WO2012119895A2 - Rotor für eine synchronmaschine und synchronmaschine - Google Patents

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WO2012119895A2
WO2012119895A2 PCT/EP2012/053399 EP2012053399W WO2012119895A2 WO 2012119895 A2 WO2012119895 A2 WO 2012119895A2 EP 2012053399 W EP2012053399 W EP 2012053399W WO 2012119895 A2 WO2012119895 A2 WO 2012119895A2
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pole
rotor
synchronous machine
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ferromagnetic
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Theodor Salzmann
Michael Frank
Joachim Frauenhofer
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • H—ELECTRICITY
    • 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
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K1/00—Details of the magnetic circuit
    • H02K1/06—Details of the magnetic circuit characterised by the shape, form or construction
    • H02K1/22—Rotating parts of the magnetic circuit
    • H02K1/24—Rotor cores with salient poles ; Variable reluctance rotors
    • 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
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • 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 invention relates to a rotor for a synchronous machine, comprising a base body with at least two through pollué ⁇ CKEN separate poles defining superconducting pole windings.
  • the invention relates to a superconducting synchronous machine with such a rotor which is rotatable against a stator.
  • Requirements for a high overload and dynamic best ⁇ hen particularly in rolling mill drives for example, for reversing roughing stands (reversing roughing mill) and Fertigge ⁇ upgrade (finishing mill) in hot rolling mills, or in reversing cold rolling mills with up-and-off reel (coil to coil reversing Cold mill) as well as in conventional tandem arrangements with respect to the main drives.
  • the Multiple Dogs ⁇ che rated torque must be established within a few milliseconds from idle out, especially the triple nominal torque. Also load surges with multiple nominal torque or load changes from multiple nominal torque within a few mil ⁇ lise Published can occur.
  • a torque-forming stator current component in the pole gap region (q-axis) is first built up from the idling during the desired rapid build-up of the torque.
  • the change of Sta ⁇ torstrombelags is first adopted in accordance with the magnetic coupling of stator and rotor windings of the rotor windings, in this case from the damper screen and the damper cage in Pollücken Symposium.
  • the load angle (rotor angle) starts to open up.
  • the idle ⁇ time constant of the damper winding is the beginning for effective time constant.
  • the thereby increasing Statorstromkompo ⁇ component in the pole region (d-axis) is first of the rotor Windings (pole windings) taken over the d-axis.
  • the regulation now adjusts the excitation current so that the magnetic flux remains constant.
  • stator current ie the torque-forming current component
  • stator current ie the torque-forming current component
  • the magnetic flux in the synchronous machine does not change abruptly.
  • the change in the Statorstrombelags is initially taken over in accordance with the magnetic coupling of stator and rotor windings of the rotor windings. In each case, depending on the previously existing load angle, a specific value is transmitted to the pole gaps and the pole regions. In Polbe ⁇ rich, so the d-axis, parallel to the damper winding and the pole winding.
  • the invention is therefore based on the object to provide a rotor for a superconducting synchronous machine, which allows the realization of a better designed for drives with high overload requirements synchronous machine.
  • a non-ferromagnetic space is provided in the pole gaps in ferromagnetic material in the pole region wherein the ratio of the like ⁇ netic reactance (X q) along the center axis of the pole gaps for magnetic reactance (X d ) is lowered along the center axis of the poles by providing the space and is less than 0.75, preferably less than 0.5.
  • a superconducting synchronous machine turns at Be ⁇ utilization already in principle a much smaller load angle (load angle) compared to the conventional synchronous machine, so that initially a much higher overload capacity is given.
  • the superconducting synchronous machine in particular the Hochtemperatursupralei- ter synchronous machine, targeted in their magnetic properties To execute salient pole machine.
  • the inventive rotor is thus specifically equipped so that it is not everywhere consistently provided outside the through the pole windings partly be ⁇ stored radial range in the circumferential direction, the ferromagnetic material of the base body, but that in the pole gaps areas non-ferromagnetic material, ie non-magnetic material, or vacuum are provided, so that there is therefore a greater ⁇ rer magnetic resistance. That means the geometric configuration is therefore such that a significant additional reluctance occurs. This has the consequence that, with the same load, an even smaller angular displacement (load angle) is adjusted with which the over ⁇ overload capacity is improved. The distance to the tilt angle increases.
