WO2012171776A2 - Synchronmaschine mit hts-läufer - Google Patents

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WO2012171776A2
WO2012171776A2 PCT/EP2012/059977 EP2012059977W WO2012171776A2 WO 2012171776 A2 WO2012171776 A2 WO 2012171776A2 EP 2012059977 W EP2012059977 W EP 2012059977W WO 2012171776 A2 WO2012171776 A2 WO 2012171776A2
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synchronous machine
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temperature
pole
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Peter Kummeth
Heinz Schmidt
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
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    • H02K55/02—Dynamo-electric machines having windings operating at cryogenic temperatures of the synchronous type
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    • 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 synchronous machine, in particular three-phase synchronous machine, comprising a 2p-pole Läu ⁇ fer and a stator with a stator winding with a plurality of partial windings.
  • the invention further relates to a method for operating such a synchronous machine.
  • the invention can be used particularly advantageously for high-torque machines, wind turbines, gearless marine drives, industrial drives, marine generators, power plant generators and high-speed machines. Synchronous machines as such are well known in the art.
  • synchronous machines have a rotor with a fixed number of 2p magnetic poles (with p of the number of pole pairs and 2p the number of poles) and a correspondingly designed rotor with an associated rotor winding.
  • the rotor winding is matched to the number of pole pairs of the rotor, for example with respect to their arrangement.
  • Synchronous machines have a fixed rated speed with a fixed torque in their operation.
  • Speed changes in three-phase synchronous motors can only be realized by using frequency converters.
  • Synchronous machines are also known in which the rotor has current-loadable coils made of a high-temperature superconductor (HTS) material for generating its 2p-pole magnetic field.
  • HTS high-temperature superconductor
  • the object is achieved by a synchronous machine, aufwei ⁇ send a 2p-pole rotor and a stator with a stator winding of several partial windings, wherein a pole pair p is changeable by a change in a frozen in an HTS material of the rotor magnetization.
  • this synchronous machine has the advantage that the number of pole pairs of the synchronous machine and thus its rated speed can be adapted to current requirements practically without additional expenditure on equipment. With a lower torque requirement can also be easily selected a higher rated speed for the operation of the synchronous machine, and vice versa.
  • an accessible speed range can be multiplied, for example doubled, by the changeable or switchable number of pole pairs.
  • a stator voltage can be adjusted by changing the number of pole pairs.
  • the synchronous machine makes use of that a high-temperature ratursupra mattersdes material or HTS material can be devisdrungenden above was ⁇ ner transition temperature of a magnetic field. After cooling of the HTS material below the transition temperature with existing magnetic field, this Mag ⁇ netfeld is retained. This effect can be termed a "freezing" of the magnetization of the HTS material. In its superconducting state, the HTS material is then virtually permanent magnetic. Since which is used for magnetization of the HTS material the outer magnetic field ⁇ , may assume a generally any shape, also the shape or the profile of the magnetic orientation of the HTS material is varied adjustable. In particular, the HTS material can be magnetized so that the rotor has a basically any number of pole pairs p.
  • the HTS material only needs to be heated again to ei ⁇ ne temperature above the transition temperature to be applied for the new pole pair p suitable outer Mag ⁇ netfeld and the HTS material with an applied ⁇ external magnetic field back under the Transition temperature to be cooled. This is advantageously at ei ⁇ nem stationary runners.
  • stator winding To operate the synchronous machine with the HTS rotor with the new pole pair then only needs the stator winding to be energized accordingly. This is made possible by a construction of the stator winding of several partial windings, which can be switched or interconnected accordingly, e.g. by means of a suitable switching device.
  • a suitable design of a stator winding for interaction with a rotor of a certain number of pole pairs p is known in principle, so that need not be discussed further on the switching or connecting the partial windings.
  • the synchronous machine may in particular be a three-phase synchronous machine.
  • the partial windings may in particular be angularly offset from each other, which facilitates a simple interconnection.
  • the HTS material is in the form ei ⁇ nes material volume or "bulk" material.
  • the HTS bulk material has a non-negligible in all three dimen ⁇ sions, coherent form.
  • a particularly versatile form of magnetization in the HTS material can be made possible.
  • the effect of "quenching”, which may tend to occur, for example, in HTS windings that are not present as HTS bulk material, is suppressed.
  • the HTS material in particular HTS bulk material, forms a HTS hollow cylinder arranged concentrically with respect to a rotation axis of the rotor.
  • the HTS Hollow cylinder can be due to its uniform circumferential shape particularly free and thus magnetize manifold. Since the entire shell-side circumference of the rotor can be covered with the HTS (volume) material, an optimal use of the available area with regard to the greatest possible torque is achieved. When magnetizing the rotor, for example, this can be in any position due to its cylindrical symmetry. An exact positioning is eliminated, since no pole positions are predetermined by the geometric shape of the rotor.
  • the HTS material can be cooled below its transition temperature by means of a cooling device and can be heated by means of a heater above its transition temperature.
  • the cooling device may have a cavity, in particular a cylindrical one, which is at least partially filled with cooling medium (for example liquid nitrogen or liquid neon)
  • cooling medium for example liquid nitrogen or liquid neon
  • the heater may comprise one or more heating elements, the HTS material is preferably a large area ornaturevo- luminally, especially essentially completely, heat so far on ⁇ that it exceeds its critical temperature.
  • the heater is in particular electrically operated, as this results in a simple structure.
  • the heating is in particular a surface heating, for example on ⁇ -setting one or more thin-film or thick-film heating conductor. This can be particularly easily integrated into the rotor, for example by sticking or printing, especially as a large-scale heating layer. It is yet another embodiment that the heater can be supplied with power wirelessly. So can be dispensed with associated connecting cables, which further reduces equipment costs.
  • the heating is inductive or transformer power supplied.
  • the heater in particular each of the heating elements in the presence of a plurality of heating elements, may be equipped with at least one (secondary-side) power receiving coil, which can serve in particular as a secondary-side transformer half.
  • At least one primary-side coil or transformer half which can be used for a power input into the heater may, for example, be arranged on the stator.
  • the synchronous machine has at least one temperature monitoring device for monitoring a temperature of the heating and / or the HTS material.
  • the temperature monitoring device is advantageously used for monitoring a temperature in the HTS material (namely directly to the HTS material and / or indi rectly ⁇ a temperature of the heater) s mecanicsvones, in particular for controlling and monitoring the Ummagneti- described above.
  • the temperature monitoring device can be a temperature monitoring device operating telemetrically or remotely, so that here too a cabling of the rotor for signal transmission can be dispensed with.
  • the temperature monitoring device may be designed, for example, as an RFID tag.
  • the Tempe ⁇ raturschreibwachungs worn may include one or more temperature sensors.
  • the number q of the partial windings corresponds to three times the number of a maximum adjustable pole pair number pmax.
  • the number of poles 2p is even and the number q of the partial windings is in particular a multiple of six.
