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Die Erfindung betrifft einen Rotor für eine Synchronmaschine, umfassend einen Grundkörper mit wenigstens zwei durch Pollücken getrennten Polen definierenden supraleitenden Polwicklungen. Daneben betrifft die Erfindung eine supraleitende Synchronmaschine mit einem solchen Rotor, der gegen einen Stator rotierbar ist.
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Gerade in Bereichen, in denen hochüberlastbare und hochdynamische Antriebe benötigt werden, wurde vorgeschlagen, Supraleiter-erregte Synchronmaschinen, insbesondere Hochtemperatursupraleiter-Synchronmaschinen, zu verwenden. Die Sprungtemperatur von Hochtemperatursupraleitern liegt bei Temperaturen oberhalb von 77 K.
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Anforderungen an eine hohe Überlastbarkeit und Dynamik bestehen insbesondere bei Walzwerksantrieben, beispielsweise für Reversier-Vorgerüste (reversing roughing mill) und Fertiggerüste (finishing mill) in Warmwalzwerken, oder in Reversier-Kaltwalzwerken mit Auf- und Abhaspel (coil to coil reversing cold mill) sowie in konventionellen Tandem-Anordnungen bezüglich der Hauptantriebe. Dabei muss beispielsweise das mehrfache Nennmoment innerhalb weniger Millisekunden aus dem Leerlauf heraus aufgebaut werden, insbesondere das dreifache Nennmoment. Auch Laststöße mit mehrfachem Nennmoment oder Lastwechsel von mehrfachem Nennmoment innerhalb weniger Millisekunden können dann auftreten.
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Die heute bekannten Auslegungen und Ausführungen von Hochtemperatursupraleiter-erregten Synchronmaschinen können trotz ihrer bekannten vorteilhaften Eigenschaften wie höherer Wirkungsgrad, höhere Leistungsdichte und hohe Überlastbarkeit diese Anforderungen nicht zufriedenstellend erfüllen, ohne dass negative, kontraproduktive Auswirkungen auf die Maschine und den Arbeitsprozess auftreten. Denn solche im Arbeitsprozess quasi periodisch auftretenden Laststöße und Drehmomentenanforderungen (Wechsel von Beschleunigungs- und Bremsmoment) können in unakzeptabler Weise auf den kalten Läuferbereich und die darin befindliche Hochtemperatursupraleiter-Polwicklungen des Rotors „durchschlagen”, indem sich Wirbelströme in den elektrisch leitfähigen Materialien im ganzen kalten Bereich bilden, die Wärmeverluste zur Folge haben.
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Bisher können derartige Überlastanforderungen in befriedigender Weise nur von meist spezifisch ausgelegten, umrichtergespeisten, konventionellen (also keine supraleitenden Wicklungen umfassenden), fremderregten Synchronmaschinen (oder Gleichstrommaschinen) erfüllt werden. Dabei werden konventionelle umrichtergespeiste Synchronmaschinen für hochdynamische Antriebe mit hohen Überlastanforderungen, insbesondere Walzwerksantriebe, heute üblicherweise derart bemessen, dass der Lastwinkel (Polradwinkel) für das geforderte Stoßmoment nahe am Kippwinkel, aber unterhalb des Kippwinkels liegt. Ein elektrisches „Kippen” der Synchronmaschine wird dabei verhindert, indem der Fluss in der Maschine konstant gehalten wird. Dies wird durch den über die Vektorregelung eigengetakteten Betrieb der Synchronmaschine und eine Erregereinrichtung, die in der Lage ist, den Erregerstrom in etwa mit der Geschwindigkeit, mit der sich der Lastwinkel ändert, nachzuführen, realisiert.
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Bei solchen konventionellen Synchronmaschinen wird beim gewünschten schnellen Aufbau des Drehmoments aus dem Leerlauf zunächst eine Drehmoment bildende Statorstromkomponente im Pollückenbereich (q-Achse) aufgebaut. Die Änderung des Statorstrombelags wird zunächst entsprechend der magnetischen Verkopplung von Stator- und Rotorwicklungen von den Rotorwicklungen, in diesem Fall von dem Dämpferschirm bzw. dem Dämpferkäfig im Pollückenbereich übernommen. Der Lastwinkel (Polradwinkel) beginnt sich nun aufzuspannen. Die Leerlaufzeitkonstante der Dämpferwicklung ist die dafür anfangs wirksame Zeitkonstante. Die dabei ansteigende Statorstromkomponente im Polbereich (d-Achse) wird zunächst von den Rotorwicklungen (Polwicklungen) der d-Achse übernommen. Über die Regelung wird nun der Erregerstrom so nachgeführt, dass der magnetische Fluss konstant bleibt.
