstärke soll hier diejenige an der dünnsten Stelle gelten) . Durch die Wahl einer geringen Wandstärke für den Spulenbehälter kann allgemein erreicht werden, dass zwar ein Aufschrumpfen des Spulenbehälters auf das Spulenelement stattfindet, dass jedoch die geforderten mechanisch tragenden Eigenschaften (also die Funktion eines übergeordneten Trag körpers für den Rotor) nicht so sehr durch den Spulenbehäl ter, sondern vielmehr hauptsächlich durch den Wicklungsträger erfüllt werden.
Gemäß einer weiteren allgemein bevorzugten Ausführungsform weist der Rotor wenigstens einen innenliegenden Hohlraum auf, in dem ein fluides Kühlmittel zirkulierbar ist. Ein solches Kühlmittel kann beispielsweise durch den Hohlraum im Inneren des Rotors zu den Spulenelementen fließen, diese durch ther mischen Kontakt abkühlen, danach zu einem Kaltkopf außerhalb des Rotors fließen und dort rückgekühlt werden und wiederum in den Hohlräumen des Rotors eingespeist werden, sodass ins gesamt ein geschlossener Kühlkreislauf gebildet wird. Ein solches Kühlsystem ist besonders effektiv, um die supralei tenden Spulenelemente auf eine kryogene Temperatur unterhalb der Sprungtemperatur des verwendeten Supraleitermaterials zu kühlen. Besonders bevorzugt ist der innenliegende Hohlraum so ausgelegt, dass das wenigstens eine Spulenelement auf seiner radial innenliegenden Seite in thermischen Kontakt mit dem Kühlmittel treten kann. Ganz besonders bevorzugt ist es, wenn das Spulenelement auf seiner (bezüglich A) radial innenlie genden Seite derart offen liegt, dass es in direkten Kontakt mit dem Kühlmittel treten kann. Dabei kann bevorzugt entweder der supraleitende Leiter selbst oder aber eine den Leiter um gebende elektrische Isolations-, Imprägnierungs- und/oder Schutzschicht des Spulenelements so in direktem Kontakt mit dem Kühlmittel stehen, dass das Spulenelement die im Betrieb entstehende Wärme an das Kühlmittel abführen kann. Mit ande ren Worten kann das Spulenelement auf seiner radial innenlie genden Seite zumindest teilweise frei liegen (also nicht vom Spulenbehälter und/oder vom Wicklungsträger abgedeckt sein), sodass es vom fluiden Kühlmittel angeströmt werden kann.
Das fluide Kühlmittel des Rotors kann besonders vorteilhaft Wasserstoff sein. Wasserstoff ist deshalb besonders geeignet, weil es einerseits einen ausreichend niedrigen Siedepunkt aufweist, um im flüssigen Zustand als kryogenes Kühlmittel zu wirken. Andererseits weist es eine geringe Dichte auf, was sich günstig auf das Gesamtgewicht des Rotors inklusive Kühl mittel auswirkt. Ein solches Kühlmittel mit geringer Dichte ist auch besonders geeignet, um Rotoren für schnelldrehende Maschinen mit großen Durchmessern zur Verfügung stellen zu können. Durch die geringe Dichte ist auch die durch den hydrostatischen Druck entstehende Siedepunktverschiebung klein .
Alternativ zur genannten Ausführungsform mit Wasserstoff kön nen als Kühlmittel aber auch andere Flüssigkeiten oder auch Gase zum Einsatz kommen. Weitere vorteilhafte kryogene Kühl mittel sind flüssiges Helium, flüssiges Neon, flüssiger
Stickstoff, flüssiger Sauerstoff und/oder flüssiges Methan. Dabei kann bei Verwendung all dieser kryogenen Kühlmittel prinzipiell die flüssige Form neben der Gasform vorliegen, und es kann durch ein Verdampfen der Flüssigkeit im Bereich der zu kühlenden Komponenten eine zusätzliche Kühlwirkung er- reicht werden. So ist es möglich, dass das kryogene Kühlmit tel im Inneren des Rotors insbesondere nach dem Thermosiphon- Prinzip und/oder nach Art eines Wärmerohrs zirkuliert.
Allgemein bevorzugt kann der Wicklungsträger aus einem Mate rial gebildet sein, welches eine Nickelbasislegierung
und/oder einen Faserverbundwerkstoff umfasst. Eine Nickelba sislegierung (beispielsweise eine der Legierungen, die unter dem Namen Inconel vertrieben werden) eignet sich besonders, um bei kryogenen Temperaturen eine hohe Festigkeit und eine hohe Steifigkeit des Wicklungsträgers zu erzielen. Außerdem sind solche Nickelbasislegierungen kompatibel mit dem Einsatz in einer wasserstoffhaltigen Umgebung. Bei Einsatzfällen, bei denen keine Kompatibilität mit flüssigem Wasserstoff gefor dert ist (also bei Einsatz anderer Kühlmittel) können jedoch bevorzugt auch Titan oder titanhaltige Legierungen und/oder Faserverbundwerkstoffe als bevorzugte Materialien für den Wicklungsträger zum Einsatz kommen. Mit solchen Materialien und insbesondere mit Kohlefaserverbundwerkstoffen können ebenfalls hohe Festigkeiten und Steifigkeiten bei kryogene Temperaturen erreicht werden. Gleichzeitig ist die Dichte solcher Materialien vorteilhaft niedrig.
