DE102018205361A1

DE102018205361A1 - Rotor mit Wicklungsträger und darin eingebettetem Spulenelement

Info

Publication number: DE102018205361A1
Application number: DE102018205361.8A
Authority: DE
Inventors: Johannes Richter; Christian Weidermann
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Priority date: 2018-04-10
Filing date: 2018-04-10
Publication date: 2019-10-10
Also published as: US11424669B2; CN112106283A; WO2019197307A1; US20210013791A1

Abstract

Es wird ein Rotor (1) für eine elektrische Maschine (21) mit einer zentralen Rotorachse (A) angegeben. Der Rotor umfasst
- wenigstens ein supraleitendes Spulenelement (3) mit einer lokalen Wicklungsachse (a) und
- wenigstens einen Wicklungsträger (5), in den das Spulenelement (3) eingebettet ist,
- wobei zwischen dem Wicklungsträger (5) und dem Spulenelement (3) eine stoffschlüssige Verbindung ausgebildet ist,
- wobei die stoffschlüssige Verbindung auf einer Verbindungsfläche (11c) vorliegt, welche nur einen ersten Teilbereich der gesamten Kontaktfläche (11a, 11b, 11c) zwischen Spulenelement (3) und Wicklungsträger (5) ausbildet. Weiterhin werden eine Maschine mit einem derartigen Rotor (1) sowie ein Herstellungsverfahren für einen solchen Rotor (1) angegeben.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Rotor für eine elektrische Maschine, wobei der Rotor wenigstens ein supraleitendes Spulenelement und wenigstens einen Wicklungsträger umfasst, der das wenigstens eine Spulenelement mechanisch trägt. Weiterhin betrifft die Erfindung eine elektrische Maschine mit einem solchen Rotor sowie ein Herstellungsverfahren dafür.
Nach dem Stand der Technik werden die supraleitenden Spulenelemente in den Rotoren supraleitender Maschinen typischerweise durch einen Wicklungsträger mechanisch gehalten. Dabei kann es sich prinzipiell entweder um einen radial innenliegenden Wicklungsträger oder um einen radial außenliegenden Wicklungsträger handeln. Bei Verwendung eines radial innenliegenden Wicklungsträgers werden die einzelnen Spulen häufig auf den Wicklungsträger bandagiert. Dabei wird ein Bandagenmaterial (beispielsweise eine Glasfaser) unter Vorspannung um die übrigen Komponenten des Rotors gewickelt und fixiert so die einzelnen Spulen unter Druck auf dem Wicklungsträger. Eine derartige Vorspannung kann das Risiko einer Delamination innerhalb des supraleitenden Spulenelements wirksam verringern. Besonders die Wicklungen aus supraleitenden Bandleitern sind sehr empfindlich gegenüber solchen Delaminationsschäden. Prinzipiell kann dabei eine Delamination entweder innerhalb des Schichtverbundes des Bandleiters selbst (also beispielsweise zwischen einer Supraleiterschicht und einer benachbarten metallischen Schicht) auftreten oder aber es kann zu einer Delamination zwischen benachbarten Windungen im Wicklungspaket kommen. Mit anderen Worten, es kann zu einem Auftrennen des Wicklungspaketes kommen, wobei die typischerweise durch ein Imprägniermittel miteinander verbundenen benachbarten Windungen voneinander getrennt werden. Es ist auch möglich, dass beide Effekte gleichzeitig auftreten. In all diesen Fällen kann es als Folge der Delamination zur Reduktion der Stromtragfähigkeit der supraleitenden Spule bis hin zum vollständigen Verlust der supraleitenden Eigenschaften kommen. Es ist also generell wünschenswert, die Gefahr solcher Delamination durch eine Vor-Kompression der supraleitenden Spulen zu verringern. Dieser Aspekt ist besonders wichtig bei sehr schnell drehenden elektrischen Maschinen und/oder bei Maschinen mit sehr hoher Nennleistung beziehungsweise sehr hoher Leistungsdichte. Bei solchen Maschinen sind die mechanischen Belastungen der supraleitenden Spulenelemente durch Fliehkräfte, elektromagnetische Kräfte, durch Fluiddrücke und/oder auch durch thermische Effekte besonders hoch. Meistens entsteht die resultierende mechanische Belastung der supraleitenden Wicklung und der einzelnen supraleitenden Leiter durch eine Kombination von mehreren der genannten Effekte.
Ein radial außenliegender Wicklungsträger kann beispielsweise wie in der DE102016217734A1 beschrieben, als übergeordneter zylindrischer Hohlkörper ausgebildet sein und eine Mehrzahl von über den Umfang verteilten Aussparungen aufweisen, in die die einzelnen supraleitenden Spulenelemente dann von radial innen aus eingebettet werden. Eine derartige Ausgestaltung bringt den Vorteil mit sich, dass ein innenliegender Hohlraum für ein fluides Kühlmittel zur Verfügung steht, welches die eingebetteten supraleitenden Spulenelemente auf eine kryogene Betriebstemperatur kühlen kann. Ein solcher aus dem Stand der Technik bekannter außenliegender Wicklungsträger kann beispielsweise aus Aluminium oder einem anderen Material mit hohen thermischen Ausdehnungskoeffizienten gebildet sein, sodass beim Abkühlen auf eine kryogene Betriebstemperatur eine Kompression der supraleitenden Wicklung erreicht wird, weil beim Abkühlen der Wicklungsträger auf das Spulenelement aufgeschrumpft. Es entsteht dadurch wiederum ein Vorspannungszustand, bei dem vorwiegend Druckspannungen auf den supraleitenden Leiter wirken. Diese Leiter sind allgemein gegenüber Druckspannungen weniger empfindlich als gegenüber Zugspannungen, da Zugspannungen leichter zu einer Delamination des supraleitenden Materials von einem darunterliegenden Träger führen können und Druckspannungen der Delamination entgegenwirken.
Trotz der verschiedenen aus dem Stand der Technik bekannten Maßnahmen ist die Delamination innerhalb von supraleitenden Spulenelementen nach wie vor ein großes technisches Problem. Dieses Problem ist besonders gravierend, wenn elektrische Maschinen mit hohen Drehzahlen beziehungsweise für hohe Leistungsbereiche benötigt werden, da dann die auf die Spulenelemente wirkenden Kräfte besonders groß sind.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Rotor für eine elektrische Maschine anzugeben, welcher die genannten Nachteile überwindet. Insbesondere soll ein Rotor zur Verfügung gestellt werden, bei dem das Risiko einer Delamination innerhalb des Spulenelements noch weiter reduziert ist als beim Stand der Technik. Somit soll der Rotor besonders robust sein und insbesondere robust genug für einen Betrieb bei sehr hohen Drehzahlen und/oder in einem sehr hohen Leistungsbereich sein. Weitere Aufgaben der Erfindung sind es, eine Maschine mit einem derartigen Rotor sowie ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Rotors anzugeben.
Diese Aufgaben werden durch den in Anspruch 1 beschriebenen Rotor, die in Anspruch 14 beschriebene elektrische Maschine und das in Anspruch 15 beschriebene Herstellungsverfahren gelöst.
Der erfindungsgemäße Rotor ist als Rotor für eine elektrische Maschine ausgelegt. Er weist eine zentrale Rotorachse A auf, um die der Rotor insbesondere drehbar gelagert sein kann. Der Rotor umfasst wenigstens ein supraleitendes Spulenelement mit einer lokalen Wicklungsachse a. Weiterhin umfasst der Rotor wenigstens einen Wicklungsträger, in denen das Spulenelement eingebettet ist. Dabei ist zwischen dem Wicklungsträger und dem Spulenelement eine stoffschlüssige Verbindung ausgebildet, wobei die stoffschlüssige Verbindung auf einer Verbindungsfläche vorliegt, welche nur einen Teilbereich der gesamten Kontaktfläche zwischen Spulenelement und Wicklungsträger ausbildet.
Durch den Wicklungsträger wird also das wenigstens eine Spulenelement mechanisch getragen. Hierzu soll das Spulenelement in den Wicklungsträger eingebettet sein. Hierunter soll verstanden werden, dass auf mehr als einer Seite des Spulenelements ein Kontakt zum Wicklungsträger vorliegt. Mit anderen Worten soll das Spulenelement auf wenigstens zwei seiner Außenflächen mit dem Wicklungsträger in Kontakt sein. Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Wicklungsträger das Spulenelement von einer bezüglich der zentralen Rotorachse A radial außen liegenden Seite des Spulenelements aus abstützt. Unter der beschriebenen lokalen Wicklungsachse a des Spulenelements soll eine lokale Symmetrieachse des Spulenelements verstanden werden, um die herum das Spulenelement gewickelt ist. Im Falle mehrerer Spulenelement ist die Lage dieser lokalen Wicklungsachse a unterschiedlich für jedes Spulenelement. Typischerweise erstreckt sich jede solche lokale Wicklungsachse a radial vom Zentrum des Rotors nach außen.
Durch die beschriebene stoffschlüssige Verbindung wird gewährleistet, dass ein fester Halt des Spulenelements in dem Wicklungsträger vorliegt. Hierdurch wird eine gute Kraftübertragung zwischen Spulenelement und Wicklungsträger gewährleistet, und ein ungewolltes Lösen des Kontakts zwischen diesen beiden Elementen wird verhindert. Bei der beschriebenen Verbindungsfläche kann es sich insbesondere um eine Klebefläche handeln. Es sind prinzipiell aber auch andere Arten der stoffschlüssigen Verbindung möglich, insbesondere ein Schweißen oder Löten (beispielsweise mit einem Kunststofflot).
Wesentlich im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung ist, dass die stoffschlüssige Verbindung nicht im Bereich der gesamten Kontaktfläche zwischen Spulenelement und Wicklungsträger ausgebildet ist, sondern nur in einem Teilbereich davon, insbesondere in einem ersten Teilbereich. Durch den übrigen Bereich der Kontaktfläche ergibt sich damit ein weiterer, zweiter Teilbereich, in dem keine stoffschlüssige Verbindung vorliegt und in dem daher Spulenelement und Wicklungsträger prinzipiell gegeneinander beweglich sein können, ohne dass für diese Relativbewegung eine stoffschlüssige Verbindung zerstört werden muss. Durch diese Möglichkeit der zerstörungsfreien Relativbewegung können die beim Betrieb des Rotors auftretenden Spannungen zumindest teilweise zerstörungsfrei ausgeglichen werden. Ein wesentlicher Vorteil dieses zerstörungsfreien Spannungsausgleichs ist, dass hierdurch Delaminationseffekte innerhalb des Spulenelements wirksam vermieden oder zumindest reduziert werden können. Bei dem erfindungsgemäßen Rotor liegt also einerseits eine feste stoffschlüssige Verbindung vor, andererseits aber auch die Möglichkeit eines Spannungsausgleichs zwischen den beiden verbundenen Elementen in einem anderen Bereich ihrer gemeinsamen Kontaktfläche.
Die erfindungsgemäße elektrische Maschine weist einen erfindungsgemäßen Rotor und einen feststehend angeordneten Stator auf. Die Vorteile der erfindungsgemäßen Maschine ergeben sich analog zu den beschriebenen Vorteilen des erfindungsgemäßen Rotors.
Das erfindungsgemäße Verfahren dient zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Rotors. Das Verfahren weist zumindest die folgenden Schritte auf:

