DE102019216818A1

DE102019216818A1 - Stromzuführung, supraleitende Spuleneinrichtung und Rotor

Info

Publication number: DE102019216818A1
Application number: DE102019216818.3A
Authority: DE
Inventors: Stefan Moldenhauer; Martin Thummet; Peter van Hasselt
Original assignee: Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Current assignee: Siemens Energy Global GmbH and Co KG
Priority date: 2019-10-31
Filing date: 2019-10-31
Publication date: 2021-05-06

Abstract

Es wird eine Stromzuführung (7) für eine supraleitende Spuleneinrichtung (3) mit einer supraleitenden Spulenwicklung (5) angegeben,- umfassend wenigstens einen ersten (11), einen zweiten (12) und einen dritten normalleitenden Leitungsteil (13), welche untereinander elektrisch in Serie geschaltet sind,- wobei der erste Leitungsteil (11) dazu ausgelegt ist, in einem kryogenen Bereich (k) der Spuleneinrichtung (3) mit der supraleitenden Spulenwicklung (5) verbunden zu werden,- wobei der dritte Leitungsteil (13) dazu ausgelegt ist, in einem vergleichsweise warmen Bereich (w) der Spuleneinrichtung mit einem äußeren Stromkreis verbunden zu werden,- wobei der zweite Leitungsteil (12) zwischen dem ersten (11) und dem dritten Leitungsteil (13) angeordnet ist,- wobei der zweite Leitungsteil (12) eine Querschnittsfläche aufweist, welche geringer ist als die Querschnittsfläche des ersten Leitungsteils (11) und welche geringer ist als die Querschnittsfläche des dritten Leitungsteils (13). Weiterhin werden eine supraleitende Spuleneinrichtung (3) mit einer solchen Stromzuführung (7) und ein Rotor (1) mit einer solchen supraleitenden Spuleneinrichtung (3) angegeben.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Stromzuführung für eine supraleitende Spuleneinrichtung mit einer supraleitenden Spulenwicklung. Dabei umfasst die Stromzuführung mehrere Leitungsteile, von denen einer dazu ausgelegt ist, in einem kryogenen Bereich der Spuleneinrichtung mit der supraleitenden Spulenwicklung verbunden zu werden, und von denen ein anderer dazu ausgelegt ist, in einem vergleichsweise warmen Bereich der Spuleneinrichtung mit einem äußeren Stromkreis verbunden zu werden. Weiterhin betrifft die Erfindung eine supraleitende Spuleneinrichtung mit wenigstens einer solchen Stromzuführung sowie außerdem einen Rotor mit einer solchen Spuleneinrichtung.
Viele supraleitende Spuleneinrichtungen benötigen Stromzuführungen, um die typischerweise relativ hohen Ströme aus einem äußeren Stromkreis in eine supraleitende Spule einzuspeisen. Solche Spuleneinrichtungen werden beispielsweise für supraleitende Magnetsysteme sowie für supraleitende Motoren, Generatoren oder magnetische Energiespeicher verwendet. Solche Spuleneinrichtungen können prinzipiell sowohl für Gleichstromanwendungen als auch für Wechselstromanwendungen eingesetzt werden. Außerdem kann es sich prinzipiell entweder um eine feststehende supraleitende Spuleneinrichtung oder auch um rotierende supraleitende Spuleneinrichtungen handeln. Der letztgenannte Fall ist insbesondere bei elektrischen Maschinen mit einer supraleitenden Rotorwicklung gegeben.
Da die supraleitenden Spulen zu ihrem Betrieb auf eine kryogene Temperatur unterhalb der Sprungtemperatur des Supraleitermaterials gekühlt werden müssen, liegen auch die spulenseitigen Enden der Stromzuführungen in diesem kryogenen Temperaturbereich vor. Die gegenüberliegenden Enden der Stromzuführung, die mit dem äußeren Stromkreis verbunden sind, befinden sich dabei typischerweise bei Temperaturen in der Nähe der Raumtemperatur. Um den Kühlaufwand für die supraleitende Spule möglichst gering zu halten, sollte der Wärmeeintrag über die Materialien der Stromzuführung möglichst minimiert werden. Bei klassischen metallischen Leitern steht allerdings die Wärmeleitung nach dem Wiedemann-Franz-Gesetz in einem etwa linearen Zusammenhang mit der elektrischen Leitfähigkeit, so dass vor allem bei hohen benötigten Strömen auch hohe Wärmeeinträge auftreten. So sollte also bei einer normalleitenden Stromzuführung der Leiterquerschnitt einerseits ausreichend hoch sein, um eine ausreichende Stromtragfähigkeit zu gewährleisten. Andererseits sollte der Leiterquerschnitt nicht zu hoch sein, damit der Wärmeeintrag in das kryogene System nicht zu hoch wird. In ähnlicher Weise sollte die Leiterlänge nicht zu lang sein, um den elektrischen Widerstand gering zu halten. Anderseits sollte die Leiterlänge lang genug sein, damit der Wärmeeintrag nicht zu hoch wird. Aus diesen Überlegungen heraus ergibt sich für jedes gegebene normalleitende Leitermaterial ein bestimmtes optimales Verhältnis von Leiterquerschnitt zu Leiterlänge, bei dem die erforderliche Stromtragfähigkeit gegeben ist und bei dem gleichzeitig der Wärmeeintrag in die kryogene Umgebung minimal ist. Beispielsweise liegt für einen kupferbasierten Leiter und bei einer Optimierung für einen konstanten Betriebsstrom ein vorteilhaftes Verhältnis von Querschnitt zu Länge und Betriebsstrom im Bereich von 1,5 cm²/(m·kA) bis 3 cm²/(m·kA). Für andere Leitermaterialien und andere Randbedinungen (z.B. bestimmte Überstromtragfähigkeiten oder besondere Konstanz der Temperatur) kann dieser günstige Bereich jedoch auch anders ausfallen.
Bei supraleitenden Spuleneinrichtungen in rotierenden Systemen ist es besonders schwierig, eine geeignete Stromzuführung zur Verfügung zu stellen, da neben den beschriebenen thermischen und elektrischen Anforderungen auch hohe mechanische Anforderungen erfüllt werden müssen. Insbesondere ist eine Kompatibilität mit hohen Fliehkräften nötig, wenn die Drehzahl des Rotors hoch ist und die Stromzuführung(en) in einem radialen Abstand von der Rotationsachse angeordnet ist bzw. sind. Um diese mechanischen Anforderungen zu erfüllen und das Leitermaterial bei der Rotation nicht zu stark zu belasten, wird die Stromzuführung nach dem Stand der Technik typischerweise auf ihrer ganzen Länge gegen die Umgebung abgestützt. Dabei ist es nötig, die Stromzuführung elektrisch gegen die in der Umgebung vorhandenen elektrisch leitenden Elemente zu isolieren. In den Bereichen der Spuleneinrichtung, in denen die Abstützung der Stromzuführung gegen ein kryogen-kaltes Stützelement erfolgt, kann vor allem im Bereich der wärmeren Abschnitte der Stromzuführung ein unerwünschter Wärmeeintrag von der Stromzuführung in das Stützelement auftreten. In den Bereichen der Spuleneinrichtung, in denen die Abstützung der Stromzuführung gegen ein warmes Stützelement erfolgt, kann vor allem im Bereich der kälteren Abschnitte der Stromzuführung ein unerwünschter Wärmeeintrag von dem warmen Stützelement in die Stromzuführung auftreten. Durch diese im Bereich der mechanischen Stützung für die Stromzuführung typischerweise vorliegenden Temperaturgradienten wird daher der Wärmeeintrag durch die Stromzuführung insgesamt unvorteilhaft verstärkt. Allgemein stellt die Kompatibilität von solchen Stromzuführungen für rotierende kryogene Systeme mit hohen Drehzahlbereichen nach wie vor eine große Herausforderung dar.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Stromzuführung anzugeben, welche die genannten Nachteile überwindet. Insbesondere soll eine Stromzuführung zur Verfügung gestellt werden, welche mit den mechanischen Belastungen von rotierenden Systemen mit hohen Drehzahlen kompatibel ist. Gleichzeitig soll die Stromtragfähigkeit möglichst hoch sein, und der durch die Stromzuführung verursachte Wärmeeintrag in das kryogene System soll möglichst gering sein. Eine weitere Aufgabe ist es, eine supraleitende Spuleneinrichtung mit einer solchen Stromzuführung anzugeben. Weiterhin soll ein Rotor angegeben werden, welcher eine supraleitende Spuleneinrichtung mit einer solchen Stromzuführung umfasst.