  • the additionally occurring reluctance torque improves both the static and the dynamic overload capability of a synchronous machine with the erfindungsge ⁇ MAESSEN rotor, so that such a superconducting synchronous machine is suitable with a high overload capacity requirements for applications, for example for use in a rolling mill drive.
  • the "non-magnetically conductive" space thus increases the "saliency" of the rotor
  • the total moment is made up of a component caused by the energized pole windings and a further component that depends on the different inductances of the rotor
  • Such emergency running properties are for all applications in which a complete stoppage of the synchronous machine is not desirable, of particular interest, for example when using egg ⁇ ner superconducting synchronous machine with an inventive ⁇ SEN rotor at variable speed, especially converter-drives for various industrial working processes , such as in rolling mills or in a marine propulsion.
  • the pole windings are placed around particular radially extending boundaries having pole cores whose radial length is greater than the radial length of the pole windings, in particular we ⁇ least twice as large. It is thus proposed to carry out the supporting structure of the pole windings of a magnetically conductive material radially higher, to thereby increase reluctance torque by the additionally occurring the "salience" of the Ro ⁇ tors.
  • the pole core is therefore made of a magnetic material, in particular of the same material again Basic body (the yoke).
  • the pole cores are designed radially very long, which means they are radially much longer ⁇ ger than the radial height of the pole windings. This results in the non-ferromagnetic space, thus the sufficient Ver ⁇ change of the magnetic resistance.
  • the non-ferromagnetic space is formed by a vacuum region or filled with air or another non-ferromagnetic, non-electrically conductive material.
  • a vacuum can be particularly advantageously realized ⁇ the, if this will be located in a vacuum due to the cooling of the superconducting pole windings anyway.
  • the poles enclose ⁇ be realized the cylinder, which also includes a force acting as a damping layer by a copper layer.
  • the outside has two copper layers which enclose a steel beam. In this case, a vacuum prevails around the pole winding anyway, which can be continued into the non-ferromagnetic space.
  • a fiberglass can be ver ⁇ applies for example as amagnetic and elekt ⁇ driven non-conductive material. The provision of such a material can improve the overall stability of the rotor.
  • the present invention also relates to a superconducting synchronous machine, in particular a Hochtempe ⁇ natural superconductor synchronous machine, which comprises a stator and ei ⁇ nen rotatable against the stator according to the invention rotor.
  • All embodiments with respect to the rotor according to the invention can be analogously transferred to the synchronous ⁇ machine according to the invention, so that so that the above-mentioned can be reached le, especially the part-like especially before ⁇ use in a rolling mill drive and / or in applications where an emergency mode is useful or necessary.
  • FIG. 1 shows a partial cross section through a superconducting synchronous machine according to the prior art
  • FIG. 2 shows a partial cross section through a fiction, ⁇ contemporary superconducting synchronous machine.
  • Fig. 1 shows a partial cross section through a synchronous machine 1 according to the prior art.
  • a rotor 5 formed as an internal rotor is provided inside a stator 2 with stator winding 3, spaced apart by an air gap 4, a rotor 5 formed as an internal rotor is provided inside a stator 2 with stator winding 3, spaced apart by an air gap 4, a rotor 5 formed as an internal rotor is provided inside a stator 2 with stator winding 3, spaced apart by an air gap 4, a rotor 5 formed as an internal rotor is provided.
  • the rotor 5 comprises a base body 6 made of a magnetic material, in particular comprising iron, on whose surface Polkerne 7 are provided, which may be integrally formed with the base body 6 or attached thereto.
  • the pole cores 7 are designed in their radial length to the radial length of superconducting pole windings 8 placed around the pole cores 7.
  • the pole windings 8 are arranged in a vacuum 9, which is delimited by a cylinder 10, which acts as a pressure vessel and damper screen.
  • FIG. 2 shows an improved synchronous machine 1 ' according to the invention in this respect, in which for better understanding identical components are provided with the same reference numerals.
  • the winding support 7 ' continue to be made of magnetic material, so that the magnetic resistance along the d-axis 15 remains low.
  • This property which leads to the appearance of reluctance torques, is often expressed by the ratio of the magnetic responses along the axes 14, 15, which can be designated X q and X d .
  • the ratio is lowered, for example, to a particularly advantageous 0.5 or lower.
  • the ratio is, however, against 1; there is hardly any difference from the d-axis 14 to the q-axis 15.
