DE102005030606A1

DE102005030606A1 - Electrical machine has a rotor in a housing and a cooled and thermally insulated superconductive winding in a carrier with ferromagnetic inner and outer drive parts

Info

Publication number: DE102005030606A1
Application number: DE102005030606A
Authority: DE
Inventors: Günter Dr. Ries
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2005-06-30
Filing date: 2005-06-30
Publication date: 2007-01-11
Anticipated expiration: 2025-07-01
Also published as: DE102005030606B4

Abstract

An electrical machine comprises a rotor (1) in a housing (11) and a cooled and thermally insulated superconductive winding (12) in a carrier (13). There is an inner hollow cylinder drive having ferromagnetic material (32) connected to the shaft and an outer drive part of the winding carrier, also having ferromagnetic material. A magnetic field produced by the superconductive winding is transmitted through the outer drive part onto the inner drive part.

Description

Die Erfindung betrifft eine Maschine mit einem um eine Rotationsachse drehbar gelagerten Rotor, der ein hohlzylinderförmiges Rotorgehäuse aufweist, das an einem axialen Rotorwellenteil befestigt ist und einen hohlzylinderförmigen Wicklungsträger mit einer supraleitenden Wicklung umschließt, Mitteln zur Kühlung und thermischen Isolation der supraleitenden Wicklung und einem auf der Rotationsachse angeordneten Antriebswellenteil. Eine entsprechende Maschine geht aus der DE 101 10 674 A1 hervor.The invention relates to a machine having a rotatably mounted about a rotation axis rotor having a hollow cylindrical rotor housing which is fixed to an axial rotor shaft part and a hollow cylindrical winding support with a superconducting winding encloses means for cooling and thermal insulation of the superconducting winding and a on the Rotary axis arranged drive shaft part. A corresponding machine goes out of the DE 101 10 674 A1 out.

Elektrische Maschinen, insbesondere Generatoren oder Motoren, besitzen in der Regel einen Rotor mit einer rotierende Feldwicklung und einen Stator mit einer feststehenden Ständerwicklung. Durch die Verwendung von tiefgekühlten und insbesondere supraleitenden Leitern kann man dabei die Stromdichte und dadurch die spezifische Leistung der Maschine, d. h. die Leistung pro Kilogramm Eigengewicht, erhöhen und auch den Wirkungsgrad der Maschine steigern.electrical Machines, in particular generators or motors, possess in the Usually a rotor with a rotating field winding and a stator with a fixed stator winding. By the use of frozen and in particular superconducting conductors can be the current density and thereby the specific power of the machine, d. H. the performance per kilogram of dead weight, increase and also increase the efficiency of the machine.

Tiefkalte Wicklungen elektrischer Maschinen müssen im Allgemeinen von der Umgebung thermisch isoliert und mittels einer externen Kühlanlage mit einem Kühlmittel auf der geforderten Tieftemperatur gehalten werden. Eine effektive Wärmeisolation kann dabei nur erreicht werden, wenn der Kaltteil der Maschine von dem warmen Außenraum möglichst durch ein Hochvakuum mit einem Restgasdruck im Allgemeinen unter 10^–3 mbar getrennt ist und wenn Verbindungsteile zwischen diesen tiefkalten Teilen und dem warmen Außenraum möglichst wenig Wärme übertragen.Deep cold windings of electrical machines generally need to be thermally insulated from the environment and maintained at the required cryogenic temperature by means of an external cooling system with a coolant. An effective heat insulation can only be achieved if the cold part of the machine is separated from the warm outside space as possible by a high vacuum with a residual gas pressure generally below 10 ^-3 mbar and when connecting parts between these cryogenic parts and the warm outside space transfer as little heat.

In der Regel wird das von der rotierenden Feldwicklung erzeugte Drehmoment als Tangentialkraft auf das warme Antriebs wellenteil übertragen. Über geeignete Elemente zur Drehmomentübertragung sollte dabei möglichst wenig Wärme in den Kaltteil der Maschine strömen, da sie aufwändig über die externe Kühlanlage wieder abgeführt werden muss. Dies verringert den Gesamtwirkungsgrad der Maschine und erhöht die Störanfälligkeit.In The rule is the torque generated by the rotating field winding transmitted as tangential force on the warm drive shaft part. About suitable Elements for torque transmission should as possible little heat pour into the cold part of the machine, because they are consuming on the external refrigeration Equipment discharged again must become. This reduces the overall efficiency of the machine and increased the susceptibility.

Bisher werden mechanische Drehmomentübertragungselemente in Form von Zylindern, Scheiben, Stäben, Schlaufen oder anderen geeigneten Formen eingesetzt, die an einem Ende mit dem Kaltteil und am anderen mit dem warmen Antriebswellenteil oder einer Flanschweile verbunden sind. Häufig sind diese Drehmomentübertragungselemente an den Rotorenden angeordnet. Dabei werden Materialien mit einem hohen Quotienten Festigkeit zu Wärmeleitfähigkeit wie beispielsweise faserverstärkte Kunststoffe (GFK, CFK, ...) oder auch Chrom-Nickel-Stähle bevorzugt.So far become mechanical torque transmission elements in the form of cylinders, discs, rods, loops or other suitable molds used at one end with the cold part and at the other with the warm drive shaft part or a flange shaft are connected. Frequently these torque transmitting elements arranged at the rotor ends. Thereby materials with a high quotient strength to thermal conductivity such as fiber-reinforced plastics (GRP, CFRP, ...) or chrome-nickel steels preferred.

