DE102018208368A1

DE102018208368A1 - Rotor und Maschine mit zylinderförmigem Tragkörper

Info

Publication number: DE102018208368A1
Application number: DE102018208368.1A
Authority: DE
Inventors: Michael Frank; Jörn Grundmann; Johannes Richter; Peter van Hasselt
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Priority date: 2018-05-28
Filing date: 2018-05-28
Publication date: 2019-11-28
Also published as: EP3776827A1; WO2019228754A1; US20210203203A1; AU2019278398A1; AU2019278398B2

Abstract

Es wird ein Rotor (7) für eine elektrische Maschine (1) mit einer zentralen Rotorachse A angegeben. Der Rotor umfasst- wenigstens eine supraleitende Spulenanordnung (15),- ein Kühlsystem zur Kühlung der Spulenanordnung (15) auf eine kryogene Betriebstemperatur und- einen Tragkörper (13), der die wenigstens eine Spulenanordnung (15) von einer radial innenliegenden Seite der Spulenanordnung (15) aus mechanisch trägt,- wobei der Tragkörper (13) eine im Wesentlichen zylinderförmige Außenkontur aufweist,- wobei der Tragkörper (13) zum überwiegenden Teil aus einem amagnetischen Material besteht, welches eine Dichte von höchstens 4,6 g/cmund eine thermische Leitfähigkeit von wenigstens 10 W/(m·K) aufweist- und wobei der Tragkörper (13) dazu ausgestaltet ist, die supraleitende Spulenanordnung (15) thermisch an das Kühlsystem anzukoppeln. Weiterhin wird eine elektrische Maschine (1) mit einem solchen Rotor (7) angegeben.

Description

die vorliegende Erfindung betrifft einen Rotor für eine elektrische Maschine mit einer zentralen Rotorachse A, umfassend wenigstens eine supraleitende Spulenanordnung, ein Kühlsystem zur Kühlung der Spulenanordnung auf eine kryogene Betriebstemperatur und einen Tragkörper, der die wenigstens eine Spulenanordnung von einer radial innenliegenden Seite der Spulenanordnung aus mechanisch trägt, wobei der Tragkörper eine im Wesentlichen zylinderförmige Außenkontur aufweist. Weiterhin betrifft die Erfindung eine elektrische Maschine mit einem derartigen Rotor.
Nach dem Stand der Technik werden die supraleitenden Spulenanordnungen in supraleitenden Rotoren typischerweise auf innenliegenden zylindrischen Tragkörpern gehalten, wobei diese Tragkörper gleichzeitig mehrere Funktionen erfüllen: Zum einen dient der Tragkörper der mechanischen Halterung der Spulenanordnungen. Zum anderen bewirkt der Tragkörper meist auch die thermische Ankopplung der supraleitenden Spulenanordnungen an ein Kühlsystem, um den supraleitenden Leiter auf eine kryogene Betriebstemperatur unterhalb der Sprungtemperatur des Supraleiters zu kühlen. Drittens erfüllt der Tragkörper (oder zumindest Teile davon) auch noch die Funktion der magnetischen Flussführung. Hierzu sind typischerweise wesentliche Teile des Tragkörpers aus ferromagnetischem Material ausgebildet. Um all die genannten Funktionen gleichzeitig erfüllen zu können, weist solch ein Tragkörper nach dem Stand der Technik typischerweise eine relativ komplexe Struktur auf, in der sowohl Elemente aus Eisen (zur magnetischen Flussführung) und Elemente aus Kupfer (zur thermischen Ankopplung) mechanisch fest miteinander verbunden sind. Da bei einer Abkühlung des Rotors von Raumtemperatur auf eine kryogene Betriebstemperatur sehr hohe Temperaturdifferenzen überwunden werden müssen, ist es bei dieser komplexen Struktur auch wichtig, einen stabilen mechanischen Zusammenhalt der einzelnen Komponenten auch in Anbetracht des differenzielle thermischen Schrumpfs der unterschiedlichen Materialien zu gewährleisten. Hierdurch ergibt sich eine hohe Komplexität bei der Auslegung eines solchen Rotors. Ein weiterer Nachteil von derartigen bekannten Rotoren ist ihr hohes Gewicht, da die beiden wichtigen strukturellen Materialien Eisen und Kupfer jeweils eine vergleichsweise hohe Dichte aufweisen. Zur Gewährleistung der Funktionen der magnetischen Flussführung des Eisenjochs und der thermischen Ankopplung der Spulen mittels einer in das Joch eingearbeiteten Kühlbusstruktur aus Kupfer sind gleichzeitig relativ große Mengen der genannten Materialien erforderlich. Gerade bei Rotoren und rotierenden Maschinen mit vergleichsweise großem Durchmesser ergibt sich hieraus neben der hohen Komplexität auch eine hohe Gesamtmasse des Rotors.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Rotor anzugeben, welcher die genannten Nachteile überwindet. Insbesondere soll ein Rotor zur Verfügung gestellt werden, welcher einen vergleichsweise einfachen Aufbau des Tragkörpers aufweist, der die Spulenanordnung(en) trägt. Der Tragkörper soll dabei die Anforderungen an die mechanische Stabilität für die Halterung der Spulenanordnung(en) und die thermische Ankopplung zur Kühlung der Spulenanordnung(en) erfüllen. Gleichzeitig soll dabei eine ausreichende magnetische Flussverkettung zwischen Rotor und Stator gewährleistet sein. Insbesondere soll der Rotor möglichst leicht ausgebildet sein. Eine weitere Aufgabe ist es, eine elektrische Maschine mit den genannten Eigenschaften anzugeben.
Diese Aufgaben werden durch den in Anspruch 1 beschriebenen Rotor und die in Anspruch 13 beschriebene elektrische Maschine gelöst.
Der erfindungsgemäße Rotor ist ein Rotor für eine elektrische Maschine mit einer zentralen Rotorachse A. Der Rotor umfasst wenigstens eine supraleitende Spulenanordnung. Er umfasst ferner ein Kühlsystem zur Kühlung der Spulenanordnung auf eine kryogene Betriebstemperatur. Weiterhin umfasst er einen Tragkörper, der die wenigstens eine Spulenanordnung von einer radial innenliegenden Seite der Spulenanordnung aus mechanisch trägt. Dabei weist der Tragkörper eine im Wesentlichen zylinderförmige Außenkontur auf. Der Tragkörper besteht zum überwiegenden Teil aus einem amagnetischen Material, welches eine Dichte von höchstens 4,6 g/cm³ und eine thermische Leitfähigkeit von wenigstens 10 W/(m·K) aufweist. Weiterhin ist der Tragkörper dazu ausgestaltet, die supraleitende Spulenanordnung thermisch an das Kühlsystem anzukoppeln.
Mit anderen Worten soll der zylinderartige Tragkörper als Hauptbestandteil das genannte amagnetische Material mit den angegebenen Eigenschaften aufweisen. Beispielsweise kann dieses genannte amagnetische Material mehr als die Hälfte des festen Volumens des Tragkörpers ausmachen. Alternativ oder zusätzlich kann das genannte amagnetische Material auch mehr als die Hälfte der Masse des Tragkörpers ausmachen. Grundsätzlich soll dabei aber nicht ausgeschlossen sein, dass als Nebenbestandteil ein oder mehrere andere Materialien mit abweichenden Eigenschaften im Tragkörper vorliegen.
Das genannte amagnetische Material mit den angegebenen Eigenschaften kann selbst entweder ein homogenes Material sein oder es kann alternativ auch ein zusammengesetzter Materialverbund sein, welcher dann in Summe die genannten Eigenschaften in Bezug auf Magnetisierbarkeit, Dichte und thermische Leitfähigkeit erfüllen soll. Mit anderen Worten soll es sich dann in einem solchen Fall um die effektiven Eigenschaften des gesamten Materialverbundes handeln, beispielsweise um die effektive thermische Leitfähigkeit und die gemittelte Dichte.
