DE19636548A1 - Electrical machine using high-temperature superconductor - Google Patents

Electrical machine using high-temperature superconductor

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Abstract

The electrical machine has a wound laminated stator (3,3a,3b), generating a rotary magnetic field for driving a rotor (1), mounted on the machine shaft (5). At least the outer part of the rotor is formed from a high-temperature superconductive material, cooled to a low temperature via a cooling device, the rotor supported by magnetic bearings (2) in the stator magnetic field. The magnetic bearings may use permanent annular magnets on one or both sides of the rotor, provided with recesses filled with a material having a different magnetic characteristic.

Description

Das technische Gebiet der Erfindung sind die elektrischen Maschinen, die aus einem Stator und einem Rotor bestehen. Der Stator enthält eine mehrphasige Wicklung, die ein magnetisches Drehfeld erzeugt, das den Rotor (oder: Läufer) in Drehrichtung antreibt. In gleicher Weise kann ein mit kinetischer Energie versehender Rotor abgebremst werden und elektrische Energie auf der Statorseite zurückgewonnen werden.The technical field of the invention is electrical Machines that consist of a stator and a rotor. Of the Stator contains a multi-phase winding that is magnetic The rotating field generates the rotor (or: rotor) in the direction of rotation drives. In the same way, one can use kinetic energy provided rotor are braked and electrical energy on on the stator side.

Die Erfindung hat sich zur Aufgabe gestellt, die Lagerung zu vereinfachen und gleichwohl verlustfrei zu gestalten und die Antriebseigenschaften der Maschine zu verbessern.The invention has set itself the task of storage simplify and at the same time make it lossless and the To improve the drive properties of the machine.

Dazu schlägt die Erfindung vor, einen aus einem hochtemperatur­ supraleitenden Material ausgebildeten Läufer (Rotor) zu verwenden, der überraschend bessere Antriebseigenschaften zeigt, als ein geblechter Läufer oder ein Permanentmagnet-Läufer, der aber zusätzlich die Möglichkeit eröffnet, mit einem Magnetlager den Rotor berührungslos und damit verlustfrei so zu lagern, daß er um eine Drehachse 100 leicht drehbar ist (Anspruch 1). Die Erfindung macht sich dabei die Erkenntnis zunutze, daß ein Hochtemperatur-Supraleiter, der selbstverständlich entsprechend gekühlt wird, um seine Supraleiter-Eigenschaft zu erhalten, in Verbindung mit Permanentmagneten, die als Lager verwendet werden, Magnetflußröhren verankert und auf diese Weise das passiv berührungslos arbeitende Magnetlager ohne Reibung gebildet werden kann. Die Magnetflußröhren entstehen aufgrund eines als "Pinning-Effektes" bezeichneten physikalischen Vorgangs. Durch ihn werden die Magnetflußröhren gebildet.For this purpose, the invention proposes to use a rotor (rotor) formed from a high-temperature superconducting material, which surprisingly exhibits better drive properties than a laminated rotor or a permanent magnet rotor, but which additionally opens up the possibility of using a magnetic bearing to make the rotor contactless and so to store lossless so that it is easily rotatable about an axis of rotation 100 (claim 1). The invention makes use of the knowledge that a high-temperature superconductor, which of course is cooled appropriately in order to maintain its superconductor property, is anchored in magnetic flux tubes in connection with permanent magnets which are used as bearings, and in this way the passively non-contacting one Magnetic bearings can be formed without friction. The magnetic flux tubes arise due to a physical process known as the "pinning effect". The magnetic flux tubes are formed by it.

Der aus schmelzextrudiertem Hochtemperatur-Supraleiter-Material hergestellte Läufer (Rotor) kann als Hystereseläufer viel bessere Antriebseigenschaften entwickeln, als die bislang bei Normaltemperatur betriebenen Hystereseläufer (Anspruch 2). The one made of melt-extruded high-temperature superconductor material manufactured rotor (rotor) can be much better than hysteresis rotor Develop drive properties than that previously Normal temperature operated hysteresis rotor (claim 2).  

