WO2018091330A1 - Rotor für hohe drehzahlen mit spulenanordnung und wicklungsträger - Google Patents

Rotor für hohe drehzahlen mit spulenanordnung und wicklungsträger Download PDF

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WO2018091330A1
WO2018091330A1 PCT/EP2017/078590 EP2017078590W WO2018091330A1 WO 2018091330 A1 WO2018091330 A1 WO 2018091330A1 EP 2017078590 W EP2017078590 W EP 2017078590W WO 2018091330 A1 WO2018091330 A1 WO 2018091330A1
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WO
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rotor
coil
winding
support
anchoring
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PCT/EP2017/078590
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Inventor
Johannes Richter
Christian WEIDERMANN
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • Y02E40/60—Superconducting electric elements or equipment; Power systems integrating superconducting elements or equipment

Definitions

  • the present invention relates to a rotor for an electric machine, wherein the rotor comprises at least one elek ⁇ thari coil assembly and at least one winding support, which carries the at least one coil assembly mechanically. Furthermore, the invention relates to an electrical Ma ⁇ machine with such a rotor.
  • the coil arrangements in the rotors of electrical machines are typically mechanically held on a radially inner winding carrier.
  • These radially inner winding carriers are often lathed iron cores which completely fill the interior space and on the outside of which the windings are applied.
  • such iron cores often have on their radially outer side on a stepped profile so that the projecting radially outward protrusions of the iron core to reach into the center of the single ⁇ NEN coil assemblies and can hold from its center.
  • the iron of such a winding carrier serves at the same time for magnetic flux guidance in the rotor.
  • Such cooling typically comprises ⁇ structure, in particular for supralei ⁇ tend rotor windings, a plurality of highly thermally conductive elements by means of which the resulting heat in the coils arrangements circulating at a spatially removed
  • Coolant can be removed.
  • These thermally conductive elements often contain a large amount of copper.
  • the circu ⁇ lierende coolant can flow, for example, in a cavity in the interior of the winding support and outside of the rotor be recooled.
  • Such a cooling structure and cooling system are particularly important to the operation of the rotor when the coil assemblies have superconducting windings whose conductor material during operation must be cooled to a cryogenic temperature below the critical temperature of the superconductor.
  • the weight contribution of the cooling ⁇ structure is often relatively large. But even with a normal-conducting rotor, the heavy, highly thermally conductive cooling structure can result in a high weight contribution.
  • the object of the invention is therefore to provide a rotor which overcomes the disadvantages mentioned.
  • a rotor is to be made available, which has a comparatively low mass and can simultaneously achieve high speeds.
  • Another object is to provide an electric machine with such a rotor.
  • the rotor according to the invention is designed as a rotor for an electric machine. It comprises at least one electric coil arrangement and at least one winding carrier, which carries the at least one coil arrangement mechanically and at least partially surrounds it on a radially outer side of the coil arrangement.
  • the rotor has a central
  • Supporting element and at least one anchoring element wherein the at least one winding support on the form-fitting in the support element embedded anchoring element is mechanically connected to the central support element.
  • the rotor comprises an electrical coil system at least, formed by the flow of an electric current in an electromagnetic field who can ⁇ .
  • the rotor may even have at least two radially opposite coil arrangements together to form a magnetic pole pair ⁇ .
  • Such a plurality of coil arrangements together form the rotor winding.
  • Each of the coil arrangements may comprise either only one winding layer or a plurality of winding layers.
  • the individual, axially extending conductor regions of such a coil arrangement can be electrically connected to one another, for example, via winding heads in the axial end regions.
  • the rotor winding as a whole can be formed either of a continuous conductor or of a plurality of individual conductors, which can be at least partially nachträg ⁇ Lich contacted to a parent winding with each other.
  • the at least one coil arrangement is mechanically held by at least one radially outer winding carrier.
  • the mechanical support of the coil arrangement (s) is achieved via an exoskeleton-like structure.
  • This exoskeleton-like structure is intended to at least partially surround the coil arrangement (s) radially on the outside - in other words, the
  • Winding support with more than one surface abut the at least one coil arrangement in order to support these in several directions can.
  • the Wicklungsträ ⁇ ger both radially outwardly and circumferentially adjacent to the coil assembly (s) to support them both in the radial outward direction and in the azimuthal direction against acting forces.
  • the coil assembly with a rotation of the rotor both against the externally acting centrifugal forces as well as against the forces acting in the circumferential direction are supported.
  • the described anchoring of the at least one winding carrier on the central supporting element ensures that the winding carrier is supported in particular in the radial direction against the centrifugal forces acting during operation.
  • a torque transmission from the winding support to the central support element can also be effected via this at least one anchoring element.
  • Insbesondre in the presence of multiple coil arrangements, and / or a plurality of winding supports may advantageously also several such anchoring elements vorlie ⁇ gene.
  • This plurality of anchoring elements can in the circumferential direction and / or in the axial direction along the outer surface of the central support element may be distributed.
  • the central support member and the at least one anchoring element as a separate, later (after IH rer respective production) composed elements vorlie ⁇ gene.
  • the mechanically strong connection between these elements is ensured by a form-locking , In particular ⁇ sondere this form fit is designed such that it counteracts approximately element in the radial direction of a relative movement between the central support member and anchoring.
  • this form fit is designed such that it counteracts approximately element in the radial direction of a relative movement between the central support member and anchoring.
  • it can also advantageously counteract a relative movement in the azimuthal direction. If relative movements in the radial and / or azimuthal direction are prevented in this way, a mechanical support in the radial direction and / or a transmission of torques during rotation about a central axis is conversely made possible.
  • anchoring member at least allows a trailing support of the winding carrier (and thus indirectly of the coil arrangement ⁇ ) on the central support member against radial forces (in particular centrifugal forces).
  • radial forces in particular centrifugal forces.
  • the coil assembly can be embedded in the associated winding carrier before the connection of the anchoring element with the central support element. This allows geometric arrangements and dimensions, in particular in one-piece design of winding support and
  • the function of mechanically holding the coil arrangements is divided stepwise into at least two elements:
  • the winding support (s) bound the coil arrangement (s) radially outwards and hold them therefrom.
  • the at least one anchoring element supports and holds the winding carrier or carriers from a radially inner region of the rotor.
  • the cen- rale support member may, together with the (more beneficial) anchoring elements a kind inboard skeleton ausbil ⁇ . This can have cavities in order to keep the weight contribution to the total weight of the rotor as low as possible.
  • the embodiment of the invention thus enables a support structure for the coil assembly (s), which is suitable for high speeds due to their mechanical strength in the radial and azimu ⁇ taler direction. simultaneously It can be advantageously realized by low density materials and made relatively easy.
  • the electric machine according to the invention has a rotor according to the invention and a stationary stator.
  • the advantages of the machine according to the invention are analogous to the described advantages of the rotor according to the invention.
  • Advantageous embodiments and further developments of the invention will become apparent from the dependent claims 1 and 13 claims and the following description. In this case, the described embodiments of the rotor and of the electrical machine can advantageously be combined with one another.
  • the rotor is expediently designed for rotation with respect to a central axis of rotation.
  • the central support element can then extend in particular along this axis of rotation.
  • the rotor may particularly preferably have an overall cylindrical basic shape, and the central Tragele ⁇ ment may be centrally located on the cylinder axis and thus on the Ro ⁇ tion axis.
  • the at least one anchoring element and the at least one winding carrier can advantageously be formed in one piece. Such an embodiment may facilitate manufacture since fewer individual components are needed.
  • the mechanical strength of the entire rotor is so particularly high because the one-piece design ensures a particularly good transmission of force between the region of the component which forms the anchoring element and the region of the component which forms the winding carrier.
  • the at least one anchoring element and the at least one winding carrier ⁇ connectedness as separate and only subsequently with each other dene components are present.
  • Such a connection can in turn be formed as a positive connection.
  • a cohesive and / or non-positive connection is possible in principle.
  • the choice of different materials and a separate adaptation to the required strengths and / or other material properties while simultaneously having the lowest possible density is possible.
  • Such a subsequent connection between the anchoring element and the winding carrier can be created for example by screws, bolts and / or a tongue and groove system.
  • the rotor advantageously has an internal cavity in which a fluid coolant can be circulated. It is preferably designed so that the can enter a Spulenanord ⁇ voltage at least on its radially inner side in contact with the coolant at least.
  • the internal cavity allows the fluid coolant to circulate so that it can vent the coil assembly from a radially inward side.
  • the coil assembly can be located on its radially inner side at least partially free - not converted by the winding support to be ben - so that the coolant can flow onto the coil winding on the side ⁇ ser. In particular, it can thus come into direct contact with the coil arrangement.
  • the conductor winding of the coil arrangement itself can be flowed through or flowed around by coolant.
  • Either the conductor can itself or an electrical insulation surrounding the conductor, impregnated and / or protective layer so are in di ⁇ rektem contact with the coolant that Spulenan ⁇ order can dissipate the heat generated during operation of the coolant. It is essential that the thermal coupling of the coolant to the coil assembly (s) is achieved not only by additional heat-conducting cooling structures over a spatial distance, but that the coolant in direct contact with a part of the coil assembly stands. But doing should not be ruled out that to ⁇ additionally a thermally conductive cooling structure is present.
  • Example ⁇ example in addition to the direct contact of the coolant with the coil arrangement a circumferentially horrre- be ADORABLE thermally conductive ring to cool just not kicking with the coolant in Kon ⁇ tact azimuthal areas of the coil assembly at a standstill of the rotor.
  • Essential in the context of this embodiment is only that at least a part of the coil assembly is in direct contact with the coolant at a certain time.
  • the described features of the thus designed rotor ensures that the rotor can be designed with comparatively low mass and that nevertheless effective cooling of the coil arrangement (s) can take place.
  • a cavity for circulating coolant can be arranged radially inwardly next to the coil arrangement.
  • either larger parts of the cross section may be designed as a cavity in the axially inner region of the rotor and / or one or more further solid elements may be provided which additionally support the at least one winding carrier.
  • the rotor by the support of the coil assembly (s) to the outside can be made substantially lighter overall, as if the coil assembly (s) is / are supported on an internal solid support. Due to the comparatively lower density or lower mass of the rotor also particularly high speeds can be rea ⁇ llibrary advantageously by this configuration.
  • the electric coil arrangement can advantageously have a superconductive conductor material.
  • the advantages of the dung OF INVENTION ⁇ come at such a superconducting rotor particularly for carrying, since the effective cooling of the conductor to a cryogenic temperature is particularly important. For He ⁇ aiming a machine with a high power density
  • the electric coil arrangement may comprise a high-temperature superconducting material.
  • Hochtem ⁇ peratursupraleiter are achieved by cooling with other cryogenic materials as liquid helium superconducting materials with a transition temperature above 25 K and terialstalln in some ma-, for example, the cuprate superconductors above 77 K. In these conductors, the operating temperature become. However, this case is not to be ⁇ concluded that while helium can be used for cooling to set a significantly below the transition temperature lying operating temperature. HTS materials are also particularly attractive because these materials can have high upper critical magnetic fields and high critical current densities, depending on the choice of operating temperature.
  • the high temperature superconductor for example, the high temperature superconductor
  • Magnesium diboride or an oxide ceramic superconductor for example, a compound of the type REBa 2 Cu30 x (short REBCO), where RE is a rare earth element or a mixture of such elements.
  • the superconductive conductor of the coil arrangement may generally be advantageously a ribbon conductor, in particular a high-temperature superconducting ribbon conductor.
  • the strip conductor can advantageously be a flat strip conductor, in particular with an approximately rectangular cross-sectional profile. In this case, for example, several consecutive turns of the strip conductor lie flat on each other. Strip conductors in which a normal-conducting substrate with an HTS layer is coated ⁇ be, are particularly advantageous for the production of superconducting coil windings for electrical machines.
  • this can be designed for an operating temperature of the coil arrangement (s) in a temperature range of 90 K or lower, in particular in a temperature range of 77 K or lower.
  • the operating temperature may be in the range of about 30K.
  • the rotor may have a plurality n of coil arrangements, wherein each of the n coil arrangements is arranged on or held by a separate winding support assigned thereto.
  • the structure for mechanical retention of the individual coil arrangements can be segmented into individual winding carriers.
  • These individual winding carrier segments can in particular be arranged on different circumferential positions of the rotor.
  • the advantage of such an embodiment lies in particular in a simplified producibility of the entire mechanical support structure of the coil arrangements.
  • Each of these individual winding carrier can be advantageous at least one form-locking assigned in the supporting element embedded anchoring ⁇ approximately element. In this embodiment, therefore, all such segment-like winding support are individually supported against the central support member.
  • the respective winding carrier and its associated anchoring element (s) then together form a circumferential segment of the entire supporting structure of the rotor.
  • This supporting structure of the rotor is then assembled as shown, by connecting several such ⁇ rer circumferential segment.
  • each of the n coil arrangements can also ordered circumferential segment of a parent, common winding carrier be arranged or held by this.
  • Such überge ⁇ arranged winding carrier can in particular have a cylindrical basic shape with an annular cross section.
  • radially outer coil support may guide elements against the central carrier element to be mechanically supported by a ist ⁇ and particularly advantageously by a plurality of respective anchoring.
  • the at least one anchoring element can in principle be designed either in one piece with the winding carrier or it can be present as a separate element and subsequently connected to it.
  • the support element and / or the anchoring elements can in particular have essentially an n-fold rotational symmetry.
  • the distribution of forces is particularly favorable, and the support element and the anchoring elements can be carried out particularly easily given predetermined ⁇ number requirements.
  • the / the winding support, the central support element and / or the anchoring elements may be formed from an amagneti ⁇ rule material. In this case, different materials can be selected in particular for the different elements. Particularly when using superconducting coil arrangements, the magnetic flux guidance within the supporting structures of the rotor is not necessary and also undesirable.
  • a cold-hardy in Be ⁇ operating temperature of the rotor Kryolegtechnik for GR at least one of said elements are used, in ⁇ example, a titanium, aluminum, nickel or Eisenlegie ⁇ tion (or the corresponding Rhein metal).
  • a fiber composite material can be used. Titanium and aluminum alloys and fiber composites are particularly preferred because of their low weight. Titanium or a titanium-containing alloy are particularly preferred as materials for the central holding element. In particular, Kings ⁇ NEN the materials for the individual elements mentioned also be selected differently by the inventive design.
  • the at least one anchoring element may be ⁇ example, over a large part of the axial length of the rotor stretch ER. It then advantageously supports the winding support (s) over most of that length towards the center of the rotor.
  • the anchoring element can also be formed only in axial subregions.
  • the interior of the rotor in the axially intermediate regions may either be hollow or at least have a relatively large proportion of cavities. This can be particularly advantageous in order to form a rotor with the lowest possible mass.
  • anchoring elements may be provided only on a part of the axial length.
  • gaps Zvi ⁇ eral, distributed in the axial direction anchoring elements may be provided so as to sandwich between them the prefabricated coil assembly from the inside into the winding support. After inserting the coil assembly then the positive connection between anchoring elements and central support element can be created.
  • the rotor may have a plurality of cavities, which on its radially inner side adjoin the support element and on its radially outer side adjoin the at least one coil arrangement and / or the at least one winding support.
  • the cavities are distributed in the azimuthal direction about the rotor, and associated with the respective Win ⁇ kelsegment coil assembly adjacent to these cavities. Then the respective coil arrangement can advantageously be cooled directly via coolant circulating in the respective cavity, without the need for additional and under certain circumstances heavy elements for thermal coupling by heat conduction.