Das Kühlsystem soll allgemein dazu ausgestaltet sein, die wenigstens eine supraleitende Spulenanordnung auf die kryogene Betriebstemperatur zu kühlen. Hierzu kann das Kühlsystem beispielsweise einen Kühlmittelkanal zur Zirkulation eines kryogenen fluiden Kühlmittels umfassen. Es kann sich dabei um einen insgesamt geschlossenen Kühlmittelkreislauf handeln, wobei allerdings nicht alle Teile dieses Kreislaufs im Bereich des Rotors angeordnet sein müssen, sondern bestimmte Teile wie ein Kaltkopf und eine äußere Kühlmittelzuleitung auch in den feststehenden Bereichen der elektrischen Maschine angeordnet sein können. Wesentlich für das Kühlsystem des Rotors ist nur, dass insgesamt Strukturen vorhanden sind, über die eine ausreichende thermische Ankopplung der Spuleneinrichtung(en) an einen kalten Bereich des Rotors (also beispielsweise an ein in einem Kühlmittelkanal transportiertes Kühlmittel) gewährleistet ist, so dass die Spulenanordnung(en) im supraleitenden Zustand betrieben werden können.
Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung ist es wesentlich, dass der Tragkörper selbst dazu ausgestaltet ist, die supraleitende Spulenanordnung thermisch an das Kühlsystem anzukoppeln. Insbesondere kann der Tragkörper den wesentlichen wirksamen thermischen Pfad zwischen der Spulenanordnung und dem Kühlsystem darstellen, also beispielsweise zwischen der Spulenanordnung und einem in den Tragkörper eingebetteten Kühlmittelkanal. Um dies zu ermöglichen, soll das genannte amagnetische Material des Tragkörpers eine ausreichend hohe thermische Leitfähigkeit im genannten Wertebereich aufweisen.
Unter dem zylinderartigen Tragkörper beziehungsweise der im Wesentlichen zylinderförmigen Außenkontur dieses Tragkörpers soll verstanden werden, dass die einhüllende Form des Tragkörpers zylinderförmig ist. Insbesondere kann diese einhüllende Form eine kreiszylindrische Geometrie aufweisen. Dabei soll jedoch grundsätzlich nicht ausgeschlossen sein, dass sich lokal auf der Außenfläche des Tragkörpers leichte Abweichungen von dieser kreiszylinderförmigen Einhüllenden ergeben: beispielsweise kann der Tragkörper ein oder mehrere Aussparungen, insbesondere in Form von ebenen Abplattungen aufweisen, durch welche die Auflageflächen zur mechanischen Halterung der Spulenanordnung(en) gegeben sind. Alternativ oder zusätzlich kann der Tragkörper auf seiner Außenfläche auch ein oder mehrere Vorsprünge aufweisen, beispielsweise um die Spulenanordnung(en) im Zentrum der jeweiligen Spule auszufüllen.
Der Kerngedanke der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass bei supraleitenden Spulenanordnungen bei ausreichend hohem Leiterquerschnitt aufgrund ihrer hohen Stromtragfähigkeit weitgehend auf magnetisch flussführende Strukturen im Bereich des Tragkörpers verzichtet werden kann. Dabei soll ein magnetisch flussführender Nebenbestandteil des Tragkörpers (beispielsweise in Form von kleineren einzelnen Strukturelementen) grundsätzlich nicht ausgeschlossen sein. Wesentlich ist, dass der Hauptbestandteil des Tragkörpers aus einem amagnetischen Material gebildet ist. Die Erfindung beruht also auf der Erkenntnis, dass es unter Umständen besser ist, auf die Flussführung durch den Tragkörper (zumindest weitgehend) zu verzichten und stattdessen eine ausreichend hohe Flussverkettung zwischen Rotor und Stator durch eine vergleichsweise hohe Stromtragfähigkeit der Spulenanordnung zu erreichen. Dies kann beispielsweise durch einen vergleichsweise hohen Materialquerschnitt des supraleitenden Leiters innerhalb der Spulenanordnung und/oder eine hohe Stromdichte im Leitermaterial selbst erreicht werden. Insgesamt kann die Spulenanordnung so bei einem vergleichsweise hohen Betriebsstrom betrieben werden, bei dem auf magnetisch flussführende Eigenschaften des Tragkörpers zumindest weitgehend verzichtet werden kann.
Durch die Wahl eines amagnetischen Hauptbestandteils für das Material des Tragkörpers wird es möglich, den Tragkörper mit einer wesentlich geringeren mittleren Dichte als der Dichte von Eisen auszugestalten. Durch die Wahl eines solchen leichten Materials mit einer Dichte im genannten Wertebereich kann so ein vergleichsweise leichter Rotor realisiert werden. Auch auf zusätzliche schwere Strukturen zur thermischen Ankopplung der Spulenanordnung(en) (insbesondere einen aufwändigen Kühlbus aus Kupfer) kann verzichtet werden, da bereits der Hauptbestandteil des Tragkörpers selbst eine vergleichsweise hohe thermische Leitfähigkeit im genannten Bereich aufweisen soll. Hierdurch kann beispielsweise eine effiziente Kühlung durch enge thermische Anbindung der Spulenanordnung(en) an einen im Tragkörper eingebetteten Kühlmittelkanal gewährleistet werden.
Insgesamt kann so ein Rotor zur Verfügung gestellt werden, bei dem der Tragkörper gleichzeitig die Anforderungen zur mechanischen Halterung der Spulenanordnung(en) und zu deren Kühlung erfüllt, wobei der Tragkörper trotzdem vergleichsweise einfach aufgebaut ist. Insbesondere kann der Tragkörper aus einer geringeren Anzahl von einzelnen Teilelementen zusammengesetzt sein als beim Stand der Technik. Weiterhin kann der Tragkörper und somit auch der gesamte Rotor vergleichsweise leicht ausgebildet sein.
Die erfindungsgemäße elektrische Maschine umfasst einen erfindungsgemäßen Rotor und einen feststehend angeordneten Stator. Der Rotor kann dabei insbesondere um die zentrale Rotorachse A drehbar gelagert sein. Die Vorteile der erfindungsgemäßen Maschine ergeben sich analog zu den oben angegebenen Vorteilen des erfindungsgemäßen Rotors.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den von den Ansprüchen 1 und 13 abhängigen Ansprüchen sowie der folgenden Beschreibung hervor. Dabei können die beschriebenen Ausgestaltungen des Rotors und der elektrischen Maschine allgemein vorteilhaft miteinander kombiniert werden.
Allgemein vorteilhaft kann die Dichte des amagnetischen Hauptbestandteils des Tragkörpers auf einen Mittelwert von 3 g/cm³ oder weniger begrenzt sein.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform kann das amagnetische Material des Tragkörpers Aluminium umfassen. Insbesondere kann dieser amagnetische Hauptbestandteil des Tragkörpers entweder im Wesentlichen durch Aluminium selbst oder durch eine aluminiumhaltige Legierung gebildet sein. Aluminium ist besonders geeignet, um die genannten Anforderungen an Dichte und thermische Leitfähigkeit zu erfüllen und gleichzeitig auch bei tiefen Temperaturen eine hohe mechanische Festigkeit zu gewährleisten. Das Aluminium oder die Aluminiumlegierung muss jedoch auch bei dieser Ausführungsform nicht der einzige Materialbestandteil des Tragkörpers sein. Beispielsweise kann in eine tragende Grundstruktur aus Aluminium beziehungsweise einer Aluminiumlegierung nach Art einer Fachwerkstruktur ein weiteres Material eingebettet sein, welches dem Tragkörper zusätzliche vorteilhafte Eigenschaften verleiht. Bei diesem weiteren Material kann es sich beispielsweise um ein thermisch noch besser leitfähiges Material und/oder um ein noch leichteres Material handeln. Alternativ oder zusätzlich kann es sich bei einem solchen eingebetteten Material aber auch um einen Nebenbestandteil des Tragkörpers handeln, welcher nicht die weiter oben genannten Materialanforderungen erfüllt. Insbesondere kann es sich dabei auch um ein magnetisch flussführendes Material handeln, welches innerhalb der durch den Hauptbestandteil gebildeten Stützstruktur in Form von einem oder mehreren zusätzlichen Elementen vorliegt. Im Übrigen ist die beschriebene Ausführung des Tragkörpers mit einer fachwerkartigen Zusammensetzung aus einer Stützstruktur und einer Füllung nicht auf die Wahl von Aluminium als amagnetischem Hauptbestandteil beschränkt, sondern sie kann allgemein auch in Kombination mit anderen tragenden Materialien zum Einsatz kommen.