  • the partial windings can be interconnected in particular in three lines, in particular in a three-phase synchronous machine. It is advantageous for a safe and effective operation of the rotor configuration that the rotor has a circular cylindrical shape, which from the inside to the outside at least one of the following elements: (i) a fully cylindrical cavity for cooling medium (eg liquid neon or liquid nitrogen) with a thermally good conductive wall of eg copper or aluminum; (ii) a hollow-cylindrical pole core (in particular of a ferromagnetic material, for example iron or cold-resistant iron alloys), which can simultaneously represent the wall of the fully cylindrical hollow space; (iii) a hollow cylindrical coupling ⁇ layer with a low thermal conductivity (for example, a wet wound with thin glass fiber epoxy bandage); (iv) ei ⁇ nen hollow cylinder of the HTS (volume) material (eg
  • the rotor can be rotatably accommodated in a vacuum space of a cryostat.
  • the cryostat likes one Constitute part of the rotor, wherein the cryostat insbeson ⁇ particular can be an outer wall of the rotor.
  • the hollow cylinder may be composed of individual segments.
  • This construction of the rotor allows the universal use of the rotor without structural adaptation in synchronous machines with different number of poles. Furthermore, such a rotor can be manufactured with a reduced production outlay and in large quantities.
  • the small space requirement for the poles of the rotor in the HTS material also allows for the construction of slender runners. As a result, particularly high speeds are possible.
  • a mechanical stabilization of the rotor for operation at high speeds is easily and inexpensively realized by the cylindrical shape.
  • the cooling of the rotor is considerably simplified in comparison to conventional HTS synchronous machines with HTS coils, since no HTS coils (with potential quenching danger) are to be cooled. There are also no power supplies that need to be thermally trapped and cooled.
  • the synchronous machine is set up to bring about the change in the magnetization frozen in the HTS material of the rotor by means of applying a magnetic field generated by the stator winding.
  • Sun can be ⁇ tet on an independent Magnetfelderzeu ⁇ supply unit for magnetic reversal of the HTS material verzich.
  • a use of such a magnetic field generating unit is possible.
  • a magnetization (magnetization or magnetic reversal) of the HTS material by means of a current supply of the stator can be performed.
  • the partial windings of the three-phase stator can be energized together or independently with DC in the magnetization process.
  • the HTS material in the rotor and the pole core are cooled, if this is not already the case.
  • the thermally weakly coupled to the pole core of the rotor HTS material is heated by the heater for a short time over its critical tempera ture or transition temperature. Due to the low thermal conductivity of the coupling layer practically only the HTS material is heated while the pole core remains cold.
  • the windings of the stator are preferably energized with DC ⁇ stream, for example, flows in a star-shaped circuit of flow through a strand to the star point and subsequently through the two remaining strands back to the DC source.
  • the three strings can each be powered by its own DC power source.
  • the converter which is present in any case in the case of synchronous motors can also be used.
  • This DC current generates at the location of the HTS material a constant magnetic field, which leads in the HTS material to produce a desired 2p-pole magnetization.
  • the HTS material is still unmagnetized when the rotor is mounted, whereby an easier mounting compared to permanent magnetically excited enabled machines.
  • a disassembly that is, a Ent ⁇ remote of the rotor from the stator is also easily possible, since the rotor is heated after shutdown of the refrigeration system and thereby the HTS material loses its magnetization tion (as soon as its temperature is the critical temperature ⁇ tur exceeds) , Furthermore, the rotor can be quickly demagnetized for faster disassembly by heating the HTS material with the heater off briefly above the critical temperature with the heater.
  • the object is also achieved by a method for Betrei ⁇ ben a synchronous machine, wherein the synchronous machine is a rotor with an HTS material in which a suitable for generating a predetermined 2p-pole magnetic field Magneti ⁇ tion is frozen, and a stand with a stand - winding a plurality of part-windings, said method comprising at least the steps of: (a) Ermér ⁇ men of the HTS material to a temperature above its critical temperature; (b) applying a magnetic field to the HTS material to manifest magnetization suitable for generating a 2p pole magnetic field with a changed number of pole pairs p; and (c) cooling the HTS material to a temperature below its critical temperature with applied magnetic field;
  • the method can in principle be designed similarly to the synchronous machine and the same advantages erge ⁇ ben.
  • the method may also include a step (d) Electrical ⁇ order of the partial windings have switch, which can follow or precede. It is an embodiment that for applying the magnetic field, the stator winding (ie, the entire stator winding or parts, eg part windings, thereof) is acted upon by the rotor when the rotor is DC. Thus, the magnetic field required for (re-magnetization or magnetization) is particularly easy to realize.
  • each two of the three electrical ⁇ rule (phase) terminals of the stator winding (or parts thereof) are electrically connected together and the thus-remaining two separate electrical connections are charged with a direct current.
  • Fig.l shows a section through an inventive
  • Synchronous machine with a cylindrical rotor transversely to its longitudinal axis
  • FIG. 4 shows the same view of a sketch of a magneti ⁇ rule equivalent circuit of synchronous invention chron machine with a bipolar reversed rotor.
  • Fig.l shows a section through a synchronous machine 1 with an at least partially cylindrical rotor. 2
  • the rotor 2 is rotatably accommodated in a stator 2 surrounding the stator 3.
  • the rotor 2 has inside a concentric to its longitudinal axis L fresh, fully cylindrical cavity 4 for cooling medium
  • a hollow cylindrical pole core 5 of ferromagnetic material such as iron.
  • An inner wall of the pole core may be formed with copper or aluminum.
  • the pole core 5 is on the outside of a coupling layer 6 with a low thermal conductivity, namely here by a wet-wound with epoxy, thin glass fiber ribbon, covered.
  • the coupling layer 6 (or thermal barrier) suppresses short-term heat flows through them.
  • the coupling layer 6 is surrounded by a hollow cylinder of HTS (volume) material 7 (eg YBaCuO, SmBaCuO, GdBaCuO etc.).
  • HTS volume
  • These elements 4 to 9 are accommodated in a vacuum space 10 of a cryostat 11.
  • the rotor 2 is separated from the stator 3 by a gap S, the stator 3 having a stator winding 12 with a plurality of partial windings 13. In this case, juxtaposed partial windings 13 are rectified in a ge ⁇ common strand interconnected.
  • the HTS material 7 and the pole core 5 are below the transition temperature of the HTS material cooled, by at least partial filling and possibly flowing the cavity 4 with the cooling medium.
  • the stator winding 12 and the plurality of partial windings 13 of the stator 3 are energized with direct current, for example, in a star-shaped circuit, the current flows through a strand to a neutral point and then flows through the two remaining strands back to the DC power source.
  • a constant magnetic field is generated by means of the stator winding 12, which penetrates and magnetizes the HTS material 7.
  • This magnetic field can generate a magnetization in the HTS material 7, which basically sets the number of poles 2p or the number of pole pairs p of the rotor 2 arbitrarily and in particular can change them by a magnetic reversal process.