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Bei einer schnellen Entlastung der Synchronmaschine wird der Statorstrom, also die Drehmoment bildende Stromkomponente, innerhalb weniger Millisekunden abgebaut. Der magnetische Fluss in der Synchronmaschine ändert sich nicht schlagartig. Die Änderung des Statorstrombelags wird zunächst entsprechend der magnetischen Verkopplung von Stator- und Rotorwicklungen von den Rotorwicklungen übernommen. Dabei überträgt sich abhängig vom vorher vorliegenden Lastwinkel jeweils ein bestimmter Wert in die Pollücken und die Polbereiche. Im Polbereich, also der d-Achse, liegt parallel zur Dämpferwicklung auch die Polwicklung. Damit ergibt sich entsprechend der gemeinsamen Verkopplung der Wicklungen und dem Verhältnis der Impedanzen von Dämpfer- und Polwicklung eine mehr oder weniger hohe Anfangsstörgröße für die Erregereinrichtung. Der dabei in die Polwicklung „eingekoppelte” Strom ist negativ und „reißt” den Erregerstrom in Richtung 0. In dem Maße, wie der Dämpferwicklungsstrom wieder abklingt, geht auch der Lastwinkel wieder gegen 0 (Leerlaufzustand). Über die Regelung wird nun der Erregerstrom so auf den Leerlauferregerstrom zurückgeführt, dass der magnetische Fluss durch den Luftspalt konstant bleibt.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Rotor für eine supraleitende Synchronmaschine anzugeben, der die Realisierung einer besser für Antriebe mit hohen Überlastanforderungen ausgelegten Synchronmaschine erlaubt.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einem Rotor der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass außerhalb des durch die Polwicklungen belegten, radialen Bereichs, insbesondere zum Inneren des Rotors hin, ein nicht ferromagnetischer Raum in den Pollücken bei ferromagnetischem Material in dem Polbereich vorgesehen ist.
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Bei einer supraleitenden Synchronmaschine stellt sich bei Belastung bereits grundsätzlich ein sehr viel kleinerer Lastwinkel (Polradwinkel) im Vergleich zur konventionellen Synchronmaschine ein, so dass zunächst eine sehr viel höhere Überlastfähigkeit gegeben ist. Durch den kleineren Lastwinkel sind die bei den oben beschriebenen dynamischen Übergangsvorgängen in den Polbereichen (entlang der d-Achse, also der Wicklungsachse der supraleitenden Polwicklung) wirkenden Stromkomponenten im Vergleich zur konventionellen Synchronmaschine zwar geringer, aber dennoch vorhanden. Um die beschriebenen Überlastanforderungen, beispielsweise bei einem Walzwerksantrieb quasi periodisch auftretende Lastwechsel, mit mehrfachem Nennmoment besser beherrschen zu können, ist es die Grundidee der vorliegenden Erfindung, die supraleitende Synchronmaschine, insbesondere die Hochtemperatursupraleiter-Synchronmaschine, in ihren magnetischen Eigenschaften gezielt als Schenkelpolmaschine auszuführen. Dies bedeutet insbesondere, dass das Verhältnis der magnetischen Reaktanz (Xq) entlang der Mittenachse der Pollücken (q-Achse) zur magnetischen Reaktanz (Xd) entlang der Mittenachse der Pole (d-Achse) durch das Vorsehen des Raumes abgesenkt ist, insbesondere kleiner als 0,75, bevorzugt kleiner als 0,5, ist. In der Literatur werden die Reaktanzen Xq und Xd häufig auch als synchrone Querreaktanz und synchrone Längsreaktanz bezeichnet.
