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Die Erfindung betrifft eine Synchronmaschine, insbesondere Drehstrom-Synchronmaschine, aufweisend einen 2p-poligen Läufer und einen Ständer mit einer Ständerwicklung mit mehreren Teilwicklungen. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Synchronmaschine. Die Erfindung ist besonders vorteilhaft einsetzbar für Maschinen mit hohem Drehmoment, Windkraftanlagen, getriebelose Schiffsantriebe, Industrieantriebe, Schiffsgeneratoren, Kraftwerksgeneratoren und Hochgeschwindigkeitsmaschinen.
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Synchronmaschinen als solche sind aus dem Stand der Technik hinlänglich bekannt. Typischerweise besitzen Synchronmaschinen einen Läufer mit einer festen Zahl von 2p magnetischen Polen (mit p der Polpaarzahl und 2p der Zahl der Pole) und einen dazu entsprechend ausgelegten Läufer mit einer zugehörigen Läuferwicklung. Die Läuferwicklung ist unter anderem auf die Polpaarzahl des Läufers abgestimmt, z.B. in Bezug auf ihre Anordnung. Synchronmaschinen weisen in ihrem Betrieb eine feste Nenndrehzahl mit einem festen Drehmoment auf. Drehzahländerungen sind bei Drehstrom-Synchronmotoren nur durch die Verwendung von Frequenzumrichtern realisierbar.
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Es sind ferner Synchronmaschinen bekannt, bei denen der Läufer zur Erzeugung seines 2p-poligen Magnetfelds strombeaufschlagbare Spulen aus einem Hochtemperatursupraleiter(HTS)-Material aufweisen. Ein solcher HTS-Läufer weist einen höheren Wirkungsgrad auf.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Nachteile des Standes der Technik zumindest teilweise zu überwinden und insbesondere eine Synchronmaschine bereitzustellen, bei der sich Drehzahländerungen mit einem geringeren apparativen Aufwand realisieren lassen.
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Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind insbesondere den abhängigen Ansprüchen entnehmbar.
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Die Aufgabe wird gelöst durch eine Synchronmaschine, aufweisend einen 2p-poligen Läufer und einen Ständer mit einer Ständerwicklung aus mehreren Teilwicklungen, wobei eine Polpaarzahl p änderbar ist durch eine Änderung einer in einem HTS-Material des Läufers eingefrorenen Magnetisierung.
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Diese Synchronmaschine weist unter anderem den Vorteil auf, dass die Polpaarzahl der Synchronmaschine und damit ihre Nenndrehzahl an aktuelle Erfordernisse praktisch ohne zusätzlichen apparativen Aufwand angepasst werden kann. Bei einem geringerem Drehmomentbedarf kann ferner problemlos eine höherer Nenndrehzahl für den Betrieb der Synchronmaschine gewählt werden, und umgekehrt. Bei einem Betrieb der Synchronmaschine mit einem Frequenzumrichter kann durch die änderbare oder umschaltbare Polpaarzahl ein zugänglicher Drehzahlbereich vervielfacht, beispielsweise verdoppelt, werden. Auch kann eine Ständerspannung durch die Änderung der Polpaarzahl angepasst werden.
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Die Synchronmaschine macht sich zu Nutze, dass ein hochtemperatursupraleitendes Material bzw. HTS-Material oberhalb seiner Sprungtemperatur von einem Magnetfeld durchdrungenden werden kann. Nach einem Abkühlen des HTS-Materials unter die Sprungtemperatur bei vorhandenem Magnetfeld wird dieses Magnetfeld erhalten bleiben. Dieser Effekt kann als ein "Einfrieren" der Magnetisierung des HTS-Materials bezeichnet werden. In seinem supraleitenden Zustand ist das HTS-Material dann also quasi permanentmagnetisch. Da das äußere Magnetfeld, das zur Magnetisierung des HTS-Materials verwendet wird, eine grundsätzlich beliebige Form annehmen kann, ist auch die Form oder der Verlauf der magnetischen Ausrichtung des HTS-Materials vielfältig einstellbar. Insbesondere kann das HTS-Material so magnetisiert werden, dass der Läufer eine grundsätzlich beliebige Polpaarzahl p aufweist. Zum Ändern der Polpaarzahl p braucht das HTS-Material nur wieder auf eine Temperatur oberhalb der Sprungtemperatur erwärmt zu werden, ein für die neue Polpaarzahl p geeignetes äußeres Magnetfeld angelegt zu werden und das HTS-Material bei angelegtem äußerem Magnetfeld wieder unter die Sprungtemperatur abgekühlt zu werden. Dies geschieht vorteilhafterweise bei einem stillstehenden Läufer.
