WO2015197477A1 - Electric machine - Google Patents

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WO2015197477A1
WO2015197477A1 PCT/EP2015/063788 EP2015063788W WO2015197477A1 WO 2015197477 A1 WO2015197477 A1 WO 2015197477A1 EP 2015063788 W EP2015063788 W EP 2015063788W WO 2015197477 A1 WO2015197477 A1 WO 2015197477A1
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electrical machine
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coil winding
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Michael Frank
Jörn GRUNDMANN
Anne KUHNERT
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Siemens Aktiengesellschaft
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Abstract

Disclosed is an electric machine comprising a stator and a rotor that is rotatably mounted about an axis of rotation. The rotor has an internal rotor core which is provided with at least one electric coil winding. The rotor core and the coil winding are radially enclosed by an outer rotor casing, the rotor casing having a plurality of electrically conductive longitudinal bars which are at least partially connected to one another on their axial end regions in an electrically conductive manner.

Description

Beschreibung description
Elektrische Maschine Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit einem Ständer und einem um eine Rotationsachse drehbar gelagerten Läufer, bei der der Läufer einen innenliegenden Läuferkern aufweist, der mit wenigstens einer elektrischen Spulenwicklung versehen ist. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Synchronmaschine mit einem derartigen Aufbau, die zusätzlich einen asynchronen Betriebsmodus aufweist. The invention relates to an electric machine having a stator and a rotor rotatably mounted about a rotation axis, in which the rotor has an inner rotor core provided with at least one electrical coil winding. In particular, the invention relates to a synchronous machine having such a structure, which additionally has an asynchronous operating mode.
Nach dem Stand der Technik weisen Synchronmaschinen einen feststehenden Ständer und einen um eine ortsfeste Achse ro- tierenden Läufer auf, wobei der Läufer typischerweise eine Erregerwicklung trägt, die das für den Betrieb der Maschine nötige magnetische Feld erzeugt. Der Ständer ist mit einer Mehrzahl an elektrischen Spulenwicklungen versehen, die zusammen an ein ein- oder mehrphasiges Wechselspannungsnetz an- geschlossen sind. Dabei läuft der Läufer synchron mit demIn the prior art synchronous machines have a fixed stator and a rotor rotating about a stationary axis, the rotor typically carrying a field winding which generates the magnetic field necessary for the operation of the machine. The stator is provided with a plurality of electrical coil windings, which are connected together to a single-phase or multi-phase AC voltage network. The runner runs synchronously with the
Ständer-Drehfeld und damit synchron zur Netzfrequenz bezie¬ hungsweise mit einem ganzzahligen Bruchteil der Netzfrequenz, abhängig von der Polpaarzahl. Bei einer sogenannten Innenpol- maschine ist der Läufer typischerweise als zylindrischer Kör- per innerhalb eines hohlzylindrischen Ständers angeordnet. Zwischen den Spulenwicklungen des Läufers und des Ständers befindet sich ein Luftspalt, der zur Erhöhung des Wirkungs¬ grades der Maschine und/oder um den Herstellungs- und Materi¬ alaufwand zu minimieren allgemein möglichst klein gehalten wird. Stator rotating field and thus synchronously to the mains frequency bezie ¬ tion with an integer fraction of the mains frequency, depending on the number of pole pairs. In a so-called internal pole machine, the rotor is typically arranged as a cylindrical body within a hollow cylindrical stator. There is an air gap between the coil windings of the rotor and the stator, which is generally kept as small as possible to increase the efficiency ¬ degree of the machine and / or the manufacturing and Materi ¬ alaufwand.
Eine solche Synchronmaschine kann prinzipiell entweder als Motor oder als Generator betrieben werden. Im Motorbetrieb wird dem Stromnetz elektrische Leistung entzogen und über die Drehung des Läufers in mechanische Leistung umgewandelt. Such a synchronous machine can in principle be operated either as a motor or as a generator. During engine operation, electrical power is withdrawn from the power grid and converted into mechanical power via the rotation of the rotor.
Hierzu ist der Läufer zweckmäßig mit einer Rotorwelle verbun¬ den, die das erzeugte Drehmoment überträgt. Solche Motoren können beispielsweise als Antriebe für Verdichter, Gebläse oder Pumpen zum Einsatz kommen. Im Generatorbetrieb wird umgekehrt mechanische Energie in elektrische Energie umgewan¬ delt, und eine von außen induzierte Drehung der Rotorwelle erzeugt über magnetische Induktion in den Ständerspulen eine Wechselspannung. For this purpose, the runner is expedient verbun ¬ with a rotor shaft, which transmits the torque generated. Such motors can, for example, as drives for compressors, fans or pumps are used. In generator operation, mechanical energy is inversely umgewan ¬ punched into electrical energy, and an externally induced rotation of the rotor shaft via magnetic induction generated in the stator coils an alternating voltage.
Bei beiden Betriebsmodi wird die Erregerwicklung des Läufers von einem Gleichstrom durchflössen, der von einer Erregereinrichtung auf die rotierende Spulenwicklung übertragen wird. Es sind Synchronmaschinen bekannt, bei denen die Erregerwicklung als supraleitende Spulenwicklung ausgeführt ist, da durch den zu vernachlässigenden Gleichstromwiderstand einer solchen Spule ein besonders hoher Wirkungsgrad und/oder ein kompakter Aufbau erzielt werden kann. Eine solche supralei- tende Erregerwicklung ist beispielsweise in der In both operating modes, the exciter winding of the rotor is traversed by a direct current, which is transmitted from an exciter device to the rotating coil winding. Synchronous machines are known in which the excitation winding is designed as a superconducting coil winding, since a particularly high efficiency and / or a compact construction can be achieved by the negligible DC resistance of such a coil. Such a superconducting field winding is, for example, in
US 20120235532 AI sowie in der EP 490550 Bl beschrieben.  US 20120235532 AI and in EP 490550 Bl.
Für den Anlauf und/oder Auslauf einer Synchronmaschine werden typischerweise spezielle Umrichter und/oder Motoren benötigt, da die Maschine im Synchronbetrieb nicht ihre Drehzahl ändern kann, ohne dass gleichzeitig auch die Netzfrequenz geändert wird. Die Netzfrequenz des Stromnetzes bleibt aber in den al¬ lermeisten Fällen konstant. Um den zusätzlichen Aufwand durch speziell erforderliche Umrichter und/oder Motoren zu vermei- den, ist es wünschenswert, eine Synchronmaschine zu entwi¬ ckeln, die zusätzlich zu ihrem synchronen Betriebsmodus einen asynchronen Betriebsmodus aufweist, in dem die Maschine also als Asynchronmaschine betrieben werden kann. Bei Asynchronma¬ schinen rotiert der Läufer allgemein nicht synchron mit der Netzfrequenz, sondern es liegt ein dauerhafter sogenannterFor the start-up and / or run-down of a synchronous machine, special converters and / or motors are typically required because the machine can not change its speed in synchronous operation without the mains frequency being changed at the same time. But the mains frequency of the power system remains constant in the al ¬ lermeisten cases. In order to avoid the additional effort by required inverter and / or motors to, it is desirable to provide a synchronous machine to escape ¬ ckeln, in addition to their synchronous operation mode comprises an asynchronous mode, in which the machine can be so operated as an asynchronous machine. In Asynchronma ¬ machines the rotor generally does not rotate synchronously with the mains frequency, but there is a permanent so-called
Schlupf zwischen diesen beiden Größen vor. Mit einem solchen asynchronen Betriebsmodus können elektrische Maschinen auch bei konstanter Netzfrequenz anlaufen, ohne hierfür zusätzliche Motoren und Umrichter zu benötigen. Slip between these two sizes. With such an asynchronous operating mode, electric machines can start up even at a constant mains frequency without the need for additional motors and converters.
Gerade bei supraleitenden Synchronmaschinen ist es besonders schwierig, einen zusätzlichen asynchronen Betriebsmodus zur Verfügung zu stellen. Dies liegt daran, dass für den Asyn- chronmodus auf dem Läufer zusätzliche elektrische Leiter be¬ nötigt werden, die durch Induktion von Strömen auch im asynchronen Betrieb eines Motors zu einer Drehmomentbildung beitragen oder alternativ im Generatorbetrieb zur Stromerzeugung beitragen. Durch solche zusätzlichen Leiter kommt es aber allgemein zumindest beim Anlaufbetrieb zu zusätzlichen Verlusten, die eine wirksame Kühlung der auf dem Läufer angeord¬ neten supraleitenden Erregerspule auf kryogene Temperaturen beeinträchtigen können. Alternativ kann prinzipiell auch die für den Synchronmodus benötigte Erregerwicklung als Läuferwicklung für den Asynchronbetrieb mitbenutzt werden. Allerdings werden dann spezielle Ausgestaltungen der Wicklung benötigt, und es werden häufig zusätzliche äußere Beschaltungs- maßnahmen wie beispielsweise Stern-Dreieck-Schaltungen und Anlaufwiderstände notwendig. Nachteilig bei einer solchenEspecially in superconducting synchronous machines, it is particularly difficult to provide an additional asynchronous mode of operation. This is because for the Asyn chronmodus on the runner additional electrical conductors be ¬ required, which contribute to the induction of currents in the asynchronous operation of an engine to a torque or alternatively contribute in generator mode to generate electricity. But by such additional conductor there is generally at least during the start-up operation to additional losses that may affect an effective cooling of the rotor on the angeord ¬ Neten superconducting field coil to cryogenic temperatures. Alternatively, in principle, the excitation winding required for the synchronous mode can be shared as a rotor winding for the asynchronous operation. However, special embodiments of the winding are then required, and it often additional external Beschaltungs- measures such as star-delta circuits and starting resistors are necessary. A disadvantage of such
Ausgestaltung ist in jedem Fall, dass im Asynchronbetrieb ein hoher Wärmeeintrag in die Erregerwicklung erfolgt, die dann beispielsweise bei einer supraleitenden Wicklung auf eine Temperatur oberhalb der Sprungtemperatur des Supraleiters er- wärmt wird. Embodiment is in any case that in asynchronous operation, a high heat input into the exciter winding takes place, which is then heated, for example in a superconducting winding to a temperature above the transition temperature of the superconductor.
In der EP1203437B1 ist ein Synchronmotor mit einer supraleitenden Erregerwicklung beschrieben, die zusätzlich einen als Induktionsmodus beschriebenen asynchronen Betriebsmodus auf- weist. Hierzu ist als Teil des Läufers ein Induktionsaufbau vorgesehen, der bei einem asynchronen Notbetrieb des Motors, wenn die Erregerwicklung nicht mehr supraleitend ist, ein Drehmoment erzeugt. Der Induktionsaufbau ist hierbei jedoch in einigen Ausführungsformen so dicht bei den supraleitenden Erregerwicklungen angeordnet, dass im Induktionsmodus die Er¬ regerwicklung durch die im Induktionsaufbau auftretende Wär¬ meentwicklung noch weiter erwärmt wird. Bei einer speziellen Ausführungsform ist ein Vakuumbereich zur thermischen Isolation zwischen Teilen des Induktionsaufbaus und der Erreger- wicklung beschrieben. Nachteilig ist bei dieser Variante je¬ doch, dass die Führung des Erregermagnetfeldes zwischen Erre¬ gerwicklung und Ständer durch den größeren Abstand zwischen diesen Elementen erschwert ist. Weiterhin dienen bei den be- schriebenen Ausführungsformen flächige elektromagnetische Ab¬ schirmelemente sowie Wände eines Kryostaten als Induktions¬ leiter, so dass der Induktionsstrom hier nur in unstrukturierten flächigen Leitern fließen kann. In EP1203437B1 a synchronous motor with a superconducting field winding is described which additionally has an asynchronous operating mode described as an induction mode. For this purpose, an induction structure is provided as part of the rotor, which generates a torque in an asynchronous emergency operation of the engine when the excitation winding is no longer superconducting. However, the induction structure is in this case arranged in some embodiments, as close to the superconducting field windings that, in the induction mode is He ¬ Coil winding further heated by the induction occurring in the structure Wär ¬ meentwicklung. In a specific embodiment, a vacuum region for thermal insulation between parts of the induction structure and the exciter winding is described. A disadvantage in this variant each ¬ but that the guiding of the excitation magnetic field between Erre ¬ gerwicklung and stands by the greater distance between these elements is difficult. Furthermore, in the case of described embodiments planar electromagnetic Ab ¬ screen elements and walls of a cryostat as induction ¬ conductor, so that the induction current can flow here only in unstructured planar conductors.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine elektrische Maschine anzugeben, welche die genannten Nachteile vermeidet. Insbe¬ sondere soll die elektrische Maschine als Synchronmaschine ausgestaltet sein, die einen zusätzlichen asynchronen Be- triebsmodus aufweist, bei dem die Eigenschaften der Erreger¬ wicklung für den Synchronbetrieb möglichst wenig beeinträchtigt werden. The object of the invention is therefore to provide an electrical machine which avoids the disadvantages mentioned. In particular ¬ sondere should be configured as a synchronous machine, the electrical machine having an additional asynchronous operating mode in which the properties of the exciter winding ¬ be affected as little as possible for the synchronous mode.