Mit der Erfindung werden eine berührungslose und deshalb verlustfreie Lagerung des Rotors sowie ein verbesserter elektromotorischer Antrieb mit höherer Effizienz geschaffen, der auch ein generatorisches Abbremsen des Läufers erlaubt. Baulich und funktionell werden in demselben aus Hochtemperatur- Supraleiter-Material gebildeten Rotor beide Eigenschaften verankert. Das Magnetlager kann auf Statorseite aus einem Permanentmagnet gebildet sein (Anspruch 3). Es kann aus mehreren in axialer Richtung magnetisierten Ringen bestehen, die über ein Stator-Rückflußjoch dann in Verbindung stehen, wenn sie an gegenüberliegenden Seiten des Rotors (seinen Stirnseiten) angeordnet werden (Anspruch 4, 5).With the invention, a non-contact and therefore lossless storage of the rotor and an improved electric motor drive with higher efficiency created that regenerative braking of the rotor is also permitted. Constructionally and functional in the same from high temperature Superconductor material formed rotor both properties anchored. The magnetic bearing can be made from one on the stator side Permanent magnet be formed (claim 3). It can consist of several exist in the axial direction magnetized rings that over a Stator reflux yoke then communicate when on opposite sides of the rotor (its end faces) be arranged (claim 4, 5).

Auch die Statorwicklung der Maschine kann aus einem supraleitenden Material gebildet sein, das in seiner Temperatur an die Temperatur des Rotors angepaßt ist, zu der er seine supraleitende Eigenschaft entwickelt (Anspruch 6).The stator winding of the machine can also be made from one superconducting material formed in its temperature is adapted to the temperature of the rotor to which it is developed superconducting property (claim 6).

Der Rotor kann mit Aussparungen oder Auswölbungen versehen sein (Anspruch 8), die andere magnetische Eigenschaften besitzen, so ferromagnetisch, diamagnetisch, paramagnetisch oder als Permanentmagnet ausgebildet sind, gegenüber dem mit den Pinning- Effekt verhafteten HTSL-Material.The rotor can be provided with recesses or bulges (Claim 8), which have other magnetic properties, so ferromagnetic, diamagnetic, paramagnetic or as Permanent magnet are formed, compared to that with the pinning Effect arrested HTSL material.

Die Drehzahlerfassung des Rotors erfolgt vorteilhaft berührungslos oder sensorlos, die dabei gewonnenen Signale können gleichzeitig als Impulssteuerung für einen speisenden Stromrichter verwendet werden, der die Statorwicklung mit einem solchen Wechselstrom versieht, der ein entsprechendes Drehfeld für den Rotor erzeugt (Anspruch 10, 11).The speed of the rotor is advantageously recorded The signals obtained are contactless or sensorless can simultaneously serve as impulse control for a dining party Converters can be used, the stator winding with a provides such an alternating current that has a corresponding rotating field generated for the rotor (claim 10, 11).

Die Anordnung kann kugelförmig oder zumindest halbkugelförmig sein, betreffend den Läufer und den Stator, hierzu wird auf die deutsche Patentanmeldung 195 47 016.8 verwiesen, in der ein solcher Aufbau näher beschrieben ist. Die dortige Beschreibung wird hier durch Bezugnahme einbezogen. The arrangement can be spherical or at least hemispherical regarding the rotor and the stator, please refer to the German patent application 195 47 016.8 referenced in the such structure is described in more detail. The description there is incorporated here by reference.  

Ein Beispiel soll die Erfindung erläutern.An example is intended to explain the invention.

Fig. 1 ist ein Schnitt durch eine Maschine, deren Symmetrieachse mit 100 bezeichnet ist. Fig. 1 is a section through a machine, the axis of symmetry is designated 100 .

Eine Welle 5 dient als Abtrieb zu einem Objekt, das mit einer Drehzahl beaufschlagt werden soll. An der Welle 5 ist starr der Rotor 1 angekoppelt, der hier als zylindrisch dargestellt ist, mit einem Durchmesser, der erheblich größer ist, als derjenige der Welle 5. Gegenüber dem Rotor 1 ist ein geblechter Stator 3 vorgesehen, der eine Wicklung trägt, die in der Fig. 1 nur durch ihre Wickelköpfe 3a, 3b symbolisiert ist. Diese Wicklung ist eine mehrphasige Wicklung, die es erlaubt, ein Drehfeld im Luftspalt zwischen Rotor und Stator auszubilden, um den Rotor 1 anzutreiben.A shaft 5 serves as an output to an object which is to be subjected to a speed. The rotor 1 , which is shown here as cylindrical, is rigidly coupled to the shaft 5 and has a diameter that is considerably larger than that of the shaft 5 . Opposite the rotor 1 , a laminated stator 3 is provided, which carries a winding, which is symbolized in FIG. 1 only by its winding heads 3 a, 3 b. This winding is a multi-phase winding which allows a rotating field to be formed in the air gap between the rotor and the stator in order to drive the rotor 1 .

