DE102014212035A1

DE102014212035A1 - Elektrische Maschine

Info

Publication number: DE102014212035A1
Application number: DE102014212035.7A
Authority: DE
Inventors: Michael Frank; Jörn Grundmann; Anne Kuhnert
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2014-06-24
Filing date: 2014-06-24
Publication date: 2015-12-24
Also published as: WO2015197477A1

Abstract

Es wird eine elektrische Maschine mit einem Ständer und einem um eine Rotationsachse drehbar gelagerten Läufer angegeben. Der Läufer weist einen innenliegenden Läuferkern auf, der mit wenigstens einer elektrischen Spulenwicklung versehen ist. Der Läuferkern und die Spulenwicklung sind radial von einem äußeren Läufermantel umhüllt, wobei der Läufermantel eine Mehrzahl von elektrisch leitenden Längsstäben aufweist, die zumindest teilweise an ihren axialen Endbereichen elektrisch leitfähig miteinander verbunden sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit einem Ständer und einem um eine Rotationsachse drehbar gelagerten Läufer, bei der der Läufer einen innenliegenden Läuferkern aufweist, der mit wenigstens einer elektrischen Spulenwicklung versehen ist. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Synchronmaschine mit einem derartigen Aufbau, die zusätzlich einen asynchronen Betriebsmodus aufweist.
Nach dem Stand der Technik weisen Synchronmaschinen einen feststehenden Ständer und einen um eine ortsfeste Achse rotierenden Läufer auf, wobei der Läufer typischerweise eine Erregerwicklung trägt, die das für den Betrieb der Maschine nötige magnetische Feld erzeugt. Der Ständer ist mit einer Mehrzahl an elektrischen Spulenwicklungen versehen, die zusammen an ein ein- oder mehrphasiges Wechselspannungsnetz angeschlossen sind. Dabei läuft der Läufer synchron mit dem Ständer-Drehfeld und damit synchron zur Netzfrequenz beziehungsweise mit einem ganzzahligen Bruchteil der Netzfrequenz, abhängig von der Polpaarzahl. Bei einer sogenannten Innenpolmaschine ist der Läufer typischerweise als zylindrischer Körper innerhalb eines hohlzylindrischen Ständers angeordnet. Zwischen den Spulenwicklungen des Läufers und des Ständers befindet sich ein Luftspalt, der zur Erhöhung des Wirkungsgrades der Maschine und/oder um den Herstellungs- und Materialaufwand zu minimieren allgemein möglichst klein gehalten wird.
Eine solche Synchronmaschine kann prinzipiell entweder als Motor oder als Generator betrieben werden. Im Motorbetrieb wird dem Stromnetz elektrische Leistung entzogen und über die Drehung des Läufers in mechanische Leistung umgewandelt. Hierzu ist der Läufer zweckmäßig mit einer Rotorwelle verbunden, die das erzeugte Drehmoment überträgt. Solche Motoren können beispielsweise als Antriebe für Verdichter, Gebläse oder Pumpen zum Einsatz kommen. Im Generatorbetrieb wird umgekehrt mechanische Energie in elektrische Energie umgewandelt, und eine von außen induzierte Drehung der Rotorwelle erzeugt über magnetische Induktion in den Ständerspulen eine Wechselspannung.
Bei beiden Betriebsmodi wird die Erregerwicklung des Läufers von einem Gleichstrom durchflossen, der von einer Erregereinrichtung auf die rotierende Spulenwicklung übertragen wird. Es sind Synchronmaschinen bekannt, bei denen die Erregerwicklung als supraleitende Spulenwicklung ausgeführt ist, da durch den zu vernachlässigenden Gleichstromwiderstand einer solchen Spule ein besonders hoher Wirkungsgrad und/oder ein kompakter Aufbau erzielt werden kann. Eine solche supraleitende Erregerwicklung ist beispielsweise in der US 20120235532 A1 sowie in der EP 490550 B1 beschrieben.
Für den Anlauf und/oder Auslauf einer Synchronmaschine werden typischerweise spezielle Umrichter und/oder Motoren benötigt, da die Maschine im Synchronbetrieb nicht ihre Drehzahl ändern kann, ohne dass gleichzeitig auch die Netzfrequenz geändert wird. Die Netzfrequenz des Stromnetzes bleibt aber in den allermeisten Fällen konstant. Um den zusätzlichen Aufwand durch speziell erforderliche Umrichter und/oder Motoren zu vermeiden, ist es wünschenswert, eine Synchronmaschine zu entwickeln, die zusätzlich zu ihrem synchronen Betriebsmodus einen asynchronen Betriebsmodus aufweist, in dem die Maschine also als Asynchronmaschine betrieben werden kann. Bei Asynchronmaschinen rotiert der Läufer allgemein nicht synchron mit der Netzfrequenz, sondern es liegt ein dauerhafter sogenannter Schlupf zwischen diesen beiden Größen vor. Mit einem solchen asynchronen Betriebsmodus können elektrische Maschinen auch bei konstanter Netzfrequenz anlaufen, ohne hierfür zusätzliche Motoren und Umrichter zu benötigen.
Gerade bei supraleitenden Synchronmaschinen ist es besonders schwierig, einen zusätzlichen asynchronen Betriebsmodus zur Verfügung zu stellen. Dies liegt daran, dass für den Asynchronmodus auf dem Läufer zusätzliche elektrische Leiter benötigt werden, die durch Induktion von Strömen auch im asynchronen Betrieb eines Motors zu einer Drehmomentbildung beitragen oder alternativ im Generatorbetrieb zur Stromerzeugung beitragen. Durch solche zusätzlichen Leiter kommt es aber allgemein zumindest beim Anlaufbetrieb zu zusätzlichen Verlusten, die eine wirksame Kühlung der auf dem Läufer angeordneten supraleitenden Erregerspule auf kryogene Temperaturen beeinträchtigen können. Alternativ kann prinzipiell auch die für den Synchronmodus benötigte Erregerwicklung als Läuferwicklung für den Asynchronbetrieb mitbenutzt werden. Allerdings werden dann spezielle Ausgestaltungen der Wicklung benötigt, und es werden häufig zusätzliche äußere Beschaltungsmaßnahmen wie beispielsweise Stern-Dreieck-Schaltungen und Anlaufwiderstände notwendig. Nachteilig bei einer solchen Ausgestaltung ist in jedem Fall, dass im Asynchronbetrieb ein hoher Wärmeeintrag in die Erregerwicklung erfolgt, die dann beispielsweise bei einer supraleitenden Wicklung auf eine Temperatur oberhalb der Sprungtemperatur des Supraleiters erwärmt wird.