Allgemein bevorzugt kann der Spulenbehälter das Spulenelement auf genau drei seiner vier umlaufenden Flächen mantelartig umschließen. Dies ist deswegen besonders vorteilhaft, weil dann der Spulenbehälter eine offene Seite aufweist, über die das Spulenelement in den Spulenbehälter eingelegt werden kann. Es ist besonders bevorzugt, wenn diese offene Seite des Spulenbehälters auch im endgültigen Betrieb offen bleibt, da dann auf dieser offenen Seite ein direkter Kontakt des Spu lenelements mit einem anströmenden Kühlmittel ermöglicht wer den kann. Ein dreiseitiges Umschließen des Spulenelements mit einem Spulenbehälter aus einem thermisch stärker schrumpfen den Material reicht insbesondere aus, um einen vor Delamina- tion schützenden Kompressionseffekt zu erzielen. Es ist hier für nicht nötig, dass das Spulenelement auf allen vier Außen flächen von dem Spulenbehälter umgeben wird. Es soll aller- dings im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung nicht grundsätzlich ausgeschlossen werden, dass auch die vierte Seite (insbesondere nachträglich, also nach einem Einlegen des Spulenelements in den Spulenbehälter) ebenfalls abgedeckt wird. Hierzu kann beispielsweise ein Deckel zum Einsatz kom men, welcher aus demselben Material gebildet ist wie der restliche Spulenbehälter und mit diesem nach der Montage fest verbunden wird. Auf diese Weise kann sogar ein insgesamt noch stärkerer Kompressionseffekt durch den Spulenbehälter er reicht werden. Alternativ oder zusätzlich kann durch Vorsehen eines solchen Deckels erreicht werden, dass ein Herausfallen des Spulenelements aus dem Spulenbehälter verhindert wird - insbesondere bei einem Stillstand des Rotors, also wenn keine Zentrifugalkräfte auftreten.
Bei Verwendung eines nur dreiseitig umschließenden Spulenbe hälters kann es besonders vorteilhaft sein, wenn die drei vom Spulenbehälter umschlossenen Flächen des Spulenelements die folgenden Flächen sind:
- eine erste Spulenfläche, welche bezüglich einer lokalen
Wicklungsachse a des Spulenelements nach radial innen ori entiert ist,
- eine zweite Spulenfläche, welche bezüglich der übergeordne ten zentralen Rotorachse A nach radial außen orientiert ist und
- eine dritte Spulenfläche, welche bezüglich der lokalen
Wicklungsachse a des Spulenelements nach radial außen ori entiert ist.
Bei dieser Ausführungsform liegt also eine bezüglich der übergeordneten zentralen Rotorachse A radial innenliegende Oberfläche des Spulenelements offen, sodass das Spulenelement von dieser Seite von einem fluiden Kühlmittel angeströmt wer den kann. Dies ist besonders vorteilhaft, weil so das Kühl mittel durch Zentrifugalkräfte bei einer Drehung des Rotors besonders leicht zum Spulenelement hin transportiert werden kann. Weiterhin ist eine mechanische Stützung von dieser ins gesamt radial innenliegenden Seite nicht nötig, da aufgrund der hohen auf das Spulenelement wirkenden Zentrifugalkräfte eine Abstützung nach radial außen hin wesentlich wichtiger ist als eine Abstützung nach radial innen hin.
Gemäß einer alternativen bevorzugten Ausführungsform können aber auch die drei vom Spulenbehälter umschlossenen Flächen des Spulenelements die folgenden Flächen sein:
- eine zweite Spulenfläche, welche bezüglich der zentralen Rotorachse A nach radial außen orientiert ist und
- eine dritte Spulenfläche, welche bezüglich der Wicklungs achse a des Spulenelements nach radial außen orientiert ist und
- eine vierte Spulenfläche, welche bezüglich der zentralen Rotorachse A nach radial innen orientiert ist.
Ein Vorteil dieser alternativen Ausführungsform ist, dass hierbei der Spulenbehälter als eine Art Klammer um das Spu lenelement liegt, welche bezogen auf die lokale Wicklungsach se der Spule insgesamt von radial außen komprimiert. Von die ser Richtung aus kann für die ringförmige Spulenwicklung bei gleicher Wahl von Material und Wandstärke des Spulenbehälters ein größerer Kompressionseffekt erreicht werden als bei ande ren dreiseitig umschließenden Geometrien.
Allgemein kann es im Zusammenhang mit den beiden beschriebe nen dreiseitig umschließenden Geometrien vorteilhaft sein, wenn der Wicklungsträger auf den beiden Seiten mit dem Spu lenbehälter in mechanischer Verbindung ist, welche der ersten und der zweiten Spulenflächen entsprechen. Mit anderen Worten ist also der Spulenbehälter auf einer ersten Außenfläche, welche bezüglich der lokalen Wicklungsachse a des Spulenele ments nach radial innen orientiert ist, und auf einer zweiten Außenfläche, welche bezüglich der zentralen Rotorachse A nach radial außen orientiert ist, mechanisch auf dem Wicklungsträ- ger fixiert. Besonders bevorzugt ist es, wenn der Spulenbe hälter ausschließlich über diese beiden beschriebenen Flächen auf dem Wicklungsträger fixiert ist. Der Vorteil dieser Aus führungsform ist, dass durch die Fixierung über die beiden beschriebenen Kontaktflachen eine ausreichend feste mechani sche Halterung des Spulenbehälters und damit des Spulenele ments erreicht werden kann. Der Grund hierfür ist, dass auf das Spulenelement hauptsächlich zum einen nach (bezüglich A) radial außen gerichtete Zentrifugalkräfte wirken und zum an deren in Umfangsrichtung des Rotors ausgerichtete seitliche Zugkräfte wirken. In Bezug auf mechanische Belastungen mit diesen Richtungskomponenten ist das Spulenelement dann aus reichend fixiert. Wenn die dritte Fläche des Spulenbehälters frei bleibt und entsprechend nicht von einem Teil des Wick lungsträgers bedeckt ist, dann kann diese Fläche vorteilhaft zusätzlich von fluidem Kühlmittel angeströmt werden. Dies verbessert die Kühlung des Spulenelements weiter.