Diese Aufgaben werden durch die in Anspruch 1 beschriebene Stromzuführung, die in Anspruch 6 beschriebene supraleitende Spuleneinrichtung und den in Anspruch 7 beschriebenen Rotor gelöst.
Die erfindungsgemäße Stromzuführung ist als Stromzuführung für eine supraleitende Spuleneinrichtung mit einer supraleitenden Spulenwicklung ausgelegt. Die Stromzuführung umfasst einen ersten, einen zweiten und einen dritten normalleitenden Leitungsteil, wobei diese drei Leitungsteile untereinander elektrisch in Serie geschaltet sind. Der erste Leitungsteil ist dazu ausgelegt, in einem kryogenen Bereich der Spuleneinrichtung mit der supraleitenden Spulenwicklung verbunden zu werden. Der dritte Leitungsteil ist dazu ausgelegt, in einem vergleichsweise warmen Bereich der Spuleneinrichtung mit einem äußeren Stromkreis verbunden zu werden. Der zweite Leitungsteil ist zwischen dem ersten und dem dritten Leitungsteil angeordnet. Dabei weist der zweite Leitungsteil eine Querschnittsfläche auf, welche geringer ist als die Querschnittsfläche des ersten Leitungsteils und welche geringer ist als die Querschnittsfläche des dritten Leitungsteils.
Mit anderen Worten dient der erste Leitungsteil zur Kontaktierung der Stromzuführung an ihrem kalten Ende und der dritte Leitungsteil dient zur Kontaktierung der Stromzuführung an ihrem warmen Ende. Entsprechend kann der erste Leitungsteil auch als kalter Leitungsteil beschrieben werden und der dritte Leitungsteil kann als warmer Leitungsteil beschrieben werden. Der zweite Leitungsteil ist geometrisch und elektrisch zwischen diesen beiden endständigen Leitungsteilen angeordnet. Somit kann der zweite Leitungsteil auch als innenliegender Leitungsteil bezeichnet werden. Sowohl die Stromzuführung insgesamt als auch ihre drei einzelnen Leitungsteile haben insbesondere alle eine allgemein längliche Form, wobei die einzelnen Leitungsteile insbesondere alle entlang der gleichen Längsrichtung ausgerichtet sind. Die Stromzuführung ist insbesondere als Stromzuführung für eine rotierende supraleitende Spuleneinrichtung ausgelegt. Sie ist insbesondere dazu vorgesehen, beim Einbau in die Spuleneinrichtung mit ihrer Längsrichtung parallel zur Rotationsachse ausgerichtet zu werden.
Die einzelnen Leitungsteile weisen insbesondere jeweils für sich eine einheitliche Querschnittsfläche auf. Mit anderen Worten ist es also vorteilhaft, wenn die Leiterdicke innerhalb eines gegebenen Leitungsteils nicht variiert, sondern nur beim Übergang von einem Leitungsteil zum nächsten. Die Konstanz der Querschnittsfläche innerhalb eines Leitungsteils ist jedoch nicht zwingend erforderlich. Sollte die Querschnittsfläche auch innerhalb eines Leitungsteils variieren, dann soll für den beschriebenen Vergleich der einzelnen Querschnittsflächen die durchschnittliche Querschnittsfläche des jeweils betrachteten Leitungsteils herangezogen werden.
Wesentlich im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung ist, dass der innenliegende, zweite Leitungsteil einen geringeren Leitungsquerschnitt aufweist als die beiden benachbarten endständigen Leitungsteile. Diese Verjüngung des Querschnitts im axial innenliegenden Bereich der Stromzuführung bewirkt den Vorteil, dass in Längsrichtung gesehen der zweite Leitungsteil ein höheren Temperaturgradienten aufweist als die benachbarten ersten und dritten Leitungsteile. Mit anderen Worten ist der axiale Temperaturabfall, welcher zwischen dem kryogenen Ende und dem warmen Ende zwangsläufig vorliegt, durch die Verjüngung des Querschnitts in dem mittleren zweiten Leitungsteil konzentriert. Dies hat zur Folge, dass der endständige erste Leitungsteil insgesamt eine vergleichsweise einheitliche und insgesamt sehr kalte Temperatur aufweisen kann. Analog kann der endständige dritte Leitungsteil insgesamt eine vergleichsweise einheitliche und insgesamt relativ warme Temperatur aufweisen. Mit anderen Worten kann durch die Verjüngung im mittleren zweiten Leitungsteil der in den jeweils benachbarten Leitungsteilen vorliegende Temperaturgradient abgeschwächt werden.
Durch den vergleichsweise schwachen Temperaturgradienten im kalten ersten Leitungsteil kann dieser vorteilhaft auf einem Großteil seiner Länge gegen ein kryogen-kaltes Stützelement abgestützt werden, ohne dass es zu einem übermäßigen Wärmeeintrag von dem ersten Leitungsteil in das kalte Stützelement kommt. Analog kann durch den vergleichsweise schwachen Temperaturgradienten in dem warmen dritten Leitungsteil auch dieser vorteilhaft auf einem Großteil seiner Länge gegen ein warmes Stützelement abgestützt werden, ohne dass es zu einem übermäßigen Wärmeeintrag von dem warmen Stützelement in den dritten Leitungsteil kommt. Insgesamt kann so eine effektive mechanische Abstützung des ersten Leitungsteils und des dritten Leitungsteils gegen die auftretenden Fliehkräfte erreicht werden, wobei gleichzeitig der Wärmeeintrag durch die Stromzuführung insgesamt vorteilhaft geringgehalten werden kann.
Die erfindungsgemäße supraleitende Spuleneinrichtung weist eine supraleitende Spulenwicklung und wenigstens eine erfindungsgemäße Stromzuführung auf. Insbesondere kann die Spuleneinrichtung mehrere derartige Stromzuführungen aufweisen, um die supraleitende Spulenwicklung über wenigstens zwei Stromzuführungen mit einem äußeren Stromkreis verbinden zu können. Bei der supraleitenden Spuleneinrichtung kann es sich insbesondere um eine rotierende Spuleneinrichtung handeln, also mit anderen Worten eine Spuleneinrichtung für eine rotierende Anwendung. Die Vorteile der erfindungsgemäßen Spuleneinrichtung ergeben sich analog zu den oben beschriebenen Vorteilen der erfindungsgemäßen Stromzuführung.