In der DE 101 10 674 A1 ist beispielsweise eine Maschine angegeben, die einen um eine Rotationsachse drehbar gelagerten Rotor mit einer supraleitenden Wicklung in einem Wicklungsträger aufweist. Dabei ist zur Halterung des Wicklungsträgers innerhalb eines Rotoraußengehäuses auf einer drehmomentübertragenden Seite eine starre Verbindungseinrichtung mit einem hohlzylindrischen Verbindungselement aus faserverstärktem Kunststoff vorgesehen.In the DE 101 10 674 A1 For example, a machine is indicated which has a rotor rotatably mounted about a rotation axis with a superconducting winding in a winding support. In this case, a rigid connecting device is provided with a hollow cylindrical connecting element made of fiber-reinforced plastic for holding the winding support within a rotor outer housing on a torque transmitting side.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zu Grunde, eine Maschine mit einem Rotor und einer supraleitenden Rotorwicklung anzugeben, mit der eine Drehmomentübertragung mit minimiertem Wärmefluss zwischen einem warmen Antriebswellenteil und einem Kaltteil der Maschine erzielt werden kann.Of the Invention is now based on the object, a machine with a Rotor and a superconducting rotor winding specify with the a torque transmission with minimized heat flow between a warm drive shaft part and a cold part of the Machine can be achieved.

Zur Lösung der sich auf eine Maschine beziehenden Aufgabe sind die Merkmale des Patentanspruchs 1 vorgesehen.to solution the task related to a machine are the features of claim 1 provided.

Bei der erfindungsgemäßen Maschine handelt es sich um eine Maschine mit

– einem um eine Rotationsachse drehbar gelagerten Rotor, der ein hohlzylinderförmiges Rotorgehäuse aufweist, das an einem axialen Rotorwellenteil befestigt ist und einen Wicklungsträger mit einer supraleitenden Wicklung umschließt,

und

– Mitteln zur Kühlung und thermischen Isolation der supraleitenden Wicklung

dadurch gekennzeichnet, dass

– ein inneres hohlzylinderförmiges Antriebsteil fest mit einem Antriebswellenteil verbunden ist,
– ein hohlzylinderförmiges konzentrisch und drehbar um das innere Antriebsteil gelagertes äußeres Antriebsteil den Wicklungsträger mit der supraleitenden Wicklung enthält,
– das innere Antriebsteil eine profilierte Hohlzylinderaußenfläche aufweist, wobei das innere Antriebsteil seitens der profilierten Hohlzylinderaußenfläche zumindest teilweise aus ferromagnetischem Material ausgebildet ist,

und

– das äußere Antriebsteil eine bezüglich der Hohlzylinderaußenfläche des inneren Antriebsteils entsprechend profilierte Hohlzylinderinnenfläche aufweist, wobei das äußere Antriebsteil seitens der profilierten Hohlzylinderinnenfläche zumindest teilweise aus ferromagnetischem Material ausgebildet ist,

wobei

– ein von der supraleitenden Wicklung erzeugtes Magnetfeld über die Profilierung vom äußeren Antriebsteil auf das innere Antriebsteil übertragen wird.

The machine according to the invention is a machine with

A rotor rotatably mounted about a rotation axis and having a hollow-cylindrical rotor housing fixed to an axial rotor shaft part and enclosing a winding support with a superconducting winding,

and

- Means for cooling and thermal insulation of the superconducting winding

characterized in that

An inner hollow-cylindrical drive part is fixedly connected to a drive shaft part,
A hollow cylindrical concentric and rotatable about the inner drive part mounted outer drive part contains the winding support with the superconducting winding,
The inner drive part has a profiled hollow cylinder outer surface, wherein the inner drive part is formed on the part of the profiled hollow cylinder outer surface at least partly from ferromagnetic material,

and

The outer drive part has a hollow cylinder inner surface which is correspondingly profiled with respect to the hollow cylinder outer surface of the inner drive part, wherein the outer drive part is formed on the part of the profiled hollow cylinder inner surface at least partly from ferromagnetic material,

in which

- A magnetic field generated by the superconducting winding is transmitted via the profiling of the outer drive part to the inner drive part.

