DE102015221854B4

DE102015221854B4 - flow device

Info

Publication number: DE102015221854B4
Application number: DE102015221854.6A
Authority: DE
Inventors: Georg Berner; Jens Förster; Veronica Nicolini; Laura Sawitzki; Elvira Stegmeyer
Original assignee: Festo SE and Co KG
Current assignee: Festo SE and Co KG
Priority date: 2015-11-06
Filing date: 2015-11-06
Publication date: 2018-07-19
Anticipated expiration: 2035-11-07
Also published as: DE102015221854A1

Abstract

Strömungseinrichtung mit einem Rohrabschnitt (2) zur abschnittsweisen Führung eines Fluids und mit einem im Rohrabschnitt (2) angeordneten Energiewandler (1; 41), der einen Stator (5) mit einer ersten Magnetanordnung (6) und einen drehbeweglich um eine Drehachse (7) kontaktlos am Stator (5) gelagerten Rotor (8) mit einer zweiten Magnetanordnung (9) umfasst, wobei der radial im Rohrabschnitt (2) gelagerte Rotor (8) mindestens eine Rotorschaufel (28; 68) für eine kraftübertragende Wechselwirkung mit dem Fluid aufweist, wobei eine der Magnetanordnungen (6, 9) eine Permanentmagnetanordnung und die andere Magnetanordnung (6, 9) eine Supraleiteranordnung umfasst, sowie mit einer Koppeleinrichtung (21, 24; 72, 73) für eine kontaktlose Drehmomentübertragung zwischen dem Rohrabschnitt (2) und dem Rotor (8; 48).Flow device with a pipe section (2) for guiding a fluid in sections and with an energy converter (1; 41) arranged in the pipe section (2), comprising a stator (5) with a first magnet arrangement (6) and a rotation axis about a rotation axis (7). rotor (8) mounted contactless on the stator (5) with a second magnet arrangement (9), the rotor (8) mounted radially in the pipe section (2) having at least one rotor blade (28; 68) for a force-transmitting interaction with the fluid, wherein one of the magnet arrangements (6, 9) comprises a permanent magnet arrangement and the other magnet arrangement (6, 9) comprises a superconductor arrangement, and with a coupling device (21, 24, 72, 73) for contactless torque transmission between the pipe section (2) and the rotor (8; 48).

Description

Die Erfindung betrifft eine Strömungseinrichtung. Bei einer solchen Strömungseinrichtung kann es sich wahlweise um eine Pumpeinrichtung zur Einleitung von kinetischer Energie in ein Fluid oder um eine Generatoreinrichtung zur Auskopplung von kinetischer Energie aus einem Fluid handeln. Bei dem Fluid kann es sich insbesondere um eine Flüssigkeit oder ein Gas oder um ein fluidisiertes und somit fließfähiges Feststoff-Gasgemisch handeln. Die Strömungseinrichtung ist vorzugsweise für eine Wandlung zwischen kinetischer Energie und Elektrizität ausgebildet. Beispielhaft kann vorgesehen sein, dass bei einer Ausführung der Strömungseinrichtung als Pumpeinrichtung elektrische Energie von einer Spannungsquelle zugeführt wird, von der Strömungseinrichtung in kinetische Energie umgewandelt wird und diese kinetische Energie in das Fluid eingekoppelt wird. Bei einer Ausgestaltung der Strömungseinrichtung als Generatoreinrichtung erfolgt mit Hilfe der Strömungseinrichtung eine Wandlung von kinetischer Energie des Fluids in elektrische Energie, die an einen Verbraucher weitergeleitet werden kann.The invention relates to a flow device. Such a flow device can optionally be a pump device for introducing kinetic energy into a fluid or a generator device for coupling kinetic energy from a fluid. The fluid may in particular be a liquid or a gas or a fluidized and thus flowable solid-gas mixture. The flow device is preferably designed for a conversion between kinetic energy and electricity. By way of example, it can be provided that in an embodiment of the flow device as a pump device, electrical energy is supplied from a voltage source, is converted by the flow device into kinetic energy and this kinetic energy is coupled into the fluid. In one embodiment of the flow device as a generator means, with the aid of the flow device, a conversion of kinetic energy of the fluid into electrical energy, which can be forwarded to a consumer.

Die DE 10 2013 001 716 A1 offenbart eine Rohrturbinen-Generatoreinheit, bei der der Generator einen Läufer mit einer Läuferwicklung und einen Ständer mit einer Ständerwicklung aufweist, wobei wenigstens eine der Wicklungen supraleitend ausgebildet ist. Dabei ist der Läufer von einer Antriebswelle angetrieben, die ihrerseits unmittelbar mit dem Turbinenrad gekoppelt ist, so dass das Turbinenrad über die Antriebswelle und den Läufer axial gelagert ist.The DE 10 2013 001 716 A1 discloses a bulb turbine generator unit in which the generator comprises a rotor with a rotor winding and a stator with a stator winding, wherein at least one of the windings is formed superconducting. In this case, the rotor is driven by a drive shaft, which in turn is coupled directly to the turbine wheel, so that the turbine wheel is mounted axially via the drive shaft and the rotor.

Aus der DE 10 2014 001 527 A1 ist eine Rühreinrichtung bekannt, bei der ein Rührelement kontaktlos getragen und in Bewegung gesetzt wird. Dabei ist die Tragfunktion durch eine Kombination von Permanentmagneten mit einem Supraleiter gewährleistet, während die Drehmomenteinleitung wahlweise über eine Kombination einer Permanentmagnetanordnung mit einer Spulenanordnung oder einer Permanentmagnetanordnung mit einem motorisch angetriebenen Permanentmagneten gewährleistet wird.From the DE 10 2014 001 527 A1 a stirring device is known in which a stirring element is carried without contact and set in motion. In this case, the support function is ensured by a combination of permanent magnets with a superconductor, while the torque input is ensured either via a combination of a permanent magnet arrangement with a coil arrangement or a permanent magnet arrangement with a motor-driven permanent magnet.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Strömungseinrichtung bereitzustellen, die für eine Vielzahl unterschiedlicher Fluide eingesetzt werden kann.The object of the invention is to provide a flow device that can be used for a variety of different fluids.

