WO2008006699A1 - Synchronmaschine mit vom rotor erregten magnetlagern - Google Patents

Synchronmaschine mit vom rotor erregten magnetlagern Download PDF

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WO2008006699A1
WO2008006699A1 PCT/EP2007/056431 EP2007056431W WO2008006699A1 WO 2008006699 A1 WO2008006699 A1 WO 2008006699A1 EP 2007056431 W EP2007056431 W EP 2007056431W WO 2008006699 A1 WO2008006699 A1 WO 2008006699A1
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Peter Kummeth
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • Y02E40/60—Superconducting electric elements or equipment; Power systems integrating superconducting elements or equipment

Definitions

  • the invention relates to a synchronous machine, comprising a mounted against a stator with stator windings in two magnetic bearings rotor with a rotor shaft and a pole core attached thereto, are arranged in the magnetic field generating Erregerspu ⁇ len, which cooperate with the stator windings either for generating a rotation of the rotor or which serve by rotation of the rotor to generate electricity in the stator, each bearing comprises a arranged on or in the stator and cooled by a cryostat first bearing part with a high-temperature superconductor structure and a second rotor-side bearing part, wherein the first bearing part in operation of the bearing with a via a Intermediate space of the first bearing part spaced magnetized second bearing part cooperates for storage.
  • the rotor shaft of such synchronous machines such as Mo ⁇ gates or generators is either offset by the interaction between the stator windings and the excitation coils in a rapid movement or otherwise rotated, so that a current is induced in the stator windings.
  • the rotor shaft is mounted in two magnetic Hochtemperatursupra ⁇ ladder bearings, which are adjacent to the pole core, for example in the radial direction.
  • Such high temperature superconductors comprise a first bearing and a second bearing part, wherein the first bearing part comprises a high-temperature superconductor structure ⁇ which (T c) is cooled by means of a cryostat below the critical temperature so a high-temperature tursupraleiter-bulk material.
  • This ERS te bearing part is arranged in the synchronous machine of the type mentioned ge ⁇ on the stator and cooperates with a second bearing part, which is spaced through a clearance from the latter.
  • the second bearing part is at least operation of the bearing magnetized, wherein the magnetic field is introduced into the space. A radial movement of the second bearing part will accordingly lead to a change in the magnetic field within the high-temperature superconductor structure.
  • the second bearing part for example Permanentmag ⁇ items, in particular of NdFeB can be used.
  • the magnetic ⁇ quality, in particular the ma ⁇ ximal by such permanent magnet achievable magnetic field is, however, limited so that the capacity and performance of the high-temperature supra-conductor ⁇ bearing is limited.
  • the materiality ⁇ lien of the permanent magnets, in particular NdFeB often as brittle prove, so that the maximum achievable Rotationsge ⁇ speed is limited.
  • it has been proposed to provide additional bandages on the second bearing part which, however, disadvantageously represent an additional component which also increases the distance between the first bearing part and the second bearing part.
  • the invention is therefore based on the object to provide a demge ⁇ genüber improved way to magnetize the two ⁇ th bearing part.
  • the losses of the high-temperature superconductor bearings are no longer determined by the homogeneity of the permanent magnet magnetization ⁇ in the circumferential direction, so that low-loss high-temperature superconductor bearings can be realized.
  • the commissioning of the synchronous machine according to the invention can then be done in several steps. First of all, the rotor shaft must be picked up and held by a holding device before the magnetic bearings are put into operation. For commissioning, the first bearing parts are then cooled first. After the temperature of the Hochtemperatursupralei ⁇ ter Vietnamese has fallen below the critical temperature, the excitation coils are energized in the pole core. As a result, the magnetic field is generated, and the magnetic flux magnetic siert the second bearing parts. As a result, the magnetic bearing is automatically activated by the energization of the excitation coils, so that the holding device can be removed. Thereafter, the synchronous machine can be put into operation accordingly.
  • stator windings When operated as a motor, the stator windings are supplied with a current that generates a rotating field. This drives the rotor shaft. When operating as Ge ⁇ nerator the rotor is driven and a corresponding current is induced in the stator windings.
  • the rotor shaft of the synchronous machine advantageously does not have to be moved.
  • the bearing is automatically put into operation when the exciting coils are energized.
  • the high-temperature superconductor structure is exposed to a large change in the magnetic field upon activation of the bearing.
  • the second bearing members may be formed of Pol ⁇ core discs, for example, the section on the Flusszu arrangementsab- are coupled to the pole core.
  • the coupling of the second bearing parts which are naturally made of a magnetizable material, preferably the same material as the pole core, via which also magnetizable, so flux conducting flux feed sections which are angekop ⁇ pelt on the pole-carrying areas of the pole core before ⁇ preferably. These are areas in which a particularly large magnetic flux occurs, so when energizing the excitation coils, the areas in which form the north or the south pole of the pole core.
  • the pole core, the flux supply sections and the Polkern- disks may form a one-piece component or be connected by means of fastening elements.
  • a one-piece component it is ensured that a good flux conduction through the magnetizable material also to the Polin is guaranteed.
  • the production of such a one-piece component can, for example, be effected by producing the complete component by means of a suitable mold, but it is also conceivable to subsequently weld the individual parts or mill them out of solid material.
  • the second bearing part has a greater distance to the pole core than the width of the intermediate space between the first and the second bearing part. In this way it is prevented that a magnetic short circuit zwi ⁇ rule forms the second bearing part, in particular the Polkernfrac, and the pole core, whereby the derived magnetic flux would not escape through the gap, but would be recycled back into the pole core, so that Compliance with the mentioned spacing criteria a high load capacity is guaranteed.
  • the rotor shaft can be configured in various ways.