Alternativ zu der Wahl von Aluminium oder einer Aluminiumlegierung als amagnetischem Bestandteil des Tragkörpers kann dieser auch einen Faserverbundwerkstoff umfassen. Ein solcher Faserverbundwerkstoff kann beispielsweise entweder selbst den Hauptbestandteil des Tragkörpers bilden oder aber er kann als zusätzliche Füllung in eine tragende Struktur aus einem anderen Material eingebettet sein. Beispielsweise kann eine mechanisch tragende Struktur aus einem aluminiumhaltigen Material mit einzelnen Elementen aus einem Faserverbundwerkstoff gefüllt sein. Umgekehrt kann jedoch auch eine mechanisch tragende Struktur aus einem Faserverbundwerkstoff mit einzelnen Elementen aus einem aluminiumhaltigen Material gefüllt sein, beispielsweise um die effektive thermische Leitfähigkeit des gesamten Tragkörpers im Vergleich zum reinen Faserverbundwerkstoff zu erhöhen. Bei einer solchen Ausführungsform kann beispielsweise im Bereich zwischen einem eingebetteten Kühlmittelkanal und einer außen aufliegenden Spulenanordnung zur erleichterten thermischen Ankopplung ein metallisches Element (oder mehrere) innerhalb eines Faserverbundwerkstoffs vorgesehen sein. Alternativ oder zusätzlich kann jedoch ein solcher Faserverbundwerkstoff auch mit einem fein verteilten metallischen Füllstoff versehen sein, um die thermische Leitfähigkeit des Faserverbundwerkstoffs insgesamt zu erhöhen.
Allgemein kann der Tragkörper dazu ausgestaltet sein, beim Betrieb des Rotors auf einer kryogenen Betriebstemperatur vorzuliegen. Unter einer solchen kryogenen Betriebstemperatur soll beispielsweise eine Temperatur unterhalb von 77 K und/oder eine Temperatur unterhalb der Sprungtemperatur des Supraleiters verstanden werden. Ein solcher Betrieb des Tragkörpers „im Kalten“ ermöglicht vorteilhaft, dass eine thermische Anbindung der Spulenanordnung(en) an das Kühlsystem durch das Material des Tragkörpers vermittelt wird.
Allgemein bevorzugt und unabhängig von der genauen Ausführung und Materialwahl kann der Tragkörper wenigstens einen darin eingebetteten Kühlmittelkanal zum Transport eines fluiden Kühlmittels umfassen. Insbesondere kann der Tragkörper (oder ein Teilelement davon) eine zylindermantelförmige Grundstruktur aufweisen und der wenigstens eine Kühlmittelkanal kann so in diesen Zylindermantel eingebettet sein, dass fluides Kühlmittel über diesen Kanal in die Nähe der supraleitenden Spulenanordnung geleitet werden kann. Beispielsweise kann der kleinste Abstand zwischen der Spulenanordnung und dem in den Tragkörper eingebetteten Kühlmittelkanal hierzu allgemein vorteilhaft 10 mm oder noch weniger betragen. Maßgeblich für die thermische Anbindung der Spulenanordnung an das Kühlmittel ist dann insbesondere die effektive thermische Leitfähigkeit desjenigen Materials, das im Bereich zwischen Kanal und Spulenanordnung den Tragkörper ausbildet.
Besonders vorteilhaft kann der Tragkörper eine Mehrzahl von Kanalsegmenten aufweisen, welche dazu ausgebildet sind, einen parallelen Kühlmittelfluss durch die einzelnen Kanalsegmente zu ermöglichen. Dies ist besonders vorteilhaft, um eine Mehrzahl von Spulenanordnungen jeweils thermisch eng an das Kühlsystem anzukoppeln. Jedoch kann es auch schon bei einer einzigen Spulenanordnung zweckmäßig sein, die einzelnen Bereiche der Spule (insbesondere einzelne Spulenschenkel) jeweils über einen oder mehrere eigene Kanalsegmente zu kühlen. Insgesamt ist es vorteilhaft, wenn die Anzahl der Kanalsegmente wenigstens so hoch ist wie die Anzahl der einzelnen Spulenanordnungen und insbesondere ein ganzzahliges Vielfaches hiervon bildet.
Bei den genannten einzelnen Kanalsegmenten kann es sich insbesondere um axial verlaufende Kanalsegmente handeln, welche insbesondere mit einem geringen Abstand neben einzelnen axialen Spulenschenkeln verlaufen können, um diese effizient zu entwärmen. Alternativ oder zusätzlich zu den genannten axialen Kanalsegmenten können jedoch auch ein oder mehrere radiale Kanalsegmente vorliegen, beispielsweise um fluides kryogenes Kühlmittel von einem zentralen Zufluss in der Nähe der Rotorachse A in die radial weiter außen liegenden Bereiche nahe bei den einzelnen Spulenanordnungen zu leiten (und gegebenenfalls auch von dort wieder zurück in den Bereich eines Abflusses im Bereich der Rotorachse, welcher identisch mit dem Zufluss oder auch separat ausgeführt sein kann). Alternativ oder zusätzlich zu den genannten axialen und/oder radialen Kanalsegmenten können auch ein oder mehrere Kanalsegmente vorliegen, welche ringartig ausgebildet sind und sich in Umfangsrichtung des Rotors erstrecken. Hierdurch kann eine gleichmäßige Verteilung des Kühlmittels über den Umfang des Rotors erreicht werden.
Wenn die Kanalstruktur insgesamt auf die beschriebene Weise aus einzelnen axialen Segmenten und/oder radialen Segmenten und/oder Umfangssegmenten zusammengesetzt ist, dann kann insgesamt eine käfigartige Kanalstruktur gebildet sein, mittels derer Kühlmittel vorteilhaft an viele einzelne Stellen in der Nähe der jeweiligen Spulenanordnungen transportiert werden kann. Dabei können vorteilhaft entweder alle Kanalsegmente oder auch nur Teile dieser Kanalsegmente in den zylindrischen Tragkörper eingebettet sein.
Insgesamt kann das übergeordnete Kanalsystem allgemein vorteilhaft und unabhängig vom genauen Aufbau dazu ausgebildet sein, um das kryogene Kühlmittel nach dem Thermosiphon-Prinzip zu zirkulieren.
Bei dem fluiden (also dem flüssigen beziehungsweise gasförmigen) Kühlmittel kann es sich insbesondere um flüssigen Wasserstoff, flüssiges Helium, flüssiges Neon, flüssigen Stickstoff, flüssigen Sauerstoff und/oder flüssiges Methan handeln. 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. Neon und Wasserstoff sind im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung als fluide Kühlmittel besonders bevorzugt, um sehr tiefe Betriebstemperaturen zu erreichen, wobei die Kühlung trotzdem relativ kostengünstig ist.