Diese Aufgabe wird für eine Strömungseinrichtung der eingangs genannten Art mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Hierbei ist ein Rohrabschnitt zur abschnittsweisen Führung eines Fluids und mit einem im Rohrabschnitt angeordneten Energiewandler vorgesehen, wobei der Energiewandler einen Stator mit einer ersten Magnetanordnung und einen drehbeweglich um eine Drehachse kontaktlos am Stator gelagerten Rotor mit einer zweiten Magnetanordnung umfasst, wobei der radial im Rohrabschnitt gelagerte Rotor mindestens eine Rotorschaufel für eine kraftübertragende Wechselwirkung mit dem Fluid aufweist, wobei eine der Magnetanordnungen eine Permanentmagnetanordnung und die andere Magnetanordnung eine Supraleiteranordnung umfasst. Ferner ist eine Koppeleinrichtung für eine kontaktlose Drehmomentübertragung zwischen dem Rohrabschnitt und dem Rotor vorgesehen.This object is achieved for a flow device of the type mentioned with the features of claim 1. Here, a pipe section for partially guiding a fluid and provided with an arranged in the pipe section energy converter, wherein the energy converter comprises a stator with a first magnet assembly and a rotatably mounted about a rotational axis without contact rotor mounted on the stator with a second magnet arrangement, wherein the radially mounted in the pipe section Rotor has at least one rotor blade for a force-transmitting interaction with the fluid, wherein one of the magnet assemblies comprises a permanent magnet assembly and the other magnet assembly comprises a superconductor assembly. Further, a coupling device for a contactless torque transmission between the pipe section and the rotor is provided.

Aufgrund der Anordnung des Energiewandlers im Rohrabschnitt kann der Energiewandler als kompakte Baugruppe ausgebildet werden, die keine besonderen Anforderungen an den Rohrabschnitt stellt, da alle wesentlichen Komponenten des Energiewandlers innerhalb des Rohrabschnitts angeordnet sind. Dies gilt insbesondere im Hinblick auf die Materialauswahl für den Rohrabschnitt, die keinen Einfluss auf die kontaktlose Lagerung des Rotors gegenüber dem Stator hat. Diese kontaktlose Lagerung wird durch magnetische Wechselwirkungen zwischen einer Permanentmagnetanordnung und einer Supraleiteranordnung erzielt.Due to the arrangement of the energy converter in the pipe section of the energy converter can be designed as a compact assembly, which makes no special demands on the pipe section, since all the essential components of the energy converter are arranged within the pipe section. This applies in particular with regard to the choice of material for the pipe section, which has no influence on the contactless mounting of the rotor relative to the stator. This contactless bearing is achieved by magnetic interactions between a permanent magnet assembly and a superconductor assembly.

Dabei sind die Permanentmagnetanordnung und die Supraleiteranordnung derart aufeinander abgestimmt, dass ein Magnetfeldlinienverlauf der Permanentmagnetanordnung als Magnetfeldprägung in der Supraleiteranordnung eingeprägt ist und vorzugsweise ausschließlich eine Rotationsbewegung des Rotors gegenüber dem Stator ermöglicht, während andere Freiheitsgrade der Bewegung zwischen Stator und Rotor aufgrund der magnetischen Wechselwirkungen zwischen Permanentmagnetanordnung und Supraleiteranordnung gesperrt sind. Die hierzu notwendige Magnetfeldprägung für die Supraleiteranordnung kann beispielsweise dadurch erzielt werden, dass die Supraleiteranordnung, die beispielsweise aus einem Typ II Supraleitermaterial wie Yttrium-Barium-Kupferoxid (YBCO) hergestellt sein kann, während einer Abkühlung auf oder unter eine materialspezifische Sprungtemperatur mit dem Magnetfeldlinienverlauf der Permanentmagnetanordnung beaufschlagt wird. Hierdurch werden in der Supraleiteranordnung bei Beibehaltung oder weiterer Unterschreitung der Sprungtemperatur Flussschläuche im supraleitenden Material eingeprägt (Pinning), die anschließend einer Veränderung des von außen bereitgestellten Magnetfeldlinienverlaufs der Permanentmagnetanordnung entgegenwirken.In this case, the permanent magnet arrangement and the superconductor arrangement are coordinated such that a magnetic field line characteristic of the permanent magnet arrangement is embossed as magnetic field embossing in the superconductor arrangement and preferably only allows a rotational movement of the rotor relative to the stator, while other degrees of freedom of movement between the stator and rotor due to the magnetic interactions between the permanent magnet arrangement and superconductor are locked. The necessary magnetic field embossing for the superconductor arrangement can be achieved, for example, by the fact that the superconductor arrangement, which can be produced, for example, from a type II superconducting material such as yttrium-barium-copper oxide (YBCO), during cooling to or below a material-specific transition temperature with the magnetic field line curve Permanent magnet arrangement is acted upon. As a result, flux tubes in the superconducting material are impressed in the superconductor arrangement while maintaining or falling below the critical temperature (pinning), which then counteract a change in the externally provided magnetic field characteristic of the permanent magnet arrangement.