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Zum Betrieb der Synchronmaschine mit dem HTS-Läufer mit der neuen Polpaarzahl braucht dann nur noch die Ständerwicklung entsprechend bestromt zu werden. Dies wird durch einen Aufbau der Ständerwicklung aus mehreren Teilwicklungen ermöglicht, welche dazu entsprechend umgeschaltet oder zusammengeschaltet werden können, z.B. mittels einer geeigneten Schalteinrichtung. Ein geeignetes Auslegen einer Ständerwicklung zum Zusammenwirken mit einem Läufer einer bestimmten Polpaarzahl p ist grundsätzlich bekannt, so dass auch auf das Schalten oder Anschließen der Teilwicklungen nicht weiter eingegangen zu werden braucht.
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Die Synchronmaschine mag insbesondere eine Drehstrom-Synchronmaschine sein.
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Die Teilwicklungen können insbesondere zueinander winkelversetzt sein, was eine einfache Verschaltung erleichtert.
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Es ist eine Ausgestaltung, dass das HTS-Material in Form eines Volumenmaterials oder "Bulk"-Materials vorliegt. Das HTS-Volumenmaterial weist insbesondere eine in allen drei Dimensionen nicht vernachlässigbare, zusammenhängende Form auf. So kann eine besonders vielseitige Form der Magnetisierung in dem HTS-Material ermöglicht werden. Auch wird so der Effekt des "Quenchings", welcher z.B. bei nicht als HTS-Bulkmaterial vorliegenden HTS-Wicklungen eher auftreten kann, unterdrückt.
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Es ist eine Ausgestaltung, dass das HTS-Material, insbesondere HTS-Volumenmaterial, einen zu einer Drehachse des Läufers konzentrisch angeordneten HTS-Hohlzylinder bildet. Der HTS-Hohlzylinder lässt sich aufgrund seiner gleichmäßig umlaufenden Form besonders frei und damit vielfältig magnetisieren. Da der gesamte mantelseitige Umfang des Läufers mit dem HTS-(Volumen-)Material belegt sein kann, wird eine optimale Nutzung der verfügbaren Fläche hinsichtlich eines möglichst großen Drehmoments erreicht. Bei dem Magnetisieren des Läufers kann dieser beispielsweise aufgrund seiner Zylindersymmetrie in jeder beliebigen Position stehen. Ein exaktes Positionieren entfällt, da keine Polpositionen durch die geometrische Form des Läufers vorbestimmt sind.
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Es ist noch eine Ausgestaltung, dass das HTS-Material mittels einer Kühleinrichtung unter seine Sprungtemperatur kühlbar ist und mittels einer Heizung über seine Sprungtemperatur erwärmbar ist. So lässt sich die Umschaltung der Polpaarzahl p oder der Zahl 2p der Pole schnell erreichen.
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Die Kühleinrichtung mag insbesondere einen mit Kühlmedium (z.B. flüssigem Stickstoff oder flüssigem Neon) zumindest teilweise gefüllten Hohlraum, insbesondere zylinderförmigen Hohlraum, aufweisen. Durch den Hohlraum lässt sich der Läufer sicher auf einer Temperatur unterhalb seiner Sprungtemperatur halten.
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Die Heizung kann ein oder mehrere Heizelemente aufweisen, welche das HTS-Material vorzugsweise großflächig oder großvolumig, insbesondere im Wesentlichen vollständig, so weit aufheizen, dass es seine Sprungtemperatur überschreitet.