Diese Aufgabe wird durch die in Anspruch 1 angegebene elek- frische Maschine gelöst. Die erfindungsgemäße elektrische Ma¬ schine weist einen Ständer und einen um eine Rotationsachse drehbar gelagerten Läufer auf. Dabei weist der Läufer einen innenliegenden Läuferkern auf, der mit wenigstens einer elektrischen Spulenwicklung versehen ist. Der Läuferkern und die Spulenwicklung sind radial von einem äußeren Läufermantel umhüllt, wobei der Läufermantel eine Mehrzahl von elektrisch leitenden Längsstäben aufweist, die zumindest teilweise an ihren axialen Endbereichen elektrisch leitfähig miteinander verbunden sind. Dabei soll im Folgenden unter einem Längsstab allgemein ein elektrischer Leiter mit einer Richtungskomponente in axialer Richtung verstanden werden. Er muss nicht als freitragender Stab ausgebildet sein, sondern kann als längliches leitfähiges Element von ganz allgemeiner Form vor¬ liegen, beispielsweise auch als leitfähige Füllung aus fle- xiblen Materialien oder als Geflecht von Leitersträngen. This object is achieved by the specified in claim 1 elek- fresh machine. The electrical Ma ¬ machine according to the invention comprises a stator and a rotatably mounted about a rotation axis rotor. In this case, the rotor on an inner rotor core, which is provided with at least one electric coil winding. The rotor core and the coil winding are enveloped radially by an outer rotor shell, wherein the rotor shell has a plurality of electrically conductive longitudinal bars, which are at least partially electrically conductively connected to one another at their axial end regions. In the following, a longitudinal bar will generally be understood to mean an electrical conductor with a directional component in the axial direction. He does not have to be formed as a cantilevered bar, but may be as an elongated conductive element of most general form ¬, for example, as conductive filling of flexi- ble materials or as a network of conductor strands.
Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine liegt darin, dass durch den Läufermantel ein radial zwischen Läuferkern und Ständer angeordnetes Bauteil zur Ver- fügung steht, auf dem zusätzliche elektrische Leiter, hier in Form der Längsstäbe, angeordnet werden können. Durch die we¬ nigstens teilweise elektrisch leitfähige Verbindung der A significant advantage of the electric machine according to the invention is that a component arranged radially between the rotor core and the stator is available through the rotor shell, on which additional electrical conductors, here in the form of the longitudinal bars, can be arranged. By we ¬ nigstens partially electrically conductive connection of the
Längsstäbe in den axialen Endbereichen werden diese Leiter zu übergeordneten elektrisch leitfähigen geschlossenen Schleifen verbunden, in denen im Asynchronbetrieb der elektrischen Maschine ein Strom induziert werden kann. Vorteilhaft ist dabei jeder der Längsstäbe mit wenigstens einem anderen Längsstab zu einem geschlossenen Stromkreis verbunden, so dass alle Längsstäbe im asynchronen Betriebsmodus zum induzierten Longitudinal bars in the axial end areas become these conductors too superordinate electrically conductive closed loops connected in which in the asynchronous operation of the electric machine, a current can be induced. In this case, each of the longitudinal bars is advantageously connected to at least one other longitudinal bar to form a closed circuit, so that all the longitudinal bars are induced in the asynchronous operating mode
Stromfluss beitragen können. Es müssen aber nicht alle Längs¬ stäbe elektrisch leitfähig mit allen anderen Längsstäben verbunden sein, da sie auch beispielsweise in unterschiedlichen Gruppierungen zu mehreren geschlossenen Stromkreisen verknüpft sein können. Can contribute to the flow of electricity. But it need not be all the longitudinal rods ¬ electrically conductive connected to all other longitudinal rods, since they can also be linked, for example, in different groupings to several closed circuits.
Bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung der elektrischen Maschine dient die auf dem Läuferkern angeordnete elektrische Spulenwicklung als Erregerwicklung für den Synchronbetrieb. Die Kombination von Läuferkern und elektrischer Spulenwicklung wird im Folgenden auch als innerer Läufer bezeichnet. Hierbei ist der Läuferkern beispielsweise mit der Spulenwick¬ lung bewickelt, oder die bereits gewickelte Spulenwicklung kann nachträglich auf dem Läuferkern aufgebracht sein. DieIn the embodiment of the electric machine according to the invention, the electrical coil winding arranged on the rotor core serves as a field winding for synchronous operation. The combination of rotor core and electrical coil winding is also referred to below as an inner rotor. Here, the rotor core is wound, for example, with the Spulenwick ¬ development , or the already wound coil winding may be subsequently applied to the rotor core. The
Spulenwicklung kann den Läuferkern wenigstens teilweise umgeben und/oder sie kann anderweitig beispielsweise in radial außenliegenden Bereichen auf dem Läuferkern angeordnet sein. Die vor allem im Asynchronbetrieb elektrisch wirksamen Längsstäbe sind bei der elektrischen Maschine auf dem den inneren Läufer umgebenden Läufermantel angeordnet. Dieser Läufermantel mit den zugehörigen Längsstäben ist dabei mechanisch mit dem inneren Läufer verbunden und rotiert synchron mit diesem. Die Anordnung der im Asynchronbetrieb wirksamen elektrischen Leiter auf einem radial weiter außenliegenden Bereich als die im Synchronbetrieb wirksamer Erregerwicklung ist deshalb vorteilhaft, weil so die Wärmeentwicklung durch im Asynchronbe¬ trieb entstehende Verluste einen vorteilhaft geringen Ein- fluss auf die Temperatur der Erregerwicklung hat. Coil winding may at least partially surround the rotor core and / or it may be otherwise arranged, for example, in radially outer regions on the rotor core. The electrically acting in particular in the asynchronous longitudinal bars are arranged in the electrical machine on the inner rotor surrounding rotor shell. This rotor shell with the associated longitudinal bars is mechanically connected to the inner rotor and rotates synchronously with this. The arrangement of the effective in the asynchronous electrical conductor on a radially outer region than the active in synchronous excitation winding is advantageous because the heat development by Asynchronbe ¬ drive resulting losses an advantageously low influence on the temperature of the field winding has.
Da durch die spezielle Ausgestaltung der elektrischen Maschine ein asynchroner Betriebsmodus für eine Synchronmaschine zur Verfügung gestellt wird, kann diese elektrische Maschine sowohl im Asynchronbetrieb anfahren als auch in diesem Betriebsmodus kontrolliert herunterfahren. Hierzu werden im Un¬ terschied zum Stand der Technik keine zusätzlichen Anfahrum- richter oder Anfahrmotoren benötigt. Auch bei einer Störung während des Betriebs im Synchronmodus kann die elektrische Maschine temporär oder sogar dauerhaft im asynchronen Modus weiterbetrieben werden, ohne dass es dabei zu einer übermäßigen Aufheizung der Erregerwicklung kommt. As a result of the special configuration of the electric machine, an asynchronous operating mode for a synchronous machine is made available, this electric machine can start both in asynchronous operation and controlled shut down in this mode of operation. This requires no additional Anfahrum- be judge or Anfahrmotoren needed in the Un ¬ terschied with the prior art. Even in the event of a fault during operation in synchronous mode, the electric machine can be operated temporarily or even permanently in asynchronous mode, without resulting in excessive heating of the exciter winding.
Neben der Schaffung eines radialen Bereichs zur Anordnung der elektrisch leitfähigen Längsstäbe weist die Ummantelung des inneren Läufers mit dem Läufermantel noch einen weiteren Vorteil auf: So kann hierdurch der Durchmesser des inneren Läu- fers deutlich kleiner als der Bohrungsdurchmesser des Ständers ausgebildet werden. Gerade bei elektrischen Maschinen für hohe Drehzahlen hat dies den zusätzlichen Vorteil, dass die elektrische Spulenwicklung des inneren Läufers bei glei¬ chem Bohrungsdurchmesser des Ständers und bei gleicher Dreh- zahl niedrigeren Zentrifugalkräften ausgesetzt ist. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die elektrische Spulen¬ wicklung des inneren Läufers durch Einsatz von Materialien mit hoher Stromtragfähigkeit leicht auf kleinem Raum angeord¬ net werden kann. In addition to providing a radial region for the arrangement of the electrically conductive longitudinal bars, the casing of the inner rotor with the rotor shell also has a further advantage: Thus, the diameter of the inner rotor can be made significantly smaller than the bore diameter of the stator. Especially for electric machines for high speeds, this has the additional advantage that the electrical coil winding of the inner rotor during flexible ¬ chem bore diameter of the stator and at the same rotation number is exposed to lower centrifugal forces. This is particularly advantageous when the electrical coil ¬ winding of the inner rotor can be easily angeord ¬ net by using materials with high current carrying capacity in a small space.