Der erfindungsgemäße Rotor ist ein Rotor für eine elektrische Maschine mit einer erfindungsgemäßen supraleitenden Spuleneinrichtung. Dabei ist der Rotor dazu ausgelegt, um eine Rotationsachse A drehbar gelagert zu werden. Die erfindungsgemäße supraleitende Spuleneinrichtung soll also wiederum wenigstens eine supraleitende Spulenwicklung und wenigstens eine erfindungsgemäße Stromzuführung umfassen, wie oben beschrieben. Auch hier ergeben sich die Vorteile analog zu den weiter oben beschriebenen Vorteilen der erfindungsgemäßen Stromzuführung. Die Richtung der Rotationsachse A des Rotors kann dabei insbesondere parallel zur Längsrichtung der jeweiligen Stromzuführung liegen. Besonders vorteilhaft liegen auch die Längsrichtungen aller drei Leitungsteile der jeweiligen Stromzuführung parallel zur Rotationsachse A des Rotors. Die im Folgenden verwendeten Begriffe „axial“ und „radial“ sollen dabei allgemein in Bezug auf die Rotationsachse A des Rotors verstanden werden. Sofern nur eine einzelne Stromzuführung beschrieben wird, soll unter der Richtung „axial“ allgemein die Längsrichtung der Stromzuführung verstanden werden.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den von den Ansprüchen 1 und 7 abhängigen Ansprüchen sowie der folgenden Beschreibung hervor. Dabei können die beschriebenen Ausgestaltungen der Stromzuführung, der supraleitenden Spuleneinrichtung und des Rotors allgemein vorteilhaft miteinander kombiniert werden.
Gemäß einer allgemein vorteilhaften Ausführungsform kann das Verhältnis der Querschnittsfläche des ersten Leitungsteils zur Querschnittsfläche des zweiten Leitungsteils wenigstens 2 zu 1 und insbesondere wenigstens 5 zu 1 betragen. Alternativ oder zusätzlich kann auch das Verhältnis der Querschnittsfläche des dritten Leitungsteils zur Querschnittsfläche des zweiten Leitungsteils wenigstens 2 zu 1 und insbesondere wenigstens 5 zu 1 betragen. Besonders bevorzugt liegt das Querschnittsverhältnis des jeweiligen endständigen (ersten beziehungsweise dritten) Leitungsteils zu dem mittleren zweiten Leitungsteil sogar bei wenigstens 10 zu 1.
Allgemein besonders vorteilhaft ist es, wenn das angegebene vorteilhafte Flächenverhältnis (von wenigstens 2:1, wenigstens 5:1 oder sogar wenigstens 10:1) für beide genannten Vergleiche gilt. Mit anderen Worten soll der mittlere, zweite Leitungsteil um den entsprechenden Faktor dünner sein als beide benachbarten endständigen Leitungsteile. Eine solche wesentliche Verjüngung des innenliegenden Leitungsteils kann eine besonders effektive Konzentration des resultierenden Temperaturabfall in diesem innenliegenden Leitungsteil bewirken, sodass entsprechend das Temperaturniveau in dem ersten und dem dritten Leitungsteil vergleichsweise konstant gehalten werden kann.
Allgemein besonders vorteilhaft weist der zweite Leitungsteil eine Länge auf, welche geringer ist als die Länge des ersten Leitungsteils und welche geringer ist als die Länge des dritten Leitungsteils. Wenn also in dem innenliegenden zweiten Leitungsteil nicht nur die Querschnittsfläche, sondern auch die Länge im Vergleich zu den beiden endständigen Leitungsteilen reduziert ist, kann vorteilhaft für den mittleren der drei Leitungsteile das Verhältnis von Querschnitt zu Länge in der Nähe des weiter oben beschriebenen Optimums liegen.
Gemäß einer allgemein vorteilhaften Ausführungsform kann das Verhältnis der Länge des ersten Leitungsteils zur Länge des zweiten Leitungsteils wenigstens 2:1 sein, und/oder das Verhältnis der Länge des dritten Leitungsteils zur Länge des zweiten Leitungsteils kann wenigstens 2:1 sein. Auch für die Länge gilt, dass es besonders bevorzugt ist, wenn das vorteilhafte Verhältnis auf beiden Seiten des mittleren Leitungsteils erfüllt ist. Besonders bevorzugt liegen die Längenverhältnisse sogar bei wenigstens 5 zu 1 und insbesondere sogar bei wenigstens 10 zu 1.
Gemäß einer allgemein vorteilhaften Ausführungsform können der erste Leitungsteil und/oder der zweite Leitungsteil und/oder der dritte Leitungsteil als Leitermaterial Kupfer beziehungsweise eine kupferhaltige Legierung umfassen. Insbesondere können der erste Leitungsteil und/oder der zweite Leitungsteil und/oder der dritte Leitungsteil als Leitermaterial Messing umfassen. Alternativ oder zusätzlich können der erste Leitungsteil und/oder der zweite Leitungsteil und/oder der dritte Leitungsteil als Leitermaterial Aluminium umfassen. Aluminium bietet insbesondere Vorteile im Hinblick auf Anwendungen, bei der das Gesamtgewicht möglichst geringgehalten werden soll. Allgemein ist es dabei möglich und unter Umständen vorteilhaft, wenn die einzelnen Leiterteile unterschiedliche Leitermaterialien aufweisen.
Allgemein vorteilhaft können der erste Leitungsteil und/oder der dritte Leitungsteil jeweils von einer zylindrischen Kunststoffhülse umgeben sein. Insbesondere kann es sich dabei um eine elektrisch isolierende Kunststoffhülse handeln, mittels derer der jeweilige Leitungsteil mechanisch gegen ein umgebendes Stützelement abgestützt sein kann. Das jeweils umgebende Stützelement kann dabei optional ein elektrisch leitendes und insbesondere metallisches Stützelement sein, da durch die Kunststoffhülse eine elektrische Isolation zwischen dem jeweiligen Leitungsteil und dem jeweiligen Stützelement gegeben ist. Das Material einer solchen Kunststoffhülse kann beispielsweise ein Polyetheretherketon (PEEK) umfassen.
Alternativ oder zusätzlich zur beschriebenen Ummantelung mit einer Kunststoffhülse kann der erste Leitungsteil innerhalb einer Keramikdurchführung geführt sein. Unter einer Keramikdurchführung soll hier eine Durchführung für einen Leitungsteil verstanden werden, welche eine Keramikhülse aufweist, die den Leitungsteil radial umgibt. Diese Keramikhülse kann insbesondere die optional vorhandene Kunststoffhülse radial außerhalb umschließen. Die Keramikdurchführung kann weiterhin dazu ausgebildet sein, vakuumdicht mit einer Begrenzungswand eines Vakuumraums verbunden zu werden, sodass der Leitungsteil durch diese Begrenzungswand hindurchgeführt werden kann, ohne dass die vakuumdichte Abdichtung des Vakuumraums unterbrochen wird. Derartige Keramikdurchführungen sind nach dem Stand der Technik als Standardbauteile erhältlich. Um die Vakuumdichtigkeit zu gewährleisten, weisen sie häufig neben der isolierenden Keramikhülse noch ein oder mehrere metallische Elemente auf. Durch die Keramikhülse wird sowohl eine thermische als auch eine elektrische Isolation des innenliegenden Leitungsteils gegen die äußere Umgebung (und insbesondere gegen eine metallische Wand) erreicht.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform des Rotors umfasst dieser einen kryogenen Rotorwellenteil mit einem ersten Endelement. Dabei ist der erste Leitungsteil der wenigstens einen Stromzuführung des Rotors bevorzugt durch das erste Endelement hindurchgeführt. Unter einem kryogenen Rotorwellenteil solch ein solcher Teilabschnitt der Rotorwelle verstanden werden, welcher sich beim Betrieb der supraleitenden Spuleneinrichtung auf einem kryogenen Temperaturniveau befindet. Das erste Endelement begrenzt diesen kryogenen Rotorwellenteil in einem seiner axialen Endbereiche. Entsprechend kann im gegenüberliegenden axialen Endbereich ein zweites Endelement des kryogenen Rotorwellenteils angeordnet sein. Diese Endelemente können insbesondere scheibenförmige Endelemente sein, beispielsweise kreisförmige Edelstahlwände, welche einen hohlzylindrischen Rotorwellenabschnitt in axialer Richtung in den beiden Endbereichen begrenzen.