Gemäß einer allgemein bevorzugten Ausführungsform ist der Ro tor frei von einer Außenbandage ausgestaltet. Mit anderen Worten soll außen um den Wicklungsträger herum keine zusätz liche Bandagierung aus vorgespanntem bandförmigem Material gewickelt sein. Eine solche zusätzliche Bandagierung ist im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung auch nicht nötig, denn eine Kompression des Spulenelements wird bereits durch den thermischen Schrumpf des Spulenbehälters erreicht und der Wicklungsträger kann ausreichend stabil und steif ausgeführt werden, sodass eine Halterung durch zusätzliche außenliegende Bänder nicht nötig ist. Durch den Verzicht auf eine zusätzli che außenliegende Bandage kann der Aufbau des Rotors gegen über dem Stand der Technik deutlich vereinfacht werden und der Rotor ist somit leichter herzustellen.
Der Rotor kann allgemein bevorzugt eine Mehrzahl von supra leitenden Spulenelementen aufweisen, welche insbesondere un tereinander gleich ausgeführt sind. Zweckmäßig liegt dann auch eine Mehrzahl von insbesondere gleichen Spulenbehältern vor, wobei jedem Spulenelement dann jeweils genau ein Spulen behälter zugeordnet ist, in den das Spulenelement eingebettet ist. Besonders bevorzugt können bei dieser Ausführungsform die einzelnen Spulenelemente und die einzelnen Spulenbehälter gleichmäßig über den Umfang des Rotors verteilt sein. Eine solche gleichmäßig verteilte Anordnung ist besonders bevor zugt, um beispielsweise ein symmetrisches Erregerfeld für eine elektrische Maschine zu erzeugen.
Bei Ausführungsformen mit mehreren Spulenelementen und mehre ren Spulenbehältern ist es allgemein besonders bevorzugt, dass der Rotor nur einen übergeordneten gemeinsamen Wick lungsträger aufweist, welcher sich über den gesamten Umfang des Rotors erstreckt. Dabei ist bevorzugt jedes der Spulen elemente zusammen mit seinem zugeordneten Spulenbehälter auf einem ihm zugeordneten Umfangssegment des gemeinsamen Wick lungsträgers angeordnet. Mit anderen Worten ist die wesentli che Tragestruktur des Rotors dann durch einen einzigen azimu tal umlaufenden und insbesondere einstückigen Wicklungsträger gebildet. Der Wicklungsträger kann die Grundstruktur eines Hohlzylinders aufweisen, wobei radial innenliegend Aussparun gen für die einzelnen Spulenbehälter vorgesehen sein können. Diese Ausführungsform ist besonders vorteilhaft, um auch ohne eine zusätzliche außenliegende Bandage eine hohe mechanische Stabilität, insbesondere gegen Zentrifugalkräfte, zu errei chen. Weiterhin kann durch eine hohlzylindrische Ausgestal tung des Wicklungsträgers und insbesondere durch eine herme tisch abgeschlossene hohlzylindrische Struktur auch eine ver gleichsweise hohe Druckfestigkeit erreicht werden. So kann der Rotor vorteilhaft dazu ausgelegt sein, einem hohen Kühl mitteldruck von beispielsweise wenigstens 6 bar oder sogar 20 bar und insbesondere sogar 40 bar standzuhalten.
Prinzipiell soll es aber im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung nicht ausgeschlossen sein, dass der Wicklungsträger aus einzelnen azimutalen Segmenten nachträglich zusammenge setzt ist.
Das Spulenelement (oder die Mehrzahl von Spulenelementen) kann/können jeweils als Flachspule ausgestaltet sein. Eine solche Flachspule kann die Form eines geraden Zylinders auf weisen. Unter einem geraden Zylinder soll hier nach der all gemeinen geometrischen Definition ein Körper verstanden wer- den, der durch Verschiebung einer ebenen Grundfläche entlang einer zu ihr senkrecht stehenden Gerade entsteht. Die Form ist also nicht auf Zylinder mit kreisförmiger Grundfläche be schränkt. Insbesondere kann die Spulenwicklung eine zylindri sche Spulenwicklung mit einer Grundfläche in Form eines Krei ses, einer Ellipse, eines Ovals, einer Rennbahngeometrie oder eines Rechtecks mit abgerundeten Ecken sein.
Das supraleitende Spulenelement weist bevorzugt ein hochtem peratursupraleitendes Leitermaterial auf. Besonders bevorzugt ist das Spulenelement aus einem hochtemperatursupraleitenden Bandleiter gewickelt. Hochtemperatursupraleiter (HTS) sind supraleitende Materialien mit einer Sprungtemperatur oberhalb von 25 K und bei einigen Materialklassen, beispielsweise den Cuprat-Supraleitern, oberhalb von 77 K, bei denen die Be triebstemperatur durch Kühlung mit anderen kryogenen Materia lien als flüssigem Helium erreicht werden kann. HTS-Materia- lien sind auch deshalb besonders attraktiv, da diese Materia lien abhängig von der Wahl der Betriebstemperatur hohe obere kritische Magnetfelder sowie hohe kritische Stromdichten auf weisen können.
Der Hochtemperatursupraleiter kann beispielsweise Magnesium- diborid oder einen oxidkeramischen Supraleiter, beispielswei se eine Verbindung des Typs REBa2Cu30x (kurz REBCO) aufweisen, wobei RE für ein Element der seltenen Erden oder eine Mi schung solcher Elemente steht.
Das supraleitende Spulenelement kann allgemein in dem Spulen behälter mechanisch fixiert, beispielsweise dort eingeklebt sein. Dabei muss die Verklebung nicht notwendigerweise im ganzen Bereich der Kontaktfläche zwischen Spulenelement und Spulenbehälter ausgebildet sein. Es reicht vielmehr aus, wenn diese beiden Elemente nur in einem Teilbereich ihrer gemein samen Kontaktfläche miteinander verklebt sind.
Alternativ oder zusätzlich kann auch die mechanische Verbin dung zwischen Spulenbehälter und Wicklungsträger durch ein Klebemittel fixiert sein. Es ist jedoch grundsätzlich auch möglich, dass an einer oder an beiden Stellen eine rein me chanische Verbindung durch Formschluss und/oder Kraftschluss , insbesondere durch Einpressen, vorliegt.
