DE102018205170A1 - Maschinenkomponente sowie elektrische Maschine mit supraleitendem Spulenelement - Google Patents

Abstract

Es wird eine Maschinenkomponente (11) für eine elektrische Maschine (1) angegeben. Die Maschinenkomponente (11) umfassend
- wenigstens ein supraleitendes Spulenelement (13) und
- wenigstens einen Wicklungsträger (15),
- wobei der Wicklungsträger (15) wenigstens ein magnetisch flussführendes Element (18,19) umfasst, welches aus einem Material gebildet ist, das bei einer kryogenen Betriebstemperatur des supraleitenden Spulenelements (13) ferromagnetisch ist und bei dieser Betriebstemperatur eine Sättigungspolarisation oberhalb von 2,4 T aufweist.
Weiterhin wird eine elektrische Maschine (1) mit einer derartigen Maschinenkomponente (11) angegeben.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft eine Maschinenkomponente für eine elektrische Maschine, umfassend wenigstens ein supraleitendes Spulenelement und wenigstens einen Wicklungsträger. Weiterhin betrifft die Erfindung eine elektrische Maschine mit einer derartigen Maschinenkomponente, welche beispielsweise einen Rotor oder einen Stator der elektrischen Maschine ausbilden kann.
• Aus dem Stand der Technik sind elektrische Maschinen mit supraleitenden Spulenelementen bekannt, wobei diese supraleitenden Spulenelemente beispielsweise im Rotor der Maschine oder im Stator der Maschine oder auch in den beiden genannten Maschinenkomponenten vorliegen können. Vor allem in den Rotoren elektrischer Maschinen werden supraleitende Spulenelemente bevorzugt eingesetzt, um eine Erregerwicklung zur Verfügung zu stellen, welche annähernd frei von ohmschen Verlusten arbeitet und mit der durch entsprechend hohe Stromdichten vergleichsweise hohe magnetische Flussdichten erreicht werden können. Auf diese Weise kann für die gesamte elektrische Maschine eine vergleichsweise hohe Leistung bei gleichzeitig vergleichsweise geringem Maschinengewicht beziehungsweise Maschinenvolumen erreicht werden.
• Alternativ oder zusätzlich zur supraleitenden Rotorwicklung kann aber auch im Stator eine supraleitende Statorwicklung genutzt werden, um auch in diesem Teil der Maschine zu einer Reduktion der elektrischen Verluste und/oder zu einer hohen Leistungsdichte der Maschine beizutragen.
• Da allgemein beim Betrieb supraleitender Maschinen (unabhängig davon ob im Rotor und/oder im Stator oder in einem anderen Teil der Maschine supraleitende Spulenelemente vorliegen) durch die hohen möglichen Stromdichten auch die auftretenden magnetischen Flussdichten typischerweise sehr hoch sind, werden in solchen Maschinen häufig eisenlose Wicklungen eingesetzt. Mit anderen Worten wird zumindest in derjenigen Maschinenkomponente (beispielsweise Rotor und/oder Stator), in der supraleitende Spulenelemente vorliegen, auf magnetisch flussführende Strukturen im Bereich dieser Spulenelemente verzichtet. Dies ist deswegen zweckmäßig, weil beim Betrieb einer elektrischen Maschine mit einer derartigen supraleitenden Wicklung so hohe magnetische Feldstärken H auftreten, dass es bei herkömmlichen magnetisch flussführenden Materialien (insbesondere bei eisenhaltigen magnetisch flussführenden Strukturen) zu einer magnetischen Sättigung durch vollständige Ausrichtung der Weißschen Bezirke parallel zum angelegten Magnetfeld kommt. Die Wicklungsträger, mittels derer die supraleitenden Spulenelemente in der betreffenden Maschinenkomponente insbesondere mechanisch gehalten werden, sind daher nach dem Stand der Technik typischerweise aus amagnetischem Material gebildet. Für die Ausbildung der magnetischen Felder ist also im Prinzip die magnetische Permeabilität µ von Luft beziehungsweise von den verwendeten amagnetischen Materialien relevant, welche beide sehr nah bei der Vakuumpermeabilität µ₀ liegen. Die eisenlosen Wicklungen, insbesondere im Stator der elektrischen Maschine, werden in der Fachwelt oft auch als Luftspaltwicklungen bezeichnet, da eine solche Statorwicklung magnetisch gesehen in der Luftspalt-Region der Maschine angeordnet ist.
• Um eine Maschine mit sehr hoher Leistung zu erreichen, ist es allgemein wünschenswert, den durch die jeweilige Wicklung (also beispielsweise Feldwicklung oder Erregerwicklung) erzeugten magnetischen Fluss noch besser zu führen und zu verstärken. Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Maschinenkomponente für eine elektrische Maschine anzugeben, durch welche ein gegenüber dem Stand der Technik erhöhter verketteter magnetischer Fluss erreicht werden kann. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, eine elektrische Maschine mit einer entsprechend erhöhten Leistung zur Verfügung zu stellen.
• Diese Aufgaben werden durch die in Anspruch 1 beschriebene Maschinenkomponente und die in Anspruch 15 beschriebene elektrische Maschine gelöst.