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Die Heizung ist insbesondere elektrisch betreibbar, da sich so ein einfacher Aufbau ergibt.
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Die Heizung ist insbesondere eine Flächenheizung, z.B. aufweisend eine oder mehrere Dünnschicht- oder Dickschicht-Heizleiterbahnen. Dies können besonders einfach in den Läufer integriert werden, z.B. durch Aufkleben oder Aufdrucken, insbesondere als eine großflächige Heizungslage.
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Es ist noch eine weitere Ausgestaltung, dass die Heizung drahtlos mit Leistung versorgbar ist. So kann auf zugehörige Anschlussleitungen verzichtet werden, was einen apparativen Aufwand weiter verringert.
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Eine besonders einfache und effektive Leistungsversorgung kann dadurch erreicht werden, dass die Heizung induktiv oder transformatorisch mit Leistung versorgbar ist. Dazu mag die Heizung, insbesondere jedes der Heizelemente bei einem Vorliegen mehrerer Heizelemente, mit mindestens einer (sekundärseitigen) Leistungsempfangsspule ausgerüstet sein, welche insbesondere als eine sekundärseitige Transformatorhälfte dienen kann. Mindestens eine für einen Leistungseintrag in die Heizung verwendbare primärseitige Spule oder Transformatorhälfte mag beispielsweise an dem Ständer angeordnet sein.
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Es ist ferner eine Ausgestaltung, dass die Synchronmaschine mindestens eine Temperaturüberwachungseinrichtung zur Überwachung einer Temperatur der Heizung und/oder des HTS-Materials aufweist. Die Temperaturüberwachungseinrichtung dient vorteilhafterweise zum Überwachen einer Temperatur in dem HTS-Material (und zwar direkt an dem HTS-Material und/oder indirekt über eine Temperatur der Heizung), insbesondere zur Steuerung und Überwachung des oben beschriebenen Ummagnetisierungsprozesses. Die Temperaturüberwachungseinrichtung kann insbesondere eine telemetrisch oder fernabfragbar arbeitende Temperaturüberwachungseinrichtung sein, so dass auch hier auf eine Verkabelung des Läufers zur Signalübertragung verzichtet werden kann. Die Temperaturüberwachungseinrichtung mag beispielsweise als eine RFID-Marke ausgestaltet sein. Die Temperaturüberwachungseinrichtung mag einen oder mehrere Temperatursensoren umfassen.
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Es ist auch eine Ausgestaltung, dass nebeneinander angeordnete Teilwicklungen gleichgerichtet in einem gemeinsamen Strang zusammenschaltbar sind. So kann eine besonders einfache Umschaltung der Ständerwicklung bzw. der Teilwicklungen realisiert werden.
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Es ist eine Weiterbildung, dass die Zahl q der Teilwicklungen dreimal der Zahl einer maximal einstellbaren Polpaarzahl pmax entspricht. Weist die Ständerwicklung dann q Teilwicklungen auf, so mag der Läufer bis zu pmax = q/3 Pole oder q/6 Polpaare aufweisen. Beispielsweise mag dann, wenn die Ständerwicklung q = 12 Teilwicklungen aufweist, der Läufer als ein zweipoliger (p = 1) Läufer oder als ein vierpoliger (p = pmax = 2) Läufer ausgebildet sein. Die Zahl der Pole 2p ist dabei geradzahlig und die Zahl q der Teilwicklungen insbesondere ein Vielfaches von sechs. Die Teilwicklungen können insbesondere in drei Stränge verschaltbar sein, insbesondere bei einer Drehstrom-Synchronmaschine.
