CN113169658A - 带有用于在持续电流模式中运行的超导的绕组的转子 - Google Patents

Abstract

本发明说明一种用于电机（2）的转子（5）。所述转子包括转子外壳体（7）；布置在所述转子外壳体中的绕组载体（9）；至少一个轴向的第一连接元件（8a、8b），所述轴向的第一连接元件将所述绕组载体（9）和所述转子外壳体（7）机械地与彼此连接；以及超导的转子绕组（10），所述转子绕组设计成用于构造磁场，其中，所述转子绕组（10）由所述绕组载体（9）机械地保持，其中，所述转子绕组（10）是在所述转子（5）之内的本身闭合的电路（43）的一部分，持续电流（I3）能够在所述电路中流动；其中，所述闭合的电路（43）具有持续电流切换件，所述持续电流切换件带有可切换的导体区段（13），所述可切换的导体区段能够在超导的状态与正常传导的状态之间转换，其中，所述可切换的导体区段（13）布置在所述轴向的第一连接元件（8a、8b）上。本发明还说明一种带有这样的转子（5）的机器（2）以及一种用于运行这样的转子（5）的方法。

Description

带有用于在持续电流模式中运行的超导的绕组的转子

技术领域

本发明涉及一种用于电机的带有超导的转子绕组的转子，其中，超导的转子绕组是本身闭合的电路的一部分，持续电流能够在所述闭合的电路中流动。所述闭合的电路具有持续电流切换件，所述持续电流切换件带有可切换的导体区段，所述可切换的导体区段能够在超导的状态与正常传导的状态之间转换。此外，本发明涉及一种带有这样的转子的电机以及用于运行这种转子的方法。

背景技术

根据现有技术，电机通常配备有用于产生转子场的转子绕组。借助所述转子绕组通常能够比借助永磁激励的机器覆盖较高的功率范围。这样的转子绕组必须为了产生场而由电流流过。所述电流通常通过电流源馈入，所述电流源固定地（即在转子的旋转的系统之外）进行布置。在所述解决方案中不利的是，在此需要相对耗费的传递装置，以便将电流从固定的系统传递到旋转的转子绕组上。在此，例如要么能够使用基于滑环的解决方案要么能够使用基于所谓的激励装置的解决方案。然而两种变型方案是相对复杂的并且无论如何需要至少一种用于馈入激励电流的可行方案，所述可行方案在电机运行时持久地处于使用中。电流源和用于电流的传递装置无论如何会增加电机的重量和体积。

在常规的转子绕组中，所述转子绕组具有带电阻的导体材料，如例如铜或铝。这样的导体材料促使相应的欧姆损耗，所述欧姆损耗视机器大小而定能够处于数千瓦至兆瓦的范围内。为了避免所述损耗，备选地还已知如下机器，所述机器的转子绕组具有超导的导体材料。这样的材料在超导的运行状态下（即在低于超导体的跃变温度的运行温度下）几乎无损耗地输送电流并且由此避免上面提及的欧姆损耗。由此，相应地提高电机的效率。此外，由于无损耗的电流输送可行的是，实现较高的运行电流并且由此实现较高的场。由此，超导的机器相比于常规的机器能够在功率相同的情况下构造得较小且较轻，也就是说，这引起功率密度的提高。

在大多数已知的超导的转子绕组中，所述转子绕组在机器运行时也持久地与激励装置连接，所述激励装置典型地如上所述包括固定的电流源和用于将电流传递到旋转的绕组上的传递装置。然而对于带有非常高的功率密度的电机的开发而言，这种附加的重量增加是不利的。特别是在将这样的机器应用在运输工具中（尤其是应用在空中运输工具中）时会有利的是，能够在功率相同的情况下进一步减小机器的重量。

具有文件号为102017219834.6的还未公开的德国专利申请描述了一种带有用于构造p极的磁场的超导的转子绕组的转子，其中，转子绕组设置成用于在持续电流模式中运行并且为此构造本身闭合的电路。也就是说，在所述转子中可行的是，在馈入运行电流之后将转子绕组与所应用的电流源分离，其中，在分离之后还在转子绕组的闭合的电路中维持近似恒定的电流。为了实现电流的馈入，闭合的电路具有可切换的导体区域，所述可切换的导体区域能够在超导的状态与正常传导的状态之间转换。为此，在所提及的申请中设置有转子绕组的子区域，尤其是绕组区段，所述子区域要么能够相应于正好一个磁极要么能够相应于多个磁极。

然而在此处所描述的解决方案中不利的是，为了打开持续电流切换件必须使转子绕组的绝大部分升温。由此，在转子绕组的区域中产生大的热量，所述热量必须在于超导的持续电流模式中应用之前首先又被引出。此外，由于局部升温，在线圈中产生热梯度，所述热梯度由于随之而来的机械应力而能够导致超导体受损。总体上通过使用专门的绕组区段作为切换件，在转子绕组的结构方面产生不期望的不对称性。将一个或多个磁极用作切换件的另一个缺点在于，在馈入过程期间馈入电流仅流动到绕组的其余极中并且在馈入结束之后磁能必须被再分配到所有极上。为了尽管如此在持续电流模式中达到预设的运行电流，必须在馈入期间应用相应地选择得较高的馈入电流。这导致在馈入过程期间所有部件的不期望地高的电流负载。

发明内容

因此，本发明的任务是，说明一种用于电机的转子，所述转子克服了所提及的缺点。应提供一种转子供使用，在所述转子中，持续电流能够馈入到转子绕组中。在此，在馈入期间到转子绕组中的热输入尤其应该尽可能保持得少。此外，转子绕组的对称性应尽可能少地受干扰和/或在馈入期间所需的电流应尽可能保持得少。另一个任务是，提供带有这种转子的电机供使用。附加地，还应提供一种用于运行这样的转子的方法供使用。

