DE10250200A1

DE10250200A1 - Ladegenerator für Gleichstrom-Bordnetze von Wasser-, Land- und Luftfahrzeugen, insbesondere von Unterwasserschiffen

Info

Publication number: DE10250200A1
Application number: DE10250200A
Authority: DE
Inventors: Bernd Wacker
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2002-10-28
Filing date: 2002-10-28
Publication date: 2004-05-13

Abstract

Ladegenerator für Gleichstrom-Bordnetze von Wasser-, Land- und Luftfahrzeugen, insbesondere von Unterwasserschiffen, mit einem über ein Antriebsmittel rotierend antreibbaren Polrad mit einer erregbaren Polradwicklung mit mindestens zwei Polen und einem das Polrad umgreifenden Ständer mit mindestens einer Ständerwicklung, an der eine induzierte Spannung abgreifbar ist, wobei die Polradwicklung (3, 50) aus Leitern aus einem Hochtemperatur-Supraleiter-Material besteht, und dass ein Kryostat (14, 52) zum Kühlen der Polradwicklung (3, 50) vorgesehen ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Ladegenerator für Gleichstrom-Bordnetze von Wasser-, Land- und Luftfahrzeugen, insbesondere von Unterwasserschiffen, mit einem über ein Antriebsmittel rotierend antreibbaren Polrad mit einer erregbaren Polradwicklung mit mindestens zwei Polen und einem das Polrad umgreifenden Ständer mit mindestens einer Ständerwicklung, an der eine induzierte Spannung abgreifbar ist.
Gleichstrom-Bordnetze kommen primär bei Unterwasserschiffen oder Kampfflugzeugen zum Einsatz. Bei Unterwasserschiffen beispielsweise werden die Ladegeneratoren von Dieselaggregaten angetrieben und speisen die elektrischen Antriebsmotoren des Unterwasserschiffs und laden die Batterien. Unerwünscht sind bei Anwendungen in Unterwasserschiffen Verlustleistungen. Insbesondere bei Kampfschiffen sind Geräusche und andere EMV-Signaturen unerwünscht, weiterhin treten hohe Anforderungen an Schock- und Vibrationssicherheit auf.
Bekannte Ladegeneratoren in Form von Innenpolmaschinen, wie sie oben definiert sind, sind konventionelle Synchrongeneratoren mit Gleichrichtung der Drehspannung. Sie weisen eine Polwicklung aus Kupferleitern auf, die von Ständerwicklungen, die in Eisennuten gehalten sind, umgeben sind. Die Eisennuten sind zur Flussführung zwingend notwendig. Zwischen dem rotierenden Polrad und dem Ständer ist ein möglichst klein zu haltender Luftspalt vorgesehen, um die vom Polrad, das über eine geeignete Erregermaschine erregt wird, erzeugte geringe Luftspaltinduktion in die Ständerwicklungen von höchstens 1,2 T höchstmöglich ausnutzen zu können. Je größer der Luftspalt desto geringer die Induktion an der Ständerwicklung und damit die abgreifbare Drehspannung. Die Kühlung des Polrades wie auch des Ständers erfolgt über ein auf der gleichen Welle wie die Polwicklungen angeordnetes Lüfterrad, wobei diese Welle über einen Antrieb, z.B. ein Dieselaggregat betrieben wird.
Ein solcher bekannter Ladegenerator weist jedoch eine Reihe von Nachteilen auf. Wegen der notwendigen Ständereisennuten ist der Ständerfüllfaktor für das Kupfer der Ständerwicklung(en) begrenzt, weshalb der Leiterquerschnitt nur ganz bedingt erhöhbar und die P-Cu-Verluste bei auftretenden hohen Strömen von mehreren hundert Ampere erheblich sind. Die Anforderungen an die Lagerung des Rotors sind sehr hoch, da er einer hinreichenden Schockbeanspruchung standhalten muss, wobei sich hier insbesondere auch der sehr schmale Luftspalt nachteilig auswirkt, da Polrad und Ständer nur minimal voneinander beabstandet sind. Ferner kühlt das Lüfterrad im Wesentlichen nur das Polrad sowie die Wickelköpfe der Ständerwicklung, weil die Ständerwicklung wegen der einschließenden Eisennuten über die zugeführte Luft, die dort nicht oder nur kaum vorbeiströmt, praktisch nur durch Wärmeleitung durch das Eisen gekühlt werden kann. Das heißt die Kühlung insbesondere des Ständers ist sehr gering. Die Entwärmung der Ständerwicklung kann im Wesentlichen nur durch Wärmeleitung durch das Eisen erfolgen, wobei aber im Eisen selbst hierdurch hervorgerufen Einsenverluste auftreten. Nachteilig ist ferner die relativ geringe Überlastfähigkeit der Maschine, die infolge der starken Ständererwärmung nur ca. 50 % für eine Minute beträgt.
Bedingt durch die Eisennuten ergeben sich im Betrieb darüber hinaus auch höhere Harmonische, die wegen inhomogener Geometrie der Flussführung im Eisen hervorgerufen werden. Diese werden unter anderem hervorgerufen durch Wirbelströme im Bereich der Nuten, die wiederum zu hohen Verlusten führen und ein Vibrieren der Eisenständernuten wegen der auftretenden elektromagnetischen Kräfte hervorrufen. Hiermit sind erhebliche Geräusche verbunden, die insbesondere im Unterwasserschiff störend sind.
Nachteilig ist letztlich auch das relativ hohe Gewicht und die Größe des Ladegenerators, der hinsichtlich des Polrads und des Ständers relativ groß auszuführen ist, um unter den gegebenen Umständen die Maschine bestmöglich ausnutzen zu können.