Durch die vorab beschriebene Konzentration des Temperaturgradienten im zweiten Leitungsteil der Stromzuführung wird vorteilhaft erreicht, dass ein Großteil des ersten Leitungsteils oder auch der gesamte erste Leitungsteil im Wesentlichen auf einem kryogenen Temperaturniveau vorliegt. Somit wird bei der Durchführung des ersten Leitungsteils durch das kryogene Endelement mittels der Keramikhülse kein signifikanter zusätzlicher Wärmeeintrag aus der Stromzuführung in den kryogenen Bereich der Rotorwelle erzeugt.
Weiterhin ist es allgemein vorteilhaft, wenn der Rotor einen warmen Rotorwellenteil umfasst. Dabei kann zumindest ein Teilbereich des zweiten Leitungsteils in axialer Richtung zwischen dem ersten Endelement des kryogenen Rotorwellenteils und dem warmen Rotorwellenteil angeordnet sein. Insbesondere kann der zweite Leitungsteil sogar vollständig zwischen dem ersten kryogenen Endelement und dem warmen Rotorwellenteil angeordnet sein. Ein wesentlicher Vorteil dieser Ausführungsform ist, dass der besonders starke Temperaturgradient, welcher im Bereich des zweiten Leitungsteils vorliegt in demjenigen axialen Teilbereich auftritt, welcher zwischen dem kryogenen Bereich der Rotorwelle und dem warmen Bereich der Rotorwelle liegt. Insbesondere kann in diesem axialen Zwischenbereich ein Vakuumraum vorgesehen sein, um den kryogenen Bereich der Rotorwelle von dem warmen Bereich der Rotorwelle thermisch zu isolieren.
Dementsprechend kann gemäß einer allgemein besonders vorteilhaften Ausführungsform der warme Rotorwellenteil von dem kryogenen Rotorwellenteil durch einen Vakuumraum getrennt sein. Dabei kann die wenigstens eine Stromzuführung derart durch den Vakuumraum hindurchgeführt sein, dass sich zumindest ein Teilbereich des zweiten Leitungsteils innerhalb des Vakuumraums befindet. Insbesondere kann sich der zweite Leitungsteil sogar vollständig im axialen Bereich des Vakuumraums befinden. Optional kann zusätzlich auch ein Teilbereich des ersten Leitungsteils axial in den Vakuumraum hineinragen. Weiterhin optional könnte zusätzlich auch ein Teilbereich des dritten Leitungsteils axial in den Vakuumraum hineinragen. Wesentlich im Zusammenhang mit dieser Ausführungsform ist aber vor allem, dass zumindest ein Teilbereich des zweiten Leitungsteils axial im Bereich des Vakuumraums liegt. Somit liegt der zweite Leitungsteil zumindest teilweise innerhalb des Vakuumraums, in dem Sinne, dass dieser Teilbereich in radialer Richtung von dem Vakuumraum umgeben wird.
Allgemein vorteilhaft und unabhängig von der genauen Ausgestaltung der Stromzuführung kann der Rotor jedenfalls einen Vakuumraum mit zwei axial begrenzenden Wänden aufweisen. Dabei kann eine erste Wand insbesondere durch das erwähnte Endelement des kryogenen Rotorwellenteils gegeben sein. Die zweite Wand kann insbesondere durch einen axialen Endbereich des warmen Rotorwellenteils gegeben sein.
Allgemein ist es vorteilhaft, wenn der Vakuumraum in axialer Richtung auf der kryogenen Seite von dem ersten Endelement des Rotorwellenteils begrenzt wird und auf der warmen Seite von dem warmen Rotorwellenteil begrenzt wird. Dabei kann der Vakuumraum derart ausgestaltet sein, dass das erste Endelement und das warme Rotorwellenteil in axialer Richtung gegeneinander verschiebbar sind. Diese axial verschiebbare Ausgestaltung der beiden Grenzwände bewirkt den Vorteil, dass durch eine solche Bewegung thermisch induzierte Längenänderungen in den Leitungsteilen der Stromzuführung ausgeglichen werden können. Insbesondere können solche thermisch induzierten Längenänderungen bei der Abkühlung der kryogenen Bereiche des Rotors von der Raumtemperatur auf die kryogene Betriebstemperatur auftreten. Wenn die thermischen Längenänderungen der Stromzuführung nicht genau an die thermischen Längenänderungen der umgebenden Bauteile (und insbesondere einer radialen Begrenzungswand des Vakuumraums) angepasst sind, kann es bei der Abkühlung zu starken Spannungszuständen im Rotor kommen. Diese mechanischen Spannungen können leicht zu einer Zerstörung der Leitungsteile und/oder der Verbindungen zwischen den einzelnen Elementen des Rotors führen.
Eine axiale Verschiebbarkeit zwischen dem ersten Endelement und dem warmen Rotorwellenteil kann besonders vorteilhaft dadurch erreicht werden, dass der Vakuumraum in radialer Richtung von einem verformbaren Wellenbalg begrenzt wird. Dies ermöglicht auf relativ einfache Weise eine Anpassung des axialen Abstandes zwischen dem kryogenen Endelement und dem warmen Rotorwellenteil, sodass thermische Längenänderungen der einzelnen Leitungsteile wirksam ausgeglichen werden können.
Gemäß einer allgemein besonders vorteilhaften Ausführungsform des Rotors kann die Stromzuführung derart durch den warmen Rotorwellenteil hindurchgeführt sein, dass sich zumindest ein Teilbereich des dritten Leitungsteils durch den warmen Rotorwellenteil erstreckt. Hierbei kann der dritte Leitungsteil vorteilhaft mechanisch gegen den warmen Rotorwellenteil abgestützt sein, sodass auch höhere Fliehkräfte im Bereich des dritten Leitungsteils toleriert werden können. Diese Abstützung kann insbesondere durch die bereits erwähnte Kunststoffhülse des dritten Leitungsteils vermittelt sein.
Allgemein vorteilhaft kann der Rotor axial zwischen dem warmen Rotorwellenteil und dem ersten kryogenen Endelement ein zusätzliches Stützelement aufweisen, welches den zweiten Leitungsteil der wenigstens einen Stromzuführung zumindest in einem Teilbereich umgibt und diesen mechanisch gegen den warmen Rotorwellenteil abstützt. Mit anderen Worten ist dann der zweite Leitungsteil nicht vollständig freitragend innerhalb des Vakuumraums geführt, sondern wird zumindest in einem Teilbereich durch das zusätzliche Stützelement gegen die warme axiale Begrenzungswand des Vakuumraums abgestützt. Diese Stützelement kann insbesondere elektrisch isolierend ausgeführt sein, um einen elektrischen Kurzschluss zwischen den zweiten Leitungsteil und dem warmen Rotorwellenteil zu verhindern und trotzdem eine gute mechanische Abstützung zu gewährleisten. Beispielsweise kann das Stützelement wiederum aus PEEK ausgebildet sein oder zumindest ein solches Material umfassen. Derartige Kunststoffe weisen den Vorteil auf, dass sie nicht nur elektrisch isolierend sind, sondern auch eine geringe thermische Leitfähigkeit aufweisen. So kann ein Wärmeeintrag von dem warmen Rotorwellenteil in das zweite Leitungsteil vorteilhaft geringgehalten werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsvariante kann der Rotor mehrere Stromzuführungen aufweisen, welche um die Rotationsachse herum verteilt angeordnet sein können. Insbesondere können die einzelnen Stromzuführungen mit einem untereinander gleichen radialen Abstand von der Rotationsachse angeordnet sein. Besonders vorteilhaft ist es, wenn bei dieser Ausführungsform ein gemeinsames Stützelement vorliegt, welches zur gemeinsamen Abstützung der zweiten Leitungsteile der einzelnen Stromzuführungen gegen den warmen Rotorwellenteil ausgelegt ist. Die einzelnen zweiten Leitungsteile werden dann also in ihren relevanten axialen Teilbereichen gemeinsam von einem übergeordneten Stützelement umschlossen. Bei dieser Ausführungsform kann ein besonders wirksamer Schutz der dünneren zweiten Leitungsteile vor schädlichen Auswirkungen der auftretenden Fliehkräfte gewährleistet werden. Optional kann ein solches Stützelement zusätzlich auch einen Teil der ersten Leitungsteile gemeinsam umschließen.