Allgemein bevorzugt kann der Tragkörper im Bereich seiner zylinderförmigen Außenkontur fluiddicht ausgestaltet sein. Mit anderen Worten kann der Tragkörper eine fluiddichte zylindermantelartige Außenfläche aufweisen, welche insbesondere dicht gegenüber dem verwendeten fluiden Kühlmittel ist. Alternativ oder zusätzlich kann die genannte fluiddichte Außenfläche auch vakuumdicht ausgeführt sein. Besonders vorteilhaft ist die Außenseite des Tragkörpers im Bereich des gesamten Zylindermantels durchgehend fluiddicht ausgebildet. Die axialen Endbereiche können jedoch offen sein, da der Tragkörper hier grundsätzlich durch zusätzliche Elemente abgedichtet werden kann. Wesentlich ist im Zusammenhang mit dieser Ausführungsform nur, dass der außenliegende Zylindermantel fluiddicht ist, um eine zuverlässige Trennung zwischen dem innerhalb des Tragkörpers verlaufenden Kühlmittelraum und einem außenliegenden Bereich des Tragkörpers zu ermöglichen. Insbesondere kann radial außerhalb des Tragkörpers ein Vakuumraum vorgesehen sein, welcher die thermische Isolation des Rotors gegen einen außen liegenden Stator gewährleisten kann. Vor allem bei dieser Ausführungsform ist eine vakuumdichte und fluiddichte Trennung von Kühlmittelraum und Vakuumraum wichtig. Diese Trennung kann zweckmäßig durch die äußere Zylinderwand des Tragkörpers gewährleistet sein. Alternativ ist es aber grundsätzlich auch möglich, den Tragkörper nicht absolut dicht auszuführen. In diesem Fall kann beispielsweise eine zusätzliche vakuumdichte Abdichtung durch eine radial außenliegende Hülle geschaffen werden. Eine solche Hülle kann sowohl den Tragkörper als auch die Spulenanordnung(en) radial umgeben und den Bereich des Rotors von dem außenliegenden Vakuumraum abtrennen.
Gemäß einer allgemein besonders bevorzugten Ausführungsform kann der Tragkörper einen Innenzylinder und einen Außenzylinder aufweisen, wobei der Außenzylinder den Innenzylinder radial umgibt und auf seiner Außenseite die wenigstens eine Spulenanordnung mechanisch trägt. Mit anderen Worten ist der Tragkörper dann wenigstens aus diesen beiden einzelnen zylindrischen Elementen zusammengesetzt, wobei die beiden einzelnen Elemente als separat hergestellte Bauteile vorliegen. Diese beiden ineinander geschachtelten Zylinder können beispielsweise durch Schweißen und/oder durch Verschrauben und/oder durch Verkleben und/oder durch Formschluss (etwa mittels ineinandergreifender Schwalbenschwänze oder anderer Arten der Verzahnung) nachträglich miteinander verbunden werden. Zweckmäßig weisen bei dieser Ausführungsform sowohl der Innenzylinder als auch der Außenzylinder als Hauptbestandteil ein amagnetisches Material mit den weiter oben genannten Eigenschaften auf. Dabei können die Materialien für Innenzylinder und Außenzylinder prinzipiell unabhängig voneinander gewählt werden. Besonders vorteilhaft sind Innenzylinder und Außenzylinder jedoch aus dem gleichen Material oder den gleichen Materialien gebildet, wobei jeweils entweder ein homogenes Material oder aber auch ein Materialverbund gewählt sein kann.
Besonders vorteilhaft kann dann in dem zwischen Innenzylinder und Außenzylinder gebildeten Kontaktbereich ein Kühlmittelkanal ausgebildet sein. Dieser Kühlmittelkanal kann beispielsweise durch eine entsprechende längliche Aussparung im Innenzylinder und/oder im Außenzylinder gebildet sein. Die Ausgestaltung des Tragkörpers mit zwei ineinander geschachtelten Zylindern ermöglicht so auf besonders einfache Weise die Ausbildung eines Kühlmittelkanals und insbesondere eines Kanalsystems aus einer Mehrzahl von einzelnen Kanalsegmenten. Insbesondere können im Kontaktbereich der beiden Zylinder vergleichsweise einfach Kanalsegmente in axialer Richtung und/oder ringförmige Kanalsegmente in Umfangsrichtung ausgebildet werden. Durch Ausbildung einer Mehrzahl von axialen Segmenten und/oder Umfangssegmenten kann so auch auf einfache Weise eine relativ komplexe übergeordnete Kanalstruktur, beispielsweise in Form einer Käfigstruktur gebildet werden.
Prinzipiell kann der Tragkörper des Rotors mittels eines additiven Herstellungsverfahrens gefertigt sein. Solche additiven Herstellungsverfahren ermöglichen auf einfache Weise die Herstellung von komplexen geometrischen Strukturen, welche beispielsweise aus unterschiedlichen Materialien zusammengesetzt sein können und auch innenliegende Aussparungen (beispielsweise in Form eines Kanalsystems) aufweisen können. Die additive Fertigung stellt also eine weitere einfache Möglichkeit dar, um einen Tragkörper mit innenliegendem eingebetteten Kanalstruktur und zu erzeugen. Bei dieser Ausführungsform kann der Tragkörper entsprechend auch aus einem einzigen radial durchgehenden hohlzylindrischen Körper gebildet sein. Es ist aber grundsätzlich auch möglich, den Tragkörper trotzdem aus zwei oder mehr ineinander geschachtelten Zylindern aufzubauen und diese vorgefertigten Einzelzylinder jeweils mit einem additiven Verfahren zu fertigen. Auf diese Weise können auch Fachwerkstrukturen aus unterschiedlichen Materialien in dem jeweiligen Hohlzylinder realisiert werden (unabhängig davon, ob es sich nun um einen einzelnen Zylinder oder mehrere ineinander geschachtelte Zylinder handelt).
Prinzipiell kann der Tragkörper des Rotors ausschließlich aus (einem oder mehreren) amagnetischen Materialien gebildet sein. Dies ist beispielsweise dann vorteilhaft, wenn die Stromtragfähigkeit der Spulenanordnung(en) so hoch ist, dass innerhalb des Rotors keine zusätzliche Flussführung benötigt wird.
Grundsätzlich ist es aber auch möglich und unter Umständen bevorzugt, wenn der Tragkörper zusätzlich zu dem genannten amagnetischen Material einen vergleichsweise geringeren Anteil eines ferromagnetischen Materials aufweist. Ein solches ferromagnetisches Material kann beispielsweise ein oder mehrere zusätzliche Elemente ausbilden, welche in die amagnetische Grundstruktur eingebettet sind oder auf einer Außenseite dieser Grundstruktur angeordnet sind. Allgemein müssen solche zusätzlichen ferromagnetischen Elemente vorteilhaft keine wesentliche mechanisch tragende Funktion erfüllen. Daher müssen diese ferromagnetischen Elemente nicht zwangsläufig aus einem kaltzähen Material gebildet sein, was ihre Kosten reduziert und ihre Fertigung erleichtert.
Beispielsweise können auf der radial außen liegenden Seite des zylindrischen Tragkörpers einzelne Vorsprünge aus ferromagnetischem Material ausgebildet sein. Diese Vorsprünge können dazu ausgebildet sein, die einzelnen Spulenelemente in ihren lokalen Zentren auszufüllen. Optional können die Vorsprünge die Spulenelemente von hier aus zusätzlich mechanisch abzustützen, die mechanischen Belastungen sind hier jedoch vergleichsweise gering, insbesondere bei niedrigeren Drehzahlen. Bei einer ferromagnetischen Ausführung dieser Vorsprünge werden also mit anderen Worten einzelne magnetisierbare Polkerne auf einem amagnetischen Tragkörper gebildet. Bei Vorliegen mehrerer supraleitender Spulenanordnungen im Rotor ist dabei vorteilhaft jeder Spulenanordnung genau ein solcher Polkern zugeordnet.