In der EP1203437B1 ist ein Synchronmotor mit einer supraleitenden Erregerwicklung beschrieben, die zusätzlich einen als Induktionsmodus beschriebenen asynchronen Betriebsmodus aufweist. Hierzu ist als Teil des Läufers ein Induktionsaufbau vorgesehen, der bei einem asynchronen Notbetrieb des Motors, wenn die Erregerwicklung nicht mehr supraleitend ist, ein Drehmoment erzeugt. Der Induktionsaufbau ist hierbei jedoch in einigen Ausführungsformen so dicht bei den supraleitenden Erregerwicklungen angeordnet, dass im Induktionsmodus die Erregerwicklung durch die im Induktionsaufbau auftretende Wärmeentwicklung noch weiter erwärmt wird. Bei einer speziellen Ausführungsform ist ein Vakuumbereich zur thermischen Isolation zwischen Teilen des Induktionsaufbaus und der Erregerwicklung beschrieben. Nachteilig ist bei dieser Variante jedoch, dass die Führung des Erregermagnetfeldes zwischen Erregerwicklung und Ständer durch den größeren Abstand zwischen diesen Elementen erschwert ist. Weiterhin dienen bei den beschriebenen Ausführungsformen flächige elektromagnetische Abschirmelemente sowie Wände eines Kryostaten als Induktionsleiter, so dass der Induktionsstrom hier nur in unstrukturierten flächigen Leitern fließen kann.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine elektrische Maschine anzugeben, welche die genannten Nachteile vermeidet. Insbesondere soll die elektrische Maschine als Synchronmaschine ausgestaltet sein, die einen zusätzlichen asynchronen Betriebsmodus aufweist, bei dem die Eigenschaften der Erregerwicklung für den Synchronbetrieb möglichst wenig beeinträchtigt werden.
Diese Aufgabe wird durch die in Anspruch 1 angegebene elektrische Maschine gelöst. Die erfindungsgemäße elektrische Maschine weist einen Ständer und einen um eine Rotationsachse drehbar gelagerten Läufer auf. Dabei weist der Läufer einen innenliegenden Läuferkern auf, der mit wenigstens einer elektrischen Spulenwicklung versehen ist. Der Läuferkern und die Spulenwicklung sind radial von einem äußeren Läufermantel umhüllt, wobei der Läufermantel eine Mehrzahl von elektrisch leitenden Längsstäben aufweist, die zumindest teilweise an ihren axialen Endbereichen elektrisch leitfähig miteinander verbunden sind. Dabei soll im Folgenden unter einem Längsstab allgemein ein elektrischer Leiter mit einer Richtungskomponente in axialer Richtung verstanden werden. Er muss nicht als freitragender Stab ausgebildet sein, sondern kann als längliches leitfähiges Element von ganz allgemeiner Form vorliegen, beispielsweise auch als leitfähige Füllung aus flexiblen Materialien oder als Geflecht von Leitersträngen.
Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine liegt darin, dass durch den Läufermantel ein radial zwischen Läuferkern und Ständer angeordnetes Bauteil zur Verfügung steht, auf dem zusätzliche elektrische Leiter, hier in Form der Längsstäbe, angeordnet werden können. Durch die wenigstens teilweise elektrisch leitfähige Verbindung der Längsstäbe in den axialen Endbereichen werden diese Leiter zu übergeordneten elektrisch leitfähigen geschlossenen Schleifen verbunden, in denen im Asynchronbetrieb der elektrischen Maschine ein Strom induziert werden kann. Vorteilhaft ist dabei jeder der Längsstäbe mit wenigstens einem anderen Längsstab zu einem geschlossenen Stromkreis verbunden, so dass alle Längsstäbe im asynchronen Betriebsmodus zum induzierten Stromfluss beitragen können. Es müssen aber nicht alle Längsstäbe elektrisch leitfähig mit allen anderen Längsstäben verbunden sein, da sie auch beispielsweise in unterschiedlichen Gruppierungen zu mehreren geschlossenen Stromkreisen verknüpft sein können.
Bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung der elektrischen Maschine dient die auf dem Läuferkern angeordnete elektrische Spulenwicklung als Erregerwicklung für den Synchronbetrieb. Die Kombination von Läuferkern und elektrischer Spulenwicklung wird im Folgenden auch als innerer Läufer bezeichnet. Hierbei ist der Läuferkern beispielsweise mit der Spulenwicklung bewickelt, oder die bereits gewickelte Spulenwicklung kann nachträglich auf dem Läuferkern aufgebracht sein. Die Spulenwicklung kann den Läuferkern wenigstens teilweise umgeben und/oder sie kann anderweitig beispielsweise in radial außenliegenden Bereichen auf dem Läuferkern angeordnet sein.
Die vor allem im Asynchronbetrieb elektrisch wirksamen Längsstäbe sind bei der elektrischen Maschine auf dem den inneren Läufer umgebenden Läufermantel angeordnet. Dieser Läufermantel mit den zugehörigen Längsstäben ist dabei mechanisch mit dem inneren Läufer verbunden und rotiert synchron mit diesem. Die Anordnung der im Asynchronbetrieb wirksamen elektrischen Leiter auf einem radial weiter außenliegenden Bereich als die im Synchronbetrieb wirksamer Erregerwicklung ist deshalb vorteilhaft, weil so die Wärmeentwicklung durch im Asynchronbetrieb entstehende Verluste einen vorteilhaft geringen Einfluss auf die Temperatur der Erregerwicklung hat.
Da durch die spezielle Ausgestaltung der elektrischen Maschine ein asynchroner Betriebsmodus für eine Synchronmaschine zur Verfügung gestellt wird, kann diese elektrische Maschine sowohl im Asynchronbetrieb anfahren als auch in diesem Betriebsmodus kontrolliert herunterfahren. Hierzu werden im Unterschied zum Stand der Technik keine zusätzlichen Anfahrumrichter oder Anfahrmotoren benötigt. Auch bei einer Störung während des Betriebs im Synchronmodus kann die elektrische Maschine temporär oder sogar dauerhaft im asynchronen Modus weiterbetrieben werden, ohne dass es dabei zu einer übermäßigen Aufheizung der Erregerwicklung kommt.
Neben der Schaffung eines radialen Bereichs zur Anordnung der elektrisch leitfähigen Längsstäbe weist die Ummantelung des inneren Läufers mit dem Läufermantel noch einen weiteren Vorteil auf: So kann hierdurch der Durchmesser des inneren Läufers deutlich kleiner als der Bohrungsdurchmesser des Ständers ausgebildet werden. Gerade bei elektrischen Maschinen für hohe Drehzahlen hat dies den zusätzlichen Vorteil, dass die elektrische Spulenwicklung des inneren Läufers bei gleichem Bohrungsdurchmesser des Ständers und bei gleicher Drehzahl niedrigeren Zentrifugalkräften ausgesetzt ist. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die elektrische Spulenwicklung des inneren Läufers durch Einsatz von Materialien mit hoher Stromtragfähigkeit leicht auf kleinem Raum angeordnet werden kann.