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Der erfindungsgemäße Rotor wird also gezielt so ausgestattet, dass auch außerhalb des durch die Polwicklungen teilweise belegten radialen Bereichs in Umlaufrichtung nicht überall durchgängig das ferromagnetische Material des Grundkörpers vorgesehen ist, sondern dass in den Pollücken Bereiche nichtferromagnetischen Materials, also amagnetischen Materials, oder Vakuums vorgesehen sind, so dass dort mithin ein größerer magnetischer Widerstand vorliegt. Das bedeutet, dass die geometrische Ausgestaltung folglich derart ist, dass ein nennenswertes zusätzliches Reluktanzmoment auftritt. Dies hat zur Folge, dass sich bei gleicher Belastung ein noch kleinerer Polradwinkel (Lastwinkel) einstellt, mit dem die Überlastfähigkeit verbessert wird. Der Abstand zum Kippwinkel vergrößert sich. Das zusätzlich auftretende Reluktanzmoment verbessert also sowohl die statische als auch die dynamische Überlastbarkeit einer Synchronmaschine mit dem erfindungsgemäßen Rotor, so dass eine derartige supraleitende Synchronmaschine auch für Anwendungen mit Anforderungen hoher Überlastbarkeit geeignet ist, beispielsweise zur Verwendung in einem Walzwerksantrieb.
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Um diese erfindungsgemäße Wirkung zu erzielen, wird also durch den zusätzlichen nicht magnetisch leitfähigen Raum die „Schenkeligkeit” des Rotors erhöht. Somit setzt sich nun das Gesamtmoment aus einer durch die bestromten Polwicklungen hervorgerufenen Komponente und einer weiteren Komponente, die von den unterschiedlichen Induktivitäten des Rotors in d- und q-Richtung herrührt, dem sogenannten Reluktanzmoment, zusammen. Dieser Effekt kann nun genutzt werden, um entweder ein höheres Drehmoment der Synchronmaschine bei demselben Lastwinkel zu erreichen oder bei gleichbleibendem Gesamtdrehmoment den Bedarf an Supraleitermaterial zu verringern.
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Dabei tritt bei Realisierung einer Synchronmaschine mit dem erfindungsgemäßen Rotor noch ein weiterer äußerst vorteilhafter Effekt auf, der die Nutzung einer derartigen supraleitenden Synchronmaschine auch für andere Anwendungen sehr attraktiv macht, denn es können je nach absoluter Größe des realisierten Reluktanzmoments zusätzlich erwünschte Notlaufeigenschaften entstehen, die es ermöglichen, selbst bei nicht verfügbarer elektrischer Erregung, beispielsweise wegen ausgefallener Kühlung oder ausgefallener Erregereinrichtung, die Synchronmaschine mit reduzierter Leistung entsprechend dem verfügbaren Reluktanzmoment zu betreiben. Gemeinsam mit einer entsprechenden Gestaltung des Dämpferschirmes, was jedoch Stand der Technik ist, kann hierdurch eine Netzaufschaltung der stehenden Synchronmaschine mit asynchronem Hochlauf ermöglicht bzw. erleichtert werden. Derartige Notlaufeigenschaften sind für alle Anwendungen, bei denen ein vollständiger Stillstand der Synchronmaschine nicht erwünscht ist, von besonderem Interesse, beispielsweise bei einer Verwendung einer supraleitenden Synchronmaschine mit einem erfindungsgemäßen Rotor bei drehzahlvariablen, insbesondere umrichtergespeisten Antrieben für die unterschiedlichsten industriellen Arbeitsprozesse, wie beispielsweise in Walzwerken oder auch in einem Schiffsantrieb.
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In weiterer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass wenigstens ein Teil des nichtferromagnetischen Raums den Polwicklungen in radialer Richtung dem Stator abgewandt folgt. Dabei sei an dieser Stelle angemerkt, dass, da üblicherweise nicht gewölbte supraleitende Polwicklungen/Spulen verwendet werden, bereits supraleitende Synchronmaschinen bekannt sind, bei denen am Außenumfang des Rotors bei einem Innenläufer bzw. beim Innenumfang des Rotors bei einem Außenläufer Polkerne bildende Vorsprünge ausgebildet sind, um die die supraleitenden Polwicklungen gelegt sind. Diese Polkerne weisen dabei eine Höhe auf, die gerade den von Polwicklungen belegten Bereich abdeckt. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann nun vorgesehen sein, in den Pollücken nun weiter nach innen reichende Freiräume vorzusehen, die gegebenenfalls mit einem amagnetischen, nicht elektrisch leitfähigen Material aufgefüllt werden können.