Die Bezeichnung der elektrischen Leiter des Läufermantels als Längsstäbe soll verdeutlichen, dass diese Leiter eine hohe Richtungskomponente in Richtung der Rotationsachse des Läu¬ fers aufweisen. Beispielsweise können diese Längsstäbe paral- lel zur Richtung der Rotationsachse des Läufers ausgerichtet sein. Insbesondere können sie alle parallel auf einer gemein¬ samen Zylinderoberfläche angeordnet sein. Alternativ können die Längsstäbe aber auch in einem Winkel zur Rotationsachse angeordnet sein. Durch eine solche leicht schräge Lage können die Anlaufbedingungen der elektrischen Maschine verbessert werden. Beispielsweise können das sogenannte Nutenpfeifen, inhomogene Drehmomente, magnetische Wirbelungen, Rüttelkräfte und/oder Bremsungen vermindert werden. Bei einer solchen Aus- führungsform liegen die Längsstäbe nicht mehr genau parallel zueinander, sondern sind in unterschiedlichen Richtungen, aber vorteilhaft um einen betragsmäßig gleichen Winkel gegen die Rotationsachse des Läufers geneigt. Eine solche Konfigu- ration wird auch als „einfach geschränkt" bezeichnet. Alter¬ nativ können bei einer „doppelt geschränkten" oder auch „mehrfach geschränkten" Ausführungsform unterschiedliche axiale Bereiche der Längsstäbe mit verschiedenen Neigungen be¬ züglich der Rotationsachse ausgebildet sein. Diese Schränkung wird in der Fachwelt alternativ auch als Schrägung oder Drall bezeichnet. Der Winkel der Längsstäbe mit der Rotationsachse kann beispielsweise bis zu +/- 20 Grad betragen. Besonders vorteilhaft liegt der Winkel bei einer gegebenen Nutenzahl n der Ständerwicklung bei einem Wert von etwa 360°/n. The designation of the electrical conductors of the rotor casing as the longitudinal rods intended to illustrate that these conductors have a high directional component in the direction of the axis of rotation of Läu ¬ fers. For example, these longitudinal bars may be aligned parallel to the direction of the axis of rotation of the rotor. In particular, they may all be arranged in parallel on a common ¬ seed cylinder surface. Alternatively, however, the longitudinal bars may also be arranged at an angle to the axis of rotation. By such a slightly inclined position, the starting conditions of the electrical machine can be improved. For example, the so-called Nutenpfeifen, inhomogeneous torques, magnetic whirling, Rüttelkräfte and / or braking can be reduced. In such an Guidance form the longitudinal bars are no longer exactly parallel to each other, but are inclined in different directions, but advantageously by an amount equal to the angle against the axis of rotation of the rotor. Such a configu- ration is also referred to as "easy side set". Age ¬ natively can also "repeatedly geschränkten" at a "double geschränkten" or embodiment, different axial regions of the longitudinal rods to be formed with different inclinations be ¬ züglich the rotation axis. This twist is The angle of the longitudinal bars with the axis of rotation can be, for example, up to +/- 20 degrees, and the angle for a given slot number n of the stator coil is particularly advantageously at a value of about 360 ° / n ,
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den von Anspruch 1 abhängigen Ansprüchen hervor. So kann die elektrische Maschine zusätzlich folgende Merkmale aufweisen: Advantageous embodiments and further developments of the invention will become apparent from the dependent of claim 1 claims. Thus, the electric machine may additionally have the following features:
Der Läufermantel kann zu einem mehrheitlichen Teil seines Vo¬ lumens aus einem weichmagnetischen Material gebildet sein. Insbesondere kann dieses weichmagnetische Material eine mag¬ netische Permeabilitätszahl von wenigstens 30 aufweisen. Ein solches weichmagnetisches Material ist besonders geeignet, um das durch die Erregerwicklung des inneren Läufers erzeugte Magnetfeld zum Ort des Ständers zu führen. Zweckmäßig wird dabei der radiale Abstand zwischen der Außenseite des inneren Läufers und der Innenseite des Ständers zu einem mehrheitli- chen Teil durch dieses weichmagnetische Material gefüllt. Da¬ bei kann vorteilhaft ein möglichst kleiner Luftspalt zwischen Ständer und Läufermantel erreicht werden. So kann trotz der geometrischen Entkopplung des Durchmessers des inneren Läufers vom Bohrungsdurchmesser des Ständers trotzdem am Ort des Ständers ein vorteilhaft hohes Magnetfeld erreicht werden. Besonders vorteilhaft sind die Längsstäbe dann in einem au¬ ßenliegenden Bereich des Läufermantels angeordnet, so dass sich auch zwischen den Längsstäben und den Ständerwicklungen ein vorteilhaft kleiner wirksamer Spalt ergibt. Ein möglichst dünner Spalt ist gerade für den asynchronen Betriebsmodus be¬ sonders wichtig. Die Längsstäbe können gegen das weichmagnetische Material des Läufermantels elektrisch isoliert sein. Dies ist zweckmäßig, da dann die Induktion von elektrischen Strömen in den Längsstäben getrennt von einem möglichen Stromfluss im Material des Läufermantels erfolgt. The rotor shell can be formed from a soft magnetic material to a majority of its Vo ¬ lumen. In particular, this soft magnetic material may have a mag ¬ genetic permeability of at least 30. Such a soft magnetic material is particularly suitable for guiding the magnetic field generated by the excitation winding of the inner rotor to the location of the stator. The radial distance between the outside of the inner rotor and the inner side of the stator is expediently filled to a majority by this soft-magnetic material. Since at ¬ may advantageously be as small as possible air gap between the stator and rotor casing can be achieved. Thus, despite the geometric decoupling of the diameter of the inner rotor from the bore diameter of the stator nevertheless an advantageous high magnetic field can be achieved at the location of the stator. Particularly advantageously, the longitudinal rods are then placed in a au ¬ refracting external portion of the rotor casing, so that between the longitudinal rods and the stator windings an advantageously small effective gap results. A thin gap as possible is important for the asynchronous mode of operation be ¬ Sonder. The longitudinal bars can be electrically insulated against the soft magnetic material of the rotor shell. This is expedient, since then the induction of electric currents in the longitudinal bars takes place separately from a possible flow of current in the material of the rotor shell.
Die elektrische Spulenwicklung des Läufers kann als supralei¬ tende Spulenwicklung, insbesondere mit einem hochtemperatur- supraleitenden Material, ausgebildet sein. Bei Maschinen mit einer solchen supraleitenden Erregerwicklung können besonders hohe Wirkungsgrade und weitere vorteilhafte Eigenschaften er¬ zielt werden. Die Wahl einer supraleitenden Erregerwicklung in Kombination mit einer geometrischen Entkopplung von Durchmesser des inneren Läufers und Bohrungsdurchmesser des Ständers besonders vorteilhaft, da Läuferwicklungen mit supralei- tenden Materialien aufgrund der hohen Stromtragfähigkeit be¬ sonders gut kompakt und auf Läufern mit niedrigen Durchmes¬ sern ausgestaltet werden können. Andererseits ist es gerade bei empfindlichen supraleitenden Materialien wie keramischen Hochtemperatursupraleitern besonders wichtig, übermäßige me- chanische Belastungen durch hohe Zentrifugalkräfte zu vermei¬ den. Elektrische Maschinen mit supraleitenden Erregerwicklung können also besonders vorteilhaft so aufgebaut werden, dass die geometrischen Anforderungen an den Innendurchmesser des Ständers und den Außendurchmesser des inneren Läufers durch einen dazwischen angeordneten, mitrotierenden weichmagnetischen Läufermantel entkoppelt sind. The electrical coil winding of the rotor can be designed as supralei ¬ tende coil winding, in particular with a high-temperature superconducting material. In machines with such a superconducting field winding particularly high efficiencies and other advantageous properties can he be ¬ aims. The choice of a superconducting excitation winding in combination with a geometric decoupling of the diameter of the inner rotor and the bore diameter of the stator particularly advantageous, since the armature coils with superconducting materials because of the high current-carrying capacity well compact and runners can be designed with low diam ¬ fibers be ¬ Sonders , On the other hand, it is particularly important in sensitive superconducting materials such as ceramic high-temperature superconductors, excessive mechanical stress by high centrifugal forces to vermei ¬. Electrical machines with superconducting field winding can thus be constructed particularly advantageous so that the geometric requirements for the inner diameter of the stator and the outer diameter of the inner rotor are decoupled by an interposed, co-rotating soft magnetic rotor shell.
Andererseits ist es gerade bei supraleitenden Erregerwicklungen besonders schwierig, auf dem Läufer zusätzliche elektri- sehe Leiter für einen asynchronen Betriebsmodus vorzusehen, da durch Stromfluss in diesen Leitern zusätzliche Wärme auf dem Läufer erzeugt wird. Diese zusätzliche Wärme erschwert aber die Kühlung der supraleitenden Erregerwicklung auf ihre Betriebstemperatur. Bei dem beschriebenen Aufbau mit radial weiter außen angeordneten Längsstäben für den asynchronen Betriebsmodus wird dieses Problem dadurch gelöst, dass die Längsstäbe in einem so großen radialen Abstand von der supra- leitenden Spulenwicklung angeordnet werden, dass sie thermisch von dieser entkoppelt werden können. On the other hand, it is particularly difficult for superconducting field windings to provide additional electrical conductors for an asynchronous operating mode on the rotor, since additional heat is generated on the rotor due to current flow in these conductors. However, this additional heat makes the cooling of the superconducting field winding more difficult Operating temperatur. In the described structure with radially outwardly disposed longitudinal bars for the asynchronous mode of operation, this problem is solved in that the longitudinal bars are arranged at such a large radial distance from the superconducting coil winding that they can be thermally decoupled from this.
Bei Vorliegen einer supraleitenden Spulenwicklung im inneren Läufer kann vorteilhaft der gesamte innere Läufer beim Be- trieb der Maschine auf eine Temperatur in der Nähe der Be¬ triebstemperatur des Supraleiters gekühlt werden. Besonders vorteilhaft ist dann der innere Läufer vom Läufermantel ther¬ misch entkoppelt. Beispielsweise können innerer Läufer und Läufermantel durch thermisch schlecht leitfähige Materialien mit einer thermischen Leitfähigkeit von höchstens 2 W/mK und/oder einem Wärmeleitintegral von höchsten 20 W/cm miteinander verbunden sein. Besonders geeignet hierfür sind beispielsweise glasfaserverstärkte Kunststoffe oder kohlefaser¬ verstärkte Kunststoffe. If there is a superconducting coil winding in the inner rotor of the entire inner rotor may be advantageous when loading the machine drive are cooled to a temperature in the vicinity of the loading ¬ operating temperature of the superconductor. The inner rotor is then decoupled from the rotor casing ther ¬ mixing particularly advantageous. For example, inner rotor and rotor jacket can be interconnected by thermally poorly conductive materials having a thermal conductivity of at most 2 W / mK and / or a Wärmeleitintegral of the highest 20 W / cm. Glass fiber-reinforced plastics or carbon-fiber-reinforced plastics, for example, are particularly suitable for this purpose.
Der Läufermantel kann zu mehrheitlichen Teilen seines Umfangs eine Dicke von wenigstens 2 cm aufweisen. Besonders vorteil¬ haft kann die Dicke wenigstens 5 cm, insbesondere sogar we¬ nigstens 20 cm betragen. Der Vorteil dieser Ausführungsform liegt darin, dass der Außendurchmesser des inneren Läufers um wenigstens den genannten Wert der Dicke kleiner gewählt wer¬ den kann als der Innendurchmesser des Ständers. Außerdem ergibt sich dann ein ausreichend großer radialer Bereich für die Anordnung der für den asynchronen Betriebsmodus benötig- ten Längsstäbe. The rotor shell may have a thickness of at least 2 cm for the majority of its circumference. Particularly advantageous ¬ way, the thickness may be at least 5 cm, in particular even be ¬ we nigstens 20 cm. The advantage of this embodiment is that the outer diameter of the inner rotor by at least said selected value of the thickness smaller who the can ¬ than the inner diameter of the stator. In addition, there then results a sufficiently large radial area for the arrangement of the longitudinal bars required for the asynchronous operating mode.
Der äußere Durchmesser des Läufermantels kann um wenigstens 10 % größer sein als der innere Durchmesser des Läufermantels. Besonders vorteilhaft können sich Innendurchmesser und Außendurchmesser um wenigstens 20 % unterscheiden. Die Vorteile dieser Ausführungsformen sind vergleichbar mit denen der oben beschriebenen Mindestwerte für die Nennwandstärke. Die Längsstäbe können in Nuten des Läufermantels angeordnet sein. Besonders vorteilhaft kann der Läufermantel mit einer Mehrzahl von radial außen liegenden Nuten versehen sein, innerhalb derer die Längsstäbe angeordnet sind. Dann ist der Abstand zwischen den Längsstäben und dem Ständer vorteilhaft gering. Der Läufermantel kann allgemein die Grundform eines kreiszylindrischen Hohlkörpers aufweisen, der den inneren Läufer umschließt. The outer diameter of the rotor shell may be at least 10% greater than the inner diameter of the rotor shell. Particularly advantageously, inner diameter and outer diameter can differ by at least 20%. The advantages of these embodiments are comparable to those of the minimum nominal wall thickness values described above. The longitudinal bars can be arranged in grooves of the rotor shell. Particularly advantageously, the rotor shell can be provided with a plurality of radially outer grooves, within which the longitudinal bars are arranged. Then the distance between the longitudinal bars and the stator is advantageously low. The rotor shell can generally have the basic shape of a circular cylindrical hollow body which encloses the inner rotor.
Der Läufermantel, insbesondere das weichmagnetische Material des Läufermantels, kann mit wenigstens einem Paar von diamet¬ ral gegenüberliegenden Ausnehmungen versehen sein. Diese Ausnehmungen können zusätzlich zu den oben beschriebenen Nuten für die Längsstäbe vorliegen. Alternativ können solche Ausnehmungen aber auch durch die Nuten selbst gebildet sein. The rotor casing, in particular the soft magnetic material of the rotor sleeve may be provided with at least a pair of diamet ¬ ral opposed recesses. These recesses may be in addition to the above-described grooves for the longitudinal bars. Alternatively, however, such recesses may also be formed by the grooves themselves.