  • the flow supply section also forms a load-bearing connection between the second bearing part and the pole core, so that it is sufficient to use a non-continuous rotor shaft, which is respectively connected to the second bearing parts.
  • a continuous rotor shaft is used, which is then connected in particular both with the second bearing parts as well as directly with the pole core.
  • the rotor shaft is formed nonmagnetic, so that a magnetic short circuit on the rotor shaft is prevented.
  • the Flusszu operationsab- sections are only in certain areas for communicating the POI core provided to the second bearing part, where a magneti ⁇ shear flow can be discharged.
  • the flux supply sections are mirror-symmetrical are arranged to the radial plane of the rotor shaft.
  • the flux supply sections are arranged point-symmetrically with respect to the center point of the pole core. Then, at similarly located exciting coils flow once flow from the region of the south pole is once out of the range of the North Pole, istlei ⁇ tet. This embodiment is particularly advantageous since imbalances on the rotor are counteracted.
  • the excitation coils are formed superconducting. It can then be provided that the superconducting excitation coils are arranged in at least one arranged within the pole core ⁇ th or at least surrounding the pole core cryostat. It is preferred that the cryostat for the excitation coils is disposed within the pole core, since then reaches a smaller distance between the stator windings and the rotor or first bearing part and second bearing part who ⁇ can and a lower cooling capacity is a total required lent. In both cases mentioned so far, the cryostat rotates as part of the rotor. However, it is also conceivable to use a fixed, surrounding the rotor assembly cryostat.
  • a seal of a coolant supply and a coolant discharge can be implemented particularly advantageously by a ferrofluid arranged on the rotor shaft and held stationary by a magnetic field.
  • a ferrofluid is consultedd ⁇ Lich a magnetic liquid, which are stationary positioned accurately due to correspond ⁇ of the magnetic fields, which can be generated for example by a Perma ⁇ mag- nets or a magnetic field generating means.
  • ferrofluids have a low friction, so that the losses caused by them are kept low.
  • a coolant supply region in which the coolant can penetrate through at least one opening in the rotor shaft from the outside into the rotor shaft.
  • This feed area is secured on both sides by a ferrofluid seal against leaks. This also applies to the discharge area, in which the coolant can escape through openings in gaseous form.
  • the tubes can advantageously be arranged concentrically in the rotor shaft, wherein an inner tube is surrounded by an outer tube. Both tubes are part of the Sta ⁇ sector here.
  • the seal can then be done via ferrofluids, in particular via a Ferrofluidwind give advantage.
  • a power supply to the exciter coils is provided via an electrically conductive connection generated via slip rings between a rotor arranged inside and a stationary electrical conductor.
  • a small area of the slip ring coupling of ⁇ is usually sufficient.
  • an excitation coupling device may be used. In this case, no connection between the rotor shaft side arranged conductor and the fixed conductor is necessary, since the current is transmitted here via a changing electromagnetic field, for example in the manner of a transformer.
  • FIG. 1 shows a cross section through a synchronous machine according to a first embodiment
  • FIG 3 shows a cross section through a synchronous machine according to a third embodiment.
  • Fig. 1 shows the cross section through an inventive Syn ⁇ chronmaschine 1.
  • a stator 2 which consists for example of iron, the stator windings 3 are provided, and each having a first, annular bearing part 4 for two magnetic high-temperature superconductor bearings in which the rotor is mounted.
  • the first bearing part 4 comprises a high-temperature superconductor structure 6 located within a cryostat 5.
  • the rotor is rotatable about a rotation axis 7 and comprises a rotor shaft 8, a pole core 9 having therein the excitation coils 10, flux feed sections 11 and second La ⁇ Gert ropes 12.
  • the pole core 9, the flux feed sections 11 and the second bearing parts 12 are in this case as an integral Part formed, which is generally made of a material ⁇ , the good magnetic flux line properties ⁇ has.
  • the entire rotor arrangement is accommodated in a further cryostat 13, since the exciter coils 10 are designed to be superconducting.
  • the magnetic field is also used for operation of the by the first bearing part 4 and the second bearing portion 12 formed ⁇ netic bearing.
  • the magnetic field is also used for operation of the by the first bearing part 4 and the second bearing portion 12 formed ⁇ netic bearing.
  • the magnetic field is also used for operation of the by the first bearing part 4 and the second bearing portion 12 formed ⁇ netic bearing.
  • the magnetized second bearing parts 12 cooperate with the first bearing parts 4 spaced apart via gaps and the cryostat 13. Any radial movement of the second bearing part 12 has a corrective force a result, as is known in high tempera ⁇ tursupraleiterlagern.
  • the width b of the intermediate space is therefore smaller than the distance a between the second bearing parts 12 designed as pole core disks and the pole core 9, so that a magnetic short circuit with the pole core 9 can not occur.
  • a short circuit on the rotor shaft 8 is excluded ⁇ out, as this in this embodiment is not formed continuously, therefore, only directly connected to the pole piece designed as a second bearing member 12 is connected.
  • the surface of the second bearing part 12 is provided in the region of the gap with groove-like recesses 17, so that a tooth-like outer surface profile 18 results. Since ⁇ by the escaping into the gap and entering the ers ⁇ te bearing part 4 magnetic field in the axial direction inhomogeneous, so that a magnetic field change in the high-temperature superconductor structure 6 results in axial displacement of the rotor, thereby also arise in this case restoring forces, which provide for an axial bearing stiffness.
  • the cryostat is firmly connected to the rotor shaft 8.
  • a slip ring 21 is indicated via which a elekt ⁇ driven conductive connection for transmission of electric current to the exciting coils allows 10th
  • an excitation coupling device would be conceivable, via which the current is transmitted contactlessly by means of electromagnetic Fel ⁇ on a located in the rotor shaft 8 conductor.
  • section 27 a section through the rotor shaft 8 designed as a hollow shaft is shown.