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Es ist eine für einen sicheren und effektiven Betrieb des Läufers vorteilhafte Ausgestaltung, dass der Läufer eine kreiszylindrische Form aufweist, welche von innen nach außen mindestens eines der folgenden Elemente aufweist: (i) einen vollzylinderförmigen Hohlraum für Kühlmedium (z.B. flüssiges Neon oder flüssigen Stickstoff) mit einer thermisch gut leitfähigen Wand aus z.B. Kupfer oder Aluminium; (ii) einen hohlzylindrischen Polkern (insbesondere aus einem ferromagnetischen Material z.B. Eisen oder kaltzähen Eisenlegierungen), welcher gleichzeitig die Wand des vollzylinderförmigen Hohlraums darstellen kann; (iii) eine hohlzylindrische Kopplungslage mit einer geringen Wärmeleitfähigkeit (z.B. eine mit Epoxydharz nass gewickelte dünne Glasfaserbandage); (iv) einen Hohlzylinder aus dem HTS-(Volumen-)Material (z.B. YBaCuO, SmBaCuO, GdBaCuO oder auch andere supraleitende Materialien wie z.B. MgB2); (v) eine hohlzylindrisch angeordnete Heizung (z.B. durch Aufkleben von Heizfolie(n)), insbesondere mehrere hohlzylindrisch angeordnete Heizungselemente; und/oder (vi) eine hohlzylindrische Bandage (z.B. eine nass gewickelte Glasbandage) zum Schutz gegen bei einer Rotation auftretende Zentrifugalkräfte.
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Der Läufer kann drehbeweglich in einem Vakuumraum eines Kryostaten untergebracht sein. Alternativ mag der Kryostat einen Teil des Läufers darstellen, wobei die Kryostatwand insbesondere eine Außenwand des Läufers darstellen kann.
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Der Hohlzylinder kann aus einzelnen Segmenten zusammengesetzt sein.
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Dieser Aufbau des Läufers erlaubt die universelle Verwendung des Läufers ohne konstruktive Anpassung in Synchronmaschinen mit unterschiedlicher Polzahl. Ferner ist ein solcher Läufer mit einem verringerten Fertigungsaufwand und in hoher Stückzahl fertigbar. Der geringe Platzbedarf für die Pole des Läufers in dem HTS-Material ermöglicht zudem einen Bau von schlanken Läufern. Dadurch werden besonders hohe Drehzahlen ermöglicht. Eine mechanische Stabilisierung des Läufers für den Betrieb bei hohen Drehzahlen ist durch die zylindrische Form leicht und kostengünstig realisierbar. Die Kühlung des Läufers wird zudem im Vergleich zu klassischen HTS-Synchronmaschinen mit HTS-Spulen wesentlich vereinfacht, da keinerlei HTS-Spulen (mit potentieller Quenchgefahr) zu kühlen sind. Es gibt auch keine Stromzuführungen, die thermisch abgefangen und gekühlt zu werden brauchen.
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Es ist noch eine Ausgestaltung, dass die Synchronmaschine dazu eingerichtet ist, die Änderung der in dem HTS-Material des Läufers eingefrorenen Magnetisierung mittels eines Anlegens eines durch die Ständerwicklung erzeugten Magnetfelds herbeizuführen. So kann auf eine eigenständige Magnetfelderzeugungseinheit zur Ummagnetisierung des HTS-Materials verzichtet werden. Jedoch ist grundsätzlich auch eine Verwendung einer solchen Magnetfelderzeugungseinheit möglich.
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Insbesondere an dem oben beschriebenen mehrlagigen Läufer kann eine Magnetisierung (Aufmagnetisierung oder Ummagnetisierung) des HTS-Materials mit Hilfe einer Bestromung des Ständers durchgeführt werden. An dem Läufer sind demzufolge keine HTS-Spulen mehr notwendig. Die Teilwicklungen des Drehstromständers können bei dem Magnetisierungsvorgang gemeinsam oder unabhängig voneinander mit Gleichstrom bestromt werden.
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Zur Magnetisierung des Läufers werden das in dem Läufer befindliche HTS-Material und der Polkern abgekühlt, falls dies nicht bereits der Fall ist. Anschließend wird das thermisch schwach an den Polkern des Läufers angekoppelte HTS-Material mittels der Heizung kurzzeitig über seine kritische Temperatur oder Sprungtemperatur erwärmt. Durch die nur geringe Wärmeleitfähigkeit der Kopplungslage wird praktisch nur das HTS-Material erwärmt, während der Polkern kalt bleibt.