Der Vorteil einer solchen Ausführungsform ist, dass der Anteil des magnetischen Flusses, der als magnetischer Kurz- schluss zwischen den Polen des Erregermagnetfeldes im Materi¬ al des Läufermantels verlorengeht, möglichst klein gehalten wird. Die genannten Ausnehmungen bewirken, dass der im Material des Läufermantels induzierte magnetische Fluss eine be¬ sonders hohe radiale Komponente aufweist und dass somit auch ein möglichst hoher magnetischer Fluss zum Ort des Ständers geleitet wird. Dabei sind die genannten Paare von diametral gegenüberliegenden Ausnehmungen besonders geeignet, um die zwischen den magnetischen Polen möglichen Kurzschlusspfade auch paarweise und damit möglichst symmetrisch einzuschränken. Vorteilhaft entsteht dadurch im Luftspalt und/oder am Ort des Ständers ein über dem Umfang betrachtet annähernd si¬ nusförmiger Feldverlauf. The advantage of such an embodiment is that the portion of the magnetic flux which is lost as a magnetic short circuit between the poles of the exciter magnetic field in Materi ¬ al of the rotor shell, is kept as small as possible. The effect of said recesses is that the magnetic flux induced in the material of the rotor jacket has a particularly high radial component, and thus that as high a magnetic flux as possible is conducted to the location of the stator. In this case, the said pairs of diametrically opposed recesses are particularly suitable in order to limit the possible between the magnetic poles short-circuit paths in pairs and thus symmetrical as possible. Advantageously, this results in an approximately si ¬ nusförmiger field profile in the air gap and / or at the location of the stator viewed over the circumference.
Die genannten Ausnehmungen können als Ausnehmungen im weichmagnetischen Material des Läufermantels gebildet sein, wobei die Ausnehmungen zumindest teilweise mit amagnetischem Mate¬ rial aufgefüllt sein können. Besonders vorteilhaft können die Ausnehmungen auch im Wesentlichen ganz mit amagnetischem Material gefüllt sein. Unter amagnetischen Materialien sollen hier alle Materialien verstanden werden, die nicht ferromag- netisch oder ferrimagnetisch sind. Auch Legierungen oder andere Stoffgemische mit Permeabilitätszahlen yr unterhalb von 30 sollen hierbei als amagnetisch gelten. Besonders vorteil- haft können amagnetische Materialien mit Permeabilitätszahlen unterhalb von 10 zum Einsatz kommen. Insbesondere kann auch Luft als amagnetische Füllung für die Ausnehmungen dienen, durch die ein magnetischer Kurzschluss zwischen den Polen des Erregerfeldes verhindert oder verringert werden kann. Beson- ders vorteilhaft sind die Ausnehmungen jedoch zumindest teil¬ weise mit einem Feststoff gefüllt, so dass der mit dem Läufer schnell rotierende Läufermantel an diesen Stellen in seiner mechanischen Festigkeit verstärkt wird. Geeignete Materialien für feste amagnetische Füllungen sind beispielsweise amagne- tische Legierungen, insbesondere amagnetischer Stahl, glasfaserverstärkter Kunststoff, kohlefaserverstärkter Kunststoff sowie Titan und dessen Legierungen. Said recesses may be formed as recesses in the soft magnetic material of the rotor shell, wherein the recesses may be at least partially filled with an amagnetic Mate ¬ material. Particularly advantageously, the recesses may also be substantially completely filled with non-magnetic material. Under non-magnetic materials should Here, all materials are understood that are not ferromagnetic or ferrimagnetic. Alloys or other mixtures with permeabilities y r below 30 are also considered to be non-magnetic. It is particularly advantageous to use nonmagnetic materials with permeability numbers below 10. In particular, air can also serve as an amagnetic filling for the recesses, by means of which a magnetic short circuit between the poles of the exciter field can be prevented or reduced. Particularly, the recesses are advantageous in part or at least ¬ as having a solid filled, so that the rapidly rotating rotor to the rotor casing is reinforced at these points in its mechanical strength. Suitable materials for solid non-magnetic fillings are, for example, amagnetic alloys, in particular non-magnetic steel, glass fiber reinforced plastic, carbon fiber reinforced plastic, and titanium and its alloys.
Der Läufermantel kann mit wenigstens zwei diametral gegen- überliegenden Anordnungen von jeweils mehreren in axialerThe rotor shell can with at least two diametrically opposed arrangements of a plurality of axial
Richtung beabstandeten Ausnehmungen versehen sein. Insbesondere können zwei oder mehr solcher Anordnungen vorliegen, die jeweils als regelmäßiges Raster oder auch unregelmäßiges Ras¬ ter von einzelnen Ausnehmungen ausgebildet sind. Zwischen diesen einzelnen Ausnehmungen kann stellenweise die volleDirection spaced recesses be provided. In particular, two or more such arrangements may be present, which are each formed as a regular grid or even irregular Ras ¬ ter of individual recesses. Between these individual recesses may in places the full
Nennwandstärke des Läufermantels vorliegen, was beispielswei¬ se zu einer höheren mechanischen Stabilität des sich schnell mitdrehenden Läufermantels führen kann. Der Läufermantel kann mit wenigstens zwei diametral gegen¬ überliegenden, jeweils radial durchgehenden Unterbrechungen versehen sein. Dies kann vorteilhaft bewirken, dass magneti¬ sche Kurzschlusspfade zwischen den Polen abgeschwächt werden können. Solche radial durchgehenden Ausnehmungen im weichmag- netischen Material können besonders vorteilhaft mit amagneti¬ schem Material gefüllt sein, um die mechanische Festigkeit des Läufermantels zu gewährleisten. Alternativ oder zusätzlich können die Ausnehmungen als in axialer Richtung beab- standete Anordnungen mehrerer einzelner Ausnehmungen vorliegen, zwischen denen zumindest ein Teil der Wandstärke des Läufermantels erhalten ist. Auch die weiteren beschriebenen vorteilhaften Merkmale der Ausnehmungen des Läufermantels können auf verschiedene Weisen miteinander kombiniert werden. Nominal wall thickness of the rotor shell, which beispielswei ¬ se can lead to a higher mechanical stability of the co-rotating rotor shell. The rotor shell may be provided with at least two diametrically opposite ¬ opposite each radially continuous interruptions. This can cause advantageous that magneti ¬ cal short circuit paths between the poles can be mitigated. Such radially continuous recesses in the weichmag- netic material may be particularly advantageous filled with amagneti ¬-magnetic material in order to ensure the mechanical strength of the rotor shell. Alternatively or additionally, the recesses may be designed as axially-spaced. standing arrangements of several individual recesses are present, between which at least a portion of the wall thickness of the rotor shell is obtained. The other described advantageous features of the recesses of the rotor shell can be combined with each other in various ways.
Die Spulenwicklung zur Erzeugung des Magnetfeldes kann mit einer Polpaarzahl n ausgebildet sein, wobei der Läufermantel wenigstens n Paare von jeweils diametral gegenüberliegenden Ausnehmungen aufweist, und wobei diese Ausnehmungen in Um- laufrichtung jeweils zwischen zwei benachbart liegenden Polen angeordnet sind. Vor allem bei Generatoren sind zweipolige Maschinen weit verbreitet. Bei einer entsprechenden Polpaarzahl von eins kann der Läufermantel dann demnach vorteilhaft wenigstens ein Paar von diametral gegenüberliegenden Ausnehmungen aufweisen, die in Umlaufrichtung zwischen den dann ebenfalls gegenüberliegenden Polen angeordnet sind. Besonders vorteilhaft können die Ausnehmungen im Wesentlichen mittig zwischen den jeweils benachbart liegenden Polen liegen, bei einer zweipoligen Maschine also äquatorial zwischen den Po¬ len. Bei elektrischen Maschinen mit einer höheren Polpaarzahl von zwei oder mehr können dann entsprechend höhere Zahlen von Ausnehmungspaaren vorgesehen sein, wobei Ausnehmungen und Pole vorteilhaft so in Umfangsrichtung verteilt sind, dass zwi- sehen jeweils zwei benachbart liegenden Polen immer wenigs¬ tens eine solche Ausnehmung angeordnet ist. Insbesondere kön¬ nen die Ausnehmungen jeweils in etwa mittig zwischen zwei in Umlaufrichtung benachbarten Polen angeordnet sein. Die mittige Anordnung zwischen benachbarten Polen ist besonders geeig- net, die direkten magnetischen Kurzschlusspfade zwischen den magnetischen Polen zu schwächen und die radialen Komponenten des magnetischen Flusses im Material des Läufermantels zu er¬ höhen. Es sind hier wiederum alle Kombinationen mit den oben beschriebenen Ausgestaltungen der Ausnehmungen möglich. Ins- besondere kann an jeder Position in Umlaufrichtung auch eine Reihe von mehreren Ausnehmungen angeordnet sein, die untereinander axial beabstandet sind. Wenn die elektrische Spulenwicklung des inneren Läufers zur Erzeugung eines Magnetfeldes mit einer Polpaarzahl n ausge¬ bildet ist, dann kann wenigstens ein Teil der Längsstäbe vor¬ teilhaft in Umlaufrichtung zwischen benachbarten Polen ange- ordnet sein. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die Längsstäbe in Nuten im weichmagnetischen Material des Läufermantels angeordnet sind. Bei dieser Ausführungsform erfüllen diese Nuten dann die gleiche Funktion wie die oben beschrie¬ benen Ausnehmungen, nämlich eine Abschwächung des magneti- sehen Kurzschlusspfades im Läufermantel im Bereich zwischen den Polen. The coil winding for generating the magnetic field can be formed with a pole pair number n, wherein the rotor shell has at least n pairs of diametrically opposed recesses, and wherein these recesses are arranged in the direction of circulation between two adjacent poles. Especially with generators bipolar machines are widely used. With a corresponding number of pole pairs of one, the rotor shell can then advantageously have at least one pair of diametrically opposite recesses, which are arranged in the direction of rotation between the then likewise opposite poles. Particularly advantageously, the recesses can be located substantially centrally between the respective adjacent poles, ie in a two-pole machine equatorial between the Po ¬ len. In electrical machines with a higher number of pole pairs of two or more then correspondingly higher numbers of pairs of recesses may be provided, with recesses and poles are advantageously distributed in the circumferential direction, that see between each two adjacent poles least ¬ least such a recess , In particular, Kings ¬ NEN the recesses in each case approximately in the center between two be arranged in the circumferential direction adjacent poles. The central arrangement between adjacent poles is particularly suited to weaken the direct magnetic short circuit paths between the magnetic poles and the radial components of the magnetic flux in the material of the rotor casing to he ¬ heights. Again, all combinations with the above-described embodiments of the recesses are possible here. In particular, a row of a plurality of recesses, which are axially spaced from each other, can also be arranged at each position in the direction of rotation. When the electrical coil winding of the inner rotor to generate a magnetic field having a pole pair number n being ¬ forms, then a part of the longitudinal rods can be arranged reasonable in the circumferential direction between adjacent poles before ¬ part by way of at least. This is particularly advantageous if the longitudinal bars are arranged in grooves in the soft magnetic material of the rotor shell. In this embodiment, these grooves then serve the same function as the above-beschrie ¬ surrounded recesses, namely see an attenuation of the magnetic short circuit path in the rotor casing in the region between the poles.
Besonders vorteilhaft können die Längsstäbe aus amagnetischem Material ausgebildet sein. Beispielsweise können die Längs- Stäbe aus Kupfer oder Aluminium oder aus diese Metalle ent¬ haltenden Legierungen gebildet sein. Die Längsstäbe können beispielsweise im Druckgussverfahren in entsprechenden Aussparungen des Läufermantels eingefügt werden. Dabei können besonders vorteilhaft gleichzeitig die endseitigen elektri- sehen Verbindungen, insbesondere aus demselben Material wie die Längsstäbe, hergestellt werden. Alternativ können die Längsstäbe auch als Stäbe mit unterschiedlichen Profilen in entsprechende Nuten des Läufermantels eingeführt werden und dann nachträglich an den axialen Endseiten mit den benötigten elektrischen Verbindungen untereinander versehen werden. Particularly advantageously, the longitudinal bars may be formed of non-magnetic material. For example, the longitudinal bars made of copper or aluminum, or of these metals ent ¬ holding alloys can be formed. The longitudinal bars can be inserted for example in the die-casting process in corresponding recesses of the rotor shell. In this case, the end-side electrical connections, in particular of the same material as the longitudinal bars, can be produced in a particularly advantageous manner at the same time. Alternatively, the longitudinal bars can be inserted as rods with different profiles in corresponding grooves of the rotor shell and then subsequently provided at the axial end sides with the required electrical connections with each other.