Die Bezeichnung der elektrischen Leiter des Läufermantels als Längsstäbe soll verdeutlichen, dass diese Leiter eine hohe Richtungskomponente in Richtung der Rotationsachse des Läufers aufweisen. Beispielsweise können diese Längsstäbe parallel zur Richtung der Rotationsachse des Läufers ausgerichtet sein. Insbesondere können sie alle parallel auf einer gemeinsamen Zylinderoberfläche angeordnet sein. Alternativ können die Längsstäbe aber auch in einem Winkel zur Rotationsachse angeordnet sein. Durch eine solche leicht schräge Lage können die Anlaufbedingungen der elektrischen Maschine verbessert werden. Beispielsweise können das sogenannte Nutenpfeifen, inhomogene Drehmomente, magnetische Wirbelungen, Rüttelkräfte und/oder Bremsungen vermindert werden. Bei einer solchen Ausführungsform liegen die Längsstäbe nicht mehr genau parallel zueinander, sondern sind in unterschiedlichen Richtungen, aber vorteilhaft um einen betragsmäßig gleichen Winkel gegen die Rotationsachse des Läufers geneigt. Eine solche Konfiguration wird auch als „einfach geschränkt“ bezeichnet. Alternativ können bei einer „doppelt geschränkten“ oder auch „mehrfach geschränkten“ Ausführungsform unterschiedliche axiale Bereiche der Längsstäbe mit verschiedenen Neigungen bezüglich der Rotationsachse ausgebildet sein. Diese Schränkung wird in der Fachwelt alternativ auch als Schrägung oder Drall bezeichnet. Der Winkel der Längsstäbe mit der Rotationsachse kann beispielsweise bis zu +/–20 Grad betragen. Besonders vorteilhaft liegt der Winkel bei einer gegebenen Nutenzahl n der Ständerwicklung bei einem Wert von etwa 360°/n.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den von Anspruch 1 abhängigen Ansprüchen hervor. So kann die elektrische Maschine zusätzlich folgende Merkmale aufweisen:
Der Läufermantel kann zu einem mehrheitlichen Teil seines Volumens aus einem weichmagnetischen Material gebildet sein. Insbesondere kann dieses weichmagnetische Material eine magnetische Permeabilitätszahl von wenigstens 30 aufweisen. Ein solches weichmagnetisches Material ist besonders geeignet, um das durch die Erregerwicklung des inneren Läufers erzeugte Magnetfeld zum Ort des Ständers zu führen. Zweckmäßig wird dabei der radiale Abstand zwischen der Außenseite des inneren Läufers und der Innenseite des Ständers zu einem mehrheitlichen Teil durch dieses weichmagnetische Material gefüllt. Dabei kann vorteilhaft ein möglichst kleiner Luftspalt zwischen Ständer und Läufermantel erreicht werden. So kann trotz der geometrischen Entkopplung des Durchmessers des inneren Läufers vom Bohrungsdurchmesser des Ständers trotzdem am Ort des Ständers ein vorteilhaft hohes Magnetfeld erreicht werden. Besonders vorteilhaft sind die Längsstäbe dann in einem außenliegenden Bereich des Läufermantels angeordnet, so dass sich auch zwischen den Längsstäben und den Ständerwicklungen ein vorteilhaft kleiner wirksamer Spalt ergibt. Ein möglichst dünner Spalt ist gerade für den asynchronen Betriebsmodus besonders wichtig.
Die Längsstäbe können gegen das weichmagnetische Material des Läufermantels elektrisch isoliert sein. Dies ist zweckmäßig, da dann die Induktion von elektrischen Strömen in den Längsstäben getrennt von einem möglichen Stromfluss im Material des Läufermantels erfolgt.
Die elektrische Spulenwicklung des Läufers kann als supraleitende Spulenwicklung, insbesondere mit einem hochtemperatursupraleitenden Material, ausgebildet sein. Bei Maschinen mit einer solchen supraleitenden Erregerwicklung können besonders hohe Wirkungsgrade und weitere vorteilhafte Eigenschaften erzielt werden. Die Wahl einer supraleitenden Erregerwicklung in Kombination mit einer geometrischen Entkopplung von Durchmesser des inneren Läufers und Bohrungsdurchmesser des Ständers besonders vorteilhaft, da Läuferwicklungen mit supraleitenden Materialien aufgrund der hohen Stromtragfähigkeit besonders gut kompakt und auf Läufern mit niedrigen Durchmessern ausgestaltet werden können. Andererseits ist es gerade bei empfindlichen supraleitenden Materialien wie keramischen Hochtemperatursupraleitern besonders wichtig, übermäßige mechanische Belastungen durch hohe Zentrifugalkräfte zu vermeiden. Elektrische Maschinen mit supraleitenden Erregerwicklung können also besonders vorteilhaft so aufgebaut werden, dass die geometrischen Anforderungen an den Innendurchmesser des Ständers und den Außendurchmesser des inneren Läufers durch einen dazwischen angeordneten, mitrotierenden weichmagnetischen Läufermantel entkoppelt sind.
Andererseits ist es gerade bei supraleitenden Erregerwicklungen besonders schwierig, auf dem Läufer zusätzliche elektrische Leiter für einen asynchronen Betriebsmodus vorzusehen, da durch Stromfluss in diesen Leitern zusätzliche Wärme auf dem Läufer erzeugt wird. Diese zusätzliche Wärme erschwert aber die Kühlung der supraleitenden Erregerwicklung auf ihre Betriebstemperatur. Bei dem beschriebenen Aufbau mit radial weiter außen angeordneten Längsstäben für den asynchronen Betriebsmodus wird dieses Problem dadurch gelöst, dass die Längsstäbe in einem so großen radialen Abstand von der supraleitenden Spulenwicklung angeordnet werden, dass sie thermisch von dieser entkoppelt werden können.
Bei Vorliegen einer supraleitenden Spulenwicklung im inneren Läufer kann vorteilhaft der gesamte innere Läufer beim Betrieb der Maschine auf eine Temperatur in der Nähe der Betriebstemperatur des Supraleiters gekühlt werden. Besonders vorteilhaft ist dann der innere Läufer vom Läufermantel thermisch entkoppelt. Beispielsweise können innerer Läufer und Läufermantel durch thermisch schlecht leitfähige Materialien mit einer thermischen Leitfähigkeit von höchstens 2 W/mK und/oder einem Wärmeleitintegral von höchsten 20 W/cm miteinander verbunden sein. Besonders geeignet hierfür sind beispielsweise glasfaserverstärkte Kunststoffe oder kohlefaserverstärkte Kunststoffe.
Der Läufermantel kann zu mehrheitlichen Teilen seines Umfangs eine Dicke von wenigstens 2 cm aufweisen. Besonders vorteilhaft kann die Dicke wenigstens 5 cm, insbesondere sogar wenigstens 20 cm betragen. Der Vorteil dieser Ausführungsform liegt darin, dass der Außendurchmesser des inneren Läufers um wenigstens den genannten Wert der Dicke kleiner gewählt werden kann als der Innendurchmesser des Ständers. Außerdem ergibt sich dann ein ausreichend großer radialer Bereich für die Anordnung der für den asynchronen Betriebsmodus benötigten Längsstäbe.
Der äußere Durchmesser des Läufermantels kann um wenigstens 10 % größer sein als der innere Durchmesser des Läufermantels. Besonders vorteilhaft können sich Innendurchmesser und Außendurchmesser um wenigstens 20 % unterscheiden. Die Vorteile dieser Ausführungsformen sind vergleichbar mit denen der oben beschriebenen Mindestwerte für die Nennwandstärke.