  • two concentric, fixed tubes 16 which serve to supply or discharge coolant, are visible.
  • the outer tube is sealed with a ferrofluid feedthrough 28 against the rotating inner side of the rotor shaft 8.
  • Fig. 2 shows another embodiment of a synchronizer ⁇ machine 1 ', in which the rotor shaft 8' is formed continuously. This means that it is connected both to the pole core 9 and to the second bearing parts 12 designed as pole core disks. In this case, the rotor shaft 8 'is formed unmagne ⁇ table, so that it can not come about the rotor shaft 8' to a magnetic short circuit between the second bearing parts 12 and the pole core 9.
  • cryostats 13 ' are provided in the interior of the pole core 9, which immediately surround the exciter coils 10.
  • the coolant supply and removal in the rotated rotor shaft 8 ' is shown schematically in Fig. 2 right.
  • the rotor shaft 8 'in each case encompasses a coolant supply opening 22 connected to the corresponding line and a coolant discharge opening 23.
  • a coolant supply 24 and a coolant discharge 25 are guided in each case. Both the coolant supply and the coolant discharge are sealed by seals formed from ferrofluid 26. Liquid coolant is supplied via the coolant supply 24; by means of the coolant discharge opening 23, gaseous coolant can be discharged through the coolant discharge 25.
  • the coolant supply or removal can take place concentrically in the tubes arranged as a hollow shaft rotor shaft.
  • the pipes are the pipes.
  • the outermost tube is then sealed with a ferrofluid rotary feedthrough against the rotating inside of the hollow shaft.
  • a non-contact excitation coupling device 29 consisting of a rotor shaft-side component and a stator-side component is indicated for current transmission, via which current can be transmitted to the rotor in the manner of a transformer.
  • a non-contact excitation coupling device 29 consisting of a rotor shaft-side component and a stator-side component is indicated for current transmission, via which current can be transmitted to the rotor in the manner of a transformer.
  • slip rings is possible.
  • FIG. 3 shows a third embodiment of an inventions ⁇ to the invention synchronous machine 1 ''.
  • the flux feed sections 11 'here symmetrically to the radial plane 19 of the pole core 9 ⁇ assigns, that is, both flow supply sections 11' lead magnetic flux from the region of the north pole of the pole core 9 at energized excitation coils 10 in the second bearing parts 12 from.
  • FIG. 3 also shows a holding device 20 which can be used to hold the rotor when the exciter coils 10 are switched off.

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Abstract

Supraleitende Synchronmaschine mit supraleitendem Magnetlager. Ein statorseitiger Supraleiter (6) als erstes Lagerteil steht einem rotorseitigen, zweitem Lagerteil (12) gegenüber, der über einen Flusszuführungsabschnitt (11) mit dem Polkern (9) des Rotors magnetisch und mechanisch verbunden ist. Eine supraleitende Erregerspule (10) im Rotorpolkern (9) erregt sowohl den Polkern (9) als auch das zweite Lagerteil (12). Zur Kühlung der supraleitenden Erregerspule (10) dienen Kühlmittelzuführungen (16, 16', 24, 25), die gegenüber der Rotorwelle (8, 8') mit Ferrofluid-Dichtungen (26) abgedichtet sind. Die Stromzuführung für die Erregerspule geschieht über Schleifringe (21) oder durch induktive Einkopplung (29) an der Rotorwelle (8').

Description

Beschreibung
SYNCHRONMASCHINE MIT VOM ROTOR ERREGTEN MAGNETLAGERN
Die Erfindung betrifft eine Synchronmaschine, umfassend einen gegen einen Stator mit Statorwicklungen in zwei magnetischen Lagern gelagerten Rotor mit einer Rotorwelle und einem daran befestigtem Polkern, in dem magnetfelderzeugende Erregerspu¬ len angeordnet sind, die mit den Statorwicklungen entweder zur Erzeugung einer Drehung des Rotors zusammenwirken oder die durch Drehung des Rotors zur Stromerzeugung im Stator dienen, wobei jedes Lager ein an oder in dem Stator angeordnetes und mittels eines Kryostats gekühltes erstes Lagerteil mit einer Hochtemperatursupraleiterstruktur und ein zweites rotorseitiges Lagerteil umfasst, wobei das erste Lagerteil bei Betrieb des Lagers mit dem über einen Zwischenraum von dem ersten Lagerteil beabstandeten magnetisierten zweiten Lagerteil zur Lagerung zusammenwirkt.
Die Rotorwelle solcher Synchronmaschinen, beispielsweise Mo¬ toren oder Generatoren, wird entweder durch die Wechselwirkung zwischen den Statorwicklungen und den Erregerspulen in eine schnelle Bewegung versetzt oder anderweitig gedreht, so dass ein Strom in den Statorwicklungen induziert wird. Um ei- ne möglichst verlustfreie, passive Lagerung zu ermöglichen, ist die Rotorwelle in zwei magnetischen Hochtemperatursupra¬ leiterlagern gelagert, die beispielsweise in radialer Richtung dem Polkern benachbart sind.
Solche Hochtemperatursupraleiterlager umfassen ein erstes und ein zweites Lagerteil, wobei das erste Lagerteil eine Hoch¬ temperatursupraleiterstruktur umfasst, also ein Hochtempera- tursupraleiter-Bulkmaterial, welches mittels eines Kryostats unter die kritische Temperatur (Tc) gekühlt wird. Dieses ers- te Lagerteil ist bei der Synchronmaschine der eingangs ge¬ nannten Art am Stator angeordnet und wirkt mit einem zweiten Lagerteil zusammen, das über einen Zwischenraum von diesem beabstandet ist. Das zweite Lagerteil ist zumindest im Be- trieb des Lagers magnetisiert , wobei das Magnetfeld in den Zwischenraum eingeleitet wird. Eine radiale Bewegung des zweiten Lagerteils wird demnach zu einer Veränderung des Magnetfeldes innerhalb der Hochtemperatursupraleiterstruktur führen. Da Supraleiter jedoch (annähernd) ideale Leiter sind, entsteht eine rücktreibende Kraft, die diese Magnetfeldände¬ rung zu verhindern bzw. rückgängig zu machen sucht. Dadurch wird das zweite Lagerteil und somit die Rotorwelle in der ur¬ sprünglich eingestellten Position gehalten.