Zwischen dem Läuferkern mit der elektrischen Spulenwicklung und dem Läufermantel kann ein innerer Spalt angeordnet sein. Mit anderen Worten kann zwischen dem inneren Läufer und dem Läufermantel ein innerer Spalt angeordnet sein. Dieser innere Spalt kann zweckmäßig sein, um die Montage des inneren Läu¬ fers im Läufermantel zu vereinfachen. Ähnlich wie beim äuße¬ ren Luftspalt zwischen Läufermantel und Ständer ist es zweck¬ mäßig, einen solchen inneren Spalt möglichst gering zu hal- ten, beispielsweise zwischen 0,1 mm und 50 mm, insbesondere zwischen 1 mm und 10 mm. Der innere Spalt kann ein Luftspalt sein. Alternativ kann der innere Spalt aber auch evakuiert sein. Im inneren Spalt können weiterhin Stützstrukturen ange- bracht sein, um insbesondere bei axial ausgedehnten Läufern ein Durchbiegen und/oder Unwuchten zu minimieren. Between the rotor core with the electric coil winding and the rotor shell, an inner gap may be arranged. In other words, an inner gap may be arranged between the inner rotor and the rotor shell. This inner gap may be appropriate to facilitate the assembly of the inner Läu ¬ fers in the rotor shell. Similar to the äuße ¬ ren air gap between the rotor and stator casing it is convenient ¬ moderately, ten such an inner gap as small as possible to HAL, for example between 0.1 mm and 50 mm, in particular between 1 mm and 10 mm. The inner gap may be an air gap. Alternatively, the inner gap may also be evacuated. Support structures can still be found in the inner gap. be used to minimize sagging and / or unbalance, especially in axially extended runners.
Zwischen dem Läuferkern mit der elektrischen Spulenwicklung und dem Läufermantel kann ein innerer Vakuumbehälter angeordnet sein, der den Läuferkern mit der elektrischen Spulenwicklung vakuumdicht umschließt. Bei dieser Konfiguration ist al¬ so eine zusätzliche vakuumdichte Wand im inneren Spalt zwi¬ schen Läufermantel und innerem Läufer angeordnet. Zumindest der Teil des inneren Spalts, der zwischen Vakuumbehälter und innerem Läufer liegt, ist dann während des Betriebs evaku¬ iert, so dass ein hohes Temperaturgefälle zwischen dem kalten inneren Läufer und dem warmen Läufermantel aufrechterhalten werden kann. Diese Ausführungsform ist besonders vorteilhaft, um eine thermische Kopplung zwischen den Längsstäben des Läufermantels und der elektrischen Spulenwicklung des inneren Läufers möglichst zu minimieren. Hierdurch kann eine Erwärmung einer insbesondere supraleitenden Erregerwicklung durch die im asynchronen Betrieb auftretenden Verluste vorteilhaft reduziert werden. Between the rotor core with the electrical coil winding and the rotor shell, an inner vacuum container can be arranged, which surrounds the rotor core with the electric coil winding vacuum-tight. In this configuration al ¬ is Zvi ¬ rule rotor casing and inner rotor arranged an additional vacuum-tight wall in the inner gap. At least the part of the inner gap which is located between the vacuum container and the inner rotor, then during operation evaku ¬ ated, so that a high temperature gradient between the cold inner rotor and the rotor shell can be maintained warm. This embodiment is particularly advantageous in order to minimize a thermal coupling between the longitudinal bars of the rotor shell and the electrical coil winding of the inner rotor as possible. As a result, heating of a particular superconducting field winding can be advantageously reduced by the losses occurring in asynchronous operation.
Bei dieser Ausführungsform mit zusätzlichem Vakuumgefäß im inneren Spalt ist es zweckmäßig, wenn zumindest innerer Läu¬ fer und Vakuumgefäß in den axialen Endbereichen durch thermisch schlecht leitfähige Materialien miteinander verbunden sind . In this embodiment with additional vacuum vessel in the inner gap, it is expedient if at least inner Läu ¬ fer and vacuum vessel are connected to each other in the axial end regions by thermally poorly conductive materials.
Der Läufermantel kann aus einer Vielzahl von gegeneinander isolierten weichmagnetischen Blechen gebildet sein. Dies ist vorteilhaft, um elektrische Verluste durch im Läufermantel induzierte Wirbelströme möglichst niedrig zu halten. Zweckmä¬ ßig sind die einzelnen Bleche mit einander entsprechenden Ausnehmungen versehen, so dass sich bei einem Übereinander- stapeln der Bleche durchgehende Nuten ergeben. Wie oben im Zusammenhang mit der Richtung der Längsstäbe diskutiert, können diese übergeordneten Nuten entweder parallel zur Rotationsachse oder auch in einem Winkel dazu verlaufen. Es können alle Längsstäbe durch zwei axial endseitige Verbin¬ dungsstrukturen elektrisch miteinander kurzgeschlossen sein. Bei den endseitigen Verbindungsstrukturen kann es sich insbesondere um Kurzschlussringe handeln. Bei einer derartigen Ausführungsform sind also alle Längsstäbe Teil eines überge¬ ordneten Kurzschlusskäfigs. Solche Kurzschlusskäfige werden nach dem Stand der Technik häufig auf Läufern von Asynchronmaschinen verwendet. In der entsprechenden Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dienen sie als käfigförmige elek- frische Leiter für den zusätzlichen asynchronen Betriebsmodus der elektrischen Maschine. Kurzschlusskäfige von Asynchronma¬ schinen müssen für die Funktion der Maschine nicht mit einem äußeren Stromkreis verbunden sein. Während des synchronen Betriebsmodus der elektrischen Maschine kann ein solcher Kurz- schlusskäfig zusätzlich vorteilhaft als Dämpferwicklung wirken, beispielsweise um den negativen Einfluss von Schieflas¬ ten zu mindern und/oder Pendelungen nach Laststößen zu minimieren . The rotor shell can be formed from a plurality of mutually insulated soft magnetic sheets. This is advantageous in order to keep electrical losses as low as possible by means of eddy currents induced in the rotor jacket. Suitably ¬ SSIG the individual sheets with mutually corresponding recesses are provided, so that the sheets stacked continuous grooves result in a Übereinander-. As discussed above in connection with the direction of the longitudinal bars, these superordinate grooves may either be parallel to the axis of rotation or at an angle thereto. It can be short-circuited by two axially end-side Verbin ¬ making structures electrically to each other all the longitudinal rods. The end-side connection structures may in particular be short-circuit rings. In such an embodiment, therefore, all the longitudinal bars are part of a überge ¬ arranged shorting cage. Such short circuit cages are often used in the prior art on runners of asynchronous machines. In the corresponding embodiment of the present invention, they serve as cage-shaped elec- fresh conductors for the additional asynchronous mode of operation of the electric machine. Short cages of Asynchronma ¬ machines need not be connected to an external circuit for the function of the machine. During synchronous operation mode of the electric machine, such a short-circuit cage can also advantageously act as a damper winding, for example, the negative influence of Schieflas ¬ th to reduce and / or minimize oscillations by load impulses.
Alternativ zu der beschriebenen Ausführungsform mit einem übergeordneten Kurzschlusskäfig über alle Längsstäbe können die Längsstäbe auch gruppenweise zu mehreren Teilkäfigen ver¬ bunden sein. Beispielsweise können zwei ineinander geschachtelte Teilkäfige gebildet werden, indem in Umlaufrichtung aus jedem zweiten Längsstab ein erster Teilkäfig gebildet wird und aus den dazwischen liegenden übrigen Längsstäben ein zweiter Teilkäfig gebildet wird. Ein Vorteil einer solchen Konfiguration kann unter anderem darin liegen, dass für jeden dieser Teilkäfige eine höhere Schrägung der Längsstäbe ausge¬ bildet werden kann. As an alternative to the described embodiment with a superior short-circuit cage over all longitudinal bars, the longitudinal bars may be ver ¬ prevented also in groups to form multiple sub-cages. For example, two nested part cages can be formed by a first part cage is formed in the direction of rotation from each second longitudinal bar and from the other remaining longitudinal bars a second part cage is formed. An advantage of such configuration may include the fact that for each of these sub cages a higher slope of the longitudinal bars being ¬ forms can be.
Alternativ zu den Ausführungsformen mit einem oder mehreren Kurzschlusskäfigen können benachbarte Längsstäbe jeweils paarweise an beiden Enden elektrisch leitfähig miteinander in Form einer geschlossenen Schlaufe verbunden sein. Diese so zueinander gehörenden Paare von Längsstäben sind also beispielsweise an beiden gegenüberliegenden axialen Enden über Verbindungssegmente verbunden, so dass eine geschlossene Spu- le gebildet wird. Hierdurch kann eine Mehrzahl von geschlos¬ senen Spulen ausgebildet werden, die entsprechend auf einem gemeinsamen Zylindermandel vorliegen können. Eine solche Anordnung von Läuferspulen für den asynchronen Betriebsmodus ist ähnlich zu den Spulen eines Schleifringläufers in einer herkömmlichen Asynchronmaschine. Dabei können die einzelnen Spulen jeweils über Schleifkontakte mit einem äußeren Stromkreis verbunden sein. Im radialen Zwischenraum zwischen Läuferkern und Läufermantel kann zusätzlich ein Dämpferschirm aus einem elektrisch leitfähigen und amagnetischen Material angeordnet sein. Ein solcher Dämpferschirm kann dabei vorteilhaft die Form eines Zylindermantels aufweisen. Bei dieser Ausführungsform wird die Induktion von Strömen von den elektrischen Leitern im Läufermantel in die elektrische Spulenwicklung des inneren Läufers vorteilhaft verringert. Dadurch können die Verluste minimiert werden. Der Dämpferschirm kann beispielsweise ein Hohlzylinder aus Kupfer oder Aluminium oder Legierungen dieser Metalle sein. Bei einer Ausführungsform mit einem Vakuumbehälter zwischen innerem Läufer und Läufermantel kann der Dämpferschirm besonders vorteilhaft ein Bestandteil dieses Vakuumbehälters sein . Die elektrische Maschine kann sowohl einen Betriebsmodus als Synchronmaschine als auch einen Betriebsmodus als Asynchron¬ maschine aufweisen. Die beschriebene Ausgestaltung des Läu¬ fers mit einer elektrischen Spulenwicklung in einem radial innenliegenden Bereich und elektrisch miteinander verbundenen Längsstäben in einem radial weiter außenliegenden Bereich ist besonders vorteilhaft dazu geeignet, diese beiden alternati¬ ven Betriebsmodi in derselben elektrischen Maschine zu ermög¬ lichen. Besonders vorteilhaft kann die elektrische Maschine ohne separaten Anfahrmotor und/oder ohne Anfahrumrichter aus- gestaltet sein. Die Erfindung wird nachfolgend anhand einiger bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die angehängten Zeichnungen beschrieben, von denen: As an alternative to the embodiments with one or more short-circuit cages, adjacent longitudinal bars may each be electrically conductively connected in pairs in the form of a closed loop in pairs at both ends. These pairs of longitudinal bars, which belong to one another in this way, are therefore connected, for example, at the two opposite axial ends via connection segments, so that a closed coil le is formed. Hereby may be formed of a plurality CLOSED ¬ Senen coils that may be present on a common cylinder almond accordingly. Such an arrangement of rotor coils for the asynchronous mode of operation is similar to the coils of a slip ring rotor in a conventional asynchronous machine. In this case, the individual coils can each be connected via sliding contacts with an external circuit. In addition, a damper screen made of an electrically conductive and non-magnetic material can be arranged in the radial gap between rotor core and rotor shell. Such a damper screen can advantageously have the shape of a cylinder jacket. In this embodiment, the induction of currents from the electrical conductors in the rotor shell into the electrical coil winding of the inner rotor is advantageously reduced. As a result, the losses can be minimized. The damper screen may be, for example, a hollow cylinder of copper or aluminum or alloys of these metals. In an embodiment with a vacuum container between the inner rotor and the rotor shell, the damper shield can be particularly advantageously a component of this vacuum container. The electrical machine can have both an operating mode as a synchronous machine and an operating mode as an asynchronous ¬ machine. The configuration of the Läu ¬ fers described with an electrical coil winding in a radially inner region and electrically interconnected slats in a radially outer area is suitable particularly advantageous to both of these alternatively ¬ ven operation modes in the same electric machine made ¬ union. Particularly advantageously, the electric machine can be configured without a separate starting motor and / or without starting converter. The invention will now be described by way of some preferred embodiments with reference to the attached drawings, of which:
Fig. 1 einen schematischen Querschnitt einer elektrischen Maschine nach einem ersten Ausführungsbeispiel zeigt, 1 shows a schematic cross section of an electrical machine according to a first embodiment,
Fig. 2 einen schematischen Querschnitt einer elektrischen Maschine nach einem zweiten Ausführungsbeispiel zeigt, FIG. 2 shows a schematic cross section of an electric machine according to a second exemplary embodiment, FIG.
