WO1997034361A1 - Mehrfachnutzung von hochtemperatur-supraleitern in elektrischen maschinen - Google Patents

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WO1997034361A1
WO1997034361A1 PCT/DE1997/000506 DE9700506W WO9734361A1 WO 1997034361 A1 WO1997034361 A1 WO 1997034361A1 DE 9700506 W DE9700506 W DE 9700506W WO 9734361 A1 WO9734361 A1 WO 9734361A1
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htsl
shaped
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PCT/DE1997/000506
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Inventor
Hans-Joachim Gutt
Ingo Immendoerfer
Kurt Reutlinger
Arkadi Gruener
Volker Schlechter
Original Assignee
Gutt Hans Joachim
Ingo Immendoerfer
Kurt Reutlinger
Arkadi Gruener
Volker Schlechter
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K55/00—Dynamo-electric machines having windings operating at cryogenic temperatures
    • H02K55/02—Dynamo-electric machines having windings operating at cryogenic temperatures of the synchronous type
    • H02K55/04—Dynamo-electric machines having windings operating at cryogenic temperatures of the synchronous type with rotating field windings
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C32/00—Bearings not otherwise provided for
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    • F16C32/0436—Passive magnetic bearings with a conductor on one part movable with respect to a magnetic field, e.g. a body of copper on one part and a permanent magnet on the other part
    • F16C32/0438—Passive magnetic bearings with a conductor on one part movable with respect to a magnetic field, e.g. a body of copper on one part and a permanent magnet on the other part with a superconducting body, e.g. a body made of high temperature superconducting material such as YBaCuO
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
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    • H02K7/00—Arrangements for handling mechanical energy structurally associated with dynamo-electric machines, e.g. structural association with mechanical driving motors or auxiliary dynamo-electric machines
    • H02K7/08—Structural association with bearings
    • H02K7/09—Structural association with bearings with magnetic bearings
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C2380/00—Electrical apparatus
    • F16C2380/26—Dynamo-electric machines or combinations therewith, e.g. electro-motors and generators
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E40/00—Technologies for an efficient electrical power generation, transmission or distribution
    • Y02E40/60—Superconducting electric elements or equipment; Power systems integrating superconducting elements or equipment

Definitions

  • the technical field of the invention is the electrical machines, which consist of a stator and a rotor.
  • the stator contains a multi-phase winding that generates a rotating magnetic field that drives the rotor (or: rotor) in the direction of rotation.
  • a rotor provided with kinetic energy can be braked and electrical energy can be recovered on the stator side.
  • the invention has set itself the task of simplifying the storage and at the same time to make it lossless and to improve the drive properties of the machine.
  • the invention proposes to use a rotor (rotor) containing high-temperature superconducting material, which is surprisingly better
  • the electrical machines proposed by the invention are preferably machines of small power and size. This selection means that the windings actually to be cooled or the rotor formed from HTSL material do not thermally precede the others due to the small dimensions
  • Construction parts are to be separated.
  • the entire small machine is thus cooled, which can be achieved by the entire machine being e.g. is operated from liquid nitrogen-formed deep-freeze bath, which forms the cooling device, via which the HTSL material can be cooled correspondingly deeply.
  • the rotor (rotor) made of melt-textured high-temperature superconductor material can develop much better drive properties as a hysteresis rotor than the hysteresis rotor previously operated at normal temperature (claim 2).
  • a contactless and therefore loss-free bearing of the rotor and an improved electromotive drive with higher efficiency are created, which also allows generator braking of the rotor. Both properties are anchored structurally and functionally in the same rotor formed from high-temperature superconductor material.
  • the magnetic bearing can be formed on the stator side from a permanent magnet (claim 3). It can consist of several rings magnetized in the axial direction, which are connected via a stator reflux yoke when they are arranged on opposite sides of the rotor (its end faces).
  • the stator winding of the machine can also be formed from a superconducting material whose temperature is adapted to the temperature of the rotor to which it develops its superconducting property (claim 6).