Der Erfindung liegt damit das Problem zugrunde, einen Ladegenerator anzugeben, der gegenüber einem bekannten Ladegenerator verbessert ist.

Zur Lösung des Problems ist bei einem Ladegenerator für Gleichstrom-Bordnetze insbesondere von Unterwasserschiffen erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Polradwicklung aus Leitern aus einem Hochtemperatur-Supraleiter-Material gewickelt ist, und dass ein Kryostat zum Kühlen der Polradwicklung vorgesehen ist.

Das grundlegende erfindungsgemäße Prinzip ist die Anwendung von Hochtemperatur-Supraleitern für die Polwicklung. Hierdurch wird die Luftspaltinduktion erheblich erhöht, da über die Supraleiterwicklungen deutlich höhere Felder von z.B. 2T bis 4T induziert werden können. Die hohen erzeugbaren Felder ermöglichen es, zum einen den Luftspalt deutlich größer auszuführen, so dass die Auswirkungen durch etwaige Schockbeanspruchungen (Durchbiegung, Torsion, Lagerabnutzung etc.) deutlich geringer sind. Ein besonderer Vorteil liegt zum anderen darin, dass auf Eisennuten im Ständer verzichtet werden kann, da auf Grund der sehr hohen Luftspaltinduktion hinreichend hohe Spannungen abgegriffen werden können. Durch den Verzicht auf die Eisennuten entfallen damit sämtliche hierüber verursachten Nachteile wie die relativ hohen Wirbelstromverluste, das Vibrieren und die damit verbundene Geräuscherzeugung etc. Die erzeugte Spannung ist nahezu sinusförmig, da fast keine höheren Harmonischen im Ständer mehr induziert werden und der Klirrfaktor infolgedessen extrem reduziert ist. Wegen der kleinen Reaktanz arbeitet die Maschine äußerst stabil. Die Begrenzung im Generatorleistungsdiagramm ergibt sich praktisch nur noch durch den Ständerstrom, wobei der Spannungsabfall sich bei verschiedenen Strömen beziehungsweise Belastungen kaum ändert.

Wegen des Wegfalls des Eisens können bei gleicher Baugröße im Verhältnis zu einer konventionellen Maschine deutlich mehr Kupferleiter eingebaut werden, das heißt der Füllfaktor kann deutlich erhöht werden. Durch höheren Cu-Querschnitt können die Cu-Verluste sehr niedrig ausfallen. Die Erregerleistung am Polrad ist nahezu vernachlässigbar, da die supraleitende Wicklung nahezu keinen ohmschen Widerstand aufweist. Die Ei- senverluste sinken eklatant, da nur noch ein Eisenjoch als magnetischer Rückschluss am Ständer vorzusehen ist.

Ein weiterer beachtlicher Vorteil, der aus der Möglichkeit der Vergrößerung des Luftspalts resultiert, ist, dass eine wesentlich bessere Kühlung des Ständers möglich ist. Das Porad ist über den Kryostaten ohnehin gekühlt, der Ständer kann nun über seine gesamte Länge über den Lüfter, der quasi die einzige Geräuschquelle ist, hinreichend gekühlt werden. Dies ist insbesondere hinsichtlich einer deutlichen Verlängerung der Überlastbarkeit des Ladegenerators von Vorteil, da die Wechselstromwicklung im Ständer durch forcierte Kühlung über den Lüfter gekühlt werden kann. Die Überlastbarkeit von 50 kann z.B. auf ca. 15 Minuten verlängert werden, ohne dass mit einer übermäßigen Alterung der Isolation der Ständerwicklung zu rechnen ist.

Insgesamt kann die Maschine erheblich besser ausgenutzt werden, weshalb sie auch deutlich kleiner und leichter gebaut werden kann, insbesondere auf Grund des Wegfalls des Ständereisens.

Der Kryostat kann erfindungsgemäß einen isolierenden zylindrischen Behälter aufweisen, in dem das Polrad aufgenommen ist, der mit dem Polrad rotiert und dessen zylindrische Außenwand im Luftspalt zum Ständer liegt. Die Integration des Polrads in den zylindrischen Kryostaten, der mit dem Polrad dreht, wird durch die Machbarkeit der Vergrößerung des Luftspalts ermöglicht, da die Kryostataußenwand im vergrößerten Luftspalt liegen kann und in diesem dreht. Der Kryostatbehälter bildet eine Vakuum-Isolationskammer um das Polrad mit einer zusätzlichen Superisolation innerhalb der Vakuumisolationskammer, worüber eine hinreichende Isolation des Polrads zum sich erwärmenden Ständer erreicht wird und das Polrad über ein geeignetes kryogenes Kältemittel von innen her gekühlt werden kann, so dass der supraleitende Zustand aufrechterhalten werden kann. Als Supraleiter werden dabei zweckmäßigerweise Yttrium-Barium-Kupfer-Oxyd (YBaCuO)-Supraleiter oder sogenannte Wismut-Bandleiter verwendet. Zur Kühlung kommen zweckmäßigerweise Neon, Wasserstoff, Sauerstoff oder Stickstoff in kryogener Form zum Einsatz, die bevorzugte kryogene Temperatur liegt zwischen 15 und 77 K.