Der Rotor kann einen elektrisch leitenden Dämpferschirm um fassen, welcher das wenigstens eine Spulenelement radial umgibt. Ein solcher Dämpferschirm ist vorteilhaft, um die Einkopplung elektromagnetischer Wechselfelder in das wenigs tens eine Spulenelement des Rotors zu reduzieren und so ent sprechende Wechselstromverluste im Rotor zu reduzieren. Ein solcher Dämpferschirm kann insbesondere als elektrisch lei tender zylindrischer Mantel um das wenigstens eine Spulenele ment des Rotors angeordnet sein. Grundsätzlich kann der Dämp ferschirm als zusätzliches Element den Wicklungsträger um schließen oder aber die Funktion des Dämpferschirms kann schon durch einen elektrisch leitenden Wicklungsträger gege ben sein.
Alternativ oder zusätzlich kann der Rotor einen Kryostaten aufweisen, dessen Wand das wenigstens eine Spulenelement ra dial umgibt. Eine solche Kryostatwand ist vorteilhaft, um die innerhalb davon liegenden supraleitenden Elemente des Rotors gegen die wärmere äußere Umgebung zu kapseln und auf eine kryogene Betriebstemperatur des Supraleiters herunter zu küh len. Bei einer solchen Kryostatwand kann es sich entweder um eine einzelne Kryostatwand handeln oder es kann alternativ eine Kombination einer inneren und einer äußeren Kryostatwand vorliegen, wobei zwischen diesen beiden Kryostatwänden vor teilhaft ein Isoliervakuum vorgesehen ist.
Die elektrische Maschine mit dem erfindungsgemäßen Rotor kann vorteilhaft für eine Leistungsdichte von wenigstens 5 kW/kg ausgelegt sein, besonders vorteilhaft kann sie sogar für eine Leistungsdichte von wenigstens 10 kW/kg ausgelegt sein. Bei einer Maschine mit einer derart hohen Leistungsdichte kommen die beschriebenen Vorteile des Rotors besonders zum Tragen. Maschinen mit derart hohen Leistungsdichten sind andererseits eine Grundvoraussetzung für vollelektrisch angetriebene Luft fahrzeuge. Sie sind jedoch auch im Bereich anderer - insbe sondere anderer mobiler - Anwendungen vorteilhaft. Unter der genannten Leistungsdichte soll die Nennleistung der Maschine bezogen auf ihr Gesamtgewicht verstanden werden, also bezogen auf das Gewicht des Stators, Rotors, Gehäuses, Kühlsystems plus eventuell zusätzlich vorliegender Komponenten.
Die Maschine beziehungsweise der Rotor ist bevorzugt für eine Nennleistung von wenigstens 5 MW, insbesondere wenigstens 10 MW, ausgelegt. Mit einer derart hohen Leistung ist sie grundsätzlich für den Antrieb eines Fahrzeugs, insbesondere eines Luftfahrzeugs geeignet. Alternativ kann mit einer der art leistungsstarken Maschine aber auch beim Betrieb als Ge nerator der für den Antrieb benötigte elektrische Strom an Bord des Fahrzeugs erzeugt werden. Grundsätzlich kann die Ma schine entweder als Motor oder als Generator ausgestaltet sein oder optional für beide Betriebsarten ausgelegt sein. Um die beschriebenen hohen Leistungen und/oder Leistungsdichten zu erzielen, sind hochtemperatursupraleitende Spulenelemente besonders geeignet, da sie besonders hohe Stromdichten erlau ben .
Die Maschine beziehungsweise der Rotor kann bevorzugt für eine Drehzahl des Rotors von wenigstens 1000 Umdrehungen pro Minute, insbesondere sogar für wenigstens 3000 Umdrehungen pro Minute, ausgelegt sein. Durch die beschriebene Ausführung des Rotors mit vergleichsweise geringer Dichte können derart hohe Drehzahlen besonders gut realisiert werden. Mit herkömm lichen Rotoren können sie bei einer für die genannten Leis tungsbereiche benötigten Größe zum Teil gar nicht erreicht werden. Die für die beschriebenen Anwendungen vorteilhaften Leistungsdichten können andererseits mit langsamer drehenden Maschinen unter Umständen gar nicht erreicht werden.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand einiger bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die angehängten Zeichnungen beschrieben, in denen: Figur 1 eine schematische Querschnittsdarstellung eines Ro tors nach einem ersten Beispiel der Erfindung zeigt,
Figur 2 einen schematischen Längsschnitt einer Maschine nach einem Beispiel der Erfindung zeigt,
Figur 3 eine schematische Teilansicht des Querschnitts aus
Figur 1 zeigt,
Figur 4 eine schematische perspektivische Darstellung eines
Teils des Wicklungsträgers und eines Spulenbehälters aus Figur 1 zeigt,
Figur 5 eine schematische perspektivische Darstellung eines
Spulenelements und eines Spulenbehälters zeigt,
Figur 6 eine schematische Schnittdarstellung durch ein Spu lenelement zeigt und
Figur 7 eine schematische Teilansicht einer Querschnittsdars tellung eines Rotors nach einem zweiten Beispiel der Erfindung zeigt.
In den Figuren sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Figur 1 zeigt eine schematische Querschnittsdarstellung eines Rotors 1 nach einem ersten Beispiel der Erfindung. Gezeigt ist ein Schnitt senkrecht zur zentralen Rotorachse A, um die der Rotor 1 drehbar gelagert ist. Der Rotor weist in diesem Beispiel acht supraleitende Spulenelemente 3 auf, die gemein sam eine übergeordnete Rotorwicklung bilden. Diese Rotorwick lung ist zur Erzeugung eines achtpoligen elektromagnetischen Feldes ausgelegt. Die einzelnen Spulenelemente 3 werden in diesem Beispiel von einem gemeinsamen hohlzylindrischen Wick lungsträger 5 mechanisch gehalten. Dieser Wicklungsträger 5 stützt alle acht Spulenelemente 3 von einer bezüglich der zentralen Achse A radial außenliegenden Seite. Auf einer be züglich A radial innenliegenden Seite der Spulenelemente 3 grenzen diese an einen Hohlraum 7 an und werden von hier aus durch ein fluides Kühlmittel 9 angeströmt und hierdurch auf eine kryogene Temperatur gekühlt. Durch die mittels des
Pfeils angedeutete Drehung des Rotors verteilt sich das flüs- sige Kühlmittel bei ausreichend hoher Drehzahl über den Um fang des Rotors, wie durch den ringförmigen Flüssigkeitspegel schematisch gezeigt.