Fig. 3 einen schematischen Querschnitt eines Läufermantels nach einem dritten Ausführungsbeispiel zeigt, 3 shows a schematic cross section of a rotor shell according to a third embodiment,
Fig. 4 eine schematische perspektivische Ansicht eines Läu- fermantels nach einem vierten Ausführungsbeispiel zeigt, 4 shows a schematic perspective view of a purge jacket according to a fourth exemplary embodiment,
Fig. 5 eine schematische perspektivische Ansicht eines Läu¬ fermantels nach einem fünften Ausführungsbeispiel zeigt und Fig. 5 shows a schematic perspective view of a Läu ¬ fermantels according to a fifth embodiment, and
Fig. 6 einen schematischen Längsschnitt einer elektrischen Fig. 6 is a schematic longitudinal section of an electrical
Maschine nach einem sechsten Ausführungsbeispiel zeigt .  Machine according to a sixth embodiment shows.
Fig. 1 zeigt einen schematischen Querschnitt einer elektrischen Maschine 1 nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Gezeigt ist ein Ausschnitt eines hohlzylindrisch ausgebildeten Ständers 3 mit einem Bohrungsdurchmesser 39, in dessen Hohlraum ein Läufer 5 angeordnet ist. Der Läufer weist einen inneren Läuferkern 7 auf, auf dem eine Anordnung aus in diesem Beispiel mehreren gestapelten elektrischen Spulenwicklungen 9 befestigt ist. Diese elektrischen Spulenwicklungen 9 bilden die Erregerwicklung der elektrischen Maschine 1 und sind im betrachteten Ausführungsbeispiel als supraleitendeFig. 1 shows a schematic cross section of an electric machine 1 according to a first embodiment of the invention. Shown is a section of a hollow cylindrical stator 3 with a bore diameter 39, in the cavity of a rotor 5 is arranged. The rotor has an inner rotor core 7, on which an arrangement of a plurality of stacked electrical coil windings 9 is attached in this example. These electrical coil windings 9 form the excitation winding of the electric machine 1 and are in the considered embodiment as superconducting
Spulenwicklungen, hier basierend auf einem keramischen Hochtemperatursupraleiter, ausgeführt. Sie dienen in diesem Beispiel zur Ausbildung eines zweipoligen Magnetfeldes, dessen Verlauf innerhalb des Läuferkerns mit dem Pfeil 11 symboli¬ siert ist. Die beiden Pole des Magnetfeldes liegen dabei im oberen und unteren Bereich des in Fig. 1 abgebildeten Läuferkerns 7. Der Läuferkern 7 mit den darauf angeordneten supra- leitenden Spulenwicklungen 9 bildet dabei den insgesamt zylinderförmigen inneren Läufer aus. Dieser innere Läufer ist von einem Läufermantel 13 umgeben, der eine hohlzylindrische Grundform aufweist. Innerhalb der zwischen den beiden Polen liegenden Ebene - die mittig und horizontal durch die Abbil- dung der Fig. 1 verläuft und im Folgenden auch als q-Ebene bezeichnet wird - weist der Hohlkörper des Läufermantels 13 zwei diametral gegenüberliegende Ausnehmungen 21 auf, die sich in diesem Beispiel als Nuten auch in axialer Richtung über die Länge des Läufermantels 13 erstrecken. Im gezeigten ersten Ausführungsbeispiel sind die Nuten offen und nicht mit einem anderen Festkörper gefüllt. Coil windings, here based on a ceramic high-temperature superconductor executed. They serve in this example to form a bipolar magnetic field whose Course within the rotor core with the arrow 11 symboli ¬ Siert. The two poles of the magnetic field lie in the upper and lower regions of the rotor core 7 shown in FIG. 1. The rotor core 7 with the superconductive coil windings 9 arranged thereon forms the overall cylindrical inner rotor. This inner rotor is surrounded by a rotor shell 13, which has a hollow cylindrical basic shape. Within the plane lying between the two poles-which extends centrally and horizontally through the illustration of FIG. 1 and is also referred to below as the q-plane-the hollow body of the rotor shell 13 has two diametrically opposite recesses 21 which are located in FIG extend this example as grooves in the axial direction over the length of the rotor shell 13. In the first embodiment shown, the grooves are open and not filled with another solid.
Zwischen dem inneren Läufer und dem Läufermantel 13 ist im gezeigten Beispiel ein schmaler innerer Spalt 35 angeordnet, der die Montage des inneren Läufers im Läufermantel 13 er¬ leichtert. Dieser Spalt ist nur 1 mm breit, so dass der Läu¬ fermantel sehr eng um den inneren Läufer geführt ist. An seinen beiden axialen Endseiten ist er mechanisch mit dem inneren Läufer verbunden, so dass er synchron mit diesem im In- nenraum des Ständers 3 um die zentrale Rotationsachse 11 ro¬ tiert. Zwischen dem Läufermantel 13 und dem Ständer 3 befindet sich ein äußerer Spalt 37, der in diesem Beispiel mit Luft gefüllt ist. Der Läufermantel 13 ist aus einem weichmagnetischen Material, in diesem Beispiel aus einer magnetischen Eisenlegierung gebildet. Er dient der Führung des von der Erregerwicklung 9 erzeugten zweipoligen Magnetfeldes. Die in Fig. 1 mit dem Pfeil 31 bezeichnete radiale Flusskomponente wird durch die hohe Permeabilität des Mantelmaterials verstärkt. Diese radi¬ ale Komponente 31 wird im Bereich des Luftspalts 37 auch als Nutzfluss bezeichnet. Am Ort des Ständers 3 setzt sich diese radiale Komponente 31 fort und tritt dort in elektromagneti- sehe Wechselwirkung mit auf dem Ständer 3 angeordneten weiteren elektrischen Spulenwicklungen. Auch im oberen Teil der Fig. 1 ergibt sich dabei eine zu Pfeil 31 analoge und gleich¬ gerichtete Flusskomponente, die hier der Übersichtlichkeit halber nicht gezeigt ist. Between the inner rotor and the rotor shell 13, a narrow inner gap 35 is arranged in the example shown, which facilitates the assembly of the inner rotor in the rotor shell 13 he ¬ . This gap is only 1 mm wide, so that the Läu ¬ fermantel is very tightly guided around the inner rotor. At its two axial end faces it is mechanically connected to the inner rotor so that in synchronism with this at home nenraum of the stator 3 around the central axis of rotation 11 ro ¬ advantage. Between the rotor shell 13 and the stator 3 is an outer gap 37, which is filled in this example with air. The rotor shell 13 is formed of a soft magnetic material, in this example of a magnetic iron alloy. It serves to guide the bipolar magnetic field generated by the exciter winding 9. The radial flow component denoted by the arrow 31 in FIG. 1 is reinforced by the high permeability of the jacket material. This radi ¬ ale component 31 is called in the field of the air gap 37 as a useful flux. At the location of the stator 3, this radial component 31 continues and occurs there in electromagnetic see interaction with arranged on the stator 3 further electrical coil windings. Also in the upper part of FIG. 1 results here too arrow analog and equal ¬ directed flow 31 component which is the sake of clarity not shown.
Für die Funktionsweise der elektrischen Maschine ist es vor¬ teilhaft, eine möglichst hohe radiale Komponente 31 des mag¬ netischen Flusses zu erzeugen. Ungünstig ist es dabei, wenn sich im Material des Läufermantels 13 ein magnetischer Kurz¬ schlusspfad 33 ausbilden kann. Um diesen Kurzschlussanteil 33 möglichst zu reduzieren ist daher der Läufermantel im äquato¬ rialen Bereich zwischen den beiden Polen mit den beiden gegenüberliegenden Ausnehmungen 21 versehen, die als amagneti- sehe Unterbrechungen wirken. Die Tiefe 23 der Ausnehmungen beträgt vorteilhaft mehr als die Hälfte der Nenndicke 15 des Läufermantels, so dass der Kurzschlussanteil 33 des magneti¬ schen Flusses tatsächlich signifikant reduziert wird. Die Breite 25 der Ausnehmungen ist im gezeigten Beispiel größer als die radiale Tiefe 23. Bei einer zweipoligen Maschine ent¬ spricht die Breite 25 der Ausnehmungen vorteilhaft in etwa der Höhe der Spulenwicklungen. For the operation of the electrical machine, it is in front ¬ geous to produce the highest possible radial component 31 of the likes ¬ netic flux. It is unfavorable is when ¬ magnetic short circuit path can be formed in the material of the rotor casing 13, a 33rd To this short-circuit portion 33 to reduce possible of the rotor casing in äquato ¬ rialen area between the two poles is provided with the two opposite recesses 21, therefore, the see as amagneti- work interruptions. The depth 23 of the recesses is advantageously more than half the nominal thickness 15 of the rotor shell so that the short circuit portion 33 of the magneti flux ¬ rule is actually reduced significantly. The width of the recesses 25 in the example shown is greater than the radial depth 23. For a two pole machine ent ¬ the width of the recesses 25 speaks advantageously approximately to the height of the coil windings.
Der Außendurchmesser des inneren Läufers ist gegenüber dem Bohrungsdurchmesser 39 des Ständers 3 reduziert, was zu einer Verringerung der Zentrifugalkräfte im Bereich der elektrischen Spulenwicklungen 9 führt. Durch die vom Innendurchmesser 39 des Ständers 3 entkoppelte Verkleinerung des inneren Läufers können somit höhere Drehzahlbereiche für die elektri- sehe Maschine 1 zugänglich gemacht werden. Dabei dient das weichmagnetische Material des Läufermantels 13 und die Aus¬ führung mit äquatorialen Ausnehmungen 21 dazu, am Ort des Ständers trotz dieser Entkopplung ein starkes Erregermagnet¬ feld zu erzeugen. The outer diameter of the inner rotor is reduced relative to the bore diameter 39 of the stator 3, which leads to a reduction of the centrifugal forces in the region of the electrical coil windings 9. By decoupled from the inner diameter 39 of the stator 3 reduction of the inner rotor thus higher speed ranges for the electrical machine see 1 can be made accessible. In this case, the soft magnetic material of the rotor jacket 13 and the off ¬ tion with equatorial recesses 21 is used to generate a strong excitation magnet ¬ field at the location of the stand despite this decoupling.