  • the pole windings 8 both cantilevered and non-cantilever, on the Mate ⁇ rial 13 resting, running. It is also conceivable in Ov ⁇ ring to omit the material 13 completely, since in any case a non-magnetic vacuum is present in this embodiment.
  • the Rotorwick ⁇ ment 8 of the synchronous machine 1 ' consist of high-temperature superconductor coils, for example, as a flat racetrack coils or curved saddle coils are formed. In this case, a plurality of high-temperature superconductor coils can be provided one above the other. In the figures, four partial coils are exemplified above each other.
  • the total torque is composed of a reluctance torque and the moment caused by the energized pole windings.
  • emergency running properties are present which make it possible, even with unavailable electrical excitation, for example in the case of a failed cooling or a failed excitation device, to supply the synchronous machine 1 ' with reduced power in accordance with the available reluctance torques operated.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
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  • Iron Core Of Rotating Electric Machines (AREA)

Abstract

Rotor (5') für eine Synchronmaschine umfassend einen Grundkörper (6') mit wenigstens zwei durch Pollücken getrennte Pole definierenden supraleitenden Polwicklungen (8), wobei außerhalb des durch die Polwicklungen (8) belegten radialen Bereichs, insbesondere zum Inneren des Rotors (5') hin, ein nicht ferromagnetischer Raum (12) in den Pollücken bei ferromagnetischem Material in den Polbereichen vorgesehen ist, wobei das Verhältnis der magnetischen Reaktanz (Xq) entlang der Mittenachse (14) der Pollücken zur magnetischen Reaktanz (Xd) entlang der Mittenachse (15) der Pole durch das Vorsehen des Raumes (12) abgesenkt ist und kleiner als 0,75 bevorzugt kleiner als 0,5, ist.

Description

Beschreibung
Rotor für eine Synchronmaschine und Synchronmaschine
Die Erfindung betrifft einen Rotor für eine Synchronmaschine, umfassend einen Grundkörper mit wenigstens zwei durch Pollü¬ cken getrennten Polen definierenden supraleitenden Polwicklungen. Daneben betrifft die Erfindung eine supraleitende Synchronmaschine mit einem solchen Rotor, der gegen einen Stator rotierbar ist.
Gerade in Bereichen, in denen hochüberlastbare und hochdyna¬ mische Antriebe benötigt werden, wurde vorgeschlagen, Supra¬ leiter-erregte Synchronmaschinen, insbesondere Hochtempera¬ tursupraleiter-Synchronmaschinen, zu verwenden. Die Sprungtemperatur von Hochtemperatursupraleitern liegt bei Temperaturen oberhalb von 77 K.
Anforderungen an eine hohe Überlastbarkeit und Dynamik beste¬ hen insbesondere bei Walzwerksantrieben, beispielsweise für Reversier-Vorgerüste (reversing roughing mill) und Fertigge¬ rüste (finishing mill) in Warmwalzwerken, oder in Reversier- Kaltwalzwerken mit Auf- und Abhaspei (coil to coil reversing cold mill) sowie in konventionellen Tandem-Anordnungen bezüglich der Hauptantriebe. Dabei muss beispielsweise das mehrfa¬ che Nennmoment innerhalb weniger Millisekunden aus dem Leerlauf heraus aufgebaut werden, insbesondere das dreifache Nennmoment. Auch Laststöße mit mehrfachem Nennmoment oder Lastwechsel von mehrfachem Nennmoment innerhalb weniger Mil¬ lisekunden können dann auftreten.
Die heute bekannten Auslegungen und Ausführungen von Hochtemperatursupraleiter-erregten Synchronmaschinen können trotz ihrer bekannten vorteilhaften Eigenschaften wie höherer Wirkungsgrad, höhere Leistungsdichte und hohe Überlastbarkeit diese Anforderungen nicht zufriedenstellend erfüllen, ohne dass negative, kontraproduktive Auswirkungen auf die Maschine und den Arbeitsprozess auftreten. Denn solche im Arbeitspro- zess quasi periodisch auftretenden Laststöße und Drehmomentenanforderungen (Wechsel von Beschleunigungs- und Bremsmo¬ ment) können in unakzeptabler Weise auf den kalten Läuferbereich und die darin befindliche Hochtemperatursupraleiter- Polwicklungen des Rotors „durchschlagen", indem sich Wirbelströme in den elektrisch leitfähigen Materialien im ganzen kalten Bereich bilden, die Wärmeverluste zur Folge haben.