Die Längsstäbe können in Nuten des Läufermantels angeordnet sein. Besonders vorteilhaft kann der Läufermantel mit einer Mehrzahl von radial außen liegenden Nuten versehen sein, innerhalb derer die Längsstäbe angeordnet sind. Dann ist der Abstand zwischen den Längsstäben und dem Ständer vorteilhaft gering. Der Läufermantel kann allgemein die Grundform eines kreiszylindrischen Hohlkörpers aufweisen, der den inneren Läufer umschließt.
Der Läufermantel, insbesondere das weichmagnetische Material des Läufermantels, kann mit wenigstens einem Paar von diametral gegenüberliegenden Ausnehmungen versehen sein. Diese Ausnehmungen können zusätzlich zu den oben beschriebenen Nuten für die Längsstäbe vorliegen. Alternativ können solche Ausnehmungen aber auch durch die Nuten selbst gebildet sein.
Der Vorteil einer solchen Ausführungsform ist, dass der Anteil des magnetischen Flusses, der als magnetischer Kurzschluss zwischen den Polen des Erregermagnetfeldes im Material des Läufermantels verlorengeht, möglichst klein gehalten wird. Die genannten Ausnehmungen bewirken, dass der im Material des Läufermantels induzierte magnetische Fluss eine besonders hohe radiale Komponente aufweist und dass somit auch ein möglichst hoher magnetischer Fluss zum Ort des Ständers geleitet wird. Dabei sind die genannten Paare von diametral gegenüberliegenden Ausnehmungen besonders geeignet, um die zwischen den magnetischen Polen möglichen Kurzschlusspfade auch paarweise und damit möglichst symmetrisch einzuschränken. Vorteilhaft entsteht dadurch im Luftspalt und/oder am Ort des Ständers ein über dem Umfang betrachtet annähernd sinusförmiger Feldverlauf.
Die genannten Ausnehmungen können als Ausnehmungen im weichmagnetischen Material des Läufermantels gebildet sein, wobei die Ausnehmungen zumindest teilweise mit amagnetischem Material aufgefüllt sein können. Besonders vorteilhaft können die Ausnehmungen auch im Wesentlichen ganz mit amagnetischem Material gefüllt sein. Unter amagnetischen Materialien sollen hier alle Materialien verstanden werden, die nicht ferromagnetisch oder ferrimagnetisch sind. Auch Legierungen oder andere Stoffgemische mit Permeabilitätszahlen µ_r unterhalb von 30 sollen hierbei als amagnetisch gelten. Besonders vorteilhaft können amagnetische Materialien mit Permeabilitätszahlen unterhalb von 10 zum Einsatz kommen. Insbesondere kann auch Luft als amagnetische Füllung für die Ausnehmungen dienen, durch die ein magnetischer Kurzschluss zwischen den Polen des Erregerfeldes verhindert oder verringert werden kann. Besonders vorteilhaft sind die Ausnehmungen jedoch zumindest teilweise mit einem Feststoff gefüllt, so dass der mit dem Läufer schnell rotierende Läufermantel an diesen Stellen in seiner mechanischen Festigkeit verstärkt wird. Geeignete Materialien für feste amagnetische Füllungen sind beispielsweise amagnetische Legierungen, insbesondere amagnetischer Stahl, glasfaserverstärkter Kunststoff, kohlefaserverstärkter Kunststoff sowie Titan und dessen Legierungen.
Der Läufermantel kann mit wenigstens zwei diametral gegenüberliegenden Anordnungen von jeweils mehreren in axialer Richtung beabstandeten Ausnehmungen versehen sein. Insbesondere können zwei oder mehr solcher Anordnungen vorliegen, die jeweils als regelmäßiges Raster oder auch unregelmäßiges Raster von einzelnen Ausnehmungen ausgebildet sind. Zwischen diesen einzelnen Ausnehmungen kann stellenweise die volle Nennwandstärke des Läufermantels vorliegen, was beispielsweise zu einer höheren mechanischen Stabilität des sich schnell mitdrehenden Läufermantels führen kann.
Der Läufermantel kann mit wenigstens zwei diametral gegenüberliegenden, jeweils radial durchgehenden Unterbrechungen versehen sein. Dies kann vorteilhaft bewirken, dass magnetische Kurzschlusspfade zwischen den Polen abgeschwächt werden können. Solche radial durchgehenden Ausnehmungen im weichmagnetischen Material können besonders vorteilhaft mit amagnetischem Material gefüllt sein, um die mechanische Festigkeit des Läufermantels zu gewährleisten. Alternativ oder zusätzlich können die Ausnehmungen als in axialer Richtung beabstandete Anordnungen mehrerer einzelner Ausnehmungen vorliegen, zwischen denen zumindest ein Teil der Wandstärke des Läufermantels erhalten ist. Auch die weiteren beschriebenen vorteilhaften Merkmale der Ausnehmungen des Läufermantels können auf verschiedene Weisen miteinander kombiniert werden.
Die Spulenwicklung zur Erzeugung des Magnetfeldes kann mit einer Polpaarzahl n ausgebildet sein, wobei der Läufermantel wenigstens n Paare von jeweils diametral gegenüberliegenden Ausnehmungen aufweist, und wobei diese Ausnehmungen in Umlaufrichtung jeweils zwischen zwei benachbart liegenden Polen angeordnet sind. Vor allem bei Generatoren sind zweipolige Maschinen weit verbreitet. Bei einer entsprechenden Polpaarzahl von eins kann der Läufermantel dann demnach vorteilhaft wenigstens ein Paar von diametral gegenüberliegenden Ausnehmungen aufweisen, die in Umlaufrichtung zwischen den dann ebenfalls gegenüberliegenden Polen angeordnet sind. Besonders vorteilhaft können die Ausnehmungen im Wesentlichen mittig zwischen den jeweils benachbart liegenden Polen liegen, bei einer zweipoligen Maschine also äquatorial zwischen den Polen. Bei elektrischen Maschinen mit einer höheren Polpaarzahl von zwei oder mehr können dann entsprechend höhere Zahlen von Ausnehmungspaaren vorgesehen sein, wobei Ausnehmungen und Pole vorteilhaft so in Umfangsrichtung verteilt sind, dass zwischen jeweils zwei benachbart liegenden Polen immer wenigstens eine solche Ausnehmung angeordnet ist. Insbesondere können die Ausnehmungen jeweils in etwa mittig zwischen zwei in Umlaufrichtung benachbarten Polen angeordnet sein. Die mittige Anordnung zwischen benachbarten Polen ist besonders geeignet, die direkten magnetischen Kurzschlusspfade zwischen den magnetischen Polen zu schwächen und die radialen Komponenten des magnetischen Flusses im Material des Läufermantels zu erhöhen. Es sind hier wiederum alle Kombinationen mit den oben beschriebenen Ausgestaltungen der Ausnehmungen möglich. Insbesondere kann an jeder Position in Umlaufrichtung auch eine Reihe von mehreren Ausnehmungen angeordnet sein, die untereinander axial beabstandet sind.