Mit dem Ausnutzen des Magnetfeldes des Rotors auf der dem Antriebswellenteil zugewandten Seite ist eine berührungslose Übertragung von Drehmomenten mittels magnetischer Kräfte vom Rotor auf den kraftschlüssig mit dem Antriebswellenteil verbundenen Hohlzylinder und damit auf das Antriebswellenteil möglich. Aufgrund der Profilierung der beiden gegenüberlie genden Hohlzylinderflächen können Tangentialkräfte vom Wicklungsträger auf den dem Antriebswellenteil zugeordneten Hohlzylinder übertragen werden. Hierbei moduliert die Profilierung beider gegenüberliegenden Hohlzylinderflächen die magnetische Flussdichte zwischen diesen beiden Hohlzylinderflächen in Umfangrichtung. Die Magnetfeldlinien versuchen dabei gemäß dem Reluktanzprinzip die Profilierung derart auszurichten, dass der magnetische Widerstand im Bereich zwischen der Hohlzylinderaußenfläche des dem Antriebswellenteil zugeordneten Hohlzylinders und der Hohlzylinderinnenfläche des Wicklungsträgers minimal ist.With exploiting the magnetic field of the rotor on the drive shaft part facing side is a non-contact transmission of torques by means of magnetic forces from the rotor to the frictionally with the drive shaft part connected hollow cylinder and thus on the Drive shaft part possible. Due to the profiling of the two gegenüberlie ing hollow cylinder surfaces tangential forces of winding support transferred to the drive shaft part associated hollow cylinder become. This modulates the profiling of both opposite Hollow cylindrical surfaces the magnetic flux density between these two hollow cylindrical surfaces in Circumferential direction. The magnetic field lines try according to the reluctance principle to align the profiling such that the magnetic resistance in the area between the hollow cylinder outer surface of the drive shaft part associated Hollow cylinder and the hollow cylinder inner surface of the winding carrier minimal is.

Vorteilhafter Weise ist die maximale Tangentialkraftübertragung begrenzt, so dass die erfindungsgemäße Maschine automatisch eine Drehmomentbegrenzung aufweist, womit beispielsweise Schäden an angekoppelten Antriebs- oder Arbeitsmaschinen vermieden werden können.Favorable Way, the maximum tangential force transfer is limited, so that the machine according to the invention automatically has a torque limit, which, for example, damage to coupled Drive or work machines can be avoided.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Maschine gemäß der Erfindung ergeben sich aus den von Anspruch 1 abhängigen Ansprüchen.advantageous Embodiments of the machine according to the invention emerge from the dependent of claim 1 claims.

Es ist insbesondere vorteilhaft, wenn das Rotorgehäuse eine innere Wandung und eine äußere Wandung aufweist, der Wicklungsträger mit der supraleitenden Wicklung zwischen der inneren und der äußeren Wandung angeordnet ist, der Wicklungsträger eine Hohlzylinderinnenfläche aufweist und die Hohlzylinderinnenfläche des Wicklungsträger der Hohlzylinderinnenfläche des äußeren Antriebsteils entspricht, und das Antriebswellenteil auf der Rotationsachse drehbar gelagert ist und konzentrisch zum Rotor angeordnet sich zumindest teilweise in die Maschine erstreckt. Mittels einer derartigen Ausgestaltung ist eine zuverlässig arbeitende und erfindungsgemäße Maschine einfach zu realisieren.It is particularly advantageous if the rotor housing an inner wall and an outer wall has, the winding support with the superconducting winding between the inner and the outer wall is arranged, the winding support a hollow cylinder inner surface and the hollow cylinder inner surface of the winding carrier corresponds to the hollow cylinder inner surface of the outer drive part, and the drive shaft part rotatably mounted on the rotation axis is and at least partially disposed concentric with the rotor extends into the machine. By means of such a configuration is a reliable one working and inventive machine easy to realize.

Vorteilhaft ist weiter, wenn Rippen als Profilierung vorgesehen sind. Mittels der Rippen kann auf einfache weise eine reproduzierbare, insbesondere periodische und vorzugsweise gleiche Profilierung auf beiden sich radial gegenüberliegenden Hohlzylinderflächen realisiert werden.Advantageous is wider, if ribs are intended as profiling. through The ribs can easily reproducible, especially periodic and preferably same profiling on both radially opposite one another Hollow cylindrical surfaces will be realized.

Weiter ist von Vorteil, wenn die Rippen jeweils eine Breite b und eine Höhe h aufweisen, jeweils zwei benachbarte Rippen der Hohlzylinderaußenfläche des inneren Antriebsteils bzw. der Hohlzylinderinnenfläche des äußeren Antriebsteils um einen Abstand d beabstandet sind und jeweils zwei radial gegenüberliegende Rippen der Hohlzylinderaußenfläche des inneren Antriebsteils und der Hohlzylinderinnenfläche des äußeren Antriebsteils um einen radialen Abstand r beabstandet sind, wobei 1/3·d ≤ b ≤ 2/3·d, b + d ≥ 5·r und h ≥ 1/3·b gilt. Wenn die Breite b, die Höhe h, der Abstand d und der radiale Abstand r diese Relationen zueinander erfüllen und die Dimensionierungen entsprechend gewählt werden, ist eine besonders effiziente Tangentialkraftübertragung möglich.Further is advantageous if the ribs each have a width b and a Height h each have two adjacent ribs of the hollow cylinder outer surface of the inner drive part or the hollow cylinder inner surface of the outer drive part are spaced by a distance d and in each case two radially opposite Ripping the hollow cylinder outer surface of the inner drive part and the hollow cylinder inner surface of the outer drive part spaced by a radial distance r, where 1/3 * d≤b≤2 / 3 * d, b + d ≥ 5 · r and h ≥ 1/3 · b applies. If the width b, the height h, the distance d and the radial distance r these relations to each other fulfill and the dimensions are chosen accordingly, is a special efficient tangential force transmission possible.