  • the small machine can be equipped with an air gap winding because of the often high magnetic flux density (B is about two Tesla), since a flow guidance in the teeth of an iron sheet stack is no longer sensible due to the iron saturation.
  • the winding is arranged in the air gap between the rotor and a slotless stator (stator) of the machine. If lower flux densities are used than indicated above, grooved laminated core stacks can also be used.
  • the rotor can be provided with cutouts or bulges (claim 8) which have other magnetic properties, such as ferromagnetic, diamagnetic, paramagnetic or as a permanent magnet, compared to the HTSL material with the pinning effect. Suitable recesses or bulges improve the drive and / or carrying, guiding or sensor properties of the HTSL rotor. Such recesses can lead to a cup-shaped rotor (claim 14, claims 19 to 22).
  • the speed of the rotor is advantageously measured contactlessly or sensorless, the signals obtained in this way can simultaneously be used as pulse control for a power converter that supplies the stator winding with an alternating current that generates a corresponding rotating field for the rotor (claim 10, 11).
  • the arrangement can be spherical or at least hemispherical, with respect to the rotor and the stator; reference is made to the German patent application 19547 016.8, in which such a structure is described in more detail. The description there is incorporated herein by reference.
  • Figure 1 is a section through a machine with HTSL rotor 1, the
  • Axis of symmetry is designated 100
  • FIG. 2a is a vertical hysteresis motor with a pot-shaped HTSL rotor 10
  • Figure 2b is a modified version of Figure 2a of the pot-shaped rotor 10, which not only has a bottom 10b, but also a lid 10c, connected via an outside thin cylinder portion 10a, which connects the bottom 10b and lid 10c.
  • the inside of the pot-shaped rotor 10 is filled with iron (Fe).
  • Fe iron
  • FIG. 2c shows an enlarged detail of the lower bearing according to FIG. 2a, with a again divided circumferential permanent magnet bearing 20a ', 20a "with opposite polarity. They are arranged at the bottom 10b of the pot-shaped HTSL rotor 10.
  • Figure 3 is an example of a ball HTSL runner
  • a shaft 5 serves in FIG. 1 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 which is considerably larger than that of the shaft 5.
  • a laminated stator 3 is provided opposite the rotor 1, which carries a winding which is symbolized in FIG. 1 only by its winding heads 3a, 3b. 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
  • 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, which runs in the axial direction, or a corresponding radial-symmetric field generated by flux guide pieces.
  • the radial forces can be increased accordingly by using opposite magnetic bearings
  • 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.
  • the field lines of each camp can also be closed in themselves by a suitable flow.
  • the rotor 1 consists of a melt-textured high-temperature superconductor material, 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.
  • HTSL melt-textured high-temperature superconductor material
  • 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 should be 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.
  • FIG. 2a illustrates a pot-shaped rotor 10, which has an outer jacket of HTSL material.
  • the proportion of the HTSL material consists of a comparatively thin wall layer 10a, which is cylindrical, and a comparatively thick one
  • FIG. 2a shows the stator lamination packets 3 with the winding heads 3a, 3b, as already schematically illustrated in FIG. 1. The manner in which the rotor 10 is supported becomes clearer in FIG. 2a.
  • a vertical variant is selected.
  • the bottom 10b is significantly stronger than the cylinder wall 10a, it is at least twice as strong.
  • the cylindrical core of the HTSL rotor consists of a soft magnetic material, eg iron.
  • the storage takes place in the lower region of the pot-shaped rotor 10, where the base 10b is, by a preferably ring-shaped permanent magnet 20b, which is aligned on the end face with the base, and by a likewise preferably ring-shaped radial magnet 20a, which has a larger diameter than that previously mentioned magnet 20b, but is also arranged in the base region 10b of the HTSL rotor, but axially slightly offset.
  • the two permanent magnets 20a, 20b mounted on the circumference and on the end face preferably have opposite polarities and are advantageously connected via an annular connecting region 20c made of HTSL material.