Wie bereits beschrieben wird die Ständerwicklung zweckmäßigerweise über ein zusammen mit dem Polrad angetriebenes Lüfterrad gekühlt, das für eine hinreichende Kühlluftzufuhr sorgt. Weiterhin ist es zweckmäßig, wenn gegebenenfalls zusätzlich eine Wasserrückkühleinrichtung für die Kühlluft der Ständerwicklung vorgesehen ist. Je nach Einsatzzweck kann die Wasserkühlung unterschiedlich konfiguriert sein. Nachdem der erfindungsgemäße Ladegenerator primär für den Einsatz in einem Unterwasserschiff vorgesehen ist, bietet sich die Möglichkeit an, die Wasserrückkühleinrichtung an ein Seewasserkühlsystem anzuschließen. Auch besteht die Möglichkeit, die Wasserrückkühleinrichtung an ein Zwischenkühlwassersystem, also einen schiffsinternen Kühlwasserkreislauf, anzuschließen.

Neben der beschriebenen Ausführungsform, bei der lediglich die Polradwicklungen des wenigstens zwei Pole aufweisenden Polrads (es sind vorzugsweise auch höherpolige Ausführungen mit 8, 10 oder 12 Polen einsetzbar) aus supraleitendem Material ist, besteht in Weiterbildung der Erfindung die Möglich keit, auch die Ständerwicklung aus Leitern aus Hochtemperatur-Supraleiter-Material zu bilden, wobei auch hier ein Kryostat zum Kühlen der Ständerwicklung vorgesehen ist. Als Supraleitermaterial kann das bereits beschriebene YBaCuO-Material oder aber Wismut-Supraleiter in Form von Bändern (sogenannte Wismut-Bandleiter) verwendet werden. Bei dieser Erfindungsausgestaltung sind also sowohl Polrad- als auch Ständerwicklungen supraleitend, worüber sich eine nicht unbeachtliche Verbesserung des Wirkungsgrades erzielen lässt. Dabei können dem Polrad und dem Ständer separate Kryostaten zugeordnet sein, die gegebenenfalls das Polrad und den Ständer auf unterschiedliche Temperatur kühlen. Daneben kann natürlich Polrad und Ständer ein gemeinsamer Kryostat zugeordnet sein, das heißt sie sind in einem gemeinsamen isolierenden Gehäuse aufgenommen und können über das Kältemittel auf eine gemeinsame Temperatur gekühlt werden.

Nachdem ständerseitig keine Eisennuten beziehungsweise kein Eisenträger mehr vorgesehen ist besteht nunmehr zweckmäßigerweise die Möglichkeit, die Ständerwicklung als Luftspaltwicklung auszuführen. Das heißt eine Ständerwicklung gleich aus welchem Material (Cu, wenn nur die Polradwicklungen aus supraleitendem Material sind, oder aus supraleitenden Bandleitern, wenn Polrad- und Ständerwicklungen aus supraleitendem Material sind) ist als Luftspaltwicklung ausgeführt. Nachdem kein Eisen mehr benötigt wird, ist es möglich, die Ständerwicklung in einem aus beliebigem, geeignetem nicht metallischem Material ausgeführten Käfig oder Halter aufzunehmen. Zweckmäßig ist hier ein Käfig aus glasfaserverstärktem Kunststoff, beziehungsweise anderem schlecht elektrisch leitfähigem Material.

Weiterhin kann vorgesehen sein, dass die Ständerwicklung, ausgeführt als Luftspaltwicklung, von mindestens einem Drehstromsystem gebildet ist. Ein solches phasenversetztes Drehstromsystem umfasst drei isoliert am Stator angeordnete Wicklungen, über die phasenversetzt die induzierte Spannung abge griffen werden kann. Es ist auch denkbar, zwei solche Systeme anzuordnen, von denen dann eines beispielsweise in Stern- und das andere in Dreieck-Konfiguration geschaltet sein kann, auch können beide sternförmig geschaltet sein. Die einzelnen Systeme sind dann um 60° versetzt zueinander, liefern also eine um 60° versetzte Spannung, was hinsichtlich einer verbesserten Welligkeit zweckmäßig ist. Jedes der beiden Drehstromsysteme hat ein eigenes Gleichrichtersystem, die für den Anschluss an den Verbraucher zusammengeführt werden. Sofern das Platzangebot ausreichend ist ist es also zweckmäßig, zwei derartige Drehstromsysteme vorzusehen, um eine 12-Pulsigkeit zu erreichen, gleichermaßen dienlich ist jedoch auch nur ein Drehstromsystem, um eine 6-Pulsigkeit zu erreichen.