Wenn die elektrische Spulenwicklung des inneren Läufers zur Erzeugung eines Magnetfeldes mit einer Polpaarzahl n ausgebildet ist, dann kann wenigstens ein Teil der Längsstäbe vorteilhaft in Umlaufrichtung zwischen benachbarten Polen angeordnet sein. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die Längsstäbe in Nuten im weichmagnetischen Material des Läufermantels angeordnet sind. Bei dieser Ausführungsform erfüllen diese Nuten dann die gleiche Funktion wie die oben beschriebenen Ausnehmungen, nämlich eine Abschwächung des magnetischen Kurzschlusspfades im Läufermantel im Bereich zwischen den Polen.
Besonders vorteilhaft können die Längsstäbe aus amagnetischem Material ausgebildet sein. Beispielsweise können die Längsstäbe aus Kupfer oder Aluminium oder aus diese Metalle enthaltenden Legierungen gebildet sein. Die Längsstäbe können beispielsweise im Druckgussverfahren in entsprechenden Aussparungen des Läufermantels eingefügt werden. Dabei können besonders vorteilhaft gleichzeitig die endseitigen elektrischen Verbindungen, insbesondere aus demselben Material wie die Längsstäbe, hergestellt werden. Alternativ können die Längsstäbe auch als Stäbe mit unterschiedlichen Profilen in entsprechende Nuten des Läufermantels eingeführt werden und dann nachträglich an den axialen Endseiten mit den benötigten elektrischen Verbindungen untereinander versehen werden.
Zwischen dem Läuferkern mit der elektrischen Spulenwicklung und dem Läufermantel kann ein innerer Spalt angeordnet sein. Mit anderen Worten kann zwischen dem inneren Läufer und dem Läufermantel ein innerer Spalt angeordnet sein. Dieser innere Spalt kann zweckmäßig sein, um die Montage des inneren Läufers im Läufermantel zu vereinfachen. Ähnlich wie beim äußeren Luftspalt zwischen Läufermantel und Ständer ist es zweckmäßig, einen solchen inneren Spalt möglichst gering zu halten, beispielsweise zwischen 0,1 mm und 50 mm, insbesondere zwischen 1 mm und 10 mm. Der innere Spalt kann ein Luftspalt sein. Alternativ kann der innere Spalt aber auch evakuiert sein. Im inneren Spalt können weiterhin Stützstrukturen angebracht sein, um insbesondere bei axial ausgedehnten Läufern ein Durchbiegen und/oder Unwuchten zu minimieren.
Zwischen dem Läuferkern mit der elektrischen Spulenwicklung und dem Läufermantel kann ein innerer Vakuumbehälter angeordnet sein, der den Läuferkern mit der elektrischen Spulenwicklung vakuumdicht umschließt. Bei dieser Konfiguration ist also eine zusätzliche vakuumdichte Wand im inneren Spalt zwischen Läufermantel und innerem Läufer angeordnet. Zumindest der Teil des inneren Spalts, der zwischen Vakuumbehälter und innerem Läufer liegt, ist dann während des Betriebs evakuiert, so dass ein hohes Temperaturgefälle zwischen dem kalten inneren Läufer und dem warmen Läufermantel aufrechterhalten werden kann. Diese Ausführungsform ist besonders vorteilhaft, um eine thermische Kopplung zwischen den Längsstäben des Läufermantels und der elektrischen Spulenwicklung des inneren Läufers möglichst zu minimieren. Hierdurch kann eine Erwärmung einer insbesondere supraleitenden Erregerwicklung durch die im asynchronen Betrieb auftretenden Verluste vorteilhaft reduziert werden.
Bei dieser Ausführungsform mit zusätzlichem Vakuumgefäß im inneren Spalt ist es zweckmäßig, wenn zumindest innerer Läufer und Vakuumgefäß in den axialen Endbereichen durch thermisch schlecht leitfähige Materialien miteinander verbunden sind.
Der Läufermantel kann aus einer Vielzahl von gegeneinander isolierten weichmagnetischen Blechen gebildet sein. Dies ist vorteilhaft, um elektrische Verluste durch im Läufermantel induzierte Wirbelströme möglichst niedrig zu halten. Zweckmäßig sind die einzelnen Bleche mit einander entsprechenden Ausnehmungen versehen, so dass sich bei einem Übereinanderstapeln der Bleche durchgehende Nuten ergeben. Wie oben im Zusammenhang mit der Richtung der Längsstäbe diskutiert, können diese übergeordneten Nuten entweder parallel zur Rotationsachse oder auch in einem Winkel dazu verlaufen.
Es können alle Längsstäbe durch zwei axial endseitige Verbindungsstrukturen elektrisch miteinander kurzgeschlossen sein. Bei den endseitigen Verbindungsstrukturen kann es sich insbesondere um Kurzschlussringe handeln. Bei einer derartigen Ausführungsform sind also alle Längsstäbe Teil eines übergeordneten Kurzschlusskäfigs. Solche Kurzschlusskäfige werden nach dem Stand der Technik häufig auf Läufern von Asynchronmaschinen verwendet. In der entsprechenden Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dienen sie als käfigförmige elektrische Leiter für den zusätzlichen asynchronen Betriebsmodus der elektrischen Maschine. Kurzschlusskäfige von Asynchronmaschinen müssen für die Funktion der Maschine nicht mit einem äußeren Stromkreis verbunden sein. Während des synchronen Betriebsmodus der elektrischen Maschine kann ein solcher Kurzschlusskäfig zusätzlich vorteilhaft als Dämpferwicklung wirken, beispielsweise um den negativen Einfluss von Schieflasten zu mindern und/oder Pendelungen nach Laststößen zu minimieren.
Alternativ zu der beschriebenen Ausführungsform mit einem übergeordneten Kurzschlusskäfig über alle Längsstäbe können die Längsstäbe auch gruppenweise zu mehreren Teilkäfigen verbunden sein. Beispielsweise können zwei ineinander geschachtelte Teilkäfige gebildet werden, indem in Umlaufrichtung aus jedem zweiten Längsstab ein erster Teilkäfig gebildet wird und aus den dazwischen liegenden übrigen Längsstäben ein zweiter Teilkäfig gebildet wird. Ein Vorteil einer solchen Konfiguration kann unter anderem darin liegen, dass für jeden dieser Teilkäfige eine höhere Schrägung der Längsstäbe ausgebildet werden kann.
Alternativ zu den Ausführungsformen mit einem oder mehreren Kurzschlusskäfigen können benachbarte Längsstäbe jeweils paarweise an beiden Enden elektrisch leitfähig miteinander in Form einer geschlossenen Schlaufe verbunden sein. Diese so zueinander gehörenden Paare von Längsstäben sind also beispielsweise an beiden gegenüberliegenden axialen Enden über Verbindungssegmente verbunden, so dass eine geschlossene Spule gebildet wird. Hierdurch kann eine Mehrzahl von geschlossenen Spulen ausgebildet werden, die entsprechend auf einem gemeinsamen Zylindermandel vorliegen können. Eine solche Anordnung von Läuferspulen für den asynchronen Betriebsmodus ist ähnlich zu den Spulen eines Schleifringläufers in einer herkömmlichen Asynchronmaschine. Dabei können die einzelnen Spulen jeweils über Schleifkontakte mit einem äußeren Stromkreis verbunden sein.