Es ist günstig, wenn die Rippen zumindest abschnittsweise axial verlaufend ausgestaltet sind. Mittels axial verlaufender Rippen ist eine besonders effektive Tangentialkraftübertragung möglich. Dabei ist eine gleichmäßige, periodische Modulation der magnetischen Flussdichte in Umfangrichtung realisierbar, die in Achsrichtung zumindest abschnittsweise gleich bleibend ist. Dies führt zu einer gleichmäßigeren Krafteinwirkung in Achsrichtung.It is cheap, if the ribs designed at least partially axially extending are. By means of axially extending ribs is a particularly effective Tangentialkraftübertragung possible. Here is a uniform, periodic Modulation of the magnetic flux density in the circumferential direction feasible, which is at least partially consistent in the axial direction. this leads to to a more even Force in the axial direction.

Vorteilhaft ist, wenn der Wicklungsträger bis auf die Rippen aus nichtmagnetischem Material ausgeführt ist und die Rippen aus ferromagnetischem Material ausgestaltet sind. Zur effektiven Ausnutzung des Magnetfeldes des Rotors auf der dem Antriebswellenteil zugewandten Seite darf der Wicklungsträger möglichst wenig Magnetfluss führen, indem er bis auf die Rippen aus nichtmagnetischem Material besteht. Damit sich im Bereich von sich gegenüberliegenden Rippen eine besonders hohe magnetische Flussdichte einstellen kann, ist es von Vorteil, die Rippen des Wicklungsträgers aus ferromagnetischem Material auszugestalten. Es ist aber auch möglich den gesamten Wicklungsträger aus ferromagnetischem Material auszubilden. Hierbei muss der Wicklungsträger jedoch eine derart geringe Wanddicke aufweisen, so dass er keinen wesentlichen Anteil des Magnetflusses führt.Advantageous is when the winding carrier is performed on the ribs of non-magnetic material and the ribs are made of ferromagnetic material. For the effective utilization of the magnetic field of the rotor on the Drive shaft part facing side of the winding support as possible lead little magnetic flux, by being made of non-magnetic material except for the ribs. So that in the area of opposite ribs a particularly high magnetic flux density, it is beneficial to the ribs of the winding carrier to design ferromagnetic material. But it is also possible the entire winding carrier Made of ferromagnetic material. However, the winding carrier must be have such a small wall thickness, so that it is not essential Share of the magnetic flux leads.

Vorteilhafterweise weist die supraleitende Wicklung Einzelpolwicklungen mit Polkernen aus ferromagnetischem Material auf. Hiermit kann das von den Einzelpolwicklungen erzeugte wirkende Magnetfeld verstärkt werden.advantageously, the superconducting winding has single-pole windings with pole cores made of ferromagnetic material. This can be done by the Einzelpolwicklungen generated magnetic field to be amplified.

Günstigerweise ist magnetisch gesättigtes oder magnetisch ungesättigtes Eisen als ferromagnetisches Material vorgesehen. Eisen zeichnet sich im Allgemeinen durch seine hervorragenden ferromagnetischen Eigenschaften aus. Zudem ist Eisen unter den geeigneten ferromagnetischen Materialien verhältnismäßig preisgünstig in der Anschaffung.conveniently, is magnetically saturated or magnetically unsaturated Iron provided as ferromagnetic material. Iron draws generally characterized by its outstanding ferromagnetic Properties off. In addition, iron is among the suitable ferromagnetic Materials relatively inexpensive in the purchase.

Von Vorteil ist, wenn das Rotorgehäuse evakuierbar ist. Mittels einer Evakuierung des Rotorgehäuses ist eine besonders wirksame Isolation des Kaltteils der Maschine von dem warmen, den Kaltteil der Maschine umgebenden Außenraum möglich.From Advantage is when the rotor housing is evacuable. By means of an evacuation of the rotor housing is a particularly effective insulation of the cold part of the machine from the warm space surrounding the cold part of the machine possible.

Es ist insbesondere vorteilhaft, wenn das Antriebswellenteil über mindestens ein Lager mit dem Rotorwellenteil verbunden ist. Damit sind gegenseitiges Verdrehen und gleichzeitige Biegesteifigkeit des Rotors und des Antriebswellenteils ermöglicht.It is particularly advantageous if the drive shaft part over at least a bearing is connected to the rotor shaft part. This is mutual Twisting and simultaneous bending stiffness of the rotor and the Drive shaft part allows.