Das Polrad selbst ist zweckmäßigerweise auf einer hohlzylindrischen Welle angeordnet, durch die die Zufuhr von kryogenem Kältemittel über einen Kaltkopf erfolgt, worüber das Polrad von innen her gekühlt wird, wobei die Welle über eine die Rotation ermöglichende Dichtung mit dem Kaltkopf gekoppelt ist. Als eine solche Dichtung wird zweckmäßigerweise eine Fluiddichtung verwendet, die eine Rotation der Polwelle bezüglich der stehenden Kältemittelzufuhrleitung bei gleichzeitiger Dichtheit ermöglicht. Das kryogene Kältemittel, also z.B. flüssiger Wasserstoff, wird über die hohlzylindrische Welle in den Polradbereich geführt, dort verdampft und über einen Rückführkanal wieder zum Kaltkopf zurückgeführt.

Neben dem beschriebenen Ladegenerator vom Innenpoltyp betrifft die Erfindung ferner einen Ladegenerator vom Außenpoltyp für Gleichstrom-Bordnetze von Wasser-, Land- und Luftfahrzeugen, insbesondere von Unterwasserschiffen, mit einem über ein Antriebsmittel rotierend antreibbaren Anker mit einer Ankerwicklung und einem den Anker umgreifenden Ständer mit mindestens zwei Polwicklungen, wobei am Anker eine induzierte Spannung abgreifbar ist. Dieser erfindungsgemäße Ladegenerator zeichnet sich dadurch aus, dass die Polwicklungen im Ständer aus Leitern aus einem Hochtemperatur-Supraleiter- Material gewickelt sind, und dass ein Kryostat zum Kühlen der Ständerwicklung vorgesehen ist. Hier ist also eine Außenpolmaschine beschrieben, bei der die außenseitige Ständerwicklung aus supraleitendem Material gebildet ist, wozu zweckmäßigerweise ein Kryostat umfassend einen zylindrischen Behältervorgesehen ist, in dem die Polwicklungen aufgenommen sind, und dessen zylindrische Innenwand im Luftspalt zum Anker liegt. Die aus der Verwendung des supraleitenden Materials zur Bildung der Ständerwicklungen eingangs beschriebenen resultierenden Vorteile sind weitestgehend auch bei der Außenpolmaschine gegeben, insbesondere betreffend die Möglichkeit zur deutlichen Vergrößerung des Luftspalts, woraus die Möglichkeit zur Anordnung der Behälterinnenwand im Luftspalt resultiert. Auch hier bildet der Kryostatbehälter eine Vakuum-Isolationskammer um den Ständer.

Anders als bei der Innenpolmaschine erfolgt hier erfindungsgemäß die Kühlung der Ankerwicklung über ein zusammen mit dem Anker angetriebenes Lüfterrad, auch hier besteht auf Grund der Größe des Luftspalts hinreichend Raum, die Kühlluft am Anker vorbeizuführen.

Schließlich kann auch hier gegebenenfalls zusätzlich eine Wasserkühlung für die Kühlluft der Ankerwicklung vorgesehen sein, die an einem Zwischenkühlwasserkreislauf oder an eine Seewasserkühlung angeschlossen werden kann.