Wahlweise kann die Permanentmagnetanordnung dem Rotor oder dem Stator zugeordnet sein, dementsprechend ist die Supraleiteranordnung dem Stator oder dem Rotor zugeordnet. Für eine Beibehaltung oder weitere Unterschreitung der Sprungtemperatur für die Supraleiteranordnung kann eine Kühleinrichtung vorgesehen sein, die eine Wärmeabfuhr aus der Supraleiteranordnung gewährleistet und beispielsweise als Kältemaschine, insbesondere als Stirling-Motor, ausgebildet sein kann. Eine derartige Kühleinrichtung erübrigt sich, wenn das Fluid im Rohrabschnitt eine Temperatur aufweist, die der Sprungtemperatur für die Supraleiteranordnung entspricht oder gegebenenfalls niedriger als diese Sprungtemperatur ist. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn es sich bei dem Fluid um ein verflüssigtes Gas wie beispielsweise Stickstoff handelt.Optionally, the permanent magnet assembly may be associated with the rotor or the stator, accordingly, the superconductor assembly is associated with the stator or the rotor. For maintaining or further below the critical temperature for the superconductor arrangement, a cooling device may be provided which has a Guaranteed heat dissipation from the superconductor arrangement and, for example, as a chiller, in particular as a Stirling engine, may be formed. Such a cooling device is unnecessary if the fluid in the pipe section has a temperature which corresponds to the transition temperature for the superconducting arrangement or optionally lower than this transition temperature. This is the case, for example, when the fluid is a liquified gas such as nitrogen.

Für die gewünschte Umwandlung zwischen kinetischer Energie und elektrischer Energie ist dem Energiewandler eine Kopplungseinrichtung zugeordnet, die wahlweise innerhalb des Rohrabschnitts oder außerhalb des Rohrabschnitts angeordnet sein kann. Die Kopplungseinrichtung ist zur Wandlung einer zugeführten Energieform, insbesondere Elektrizität, und zur Einkopplung der gewandelten Energie als kinetische Energie in das Fluid durch Bereitstellung eines entsprechenden Drehmoments auf den Rotor und/oder zur Auskopplung von kinetischer Energie aus dem Fluid und zur Wandlung dieser kinetischen Energie in eine andere Energieform, insbesondere Elektrizität, durch Abgreifen eines Drehmoments vom Rotor ausgebildet. Dabei ist wie für die kontaktlose rotatorische Lagerung des Rotors gegenüber dem Stator auch eine kontaktlose Drehmomentübertragung zwischen Kopplungseinrichtung und Rotor vorgesehen. Vorzugsweise ist für diese Drehmomentübertragung ebenfalls die Nutzung von magnetischen Wechselwirkungen zwischen Kopplungseinrichtung und Rotor vorgesehen, wobei hierzu auch die erste und/oder die zweite Magnetanordnung genutzt werden können.For the desired conversion between kinetic energy and electrical energy, the energy converter is assigned a coupling device, which can be arranged either within the pipe section or outside the pipe section. The coupling device is for converting a supplied energy form, in particular electricity, and for coupling the converted energy as kinetic energy into the fluid by providing a corresponding torque to the rotor and / or for coupling kinetic energy from the fluid and for conversion of this kinetic energy in another form of energy, in particular electricity, formed by picking up a torque from the rotor. Here, as for the contactless rotational bearing of the rotor relative to the stator and a contactless torque transmission between the coupling device and the rotor is provided. Preferably, the use of magnetic interactions between the coupling device and rotor is also provided for this torque transmission, for which purpose also the first and / or the second magnet arrangement can be used.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.Advantageous developments of the invention are the subject of the dependent claims.

Zweckmäßig ist es, wenn die Permanentmagnetanordnung kreisringförmig ausgebildet ist und/oder dass die Supraleiteranordnung einen oder mehrere innerhalb einer kreisringförmigen Hüllgeometrie angeordnete Supraleiter umfasst. Bei einer kreisringförmigen Ausgestaltung der Permanentmagnetanordnung kann eine vorteilhafte Anordnung am Rotor oder im Rohrabschnitt erzielt werden. Vorzugsweise umfasst die Permanentmagnetanordnung mehrere koaxial längs der Rotationsachse angeordnete, einstückig ausgebildete Ringmagnete, wobei benachbart angeordnete Ringmagnete jeweils gegensinnig, insbesondere in radialer Richtung, magnetisiert sind. Alternativ kann die Permanentmagnetanordnung mehrere jeweils ringförmig zu Magnetringen angeordnete Stabmagnete umfassen, die in der Art von Ringmagneten ausgebildet sind und exemplarisch in radialer Richtung magnetisiert sind. Hierbei ist vorzugsweise vorgesehen, dass mehrere derartige Magnetringe koaxial längs der Rotationsachse angeordnet sind und zueinander benachbarte Magnetringe jeweils entgegengesetzte Magnetsierungen aufweisen. Rein exemplarisch wird davon ausgegangen, dass die Ringmagnete bzw. Magnetringe ihre Nordpole bzw. Südpole an einer kreiszylindrischen Außenoberfläche aufweisen und ihre Südpole bzw. Nordpole an einer kreiszylindrischen Innenoberfläche aufweisen. Die Supraleiteranordnung umfasst einen oder mehrere Supraleiter, die innerhalb einer kreisringförmigen Hüllgeometrie angeordnet sind und die jeweils eine auf die Permanentmagnetanordnung abgestimmte Magnetfeldprägung aufweisen, mit der die gewünschte kontaktlose rotatorische Lagerung des Rotors gewährleistet werden kann. Beispielhaft umfasst die Supraleiteranordnung einen Ring aus supraleitendem Material oder mehrere, insbesondere in gleicher Winkelteilung angeordnete, Segmente, vorzugsweise Ringsegmente, aus supraleitendem Material.It is expedient if the permanent magnet arrangement is of annular design and / or that the superconductor arrangement comprises one or more superconductors arranged within an annular envelope geometry. In an annular configuration of the permanent magnet arrangement, an advantageous arrangement can be achieved on the rotor or in the pipe section. Preferably, the permanent magnet arrangement comprises a plurality of coaxially arranged along the axis of rotation, integrally formed ring magnets, wherein adjacent ring magnets are each magnetized in opposite directions, in particular in the radial direction. Alternatively, the permanent magnet arrangement may comprise a plurality of bar magnets arranged annularly in each case in relation to magnet rings, which are designed in the manner of ring magnets and are magnetized in the radial direction by way of example. In this case, it is preferably provided that a plurality of such magnetic rings are arranged coaxially along the axis of rotation and mutually adjacent magnetic rings each have opposite magnetizations. By way of example only, it is assumed that the ring magnets or magnet rings have their north poles or south poles on a circular-cylindrical outer surface and have their south poles or north poles on a circular-cylindrical inner surface. The superconductor arrangement comprises one or more superconductors which are arranged within an annular envelope geometry and which each have a magnetic field embossing coordinated with the permanent magnet arrangement, with which the desired contactless rotational mounting of the rotor can be ensured. By way of example, the superconductor arrangement comprises a ring of superconducting material or a plurality of segments, in particular in the same angle division, segments, preferably ring segments, of superconducting material.

Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Koppeleinrichtung eine dem Rohrabschnitt zugeordnete Spulenanordnung umfasst, die zusammen mit wenigstens einer der Magnetanordnungen für eine kontaktlose Energieübertragung zwischen Stator und Rotor ausgebildet ist. Die Spulenanordnung kann für eine Bereitstellung eines zirkular um die Rotationsachse umlaufenden Wanderfelds ausgebildet sein, um durch magnetische Wechselwirkung mit wenigstens einer der Magnetanordnungen, insbesondere der Permanentmagnetanordnung, eine kontaktlose Drehmomenteinleitung vom Stator auf den Rotor zu ermöglichen. Ergänzend oder alternativ kann die Spulenanordnung dazu eingesetzt werden, eine kontaktlose Drehmomentauskopplung aus einer Drehbewegung des Rotors vorzunehmen. Hierzu ist die Spulenanordnung dem Stator zugeordnet und die Magnetanordnung des Rotors umfasst die Permanentmagnetanordnung. Bei geeigneter Anordnung der wenigstens einen Spule der Spulenanordnung gegenüber der Permanentmagnetanordnung des Rotors wird durch die Permanentmagnetanordnung ein elektrischer Strom in der wenigstens einen Spule induziert, der an einen elektrischen Verbraucher weitergeleitet werden kann. Hierdurch wird die zumindest teilweise Wandlung der kinetischen Energie des Fluids, das durch den Rohrabschnitt strömt, in eine andere Energieform, hier elektrische Energie, mittels des Rotors und der Koppeleinrichtung ermöglicht.In an advantageous development of the invention it is provided that the coupling device comprises a coil arrangement associated with the pipe section, which is formed together with at least one of the magnet arrangements for a contactless energy transfer between the stator and the rotor. The coil arrangement may be designed for providing a traveling field which revolves circularly about the axis of rotation in order to enable contactless torque introduction from the stator onto the rotor by magnetic interaction with at least one of the magnet arrangements, in particular the permanent magnet arrangement. Additionally or alternatively, the coil assembly can be used to make a contactless torque extraction from a rotational movement of the rotor. For this purpose, the coil arrangement is associated with the stator and the magnet arrangement of the rotor comprises the permanent magnet arrangement. With a suitable arrangement of the at least one coil of the coil arrangement relative to the permanent magnet arrangement of the rotor, an electric current is induced in the at least one coil by the permanent magnet arrangement, which can be forwarded to an electrical consumer. In this way, the at least partial conversion of the kinetic energy of the fluid flowing through the pipe section into another form of energy, in this case electrical energy, is made possible by means of the rotor and the coupling device.

Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Spulenanordnung eine oder mehrere an einer Außenoberfläche oder an einer Innenoberfläche des Rohrabschnitts angeordnete Spulen sowie eine mit den Spulen elektrisch verbundene Ansteuereinrichtung zur Bereitstellung elektrischer Wechselfelder an die Spulenanordnung umfasst.It is preferably provided that the coil arrangement comprises one or more coils arranged on an outer surface or on an inner surface of the tube section and also a drive device electrically connected to the coils for providing alternating electric fields to the coil arrangement.

Bevorzugt ist vorgesehen, dass die mindestens eine Rotorschaufel an einer Innenseite der zweiten Magnetanordnung angeordnet ist. Bei einer ringförmigen Gestaltung der zweiten Magnetanordnung des Rotors wird eine vorteilhafte magnetische Wechselwirkung mit der ersten Magnetanordnung, die vorzugweise ringförmig an einer Innenoberfläche des Rohrabschnitts ausgebildet ist, erreicht. Ferner wird eine möglichst geringe Verringerung eines freien Strömungsquerschnitts des Rohrabschnitts gewährleistet. Die wenigstens eine Rotorschaufel des Rotors dient der gewünschten Wechselwirkung zwischen dem Rotor und dem Fluid und ist vorzugsweise als gekrümmte Fläche mit einem vorgebbaren oder variablen Anstellwinkel gegenüber der Rotationsachse ausgebildet.It is preferably provided that the at least one rotor blade on an inner side of the second magnet arrangement is arranged. In an annular configuration of the second magnet arrangement of the rotor, an advantageous magnetic interaction is achieved with the first magnet arrangement, which is preferably designed annularly on an inner surface of the pipe section. Furthermore, the smallest possible reduction of a free flow cross section of the pipe section is ensured. The at least one rotor blade of the rotor serves for the desired interaction between the rotor and the fluid and is preferably designed as a curved surface with a predeterminable or variable angle of attack with respect to the axis of rotation.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist die Spulenanordnung in Axialrichtung benachbart zur ersten Magnetanordnung am Rohrabschnitt angeordnet und/oder ist die erste Magnetanordnung als Supraleiteranordnung ausgebildet. Mit einer benachbarten Anordnung der Spulenanordnung und der ersten Magnetanordnung kann eine vorteilhafte Trennung zwischen der Lagerungsfunktion, die durch die beiden Magnetanordnungen bewirkt werden soll, und der Drehmomentübertragung, die durch die Spulenanordnung in Kombination mit wenigstens einer der Magnetanordnungen bewirkt werden soll, erzielt werden.In a further embodiment of the invention, the coil arrangement is arranged in the axial direction adjacent to the first magnet arrangement on the pipe section and / or the first magnet arrangement is designed as a superconductor arrangement. With an adjacent arrangement of the coil assembly and the first magnet assembly, an advantageous separation between the bearing function to be effected by the two magnet assemblies and the torque transfer to be effected by the coil assembly in combination with at least one of the magnet assemblies can be achieved.

