DE10317993A1

DE10317993A1 - Supraleitende elektrische Maschine

Info

Publication number: DE10317993A1
Application number: DE10317993A
Authority: DE
Inventors: Bernhard Oswald
Original assignee: OSWALD ELEKTROMOTOREN GmbH
Current assignee: OSWALD ELEKTROMOTOREN GmbH
Priority date: 2003-04-19
Filing date: 2003-04-19
Publication date: 2004-11-25
Anticipated expiration: 2023-04-20
Also published as: DE10317993B4

Abstract

Eine elektrische Maschine mit relativ zueinander beweglichen, durch einen Luftspalt getrennten Baugruppen als Läufer und Ständer, von denen wenigstens eine einem sich ändernden Magnetfeld ausgesetzt ist, hat supraleitende Wicklungen (4) und/oder Massiv-Supraleiter als stromführende Teile und einen zumindest teilweise geblechten Magnetkreis aus einer magnetisch weichen eisenhaltigen Legierung. Um bei einer solchen Maschine mit geringerer Kälteleistung und geringerem Materialaufwand auszukommen, ist die Zusammensetzung der eisenhaltigen Legierung so gewählt, daß zumindest in einem an den Luftspalt angrenzenden ersten Teilbereich (1) des Magnetkreises ihre Sättigungsinduktion höher als 2 Tesla ist und ihre Eisenverluste niedriger als 1,35 W/kg bei einer Frequenz des Magnetfeldes von 50 Hz und einer Induktion von 1 Tesla sind.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrische Maschine mit relativ zueinander beweglichen, durch einen Luftspalt getrennten Baugruppen als Läufer und Ständer, von denen wenigstens eine einem sich ändernden Magnetfeld ausgesetzt ist und supraleitende Wicklungen und/oder Massiv-Supraleiter als stromführende Teile und einen zumindest teilweise geblechten Magnetkreis aus einer magnetisch weichen eisenhaltigen Legierung aufweist.

Es sind elektrische Maschinen der vorstehend geschilderten Art als sogenannte "supraleitende" oder "hochtemperatur-supraleitende" Elektromotoren bekannt, die derzeit bei einer Temperatur von etwas weniger als 100 K betrieben werden. Diese Temperaturen sind gegenüber einer Raumtemperatur von etwa 40°C immer noch sehr niedrig und erfordern Kühleinrichtungen mit hoher Käl teleistung. Um die erforderliche Kälteleistung möglichst niedrig zu halten, ist es wichtig, daß die gesamten Wärmeverluste der Maschine möglichst gering sind. Die Verluste in den stromführenden Supraleitern sind bereits sehr niedrig. Dagegen treten im eisenhaltigen Magnetkreis weiterhin relativ hohe, sogenannte Eisenverluste auf. Will man gleichzeitig eine hohe Leistungsdichte des Motors erreichen, dann wäre auch eine möglichst hohe Sättigungsinduktion im Magnetkreis anzustreben. Das derzeit üblicherweise verwendete sogenannte Siliciumeisen, eine Legierung, die Eisen bzw. Stahl mit geringem Kohlenstoffgehalt und Silicium enthält, ist zwar preiswert, hat aber eine Sättigungsinduktion in der Höhe von nur etwa 1,5 Tesla und Eisenverluste von wenigstens etwa 1,35 W/kg bei einer Frequenz des Magnetfeldes von 50 Hz und einer Induktion von 1 Tesla, sofern es nicht kostenerhöhend kornorientiert ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektrische Maschine der eingangs geschilderten Art anzugeben, die mit geringerer Kälteleistung und geringerem Materialaufwand auskommt.

Erfindungsgemäß ist diese Aufgabe bei einer gattungsgemäßen Maschine dadurch gelöst, daß die Zusammensetzung der eisenhaltigen Legierung so gewählt ist, daß zumindest in einem an den Luftspalt angrenzenden ersten Teilbereich des Magnetkreises ihre Sättigungsinduktion höher als 2 Tesla ist und ihre Eisenverluste niedriger als 1,35 W/kg bei einer Frequenz des Magnetfeldes von 50 Hz und einer Induktion von 1 Tesla sind.