Bisher können derartige Überlastanforderungen in befriedigen- der Weise nur von meist spezifisch ausgelegten, umrichtergespeisten, konventionellen (also keine supraleitenden Wicklungen umfassenden) , fremderregten Synchronmaschinen (oder Gleichstrommaschinen) erfüllt werden. Dabei werden konventionelle umrichtergespeiste Synchronmaschinen für hochdynamische Antriebe mit hohen Überlastanforderungen, insbesondere Walzwerksantriebe, heute üblicherweise derart bemessen, dass der Lastwinkel (Polradwinkel) für das geforderte Stoßmoment nahe am Kippwinkel, aber unterhalb des Kippwinkels liegt. Ein elektrisches „Kippen" der Synchronmaschine wird dabei verhin- dert, indem der Fluss in der Maschine konstant gehalten wird. Dies wird durch den über die Vektorregelung eigengetakteten Betrieb der Synchronmaschine und eine Erregereinrichtung, die in der Lage ist, den Erregerstrom in etwa mit der Geschwindigkeit, mit der sich der Lastwinkel ändert, nachzuführen, realisiert.
Bei solchen konventionellen Synchronmaschinen wird beim gewünschten schnellen Aufbau des Drehmoments aus dem Leerlauf zunächst eine Drehmoment bildende Statorstromkomponente im Pollückenbereich (q-Achse) aufgebaut. Die Änderung des Sta¬ torstrombelags wird zunächst entsprechend der magnetischen Verkopplung von Stator- und Rotorwicklungen von den Rotorwicklungen, in diesem Fall von dem Dämpferschirm bzw. dem Dämpferkäfig im Pollückenbereich übernommen. Der Lastwinkel (Polradwinkel) beginnt sich nun aufzuspannen. Die Leerlauf¬ zeitkonstante der Dämpferwicklung ist die dafür anfangs wirksame Zeitkonstante. Die dabei ansteigende Statorstromkompo¬ nente im Polbereich (d-Achse) wird zunächst von den Rotor- Wicklungen (Polwicklungen) der d-Achse übernommen. Über die Regelung wird nun der Erregerstrom so nachgeführt, dass der magnetische Fluss konstant bleibt.
Bei einer schnellen Entlastung der Synchronmaschine wird der Statorstrom, also die Drehmoment bildende Stromkomponente, innerhalb weniger Millisekunden abgebaut. Der magnetische Fluss in der Synchronmaschine ändert sich nicht schlagartig. Die Änderung des Statorstrombelags wird zunächst entsprechend der magnetischen Verkopplung von Stator- und Rotorwicklungen von den Rotorwicklungen übernommen. Dabei überträgt sich abhängig vom vorher vorliegenden Lastwinkel jeweils ein bestimmter Wert in die Pollücken und die Polbereiche. Im Polbe¬ reich, also der d-Achse, liegt parallel zur Dämpferwicklung auch die Polwicklung. Damit ergibt sich entsprechend der ge¬ meinsamen Verkopplung der Wicklungen und dem Verhältnis der Impedanzen von Dämpfer- und Polwicklung eine mehr oder weniger hohe Anfangsstörgröße für die Erregereinrichtung. Der dabei in die Polwicklung „eingekoppelte" Strom ist negativ und „reißt" den Erregerstrom in Richtung 0. In dem Maße, wie der Dämpferwicklungsstrom wieder abklingt, geht auch der Lastwinkel wieder gegen 0 (Leerlaufzustand) . Über die Regelung wird nun der Erregerstrom so auf den Leerlauferregerstrom zurückgeführt, dass der magnetische Fluss durch den Luftspalt kon¬ stant bleibt.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Rotor für eine supraleitende Synchronmaschine anzugeben, der die Realisierung einer besser für Antriebe mit hohen Überlastanforderungen ausgelegten Synchronmaschine erlaubt.