Weiterhin ist es allgemein vorteilhaft, wenn der Tragkörper als Teilfläche seiner Außenfläche wenigstens eine radial au-ßen liegende Auflagefläche aufweist, auf der die wenigstens eine Spulenanordnung mechanisch gehalten ist. Die Auflagefläche ist also insbesondere eine nach radial außen hin orientierte Fläche, welche sowohl die mechanische Halterung der Spulenanordnung durch den Tragkörper als auch die thermische Ankopplung zur Kühlung der Spulenanordnung ermöglicht. Insbesondere kann der Tragkörper im Bereich dieser beschriebenen Auflagefläche aus dem genannten amagnetischen Material mit den genannten weiteren Eigenschaften bezüglich Dichte und thermischer Leitfähigkeit gebildet sein. Besonders vorteilhaft kann der Tragkörper im Bereich dieser beschriebenen Auflagefläche kupferfrei ausgestaltet sein. Weiterhin kann sogar der gesamte Tragkörper kupferfrei ausgestaltet sein. Mit anderen Worten kann aufgrund der Vorteile der Erfindung auf den im Stand der Technik üblichen Kupfer-Kühlbus verzichtet werden, da bereits durch das beschriebene Grundmaterial des Tragkörpers eine ausreichend hohe thermische Ankopplung an das Kühlsystem (und insbesondere an einen innen Tragkörper eingebetteten Kühlmittelkanal) erreicht werden kann.
Allgemein vorteilhaft kann es sich bei der genannten Auflagefläche um eine ebene Auflagefläche handeln. Eine solche ebene Auflagefläche kann beispielsweise durch eine zur Grundfläche der Spulenanordnung passende Abplattung im Außenbereich des zylindrischen Tragkörper ausgebildet sein. Bei einer Mehrzahl von Spulenanordnungen im Rotor kann allgemein eine entsprechend große Anzahl an solchen passenden Auflageflächen am Tragkörper ausgebildet sein.
Eine planare Auflagefläche eignet sich insbesondere zur Anordnung einer Spulenanordnung mit wenigstens einer planaren ersten Hauptfläche. Beispielsweise kann es sich bei der Spulenanordnung um eine Flachspule oder um einen Stapel von Flachspulen handeln. Bei der Ausführungsform mit einem Stapel von Flachspulen kann es sich dabei um einen Stapel gleich großer und deckungsgleicher Flachspulen handeln. Alternativ ist es aber auch möglich, dass die Spulenanordnung als ein Stapel von Flachspulen variierender Größe gebildet ist, sodass insbesondere auf der radial außen liegenden Seite der Spulenanordnung ein treppenartiges Profil gebildet ist. Ein solches treppenartiges Profil kann insbesondere so ausgestaltet sein, dass eine kreiszylindrische einhüllende Form des Rotors nachgebildet wird.
Zusätzlich zu der genannten wenigstens einen nach radial außen orientierten Auflagefläche kann der Tragkörper optional pro Spulenanordnung einen Vorsprung aufweisen, welcher insbesondere so ausgestaltet ist, dass er als Spulenkern das lokale Innere der Spulenanordnung ausfüllt. Auch dieser Spulenkern kann allgemein vorteilhaft aus amagnetischem Material mit den genannten weiteren Eigenschaften gebildet sein. Alternativ ist es jedoch auch möglich, dass dieser Spulenkern aus ferromagnetischem Material gebildet ist und als zusätzliches Element an dem insbesondere ansonsten amagnetischen Tragkörper aufsitzt.
Allgemein besonders vorteilhaft kann der Rotor eine Mehrzahl n von supraleitenden Spulenanordnungen aufweisen. Ein solcher Rotor kann dann insbesondere zu einer Ausbildung eines n-poligen elektromagnetischen Feldes ausgestaltet sein. Die Polzahl n kann dabei bevorzugt geradzahlig sein und zwischen 2 und 100, insbesondere zwischen 6 und 12 und besonders bevorzugt bei 8 liegen. Allgemein kommen bei einem vergleichsweise hochpoligen Rotor die Vorteile der Erfindung besonders zum Tragen.
Die supraleitende Spulenanordnung kann allgemein einen oder mehrere supraleitende Leiter und besonders vorteilhaft einen oder mehrere supraleitende Bandleiter umfassen. Ein solcher Bandleiter kann eine vergleichsweise dünne supraleitende Schicht auf einem Trägersubstrat aufweisen.
Der supraleitende Leiter allgemein (und insbesondere ein supraleitender Bandleiter) kann besonders vorteilhaft ein hochtemperatursupraleitendes Material aufweisen. 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 und/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.
Bei der Ausführungsform mit einem supraleitenden Bandleiter kann der Leiter insbesondere auch durch einen Stapel von mehreren übereinanderliegenden und/oder nebeneinanderliegenden Bandleitern gebildet sein. Bei dieser Ausführungsform kann für die einzelnen Leiterwindungen eine noch höhere Stromtragfähigkeit erreicht werden.
Allgemein und unabhängig von der genauen Ausgestaltung der supraleitenden Spulenanordnung kommen die Vorteile der Erfindung besonders zum Tragen, wenn der verwendete supraleitende Leiter eine sehr hohe Stromtragfähigkeit aufweist. Bei derart hohen Stromtragfähigkeiten kann besonders einfach auf eine magnetisch flussführende Eigenschaft für den Hauptbestandteil des Tragkörpers verzichtet werden. Beispielsweise kann die Stromtragfähigkeit eines der Spulenanordnung zugrundeliegenden Leiters bei wenigstens 100 A liegen. Entsprechend kann auch der nominale Betriebsstrom der Spulenanordnung bei wenigstens 100 A liegen. Besonders vorteilhaft kann der Betriebsstrom sogar bei wenigstens 300 A liegen. Zur Erreichung eines derart hohen Betriebsstromes kann beispielsweise ein entsprechend hoher Leiterquerschnitt eingesetzt werden, was beispielsweise durch eine entsprechend hohe Leiterbreite (im Bereich mehrerer mm) und/oder durch eine Stapelung mehrerer Teilleiter erreicht werden kann. Dieser Ausführungsform liegt die Erkenntnis zugrunde, dass es günstiger sein kann, einen vergleichsweise hohen Leiterquerschnitt zu verwenden und die entsprechend hohen Kosten für das Supraleitermaterial in Kauf zu nehmen, dafür aber auf magnetisch flussführende Strukturen im Bereich des Tragkörpers weitgehend zu verzichten und somit eine niedrigere Komplexität für den Tragkörper zu erreichen.
Gemäß einer allgemein bevorzugten Ausführungsform der elektrischen Maschine kann es sich dabei um eine Synchronmaschine handeln. Die Vorteile der Erfindung kommen vor allem für Synchronmaschinen mit vergleichsweise großem Durchmesser und/oder mit vergleichsweise niedrigen Drehzahlen besonders zum Tragen. Für derartige Maschinen sind die Gewichtseinsparungen bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Rotors besonders groß.
Allgemein kann der Außendurchmesser des Rotors bevorzugt im Bereich von 1 m oder mehr liegen. Dieser Außendurchmesser entspricht dann im Wesentlichen dem Luftspaltdurchmesser der elektrischen Maschine.