Für das zweite Lagerteil können beispielsweise Permanentmag¬ nete, insbesondere aus NdFeB, verwendet werden. Die Magnet¬ qualität, insbesondere das durch solche Permanentmagneten ma¬ ximal erreichbare Magnetfeld, ist jedoch begrenzt, wodurch die Tragkraft und Leistungsfähigkeit des Hochtemperatursupra¬ leiterlagers limitiert ist. Zudem erweisen sich die Materia¬ lien der Permanentmagneten, insbesondere NdFeB, häufig als spröde, so dass auch die maximal erreichbare Rotationsge¬ schwindigkeit beschränkt ist. Hierzu wurde vorgeschlagen, zu- sätzliche Bandagen am zweiten Lagerteil vorzusehen, die jedoch nachteilhafterweise ein zusätzliches Bauteil darstellen, das zudem den Abstand zwischen erstem Lagerteil und zweitem Lagerteil erhöht.
Alternativ wurde vorgeschlagen, statt der Permanentmagnete supraleitende Spulen in dem zweiten Lagerteil zu verwenden. Diese supraleitenden Spulen müssen jedoch zusätzlich gekühlt werden, so dass ein zusätzlicher Aufwand entsteht und zusätzliche Reibungsverluste auftreten, da das Kühlmittel und ein Stromanschluss zu diesen Spulen geführt werden muss.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine demge¬ genüber verbesserte Möglichkeit zur Magnetisierung des zwei¬ ten Lagerteils anzugeben.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einer Synchronmaschine der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass ein mittels der Erregerspulen erzeugter magnetischer Fluss durch einen Flusszuführungsabschnitt in das axial vom Polkern beabstandete zweite Lagerteil ableitbar ist.
Erfindungsgemäß wird dementsprechend vorgeschlagen, einen Teil des bei Betrieb durch die Erregerspulen ohnehin erzeug¬ ten magnetischen Flusses dem zweiten Lagerteil zuzuführen, um dieses zu magnetisieren und den erforderlichen Magnetfluss in den Zwischenraum einzuleiten.
Zur Magnetfelderzeugung in dem zweiten Lagerteil werden dementsprechend keine zusätzlichen, ein Magnetfeld erzeugenden Komponenten mehr benötigt, da das ohnehin von den Erregerspulen erzeugte Magnetfeld sowohl für die Zwecke des Antriebs als auch für die Zwecke der Lagerung genutzt wird. Dement- sprechend entfällt die Notwendigkeit des Einbringens von Per¬ manentmagneten, das bedeutet, die Leistung und Tragfähigkeit des Lagers wird nicht mehr durch die Magnetqualität, die ma¬ ximale Rotationsgeschwindigkeit nicht mehr durch die Sprödig- keit des Permanentmagneten limitiert. Ferner entfällt das Einbringen von zusätzlichen supraleitenden Spulen in das zweite Lagerteil, das bedeutet, es wird teures supraleitendes Bandleitermaterial eingespart und die zusätzliche Kühlein¬ richtung entfällt mit den supraleitenden Lagerspulen.
Weiterhin werden die Verluste der Hochtemperatursupraleiterlager nicht mehr durch die Homogenität der Permanentmagnet¬ magnetisierung in Umfangsrichtung bestimmt, so dass verlustärmere Hochtemperatursupraleiterlager realisiert werden.
Die Inbetriebnahme der erfindungsgemäßen Synchronmaschine kann dann in mehreren Schritten geschehen. Zunächst muss vor Inbetriebnahme der magnetischen Lager die Rotorwelle durch eine Halterungsvorrichtung aufgenommen und gehaltert werden. Zur Inbetriebnahme werden dann zunächst die ersten Lagerteile gekühlt. Nachdem die Temperatur der Hochtemperatursupralei¬ terstruktur unter die kritische Temperatur abgefallen ist, werden die Erregerspulen im Polkern bestromt. Dadurch wird das Magnetfeld erzeugt, und der magnetische Fluss magneti- siert die zweiten Lagerteile. Hierdurch wird das Magnetlager automatisch durch die Bestromung der Erregerspulen aktiviert, so dass die Haltevorrichtung entfernt werden kann. Danach kann die Synchronmaschine entsprechend in Betrieb genommen werden. Bei einem Betrieb als Motor werden die Statorwicklungen mit einem Strom beaufschlagt, der ein Drehfeld erzeugt. Dadurch wird die Rotorwelle angetrieben. Beim Betrieb als Ge¬ nerator wird der Rotor angetrieben und ein entsprechender Strom wird in den Statorwicklungen induziert.
Zur Aktivierung des magnetischen Lagers muss die Rotorwelle der Synchronmaschine vorteilhafterweise nicht bewegt werden. Das Lager wird automatisch bei Bestromung der Erregerspulen in Betrieb genommen. Bei der beschriebenen Aktivierung des Hochtemperatursupraleiterlagers werden hohe Tragkräfte er¬ reicht, da die Hochtemperatursupraleiterstruktur vor der Inbetriebnahme keinem Magnetfeld ausgesetzt ist. Daher ist die Hochtemperatursupraleiterstruktur bei der Aktivierung des Lagers einer großen Änderung des Magnetfeldes ausgesetzt.