  • the magnetization sequence described above is also suitable for magnetization of the rotor 2 from a non-magnetized state.
  • the HTS material 7 in a simple manner so magnetic Siert (re-magnetized or magnetized) are that the rotor 2 has any 2p-pole magnetization. In particular, the pole pair number p can thus be switched over easily.
  • the heater 8 can be supplied with power wirelessly. For this purpose, it has one or more coils for transforming or inductive power reception.
  • This temperature monitoring device 14, 15 has at least one reading device 14 and a flat remote-readable temperature sensor 15 applied to the HTS material 7.
  • a temperature of the HTS material 7 can be queried in real time and used, for example, for controlling or activating the heater 8 during magnetization of the HTS material 7.
  • 2 shows in the same view of a sketch of a magnetic equivalent circuit diagram of a synchronous machine 21 comprising a saupo ⁇ time runner 22.
  • the presence of the two-pole magnetic field of the rotor 2 can by means of a permanent magnet forming the rotor 22 or with the appropriate current-carrying coils in the rotor 22 be achieved.
  • the coils may also consist of superconducting windings.
  • each strand u, u ', ⁇ , ⁇ ' or w, w 'flowing through the same current is the stator core.
  • winding 23 through a winding 24, 25, 26 shown.
  • Each of the strands u, u ', ⁇ , ⁇ ' and f, f ' generated in a current to flow more flow a magnetic field at which the magnetized Läu ⁇ fer 22 aligns.
  • FIG. 3 shows in the same view as in Figure 2 is a sketch of a magnetic equivalent circuit of the synchronous machine 1 according to the invention with a four-pole magnetized rotor 2.
  • the synchronous machine 1 has a stator winding 12 with twelve partial windings 13, of which four Operawick- ments 13 to a strand u, u ', ⁇ , ⁇ ' or w, w 'are interconnected, in such a way that different Strutz ⁇ ge u, u', ⁇ , ⁇ 'or w, w' uniformly alternate in the circumferential direction.
  • the operation of a synchronous machine with a four-pole rotor is also known in principle. However, in the present rotor 2, the magnetization is not achieved by a current flow through coils of the rotor or a ferromagnetic permanent magnet of the rotor, but by the frozen magnetization in the HTS bulk material. 7
  • FIG. 4 shows in the same view a sketch of a magnetic equivalent circuit diagram of the synchronous machine 1 according to the invention with a bipolar reversed rotor 2.
  • the partial windings 13 have now been switched so that in each case two adjacent angeord ⁇ ned partial windings 13 rectified in and a common strand, u ', ⁇ , ⁇ ' or w, w 'are connected together and successful ⁇ Lich as a single partial winding work.
  • 6p Opera ⁇ windings may be needed.

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Abstract

Eine Synchronmaschine (1) weist einen mit einem hochtemperatursupraleitenden Material (7) ausgerüsteten Läufer auf, wobei eine Polpaarzahl p des Läufers (2) änderbar ist durch eine Änderung einer in dem hochtemperatursupraleitenden Material (7) eingefrorenen Magnetisierung. Bei einem Verfahren wird dazu zunächst das hochtemperatursupraleitende Material (7) über seine Sprungtemperatur erwärmt, dann an das hochtemperatursupraleitende Material (7) ein Magnetfelds zur Ausprägung einer Magnetisierung angelegt, die zur Erzeugung eines 2p-poligen Magnetfelds mit einer geänderten Polpaarzahl p geeignet ist und folgend das hochtemperatursupraleitende Material (7) auf eine Temperatur unterhalb seiner Sprungtemperatur bei angelegtem Magnetfeld abgekühlt. Die Erfindung ist besonders vorteilhaft einsetzbar für Maschinen mit hohem Drehmoment, Windkraftanlagen, getriebelose Schiffsantriebe, Industrieantriebe, Schiffsgeneratoren, Kraftwerksgeneratoren und Hochgeschwindigkeitsmaschinen.

Description

Beschreibung
Synchronmaschine mit HTS-Läufer Die Erfindung betrifft eine Synchronmaschine, insbesondere Drehstrom-Synchronmaschine, aufweisend einen 2p-poligen Läu¬ fer und einen Ständer mit einer Ständerwicklung mit mehreren Teilwicklungen. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Synchronmaschine. Die Erfindung ist besonders vorteilhaft einsetzbar für Maschinen mit hohem Drehmoment, Windkraftanlagen, getriebelose Schiffsantriebe, Industrieantriebe, Schiffsgeneratoren, Kraftwerksgeneratoren und Hochgeschwindigkeitsmaschinen . Synchronmaschinen als solche sind aus dem Stand der Technik hinlänglich bekannt. Typischerweise besitzen Synchronmaschinen einen Läufer mit einer festen Zahl von 2p magnetischen Polen (mit p der Polpaarzahl und 2p der Zahl der Pole) und einen dazu entsprechend ausgelegten Läufer mit einer zugehö- rigen Läuferwicklung. Die Läuferwicklung ist unter anderem auf die Polpaarzahl des Läufers abgestimmt, z.B. in Bezug auf ihre Anordnung. Synchronmaschinen weisen in ihrem Betrieb eine feste Nenndrehzahl mit einem festen Drehmoment auf. Drehzahländerungen sind bei Drehstrom-Synchronmotoren nur durch die Verwendung von Frequenzumrichtern realisierbar.
Es sind ferner Synchronmaschinen bekannt, bei denen der Läufer zur Erzeugung seines 2p-poligen Magnetfelds strom- beaufschlagbare Spulen aus einem Hochtemperatursupraleiter (HTS ) -Material aufweisen. Ein solcher HTS-Läufer weist einen höheren Wirkungsgrad auf.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Nachteile des Standes der Technik zumindest teilweise zu überwinden und insbesondere eine Synchronmaschine bereitzustellen, bei der sich Drehzahländerungen mit einem geringeren apparativen Aufwand realisieren lassen. Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind insbesonde¬ re den abhängigen Ansprüchen entnehmbar.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Synchronmaschine, aufwei¬ send einen 2p-poligen Läufer und einen Ständer mit einer Ständerwicklung aus mehreren Teilwicklungen, wobei eine Polpaarzahl p änderbar ist durch eine Änderung einer in einem HTS-Material des Läufers eingefrorenen Magnetisierung.
Diese Synchronmaschine weist unter anderem den Vorteil auf, dass die Polpaarzahl der Synchronmaschine und damit ihre Nenndrehzahl an aktuelle Erfordernisse praktisch ohne zusätzlichen apparativen Aufwand angepasst werden kann. Bei einem geringerem Drehmomentbedarf kann ferner problemlos eine höherer Nenndrehzahl für den Betrieb der Synchronmaschine gewählt werden, und umgekehrt. Bei einem Betrieb der Synchronmaschine mit einem Frequenzumrichter kann durch die änderbare oder umschaltbare Polpaarzahl ein zugänglicher Drehzahlbereich vervielfacht, beispielsweise verdoppelt, werden. Auch kann eine Ständerspannung durch die Änderung der Polpaarzahl angepasst werden .