Wie auch bei der Innenpolmaschine kann auch bei der Außenpolmaschine neben der Ständerwicklung auch die Ankerwicklung aus Hochtemperatur-Supraleiter-Leitern bestehen, wobei ein Kryostat zum Kühlen der Ankerwicklung vorgesehen ist. Es kann ein separater Kryostat sein, alternativ können auch Anker- und Ständerwicklung über einen gemeinsamen Kryostaten gekühlt werden. Die Ankerwicklung kann als Luftspaltwicklung ausgeführt sein.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:
1 eine Prinzipdarstellung im Schnitt durch einen Ladegenerator in Form einer Innenpolmaschine einer ersten Ausführungsform,
2 eine Querschnittdarstellung durch den Ladegenerator aus 1,
3 eine Prinzipskizze hinsichtlich der grundlegenden Verschaltung des Ladegenerators aus 1,
4 eine erfindungsgemäße Ausführungsform eines Ladegenerators als Außenpolmaschine im Längsschnitt,
5 einen Querschnitt durch den Ladegenerator aus 4, und
6 einen Querschnitt durch einen Ladegenerator einer dritten Ausführungsform, bei der sowohl die Polradals auch die Ständerwicklung aus supraleitendem Material ist, die in einem gemeinsamen Kryostatbehälter angeordnet sind.
1 zeigt in Form einer Prinzipskizze einen erfindungsgemäßen Ladegenerator 1. Der Ladegenerator 1 ist als Innenpolmaschine ausgeführt. Er weist ein Polrad 2 mit einer Polradwicklung 3 aus supraleitendem Material auf, wobei die Polradwicklung 3 auf den Polkern 4 aufgebracht ist. Vorzugshalber ist eine höherpolige Ausführung als 2 mit z.B. 8, 10 oder 12 Polen zu wählen, um eine geringe Welligkeit in der Gleichspannung zu erreichen. Ferner ist ein feststehender Ständer 5 vorgesehen, bestehend aus einer Ständerwicklung 6, vorzugsweise aus Cu-Leitern sowie einem Ständerjoch 7 aus Eisen.
Nachdem die Polwicklung 3 aus supraleitendem Material ist muss sie gekühlt werden, wozu ein Kaltkopf 8 vorgesehen ist, über den kryogenes Kältemittel, z.B. flüssiges Neon, flüssiger Sauerstoff, Wasserstoff oder Stickstoff, über eine Zufuhrleitung 9 zugeführt wird. Die Zufuhrleitung 9 kommuniziert – abgedichtet über eine Fluiddichtung 10 – mit der Polradwelle 11, die innen hohl ist und über die das Kältemittel in den Polkern 4 geführt wird. Über eine geeignete Rückführleitung fließt es auf dem selben Weg wieder zurück. Hierzu sind entsprechende Zu- und Rückführleitungen 12 vorgesehen.
Der Ständer 5 und das Polrad 2 sind über einen Luftspalt 13 voneinander beabstandet. Nachdem über die supraleitende Po1-radwicklung sehr hohe Magnetfelder erzeugt werden können, ist die Luftspaltinduktion im Ständer gegenüber bekannten Ladegeneratoren sehr hoch, sie liegt vornehmlich im Bereich zwischen 2T bis 4T. Dies ermöglicht es, den Luftspalt hinreichend groß auszuführen, so dass ein Kryostatbehälter 14, der eine im Wesentlichen zylindrische Form aufweist und in dem das Polrad 2 angeordnet ist, mit seiner Außenseite im Luftspalt 13 angeordnet und in diesem drehen kann. Der Kryostatbehälter 14 bildet eine Vakuum-Isolationskammer 15 um die supraleitende Polradwicklung 3 und isoliert so die auf Temperaturen im Bereich zwischen 15 und 77 K gekühlte Polradwicklung gegenüber der Umgebung. Der Kryostatbehälter 14, die Zufuhrleitung 9 und der Kaltkopf 8 bilden zusammen das Kryokühlsystem, über den die Polradwicklung 3 gekühlt wird. Der Kaltkopf 8 wird über einen nicht näher dargestellten Verdichter versorgt, welcher mit einem nicht näher beschriebenen Medium arbeitet.
Gezeigt sind ferner die Gleichrichter 16, über die die in der Ständerwicklung 6, die als einfache oder doppelte Drehstromwicklung ausgeführt ist, induzierte Spannung gleichgerichtet wird.
Der Antrieb des Polrads 2 erfolgt über eine zum Ladegenerator 1 externe Antriebsmaschine, im gezeigten Beispiel eine Verbrennungskraftmaschine (Dieselmotor) 17. Deren Abtriebswelle 18 ist in das Ladegeneratorgehäuse 19 geführt und mit dem Kryostatbehälter 14 über ein thermisch nicht leitendes Drehmomentübertragungselement 20 verbunden. Auf der Abtriebswelle 18 sitzt ferner ein Lüfterrad 21, über das die Kühlung des Ständers 5 erfolgt: Die Luft zirkuliert um den Ständer 5 beziehungsweise zieht an diesem vorbei und nimmt so die im Ständer erzeugte Stromwärme mit.
1 zeigt ferner zwei Lager 22, 23, über die die Polradwelle 11 beziehungsweise die Abtriebswelle 18 gelagert sind. Bei den Lagern 22, 23 handelt es sich vorzugsweise um supraleitende Magnetlager, wobei deren zugehörige Kaltköpfe nicht näher gezeigt sind. Alternativ kann jedoch Lager 23 entfallen, wenn der Ladegenerator 1 direkt an die Antriebsmaschine 17 angeflauscht wird.
Schließlich zeigt 1 noch zwei Schleifringe 24 mit Bürsten zur Versorgung mit einer externen Stromquelle. Über die Schleifringe erfolgt die Erregung der Polradwicklung 3, was hinreichend bekannt ist.