Konkret können die zweiten Lagerteile beispielsweise von Pol¬ kernscheiben gebildet werden, die über den Flusszuführungsab- schnitt mit dem Polkern gekoppelt sind. Die Ankopplung der zweiten Lagerteile, die selbstverständlich aus einem magneti- sierbaren Material bestehen, vorzugsweise demselben Material wie der Polkern, erfolgt über die ebenfalls magnetisierbaren, also magnetflussleitenden Flusszuführungsabschnitte, die vor¬ zugsweise an den poltragenden Bereichen des Polkerns angekop¬ pelt sind. Das sind Bereiche, in denen ein besonders großer magnetischer Fluss auftritt, also bei Bestromung der Erregerspulen die Bereiche, in denen sich der Nord- bzw. der Südpol des Polkerns ausbilden.
Der Polkern, die Flusszuführungsabschnitte und die Polkern- Scheiben können ein einstückiges Bauteil bilden oder mittels Befestigungselementen verbunden sein. Bei der Ausführung als einstückiges Bauteil ist sichergestellt, dass eine gute Flussleitung durch das magnetisierbare Material auch zu den Polscheiben gewährleistet ist. Die Fertigung eines solchen einstückigen Bauteils kann beispielsweise durch Herstellen des kompletten Bauteils mittels einer geeigneten Form erfolgen, es ist jedoch auch denkbar, die einzelnen Teile nach- träglich zu verschweißen oder aus Massivmaterial heraus zu fräsen .
Zweckmäßigerweise weist das zweite Lagerteil einen größeren Abstand zu dem Polkern auf als die Breite des Zwischenraums zwischen dem ersten und dem zweiten Lagerteil. Auf diese Art wird verhindert, dass sich ein magnetischer Kurzschluss zwi¬ schen dem zweiten Lagerteil, insbesondere der Polkernscheibe, und dem Polkern bildet, wodurch der abgeleitete magnetische Fluss nicht durch den Zwischenraum austreten würde, sondern wieder in den Polkern rückgeführt würde, so dass durch Einhaltung der genannten Beabstandungskriterien eine hohe Tragkraft gewährleistet wird.
Auch die Rotorwelle kann auf verschiedene Weise ausgestaltet sein. Zum einen ist denkbar, dass der Flusszuführungsab- schnitt auch eine tragende Verbindung zwischen dem zweiten Lagerteil und dem Polkern bildet, so dass es ausreichend ist, eine nicht durchgängige Rotorwelle zu verwenden, die jeweils mit den zweiten Lagerteilen verbunden ist. Es ist jedoch auch denkbar, dass eine durchgängige Rotorwelle verwendet wird, die dann insbesondere sowohl mit den zweiten Lagerteilen als auch unmittelbar mit dem Polkern verbunden ist. In diesem Falle ist die Rotorwelle unmagnetisch ausgebildet, so dass auch ein magnetischer Kurzschluss über die Rotorwelle verhin- dert wird.
Während die zweiten Lagerteile selbstverständlich rotations¬ symmetrisch ausgeführt sind, sind die Flusszuführungsab- schnitte nur in bestimmten Bereichen zur Verbindung des PoI- kerns mit dem zweiten Lagerteil vorgesehen, wo ein magneti¬ scher Fluss abgeführt werden kann. In diesem Falle sind zwei verschiedene Ausgestaltungen denkbar. So kann vorgesehen sein, dass die Flusszuführungsabschnitte spiegelsymmetrisch zur Radialebene der Rotorwelle angeordnet sind. Bei der Ver¬ wendung einer Erregerspule, deren Achse üblicherweise in die¬ ser Radialebene liegt, bedeutet dies, dass über beide Fluss- zuführungsabschnitte magnetischer Fluss vom Nordpol oder dem Südpol des im Polkern bei bestromten Erregerspulen vorhandenen Feldes abgeleitet wird. Aufgrund der Unabhängigkeit der beiden Lager ist dies jedoch nicht relevant für deren Tragfä¬ higkeit. Alternativ kann auch vorgesehen sein, dass die Flusszuführungsabschnitte punktsymmetrisch gegenüber dem Mit- telpunkt des Polkerns angeordnet sind. Dann wird bei ähnlich angeordneten Erregerspulen einmal Fluss aus dem Bereich des Nordpols, einmal Fluss aus dem Bereich des Südpols abgelei¬ tet. Diese Ausführungsform ist besonders vorteilhaft, da Un- wuchten am Rotor entgegengewirkt wird.
Zusätzlich zu der radialen Lagerung des Rotors ist auch eine axiale Lagerung wünschenswert. Daher kann mit besonderem Vorteil vorgesehen sein, dass zur Inhomogenisierung des Magnetfelds in axialer Richtung ein Vertiefungen aufweisendes Au- ßenflächenprofil des zweiten Lagerteils vorgesehen ist. Durch diese Profilierung des zweiten Lagerteils, insbesondere der Polscheibe, wird also erreicht, dass der magnetische Fluss nicht gleichmäßig in den Zwischenraum austritt, sondern dass es in axialer Richtung zu Flussveränderungen kommt. Dann kommt es jedoch auch bei einer axialen Verschiebung des Rotors innerhalb der Hochtemperatursupraleiterstruktur zu Feldveränderungen, denen durch entsprechende Kräfte entgegenge¬ wirkt wird. Es wird neben der radialen auch eine axiale La¬ gersteifigkeit erreicht. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass an der Außenfläche des zweiten Lagerteils wenigstens ei¬ ne umlaufende Vertiefungsrille ausgebildet ist, so dass sich ein zahnartiges Außenflächenprofil ergibt.