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Nun werden die Wicklungen des Ständers bevorzugt mit Gleichstrom bestromt, wobei z.B. bei einer sternförmigen Schaltung der Strom durch einen Strang zum Sternpunkt fließt und anschließend durch die beiden verbleibenden Stränge zurück zur Gleichstromquelle. Alternativ können die drei Stränge auch jeweils von einer eigenen Gleichstromquelle versorgt werden. Zur Versorgung der Stränge während des Aufmagnetisierens kann auch der bei Synchronmotoren ohnehin vorhandene Umrichter verwendet werden.
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Diese Gleichstrombestromung erzeugt am Ort des HTS-Materials ein konstantes Magnetfeld, das im HTS-Material zur Erzeugung einer gewünschten 2p-poligen Magnetisierung führt. Durch ein Ausschalten der Heizung während der Bestromung kann nun das HTS-Material relativ schnell wieder ungefähr auf die Temperatur des Polkerns unterhalb der kritischen Temperatur oder Sprungtemperatur des HTS-Materials abgekühlt werden. Dadurch wird der magnetische Fluss bzw. die Magnetisierung in dem HTS-Material eingefroren. Jetzt wird die Bestromung der Ständerwicklungen abgeschaltet, und der Magnetisierungsvorgang ist abgeschlossen. Der Läufer ist nun 2p-polig magnetisiert. Jedoch sind auch andere Abläufe möglich, um die Magnetisierung durchzuführen.
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Der Läufer ermöglicht folglich eine besonders vorteilhafte Möglichkeit der Magnetisierung. So ist das HTS-Material bei einer Montage des Läufers noch unmagnetisiert, wodurch eine einfachere Montage im Vergleich zu permanentmagnetisch erregten Maschinen ermöglicht wird. Eine Demontage, d.h. ein Entfernen des Läufers aus dem Ständer ist ebenfalls einfacher möglich, da sich der Läufer nach dem Abschalten des Kühlsystems erwärmt und dadurch das HTS-Material seine Magnetisierung verliert (sobald seine Temperatur die kritische Temperatur übersteigt). Ferner kann der Läufer zur schnelleren Demontage schnell entmagnetisiert werden, indem mit der Heizung das HTS-Material bei ausgeschaltetem Ständer kurzzeitig über die kritische Temperatur erwärmt wird. Nach einem Störfall (z.B. einer Erwärmung des HTS-Materials durch einen längeren Ausfall des Kühlsystems) kann der Läufer zudem nach einem erneutem Abkühlen problemlos wieder magnetisiert und die Maschine wieder in Betrieb genommen werden. Bei der Magnetisierung des HTS-Materials kann zur Versorgung der Ständerwicklung bzw. der Teilwicklungen mit Gleichstrom der Umrichter, der bei Synchronmotoren ohnehin meist vorhanden ist, eingesetzt werden. Damit kann ein zusätzliches Gleichstromversorgungsgerät eingespart werden.
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Die Aufgabe wird auch gelöst durch ein Verfahren zum Betreiben einer Synchronmaschine, wobei die Synchronmaschine einen Läufer mit einem HTS-Material, in dem eine zur Erzeugung eines vorbestimmten 2p-poligen Magnetfelds geeignete Magnetisierung eingefroren ist, und einen Ständer mit einer Ständerwicklung aus mehreren Teilwicklungen aufweist, wobei das Verfahren mindestens die folgenden Schritte umfasst: (a) Erwärmen des HTS-Materials auf eine Temperatur oberhalb seiner Sprungtemperatur; (b) Anlegen eines Magnetfelds an das HTS-Material zur Ausprägung einer Magnetisierung, die zur Erzeugung eines 2p-poligen Magnetfelds mit einer geänderten Polpaarzahl p geeignet ist; und (c) Abkühlen des HTS-Materials auf eine Temperatur unterhalb seiner Sprungtemperatur bei angelegtem Magnetfeld;
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Das Verfahren kann grundsätzlich analog zu der Synchronmaschine ausgestaltet sein und auch die gleichen Vorteile ergeben.