Um die Kühlung der supraleitenden Spulenelemente 3 auf eine kryogene Betriebstemperatur zu erleichtern, ist der Wick lungsträger 5 von einem doppelwandigen Kryostaten umgeben, der hier durch eine zylindermantelförmige innere Kryostatwand 15a und eine ebenfalls zylindermantelförmige äußere Kryostat wand 15b wiedergegeben ist. Zwischen diesen beiden Kryostat- wänden ist ein ringförmiger Vakuumraum ausgebildet, sodass der Wicklungsträger 5 und die weiteren radial weiter innen liegenden Komponenten thermisch gegen die äußere Umgebung isoliert sind.
Figur 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel für eine elektrische Maschine 21, welche mit einem Rotor 1 gemäß der vorliegenden Erfindung ausgestattet ist. Gezeigt ist hier ein schemati scher Längsschnitt entlang der Rotationsachse A. Die Maschine weist außerdem einen feststehend angeordneten Stator 23 auf, der den Rotor 1 radial umgibt und der mit dem Maschinengehäu se 27 verbunden ist. Der Rotor 1 ist auf einer Rotorwelle 31 um die Rotationsachse A drehbar gelagert, wobei diese Rotor welle 31 im zentralen Teil des Rotors 1 sowie im rechts dar gestellten Bereich als Hohlwelle 33 ausgeführt ist. Es han delt sich also um eine segmentierte Welle. Die Rotorwelle 31, 33 ist über Lager 29 in den axialen Endbereichen der Maschine drehbar gegen das feststehende Maschinengehäuse 27 abge stützt. Das Drehmoment wird im links dargestellten Teil des Rotors 1 zwischen der Rotorwelle 31 und dem eigentlichen Ro tor 1 übertragen. Hierzu ist zwischen Rotor 1 und Rotorwelle 31 eine Drehmomentübertragungseinrichtung 39 angeordnet, die im gezeigten Beispiel kreiszylinderförmig ausgestaltet ist. Außerdem sind auf dieser Seite des Rotors Stromzuführungen 41 angeordnet, um die Spulenelemente 3 des Rotors 1 mit einem äußeren Stromkreis über Schleifringe 43 zu verbinden. Von der rechts dargestellten Seite des Rotors 1 wird über die Hohl welle 33 fluides Kühlmittel 9 in das Innere des Rotors einge- speist und von hier wieder nach außen geführt. Hierzu weist die Hohlwelle 33 in ihrem Inneren eine Zuleitung 35a und eine Rückleitung 35b. An dem rechts dargestellten Wellenende kön nen diese Leitungen mit einem außerhalb der Welle befindli chen Kühlsystem und hier nicht näher dargestellten zu einem geschlossenen Kühlmittelkreislauf verbunden sein. Diese Lei tungen 35a und 35b sind als Teil eines übergeordneten Kühl mittelrohrs 35 innerhalb der Hohlwelle 33 feststehend ange ordnet und mit dieser durch eine Drehdurchführung 37 verbun den .
Der Rotor 1 der in Figur 2 gezeigten elektrischen Maschine kann beispielsweise ähnlich wie in Figur 1 dargestellt ausge staltet sein. Er kann insbesondere eine Mehrzahl von Spulen elementen 3 aufweisen, die zur Ausbildung eines p-poligen Magnetfelds ausgelegt sind. Diese Spulenelemente 3 sind wie derum über den Umfang des Rotors 1 verteilt und werden von einem außenliegenden Wicklungsträger 5 mechanisch gehalten. Dieser Wicklungsträger ist hier der Übersicht halber nicht näher dargestellt. Im Beispiel der Figur 2 weist das Rotorin nere einen durchgehenden innenliegenden Hohlraum 7 auf, ähn lich wie beim Rotor der Figur 1. Der Wicklungsträger und so mit die Spulenelemente 3 werden an den beiden axialen Endbe reichen des Rotors durch scheibenförmige Stützelemente 40 ge halten .
Die Spulenelemente 3 und damit auch der hier nicht gezeigte Wicklungsträger werden radial von einer inneren Kryostatwand 15a und danach von einer äußeren Kryostatwand 15b umgeben. Dazwischen ist zur thermischen Isolation ein Vakuumraum V vorgesehen, der im Vergleich zum Beispiel der Figur 1 deut lich vergrößert dargestellt ist. Diese Größenverhältnisse sind jedoch nicht maßstabsgetreu, und die Figuren sind inso weit nur schematisch zu verstehen. Außerhalb der äußeren Kryostatwand 15b sind die feststehenden Teile des Stators 23 angeordnet. Insbesondere ist auf dem Stator-Wicklungsträger 25 eine Statorwicklung 24 angeordnet, deren axiale Wicklungs abschnitte in ihren axialen Endbereichen mit Wickelköpfen 24a verbunden sind. Die Statorwicklung 24 tritt beim Betrieb der elektrischen Maschine 21 in elektromagnetische Wechselwirkung mit dem elektromagnetischen Feld des Rotors 1. Diese Wechsel wirkung findet über einen Luftspalt 26 hinweg statt, der ra dial zwischen Rotor 1 und Stator 33 liegt. Die Statorwicklung 24 wird im gezeigten Beispiel von einem amagnetisch ausgebil deten Stator-Wicklungsträger 25 getragen, es handelt sich hier also um eine Luftspaltwicklung ohne Eisenzähne zwischen den Windungen der Wicklung.