• Die erfindungsgemäße Maschinenkomponente ist als Komponente für eine elektrische Maschine ausgebildet. Sie weist wenigstens ein supraleitendes Spulenelement und wenigstens einen Wicklungsträger auf. Dabei umfasst der Wicklungsträger wenigstens ein magnetisch flussführendes Element, welches aus einem Material gebildet ist, dass bei einer kryogenen Betriebstemperatur des supraleitenden Spulenelements ferromagnetisch ist. Das Material des flussführenden Elements weist bei dieser Temperatur eine Sättigungspolarisation oberhalb von 2,4 Tesla auf.
• Die Maschinenkomponente ist insbesondere für eine Maschine mit einer zentralen Achse A ausgebildet. Insbesondere kann es sich bei der Maschinenkomponente um einen Rotor oder um einen Stator der Maschine handeln, wobei dann der Rotor oder Stator zweckmäßig ebenfalls eine zentrale Achse A aufweist, welche der zentralen Achse A der gesamten Maschine entspricht. Es muss sich jedoch nicht notwendigerweise um eine rotierende Maschine handeln. Es kann sich alternativ auch um eine lineare Maschine (beispielsweise für einen Linearantrieb) handeln.
• Im vorliegenden Zusammenhang soll unter der kryogenen Betriebstemperatur des supraleitenden Spulenelements eine Temperatur verstanden werden, welche unterhalb der Sprungtemperatur des im Spulenelement eingesetzten supraleitenden Materials liegt. Insbesondere kann es sich bei einer solchen kryogenen Betriebstemperatur um eine Temperatur von 77 K oder weniger handeln. Abhängig vom Material des Supraleiters und den benötigten Stromdichten können dabei auch noch wesentlich tiefere Betriebstemperaturen zum Einsatz kommen. Beispielsweise kann eine solche Betriebstemperatur im Bereich zwischen 4 K und 77 K liegen.
• Unter dem genannten Wicklungsträger soll im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung allgemein eine Komponente verstanden werden, welche in mechanischem Kontakt mit dem wenigstens einen Spulenelement steht. Durch diesen mechanischen Kontakt wird erreicht, dass der Wicklungsträger dazu beiträgt, das Spulenelement in einer vorgegebenen Position zu halten. Dabei muss der Wicklungsträger nicht unbedingt der Wicklungskern oder Wicklungsdorn sein, um den die Spule ursprünglich gewickelt wurde. Das Spulenelement kann insbesondere ein eigenstabiles Spulenelement sein, was erst nachträglich nach dem Wickeln mit dem beschriebenen Wicklungsträger verbunden wird. Beispielsweise kann das Spulenelement ein nassgewickeltes Spulenelement sein, bei dem die Eigenstabilität durch ein Aushärten des verwendeten Imprägniermittels erreicht wird. Alternativ kann es sich aber auch beispielsweise um eine trockengewickelte Spule handeln, welche insbesondere nach dem Wickeln vergossen und ebenfalls ausgehärtet wird, so dass auch dabei eine selbsttragende Struktur entsteht. Auch eine solche Wicklungsstruktur kann dann nachträglich mit dem beschriebenen Wicklungsträger verbunden werden. Es ist auch nicht nötig, dass der Wicklungsträger das Spulenelement gegen alle in der Maschine auftretenden Kraftrichtungen abstützt. Wesentlich ist nur, dass ein mechanischer Kontakt vorliegt, durch den das Spulenelement in irgendeiner Form in Position gehalten wird. Zusätzlich zu dem wesentlichen tragenden Element oder den wesentlichen tragenden Elementen kann der Wicklungsträger auch noch ein oder mehrere weitere Elemente umfassen, welche nicht eine mechanisch tragende Funktion, sondern eine andere Funktion erfüllen (insbesondere die magnetische Flussführung).
• Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass bei einer derartigen kryogenen Betriebstemperatur auch andere Materialien außer Eisen, Kobalt, Nickel sowie Verbindungen dieser Elemente ferromagnetisch sind. Unter denjenigen Materialien, die bei Raumtemperatur nicht ferromagnetisch sind, wohl aber bei einer kryogenen Temperatur, existieren mehrere, welche eine höhere Sättigungspolarisation als Eisen, Kobalt oder Nickel beziehungsweise deren Legierungen aufweisen. Eine Sättigungspolarisation oberhalb von 2,4 Tesla ist besonders vorteilhaft, um in der Umgebung der eingesetzten supraleitenden Spulenelemente eine möglichst gute magnetische Flussführung zu erzielen. Mit einem magnetisch flussführenden Element gemäß der vorliegenden Erfindung können in der Nähe des Spulenelements magnetische Flussdichten im Bereich von beispielsweise 2,4 Tesla bis hin zu 3 Tesla oder sogar 4 Tesla und höher erreicht werden, was bei der Verwendung reiner Luftspule nicht oder nur sehr schwierig möglich ist. Insbesondere können bei gleichem Spulenaufbau höhere magnetische Flussdichten erreicht werden als ohne das beschriebene flussführende Element. Alternativ ist es aber auch möglich, eine im Vergleich zum Stand der Technik ähnliche magnetische Flussdichte zu erzielen, dafür aber die Menge an supraleitendem Leitermaterial zu reduzieren. Dies kann zu einer Kosteneinsparung für die Maschinenkomponente führen.
• Allgemein soll im vorliegenden Zusammenhang unter der Sättigungspolarisation J_s der Beitrag der magnetischen Polarisation J zur magnetischen Flussdichte B verstanden werden, der vorliegt, wenn das Material in magnetischer Sättigung ist. Die magnetische Flussdichte B hängt gemäß der folgenden Formel über die Vakuumpermeabilität µ₀ und die magnetische Suszeptibilität χ von der magnetischen Feldstärke H ab: $$B={\mu }_{0}H+{\mu }_0\chi H$$