  • the cavity may also adjoining parts of the winding support to this example ⁇ as to also segregated heat removal.
  • the individual cavities can advantageously be fluidly connected to one another.
  • they can be configured as parts of a superordinate coolant space.
  • openings in different areas of the central support element and / or the anchoring ⁇ elements may be provided, which connect the individual cavities and thus the individual parallel coolant channels together.
  • the central support member may be formed all ⁇ common as a support tube through whichdemit ⁇ tel can flow. This support tube can with window-like Be recesses provided by the coolant can get into the cavities between the individual anchoring elements.
  • These anchoring elements may, for example, have gaps or at least windows in the axial direction, through which coolant can pass into an adjacent cavity.
  • the at least one winding carrier can be connected with respect to the circumferential direction of the rotor in its center with the associated anchoring element.
  • the at least one anchoring element assigned to the respective winding carrier then sits centrally (in the azimuthal direction) in the winding carrier.
  • This embodiment is particularly advantageous for the respective winding support particularly symmetrically to the central supporting element mecanicstüt ⁇ zen.
  • ⁇ al ternatively two anchoring elements or other straight Zariae number of anchoring elements
  • Such support by lateral anchoring elements can in principle also be provided in addition to the centrally arranged anchoring element.
  • the positive connection of the at least one anchoring element with the central support element can preferably be formed by inserting a root-like structure of the anchoring element into a matching recess in the central support element.
  • a root-like structure of the anchoring element into a matching recess in the central support element.
  • the positive connection between the anchoring element and the central support element can be achieved in different ways.
  • Particularly advantageous here is a connection in the manner of a tongue and groove system.
  • the groove on either side be arranged of the central support element or on the side of the anchoring ⁇ elements.
  • the groove and the matching spring can for example be designed as a simple groove and a simple spring.
  • more complex forms are possible, for example, floors annular designs of tongue and groove, whose cross-section is fir-tree-like ⁇ forms.
  • such a positive connection can be configured by a tongue and groove system in such a way that the two parts to be connected can be connected to one another by insertion along the axial direction of the rotor.
  • an axial stop can optionally be provided.
  • a positive connection can also be created by inserting a thread or a bolt into a matching recess of the respectively associated other element.
  • the rotor can generally advantageously comprise at least one drum by means of which a bobbin is fixed in the rotor and thus in particular in addition at least Sach ⁇ is based.
  • the winding carrier or the plurality of winding carriers can be fixed on the inner support structure of the rotor, which is formed by the central Tragele ⁇ ment and the anchoring elements attached thereto.
  • Such bandaging is particularly advantageous for either fixing a plurality of segmental winding carriers distributed over the circumference of the rotor against each other or additionally fixing them on the inner support structure, or both.
  • such band rate can relieve the mounting of the anchoring element to the central support ⁇ element and / or on the winding support.
  • Such a bandage may be used be arranged moderately radially outside of the at least one winding carrier. In this way, it can fix this Wicklungsträ ⁇ ger or even the plurality of winding carriers similar to a belt or a corset.
  • the bandage can be formed, for example, from a band-shaped element. This may be wound in the form of a spiral winding around the circumference of the rotor or in the form of a ring surrounding the rotor band or more such bands.
  • Such a band-shaped element may comprise, for example, as a material a fiber composite material, in particular a glass-fiber reinforced plastic ⁇ and / or a carbon fiber reinforced plastic.
  • the material of the bandage has a high rigidity and a high tensile strength in the tangential direction of the rotor.
  • it may be a material with anisotropic strength to this, but being able to get materials with isotropic strength in question, depending on Ausgestal ⁇ tung.
  • a band-shaped winding such a bandage can also be provided by a cylinder which is shrunk onto the inner elements of the rotor, for example, a metallic Zy ⁇ relieving, in particular a cylinder made of a titanium alloy.
  • shrinkage can be achieved by the thermal shrinkage during cooling to a cryogenic operating temperature.
  • the bandage it may be advantageous if it is arranged with a bias around the inner elements of the rotor - ie in particular to the or the winding support, the Verank fürsele ⁇ elements and the central support element. It benefits in particular ⁇ this bias is selected so that it remains at least retained even when a cooling of the rotor to its operating temperature Tempe ⁇ part.
  • the advantage of such a pretensioned bandage is that it converts the mechanical stresses occurring in operation in the rotor into a tangential tensile stress in the bandage. which can be easily intercepted by the beneficial materials of the bandage.
  • the fluid coolant of the rotor may be particularly advantageous hydrogen.
  • Hydrogen is particularly suitable because, on the one hand, it has a sufficiently low boiling point to act as a cryogenic coolant in the liquid state. On the other hand, it has a low density, which has a favorable effect on the total weight of the rotor including coolant.
  • Such low density coolant is also particularly suitable for providing rotors for large diameter, high speed machines. Due to the low density also caused by the hydrostatic pressure boiling point shift is small.
  • cryogenic coolants are liquid helium, liquid neon, liquid
  • cryogenic coolant when using all these cryogenic coolant in principle, the liquid form in addition to the gas form, and it can be achieved by evaporating the liquid in the region of the components to be cooled, an additional cooling effect.
  • the cryogenicdemit ⁇ tel circulates inside the rotor in particular by the thermosiphon principle and / or the manner of a heat pipe.
  • Water or oil or another non-cryogenicde 45 ⁇ speed is used. These coolants are particularly suitable for cooling rotors with normal-conducting coil arrangements. It may be advantageous to circulate the coolant in the cavity by means of a pump in order to achieve an effective cooling effect in the region of the coil arrangement. In principle, it is possible that the respective coolant is configured either as part of the rotor or that the rotor is alternatively designed only for operation with such a coolant and does not comprise the coolant itself.
  • a chiller can be arranged outside the rotor, or it can be arranged either on the rotor itself or outside the rotor, a heat exchanger to efficiently transfer the heat from the coolant to the external environment.
  • the rotor may include an electrically conductive damper shield which radially surrounds the at least one coil assembly.
  • a damper screen is advantageous in order to reduce the coupling of electromagnetic alternating fields in the coil arrangement (s) of the rotor and thus to reduce corresponding AC losses in the rotor.
  • Such a damper screen may in particular be arranged as an electrically conductive cylindrical jacket around the coil arrangement (s) of the rotor.
  • the rotor may have an outer
  • Such a cryostat wall is advantageous for encapsulating the internal elements of the rotor against the warmer external environment. In combination with a superinsulation and / or an insulating vacuum, a thermal separation of the interior space from the external environment also occurs. This is particularly advantageous in connection with superconductive coil arrangements and a cryogenic operating temperature of these coil arrangements.
  • a cryostat it can be a single outer cryostat wall either or it may alternatively be ei ⁇ ne combination of an inner and an outer cryostat wall, wherein advantageously between these two Kryostat periodicallyn an insulating vacuum is provided.
  • the said radially outer elements - ie damper screen, inner Kryostatwand and / or outer Kryostatwand - can in a plurality of coil arrangements, in particular all these coil arrangements radially surround. All of these radi- al outer elements can, if they are present in the Subject Author ⁇ fenden embodiment, advantageously cylindrical, in particular circular-cylindrical.
  • the damper shield may in particular be provided by the winding carrier itself or by the plurality of winding carriers. This is particularly advantageous in the presence of a non-segmented, one-piece winding carrier. But even individual winding carrier segments can be electrically conductively connected to each other so that they can act together as a damper screen.
  • the damper screen can also be provided by one of the cryostat walls or by both cryostat walls. So it is also possible that several of the mentioned elements together fulfill the function of the damper screen.
  • Advantageous materials for the damper screen are metallic materials (for example aluminum alloys) or materials containing carbon nanotubes.
  • the at least one cryostat wall can also be provided in particular by the winding carrier itself or by the plurality of winding carriers.
  • the cryostat wall can be identical to the damper screen, without this element being given by the winding carrier or carriers.
  • the at least one cryostat wall can be formed particularly advantageously from a metallic material.
  • the inner cryostat wall of the cryostat can be formed of a material that is robust to the action of hydrogen.
  • inner and outer walls of the cryostat can advantageously be formed from different materials, since the requirements here are different. So can the inner
  • Kryostatwand then advantageously a hydrogen-solid titanium alloy, aluminum alloy or iron alloy, in particular a so-called super-austenitic alloy.
  • the at least one winding carrier can advantageously be made ironless. In particular, all of which can be configured in the rotor coreless vorlie ⁇ constricting winding support. They can even be designed entirely free of magnetic flux-conducting materials. Also, the central support element and / or the at least one anchoring element may be free of such magnetic flux-conducting materials. Such a design without soft magnetic materials in the interior of the rotor is particularly advantageous in connection with superconducting coil arrangements, since magnetic flux conduction through the other rotor elements is not necessary or not effective due to the high magnetic flux densities and the resulting saturation. Another advantage of the ironless design is that lighter materials can be used and thus a lower density of the rotor can be achieved.
  • the rotor preferably has an average material density of at most 8 g / cm 3 , based on its total volume. Particularly preferably, the average material density is at most 5 g / cm 3 or even at most 3 g / cm 3 .
  • the entire cylinder volume including internal cavities. Due to the disclosed open construction of the rotor, in which the coil arrangement (s) are held by one or more winding carriers designed as an exoskeleton, a high proportion of internal cavities can be created particularly advantageously. Even if these cavities are partially or even completely filled with fluid coolant, a much smaller contribution to the average density is nevertheless created than with conventional materials for the winding carrier such as steel.
  • the at least one external winding support, the central support member and the at least one Verank fürsele ⁇ ment relatively light materials such as aluminum or titanium alloys or carbon fiber composite materials, so a very low average density in the described areas can be achieved overall.
  • the density of the materials used for winding carrier, anchoring element (s) and / or central support element can generally be advantageously below 5 g / cm 3 .
  • the material of the at least one winding carrier has be ⁇ vorzugt on a thermal expansion coefficient that is greater than the effective coefficient of thermal expansion of the electrical conductor.
  • Such an embodiment is particularly advantageous in connection with superconducting Spulenanord ⁇ voltages, since then the winding support or by cooling from room temperature to shrink to a cryogenic operating temperature Tempe ⁇ stronger than embedded therein coil assembly.
  • the winding carrier shrinks onto the coil arrangement and compresses it.
  • These conductors are generally less sensitive to compressive stresses as compared to tensile stresses, since tensile stresses can more easily lead to delamination of the superconducting material from an underlying support. This applies in particular to the superconducting layer in a superconducting band conductor.
  • the rotor can generally be designed advantageously for the formation of a p-pole magnetic field, wherein the number of poles p can be particularly advantageously between 2 and 12, particularly advantageously between 6 and 12, in particular at exactly 8.
  • the pole number p may advantageously be identical to the number n of coil configurations distributed in the rotor and distributed in the circumferential direction.
  • the rotor may have a rotor shaft for rotation of the rotor about a rotation axis.
  • this shaft may be a segmented shaft, which may have, for example, at least one solid segment and at least one hollow segment.
  • the rotor shaft is hollow at least in an axially inner portion of the rotor for directing fluid coolant in the in ⁇ nenraum of the rotor and / or to conduct away from there.
  • the at least one coil assembly is preferably inserted as a pre-manufactured form ⁇ coil into the winding carrier.
  • a prefabricated preformed coil should in particular be understood to mean a self-supporting, dimensionally stable coil, as obtained, for example, by wet-winding with a
  • Impregnating agent can be achieved.
  • the coil can also be wound dry and subsequently impregnated with an impregnating agent and / or potted with a casting agent. After hardening of this impregnating agent and / or casting agent, a self-supporting coil-shaped coil arrangement is likewise obtained.
  • the at least one anchoring element can advantageously be used to guide other elements in the radial direction between the central support element and the winding carrier.
  • a cable and / or a line (or advantageously a plurality of cables and / or lines) can be guided on the at least one anchoring element in the radial direction to the region of the coil winding (s) in order to electrically connect the coil to an external circuit to ermögli ⁇ chen.
  • the electric machine with the rotor according to the invention can advantageously be designed for a power density of at least 5 kW / kg, particularly advantageously it can even be designed for a power density of at least 10 kW / kg.
  • a machine with such a high power density the advantages of the rotor described are particularly significant.
  • machines with such high power densities are a basic prerequisite for fully electric powered aircraft. However, they are also beneficial in the field of others, in particular other mobile applications. Under the said power density, the rated power of the machine based on their total weight to be understood, so based on the weight of the stator, rotor, housing, cooling system plus any additional components present.
  • the machine is preferably for a nominal power of less ⁇ least 5 MW, in particular at least 10 MW, is designed. With such a high performance, it is basically suitable for driving a vehicle, in particular an aircraft. Alternatively, the are generated for the drive required electric power on board the vehicle he ⁇ with such a powerful engine, but also during operation as a generator. In principle, the machine can be designed either as a motor or as a generator or optionally be designed for both operating modes. In order to achieve the described high powers and / or power densities, superconducting coil arrangements are particularly suitable because they allow particularly high current densities.
  • the machine may preferably be designed for a rotational speed of the rotor of at least 1000 rpm, in particular even for at least 3000 rpm or at least 6000 rpm.
  • the described embodiments of the rotor with comparatively clotting ⁇ ger density such high speeds can be particularly well reali ⁇ Siert. With conventional rotors, they can not be achieved in part at a size required for the mentioned power ranges. On the other hand, the power densities that are advantageous for the applications described may not even be achieved with slower rotating machines.
  • FIG. 1 shows a schematic cross-sectional view of a rotor according to a first example of the invention
  • Figure 2 is a schematic partial view of the cross section
  • FIG. 1 shows
  • FIG 3 is a perspective view of a Wicklungsträ ⁇ gers from a rotor similar to that shown in Figure 1
  • Figure 4 shows a schematic cross-sectional view of a rotor according to a further example of the invention
  • Figure 5 shows a schematic longitudinal section of a machine according to another example of the invention.
  • FIG. 1 shows a rotor according to a first embodiment of the invention in a schematic cross-section perpendicular to the axis of rotation A.
  • the rotor has in this example, eight coil assemblies 3i, which are connected to a parent rotor winding. This rotor winding is designed to generate an eight-pole magnetic field.
  • the individual coil arrangements 3i are in this example each separately from a winding support 5i associated therewith. kept nicely.
  • These eight winding supports 5i support the respective coil arrangement 3i assigned to them from a radially outer side. For this purpose, they adjoin the radially outer sides of these coil arrangements 3i.
  • the individual coil assemblies 3i do not adjoin the winding carriers 5i, but rather an inner cavity 7.
  • These cavities can be traversed by a fluid coolant, in the present example liquid hydrogen, in order to contact the cavities cooling adjacent coil assembly 3i.
  • the cavities 7 drawn in cross-section between the individual anchoring elements 4 can be advantageously connected, in particular through openings not shown here, to a common superimposed cavity, which likewise can be fluidly connected to the interior 8 of the central support element 6.
  • This central support element 6 is formed in this example as hoh ⁇ les support tube, through the interior of the coolant, for example, from an axial end of the rotor from ⁇ can be fed.
  • the central support element it is also possible in principle for the central support element to be of massive design and to have no such inner cavity.
  • the eight coil carriers 5i support the eight coil arrangements 3i from the outside, in the manner of an exoskeleton.
  • the eight winding carriers are realized as separate elements. They are each supported individually by one or more anchoring elements 4 against the central support member 6.
  • Ver ⁇ anchoring elements 4 are formed integrally with the winding carriers 5i. In other words 5i walk the winding support over on its radially inner side to the anchoring elements ⁇ 4th
  • a plurality of such anchoring elements can each be arranged in succession on such a winding support 5i in the axial direction, not shown here be.