  • FIG. 2c shows that the permanent magnet 20a mounted on the circumference can be split into another two permanent magnet rings 20a 'and 20a "in order to provide a layer of HTSL between these two ring-shaped permanent magnets.
  • the axis 100 provides an orientation with respect to FIG.
  • the pot-shaped rotor 10 At the upper end of the pot-shaped rotor 10 there are also two spaced, preferably ring-shaped permanent magnets 21a, 21b in FIG. 2a, which, like the split ring magnet arrangement 20a 'and 20a ", reach a circumferential bearing on the bottom.
  • the rings at the upper end of the pot-shaped rotor 10 have opposite polarity, a HTSL intermediate layer can also be provided between them.
  • the armature 10a of the rotor has a very small wall thickness, at least within the axial area of the stator 3, e.g. approximately between 5%, 10% and 15% of the diameter of the rotor 10.
  • the front-side HTSL layer which according to FIG. 2b is attached to both ends of the cup-shaped rotor 10, serves to increase the bearing capacity and the storage stability, which means that the HTSL there Umbrellas 10b, 10c are significantly reinforced.
  • FIG. 3 shows an HTSL ball bearing in which a spherical rotor 50 made of HTSL material is provided. It is held in a pot-shaped bearing, with a radial permanent magnet 52b, which is designed as a ring, and a spherical support magnet 52a, which is arranged below the rotor ball 50. Both magnets 52a, 52b are arranged in a support body 51 and can be magnetically shielded by an HTSL ring 53.
  • the horizontally lying bearing ring 52b which can be closely matched to the inner surface of the spherical surface, serves to guide the rotor ball 50 laterally.
  • the carrying magnet 52a in the holding body 51 takes over leadership, the carrying of the ball 50. Although the two magnets are closely spaced apart, they can be magnetically shielded from one another by the HTSL ring 53.
  • 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.

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Abstract

Das technische Gebiet der Erfindung sind die elektrischen Maschinen, die aus einem Stator und einem Rotor bestehen. Die Erfindung hat sich zur Aufgabe gestellt, die Lagerung zu vereinfachen und gleichwohl verlustfrei zu gestalten und die Antriebseigenschaften der Maschine zu verbessern. Vorgeschlagen wird eine elektrische Maschine mit einer Welle (5), einem bewickelten, geblechten Stator (3; 3a, 3b) zur Ausbildung eines magnetischen Stator-Drehfeldes, sowie einem Läufer (1, 10), der von dem magnetischen Stator-Drehfeld drehantreibbar ist. Ihr Läufer (1, 10) besteht zumindest im äußeren Bereich im wesentlichen aus einem hochtemperatur-supraleitenden Material (HTSL), das über eine Kühleinrichtung entsprechend tief kühlbar ist. Der Läufer (1,10) ist mit magnetischen Lagern (2) im Stator-Drehfeld berührungslos drehbar galagert.

Description

Mehrfachnutzung von Hochtemperatur-Supraleitern in elektrischen Maschinen
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 versehener Rotor abgebremst werden und elektrische Energie auf der Statorseite zurückgewonnen werden.
Die Erfindung hat sich zur Aufgabe gestellt, die Lagerung zu vereinfachen und gleichwohl verlustfrei zu gestalten und die Antriebseigenschaften der Maschine zu verbessern.
Dazu schlägt die Erfindung vor, einen hochtemperatur-supraleitendes Material beinhaltenden 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.
Die elektrischen Maschinen, die von der Erfindung vorgeschlagen werden, sind Maschinen vorzugsweise kleiner Leistung und Baugröße. Diese Auswahl bedingt, daß die eigentlich zu kühlenden Wicklungen bzw. der aus HTSL-Material gebildete Rotor thermisch aufgrund der kleinen Abmessungen nicht vor den restlichen
Konstruktionsteilen zu trennen sind. Es wird also die komplette Kleinmaschine abgekühlt, was dadurch realisiert werden kann, daß die gesamte Maschine in einem z.B. aus Flüssigstickstoff ausgebildeten Tiefkühlbad betrieben wird, die die Kühleinrichtung bildet, über die das HTSL-Material entsprechend tief kühlbar ist.