  
• Der Einfachheit halber sind die vektoriellen Größe B und H hier nur über ihre Beträge wiedergegeben. Der zweite Summand wird dabei auch als magnetische Polarisation J bezeichnet $$B={\mu }_{0}H+J={\mu }_{0}H+{\mu }_{0}M$$

  

  wobei J wiederum durch das Produkt von Magnetisierung M und Vakuumpermeabilität µ₀ gegeben ist. Der Summand J entfällt bei einem vollständig amagnetischen Material. Bei einem magnetischen Material steigt die Polarisation J im Gegensatz zum ersten Summanden nicht linear mit der magnetischen Feldstärke, sondern sie durchläuft einen annähernd linearen Bereich und geht dann bei einem materialabhängigen Wert in Sättigung. Im Sättigungsbereich geht die magnetische Suszeptibilität χ, also der differentielle Anstieg der Magnetisierung M in Abhängigkeit von der magnetischen Feldstärke H gegen 0: $$\chi =\frac{\partial M}{\partial H}\to 0$$

  
• Unter der oben beschriebenen Sättigungspolarisation J_s soll derjenige Grenzwert von J verstanden werden, der erreicht wird, wenn χ gegen Null geht. Dies ist der maximale Wert von J, der in dem betreffenden Material bei der jeweils gegebenen Temperatur erreicht werden kann. Zum Teil wird diese Sättigungspolarisation Js in der Fachwelt auch mit dem Ausdruck „Sättigungsmagnetisierung“ bezeichnet.
• Durch eine Maschinenkomponente mit einem magnetisch flussführenden Element gemäß der vorliegenden Erfindung kann allgemein vorteilhaft eine höhere magnetische Flussdichte erreicht werden, da das flussführende Element entsprechend der hohen Sättigungspolarisation bei der kryogenen Betriebstemperatur erst bei sehr hohen externen magnetischen Feldstärken in magnetische Sättigung geht. Hierdurch kann vorteilhaft bei im Übrigen gleichen oder ähnlichen Maschinenparametern eine Erhöhung der Maschinenleistung erreicht werden.
• Die erfindungsgemäße elektrische Maschine weist wenigstens eine erfindungsgemäße Maschinenkomponente auf. Bei dieser Maschinenkomponente kann es sich insbesondere um einen Rotor oder um einen Stator einer rotierenden Maschine handeln. Insbesondere können auch beide Komponenten entsprechend der vorliegenden Erfindung ausgestaltet sein. Es kann aber auch in einer rotierenden Maschine für die jeweils andere Komponente - also entweder als Stator oder als Rotor - eine herkömmliche Maschinenkomponente zum Einsatz kommen. In jedem Fall ergeben sich die Vorteile der erfindungsgemäßen Maschine analog zu den weiter oben beschriebenen Vorteilen der Maschinenkomponente.
• Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den von Anspruch 1 abhängigen Ansprüchen sowie der folgenden Beschreibung hervor. Dabei können die beschriebenen Ausgestaltungen der Maschinenkomponente und der elektrischen Maschine allgemein vorteilhaft miteinander kombiniert werden.
• Allgemein bevorzugt umfasst das Material des wenigstens einen flussführenden Elements ein bei kryogener Temperatur ferromagnetisches Lanthanoid. Es sind mehrere Materialien aus der Gruppe der Lanthanoide bekannt, mit denen bei einer kryogenen Temperatur eine hohe Sättigungspolarisation im genannten Bereich erreicht werden kann.
• Insbesondere kann das Material des wenigstens einen flussführenden Elements Dysprosium, Holmium, Gadolinium, Terbium und/oder Europiumoxid (EuO) umfassen. Dabei ist es generell nicht unbedingt nötig, dass das genannte Material unbedingt in Reinform vorliegt. Für die magnetischen Eigenschaften kann es jedoch vorteilhaft sein, wenn zumindest eines der genannten Materialien als Hauptbestandteil des flussführenden Elements vorliegt. Beispielsweise kann der Massenanteil von wenigstens einem der genannten Materialien vorteilhaft bei wenigstens 50%, insbesondere sogar wenigstens 70% liegen. Die genannten bevorzugten Materialien können beispielsweise bevorzugt als Bestandteil eines Verbundwerkstoffs vorliegen. Beispielsweise können die genannten Lanthanoide jeweils als Bestandteil eines kunststoffbasierten Verbundwerkstoffes vorliegen.
• Von den genannten Materialien ist Dysprosium ganz besonders bevorzugt, da seine Curie-Temperatur oberhalb der Siedetemperatur von flüssigem Stickstoff liegt (die Angaben in der Literatur variieren zwischen etwa 85 K und 88 K) und da seine Sättigungspolarisation J_s ganz besonders hoch ist. Für die Sättigungspolarisation von Dysprosium werden in der Literatur für kryogene Temperaturen Werte oberhalb von 2,5 Tesla und teilweise sogar oberhalb von 3 Tesla angegeben. Auch Holmium ist aufgrund seiner sehr hohen Sättigungspolarisation besonders bevorzugt. Allerdings ist aufgrund seiner niedrigeren Curie-Temperatur von etwa 20 K dabei eine noch tiefere Betriebstemperatur zum Erreichen der gewünschten magnetischen Eigenschaften nötig.
• Allgemein ist es besonders bevorzugt, wenn das Material des wenigstens einen flussführenden Elements bei der kryogenen Betriebstemperatur eine Sättigungspolarisation von sogar 2,5 Tesla oder mehr aufweist. Insbesondere kann die Sättigungspolarisation sogar bei 3 Tesla oder höher liegen. Mit derart hohen Sättigungspolarisationen kann entsprechend eine noch höhere Steigerung der magnetischen Flussdichten und somit der Leistung der elektrischen Maschine erreicht werden.
• Allgemein bevorzugt weist die Maschinenkomponente zusätzlich einen Kryostaten auf, der das wenigstens eine Spulenelement und das wenigstens eine flussführende Element umschließt. Mittels dieses Kryostaten können also wenigstens diese beiden genannten Elemente auf die bereits genannte kryogene Betriebstemperatur gekühlt werden. Somit kann sowohl das supraleitende Material des Spulenelements auf eine Temperatur unterhalb seiner Sprungtemperatur gekühlt werden und das flussführende Element kann auf eine Temperatur gekühlt werden, bei dem die genannten ferromagnetischen Eigenschaften vorliegen.
• Zur Kühlung des wenigstens einen supraleitenden Spulenelements und des wenigstens einen magnetisch flussführenden Elements kann die Maschinenkomponente insbesondere ein Kühlsystem aufweisen. Dieses Kühlsystem kann neben dem oben genannten Kryostaten beispielsweise einen oder mehrere Kühlmittelkanäle aufweisen, in dem ein fluides Kühlmittel zirkulieren kann. Ein solches Kühlmittel kann beispielsweise durch einen Hohlraum im Inneren der Maschinenkomponente zu den Spulenelementen fließen, diese durch thermischen Kontakt abkühlen, danach zu einem Kaltkopf außerhalb der Maschinenkomponente fließen und dort rückgekühlt werden und wiederum in den Hohlräumen der Maschinenkomponente eingespeist werden, sodass insgesamt ein geschlossener Kühlkreislauf gebildet wird.