Das übergeordnete Stützelement kann in den relevanten axialen Teilbereich in einem direkten mechanischen Kontakt zu den zweiten Leitungsteilen stehen. Gemäß einer alternativen unter Umständen bevorzugten Ausführungsform ist es jedoch auch möglich, dass das übergeordnete Stützelement nur mit einem Teilbereich der ersten Leitungsteile in direktem Kontakt ist und dass die dünneren zweiten Leitungsteile radial von dem übergeordneten Stützelement beabstandet sind. Bei dieser Ausführungsform sind also die dünneren zweiten Leitungsteile freitragend angeordnet und nicht direkt gegen das Stützelement abgestützt.
Diese freitragende Ausführung der zweiten Leitungsteile kann unabhängig von der sonstigen Ausführung der Stromzuführung und des Rotors eine allgemein vorteilhafte Ausführungsvariante sein. Bei dieser Ausführungsvariante fehlt zwar die direkte Abstützung der zweiten Leitungsteile. Dies kann jedoch im Rahmen der vorliegenden Erfindung selbst bei hohen Drehzahlen und höheren radialen Abständen zur Rotationsachse deswegen toleriert werden, weil die zweiten Leitungsteile einen vergleichsweise geringeren Leitungsquerschnitt und eine vergleichsweise kurze Länge aufweisen. Aufgrund dieser beiden Eigenschaften sind die auftretenden Fliehkräfte und die hierdurch bewirkten Verformungen der zweiten Leitungsteile vorteilhaft gering. Deswegen kann in diesem vergleichsweise kurzen mittleren Teilbereich der Stromzuführung auf eine direkte Abstützung verzichtet werden. Ein allgemeiner Vorteil der freitragenden Ausführungsform liegt darin, dass gerade im Bereich der innenliegenden zweiten Leitungsteile der Temperaturabfall innerhalb der Stromzuführung konzentriert ist. Das bedeutet, dass zur Vermeidung von zusätzlichem Wärmeeintrag gerade in diesem axialen Teilbereich ein direkter Kontakt zwischen den zweiten Leitungsteilen und der umgebenden Elemente vermieden werden sollte. Mit anderen Worten wird durch die freitragende Ausführung der zweiten Leitungsteile eine thermisch besonders günstige Auslegung erzielt. Die zweiten Leitungsteile werden dann nur indirekt - also über die benachbarten ersten und/oder dritten Leitungsteile - mechanisch gegen die Umgebung abgestützt.
Allgemein kann das übergeordnete Stützelement, mit welchem die ersten Leitungsteile und/oder zweiten Leitungsteile der Stromzuführungen gegen den warmen Rotorwellenteil abgestützt werden, beispielsweise ringförmig oder scheibenförmig ausgestaltet sein. Das übergeordnete Stützelement kann aber auch eine komplexe dreidimensionale Formgebung aufweisen. Beispielsweise können sich von einer ringförmigen oder scheibenförmigen Grundstruktur hülsenartige Fortsätze in Richtung des kryogenen Bereichs des Rotors erstrecken, welche insbesondere axiale Teilbereiche der ersten Leitungsteile hülsenartig umschließen können.
Gemäß einer weiteren allgemein vorteilhaften Ausführungsform des Rotors kann der dritte Leitungsteil der wenigstens einen Stromzuführung von einer Kunststoffhülse umgeben sein, welche derart in das warme Rotorwellenteil eingebettet ist, dass die Kunststoffhülse nur an einzelnen Kontaktstellen mit dem warmen Rotorwellenteil in mechanischem Kontakt ist. In den Bereichen zwischen diesen Kontaktstellen ist die Kunststoffhülse dagegen radial von dem warmen Rotorwellenteil beabstandet. Mit anderen Worten ist dann der direkte Kontakt zwischen der Kunststoffhülse und dem warmen Rotorwellenteil axial unterbrochen. Ein Vorteil dieser Ausführungsvariante ist, dass der Wärmeeintrag von dem warmen Rotorwellenteil in den dritten Leitungsteil wirksam reduziert werden kann, wobei trotzdem eine ausreichende mechanische Abstützung gegen den warmen Rotorwellenteil gewährleistet wird. Insbesondere kann die Wandstärke der Kunststoffhülse auf einem Großteil ihrer axialen Länge wesentlich dünner sein als der Abstand zwischen dem dritten Leitungsteil und dem umgebenden warmen Rotorwellenteil. Nur im Bereich der Kontaktstellen ist die Kunststoffhülse lokal verdickt, sodass ihre Dicke dem Abstand zwischen dem dritten Leitungsteil und dem umgebenden warmen Rotorwellenteil entspricht. Diese lokale Verdickung muss auch nicht umlaufend sein, sondern sie kann sich vielmehr auch in Umfangsrichtung auf bestimmte Teilbereiche beschränken. Wesentlich ist nur, dass an bestimmten lokal begrenzten Kontaktpositionen eine lokale Abstützung des dritten Leitungsteils gegen den warmen Rotorwellenteil ermöglicht wird.
Bei den Ausführungsformen, bei denen der dritte Leitungsteil zumindest abschnittsweise von einer lokalen Stützhülse umgeben ist, kann es allgemein vorteilhaft sein wenn im Anschluss an den warmen axialen Endbereich der Stützhülse ein zwischen dem dritten Leitungsteil und dem umgebenden warmen Rotorwellenteil vorhandener Spalt mit einem Vergussmittel ausgefüllt ist. Ein solches Vergussmittel kann insbesondere ein vakuumdichtes Vergussmittel sein, sodass auch auf der warmen Seite der Stromzuführung insgesamt eine vakuumdichte Abdichtung gegen den warmen Rotorwellenteil gegeben ist. Dies bewirkt vorteilhaft, dass der axial zwischen dem warmen Rotorwellenteil und dem kryogenen Rotorwellenteil optional vorliegende Vakuumraum auch an seinem warmen Ende vakuumdicht abgeschlossen werden kann.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand einiger bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die angehängten Zeichnungen beschrieben, in denen:

1 einen Teilbereich eines Rotors nach einem ersten Beispiel der Erfindung im schematischen Längsschnitt zeigt,
2 einen beispielhaften axialen Verlauf der Temperatur der Leiterteile einer Stromzuführung zeigt,
3 einen etwas größeren Ausschnitt für den Rotor der 1 zeigt,
4 einen Teilbereich eines Rotors nach einem weiteren Beispiel der Erfindung zeigt und
5 eine Querschnittsdarstellung einer Stützhülse eines dritten Leitungsteils zeigt.