Außerdem steht im Bereich des Läufermantels 13 Platz zur Verfügung, der für die Anordnung von elektrisch leitfähigen Längsstäben 28 innerhalb des Läufermantels 13 genutzt werden kann. Diese Längsstäben 28 sind im Querschnitt der Fig. 1 der Übersichtlichkeit halber nicht gezeigt, auf ihre Ausgestal¬ tung wird aber in den nachfolgenden Beispielen näher eingegangen . In addition, 13 space is available in the region of the rotor shell, which are used for the arrangement of electrically conductive longitudinal bars 28 within the rotor shell 13 can. These longitudinal bars 28 are not shown in the cross section of FIG. 1 for the sake of clarity, but their Ausgestal ¬ tion will be discussed in more detail in the following examples.
Fig. 2 zeigt einen schematischen Querschnitt einer elektrischen Maschine 1 nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Ähnlich wie in Fig. 1 ist wiederum ein Ständer 3 mit darin angeordnetem Läufer 5 gezeigt, wobei der Läufer einen innenliegenden Läuferkern 7 und einen ihn umgebenden Läufermantel 13 aufweist. Auch die weiteren analogen Kompo¬ nenten sind mit denselben Bezugszeichen wie in der Fig. 1 versehen. Im gezeigten Beispiel ist der Läufermantel 13 als im Wesentlichen hohlzylindrischer Körper aus axial gestapel- ten weichmagnetischen Eisenblechen zusammengesetzt. Die einzelnen Eisenbleche sind jeweils mit acht nach radial außen hin offenen Ausnehmungen versehen, die über den Blechstapel hinweg zusammen längliche Nuten 26 bilden. In diesen Nuten sind Längsstäbe 28 angeordnet, die aus einem amagnetischen, elektrisch leitfähigen Material gebildet sind, beispielsweise Kupfer oder Aluminium. Wie weiter unten beschrieben können diese Längsstäbe 28 an den axialen Endbereichen des Läufers 5 auf unterschiedliche Weise elektrisch miteinander verbunden sein. In jedem Fall entstehen durch solche Verbindungen über- geordnete Leiterschleifen, durch die ein asynchroner Betriebsmodus der elektrischen Maschine 1 ermöglicht wird. Fig. 2 shows a schematic cross section of an electric machine 1 according to a second embodiment of the invention. Similar to FIG. 1, a stand 3 with rotor 5 arranged therein is again shown, the rotor having an inner rotor core 7 and a rotor shell 13 surrounding it. The other analog Comp ¬ components are given the same reference numerals as in FIG. 1. In the example shown, the rotor shell 13 is composed of a substantially hollow cylindrical body of axially stacked soft magnetic iron sheets. The individual iron sheets are each provided with eight radially outwardly open recesses, which together form elongated grooves 26 over the sheet stack. In these grooves longitudinal bars 28 are arranged, which are formed of a non-magnetic, electrically conductive material, for example copper or aluminum. As described below, these longitudinal bars 28 may be electrically connected to one another at the axial end regions of the rotor 5 in different ways. In any case, such connections produce superordinate conductor loops which enable an asynchronous operating mode of the electric machine 1.
In der Ebene 29, die zwischen den magnetischen Polen des Erregerfeldes 27 angeordnet ist, sind ähnlich wie in Fig. 2 zwei zusätzliche Ausnehmungen 21 auf der Innenseite des Läu¬ fermantels 13 ausgebildet. Diese Ausnehmungen 21 sind Ausneh¬ mungen im weichmagnetischen Material des Läufermantels 13. Im zweiten Ausführungsbeispiel sind sie jeweils mit einer Fül¬ lung 22 aus amagnetischem Material gefüllt, beispielsweise mit einem amagnetischen Stahl. Auch zwei der Nuten 26 für die Längsstäbe 28 sind im Bereich der q-Ebene 29 angeordnet, so¬ dass sich innerhalb dieser Ebene auf jeder Seite nur eine ge¬ ringe Restdicke 15a des weichmagnetischen Materials des Läu- fermantels 13 ergibt. Somit ist der magnetische Kurzschluss¬ pfad 33 im Läufermantel 13 weitgehend unterdrückt. In the plane 29, which is arranged between the magnetic poles of the exciter field 27, two additional recesses 21 are on the inside of the Läu ¬ fermantels 13 similar to FIG. 2 formed. These recesses 21 are Ausneh ¬ ments in the soft magnetic material of the rotor shell 13. In the second embodiment, they are each filled with a filling ¬ ment 22 of non-magnetic material, for example with an amagnetic steel. Also, two of the grooves 26 for the longitudinal bars 28 are arranged in the region of the q-plane 29, so ¬ within that plane on each side only a ge ¬ rings remaining thickness 15a of the soft magnetic material of the Läu- fermantels 13 results. Thus, the magnetic short ¬ path 33 in the rotor shell 13 is largely suppressed.
Die in Fig. 2 gezeigten acht Längsstäbe sind im Übrigen nur beispielhaft zu verstehen. Es kann unter Umständen auch eine wesentlich höhere Anzahl an Längsstäben vorliegen, beispielsweise zwischen 10 und 50 Längsstäben. Incidentally, the eight longitudinal bars shown in FIG. 2 are only to be understood as examples. Under certain circumstances, there may also be a significantly higher number of longitudinal bars, for example between 10 and 50 longitudinal bars.
Fig. 3 zeigt einen schematischen Querschnitt eines Läuferman- tels 13 nach einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Auch dieser Läufermantel 13 ist Teil einer elektrischen Maschine, die ähnlich wie in Fig. 1 aufgebaut ist. Insbesondere wird im Inneren des Läufermantels 13 durch einen inneren Läu¬ fer ein gleich orientiertes zweipoliges Magnetfeld 27 er- zeugt. Im gezeigten Querschnitt sind beispielhaft sechs 3 shows a schematic cross section of a rotor armature 13 according to a third exemplary embodiment of the invention. This rotor shell 13 is part of an electrical machine, which is constructed similar to FIG. 1. In particular, a two-pole magnetic field is equal oriented 27 gener- ates in the interior of the rotor shell 13 by an inner Läu ¬ fer. In the cross section shown are six by way of example
Längsstäbe 28 dargestellt, die hier jeweils eine etwas auf¬ wändigere Querschnittsform aufweisen als die relativ einfachen Rundstäbe in Fig. 2. Die Längsstäbe 28 weisen dabei je¬ weils einen, radial außen liegenden, Oberstab 28a, einen ra- dial innenliegenden Unterstab 28b und einen diese beiden Tei¬ le verbindenden Streusteg 28 c auf. Auch hier sind die Längs¬ stäbe 28 in Nuten 26 des Läufermantels 13 ausgebildet. Ihre radiale Höhe beträgt mehr als die Hälfte der Nenndicke 15 des Läufermantels 13, so dass im Bereich der äquatorialen q-Ebene nur eine geringe Restdicke 15a verbleibt. Dies ist wiederum günstig für die Unterdrückung der magnetischen Kurzschlusspfade 33, da auch hier die Längsstäbe 28 aus amagnetischem Material gebildet sind. In der die magnetischen Pole enthal¬ tenden Ebene 30 - die hier als d-Ebene bezeichnet werden soll - sind dagegen in diesem Beispiel keine Längsstäbe 28 ange¬ ordnet, so dass sich im Bereich der Pole vorteilhaft ein ho¬ her radialer Flussanteil 31 im weichmagnetischen Material des Läufermantels 13 ausbildet. Fig. 4 zeigt eine schematische perspektivische Darstellung eines Läufermantels 13 mit mehreren Längsstäben 28, die un¬ tereinander durch zwei endseitige Verbindungsringe 40a zu einem übergeordneten Kurzschlusskäfig verbunden sind. Die Funktion dieses Kurzschlusskäfigs im asynchronen Betriebsmo¬ dus der Maschine 1 ist analog zu bekannten Kurzschlussläufern in herkömmlichen Asynchronmaschinen. Auch hier sind die Longitudinal rods 28 is shown, which here each have a somewhat on ¬ wändigere cross-sectional shape than the relatively simple round bars in Fig. 2. The longitudinal rods 28 in this case have each ¬ weils a radially outer, upper rod 28a, a radially inner sub-rod 28b, and a these two Tei ¬ le connecting Streusteg 28 c on. Again, the longitudinal ¬ rods 28 are formed in grooves 26 of the rotor shell 13. Its radial height is more than half of the nominal thickness 15 of the rotor shell 13, so that only a small residual thickness 15a remains in the region of the equatorial q-plane. This in turn is favorable for the suppression of the magnetic short-circuit paths 33, since here too the longitudinal bars 28 are formed from an amagnetic material. In the magnetic pole enthal ¬ bordering plane 30 - which should be referred to as the d-plane - on the other hand, in this example, no longitudinal bars 28 ange ¬ assigns, so that advantageously in the region of the poles a ho ¬ her radial flow component 31 in the soft magnetic Material of the rotor shell 13 trains. Fig. 4 shows a schematic perspective view of a rotor shell 13 having a plurality of longitudinal rods 28, the un ¬ behind the other are connected by two end rings 40a connecting to a higher-level short-circuit cage. The Function of this squirrel cage asynchronous Betriebsmo ¬ dus of the engine 1 is analogous to the known squirrel-cage rotors in conventional asynchronous machines. Again, these are the
Längsstäbe 28 in Nuten 26 des weichmagnetischen Materials des Läufermantels 13 angeordnet. Die Verbindungsringe 40a können wie hier gezeigt noch axial im Bereich des Läufermantels an¬ geordnet sein, oder sie können alternativ axial außerhalb der hohlzylindrischen Trägerstruktur angeordnet sein. Im gezeigten Beispiel sind die Längsstäbe 28 nicht exakt parallel zu der Rotationsachse 11 ausgerichtet, sondern sie sind in einem leichten Winkel in einer einfach geschrägten Konfiguration angeordnet . Longitudinal bars 28 are arranged in grooves 26 of the soft magnetic material of the rotor shell 13. As shown here, the connecting rings 40a can still be arranged axially in the region of the rotor jacket , or they can alternatively be arranged axially outside the hollow cylindrical carrier structure. In the example shown, the longitudinal bars 28 are not aligned exactly parallel to the axis of rotation 11, but they are arranged at a slight angle in a single-beveled configuration.
Fig. 5 zeigt eine schematische perspektivische Darstellung eines Läufermantels 13 nach einem alternativen Ausführungs¬ beispiel der Erfindung. Hier sind benachbarte Längsstäbe 28 jeweils paarweise über endseitige Verbindungssegmente 40b zu geschlossenen Leiterschleifen verbunden. Es ergeben sich also mehrere geschlossene Spulen, die nebeneinander auf der Außenseite des hohlzylindrischen Läufermantels 13 angeordnet sind. Nach der Art von herkömmlichen Schleifringläufern können diese Leiterschleifen jeweils über Schleifringe mit einem äuße¬ ren Stromkreis verbunden sein. Im asynchronen Betriebsmodus kann dann ein Stromfluss über diese Schleifringverbindungen erfolgen, der dann im synchronen Betriebsmodus der Maschine 1 weitgehend zu Erliegen kommt. Fig. 5 shows a schematic perspective view of a rotor shell 13 according to an alternative embodiment ¬ example of the invention. Here, adjacent longitudinal bars 28 are each connected in pairs via end-side connecting segments 40b to closed conductor loops. This results in several closed coils, which are arranged side by side on the outside of the hollow cylindrical rotor shell 13. According to the type of conventional slip ring rotors, these conductor loops can each be connected via slip rings with a äuße ¬ Ren circuit. In the asynchronous operating mode, a current flow can then take place via these slip ring connections, which then largely comes to a standstill in the synchronous operating mode of the machine 1.