• Das fluide Kühlmittel kann besonders vorteilhaft Wasserstoff sein. Wasserstoff ist deshalb besonders geeignet, weil es einerseits einen ausreichend niedrigen Siedepunkt aufweist, um im flüssigen Zustand als kryogenes Kühlmittel zu wirken. Andererseits weist es eine geringe Dichte auf, was sich günstig auf das Gesamtgewicht der Maschinenkomponente inklusive Kühlmittel auswirkt. Durch die geringe Dichte ist auch die durch den hydrostatischen Druck entstehende Siedepunktverschiebung klein.
• Alternativ zur genannten Ausführungsform mit Wasserstoff können als Kühlmittel aber auch andere Flüssigkeiten oder auch Gase zum Einsatz kommen. Weitere vorteilhafte kryogene Kühlmittel sind flüssiges Helium, flüssiges Neon, flüssiger Stickstoff, flüssiger Sauerstoff und/oder flüssiges Methan. Dabei kann bei Verwendung all dieser kryogenen Kühlmittel prinzipiell die flüssige Form neben der Gasform vorliegen, und es kann durch ein Verdampfen der Flüssigkeit im Bereich der zu kühlenden Komponenten eine zusätzliche Kühlwirkung erreicht werden. So ist es möglich, dass das kryogene Kühlmittel im Inneren der Maschinenkomponente insbesondere nach dem Thermosiphon-Prinzip und/oder nach Art eines Wärmerohrs zirkuliert.
• Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann der Wicklungsträger zusätzlich ein Element aus einem amagnetischen Material aufweisen, mit welchem das wenigstens eine flussführende Element verbunden ist. Bei einem solchen nicht flussführenden Element kann es sich beispielsweise um ein Stützelement und/oder um eine Umhüllung des magnetisch flussführenden Elements handeln. Es ist also insbesondere nicht nötig, dass das beschriebene flussführende Element den gesamten Wicklungsträger ausbildet und somit alle Anforderungen an die mechanische Festigkeit des Wicklungsträgers erfüllt. Vielmehr ist es ausreichend, wenn ein oder mehrere Teilelemente des Wicklungsträgers durch das flussführende Element gebildet sind. Zusätzlich können dann ein oder mehrere weitere nicht flussführende amagnetische Stützelemente vorliegen, welche dem Wicklungsträger insgesamt die nötige mechanische Festigkeit verleihen. Insbesondere kann ein solches nicht flussführendes Stützelement einen Tragkörper bilden, auf dem gegebenenfalls mehrere der beschriebenen flussführenden Elemente angeordnet sind. Dies ist insbesondere beim Vorliegen mehrerer supraleitender Spulenelemente sinnvoll.
• Unter einem amagnetischen Material sollen im vorliegenden Zusammenhang alle Materialien verstanden werden, die nicht ferromagnetisch oder ferrimagnetisch sind. Auch Legierungen oder andere Stoffgemische mit Permeabilitätszahlen µ_r unterhalb von 1,5 sollen hierbei als amagnetisch gelten.
• Gemäß einer allgemein bevorzugten Ausführungsform kann das wenigstens eine flussführende Element in einem innenliegenden Bereich des Spulenelements angeordnet sein. Unter einem solchen „innenliegenden Bereich“ soll dabei im vorliegenden Zusammenhang der Bereich eines ringförmigen Spulenelements verstanden werden, der zwischen den jeweiligen Spulenschenkel liegt. Insbesondere bei einem länglichen Spulenelement, welches sich insgesamt in axialer Richtung bezüglich der zentralen Achse A der Maschine erstreckt, kann dies der Bereich zwischen den beiden axialen Schenkeln der Spule sein. Dieser innenliegende Bereich wird gelegentlich auch als „Auge der Spule“ oder auch als Bereich der lokalen Spulenachse bezeichnet. Eine Anordnung des flussführenden Elements im Auge einer Spule ist besonders vorteilhaft, da beim Betrieb des Spulenelements (also bei Stromfluss) in diesem Bereich die höchsten Werte der magnetischen Flussdichte auftreten. Beim Vorliegen eines entsprechend hochsättigenden Materials in genau diesem Bereich kann insgesamt eine besonders hohe magnetische Flussdichte sowohl hier als auch in der äußeren Umgebung des Spulenelements erreicht werden.
• Grundsätzlich ist es aber auch möglich und unter Umständen vorteilhaft eine magnetisch flussführende Struktur (alternativ oder zusätzlich) in einem anderen Bereich als dem innenliegenden Bereich des Spulenelements anzuordnen. Beispielsweise kann das wenigstens eine flussführende Element in Umfangsrichtung benachbart zu einem oder mehreren der axialen Spulenschenkel angeordnet sein. Es könnte auch (bezüglich der zentralen Maschinenachse A) radial innerhalb (insbesondere bei der Ausgestaltung der Maschine als Innenläufer) oder radial außerhalb (insbesondere bei einem Außenläufer) neben einem oder mehreren der axialen Spulenschenkel angeordnet sein.
• Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform kann die Maschinenkomponente eine Mehrzahl von Spulenelementen aufweisen. Diese können insbesondere über den Umfang der Maschinenkomponente verteilt angeordnet sein. Besonders vorteilhaft können sie gleichmäßig verteilt über diesen Umfang angeordnet sein. Sowohl im Rotor als auch im Stator der elektrischen Maschine kann eine solche gleichmäßige Verteilung zweckmäßig sein, um ein möglichst symmetrisches magnetisches Feld zu erzeugen, beziehungsweise um aus einem symmetrischen magnetischen Feld eine möglichst hohe magnetische Induktion zu erzielen.
• Bei dieser Ausführungsform ist es vorteilhaft, wenn jedes der einzelnen Spulenelemente ein ihm zugeordnetes flussführendes Element aufweist, welches beispielsweise in einem innenliegenden Bereich des jeweiligen Spulenelements angeordnet ist. Bei dieser Ausführungsform kann vorteilhaft für jedes einzelne der Spulenelemente der oben beschriebene Vorteil der magnetischen Flussführung im Auge der Spule, also im Bereich des besonders hohen magnetischen Flusses, erreicht werden.