In Figur 3 ist eine schematische Teilansicht des Querschnitts des Rotors aus der Figur 1 gezeigt. Gezeigt ist hier ein Aus schnitt der Wicklung, der einem magnetischen Pol entspricht. In Figur 3 ist ein azimutaler Ausschnitt des hohlzylindri schen Wicklungsträgers dargestellt, welcher eines der insge samt acht Spulenelemente 3 trägt. Bei dem Spulenelement 3 handelt es sich um eine ringförmig geschlossene Spulenanord nung, von der in der gezeigten Querschnittsdarstellung beide Spulenschenkel zu sehen sind. Diese Spulenschenkel weisen je weils eine rechteckige Querschnittsform auf. In dieser Figur ist genauer dargestellt, wie das Spulenelement 3 von dem Wicklungsträger 5 mechanisch getragen wird. Dabei ist das Spulenelement 3 nicht im direkten Kontakt mit dem Wicklungs träger 5, sondern es ist zunächst in einen Spulenbehälter 4 eingebettet. Dabei werden drei seiner vier umlaufenden Außen flächen von dem Spulenbehälter 4 umhüllt. Dabei handelt es sich um die folgenden Flächen:
- eine erste Fläche 10a, welche bezüglich der lokalen Wick lungsachse a des Spulenelements radial innen liegt,
- eine zweite Fläche 10b, welche bezüglich der zentralen Ro torachse A radial außen liegt,
- eine dritte Fläche 10c, welche bezüglich der lokalen Wick lungsachse a radial außen liegt.
Das Material des Spulenbehälters 4 ist so gewählt, dass es bei einer Abkühlung von Raumtemperatur auf eine kryogene Be triebstemperatur des Spulenelements 3 stärker schrumpft als das eingelegte Spulenelement 3 als Ganzes betrachtet. Hier- durch ergibt sich bei der Abkühlung auf die Betriebstempera tur eine Kompression des Spulenelements 3. Diese Kompression schützt das eingelegte Spulenelement - und insbesondere den supraleitenden Bandleiter 8, aus dem die Spule gewickelt ist - vor ungewünschten Delaminationseffekten . Wie weiter oben bereits beschrieben, kann eine Delamination grundsätzlich so wohl zwischen den Schichten innerhalb des Bandleiters 8 als auch zwischen den einzelnen übereinanderliegenden Windungen des Spulenelements auftreten. Beide Arten der Delamination werden typischerweise durch mechanische Zugkräfte bewirkt.
Die beschriebene Kompression mittels des Aufschrumpfens des Spulenbehälters 4 dient im Gegensatz dazu, Druckkräfte aufzu bauen und wirkt somit den ungünstigen Zugkräften entgegen.
Als Material des Spulenbehälters 4 kann beispielsweise eine Legierung mit dem Hauptbestandteil Aluminium gewählt sein.
Das Spulenelement 3 ist hier nicht direkt, sondern indirekt über den Spulenbehälter 4 mit dem Wicklungsträger 5 verbun den. Dieser mechanische Kontakt liegt jedoch nicht auf allen drei Außenseiten des Spulenbehälters 4 vor, sondern nur auf den beiden Außenseiten, welche den beiden weiter oben be schriebenen Flächen 10a und 10b des Spulenelements 3 entspre chen. Die erste Außenfläche 10a ist dabei im Kontakt mit einem Stützsteg 6, welcher an die lokale Innenkontur des Spu lenelements 3 angepasst ist. Die zweite Außenfläche 10b ist im Kontakt mit dem hohlzylindrisch ausgebildeten Hauptteil des Wicklungsträgers 5. Im gezeigten Beispiel ist die Wand stärke d2 des Stützstegs deutlich dünner als die (dünnste) Wandstärke d3 der hohlzylindrischen Wand. Diese Wandstärken d2 und d3 sind beide deutlich dicker ausgebildet als die Wandstärke dl des Spulenbehälters 4 (welche im gezeigten Bei spiel homogen ausgebildet ist) . Diese Wahl der Wandstärken ist dadurch bedingt, dass für einen Kompressionseffekt eine vergleichsweise dünne Wandstärke dl des Spulenbehälters aus reicht, während für die mechanisch tragenden Eigenschaften des Wicklungsträgers 5 eine höhere Steifigkeit und Festigkeit nötig ist. Um die geforderte Steifigkeit und Festigkeit des übergeordne ten hohlzylindrischen Wicklungsträgers 5 zu erreichen, ist dieser hier aus einer kaltzähen Legierung ausgebildet, bei spielsweise aus einer Legierung des Typs Inconel. Durch die unterschiedliche Wahl der Materialien für den Spulenbehälter 4 und den Wicklungsträger 5 kann vorteilhaft erreicht werden, dass sowohl ein Kompressionseffekt als auch eine sehr stabile Tragestruktur vorliegen. Dies kann bei vergleichsweise einfa cher Fertigung und/oder vergleichsweise geringem Gesamtge wicht des Rotors erreicht werden.
Figur 4 zeigt eine schematische perspektivische Darstellung für den Ausschnitt des Wicklungsträgers 5, der bereits im Querschnitt in der Figur 3 gezeigt wurde. Ebenfalls gezeigt sind der Spulenbehälter 4 und das darin eingelegte Spulenele ment 3. Das Spulenelement 3 ist hier als zylindrische Flach spule ausgestaltet, welche durch Wickeln von einer Mehrzahl von Windungen eines supraleitenden Bandleiters 8 um eine lo kale Spulenachse a hergestellt wurde. Das Spulenelement 3 weist die Geometrie eines geraden Zylinders auf, wobei als Grundform des Zylinders eine ovale, rennbahnartige Form vor liegt. Der Spulenbehälter 4 ist so ausgebildet, dass er diese rennbahnartige Spulenform auf drei der umlaufenden Seiten wie eine Kassette umhüllt. Seine bezüglich der lokalen Spulenach se a radial innenliegende Fläche schmiegt sich dabei genau an die Kontur des Stützstegs 6 des Wicklungsträgers 5 an. Durch diesen Stützsteg 6 wird der Spulenbehälter 4 mit dem Spulen element 3 gegen die beim Betrieb auftretenden azimutalen Kräfte mechanisch gehalten. Die hohlzylindrische Außenwand des Wicklungsträgers 5 dagegen übernimmt eine Abstützung von Spulenbehälter 4 und Spulenelement 3 gegen die nach radial außen wirkenden Zentrifugalkräfte und weitere in diese Rich tung wirkende Kräfte - beispielsweise elektromagnetische Kräfte und Kräfte durch Fluiddruck.