Fig. 6 zeigt einen schematischen Längsschnitt durch eine elektrische Maschine 1 nach einem sechsten Ausführungsbei- spiel der Erfindung. Gezeigt ist ein ortsfestes Ständeraußengehäuse 41, in dem die Ständerwicklungen 43 auf der Innenseite eines Hohlzylinders angeordnet sind. Innerhalb dieses Ständers befindet sich ein auf einer Rotorwelle 45 mit Lagern 47 drehbar gelagerter Läufer 5. Der Läufer 5 umfasst einen weichmagnetischen Läuferkern 7, auf dem supraleitende Spulenwicklungen 9 als Erregerwicklungen der Maschine angeordnet sind. Der aus Läuferkern 7 und Spulenwicklungen 9 gebildete innere Läufer ist in einem inneren Vakuumbehälter 49 angeord- net, m dem beim Betrieb der Maschine ein Vakuum V vorliegt. Dieses Vakuum V dient der thermischen Isolation des insgesamt auf einem kryogenen Temperaturniveau gehaltenen inneren Läufers von seiner warmen Umgebung. Der innere Läufer ist mit thermisch schlecht leitenden Verbindungselementen 53 mechanisch mit der Rotorwelle 45 verbunden, so dass auch über diese Verbindungen ein hoher Temperaturgradient aufrechterhalten werden kann. Die Rotorwelle 45 ist über Seitenelemente 51 me¬ chanisch fest mit dem inneren Vakuumbehälter 49 verbunden, so dass dieser Vakuumbehälter synchron mit der Rotorwelle 45 und dem inneren Läufer rotiert. Auf der Außenseite des Vakuumbe¬ hälters 49 ist nun der Läufermantel 13 angeordnet, dessen weichmagnetisches Material das Magnetfeld der Erregerwicklun¬ gen 9 zum Ort der Ständerwicklungen 43 führt. Der Läufermantel 13 weist analog zu den vorherigen Beispielen hier nicht gezeigte Längsleiter 28 für den asynchronen Betriebsmodus auf. Besonders im asynchronen Betriebsmodus entsteht im Läu¬ fermantel 13 ein Wärmeeintrag durch elektrische Verluste in den Längsstäben 28. Durch den inneren Vakuumbehälter 49 ist dieser Bereich aber thermisch hinreichend vom inneren Läufer isoliert. Die zylindrische Außenwand 57 des inneren Vakuumbe¬ hälters erfüllt dabei gleichzeitig die Funktion eines Dämp¬ ferschirms zwischen innerem Läufer und Läufermantel 13. 6 shows a schematic longitudinal section through an electrical machine 1 according to a sixth embodiment of the invention. Shown is a stationary stator outer housing 41, in which the stator windings 43 are arranged on the inside of a hollow cylinder. Within this stator there is a rotor 5 rotatably mounted on a rotor shaft 45 with bearings 47. The rotor 5 comprises a soft-magnetic rotor core 7 on which superconducting coil windings 9 are arranged as field windings of the machine. The inner rotor formed of rotor core 7 and coil windings 9 is arranged in an inner vacuum tank 49. net, in which a vacuum V is present during operation of the machine. This vacuum V serves to thermally insulate the overall inner rotor at a cryogenic temperature level from its warm environment. The inner rotor is mechanically connected to the rotor shaft 45 with thermally poorly conducting connecting elements 53, so that a high temperature gradient can also be maintained via these connections. The rotor shaft 45 is me ¬ mechanically connected by side members 51 fixed to the inner vacuum vessel 49, so that this vacuum container rotates synchronously with the rotor shaft 45 and the inner rotor. On the outside of the Vakuumbe ¬ hälters 49 of the rotor casing is now placed 13, the soft magnetic material, the magnetic field of the Erregerwicklun ¬ gen 9 leads to the location of the stator windings 43rd The rotor shell 13 has, similarly to the previous examples, longitudinal conductors 28 (not shown here) for the asynchronous operating mode. Especially in asynchronous mode created in Läu ¬ fermantel 13 a heat input by electrical losses in the longitudinal rods 28. The inner vacuum vessel 49 of this range, however, thermally sufficiently insulated from the inner race. The cylindrical outer wall 57 of the inner Vakuumbe ¬ container simultaneously fulfills the function of a Dämp ¬ ferschirms between the inner rotor and rotor shell 13th
Durch die feste Verbindung mit dem Vakuumbehälter 49 rotiert auch der Läufermantel 13 synchron mit den übrigen Bestandtei¬ len des Läufers 5. Im gezeigten sechsten Ausführungsbeispiel wird der innere Läufer durch ein im Innenraum der Rotorwelle 45 zirkulierendes Kühlmittel 55 gekühlt. Es wird also der ge¬ samte innere Läufer mit den supraleitenden Spulenwicklungen 9 und dem Läuferkern 7 auf eine Temperatur nahe der Betriebstemperatur des Supraleiters gekühlt. Der Läufermantel 13 da¬ gegen befindet sich außerhalb des thermisch isolierenden Vakuumbehälters 49 und wird daher auf einem deutlich höheren Temperaturniveau nahe der warmen Umgebungstemperatur gehalten . The firm connection with the vacuum vessel 49 and the rotor shell 13 rotates synchronously with the other Bestandtei ¬ len of the rotor 5. In the illustrated sixth embodiment, the inner rotor is cooled by the interior of the rotor shaft 45 circulating coolant 55th It is thus cooled with the superconducting coil windings 9 and the rotor core 7 to a temperature close to the operating temperature of the superconductor of the ge ¬ entire inner rotor. The rotor shell 13 as ¬ against is outside the thermally insulating vacuum vessel 49 and is therefore maintained at a significantly higher temperature level close to the warm ambient temperature.

Claims

Patentansprüche claims
1. Elektrische Maschine (1) mit einem Ständer (3) und einem um eine Rotationsachse (11) drehbar gelagerten Läufer (5), - wobei der Läufer (5) einen innenliegenden Läuferkern (7) aufweist, der mit wenigstens einer elektrischen Spulenwicklung (9) versehen ist, 1. Electrical machine (1) with a stator (3) and a rotor (5) rotatably mounted about a rotation axis (11), - wherein the rotor (5) has an internal rotor core (7) which is connected to at least one electrical coil winding (7). 9),
- und wobei der Läuferkern (7) und die Spulenwicklung (9) radial von einem äußeren Läufermantel (13) umhüllt sind, wobei der Läufermantel (13) eine Mehrzahl von elektrisch lei¬ tenden Längsstäben (28) aufweist, die zumindest teilweise an ihren axialen Endbereichen elektrisch leitfähig miteinander verbunden sind. - And wherein the rotor core (7) and the coil winding (9) are radially enveloped by an outer rotor shell (13), wherein the rotor shell (13) has a plurality of electrically lei ¬ border longitudinal bars (28), at least partially at their axial End regions are electrically conductively connected to each other.
2. Elektrische Maschine (1) nach Anspruch 1, bei der der Läu¬ fermantel (13) zu einem mehrheitlichen Teil seines Volumens aus einem weichmagnetischen Material gebildet ist. 2. Electrical machine (1) according to claim 1, wherein the Läu ¬ fermantel (13) is formed to a majority of its volume from a soft magnetic material.
3. Elektrische Maschine (1) nach Anspruch 2, bei der die Längsstäbe (28) gegen das weichmagnetische Material des Läu¬ fermantels (13) elektrisch isoliert sind. 3. Electrical machine (1) according to claim 2, wherein the longitudinal bars (28) against the soft magnetic material of the Läu ¬ fermantels (13) are electrically isolated.
4. Elektrische Maschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die elektrische Spulenwicklung (9) des Läu- fers (5) als supraleitende Spulenwicklung ausgebildet ist. 4. Electrical machine (1) according to one of the preceding claims, wherein the electrical coil winding (9) of the runner (5) is designed as a superconducting coil winding.
5. Elektrische Maschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Läufermantel (13) zu mehrheitlichen Tei¬ len seines Umfangs eine Dicke (15) von wenigstens 2 cm auf- weist. 5. Electrical machine (1) according to one of the preceding claims, wherein the rotor shell (13) to majority Tei ¬ len its circumference has a thickness (15) of at least 2 cm up.
6. Elektrische Maschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Läufermantel (13) mit einer Mehrzahl von radial außen liegenden Nuten (26) versehen ist, innerhalb de- rer die Längsstäbe (28) angeordnet sind. 6. Electrical machine (1) according to one of the preceding claims, wherein the rotor shell (13) with a plurality of radially outer grooves (26) is provided, within which the longitudinal bars (28) are arranged.
7. Elektrische Maschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der Läufermantel (13) mit wenigstens einem Paar von diametral gegenüberliegenden Ausnehmungen (21) versehen ist . 7. Electrical machine (1) according to one of the preceding claims, wherein the rotor shell (13) with at least one pair is provided by diametrically opposed recesses (21).
8. Elektrische Maschine (1) nach Anspruch 7, bei der die Spu- lenwicklung (9) zur Erzeugung eines Magnetfeldes (27) mit einer Polpaarzahl n ausgebildet ist, wobei der Läufermantel (13) wenigstens n Paare von jeweils diametral gegenüberlie¬ genden Ausnehmungen (21) aufweist, und wobei diese Ausnehmungen (21) in Umlaufrichtung jeweils zwischen benachbart lie- genden Polen angeordnet sind. 8. Electrical machine (1) according to claim 7, wherein the coil lenwicklung (9) for generating a magnetic field (27) is formed with a pole pair number n, wherein the rotor shell (13) at least n pairs of diametrically gegenüberlie ¬ ing recesses (21), and wherein these recesses (21) are arranged in the direction of rotation between adjacent poles.
9. Elektrische Maschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Spulenwicklung (9) zur Erzeugung eines Magnetfeldes (27) mit einer Polpaarzahl n ausgebildet ist, wobei wenigstens ein Teil der Längsstäbe (28) in Umlaufrich- tung zwischen benachbarten Polen angeordnet ist. 9. Electrical machine (1) according to one of the preceding claims, wherein the coil winding (9) for generating a magnetic field (27) is formed with a pole pair number n, wherein at least a part of the longitudinal bars (28) in the circumferential direction between adjacent poles is arranged.
10. Elektrische Maschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der zwischen dem Läuferkern (7) mit der elek- frischen Spulenwicklung (9) und dem Läufermantel (13) ein innerer Vakuumbehälter (49) angeordnet ist, der den Läuferkern (7) mit der elektrischen Spulenwicklung (9) vakuumdicht umschließt . 10. Electrical machine (1) according to any one of the preceding claims, wherein between the rotor core (7) with the elek- fresh coil winding (9) and the rotor shell (13) an inner vacuum container (49) is arranged, the rotor core (7 ) encloses with the electric coil winding (9) vacuum-tight.
11. Elektrische Maschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Läufermantel (13) aus einer Vielzahl von gegeneinander elektrisch isolierten weichmagnetischen Blechen gebildet ist. 11. Electrical machine (1) according to one of the preceding claims, wherein the rotor shell (13) is formed from a plurality of mutually electrically insulated soft magnetic sheets.
12. Elektrische Maschine (1) nach einem der vorhergehenden12. Electrical machine (1) according to one of the preceding
Ansprüche, bei der alle Längsstäbe (28) durch wenigstens zwei endseitige Verbindungsstrukturen (40a) elektrisch miteinander kurzgeschlossen sind. Claims in which all longitudinal bars (28) are electrically shorted together by at least two end-side connection structures (40a).
13. Elektrische Maschine (1) nach einem der vorhergehenden13. Electrical machine (1) according to one of the preceding
Ansprüche, bei der benachbarte Längsstäbe (28) jeweils paar¬ weise an beiden Enden elektrisch leitfähig miteinander in Form einer geschlossenen Schleife verbunden sind. Claims, in which adjacent longitudinal bars (28) each pair ¬ wise at both ends are electrically conductively connected to each other in the form of a closed loop.
14. Elektrische Maschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der radial zwischen Läuferkern (7) und Läufermantel (13) ein Dämpferschirm (57) aus einem elektrisch leit- fähigen und amagnetischen Material angeordnet ist. 14. Electrical machine (1) according to one of the preceding claims, in which radially between rotor core (7) and rotor shell (13) a damper screen (57) made of an electrically conductive and non-magnetic material is arranged.
15. Elektrische Maschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die sowohl einen Betriebsmodus als Synchronmaschi¬ ne als auch einen Betriebsmodus als Asynchronmaschine auf- weist. 15. Electrical machine (1) according to one of the preceding claims, which has both an operating mode as Synchronmaschi ¬ ne and an operating mode as an asynchronous machine.
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