In den Figuren sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
In 1 ist ein Teilbereich eines Rotors 1 nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung im schematischen Längsschnitt entlang der Rotationsachse A gezeigt. Gezeigt ist ein axialer Abschnitt des Rotors, in dem ein kryogener Bereich k über einen Übergangsbereich t in einen warmen Bereich w übergeht. Der Rotor 1 weist eine supraleitende Spuleneinrichtung auf, welche wenigstens eine hier nicht näher dargestellte supraleitende Spulenwicklung und mehrere Stromzuführungen 7 aufweist. Insgesamt liegen beim gezeigten Beispiel sechs Stromzuführungen 7 vor, welche mit einem einheitlichen radialen Abstand von der Rotationsachse A hexagonal symmetrisch um diese herum angeordnet sind. Zwei von diesen Stromzuführungen 7 liegen im Bereich der Schnittebene der 1. Von zwei weiteren, hinter der Schnittebene liegenden Stromzuführungen sind zumindest im linken Bereich der Figur Teilstücke zu erkennen. Die einzelnen Stromzuführungen 7 dienen zur Verbindung der hier nicht dargestellten, aber im kryogenen Bereich befindlichen supraleitenden Spulenwicklung mit einem äußeren Stromkreis. Hierzu müssen die Stromzuführungen den Übergang vom kryogenen Bereich k des Rotors zum warmen Bereich w des Rotors überbrücken.
Im kryogenen Bereich k des Rotors weist dieser einen kryogenen Rotorwellenteil 40 auf, von dem in 1 nur ein erstes Endelement 41 näher dargestellt ist. Bei diesem ersten Endelement 41 handelt es sich um eine metallische Wand mit kreisförmiger Grundfläche. Im warmen Bereich w des Rotors weist dieser einen warmen Rotorwellenteil 43 auf. Axial zwischen dem kryogenen Bereich und dem warmen Bereich liegt ein Übergangsbereich t, in welchem sich ein Vakuumraum V befindet. Dieser Vakuumraum V dient zur thermischen Entkopplung des kryogenen Rotorwellenteils 40 von dem warmen Rotorwellenteil 43. In axialer Richtung wird dieser Vakuumraum einerseits durch das kryogene Endelement 41 und andererseits durch den warmen Rotorwellenteil 43 begrenzt.
Die einzelnen Stromzuführungen 7 weisen jeweils einen ersten Leitungsteil 11, einen zweiten Leitungsteil 12 und einen dritten Leitungsteil 13 auf. Alle diese Leitungsteile sind dabei parallel zur Rotationsachse A ausgerichtet. Innerhalb jeder Stromzuführung sind die drei genannten Leitungsteile elektrisch miteinander in Serie geschaltet. Dabei ist der zweite Leitungsteil sowohl elektrisch als auch geometrisch zwischen dem zugehörigen ersten und dritten Leitungsteil angeordnet. Da die Stromzuführungen keine weiteren außer den genannten drei Leitungsteilen aufweisen, handelt sich bei dem ersten und dem dritten Leitungsteil jeweils um endständige Leitungsteile. Der zweite Leitungsteil ist im Verhältnis zu diesen beiden endständigen Leitungsteilen sowohl kürzer als auch in seinem Querschnitt verjüngt. Alle drei Leitungsteile 11, 12 und 13 sind normalleitend und weisen beispielsweise ein kupferbasiertes Leitermaterial auf. Allgemein können jedoch auch andere Materialien zum Einsatz kommen. Es ist allerdings allgemein vorteilhaft, wenn die drei genannten normalleitenden Leitungsteile aus demselben Leitermaterial gebildet sind.
Die relative Verjüngung des Querschnitts im zweiten Leitungsteil bewirkt den Vorteil, dass der Temperaturabfall über die axiale Länge der Stromzuführung 7 in diesem Bereich konzentriert ist. Dies wird durch die 2 verdeutlicht, welche einen beispielhaften axialen Verlauf der Temperatur der einzelnen Leiterteile 11, 12 und 13 in einer solchen Stromzuführung 7 zeigt. Gezeigt ist die Temperatur 62 in Kelvin als Funktion der axialen Position 61 in mm. Durch den geringeren Querschnitt im zweiten Leitungsteil 12 wird hier ein lokaler Flaschenhals sowohl für den Stromtransport als auch für die Wärmeleitung gebildet. Der Gesamtwiderstand der Stromzuführung ist jedoch nicht wesentlich erhöht, da die axiale Länge 1₁₂ des zweiten Leitungsteils 12 vergleichsweise kurz ist. Aus demselben Grund wird allerdings auch der in axialer Richtung über die Stromzuführung 7 vermittelte Wärmeeintrag nicht wesentlich reduziert. Die Form des Temperaturabfall über die axiale Länge der Stromzuführung wird jedoch wesentlich beeinflusst: Der stärkste Temperaturgradient liegt hier im Bereich des vergleichsweise kurzen zweiten Leitungsteils 12 vor. Dabei ist nicht nur der Gradient diesem Leitungsteil besonders groß, sondern auch die insgesamt in diesem Leitungsteil überwundene Temperaturdifferenz ΔT ist hier deutlich größer als in den beiden angrenzenden Leitungsteilen 11 und 13. Das hat zur Folge, dass hier der erste Leitungsteil 11 insgesamt auf einem kryogenen Temperaturniveau liegt, wobei nur eine schwache Temperaturerhöhung in Richtung zum zweiten Leitungsteil vorliegt. In ähnlicher Weise liegt der dritte Leitungsteil 13 insgesamt auf einem vergleichsweise warmen Temperaturniveau, wobei nur eine schwache Abkühlung in Richtung zum zweiten Leitungsteil 12 vorliegt.
Die wesentliche Temperaturdifferenz wird also im zweiten Leitungsteil der Stromzuführung überwunden, und der kryogene erste Leitungsteil 11 kann ohne wesentliche thermische Verluste mechanisch an dem ähnlich kalten Rotorwellenteil 40 abgestützt werden. Dabei ist zu beachten, dass der erste Leitungsteil sich axial noch deutlich weiter in den kryogenen Bereich k des Rotors erstrecken kann, als dies in 1 dargestellt ist. In ähnlicher Weise kann der warme dritte Leitungsteil 13 ohne wesentliche thermische Verluste mechanisch an dem ähnlich warmen Rotorwellenteil 43 abgestützt werden. Auch für den dritten Leitungsteil 13 gilt, dass dieser sich axial noch deutlich weiter in den warmen Bereich w des Rotors erstrecken kann, als dies im Ausschnitt der 1 dargestellt ist.
Beim Beispiel der 1 ist der erste Leitungsteil 11 der jeweiligen Stromzuführungen 7 in eine Kunststoffhülse 21 eingebettet. Diese Kunststoffhülse 21 ist wiederum von einer Keramikdurchführung 31 umgeben. Die Keramikdurchführung 31 ist ein Standardbauteil, mit welchem der erste Leitungsteil 21 sowohl vakuumdicht, als auch elektrisch und thermisch entkoppelt durch das metallische Endelement 41 hindurchgeführt werden kann. Weiterhin ist der erste Leitungsteil mittels dieser Keramikdurchführung 31 durch das erste Endelement 41 hindurchgeführt. Der in 1 rechts dargestellte Endbereich des ersten Leitungsteils ragt somit in den Vakuumraum V hinein. Die insgesamt notwendige mechanische Abstützung der Stromzuführung gegen die bei der Rotation auftretenden Fliehkräfte wird durch die Stützung des ersten Leitungsteils 11 mittels der Kunststoffhülse 21 an das Endelemente 41, sowie durch die im Folgenden beschriebene Einbettung bzw. Abstützung der zweiten und dritten Leitungsteile 12 und 13 erreicht.