Bevorzugte, jedoch keinesfalls einschränkende Ausführungsbeispiele der Vorrichtung werden nunmehr anhand der Zeichnung näher erläutert. Zur Veranschaulichung ist die Zeichnung nicht maßstäblich ausgeführt und gewisse Merkmale sind schematisiert dargestellt. Im Einzelnen zeigenpreferred but by no means restrictive embodiments the device will now be explained in more detail with reference to the drawing. As an illustration the drawing is not executed to scale and certain features are shown schematically. Show in detail

1 einen Querschnitt einer Maschine mit einem Rotor und einer supraleitenden Feldwicklung, 1 a cross section of a machine with a rotor and a superconducting field winding,

2 einen Ausschnitt der Maschine gemäß 1 mit ersichtlichen Rippen und schematisiertem magnetischen Feldlinienverlauf und 2 a section of the machine according to 1 with apparent ribs and schematic magnetic field line and

3 einen Längsschnitt der Maschine mit einem Rotor und einer supraleitenden Feldwicklung. 3 a longitudinal section of the machine with a rotor and a superconducting field winding.

Einander entsprechende Teile sind in den 1 bis 3 mit denselben Bezugszeichen versehen.Corresponding parts are in the 1 to 3 provided with the same reference numerals.

In 1 ist ein Querschnitt einer Maschine mit einem Rotor 1 und einer supraleitenden Feldwicklung 12 dargestellt. Dabei handelt es sich beispielhaft um eine Acht-Pol-Maschine. Die Maschine weist einen Stator 2 mit einem außen angeordneten, vorzugsweise aus geblechtem Material ausgestalteten Magnetjoch 22, das eine Statorwicklung 23 umgibt, auf. Weiter weist die Maschine einen um eine Rotationsachse 60 drehbar gelagerten Rotor 1 auf. Der Rotor 1 ist mit einem evakuierbaren hohlzylinderförmigen Rotorgehäuse 11 mit einer inneren Wandung 111 und einer äußeren Wandung 112 ausgeführt. Des Weiteren weist der Rotor 1 ein äußeres Antriebsteil 18 auf, das einen Wicklungsträger 13 und eine auf dem Wicklungsträger 13 angeordnete supraleitende magnetfelderzeugende (Feld-)Wicklung 12 in Form von acht längsgestreckten, jeweils einen Polkern 121 aufweisenden Einzelpolwicklungen über den Umfang verteilt enthält. Die die Einzelpolwicklungen 12 ausfüllenden Polkerne 121 sind vorteilhafterweise aus ferromagnetischem Material, wie beispielsweise Eisen, ausgebildet, um das von den Einzelpolwicklungen 12 erzeugte Magnetfeld zu verstärken. Der Wicklungsträger 13 und die Wicklung 12 sind gemäß 1 im Inneren des Rotorgehäuses 11 angeordnet. Weiter ist auf seiner Hohlzylinderinnenfläche 131 der äußeres Antriebsteil 18, welche im abgebildetem Ausführungsbeispiel auch gleichsam die Innenfläche des Wicklungsträger 13 ist, mit einer Profilierung ausgebildet. Die Profilierung ist in Form von Rippen 412 ausgestaltet. Auf der Rotationsachse 60 ist ein drehbar gelagertes Antriebswellenteil 31 ersichtlich, das über drehmomentübertragende Verbindungselemente 33 mit einem aus fer romagnetischem Material ausgebildeten, konzentrisch angeordneten hohlzylinderförmigen inneren Antriebsteil 32 fest, insbesondere kraftschlüssig, verbunden ist. Das auch konzentrisch zum Rotor 1 angeordnete innere Antriebsteil 32 ist auf seiner Hohlzylinderaußenfläche 322 ebenso wie die Hohlzylinderinnenfläche 131 des äußeren Antriebsteils 18 mit einer entsprechenden Profilierung, insbesondere mit gleichdimensionierten Rippen 432, versehen. Der Außenradius des inneren Antriebsteils 32 ist dabei so bemessen, dass ein möglichst geringer radialer Abstand zwischen inneren Antriebsteil 32 und äußerem Antriebsteil 18 vorliegt, wobei eine Berührung zwischen innerer Wandung 111 des Rotorgehäuses 11 und innerem Antriebsteil 32 zu vermeiden ist. Das innere Antriebsteil 32 und der Rotor 1 mit dem äußeren Antriebsteil 18 sind dabei gegeneinander verdrehbar.In 1 is a cross section of a machine with a rotor 1 and a superconducting field winding 12 shown. This is an example of an eight-pole machine. The machine has a stator 2 with a magnet yoke arranged on the outside, preferably made of laminated material 22 that is a stator winding 23 surrounds, up. Next, the machine has a about an axis of rotation 60 rotatably mounted rotor 1 on. The rotor 1 is with an evacuable hollow cylindrical rotor housing 11 with an inner wall 111 and an outer wall 112 executed. Furthermore, the rotor has 1 an outer drive part 18 on, a winding carrier 13 and one on the winding carrier 13 arranged superconducting magnetic field generating (field) winding 12 in the form of eight elongated, one pole core each 121 containing distributed single pole windings distributed over the circumference. The single pole windings 12 filling pole cores 121 are advantageously made of ferromagnetic material, such as iron, to that of the Einzelpolwicklungen 12 amplify generated magnetic field. The winding carrier 13 and the winding 12 are according to 1 inside the rotor housing 11 arranged. Next is on its hollow cylinder inner surface 131 the outer drive part 18 , Which in the illustrated embodiment, as it were the inner surface of the winding support 13 is formed with a profiling. The profiling is in the form of ribs 412 designed. On the rotation axis 60 is a rotatably mounted drive shaft part 31 can be seen, the torque transmitting fasteners 33 with a ferromagnetic material formed from concentrically arranged hollow cylindrical inner drive part 32 firmly, in particular non-positively connected. That too concentric with the rotor 1 arranged inner drive part 32 is on its hollow cylinder outer surface 322 as well as the hollow cylinder inner surface 131 the outer drive part 18 with a corresponding profiling, in particular with equal-sized ribs 432 , Mistake. The outer radius of the inner drive part 32 is dimensioned so that the smallest possible radial distance between the inner drive part 32 and outer drive part 18 is present, with a contact between inner wall 111 of the rotor housing 11 and inner drive part 32 is to be avoided. The inner drive part 32 and the rotor 1 with the outer drive part 18 are rotatable against each other.