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In konkreter Ausgestaltung kann dabei vorgesehen sein, dass die Polwicklungen um insbesondere radial verlaufende Grenzen aufweisende Polkerne gelegt sind, deren radiale Länge größer ist als die radiale Länge der Polwicklungen, insbesondere wenigstens doppelt so groß. Es wird also vorgeschlagen, die Tragstruktur der Polwicklungen aus magnetisch leitfähigem Material radial höher auszuführen, um somit durch das zusätzlich auftretende Reluktanzmoment die „Schenkeligkeit” des Rotors zu erhöhen. Der Polkern ist also aus einem magnetischen Material gefertigt, insbesondere demselben Material wie der Grundkörper (das Joch). Dabei sind die Polkerne radial sehr lang ausgeführt, das bedeutet, sie sind radial deutlich länger als die radiale Höhe der Polwicklungen. Somit entsteht der nicht ferromagnetische Raum, mithin die ausreichende Veränderung des magnetischen Widerstands.
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Allgemein kann vorgesehen sein, dass der nicht ferromagnetische Raum durch einen Vakuumbereich gebildet wird oder mit Luft oder einem anderen nicht ferromagnetischen, nicht elektrisch leitfähigen Material gefüllt ist.
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Ein Vakuum kann insbesondere dann vorteilhaft realisiert werden, wenn aufgrund der Kühlung der supraleitenden Polwicklungen diese sich ohnehin in einem Vakuum befinden sollen. Derartiges kann beispielsweise durch einen die Pole umschließenden Zylinder, der auch eine als Dämpfungsschicht wirkende Kupferschicht umfasst, realisiert werden. Günstig hat sich hier beispielsweise ein Zylinder in einer Sandwichstruktur erwiesen, der außen zwei Kupferschichten aufweist, die einen Stahlträger umschließen. In diesem Fall herrscht um die Polwicklung herum ohnehin ein Vakuum, das in den nicht ferromagnetischen Raum fortgesetzt werden kann.
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Alternativ kann auch vorgesehen sein, den entstehenden Freiraum wenigstens teilweise mit amagnetischem, also nicht ferromagnetischem, nicht elektrisch leitfähigem Material zu füllen. Dabei kann beispielsweise als amagnetisches und elektrisch nicht leitendes Material ein Glasfaserkunststoff verwendet werden. Das Vorsehen eines derartigen Materials kann die Gesamtstabilität des Rotors verbessern.
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Neben dem Rotor betrifft die vorliegende Erfindung auch eine supraleitende Synchronmaschine, insbesondere eine Hochtemperatursupraleiter-Synchronmaschine, die einen Stator sowie einen gegen den Stator drehbaren erfindungsgemäßen Rotor umfasst. Sämtliche Ausführungen bezüglich des erfindungsgemäßen Rotors lassen sich analog auf die erfindungsgemäße Synchronmaschine übertragen, so dass auch damit die genannten Vorteile erreicht werden können, insbesondere die besonders vorteilhafte Verwendung im Rahmen eines Walzwerksantriebs und/oder in Anwendungen, in denen eine Notlaufeigenschaft nützlich oder notwendig ist.
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Weitere Vorteile und Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnung. Dabei zeigen:
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1 einen teilweisen Querschnitt durch eine supraleitende Synchronmaschine gemäß dem Stand der Technik, und
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2 einen teilweisen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße supraleitende Synchronmaschine.
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1 zeigt einen teilweisen Querschnitt durch eine Synchronmaschine 1 gemäß dem Stand der Technik. Innerhalb eines Stators 2 mit Statorwicklung 3 ist, durch einen Luftspalt 4 beabstandet, ein als Innenläufer ausgebildeter Rotor 5 vorgesehen. Der Rotor 5 umfasst einen Grundkörper 6 aus einem magnetischen Material, insbesondere Eisen umfassend, auf dessen Oberfläche Polkerne 7 vorgesehen sind, die einstückig mit dem Grundkörper 6 ausgebildet oder daran befestigt sein können. Die Polkerne 7 sind in ihrer radialen Länge auf die radiale Länge von um die Polkerne 7 gelegten supraleitenden Polwicklungen 8 ausgelegt.