Der aus schmelztexturiertem Hochtemperatur-Supraleiter-Material hergestellte Läufer (Rotor) kann als Hystereseläufer viel bessere Antriebseigenschaften entwickeln, als die bislang bei Normaltemperatur betriebenen Hystereseläufer (Anspruch 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).
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).
Die Kleinmaschine kann wegen der in ihr oft vorliegenden hohen Magnetflußdichte (B beträgt etwa zwei Tesla) mit einer Luftspaltwicklung ausgestattet sein (Anspruch 7), da eine Flußführung in Zähnen eines Eisenblechpaketes aufgrund der Eisensättigung nicht mehr sinnvoll ist. Die Wicklung ist dabei im Luftspalt zwischen Läufer und einem nutenlosen Stator (Ständer) der Maschine angeordnet. Werden geringere Flußdichten verwendet, als oben angegeben, können auch genutete Blechpakete des Stators verwendet werden.
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 behafteten HTSL-Material. Geeignete Aussparungen oder Auswölbungen führen zur Verbesserung der Antriebs- und/oder Trag-, Führungs- oder Sensoreigenschaft des HTSL-Läufers. Solche Aussparungen können zu einem topfförmigen Läufer führen (Anspruch 14, Anspruch 19 bis 22).
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). Die Anordnung kann kugelförmig oder zumindest halbkugelförmig sein, betreffend den Läufer und den Stator, hierzu wird auf die deutsche Patentanmeldung 19547 016.8 verwiesen, in der ein solcher Aufbau näher beschrieben ist. Die dortige Beschreibung wird hier durch Bezugnahme einbezogen.
Die Lagerung eines topfförmigen Läufers (Anspruch 15 bis 18) ist speziell für aufrecht stehende Ausführungen konzipiert.
Beispiele sollen die Erfindung erläutern.
Figur 1 ist ein Schnitt durch eine Maschine mit HTSL-Läufer 1 , deren
Symmetrieachse mit 100 bezeichnet ist
Figur 2a ist ein Hysteresemotor in senkrechter Bauweise mit einem topfförmigen HTSL-Läufer 10
Figur 2b ist eine gegenüber Figur 2a modifizierte Fassung des topfförmigen Läufers 10, der nicht nur einen Boden 10b, sondern auch einen Deckel 10c hat, verbunden über einen außenseitigen dünnen Zylinderabschnitt 10a, der Boden 10b und Deckel 10c verbindet. Innen ist der topfförmige Läufer 10 mit Eisen (Fe) gefüllt. Die stärkeren Stirnabschnitte, der Deckel und der Boden des Laufers 10 dienen der Erhöhung der Lagertrag kraft und -Stabilität.
Figur 2c zeigt eine Ausschnittsvergrößerung des unteren Lagers gemäß Figur 2a, mit einer nochmal geteilten Umfangs-Permanentmagnet-Lagerung 20a', 20a" mit entgegengesetzter Polarität. Sie sind in Höhe des Bodens 10b des topfförmigen HTSL-Laufers 10 angeordnet.
Figur 3 ist ein Beispiel eines Kugel-HTSL-Läufers
Eine Welle 5 dient in Figur 1 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 Figur 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
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 verlauft, oder ein entsprechendes radialsymmetnsches Feld durch Flußleitstücke erzeugt. Die Radialkräfte können durch gegenüberliegende Magnetlager entsprechend erhöht werden 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. Die Feldlinien eines jeden Lagers können durch geeignete Flußführung auch in sich selbst geschlossen werden.
Der Rotor 1 besteht aus einem schmelztexturierten Hochtemperatur-Supraleiter- Material, abgekürzt HTSL. 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.