所述任务通过在权利要求1中所描述的转子、在权利要求13中所描述的机器和在权利要求14中所描述的方法来解决。

根据本发明的转子设计为用于电机的转子。所述转子包括转子外壳体、布置在所述转子外壳体中的绕组载体和至少一个轴向的第一连接元件，所述轴向的第一连接元件将绕组载体和转子外壳体机械地与彼此连接。此外，所述转子包括超导的转子绕组，所述转子绕组设计成用于构造磁场，其中，转子绕组具有一个或多个超导的线圈元件，所述超导的线圈元件由绕组载体机械地保持。超导的转子绕组在此是本身闭合的电路的一部分，所述电路布置在转子之内并且持续电流能够在所述闭合的电路中流动。所述闭合的电路具有持续电流切换件，所述持续电流切换件带有可切换的导体区段，所述可切换的导体区段能够在超导的状态与正常传导的状态之间转换。可切换的导体区段布置在轴向的第一连接元件上。

所提及的持续电流在此不一定必须是极端恒定的电流，如其例如对于在磁共振设备中的超导的磁体（“MR磁体”）的所谓的持续电流运行被需要的那样。也就是说，尤其不要求使持续流动的电流的值经过数小时、数天或甚至数周以极其小的衰减（例如在MR磁体的情况下至多在千分比范围内）保持恒定。就本发明而言，对于持续电流重要的仅是，至少在数小时的时间段上维持如下电流流动，所述电流流动在其数量级方面不变。电流例如衰减其初始值的约10%至20%在此对于机器的运行是完全可接受的。也就是说，在此处所应用的词汇“持续电流”的意义中，通常还能够谈及伪持续电流。

可切换的导体区段在超导的状态与正常传导的状态之间的所提及的转换原则上能够以不同方式进行。由此，这样的转换例如能够通过局部加热（与在通常将电流馈入到磁共振磁体中时类似）或者但是还通过磁性地触发的急冷（Quenchen）来进行。

所描述的可切换的导体区段在轴向的第一连接元件“上”的布置应通常理解为，导体区段被所述连接元件机械地保持。然而对此不一定需要使导体区段和连接元件直接与彼此处于接触中。例如还可行的是，导体区段通过附加的承载元件与连接元件连接。

根据本发明的转子的一个重要的优点在于，通过可切换的导体区段实现将电流馈入到转子绕组的闭合的电路中，而在此转子绕组本身相比于传统的转子绕组不显著改变。可切换的导体区段在此尤其没有实现作为转子绕组的超导的线圈元件的组成部分，而是实现作为与转子绕组分开的元件。通过布置在轴向的第一连接元件上，可切换的导体区段与转子绕组在空间上分离。转子绕组的超导的线圈元件即由绕组载体承载。与此相对，轴向的连接元件适宜地沿轴向相邻于所述绕组载体进行布置。由此，可切换的导体区段处于转子的与转子绕组不同的轴向位置处。通过所述轴向间距，尤其还促使可切换的导体区段与转子绕组的超导的线圈元件的热分离。所述空间和热的分离引起，在持续电流切换件打开时典型地发生的可切换的导体区段的升温仅导致转子绕组的超导的线圈元件较少升温。这样的升温必须被最小化，由此所述线圈元件与持续电流切换件相反保留在超导的状态下。由此，通过根据本发明分开的布置能够有利地减少在馈入过程中到转子绕组中的不期望的热输入。

可切换的导体区段和转子绕组的所描述的空间的分离的另一个优点应该从如下看出，即转子绕组能够实施为很大程度上旋转对称的绕组，并且对称性不受持续电流切换件干扰。尤其这样的旋转对称性不通过如下方式被干扰，即绕组的特定的子区域必须为了作为持续电流切换件的功能而设计成与绕组的其余部分不同。

可切换的导体区段和转子绕组的所描述的空间的分离的另一个优点应该从如下看出，即在可切换的导体区段与转子绕组之间的电磁的相互作用能够有利地保持得小。由此，一方面能够减少持续电流切换件对转子绕组的磁场的不期望的磁性的影响。另一方面，能够减少在转子之内的机械负载，所述机械负载能够由于所述不期望的磁性的相互作用而产生。

可切换的导体区段在轴向的第一连接元件上的根据本发明的布置是特别有利的，因为在这样的连接元件的区域中典型地存在如下温度水平，所述温度水平处于转子绕组的深冷的运行温度与温热的外部的环境温度之间。这样的温度水平在下面还被称为“中间温度”。转子绕组的绕组载体和超导的线圈元件典型地处于深冷的温度，所述深冷的温度明显低于所述绕组的超导的材料的跃变温度。与此相对，转子外壳体典型地处于相对温热的温度。因此，布置在所述两个元件之间的连接元件具有温度梯度，并且尤其具有带有中间温度的区域。带有这样的中间温度的区域特别适用于持续电流切换件，以便在此实现在切换件的闭合状态与打开状态之间的热转换。此外，有利的是，在切换件打开时产生的热不在转子绕组的深冷的区域中释放，而是在带有这样的中间温度的区域中释放。原因是对于带有这样的中间温度的元件能够实现比对于转子的较冷的区域较有效的冷却。也就是说，通过冷却引起的能量损耗能够通过所述布置减少。

根据本发明的电机具有根据本发明的转子和固定地布置的定子。所述机器的优点类似于根据本发明的转子的上面所描述的优点得出。

根据本发明的用于运行根据本发明的转子的方法包括以下步骤：

a） 经由两个连接节点将转子绕组与外部的电流源连接，所述两个连接节点在闭合的电路之内分别相邻于可切换的导体区段进行布置，

b） 接着借助于外部的电流源将电流馈入到转子绕组中，

c） 接着将转子绕组与外部的电流源分离。

所述方法的优点还类似于根据本发明的转子的上面所描述的优点得出。通常适用的是，外部的电流源不是所描述的闭合的电路的一部分。电流尤其是馈入到闭合的电路的如下部分中，所述部分不通过可切换的导体区段给出，而是通过转子绕组给出。当可切换的导体区段在正常传导的状态中时，尤其能够进行电流从电流源到转子绕组中的馈入。通过所描述的步骤a）至c），总体上如下电流馈入到转子绕组中，所述电流在与外部的电流源分离之后继续作为持续电流流过转子绕组。当可切换的导体区段在电流馈入之后又已经被置于超导的状态中时，尤其是发生持续电流的所述维持。