Im radialen Zwischenraum zwischen Läuferkern und Läufermantel kann zusätzlich ein Dämpferschirm aus einem elektrisch leitfähigen und amagnetischen Material angeordnet sein. Ein solcher Dämpferschirm kann dabei vorteilhaft die Form eines Zylindermantels aufweisen. Bei dieser Ausführungsform wird die Induktion von Strömen von den elektrischen Leitern im Läufermantel in die elektrische Spulenwicklung des inneren Läufers vorteilhaft verringert. Dadurch können die Verluste minimiert werden. Der Dämpferschirm kann beispielsweise ein Hohlzylinder aus Kupfer oder Aluminium oder Legierungen dieser Metalle sein. Bei einer Ausführungsform mit einem Vakuumbehälter zwischen innerem Läufer und Läufermantel kann der Dämpferschirm besonders vorteilhaft ein Bestandteil dieses Vakuumbehälters sein.
Die elektrische Maschine kann sowohl einen Betriebsmodus als Synchronmaschine als auch einen Betriebsmodus als Asynchronmaschine aufweisen. Die beschriebene Ausgestaltung des Läufers mit einer elektrischen Spulenwicklung in einem radial innenliegenden Bereich und elektrisch miteinander verbundenen Längsstäben in einem radial weiter außenliegenden Bereich ist besonders vorteilhaft dazu geeignet, diese beiden alternativen Betriebsmodi in derselben elektrischen Maschine zu ermöglichen. Besonders vorteilhaft kann die elektrische Maschine ohne separaten Anfahrmotor und/oder ohne Anfahrumrichter ausgestaltet sein.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand einiger bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die angehängten Zeichnungen beschrieben, von denen:
1 einen schematischen Querschnitt einer elektrischen Maschine nach einem ersten Ausführungsbeispiel zeigt,
2 einen schematischen Querschnitt einer elektrischen Maschine nach einem zweiten Ausführungsbeispiel zeigt,
3 einen schematischen Querschnitt eines Läufermantels nach einem dritten Ausführungsbeispiel zeigt,
4 eine schematische perspektivische Ansicht eines Läufermantels nach einem vierten Ausführungsbeispiel zeigt,
5 eine schematische perspektivische Ansicht eines Läufermantels nach einem fünften Ausführungsbeispiel zeigt und
6 einen schematischen Längsschnitt einer elektrischen Maschine nach einem sechsten Ausführungsbeispiel zeigt.
1 zeigt einen schematischen Querschnitt einer elektrischen Maschine 1 nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Gezeigt ist ein Ausschnitt eines hohlzylindrisch ausgebildeten Ständers 3 mit einem Bohrungsdurchmesser 39, in dessen Hohlraum ein Läufer 5 angeordnet ist. Der Läufer weist einen inneren Läuferkern 7 auf, auf dem eine Anordnung aus in diesem Beispiel mehreren gestapelten elektrischen Spulenwicklungen 9 befestigt ist. Diese elektrischen Spulenwicklungen 9 bilden die Erregerwicklung der elektrischen Maschine 1 und sind im betrachteten Ausführungsbeispiel als supraleitende Spulenwicklungen, hier basierend auf einem keramischen Hochtemperatursupraleiter, ausgeführt. Sie dienen in diesem Beispiel zur Ausbildung eines zweipoligen Magnetfeldes, dessen Verlauf innerhalb des Läuferkerns mit dem Pfeil 11 symbolisiert ist. Die beiden Pole des Magnetfeldes liegen dabei im oberen und unteren Bereich des in 1 abgebildeten Läuferkerns 7. Der Läuferkern 7 mit den darauf angeordneten supraleitenden Spulenwicklungen 9 bildet dabei den insgesamt zylinderförmigen inneren Läufer aus. Dieser innere Läufer ist von einem Läufermantel 13 umgeben, der eine hohlzylindrische Grundform aufweist. Innerhalb der zwischen den beiden Polen liegenden Ebene – die mittig und horizontal durch die Abbildung der 1 verläuft und im Folgenden auch als q-Ebene bezeichnet wird – weist der Hohlkörper des Läufermantels 13 zwei diametral gegenüberliegende Ausnehmungen 21 auf, die sich in diesem Beispiel als Nuten auch in axialer Richtung über die Länge des Läufermantels 13 erstrecken. Im gezeigten ersten Ausführungsbeispiel sind die Nuten offen und nicht mit einem anderen Festkörper gefüllt.
Zwischen dem inneren Läufer und dem Läufermantel 13 ist im gezeigten Beispiel ein schmaler innerer Spalt 35 angeordnet, der die Montage des inneren Läufers im Läufermantel 13 erleichtert. Dieser Spalt ist nur 1 mm breit, so dass der Läufermantel sehr eng um den inneren Läufer geführt ist. An seinen beiden axialen Endseiten ist er mechanisch mit dem inneren Läufer verbunden, so dass er synchron mit diesem im Innenraum des Ständers 3 um die zentrale Rotationsachse 11 rotiert. Zwischen dem Läufermantel 13 und dem Ständer 3 befindet sich ein äußerer Spalt 37, der in diesem Beispiel mit Luft gefüllt ist.
Der Läufermantel 13 ist aus einem weichmagnetischen Material, in diesem Beispiel aus einer magnetischen Eisenlegierung gebildet. Er dient der Führung des von der Erregerwicklung 9 erzeugten zweipoligen Magnetfeldes. Die in 1 mit dem Pfeil 31 bezeichnete radiale Flusskomponente wird durch die hohe Permeabilität des Mantelmaterials verstärkt. Diese radiale Komponente 31 wird im Bereich des Luftspalts 37 auch als Nutzfluss bezeichnet. Am Ort des Ständers 3 setzt sich diese radiale Komponente 31 fort und tritt dort in elektromagnetische Wechselwirkung mit auf dem Ständer 3 angeordneten weiteren elektrischen Spulenwicklungen. Auch im oberen Teil der 1 ergibt sich dabei eine zu Pfeil 31 analoge und gleichgerichtete Flusskomponente, die hier der Übersichtlichkeit halber nicht gezeigt ist.
Für die Funktionsweise der elektrischen Maschine ist es vorteilhaft, eine möglichst hohe radiale Komponente 31 des magnetischen Flusses zu erzeugen. Ungünstig ist es dabei, wenn sich im Material des Läufermantels 13 ein magnetischer Kurzschlusspfad 33 ausbilden kann. Um diesen Kurzschlussanteil 33 möglichst zu reduzieren ist daher der Läufermantel im äquatorialen Bereich zwischen den beiden Polen mit den beiden gegenüberliegenden Ausnehmungen 21 versehen, die als amagnetische Unterbrechungen wirken. Die Tiefe 23 der Ausnehmungen beträgt vorteilhaft mehr als die Hälfte der Nenndicke 15 des Läufermantels, so dass der Kurzschlussanteil 33 des magnetischen Flusses tatsächlich signifikant reduziert wird. Die Breite 25 der Ausnehmungen ist im gezeigten Beispiel größer als die radiale Tiefe 23. Bei einer zweipoligen Maschine entspricht die Breite 25 der Ausnehmungen vorteilhaft in etwa der Höhe der Spulenwicklungen.