Häufig sind auch die Erregerspulen supraleitend ausgebildet. Dann kann vorgesehen sein, dass die supraleitenden Erregerspulen in wenigstens einem innerhalb des Polkerns angeordne¬ ten oder einem zumindest den Polkern umgebenden Kryostat angeordnet sind. Dabei wird vorgezogen, dass das Kryostat für die Erregerspulen innerhalb des Polkerns angeordnet ist, da dann ein geringerer Abstand zwischen Statorwicklungen und Rotor bzw. erstem Lagerteil und zweitem Lagerteil erreicht wer¬ den kann und eine geringere Kühlleistung insgesamt erforder- lieh ist. In beiden bislang genannten Fällen rotiert das Kry- ostat als Teil des Rotors mit. Es ist jedoch auch denkbar, einen feststehenden, die Rotoranordnung umgebenden Kryostaten zu verwenden.
Für eine Kühlmittelzuführung/Kühlmittelabführung sollte eine möglichst reibungsarme Dichtung vorgesehen sein. Besonders vorteilhaft kann eine solche Dichtung einer Kühlmittelzuführung und einer Kühlmittelabführung durch ein auf der Rotorwelle angeordnetes, durch ein Magnetfeld ortsfest gehaltenes Ferrofluid verwirklicht werden. Ein Ferrofluid ist letztend¬ lich eine magnetische Flüssigkeit, die aufgrund entsprechen¬ der Magnetfelder, welche beispielsweise mittels eines Perma¬ nentmagneten oder einer ein Magnetfeld erzeugenden Einrichtung erzeugt werden können, ortsgenau positioniert werden. Zudem weisen solche Ferrofluide eine geringe Reibung auf, so dass die durch sie verursachten Verluste gering gehalten sind. Im Falle einer Kühlmittelzuführung ist dabei ein Kühlmittelzuführungsbereich vorgesehen, in dem das Kühlmittel durch wenigstens eine Öffnung in der Rotorwelle von außen in die Rotorwelle eindringen kann. Dieser Zuführungsbereich wird beidseitig durch eine Ferrofluid-Abdichtung gegen Lecks gesichert. Das gilt auch für den Abführungsbereich, in welchem das Kühlmittel durch Öffnungen gasförmig entweichen kann.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind zur Kühlmittel¬ zuführung und -abführung feststehende, innerhalb der als Hohlwelle ausgebildeten Rotorwelle geführte Rohre vorgesehen. Die Rohre können dabei vorteilhafterweise konzentrisch in der Rotorwelle angeordnet sein, wobei ein inneres Rohr von einem äußeren Rohr umgeben ist. Beide Rohre sind hier Teil des Sta¬ tors. Auch hier kann die Abdichtung dann über Ferrofluide, insbesondere über eine Ferrofluiddrehdurchführung erfolgen. Daneben sollte auch eine möglichst reibungsarme Stromzufüh¬ rung zu den Erregerspulen realisiert werden. Dazu kann vorgesehen sein, dass eine Stromzuführung zu den Erregerspulen ü- ber eine über Schleifringe erzeugte elektrisch leitende Ver- bindung zwischen einem innerhalb des Rotors angeordneten und einem feststehenden elektrischen Leiter vorgesehen ist. Dabei ist meist eine kleinflächige Ankopplung des Schleifrings aus¬ reichend. Alternativ kann eine Erregungskopplungseinrichtung verwendet werden. Dabei ist keinerlei Verbindung zwischen dem rotorwellenseitig angeordneten Leiter und dem feststehenden Leiter notwendig, da der Strom hier über ein sich änderndes elektromagnetisches Feld übertragen wird, beispielsweise nach Art eines Transformators.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den im folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:
Fig. 1 einen Querschnitt durch eine Synchronmaschine gemäß einer ersten Ausführungsform,
Fig. 2 einen Querschnitt durch eine Synchronmaschine gemäß einer zweiten Ausführungsform,
Fig. 3 einen Querschnitt durch eine Synchronmaschine gemäß einer dritten Ausführungsform.
Fig. 1 zeigt den Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Syn¬ chronmaschine 1. An einem Stator 2, der beispielsweise aus Eisen besteht, sind Statorwicklungen 3 vorgesehen und jeweils ein erstes, ringförmiges Lagerteil 4 für zwei magnetische Hochtemperatursupraleiterlager, in denen der Rotor gelagert ist. Das erste Lagerteil 4 umfasst eine innerhalb eines Kry- ostats 5 befindliche Hochtemperatursupraleiterstruktur 6.
Der Rotor ist um eine Rotationsachse 7 drehbar und umfasst eine Rotorwelle 8, einen Polkern 9 mit darin befindlichen Erregerspulen 10, Flusszuführungsabschnitte 11 sowie zweite La¬ gerteile 12. Der Polkern 9, die Flusszuführungsabschnitte 11 und die zweiten Lagerteile 12 sind dabei als einstückiges Bauteil ausgebildet, welches generell aus einem Material be¬ steht, das gute magnetische Flussleitungseigenschaften auf¬ weist. Die gesamte Rotoranordnung ist in einem weiteren Kry- ostaten 13 aufgenommen, da die Erregerspulen 10 supraleitend ausgebildet sind. Werden die Erregerspulen 10 bestromt, so wird ein Magnetfeld erzeugt, das durch die Pfeile 14 symboli¬ siert ist. Im in dieser Stellung des Rotors oberen Bereich des Polkerns bildet sich daher ein Nordpol N aus, im unteren Bereich ein magnetischer Südpol S. Mit diesem Magnetfeld wechselwirkt im Betrieb der Synchronmaschine 1 als Motor ein durch die Statorwicklungen 3 erzeugtes Drehfeld, bzw. das von den Erregerspulen 10 erzeugte Magnetfeld erzeugt beim Betrieb als Generator durch Drehung des Rotors einen Strom in den Statorwicklungen 3.