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So kann das Verfahren auch einen Schritt (d) Elektrisches Umschalten der Teilwicklungen aufweisen, der sich anschließen oder vorausgehen kann.
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Es ist eine Ausgestaltung, dass zum Anlegen des Magnetfelds die Ständerwicklung (d.h., die gesamte Ständerwicklung oder Teile, z.B. Teilwicklungen, davon) bei stehendem Läufer mit Gleichstrom beaufschlagt wird. So ist das zur (Um- oder Auf-)Magnetisierung benötigte Magnetfeld besonders einfach zu realisieren.
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Dabei können beispielsweise jeweils zwei von drei elektrischen (Phasen-)Anschlüssen der Ständerwicklung (oder Teilen davon) elektrisch zusammengeschaltet werden und die so noch verbleibenden zwei getrennten elektrischen Anschlüsse mit einen Gleichstrom beauftragt werden.
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Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden schematischen Beschreibung eines Ausführungsbeispiels, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden. Dabei können zur Übersichtlichkeit gleiche oder gleichwirkende Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen sein.
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1 zeigt einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Synchronmaschine mit einem zylinderförmigen Läufer quer zu dessen Längsachse;
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2 zeigt in gleicher Sicht eine Skizze eines magnetischen Ersatzschaltbilds einer Synchronmaschine mit einem zweipoligen Läufer;
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3 zeigt in gleicher Sicht eine Skizze eines magnetischen Ersatzschaltbilds einer erfindungsgemäßen Synchronmaschine mit einem vierpolig magnetisierten Läufer; und
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4 zeigt in gleicher Sicht eine Skizze eines magnetischen Ersatzschaltbilds der erfindungsgemäßen Synchronmaschine mit einem zweipolig ummagnetisierten Läufer.
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1 zeigt einen Schnitt durch eine Synchronmaschine 1 mit einem zumindest abschnittsweise zylinderförmigen Läufer 2. Der Läufer 2 ist drehbeweglich in einem den Läufer 2 umgebenden Ständer 3 untergebracht.
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Der Läufer 2 weist innen einen zu seiner Längsachse L konzentrischen, vollzylinderförmigen Hohlraum 4 für Kühlmedium (z.B. flüssiges Neon oder flüssigen Stickstoff) auf, dessen Wand durch einen hohlzylindrischen Polkern 5 aus ferromagnetischem Material wie z.B. Eisen gebildet wird. Eine Innenwand des Polkerns kann mit Kupfer oder Aluminium ausgebildet sein. Der Polkern 5 ist außenseitig von einer Kopplungslage 6 mit einer geringen Wärmeleitfähigkeit, nämlich hier von einer mit Epoxydharz nass gewickelten, dünnen Glasfaserbandage, bedeckt. Die Kopplungslage 6 (oder Thermobarriere) unterdrückt kurzfristig auftretende Wärmeströme durch sie hindurch. Die Kopplungslage 6 ist von einem Hohlzylinder aus HTS-(Volumen-)Material 7 (z.B. YBaCuO, SmBaCuO, GdBaCuO usw.) umgeben. Auf einer Außenseite des HTS-Materials 7 ist eine Heizung 8 durch Aufkleben von Heizfolie(n) vorhanden. Zum Schutz dieser Elemente 4 bis 8 gegen bei einer Rotation auftretende Zentrifugalkräfte ist darauf eine hohlzylinderförmige Bandage 9, nämlich eine nass gewickelte Glasbandage, aufgebracht. Diese Elemente 4 bis 9 sind in einem Vakuumraum 10 eines Kryostaten 11 untergebracht.
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Der Läufer 2 ist durch einen Spalt S von dem Ständer 3 getrennt, wobei der Ständer 3 eine Ständerwicklung 12 mit mehreren Teilwicklungen 13 aufweist. Dabei sind nebeneinander angeordnete Teilwicklungen 13 gleichgerichtet in einem gemeinsamen Strang zusammenschaltbar.