Wie in Figur 3 besonders gut zu sehen war, liegt das Spulen element 3 auf seiner bezüglich der zentralen Rotorachse A ra dial innenliegenden Seite lOd offen und kann hier von dem fluiden Kühlmittel direkt umspült werden. Auf der dritten Fläche 10c ist das Spulenelement 3 zwar von dem Spulenbehäl ter 4 umgeben, nicht jedoch vom Wicklungsträger 5. Da der Spulenbehälter 4 vergleichsweise dünn ausgebildet ist, kann über diese Wand ebenfalls eine relativ effektive Kühlung mit tels anströmenden Kühlmittels 9 erreicht werden.
In Figur 5 ist in vereinfachter perspektivischer Form darge stellt, wie ein Spulenelement 3 in einen Spulenbehälter 4 eingelegt werden kann. Die Herstellung des Rotors ist hier dadurch besonders einfach, dass das Spulenelement als vorge fertigtes Bauteil gebildet werden kann und dann als freitra gendes Ganzes nachträglich in den Spulenbehälter 4 eingelegt wird. Dieser Spulenbehälter 4 kann entweder nach seiner Ver bindung mit dem Spulenelement 3 oder alternativ auch bereits vorher mit dem Wicklungsträger 5 verbunden werden.
Zum besseren Verständnis ist in Figur 6 noch einmal über sichtlicher gezeigt, wie die vier beschriebenen Spulenflächen 10a bis lOd (also die Außenseiten des rechteckigen Quer schnittprofils der beiden Spulenschenkel) definiert sind. Die Orientierung des hier gezeigten Spulenelements 3 entspricht dabei in etwa der Orientierung des Spulenelements aus der Fi gur 4 und Figur 5. Mit anderen Worten handelt es sich um ein geodätisch untenliegendes Spulenelement, und die hier nicht dargestellte zentrale Rotationsachse A soll oberhalb des ge zeigten Ausschnitts liegen.
In Figur 7 ist eine schematische Teilansicht einer Quer- schnittsdarstellung eines Rotors 1 nach einem zweiten Bei spiel der Erfindung zeigt. Der gezeigte Ausschnitt entspricht wiederum dem Ausschnitt der Figur 3, der für das erste Aus führungsbeispiel gewählt worden war. Der übrige Aufbau des Rotors 1 sowie einer daraus aus aufgebauten elektrischen Ma schine 21 soll analog sein wie beim ersten Ausführungsbei spiel. Der wesentliche Unterschied besteht beim zweiten Aus führungsbeispiel darin, dass das Spulenelement 3 auf unter schiedlichen Seiten in den Spulenbehälter 4 eingebettet ist. In diesem Beispiel sind die Kontaktflachen zwischen Spulen element 3 und Spulenbehälter 4 die Flächen 10b, 10c und lOd (wobei dieselbe Nomenklatur verwendet wird wie weiter oben) . Im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel findet hier al so ein thermischer Kontakt zwischen Spulenelement 3 und flui dem Kühlmittel hier nur indirekt über die beiden Seiten 10c und lOd des Spulenbehälters 4 statt. Durch dessen dünne Wand stärke kann dies jedoch in Kauf genommen werden. Auf der Sei te 10a ist das Spulenelement 3 hier in direkten Kontakt mit dem Stützsteg 6 des Wicklungsträgers 5. Bei dieser Art des Aufbaus kann durch die symmetrischere Einbettung des Spulen elements 3 in den Spulenbehälter 4 eine noch bessere Kompres sion und somit eine wirksamere Vermeidung von Delaminations- effekten erzielt werden. Die Herstellung ist jedoch im Ver gleich zum ersten Ausführungsbeispiel etwas aufwendiger, da ein Einführen des vorgefertigten Spulenelements 3 (ähnlich wie in Figur 5) nur dann möglich ist, wenn eine der beiden Außenwände des Spulenbehälters (also entweder die Wand ent sprechend Fläche 10b oder Fläche 10c) erst nachträglich mit den beiden anderen Außenwänden verbunden wird - die Kassette also erst nachträglich geschlossen wird.