• Allgemein bevorzugt kann das wenigstens eine flussführende Element eine längliche Form aufweisen und in Richtung der zentralen Achse der Maschine ausgerichtet sein. Dies ist besonders dann zweckmäßig, wenn das flussführende Element nicht den kompletten Wicklungsträger ausmacht, sondern wenn dieser zusätzlich wie weiter oben beschrieben ein amagnetisches Stützelement aufweist. Dann kann dieses amagnetische Stützelement beispielsweise mit einem länglichen flussführenden Steg versehen sein, welcher insbesondere zwischen den beiden Längsschenkeln eines länglichen Spulenelements angeordnet ist. Bei Vorliegen mehrerer Spulenelemente können insbesondere mehrere solche flussführende Elemente vorliegen, die wiederum jeweils einem bestimmten Spulenelement zugeordnet sind. Beispielsweise kann das amagnetische Stützelement eine hohlzylindrische Grundstruktur aufweisen, bei welcher mehrere in axialer Richtung (bezüglich der zentralen Achse A) ausgerichtete flussführende Elemente über den Umfang des amagnetischen Hohlzylinders verteilt angeordnet sind.
• Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform kann das wenigstens eine flussführende Element eine hohlzylindrische Grundstruktur aufweisen. Diese Ausführung ist besonders vorteilhaft, um den durch das wenigstens eine Spulenelement ausgebildeten magnetischen Fluss im flussführenden Element ringförmig schließen zu können. Dies ist wiederum dann besonders zweckmäßig, wenn die Maschinenkomponente mehrere über den Umfang verteilte Spulenelemente aufweist. Bei dieser Ausführungsform soll nicht ausgeschlossen sein, dass zusätzlich weitere magnetisch flussführende Elemente vorliegen können, welche beispielsweise ebenfalls über den Umfang des hohlzylindrischen flussführenden Elements verteilt sein können. Besonders bevorzugt können dies weitere flussführende Stege sein, welche sich insbesondere in Richtung der zentralen Achse erstrecken können und zusätzlich zu der hohlzylindrischen Grundstruktur über den Umfang des Wicklungsträgers verteilt angeordnet sind.
• Bei einer derartigen Ausführungsform mit hohlzylindrischem flussführendem Element kann dieses Element bereits wesentlich zu den tragenden Eigenschaften des Wicklungsträgers beitragen. Auch hier kann es jedoch unter Umständen zweckmäßig sein, ein zusätzliches Stützelement aus amagnetischem Material vorzusehen. Dies kann beispielsweise eine weitere hohlzylindrische Stützstruktur sein, die mit dem hohlzylindrischen flussführenden Element (und optionalen zusätzlichen flussführenden Längsstegen) mechanisch verbunden ist.
• Das supraleitende Spulenelement weist bevorzugt ein hochtemperatursupraleitendes Leitermaterial auf. Besonders bevorzugt ist das Spulenelement aus einem hochtemperatursupraleitenden Bandleiter gewickelt. Hochtemperatursupraleiter (HTS) sind supraleitende Materialien mit einer Sprungtemperatur oberhalb von 25 K und bei einigen Materialklassen, beispielsweise den Cuprat-Supraleitern, oberhalb von 77 K, bei denen die Betriebstemperatur durch Kühlung mit anderen kryogenen Materialien als flüssigem Helium erreicht werden kann. HTS-Materialien sind auch deshalb besonders vorteilhaft, da diese Materialien abhängig von der Wahl der Betriebstemperatur hohe obere kritische magnetische Flussdichten sowie hohe kritische Stromdichten aufweisen können.
• Der Hochtemperatursupraleiter kann beispielsweise Magnesiumdiborid oder einen oxidkeramischen Supraleiter, beispielsweise eine Verbindung des Typs REBa₂Cu₃O_x (kurz REBCO) aufweisen, wobei RE für ein Element der seltenen Erden oder eine Mischung solcher Elemente steht.
• Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Maschinenkomponente als Rotor für eine elektrische Maschine ausgestaltet.
• Bei dieser Ausführungsform kann das wenigstens eine supraleitende Spulenelement (und insbesondere eine Mehrzahl solcher Spulenelemente zusammen) eine Erregerwicklung ausbilden. Durch die beschriebenen Vorteile der erfindungsgemäßen Ausgestaltung kann mit einem derartigen Rotor der Erregerfluss besonders gut geführt und verstärkt werden.
• Gemäß einer alternativen bevorzugten Ausführungsform ist die Maschinenkomponente als Stator für eine elektrische Maschine ausgestaltet. Bei dieser Ausführungsform kann das wenigstens eine supraleitende Spulenelement (und insbesondere eine Mehrzahl solcher Spulenelemente zusammen) eine Statorwicklung ausbilden. Diese Statorwicklung kann beispielsweise als DreiPhasen-Wicklungssystem ausgebildet sein. Die Phasenzahl der Statorwicklung kann aber auch größer als drei gewählt sein, beispielsweise um eine höhere Ausfallsicherheit zu erreichen. Durch die beschriebenen Vorteile der erfindungsgemäßen Ausgestaltung kann in der Statorwicklung eine besonders hoher magnetischer Fluss beziehungsweise eine besonders gute Flussverkettung und damit eine besonders hohe Maschinenleistung erreicht werden.
• Gemäß einer allgemein bevorzugten Ausführungsform der elektrischen Maschine (oder auch der Maschinenkomponente) ist diese für eine Nennleistung von wenigstens 2 MW, insbesondere sogar wenigstens 5 MW oder sogar 10 MW ausgelegt. Alternativ oder zusätzlich kann sie vorteilhaft eine Leistungsdichte von wenigstens 10 kW/kg, insbesondere sogar wenigstens 20 kW/kg aufweisen. Dies ist besonders für Generatoren oder Motoren in Fahrzeugen relevant, die beim Antrieb eines solchen Fahrzeuges mit bewegt werden müssen. Ganz besonders kritisch ist die Leistungsdichte bei elektrischen Maschinen in Luftfahrzeugen. Unabhängig von der genauen Anwendung der Maschine kann diese allgemein entweder als Motor und/oder als Generator betrieben werden. Besonders vorteilhaft kann die Maschine als Synchronmaschine ausgebildet sein.
• Die magnetische Polzahl p der elektrischen Maschine kann vorteilhaft zwischen 2 und 12, insbesondere zwischen 6 und 12 und besonders vorteilhaft bei genau 8 liegen. Eine derartige Ausgestaltung ist besonders vorteilhaft, um eine hohe Leistungsdichte zu erreichen.
• Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der elektrischen Maschine kann diese eine vergleichsweise hohe Luftspaltdicke von wenigstens 30 mm (rein geometrisch) beziehungsweise wenigstens 80 mm (magnetisch gesehen, also inklusive der Luftspaltwicklung bis zum Statorjoch) aufweisen. Bei einer derart hohen Luftspaltdicke kommen die Vorteile der Erfindung besonders zum Tragen, da dann ein wesentlicher Teilbereich des Magnetkreises verbesserte flussführende Eigenschaften aufweist (insbesondere in den beschriebenen innenliegenden Bereichen der jeweiligen Spulenelemente) und somit eine besonders große Steigerung der Maschinenleistung erreicht werden kann.