Diese Lösung erfordert zwar zumindest eine teilweise Ausbildung des Magnetkreises aus weniger preiswertem Material. Es hat sich jedoch gezeigt, daß dies durch eine entsprechende Verringerung der Kühlleistung weitgehend ausgeglichen werden kann, gleichzeitig aber eine höhere Leistungsdichte erreichbar ist, die eine Verringerung des Materialaufwands bei gleicher Nennleistung der Maschine ermöglicht.

Vorzugsweise weist die Legierung Kobalt auf. Eine Legierung, die Eisen und Kobalt aufweist, hat eine sehr hohe Sättigungsinduktion und niedrige Eisenverluste im höheren Induktionsbereich, insbesondere geringere Hystereseverluste. Die Wirbelstromverluste lassen sich durch entsprechende Ausbildung, insbesondere eine geringe Dicke der Bleche, gering halten.

Wenn die Legierung in einem vom Luftspalt entfernt liegenden, an den ersten Teilbereich angrenzenden zweiten Teilbereich des Magnetkreises Silicium aufweist, kann die kostspielige Eisen-Kobalt-Legierung in dem mit einer höheren Induktion beaufschlagten, in der Nähe des Luftspalts liegenden ersten Teilbereich des Magnetkreises angeordnet und die preisgünstigere Eisen-Silicium-Legierung in dem mit geringerer Induktion beaufschlagten, weiter vom Luftspalt entfernt liegenden Teilbereich des Magnetkreises angeordnet werden. Die Gesamtkosten bleiben dann in erträglichen Grenzen, ohne den Wirkungsgrad und die Leistungsdichte der Maschine nennenswert zu verringern.

Die Blechdicken in den Teilbereich können unterschiedlich sein. Vorzugsweise sind sie in dem mit höherer Induktion beaufschlagten Teilbereich am geringsten.

Die Betriebstemperatur kann unter 200 K liegen. Vorzugsweise liegt sie unter 100 K oder unter 77 K. Je niedriger die Temperatur ist, um so höher ist die Leitfähigkeit der stromführenden Leiter, zumindest bei solchen aus Kupfer. Entsprechend niedriger sind die Leitungsverluste, während die Eisenverluste weitgehend temperaturunabhängig sind.

Ferner können der gesamte geblechte Magnetkreisteil oder die Bleche einzeln in einer inerten Atmosphäre, insbesondere einer Wasserstoffatmosphäre, geglüht worden sein.

Die Erfindung ist zwar auch bei rotierenden Elektrogeneratoren anwendbar. Vorzugsweise ist die erfindungsgemäße Maschine jedoch ein Elektromotor, insbesondere ein mit Wechselstrom betriebener, rotierender Synchron- oder Asynchron-, Reluktanz- oder Permanentmagnetmotor oder ein kurz- oder langhubiger Linearmotor in flacher oder zylindrischer Bauweise (Polysolenoidmotor).