Vorteilhaft ist es, wenn die Koppeleinrichtung zentral im Rohrabschnitt angeordnet ist, einen Motorgenerator und eine Magnetkupplung für eine kontaktlose Drehmomentübertragung zwischen dem Motorgenerator und dem Rotor umfasst. Der Motorgenerator kann wahlweise ausschließlich als Motor, insbesondere als Elektromotor, oder ausschließlich als Generator, insbesondere als Stromgenerator, oder als Kombination eines Elektromotors mit einem Stromgenerator ausgebildet sein. Dementsprechend dient die Koppeleinrichtung zur Einkopplung eines Drehmoments auf den Rotor und/oder zur Auskopplung eines Drehmoments vom Rotor. Die Magnetkupplung kann insbesondere mit einer Kombination von paarweise kontaktlos gegenüberliegend angeordneten Permanentmagneten oder mit einer Kombination einer Permanentmagnetanordnung und einer kontaktlos gegenüberliegend angeordneten Supraleiteranordnung oder mit einer Kombination von paarweise kontaktlos gegenüberliegend angeordneten Spulen ausgebildet sein. Vorzugsweise ist die Magnetkupplung derart ausgebildet, dass keine Energie für die kontaktlose Drehmomentübertragung benötigt wird, dies kann insbesondere durch Permanentmagnete oder Permanentmagnete und Supraleiter erreicht werden.It is advantageous if the coupling device is arranged centrally in the pipe section, a motor generator and a magnetic coupling for a contactless torque transmission between the motor generator and the rotor comprises. The motor generator may optionally be designed exclusively as a motor, in particular as an electric motor, or exclusively as a generator, in particular as a power generator, or as a combination of an electric motor with a power generator. Accordingly, the coupling device is used for coupling a torque to the rotor and / or for decoupling a torque from the rotor. The magnetic coupling may in particular be formed with a combination of pairs of contactlessly arranged opposite permanent magnets or with a combination of a permanent magnet arrangement and a contactlessly arranged opposite superconductor arrangement or with a combination of pairs contactlessly arranged opposite coils. Preferably, the magnetic coupling is designed such that no energy is required for the contactless torque transmission, this can be achieved in particular by permanent magnets or permanent magnets and superconductors.

Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die mindestens eine Rotorschaufel mit einem radial außenliegenden Bereich an einer Innenseite der zweiten Magnetanordnung und mit einem radial innenliegenden Bereich an einer Kupplungskomponente der Magnetkupplung angeordnet ist.In an advantageous development of the invention, it is provided that the at least one rotor blade is arranged with a radially outer region on an inner side of the second magnet arrangement and with a radially inner region on a coupling component of the magnetic coupling.

Zweckmäßig ist es, wenn die Supraleiteranordnung in einem Isolierbehälter angeordnet ist und/oder dass der Supraleiteranordnung eine Kühleinrichtung zugeordnet ist. Bei einer Anordnung der Supraleiteranordnung in einem Isolierbehälter kann die Strömungseinrichtung auch mit Fluiden verwendet werden, deren Temperatur oberhalb der Sprungtemperatur der Supraleiteranordnung liegt. Vorzugsweise ist der Isolierbehälter für die Supraleiteranordnung evakuiert, so dass nur ein geringer Wärmeaustausch zwischen der Supraleiteranordnung und einer Umgebung des Isolierbehälters vorliegt. Vorteilhaft ist es, wenn der Supraleiteranordnung eine Kühleinrichtung zugeordnet ist, bei der es sich um eine Einrichtung zur Wärmeabfuhr aus dem Supraleiter handeln kann, insbesondere um einen Stirling-Motor. Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass die Supraleiteranordnung im Isolierbehälter aufgenommen ist und eine mechanische Anbindung der Supraleiteranordnung ausschließlich über die ohnehin notwendige thermische Anbindung zur Kühleinrichtung vorgesehen ist.It is expedient if the superconductor arrangement is arranged in an insulating container and / or that the superconductor arrangement is assigned a cooling device. In an arrangement of the superconductor arrangement in an insulating container, the flow device can also be used with fluids whose temperature is above the transition temperature of the superconductor arrangement. Preferably, the insulating container for the superconductor assembly is evacuated so that there is little heat exchange between the superconductor assembly and an environment of the insulating container. It is advantageous if the superconductor assembly is associated with a cooling device, which may be a device for heat removal from the superconductor, in particular a Stirling engine. Particularly preferably, it is provided that the superconductor arrangement is accommodated in the insulating container and a mechanical connection of the superconductor arrangement is provided exclusively via the already necessary thermal connection to the cooling device.

Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt. Dabei zeigt:

1 eine Schnittdarstellung einer ersten Ausführungsform einer Strömungseinrichtung,
2 eine Schnittdarstellung einer zweiten Ausführungsform einer Strömungseinrichtung,
3 eine Seitenansicht von links auf eine der Strömungseinrichtungen gemäß den 1 und 2, und
4 eine Seitenansicht von rechts auf die Strömungseinrichtung gemäß der 1.

Advantageous embodiments of the invention are illustrated in the drawing. Showing:

1 a sectional view of a first embodiment of a flow device,
2 a sectional view of a second embodiment of a flow device,
3 a side view from the left on one of the flow devices according to the 1 and 2 , and
4 a side view from the right on the flow device according to the 1 ,

Eine in den 1, 3 und 4 dargestellte Strömungseinrichtung 1 ist zur Einkopplung von kinetischer Energie in ein nicht näher dargestelltes Fluid und/oder zur Auskopplung von kinetischer Energie aus einem nicht näher dargestellten Fluid vorgesehen.One in the 1 . 3 and 4 illustrated flow device 1 is intended for coupling of kinetic energy in a fluid not shown in detail and / or for coupling kinetic energy from a fluid, not shown.