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Zur thermischen Isolation sind die Polwicklungen 8 in einem Vakuum 9 angeordnet, das durch einen Zylinder 10 begrenzt ist, der als Druckbehälter und Dämpferschirm wirkt.
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Trotzdem derartige Synchronmaschinen als supraleitende Synchronmaschinen bei niedrigeren Lastwinkeln arbeiten können, erfüllen sie die Anforderungen von Antrieben mit hohen Überlastanforderungen noch nicht.
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2 zeigt eine diesbezüglich verbesserte erfindungsgemäße Synchronmaschine 1', in der zur besseren Verständlichkeit gleiche Bestandteile mit gleichen Bezugszeichen versehen sind.
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Ersichtlich sind die von dem Grundkörper 6' abstehenden Polkerne 7' hier in radialer Richtung länger ausgeführt, so dass sich unterhalb der Polwicklungen 8, also nach innen hin, ein Freiraum 12 ergibt, der nicht durch das ferromagnetische Material des Grundkörpers 6' ausgefüllt ist. In diesen Freiräumen 12 ist nun ein amagnetisches, also nicht ferromagnetisches, Material 13, beispielsweise GFK, eingebracht, welches zudem nicht elektrisch leitfähig ist. Die Freiräume 12 werden also letztendlich so gestaltet, dass sie in den Pollücken um die q-Achse 14 einen nicht magnetischen Raum bilden, der in den Pollücken den magnetischen Widerstand entlang der q-Achse 14 erhöht. Gleichzeitig bestehen ja die Wicklungsträger 7' weiterhin aus magnetischem Material, so dass der magnetische Widerstand entlang der d-Achse 15 weiterhin niedrig bleibt. Diese Eigenschaft, die zum Auftreten von Reluktanzmomenten führt, wird häufig über das Verhältnis der magnetischen Reaktanzen entlang der Achsen 14, 15 ausgedrückt, die mit Xq und Xd bezeichnet werden können. Vorliegend ergibt sich ein Verhältnis von Xq zu Xd von kleiner 0,75. Es sind auch andere Auslegungen denkbar, in denen das Verhältnis beispielsweise auf besonders vorteilhafte 0,5 oder niedriger abgesenkt ist. Bei der aus dem Stand der Technik bekannten Ausführung gemäß 1 geht das Verhältnis hingegen gegen 1; es liegt kaum ein Unterschied von der d-Achse 14 zu der q-Achse 15 vor.
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Im Ausführungsbeispiel nach 2 können die Polwicklungen 8 sowohl freitragend als auch nicht freitragend, auf dem Material 13 aufliegend, ausgeführt werden. Denkbar ist es im Übrigen auch, das Material 13 gänzlich wegzulassen, da ohnehin ein nichtmagnetisches Vakuum in diesem Ausführungsbeispiel vorliegt.
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Es sei an dieser Stelle noch angemerkt, dass die Rotorwicklung 8 der Synchronmaschine 1' aus Hochtemperatursupraleiter-Spulen bestehen, die beispielsweise als flache Rennbahnspulen oder gewölbte Sattelspulen ausgebildet sind. Dabei können mehrere Hochtemperatursupraleiter-Spulen übereinander vorgesehen sein. In den Figuren sind vier Teilspulen beispielhaft übereinander dargestellt.
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Bei der erfindungsgemäßen Synchronmaschine 1' setzt sich das Gesamtdrehmoment folglich aus einem Reluktanzdrehmoment und dem durch die bestromten Polwicklungen hervorgerufenen Moment zusammen. Insbesondere ist es dann bei der erfindungsgemäßen Synchronmaschine 1' auch denkbar, dass Notlaufeigenschaften vorliegen, die es ermöglichen, selbst bei nicht verfügbarer elektrischer Erregung, beispielsweise bei einer ausgefallenen Kühlung oder einer ausgefallenen Erregereinrichtung, die Synchronmaschine 1' mit reduzierter Leistung entsprechend den verfügbaren Reluktanzmomenten zu betrieben.