Die Erfindung wird nachstehend anhand der beiliegenden Zeichnungen bevorzugter Ausführungsbeispiele näher beschrieben. Darin stellen dar:
1 eine perspektivische Ansicht eines aufgeschnittenen Magnetkreisteils einer in Form eines zylindrischen Linearmotors ausgebildeten elektrischen Maschine,
2 eine perspektivische Ansicht eines Magnetkreisteils einer in Form eines flachen Linearmotors (eines Einzelkamm- oder Doppelkamm-Linearmotors) ausgebildeten elektrischen Maschine,
3 eine perspektivische Ansicht eines Magnetkreisteils einer elektrischen Maschine in Form einer als flacher Linearmotor ausgebildeten elektrischen Maschine und
4 eine perspektivische Ansicht eines Magnetkreisteils einer als rotierender Drehfeldmotor ausgebildeten elektrischen Maschine.
Der in 1 teilweise dargestellte Magnetkreisteil bildet den Ständer einer elektrischen Maschine in Form eines zylindrischen Linearmotors. Der innenliegende Läufer ist nicht dargestellt. Der Magnetkreisteil hat einen ersten Teilbereich 1 und einen zweiten Teilbereich 2. Der erste Teilbereich 1 besteht aus ringförmigen, aneinanderliegenden, aber mit einer Isolierschicht versehenen Blechen 3. Die Bleche 3 bilden ringförmige Stapel, zwischen denen jeweils eine Wicklung 4 aus einem Hochtemperatur-Supraleiter angeordnet ist, wobei sich die Wicklungen 4 etwas in den zweiten Teilbereich 2 erstrecken. Die Bleche bestehen aus einer Eisen-Kobalt-Legierung. Der zweite Teil 2, auch Joch genannt, umgibt den ersten Teilbereich 1 und ist massiv. Alternativ kann der zweite Teilbereich geblecht sein. Er besteht aus einer Eisen-Silicium-Legierung. Im ersten Teilbereich 1, in dem die Induktion (Flußdichte) am größten ist, da er an den Luftspalt zwischen Läufer und Ständer angrenzt, befindet sich mithin das Material mit der höheren Sättigungsinduktion. Im zweiten Teilbereich 2, der weiter vom Luftspalt entfernt ist, so daß dort die Induktion geringer ist, befindet sich dagegen das Material mit der geringeren Sättigungsinduktion. Im ersten Teilbereich 1 sind daher die Hystereseverluste, trotz der höheren Induktion, geringer als wenn der erste Teilbereich 1 ebenfalls eine Eisen-Silicium-Legierung aufweisen würde, während die Wirbelstromverluste durch die Ausbildung aus dünnen Blechen 3 gering gehalten werden. Im ungeblechten zweiten Teilbereich 2 ist die Induktion geringer, so daß dort auch die Eisen- und Wirbelstromverluste, trotz des Materials mit der geringeren Sättigungsinduktion, gering sind. Wenn auch der zweite Teilbereich 2 geblecht ist, sind dort auch die Wirbelstromverluste sehr gering. Aufgrund der dennoch hohen zulässigen Induktion im Magnetkreis, solange sie unterhalb der Sättigungsinduktion bleibt, ist auch eine hohe Leistungsdichte und damit eine kompaktere Bauweise der Maschine mit geringerem Materialaufwand möglich. Ferner kommt man mit insgesamt geringerer Kühlleistung für die Maschine aus, selbst bei einer Abkühlung bis unter 100 K.
Der in 2 dargestellte Magnetkreisteil eines flachen Linearmotors enthält in seinem an den Luftspalt angrenzenden ersten Teilbereich 1, der mit auf den Luftspalt gerichteten Zähnen 5 versehen und geblecht ist oder massiv sein kann, ebenfalls eine Eisen-Kobalt-Legierung. Die supraleitenden Wicklungen sind hier zur Vereinfachung der Darstellung weggelassen. Der vom Luftspalt entfernt liegende zweite Teilbereich 2 ent hält ebenfalls eine Eisen-Silicium-Legierung und ist ebenfalls geblecht oder massiv.
Bei dem in 3 dargestellten Magnetkreisteil eines flachen Linearmotors besteht der an den Luftspalt angrenzende erste Teilbereich 1 nur aus Zähnen 6, die vorzugsweise geblecht sind, aber auch massiv sein können, und eine Eisen-Kobalt-Legierung aufweisen. Auch hier sind die Wicklungen zur Vereinfachung der Darstellung weggelassen. Sie bestehen ebenfalls aus supraleitendem Material. Der zweite Teilbereich 2, der vom Luftspalt entfernt liegt, ist massiv, kann aber auch geblecht sein, und enthält eine Eisen-Silicium-Legierung. Dieses Ausführungsbeispiel hat mithin im wesentlichen die gleichen Vorteile wie das Ausführungsbeispiel nach 2.
Der in 4 dargestellte Magnetkreisteil eines zylindrischen Drehfeldmotors enthält wiederum in einem an den Luftspalt angrenzenden, geblechten ersten Teilbereich 1 eine Eisen-Kobalt-Legierung und ist, wie im Falle der 4, mit auf den Luftspalt gerichteten Zähnen 5 versehen. Der an den ersten Teilbereich 1 angrenzende zweite Teilbereich 2 ist wiederum vorzugsweise geblecht, kann aber auch massiv sein, und enthält eine Eisen-Silicium-Legierung. Die supraleitenden Wicklungen sind wiederum zur Vereinfachung der Darstellung weggelassen. Auch dieses Ausführungsbeispiel hat die gleichen Vorteile wie das Ausführungsbeispiel nach 2.
Bei allen Ausführungsbeispielen ist die Zusammensetzung der Legierung im ersten Teilbereich 1 so gewählt, daß in diesem Teilbereich 1 die Sättigungsinduktion höher als 2 Tesla liegen kann und die Eisenverluste niedriger als 1,35 W/kg bei einer Frequenz des Magnetfeldes von 50 Hz und einer Induktion von 1 Tesla sind.
Die Betriebstemperatur ist so gewählt, daß sie unter 200 K liegt, vorzugsweise liegt sie unter 100 K oder unter 77 K.
Der Supraleiter kann sich auch nur im Läufer befinden, z.B. als Permanentmagnet, wobei die Ständerwicklung als Kupferwicklung ausgebildet sein kann, die tiefgekühlt wird und eine entsprechend hohe Leitfähigkeit hat.
Als Supraleiter wären beispielsweise YBCO (Yttrium-Barium-Kupferoxid) oder BSCCO (Wismut-Kobalt-Kupferoxid) geeignet.
Soweit die Teilbereiche 1 und 2 geblecht sind, kann die Dicke ihrer Bleche unterschiedlich gewählt sein. Ferner können der gesamte geblechte Magnetkreisteil oder die Bleche 3 einzeln in einer inerten Atmosphäre, insbesondere einer Wasserstoffatmosphäre, geglüht worden sein.
Statt bei Elektromotoren ist die Erfindung auch bei Elektrogeneratoren anwendbar. Statt bei oder zusätzlich zu den dargestellten Ständern ist die Erfindung auch bei einem Läufer eines Elektromotors oder Elektrogenerators analog anwendbar.