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einem Rotor der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass außerhalb des durch die Polwicklungen belegten, radialen Bereichs, insbesondere zum Inneren des Rotors hin, ein nicht ferromagneti- scher Raum in den Pollücken bei ferromagnetischem Material in dem Polbereich vorgesehen ist, wobei das Verhältnis der mag¬ netischen Reaktanz (Xq) entlang der Mittenachse der Pollücken zur magnetischen Reaktanz ( Xd ) entlang der Mittenachse der Pole durch das Vorsehen des Raumes abgesenkt ist und kleiner als 0,75, bevorzugt kleiner als 0,5, ist. Bei einer supraleitenden Synchronmaschine stellt sich bei Be¬ lastung bereits grundsätzlich ein sehr viel kleinerer Lastwinkel (Polradwinkel) im Vergleich zur konventionellen Synchronmaschine ein, so dass zunächst eine sehr viel höhere Überlast fähigkeit gegeben ist. Durch den kleineren Lastwinkel sind die bei den oben beschriebenen dynamischen Übergangsvorgängen in den Polbereichen (entlang der d-Achse, also der Wicklungsachse der supraleitenden Polwicklung) wirkenden Stromkomponenten im Vergleich zur konventionellen Synchronmaschine zwar geringer, aber dennoch vorhanden. Um die be- schriebenen Überlastanforderungen, beispielsweise bei einem Walzwerksantrieb quasi periodisch auftretende Lastwechsel, mit mehrfachem Nennmoment besser beherrschen zu können, ist es die Grundidee der vorliegenden Erfindung, die supraleitende Synchronmaschine, insbesondere die Hochtemperatursupralei- ter-Synchronmaschine, in ihren magnetischen Eigenschaften gezielt als Schenkelpolmaschine auszuführen. Dies bedeutet ins¬ besondere, dass das Verhältnis der magnetischen Reaktanz ( Xq ) entlang der Mittenachse der Pollücken (q-Achse) zur magneti¬ schen Reaktanz ( Xd ) entlang der Mittenachse der Pole (d- Achse) durch das Vorsehen des Raumes abgesenkt ist, und er¬ findungsgemäß kleiner als 0,75, bevorzugt kleiner als 0,5, ist. In der Literatur werden die Reaktanzen Xq und Xd häufig auch als synchrone Querreaktanz und synchrone Längsreaktanz bezeichnet .
Der erfindungsgemäße Rotor wird also gezielt so ausgestattet, dass auch außerhalb des durch die Polwicklungen teilweise be¬ legten radialen Bereichs in Umlaufrichtung nicht überall durchgängig das ferromagnetische Material des Grundkörpers vorgesehen ist, sondern dass in den Pollücken Bereiche nicht- ferromagnetischen Materials, also amagnetischen Materials, oder Vakuums vorgesehen sind, so dass dort mithin ein größe¬ rer magnetischer Widerstand vorliegt. Das bedeutet, dass die geometrische Ausgestaltung folglich derart ist, dass ein nennenswertes zusätzliches Reluktanzmoment auftritt. Dies hat zur Folge, dass sich bei gleicher Belastung ein noch kleinerer Polradwinkel (Lastwinkel) einstellt, mit dem die Über¬ lastfähigkeit verbessert wird. Der Abstand zum Kippwinkel vergrößert sich. Das zusätzlich auftretende Reluktanzmoment verbessert also sowohl die statische als auch die dynamische Überlastbarkeit einer Synchronmaschine mit dem erfindungsge¬ mäßen Rotor, so dass eine derartige supraleitende Synchronma¬ schine auch für Anwendungen mit Anforderungen hoher Überlastbarkeit geeignet ist, beispielsweise zur Verwendung in einem Walzwerksantrieb.
Um diese erfindungsgemäße Wirkung zu erzielen, wird also durch den zusätzlichen nicht magnetisch leitfähigen Raum die „Schenkeligkeit" des Rotors erhöht. Somit setzt sich nun das Gesamtmoment aus einer durch die bestromten Polwicklungen hervorgerufenen Komponente und einer weiteren Komponente, die von den unterschiedlichen Induktivitäten des Rotors in d- und q-Richtung herrührt, dem sogenannten Reluktanzmoment, zusammen. Dieser Effekt kann nun genutzt werden, um entweder ein höheres Drehmoment der Synchronmaschine bei demselben Last¬ winkel zu erreichen oder bei gleichbleibendem Gesamtdrehmoment den Bedarf an Supraleitermaterial zu verringern.