a) Herstellung eines eigenstabilen Spulenelements als vorgefertigtes Bauteil,
b) anschließendes Einlegen des Spulenelements in den Wicklungsträger
c) sowie Herstellung einer stoffschlüssigen Verbindung zwischen Spulenelement und Wicklungsträger auf einer Verbindungsfläche, welche nur einen ersten Teilbereich der Kontaktfläche zwischen Spulenelement und Wicklungsträger ausbildet.

Durch dieses Verfahren kann auf einfache Weise ein erfindungsgemäßer Rotor mit den weiter oben beschriebenen Vorteilen zur Verfügung gestellt werden. Insbesondere ist die Herstellung dadurch besonders einfach, dass die Herstellung des Spulenelements in Schritt a) entkoppelt ist von dem Schritt b), bei dem das Spulenelement mit dem Wicklungsträger kombiniert wird.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den von den Ansprüchen 1 abhängigen Ansprüchen sowie der folgenden Beschreibung hervor. Dabei können die beschriebenen Ausgestaltungen des Rotors, der elektrischen Maschine und des Herstellungsverfahrens allgemein vorteilhaft miteinander kombiniert werden.
Allgemein besonders bevorzugt kann als zweiter Teilbereich der Kontaktfläche zwischen Spulenelement und Wicklungsträger eine Gleitfläche ausgebildet sein. Diese Gleitfläche kann also durch denjenigen Bereich der Kontaktfläche gebildet sein, in welchem keine stoffschlüssige Verbindung vorliegt. Innerhalb der Gleitfläche ist eine Relativbewegung zwischen Spulenelement und Wicklungsträger möglich. Optional kann im Bereich der Gleitfläche eine kraftschlüssige und oder auch eine formschlüssige Verbindung vorliegen. Das Spulenelement und der Wicklungsträger können also im Bereich der Gleitfläche in festem mechanischem Kontakt zueinander sein, wobei trotzdem ein Gleiten zwischen den beiden Elementen ermöglicht ist. Diese Gleitmöglichkeit kann dabei grundsätzlich entweder in mehreren Richtungen parallel zur Gleitebene erfolgen oder auch auf eine Raumrichtung beschränkt sein. Wesentlich ist, dass zumindest in einer Raumrichtung eine unter Umständen auch nur sehr geringe Relativbewegung zwischen Spulenelement und Wicklungsträger möglich ist, ohne dass hierzu eine stoffschlüssige Verbindung aufgetrennt werden muss. Mit anderen Worten soll das Gleiten zwischen den beiden beschriebenen Elementen zerstörungsfrei sein. Durch eine solche Gleitfläche wird besonders vorteilhaft erreicht, dass beim Betrieb des Rotors auftretenden mechanischen Spannungen reduziert werden und dass somit das Risiko einer Delamination innerhalb des Spulenelements verringert wird.
Allgemein besonders bevorzugt ist es, wenn die Gleitfläche zumindest teilweise durch eine Fläche gebildet ist, welche insgesamt parallel zu der lokalen Wicklungsachse a des Spulenelements verläuft. Dabei muss es sich bei der Gleitfläche grundsätzlich nicht um eine gerade Fläche handeln, sondern es kann insbesondere auch eine ringförmig umlaufende Hauptfläche des Spulenelements sein, welche jedoch insgesamt bevorzugt parallel zur Wicklungsachse a ausgerichtet ist. Ganz besonders bevorzugt ist es, wenn alle derart ausgerichteten Kontaktflächen vollständig oder zumindest nahezu vollständig zur beschriebenen Gleitfläche beitragen. Unter „nahezu vollständig“ soll hierbei verstanden werden, dass beispielsweise ein etwa 10%iger Randbereich dieser parallel zu a verlaufenden Kontaktfläche trotzdem verklebt oder anderweitig stoffschlüssige verbunden sein kann.
Allgemein liegt der Vorteil einer Ausrichtung der Gleitfläche parallel zur lokalen Wicklungsachse a darin, dass ein Gleiten parallel zu dieser Achse a ermöglicht wird. Hierdurch kann in besonders vorteilhafter Weise der mechanische Stress reduziert werden, der zwischen benachbarten Windungen des Wicklungselements wirkt. Besonders bevorzugt ist die Gleitfläche sogar vollständig durch eine oder mehrere Teilflächen gegeben, welche parallel zur lokalen Wicklungsachse a verlaufen.
Allgemein bevorzugt kann das supraleitende Spulenelement eine ringförmig geschlossene Grundstruktur und einen rechteckförmigen Wicklungsquerschnitt aufweisen, durch welchen vier umlaufende Hauptflächen des Spulenelements definiert sind. Unter der weiter oben beschriebenen „Einbettung“ soll dann verstanden werden, dass wenigstens zwei dieser umlaufenden Hauptflächen des Spulenelements in mechanischem Kontakt mit dem Wicklungsträger sind. Beispielsweise kann die Kontaktfläche durch genau zwei dieser umlaufenden Hauptflächen oder auch durch genau drei dieser umlaufenden Hauptflächen gebildet sein. Allgemein bevorzugt ist es, wenn zumindest eine bezüglich der zentralen Rotorachse A radial innenliegende Hauptfläche des Spulenelements nicht im Kontakt mit dem Wicklungsträger ist, da auf dieser offenen liegenden Seite dann eine direkte Anströmung durch ein fluides Kühlmittel ermöglicht wird. Grundsätzlich soll aber nicht ausgeschlossen sein, dass auch die vierte Hauptfläche des Spulenelements im Kontakt mit dem Wicklungsträger ist.
Allgemein bevorzugt kann die Gleitfläche zumindest teilweise durch eine erste Spulenfläche gegeben sein, welche bezüglich der lokalen Wicklungsachse a des Spulenelements nach radial innen orientiert ist. Insbesondere kann es sich dabei um eine bezüglich a radial innenliegende umlaufende Hauptfläche des Spulenelements handeln. Alternativ oder zusätzlich kann die Gleitfläche zumindest teilweise durch eine zweite Spulenfläche gegeben sein, welche bezüglich der lokalen Wicklungsachse a des Spulenelements nach radial außen orientiert ist. Insbesondere kann es sich dabei auch hier um eine bezüglich a radial außen liegende umlaufende Hauptfläche des Spulenelements handeln. Die Gleitfläche kann also entweder durch eine der beiden beschriebenen Hauptflächen gebildet sein oder sie kann insbesondere auch aus mehreren Teilflächen zusammengesetzt sein, welche nicht notwendigerweise aneinander angrenzen müssen und die beiden beschriebenen Hauptflächen umfassen können. In jedem Fall eignen sich die beiden beschriebenen Hauptflächen in besonderer Weise als Gleitflächen, da sie beide zumindest beim Vorliegen einer zylinderförmigen Flachspule parallel zur lokalen Wicklungsachse a ausgerichtet sind. Somit wird durch ein Gleiten im Bereich dieser Flächen eine effektive Reduktion mechanischer Spannungen insbesondere zwischen den Windungen der Wicklung (aber auch innerhalb des Leiters, aus dem die Wicklung gebildet ist) erreicht.