Claims

Elektrische Maschine mit relativ zueinander beweglichen, durch einen Luftspalt getrennten Baugruppen als Läufer und Ständer, von denen wenigstens eine einem sich ändernden Magnetfeld ausgesetzt ist und supraleitende Wicklungen (4) und/oder Massiv-Supraleiter als stromführende Teile und einen zumindest teilweise geblechten Magnetkreis aus einer magnetisch weichen eisenhaltigen Legierung aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusammensetzung der eisenhaltigen Legierung so gewählt ist, daß zumindest in einem an den Luftspalt angrenzenden ersten Teilbereich (1) des Magnetkreises ihre Sättigungsinduktion höher als 2 Tesla ist und ihre Eisenverluste niedriger als 1,35 W/kg bei einer Frequenz des Magnetfeldes von 50 Hz und einer Induktion von 1 Tesla sind.
Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung Kobalt aufweist.
Maschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung in einem vom Luftspalt entfernt liegenden, an den ersten Teilbereich (1) angrenzenden zweiten Teilbereich (2) des Magnetkreises Silicium aufweist.
Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Blechdicken in den Teilbereichen unterschiedlich sind.
Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ihre Betriebstemperatur unter 200 K liegt.
Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der gesamte geblechte Magnetkreisteil oder die Bleche einzeln in einer inerten Atmosphäre, insbesondere einer Wasserstoffatmosphäre, geglüht worden ist bzw. sind.
Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß sie als Elektromotor ausgebildet ist.
Maschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektromotor ein mit Wechselstrom betriebener, rotierender Synchron- oder Asynchron-, Reluktanz- oder Permanentmagnetmotor oder ein kurz- oder langhubiger Linearmotor in flacher oder zylindrischer Bauweise (Polysolenoidmotor) ist.