In 2 ist der in 1 mit II gekennzeichnete Ausschnitt vergrößert und detaillierter dargestellt. Zu sehen sind die beiden sich gegenüberstehenden mit Rippen 412 und 432 versehenen Hohlzylinderflächen 131 und 322 und die zwischen den Hohlzylinderflächen 131 und 322 angeordnete innere Wandung 111 des Rotorgehäuses 11. Weiter ist das von den Wicklungen 12 erzeugte Magnetfeld 413 in Form von mit Pfeilen gekennzeichneten Magnetfeldlinien schematisch abgebildet. Dichter nebeneinander angeordnete Magnetfeldlinien 413 sollen dabei auf eine höhere magnetische Flussdichte hinweisen. Das von den supraleitenden Wicklungen 12 erzeugte Magnetfeld 413 „greift" durch das äußere Antriebsteil 18 hindurch und dringt in das innere Antriebsteil 32 ein. Das „Durchgreifen" gelingt nur dann, wenn der Wicklungsträger 13 mit einer derart geringen Wanddicke ausgebildet ist, dass eine wesentliche Führung des Magnetflusses im Wicklungsträger 13 unterdrückt wird. Denkbar ist aber auch, den Wicklungsträger 13 aus nicht magnetischem Material auszugestalten, so dass das Magnetfeld ungehindert durch den Wicklungsträger 13 „greifen" kann. Hierzu müssen aber zumindest die Rippen 412 aus ferromagnetischem Material bestehen, damit sich im Zwischenbereich von sich ge genüber liegenden Rippen 412 und 432 eine besonders hohe magnetische Flussdichte einstellen kann. Die insbesondere axial verlaufenden Rippen 412 und 432 modulieren nämlich die magnetische Flussdichte in Umfangrichtung, wobei die Magnetfeldlinien 413 versuchen, die Rippen 412 und 432 des inneren Antriebsteils 32 und des äußeren Antriebsteils 18 so auszurichten, dass sie sich gegenüber stehen – und zwar mit dem Ziel, den magnetischen Widerstand im Bereich zwischen beiden Hohlzylinderflächen 131 und 322 zu minimieren. Dreht sich also der Rotor 1, wird der innere Antriebsteil 32 stets bestrebt sein, diesem zu folgen, um den Zustand des kleinsten magnetischen Widerstandes aufrechtzuerhalten. Die Abmessungen der Rippen 412 und 432 auf dem äußeren Antriebsteil 18 als auch auf dem inneren Antriebsteil 32 sind vorzugsweise gleich ausgelegt. Dabei sollte die Rippenbreite b zweier im Abstand d voneinander beabstandeter Rippen 412 oder 432 zwischen einem Drittel und zwei Drittel des Abstandes d vorliegen. Die Summe von Rippenbreite b und Abstand d sollte darüber hinaus das Fünffache des radialen Abstandes r zweier radial gegenüber liegender Rippen 412 und 432 nicht unterschreiten. Die Höhe h der Rippen 412 und 432 sollte dazu mindestens ein Drittel der Rippenbreite b betragen.In 2 is the in 1 Enlarged with II section and shown in more detail. You can see the two facing each other with ribs 412 and 432 provided hollow cylindrical surfaces 131 and 322 and between the hollow cylinder surfaces 131 and 322 arranged inner wall 111 of the rotor housing 11 , Next is the windings 12 generated magnetic field 413 in the form of magnetic field lines marked with arrows. Dense magnetic field lines arranged side by side 413 should indicate a higher magnetic flux density. That of the superconducting windings 12 generated magnetic field 413 "Engages" through the outer drive part 18 through and penetrates into the inner drive part 32 one. The "reach through" succeeds only when the winding support 13 is formed with such a small wall thickness, that a substantial guidance of the magnetic flux in the winding support 13 is suppressed. It is also conceivable, the winding carrier 13 Made of non-magnetic material, so that the magnetic field unhindered by the winding support 13 But at least the ribs must 412 Made of ferromagnetic material, so that in the intermediate region of ge opposite ribs 412 and 432 can set a particularly high magnetic flux density. The particular axially extending ribs 412 and 432 namely, modulate the magnetic flux density in the circumferential direction, the magnetic field lines 413 try the ribs 412 and 432 of the inner drive part 32 and the outer drive part 18 so that they align themselves stand against - with the aim of the magnetic resistance in the area between the two hollow cylindrical surfaces 131 and 322 to minimize. Turns so the rotor 1 , becomes the inner driving part 32 always strive to follow this to maintain the state of least magnetic resistance. The dimensions of the ribs 412 and 432 on the outer drive part 18 as well as on the inner drive part 32 are preferably designed the same. In this case, the rib width b of two ribs spaced at a distance d from each other should be 412 or 432 between one third and two thirds of the distance d are present. The sum of rib width b and distance d should moreover be five times the radial distance r of two radially opposite ribs 412 and 432 do not fall short. The height h of the ribs 412 and 432 should be at least one third of the rib width b.