Der Außendurchmesser des inneren Läufers ist gegenüber dem Bohrungsdurchmesser 39 des Ständers 3 reduziert, was zu einer Verringerung der Zentrifugalkräfte im Bereich der elektrischen Spulenwicklungen 9 führt. Durch die vom Innendurchmesser 39 des Ständers 3 entkoppelte Verkleinerung des inneren Läufers können somit höhere Drehzahlbereiche für die elektrische Maschine 1 zugänglich gemacht werden. Dabei dient das weichmagnetische Material des Läufermantels 13 und die Ausführung mit äquatorialen Ausnehmungen 21 dazu, am Ort des Ständers trotz dieser Entkopplung ein starkes Erregermagnetfeld zu erzeugen.
Außerdem steht im Bereich des Läufermantels 13 Platz zur Verfügung, der für die Anordnung von elektrisch leitfähigen Längsstäben 28 innerhalb des Läufermantels 13 genutzt werden kann. Diese Längsstäben 28 sind im Querschnitt der 1 der Übersichtlichkeit halber nicht gezeigt, auf ihre Ausgestaltung wird aber in den nachfolgenden Beispielen näher eingegangen.
2 zeigt einen schematischen Querschnitt einer elektrischen Maschine 1 nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Ähnlich wie in 1 ist wiederum ein Ständer 3 mit darin angeordnetem Läufer 5 gezeigt, wobei der Läufer einen innenliegenden Läuferkern 7 und einen ihn umgebenden Läufermantel 13 aufweist. Auch die weiteren analogen Komponenten sind mit denselben Bezugszeichen wie in der 1 versehen. Im gezeigten Beispiel ist der Läufermantel 13 als im Wesentlichen hohlzylindrischer Körper aus axial gestapelten weichmagnetischen Eisenblechen zusammengesetzt. Die einzelnen Eisenbleche sind jeweils mit acht nach radial außen hin offenen Ausnehmungen versehen, die über den Blechstapel hinweg zusammen längliche Nuten 26 bilden. In diesen Nuten sind Längsstäbe 28 angeordnet, die aus einem amagnetischen, elektrisch leitfähigen Material gebildet sind, beispielsweise Kupfer oder Aluminium. Wie weiter unten beschrieben können diese Längsstäbe 28 an den axialen Endbereichen des Läufers 5 auf unterschiedliche Weise elektrisch miteinander verbunden sein. In jedem Fall entstehen durch solche Verbindungen übergeordnete Leiterschleifen, durch die ein asynchroner Betriebsmodus der elektrischen Maschine 1 ermöglicht wird.
In der Ebene 29, die zwischen den magnetischen Polen des Erregerfeldes 27 angeordnet ist, sind ähnlich wie in 2 zwei zusätzliche Ausnehmungen 21 auf der Innenseite des Läufermantels 13 ausgebildet. Diese Ausnehmungen 21 sind Ausnehmungen im weichmagnetischen Material des Läufermantels 13. Im zweiten Ausführungsbeispiel sind sie jeweils mit einer Füllung 22 aus amagnetischem Material gefüllt, beispielsweise mit einem amagnetischen Stahl. Auch zwei der Nuten 26 für die Längsstäbe 28 sind im Bereich der q-Ebene 29 angeordnet, sodass sich innerhalb dieser Ebene auf jeder Seite nur eine geringe Restdicke 15a des weichmagnetischen Materials des Läufermantels 13 ergibt. Somit ist der magnetische Kurzschlusspfad 33 im Läufermantel 13 weitgehend unterdrückt.
Die in 2 gezeigten acht Längsstäbe sind im Übrigen nur beispielhaft zu verstehen. Es kann unter Umständen auch eine wesentlich höhere Anzahl an Längsstäben vorliegen, beispielsweise zwischen 10 und 50 Längsstäben.
3 zeigt einen schematischen Querschnitt eines Läufermantels 13 nach einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Auch dieser Läufermantel 13 ist Teil einer elektrischen Maschine, die ähnlich wie in 1 aufgebaut ist. Insbesondere wird im Inneren des Läufermantels 13 durch einen inneren Läufer ein gleich orientiertes zweipoliges Magnetfeld 27 erzeugt. Im gezeigten Querschnitt sind beispielhaft sechs Längsstäbe 28 dargestellt, die hier jeweils eine etwas aufwändigere Querschnittsform aufweisen als die relativ einfachen Rundstäbe in 2. Die Längsstäbe 28 weisen dabei jeweils einen, radial außen liegenden, Oberstab 28a, einen radial innenliegenden Unterstab 28b und einen diese beiden Teile verbindenden Streusteg 28c auf. Auch hier sind die Längsstäbe 28 in Nuten 26 des Läufermantels 13 ausgebildet. Ihre radiale Höhe beträgt mehr als die Hälfte der Nenndicke 15 des Läufermantels 13, so dass im Bereich der äquatorialen q-Ebene nur eine geringe Restdicke 15a verbleibt. Dies ist wiederum günstig für die Unterdrückung der magnetischen Kurzschlusspfade 33, da auch hier die Längsstäbe 28 aus amagnetischem Material gebildet sind. In der die magnetischen Pole enthaltenden Ebene 30 – die hier als d-Ebene bezeichnet werden soll – sind dagegen in diesem Beispiel keine Längsstäbe 28 angeordnet, so dass sich im Bereich der Pole vorteilhaft ein hoher radialer Flussanteil 31 im weichmagnetischen Material des Läufermantels 13 ausbildet.
4 zeigt eine schematische perspektivische Darstellung eines Läufermantels 13 mit mehreren Längsstäben 28, die untereinander durch zwei endseitige Verbindungsringe 40a zu einem übergeordneten Kurzschlusskäfig verbunden sind. Die Funktion dieses Kurzschlusskäfigs im asynchronen Betriebsmodus der Maschine 1 ist analog zu bekannten Kurzschlussläufern in herkömmlichen Asynchronmaschinen. Auch hier sind die Längsstäbe 28 in Nuten 26 des weichmagnetischen Materials des Läufermantels 13 angeordnet. Die Verbindungsringe 40a können wie hier gezeigt noch axial im Bereich des Läufermantels angeordnet sein, oder sie können alternativ axial außerhalb der hohlzylindrischen Trägerstruktur angeordnet sein. Im gezeigten Beispiel sind die Längsstäbe 28 nicht exakt parallel zu der Rotationsachse 11 ausgerichtet, sondern sie sind in einem leichten Winkel in einer einfach geschrägten Konfiguration angeordnet.
5 zeigt eine schematische perspektivische Darstellung eines Läufermantels 13 nach einem alternativen Ausführungsbeispiel der Erfindung. Hier sind benachbarte Längsstäbe 28 jeweils paarweise über endseitige Verbindungssegmente 40b zu geschlossenen Leiterschleifen verbunden. Es ergeben sich also mehrere geschlossene Spulen, die nebeneinander auf der Außenseite des hohlzylindrischen Läufermantels 13 angeordnet sind. Nach der Art von herkömmlichen Schleifringläufern können diese Leiterschleifen jeweils über Schleifringe mit einem äußeren Stromkreis verbunden sein. Im asynchronen Betriebsmodus kann dann ein Stromfluss über diese Schleifringverbindungen erfolgen, der dann im synchronen Betriebsmodus der Maschine 1 weitgehend zu Erliegen kommt.