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Zur Magnetisierung des Läufers 2 sind das HTS-Material 7 und der Polkern 5 unter die Sprungtemperatur des HTS-Materials abgekühlt, und zwar durch zumindest teilweises Füllen und ggf. Beströmen des Hohlraums 4 mit dem Kühlmedium.
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Nun wird (bevorzugt bei stehendem Läufer 2) das HTS-Material 7 mittels der Heizung 8 kurzzeitig über seine kritische Temperatur oder Sprungtemperatur erwärmt. Durch die nur geringe Wärmeleitfähigkeit der Kopplungslage 6 wird praktisch nur das HTS-Material 7 erwärmt, während der Polkern 5 kalt bleibt.
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Im Folgenden werden die Ständerwicklung 12 bzw. die mehreren Teilwicklungen 13 des Ständers 3 mit Gleichstrom bestromt, wobei z.B. bei einer sternförmigen Schaltung der Strom durch einen Strang zu einem Sternpunkt fließt und anschließend durch die beiden verbleibenden Stränge zurück zu der Gleichstromquelle fließt. So wird mittels der Ständerwicklung 12 ein konstantes Magnetfeld erzeugt, welches das HTS-Material 7 durchdringt und magnetisiert. Dieses Magnetfeld kann eine Magnetisierung in dem HTS-Material 7 erzeugen, welche die Polzahl 2p bzw. die Polpaarzahl p des Läufers 2 grundsätzlich beliebig einstellt und insbesondere durch einen Ummagnetisierungsvorgang ändern kann.
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Durch ein Ausschalten der Heizung 8 während der Bestromung wird das HTS-Material 7 relativ schnell wieder ungefähr auf die Temperatur des Polkerns 5 unterhalb der kritischen Temperatur oder Sprungtemperatur des HTS-Materials 7 abgekühlt. Dadurch wird der magnetische Fluss bzw. die Magnetisierung in dem HTS-Material 7 eingefroren. Folgend wird die Bestromung der Ständerwicklung 12 abgeschaltet, und der Magnetisierungsvorgang ist abgeschlossen.
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Der oben beschriebene Magnetisierungsablauf ist auch zur Aufmagnetisierung des Läufers 2 aus einem nichtmagnetisierten Zustand geeignet.
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Da das zur Magnetisierung des Läufers 2 bzw. dessen HTS-Materials 7 erzeugte Magnetfeld hochgradig variabel wählbar ist, kann das HTS-Material 7 auf einfache Weise so magnetisiert (ummagnetisiert oder aufmagnetisiert) werden, dass der Läufer 2 eine beliebige 2p-polige Magnetisierung aufweist. Insbesondere kann so die Polpaarzahl p einfach umgeschaltet werden.
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Zum Betrieb der Synchronmaschine 1 mit einer geänderten Polpaarzahl p brauchen nun nur noch die Teilwicklungen 13 geeignet verschaltet werden.
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Für eine konstruktiv besonders einfache Ausgestaltung des Läufers 2 ist die Heizung 8 drahtlos mit Leistung versorgbar. Dazu weist sie eine oder mehrere Spulen zum transformatorischen oder induktiven Leistungsempfang auf.
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Auch weist die Synchronmaschine 1 eine Temperaturüberwachungseinrichtung 14, 15 zur Überwachung einer Temperatur des HTS-Materials 7 auf. Diese Temperaturüberwachungseinrichtung 14, 15 weist mindestens ein Lesegerät 14 und einen auf das HTS-Material 7 aufgebrachten, flachen fernablesbaren Temperatursensor 15 auf. So kann eine Temperatur des HTS-Materials 7 in Echtzeit abgefragt werden und z.B. für eine Steuerung oder Aktivierung der Heizung 8 während einer Magnetisierung des HTS-Materials 7 verwendet werden.