Es kann vorteilhaft sein, ist jedoch grundsätzlich nicht unbedingt nötig, dass die beschriebenen Hauptflächen jeweils vollständig zur Gleitfläche beitragen. So kann beispielsweise alternativ auch in einem Randbereich der jeweiligen Hauptfläche (insbesondere in einem Randbereich, der an die Verbindungsfläche angrenzt) trotzdem eine stoffschlüssige Verbindung zwischen Spulenelement und Wicklungsträger vorliegen.
Allgemein bevorzugt kann der Wicklungsträger im Bereich der Gleitfläche mit einem Gleitmittel beschichtet sein. Alternativ oder zusätzlich kann prinzipiell auch das Spulenelement im Bereich der Gleitfläche mit einem Gleitmittel beschichtet sein. Eine solche Gleitschicht kann prinzipiell in einem Teilbereich, besonders bevorzugt aber im Wesentlichen auf der ganzen Gleitfläche oder zumindest auf einem überwiegenden Teil der ganzen Gleitfläche vorliegen. Besonders vorteilhaft umfasst die Gleitschicht ein fluorhaltiges Polymer, insbesondere Polytetrafluorethylen (Teflon). Allgemein ist ein kennzeichnendes Merkmal einer solchen Gleitschicht, dass der Reibungskoeffizient zwischen Spulenelement und Wicklungsträger mit der Beschichtung geringer ist als ohne diese Beschichtung.
Besonders bevorzugt kann im Bereich der Gleitfläche ein kraftschlüssiger Kontakt zwischen Spulenelement und Wicklungsträger ausgebildet sein. Mit anderen Worten kann im stoffschlüssig unverbundenen Bereich der Kontaktfläche beispielsweise eine Pressverbindung zwischen Spulenelement und Wicklungsträger vorliegen. Dies kann beispielsweise durch ein thermisches Aufschrumpfen des Wicklungsträgers auf das Spulenelement bewirkt werden, wenn der Wicklungsträger das Spulenelement (bezüglich a und/oder A) radial umgibt und bei Abkühlung von Raumtemperatur auf eine Betriebstemperatur des Supraleiters stärker thermisch schrumpft als das Spulenelement.
Allgemein liegt bei einem kraftschlüssigen Kontakt eine stärkere mechanische Verbindung zwischen Spulenelement und Wicklungsträger vor als bei einem losen mechanischen Kontakt. Dabei ist die für eine Gleitbewegung zu überwindende Haftreibung abhängig von der Höhe der anliegenden Kraft. Grundsätzlich ist jedoch auch bei Vorliegen eines Kraftschlusses eine Gleitbewegung grundsätzlich möglich, um mechanische Spannungen abzubauen und das Risiko einer Delamination zu verringern. Der Vorteil einer kraftschlüssigen Verbindung ist, dass das Spulenelement im Wicklungsträger besonders fest gehalten werden kann, ohne dass im ganzen Bereich der Kontaktfläche eine stoffschlüssige Verbindung benötigt wird.
Alternativ oder insbesondere auch zusätzlich zur kraftschlüssigen Verbindung kann auch ein Formschluss zwischen Spulenelement und Wicklungsträger vorliegen. Dies kann bereits dadurch erfüllt sein, dass eine zur Grundform des Spulenelements passende Aussparung im Wicklungsträger vorliegt, in denen das Spulenelement auf die beschriebene Weise eingebettet sein kann. Zusätzlich kann jedoch auch noch ein weiterer Formschluss zwischen den beiden Elementen geschaffen sein, beispielsweise durch ineinandergreifende Längsrillen (die insbesondere entlang der lokalen Wicklungsachse a ausgerichtet sein können), die eine relative Geleitsbewegung zwischen Spulenelement und Wicklungsträger nur in einer ausgewählten Raumrichtung (beispielsweise parallel zu a) ermöglichen.
Die Verbindungsfläche zwischen Spulenelement und Wicklungsträger (also die Fläche, auf der eine stoffschlüssige Verbindung vorliegt) kann bevorzugt eine dritte Spulenfläche umfassen, welche bezüglich der zentralen Rotorachse A nach radial außen gerichtet ist. Besonders bevorzugt kann die Verbindungsfläche im Wesentlichen ausschließlich durch diese bezüglich A radial außenliegende Oberfläche des Spulenelements gegeben sein. Insbesondere kann es sich dabei um eine radial außenliegende, ringförmig umlaufende Hauptfläche des Spulenelements handeln. Durch die Ausbildung einer stoffschlüssigen, als also insbesondere nicht zerstörungsfrei lösbaren Verbindung in diesem Bereich kann gewährleistet werden, dass das Spulenelement durch den Wicklungsträger insbesondere gegen nach (bezüglich A) radial außen wirkende Kräfte wie Zentrifugalkräfte und Kräfte durch Fluiddruck abgestützt wird. Durch die feste Verbindung auf dieser außenliegenden Seite wird also eine besonders zuverlässige Kraftübertragung gewährleistet, wobei vorteilhaft ein (bezüglich A) radial innenliegender Bereich der Spuleneinrichtung frei bleiben kann, um beispielsweise von einem fluiden Kühlmittel angeströmt zu werden.
Besonders vorteilhaft ist die stoffschlüssige Verbindung im Bereich der Verbindungsfläche zwischen Spulenelement und Wicklungsträger durch ein Klebemittel ausgebildet. Eine derartige Klebeverbindung ist besonders einfach herzustellen und ermöglicht gleichzeitig eine zuverlässige und feste kraftübertragende Verbindung der beiden beschriebenen Elemente. Bei dem Klebemittel kann es sich bevorzugt um ein thermisch und/oder chemisch vernetzendes Klebemittel, insbesondere um einen Epoxidkleber handeln. Besonders bevorzugt sind dabei kältetaugliche Epoxidkleber, welche auch in kryogenen Umgebungen ausreichend fest sind. Beispiele für kryogentaugliche Kleber sind Klebemittel, die unter den Namen Araldite, Eccobond, Stycast oder Epo-Tek angeboten werden.