• Nachfolgend wird die Erfindung anhand einiger bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die angehängten Zeichnungen beschrieben, in denen:
• 1 eine schematische Querschnittsdarstellung einer elektrischen Maschine nach dem Stand der Technik zeigt,
• 2 eine entsprechende schematische Querschnittsdarstellung einer elektrischen Maschine nach einem ersten Beispiel der Erfindung zeigt,
• 3 eine schematische perspektivische Ansicht eines supraleitenden Spulenelements und eines flussführenden Stegs zeigt,
• 4 eine schematische Querschnittsdarstellung einer elektrischen Maschine nach einem zweiten Beispiel der Erfindung zeigt,
• 5 die Maschine der 1 mit berechneten magnetischen Flusslinien zeigt,
• 6 die Maschine der 2 mit berechneten magnetischen Flusslinien und
• 7 die Maschine der 4 mit berechneten magnetischen Flusslinien zeigt.
• In den Figuren sind gleiche oder gleichwirkende Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
• In 1 ist eine schematische Querschnittsdarstellung einer elektrischen Maschine 1 nach dem Stand der Technik gezeigt. Gezeigt ist ein Schnitt senkrecht zur zentralen Achse A der Maschine. Die Maschine weist einen innenliegenden Rotor 11 und einen diesen radial umgebenden Stator 3 auf. Der Rotor 11 ist in diesem Beispiel zur Ausbildung eines achtpoligen elektromagnetischen Erregerfeldes ausgestaltet und weist hierzu acht supraleitende Spulenelemente 13 auf, welche über den Umfang des Rotors gleichmäßig verteilt angeordnet sind. Ferner umfasst der Rotor einen hohlzylindrischen Wicklungsträger 15, in welchen die einzelnen Spulenelemente 13 von einer radial innenliegenden Seite aus eingebettet sind. Der Wicklungsträger ist hier aus einem amagnetischen Material gebildet, beispielsweise aus einer Aluminiumlegierung. Im innenliegenden Bereich des Rotors weist dieser einen Hohlraum 17 auf, in welchem ein fluides Kühlmittel zirkulieren und die Spulenelemente 13 auf eine kryogene Betriebstemperatur kühlen kann.
• Der Stator 3 der elektrischen Maschine 1 weist ein zylindermantelförmiges außenliegendes Statorjoch 5 auf, welches die Statorwicklung 4 im gezeigten Bereich als flussführendes Element radial umgibt. Zwischen dem Eisenjoch 5 und dem Rotor 11 befindet sich ein Luftspalt 6, in dem hier ebenfalls die Statorwicklung 4 des Stators 3 angeordnet ist. Es handelt sich hier also um eine sogenannte Luftspaltwicklung, die nicht azimutal zwischen magnetischen Strukturen angeordnet ist. Die Statorwicklung 4 ist aus einer Mehrzahl von separaten Einzelspulen zusammengesetzt, welche jeweils die Form einer sattelförmigen Flachspule aufweisen. Die Zugehörigkeit der in der Querschnittsdarstellung zu erkennenden axialen Spulenschenkel zu diesen einzelnen Flachspulen ist durch Schraffur gekennzeichnet. Prinzipiell kann die Statorwicklung jedoch auch anders aufgebaut sein. Es kann sich beispielsweise hier auch um eine verteilte Statorwicklung mit axialen Wicklungssegmenten handeln, welche zwischen Statorzähnen eingebettet sind. In diesem Beispiel ist die Statorwicklung aus normalleitenden Spulen aufgebaut. Prinzipiell können jedoch auch im Stator supraleitende Spulenelemente zum Einsatz kommen.
• Im gezeigten Beispiel sind nur die Spulenelemente 13 des Rotors 11 als supraleitende Spulenelemente ausgebildet. Um eine thermische Isolation gegen die äußere Umgebung zu erreichen, weist der Rotor einen radial außenliegenden Kryostaten auf. Dieser Kryostat ist ein doppelwandiges vakuumisoliertes Gefäß, welches jedoch der Übersichtlichkeit halber in der 1 nicht mit eingezeichnet ist. Die Rotorelemente innerhalb dieses thermisch isolierenden Kryostaten (also auch der Wicklungsträger 15) sind beim Betrieb des Rotors auf einer kryogenen Temperatur, bei welcher die Spulenelemente 13 supraleitend sind, beispielsweise bei etwa 30K. Durch die supraleitenden Eigenschaften kann beim Betrieb der elektrischen Maschine 1 ein Erregerfeld mit sehr hohen magnetischen Flussdichten erzeugt werden. Abgesehen vom außen liegenden Statorjoch 5 liegen bei dieser Maschine nach dem Stand der Technik keine weiteren magnetisch flussführenden Elemente vor. Durch die hohen Stromdichten der supraleitenden Spulenelemente 13 sind die magnetischen Flussdichten im Bereich der Rotorwicklung und auch im Bereich der Statorwicklung so hoch, dass klassische ferromagnetischen Materialien wie beispielsweise Eisen hier schon längst in Sättigung wären. Die magnetischen Flussdichten können beispielsweise in den innenliegenden Bereichen der einzelnen Spulenelemente 13 Werte im Bereich von 3 Tesla bis 4 Tesla erreichen. Eine magnetisch flussführende Struktur aus Eisen wäre daher aufgrund der magnetischen Sättigung in diesen Bereichen nicht wirksam.
• 2 zeigt eine entsprechende schematische Querschnittsdarstellung einer elektrischen Maschine 1 nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Auch hier weist die elektrische Maschine 1 einen innenliegenden Rotor 11 und einen diesen umgebenden Stator 3 auf. Sie ist im Wesentlichen analog zur Maschine der 1 ausgebildet. Der wesentliche Unterschied liegt darin, dass der Wicklungsträger 15 nicht vollständig aus amagnetischem Material gebildet ist. Vielmehr umfasst er einen außen liegenden amagnetischen Tragkörper 20, welcher eine hohlzylinderartige Grundstruktur aufweist. In diesen Hohlzylinder sind ähnlich wie in der 1 die einzelnen Spulenelemente 13 von radial innen aus eingebettet. In den innenliegenden Bereichen der einzelnen Spulenelemente (also in den Bereichen, welche von den beiden in axialer Richtung verlaufenden Schenkeln umschlossen sind) sind in diesem Beispiel jeweils flussführende Stege 18 angeordnet. Diese flussführenden Stege 18 sind jeweils mechanisch mit dem amagnetischen Tragkörper 20 verbunden und werden von diesem gehalten. Ihre Funktion ist es, die magnetische Flussdichte innerhalb des Rotors und insbesondere in den innenliegenden Bereichen der einzelnen Spulenelemente 13 zu erhöhen. Hierdurch wird auch der Verlauf des magnetischen Flusses außerhalb des Rotors und insbesondere die magnetische Verkettung von Rotor und Stator verbessert. Das Material der flussführenden Stege 18 ist derart gewählt, dass es bei der kryogenen Betriebstemperatur des Rotors, welche ohnehin für den Betrieb der supraleitenden Spulenelemente 13 nötig ist, ferromagnetisch ist. Die Sättigungspolarisation liegt dabei oberhalb von 2,4 Tesla. Beispielsweise können die flussführenden Stege aus Dysprosium gebildet sein oder aus einem Verbundmaterial gebildet sein, welches Dysprosium beinhaltet. Durch diese hohe Sättigungspolarisation kann eine bessere Verstärkung des magnetischen Flusses erreicht werden, als es beispielsweise mit eisenbasierten flussführenden Elementen möglich wäre.