Der Rotor 1 ist über zwei dargestellte magnetisierte Zylinder 2 gelagert, und zwar an seinen beiden Stirnseiten im äußeren Bereich. Die beiden Lagerringe haben eine Polarisierung, die in axialer Richtung verläuft. Die gegenüberliegenden Magnetlager sind jeweils so polarisiert, daß gegenüber dem Läufer 1 an einer Stirnseite ein Südpol und an der anderen Stirnseite ein Nordpol gebildet wird.The rotor 1 is supported by two magnetized cylinders 2 shown, on its two end faces in the outer region. The two bearing rings have a polarization that runs in the axial direction. The opposite magnetic bearings are each polarized so that a south pole is formed on one end face and a north pole on the other end face opposite the rotor 1 .

Ein magnetisches Rückflußjoch 4 kann vorgesehen sein, das ein Gehäuse für den gesamten Rotor bildet. Über das Rückflußjoch 4 werden die Feldlinien des Rotorlagers 2 zurückgeführt und der Antrieb erhält einen kompakten Aufbau.A magnetic return yoke 4 can be provided, which forms a housing for the entire rotor. The field lines of the rotor bearing 2 are returned via the reflux yoke 4 and the drive has a compact structure.

Der Rotor 1 besteht aus einem schmelzextrudierten Hochtemperatur-Supraleiter-Material, das abgekürzt mit HTSL bezeichnet wird. Er ist durch die Lagerringe 2 berührungslos gelagert und hat einen entsprechenden Durchmesser, der gerade noch nicht an der Innenfläche des Stators 3 anliegt, sondern einen mäßigen Luftspalt beläßt. Über diesen Luftspalt wird das Drehfeld übertragen. The rotor 1 consists of a melt-extruded high-temperature superconductor material, which is abbreviated to HTSL. It is supported in a contactless manner by the bearing rings 2 and has a corresponding diameter which just barely does not abut the inner surface of the stator 3 , but rather leaves a moderate air gap. The rotating field is transmitted via this air gap.

Zusätzlich zu der axialen Lagerung über das statorseitige Lager 2 können in radialer Richtung wirkende Kompensationsmagnete (Permanentmagnete oder steuerbare Elektromagnete) vorgesehen sein, die für einen gleichbleibenden Luftspalt sorgen, mithin dafür sorgen, daß die Achse der Welle immer weitgehend in der Achse 100 zu liegen kommt, die auch die Symmetrieachse des rotationssymmetrischen Stators 3 ist. Geringe Schwankungen können indes zugelassen werden, da der Rotor 1 nicht mechanisch gelagert ist und die Öffnung in dem Rückflußjoch so gestaltet sein, daß sie ein entsprechendes Spiel der Welle 5 zuläßt. An der Abtriebsseite würde eine entsprechende Kopplung vorzusehen sein, die das Spiel erlaubt.In addition to the axial bearing via the stator-side bearing 2 , compensation magnets (permanent magnets or controllable electromagnets) acting in the radial direction can be provided, which ensure a constant air gap, and consequently ensure that the axis of the shaft always lies largely in axis 100 , which is also the axis of symmetry of the rotationally symmetrical stator 3 . Slight fluctuations can, however, be permitted since the rotor 1 is not mechanically supported and the opening in the reflux yoke is designed such that it allows the shaft 5 to play accordingly. On the output side, a corresponding coupling would have to be provided, which allows the game.

Nicht dargestellt ist ein Sensor, der berührungslos den Rotor 1 so abtastet, daß beispielsweise eine Markierung oder mehrere Markierungen, die in gleichmäßigen Abständen am Umfang vorgesehen sind, abgetastet werden, um Signale hinsichtlich der Drehgeschwindigkeit (der Drehzahl) des Rotors zu erhalten. Diese Signale können einmal zur Erfassung der Drehzahl dienen, diese Signale können aber auch direkt zur Steuerung des statorseitigen Stromrichters herangezogen werden, um das Drehfeld entsprechend einzustellen.Not shown is a sensor which scans the rotor 1 in a contactless manner such that, for example, one mark or several markings, which are provided at uniform intervals on the circumference, are scanned in order to obtain signals relating to the rotational speed (the rotational speed) of the rotor. These signals can be used to record the speed, but these signals can also be used directly to control the stator-side converter in order to adjust the rotating field accordingly.