  • the individual anchoring elements 4 each have at their inner end a thickening, which is designed as a spring 10 and engages in a correspondingly shaped groove of the central support element 6. This results in a positive connection between the anchoring elements 4 and the central support element 6, by which the winding support 5i is supported against this support element 6 who ⁇ .
  • the windings 3i embedded in the winding carriers 5i can be supported against the centrifugal forces acting during operation of the rotor.
  • the torque acting during operation of the machine between the Spu ⁇ lenan extracten and the central support member 6 can be transmitted by these mechanically load-bearing connections.
  • the illustrated tongue and groove system is to be understood as an example of a positive force transmitted connection between these elements.
  • the illustrated eight grooves of the central support element 6 extend in each case axia ⁇ ler direction of the rotor. They are expediently each at least ⁇ at one axial end of the rotor open, so that the fe- such thickening of the anchoring elements 4 can be inserted from this side from the axial direction. Since, in this example, the winding carriers 5i are integrally formed with the anchoring elements 4, here the fe ⁇ thickenings 10 are shaped so that the individual coil assemblies 3i pushed over the anchoring elements 4 away ⁇ and so past them in the corresponding recesses of the winding support 5i can be inserted.
  • the structure of the rotor cross section of Figure 1 is shown in more detail for a quadrant in Figure 2. Due to the regions which lie in the circumferential direction between the individual anchoring elements 4, in each case internal cavities 7 are provided, in which coolant can flow to the respective associated coil arrangements 3i. These individual inner cavities 7 are fluidly connected to one another to a superordinate ⁇ th coolant chamber. They are also connected to the tube interior 8 of the central support element 6.
  • the anchoring elements 4 each have openings 12a on, and the central support member 6 has a plurality of openings 12b. These openings 12a and 12b are indicated in Figure 2 by dashed lines. They do not extend over the entire axial length of the rotor 1, but can be distributed over its length at regular or irregular intervals.
  • coolant can reach the radially outer cavities 7 and cool the spool assemblies 3i there.
  • liquid hydrogen and other liquid cryogenic coolant may result in a partial evaporation of this cooling liquid.
  • both liquid and gaseous cooling fluid next to each other lies in the cavities of the rotor 1, both liquid and gaseous cooling fluid next to each other. If the liquid volume is so low that it fills only a portion of the void volume, then not all components are cooled evenly at a standstill of the rotor 1. Such a standstill is indicated in FIG. 1 by the horizontal liquid level of the cooling liquid 9.
  • Cooling effect of the gaseous coolant to a cooling to a predetermined temperature is insufficient, the Ro ⁇ tor can be rotated slowly, for example, in a cooling phase who ⁇ . This rotation need not be so high that the coolant spreads evenly over the circumference of the rotor 1. It may be sufficient, for example, to cool down to a pre give ⁇ ne operating temperature when the rotor is rotated so slowly 1 that the individual coil assemblies 5i alternately come into contact with the cooling means 9 and are thus cooled in total over time.
  • the individual winding carriers 5i are held together in addition to the inner support by the anchoring elements 4 in that they are pressed against the anchoring elements 4 by means of a radially outer bandage 13.
  • Exoskeleton 5i additionally buckles on the inner support structure ⁇ .
  • a domestic nere cryostat wall 15a Radially outwardly from this support 13 there is arranged a domestic nere cryostat wall 15a, which is in turn surrounded by an externa ⁇ ßeren cryostat 15b.
  • At least the outer cryostat wall 15b acts simultaneously as an electromagnetic damper screen in the example shown.
  • Between the cylinder surface were telförmigen inner cryostat wall 15a and the cylinder also dermantelförmigen outer cryostat wall 15b ringförmi ⁇ ger vacuum space is formed. Thereby, the lying within the Kryostatdon 15a and 15 of the rotor 1 is ther ⁇ mixed insulated from the external environment. Both cryostat walls 15a and 15b are made vacuum-tight.
  • the inner one Radially outwardly from this support 13 there is arranged a domestic nere cryostat wall 15a, which is in turn surrounded by an externa
  • Cryostat wall 15a is made of a same time with respect to the coolant hydrogen tight and robust material ge ⁇ prepared.
  • the rotor 1 shown in Figures 1 and 2 is overall very easily carried out, since it has a comparatively large Vo ⁇ volume of internal cavities 7 and 8, and since the anchoring elements 4, the central support member 6 and the interturn carrier 5i made of materials may be formed with low density. Additional heavy copper elements for indi ⁇ rect cooling of the coil assemblies 3i can be omitted here, since the coil assemblies 3i are in direct contact with the coolant 9 through the open structure.
  • FIG. 3 shows a schematic perspective view of one of the eight winding carriers 5i of a rotor, which is designed similarly to FIG.
  • this winding support 5i On the radially inner side, shown here below, this winding support 5i has a recess into which a raceway-shaped Spulenanord ⁇ tion 3i is inserted.
  • this radially inner ⁇ lowing side extending from the winding support 5i in this example, five anchoring elements 4 in the direction of Rotati ⁇ onsachse out. Two of the axial gaps between these anchoring elements 4 are necessary in the example shown in order to be able to insert the coil arrangement 3i between the two respective outer anchoring elements 4.
  • the gaps between the three inner anchoring elements 4 are expedient in this example, so that liquid coolant can circulate between the adjacent cavities 7 formed during assembly of the rotor. In this area, a connection of these 3 anchoring elements in the sense of a continuous spring 10 would be possible accordingly. Regardless of the exact configuration of the gaps or openings between / in the anchoring elements 4, it is essential for this embodiment of the invention that the individual springs 10 of the axially adjacent anchoring elements are arranged in a line so that they successively in a common can be inserted in the axial direction extending recess of the central support member 6.
  • FIG. 4 shows an alternative embodiment of a rotor 1 according to a second example of the invention, likewise shown in FIG. matic cross-section perpendicular to the axis of rotation A.
  • a ring- or coat of joint-shaped winding support 5 is present here, which carries the individual coil assemblies 3i from a radially outer side. Due to the self-supporting structural ⁇ tur this winding carrier ring allocated to the individual Spu ⁇ lena orders areas 3i of the winding support are supported against each other radially overall.
  • the superordinate winding support 5 is also mechanically fixed with an inner support element 6 with several anchoring elements 4 connected.
  • This support member 6 is here out ⁇ forms as a hollow support tube. In contrast to the previous embodiment, however, this support tube has no circular, but an octagonal cross-section.
  • the cross-sectional shape can be chosen arbitrarily as a whole, and in particular, the cross-sectional shapes of the inner and the outer boundary surface can be chosen differently.
  • the eight coil arrangements 3i belonging areas of the bobbin 5 by the total eight ⁇ anchoring elements against the central Tragele ⁇ element 6 are supported.
  • the anchoring elements are provided ⁇ 4a, 4b, 4c show partially in various shapes and configurations to illustrate different possible variants.
  • the support elements of the individual eight segments are expediently designed to be equal to one another.
  • the five illustrated anchoring elements of the type 4a have both the radially outer end and the radially inner each end lying on a feathery thickening.
  • the radially inner spring engages in a corresponding groove 11 of the inner support element 6 in order to produce the described form-locking connection therewith.
  • the radially outer spring engages a fitting her out ⁇ shaped groove of the parent winding support. 5
  • the winding support is not formed with the anchoring elements in one piece, but it is subsequently connected from several elements. Also, this connection is generated here by a positive connection.
  • the multi-part embodiment shown here can in principle also be realized in a winding carrier, which is composed, as in FIG.
  • an advantage of the subsequent connection may be that the winding carrier and the anchoring element can be made of different materials.
  • Another advantage may be that the coil arrangement 3i can be inserted into the winding support 5 or 5i before it is connected to the corresponding anchoring element. In such a case, the dimensioning of the anchoring element need not be adapted to the fact that the coil assembly can be inserted past her in the winding support.
  • the positive connection with the central support tube 6 is not realized by a simply shaped groove (with matching spring), but tongue and groove wei ⁇ sen each have a more complex shape with multiple floors.
  • the advantage of such an embodiment is that the surface pressure is reduced under radial load, as an applied radial force is distributed to a plurality of bearing surfaces in the different floors.
  • Such a "multi-storey groove" is for the anchoring element 4b of example only ⁇ shown by way and they are differentmonysva- possible.
  • the groove and the matching spring may have a fir-tree-like cross-section.
  • the positive connection with the central support tube 6 is not realized by a tongue and groove system, but by a screw connection between a thread and a matching threaded hole.
  • the winding support 5 is provided at the corresponding point in the region between the legs of the associated coil arrangement 3i with a hole passing through to the outside. Through this hole, the bolt-like anchoring element 4c can be pushed through from the outside and screwed with a thread formed in its inner end region in a matching bore of the central support element 6.
  • Such a bolt may also be positively connected to the winding support 5, for example, by an attached in this area (here for clarity not ge Service ⁇ tes) further thread and / or mounted on the inside of the winding support nut or another corre ⁇ chendes holding element ,
  • the bandage 13 is also optional in this example, since the annular winding support 5 carries itself and the coil 3 itself and therefore does not have to be reinforced by a bandaging from the outside. Nevertheless, it may nevertheless be advantageous to apply an externally applied prestress to the winding support 5 by means of such a bandage 13 in order to increase its mechanical stability and / or under additional tension against the internal support structure comprising anchoring elements and inner support tube 6 support.
  • a fluid coolant 9 can flow in the inner cavity 7, whereby here too the liquid form together with the gaseous form can be present in a space 7.
  • the rotor 1 rotates about the axis A, as indicated by the arrow in the middle is.
  • the liquid refrigerant is distributed at a high speed from ⁇ reaching over the circumference of the rotor, as shown schematically by the annular liquid level.
  • Figure 5 shows an embodiment of an electric machine 21, which is equipped with a rotor 1 according to the present invention. Shown here is a schematic longitudinal section along the axis of rotation A.
  • the machine also has a stationary stator 23, which radially surrounds the rotor 1 and which is connected to the machine housing 27.
  • the rotor 1 is rotatably mounted on a rotor shaft 31 about the axis of rotation A, said rotor ⁇ shaft 31 in the central part of the rotor 1 and in the right hand ⁇ Asked area is designed as a hollow shaft 33. So it is a segmented wave.
  • the shaft can be obtained in the left part of Figure 4, or it can also be configured here as a hollow shaft with a smaller cavity, for example to
  • the rotor shaft 31, 33 is supported by bearing 29 in the axial end regions of the machine ⁇ chen rotatably against the fixed Maschinenge ⁇ housing 27th
  • the torque is transmitted in the left dargestell ⁇ th part of the rotor 1 between the rotor shaft 31 and the actual rotor 1.
  • a torque transmission device 39 is arranged between the rotor 1 and rotor shaft 31, which is configured in the form of a circular cylinder in the example shown.
  • power supply lines 41 are arranged to connect the coil assemblies 3i of the rotor 1 with an external circuit via slip rings 43.
  • fluid coolant 9 is fed via the hollow shaft 33 into the interior of the rotor and out from here to the outside.
  • the hollow shaft 33 in its interior a supply line 35a and a return line 35b.
  • these lines can be connected to a cooling system located outside the shaft and not shown here to form a closed coolant circuit.
  • These lines 35a and 35b are part of a Superordinate coolant tube 35 disposed fixed within the hollow shaft 33 and connected to this by a rotary lead ⁇ guide 37.
  • the rotor 1 of the electrical machine shown in FIG. 5 can be designed, for example, similarly as shown in FIG. 1 or FIG.
  • coil arrangements 3i which are designed to form a p-pole magnetic field.
  • These coil arrays 3i are in turn distributed over the circumference of the rotor 1 and are mechanically held by one or more external winding carriers 5 or 5i.
  • This winding carriers are for clarity ⁇ provides unspecified Darge here.
  • inner carrying structure of a central support member and the Verank fürsele ⁇ elements 4 is held a winding support at the two axial end regions of the rotor by disc-shaped support elements 40 at least.
  • the coil arrangements 3i and hence are not here ge ⁇ showed winding carriers are radially surrounded by an inner cryostat wall 15a and then by an outer cryostat wall 15b.
  • a vacuum space V is provided for thermal insulation, which is shown clearly enlarged in comparison to the examples of FIGS. 1 and 4.
  • these large ⁇ Hzamba are not to scale, and the fi gures ⁇ are so far only to be understood schematically.
  • the fixed parts of the stator 23 are arranged outside the outer cryostat wall 15b.
  • a stator winding 24 is arranged on the stator winding carrier 25, the axial winding sections of which are connected in their axial end regions with winding heads 24a.
  • the stator winding 24 occurs during operation of the electrical machine 21 in electromagnetic ⁇ specific interaction with the electromagnetic field of the ro tors 1.
  • stator winding 24 is in the example shown by an amagnetically formed stator winding support 25 GE So this is an air gap winding without iron teeth between the windings of the winding.

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Abstract

Es wird ein Rotor (1) für eine elektrische Maschine (21) angegeben, umfassend - wenigstens eine elektrische Spulenanordnung (3i), - wenigstens einen Wicklungsträger (5, 5i), der die wenigstens eine Spulenanordnung (3i) mechanisch trägt und diese auf einer radial außenliegenden Seite der Spulenanordnung wenigstens teilweise umgibt, - wobei der Rotor (1) ein zentrales Tragelement (6) aufweist und - wobei der wenigstens eine Wicklungsträger (5i) über ein formschlüssig in das Tragelement (6) eingebettetes Verankerungselement (4) mechanisch mit dem zentralen Tragelement verbunden ist. Weiterhin wird eine elektrische Maschine (21) mit einem derartigen Rotor (1) und einem feststehend angeordneten Stator angegeben.

Description

Beschreibung
Rotor für hohe Drehzahlen mit Spulenanordnung und Wicklungs- träger
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Rotor für eine elektrische Maschine, wobei der Rotor wenigstens eine elek¬ trische Spulenanordnung und wenigstens einen Wicklungsträger umfasst, der die wenigstens eine Spulenanordnung mechanisch trägt. Weiterhin betrifft die Erfindung eine elektrische Ma¬ schine mit einem solchen Rotor.
Nach dem Stand der Technik werden die Spulenanordnungen in den Rotoren elektrischer Maschinen typischerweise auf einem radial innenliegenden Wicklungsträger mechanisch gehalten. Bei diesen radial innenliegenden Wicklungsträgern handelt es sich oft um geblechte Eisenkerne, die den Innenraum vollständig ausfüllen und auf deren Außenseite die Wicklungen aufge- bracht werden. Um die Spulen mechanisch tragen zu können, weisen solche Eisenkerne oft auf ihrer radial außenliegenden Seite ein gestuftes Profil auf, so dass die nach radial außen ragenden Vorsprünge des Eisenkerns in das Zentrum der einzel¬ nen Spulenanordnungen hineingreifen und diese von ihrer Mitte aus halten können. Das Eisen eines solchen Wicklungsträgers dient dabei gleichzeitig zur magnetischen Flussführung im Rotor .