Dabei tritt bei Realisierung einer Synchronmaschine mit dem erfindungsgemäßen Rotor noch ein weiterer äußerst vorteilhafter Effekt auf, der die Nutzung einer derartigen supraleitenden Synchronmaschine auch für andere Anwendungen sehr attraktiv macht, denn es können je nach absoluter Größe des realisierten Reluktanzmoments zusätzlich erwünschte Notlaufeigen- schaften entstehen, die es ermöglichen, selbst bei nicht verfügbarer elektrischer Erregung, beispielsweise wegen ausgefallener Kühlung oder ausgefallener Erregereinrichtung, die Synchronmaschine mit reduzierter Leistung entsprechend dem verfügbaren Reluktanzmoment zu betreiben. Gemeinsam mit einer entsprechenden Gestaltung des Dämpferschirmes, was jedoch Stand der Technik ist, kann hierdurch eine NetzaufSchaltung der stehenden Synchronmaschine mit asynchronem Hochlauf er¬ möglicht bzw. erleichtert werden. Derartige Notlaufeigen- schaften sind für alle Anwendungen, bei denen ein vollständiger Stillstand der Synchronmaschine nicht erwünscht ist, von besonderem Interesse, beispielsweise bei einer Verwendung ei¬ ner supraleitenden Synchronmaschine mit einem erfindungsgemä¬ ßen Rotor bei drehzahlvariablen, insbesondere umrichtergespeisten Antrieben für die unterschiedlichsten industriellen Arbeitsprozesse, wie beispielsweise in Walzwerken oder auch in einem Schiffsantrieb.
In weiterer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass wenigstens ein Teil des nichtferro- magnetischen Raums den Polwicklungen in radialer Richtung dem Stator abgewandt folgt. Dabei sei an dieser Stelle angemerkt, dass, da üblicherweise nicht gewölbte supraleitende Polwick¬ lungen/Spulen verwendet werden, bereits supraleitende Syn¬ chronmaschinen bekannt sind, bei denen am Außenumfang des Rotors bei einem Innenläufer bzw. beim Innenumfang des Rotors bei einem Außenläufer Polkerne bildende Vorsprünge ausgebil¬ det sind, um die die supraleitenden Polwicklungen gelegt sind. Diese Polkerne weisen dabei eine Höhe auf, die gerade den von Polwicklungen belegten Bereich abdeckt. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann nun vorgesehen sein, in den Pol- lücken nun weiter nach innen reichende Freiräume vorzusehen, die gegebenenfalls mit einem amagnetischen, nicht elektrisch leitfähigen Material aufgefüllt werden können.
In konkreter Ausgestaltung kann dabei vorgesehen sein, dass die Polwicklungen um insbesondere radial verlaufende Grenzen aufweisende Polkerne gelegt sind, deren radiale Länge größer ist als die radiale Länge der Polwicklungen, insbesondere we¬ nigstens doppelt so groß. Es wird also vorgeschlagen, die Tragstruktur der Polwicklungen aus magnetisch leitfähigem Ma- terial radial höher auszuführen, um somit durch das zusätzlich auftretende Reluktanzmoment die „Schenkeligkeit" des Ro¬ tors zu erhöhen. Der Polkern ist also aus einem magnetischen Material gefertigt, insbesondere demselben Material wie der Grundkörper (das Joch) . Dabei sind die Polkerne radial sehr lang ausgeführt, das bedeutet, sie sind radial deutlich län¬ ger als die radiale Höhe der Polwicklungen. Somit entsteht der nicht ferromagnetische Raum, mithin die ausreichende Ver¬ änderung des magnetischen Widerstands.
Allgemein kann vorgesehen sein, dass der nicht ferromagnetische Raum durch einen Vakuumbereich gebildet wird oder mit Luft oder einem anderen nicht ferromagnetischen, nicht elektrisch leitfähigen Material gefüllt ist.
Ein Vakuum kann insbesondere dann vorteilhaft realisiert wer¬ den, wenn aufgrund der Kühlung der supraleitenden Polwicklungen diese sich ohnehin in einem Vakuum befinden sollen. Derartiges kann beispielsweise durch einen die Pole umschließen¬ den Zylinder, der auch eine als Dämpfungsschicht wirkende Kupferschicht umfasst, realisiert werden. Günstig hat sich hier beispielsweise ein Zylinder in einer Sandwichstruktur erwiesen, der außen zwei Kupferschichten aufweist, die einen Stahlträger umschließen. In diesem Fall herrscht um die Polwicklung herum ohnehin ein Vakuum, das in den nicht ferromag- netischen Raum fortgesetzt werden kann.