Das Magnetfeld dient jedoch auch dem Betrieb des durch das erste Lagerteil 4 und das zweite Lagerteil 12 gebildeten mag¬ netischen Lagers. Dazu wird, wie mittels der Pfeile 15 ange¬ deutet, über die punktsymmetrisch zum Mittelpunkt des PoI- kerns 9 angeordneten Flusszuführungsabschnitte 11 magneti¬ scher Fluss von den poltragenden Bereichen des Polkerns 9 in die zweiten Lagerteile 12 abgeleitet. Diese werden folglich bei Betrieb der Erregerspulen 10 magnetisiert . Die magneti- sierten zweiten Lagerteile 12 wirken mit den über Spalte und den Kryostaten 13 beabstandeten ersten Lagerteilen 4 zusammen. Jegliche Radialbewegung des zweiten Lagerteils 12 hat eine korrigierende Kraft zur Folge, wie dies bei Hochtempera¬ tursupraleiterlagern bekannt ist.
Die Bedingung dafür ist jedoch, dass der Fluss, der den zweiten Lagerteilen 12 zugeführt wurde, auch innerhalb des Zwi¬ schenraums zwischen erstem und zweitem Lagerteil austritt. Die Breite b des Zwischenraums ist daher hier kleiner als der Abstand a zwischen den als Polkernscheiben ausgebildeten zweiten Lagerteilen 12 und dem Polkern 9 gewählt, so dass es nicht zu einem magnetischen Kurzschluss mit dem Polkern 9 kommen kann. Ein Kurzschluss über die Rotorwelle 8 ist ohne¬ hin ausgeschlossen, da diese in diesem Ausführungsbeispiel nicht durchgehend ausgebildet ist, demnach nur unmittelbar mit dem als Polkernscheibe ausgebildeten zweiten Lagerteil 12 verbunden ist.
Die Oberfläche des zweiten Lagerteils 12 ist im Bereich des Zwischenraums mit rillenartigen Vertiefungen 17 versehen, so dass sich ein zahnartiges Außenflächenprofil 18 ergibt. Da¬ durch ist das in den Zwischenraum austretende und in das ers¬ te Lagerteil 4 eintretende Magnetfeld in axialer Richtung in- homogen, so dass sich bei axialen Verschiebungen des Rotors eine Magnetfeldänderung in der Hochtemperatursupraleiterstruktur 6 ergibt, wodurch auch in diesem Fall Rückstellkräfte entstehen, die für eine axiale Lagersteifigkeit sorgen.
Der Kryostat ist fest mit der Rotorwelle 8 verbunden. Zudem ist bei 21 ein Schleifring angedeutet, über den eine elekt¬ risch leitende Verbindung zur Übertragung des elektrischen Stromes zu den Erregerspulen 10 ermöglicht ist. Alternativ wäre auch eine Erregungskopplungseinrichtung denkbar, über die der Strom berührungslos mittels elektromagnetischer Fel¬ der auf einen in der Rotorwelle 8 befindlichen Leiter übertragen wird.
Im Bereich 27 ist ein Schnitt durch die als Hohlwelle ausge- bildete Rotorwelle 8 gezeigt. Ersichtlich verlaufen innerhalb der Rotorwelle 8 zwei konzentrische, feststehende Rohre 16, die der Kühlmittelzuführung bzw. -abführung dienen. Das äußere Rohr wird mit einer Ferrofluiddurchführung 28 gegen die rotierende Innenseite der Rotorwelle 8 gedichtet.
Fig. 2 zeigt eine weitere Ausführungsform einer Synchronma¬ schine 1', bei der die Rotorwelle 8' durchgehend ausgebildet ist. Das bedeutet, sie ist sowohl mit dem Polkern 9 als auch mit den als Polkernscheiben ausgebildeten zweiten Lagerteilen 12 verbunden. In diesem Fall ist die Rotorwelle 8' unmagne¬ tisch ausgebildet, so dass es auch über die Rotorwelle 8' nicht zu einem magnetischen Kurzschluss zwischen den zweiten Lagerteilen 12 und dem Polkern 9 kommen kann. Als weiterer Unterschied zur Synchronmaschine 1 ist hier nicht die gesamte Rotoranordnung in einem Kryostaten enthalten, sondern es sind Kryostaten 13' im Inneren des Polkerns 9 vorgesehen, die die Erregerspulen 10 unmittelbar umgeben. Da die Rotorwelle 8' durchgehend ausgebildet ist, ist eine Zu¬ führung des Kühlmittels zu den Kryostaten 13' durch die Ro¬ torwelle 8' in dem Polkern 9 problemlos möglich. Die Kühlmit- telzu- und -abführung in die gedrehte Rotorwelle 8' ist in Fig. 2 rechts schematisch dargestellt. Die Rotorwelle 8' um- fasst jeweils eine mit der entsprechenden Leitung verbundene Kühlmittelzuführungsöffnung 22 und eine Kühlmittelabführungsöffnung 23. Zu diesen sind jeweils eine Kühlmittelzuführung 24 und eine Kühlmittelabführung 25 geführt. Sowohl die Kühlmittelzuführung als auch die Kühlmittelabführung sind über aus Ferrofluid 26 gebildete Dichtungen abgedichtet. Über die Kühlmittelzuführung 24 wird flüssiges Kühlmittel zugeführt, mittels der Kühlmittelabführungsöffnung 23 kann gasförmiges Kühlmittel durch die Kühlmittelabführung 25 abgeleitet werden .
Die Kühlmittelzufuhr bzw. -abfuhr kann wie bezüglich der Synchronmaschine 1 beschrieben in konzentrisch in der als Hohlwelle ausgebildeten Rotorwelle angeordneten Rohren erfolgen. Dabei stehen die Rohre. Das äußerste Rohr wird dann mit einer Ferrofluiddrehdurchführung gegen die rotierende Innenseite der Hohlwelle gedichtet.