Um die elektrischen Spulenanordnungen des Rotors kühlen zu können, sind diese häufig mittels einer komplexen Kühlungs¬ struktur an ein Kühlsystem gekoppelt. Eine solche Kühlungs¬ struktur umfasst typischerweise, insbesondere für supralei¬ tende Rotorwicklungen, eine Mehrzahl von thermisch hoch leitfähigen Elementen, mittels derer die in den Spulenanordnungen entstehende Wärme an ein räumlich entfernt zirkulierendes
Kühlmittel abgeführt werden kann. Diese thermisch leitfähigen Elemente enthalten oft eine große Menge an Kupfer. Das zirku¬ lierende Kühlmittel kann beispielsweise in einem Hohlraum im Inneren des Wicklungsträgers fließen und außerhalb des Rotors rückgekühlt werden. Eine derartige Kühlungsstruktur und ein derartiges Kühlsystem sind besonders wichtig für den Betrieb des Rotors, wenn die Spulenanordnungen supraleitende Wicklungen aufweisen, deren Leitermaterial im Betrieb auf eine kryogene Temperatur unterhalb der Sprungtemperatur des Supraleiters gekühlt werden muss. Besonders bei einem derartigen supraleitenden Rotor ist der Gewichtsbeitrag der Kühlungs¬ struktur oft relativ groß. Aber auch bei einem normalleitenden Rotor kann durch die schwere, hoch wärmeleitfähige Küh- lungsstruktur ein hoher Gewichtsbeitrag zustande kommen.
Ein weiterer Nachteil eines solchen bekannten Rotors ist, dass durch die hohen Dichten von den verwendeten eisen- und kupferhaltigen Materialien im Betrieb des Rotors hohe Flieh- kraftbelastungen zustande kommen. Hierdurch sind die maximalen Drehzahlen von herkömmlichen Maschinen, insbesondere supraleitenden Maschinen, stark limitiert.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Rotor anzugeben, welcher die genannten Nachteile überwindet. Insbesondere soll ein Rotor zur Verfügung gestellt werden, welcher eine vergleichsweise geringe Masse aufweist und gleichzeitig hohe Drehzahlen erreichen kann. Eine weitere Aufgabe ist es, eine elektrische Maschine mit einem derartigen Rotor anzugeben.
Diese Aufgaben werden durch den in Anspruch 1 beschriebenen Rotor und die in Anspruch 13 beschriebene elektrische Maschi¬ ne gelöst. Der erfindungsgemäße Rotor ist als Rotor für eine elektrische Maschine ausgelegt. Er umfasst wenigstens eine elektrische Spulenanordnung und wenigstens einen Wicklungsträger, der die wenigstens eine Spulenanordnung mechanisch trägt und diese auf einer radial außenliegenden Seite der Spulenanordnung we- nigstens teilweise umgibt. Der Rotor weist ein zentrales
Tragelement und wenigstens ein Verankerungselement auf, wobei der wenigstens eine Wicklungsträger über das formschlüssig in das Tragelement eingebettete Verankerungselement mechanisch mit dem zentralen Tragelement verbunden ist.
Wesentlich ist, dass der Rotor wenigstens eine elektrische Spulenanordnung aufweist, durch die bei Fließen eines elektrischen Stroms ein elektromagnetisches Feld ausgebildet wer¬ den kann. Insbesondere kann der Rotor sogar wenigstens zwei radial gegenüberliegende Spulenanordnungen aufweisen, die zu¬ sammen ein magnetisches Polpaar ausbilden. Eine solche Mehr- zahl von Spulenanordnungen bildet zusammen die Rotorwicklung aus. Jede der Spulenanordnungen kann dabei entweder nur eine Wicklungslage oder eine Mehrzahl von Wicklungslagen umfassen. Die einzelnen, sich axial erstreckenden Leiterbereiche einer solchen Spulenanordnung können beispielsweise über Wicklungs- köpfe in den axialen Endbereichen elektrisch miteinander verbunden sein. Die Rotorwicklung als Ganzes kann dabei entweder aus einem zusammenhängenden Leiter oder aus mehreren einzelnen Leitern gebildet sein, die zumindest teilweise nachträg¬ lich zu einer übergeordneten Wicklung miteinander kontaktiert sein können.
Unabhängig von der genauen Ausgestaltung der Rotorwicklung aus einer oder mehreren Spulenanordnungen ist es wesentlich für die Erfindung, dass die wenigstens eine Spulenanordnung von wenigstens einem radial außenliegenden Wicklungsträger mechanisch gehalten wird. Die mechanische Halterung der Spulenanordnung (en) wird also mit anderen Worten über eine exoskelettartige Struktur erreicht. Diese exoskelettartige Struktur soll die Spulenanordnung (en) radial außenliegend we- nigstens teilweise umgeben - mit anderen Worten soll der
Wicklungsträger mit mehr als einer Fläche an der wenigstens einen Spulenanordnung anliegen, um diese in mehreren Richtungen abstützen zu können. Insbesondere kann der Wicklungsträ¬ ger sowohl radial außenliegend als auch in Umfangsrichtung an die Spulenanordnung (en) angrenzen, um diese sowohl in radialer Richtung nach außen als auch in azimutaler Richtung gegen einwirkende Kräfte abstützen zu können. So kann die Spulenanordnung bei einer Drehung des Rotors sowohl gegen die nach außen wirkenden Fliehkräfte als auch gegen die in Umfangs- richtung wirkenden Kräfte abgestützt werden.
Durch die beschriebene Verankerung des wenigstens einen Wick- lungsträgers auf dem zentralen Tragelement wird erreicht, dass der Wicklungsträger insbesondere in radialer Richtung gegen die beim Betrieb wirkenden Fliehkräfte abgestützt wird. Auch eine Drehmomentübertragung vom Wicklungsträger auf das zentrale Tragelement kann über dieses wenigstens eine Veran- kerungselement erfolgen. Insbesondre bei Vorliegen mehrerer Spulenanordnungen und/oder mehrere Wicklungsträger können vorteilhaft auch mehrere solche Verankerungselemente vorlie¬ gen. Diese Mehrzahl von Verankerungselementen kann in Um- fangsrichtung und/oder in axialer Richtung entlang der Außen- fläche des zentralen Tragelements verteilt sein.
Wesentlich im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung ist, dass das zentrale Tragelement und das wenigstens eine Verankerungselement als separate, nachträglich (also nach ih- rer jeweiligen Fertigung) zusammengesetzte Elemente vorlie¬ gen. Die mechanisch feste Verbindung zwischen diesen Elementen wird dabei über einen Formschluss gewährleistet. Insbe¬ sondere ist dieser Formschluss so ausgestaltet, dass er einer Relativbewegung zwischen zentralem Tragelement und Veranke- rungselement in radialer Richtung entgegenwirkt. Zusätzlich kann er vorteilhaft auch einer Relativbewegung in azimutaler Richtung entgegenwirken. Wenn auf diese Weise Relativbewegungen in radialer und/oder azimutaler Richtung verhindert werden, wird umgekehrt eine mechanische Abstützung in radialer Richtung und/oder eine Übertragung von Drehmomenten bei Rotation um eine zentrale Achse ermöglicht. Mit anderen Worten ermöglicht das wenigstens eine Verankerungselement eine Ab¬ Stützung des Wicklungsträgers (und damit indirekt der Spulen¬ anordnung) an dem zentralen Tragelement gegen radiale Kräfte (insbesondere Fliehkräfte) . Gleichzeitig wird eine Übertra¬ gung von Drehmomenten zwischen dem Wicklungsträger (und damit wiederum indirekt der Spulenanordnung) und dem zentralen Tragelement ermöglicht. Die erfindungsgemäße Ausgestaltung von zentralem Tragelement und dem/den Verankerungselement (en) als separate, nachträglich formschlüssig verbundene Elemente hat gegenüber einer einstückigen Ausführung mehrere Vorteile:
- Zum einen ist die Fertigung durch die nachträgliche Verbindung erleichtert, da die einzelnen Elemente weniger komplex geformt sind als die daraus gebildete übergeordnete Trag¬ struktur .
- Zum anderen ermöglicht die mehrstückige Ausführung eine
Wahl von unterschiedlichen Materialien für die einzelnen Elemente. So kann durch die Auswahl von jeweils angepassten Materialdichten und Zugfestigkeiten eine insgesamt in Bezug auf geringe Masse und mechanische Festigkeit optimierte Tragestruktur zur Verfügung gestellt werden.
- Weiterhin kann die Spulenanordnung vor der Verbindung des Verankerungselements mit dem zentralen Tragelement in den zugehörigen Wicklungsträger eingebettet werden. Dies ermöglicht geometrische Anordnungen und Abmessungen, die insbe- sondere bei einstückiger Ausführung von Wicklungsträger und
Verankerungselement sonst nicht möglich wären.
Bei dem erfindungsgemäßen Rotor ist die Funktion der mechanischen Halterung der Spulenanordnungen stufenweise auf wenig- stens zwei Elemente aufgeteilt: Der oder die Wicklungsträger begrenzen die Spulenanordnung (en) nach radial außen und halten sie von dort. Das wenigstens eine Verankerungselement stützt und hält dagegen den oder die Wicklungsträger von einem radial innenliegenden Bereich des Rotors aus. Das zent- rale Tragelement kann zusammen mit den (vorteilhaft mehreren) Verankerungselementen eine Art innenliegendes Skelett ausbil¬ den. Dieses kann Hohlräume aufweisen, um den Gewichtsbeitrag zum Gesamtgewicht des Rotors möglichst gering zu halten. Insgesamt ermöglicht die erfindungsgemäße Ausgestaltung also eine Tragstruktur für die Spulenanordnung (en) , welche aufgrund ihrer mechanischen Belastbarkeit in radialer und azimu¬ taler Richtung für hohe Drehzahlen geeignet ist. Gleichzeitig kann sie vorteilhaft durch Materialien geringer Dichte realisiert und relativ leicht gefertigt werden.
Die erfindungsgemäße elektrische Maschine weist einen erfin- dungsgemäßen Rotor und einen feststehend angeordneten Stator auf. Die Vorteile der erfindungsgemäßen Maschine ergeben sich analog zu den beschriebenen Vorteilen des erfindungsgemäßen Rotors . Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den von den Ansprüchen 1 und 13 abhängigen Ansprüchen sowie der folgenden Beschreibung hervor. Dabei können die beschriebenen Ausgestaltungen des Rotors und der elektrischen Maschine vorteilhaft miteinander kombiniert wer- den.
Der Rotor ist zweckmäßig zur Rotation bezüglich einer zentralen Rotationsachse ausgestaltet. Das zentrale Tragelement kann sich dann insbesondere entlang dieser Rotationsachse er- strecken. Der Rotor kann besonders bevorzugt eine insgesamt zylindrische Grundform aufweisen, und das zentrale Tragele¬ ment kann zentral auf der Zylinderachse und somit auf der Ro¬ tationsachse angeordnet sein. Das wenigstens eine Verankerungselement und der wenigstens eine Wicklungsträger können vorteilhaft einstückig ausgebildet sein. Eine solche Ausführungsform kann die Herstellung erleichtern, da weniger einzelne Komponenten benötigt werden. Außerdem ist die mechanische Festigkeit des gesamten Rotors so besonders hoch, da durch die einstückige Ausführung eine besonders gute Kraftübertragung zwischen dem Bereich des Bauteils, der das Verankerungselement bildet, und dem Bereich des Bauteils, der den Wicklungsträger bildet, gewährleistet ist .
Alternativ ist es jedoch auch möglich, dass das wenigstens eine Verankerungselement und der wenigstens eine Wicklungs¬ träger als separate und erst nachträglich miteinander verbun- dene Bauteile vorliegen. Eine solche Verbindung kann wiederum als formschlüssige Verbindung gebildet sein. Alternativ oder zusätzlich ist jedoch prinzipiell auch eine Stoffschlüssige und/oder kraftschlüssige Verbindung möglich. Bei einer Aus- führungsform mit separat gebildeten Elementen ist vorteilhaft die Wahl unterschiedlicher Materialien und eine getrennte Anpassung an die geforderten Festigkeiten und/oder sonstige Materialeigenschaften bei gleichzeitig möglichst geringer Dichte möglich. Eine solche nachträgliche Verbindung zwischen Verankerungselement und Wicklungsträger kann beispielsweise durch Schrauben, Bolzen und/oder ein Nut-Feder-System geschaffen werden.
Der Rotor weist vorteilhaft einen innenliegenden Hohlraum auf, in dem ein fluides Kühlmittel zirkulierbar ist. Er ist bevorzugt so ausgelegt, dass die wenigstens eine Spulenanord¬ nung zumindest auf ihrer radial innenliegenden Seite in Kontakt mit dem Kühlmittel treten kann. Durch den innenliegenden Hohlraum kann das fluide Kühlmittel so zirkulieren, dass es die Spulenanordnung von einer radial innenliegenden Seite aus entwärmen kann. Hierzu kann die Spulenanordnung auf ihrer radial innenliegenden Seite zumindest teilweise frei liegen - also nicht vom Wicklungsträger umge- ben sein - so dass das Kühlmittel die Spulenwicklung auf die¬ ser Seite anströmen kann. Insbesondere kann es also in direkten Kontakt mit der Spulenanordnung treten. Hierbei kann insbesondere die Leiterwicklung der Spulenanordnung selbst von Kühlmittel angeströmt oder umströmt werden. Entweder kann der Leiter selbst oder aber eine den Leiter umgebende elektrische Isolations-, Imprägnierungs- und/oder Schutzschicht so in di¬ rektem Kontakt mit dem Kühlmittel stehen, dass die Spulenan¬ ordnung die im Betrieb entstehende Wärme an das Kühlmittel abführen kann. Wesentlich ist, dass die thermische Kopplung des Kühlmittels an die Spulenanordnung (en) nicht allein durch zusätzliche wärmeleitende Kühlstrukturen über eine räumliche Entfernung hinweg erreicht wird, sondern dass das Kühlmittel in direktem Kontakt mit einem Bestandteil der Spulenanordnung steht. Dabei soll aber nicht ausgeschlossen sein, dass zu¬ sätzlich eine wärmeleitende Kühlstruktur vorliegt. Beispiels¬ weise kann zusätzlich zu dem direkten Kontakt des Kühlmittels mit der Spulenanordnung ein sich in Umfangsrichtung erstre- ckender wärmeleitender Ring vorliegen, um bei einem Stillstand des Rotors die gerade nicht mit dem Kühlmittel in Kon¬ takt tretenden azimutalen Bereiche der Spulenanordnung zu kühlen. Wesentlich im Zusammenhang mit dieser Ausführungsform ist nur, dass zumindest ein Teil der Spulenanordnung zu einem bestimmten Zeitpunkt im direkten Kontakt mit dem Kühlmittel steht .
Durch die beschriebenen Merkmale des so ausgestalteten Rotors wird erreicht, dass der Rotor mit vergleichsweise geringer Masse ausgelegt werden kann und dass trotzdem eine effektive Entwärmung der Spulenanordnung (en) erfolgen kann. Durch die beschriebene Halterung der Spulenanordnung (en) von außen nach Art eines Exoskeletts wird erreicht, dass radial innenliegend neben der Spulenanordnung ein Hohlraum zum Zirkulieren von Kühlmittel angeordnet werden kann. Eine solche offene Struk¬ tur erlaubt nicht nur eine effiziente Entwärmung, sondern auch eine geringe gemittelte Dichte des Rotors, denn das Kühlmittel hat typischerweise eine geringere Dichte als die tragenden Teile des außenliegenden Wicklungsträgers. Dabei können im axial innenliegenden Bereich des Rotors entweder größere Teile des Querschnitts als Hohlraum ausgeführt sein und/oder es können ein oder mehrere weitere feste Elemente vorgesehen sein, die den wenigstens einen Wicklungsträger zusätzlich abstützen. Wesentlich ist, dass der Rotor durch die Abstützung der Spulenanordnung (en) nach außen hin insgesamt wesentlich leichter ausgeführt werden kann, als wenn die Spulenanordnung (en) auf einem innenliegenden massiven Träger abgestützt ist/sind. Durch die vergleichsweise geringere Dichte beziehungsweise geringere Masse des Rotors können durch diese Ausgestaltung vorteilhaft auch besonders hohe Drehzahlen rea¬ lisiert werden. Die elektrische Spulenanordnung kann vorteilhaft ein supra¬ leitendes Leitermaterial aufweisen. Die Vorteile der Erfin¬ dung kommen bei einem solchen supraleitenden Rotor besonders zum Tragen, da die effektive Kühlung des Leiters auf eine kryogene Temperatur dann besonders wichtig ist. Für das Er¬ zielen einer Maschine mit einer hohen Leistungsdichte
und/oder einer hohen Drehzahl ist es dabei besonders vorteil¬ haft, dass die zur Kühlung notwendigen Strukturen ohne einen hohen Gewichtsbeitrag geschaffen werden.