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 attraktiv, da diese Materialien abhängig von der Wahl der Betriebstemperatur hohe obere kritische Magnetfelder 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.
Allgemein bevorzugt ist das Spulenelement durch Aufwickeln eines supraleitenden Bandleiters um die lokale Wicklungsachse a gebildet, wobei die Hauptfläche des Bandleiters parallel zur lokalen Wicklungsachse a orientiert ist. Insbesondere kann die Ausrichtung des Bandleiters innerhalb der gesamten Wicklung parallel zur lokalen Wicklungsachse a sein. Bei dieser Ausführungsform verläuft die Gleitfläche besonders vorteilhaft parallel zur Bandleiteroberfläche. Durch eine Relativbewegung zwischen Spulenelement und Wicklungsträger parallel zu dieser Bandleiteroberfläche wird besonders wirksam eine Verringerung der Zugspannungen innerhalb der Wicklung erreicht, welche ohne diesen Ausgleich zu einer Delamination innerhalb des Schichtsystems des Bandleiters und/oder zwischen benachbarten Windungen der Wicklung führen könnten.
Der Rotor kann allgemein bevorzugt eine Mehrzahl von supraleitenden Spulenelementen aufweisen, welche insbesondere untereinander gleich ausgeführt sind. Diese Spulenelemente können über den Umfang des Rotors verteilt angeordnet sein. Besonders bevorzugt können bei dieser Ausführungsform die einzelnen Spulenelemente gleichmäßig über den Umfang des Rotors verteilt sein. Eine solche gleichmäßig verteilte Anordnung ist besonders bevorzugt, um beispielsweise ein symmetrisches Erregerfeld für eine elektrische Maschine zu erzeugen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann jedes dieser Spulenelemente auf einem ihm zugeordneten separaten Wicklungsträger angeordnet sein. Mit anderen Worten kann die Struktur zur mechanischen Halterung der einzelnen Spulenelemente in einzelne Wicklungsträger segmentiert sein. Diese einzelnen Wicklungsträger-Segmente können insbesondere auf verschiedenen Umfangspositionen des Rotors angeordnet sein. Der Vorteil einer solchen Ausführungsform liegt insbesondere in einer vereinfachten Herstellbarkeit der gesamten mechanischen Halterungsstruktur der Spulenelemente. Die einzelnen Spulenelemente können beispielsweise jeweils separat mit dem zugeordneten Wicklungsträger verbunden werden, bevor diese Wicklungsträger entweder miteinander oder mit einer übergeordneten Halterungsstruktur verbunden werden.
Alternativ zu der beschriebenen segmentierten Ausführungsform kann aber auch jedes der einzelnen Spulenelemente auf einem ihm zugeordneten Umfangssegment eines übergeordneten, gemeinsamen Wicklungsträgers angeordnet sein beziehungsweise von diesem gehalten werden. Bei dieser Ausführungsform liegt also ein einstückiger gemeinsamer Wicklungsträger vor. Dieser Wicklungsträger kann insbesondere eine hohlzylindrische Grundform aufweisen, wobei die einzelnen Spulenelemente in Umfangsrichtung verteilt in den Zylindermantel eingebettet sind. Ein Vorteil eines solchen übergeordneten einstückigen Wicklungsträgers ist, dass ein stabiler mechanischer Halt gewährleistet ist, ohne dass ein zusätzliches Element zur Halterung der einzelnen Segmente benötigt wird. Ein solcher übergeordneter, radial außenliegender Wicklungsträger kann die einzelnen Spulenanordnungen sowohl gegen radiale Fliehkräfte als auch gegen Kräfte in Umfangsrichtung abstützen, ohne dass hierfür zusätzliche Halteelemente benötigt werden.
Gemäß einer weiteren allgemein bevorzugten Ausführungsform weist der Rotor wenigstens einen innenliegenden Hohlraum auf, in dem ein fluides Kühlmittel zirkulierbar ist. Ein solches Kühlmittel kann beispielsweise durch den Hohlraum im Inneren des Rotors zu den Spulenelementen fließen, diese durch thermischen Kontakt abkühlen, danach zu einem Kaltkopf außerhalb des Rotors fließen und dort rückgekühlt werden und wiederum in den Hohlräumen des Rotors eingespeist werden, sodass insgesamt ein geschlossener Kühlkreislauf gebildet wird. Ein solches Kühlsystem ist besonders effektiv, um die supraleitenden Spulenelemente auf eine kryogene Temperatur unterhalb der Sprungtemperatur des verwendeten Supraleitermaterials zu kühlen. Besonders bevorzugt ist der innenliegende Hohlraum so ausgelegt, dass das wenigstens eine Spulenelement auf seiner (bezüglich A) radial innenliegenden Seite in thermischen Kontakt mit dem Kühlmittel treten kann. Ganz besonders bevorzugt ist es, wenn das Spulenelement auf seiner (bezüglich A) radial innenliegenden Seite derart offen liegt, dass es in direkten Kontakt mit dem Kühlmittel treten kann. Dabei kann bevorzugt entweder der supraleitende Leiter selbst oder aber eine den Leiter umgebende elektrische Isolations-, Imprägnierungs- und/oder Schutzschicht des Spulenelements so in direktem Kontakt mit dem Kühlmittel stehen, dass das Spulenelement die im Betrieb entstehende Wärme an das Kühlmittel abführen kann. Mit anderen Worten kann das Spulenelement auf seiner radial innenliegenden Seite zumindest teilweise frei liegen (also nicht vom Wicklungsträger abgedeckt sein), sodass es vom fluiden Kühlmittel angeströmt werden kann.
Das fluide Kühlmittel des Rotors 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 des Rotors inklusive Kühlmittel auswirkt. Ein solches Kühlmittel mit geringer Dichte ist auch besonders geeignet, um Rotoren für schnelldrehende Maschinen mit großen Durchmessern zur Verfügung stellen zu können. 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 des Rotors insbesondere nach dem Thermosiphon-Prinzip und/oder nach Art eines Wärmerohrs zirkuliert.