In 3 ist ein Längsschnitt der Maschine gemäß 1 dargestellt. Der Stator 2 ist mit der Statorwicklung 23 und dem die Statorwicklung 23 umgebenden Magnetjoch 22 in einem Statorgehäuse 21 untergebracht. Der Rotor 1 ist über sein Rotorgehäuse 11 fest mit einem Rotorwellenteil 17 verbunden. Um ein sicheres Drehen des Rotors 1 und des Antriebswellenteils 31 gegenüber dem feststehenden Statorgehäuse 21 zu gewährleisten, sind zwischen dem Rotorwellenteil 17 bzw. Antriebswellenteil 31 und dem Statorgehäuse 21 Lager 521 bzw. 523 vorgesehen.In 3 is a longitudinal section of the machine according to 1 shown. The stator 2 is with the stator winding 23 and the stator winding 23 surrounding magnetic yoke 22 in a stator housing 21 accommodated. The rotor 1 is about his rotor housing 11 fixed with a rotor shaft part 17 connected. To safely turn the rotor 1 and the drive shaft part 31 opposite the stationary stator housing 21 to ensure are between the rotor shaft part 17 or drive shaft part 31 and the stator housing 21 camp 521 respectively. 523 intended.

Über Befestigungselemente 14 wird der Wicklungsträger 13 im Rotorgehäuse 11 befestigt. Diese Befestigungselemente 14 brauchen vorteilhafterweise nur zur Aufnahme des relativ ge ringen Gewichts des Wicklungsträgers 13 mit Wicklungen 12 und Polkernen 121 ausgelegt werden. Dies ist vor allem von Vorteil bei so genannten Langsamläufern mit hohem Drehmoment. Solche Langsamläufer sind beispielsweise in Wasser- und Windkraftgeneratoren oder Walzwerkantrieben zu finden.About fasteners 14 becomes the winding carrier 13 in the rotor housing 11 attached. These fasteners 14 advantageously only need to accommodate the relatively ge wrestle weight of the winding carrier 13 with windings 12 and poles 121 be interpreted. This is particularly advantageous in so-called slow-speed with high torque. Such slow runners can be found for example in water and wind power generators or rolling mill drives.

Die Kühlung der supraleitenden Wicklung 12 erfolgt in bekannter Weise in Abhängigkeit von dem gewählten supraleitenden Material mittels einer hierfür geeigneten kryogenen Flüssigkeit wie zum Beispiel Helium, Neon oder Wasserstoff. Diese kryogenen Flüssigkeiten werden einem zentralen Kühlmittelbad 16 oder einem am Umfang angeordneten Ringtank mittels einer durch die Rotorwellenteilmitte geführten Kühlmittelzufuhr 15 zugeführt. Je nach Ausgestaltung kann die supraleitende Wicklung 12 beispielsweise durch direktes Umspülen mit der kryogenen Flüssigkeit oder indirekt über Kühlrohre oder gut wärmeleitende Elemente gekühlt werden.The cooling of the superconducting winding 12 takes place in a known manner depending on the selected superconducting material by means of a suitable cryogenic liquid such as helium, neon or hydrogen. These cryogenic liquids become a central coolant bath 16 or a ring tank arranged at the circumference by means of a coolant supply guided through the rotor shaft center 15 fed. Depending on the configuration, the superconducting winding 12 be cooled for example by direct flushing with the cryogenic liquid or indirectly via cooling pipes or good heat-conducting elements.

Gemäß 3 erstreckt sich das Antriebswellenteil 31 entlang der gesamten Länge des Rotors 1 in die Maschine bis zum Rotorwellenteil 17. Die Länge des inneren Antriebsteils 32 entspricht dabei in etwa der Länge des äußeren Antriebsteils, hier also der Länge des Wicklungsträgers 13. Um ein gegenseitiges Verdrehen und eine gleichzeitige Biegesteifheit des Rotors 1 und des Antriebswellenteils 31 zu ermöglichen, sind zwischen Antriebswellenteil 31 und Rotorgehäuse 11 einerseits und zwischen Antriebswellenteil 31 und Rotorwellenteil 17 andererseits Lager 513 vorgesehen.According to 3 the drive shaft part extends 31 along the entire length of the rotor 1 into the machine up to the rotor shaft part 17 , The length of the inner drive part 32 This corresponds approximately to the length of the outer drive part, in this case the length of the winding carrier 13 , To a mutual twisting and a simultaneous bending stiffness of the rotor 1 and the drive shaft part 31 to allow are between drive shaft part 31 and rotor housing 11 on the one hand and between drive shaft part 31 and rotor shaft part 17 on the other hand bearings 513 intended.