Im Beispiel der 1 sind auch die dritten Leitungsteile 13 von einer jeweils zugeordneten Kunststoffhülse 23 umgeben. Durch diese Kunststoffhülsen 23 sind sie elektrisch und thermisch gegen den umgebenden warmen Rotorwellenteil 43 isoliert. Im rechts dargestellten axialen Endbereich der Kunststoffhülse 23 ist der verbleibende Spalt zwischen dem dritten Leitungsteil 13 und dem warmen Rotorwellenteil 43 durch eine Vergussmasse 51 aufgefüllt. Hierdurch ist in diesem axialen Endbereich eine vakuumdichte Abdichtung der Stromzuführung 7 gegen den warmen Rotorwellenteil 43 gewährleistet.
Die innenliegenden zweiten Leitungsteile 12 sind beim Beispiel der 1 teilweise freitragend (also nur vom Vakuumraum V umgeben) und teilweise von einem gemeinsamen Stützelement 50 umgeben. Dieses gemeinsame Stützelement 50 ist mechanisch gegen den warmen Rotorwellenteil 43 abgestützt. Das gemeinsame Stützelement 50 ist hier ein scheibenförmiges Kunststoffelement, welches mehrere durchgehende Bohrungen für die einzelnen zweiten Leitungsteile 12 aufweist. Durch diese Art der mechanischen Abstützung können auch die zweiten Leitungsteile 12 vor Beschädigungen durch die bei der Rotation auftretenden Fliehkräfte geschützt werden. Somit werden durch die Stromzuführungen 7 des ersten Ausführungsbeispiels alle wichtigen Anforderungen gleichzeitig erfüllt, nämlich ein geringer Wärmeeintrag, eine hohe Stromtragfähigkeit und eine Robustheit gegenüber mechanischen Belastungen bei hohen Drehzahlen.
In 3 ist ein etwas größerer Ausschnitt des Rotors nach dem Ausführungsbeispiel der 1 gezeigt. So ist im linken Bereich der Zeichnung ein etwas größerer Bereich des kryogenen Rotorwellenteils 40 gezeigt. In diesem Bereich ist nur äußerst schematisch eine supraleitende Spulenwicklung 5 wiedergegeben, welche beispielsweise als flache Rennbahnspule geformt sein kann. Die hier dargestellte Form, Größe und Orientierung der Spule entspricht jedoch nicht den tatsächlichen Verhältnissen, sondern soll nur anschaulich machen, dass die ersten Leitungsteile 11 der einzelnen Stromzuführungen 7 überhaupt mit einer Spulenwicklung 5 elektrisch verbunden sind und dass diese im kryogenen Bereich des Rotors angeordnet ist. Insgesamt soll der Rotor 1 hier also eine supraleitende Spuleneinrichtung 3 umfassen, welche ihrerseits ein oder mehrere supraleitende Spulenwicklungen 5 und eine Mehrzahl von Stromzuführungen 7 aufweist. Weiterhin ist in 3 der gezeigte Ausschnitt in radialer Richtung vergrößert, sodass hier auch ein radial weiter außenliegender Wellenbalg 45 dargestellt ist.
4 zeigt einen Teilbereich eines Rotors 1 nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung. Hierbei ist eine ähnliche schematische Schnittdarstellung gewählt und ein ähnlicher Ausschnitt wie im oberen Bereich der 1. Insgesamt ist der Rotor ähnlich aufgebaut wie beim ersten Ausführungsbeispiel. Die Stromzuführungen 7 sind jedoch im Detail etwas unterschiedlich ausgestaltet. Der erste Leitungsteil 11 ist dabei im Wesentlichen analog zum ersten Ausführungsbeispiel aufgebaut und mittels einer Keramikdurchführung 31 durch das erste Endelement 41 hindurchgeführt. Der zweite Leitungsteil 12 weist eine noch wesentlich geringere Querschnittsfläche auf als beim ersten Ausführungsbeispiel. Auch hier liegt der zweite Leitungsteil 12 vollständig innerhalb des axialen Bereichs des Vakuumraums V. Im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel ist hier jedoch der zweite Leitungsteil nicht in direktem mechanischen Kontakt mit einem Stützelement, sondern er ist vollständig freitragend ausgeführt. Der zweite Leitungsteil 12 ist also auf seiner gesamten Länge nur vom Vakuumraum umgeben und mit keinem anderen Element in Kontakt. Um trotzdem eine ausreichende mechanische Abstützung der Stromzuführung gewährleisten zu können, ist stattdessen der erste Leitungsteil 11 zum Teil direkt und zum Teil über die ihn umgebenden Hülsen 21 und 31 in ein elektrisch und thermisch isolierendes Stützelement 50 eingebettet. Auch hier ist dieses Stützelement 50 als gemeinsames Stützelement ausgebildet, welche die entsprechenden Bestandteile von mehreren Stromzuführungen 7 gegen den warmen Rotorwellenteil 43 abstützt. Dieses übergeordnete Stützelement weist im rechten Teil der 4 ein scheibenförmigen Basiselement auf, von welchem aus sich auf der linken Seite mehrere hülsenartige Fortsätze erstrecken. Diese hülsenartigen Fortsätze dienen wie oben beschrieben zur mechanischen Stützung der entsprechenden dritten Leitungsteile 13 der einzelnen Stromzuführungen 7.
Ein weiterer Unterschied des zweiten Ausführungsbeispiels zum ersten liegt in der Dimensionierung und der Abstützung der dritten Leitungsteile 13. Im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel sind die dritten Leitungsteile hier mit einem etwas geringeren Querschnitt ausgebildet, sodass ihre Querschnittsfläche in etwa gleich mit den ersten Leitungsteilen 11 ist. Der Durchmesser der dritten Leitungsteile 13 ist jedoch deutlich geringer als der Durchmesser der entsprechenden Bohrung in dem warmen Rotorwellenteil 43. Der mechanische Kontakt zwischen dem dritten Leitungsteil und dem warmen Rotorwellenteil 43 wird hier entsprechend wiederum durch eine Kunststoffhülse 23 vermittelt. Der zu überbrückende Abstand ist jedoch hier wesentlich größer als beim ersten Ausführungsbeispiel. Die Kunststoffhülse 23 überbrückt diesen Abstand jedoch nicht auf der gesamten axialen Länge, sondern nur an einzelnen axialen Kontaktstellen 24. Beispielhaft sind in 4 vier solche axialen Kontaktstellen 24 gezeigt. Ihre tatsächliche Anzahl kann jedoch auch größer oder kleiner sein.
Um die Ausgestaltung der Kunststoffhülse 23 näher zu verdeutlichen, zeigt 5 beispielhaft eine Querschnittsdarstellung einer solchen Kunststoffhülse 23 im Bereich einer ihrer Kontaktstellen 24. Die Kunststoffhülse 23 weist eine vergleichsweise dünne Innenhülse 53 auf. Die Dicke dieser Innenhülse 53 ist insbesondere deutlich geringer als der zwischen dem dritten Leitungsteil 13 und dem warmen Rotorwellenteil 43 zu überbrückende Abstand. Um diesen Abstand zumindest punktuell zu überbrücken und einen mechanischen Kontakt zu vermitteln, weist die Kunststoffhülse 23 im Bereich der Kontaktstellen 24 eine lokale Verdickung 55 auf. Beim Beispiel der 5 ist diese lokale Verdickung 55 nicht umlaufend, sondern sie beschränkt sich auf drei über den Umfang verteilte Stützrippen. Alternativ ist es jedoch auch möglich und unter Umständen vorteilhaft, wenn sich die lokale Verdickung über den gesamten Umfang der Stützhülse erstreckt. Allgemein und unabhängig von der genauen Ausgestaltung der Kunststoffhülse 23 kann eine Formgebung zur punktuellen Abstützung dadurch erreicht werden, dass beispielsweise eine ursprüngliche Stützhülse mit einer einheitlichen dickeren Wandstärke in den Bereichen zwischen den Kontaktstellen 24 durch Abtragung von Material auf die dünnere Innenhülse 53 reduziert wird. Durch diese etwas komplexere Ausgestaltung der Kunststoffhülse 23 kann der Wärmeeintrag von dem warmen Rotorwellenteil 43 in den dritten Leitungsteil 13 noch wirksamer reduziert werden.