Alternativ oder zusätzlich kann die Nenndrehzahl der Maschine bei 1000 Umdrehungen pro Minute oder weniger liegen. Die mechanischen Lasten im Bereich des Tragkörpers sind bei solchen eher niedrigen Drehzahlen vergleichsweise gering, und es ergeben sich daher mehr Freiheiten bei der Wahl der Materialien für den Tragkörper.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand einiger bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die angehängten Zeichnungen beschrieben, in denen:

1 eine schematische Darstellung einer elektrischen Maschine mit Rotor und Stator im schematischen Längsschnitt zeigt,
2 eine elektrische Maschine im schematischen Querschnitt zeigt,
3 eine supraleitende Spulenanordnung 15 in schematischer perspektivischer Darstellung zeigt,
4 einen Ausschnitt einer Maschine in schematischer Querschnittsdarstellung zeigt,
5 und 6 ähnliche Ausschnitte von Maschinen nach zwei weiteren alternativen Ausführungsbeispielen zeigen und
7 eine schematische perspektivische Darstellung eines übergeordneten Kühlkanalsystems nach einem weiteren Ausführungsbeispiel zeigt.

In den Figuren sind gleiche oder gleichwirkende Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
In 1 ist ein schematischer Längsschnitt einer elektrischen Maschine 1 entlang der zentralen Achse A der Maschine gezeigt. Es handelt sich dabei um eine Maschine nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die elektrische Maschine umfasst einen Rotor 7 und einen Stator 3. Der Rotor 7 ist mittels einer Rotorwelle 9 um eine Rotationsachse A drehbar gelagert, welche der zentralen Maschinenachse A entspricht. Hierzu ist die Rotorwelle 7 über die Lager 10 gegen das Maschinengehäuse 11 abgestützt. Bei der elektrischen Maschine kann es sich grundsätzlich um einen Motor oder einen Generator handeln oder auch um eine Maschine, die wahlweise in beiden Modi betrieben werden kann.
Der Stator 3 weist eine Mehrzahl von Statorwicklungen 4 auf. Vor allem die axial innenliegenden Bereiche der Statorwicklungen 4 zwischen den axial endständigen Wickelköpfen treten beim Betrieb der elektrischen Maschine 1 in elektromagnetische Wechselwirkung mit einem elektromagnetischen Feld des Rotors 7. Diese Wechselwirkung findet über einen Luftspalt 6 hinweg statt, der radial zwischen Rotor 7 und Stator 3 liegt. Die Statorwicklungen 4 sind im gezeigten Beispiel in Nuten eines Stator-Blechpaketes 5 eingebettet.
Die elektrische Maschine der 1 weist im Rotor 7 eine supraleitende Wicklung mit wenigstens einer supraleitenden Spulenanordnung auf. Bevorzugt handelt es sich um eine n-polige Rotorwicklung mit n solchen supraleitenden Spulenanordnungen. Hierzu können wesentliche Teile des Rotors 7 im Betrieb auf eine kryogene Temperatur gekühlt werden, die unterhalb der Sprungtemperatur des verwendeten Supraleiters liegt. Diese Betriebstemperatur kann beispielsweise bei etwa 20 K liegen. Die Kühlung kann mit einem in der Abbildung nicht näher dargestellten Kühlsystem erreicht werden. Die tiefkalten Komponenten sollten außerdem thermisch gegen die warme Umgebung isoliert sein. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel liegt diese (hier nicht näher dargestellte) thermische Isolation im Außenbereich des Rotors 7, so dass dieser thermisch gegen den radial weiter außenliegenden warmen Stator 3 isoliert ist. Die einzelnen supraleitenden Spulenanordnungen sollen bei der Maschine 1 der 1 im radial außenliegenden Bereich des Rotors 7 auf einem zylinderartigen Tragkörper 13 angeordnet sein. Sie sind in der 1 der Übersichtlichkeit halber nicht eingezeichnet. Ihre genaue Anordnung und mechanische Halterung soll aber im Zusammenhang mit den folgenden Figuren deutlich werden.
2 zeigt eine ähnliche elektrische Maschine nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung im schematischen Querschnitt, also mit einer Schnittebene senkrecht zur zentralen Achse A. Diese Maschine kann grundsätzlich ähnlich wie die in 1 gezeigte Maschine aufgebaut sein. Auch sie weist einen außenliegenden Stator 3 und einen radial innenliegenden Rotor 7 auf. Der Rotor weist in diesem Beispiel eine supraleitende achtpolige Rotorwicklung auf, welche acht einzelne Spulenanordnungen 15 umfasst. Jede dieser Spulenanordnungen 15 umfasst zwei axial verlaufende Leiterschenkel 17 und bildet insgesamt eine rennbahnartige Spulenform aus. Beispielsweise kann jede dieser Spulenanordnungen 15 eine rennbahnartige Grundform ähnlich wie in 3 gezeigt aufweisen. Beispielsweise kann jede dieser Spulenanordnungen aus einem supraleitenden Bandleiter gewickelt sein und ein oder mehrere Teilspulen in Form von supraleitenden Flachspulen aufweisen. Wie in 2 angedeutet, kann jede dieser Spulenanordnungen im Querschnitt ein treppenartiges Profil aufweisen, sodass die kreiszylindrische Außenkontur des Rotors auf der Außenseite durch die jeweilige Spulenform nachgebildet wird. Alternativ kann es sich aber auch so wie in 3 dargestellt bei der gesamten Spulenanordnung 15 um eine übergeordnete Flachspule mit zwei gegenüberliegenden planaren Hauptflächen handeln.
Die acht Spulenanordnungen 15 in der Maschine der 2 sind beim gezeigten Ausführungsbeispiel auf der radial außen liegenden Oberfläche eines insgesamt zylinderartigen Tragkörpers 13 angeordnet. Dieser Tragkörper 13 ist in Form eines Hohlzylinders mit insgesamt kreisförmiger Grundstruktur ausgebildet. In diesem Ausführungsbeispiel ist der Tragkörper 13 im Wesentlichen aus Aluminium oder einer aluminiumhaltigen Legierung gebildet. Im gezeigten Beispiel ist er als einstückiger Zylinder dargestellt, er kann alternativ jedoch aus mehreren Teilstücken zusammengesetzt sein. Um die einzelnen Spulenanordnungen 15 mechanisch tragen zu können, weist der Tragkörper im Bereich seiner Außenfläche eine entsprechende Anzahl von Abplattungen auf, sodass für jede der Spulenanordnungen eine planare Auflagefläche zur Verfügung steht. Diese Auflageflächen weisen jeweils eine zur Form der Spulenanordnung 15 passende ringförmige Grundstruktur auf. Dabei ist im Inneren des jeweiligen Rings aus dem Material des Tragkörpers 13 ein Vorsprung gebildet, der nach Art eines Spulenkerns den innenliegenden Teil der jeweiligen Spulenanordnung ausfüllt und diese so von innen aus mechanisch unterstützt.
Das Material des Tragkörpers 13 ist so gewählt, dass der Tragkörper mechanisch ausreichend fest ist, dass er eine vergleichsweise geringe Dichte aufweist, und dass die einzelnen Spulenanordnungen 15 thermisch ausreichend gut an hier ein hier nicht näher dargestelltes Kühlsystem angekoppelt sind. Durch die Ankopplung an das Kühlsystem ist auch der Tragkörper 13 selbst auf einem kryogenen Temperaturniveau. Die Kühlung der einzelnen Spulenanordnungen wird durch die thermische Leitfähigkeit des Materials des Tragkörpers 13 vermittelt. Hierzu kann der Tragkörper 13 optional ein oder mehrere Kühlmittelkanäle aufweisen, durch die ein fluides Kühlmittel strömen kann. Diese Kühlmittelkanäle sind in 2 nicht explizit dargestellt, werden aber im Zusammenhang mit den folgenden Beispielen noch näher beschrieben.