Besonders vorteilhaft kann die elektrische Spulenanordnung ein hochtemperatursupraleitendes Material umfassen. Hochtem¬ peratursupraleiter (HTS) sind supraleitende Materialien mit einer Sprungtemperatur oberhalb von 25 K und bei einigen Ma- terialklassen, beispielsweise den Cuprat-Supraleitern, oberhalb von 77 K. Bei diesen Leitern kann die Betriebstemperatur durch Kühlung mit anderen kryogenen Materialien als flüssigem Helium erreicht werden. Dabei soll allerdings nicht ausge¬ schlossen sein, dass trotzdem Helium zur Kühlung verwendet werden kann, um eine deutlich unterhalb der Sprungtemperatur liegende Betriebstemperatur einzustellen. HTS-Materialien sind auch deshalb besonders attraktiv, da diese Materialien abhängig von der Wahl der Betriebstemperatur hohe obere kritische Magnetfelder sowie hohe kritische Stromdichten aufwei- sen können.
Der Hochtemperatursupraleiter kann beispielsweise
Magnesiumdiborid oder einen oxidkeramischen Supraleiter, beispielsweise eine Verbindung des Typs REBa2Cu30x (kurz REBCO) aufweisen, wobei RE für ein Element der seltenen Erden oder eine Mischung solcher Elemente steht.
Der supraleitende Leiter der Spulenanordnung kann allgemein vorteilhaft ein Bandleiter, insbesondere ein hochtemperatur- supraleitender Bandleiter sein. Bei dem Bandleiter kann es sich vorteilhaft um einen flachen Bandleiter, insbesondere mit annähernd rechteckigem Querschnittsprofil, handeln. Dabei können beispielsweise mehrere aufeinanderfolgende Windungen des Bandleiters flach aufeinander liegen. Bandleiter, bei denen ein normalleitendes Substrat mit einer HTS-Schicht be¬ schichtet ist, sind besonders vorteilhaft für die Herstellung supraleitender Spulenwicklungen für elektrische Maschinen.
Insbesondere bei Vorliegen eines solchen supraleitenden Rotors kann dieser für eine Betriebstemperatur der Spulenanordnung (en) in einem Temperaturbereich von 90 K oder tiefer, insbesondere in einem Temperaturbereich von 77 K oder tiefer ausgelegt sein. Beispielsweise kann die Betriebstemperatur im Bereich von etwa 30 K liegen.
Der Rotor kann eine Mehrzahl n von Spulenanordnungen aufweisen, wobei jede der n Spulenanordnungen auf einem ihr zuge- ordneten separaten Wicklungsträger angeordnet ist, beziehungsweise von diesem gehalten wird. Mit anderen Worten kann die Struktur zur mechanischen Halterung der einzelnen Spulenanordnungen in einzelne Wicklungsträger segmentiert sein. Diese einzelnen Wicklungsträger-Segmente können insbesondere auf verschiedenen Umfangspositionen des Rotors angeordnet sein. Der Vorteil einer solchen Ausführungsform liegt insbesondere in einer vereinfachten Herstellbarkeit der gesamten mechanischen Halterungsstruktur der Spulenanordnungen. Jedem dieser einzelnen Wicklungsträger kann vorteilhaft wenigstens ein formschlüssig in das Tragelement eingebettetes Veranke¬ rungselement zugeordnet sein. Bei dieser Ausführungsform sind also alle solchen segmentartigen Wicklungsträger einzeln gegen das zentrale Tragelement abgestützt. Mit anderen Worten bilden dann der jeweilige Wicklungsträger und das/die ihm zu- geordnete (n) Verankerungselement (e) zusammen ein Umfangsseg- ment der gesamten Tragestruktur des Rotors. Diese Tragestruktur des Rotors wird dann entsprechend durch Verbinden mehre¬ rer solcher Umfangssegment zusammengesetzt. Eine solche Aus¬ führungsform ermöglicht die Ausbildung einer insgesamt rela- tiv komplexen Tragestruktur und erleichtert deren Fertigung.
Alternativ zu der beschriebenen segmentierten Ausführungsform kann aber auch jede der n Spulenanordnungen auf einem ihr zu- geordneten Umfangssegment eines übergeordneten, gemeinsamen Wicklungsträgers angeordnet sein beziehungsweise von diesem gehalten werden. Bei dieser Ausführungsform liegt also ein über den gesamten Umfang des Rotors durchgehendes Exoskelett vor, innerhalb dessen die einzelnen Spulenanordnungen in Um- fangsrichtung verteilt angeordnet sind. Ein solcher überge¬ ordneter Wicklungsträger kann insbesondere eine zylindrische Grundform mit ringförmigem Querschnitt aufweisen. Ein Vorteil eines solchen übergeordneten Wicklungsträgers ist, dass ein stabiler mechanischer Halt zwischen den Umfangsegmenten des Wicklungsträgers gewährleistet ist, ohne dass eine nachträg¬ liche Verbindung benötigt wird. Auch ein solcher übergeordne¬ ter, radial außenliegender Wicklungsträger kann durch ein und besonders vorteilhaft durch mehrere entsprechende Veranke- rungselemente gegen das zentrale Tragelement mechanisch abge¬ stützt sein. Auch bei dieser Ausführungsform kann das wenigstens eine Verankerungselement prinzipiell entweder einstückig mit dem Wicklungsträger ausgeführt sein oder es kann als separat ausgeführtes und nachträglich mit diesen verbundenes Element vorliegen.
Wenn der Rotor eine Mehrzahl n von Spulenanordnungen aufweist, kann das Tragelement und/oder die Verankerungselemente insbesondere im Wesentlichen eine n-zählige Rotationssymmet- rie aufweisen. Bei einer solchen symmetrischen Ausführung ist die Kräfteverteilung besonders günstig, und das Tragelement und die Verankerungselemente können bei vorgegebenen Dreh¬ zahl-Anforderungen besonders leicht ausgeführt werden. Allgemein können der/die Wicklungsträger, das zentrale Tragelement und/oder die Verankerungselemente aus einem amagneti¬ schen Material gebildet sein. Dabei können insbesondere für die verschiedenen Elemente auch unterschiedliche Materialien gewählt werden. Insbesondere bei der Verwendung von supralei- tenden Spulenanordnungen ist die magnetische Flussführung innerhalb der tragenden Strukturen des Rotors nicht nötig und auch nicht erwünscht. Insbesondere kann eine bei der Be¬ triebstemperatur des Rotors kaltzähe Kryolegierung für we- nigstens eines der genannten Elemente eingesetzt werden, bei¬ spielsweise eine Titan-, Aluminium-, Nickel- oder Eisenlegie¬ rung (oder die entsprechenden Rheinmetall) . Alternativ kann auch ein Faserverbundwerkstoff zum Einsatz kommen. Titan- und Aluminiumlegierungen sowie Faserverbundwerkstoffe sind dabei aufgrund ihres geringen Gewichts besonders bevorzugt. Titan oder eine titanhaltige Legierung sind als Werkstoffe für das zentrale Halteelement besonders bevorzugt. Insbesondere kön¬ nen durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung die Materialien für die einzelnen genannten Elemente auch unterschiedlich gewählt werden.
Das wenigstens eine Verankerungselement kann sich beispiels¬ weise über einen Großteil der axialen Länge des Rotors er- strecken. Dann stützt es den oder die Wicklungsträger vorteilhaft auf dem Großteil dieser Länge gegen das Zentrum des Rotors hin ab. Alternativ kann das Verankerungselement aber auch nur in axialen Teilbereichen ausgebildet sein. Dann kann der Innenraum des Rotors in den axial dazwischen liegenden Bereichen entweder hohl sein oder zumindest einen relativ großen Anteil von Hohlräumen aufweisen. Dies kann besonders vorteilhaft sein, um einen Rotor mit möglichst geringer Masse auszubilden. Besonders bei der Ausführungsform mit einem zusammenhängenden, übergeordneten Wicklungsträger kann es vor- teilhaft sein, die Verankerungselemente nur in axialen Teil¬ bereichen auszubilden, weil dann eine Abstützung auf der gesamten axialen Länge nicht nötig ist. Aber auch bei der Verwendung von separaten Wicklungsträger-Segmenten kann es vorteilhaft sein, nur auf einem Teil der axialen Länge Veranke- rungselemente vorzusehen. Beispielsweise können Lücken zwi¬ schen mehreren, in axialer Richtung verteilten Verankerungselementen vorgesehen sein, um zwischen ihnen die vorgefertigte Spulenanordnung von innen in den Wicklungsträger einzuschieben. Nach dem Einschieben der Spulenanordnung kann dann die formschlüssige Verbindung zwischen Verankerungselementen und zentralem Tragelement geschaffen werden. Der Rotor kann eine Mehrzahl von Hohlräumen aufweisen, welche auf ihrer radial innenliegenden Seite an das Tragelement und auf ihrer radial außenliegenden Seite an die wenigstens eine Spulenanordnung und/oder an den wenigstens einen Wicklungs- träger angrenzen. Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn meh¬ rere solche Hohlräume in azimutaler Richtung über den Rotor verteilt sind, und diese Hohlräume an die dem jeweiligen Win¬ kelsegment zugeordnete Spulenanordnung angrenzen. Dann kann über im jeweiligen Hohlraum zirkulierendes Kühlmittel die je- weilige Spulenanordnung vorteilhaft direkt gekühlt werden, ohne dass zusätzliche und unter Umständen schwere Elemente zur thermischen Ankopplung durch Wärmeleitung benötigt werden. Zusätzlich zu diesem erwünschten Kontakt des jeweiligen Hohlraums mit der Spulenanordnung kann der Hohlraum ebenfalls an Teile des Wicklungsträgers angrenzen, um diesen beispiels¬ weise ebenfalls zu entwärmen. Es ist dabei nicht ausgeschlos¬ sen, dass der jeweilige Hohlraum auch noch an andere zu entwärmende Elemente angrenzt, beispielsweise an Stromzufüh¬ rungen, die zur Verbindung der Spulenanordnung (en) mit einem äußeren Stromkreis vorgesehen sind, oder an Kontakte, die vorgesehen sein können, um beispielsweise einzelne Wicklungs¬ lagen der Spulenanordnung (en) miteinander zu verbinden oder um die einzelnen Spulenanordnungen des Rotors untereinander zu verbinden. Gerade für die Kühlung solcher Kontaktstellen oder Stromzuführungen ist es vorteilhaft, wenn diese Leiterbereiche von Kühlmittel direkt angeströmt werden können, wenn sie also an die betreffenden Hohlräume des Rotors angrenzen.
Die einzelnen Hohlräume können vorteilhaft fluidisch mitein- ander verbunden sein. Sie können also mit anderen Worten als Teile eines übergeordneten Kühlmittelraums ausgestaltet sein. Hierzu können beispielsweise Öffnungen in verschiedenen Bereichen des zentralen Tragelements und/oder der Verankerungs¬ elemente vorgesehen sein, die die einzelnen Hohlräume und da- mit die einzelnen parallelen Kühlmittelkanäle miteinander verbinden. Beispielsweise kann das zentrale Tragelement all¬ gemein als Tragrohr ausgebildet sein, durch welches Kühlmit¬ tel strömen kann. Dieses Tragrohr kann mit fensterartigen Ausnehmungen versehen sein, durch die Kühlmittel in die Hohlräume zwischen den einzelnen Verankerungselementen gelangen kann. Diese Verankerungselemente können beispielsweise in axialer Richtung Lücken oder zumindest Fenster aufweisen, durch die Kühlmittel in einen benachbarten Hohlraum hindurchtreten kann.
Der wenigstens eine Wicklungsträger kann bezogen auf die Um- fangsrichtung des Rotors in seiner Mitte mit dem zugeordneten Verankerungselement verbunden sein. Mit anderen Worten sitzt das wenigstens eine dem jeweiligen Wicklungsträger zugeordnete Verankerungselement dann (bezüglich der azimutalen Richtung) mittig im Wicklungsträger. Diese Ausführungsform ist besonders vorteilhaft, um den jeweiligen Wicklungsträger be- sonders symmetrisch gegen das zentrale Tragelement abzustüt¬ zen. Prinzipiell ist es jedoch nicht ausgeschlossen, dass al¬ ternativ zwei Verankerungselemente (oder eine andere gerade zeilige Anzahl von Verankerungselementen) zu beiden Seiten des Wicklungsträgers angeordnet sind und diesen zusammen nach innen abstützen. Eine solche Abstützung durch seitliche Verankerungselemente kann prinzipiell auch zusätzlich zu dem zentral angeordneten Verankerungselement vorgesehen sein.
Die formschlüssige Verbindung des wenigstens einen Veranke- rungselements mit dem zentralen Tragelement kann bevorzugt durch Einführen einer wurzelartigen Struktur des Verankerungselements in eine dazu passende Ausnehmung im zentralen Tragelement gebildet sein. Alternativ ist jedoch grundsätzlich auch eine hierzu inverse Ausführung möglich und unter Umständen vorteilhaft, bei der also eine wurzelartige Struk¬ tur des zentralen Tragelements in eine dazu passende Ausneh¬ mung im jeweiligen Verankerungselement eingreift.
Allgemein kann die formschlüssige Verbindung zwischen Veran- kerungselement und zentralem Tragelement auf unterschiedliche Weisen erreicht werden. Besonders vorteilhaft ist hier eine Verbindung nach der Art eines Nut-Feder-Systems. Wie oben be¬ schrieben, kann dabei prinzipiell die Nut entweder auf Seite des zentralen Tragelements oder auf Seite des Verankerungs¬ elements angeordnet sein. Die Nut und die dazu passende Feder können beispielsweise als einfache Nut und einfache Feder ausgeführt sein. Alternativ sind jedoch auch komplexere For- men möglich, beispielsweise Etagen ringförmige Ausführungen von Nut und Feder, deren Querschnitt tannenbaumartig ausge¬ bildet ist.
Allgemein kann eine solche formschlüssige Verbindung durch ein Nut-Feder-System so ausgestaltet sein, dass die beiden zu verbindenden Teile durch ein Einschieben entlang der axialen Richtung des Rotors miteinander verbunden werden können. Um eine vorgegebene Ausrichtung dieser Teile relativ zueinander zu erreichen, kann optional ein axialer Anschlag vorgesehen sein.
Alternativ oder zusätzlich zu den beschriebenen Nut-Feder- Systemen kann aber auch eine formschlüssige Verbindung durch Einführen eines Gewindes oder eines Bolzens in eine hierzu passende Ausnehmung des jeweils zugeordneten anderen Elements geschaffen werden.