所提及的步骤能够有利地以所提及的顺序执行。可选地，在此在步骤a）和b）之间能够进行以下附加的步骤：

a1） 打开持续电流切换件。

这能够例如通过可切换的导体区段的加热来进行。

此外，可选地，在步骤b）和c）之间能够进行以下步骤中的至少一个步骤：

b1） 闭合持续电流切换件，

b2） 使通过外部的电流源馈入的电流下降到0A。

本发明的有利的设计方案和改进方案由从属于权利要求1和14的权利要求以及下面的描述得出。在此，转子、电机和运行方法的所描述的设计方案通常能够有利地与彼此组合。

通常转子能够有利地附加地包括轴向的第二连接元件，所述轴向的第二连接元件在与轴向的第一连接元件相对置的侧上将绕组载体和转子外壳体机械地与彼此连接。这是适宜的，以便将绕组载体与保持在其上的转子绕组沿轴向在两侧机械地支撑，这又有助于在转子的转动期间提高机械稳定性并且尤其是有助于提高运转平稳性。典型地，在此待传递的转矩的主要部分在所述两个轴向侧之一上被传递。所述侧在专业界通常被称为驱动侧亦或A侧。相对置的侧相应地通常被称为运行侧亦或B侧。在B侧上在此处存在的轴向的连接元件还能够设计成用于在绕组载体与转子外壳体之间的转矩配合的连接。在B侧上传递的转矩的大小然而典型地明显小于在A侧上传递的转矩的大小，因为转子外壳体典型地在A侧上与电机的驱动轴连接。

在转子具有两个这样的沿轴向相对置的连接元件的实施方式中，持续电流切换件适宜地仅布置在所述两个连接元件中的一个连接元件上。所述一个连接元件原则上要么能够是在A侧上的连接元件要么能够是在B侧上的连接元件。独立于精确的布置无论如何有利的是，持续电流切换件布置在转子的如下相同的轴向侧上，在所述轴向侧上，还存在用于将超导的转子绕组与外部的电路连接的电流供应部。通常转子适宜地具有两个这种电流供应部。特别有利地，所述电流供应部能够至少部分地同样在轴向的第一连接元件上引导。以这种方式，电流供应部能够相对简单地与在此处存在的持续电流切换件连接。适宜地，电流供应部中的每个电流供应部具有沿轴向处于外部的正常传导的导体区段和沿轴向处于内部的超导的导体区段。在所述两个与彼此串联连接的导体区段之间，电流供应部中的每个电流供应部具有节点。所述两个节点通常有利地通过所描述的持续电流切换件与彼此连接。

持续电流切换件如上所述在运行时有利地保持在中间温度上。适宜地，电流供应部的所述两个正常传导的导体区段在第一连接元件的相对较热的沿轴向进一步处于外部的一部分上引导。相反地，电流供应部的所述两个超导的导体区段在第一连接元件的相对较冷的沿轴向进一步处于内部的一部分上引导。换言之，通过持续电流切换件和电流供应部的各个区段的所描述的布置，有利地利用了第一连接元件的无论如何存在的轴向的温度梯度，以便为各个构件分别设置适宜的运行温度。

通常可切换的导体区段能够是直线的导体区段，所述直线的导体区段例如沿转子的轴向方向延伸。所述直线的导体区段能够例如与第一连接元件共线地布置在其外表面之一上。在带有简单的直线的导体的简单的这种实现方案中，可切换的导体区段的最大长度基本上通过连接元件的轴向长度进行预设。

然而可能能够值得期望的是，设计带有较大的导体长度的可切换的导体区段。因此，根据一种备选的实施方式通常能够是有利的是，可切换的导体区段具有至少一个可切换的线圈元件。换言之，可切换的导体区段在此能够具有一个或多个线圈卷绕部，从而所述导体区段的总长度还能够选择得比承载所述导体区段的连接元件的轴向长度较大。针对可切换的导体区段的相对大的导体长度能够例如是有利的，以便能够实现持续电流切换件在其打开的状态中所要求的最小电阻。

在所描述的可切换的线圈元件中，原则上不同的线圈形式是可行的。通常在越大的卷绕部数量的情况下，能够实现可切换的导体区段的越大的总长度。根据一种优选的实施方式，这样的可切换的线圈元件尤其能够构造为扁平线圈。这尤其是在应用扁平的超导的带状导体材料的情况下是适宜的。这样的扁平线圈的绕组轴线能够例如同轴于转子的中心轴线A进行布置。这样的扁平线圈尤其能够沿径向布置在围绕柱状的轴向的连接元件之外。不仅扁平线圈而且柱状的连接元件能够有利地具有基本上圆形的横截面。

通常在所述实施方式中，持续电流切换件不应局限于单个的这样的线圈元件。由此，尤其还可行的是，持续电流切换件由多个线圈元件组成。原则上，在此多个线圈元件能够是串联的。这能够是有利的，以便例如实现在切换件的打开的状态下所要求的最小电阻。备选地或附加地，多个线圈元件还能够是并联的。这能够有利的是，以便在持续电流切换件的运行温度下能够足够无损耗地承载转子的运行电流。多个导体元件的在此所描述的串联或并联在此应类似地还能够对于多个简单的导体元件（这些导体元件不以线圈形式存在）实现。备选于所描述的扁平线圈，原则上还能够使用其它的线圈形式，例如一个或多个螺旋状成型的线圈，所述螺旋状成型的线圈能够围绕柱状的连接元件的外表面卷绕。