Die gezeigten Ausführungsformen sind nur beispielhaft zu ver stehen, und es sind zahlreiche andere Varianten denkbar, bei denen durch unterschiedliche geometrische Ausgestaltungen von Spulenbehälter 4 und Wicklungsträger 5 gleichzeitig die Ef fekte der Kompression, der stabilen mechanischen Halterung und insbesondere auch einer effizienten Kühlung durch flüssi ges Kühlmittel erzielt werden. Bezugszeichenliste
1 Rotor
3 Spulenelement
4 Spulenbehälter
5 Wicklungsträger
6 Stützsteg
7 innenliegender Hohlraum
8 Bandleiter
9 fluides Kühlmittel
10a erste Fläche des Spulenelements
10b zweite Fläche des Spulenelements
10c dritte Fläche des Spulenelements lOd vierte Fläche des Spulenelements
15a innere Kryostatwand
15b äußere Kryostatwand
21 elektrische Maschine
23 Stator
24 Statorwicklung
24a Wicklungskopf
25 Stator-Wicklungsträger
26 Luftspalt
27 Maschinengehäuse
29 Lager
31 Rotorwelle
33 Hohlwelle
35 Kühlmittelrohr
35a Zuleitung
35b Rückleitung
37 Drehdurchführung
39 Drehmomentübertragungseinrichtung
40 scheibenförmige Stützelemente
41 Stromzuführung
43 Schleifring
A zentrale Rotorachse
a lokale Wicklungsachse
dl Wandstärke des Spulenbehälters d2 Wandstärke des Stützstegs d3 Wandstärke des Wicklungsträgers
V Vakuumraum

Claims

Patentansprüche
1. Rotor (1) für eine elektrische Maschine (21) mit einer zentralen Rotorachse (A) , umfassend
- wenigstens ein supraleitendes Spulenelement (3) mit einer ringförmig geschlossenen Grundstruktur und einem recht eckförmigen Wicklungsquerschnitt, durch welchen vier um laufende Flächen ( 10a, 1 Ob, 10c, 1 Od) des Spulenelements de finiert sind,
- wenigstens einen Spulenbehälter (4), welcher dem Spulen element (3) zugeordnet ist und welcher dieses zumindest auf drei seiner vier umlaufenden Flächen mantelartig um schließt,
- wenigstens einen Wicklungsträger (5) , der den wenigstens einen Spulenbehälter (4) mechanisch trägt und zumindest auf einer bezüglich der Rotorachse radial außenliegenden Seite des Spulenbehälters (4) mechanisch mit diesem ver bunden ist,
- wobei der Spulenbehälter (4) bei einer Abkühlung von
Raumtemperatur auf eine kryogene Betriebstemperatur des supraleitenden Spulenelements (3) einen höheren thermi schen Schrumpf aufweist als das davon umschlossene Spu lenelement (3) .
2. Rotor (1) nach Anspruch 1, bei welchem der Spulenbehälter
(4) aus einem Material gebildet ist, welches einen thermi schen Längenausdehnungskoeffizienten a von wenigstens
16 x IO-6 1/K aufweist.
3. Rotor (1) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei welchem das Material des Spulenbehälters (4) Aluminium und/oder Mag nesium umfasst.
4. Rotor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem der Spulenbehälter (4) eine Wandstärke (dl) aufweist, welche geringer ist als die Wandstärke des Wicklungsträgers
(5) .
5. Rotor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welcher wenigstens einen innenliegenden Hohlraum (7) aufweist, in dem ein fluides Kühlmittel (9) zirkulierbar ist.
6. Rotor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem der Wicklungsträger (5) aus einem Material gebildet ist, welches eine Nickelbasislegierung und/oder einen Faser verbundwerkstoff und/oder Titan und/oder eine Titanlegierung umfasst .
7. Rotor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem der Spulenbehälter (4) das Spulenelement (3) auf ge nau drei seiner vier umlaufenden Flächen mantelartig um schließt .
8. Rotor (1) nach Anspruch 7, bei welchem die drei vom Spu lenbehälter (4) umschlossenen Flächen des Spulenelements (3) die folgenden Flächen sind:
- eine erste Spulenfläche (10a), welche bezüglich einer loka len Wicklungsachse (a) des Spulenelements nach radial innen orientiert ist,
- eine zweite Spulenfläche (10b), welche bezüglich der zent ralen Rotorachse nach radial außen orientiert ist und
- eine dritte Spulenfläche (10c), welche bezüglich der loka len Wicklungsachse (a) des Spulenelements nach radial außen orientiert ist.
9. Rotor (1) nach Anspruch 7, bei welchem die drei vom Spu lenbehälter (4) umschlossenen Flächen des Spulenelements (3) die folgenden Flächen sind:
- eine zweite Spulenfläche (10b), welche bezüglich der zent ralen Rotorachse (A) nach radial außen orientiert ist und
- eine dritte Spulenfläche (10c), welche bezüglich der loka len Wicklungsachse (a) des Spulenelements (3) nach radial außen orientiert ist und
- eine vierte Spulenfläche (lOd), welche bezüglich der zent ralen Rotorachse (A) nach radial innen orientiert ist.
10. Rotor (1) nach einem der Ansprüche 8 oder 9, bei welchem der Wicklungsträger auf den beiden Flächen mit dem Spulenbe hälter in Verbindung ist, welche der ersten und der zweiten Spulenfläche entsprechen.
11. Rotor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wel cher frei von einer Außenbandage ausgestaltet ist.
12. Rotor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wel cher eine Mehrzahl von supraleitenden Spulenelementen (3) und eine Mehrzahl von Spulenbehältern (4) aufweist, wobei jedem Spulenelement (3) jeweils genau ein Spulenbehälter (4) zuge ordnet ist.
13. Rotor nach Anspruch 12, welcher genau einen übergeordne ten gemeinsamen Wicklungsträger (5) aufweist, wobei jedes der Spulenelemente (3) zusammen mit seinem zugeordneten Spulenbe hälter (4) auf einem ihm zugeordneten Umfangssegment des ge meinsamen Wicklungsträgers (5) angeordnet ist.
14. Elektrische Maschine (21) mit einem Rotor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche und einem feststehend angeordne ten Stator (23) .
15. Verfahren zur Herstellung eines Rotors (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, welches zumindest die folgenden Schritte umfasst :
a) Herstellung eines eigenstabilen Spulenelements (3) als vorgefertigtes Bauteil,
b) anschließendes Einlegen des Spulenelements (3) in den Spu lenbehälter (4)
c) sowie mechanische Verbindung des Spulenbehälters (3) mit dem Wicklungsträger (5) .
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US20080079323A1 (en) * 2006-09-28 2008-04-03 Jiping Zhang Superconducting coil support structures
DE102011077457A1 (de) * 2011-06-14 2012-12-20 Siemens Ag Spule mit Spulenwicklung
DE102016217734A1 (de) 2016-09-16 2018-03-22 Siemens Aktiengesellschaft Rotor mit Spulenanordnung und Wicklungsträger

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