Der Rotor kann allgemein vorteilhaft wenigstens eine Bandage aufweisen, mittels derer der wenigstens eine Wicklungsträger im Rotor fixiert ist und somit insbesondere zusätzlich abge¬ stützt ist. Insbesondere kann der Wicklungsträger oder die Mehrzahl von Wicklungsträgern so auf der inneren Tragestruktur des Rotors fixiert sein, die durch das zentrale Tragele¬ ment und die daran angebrachten Verankerungselemente gebildet wird. Eine solche Bandagierung ist besonders vorteilhaft, um eine Mehrzahl von segmentartigen Wicklungsträgern, die über den Umfang des Rotors verteilt sind, entweder gegeneinander zu fixieren oder auf der inneren Tragestruktur zusätzlich zu fixieren oder beides. Insbesondere kann eine solche Bandrate die Befestigung des Verankerungselements am zentralen Trag¬ element und/oder am Wicklungsträger entlasten. So kann insbesondere eine Lastaufteilung zwischen Nut-Feder-System und Bandagierung bewirkt werden. Eine solche Bandage kann zweck- mäßig radial außerhalb des wenigstens einen Wicklungsträgers angeordnet sein. Auf diese Weise kann es diesen Wicklungsträ¬ ger oder auch die Mehrzahl von Wicklungsträgern ähnlich wie ein Gürtel oder ein Korsett fixieren. Die Bandage kann bei- spielsweise aus einem bandförmigen Element gebildet sein. Dieses kann in Form einer Spiralwicklung um den Umfang des Rotors gewickelt sein oder auch in Form eines ringförmig den Rotor umgebenden Bandes oder mehrerer solcher Bänder. Ein solches bandförmiges Element kann beispielsweise als Material einen Faserverbundwerkstoff, insbesondere einen glasfaserver¬ stärkten Kunststoff und/oder einen kohlefaserverstärkten Kunststoff umfassen. Allgemein ist es jedenfalls vorteilhaft, wenn das Material der Bandage eine hohe Steifigkeit und eine hohe Zugfestigkeit in tangentialer Richtung des Rotors auf- weist. Vorteilhaft kann es sich hierzu um ein Material mit anisotroper Festigkeit handeln, wobei aber je nach Ausgestal¬ tung auch Materialien mit isotroper Festigkeit in Frage kommen können. Alternativ zu der Ausführung als bandförmige Wicklung kann eine derartige Bandage auch durch einen Zylin- der gegeben sein, der auf die innenliegenden Elemente des Rotors aufgeschrumpft wird, beispielsweise ein metallischer Zy¬ linder, insbesondere ein Zylinder aus einer Titanlegierung. Beispielsweise kann ein solches Aufschrumpfen durch die thermische Schrumpfung beim Abkühlen auf eine kryogene Betriebs- temperatur erfolgen.
Allgemein und unabhängig von der genauen Ausführung der Bandage kann es vorteilhaft sein, wenn diese mit einer Vorspannung um die innenliegenden Elemente des Rotors - also insbe- sondere um den oder die Wicklungsträger, die Verankerungsele¬ mente und das zentrale Tragelement - angeordnet wird. Beson¬ ders vorteilhaft ist diese Vorspannung so gewählt, dass sie auch bei einer Abkühlung des Rotors auf seine Betriebstempe¬ ratur zumindest zum Teil erhalten bleibt. Der Vorteil einer solchen unter Vorspannung gehaltenen Bandage ist, dass durch sie die im Betrieb auftretenden mechanischen Spannungen im Rotor in eine tangentiale Zugspannung in der Bandage umgewan- delt werden, die durch die vorteilhaften Materialien der Bandage besonders leicht abgefangen werden können.
Das fluide Kühlmittel des Rotors kann besonders vorteilhaft Wasserstoff sein. Wasserstoff ist deshalb besonders geeignet, weil es einerseits einen ausreichend niedrigen Siedepunkt aufweist, um im flüssigen Zustand als kryogenes Kühlmittel zu wirken. Andererseits weist es eine geringe Dichte auf, was sich günstig auf das Gesamtgewicht des Rotors inklusive Kühl- mittel auswirkt. Ein solches Kühlmittel mit geringer Dichte ist auch besonders geeignet, um Rotoren für schnelldrehende Maschinen mit großen Durchmessern zur Verfügung stellen zu können. Durch die geringe Dichte ist auch die durch den hydrostatischen Druck entstehende Siedepunktverschiebung klein.
Alternativ zur genannten Ausführungsform mit Wasserstoff können als Kühlmittel aber auch andere Flüssigkeiten oder auch Gase zum Einsatz kommen. Weitere vorteilhafte kryogene Kühl- mittel sind flüssiges Helium, flüssiges Neon, flüssiger
Stickstoff, flüssiger Sauerstoff und/oder flüssiges Methan. Dabei kann bei Verwendung all dieser kryogenen Kühlmittel prinzipiell die flüssige Form neben der Gasform vorliegen, und es kann durch ein Verdampfen der Flüssigkeit im Bereich der zu kühlenden Komponenten eine zusätzliche Kühlwirkung erreicht werden. So ist es möglich, dass das kryogene Kühlmit¬ tel im Inneren des Rotors insbesondere nach dem Thermosiphon- Prinzip und/oder nach Art eines Wärmerohrs zirkuliert. Prinzipiell ist es aber auch möglich, dass als Kühlmittel
Wasser oder Öl oder eine andere nicht-kryogene Kühlflüssig¬ keit zum Einsatz kommt. Diese Kühlmittel sind insbesondere zur Kühlung von Rotoren mit normalleitenden Spulenanordnungen geeignet. Dabei kann es vorteilhaft sein, das Kühlmittel mit- tels einer Pumpe im Hohlraum zu zirkulieren, um eine effektive Kühlwirkung im Bereich der Spulenanordnung zu erreichen. Grundsätzlich ist es möglich, dass das betreffende Kühlmittel entweder als Teil des Rotors ausgestaltet ist oder aber, dass der Rotor alternativ nur zum Betrieb mit einem solchen Kühlmittel ausgelegt ist und das Kühlmittel selbst nicht umfasst.
Unabhängig von der genauen Wahl des Kühlmittels kann es all- gemein vorteilhaft sein, das Kühlmittel durch ein zusätzliches Kühlsystem zurückzukühlen . Beispielsweise kann hierzu eine Kältemaschine außerhalb des Rotors angeordnet sein, oder aber es kann ein Wärmetauscher entweder am Rotor selbst oder außerhalb des Rotors angeordnet sein, um die Wärme aus dem Kühlmittel effizient an die äußere Umgebung zu übertragen.
Der Rotor kann einen elektrisch leitenden Dämpferschirm umfassen, welcher die wenigstens eine Spulenanordnung radial umgibt. Ein solcher Dämpferschirm ist vorteilhaft, um die Einkopplung elektromagnetischer Wechselfelder in die Spulenanordnung (en) des Rotors zu reduzieren und so entsprechende Wechselstromverluste im Rotor zu reduzieren. Ein solcher Dämpferschirm kann insbesondere als elektrisch leitender zylindrischer Mantel um die Spulenanordnung (en) des Rotors an- geordnet sein.
Alternativ oder zusätzlich kann der Rotor eine äußere
Kryostatwand aufweisen, welche die wenigstens eine Spulenan¬ ordnung radial umgibt. Eine solche Kryostatwand ist vorteil- haft, um die innerhalb davon liegenden Elemente des Rotors gegen die wärmere äußere Umgebung zu kapseln. In Kombination mit einer Superisolation und/oder einem Isoliervakuum kommt dabei auch eine thermische Trennung des Innenraums von der äußeren Umgebung zustande. Dies ist insbesondere im Zusammen- hang mit supraleitenden Spulenanordnungen und einer kryogenen Betriebstemperatur dieser Spulenanordnungen von Vorteil. Bei einer solchen Kryostatwand kann es sich entweder um eine einzelne äußere Kryostatwand handeln oder es kann alternativ ei¬ ne Kombination einer inneren und einer äußeren Kryostatwand vorliegen, wobei zwischen diesen beiden Kryostatwänden vorteilhaft ein Isoliervakuum vorgesehen ist. Die genannten radial außenliegenden Elemente - also Dämpferschirm, innere Kryostatwand und/oder äußere Kryostatwand - können bei einer Mehrzahl von Spulenanordnungen insbesondere alle diese Spulenanordnungen radial umgeben. Alle diese radi- al außenliegenden Elemente können, soweit sie in der betref¬ fenden Ausführungsform vorhanden sind, vorteilhaft zylindrisch, insbesondere kreiszylindrisch ausgebildet sein.
Der Dämpferschirm kann insbesondere durch den Wicklungsträger selbst oder durch die Mehrzahl von Wicklungsträgern gegeben sein. Dies ist insbesondere beim Vorliegen eines nicht-seg- mentierten, einstückigen Wicklungsträgers vorteilhaft. Aber auch einzelne Wicklungsträger-Segmente können so elektrisch leitend miteinander verbunden sein, dass sie zusammen als Dämpferschirm wirken können.
Alternativ oder zusätzlich kann der Dämpferschirm auch durch eine der Kryostatwände oder durch beide Kryostatwände gegeben sein. So ist es auch möglich, dass mehrere der genannten Ele- mente zusammen die Funktion des Dämpferschirms erfüllen. Vorteilhafte Materialien für den Dämpferschirm sind metallische Materialien (beispielsweise Aluminium-Legierungen) oder koh- lenstoffnanoröhren enthaltende Materialien. Auch die wenigstens eine Kryostatwand kann insbesondere durch den Wicklungsträger selbst oder durch die Mehrzahl von Wicklungsträgern gegeben sein. Alternativ oder zusätzlich kann die Kryostatwand mit dem Dämpferschirm identisch sein, ohne dass dieses Element durch den oder die Wicklungsträger gege- ben ist. Allgemein und unabhängig davon, welche Elemente bei der jeweiligen Ausführungsform miteinander kombiniert sind, kann die wenigstens eine Kryostatwand besonders vorteilhaft aus einem metallischen Material gebildet sein. Besonders vor¬ teilhaft sind hierbei Aluminium- und Eisenhaltige Legierun- gen, aber prinzipiell kommt auch jedes andere vakuumdichte Material in Frage. Bei Ausführungsformen, welche eine ineinander geschachtelte Anordnung von innerer und äußerer Kryostatwand aufweisen, ist es vorteilhaft, wenn zumindest die innere Kryostatwand sowohl dicht als auch widerstandsfähig gegenüber dem verwendeten Kühlmittel ist. Insbesondere kann die innere Kryostatwand aus einem Material gebildet sein, welches robust gegenüber der Einwirkung von Wasserstoff ist. Bei einer solchen Ausführungsform können innere und äußere Kryostatwand vorteilhaft aus unterschiedlichen Materialien gebildet sein, da die An- forderungen hier verschieden sind. So kann die innere
Kryostatwand dann vorteilhaft eine Wasserstofffeste Titan- Legierung, Aluminium-Legierung oder Eisenlegierung umfassen, insbesondere eine sogenannte superaustenitische Legierung. Der wenigstens eine Wicklungsträger kann vorteilhaft eisenlos ausgestaltet sein. Insbesondere können alle im Rotor vorlie¬ genden Wicklungsträger eisenlos ausgestaltet sein. Sie können sogar gänzlich frei von magnetisch flussführenden Materialien ausgestaltet sein. Auch das zentrale Tragelement und/oder das wenigstens eine Verankerungselement kann frei von derartigen magnetisch flussführenden Materialien sein. Eine solche Ausführung ohne weichmagnetische Materialien im Inneren des Rotors ist insbesondere im Zusammenhang mit supraleitenden Spulenanordnungen vorteilhaft, da hier eine magnetische Fluss- führung durch die übrigen Rotorelemente aufgrund der hohen magnetischen Flussdichten und der daraus resultierenden Sättigung nicht notwendig beziehungsweise nicht effektiv ist. Ein weiterer Vorteil der eisenlosen Ausführung ist, dass leichtere Materialien zum Einsatz kommen können und somit eine geringere Dichte des Rotors erzielt werden kann.
Der Rotor weist bevorzugt bezogen auf sein Gesamtvolumen eine durchschnittliche Materialdichte von höchstens 8 g/cm3 auf. Besonders bevorzugt liegt die durchschnittliche Materialdich- te bei höchstens 5 g/cm3 oder sogar höchstens 3 g/cm3. Unter dem Gesamtvolumen soll dabei das gesamte vom Rotor einge¬ schlossene Volumen verstanden werden, also beispielsweise das gesamte Zylindervolumen, inklusive innenliegender Hohlräume. Durch die beschriebene offene Konstruktion des Rotors, bei der die Spulenanordnung (en) durch einen oder mehrere als Exoskelett ausgeführte Wicklungsträger gehalten werden, kann besonders vorteilhaft an hoher Anteil an innenliegenden Hohl- räumen geschaffen werden. Selbst wenn diese Hohlräume teilweise oder sogar ganz mit fluidem Kühlmittel gefüllt sind, wird trotzdem ein wesentlich geringerer Beitrag zur durchschnittlichen Dichte geschaffen als mit herkömmlichen Materialien für den Wicklungsträger wie Stahl. Werden zusätzlich für den wenigstens eine außenliegenden Wicklungsträger, das zentrale Tragelement und das wenigstens eine Verankerungsele¬ ment relativ leichte Materialien wie Aluminium- oder Titanlegierungen oder Kohlefaserverbundwerkstoffe verwendet, so kann insgesamt eine sehr niedrige durchschnittliche Dichte in den beschriebenen Bereichen erreicht werden. Die Dichte der für Wicklungsträger, Verankerungselement (e) und/oder zentrales Tragelement verwendeten Materialien kann dabei allgemein vorteilhaft unterhalb von 5 g/cm3 liegen. Wenn die auf das Ge¬ samtvolumen bezogene durchschnittliche Dichte in den oben be- schriebenen Bereichen liegt, so kann mit dem Rotor vorteilhaft eine Maschine mit einer besonders hohen Leistungsdichte zur Verfügung gestellt werden, was sich besonders bei der Anwendung in Fahrzeugen, insbesondere in Luftfahrzeugen, sehr günstig auswirken kann.
Das Material des wenigstens einen Wicklungsträgers weist be¬ vorzugt einen thermischen Expansionskoeffizienten auf, der größer ist als der effektive thermische Expansionskoeffizient des elektrischen Leiters. Eine solche Ausführungsform ist insbesondere im Zusammenhang mit supraleitenden Spulenanord¬ nungen vorteilhaft, da dann der oder die Wicklungsträger bei Abkühlung von Raumtemperatur auf eine kryogene Betriebstempe¬ ratur stärker schrumpfen als die darin eingebettete Spulenanordnung. So schrumpft also beim Kühlen der Wicklungsträger auf die Spulenanordnung auf und komprimiert diese. Es steht dadurch ein Vorspannungszustand, bei dem vorwiegend Druck¬ spannungen auf den supraleitenden Leiter wirken. Diese Leiter sind allgemein gegenüber Druckspannungen weniger empfindlich als gegenüber Zugspannungen, da Zugspannungen leichter zu einer Delamination des supraleitenden Materials von einem darunterliegenden Träger führen können. Dies gilt insbesondere für die supraleitende Schicht in einem supraleitenden Band- leiter.