Hierzu umfasst die Strömungseinrichtung 1 einen exemplarisch kreiszylindrisch ausgebildeten Rohrabschnitt 2 zur abschnittsweisen Führung des Fluids längs eines Strömungspfads 3. Im Rohrabschnitt 2 ist ein Energiewandler 4 angeordnet, der als separate Baugruppe ausgebildet ist und an einer beliebigen Stelle des Rohrabschnitts 2 angeordnet werden kann. Der Energiewandler 4 umfasst einen Stator 5 mit einer ersten, exemplarisch als Supraleiteranordnung 6 ausgebildeten Magnetanordnung und einen drehbeweglich um eine Drehachse 7 kontaktlos am Stator 5 gelagerten Rotor 8 mit einer zweiten, als Permanentmagnetanordnung ausgebildeten Magnetanordnung.For this purpose, the flow device comprises 1 an exemplary circular cylindrical tube section 2 for sectionally guiding the fluid along a flow path 3. In the pipe section 2 is an energy converter 4 arranged, which is designed as a separate assembly and at any point of the pipe section 2 can be arranged. The energy converter 4 includes a stator 5 with a first, exemplified as a superconductor arrangement 6 formed magnet assembly and a rotatable about an axis of rotation 7 contactless on the stator 5 mounted rotor 8th with a second, as Permanent magnet assembly formed magnet assembly.

Die Supraleiteranordnung 6 umfasst mehrere in einem ringförmig ausgebildeten Hohlkörper, der als Isolierbehälter 10 dient, angeordnete Supraleiter 11, die exemplarisch ringsegmentförmig ausgebildet sind und die beispielhaft in regelmäßiger Winkelteilung bezüglich der Drehachse 7 angeordnet sind. Der Isolierbehälter 10 ist vorzugsweise evakuiert, so dass zwischen einer Umgebung des Isolierbehälters 10 und den darin aufgenommenen Supraleitern 11 keine nennenswerte Wärmeübertragung stattfindet. Für eine Kühlung der Supraleiteranordnung 6 ist rein exemplarisch jedem der Supraleiter 11 eine nur rein schematisch dargestellte Kühleinrichtung 12 zugeordnet. Bei den Kühleinrichtungen 12 kann es sich beispielsweise um Stirling-Motoren handeln, die jeweils über einen Kühlfinger 15 verfügen, der mit dem jeweiligen Supraleiter 11 gekoppelt ist. Dabei kommt dem Kühlfinger 15 eine Doppelfunktion zu, da er einerseits die thermische Verbindung zwischen der Kühleinrichtung 12 und dem Supraleiter 11 gewährleistet und andererseits als mechanische Halterung für den Supraleiter 11 dient, so dass dieser nicht in anderer Weise im Isolierbehälter 10 festgelegt werden muss.The superconductor arrangement 6 comprises several in a ring-shaped hollow body, which serves as insulating 10 serves, arranged superconductors 11 , which are exemplified ring segment-shaped and the example in regular angular pitch with respect to the axis of rotation 7 are arranged. The insulated container 10 is preferably evacuated, so that between an environment of the insulating container 10 and the superconductors contained therein 11 no appreciable heat transfer takes place. For cooling the superconductor arrangement 6 is purely exemplary of each of the superconductors 11 a purely schematically illustrated cooling device 12 assigned. At the cooling facilities 12 For example, they can be Stirling engines, each with a cold finger 15 dispose of that with the respective superconductor 11 is coupled. Here comes the cold finger 15 a double function, since on the one hand the thermal connection between the cooling device 12 and the superconductor 11 guaranteed and on the other hand as a mechanical support for the superconductor 11 Serves so that it is not otherwise in the insulated container 10 must be determined.

Die Permanentmagnetanordnung 9 umfasst exemplarisch drei koaxial und benachbart zueinander angeordnete Ringmagnete 16, 17, 18 mit jeweils gegensinnig ausgebildeter, radialer Magnetisierung. Die Magnetisierungsrichtung für die Ringmagnete 16, 17, 18 ist durch die jeweiligen, exemplarisch in Nord-Süd ausgerichteten Richtungspfeile 19 symbolisiert. Die Ringmagnete 16, 17, 18 sind an einem hülsenförmigen Ringkörper 20 des Rotors 8 festgelegt, der sich längs der Drehachse 7 erstreckt und der an einem entfernt von den Ringmagneten 16, 17, 18 angeordneten Endbereich eine weitere Permanentmagnetanordnung 21 trägt. Die Permanentmagnetanordnung 21 umfasst zu einem Magnetring angeordnete Stabmagnete 22, die exemplarisch in radialer Richtung magnetisiert sind, wobei einander benachbarte Stabmagnete 22 gegensinnig magnetisiert sind, wie dies durch die Richtungspfeile 23 symbolisiert wird.The permanent magnet arrangement 9 exemplarily comprises three coaxial and adjacent to each other ring magnets 16 , 17, 18 each with oppositely formed, radial magnetization. The direction of magnetization for the ring magnets 16, 17, 18 is through the respective directional arrows, which are aligned in an exemplary manner in the north-south direction 19 symbolizes. The ring magnets 16 . 17 . 18 are on a sleeve-shaped ring body 20 of the rotor 8th set, which is along the axis of rotation 7 extends and at a distance from the ring magnets 16 17, 18 arranged end region another permanent magnet arrangement 21 wearing. The permanent magnet arrangement 21 comprises bar magnets arranged to form a magnetic ring 22 , which are magnetized by way of example in the radial direction, wherein adjacent bar magnets 22 magnetized in opposite directions, as indicated by the directional arrows 23 is symbolized.