Allgemein bevorzugt kann der Wicklungsträger so ausgebildet sein, dass er bei einer Abkühlung von Raumtemperatur auf eine kryogene Betriebstemperatur des supraleitenden Spulenelements einen höheren thermischen Schrumpf aufweist als das davon umschlossene Spulenelement als Ganzes. Hierdurch wird bei Abkühlung eine Vor-Kompression des Spulenelements erreicht, was erstens bereits zu einem Schutz vor Delamination innerhalb des Spulenelements führen kann und zweitens zu einem besseren mechanischen Halt des Spulenelements in dem Wicklungsträger führen kann, ohne dass im Bereich der gesamten Kontaktfläche eine stoffschlüssige Verbindung benötigt wird.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Material des Wicklungsträgers Aluminium und/oder Magnesium. Beispielsweise kann der Wicklungsträger hauptsächlich aus einem der beiden genannten Metalle oder alternativ aus einer Legierung mit wenigstens einem der beiden Metalle bestehen. Bei einer solchen Legierung kann Aluminium und/oder Magnesium entweder als Hauptbestandteil oder als Nebenbestandteil vorliegen. Unabhängig von der genauen Ausgestaltung gilt, dass durch den Einsatz von Aluminium und/oder Magnesium im Material des Wicklungsträgers ein relativ großer thermischer Ausdehnungskoeffizient erreicht werden kann und somit ein vergleichsweise starkes Aufschrumpfen des Wicklungsträgers auf das Spulenelement.
Gemäß einer weiteren allgemein bevorzugten Ausführungsform weist die Verbindungsfläche (also der erste Teilbereich) einen Flächenanteil von höchstens 80% an der gesamten Kontaktfläche auf. Besonders vorteilhaft liegt der Flächenanteil der Verbindungsfläche an der gesamten Kontaktfläche sogar nur bei 70% oder weniger. Bei einer derartigen Begrenzung des stoffschlüssige verbundenen Bereichs liegt vorteilhaft ein vergleichsweise hoher Anteil des zweiten Teilbereichs vor, in dem eine zerstörungsfreie Relativbewegung zwischen Spulenelement und Wicklungsträger (und somit ein Spannungsausgleich) ermöglicht ist. Der Effekt der Spannungsreduktion ist dann also besonders ausgeprägt.
Die elektrische Maschine mit dem erfindungsgemäßen Rotor kann vorteilhaft für eine Leistungsdichte von wenigstens 5 kW/kg ausgelegt sein, besonders vorteilhaft kann sie sogar für eine Leistungsdichte von wenigstens 10 kW/kg ausgelegt sein. Bei einer Maschine mit einer derart hohen Leistungsdichte kommen die beschriebenen Vorteile des Rotors besonders zum Tragen. Maschinen mit derart hohen Leistungsdichten sind andererseits eine Grundvoraussetzung für vollelektrisch angetriebene Luftfahrzeuge. Sie sind jedoch auch im Bereich anderer - insbesondere anderer mobiler - Anwendungen vorteilhaft. Unter der genannten Leistungsdichte soll die Nennleistung der Maschine bezogen auf ihr Gesamtgewicht verstanden werden, also bezogen auf das Gewicht des Stators, Rotors, Gehäuses, Kühlsystems plus eventuell zusätzlich vorliegender Komponenten.
Die Maschine beziehungsweise der Rotor ist bevorzugt für eine Nennleistung von wenigstens 5 MW, insbesondere wenigstens 10 MW, ausgelegt. Mit einer derart hohen Leistung ist sie grundsätzlich für den Antrieb eines Fahrzeugs, insbesondere eines Luftfahrzeugs geeignet. Alternativ kann mit einer derart leistungsstarken Maschine aber auch beim Betrieb als Generator der für den Antrieb benötigte elektrische Strom an Bord des Fahrzeugs erzeugt werden. Grundsätzlich kann die Maschine entweder als Motor oder als Generator ausgestaltet sein oder optional für beide Betriebsarten ausgelegt sein. Um die beschriebenen hohen Leistungen und/oder Leistungsdichten zu erzielen, sind hochtemperatursupraleitende Spulenelemente besonders geeignet, da sie besonders hohe Stromdichten erlauben.
Die Maschine beziehungsweise der Rotor kann bevorzugt für eine Drehzahl des Rotors von wenigstens 1000 Umdrehungen pro Minute, insbesondere sogar für wenigstens 3000 Umdrehungen pro Minute, ausgelegt sein. Durch die beschriebene Ausführung des Rotors mit vergleichsweise geringer Dichte können derart hohe Drehzahlen besonders gut realisiert werden. Mit herkömmlichen Rotoren können sie bei einer für die genannten Leistungsbereiche benötigten Größe zum Teil gar nicht erreicht werden. Die für die beschriebenen Anwendungen vorteilhaften Leistungsdichten können andererseits mit langsamer drehenden Maschinen unter Umständen gar nicht erreicht werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Herstellungsverfahrens kann das vorgefertigte Spulenelement als nass gewickeltes Spulenelement ausgebildet sein. Mit anderen Worten kann beim Herstellen der Wicklung ein Imprägniermittel (insbesondere ein Imprägnierharz) zwischen den Windungen der Wicklung aufgebracht und anschließend gehärtet werden. Zur Herstellung der stoffschlüssigen Verbindung zwischen Spulenelement und Wicklungsträger kann dabei grundsätzlich das gleiche Material wie das Imprägniermittel oder aber auch ein unterschiedliches Material gewählt werden. Prinzipiell soll es aber nicht ausgeschlossen werden, dass auch eine trocken gewickelte Spule einem Rotor gemäß der vorliegenden Erfindung zum Einsatz kommen kann. Beispielsweise kann eine trocken gewickelte Spule im Anschluss an die Herstellung der Wicklung mit einem Gussmaterial vergossen werden, wodurch ebenfalls ein eigenstabiles (mit anderen Worten ein selbsttragendes) Spulenelement gebildet wird.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand einiger bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die angehängten Zeichnungen beschrieben, in denen:

1 eine schematische Querschnittsdarstellung eines Rotors nach einem ersten Beispiel der Erfindung zeigt,
2 eine schematische Teilansicht des Querschnitts aus 1 zeigt,
3 eine schematische perspektivische Darstellung eines Spulenelements zeigt,
4 eine schematische Querschnittsdarstellung eines Rotors nach einem zweiten Beispiel der Erfindung zeigt und
5 eine schematische Teilansicht des Querschnitts eines Rotors nach einem dritten Beispiel der Erfindung zeigt.

In den Figuren sind gleiche oder gleichwirkende Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt eine schematische Querschnittsdarstellung eines Rotors 1 nach einem ersten Beispiel der Erfindung. Gezeigt ist ein Schnitt senkrecht zur zentralen Rotorachse A, um die der Rotor 1 drehbar gelagert ist. Der Rotor weist in diesem Beispiel acht supraleitende Spulenelemente 3 auf, die gemeinsam eine übergeordnete Rotorwicklung bilden. Jedes der acht Spulenelemente weist eine eigene lokale Symmetrieachse auf, nämlich die lokale Wicklungsachse a, von denen in 1 nur eine beispielhaft gezeigt ist. Die Rotorwicklung ist insgesamt zur Erzeugung eines achtpoligen elektromagnetischen Feldes ausgelegt. Die einzelnen Spulenelemente 3 werden in diesem Beispiel von einem gemeinsamen hohlzylindrischen Wicklungsträger 5 mechanisch gehalten. Dieser Wicklungsträger 5 stützt alle acht Spulenelemente 3 von einer bezüglich der zentralen Achse A radial außenliegenden Seite. Auf einer bezüglich A radial innenliegenden Seite der Spulenelemente 3 grenzen diese an einen Hohlraum 7 an und werden von hier aus durch ein fluides Kühlmittel 9 angeströmt und hierdurch auf eine kryogene Temperatur gekühlt. Durch die mittels des Pfeils angedeutete Drehung des Rotors verteilt sich das flüssige Kühlmittel bei ausreichend hoher Drehzahl über den Umfang des Rotors, wie durch den ringförmigen Flüssigkeitspegel schematisch gezeigt.
Um die Kühlung der supraleitenden Spulenelemente 3 auf eine kryogene Betriebstemperatur zu erleichtern, ist der Wicklungsträger 5 von einem doppelwandigen Kryostaten umgeben, der hier durch eine zylindermantelförmige innere Kryostatwand 15a und eine ebenfalls zylindermantelförmige äußere Kryostatwand 15b wiedergegeben ist. Zwischen diesen beiden Kryostatwänden ist ein ringförmiger Vakuumraum ausgebildet, sodass der Wicklungsträger 5 und die weiteren radial weiter innen liegenden Komponenten thermisch gegen die äußere Umgebung isoliert sind. Innerhalb von den Kryostatwänden ist noch eine optionale Bandage 13 um den Wicklungsträger 5 gewickelt, um diesem zusätzlichen mechanischen Halt zu verleihen.
In 2 ist eine schematische Teilansicht des Querschnitts des Rotors aus der 1 gezeigt. Gezeigt ist hier ein Ausschnitt der Wicklung, der einem magnetischen Pol entspricht. In 2 ist ein azimutaler Ausschnitt des hohlzylindrischen Wicklungsträgers dargestellt, welcher eines der insgesamt acht Spulenelemente 3 trägt. Bei dem Spulenelement 3 handelt es sich um eine ringförmig geschlossene Spulenanordnung, von der in der gezeigten Querschnittsdarstellung beide Spulenschenkel zu sehen sind. Diese Spulenschenkel weisen jeweils eine rechteckige Querschnittsform auf. In dieser Figur ist genauer dargestellt, wie das Spulenelement 3 von dem Wicklungsträger 5 mechanisch getragen wird und über welche Kontaktflächen es in diesen eingebettet ist. Durch die rechteckige Querschnittsform des Spulenelements sind vier ringförmig umlaufende Hauptflächen des Spulenelements definiert:

- eine erste Spulenfläche 11a, welche bezüglich der zentralen Rotorachse A radial außen liegt,
- eine zweite Spulenfläche 11b, welche bezüglich der lokalen Wicklungsachse a des Spulenelements radial außen liegt,
- eine dritte Spulenfläche 11c, bezüglich der lokalen Wicklungsachse a des Spulenelements radial innen liegt und
- eine vierte Spulenfläche 11d, welche bezüglich der zentralen Rotorachse A radial innen liegt.

Im gezeigten Beispiel ist das Spulenelement 3 so in den Wicklungsträger 5 eingebettet, dass sich eine übergeordnete Kontaktfläche ergibt, welche sich aus den drei Spulenflächen 11a, 11b und 11c zusammensetzt. Im Bereich der vierten Spulenfläche 11d liegt das Spulenelement offen und kann von hier aus von einem fluiden Kühlmittel 9 angeströmt werden. Auf den übrigen drei Spulenflächen ist das Spulenelement 3 so fest in den Wicklungsträger 5 eingebettet, dass der Rotor als Ganzes auch den bei hohen Maschinenleistungen und hohen Drehzahlen auftretenden Kräften standhalten kann. Um dabei eine feste und insbesondere irreversible Verbindung zwischen Wicklungsträger 5 und Spulenelement 3 zu schaffen, ist das Spulenelement im Bereich der dritten Spulenfläche 11c durch ein Klebemittel 21 stoffschlüssig mit dem Wicklungsträger 5 verbunden. Es handelt sich hier um eine Verbindungsfläche, welche nur einen Teilbereich der gesamten Kontaktfläche zwischen Spulenelement und Wicklungsträger ausmacht. Im Unterschied zu dieser festverklebten Fläche liegt nämlich auf den beiden seitlich umlaufenden Flächen 11a und 11b keine Klebeverbindung vor. Stattdessen ist im Bereich dieser beiden seitlich umlaufenden Flächen 11a und 11b der Wicklungsträger 5 mit einer Gleitschicht 23 aus Teflon beschichtet. Durch das Weglassen des Klebers in diesen Bereichen der Kontaktfläche wird erreicht, dass hier eine Relativbewegung zwischen Spulenelement 3 und Wicklungsträger 5 ermöglicht ist, wie durch die beiden Doppelpfeile angedeutet. Diese Gleitbewegung wird durch die hier gezeigte Ausgestaltung mit der optionalen Gleitschicht 23 noch weiter erleichtert. Die Richtung der Gleitbewegung liegt hier vorteilhaft parallel zur Richtung der lokalen Wicklungsachse a des Spulenelements 3. Im gezeigten Beispiel ist das Spulenelement als einfache zylindrische Flachspule aus einem supraleitenden Bandleiter 8 gewickelt. Dabei liegen die Windungen des Bandleiters 8 flach übereinander, derart dass die Hauptfläche des Bandleiters in allen Teilen der ringförmigen Wicklung parallel zur lokalen Wicklungsachse a ausgerichtet ist. Damit liegt auch die Richtung der beschriebenen Gleitbewegung parallel zu den Hauptflächen des Bandleiters, insbesondere in der Richtung, die in Richtung der Leiterbreite liegt. Eine Relativbewegung zwischen Spulenelement 3 und Wicklungsträger 5 bewirkt den Vorteil, dass hierbei lokale Spannungen abgebaut werden, welche anderenfalls zu einer Delamination innerhalb des Bandleiters und/oder zwischen den einzelnen Lagen der Wicklung führen könnten.
Der Wicklungsträger 5 kann aus einem Material gebildet sein, welches bei Abkühlung thermisch stärker schrumpft als das Spulenelement 3 als Ganzes. Hierdurch wird beim Erreichen der Betriebstemperatur des Rotors eine Vor-Kompression erzielt und es liegt dadurch auch auf den beiden nicht durch ein Klebemittel angebundenen Seitenflächen 11a und 11b eine kraftschlüssige Verbindung zwischen Spulenelement 3 und Wicklungsträger 5 vor.
3 zeigt eine schematische perspektivische Darstellung eines einzelnen Spulenelements 3, wie es beispielsweise im Rotor der 1 und 2 zum Einsatz kommen kann. Das Spulenelement 3 ist hier als zylindrische Flachspule ausgestaltet, welche durch Wickeln von einer Mehrzahl von Windungen eines supraleitenden Bandleiters 8 um die lokale Spulenachse a hergestellt wurde. Das Spulenelement 3 weist die Geometrie eines geraden Zylinders auf, wobei als Grundform des Zylinders eine ovale, rennbahnartige Form vorliegt.
4 zeigt eine schematische Querschnittsdarstellung eines Rotors 1 nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Im Unterschied zum Beispiel der 1 ist der Wicklungsträger hier nicht aus einem einstückigen übergeordneten Zylindermantel gebildet, sondern er ist aus acht separaten Umfangssegmenten 5i zusammengesetzt. Ein weiterer Unterschied besteht darin, dass der Wicklungsträger insgesamt nicht freitragend ausgebildet ist, sondern von einer radial innenliegenden skelettartigen Stützstruktur 41 mit einer Mehrzahl von Streben 41a gehalten wird. Die Einbettung der einzelnen Spulenelemente 3 in die jeweiligen Segmente 5i des Wicklungsträgers und insbesondere die Ausgestaltung der einzelnen Bereiche der Kontaktfläche kann dabei grundsätzlich analog zum Beispiel der 2 ausgebildet sein.
5 zeigt eine schematische Teilansicht eines Querschnitts eines Rotors nach einem dritten Beispiel der Erfindung. Gezeigt ist hier wiederum ein azimutaler Ausschnitt eines Wicklungsträgers 5, in dem ein Spulenelement 3 eingebettet ist. Dabei kann die Ausgestaltung des gesamten Wicklungsträgers 5 prinzipiell entweder ähnlich wie in 1 (also als durchgehender Hohlzylinder) oder aber auch ähnlich wie in 4 (also aus separaten Segmenten 5i zusammengesetzt) sein. Wesentlich im Zusammenhang mit dem dritten Ausführungsbeispiel ist, dass das Spulenelement nur über zwei seiner Hauptflächen in den Wicklungsträger 5 eingebettet ist. In diesem Beispiel bilden die zweite Hauptfläche 11b (die bezüglich a radial außen liegt) und die dritte Hauptfläche 11c (die bezüglich A radial außen liegt) zusammen die Kontaktfläche zwischen Spulenelement 3 und Wicklungsträger 5 aus. Auch hier erstreckt sich die mit einem Klebemittel 21 verbundene Verbindungsfläche nicht über die gesamte Kontaktfläche, sondern nur über einen Teilbereich davon. Im gezeigten Beispiel wird die Verbindungsfläche durch die dritte Spulenfläche 11c und einen kleinen (bezüglich A radial außen liegenden) Teilbereich am Rand der zweiten Spulenfläche 11b gebildet. Der Hauptteil der zweiten Spulenfläche 11b bildet jedoch auch hier eine Gleitfläche aus, innerhalb derer das Spulenelement 3 und der Wicklungsträger 5 parallel zur lokalen Wicklungsachse a relativ zueinander bewegt werden können. Im Bereich der übrigen beiden Spulenflächen 11a und 11d liegt das Spulenelement 3 in diesem Ausführungsbeispiel frei und kann so auf diesen beiden Seiten von einem Kühlmittel angeströmt werden. Die zweiseitige Einbettung und die eingeschränkte Fixierung mit dem Klebemittel 21, welches sich nur über einen Teil der Kontaktfläche erstreckt, ist ausreichend, um das Spulenelement 3 gegen den Wicklungsträger 5 beim Betrieb des Rotors fest abzustützen. Auch hier kann durch geeignete Materialwahl für den Wicklungsträger 5 ein Aufschrumpfen auf das Spulenelement 3 beim Abkühlen auf die Betriebstemperatur erreicht werden. Ebenso ist auch in diesem Beispiel der nicht durch das Klebemittel 21 verbundene Teil der Kontaktfläche mit einer Gleitschicht 23 auf dem Wicklungsträger 5 versehen.
Bezugszeichenliste