根据一种优选的实施方式，持续电流切换件的可切换的线圈元件能够设计为双线卷绕的线圈元件。双线的线圈绕组在此理解为包括两个导体分支的绕组，在所述绕组中，线圈的总感应系数通过在所述两个导体分支中的相反的电流流动而在很大程度上减少。在此，所述两个导体分支不一定必须作为分离的导体元件存在：所述两个导体分支还能够作为连续的总导体的部分存在，其中，相反的电流流动能够通过设置反转点实现。这样的反转点能够例如在双线扁平线圈的沿径向处于外部的侧或沿径向处于内部的侧上实现。反转点还能够是如下位置，在所述位置处两个分开的导体分支通过接触件与彼此连接。

在持续电流切换件中的这样的双线线圈布置的一个重要优点在于，尽管大的导体长度和相应地高的电阻，在打开的状态中能够实现切换件的相对低的感应系数。这样的低的感应系数是值得期望的，由此一方面避免转子绕组受到持续电流切换件的不期望的电磁影响。另一方面，还避免不期望的机械负载，所述机械负载能够作为在转子绕组与持续电流切换件之间的这样的电磁相互作用的次要的副作用出现。

备选于所描述的双线的单个绕组，两个分开的扁平线圈还能够沿轴向紧密地彼此相邻地布置并且如此与彼此电串联，使得转动方向又与在所述两个处于彼此相邻的扁平线圈中的电流流动方向是相反的并且所述两个单个线圈的感应系数很大程度上相互抵消。也就是说，以这种方式，能够构造“双线的线圈对”，在所述双线的线圈对中，总感应系数相比于所述两个单个线圈同样有利地减少。

根据一种优选的实施方式，轴向的第一连接元件尤其能够管形地进行构造。例如这样的连接元件能够设计为空心柱状的元件，尤其带有圆形的横截面。这样的连接管通常能够是有利的，以便即使在材料横截面相对小的情况下传递高的转矩。这尤其是在管直径相对大的情况下是有利的。由此，例如这样的管形的连接元件的外直径能够为100mm或更多。

这样的连接元件的相对小的材料横截面一般是有利的，以便使经由连接元件的轴向的热传导保持尽可能少。轴向的热传导在此应尽可能少，以便实现转子的沿轴向处于内部的部分的有效冷却。因为在超导的转子绕组的区域中需要低温的运行温度，所以在所述区域中的任何热输入都导致高的冷却耗费和高的能量损耗。

连接元件的管形的设计方案具有以下另外的优点，所述管的内部能够用于将流体的冷却剂导入到转子的处于内部的区域中（并且相应地还用于又导出）。这样的流体的冷却剂能够例如在转子的内部根据热虹吸原理循环。为此，例如要么连接元件能够直接用作热虹吸管要么一个或多个附加的管能够在连接管的内部空间中引导。

但备选于所描述的管形的设计方案原则上还可行的是，轴向的第一连接元件设计为实心的连接元件。

通常有利地且独立于可切换的导体区段和轴向的连接元件的精确的设计方案，可切换的导体区段能够基本上旋转对称地设计并且在轴向的连接元件上同轴于所述轴向的连接元件进行布置。这促使如下优点，即通过可切换的导体区段在转子转动时不产生显著的不平衡性。

根据第一有利的实施变型方案，轴向的第一连接元件能够相对于绕组载体布置在转子的驱动侧上。也就是说，在所述实施方式中，尤其不仅能够将持续电流切换件而且能够将电流供应部设置在如下侧上，在所述侧上，转矩的大部分也在绕组载体与转子轴之间传递。在所述驱动侧上，相应的连接元件典型地由机械地牢固的材料形成，从而电流供应部和持续电流切换件同样能够无问题地机械地固定地保持。连接元件的直径在所述侧上典型地足够大，以便在其外表面上尤其还能够布置带有适合的尺寸的可切换的线圈元件。

根据一种备选的有利的实施变型方案，轴向的第一连接元件能够相对于绕组载体布置在转子的运行侧上。在所述侧上不必传递非常高的转矩，并且对于相应的连接元件相应地提供较高的设计自由空间供使用。连接元件的材料及其材料横截面尤其能够如此选择，使得在此仅发生到转子的处于内部的区域中的非常小的热输入。由此，相应的连接元件能够在所述侧上总体上保持相对冷，从而对于布置在所述侧上的持续电流切换件以及至少对于电流供应部的超导的部分实现低的运行温度。附加地，能够有利的是，冷却剂的馈入还设置在所述运行侧上，因为在此对于轴向的连接元件的附加的机械要求是相应较小的。

通常有利地且独立于可切换的导体区段的精确的设计方案，所述导体区段能够包括至少5m，尤其是至少20m的导体长度。所提及的导体长度应该涉及“卷开的”导体长度，如果可切换的导体区段包括可折叠的线圈元件的话。在可切换的导体区段中的这样大的导体长度促使如下优点，即在正常传导的状态下实现高的电阻并且相应地实现电流容易地从外部的电流源馈入到转子绕组中。

可切换的导体区段在正常传导的状态下能够具有至少10毫欧姆、尤其是至少100毫欧姆或甚至至少1欧姆的电阻R_切换，以便实现电流到转子绕组中的馈入。在馈入电流时，在此取决于在正常传导的可切换的导体区段的电阻与转子绕组的还超导的其余部分的感应系数之间的比例。在此，可切换的导体区段在其正常传导的状态中的电阻取决于其导体长度、超导的材料、导体几何结构和可选地存在的另外的材料，所述另外的材料以分流电阻的类型与超导的材料并联。

有利地，转子绕组的本身闭合的电路能够在完全超导的状态中具有感应系数L和电阻R_运行，其中，L/R_运行的比例处于50.000s与500.000s之间的范围内、即在数小时至数天的范围内。所述比例相应于基本上针对在持续电流模式中流动的电流的衰减的时间常数。在此，电阻R_运行应具体表示环形闭合的电路的总电阻，所述总电阻在完全超导的运行状态中得出。

特别有利地，转子绕组和/或可切换的导体区段能够包括高温超导的导体材料。高温超导体（HTS）是带有高于25K的跃变温度的超导的材料并且在一些材料种类、例如铜酸盐超导体中高于77K，其中，运行温度能够通过借助与液态氦不同的低温介质的冷却来实现。HTS材料也因此是特别有吸引力的，因为所述材料能够取决于运行温度的选择而具有高的上临界磁场以及高的临界电流密度。