So zeigt 4 eine Teilansicht eines Rotors 7 nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ebenfalls im schematischen Querschnitt. Ein kleiner Teilabschnitt des Stators 3 sowie der Luftspalt 6 zwischen Rotor und Stator ist in 4 ebenfalls dargestellt. Gezeigt ist für den Rotor 7 der Ausschnitt im Bereich von etwa einem magnetischen Pol, also der Bereich einer vollständigen Spulenanordnung 15 mit ihren beiden axialen Schenkeln. Weiterhin ist noch ein einzelner axialer Schenkel einer benachbarten Spulenanordnung gezeigt. Die einzelnen Spulenanordnungen 15 sind auch hier auf der Außenseite eines zylinderförmigen Tragkörpers 13 angeordnet. Dabei ist jede der Spulenanordnungen 15 als rennbahnartige Flachspule ausgebildet, wobei jeder der axialen Spulenschenkel einen rechteckförmigen Querschnitt aufweist. Die radial innenliegende Oberfläche einer jeweiligen Spulenanordnung 5 ist dabei im mechanischen Kontakt mit einer passenden planaren Auflagefläche auf der radial außenliegenden Seite des zylindrischen Tragkörpers 13. Diese planaren Auflageflächen sind wiederum jeweils als Abplattungen des kreiszylindrischen Grundkörpers gebildet. Im Beispiel der 4 ist der Tragkörper 13 durch zwei ineinander geschachtelte zylindrische Körper gebildet, nämlich einen Innenzylinder 21 und einen Außenzylinder 23. Dabei weist der Außenzylinder 23 neben den Abplattungen für die Auflageflächen der Spulenanordnungen auch noch eine Mehrzahl von Vorsprüngen 25 auf, welche jeweils nach Art eines Spulenkerns den innenliegenden Bereich der einzelnen rennbahnförmige in Flachspulen ausfüllen. Der zylindrische Innenzylinder 21 und der zylindrische Außenzylinder 23 sind im Wesentlichen passgenau ineinandergeschachtelt. Sie sind als einzelne Bauteile gefertigt, können aber anschließend mechanisch fest miteinander verbunden worden sein. Im Bereich ihrer Kontaktfläche können in einem der beiden Zylinder oder auch in beiden Zylindern ein oder mehrere Aussparungen vorgesehen sein, durch welche Kühlmittelkanäle für den Durchfluss von fluidem Kühlmittel definiert sind. Im Beispiel der 4 sind solche Kühlmittelkanäle 27 beispielsweise durch entsprechende Aussparungen auf der Außenfläche des Innenzylinders 21 gebildet. Alternativ oder zusätzlich können sie aber auch durch ähnliche Aussparungen auf der Innenfläche des Außenzylinders 23 gebildet sein. Vorteilhaft verlaufen im Beispiel der 4 die einzelnen Kanalsegmente 27 in vergleichsweise geringem Abstand zu den Spulenschenkeln 17, um diese möglichst effektiv kühlen zu können. Bei den gezeigten Kanalsegmenten 27 handelt es sich hier entsprechend um in axialer Richtung ausgerichtete Kanalsegmente. Das übergeordnete Kanalsystem innerhalb des gesamten Tragkörpers 13 ist so verzweigt, das Kühlmittel parallel durch die einzelnen Kanalsegmente 27 fließen kann. Alternativ oder zusätzlich kann aber prinzipiell auch ein serieller Fluss von Kühlmittel durch einzelne solche axiale Segmente realisiert werden. Wesentlich ist nur, dass mittels eines übergeordneten Kühlsystems ein Transport von Kühlmittel durch die Kanäle (gemäß einem geschlossenen oder auch offenen Kreislauf) bewirkt wird und so die Spulenanordnungen 15 durch die vergleichsweise gute thermische Leitfähigkeit des Tragkörpers 13 effektiv auf eine kryogene Temperatur gekühlt werden können. Die gezeigte Ausführungsform mit zwei ineinander geschobenen Teilzylindern ermöglicht auf einfache Weise die Ausbildung eines solchen Kühlkanalsystems.
Bei der Maschine gemäß dem Ausführungsbeispiel der 4 ist der Tragkörper 13 auf einer kryogenen Betriebstemperatur, während der radial außenliegende Stator 3 auf einer deutlich höheren Temperatur betrieben wird. Um die dafür nötige thermische Isolation zu gewährleisten, befindet sich im Bereich zwischen Tragkörper 13 und Stator 3 ein Vakuumraum V. Um hier die Ausbildung eines ausreichend guten Vakuums zu ermöglichen, muss dieser Vakuumraum V von dem Kühlmittelraum innerhalb der Kühlkanäle 27 ausreichend abgedichtet sein. Im Beispiel der 4 wird diese Abdichtung durch den Tragkörper selbst und insbesondere hier durch den Außenzylinder 23 gewährleistet.
Alternativ zu der in 4 dargestellten Ausführungsform mit zwei Teilzylindern kann der Tragkörper 13 prinzipiell aber auch insgesamt einstückig ausgebildet sein und es können ähnliche Kühlmittelkanäle 27 in das Innere der Zylinderwand eingebettet sein. Eine solche Struktur kann beispielsweise durch ein additives Fertigungsverfahren gebildet sein.
Beim Beispiel der 4 können der Innenzylinder 21 und der Außenzylinder 23 jeweils aus einem homogenen amagnetischen Material mit den weiter oben angegebenen Eigenschaften für die Dichte und die thermische Leitfähigkeit gebildet sein. Auch hier kann es sich beispielsweise wieder um Aluminium, eine Aluminiumlegierung beziehungsweise einen faserverstärkten Verbundwerkstoff handeln. Aufgrund der hohen Stromtragfähigkeit in den supraleitenden Leitern der einzelnen Spulenanordnungen 15 wird eine magnetische Flussführung durch den Tragkörper nicht unbedingt benötigt. Entsprechend kann der Tragkörper dann vergleichsweise einfach aufgebaut sein und entsprechend leicht ausgeführt sein.
In 5 ist ein ähnlicher Teilbereich einer elektrischen Maschine 1 nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt. Ähnlich wie beim Beispiel der 4 ist auch hier der Tragkörper 13 aus einem Innenzylinder 21 und einem Außenzylinder 23 zusammengesetzt. Auch hier sind zwischen diesen beiden Teilzylindern mehrere Kanalsegmente 27 gebildet, welche in diesem Fall beispielsweise durch entsprechende Aussparungen im Außenzylinder 23 gebildet sind. Der Außenzylinder 23 weist auch hier neben den Abplattungen für die Kontaktflächen der Spulenanordnungen eine entsprechende Anzahl von Vorsprüngen 25 auf, welche jeweils die innenliegenden Bereiche der Spulenanordnungen 15 ausfüllen. Im Unterschied zum vorhergehenden Beispiel sind jedoch diese Vorsprünge 25 hier aus einem ferromagnetischen Material gebildet. Analog zum vorhergehenden Beispiel sind aber der Innenzylinder 21 und der Außenzylinder 23 jeweils wiederum aus einem amagnetischen Material mit den genannten weiteren Eigenschaften gebildet. Zusammen bilden die beiden Zylinder 21 und 23 den überwiegenden Anteil am Material des gesamten Tragkörpers 13. Daher ist auch hier der gesamte Tragkörper 13 überwiegend aus amagnetischem Material gebildet. Die bei dieser Hybridform zusätzlich vorliegenden ferromagnetischen Vorsprünge 25 dienen der zusätzlichen magnetischen Flussführung im Bereich der lokalen Spulenkerne. Durch sie kann die Flussverkettung zwischen Rotor 7 und Stator 3 noch weiter verbessert werden. Wesentlich im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung ist nur, dass der Tragkörper 13 mehrheitlich aus amagnetischem Material gebildet ist und das insbesondere im Bereich der radial innenliegenden Auflageflächen für die Spulenanordnungen ein Kontakt mit amagnetischem Material vorliegt. Auch hier ist es dieses amagnetische Material (nämlich das amagnetische Material des Außenzylinders 23), welches die thermische Ankopplung der Spulenanordnungen 15 an das in den einzelnen Kühlkanälen 27 fließende Kühlmittel vermittelt.