Die Synchronmaschine macht sich zu Nutze, dass ein hochtempe- ratursupraleitendes Material bzw. HTS-Material oberhalb sei¬ ner Sprungtemperatur von einem Magnetfeld durchdrungenden werden kann. Nach einem Abkühlen des HTS-Materials unter die Sprungtemperatur bei vorhandenem Magnetfeld wird dieses Mag¬ netfeld erhalten bleiben. Dieser Effekt kann als ein "Einfrieren" der Magnetisierung des HTS-Materials bezeichnet werden. In seinem supraleitenden Zustand ist das HTS-Material dann also quasi permanentmagnetisch. Da das äußere Magnet¬ feld, das zur Magnetisierung des HTS-Materials verwendet wird, eine grundsätzlich beliebige Form annehmen kann, ist auch die Form oder der Verlauf der magnetischen Ausrichtung des HTS-Materials vielfältig einstellbar. Insbesondere kann das HTS-Material so magnetisiert werden, dass der Läufer eine grundsätzlich beliebige Polpaarzahl p aufweist. Zum Ändern der Polpaarzahl p braucht das HTS-Material nur wieder auf ei¬ ne Temperatur oberhalb der Sprungtemperatur erwärmt zu werden, ein für die neue Polpaarzahl p geeignetes äußeres Mag¬ netfeld angelegt zu werden und das HTS-Material bei angeleg¬ tem äußerem Magnetfeld wieder unter die Sprungtemperatur abgekühlt zu werden. Dies geschieht vorteilhafterweise bei ei¬ nem stillstehenden Läufer.
Zum Betrieb der Synchronmaschine mit dem HTS-Läufer mit der neuen Polpaarzahl braucht dann nur noch die Ständerwicklung entsprechend bestromt zu werden. Dies wird durch einen Aufbau der Ständerwicklung aus mehreren Teilwicklungen ermöglicht, welche dazu entsprechend umgeschaltet oder zusammengeschaltet werden können, z.B. mittels einer geeigneten Schalteinrichtung. Ein geeignetes Auslegen einer Ständerwicklung zum Zusammenwirken mit einem Läufer einer bestimmten Polpaarzahl p ist grundsätzlich bekannt, so dass auch auf das Schalten oder Anschließen der Teilwicklungen nicht weiter eingegangen zu werden braucht.
Die Synchronmaschine mag insbesondere eine Drehstrom- Synchronmaschine sein.
Die Teilwicklungen können insbesondere zueinander winkelversetzt sein, was eine einfache Verschaltung erleichtert.
Es ist eine Ausgestaltung, dass das HTS-Material in Form ei¬ nes Volumenmaterials oder "Bulk"-Materials vorliegt. Das HTS- Volumenmaterial weist insbesondere eine in allen drei Dimen¬ sionen nicht vernachlässigbare, zusammenhängende Form auf. So kann eine besonders vielseitige Form der Magnetisierung in dem HTS-Material ermöglicht werden. Auch wird so der Effekt des "Quenchings " , welcher z.B. bei nicht als HTS-Bulkmaterial vorliegenden HTS-Wicklungen eher auftreten kann, unterdrückt.
Es ist eine Ausgestaltung, dass das HTS-Material , insbesonde- re HTS-Volumenmaterial , einen zu einer Drehachse des Läufers konzentrisch angeordneten HTS-Hohlzylinder bildet. Der HTS- Hohlzylinder lässt sich aufgrund seiner gleichmäßig umlaufenden Form besonders frei und damit vielfältig magnetisieren . Da der gesamte mantelseitige Umfang des Läufers mit dem HTS- (Volumen- ) Material belegt sein kann, wird eine optimale Nut- zung der verfügbaren Fläche hinsichtlich eines möglichst großen Drehmoments erreicht. Bei dem Magnetisieren des Läufers kann dieser beispielsweise aufgrund seiner Zylindersymmetrie in jeder beliebigen Position stehen. Ein exaktes Positionieren entfällt, da keine Polpositionen durch die geometrische Form des Läufers vorbestimmt sind.
Es ist noch eine Ausgestaltung, dass das HTS-Material mittels einer Kühleinrichtung unter seine Sprungtemperatur kühlbar ist und mittels einer Heizung über seine Sprungtemperatur er- wärmbar ist. So lässt sich die Umschaltung der Polpaarzahl p oder der Zahl 2p der Pole schnell erreichen.
Die Kühleinrichtung mag insbesondere einen mit Kühlmedium (z.B. flüssigem Stickstoff oder flüssigem Neon) zumindest teilweise gefüllten Hohlraum, insbesondere zylinderförmigen
Hohlraum, aufweisen. Durch den Hohlraum lässt sich der Läufer sicher auf einer Temperatur unterhalb seiner Sprungtemperatur halten . Die Heizung kann ein oder mehrere Heizelemente aufweisen, welche das HTS-Material vorzugsweise großflächig oder großvo- lumig, insbesondere im Wesentlichen vollständig, so weit auf¬ heizen, dass es seine Sprungtemperatur überschreitet. Die Heizung ist insbesondere elektrisch betreibbar, da sich so ein einfacher Aufbau ergibt.
Die Heizung ist insbesondere eine Flächenheizung, z.B. auf¬ weisend eine oder mehrere Dünnschicht- oder Dickschicht- Heizleiterbahnen. Dies können besonders einfach in den Läufer integriert werden, z.B. durch Aufkleben oder Aufdrucken, insbesondere als eine großflächige Heizungslage. Es ist noch eine weitere Ausgestaltung, dass die Heizung drahtlos mit Leistung versorgbar ist. So kann auf zugehörige Anschlussleitungen verzichtet werden, was einen apparativen Aufwand weiter verringert.
Eine besonders einfache und effektive Leistungsversorgung kann dadurch erreicht werden, dass die Heizung induktiv oder transformatorisch mit Leistung versorgbar ist. Dazu mag die Heizung, insbesondere jedes der Heizelemente bei einem Vor- liegen mehrerer Heizelemente, mit mindestens einer (sekundär- seitigen) Leistungsempfangsspule ausgerüstet sein, welche insbesondere als eine sekundärseitige Transformatorhälfte dienen kann. Mindestens eine für einen Leistungseintrag in die Heizung verwendbare primärseitige Spule oder Transforma- torhälfte mag beispielsweise an dem Ständer angeordnet sein.
Es ist ferner eine Ausgestaltung, dass die Synchronmaschine mindestens eine Temperaturüberwachungseinrichtung zur Überwachung einer Temperatur der Heizung und/oder des HTS-Materials aufweist. Die Temperaturüberwachungseinrichtung dient vorteilhafterweise zum Überwachen einer Temperatur in dem HTS- Material (und zwar direkt an dem HTS-Material und/oder indi¬ rekt über eine Temperatur der Heizung) , insbesondere zur Steuerung und Überwachung des oben beschriebenen Ummagneti- sierungsprozesses . Die Temperaturüberwachungseinrichtung kann insbesondere eine telemetrisch oder fernabfragbar arbeitende Temperaturüberwachungseinrichtung sein, so dass auch hier auf eine Verkabelung des Läufers zur Signalübertragung verzichtet werden kann. Die Temperaturüberwachungseinrichtung mag beispielsweise als eine RFID-Marke ausgestaltet sein. Die Tempe¬ raturüberwachungseinrichtung mag einen oder mehrere Temperatursensoren umfassen.