高温超导体能够具有例如二硼化镁和/或氧化物陶瓷的超导体，例如型式为REBa₂Cu₃0_x（缩写REBCO）的化合物，其中，RE表示稀土元素或这种元素的混合物。

通常可切换的导体区段要么能够具有和转子绕组一样的超导体材料要么还能够具有和转子绕组不同的超导体材料。在不同的材料选择的情况下通常有利的是，可切换的导体区段的材料具有与转子绕组的材料相比较低的跃变温度。在这样的实施方式中，可切换的导体区段能够与转子绕组一起通过共同的冷却系统冷却，并且在相对低的温度的情况下已经能够实现切换件的打开，在所述温度下尤其是转子绕组还会是超导的。

由此，例如转子绕组通常有利地能够具有REBCO材料。那么可切换的导体区段要么能够同样具有REBCO材料要么所述可切换的导体区段能够备选地具有带有较低的跃变温度的超导体、如例如二硼化镁或第一代高温超导体（例如BiSrCaCuO-2212-超导体）。在这种材料选择的情况下，能够以特别简单的方式实现可切换的导体区段的热转换。

转子绕组的本身闭合的电路能够尤其具有在超导的状态中在低于10微欧姆、尤其在1纳欧姆与10微欧姆之间的范围内的总电阻。这样低的总电阻是有利的，以便促使尽可能无损耗的电流流动并且以便（与电路的感应系数相互作用地）促使持续电流的尽可能慢的衰减。但是因为持续电流如上所述与磁共振磁体相反不必绝对恒定，然而所以通常可行的是，闭合的电路的总电阻在超导的状态下具有例如在10微欧姆与500微欧姆之间的值。借助这样高的电阻（所述电阻能够例如通过基于在单个的超导的线圈元件之间或在转子绕组与可切换的导体区段之间的正常传导的连接和/或在可切换的导体区段之内的接触电阻来实现），在进一步在上面更详细地描述的伪持续电流模式中还能够实现电机的运行。这能够是有利的，以便以相对小的设备耗费尤其是借助HTS材料实现持续电流运行，而不在闭合的电路的整个区域上提供连续超导的材料供使用。特别是在HTS材料的情况下不总是能够实现提供带有可忽略的接触电阻的超导的连接。但是原则上可行且在一些情况下有利的是，通过之后切开连续的导体来获得由HTS材料构成的连续超导的导体环。这有利地作用于电损耗，然而在制造复杂的多极转子绕组时不总是能操纵的。因此，有利的能够是，提供带有高于所提及的值的总电阻的转子绕组供使用，以便通过引入之后的接触部而使绕组的制造变得容易。

通常转子绕组和可切换的导体区段能够有利地由不同的超导的导体卷绕而成。备选于进一步在上面所描述的不同的材料选择或除了进一步在上面所描述的不同的材料选择以外例如可行的是，选择带有不同宽度的导体（尤其是带状导体）。由此，视存在的针对在超导的状态中的电流承载能力和在正常传导的状态下的电阻的要求而定，与在转子绕组中的导体相比，在可切换的导体区段中的导体要么能够选择得较窄要么能够选择得较宽。备选地或附加地，在可切换的导体区段之内的导体例如还能够通过可选地在带状导体堆叠之内存在的附加的层与转子绕组的导体区分开。由此，这样的带状导体除了载体基质和超导层以外尤其还能够包括一个或多个正常传导的稳定层。所述电的稳定层能够作用为并联电阻（作为所谓的分流器）。在可切换的导体区段之内的总体上存在的电的稳定层的材料横截面尤其能够比在转子绕组之内选择得较小。这样的相对小的电稳定促使如下优点，即在可切换的导体区段中然后在导体长度相对小时能够实现在打开的状态中相对高的电阻。

然而原则上，还可行且由于较简单的构造可能有利的是，不仅在转子绕组中而且在可切换的导体区段中应用相同的导体。

转子能够优选地具有冷却装置，借助所述冷却装置能够将转子绕组冷却到运行温度，所述运行温度低于存在的超导体材料（不仅在转子绕组中的超导体材料而且在可切换的导体区段中的超导体材料）的跃变温度。这样的冷却装置尤其能够包括至少一个低温恒温器，转子绕组布置在所述低温恒温器之内。在这样的低温恒温器中例如能够导入流体的冷却剂，所述冷却剂将超导的线圈元件和导体区段冷却。冷却装置能够包括闭合的冷却剂回路，这样的流体的冷却剂能够在所述冷却剂回路中循环。低温恒温器能够为了较好的热隔离而具有真空空间。

根据一种优选的实施方式，转子能够如此设计，使得能够通过升温实现可切换的导体区段到正常传导的状态中的转换。为此，转子在可切换的导体区段的周围环境中能够尤其具有加热元件。然而备选地，可切换的导体区段到正常传导的状态中的转换原则上还能够以其它方式，例如通过施加强磁场实现。为此，转子能够如此设计，使得在可切换的导体区段的周围环境中能够带入附加的磁场，例如通过将永磁体引入到所述区域附近、通过在所述区域中运行附加的磁线圈和/或通过在所述区域中引入引导通量的元件，所述引导通量的元件将磁通量从在机器之外的另一个区域导引到持续电流切换件的区域中。

通常特别有利地，可切换的导体区段适宜地如此与转子绕组热分离，使得可切换的导体区段能够转变到正常传导的状态中，而转子绕组保留在超导的状态下。这尤其是通过如下方式实现，即可切换的导体区段布置在第一连接元件上并且由此在空间上与转子绕组分开。转子绕组和可切换的导体区段的热分离能够附加地通过如下方式来支持，即第一连接元件由在导热方面相对差的材料形成。例如第一连接元件能够由导热性为仅1W/m·K或较少的材料构成。所述材料的导热性尤其能够处于0.1W/m·K与1W/m·K之间。借助其能够实现这样低的导热性的材料种类例如是玻璃纤维增强的塑料（GFK）。这样的GFK复合材料作为用于轴向的连接元件的材料是特别优选的，因为在相应地低的热输入的情况下，借助所述GFK复合材料能够传递相对高的转矩。