2 zeigt den Ladegenerator 1 aus 1 im Schnitt. Gezeigt ist der Polkern 4 sowie die Polradwicklung 3. Die Polradwicklung 3 ist von der Innenwand 25 des Kryostatbehälters 14 umgeben, die wiederum beabstandet zur Außenwand 26 des Kryostatbehälters 14 liegt. Zwischen beiden befindet sich die Vakuumkammer 15. Gezeigt ist ferner der Luftspalt 13, in dem die Kryostataußenwand 26 angeordnet ist, sowie die Ständerwicklung 6 und das Ständerjoch 7.
Die Ständerwicklung 6 ist in einem nicht näher gezeigten Käfig aus nichtmetallischem Material, vornehmlich aus glasfaserverstärktem Kunststoff, aufgenommen. Der Umstand, dass auf Grund der Verwendung supraleitender Polwicklungen eine sehr hohe Luftspaltinduktion im Ständer erreicht wird, ermöglicht es, auf die bei bekannten Ladegeneratoren benötigten Eisennuten, die zur Rückführung des Magnetflusses dienen und die Ständerwicklungen in sich aufnahmen, verzichtet werden kann. Die Ständerwicklungen des einen oder der mehreren, jeweils gleichgerichteten Drehstromsysteme (die mehreren Drehstromsysteme ergeben eine Höherpulsigkeit) sind als sogenannte Luftspaltwicklungen ausgeführt, die wie beschrieben im nichtmetallischem Käfig gehaltert sind und lediglich noch von dem Ständerjoch 7, bestehend aus einer Vielzahl hintereinander geordneter Ringscheiben, umgeben sind.
Im Vergleich zu bekannten Ladegeneratoren ist auf Grund der erfindungsgemäßen Ausgestaltung eine Verbesserung des Wirkungsgrads um mehr als 4 % beziehungsweise eine Verringerung der Verluste um mehr als 50 % sowie eine Verkleinerung der Masse ebenfalls um mehr als 50 % und eine Verkleinerung des Volumens um mehr als 30 % möglich, was insbesondere bei einer Verwendung des Ladegenerators in Unterwasserschiffen sehr von Vorteil ist, da dort ein extrem geringes Platzangebot gegeben ist. Auch kann die Geräuscherzeugung deutlich verringert werden, etwaige EMV-Signaturen, die primär auf die Verwendung der Eisennuten zurückzuführen sind, entfallen.
3 zeigt in Form einer Prinzipskizze den schaltungstechnischen Grundaufbau des Ladegenerators aus 1. Gezeigt ist die Polradwicklung 3 sowie als einfaches Drehstromsystem die Ständerwicklung 6 bestehend aus drei separaten Einzelwicklungen 27, beschaltet mit einer 6-Puls-Gleichrichterschaltung. Es können auch mehrere Drehstromsysteme unabhängig voneinander über eine n x Sechs-Puls-Brückenschaltung (z.B. zwei Drehstromsysteme mit 12-Puls-Gleichrichterschaltung), wobei jeder Strang z.B. abgesichert ist durch Sicherungen auf die Gleichspannungsschiene, dargestellt mit + beziehungsweise –, speisen. Die einzelnen Wicklungen des Drehstromsystems 6 werden über geeignete Gleichrichterventile 28 abgegriffen. Die Polwicklung wird entweder über die bereits beschriebenen Schleifringe 24 durch eine externe Gleichstromquelle versorgt, alternativ ist es auch denkbar, eine auf der Polradwelle 11 angeordnete, mit dieser rotierende Erregermaschine vorzusehen.
4 zeigt eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform eines Ladegenerators 29. Dieser ist als Außenpolmaschine ausgeführt. Vorgesehen ist ein Ständer 30, umfassend ein Ständerjoch 31 sowie eine Ständerwicklung 32, wobei bei dieser Ausführungsform die Ständerwicklung 32 die Polwicklung ist und aus Hochtemperatur-Supraleiter-Material besteht. Der komplette Ständer 30 ist auch hier in einem Kryostatbehälter 33, der hier als hohler Ring ausgeführt ist, aufgenommen. Der Kryostatbehälter bildet zwischen seiner Außenseite 34, die weiter innen im Luftspalt 35 liegt, und der Kryostatinnenwand 36, die im Wesentlichen unmittelbar am Ständer 30 anliegt, eine Vakuum-Isolationskammer 37, über die der Ständer 30 gegenüber der Umgebung isoliert wird. über einen Kaltkopf 38 erfolgt auch hier die Zufuhr von Kältemittel über eine Zufuhrleitung 39, wobei die Konfiguration hier einfacher ausgeführt ist als die Ausführungsform gemäß 1, da der Ständer steht, mithin also keine Übergangsstelle zwischen rotierendem Leitungsabschnitt und feststehendem Leitungsabschnitt vorgesehen werden muss.
Im Inneren des Ständers ist ein Anker 40 mit einer Ankerwicklung 41 rotierend aufgenommen, der Anker 40 befindet sich auf einer geeigneten Welle 42, die über eine Antriebsmaschine 43, auch hier z.B. einen Verbrennungsmotor, angetrieben wird.
Hier ist eine einfache Verbindung zwischen der Abtriebswelle 44 der Antriebsmaschine 43 und der Ankerwelle 42 möglich, ein Drehmomentübertragungselement ist hier nicht erforderlich, da kein Kryostatbehälter um den Anker 40 vorgesehen ist. Die Kühlung erfolgt hier über ein Lüfterrad 45, das auf der Ankerwelle 42 angeordnet ist. Über einen Kommutator 46 mit Bürsten wird die im Anker 40 induzierte Spannung abgegriffen und ausgekoppelt. Weiterhin ist eine Kühleinrichtung 47 vor gesehen, die einen Anschluss an ein Wasserkühlsystem, z.B. das Seewasserkühlsystem oder einen schiffsinternen Zwischenkühlwasserkreislauf besitzt, und über welches die Kühlung des Ladegenerators 29 erfolgt. Eine solche Kühleinrichtung ist – siehe 1 – natürlich auch bei dem Ladegenerator 1 vorgesehen.