Es ist auch eine Ausgestaltung, dass nebeneinander angeordne- te Teilwicklungen gleichgerichtet in einem gemeinsamen Strang zusammenschaltbar sind. So kann eine besonders einfache Um- schaltung der Ständerwicklung bzw. der Teilwicklungen realisiert werden. Es ist eine Weiterbildung, dass die Zahl q der Teilwicklungen dreimal der Zahl einer maximal einstellbaren Polpaarzahl pmax entspricht. Weist die Ständerwicklung dann q Teilwicklungen auf, so mag der Läufer bis zu pmax = q/3 Pole oder q/6 Pol¬ paare aufweisen. Beispielsweise mag dann, wenn die Ständerwicklung q=12 Teilwicklungen aufweist, der Läufer als ein zweipoliger (p=l) Läufer oder als ein vierpoliger (p=pmax=2) Läufer ausgebildet sein. Die Zahl der Pole 2p ist dabei ge- radzahlig und die Zahl q der Teilwicklungen insbesondere ein Vielfaches von sechs. Die Teilwicklungen können insbesondere in drei Stränge verschaltbar sein, insbesondere bei einer Drehstrom-Synchronmaschine . Es ist eine für einen sicheren und effektiven Betrieb des Läufers vorteilhafte Ausgestaltung, dass der Läufer eine kreiszylindrische Form aufweist, welche von innen nach außen mindestens eines der folgenden Elemente aufweist: (i) einen vollzylinderförmigen Hohlraum für Kühlmedium (z.B. flüssiges Neon oder flüssigen Stickstoff) mit einer thermisch gut leitfähigen Wand aus z.B. Kupfer oder Aluminium; (ii) einen hohlzylindrischen Polkern (insbesondere aus einem ferromagneti- schen Material z.B. Eisen oder kaltzähen Eisenlegierungen), welcher gleichzeitig die Wand des vollzylinderförmigen Hohl- raums darstellen kann; (iii) eine hohlzylindrische Kopplungs¬ lage mit einer geringen Wärmeleitfähigkeit (z.B. eine mit Epoxydharz nass gewickelte dünne Glasfaserbandage) ; (iv) ei¬ nen Hohlzylinder aus dem HTS- (Volumen- ) Material (z.B. YBaCuO, SmBaCuO, GdBaCuO oder auch andere supraleitende Materialien wie z.B. MgB2) ; (v) eine hohlzylindrisch angeordnete Heizung (z.B. durch Aufkleben von Heizfolie (n) ) , insbesondere mehrere hohlzylindrisch angeordnete Heizungselemente; und/oder (vi) eine hohlzylindrische Bandage (z.B. eine nass gewickelte Glasbandage) zum Schutz gegen bei einer Rotation auftretende Zentrifugalkräfte.
Der Läufer kann drehbeweglich in einem Vakuumraum eines Kryo- staten untergebracht sein. Alternativ mag der Kryostat einen Teil des Läufers darstellen, wobei die Kryostatwand insbeson¬ dere eine Außenwand des Läufers darstellen kann.
Der Hohlzylinder kann aus einzelnen Segmenten zusammengesetzt sein .
Dieser Aufbau des Läufers erlaubt die universelle Verwendung des Läufers ohne konstruktive Anpassung in Synchronmaschinen mit unterschiedlicher Polzahl. Ferner ist ein solcher Läufer mit einem verringerten Fertigungsaufwand und in hoher Stückzahl fertigbar. Der geringe Platzbedarf für die Pole des Läufers in dem HTS-Material ermöglicht zudem einen Bau von schlanken Läufern. Dadurch werden besonders hohe Drehzahlen ermöglicht. Eine mechanische Stabilisierung des Läufers für den Betrieb bei hohen Drehzahlen ist durch die zylindrische Form leicht und kostengünstig realisierbar. Die Kühlung des Läufers wird zudem im Vergleich zu klassischen HTS- Synchronmaschinen mit HTS-Spulen wesentlich vereinfacht, da keinerlei HTS-Spulen (mit potentieller Quenchgefahr) zu kühlen sind. Es gibt auch keine Stromzuführungen, die thermisch abgefangen und gekühlt zu werden brauchen.
Es ist noch eine Ausgestaltung, dass die Synchronmaschine da¬ zu eingerichtet ist, die Änderung der in dem HTS-Material des Läufers eingefrorenen Magnetisierung mittels eines Anlegens eines durch die Ständerwicklung erzeugten Magnetfelds herbeizuführen. So kann auf eine eigenständige Magnetfelderzeu¬ gungseinheit zur Ummagnetisierung des HTS-Materials verzich¬ tet werden. Jedoch ist grundsätzlich auch eine Verwendung einer solchen Magnetfelderzeugungseinheit möglich.
Insbesondere an dem oben beschriebenen mehrlagigen Läufer kann eine Magnetisierung (Aufmagnetisierung oder Ummagnetisierung) des HTS-Materials mit Hilfe einer Bestromung des Ständers durchgeführt werden. An dem Läufer sind demzufolge keine HTS-Spulen mehr notwendig. Die Teilwicklungen des Drehstromständers können bei dem Magnetisierungsvorgang gemeinsam oder unabhängig voneinander mit Gleichstrom bestromt werden. Zur Magnetisierung des Läufers werden das in dem Läufer befindliche HTS-Material und der Polkern abgekühlt, falls dies nicht bereits der Fall ist. Anschließend wird das thermisch schwach an den Polkern des Läufers angekoppelte HTS-Material mittels der Heizung kurzzeitig über seine kritische Tempera¬ tur oder Sprungtemperatur erwärmt. Durch die nur geringe Wärmeleitfähigkeit der Kopplungslage wird praktisch nur das HTS- Material erwärmt, während der Polkern kalt bleibt.
Nun werden die Wicklungen des Ständers bevorzugt mit Gleich¬ strom bestromt, wobei z.B. bei einer sternförmigen Schaltung der Strom durch einen Strang zum Sternpunkt fließt und anschließend durch die beiden verbleibenden Stränge zurück zur Gleichstromquelle. Alternativ können die drei Stränge auch jeweils von einer eigenen Gleichstromquelle versorgt werden. Zur Versorgung der Stränge während des Aufmagnetisierens kann auch der bei Synchronmotoren ohnehin vorhandene Umrichter verwendet werden.