In 6 ist ein ähnlicher Teilbereich einer elektrischen Maschine 1 nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt. Im Unterschied zu den vorhergehenden Beispielen weist der Tragkörper 13 hier nur einen einzelnen Tragzylinder 24 als wesentliches tragendes Element für die Spulenanordnungen auf. Auch hier ist dieser Tragzylinder aus einem entsprechenden amagnetischen Material mit den zusätzlichen weiter oben beschriebenen Eigenschaften gebildet. In diesem Beispiel ist der Tragzylinder 24 durch ein additives Fertigungsverfahren hergestellt worden, und es sind mehrere Kühlkanalsegmente 27 in das Innere dieses Zylinders eingebettet. Auch hier befinden sich die einzelnen Kanalsegmente in der Nähe der zu kühlenden Spulenschenkel, sodass diese effektiv gekühlt werden können.
Ähnlich wie beim vorhergehenden Beispiel ist auch hier der amagnetische Tragzylinder 24 auf seiner radial außenliegenden Seite mit einer Mehrzahl von Vorsprüngen 25 aus ferromagnetischem Material versehen. Auch hier wird jede der vorhandenen Spulenanordnungen in ihrem Inneren jeweils durch einen solchen ferromagnetischen Vorsprung 25 ausgefüllt. Im Unterschied zum vorhergehenden Beispiel weisen diese ferromagnetischen Vorsprünge 25 zur besseren Flussführung noch zusätzlich dachartige Überstände 26 auf, welche nach dem Prinzip eines Schenkelpols die Flussführung zwischen Rotor und Stator noch weiter verstärken.
7 zeigt eine schematische perspektivische Darstellung eines übergeordneten Kühlkanalsystems 31, wie es bei verschiedenen Ausführungsformen der elektrischen Maschine Inneren des Tragkörpers 13 zum Einsatz kommen kann. Ein solches Kühlkanalsystem kann wie vorab beschrieben entweder durch entsprechende Aussparungen zwischen zwei ineinander geschobenen Zylindern oder auch durch ein additives Fertigungsverfahren innerhalb eines einstückigen Zylinders realisiert werden. Das dargestellte Kühlkanalsystem 31 weist eine Art zylindrische Käfigstruktur auf. Es umfasst eine Mehrzahl unterschiedlicher Kanalsegmente, durch welche das kryogene Kühlmittel sich verteilen kann, sodass es in den verschiedenen Bereichen des Rotors jeweils in die Nähe der einzelnen Spulenanordnungen gelangen kann. Insgesamt umfasst das hier dargestellte Kühlkanalsystem sowohl eine Mehrzahl von axialen Kanalsegmenten 31a als auch eine Mehrzahl von ringförmigen Kanalsegmenten 31b, die sich in Umfangsrichtung erstrecken, sowie eine Mehrzahl von radialen Kanalsegmenten 31c. Mittels eines hier nicht näher dargestellten zentralen Zu- und Abflusses 33 kann dieses übergeordnete Kanalsystem 31 mit einem fluiden kryogenen Kühlmittel versorgt werden. Dabei ist prinzipiell entweder ein gemeinsamer Zu- und Abfluss möglich oder aber auch eine getrennte Ausbildung von Zufluss und Abfluss. Beispielsweise kann ein gemeinsamer Zu- und Abfluss im zentralen Bereich der Rotorwelle gebildet sein und das kryogene Kühlmittel kann insgesamt durch die Käfigstruktur nach Art eines Thermosiphon zirkulieren und durch die entsprechenden Verzweigungen und die Mehrzahl von parallel verlaufenden Segmenten (insbesondere den parallelen axialen Segmenten 31a) in die unmittelbare Nähe der einzelnen Spulenanordnungen des Rotors gelangen.
Bezugszeichenliste

1: elektrische Maschine
3: Stator
4: Statorwicklung
5: Stator-Blechpaket
6: Luftspalt
7: Rotor
9: Rotorwelle
10: Lager
11: Maschinengehäuse
13: Tragkörper
15: supraleitende Spulenanordnung
17: Leiterschenkel
21: Innenzylinder
23: Außenzylinder
24: einzelner Tragzylinder
25: Vorsprung
26: Überstand
27: Kühlmittelkanal
31: Kühlkanalsystem
31a: axiale Kanalsegmente
31b: ringförmige Kanalsegmente
31c: radiale Kanalsegmente
33: zentraler Zu- und Abfluss
A: zentrale Achse
V: Vakuumraum

Claims

Rotor (7) für eine elektrische Maschine (1) mit einer zentralen Rotorachse A, umfassend - wenigstens eine supraleitende Spulenanordnung (15), - ein Kühlsystem zur Kühlung der Spulenanordnung (15) auf eine kryogene Betriebstemperatur und - einen Tragkörper (13), der die wenigstens eine Spulenanordnung (15) von einer radial innenliegenden Seite der Spulenanordnung (15) aus mechanisch trägt, - wobei der Tragkörper (13) eine im Wesentlichen zylinderförmige Außenkontur aufweist, - wobei der Tragkörper (13) zum überwiegenden Teil aus einem amagnetischen Material besteht, welches eine Dichte von höchstens 4,6 g/cm³ und eine thermische Leitfähigkeit von wenigstens 10 W/(m·K) aufweist - und wobei der Tragkörper (13) dazu ausgestaltet ist, die supraleitende Spulenanordnung (15) thermisch an das Kühlsystem anzukoppeln.
Rotor (7) nach Anspruch 1, bei welchem das amagnetische Material des Tragkörpers Aluminium umfasst.
Rotor (7) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei welchem das amagnetische Material des Tragkörpers (13) einen Faserverbundwerkstoff umfasst.
Rotor (7) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem der Tragkörper (13) dazu ausgestaltet ist, beim Betrieb des Rotors (7) bei einer kryogenen Betriebstemperatur vorzuliegen.
Rotor (7) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem der Tragkörper (13) wenigstens einen darin eingebetteten Kühlmittelkanal (27) zum Transport eines fluiden Kühlmittels umfasst.
Rotor (7) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem der Tragkörper (13) im Bereich seiner zylinderförmigen Außenkontur fluiddicht ausgestaltet ist.
Rotor (7) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem der Tragkörper (13) einen Innenzylinder (21) und einen Außenzylinder (23) aufweist, wobei der Außenzylinder (23) den Innenzylinder (21) radial umgibt und auf seiner Außenseite die wenigstens eine Spulenanordnung (15) mechanisch trägt.
Rotor (7) nach Anspruch 7, bei welchem im Kontaktbereich zwischen Innenzylinder (21) und Außenzylinder (23) wenigstens ein Kühlmittelkanal (27) durch wenigstens eine längliche Aussparung im Innenzylinder (21) und/oder im Außenzylinder (23) gebildet ist.
Rotor (7) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem der Tragkörper (13) durch einen additiven Fertigungsprozess hergestellt ist.
Rotor (7) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem der Tragkörper (13) zusätzlich zu dem genannten amagnetischen Material einen vergleichsweise geringeren Anteil eines ferromagnetischen Materials aufweist.
Rotor (7) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem der Tragkörper (13) als Teilfläche seiner Außenfläche wenigstens eine radial außenliegende Auflagefläche aufweist, auf der die wenigstens eine Spulenanordnung (13) mechanisch gehalten ist.
Rotor (7) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welcher eine Mehrzahl von supraleitenden Spulenanordnungen (15) aufweist.
Elektrische Maschine (1) mit einem Rotor (7) nach einem der vorhergehenden Ansprüche und einem feststehend angeordneten Stator (3).
Elektrische Maschine (1) nach Anspruch 13, bei welcher der Außendurchmesser des Rotors (7) wenigstens 1 m beträgt.
Elektrische Maschine (1) nach einem der Ansprüche 12 bis 14, welche für eine Drehzahl des Rotors (1) von 1000 Umdrehungen pro Minute oder weniger ausgelegt ist.