根据所提及的步骤c），所描述的方法能够有利地包括以下附加的步骤：

d） 将转子应用于借助于紧接着步骤a）至c）在转子绕组中流动的持续电流产生在电机中的旋转的电磁场。

这有利地实现，机器能够在没有电流源的情况下运行。由此，在机器运行时能够省却电流源的重量并且还省却传递装置的重量，这在运行时然后引起机器的相应地较高的功率密度。

有利地，持续电流在此能够在三小时的运行时间段上下降至多10%的份额。为此，转子尤其能够如此设计，使得针对下降的时间常数（所述时间常数基本上通过L/R给出）为至少28.5小时。当持续电流的时间上的下降如此向上受限时，在运输工具中在与电流源分离之后在至少数小时的时间段上应用该机器是可行的。

附图说明

下面借助一些优选的实施例参考附上的附图描述本发明。其中：

图1以示意性的纵截面示出电机的一种可行的实施方式，

图2示出图1的机器的转子的细节图示，

图3以示意性的纵截面示出转子的一种备选的实施方式，

图4示出带有正常传导的可切换的导体区段的转子绕组的示意性的等效电路图，

图5示出相应的等效电路图，在该等效电路图中，可切换的导体区段是超导的，以及

图6示出双线卷绕的可切换的线圈元件13的示意性的横截面图示。

具体实施方式

在图中，相同的或功能相同的元件设有相同的附图标记。

图1以示意性的纵截面，即纵向于中央的机器轴线A示出根据本发明的第一实施例的电机2。机器2包括固定的、处于室温的机器外壳体3连同位于机器外壳体中的定子绕组4。在所述（例如能抽真空的）外壳体之内并且由定子绕组4包围地，转子5绕旋转轴线A可转动地支承在支承件6中，所述转子在其驱动侧AS上包括支承在相应的支承件中的、实心的轴向的转子轴部件5a。转子具有设计为真空容器的转子外壳体7，带有超导的转子绕组10的绕组载体9固定在该转子外壳体中。为此有用的是在驱动侧AS上在绕组载体9和转子外壳体7的盘状的、与转子轴部件5a固定连接的侧向部件7a之间的刚性的、管形的（第一）连接元件8a。经由刚性的连接元件8a还进行转矩传递的重要部分。基本上，所述连接装置有利地由导热差的空心柱状物构成、尤其是由用玻璃纤维增强的塑料材料构成。所述材料在同时导热性小的情况下保证对于转矩传递足够大的机械刚度和大的剪切模量（G模量）。在与驱动侧AS相对置的、下面用BS标记的运行侧上，第二连接元件8b布置在绕组载体9和转子外壳体7的盘状的侧向部件7b之间。

超导的转子绕组10能够经由两个平行地引导的电流供应部与外部的电路和尤其是电流源19连接。然而所述电流源19不是电机2的组成部分，而是能够紧接着运行电流的馈入而与机器分离。电流供应部的布置在图1中仅应极其示意性地理解，尤其是在转子轴部件5a的区域中。重要的仅是，在此电流供应部两者均布置在驱动侧的区域中并且在转子7之内在第一连接元件8a上引导。备选于所示出的变型方案，例如电流供应部在元件7a的区域中还能够停止插接连接。那么在此从外部仅能够为了电流馈入的步骤将线缆插上。电流供应部分别具有超导的导体区段15和正常传导的导体区段17。超导的导体区段15相应地布置在第一连接元件8a的较冷的轴向的端部上，所述端部面向深冷的绕组载体9。所述绕组载体9和布置在所述绕组载体上的超导的转子绕组10通过在此未更详细示出的冷却系统冷却到低温的运行温度。代表该冷却系统地，在机器的运行侧BS上示出有冷却剂管21，流体的低温的冷却剂23能够通过该冷却剂管到达转子5的待冷却的区域中。也就是说，所述流体的冷却剂在转子的处于内部的空心空间25中循环。由此，将超导的转子绕组10保持在低于所应用的超导体材料的跃变温度的深冷的温度。电流供应部的超导的区段15沿轴向相邻于转子的所述深冷的区域进行布置。然而由于承载电流供应部的第一连接元件8a的热隔离的特性，在转子的所述区域中的运行温度同样还低于为电流供应部15而应用的超导体材料的跃变温度。

所述两个超导的电流供应部15与可切换的导体区段13电连接，所述导体区段同样由第一连接元件8a机械地承载。所述可切换的导体区段13作用为持续电流切换件并且实现（伪）持续电流到超导的转子绕组10的闭合的电路中的馈入。可切换的导体区段13处于中间温度，所述中间温度高于超导的转子绕组的运行温度，但低于温热的外部的环境温度。所述中间温度能够例如是在50K和80K之间的范围中的温度。持续电流切换件的温度能够尤其是如此选择，使得在持续电流切换件的超导的状态中实现针对持续电流的足够高的临界电流密度，但尽管如此仍实现到正常传导的状态中的容易的热转换。由此，尤其是在热输入少的情况下实现相对快速的转换。沿轴向毗邻于可切换的导体区域13地，所述可切换的导体区域与电流供应部的正常传导的区段17连接。所述正常传导的导体区段17处于相比于可切换的导体区域13还稍微较高的温度水平上。所述正常传导的导体区段17与超导的导体区段15相反不再是如下闭合的电路的一部分，持续电流在馈入之后在所述闭合的电路中流动。但在持续电流切换件打开的状态下需要所述正常传导的导体区段以借助于外部的电流源19馈入电流。为了能够输送足够高的馈入电流，在此需要足够高的正常传导的导体横截面。