Der Rotor kann allgemein vorteilhaft zur Ausbildung eines p-poligen Magnetfeldes ausgelegt sein, wobei die Polzahl p besonders vorteilhaft zwischen 2 und 12, besonders vorteil- haft zwischen 6 und 12, insbesondere bei genau 8 liegen kann. Dazu kann die Polzahl p vorteilhaft identisch mit der Zahl n an im Rotor vorliegenden und in Umfangsrichtung verteilten Spulenanordnungen sein. Der Rotor kann eine Rotorwelle zur um eine Rotationsachse drehbaren Lagerung des Rotors aufweisen. Diese Welle kann insbesondere eine segmentierte Welle sein, die beispielsweise wenigstens ein massiv ausgeführtes Segment und wenigstens ein hohl ausgeführtes Segment aufweisen kann. Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung ist es vorteilhaft, wenn die Rotorwelle zumindest in einem axial innenliegenden Bereich des Rotors hohl ausgeführt ist, um fluides Kühlmittel in den In¬ nenraum des Rotors zu leiten und/oder von dort weg zu leiten. Die wenigstens eine Spulenanordnung ist bevorzugt als vorge¬ fertigte Formspule in den Wicklungsträger eingelegt. Unter einer derartigen vorgefertigten Formspule soll insbesondere eine selbsttragende formstabile Spule verstanden werden, wie sie beispielsweise durch Nasswickeln mit einem
Imprägniermittel und anschließendes Aushärten des
Imprägniermittels erzielt werden kann. Alternativ kann die Spule auch trocken gewickelt und erst nachträglich mit einem Imprägniermittel imprägniert und/oder mit einem Vergussmittel vergossen werden. Nach der Härtung dieses Imprägniermittels und/oder Vergussmittel wird ebenfalls eine selbsttragende schriftformstabile Spulenanordnung erhalten. Das wenigstens eine Verankerungselement kann vorteilhaft dazu genutzt werden, um andere Elemente in radialer Richtung zwischen zentralem Tragelement und Wicklungsträger zu führen. So kann insbesondere ein Kabel und/oder eine Leitung (oder vor- teilhaft mehrere Kabel und/oder Leitungen) an dem wenigstens einen Verankerungselement in radialer Richtung zum Bereich der Spulenwicklung (en) geführt werden, um eine elektrische Verbindung der Spule mit einem äußeren Stromkreis zu ermögli¬ chen .
Die elektrische Maschine mit dem erfindungsgemäßen Rotor kann vorteilhaft für eine Leistungsdichte von wenigstens 5 kW/kg ausgelegt sein, besonders vorteilhaft kann sie sogar für eine Leistungsdichte von wenigstens 10 kW/kg ausgelegt sein. Bei einer Maschine mit einer derart hohen Leistungsdichte kommen die beschriebenen Vorteile des Rotors besonders zum Tragen. Maschinen mit derart hohen Leistungsdichten sind andererseits eine Grundvoraussetzung für vollelektrisch angetriebene Luftfahrzeuge. Sie sind jedoch auch im Bereich anderer - insbe- sondere anderer mobiler - Anwendungen vorteilhaft. Unter der genannten Leistungsdichte soll die Nennleistung der Maschine bezogen auf ihr Gesamtgewicht verstanden werden, also bezogen auf das Gewicht des Stators, Rotors, Gehäuses, Kühlsystems plus eventuell zusätzlich vorliegender Komponenten.
Die Maschine ist bevorzugt für eine Nennleistung von wenig¬ stens 5 MW, insbesondere wenigstens 10 MW, ausgelegt. Mit einer derart hohen Leistung ist sie grundsätzlich für den Antrieb eines Fahrzeugs, insbesondere eines Luftfahrzeugs ge- eignet. Alternativ kann mit einer derart leistungsstarken Maschine aber auch beim Betrieb als Generator der für den Antrieb benötigte elektrische Strom an Bord des Fahrzeugs er¬ zeugt werden. Grundsätzlich kann die Maschine entweder als Motor oder als Generator ausgestaltet sein oder optional für beide Betriebsarten ausgelegt sein. Um die beschriebenen hohen Leistungen und/oder Leistungsdichten zu erzielen, sind supraleitende Spulenanordnungen besonders geeignet, da sie besonders hohe Stromdichten erlauben. Die Maschine kann bevorzugt für eine Drehzahl des Rotors von wenigstens 1000 Umdrehungen pro Minute, insbesondere sogar für wenigstens 3000 Umdrehungen pro Minute oder gar wenig- stens 6000 Umdrehungen pro Minute, ausgelegt sein. Durch die beschriebene Ausführung des Rotors mit vergleichsweise gerin¬ ger Dichte können derart hohe Drehzahlen besonders gut reali¬ siert werden. Mit herkömmlichen Rotoren können sie bei einer für die genannten Leistungsbereiche benötigten Größe zum Teil gar nicht erreicht werden. Die für die beschriebenen Anwendungen vorteilhaften Leistungsdichten können andererseits mit langsamer drehenden Maschinen unter Umständen gar nicht erreicht werden. Nachfolgend wird die Erfindung anhand einiger bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die angehängten Zeichnungen beschrieben, in denen:
Figur 1 eine schematische Querschnittsdarstellung eines Ro- tors nach einem ersten Beispiel der Erfindung zeigt,
Figur 2 eine schematische Teilansicht des Querschnitts aus
Figur 1 zeigt,
Figur 3 eine perspektivische Darstellung eines Wicklungsträ¬ gers aus einem Rotor ähnlich wie in Figur 1 zeigt, Figur 4 eine schematische Querschnittsdarstellung eines Rotors nach einem weiteren Beispiel der Erfindung zeigt und
Figur 5 einen schematischen Längsschnitt einer Maschine nach einem weiteren Beispiel der Erfindung zeigt.
Figur 1 zeigt einen Rotor nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung im schematischen Querschnitt senkrecht zur Rotationsachse A. Der Rotor weist in diesem Beispiel acht Spulenanordnungen 3i auf, die zu einer übergeordneten Rotor- wicklung verbunden sind. Diese Rotorwicklung ist zur Erzeugung eines achtpoligen Magnetfeldes ausgelegt. Die einzelnen Spulenanordnungen 3i werden in diesem Beispiel jeweils separat von einem ihnen zugeordneten Wicklungsträger 5i mecha- nisch gehalten. Diese acht Wicklungsträger 5i stützen die ihnen jeweils zugeordnete Spulenanordnung 3i von einer radial außenliegenden Seite. Sie grenzen dazu an die radial außenliegenden Seiten dieser Spulenanordnungen 3i an. Außerdem grenzen sie auch mit ihrer seitlichen Fläche, also in azimutaler Richtung an die Spulenanordnungen 3i an, so dass diese Spulenanordnungen auf mehreren Seiten von dem jeweiligen Wicklungsträger umgeben und gehalten werden. Nur ihrer jeweils radial innenliegenden Seite grenzen die einzelnen Spu- lenanordnungen 3i nicht an die Wicklungsträger 5i, sondern an einen innenliegenden Hohlraum 7. Diese Hohlräume können von einem fluiden Kühlmittel, im vorliegenden Beispiel flüssigem Wasserstoff, durchströmt werden, um die an die Hohlräume an¬ grenzenden Spulenanordnung 3i zu kühlen. Die im Querschnitt zwischen den einzelnen Verankerungselementen 4 eingezeichneten Hohlräume 7 können insbesondere durch hier nicht gezeigte Öffnungen vorteilhaft zu einem gemeinsamen übergeordneten Hohlraum verbunden sein, welcher ebenfalls fluidisch mit den Innenraum 8 des zentralen Tragelements 6 verbunden sein kann. Dieses zentrale Tragelement 6 ist in diesem Beispiel als hoh¬ les Tragrohr ausgebildet, durch dessen Inneres das Kühlmittel beispielsweise von einem axialen Ende des Rotors aus einge¬ speist werden kann. Alternativ ist es jedoch grundsätzlich auch möglich, dass das zentrale Tragelement massiv ausgestal- tet ist und keinen solchen inneren Hohlraum aufweist.
Die acht Wicklungsträger 5i stützen die acht Spulenanordnungen 3i von außen, nach der Art eines Exoskeletts. Im gezeig¬ ten Beispiel der Figur 1 sind die acht Wicklungsträger als separate Elemente realisiert. Sie sind jeweils einzeln durch ein oder mehrere Verankerungselemente 4 gegen das zentrale Tragelement 6 abgestützt. Im gezeigten Beispiel sind die Ver¬ ankerungselemente 4 einstückig mit den Wicklungsträgern 5i ausgebildet. Mit anderen Worten gehen die Wicklungsträger 5i auf ihrer radial innen liegenden Seite in die Verankerungs¬ elemente 4 über. Dabei können in der hier nicht dargestellten axialen Richtung jeweils mehrere solche Verankerungselemente hintereinander an einem solchen Wicklungsträger 5i angeordnet sein. Die einzelnen Verankerungselemente 4 weisen jeweils an ihrem innen liegenden Ende eine Verdickung auf, die als Feder 10 ausgebildet ist und in eine entsprechend geformte Nut des zentralen Tragelements 6 eingreift. Hierdurch kommt eine formschlüssige Verbindung zwischen den Verankerungselementen 4 und dem zentralen Tragelement 6 zustande, durch die die Wicklungsträger 5i gegen dieses Tragelement 6 abgestützt wer¬ den. Durch diese Abstützung können die in die Wicklungsträger 5i eingebetteten Wicklungen 3i gegen die beim Betrieb des Ro- tors wirkenden Fliehkräfte abgestützt werden. Außerdem können durch diese mechanisch tragenden Verbindungen auch die beim Betrieb der Maschine wirkenden Drehmomente zwischen den Spu¬ lenanordnungen und dem zentralen Tragelement 6 übertragen werden. Das gezeigte Nut-Feder-System ist beispielhaft für eine formschlüssige Kraft übertragene Verbindung zwischen diesen Elementen zu verstehen. Die gezeigten acht Nuten des zentralen Tragelements 6 erstrecken sich dabei jeweils axia¬ ler Richtung des Rotors. Sie sind zweckmäßig jeweils zumin¬ dest an einem axialen Ende des Rotors offen, so dass die fe- derartigen Verdickungen der Verankerungselemente 4 von dieser Seite aus axialer Richtung eingeschoben werden können. Da in diesem Beispiel die Wicklungsträger 5i einstückig mit den Verankerungselementen 4 ausgebildet sind, sind hier die fe¬ derartigen Verdickungen 10 so geformt, dass die einzelnen Spulenanordnungen 3i über die Verankerungselemente 4 hinweg¬ geschoben und so an ihnen vorbei in die entsprechenden Ausnehmungen der Wicklungsträger 5i eingelegt werden können.
Die Struktur des Rotorquerschnitts der Figur 1 ist für einen Quadranten noch detaillierter in Figur 2 gezeigt. Durch die Bereiche, die in Umfangsrichtung zwischen den einzelnen Verankerungselementen 4 liegen, sind jeweils innenliegende Hohlräume 7 gegeben, in denen Kühlmittel die jeweils zugeordneten Spulenanordnungen 3i anströmen kann. Diese einzelnen inneren Hohlräume 7 sind fluidisch miteinander zu einem übergeordne¬ ten Kühlmittelraum verbunden. Sie sind ebenfalls mit dem Rohrinnenraum 8 des zentralen Tragelements 6 verbunden. Hierzu weisen die Verankerungselemente 4 jeweils Öffnungen 12a auf, und das zentrale Tragelement 6 weist eine Mehrzahl von Öffnungen 12b auf. Diese Öffnungen 12a und 12b sind in Figur 2 durch gestrichelte Linien angedeutet. Sie erstrecken sich nicht über die ganze axiale Länge des Rotors 1, sondern kön- nen in regelmäßigen oder unregelmäßigen Abständen über seine Länge verteilt sein. Wesentlich ist nur, dass ein Austausch von Kühlfluid zwischen den einzelnen Teilräumen 7 und 8 stattfinden kann, und dass gleichzeitig die Verankerungsele¬ mente 4 eine ausreichende Abstützung der radial außenliegen- den Elemente 5i und 3i gewährleisten. Anstelle der durch ge¬ strichelte Linien angedeuteten Öffnungen 12a in den Verankerungselementen 4 können alternativ auch entsprechende Lücken zwischen mehreren axial benachbarten Verankerungselementen 4 an einem Wicklungsträger 5i angeordnet sein. Mit anderen Wor- ten ist dann auch im Bereich der Feder 10 eine solche Lücke ausgebildet. Wesentlich ist nur, dass die in Umfangsrichtung benachbarten Kühlmittelräume 7 fluidisch miteinander verbunden sind. Im in den Figuren 1 und 2 gezeigten axialen Abschnitt des Rotors 1 weist dieser also eine Hohlwelle auf, die durch das zentrale Tragelement 6 gegeben ist. Durch den Rohrinnenraum 8 kann kaltes, insbesondere flüssiges Kühlmittel in die radial weiter außenliegenden Hohlräume 7 gelangen und dort die Spu- lenanordnungen 3i kühlen. Bei der Verwendung von flüssigem Wasserstoff und anderen flüssigen kryogenen Kühlmittel kann es dabei zu einer teilweisen Verdampfung dieser Kühlflüssigkeit kommen. Dann liegt in den Hohlräumen des Rotors 1 sowohl flüssiges als auch gasförmiges Kühlfluid nebeneinander vor. Wenn das Flüssigkeitsvolumen so gering ist, dass es nur einen Teil des Hohlraumvolumens ausfüllt, dann werden bei einem Stillstand des Rotors 1 nicht alle Komponenten gleichmäßig gekühlt. Ein solcher Stillstand ist in Figur 1 durch den horizontalen Flüssigkeitspegel der Kühlflüssigkeit 9 angedeu- tet. Kommt es aber zu einer Drehung des Rotors 1, so wird das flüssige Kühlmittel 9 durch die Zentrifugalkräfte im Wesent¬ lichen gleichmäßig über die einzelnen Hohlräume und die ein¬ zelnen Spulenanordnungen 3i verteilt. Hierzu kommt es zu einer gleichmäßigen Kühlwirkung der einzelnen Komponenten beim Betrieb der elektrischen Maschine, die mit einem solchen Rotor ausgestattet ist. Auch wenn diese Maschine nicht im Be¬ trieb ist, kann jedoch grundsätzlich eine Kühlwirkung er- reicht werden. Wenn das Flüssigkeitsvolumen und/oder die
Kühlwirkung des gasförmigen Kühlmittels zu einer Kühlung auf eine vorgegebene Temperatur nicht ausreicht, so kann der Ro¬ tor beispielsweise in einer Abkühlphase langsam rotiert wer¬ den. Diese Rotation muss nicht so hoch sein, dass sich das Kühlmittel gleichmäßig über den Umfang des Rotors 1 verteilt. Es kann beispielsweise zum Herunterkühlen auf eine vorgegebe¬ ne Betriebstemperatur ausreichend sein, wenn der Rotor 1 so langsam gedreht wird, dass die einzelnen Spulenanordnungen 5i abwechselnd in Berührung mit dem Kühlmittel 9 kommen und so insgesamt im Laufe der Zeit gekühlt werden.