Die dem Rotor 8 zugehörige Permanentmagnetanordnung 21 bildet zusammen mit einer dem Rohrabschnitt 2 zugeordneten Spulenanordnung 24 eine Koppeleinrichtung. Die Spulenanordnung 24 umfasst rein exemplarisch mehrere am Innenumfang des Rohrabschnitts 2, vorzugsweise in gleicher Winkelteilung bezüglich der Drehachse 7, angeordnete Spulen 25, deren Windungsachse 26 beispielhaft in radialer Richtung ausgerichtet ist. Die Spulen 25 sind in nicht näher dargestellter Weise elektrisch mit einer Ansteuereinrichtung 27 verbunden, die wahlweise oder alternativ für eine Bereitstellung und/oder Verarbeitung eines elektrischen Wanderfelds ausgebildet ist. Beispielhaft kann vorgesehen sein, dass die Ansteuereinrichtung 27 ein zirkular umlaufendes elektrisches Drehfeld an die Spulen 25 bereitstellt, so dass diese ein entsprechendes zirkular umlaufendes Magnetfeld bereitstellen können, das in Wechselwirkung mit der Permanentmagnetanordnung 21 eine Drehmomenteinleitung auf den Rotor 8 ermöglicht.The the rotor 8th associated permanent magnet arrangement 21 forms together with a pipe section 2 associated coil assembly 24 a coupling device. The coil arrangement 24 purely by way of example comprises several on the inner circumference of the pipe section 2 , preferably in the same angular pitch with respect to the axis of rotation 7 , arranged coils 25 Whose winding axis 26 is aligned by way of example in the radial direction. The spools 25 are in a manner not shown electrically with a drive device 27 connected, which is optionally or alternatively designed for providing and / or processing of a traveling electric field. By way of example, it can be provided that the control device 27 a circular rotating rotating electric field to the coils 25 so that they can provide a corresponding circularly circulating magnetic field that interacts with the permanent magnet assembly 21 a torque input to the rotor 8th allows.

Ergänzend oder alternativ kann vorgesehen sein, dass bei einer Rotation des Rotors 8 um die Drehachse 7 aufgrund der magnetischen Wechselwirkung zwischen der Permanentmagnetanordnung 21 und den Spulen 25 ein elektrisches Wechselfeld in den Spulen 25 induziert wird, durch das ein Stromfluss von den Spulen 25 an die Ansteuereinrichtung 27 bereitgestellt werden kann, der an einen nicht näher dargestellten Verbraucher weitergeleitet werden kann.Additionally or alternatively it can be provided that during a rotation of the rotor 8th around the axis of rotation 7 due to the magnetic interaction between the permanent magnet assembly 21 and the coils 25 an alternating electric field in the coils 25 is induced by a current flow from the coils 25 to the drive device 27 can be provided, which can be forwarded to a consumer, not shown.

Um die gewünschte Übertragung kinetischer Energie zwischen dem Rotor 8 und dem nicht näher dargestellten, im Rohrabschnitt 2 aufgenommenen Fluid zu bewirken, umfasst der Rotor 8 mehrere in radialer Richtung ausgehend von einer Rotornabe 29 erstreckte, auch als Rotorschaufeln bezeichnete Rotorblätter 28. Die Rotorblätter 28 weisen längs der Drehachse 7 eine Krümmung auf, so dass eine Strömung des Fluids längs des Strömungspfads 3 zu einer Krafteinleitung in einer Umfangsrichtung auf die jeweiligen Rotorblätter 28 führt, wodurch eine Drehmomenteinleitung auf den Rotor 8 erfolgt. Wird der Rotor 8 hingegen mit Hilfe der Kopplungseinrichtung, die die Permanentmagnetanordnung 21 und die Spulenanordnung 24 sowie die Ansteuereinrichtung 27 umfasst, angetrieben, so erfolgt aufgrund der Drehmomenteinleitung auf den Rotor 8 und der Krümmung der Rotorblätter 28 eine Einkopplung von kinetischer Energie in das Fluid, die ein Strömen des Fluids in Richtung des Strömungspfads 3 bewirkt.To get the desired transfer of kinetic energy between the rotor 8th and the not shown, in the pipe section 2 To cause absorbed fluid, the rotor 8 comprises a plurality of in the radial direction, starting from a rotor hub 29 extending, also referred to as rotor blades rotor blades 28 , The rotor blades 28 point along the axis of rotation 7 a curvature such that a flow of the fluid along the flow path 3 to a force in a circumferential direction on the respective rotor blades 28 which causes a torque input to the rotor 8th he follows. Will the rotor 8th however, with the help of the coupling device, the permanent magnet arrangement 21 and the coil assembly 24 as well as the drive device 27 comprises, driven, so takes place due to the torque input to the rotor 8th and the curvature of the rotor blades 28 a coupling of kinetic energy into the fluid, which is a flow of fluid in the direction of the flow path 3 causes.

Für die in den 2 und 3 dargestellte zweite Ausführungsform einer Strömungseinrichtung 41 werden für funktionsgleiche Komponenten die gleichen Bezugszeichen wie bei der ersten Ausführungsform verwendet, eine neuerliche Beschreibung dieser Komponenten erfolgt nicht. Die Strömungseinrichtung 41 weist die gleiche Supraleiteranordnung 6 mit den zugeordneten Kühleinrichtungen 12 auf. Der Rotor 48 weist einen kürzer ausgeführten Ringkörper 60 auf, an dem die Ringmagnete 16, 17, 18 festgelegt sind und der an einer Innenseite mit ebenfalls verkürzt ausgeführten Rotorblättern 68 versehen ist, die sich zwischen dem Ringkörper 60 und einer Rotornabe 69 erstrecken und die bezüglich der Drehachse 7 gekrümmt ausgebildet sind.For those in the 2 and 3 illustrated second embodiment of a flow device 41 For functionally identical components, the same reference numerals are used as in the first embodiment, a re-description of these components does not take place. The flow device 41 has the same superconductor arrangement 6 with the associated cooling devices 12 on. The rotor 48 has a shorter executed annular body 60 on, on which the ring magnets 16, 17, 18 are fixed and on an inner side with likewise shortened rotor blades 68 is provided, extending between the ring body 60 and a rotor hub 69 and those with respect to the axis of rotation 7 are formed curved.