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 sollte, daß sie ein entsprechendes Spiel der Welle 5 zuläßt. An der Abtriebsseite würde eine entsprechende Kopplung vorzusehen sein, die das Spiel erlaubt.
Figur 2a veranschaulicht einen topfförmigen Läufer 10, der einen äußeren Mantel an HTSL-Material hat. Der Anteil des HTSL-Materials besteht aus einer vergleichsweise dünnen Wandlage 10a, die zylindrisch ist, und einem vergleichsweise dicken
Bodenbereich 10b, um den topfförmigen Läufer 10 auszubilden. Innen ist der Läufer mit Eisen aufgefüllt, so daß er im wesentlichen außenseitig aus HTSL-Material besteht.
Ersichtlich an der Figur 2a sind die Statorblech-Pakete 3 mit den Wickelköpfen 3a, 3b, wie schematisch schon in Figur 1 veranschaulicht. Deutlicher wird an der Figur 2a die Art und Weise der Lagerung des Läufers 10.
In dem gezeigten Beispiel ist eine senkrecht stehende Variante gewählt. Der Boden 10b ist gegenüber der Zylinderwand 10a deutlich stärker, er ist mindestens doppelt so stark ausgebildet. Der zylindrische Kern des HTSL-Läufers besteht aus einem weichmagnetischen Material, z.B. Eisen. Die Lagerung erfolgt im unteren Bereich des topfförmigen Läufers 10, dort wo der Boden 10b ist, durch einen vorzugsweise ringförmigen Permanentmagnet 20b, der stirnseitig zum Boden ausgerichtet ist und durch einen ebenfalls vorzugsweise ringförmigen radialen Magneten 20a, der einen größeren Durchmesser hat, als der zuvor erwähnte Magnet 20b, dennoch auch im Bodenbereich 10b des HTSL-Läufers angeordnet ist, jedoch axial gering versetzt. Die beiden am Umfang und an der Stirnseite lagernden Permanentmagnete 20a, 20b haben vorzugsweise entgegengesetzte Polarität und sind vorteilhaft über einen ringförmigen Verbindungsbereich 20c aus HTSL-Material verbunden.
In Figur 2c ist das Lager deutlicher dargestellt. An Figur 2c ist auch ersichtlich, daß der am Umfang lagernde Permanentmagnet 20a in nochmals zwei Permanentmagnetringe 20a' und 20a" gesplittet werden kann, um zwischen diesen beiden ringförmigen Permanentmagneten eine Schicht aus HTSL vorzusehen. Die Achse 100 gibt eine Orientierung hinsichtlich der Figur 1.
Am oberen Ende des topfförmigen Läufers 10 sind ebenfalls zwei beabstandete, vorzugsweise ringförmige Permanentmagnete 21a,21b in Figur 2a vorgesehen, die ähnlich der geteilten Ringmagnet-Anordnung 20a' und 20a" am Boden eine umfängliche Lagerung erreichen. Die Ringe am oberen Ende des topfförmigen Läufers 10 haben entgegengesetzte Polarität, auch zwischen Ihnen kann eine HTSL-Zwischenlage vorgesehen werden.
Zuvor war erwähnt, daß der Mantel 10a des Läufers zumindest innerhalb des axialen Bereiches des Stators 3 eine sehr geringe Wanddicke hat, z.B. etwa zwischen 5%, 10% und 15% des Durchmessers des Läufers 10. Die stirnseitige HTSL-Schicht, die gemäß Figur 2b an beiden Enden des topfförmigen Läufers 10 angebracht ist, dient der Erhöhung der Lagertragkraft und der Lagerstabilität, womit die dortigen HTSL-Schirme 10b, 10c deutlich verstärkt sind.