• 3 zeigt eine schematische perspektivische Darstellung eines supraleitenden Spulenelements 13, wie es in der Erregerwicklung des Rotors 11 der elektrischen Maschine der 2 zum Einsatz kommen kann. Im gezeigten Beispiel ist das Spulenelement 13 als einfache zylindrische Flachspule aus einem supraleitenden Bandleiter 8 gewickelt. Der Spulenzylinder weist dabei eine ovale, rennbahnartige Grundfläche auf. Das Spulenelement 13 weist zwei Spulenschenkel 31a und 31b auf, welche sich beide in axialer Richtung a erstrecken. Diese Richtung a liegt parallel zur zentralen Achse A der elektrischen Maschine 1. Die Achse a kann dabei als lokale Längsachse des Spulenelements 13 aufgefasst werden. Wie aus dem unteren Teil der 3 ersichtlich, wird beim Aufbau des Rotors ein ebenfalls in axialer Richtung a orientierter länglicher flussführender Steg 18 in den innenliegenden Bereich 33 des Spulenelements 13 eingeführt. Oder anders betrachtet kann das Spulenelement 13 auf einen solchen flussführenden Steg 18 aufgelegt werden. Gerade in dem gezeigten innenliegenden Bereich 33 der einzelnen Spulenelemente ist die Anordnung eines solchen flussführenden Elements aus einem ferromagnetischen Material mit begrenzter Kurvensteigung und/oder hohem Sättigungswerten besonders nützlich, da hier die magnetische Feldstärke H aufgrund der HTS-Spulen und der daraus resultierenden potenziell induzierbaren magnetischen Flussdichte B lokal besonders hoch sind.
• 4 zeigt eine schematische Querschnittsdarstellung einer elektrischen Maschine 1 nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Diese Maschine ist in vieler Hinsicht ähnlich ausgebildet wie die Maschine der 2. Der wesentliche Unterschied besteht darin, dass der Wicklungsträger 15 zusätzlich zu dem hohlzylindrischen amagnetischen Tragkörper 20 und den flussführenden Stegen 18 innerhalb der Zentren der einzelnen Spulenelemente noch einen ebenfalls flussführenden Hohlzylinder 19 als magnetischen Rückschluss umfasst. Anders ausgedrückt liegt insgesamt ein flussführendes Element vor, welches aus einem flussführenden Hohlzylinder 19 und einer Mehrzahl von flussführenden Stegen 18 besteht. Hierbei sind die flussführenden Stege 18 jeweils ähnlich ausgebildet wie in den 2 und 3 dargestellt. Sie liegen jedoch in diesem Beispiel nicht als separate Elemente vor, sondern sie sitzen als rippenförmige Strukturen auf dem flussführenden Hohlzylinder 19 auf und werden von diesem getragen. Zusätzlich können sie optional mit dem amagnetischen hohlzylindrischen Tragkörper 20 verbunden sein, sodass sich ein übergeordneter Wicklungsträger 15 ergibt, welcher aus den Elementen 18, 19 und 20 zusammengesetzt ist. Innerhalb dieses übergeordneten Wicklungsträgers ergeben sich axial verlaufende Hohlräume 21, welche hier vorteilhaft auch als Kühlmittelkanäle genutzt werden können. Im Vergleich zum ersten Ausführungsbeispiel ergibt sich durch den zusätzlichen flussführenden Hohlzylinder 19 ein magnetischer Rückschluss im radial innenliegenden Bereich des Rotors. Hierdurch wird der magnetische Fluss zusätzlich geführt und es ergibt sich auch in den radial weiter außen liegenden Bereichen der Maschine eine Erhöhung der magnetischen Flussdichte. Dieser Effekt führt zu einer weiteren Verbesserung der Verkettung des magnetischen Flusses zwischen Rotor und Stator.
• Die 5 bis 7 zeigen noch einmal die Strukturen für die Maschinen der 1, 2 und 4 im schematischen Querschnitt. Zusätzlich zu dem geometrischen Aufbau der jeweiligen Maschine sind hier magnetische Flusslinien 23 gezeigt, wobei innerhalb einer Linie das magnetische Vektorpotential gleich ist (Iso-Potential-Linien). Diese Verläufe des magnetischen Flusses bzw. die Flussdichteverteilungen wurden aus Finite-Elemente-Simulationen für den jeweiligen Maschinenaufbau erhalten. Diese Simulationen wurden mit den magnetischen Parametern für Dysprosium (bei 77K) im Bereich der flussführenden Elemente 18 für die 6 beziehungsweise 18 und 19 für die 7 durchgeführt. Die elektrische Stromdichte in den einzelnen Spulenelementen 13 wurde für die drei Simulationsmodelle gleich angesetzt. Bei einem Vergleich der 5 bis 7 ist von der 5 zur 6 eine leichte Verringerung des Abstandes jeweils benachbarter Linien magnetischen Flusses 23 vor allem in den inneren Bereichen der Spulenelemente zu erkennen. In der 7 liegt eine noch weitergehende Verdichtung der magnetischen Flusslinien 23 vor. Es zeigt sich, dass durch den Effekt der flussführenden Elemente die magnetischen Flusslinien 23 in den 6 und 7 insbesondere im Bereich des Luftspalts 6 und der Statorwicklung 4 etwas steiler verlaufen (also mit höherer radialer Richtungskomponenten). Vor allem aber zeigt die Simulation einen Einfluss der magnetisch flussführenden Strukturen auf das mit der Maschine erzielte Drehmoment:
• So bewirkt die Einführung von flussführenden Stegen 18 bei der Maschine nach dem ersten Ausführungsbeispiel (gemäß 2 beziehungsweise 6) eine Erhöhung des simulierten Drehmoments um 11 % gegenüber der Maschine nach dem Stand der Technik (gemäß 1 beziehungsweise 5). Bei der Maschine nach dem zweiten Ausführungsbeispiel (gemäß 4 beziehungsweise 7) wurde sogar eine Erhöhung des Drehmoments um 24% gegenüber der Maschine nach dem Stand der Technik berechnet.
• Bezugszeichenliste