在图2中示出图1的电机的转子5的局部图示。所示出的基本上是在转子外壳体7之内的区域（所述转子外壳体应包括所述两个侧向部件7a和7b在内）。除了已经在图1中所示出的元件以外在此还示出辐射屏蔽部27，所述辐射屏蔽部在真空空间V之内如此布置在可切换的导体区段13与转子绕组10之间，使得由于热辐射在所述两个元件之间的热传递被有效地减小。所述辐射屏蔽部27如转子的其它的承载性的元件那样绕旋转轴线A基本上旋转对称地进行实施。仅在超导的电流供应部15的区域中辐射屏蔽部27局部地通过空隙中断。如有可能，也能够还设置有一个或多个附加的且在此未示出的辐射屏蔽部，例如在可切换的导体区段13与元件7a之间设置所述辐射屏蔽部，所述辐射屏蔽部同样在明显不同的温度上运行。

在所述图中还仅极其示意性地示出电流供应部15和17的位置。在此，所述两个彼此相邻地伸延的电流供应路径能够如此处所说明的那样布置在转子的共同的周缘位置处。但原则上，所述电流供应部还能够布置在错开的周缘位置处。所述电流供应部尤其还能够直接在连接元件上被引导并且所述电流供应部例如还能够螺旋形地包围该连接元件。通过所述电流供应部无论如何至多轻微地干扰转子的旋转对称性。所述电流供应部的质量是相对小的，从而仅产生转子的小的不平衡性，所述小的不平衡性能够轻易被平衡。但有利地，至少可切换的导体区域旋转对称地进行设计，从而由此不产生另外的不平衡性。在所示出的示例中，可切换的导体区域13应该涉及带有圆柱状的基本形状的可切换的线圈元件。

可切换的线圈元件能够例如直接布置在连接元件8a上，从而所述连接元件承担绕组载体的功能。所述变型方案尤其在连接元件8a的外直径相对大的情况下是有利的。然而备选地，在连接元件与可切换的线圈元件13之间还能够存在附加的（有利地同样圆柱状的）绕组载体。

转子的由转子外壳体7沿径向包围的元件处于真空空间V之内，从而所述元件与外壁热隔离。在此，在沿轴向处于内部的区域中的元件处于最冷的温度水平上，所述区域在图2中被标明为低温的区域31。在低温的区域31中的运行温度能够例如低于50K并且尤其是处于在20K与25K之间的范围内。沿轴向在右侧和在左侧联接到低温的区域31处地存在有两个平均温度区域，在所述平均温度区域中，由真空空间V沿径向包围的元件处于平均温度水平上。两个相对温热的区域35又沿轴向联接到所述平均温度区域处，在所述温热的区域中布置有转子外壳体的所述两个侧向部件7a和7b。所述温热的区域处于相对温热的环境温度上。温热的区域35能够例如大致处于室温上。

在图3中，以相应的示意性的纵截面示出转子的一种备选的实施方式。总体上，转子5与图2的转子类似地进行构造并且尤其还能够与在图1的示例中类似地集成到电机2中。不同于前述示例，在此可切换的导体区段13没有布置在A侧AS上，而是布置在转子的B侧BS上。在此所述导体区段13还设计为可切换的线圈元件，所述可切换的线圈元件在此相应地由B侧的第二连接元件8b机械地承载。结合前述示例所做的对于可切换的导体区域的平均温度水平、旋转对称性、热输入和辐射屏蔽的阐述在此相应地适用。

在图3的示例中，可切换的线圈元件13处于转子的如下侧上，流体的冷却剂23也在该侧上馈入。所述冷却剂23在此导引通过在第二连接元件8b的内部的冷却剂管21。通过可切换的导体区段13与冷却剂馈入部在空间上的靠近，在此使所述导体区段13以及同样布置在B侧上的电流供应部15和17的冷却附加地变得容易。

但备选于所述两个在此示出的示例原则上还可行的是，例如冷却剂馈入部与电流供应部和持续电流切换件一起布置在A侧上。无论如何有利的是，可切换的导体区段布置在与电流供应部一样的轴向的侧上，从而所述可切换的导体区段在空间上能够与所述电流供应部良好地集成。

在图4中示出转子绕组10的示意性的等效电路图，所述转子绕组与电流源19连接以用于馈入电流。所述转子绕组原则上能够涉及来自所述两个前述实施例中的转子绕组中的一个。转子绕组10经由第一连接节点44和第二连接节点45与可切换的导体区域13连接，所述可切换的导体区域作用为持续电流切换件。转子绕组10在此概括成仅非常示意性地示出的线圈绕组，尽管所述转子绕组在真实的转子中典型地结构化成多个单个的极线圈，所述极线圈然后电连接成连续的绕组。转子绕组10经由两个超导的电流供应部15与可切换的导体区域连接成闭合的电路43，在所述闭合的电路中，电流能够至少在持续电流切换件闭合的情况下环形地流动。所述闭合的电路43的重要的导体元件在运行温度中是超导的。所述重要的导体元件能够例如由共同的低温恒温器41包围，如在此通过点化线所说明的那样。在此，然而不应排除，在各个超导的导体元件之间存在有附加的正常传导的接触元件。也就是说，通过所述附加的欧姆电阻，必要时不实现单纯的持续电流运行，而是仅实现伪持续电流运行。

在右侧毗邻于所述两个连接节点44和45地，所述电路能够通过两个正常传导的电流供应部17与外部的电流源19连接。经由所述电流源能够例如将直流电流作为充电电流I₁馈入到转子绕组10中。然而，所述电流源19不是转子的固定的组成部分，而是在运行时能够从所述转子去除并且不增加转子的质量。

在图4中，可切换的导体区段13示意性地在打开的配置中示出。但所述打开的配置不应意味着在此完全不存在电连接，而是仅仅意味着可切换的导体区段在正常传导的状态下存在并且不在超导的状态下存在。类似地，切换件的闭合的状态应理解为可切换的导体区域的超导的状态。也就是说，可切换的导体区段涉及在两个明显不同的值之间能够转换的电阻。在此用I₂标明小的泄漏电流，所述泄漏电流在充电时能够流过正常传导的可切换的导体区域13。