In Figur 3 ist ein HTSL-Kugellager gezeigt, bei dem ein kugelförmiger Läufer 50 aus HTSL-Material vorgesehen ist. Er wird in einer topfförmigen Lagerung gehalten, mit einem radial wirkenden Permanentmagnet 52b, der als Ring ausgestaltet ist und einem kalottenförmig ausgestalteten Tragmagnet 52a, der unterhalb der Läuferkugel 50 angeordnet ist. Beide Magnete 52a, 52b sind in einem Tragkörper 51 angeordnet und können durch einen HTSL-Ring 53 magnetisch abgeschirmt sein. Der horizontal liegende Lagerring 52b, der an die Kugeloberfläche mit seiner Innenwandung eng angepaßt sein kann, dient der seitlichen Führung der Läuferkugel 50. Die vertikale Führung, das Tragen der Kugel 50, übernimmt der Tragmagnet 52a in dem Haltekörper 51. Obgleich die beiden Magnete eng voneinander beabstandet sind, können sie durch den HTSL-Ring 53 voneinander magnetisch geschirmt werden.
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.

Claims

Ansprüche:
1. Elektrische Maschine mit einer Welle (5), einem bewickelten, geblechten Stator (3;3a,3b) zur Ausbildung eines magnetischen Stator-Drehfeldes, sowie einem Läufer (1 ,10), der von dem magnetischen Stator-Drehfeld drehantreibbar ist; dadurch gekennzeichnet, daß
(a) der Läufer (1 ,10) zumindest im äußeren Bereich (10a) im wesentlichen aus einem hochtemperatur-supraleitenden Material (HTSL) besteht, das über eine Kühleinrichtung entsprechend tief kühlbar ist;
(b) der Läufer (1 ,10) mit magnetischen Lagern (2) im Stator-Drehfeld berührungslos drehbar gelagert ist.
2. Maschine nach Anspruch 1 , bei der der Läufer (1) zylindrisch ausgebildet ist, insbesondere aus schmelztexturiertem HTSL-Material mit
Hystereseeigenschaft.
3. Maschine nach einem der vorigen Ansprüche, bei der die magnetischen Lager (2) Permanentmagnete sind, insbesondere ein- oder beidseitig des Läufers angeordnet.
4. Maschine nach Anspruch 3, bei der zumindest eines der Lager (2) ein feststehende Lager (2) zum berührungslos drehbaren Lagern des
Läufers (1 ; Rotor) ist, welches feststehende Lager ringförmig ausgebildet und in axialer Richtung permanent magnetisiert ist.
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.
6. Maschine nach einem der vorigen Ansprüche, bei der die Statorwicklung (3a, 3b) aus einem im wesentlichen supraleitenden Werkstoff besteht.
7. Maschine nach einem der vorigen Ansprüche, die eine Luftspaltwicklung enthält, insbesondere aus einem Hochtemperatur-Supraleiter.
8. Maschine nach einem der vorigen Ansprüche, bei der der Läufer (Rotor; 1) Aussparungen oder Auswölbungen aufweist, die ganz oder teilweise aus Materialien mit anderer magnetischer Eigenschaft ausgefüllt oder ausgebildet sind.
9. Maschine nach Anspruch 8, bei der die Aussparungen oder Auswölbungen Nuten, Ringe, Kerne, geschichtete Scheiben oder Zylinder sind.
10. Maschine nach einem der vorigen Ansprüche, bei der die Erfassung der Drehlage des Läufers (1) berührungslos erfolgt.
11. Maschine nach Anspruch 10, bei der die berührungslos erfaßten Signale zur Erfassung der Läufer-Drehposition zur Impulsgabe für eine Steuerung von
- insbesondere über einen Stromrichter gespeiste - Ständerströme in der Ständerwicklung (3a, 3b) verwendet werden.
12. Maschine nach einem der vorigen Ansprüche, bei der der Läufer (1 ,50) und der Stator (3,52b) kugelförmig bzw. halbkugelförmig ausgebildet sind.