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2 zeigt in gleicher Sicht eine Skizze eines magnetischen Ersatzschaltbilds einer Synchronmaschine 21 mit einem zweipoligen Läufer 22. Das Vorhandensein des zweipoligen Magnetfelds des Läufers 2 kann mittels einer permanentmagnetischen Ausbildung des Läufers 22 oder durch entsprechende stromdurchflossene Spulen in dem Läufer 22 erreicht werden. Die Spulen können auch aus supraleitenden Wicklungen bestehen.
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Der zweipolige Läufer 22 (mit einer Polzahl 2p = 2 und einer Polpaarzahl p = 1) richtet sich magnetisch an einer stromdurchflossenen Ständerwicklung 23 aus, welche bei einer Drehphasen-Synchronmaschine drei mit unterschiedlichen Phasen bestromte Stränge aufweist. Hier ist jeder mit einem gleichen Strom durchflossene Strang u,u', v,v' bzw. w,w' der Ständerwicklung 23 durch eine Wicklung 24, 25, 26 dargestellt. Jeder der Stränge u,u', v,v' und w,w' erzeugt bei einem Stromdurchfluss ein Magnetfeld, an welchem sich der magnetisierte Läufer 22 ausrichtet. In gegenüberliegenden Abschnitten u und u', v und v' bzw. w und w' der Stränge u,u', v,v' bzw. w,w' fließt der Strom in entgegengesetzte Richtungen und erzeugt folglich dort ein entgegengesetzt gepoltes Magnetfeld, wie durch die Pfeile angedeutet. Mittels einer zeitlichen Änderung des Stromdurchflusses durch die Ständerwicklung 23 bzw. die zugehörigen Stränge u,u', v,v' bzw. w,w' kann der Läufer 22 gedreht werden. Die Arbeitsweise einer herkömmlichen Synchronmaschine 21 mit einem zweipoligen Läufer 22 ist gut bekannt.
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3 zeigt in gleicher Sicht wie in 2 eine Skizze eines magnetischen Ersatzschaltbilds der erfindungsgemäßen Synchronmaschine 1 mit einem vierpolig magnetisierten Läufer 2. Die Synchronmaschine 1 weist eine Ständerwicklung 12 mit zwölf Teilwicklungen 13 auf, von denen jeweils vier Teilwicklungen 13 zu einem Strang u,u', v,v' bzw. w,w' zusammengeschaltet sind, und zwar so, dass sich unterschiedliche Stränge u,u', v,v' bzw. w,w' gleichmäßig in Umfangsrichtung abwechseln. Die Arbeitsweise einer Synchronmaschine mit einem vierpoligen Läufer ist ebenfalls grundsätzlich bekannt. Jedoch wird bei dem vorliegenden Läufer 2 die Magnetisierung nicht durch einen Stromfluss durch Spulen des Läufers oder einen ferromagnetischen Dauermagneten des Läufers erreicht, sondern durch die eingefrorene Magnetisierung in dem HTS-Volumenmaterial 7.
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4 zeigt in gleicher Sicht eine Skizze eines magnetischen Ersatzschaltbilds der erfindungsgemäßen Synchronmaschine 1 mit einem zweipolig ummagnetisierten Läufer 2. Zum Betrieb der Synchronmaschine 1 sind die Teilwicklungen 13 nun so umverschaltet worden, dass jeweils zwei nebeneinander angeordnete Teilwicklungen 13 gleichgerichtet in einem gemeinsamen Strang u,u', v,v' bzw. w,w' zusammengeschaltet sind und folglich wie eine einzige Teilwicklung funktionieren.
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Da der Ständer 3 zwölf Teilwicklungen 13 aufweist, kann er für einen Betrieb mit einem zweipoligen und einem maximal vierpoligen Läufer 2 (d.h. pmax = 2) umgeschaltet werden. Für einen Betrieb eines Läufers 2 mit einer noch höheren Polpaarzahl p, d.h. mit p >= 3, 4, usw., mögen insbesondere 6p Teilwicklungen benötigt werden.
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Obwohl die Erfindung im Detail durch das gezeigte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht darauf eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