Der besondere Vorteil der supraleitenden Maschine mit Außenpolen (Hauptpole beziehungsweise Haupt- und Wendepole) besteht darin, dass der Kryostat stationär angeordnet werden kann sowie das rotierende Drehmomentübertragungselement gänzlich entfallen kann. Der Kryostatbehälter ist vorzugsweise als Ringkryostat, der die Haupt- und Wendepole beziehungsweise Hilfspole beinhaltet, welche alle supraleitend ausgeführt sind, ausgebildet. Der Rotor beziehungsweise Anker 40 kann ganz konventionell mit Cu-Leitern ausgeführt sein, wenn die magnetische Sättigung des Ankereisens gerade nicht erreicht wird. In einer besonderen Ausführungsform ist auch die Ankerwicklung eine Luftspaltwicklung, das heißt die Ankerleiter sind nicht in Eisennuten, sondern in einem nicht leitenden Material wie z.B. glasfaserverstärktem Kunststoff eingelegt. Dabei kann die magnetische Induktion deutlich erhöht werden, was die Konstruktion eines Käfigs für die Ankerleiter ermöglicht. Dieser offene Käfig lässt einen guten Luftstrom durch den rotierenden Anker zu, so dass eine hinreichende Kühlung über den Lüfter erreicht werden kann. Dies führt zu einer Erhöhung des Strombelags, welcher vorteilhaft zu einer weiteren Erhöhung der Leistungsdichte führt, wie auch die Machbarkeit der Erhöhung der magnetischen Induktion.
5 zeigt eine Schnittansicht durch den Ladegenerator 29 aus 4. Gezeigt ist die Ankerwelle 42 sowie die Ankerwicklung 41. Im Luftspalt 35 findet sich der erste „Kryostatabschnitt" bestehend aus der Kryostataußenwand 34 und der Kryostatinnenwand 36, zwischen denen die Vakuum-Isolationskammer 37 ausgebildet ist. Diese bewirken die Isolation des Ständers 30 nach innen. Der „Kryostataußenteil" wird durch die Kryostataußenwand 34, die gleichzeitig die Maschinenaußenseite bildet, und die Kryostatinnenwand 36 am Außenumfang des Ständers 30 gebildet. Gezeigt sind ferner die supraleitenden Polwicklungen 32 sowie das Eisenjoch 31. Diese sind über geeignete Kraftübertragungselemente 48 gegenüber dem „Kryostataußenteil" abgestützt. Die Kraftübertragungselemente sind zweckmäßigerweise schlecht wärmeleitfähig. Die Verbindungen der Kryostatinnen- und Kryostataußenwände erfolgt durch stirnseitige Doppelflanschverbindungen, über welche das Drehmoment beziehungsweise die Kräfte auf das bodenseitige Fundament übertragen werden können.
Schließlich zeigt 6 eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Ladegenerators 49. Dieser ist als Innenpolmaschine entsprechend der Ausführungsform gemäß 1 ausgebildet, über seinen grundsätzlichen Aufbau ist an dieser Stelle nichts Näheres zu erwähnen, hier wird auf die Ausführungsform in 1 verwiesen. Bei dieser Ausführungsform sind jedoch sowohl für die Polwicklung 50 als auch die Ständerwicklung 51 Supraleitermaterialien verwendet. Hier kommt lediglich ein gemeinsamer Kryostatbehälter 52 zum Einsatz, bestehend aus der Kryostataußenwand 53 und der Kryostatinnenwand 54, die zwischen sich eine Vakuum-Isolationskammer 55 bilden. Diese isoliert den Ständer nach außen. Es handelt sich hier um einen normalen feststehenden Kryostaten (kein Ringkryostat). Der Antrieb des Polrades erfolgt hier ebenfalls über ein Drehmomentübertragungselement, nachdem die gesamte Mimik im Kryostatinneren gekapselt aufgenommen ist. Wegen des Luftspalts zwischen Rotor und Stator müssen beide separat mit Kältemittel versorgt werden.
Alternativ zur Ausführungsform gemäß 6 ist es auch denkbar, für die Polradwicklung und die Ständerwicklung separate Kryostaten vorzusehen. Dabei kann die Ständerwicklung auf eine unterschiedliche Temperatur wie die Polwicklung gekühlt werden. Die Ständerwicklung kann z.B. auf eine Temperatur von 25K – 35K gekühlt werden, während das Polrad beispielsweise auf 68K – 77K gekühlt wird. Hier kann als Kaltkopf eine Gemischtkältemaschine eingesetzt werden, welche bei besonders gutem Wirkungsgrad im Vergleich zu anderen Kältemaschinen arbeitet. Das Kältemittel ist dann z.B. für die 68K – 77K kalte Ständerwicklung flüssiger Stickstoff und für die 25K – 35K kalte Wicklung flüssiges Helium oder Neon. Dies ermöglicht es, gegebenenfalls unterschiedliche Supraleiterarten für die Polrad- und die Ständerwicklungen zu verwenden, oder es kann das Ziel einer höheren Ausnutzung erreicht werden, da der kritische Strom eines Supraleiters bei tieferen Temperaturen als der kritischen Temperatur steigt.