1

elektrische Maschine

3

Stator

4

Statorwicklung

5

Eisenjoch

6

Luftspalt

8

supraleitender Bandleiter

11

Rotor

12

Feldwicklung

13

supraleitendes Spulenelement

15

Wicklungsträger

17

innenliegender Hohlraum

18

flussführender Steg

19

flussführender Hohlzylinder

20

amagnetischer Tragkörper

21

Kühlmittelkanal

23

magnetische Flusslinien

31a

erster axialer Spulenschenkel

31b

zweiter axialer Spulenschenkel

33

innenliegender Bereich des Spulenelements

A

zentrale Achse

a

axiale Richtung

Claims (15)

1. Maschinenkomponente (11) für eine elektrische Maschine (1), umfassend - wenigstens ein supraleitendes Spulenelement (13) und - wenigstens einen Wicklungsträger (15), - wobei der Wicklungsträger (15) wenigstens ein magnetisch flussführendes Element (18, 19) umfasst, welches aus einem Material gebildet ist, das bei einer kryogenen Betriebstemperatur des supraleitenden Spulenelements (13) ferromagnetisch ist und bei dieser Betriebstemperatur eine Sättigungspolarisation oberhalb von 2,4 T aufweist.
2. Maschinenkomponente (11) nach Anspruch 1, bei welcher das Material des wenigstens einen flussführenden Elements (18, 19) ein bei kryogener Temperatur ferromagnetisches Lanthanoid umfasst.
3. Maschinenkomponente (11) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei welcher das Material des wenigstens einen flussführenden Elements (18, 19) Dysprosium, Holmium, Gadolinium, Terbium und/oder Europiumoxid (EuO) umfasst.
4. Maschinenkomponente (11) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher das Material des wenigstens einen flussführenden Elements (18, 19) bei der kryogenen Betriebstemperatur eine Sättigungspolarisation oberhalb von 2,5 T aufweist.
5. Maschinenkomponente (11) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welche einen Kryostaten aufweist, der das wenigstens eine Spulenelement (13) und das wenigstens eine flussführende Element (18, 19) umschließt.
6. Maschinenkomponente (11) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher der Wicklungsträger (15) ein Element (20) aus einem amagnetischen Material aufweist, mit welchem das wenigstens eine flussführende Element (18, 19) verbunden ist.
7. Maschinenkomponente (11) nach Anspruch 6, bei welcher das wenigstens eine flussführende Element (18) in einem innenliegenden Bereich (33) des Spulenelements (13) angeordnet ist.
8. Maschinenkomponente (11) nach Anspruch 7, welche eine Mehrzahl von supraleitenden Spulenelementen (13) aufweist, welche über den Umfang der Maschinenkomponente (11) verteilt angeordnet sind, - wobei jedes der Spulenelemente (13) ein ihm zugeordnetes flussführendes Element (18) aufweist, welches in einem innenliegenden Bereich (33) des jeweiligen Spulenelements (13) angeordnet ist.
9. Maschinenkomponente (11) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher das wenigstens eine flussführende Element (18) eine längliche Form aufweist und in Richtung einer zentralen Achse (A) der Maschine ausgerichtet ist.
10. Maschinenkomponente (11) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher das wenigstens eine flussführende Element (19) eine hohlzylindrische Grundstruktur aufweist.
11. Maschinenkomponente (11) nach Anspruch 10, bei welcher die hohlzylindrische Grundstruktur (19) mit einer Mehrzahl von Stegen (18) versehen ist, die sich jeweils in Richtung der zentralen Achse (A) der Maschine erstrecken.
12. Maschinenkomponente (11) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher das supraleitende Spulenelement (13) ein hochtemperatursupraleitendes Leitermaterial umfasst.
13. Maschinenkomponente (11) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welche als Rotor (11) für eine elektrische Maschine (1) ausgestaltet ist.
14. Maschinenkomponente nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welche als Stator (3) für eine elektrische Maschine (1) ausgestaltet ist.
15. Elektrische Maschine (1) mit wenigstens einer Maschinenkomponente (11) nach Anspruch 1.

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