Das hier angegebene Prinzip der magnetischen Tangentialübertragung ist auch auf Maschinen mit so genannten Außenläufern anwendbar. Hierbei umgibt ein warmer, ferromagnetischer, so genannter Glockenläufer einen im Vakuum angeordneten kalten Rotor mit supraleitender Feldwicklung, der wiederum einen innen liegenden Stator umgibt. Die einander zugewandten Oberflächen des Rotors und des Glockenläufers werden dabei mit beispielsweise axial verlaufenden Längsrippen versehen.The here given principle of magnetic tangential transmission is also applicable to machines with so-called external rotors. This surrounds a warm, ferromagnetic, so-called bell runner one Vacuum cold rotor with superconducting field winding, which in turn surrounds an internal stator. The facing each other surfaces of the rotor and the bell runner be doing with, for example, axially extending longitudinal ribs Mistake.

Claims

Machine with - one around a rotation axis ( 60 ) rotatably mounted rotor ( 1 ), which is a hollow cylindrical rotor housing ( 11 ), which on an axial rotor shaft part ( 17 ) and a winding support ( 13 ) with a superconducting winding ( 12 ), and - means for cooling and thermal insulation of the superconducting winding ( 12 ) characterized in that - an inner hollow cylindrical drive part ( 32 ) fixed to a drive shaft part ( 31 ) is a hollow cylindrical concentric and rotatable about the inner drive part ( 32 ) mounted outer drive part of the winding support ( 13 ) with the superconducting winding ( 12 ), - the inner drive part ( 32 ) a profiled hollow cylinder outer surface ( 322 ), wherein the inner drive part ( 32 ) by the profiled hollow cylinder outer surface ( 322 ) is formed at least partially from ferromagnetic material, and - the outer drive part with respect to the hollow cylinder outer surface ( 322 ) of the inner drive part ( 32 ) corresponding profiled hollow cylinder inner surface ( 131 ), wherein the outer drive part on the part of the profiled hollow cylinder inner surface ( 131 ) is formed at least partially from ferromagnetic material, wherein - one of the superconducting winding ( 12 ) generated magnetic field ( 413 ) on the profiling of the outer drive part on the inner drive part ( 32 ) is transmitted.

Machine according to claim 1, characterized in that - the rotor housing ( 11 ) an inner wall ( 111 ) and an outer wall ( 112 ), - the winding carrier ( 13 ) with the superconducting winding ( 12 ) between the inner and the outer wall ( 111 . 112 ), - the winding carrier ( 13 ) has a hollow cylinder inner surface and the hollow cylinder inner surface of the winding support ( 13 ) of the hollow cylinder inner surface ( 131 ) corresponds to the outer drive part, and - the drive shaft part ( 31 ) on the axis of rotation ( 60 ) is rotatably mounted and concentric with the rotor ( 1 ) arranged at least partially extends into the machine.

Machine according to claim 1 or 2, characterized by ribs ( 432 . 412 ) as a profiling.

Machine according to claim 3, characterized in that - the ribs ( 412 . 432 ) each have a width b and a height h, - in each case two adjacent ribs ( 432 . 412 ) of the hollow cylinder outer surface ( 322 ) of the inner drive part ( 32 ) or the hollow cylinder inner surface ( 131 ) of the outer drive part are spaced apart by a distance d, and - in each case two radially opposed ribs ( 432 . 412 ) of the hollow cylinder outer surface ( 322 ) of the inner drive part ( 32 ) and the hollow cylinder inner surface ( 131 ) of the outer drive part are spaced by a radial distance r, wherein 1/3 · d ≤ b ≤ 2/3 · d, b + d ≥ 5 · r and h ≥ 1/3 · b applies.

Machine according to claim 3 or 4, characterized in that the ribs ( 432 . 412 ) are designed to extend axially at least in sections.

Machine according to one of claims 3 to 5, characterized in that the winding support ( 13 ) except for the ribs ( 412 ) is made of non-magnetic material and the ribs ( 412 ) are made of ferromagnetic material.

Machine according to one of the preceding claims, characterized in that the superconducting winding ( 12 ) Single-pole windings with pole cores ( 121 ) made of ferromagnetic material.

Machine according to one of the preceding claims by magnetically saturated or magnetically unsaturated Iron as a ferromagnetic material.

Machine according to one of the preceding claims, characterized in that the rotor housing ( 11 ) is evacuable.

Machine according to one of the preceding claims, characterized in that the drive shaft part ( 31 ) via at least one warehouse ( 513 ) with the rotor shaft part ( 17 ) connected is.