Diese Gleichstrombestromung erzeugt am Ort des HTS-Materials ein konstantes Magnetfeld, das im HTS-Material zur Erzeugung einer gewünschten 2p-poligen Magnetisierung führt. Durch ein Ausschalten der Heizung während der Bestromung kann nun das HTS-Material relativ schnell wieder ungefähr auf die Tempera¬ tur des Polkerns unterhalb der kritischen Temperatur oder Sprungtemperatur des HTS-Materials abgekühlt werden. Dadurch wird der magnetische Fluss bzw. die Magnetisierung in dem HTS-Material eingefroren. Jetzt wird die Bestromung der Stän- derwicklungen abgeschaltet, und der Magnetisierungsvorgang ist abgeschlossen. Der Läufer ist nun 2p-polig magnetisiert . Jedoch sind auch andere Abläufe möglich, um die Magnetisie¬ rung durchzuführen. Der Läufer ermöglicht folglich eine besonders vorteilhafte Möglichkeit der Magnetisierung. So ist das HTS-Material bei einer Montage des Läufers noch unmagnetisiert , wodurch eine einfachere Montage im Vergleich zu permanentmagnetisch erreg- ten Maschinen ermöglicht wird. Eine Demontage, d.h. ein Ent¬ fernen des Läufers aus dem Ständer ist ebenfalls einfacher möglich, da sich der Läufer nach dem Abschalten des Kühlsystems erwärmt und dadurch das HTS-Material seine Magnetisie- rung verliert (sobald seine Temperatur die kritische Tempera¬ tur übersteigt) . Ferner kann der Läufer zur schnelleren Demontage schnell entmagnetisiert werden, indem mit der Heizung das HTS-Material bei ausgeschaltetem Ständer kurzzeitig über die kritische Temperatur erwärmt wird. Nach einem Störfall (z.B. einer Erwärmung des HTS-Materials durch einen längeren Ausfall des Kühlsystems) kann der Läufer zudem nach einem erneutem Abkühlen problemlos wieder magnetisiert und die Ma¬ schine wieder in Betrieb genommen werden. Bei der Magnetisie¬ rung des HTS-Materials kann zur Versorgung der Ständerwick- lung bzw. der Teilwicklungen mit Gleichstrom der Umrichter, der bei Synchronmotoren ohnehin meist vorhanden ist, eingesetzt werden. Damit kann ein zusätzliches Gleichstromversorgungsgerät eingespart werden. Die Aufgabe wird auch gelöst durch ein Verfahren zum Betrei¬ ben einer Synchronmaschine, wobei die Synchronmaschine einen Läufer mit einem HTS-Material, in dem eine zur Erzeugung eines vorbestimmten 2p-poligen Magnetfelds geeignete Magneti¬ sierung eingefroren ist, und einen Ständer mit einer Ständer- wicklung aus mehreren Teilwicklungen aufweist, wobei das Verfahren mindestens die folgenden Schritte umfasst: (a) Erwär¬ men des HTS-Materials auf eine Temperatur oberhalb seiner Sprungtemperatur; (b) Anlegen eines Magnetfelds an das HTS- Material zur Ausprägung einer Magnetisierung, die zur Erzeu- gung eines 2p-poligen Magnetfelds mit einer geänderten Polpaarzahl p geeignet ist; und (c) Abkühlen des HTS-Materials auf eine Temperatur unterhalb seiner Sprungtemperatur bei angelegtem Magnetfeld; Das Verfahren kann grundsätzlich analog zu der Synchronmaschine ausgestaltet sein und auch die gleichen Vorteile erge¬ ben . So kann das Verfahren auch einen Schritt (d) Elektrisches Um¬ schalten der Teilwicklungen aufweisen, der sich anschließen oder vorausgehen kann. Es ist eine Ausgestaltung, dass zum Anlegen des Magnetfelds die Ständerwicklung (d.h., die gesamte Ständerwicklung oder Teile, z.B. Teilwicklungen, davon) bei stehendem Läufer mit Gleichstrom beaufschlagt wird. So ist das zur (Um- oder Auf- Magnetisierung benötigte Magnetfeld besonders einfach zu re- alisieren.
Dabei können beispielsweise jeweils zwei von drei elektri¬ schen ( Phasen- ) Anschlüssen der Ständerwicklung (oder Teilen davon) elektrisch zusammengeschaltet werden und die so noch verbleibenden zwei getrennten elektrischen Anschlüsse mit einen Gleichstrom beauftragt werden.
Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden schematischen Beschreibung eines Ausführungsbeispiels, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden. Dabei können zur Übersichtlichkeit gleiche oder gleichwirkende Elemente mit gleichen Bezugszei- chen versehen sein.
Fig.l zeigt einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße
Synchronmaschine mit einem zylinderförmigen Läufer quer zu dessen Längsachse;
Fig.2 zeigt in gleicher Sicht eine Skizze eines magneti¬ schen Ersatzschaltbilds einer Synchronmaschine mit einem zweipoligen Läufer;
Fig.3 zeigt in gleicher Sicht eine Skizze eines magneti¬ schen Ersatzschaltbilds einer erfindungsgemäßen
Synchronmaschine mit einem vierpolig magnetisierten Läufer; und
Fig.4 zeigt in gleicher Sicht eine Skizze eines magneti¬ schen Ersatzschaltbilds der erfindungsgemäßen Syn- chronmaschine mit einem zweipolig ummagnetisierten Läufer .
Fig.l zeigt einen Schnitt durch eine Synchronmaschine 1 mit einem zumindest abschnittsweise zylinderförmigen Läufer 2.
Der Läufer 2 ist drehbeweglich in einem den Läufer 2 umgebenden Ständer 3 untergebracht.
Der Läufer 2 weist innen einen zu seiner Längsachse L konzen- frischen, vollzylinderförmigen Hohlraum 4 für Kühlmedium
(z.B. flüssiges Neon oder flüssigen Stickstoff) auf, dessen Wand durch einen hohlzylindrischen Polkern 5 aus ferromagne- tischem Material wie z.B. Eisen gebildet wird. Eine Innenwand des Polkerns kann mit Kupfer oder Aluminium ausgebildet sein. Der Polkern 5 ist außenseitig von einer Kopplungslage 6 mit einer geringen Wärmeleitfähigkeit, nämlich hier von einer mit Epoxydharz nass gewickelten, dünnen Glasfaserbandage, bedeckt. Die Kopplungslage 6 (oder Thermobarriere) unterdrückt kurzfristig auftretende Wärmeströme durch sie hindurch. Die Kopplungslage 6 ist von einem Hohlzylinder aus HTS- (Volumen- ) Material 7 (z.B. YBaCuO, SmBaCuO, GdBaCuO usw.) umgeben. Auf einer Außenseite des HTS-Materials 7 ist eine Heizung 8 durch Aufkleben von Heizfolie (n) vorhanden. Zum Schutz dieser Elemente 4 bis 8 gegen bei einer Rotation auftretende Zentrifu- galkräfte ist darauf eine hohlzylinderförmige Bandage 9, näm¬ lich eine nass gewickelte Glasbandage, aufgebracht. Diese Elemente 4 bis 9 sind in einem Vakuumraum 10 eines Kryostaten 11 untergebracht. Der Läufer 2 ist durch einen Spalt S von dem Ständer 3 getrennt, wobei der Ständer 3 eine Ständerwicklung 12 mit mehreren Teilwicklungen 13 aufweist. Dabei sind nebeneinander angeordnete Teilwicklungen 13 gleichgerichtet in einem ge¬ meinsamen Strang zusammenschaltbar .