Alternativ kann auch vorgesehen sein, den entstehenden Freiraum wenigstens teilweise mit amagnetischem, also nicht fer- romagnetischem, nicht elektrisch leitfähigem Material zu füllen. Dabei kann beispielsweise als amagnetisches und elekt¬ risch nicht leitendes Material ein Glasfaserkunststoff ver¬ wendet werden. Das Vorsehen eines derartigen Materials kann die Gesamtstabilität des Rotors verbessern.
Neben dem Rotor betrifft die vorliegende Erfindung auch eine supraleitende Synchronmaschine, insbesondere eine Hochtempe¬ ratursupraleiter-Synchronmaschine, die einen Stator sowie ei¬ nen gegen den Stator drehbaren erfindungsgemäßen Rotor umfasst. Sämtliche Ausführungen bezüglich des erfindungsgemäßen Rotors lassen sich analog auf die erfindungsgemäße Synchron¬ maschine übertragen, so dass auch damit die genannten Vortei- le erreicht werden können, insbesondere die besonders vor¬ teilhafte Verwendung im Rahmen eines Walzwerksantriebs und/oder in Anwendungen, in denen eine Notlaufeigenschaft nützlich oder notwendig ist.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnung. Dabei zeigen: Fig. 1 einen teilweisen Querschnitt durch eine supraleitende Synchronmaschine gemäß dem Stand der Technik, und
Fig. 2 einen teilweisen Querschnitt durch eine erfindungs¬ gemäße supraleitende Synchronmaschine.
Fig. 1 zeigt einen teilweisen Querschnitt durch eine Synchronmaschine 1 gemäß dem Stand der Technik. Innerhalb eines Stators 2 mit Statorwicklung 3 ist, durch einen Luftspalt 4 beabstandet, ein als Innenläufer ausgebildeter Rotor 5 vorge- sehen. Der Rotor 5 umfasst einen Grundkörper 6 aus einem magnetischen Material, insbesondere Eisen umfassend, auf dessen Oberfläche Polkerne 7 vorgesehen sind, die einstückig mit dem Grundkörper 6 ausgebildet oder daran befestigt sein können. Die Polkerne 7 sind in ihrer radialen Länge auf die radiale Länge von um die Polkerne 7 gelegten supraleitenden Polwicklungen 8 ausgelegt.
Zur thermischen Isolation sind die Polwicklungen 8 in einem Vakuum 9 angeordnet, das durch einen Zylinder 10 begrenzt ist, der als Druckbehälter und Dämpferschirm wirkt.
Trotzdem derartige Synchronmaschinen als supraleitende Synchronmaschinen bei niedrigeren Lastwinkeln arbeiten können, erfüllen sie die Anforderungen von Antrieben mit hohen Über- lastanforderungen noch nicht.
Fig. 2 zeigt eine diesbezüglich verbesserte erfindungsgemäße Synchronmaschine 1', in der zur besseren Verständlichkeit gleiche Bestandteile mit gleichen Bezugszeichen versehen sind .
Ersichtlich sind die von dem Grundkörper 6' abstehenden Pol- kerne 7' hier in radialer Richtung länger ausgeführt, so dass sich unterhalb der Polwicklungen 8, also nach innen hin, ein Freiraum 12 ergibt, der nicht durch das ferromagnetische Ma¬ terial des Grundkörpers 6' ausgefüllt ist. In diesen Freiräu¬ men 12 ist nun ein amagnetisches, also nicht ferromagneti- sches, Material 13, beispielsweise GFK, eingebracht, welches zudem nicht elektrisch leitfähig ist. Die Freiräume 12 werden also letztendlich so gestaltet, dass sie in den Pollücken um die q-Achse 14 einen nicht magnetischen Raum bilden, der in den Pollücken den magnetischen Widerstand entlang der q-Achse 14 erhöht. Gleichzeitig bestehen ja die Wicklungsträger 7' weiterhin aus magnetischem Material, so dass der magnetische Widerstand entlang der d-Achse 15 weiterhin niedrig bleibt. Diese Eigenschaft, die zum Auftreten von Reluktanzmomenten führt, wird häufig über das Verhältnis der magnetischen Reak- tanzen entlang der Achsen 14, 15 ausgedrückt, die mit Xq und Xd bezeichnet werden können. Vorliegend ergibt sich ein Ver¬ hältnis von Xq zu Xd von kleiner 0,75. Es sind auch andere Auslegungen denkbar, in denen das Verhältnis beispielsweise auf besonders vorteilhafte 0,5 oder niedriger abgesenkt ist. Bei der aus dem Stand der Technik bekannten Ausführung gemäß Fig. 1 geht das Verhältnis hingegen gegen 1; es liegt kaum ein Unterschied von der d-Achse 14 zu der q-Achse 15 vor.
Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 können die Polwicklungen 8 sowohl freitragend als auch nicht freitragend, auf dem Mate¬ rial 13 aufliegend, ausgeführt werden. Denkbar ist es im Üb¬ rigen auch, das Material 13 gänzlich wegzulassen, da ohnehin ein nichtmagnetisches Vakuum in diesem Ausführungsbeispiel vorliegt .
Es sei an dieser Stelle noch angemerkt, dass die Rotorwick¬ lung 8 der Synchronmaschine 1 ' aus Hochtemperatursupraleiter- Spulen bestehen, die beispielsweise als flache Rennbahnspulen oder gewölbte Sattelspulen ausgebildet sind. Dabei können mehrere Hochtemperatursupraleiter-Spulen übereinander vorgesehen sein. In den Figuren sind vier Teilspulen beispielhaft übereinander dargestellt.
Bei der erfindungsgemäßen Synchronmaschine 1' setzt sich das Gesamtdrehmoment folglich aus einem Reluktanzdrehmoment und dem durch die bestromten Polwicklungen hervorgerufenen Moment zusammen. Insbesondere ist es dann bei der erfindungsgemäßen Synchronmaschine 1' auch denkbar, dass Notlaufeigenschaften vorliegen, die es ermöglichen, selbst bei nicht verfügbarer elektrischer Erregung, beispielsweise bei einer ausgefallenen Kühlung oder einer ausgefallenen Erregereinrichtung, die Synchronmaschine 1' mit reduzierter Leistung entsprechend den verfügbaren Reluktanzmomenten zu betrieben.

Claims

Patentansprüche
1. Rotor (5') für eine Synchronmaschine umfassend einen Grundkörper (6') mit wenigstens zwei durch Pollücken getrenn- te Pole definierenden supraleitenden Polwicklungen (8), d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass außer¬ halb des durch die Polwicklungen (8) belegten radialen Bereichs, insbesondere zum Inneren des Rotors (5') hin, ein nicht ferromagnetischer Raum (12) in den Pollücken bei ferro- magnetischem Material in den Polbereichen vorgesehen ist, wobei das Verhältnis der magnetischen Reaktanz (Xq) entlang der Mittenachse (14) der Pollücken zur magnetischen Reaktanz (Xd) entlang der Mittenachse (15) der Pole durch das Vorsehen des Raumes (12) abgesenkt ist und kleiner als 0,75, bevorzugt kleiner als 0,5, ist.
2. Rotor 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 das Ver¬ hältnis der magnetischen Reaktanz (Xq) entlang der Mittenach- se (14) der Pollücken zur magnetischen Reaktanz (Xd) entlang der Mittenachse (15) der Pole durch das Vorsehen des Raumes (12) abgesenkt ist, insbesondere kleiner als 0,75, bevorzugt kleiner als 0,5, ist.
3. Rotor nach Anspruch 1 oder 2,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass wenigs¬ tens ein Teil des nicht ferromagnetischen Raums (12) den Polwicklungen (8) in radialer Richtung dem Stator (2) abgewandt folgt .
4. Rotor 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 Pol¬ wicklungen (8) um insbesondere radial verlaufende Grenzen aufweisende Polkerne (7') gelegt sind, deren radiale Länge größer als die radiale Länge der Polwicklungen (8) ist, insbesondere wenigstens doppelt so groß.
5. Rotor 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 der nicht ferromagnetische Raum (12) durch einen Vakuumbereich gebildet wird und/oder mit Luft oder einem anderen nicht fer- romagnetischen, nicht elektrisch leitfähigem Material (13) gefüllt ist.
6. Synchronmaschine umfassend einen Stator (2) und einen gegen den Stator (2) drehbaren Rotor (5') nach einem der vorangehenden Ansprüche.
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