13. Maschine nach Anspruch 12, bei der ein kalottenförmiger Permanent-
Tragmagnet (52a) unterhalb des kugelförmig ausgebildeten Läufers (50) angeordnet ist und ein horizontaler, kalottenförmig ausgestalteter Permanentmagnet-Ring (52b) die seitliche Führung der Läuferkugel (50) übernimmt, wobei zwischen dem Tragmagnet (52a) und dem Seitenführungs- Magnet (52b) ein umlaufender Abschirmung (53) aus HTSL-Material vorgesehen ist.
14. Maschine nach einem der Ansprüche 1 , 8 oder 9, bei welcher der Läufer (1 ,10) für eine senkrecht stehende Bauweise topfförmig (10a, 10b) ausgestaltet ist.
15. Maschine nach Anspruch 8, 9 oder 14, bei der Permanentmagnete zur Lagerung des Läufers (1 ,10) vorgesehen sind, wobei zwei Permanentmagnet- Ringkörper (21a, 21b) vorzugsweise entgegengesetzter Polarität am oberen Randbereich des topfförmigen Läufers (10) umfänglich lagernd angebracht sind.
16. Maschine nach Anspruch 14 oder 15, bei der am unteren Randbereich (10b) des topfförmigen Läufers (10) ein umfänglich lagernder Permanentmagnet- Ring (20a) vorgesehen ist und insbesondere ein stirnseitig zum Boden (10b) des Läufers (10) ausgerichteter Permanentmagnet (20b) vorgesehen ist, dessen Durchmesser geringer ist, als derjenige des zuvor erwähnten
Permanentmagnet-Rings (20a).
17. Maschine nach Anspruch 16, bei der zwischen den zwei im Bodenbereich (10b) des topfförmigen Läufers (10a) angeordneten Permanentmagnet-Ringen (20a, 20b) eine vorzugsweise ringförmige
Abschirmung (20c) angebracht ist.
18. Maschine nach Anspruch 16 oder 17, bei der die im Bodenbereich angeordneten Permanentmagnetlager (20a,20b) unterschiedliche Polarität zur besseren Flußführung haben.
19. Maschine nach einem der Ansprüche 8, 9 oder 14 bis 18, bei der im Bereich des Stators (3) die Stärke des HTSL-Materials im Läufer (10) dünn ist, insbesondere im Bereich zwischen 5% und 15% des Durchmessers des Läufers.
20. Maschine nach Anspruch 19, bei der der Bodenbereich (10b) des Läufers (10) deutlich stärker, als die Wandstärke des dünnen Wandbereiches (10a) im Statorbereich ist.
21. Maschine nach Anspruch 20, bei der der topfförmige Läufer (10) an beiden Stirnseiten einen verstärkten HTSL-Stimbereich (10b, 10c) hat.
22. Maschine nach Anspruch 1 , bei der der Läufer im äußeren radialen Zylinderbereich (10a) im wesentlichen aus HTSL-Material besteht, insbesondere im wesentlichen ganz aus HTSL-Material besteht.
23. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Läufer (10,1) zur Erzielung und Aufrechterhaltung seines hochtemperatur- supraleitenden (HTSL-)Zustandes mit Flüssiggasen, insbesondere
Flüssigstickstoff, Flüssigwasserstoff vorzugsweise durch Aufsprühen gekühlt wird, zur Verringerung der Läuferreibung unter Ausnutzung des Verdampfungswärmeentzuges.
24. Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, deren HTSL-Läufer (1 ,10) während oder nach Eintritt seines supraleitenden Zustandes permanentmagnetisch ganz oder teilweise aufmagnetisiert oder - insbesondere zwecks Feldschwächung - ganz oder teilweise abmagnetisiert wird.
25. Elektrische Maschine oder Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, wobei zwecks Verringerung von Auf- oder Abmagnetisierungsströmen, die normalerweise mittels einzelner oder mehrerer Ständerspulen erfolgen, die eine ganze Läufermagnetpolbreite umfassen, Zusatzspulen ständerseitig geeignet angeordnet sind, die nur einen Teil der Polbreite umfassen, um die gesamte Polbreite nacheinander in Schritten oder bei kontinuierlicher Läuferdrehung zu magnetisieren.
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