6 zeigt einen schematischen Längsschnitt durch eine elektrische Maschine 1 nach einem sechsten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Gezeigt ist ein ortsfestes Ständeraußengehäuse 41, in dem die Ständerwicklungen 43 auf der Innenseite eines Hohlzylinders angeordnet sind. Innerhalb dieses Ständers befindet sich ein auf einer Rotorwelle 45 mit Lagern 47 drehbar gelagerter Läufer 5. Der Läufer 5 umfasst einen weichmagnetischen Läuferkern 7, auf dem supraleitende Spulenwicklungen 9 als Erregerwicklungen der Maschine angeordnet sind. Der aus Läuferkern 7 und Spulenwicklungen 9 gebildete innere Läufer ist in einem inneren Vakuumbehälter 49 angeordnet, in dem beim Betrieb der Maschine ein Vakuum V vorliegt. Dieses Vakuum V dient der thermischen Isolation des insgesamt auf einem kryogenen Temperaturniveau gehaltenen inneren Läufers von seiner warmen Umgebung. Der innere Läufer ist mit thermisch schlecht leitenden Verbindungselementen 53 mechanisch mit der Rotorwelle 45 verbunden, so dass auch über diese Verbindungen ein hoher Temperaturgradient aufrechterhalten werden kann. Die Rotorwelle 45 ist über Seitenelemente 51 mechanisch fest mit dem inneren Vakuumbehälter 49 verbunden, so dass dieser Vakuumbehälter synchron mit der Rotorwelle 45 und dem inneren Läufer rotiert. Auf der Außenseite des Vakuumbehälters 49 ist nun der Läufermantel 13 angeordnet, dessen weichmagnetisches Material das Magnetfeld der Erregerwicklungen 9 zum Ort der Ständerwicklungen 43 führt. Der Läufermantel 13 weist analog zu den vorherigen Beispielen hier nicht gezeigte Längsleiter 28 für den asynchronen Betriebsmodus auf. Besonders im asynchronen Betriebsmodus entsteht im Läufermantel 13 ein Wärmeeintrag durch elektrische Verluste in den Längsstäben 28. Durch den inneren Vakuumbehälter 49 ist dieser Bereich aber thermisch hinreichend vom inneren Läufer isoliert. Die zylindrische Außenwand 57 des inneren Vakuumbehälters erfüllt dabei gleichzeitig die Funktion eines Dämpferschirms zwischen innerem Läufer und Läufermantel 13.
Durch die feste Verbindung mit dem Vakuumbehälter 49 rotiert auch der Läufermantel 13 synchron mit den übrigen Bestandteilen des Läufers 5. Im gezeigten sechsten Ausführungsbeispiel wird der innere Läufer durch ein im Innenraum der Rotorwelle 45 zirkulierendes Kühlmittel 55 gekühlt. Es wird also der gesamte innere Läufer mit den supraleitenden Spulenwicklungen 9 und dem Läuferkern 7 auf eine Temperatur nahe der Betriebstemperatur des Supraleiters gekühlt. Der Läufermantel 13 dagegen befindet sich außerhalb des thermisch isolierenden Vakuumbehälters 49 und wird daher auf einem deutlich höheren Temperaturniveau nahe der warmen Umgebungstemperatur gehalten.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 20120235532 A1 [0004]
EP 490550 B1 [0004]
EP 1203437 B1 [0007]

Claims

Elektrische Maschine (1) mit einem Ständer (3) und einem um eine Rotationsachse (11) drehbar gelagerten Läufer (5), – wobei der Läufer (5) einen innenliegenden Läuferkern (7) aufweist, der mit wenigstens einer elektrischen Spulenwicklung (9) versehen ist, – und wobei der Läuferkern (7) und die Spulenwicklung (9) radial von einem äußeren Läufermantel (13) umhüllt sind, wobei der Läufermantel (13) eine Mehrzahl von elektrisch leitenden Längsstäben (28) aufweist, die zumindest teilweise an ihren axialen Endbereichen elektrisch leitfähig miteinander verbunden sind.
Elektrische Maschine (1) nach Anspruch 1, bei der der Läufermantel (13) zu einem mehrheitlichen Teil seines Volumens aus einem weichmagnetischen Material gebildet ist.
Elektrische Maschine (1) nach Anspruch 2, bei der die Längsstäbe (28) gegen das weichmagnetische Material des Läufermantels (13) elektrisch isoliert sind.
Elektrische Maschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die elektrische Spulenwicklung (9) des Läufers (5) als supraleitende Spulenwicklung ausgebildet ist.
Elektrische Maschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Läufermantel (13) zu mehrheitlichen Teilen seines Umfangs eine Dicke (15) von wenigstens 2 cm aufweist.
Elektrische Maschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Läufermantel (13) mit einer Mehrzahl von radial außen liegenden Nuten (26) versehen ist, innerhalb derer die Längsstäbe (28) angeordnet sind.
Elektrische Maschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der Läufermantel (13) mit wenigstens einem Paar von diametral gegenüberliegenden Ausnehmungen (21) versehen ist.
Elektrische Maschine (1) nach Anspruch 7, bei der die Spulenwicklung (9) zur Erzeugung eines Magnetfeldes (27) mit einer Polpaarzahl n ausgebildet ist, wobei der Läufermantel (13) wenigstens n Paare von jeweils diametral gegenüberliegenden Ausnehmungen (21) aufweist, und wobei diese Ausnehmungen (21) in Umlaufrichtung jeweils zwischen benachbart liegenden Polen angeordnet sind.
Elektrische Maschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Spulenwicklung (9) zur Erzeugung eines Magnetfeldes (27) mit einer Polpaarzahl n ausgebildet ist, wobei wenigstens ein Teil der Längsstäbe (28) in Umlaufrichtung zwischen benachbarten Polen angeordnet ist.
Elektrische Maschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der zwischen dem Läuferkern (7) mit der elektrischen Spulenwicklung (9) und dem Läufermantel (13) ein innerer Vakuumbehälter (49) angeordnet ist, der den Läuferkern (7) mit der elektrischen Spulenwicklung (9) vakuumdicht umschließt.
Elektrische Maschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Läufermantel (13) aus einer Vielzahl von gegeneinander elektrisch isolierten weichmagnetischen Blechen gebildet ist.
Elektrische Maschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der alle Längsstäbe (28) durch wenigstens zwei endseitige Verbindungsstrukturen (40a) elektrisch miteinander kurzgeschlossen sind.
Elektrische Maschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der benachbarte Längsstäbe (28) jeweils paarweise an beiden Enden elektrisch leitfähig miteinander in Form einer geschlossenen Schleife verbunden sind.
Elektrische Maschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der radial zwischen Läuferkern (7) und Läufermantel (13) ein Dämpferschirm (57) aus einem elektrisch leitfähigen und amagnetischen Material angeordnet ist.
Elektrische Maschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die sowohl einen Betriebsmodus als Synchronmaschine als auch einen Betriebsmodus als Asynchronmaschine aufweist.