Ebenso ist in Fig. 2 eine aus einem rotorwellenseitigen und einem statorseitigen Bestandteil bestehende berührungslose Erregungskopplungseinrichtung 29 zur Stromübertragung angedeutet, über die nach Art eines Transformators Strom auf den Rotor übertragen werden kann. Alternativ ist natürlich auch in diesem Ausführungsbeispiel die Verwendung von Schleifringen möglich.
Fig. 3 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel einer erfin¬ dungsgemäßen Synchronmaschine 1''. Im Unterschied zu den Syn¬ chronmaschinen 1 und 1' sind die Flusszuführungsabschnitte 11' hier symmetrisch zur Radialebene 19 des Polkerns 9 ange¬ ordnet, das bedeutet, beide Flusszuführungsabschnitte 11' führen magnetischen Fluss aus dem Bereich des Nordpols des Polkerns 9 bei bestromten Erregerspulen 10 in die zweiten Lagerteile 12 ab. Fig. 3 zeigt zudem eine Haltevorrichtung 20, die zum Halten des Rotors bei abgeschalteten Erregerspulen 10 verwendet werden kann.

Claims

Patentansprüche
1. Synchronmaschine, umfassend einen gegen einen Stator (2) mit Statorwicklungen (3) in zwei magnetischen Lagern gelagerten Rotor mit einer Rotorwelle (8,8') und einem daran befes¬ tigtem Polkern (9), in dem wenigstens eine magnetfelderzeu¬ gende Erregerspule (10) angeordnet ist, die mit den Stator¬ wicklungen (3) entweder zur Erzeugung einer Drehung des Ro- tors zusammenwirken oder die durch Drehung des Rotors zur
Stromerzeugung im Stator (2) dienen, wobei jedes Lager ein an oder in dem Stator (2) angeordnetes und mittels eines Kry- ostats (5) gekühltes erstes Lagerteil (4) mit einer Hochtem¬ peratursupraleiterstruktur (6) und ein zweites rotorseitiges Lagerteil (12) umfasst, wobei das erste Lagerteil (4) bei Be¬ trieb des Lagers mit dem über einen Zwischenraum von dem ersten Lagerteil (4) beabstandeten magnetisierten zweiten Lagerteil (12) zur Lagerung zusammenwirkt, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass ein mittels der Erre- gerspulen (10) erzeugter magnetischer Fluss durch Flusszufüh- rungsabschnitte (11,11') in die axial vom Polkern (9) beab¬ standeten zweiten Lagerteile (12) ableitbar ist.
2. Synchronmaschine nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die zweiten Lagerteile (12) von einer Polkernscheibe gebildet werden, die über den Flusszuführungsabschnitt (11,11') mit dem Polkern (9) gekop¬ pelt ist.
3. Synchronmaschine nach Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Polkern (9) , die Flusszuführungsabschnitte (11,11') und die Polkernscheiben ein einstückiges Bauteil bilden oder mittels Befestigungsele¬ menten verbunden sind.
4. Synchronmaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das zweite Lagerteil (12) einen größeren Abstand zu dem Polkern (9) aufweist als die Breite des Zwischenraums zwischen dem ersten (4) und dem zweiten Lagerteil (12) .
5. Synchronmaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das zweite Lagerteil (12) mit der unmagnetisch ausgebildeten, auch mit dem Polkern (9) verbundenen Rotorwelle (8') verbunden ist.
6. Synchronmaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Flusszuführungsabschnitte (H') spiegelsymmetrisch zur Radi¬ alebene (19) der Rotorwelle (8, 8') angeordnet sind.
7. Synchronmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Flusszuführungsabschnitte (11) punktsymmetrisch gegenüber dem Mittelpunkt des Polkerns (9) angeordnet sind.
8. Synchronmaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass zur In- homogenisierung des Magnetfelds in axialer Richtung ein Vertiefungen (17) aufweisendes Außenflächenprofil des zweiten Lagerteils (12) vorgesehen ist.
9. Synchronmaschine nach Anspruch 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass an der Außenfläche des zweiten Lagerteils (12) wenigstens eine umlaufende rillenar¬ tige Vertiefung (17) ausgebildet ist, so dass sich ein zahn- artiges Außenflächenprofil (18) ergibt.
10. Synchronmaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die sup¬ raleitenden Erregerspulen (10) in wenigstens einem innerhalb des Polkerns (9) angeordneten oder einem zumindest den Pol¬ kern (9) umgebenden Kryostat (13,13') angeordnet sind.
11. Synchronmaschine nach Anspruch 10, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass zur Dichtung einer Kühlmittelzuführung (24) zum Kryostat (13,13') und einer Kühlmit¬ telabführung (25) vom Kryostat (13,13') ein auf der Rotorwel- Ie (8,8') angeordnetes, durch ein Magnetfeld ortsfest gehal¬ tenes Ferrofluid (16,26) vorgesehen ist.
12. Synchronmaschine nach Anspruch 11, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass zur Kühlmittelzuführung und -abführung feststehende, innerhalb der als Hohlwelle aus¬ gebildeten Rotorwelle (8,8') insbesondere konzentrisch ge¬ führte Rohre (16,16') vorgesehen sind.
13. Synchronmaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass eine
Stromzuführung zu den Erregerspulen (10) über eine über Schleifringe (21) erzeugte elektrisch leitende Verbindung zwischen einem innerhalb des Rotors angeordneten und einem feststehenden elektrischen Leiter vorgesehen ist.
14. Synchronmaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 12, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass zur Stromzuführung zu den Erregerspulen (10) eine berührungslose Erregungskopplungseinrichtung (29) vorgesehen ist.
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