Der Rotornabe 69 ist eine erste Kupplungskomponente 70 einer Magnetkupplung 72 zugeordnet. Bei dieser Kupplungskomponente 70 kann es sich exemplarisch um eine Permanentmagnetanordnung handeln, die aus mehreren in axialer Richtung längs der Drehachse 7 ausgerichteten und axial magnetisierten Stabmagneten gebildet sein kann. Gegenüberliegend zur ersten Kupplungskomponente 70 ist eine zweite Kupplungskomponente 71 angeordnet, die exemplarisch einen nicht näher dargestellten Supraleiter umfasst, wobei eine Magnetfeldprägung der zweiten Kupplungskomponente 71 derart auf einen Magnetfeldlinienverlauf der ersten Kupplungskomponente 70 abgestimmt ist, dass die Magnetkupplung 72 eine kontaktlose Drehmomentübertragung zwischen dem Rotor 48 und einem Motorgenerator 73 ermöglicht.The rotor hub 69 is a first coupling component 70 a magnetic coupling 72 assigned. By way of example, this coupling component 70 may be a permanent magnet arrangement, which consists of several in the axial direction along the axis of rotation 7 aligned and axially magnetized bar magnet may be formed. Opposite to the first coupling component 70 is a second coupling component 71 arranged, which by way of example comprises a superconductor, not shown, wherein a magnetic field embossing of the second coupling component 71 such a magnetic field line course of the first coupling component 70 is tuned that the magnetic coupling 72 a contactless torque transmission between the rotor 48 and a motor generator 73 allows.

Der Motorgenerator 73 kann beispielsweise als Gleichstrom-Bürstenmotor ausgebildet sein und kann rein exemplarisch sowohl als Motor als auch als Generator betrieben werden. Der Motorgenerator 73 und die zweite Kupplungskomponente 71 sind exemplarisch in einem Isolierbehälter 74 aufgenommen, der eine thermische Isolierung gegenüber einer Umgebung gewährleistet. Beispielhaft ist vorgesehen, dass der Isolierbehälter 74 an einem Haltesteg 75 angebracht ist, der an der Innenwandung des Rohrabschnitts 2 angebracht ist und durch den nicht näher dargestellte elektrische Anschlussmittel, insbesondere Kabel, für den Motorgenerator 73 sowie ein ebenfalls nicht dargestellter Kühlfinger einer außen am Rohrabschnitt 2 angebrachten Kühleinrichtung 76 geführt sind, wobei die Kühleinrichtung 76 beispielsweise als Stirling-Motor ausgebildet sein kann. Mit Hilfe der Kühleinrichtung 76 wird ein Innenraum des Isolierbehälters 74 auf oder unter einer Sprungtemperatur für den Supraleiter der zweiten Kupplungskomponente 71 gehalten, so dass der Supraleiter der zweiten Kupplungskomponente 71 seine Magnetfeldprägung beibehalten kann.The motor generator 73 For example, it can be designed as a DC brush motor and, purely by way of example, can be operated both as a motor and as a generator. The motor generator 73 and the second coupling component 71 are exemplary in an insulated container 74 included, which ensures a thermal insulation against an environment. By way of example, it is provided that the insulated container 74 at a landing stage 75 is attached to the inner wall of the pipe section 2 is mounted and by the non-illustrated electrical connection means, in particular cables, for the motor generator 73 and also a not shown cold finger an outside of the pipe section 2 attached cooling device 76 are guided, wherein the cooling device 76 for example, may be designed as a Stirling engine. With the help of the cooling device 76 becomes an interior of the insulating container 74 at or below a transition temperature for the superconductor of the second coupling component 71 held so that the superconductor of the second coupling component 71 can retain its magnetic field.

Claims

Flow device with a pipe section (2) for guiding a fluid in sections and with an energy converter (1; 41) arranged in the pipe section (2), comprising a stator (5) with a first magnet arrangement (6) and a rotation axis about a rotation axis (7). rotor (8) mounted contactless on the stator (5) with a second magnet arrangement (9), the rotor (8) mounted radially in the pipe section (2) having at least one rotor blade (28; 68) for a force-transmitting interaction with the fluid, wherein one of the magnet arrangements (6, 9) comprises a permanent magnet arrangement and the other magnet arrangement (6, 9) comprises a superconductor arrangement, and with a coupling device (21, 24, 72, 73) for contactless torque transmission between the pipe section (2) and the rotor (8; 48).

Flow device after Claim 1 , characterized in that the permanent magnet arrangement (9) is of annular design and / or that the superconductor arrangement (6) comprises one or more superconductors (11) arranged within an annular envelope geometry.

Flow device after Claim 1 or 2 , characterized in that the coupling device (21, 24; 72, 73) comprises a coil arrangement (24) associated with the pipe section (2), which together with at least one magnet arrangement (21) for contactless energy transmission between the stator (5) and the rotor (FIG. 8, 48) is formed.

Flow device after Claim 3 , characterized in that the coil arrangement (24) comprises one or more coils (25) arranged on an outer surface or on an inner surface of the tube section (2) and a drive device (27) electrically connected to the coils (25) for providing alternating electric fields to the Coil arrangement (24).

Flow device after Claim 3 or 4 , characterized in that the at least one rotor blade (28; 68) is arranged on an inner side of the second magnet arrangement (9).

Flow device after Claim 3 . 4 or 5 , characterized in that the coil arrangement (24) in the axial direction adjacent to the first magnet arrangement (6) is arranged on the pipe section (2) and / or that the first magnet arrangement (6) is formed as a superconductor arrangement.

Flow device after Claim 1 or 2 , characterized in that the coupling device (72, 73) is arranged centrally in the pipe section (2), a motor generator (73) and a magnetic coupling (72) for torque transmission between the motor generator (73) and the rotor (48).

Flow device after Claim 7 , characterized in that the at least one rotor blade (28; 68) is arranged with a radially outer region on an inner side of the second magnet arrangement (9) and with a radially inner region on a coupling component (70) of the magnetic coupling (72).

Flow device according to one of the preceding claims, characterized in that the superconductor arrangement (6) is arranged in an insulating container (10) and / or that the superconductor arrangement (6) is associated with a cooling device (12).