Bezugszeichenliste

1: Rotor
3: supraleitende Spuleneinrichtung
5: supraleitende Spulenwicklung
7: Stromzuführung
11: erster Leitungsteil
12: zweiter Leitungsteil
13: dritter Leitungsteil
21: Kunststoffhülse des ersten Leitungsteils
23: Kunststoffhülse des dritten Leitungsteils
24: Kontaktstelle
31: Keramikdurchführung
40: kryogener Rotorwellenteil
41: erstes Endelement
43: warmer Rotorwellenteil
45: Wellenbalg
50: Stützelement
51: Vergussmasse
53: Innenhülse
55: lokale Verdickung (Stützrippe)
61: axiale Position in mm
62: Temperatur in K
ΔT: Temperaturdifferenz
k: kryogener Bereich
l12: Länge des zweiten Leitungsteils
t: Übergangsbereich
V: Vakuumraum
w: warmer Bereich

Claims

Stromzuführung (7) für eine supraleitende Spuleneinrichtung (3) mit einer supraleitenden Spulenwicklung (5), - umfassend wenigstens einen ersten (11), einen zweiten (12) und einen dritten normalleitenden Leitungsteil (13), welche untereinander elektrisch in Serie geschaltet sind, - wobei der erste Leitungsteil (11) dazu ausgelegt ist, in einem kryogenen Bereich (k) der Spuleneinrichtung (3) mit der supraleitenden Spulenwicklung (5) verbunden zu werden, - wobei der dritte Leitungsteil (13) dazu ausgelegt ist, in einem vergleichsweise warmen Bereich (w) der Spuleneinrichtung mit einem äußeren Stromkreis verbunden zu werden, - wobei der zweite Leitungsteil (12) zwischen dem ersten (11) und dem dritten Leitungsteil (13) angeordnet ist, - und wobei der zweite Leitungsteil (12) eine Querschnittsfläche aufweist, welche geringer ist als die Querschnittsfläche des ersten Leitungsteils (11) und welche geringer ist als die Querschnittsfläche des dritten Leitungsteils (13) .
Stromzuführung (7) nach Anspruch 1, bei welcher das Verhältnis der Querschnittsfläche des ersten Leitungsteils (11) zur Querschnittsfläche des zweiten Leitungsteils (12) wenigstens 2:1 und insbesondere wenigstens 5:1 ist, und/oder bei welcher das Verhältnis der Querschnittsfläche des dritten Leitungsteils (13) zur Querschnittsfläche des zweiten Leitungsteils (12) wenigstens 2:1 und insbesondere wenigstens 5:1 ist.
Stromzuführung (7) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei welcher das Verhältnis der Länge des ersten Leitungsteils (11) zur Länge (l₁₂) des zweiten Leitungsteils (12) wenigstens 2:1 ist, und/oder bei welcher das Verhältnis der Länge des dritten Leitungsteils (13) zur Länge (l₁₂) des zweiten Leitungsteils (12) wenigstens 2:1 ist.
Stromzuführung (7) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher der erste Leitungsteil (11) und/oder der dritte Leitungsteil (13) von einer zylindrischen Kunststoffhülse (21, 23) umgeben ist.
Stromzuführung (7) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher der erste Leitungsteil (11) innerhalb einer Keramikdurchführung (31) geführt ist.
Supraleitende Spuleneinrichtung (3) mit einer supraleitenden Spulenwicklung (5) und wenigstens einer Stromzuführung (7) nach einem der Ansprüche 1 bis 5.
Rotor (1) für eine elektrische Maschine mit einer supraleitenden Spuleneinrichtung (3) nach Anspruch 6, wobei der Rotor (1) dazu ausgelegt ist, um eine Rotationsachse A drehbar gelagert zu werden.
Rotor (1) nach Anspruch 7, welcher einen kryogenen Rotorwellenteil (40) mit einem ersten Endelement (41) umfasst, - wobei der erste Leitungsteil (11) der wenigstens einen Stromzuführung (7) durch das erste Endelement (41) hindurchgeführt ist.
Rotor (1) nach Anspruch 8, welcher einen warmen Rotorwellenteil (43) umfasst, - wobei zumindest ein Teilbereich des zweiten Leitungsteils (12) zwischen dem ersten Endelement (41) des kryogenen Rotorwellenteils (40) und dem warmen Rotorwellenteil (43) angeordnet ist.
Rotor (1) nach Anspruch 9, bei welchem der warme Rotorwellenteil (43) von dem kryogenen Rotorwellenteil (40) durch einen Vakuumraum (V) getrennt ist, - wobei die wenigstens eine Stromzuführung (7) derart durch den Vakuumraum (V) hindurchgeführt ist, dass sich zumindest ein Teilbereich des zweiten Leitungsteils (12) innerhalb des Vakuumraums (V) befindet.
Rotor (1) nach Anspruch 10, bei welchem der Vakuumraum (V) in axialer Richtung auf der kryogenen Seite (k) von dem ersten Endelement (41) des Rotorwellenteils (40) und auf der warmen Seite (w) von dem warmen Rotorwellenteil (43) begrenzt wird, - wobei der Vakuumraum (V) derart ausgestaltet ist, dass das erste Endelement (41) und das warme Rotorwellenteil (43) in axialer Richtung gegeneinander verschiebbar sind.
Rotor (1) nach einem der Ansprüche 9 bis 11, bei welchem die Stromzuführung (7) derart durch den warmen Rotorwellenteil (43) hindurchgeführt ist, dass sich zumindest ein Teilbereich des dritten Leitungsteils (13) durch den warmen Rotorwellenteil (43) erstreckt.
Rotor (1) nach Anspruch 12, welcher axial zwischen dem warmen Rotorwellenteil (43) und dem ersten Endelement (41) ein Stützelement (50) aufweist, welches zumindest einen Teilbereich des zweiten Leitungsteils (12) der wenigstens einen Stromzuführung (7) umgibt und diesen mechanisch gegen den warmen Rotorwellenteil (43) abstützt.
Rotor (1) nach Anspruch 13, welcher mehrere Stromzuführungen (7) aufweist, welche um die Rotationsachse (A) herum verteilt angeordnet sind, wobei das Stützelement (50) zur gemeinsamen Abstützung der ersten Leitungsteile (11) und/oder der zweiten Leitungsteile (12) der einzelnen Stromzuführungen (7) gegen den warmen Rotorwellenteil (43) ausgelegt ist.
Rotor (1) nach einem der Ansprüche 9 bis 14, bei welchem der dritte Leitungsteil (13) der wenigstens einen Stromzuführung (7) von einer Kunststoffhülse (23) umgeben ist, welche derart in das warme Rotorwellenteil (43) eingebettet ist, dass die Kunststoffhülse (23) nur an einzelnen Kontaktstellen (24) mit dem warmen Rotorwellenteil (43) in mechanischem Kontakt ist, während die Kunststoffhülse (23) in den Bereichen zwischen den Kontaktstellen (24) radial von dem warmen Rotorwellenteil (43) beabstandet ist.