Zur Magnetisierung des Läufers 2 sind das HTS-Material 7 und der Polkern 5 unter die Sprungtemperatur des HTS-Materials abgekühlt, und zwar durch zumindest teilweises Füllen und ggf. Beströmen des Hohlraums 4 mit dem Kühlmedium.
Nun wird (bevorzugt bei stehendem Läufer 2) das HTS-Material 7 mittels der Heizung 8 kurzzeitig über seine kritische Tem¬ peratur oder Sprungtemperatur erwärmt. Durch die nur geringe Wärmeleitfähigkeit der Kopplungslage 6 wird praktisch nur das HTS-Material 7 erwärmt, während der Polkern 5 kalt bleibt. Im Folgenden werden die Ständerwicklung 12 bzw. die mehreren Teilwicklungen 13 des Ständers 3 mit Gleichstrom bestromt, wobei z.B. bei einer sternförmigen Schaltung der Strom durch einen Strang zu einem Sternpunkt fließt und anschließend durch die beiden verbleibenden Stränge zurück zu der Gleich- Stromquelle fließt. So wird mittels der Ständerwicklung 12 ein konstantes Magnetfeld erzeugt, welches das HTS-Material 7 durchdringt und magnetisiert . Dieses Magnetfeld kann eine Magnetisierung in dem HTS-Material 7 erzeugen, welche die Polzahl 2p bzw. die Polpaarzahl p des Läufers 2 grundsätzlich beliebig einstellt und insbesondere durch einen Ummagnetisie- rungsvorgang ändern kann.
Durch ein Ausschalten der Heizung 8 während der Bestromung wird das HTS-Material 7 relativ schnell wieder ungefähr auf die Temperatur des Polkerns 5 unterhalb der kritischen Tempe¬ ratur oder Sprungtemperatur des HTS-Materials 7 abgekühlt. Dadurch wird der magnetische Fluss bzw. die Magnetisierung in dem HTS-Material 7 eingefroren. Folgend wird die Bestromung der Ständerwicklung 12 abgeschaltet, und der Magnetisierungs- Vorgang ist abgeschlossen.
Der oben beschriebene Magnetisierungsablauf ist auch zur Auf¬ magnetisierung des Läufers 2 aus einem nichtmagnetisierten Zustand geeignet.
Da das zur Magnetisierung des Läufers 2 bzw. dessen HTS- Materials 7 erzeugte Magnetfeld hochgradig variabel wählbar ist, kann das HTS-Material 7 auf einfache Weise so magneti- siert (ummagnetisiert oder aufmagnetisiert ) werden, dass der Läufer 2 eine beliebige 2p-polige Magnetisierung aufweist. Insbesondere kann so die Polpaarzahl p einfach umgeschaltet werden .
Zum Betrieb der Synchronmaschine 1 mit einer geänderten Pol¬ paarzahl p brauchen nun nur noch die Teilwicklungen 13 geeignet verschaltet werden. Für eine konstruktiv besonders einfache Ausgestaltung des
Läufers 2 ist die Heizung 8 drahtlos mit Leistung versorgbar. Dazu weist sie eine oder mehrere Spulen zum transformatorischen oder induktiven Leistungsempfang auf. Auch weist die Synchronmaschine 1 eine Temperaturüberwa¬ chungseinrichtung 14, 15 zur Überwachung einer Temperatur des HTS-Materials 7 auf. Diese Temperaturüberwachungseinrichtung 14, 15 weist mindestens ein Lesegerät 14 und einen auf das HTS-Material 7 aufgebrachten, flachen fernablesbaren Tempera- tursensor 15 auf. So kann eine Temperatur des HTS-Materials 7 in Echtzeit abgefragt werden und z.B. für eine Steuerung oder Aktivierung der Heizung 8 während einer Magnetisierung des HTS-Materials 7 verwendet werden. Fig.2 zeigt in gleicher Sicht eine Skizze eines magnetischen Ersatzschaltbilds einer Synchronmaschine 21 mit einem zweipo¬ ligen Läufer 22. Das Vorhandensein des zweipoligen Magnetfelds des Läufers 2 kann mittels einer permanentmagnetischen Ausbildung des Läufers 22 oder durch entsprechende strom- durchflossene Spulen in dem Läufer 22 erreicht werden. Die Spulen können auch aus supraleitenden Wicklungen bestehen.
Der zweipolige Läufer 22 (mit einer Polzahl 2p=2 und einer Polpaarzahl p=l) richtet sich magnetisch an einer stromdurch- flossenen Ständerwicklung 23 aus, welche bei einer Drehphasen-Synchronmaschine drei mit unterschiedlichen Phasen bestromte Stränge aufweist. Hier ist jeder mit einem gleichen Strom durchflossene Strang u,u', ν,ν' bzw. w,w' der Ständer- wicklung 23 durch eine Wicklung 24, 25, 26 dargestellt. Jeder der Stränge u,u', ν,ν' und w,w' erzeugt bei einem Stromdurch- fluss ein Magnetfeld, an welchem sich der magnetisierte Läu¬ fer 22 ausrichtet. In gegenüberliegenden Abschnitten u und u', v und ' bzw. w und w' der Stränge u,u', ν,ν' bzw. w,w' fließt der Strom in entgegengesetzte Richtungen und erzeugt folglich dort ein entgegengesetzt gepoltes Magnetfeld, wie durch die Pfeile angedeutet. Mittels einer zeitlichen Ände¬ rung des Stromdurchflusses durch die Ständerwicklung 23 bzw. die zugehörigen Stränge u,u', ν,ν' bzw. w,w' kann der Läufer 22 gedreht werden. Die Arbeitsweise einer herkömmlichen Synchronmaschine 21 mit einem zweipoligen Läufer 22 ist gut bekannt . Fig.3 zeigt in gleicher Sicht wie in Fig.2 eine Skizze eines magnetischen Ersatzschaltbilds der erfindungsgemäßen Synchronmaschine 1 mit einem vierpolig magnetisierten Läufer 2. Die Synchronmaschine 1 weist eine Ständerwicklung 12 mit zwölf Teilwicklungen 13 auf, von denen jeweils vier Teilwick- lungen 13 zu einem Strang u,u', ν,ν' bzw. w,w' zusammengeschaltet sind, und zwar so, dass sich unterschiedliche Strän¬ ge u,u', ν,ν' bzw. w,w' gleichmäßig in Umfangsrichtung abwechseln. Die Arbeitsweise einer Synchronmaschine mit einem vierpoligen Läufer ist ebenfalls grundsätzlich bekannt. Je- doch wird bei dem vorliegenden Läufer 2 die Magnetisierung nicht durch einen Stromfluss durch Spulen des Läufers oder einen ferromagnetischen Dauermagneten des Läufers erreicht, sondern durch die eingefrorene Magnetisierung in dem HTS- Volumenmaterial 7.