Claims (12)

1. Elektrische Maschine mit einer Welle (5) und einem bewickelten, geblechten Stator (3; 3a, 3b), der ein magnetisches Stator-Drehfeld ausbilden kann, sowie einem Läufer (1), der von dem magnetischen Statorfeld drehantreibbar ist;
dadurch gekennzeichnet, daß
  • (a) der Läufer (1) im wesentlichen aus einem hochtemperatur-supraleitenden Material (HTSL) besteht, das über eine Kühleinrichtung entsprechend tief kühlbar ist;
  • (b) der Läufer (1) mit magnetischen Lagern (2) im Statorfeld berührungslos drehbar gelagert ist.
1. Electrical machine with a shaft ( 5 ) and a wound, laminated stator ( 3 ; 3 a, 3 b), which can form a magnetic stator rotating field, and a rotor ( 1 ) which can be driven in rotation by the magnetic stator field;
characterized in that
  • (a) the rotor ( 1 ) consists essentially of a high-temperature superconducting material (HTSL) which can be cooled correspondingly deeply via a cooling device;
  • (b) the rotor ( 1 ) with magnetic bearings ( 2 ) is rotatably mounted in a contactless manner in the stator field.
2. Maschine nach Anspruch 1, bei der der Läufer (1) zylindrisch ausgebildet ist, insbesondere aus schmelzextrudiertem HTSL-Material mit Hystereseeigenschaft.2. Machine according to claim 1, wherein the rotor ( 1 ) is cylindrical, in particular made of melt-extruded HTSL material with hysteresis property. 3. Maschine nach einem der vorigen Ansprüche, bei der die magnetischen Lager (2) Permanentmagnete sind.3. Machine according to one of the preceding claims, wherein the magnetic bearings ( 2 ) are permanent magnets. 4. Maschine nach Anspruch 3, bei der das feststehende Lager (2) zum berührungslosen drehbaren Lagern des Läufers (1; Rotor) ringförmig ausgebildet ist und in axialer Richtung dauerhaft magnetisiert ist.4. Machine according to claim 3, wherein the fixed bearing ( 2 ) for contactless rotatable mounting of the rotor ( 1 ; rotor) is annular and is permanently magnetized in the axial direction. 5. Maschine nach einem der vorigen Ansprüche, bei der mehrere axial magnetisierte Zylinderlager (2) vorgesehen sind, die über ein ferromagnetisches Rückflußjoch (4) magnetisch gekoppelt sind.5. Machine according to one of the preceding claims, in which a plurality of axially magnetized cylinder bearings ( 2 ) are provided which are magnetically coupled via a ferromagnetic backflow yoke ( 4 ). 6. Maschine nach einem der vorigen Ansprüche, bei der die Statorwicklung (3a, 3b) aus einem im wesentlichen supraleitenden Werkstoff besteht. 6. Machine according to one of the preceding claims, wherein the stator winding ( 3 a, 3 b) consists of a substantially superconducting material. 7. Maschine nach einem der vorigen Ansprüche, die eine Luftspaltwicklung enthält, insbesondere aus einem Hochtemperatur-Supraleiter.7. Machine according to one of the preceding claims, the one Contains air gap winding, in particular from one High temperature superconductor. 8. Maschine nach einem der vorigen Ansprüche bei der der Läufer (Rotor; 1) geeignete Aussparungen oder Auswölbungen aufweist, die ganz oder teilweise aus Materialien mit anderer magnetischer Eigenschaft ausgefüllt oder ausgebildet sind.8. Machine according to one of the preceding claims, wherein the rotor (rotor; 1 ) has suitable recesses or bulges which are completely or partially filled or formed from materials with a different magnetic property. 9. Maschine nach Anspruch 8, bei der die Aussparungen oder Auswölbungen Nuten, Ringe, Kerne, geschichtete Scheiben oder Zylinder sind.9. Machine according to claim 8, wherein the recesses or Bulges Grooves, rings, cores, layered disks or cylinders. 10. Maschinen nach einem der vorigen Ansprüche, bei der die Erfassung der Drehlage des Läufers (1) berührungslos erfolgt.10. Machine according to one of the preceding claims, in which the detection of the rotational position of the rotor ( 1 ) is carried out without contact. 11. Maschinen nach Anspruch 10, bei der die berührungslos erfaßten Signale zur Festlegung der Läufer-Drehposition zur Impulsgabe für die Steuerung der insbesondere über einen Stromrichter gespeisten Ständerströme in der Ständerwicklung (3a, 3b) verwendet werden.11. Machine according to claim 10, in which the non-contact detected signals for determining the rotor rotational position for the impulse for the control of the stator currents fed in particular via a converter are used in the stator winding ( 3 a, 3 b). 12. Maschine nach einem der vorigen Ansprüche, bei der der Läufer (1) und der Stator (3) kugelförmig bzw. halbkugelförmig ausgebildet sind.12. Machine according to one of the preceding claims, in which the rotor ( 1 ) and the stator ( 3 ) are spherical or hemispherical.
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