Claims

Ladegenerator für Gleichstrom-Bordnetze von Wasser-, Land- und Luftfahrzeugen, insbesondere von Unterwasserschiffen, mit einem über ein Antriebsmittel rotierend antreibbaren Polrad mit einer erregbaren Polradwicklung mit mindestens zwei Polen und einem das Polrad umgreifenden Ständer mit mindestens einer Ständerwicklung, an der eine induzierte Spannung abgreifbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Polradwicklung (3, 50) aus Leitern aus einem Hochtemperatur-Supraleiter-Material besteht, und dass ein Kryostat (14, 52) zum Kühlen der Polradwicklung (3, 50) vorgesehen ist.
Ladegenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kryostat (3) einen isolierenden zylindrischen Behälter aufweist, in dem das Polrad (2) aufgenommen ist, der mit dem Polrad (2) rotiert und dessen zylindrische Außenwand (26) im Luftspalt (13) zum Ständer (5) liegt.
Ladegenerator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenwand (26) zum Polrad (3) unter Bildung einer Vakuum-Isolationskammer (15) beabstandet ist.
Ladegenerator nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ständerwicklung (6, 51) als Luftspaltwicklung ausgeführt ist.
Ladegenerator nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ständerwicklung (6), vorzugsweise ausgeführt als sogenannte Luftspaltwicklung, über ein zusammen mit dem Polrad (2) angetriebenes Lüfterrad (21) luftgekühlt wird.
Ladegenerator nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass gegebenenfalls zusätzlich eine Wasserrückkühleinrichtung (47) für die Ständerwicklung (6) vorgesehen ist.
Ladegenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass auch die Ständerwicklung (51) aus Leitern aus Hochtemperatur-Supraleiter-Material besteht, und dass ein Kryostat (52) zum Kühlen der Ständerwicklung (51) vorgesehen ist.
Ladegenerator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Polrad- und der Ständerwicklung (50, 51) ein gemeinsamer Kryostat (52) oder jeder ein separater Kryostat zugeordnet ist.
Ladegenerator nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ständerwicklung (6, 51) in einem nichtmetallischen Käfig, insbesondere aus glasfaserverstärktem Kunststoff gehaltert ist.
Ladegenerator nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ständerwicklung (6, 51) von mindestens einem Drehstromsystem gebildet ist.
Ladegenerator nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Polrad (2) auf einer hohlzylindrischen Welle (11) angeordnet ist, durch die die Zufuhr von kryogenem Kältemittel über einen Kaltkopf (8) erfolgt, worüber das Polrad (2) von innen her gekühlt wird, wobei die Welle (11) über eine die Rotation ermöglichende Dichtung (10) mit dem Kaltkopf (8) gekoppelt ist.
Ladegenerator nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Gleichrichterbauelemente zum Gleichrichten der in der Ständerwicklung durch die supraleitende Wicklung des Polrads (2) induzierte Drehspannung vorgesehen sind.
Ladegenerator für Gleichstrom-Bordnetze von Wasser-, Land- und Luftfahrzeugen, insbesondere von Unterwasserschiffen, mit einem über ein Antriebsmittel rotierend antreibbaren Anker mit einer Ankerwicklung, und einem den Anker umgreifenden Ständer mit mindestens zwei Polwicklungen, wobei am Anker eine induzierte Spannung abgreifbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Polwicklungen (32) im Ständer aus Leitern aus einem Hochtemperatur-Supraleiter-Material gewickelt sind, und dass ein Kryostat (33) zum Kühlen der Ständerwicklung (32) vorgesehen ist.
Ladegenerator nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Kryostat (33) einen zylindrischen Behälter aufweist, in dem der Ständer (30) aufgenommen ist, und dessen zylindrische innwärtige Wand (34) im Luftspalt (35) zum Anker (40) liegt.
Ladegenerator nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Kryostat (33) eine Vakuum-Isolationskammer (37) um den Ständer (30) bildet.
Ladegenerator nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Ankerwicklung (41) als Luftspaltwicklung ausgeführt ist.
Ladegenerator nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Ankerwicklung (41) über ein zusammen mit dem Anker (40) angetriebenes Lüfterrad (45) luftgekühlt wird.
Ladegenerator nach einem der Ansprüche 13 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass ge gebenenfalls zusätzlich eine Wasserrückkühleinrichtung (47) für die Kühlluft für die Ankerwicklung vorgesehen ist.
Ladegenerator nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass auch die Ankerwicklung aus Leitern aus Hochtemperatur-Supraleiter-Material besteht, und dass ein Kryostat zum Kühlen der Ankerwicklung vorgesehen ist.
Ladegenerator nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Ständer- und der Ankerwicklung ein gemeinsamer Kryostat zugeordnet ist.
Ladegenerator nach einem der Ansprüche 13 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Ankerwicklung in einem aus nichtleitendem Werkstoff, wie glasfaserverstärktem Kunststoff, bestehenden Käfig aufgenommen ist.