Fig.4 zeigt in gleicher Sicht eine Skizze eines magnetischen Ersatzschaltbilds der erfindungsgemäßen Synchronmaschine 1 mit einem zweipolig ummagnetisierten Läufer 2. Zum Betrieb der Synchronmaschine 1 sind die Teilwicklungen 13 nun so um- verschaltet worden, dass jeweils zwei nebeneinander angeord¬ nete Teilwicklungen 13 gleichgerichtet in einem gemeinsamen Strang u,u', ν,ν' bzw. w,w' zusammengeschaltet sind und folg¬ lich wie eine einzige Teilwicklung funktionieren. Da der Ständer 3 zwölf Teilwicklungen 13 aufweist, kann er für einen Betrieb mit einem zweipoligen und einem maximal vierpoligen Läufer 2 (d.h. pmax=2) umgeschaltet werden. Für einen Betrieb eines Läufers 2 mit einer noch höheren Polpaarzahl p, d.h. mit p>=3, 4, usw., mögen insbesondere 6p Teil¬ wicklungen benötigt werden.
Obwohl die Erfindung im Detail durch das gezeigte Ausfüh- rungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht darauf eingeschränkt und andere Variatio¬ nen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.

Claims

Synchronmaschine (1), aufweisend einen 2p-poligen Läufer (2) und einen Ständer (3) mit einer Ständerwicklung (12) aus mehreren Teilwicklungen (13), wobei eine Polpaarzahl p änderbar ist durch eine Änderung einer in einem HTS- Material (7) des Läufers (2) eingefrorenen Magnetisie¬ rung .
Synchronmaschine (1) nach Anspruch 1, wobei das HTS- Material (7) als ein HTS-Volumenmaterial vorliegt.
Synchronmaschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das HTS-Material (7) einen zu einer Dreh¬ achse (L) des Läufers (2) konzentrisch angeordneten HTS- Hohlzylinder bildet.
Synchronmaschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das HTS-Material (7) mittels einer Kühl¬ einrichtung (4) unter seine Sprungtemperatur kühlbar ist und mittels einer Heizung (8) über seine Sprungtempera¬ tur erwärmbar ist.
Synchronmaschine (1) nach Anspruch 4, wobei die Heizung (8) drahtlos mit Leistung versorgbar ist.
Synchronmaschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Synchronmaschine (1) mindestens eine Temperaturüberwachungseinrichtung zur Überwachung einer Temperatur der Heizung und/oder des HTS-Materials aufweist.
Synchronmaschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei nebeneinander angeordnete Teilwicklungen gleichgerichtet in einem gemeinsamen Strang zusammen- schaltbar sind. Synchronmaschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Läufer (2) eine kreiszylindrische Form aufweist, welche von innen nach außen mindestens eines der folgenden Elemente aufweist:
- einen vollzylinderförmigen Hohlraum (4) für Kühlmedium;
- einen hohlzylindrischen Polkern (5) ;
- eine hohlzylindrische Kopplungslage (6) mit einer ge¬ ringen Wärmeleitfähigkeit;
- einen Hohlzylinder aus dem HTS-Material (7);
- eine hohlzylindrisch angeordnete Heizung (8);
und/oder
- eine hohlzylindrische Bandage (9) .
Synchronmaschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Synchronmaschine (1) dazu eingerich¬ tet ist, die Änderung der in dem HTS-Material (7) des Läufers (2) eingefrorenen Magnetisierung mittels eines Anlegens eines durch die Ständerwicklung (12) erzeugten Magnetfelds herbeizuführen.
Verfahren zum Betreiben einer Synchronmaschine (1), wo¬ bei die Synchronmaschine (1) aufweist:
- einen Läufer (2) mit einem HTS-Material (7), in dem eine zur Erzeugung eines vorbestimmten 2p-poligen Magnetfelds geeignete Magnetisierung eingefroren ist,
- einen Ständer (3) mit einer Ständerwicklung aus mehreren Teilwicklungen (13),
wobei das Verfahren mindestens die folgenden Schritte umfasst :
- Erwärmen des HTS-Materials (7) auf eine Temperatur oberhalb seiner Sprungtemperatur;
- Anlegen eines Magnetfelds an das HTS-Material (7) zur Ausprägung einer Magnetisierung, die zur Erzeugung eines 2p-poligen Magnetfelds mit einer geänderten Polpaarzahl p geeignet ist; und - Abkühlen des HTS-Materials (7) auf eine Temperatur unterhalb seiner Sprungtemperatur bei angelegtem Magnetfeld.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 oder 11, ferner aufweisend den Schritt:
- Elektrisches Umschalten der Teilwicklungen (13).
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 oder 11, wobei zum Anlegen des Magnetfelds die Ständerwicklung (12) bei stehendem Läufer (2) mit Gleichstrom beaufschlagt wird.
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Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102018216896A1 (de) * 2018-10-02 2020-04-02 Siemens Aktiengesellschaft Rotor und Maschine mit supraleitendem Permanentmagneten für hohe magnetische Flussdichten
DE102018216890A1 (de) * 2018-10-02 2020-04-02 Rolls-Royce Deutschland Ltd & Co Kg Rotor und Maschine mit supraleitendem Permanentmagneten
DE102019219458A1 (de) * 2019-12-12 2021-06-17 Festo Se & Co. Kg Antriebsvorrichtung und Verfahren zum Betrieb einer Antriebsvorrichtung

Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE1826267U (de) * 1958-10-28 1961-02-09 Siemens Ag Synchroner maschinensatz.
DE2629642C3 (de) * 1976-07-01 1979-08-30 Siemens Ag, 1000 Berlin Und 8000 Muenchen Polumschaltbare Dreiphasenwicklung
US4176291A (en) * 1977-05-27 1979-11-27 Electric Power Research Institute, Inc. Stored field superconducting electrical machine and method
CH651973A5 (en) * 1978-10-18 1985-10-15 Elin Union Ag Reversible-pole winding for an electrical machine
US4987674A (en) * 1988-07-07 1991-01-29 Allied-Signal Inc. Method of making a dynamoelectric machine with superconducting magnet rotor
AU6783198A (en) * 1997-03-28 1998-10-22 Dax Industries, Inc. Electronically commutated pole-changing motor
US6169352B1 (en) * 1997-07-21 2001-01-02 University Of Chicago Trapped field internal dipole superconducting motor generator
GB2331858A (en) * 1997-11-28 1999-06-02 Asea Brown Boveri A wind power plant
US7053509B2 (en) * 2004-03-30 2006-05-30 General Electric Company Quench monitoring and control system and method of operating same

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
None

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