1: Rotor
3: Spulenelement
5: Wicklungsträger
5i: Umfangssegment
7: innenliegender Hohlraum
8: Bandleiter
9: fluides Kühlmittel
11a: erste Spulenfläche
11b: zweite Spulenfläche
11c: dritte Spulenfläche
11d: vierte Spulenfläche
13: Bandage
15a: innere Kryostatwand
15b: äußere Kryostatwand
21: Klebemittel
23: Gleitschicht
41: Stützelement
41a: Strebe
A: zentrale Rotorachse
a: lokale Wicklungsachse

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102016217734 A1 [0003]

Claims

Rotor (1) für eine elektrische Maschine (21) mit einer zentralen Rotorachse (A), umfassend - wenigstens ein supraleitendes Spulenelement (3) mit einer lokalen Wicklungsachse (a) und - wenigstens einen Wicklungsträger (5), in den das Spulenelement eingebettet ist, - wobei zwischen dem Wicklungsträger (5) und dem Spulenelement (3) eine stoffschlüssige Verbindung ausgebildet ist, - wobei die stoffschlüssige Verbindung auf einer Verbindungsfläche (11c) vorliegt, welche nur einen ersten Teilbereich (11c) der gesamten Kontaktfläche (11a, 11b, 11c) zwischen Spulenelement (3) und Wicklungsträger (5) ausbildet.
Rotor (1) nach Anspruch 1, bei welchem als zweiter Teilbereich (11a, 11b) der Kontaktfläche zwischen Spulenelement (3) und Wicklungsträger (5) eine Gleitfläche (11a, 11b) ausgebildet ist.
Rotor (1) nach Anspruch 2, bei welchem die Gleitfläche (11a, 11b) zumindest teilweise durch eine Fläche (11a, 11b) gebildet ist, welche parallel zu der lokalen Wicklungsachse (a) des Spulenelements (3) orientiert ist.
Rotor (1) nach Anspruch 2 oder 3, bei welchem die Gleitfläche (11a, 11b) zumindest teilweise - durch eine erste Spulenfläche (11a) gegeben ist, welche bezüglich der lokalen Wicklungsachse (a) des Spulenelements (3) nach radial innen orientiert ist, und/oder - durch eine zweite Spulenfläche (11b) gegeben ist, welche bezüglich der lokalen Wicklungsachse (a) des Spulenelements (3) nach radial außen orientiert ist.
Rotor (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, bei welchem das Spulenelement (3) und/oder der Wicklungsträger (5) im Bereich der Gleitfläche (11a, 11b) mit einem Gleitmittel (23) beschichtet ist.
Rotor (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 5, bei welchem im Bereich der Gleitfläche (11a, 11b) ein kraftschlüssiger Kontakt zwischen Spulenelement (3) und Wicklungsträger (5) ausgebildet ist.
Rotor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die Verbindungsfläche (11c) eine dritte Spulenfläche (11c) umfasst, welche bezüglich der zentralen Rotorachse (A) nach radial außen gerichtet ist.
Rotor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die stoffschlüssige Verbindung im Bereich der Verbindungsfläche (11a, 11b) durch ein Klebemittel (31) ausgebildet ist.
Rotor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem das supraleitende Spulenelement (3) ein hochtemperatursupraleitendes Leitermaterial umfasst.
Rotor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem das Spulenelement (3) durch Aufwickeln eines supraleitenden Bandleiters (8) um die lokale Wicklungsachse (a) gebildet ist, wobei die Hauptfläche des Bandleiters (8) parallel zur lokalen Wicklungsachse (a) orientiert ist.
Rotor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche - welcher eine Mehrzahl von supraleitenden Spulenelementen (3) aufweist, welche über den Umfang des Rotors (1) verteilt angeordnet sind, - wobei jedes der Spulenelemente (3) auf einem ihm zugeordneten separaten Wicklungsträger (5i) angeordnet ist.
Rotor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche - welcher eine Mehrzahl von supraleitenden Spulenelementen (3) aufweist, welche über den Umfang des Rotors (1) verteilt angeordnet sind, - wobei jedes der Spulenelemente (3) auf einem ihm zugeordneten Umfangssegment eines übergeordneten, gemeinsamen Wicklungsträgers (5) angeordnet ist.
Rotor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welcher wenigstens einen innenliegenden Hohlraum (7) aufweist, in dem ein fluides Kühlmittel (9) zirkulierbar ist.
Elektrische Maschine mit einem Rotor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche und einem feststehend angeordneten Stator.
Verfahren zur Herstellung eines Rotors (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, welches zumindest die folgenden Schritte umfasst: a) Herstellung eines eigenstabilen Spulenelements (3) als vorgefertigtes Bauteil, b) anschließendes Einlegen des Spulenelements (3) in den Wicklungsträger (5) c) sowie Herstellung einer stoffschlüssigen Verbindung zwischen Spulenelement (3) und Wicklungsträger (5) auf einer Verbindungsfläche (11c), welche nur einen ersten Teilbereich der Kontaktfläche (11a, 11b, 11c) zwischen Spulenelement (3) und Wicklungsträger (5) ausbildet.