图5示出针对转子绕组10和可切换的导体区段13的类似的示意性的等效电路图，所述可切换的导体区段现在在超导的状态下存在。外部的电流源19已经被去除，其中，能够进行在低温恒温器41之外以及在所述两个正常传导的电流供应部17的处于外部的端部处的所述连接的分离（如通过剩余的导体区段说明的那样）。在进行了电流源19的分离之后，现在仅缓慢衰减的持续电流I₃流过环形地闭合的电路43。在电流源19不是电机的一部分的情况下，流过转子绕组10的所述持续电流能够在包括转子的电机运行时用于产生励磁场。

图6示出可切换的导体区域13的示意性的横截面图示（垂直于旋转轴线a），所述可切换的导体区域设计为双线卷绕的可切换的线圈元件。所述可切换的线圈元件13沿径向处于外部地布置在圆柱形的连接元件8上，其中，所述圆柱形的连接元件原则上能够涉及如在前述示例中的A侧的连接元件8a或者是B侧的连接元件8b。类似于图4和5的等效电路图，在此可切换的线圈元件13经由两个连接节点44和45分别与超导的电流供应部15和正常传导的电流供应部17导电地连接。

可切换的线圈元件13本身作为双线扁平线圈由超导的带状导体卷绕。所述双线线圈包括两个导体分支51和52，所述导体分支在相邻的卷绕部中如此彼此相邻地引导，使得其电流流动方向分别是相反的。通过电流流动在扁平线圈绕组之内的所述相反的转动方向促使所述两个导体分支的感应系数的在很大程度上的补偿。在沿径向处于内部的侧上，所述两个导体分支经由正常传导的接触元件53电连接。然而原则上，在此还能够存在连续超导的导体，所述连续超导的导体仅在线圈的内部转向。

在线圈绕组的沿径向处于外部的侧上，所述两个导体分支要么能够如在此所示出的那样在不同的周缘位置处与电流供应部连接要么原则上还能够在相同的周缘位置处与电流供应部连接。后面提及的实施方式具有以下优点，即那么所述两个导体分支的导体长度能够基本上选择成相同的。

Claims (15)

1.一种用于电机（2）的转子（5），所述转子包括：

- 转子外壳体（7）；

- 布置在所述转子外壳体中的绕组载体（9）；

- 至少一个轴向的第一连接元件（8a、8b），所述轴向的第一连接元件将所述绕组载体（9）和所述转子外壳体（7）机械地与彼此连接；

- 以及超导的转子绕组（10），所述转子绕组设计成用于构造磁场，其中，所述转子绕组（10）由所述绕组载体（9）机械地保持，

- 其中，所述转子绕组（10）是在所述转子（5）之内的本身闭合的电路（43）的一部分，持续电流（I₃）能够在所述电路中流动；

- 其中，所述闭合的电路（43）具有持续电流切换件，所述持续电流切换件带有可切换的导体区段（13），所述可切换的导体区段能够在超导的状态与正常传导的状态之间转换，

- 其中，所述可切换的导体区段（13）布置在所述轴向的第一连接元件（8a、8b）上。

2.根据权利要求1所述的转子（5），所述转子具有两个电流供应部（15、17），以用于将所述超导的转子绕组（10）与外部的电路连接，其中，所述电流供应部（15、17）至少部分地布置在所述轴向的第一连接元件（8a、8b）上。

3.根据权利要求1或2中任一项所述的转子（5），其中，所述可切换的导体区段（13）具有至少一个可切换的线圈元件。

4.根据权利要求3所述的转子（5），其中，所述可切换的线圈元件设计为双线卷绕的线圈元件。

5.根据前述权利要求中任一项所述的转子（5），其中，所述轴向的第一连接元件（8a、8b）管形地进行构造。

6.根据前述权利要求中任一项所述的转子（5），其中，所述轴向的第一连接元件（8a）相比于所述绕组载体（9）布置在所述转子（5）的驱动侧（AS）上。

7.根据权利要求1至5中任一项所述的转子（5），其中，所述轴向的第一连接元件（8b）相比于所述绕组载体（9）布置在所述转子（5）的运行侧（BS）上。

8.根据前述权利要求中任一项所述的转子（5），其中，所述可切换的导体区段（13）在正常传导的状态中具有至少100毫欧姆的电阻。

9.根据前述权利要求中任一项所述的转子（5），其中，所述转子绕组（10）和/或所述可切换的导体区段（13）包括高温超导的导体材料。

10.根据前述权利要求中任一项所述的转子（5），其中，所述转子绕组（10）和所述可切换的导体区段（13）由不同的超导的导体形成。

11.根据权利要求10所述的转子（5），其中，所述可切换的导体区段（13）具有带有与所述转子绕组（10）的超导的材料相比较低的跃变温度的超导的材料。

12.根据权利要求10或11所述的转子（5），其中，所述可切换的导体区段（13）具有如下超导的导体，所述超导的导体与所述转子绕组（10）的超导的导体相比在正常传导的导体材料方面具有较小的材料横截面。

13.一种电机（2），所述电机具有根据前述权利要求中任一项所述的转子（5）和固定地进行布置的定子（3、4）。

14.一种用于运行根据权利要求1至12中任一项所述的转子（5）的方法，包括以下步骤：

a） 经由两个连接节点（44、45）将所述转子绕组（10）与外部的电流源（19）连接，所述两个连接节点在所述闭合的电路（43）之内分别相邻于所述可切换的导体区段（13）进行布置，

b） 接着借助于所述外部的电流源（19）将电流（I₁）馈入到所述转子绕组（10）中，

c） 接着将所述转子绕组（10）与所述外部的电流源（19）分离。

15.根据权利要求14所述的方法，所述方法在步骤c）之后包括以下步骤：

d） 将所述转子（5）应用于借助于紧接着所述步骤a）至c）在所述转子绕组（10）中流动的持续电流（I₃）产生在电机（2）中的旋转的电磁场。

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