Die einzelnen Wicklungsträger 5i werden im gezeigten Beispiel der Figuren 1 und 2 zusätzlich zur inneren Abstützung durch die Verankerungselemente 4 dadurch zusammengehalten, dass sie mittels einer radial weiter außen liegenden Bandage 13 unter Vorspannung gegen die Verankerungselemente 4 gepresst werden. Mit anderen Worten sind hier die einzelnen Elemente des
Exoskeletts 5i zusätzlich auf die innere Tragstruktur ge¬ schnallt. Radial außerhalb von dieser Bandage 13 ist eine in- nere Kryostatwand 15a angeordnet, die wiederum von einer äu¬ ßeren Kryostatwand 15b umgeben ist. Zumindest die äußere Kryostatwand 15b wirkt im gezeigten Beispiel gleichzeitig als elektromagnetischer Dämpferschirm. Zwischen der zylinderman- telförmigen inneren Kryostatwand 15a und der ebenfalls zylin- dermantelförmigen äußeren Kryostatwand 15b ist ein ringförmi¬ ger Vakuumraum ausgebildet. Hierdurch wird der innerhalb der Kryostatwände 15a und 15 liegende Bereich des Rotors 1 ther¬ misch gegen die äußere Umgebung isoliert. Beide Kryostatwände 15a und 15b sind vakuumdicht ausgeführt. Die innere
Kryostatwand 15a ist dabei aus einem gleichzeitig gegenüber dem Kühlmittel Wasserstoff dichten und robusten Material ge¬ fertigt . Der in den Figuren 1 und 2 gezeigte Rotor 1 ist insgesamt sehr leicht ausgeführt, da er ein vergleichsweise großes Vo¬ lumen an inneren Hohlräumen 7 und 8 aufweist, und da die Verankerungselemente 4, das zentrale Tragelement 6 und die Wick- lungsträger 5i aus Materialien mit geringer Dichte gebildet sein können. Auf zusätzliche schwere Kupferelemente zur indi¬ rekten Kühlung der Spulenanordnungen 3i kann hier verzichtet werden, da die Spulenanordnungen 3i durch die offenen Struktur in direktem Kontakt mit dem Kühlmittel 9 sind.
Figur 3 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht eines der acht Wicklungsträger 5i eines Rotors, der ähnlich wie in Figur 1 ausgebildet ist. Auf der radial innenliegenden, hier unten dargestellten, Seite weist dieser Wicklungsträger 5i eine Ausnehmung auf, in die eine rennbahnförmige Spulenanord¬ nung 3i eingelegt ist. Ebenfalls auf dieser radial innen lie¬ genden Seite erstrecken sich vom Wicklungsträger 5i in diesem Beispiel fünf Verankerungselemente 4 in Richtung der Rotati¬ onsachse hin. Zwei der axialen Lücken zwischen diesen Veran- kerungselementen 4 sind im gezeigten Beispiel nötig, um zwischen den beiden jeweils äußeren Verankerungselementen 4 die Spulenanordnung 3i einlegen zu können. Die Lücken zwischen den 3 inneren Verankerungselementen 4 sind in diesem Beispiel zweckmäßig, damit flüssiges Kühlmittel zwischen den benach- barten bei der Montage des Rotors entstehenden Hohlräumen 7 zirkulieren kann. In diesem Bereich wäre entsprechend auch eine Verbindung dieser 3 Verankerungselemente im Sinne einer durchgehenden Feder 10 möglich. Unabhängig von der genauen Ausgestaltung der Lücken oder Öffnungen zwischen/in den Ver- ankerungselementen 4 ist es wesentlich für dieses Ausführungsbeispiel der Erfindung, dass die einzelnen Federn 10 der axial benachbarten Verankerungselemente so auf einer Linie angeordnet sind, dass sie nacheinander in eine gemeinsame, sich in axialer Richtung erstreckende Ausnehmung des zentra- len Tragelements 6 eingeschoben werden können.
Figur 4 zeigt eine alternative Ausführungsform eines Rotors 1 nach einem zweiten Beispiel der Erfindung, ebenfalls im sehe- matischen Querschnitt senkrecht zur Rotationsachse A. Auch hier liegen acht Spulenanordnungen 3i vor, mit denen insgesamt ein achtpoliges Magnetfeld erzeugt werden kann. Im Un¬ terschied zum vorhergehenden Beispiel liegt hier ein gemein- samer ring- beziehungsweise mantelförmiger Wicklungsträger 5 vor, der die einzelnen Spulenanordnungen 3i von einer radial außenliegenden Seite aus trägt. Durch die freitragende Struk¬ tur dieses Wicklungsträger-Rings sind die den einzelnen Spu¬ lenanordnungen 3i zugeordneten Bereiche des Wicklungsträgers bereits insgesamt radial aneinander abgestützt. Um die Ab- stützung gegen die auftretenden Fliehkräfte noch weiter zu verbessern und um eine Übertragung von Drehmomenten zwischen den Spulenanordnungen 3i und einer zentralen Rotorwelle zu ermöglichen, ist der übergeordnete Wicklungsträger 5 auch hier zusätzlich mit mehreren Verankerungselementen 4 mechanisch fest mit einem innen liegenden Tragelement 6 verbunden. Dieses Tragelement 6 ist auch hier als hohles Tragrohr ausge¬ bildet. Im Unterschied zum vorherigen Ausführungsbeispiel hat dieses Tragrohr jedoch keinen kreisförmigen, sondern einen achteckigen Querschnitt. Die Querschnittsform kann insgesamt beliebig gewählt werden, und es können insbesondere auch die Querschnittsformen der inneren und der äußeren Begrenzungsfläche unterschiedlich gewählt sein. Auch in diesem Beispiel sind die zu den acht Spulenanordnungen 3i gehörenden Bereiche des Wicklungsträgers 5 durch ins¬ gesamt acht Verankerungselemente gegen das zentrale Tragele¬ ment 6 abgestützt. Um die Form der zugehörigen Ausnehmungen 11 und 14 zu verdeutlichen, ist jedoch eines dieser Locke- rungselemente (rechts oben) nicht mit eingezeichnet. Die dar¬ gestellten Verankerungselemente 4a, 4b, 4c weisen zum Teil verschiedene Formen und Ausgestaltungen auf, um verschiedene mögliche Varianten zu illustrieren. In einem realen Rotor sind jedoch zweckmäßig die Tragelemente der einzelnen acht Segmente untereinander gleich ausgestaltet.
Die fünf dargestellten Verankerungselemente vom Typ 4a weisen sowohl am radial außenliegenden Ende als auch am radial innen liegenden Ende jeweils eine federartige Verdickung auf. Dabei greift die radial innenliegende Feder ähnlich wie bei dem Ausführungsbeispiel der Figur 1 in eine entsprechende Nut 11 des inneren Tragelements 6 ein, um mit diesem die beschriebe- ne formschlüssige Verbindung herzustellen. Die radial außenliegende Feder greift dagegen in eine zu ihr passend ausge¬ formten Nut des übergeordneten Wicklungsträgers 5 ein. Im Gegensatz zum Ausführungsbeispiel der Figur 1 ist hier also der Wicklungsträger nicht mit den Verankerungselementen aus einem Stück ausgebildet, sondern er wird aus mehreren Elementen nachträglich verbunden. Auch diese Verbindung ist hier durch einen Formschluss erzeugt. Die hier dargestellte mehrstückige Ausführungsform kann prinzipiell auch in einem Wicklungsträger realisiert sein, der ähnlich wie in Figur 1 aus einer Vielzahl von einzelnen Segmenten 5i zusammengesetzt ist. Unabhängig von der genauen Ausgestaltung kann ein Vorteil der nachträglichen Verbindung darin liegen, dass Wicklungsträger und Verankerungselement aus unterschiedlichen Materialien ausgeführt werden können. Ein anderer Vorteil kann daran lie- gen, dass die Spulenanordnung 3i in den Wicklungsträger 5 oder 5i eingelegt werden kann, bevor dieser mit dem entsprechenden Verankerungselement verbunden wird. In einem solchen Fall muss die Dimensionierung des Verankerungselements nicht darauf angepasst sein, dass die Spulenanordnung an ihr vorbei in den Wicklungsträger eingelegt werden kann.
Bei der mit dem Bezugszeichen 4b markierten Variante des Verankerungselements ist die formschlüssige Verbindung mit dem zentralen Tragrohr 6 nicht durch eine einfach geformte Nut (mit passender Feder) realisiert, sondern Nut und Feder wei¬ sen jeweils eine komplexere Formgebung mit mehreren Etagen auf. Der Vorteil einer solchen Ausführungsform ist, dass die Flächenpressung bei radialer Belastung reduziert wird, da eine einwirkende radiale Kraft auf mehrere Auflageflächen in den verschiedenen Etagen verteilt wird. Eine solche „Mehr- Etagen-Nut" ist für das Verankerungselement 4b nur beispiel¬ haft dargestellt und es sind unterschiedliche Ausführungsva- rianten möglich. Beispielsweise können die Nut und die dazu passende Feder einen tannenbaumartigen Querschnitt aufweisen.
Bei der mit dem Bezugszeichen 4c markierten Variante des Ver- ankerungselements ist die formschlüssige Verbindung mit dem zentralen Tragrohr 6 nicht durch ein Nut-Feder-System, sondern durch eine Schraubverbindung zwischen einem Gewinde und einer dazu passenden Gewindebohrung realisiert. Hierzu ist der Wicklungsträger 5 an der entsprechenden Stelle im Bereich zwischen den Schenkeln der zugeordneten Spulenanordnung 3i mit einem nach außen hin durchgehenden Loch versehen. Durch dieses Loch kann das bolzenartige Verankerungselement 4c von außen durchgesteckt und mit einem in seinem innenliegende Endbereich ausgebildeten Gewinde in einer passenden Bohrung des zentralen Tragelements 6 verschraubt werden. Ein solcher Bolzen kann ebenfalls mit dem Wicklungsträger 5 formschlüssig verbunden sein, beispielsweise durch ein in diesem Bereich angebrachtes (hier der Übersichtlichkeit halber nicht gezeig¬ tes) weiteres Gewinde und/oder eine auf der Innenseite des Wicklungsträgers angebrachte Mutter oder ein anderes entspre¬ chendes Halteelement.
Die Bandage 13 ist auch bei diesem Beispiel optional, da der ringförmige Wicklungsträger 5 sich und die Spule 3 selber trägt und daher nicht durch eine Bandagierung von außen verstärkt werden muss. Es kann aber trotzdem vorteilhaft sein, durch eine solche Bandage 13 eine von außen aufgebrachte Vor¬ spannung auf den Wicklungsträger 5 aufzubringen, um seine mechanische Stabilität zu erhöhen und/oder ihn unter zusätzli- eher Spannung gegen die innenliegende Tragstruktur aus Verankerungselementen und innerem Tragrohr 6 abzustützen.
Auch beim Beispiel der Figur 4 kann im innenliegenden Hohlraum 7 ein fluides Kühlmittel 9 strömen, wobei auch hier die flüssige Form zusammen mit der Gasform in einem Raum 7 vorliegen kann. Beim Betrieb der elektrischen Maschine, die mit einem solchen Rotor 1 ausgestattet ist, dreht sich der Rotor 1 um die Achse A, wie durch den Pfeil in der Mitte angedeutet ist. Hierbei verteilt sich das flüssige Kühlmittel bei aus¬ reichend hoher Drehzahl über den Umfang des Rotors, wie durch den ringförmigen Flüssigkeitspegel schematisch gezeigt ist. Figur 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel für eine elektrische Maschine 21, welche mit einem Rotor 1 gemäß der vorliegenden Erfindung ausgestattet ist. Gezeigt ist hier ein schemati- scher Längsschnitt entlang der Rotationsachse A. Die Maschine weist außerdem einen feststehend angeordneten Stator 23 auf, der den Rotor 1 radial umgibt und der mit dem Maschinengehäu¬ se 27 verbunden ist. Der Rotor 1 ist auf einer Rotorwelle 31 um die Rotationsachse A drehbar gelagert, wobei diese Rotor¬ welle 31 im zentralen Teil des Rotors 1 sowie im rechts dar¬ gestellten Bereich als Hohlwelle 33 ausgeführt ist. Es han- delt sich also um eine segmentierte Welle. Im linken Teil der Figur 4 kann die Welle entweder als massive Welle ausgestal¬ tet sein, oder sie kann auch hier als Hohlwelle mit einem kleineren Hohlraum ausgestaltet sein, beispielsweise um
Stromzuführungen innerhalb der Welle anordnen zu können. Die Rotorwelle 31, 33 ist über Lager 29 in den axialen Endberei¬ chen der Maschine drehbar gegen das feststehende Maschinenge¬ häuse 27 abgestützt. Das Drehmoment wird im links dargestell¬ ten Teil des Rotors 1 zwischen der Rotorwelle 31 und dem eigentlichen Rotor 1 übertragen. Hierzu ist zwischen Rotor 1 und Rotorwelle 31 eine Drehmomentübertragungseinrichtung 39 angeordnet, die im gezeigten Beispiel kreiszylinderförmig ausgestaltet ist. Außerdem sind auf dieser Seite des Rotors Stromzuführungen 41 angeordnet, um die Spulenanordnungen 3i des Rotors 1 mit einem äußeren Stromkreis über Schleifringe 43 zu verbinden. Von der rechts dargestellten Seite des Rotors 1 wird über die Hohlwelle 33 fluides Kühlmittel 9 in das Innere des Rotors eingespeist und von hier wieder nach außen geführt. Hierzu weist die Hohlwelle 33 in ihrem Inneren eine Zuleitung 35a und eine Rückleitung 35b. An dem rechts darge- stellten Wellenende können diese Leitungen mit einem außerhalb der Welle befindlichen Kühlsystem und hier nicht näher dargestellten zu einem geschlossenen Kühlmittelkreislauf verbunden sein. Diese Leitungen 35a und 35b sind als Teil eines übergeordneten Kühlmittelrohrs 35 innerhalb der Hohlwelle 33 feststehend angeordnet und mit dieser durch eine Drehdurch¬ führung 37 verbunden. Der Rotor 1 der in Figur 5 gezeigten elektrischen Maschine kann beispielsweise ähnlich wie in Figur 1 oder Figur 4 dargestellt ausgestaltet sein. Er kann insbesondere eine Mehr¬ zahl von Spulenanordnungen 3i aufweisen, die zur Ausbildung eines p-poligen Magnetfelds ausgelegt sind. Diese Spulenan- Ordnungen 3i sind wiederum über den Umfang des Rotors 1 verteilt und werden von einem oder mehreren außenliegenden Wicklungsträgern 5 oder 5i mechanisch gehalten. Diese Wicklungsträger sind hier der Übersicht halber nicht näher darge¬ stellt. Zusätzlich zu der dort dargestellten inneren Trage- struktur aus zentralem Tragelement und den Verankerungsele¬ menten 4 wird der wenigstens eine Wicklungsträger an den beiden axialen Endbereichen des Rotors durch scheibenförmige Stützelemente 40 gehalten. Die Spulenanordnungen 3i und damit auch die hier nicht ge¬ zeigten Wicklungsträger werden radial von einer inneren Kryo- statwand 15a und danach von einer äußeren Kryostatwand 15b umgeben. Dazwischen ist zur thermischen Isolation ein Vakuumraum V vorgesehen, der im Vergleich zu den Beispielen der Fi- guren 1 und 4 deutlich vergrößert dargestellt ist. Diese Grö¬ ßenverhältnisse sind jedoch nicht maßstabsgetreu, und die Fi¬ guren sind insoweit nur schematisch zu verstehen. Außerhalb der äußeren Kryostatwand 15b sind die feststehenden Teile des Stators 23 angeordnet. Insbesondere ist auf dem Stator-Wick- lungsträger 25 eine Statorwicklung 24 angeordnet, deren axiale Wicklungsabschnitte in ihren axialen Endbereichen mit Wickelköpfen 24a verbunden sind. Die Statorwicklung 24 tritt beim Betrieb der elektrischen Maschine 21 in elektromagneti¬ sche Wechselwirkung mit dem elektromagnetischen Feld des Ro- tors 1. Diese Wechselwirkung findet über einen Luftspalt 26 hinweg statt, der radial zwischen Rotor 1 und Stator 33 liegt. Die Statorwicklung 24 wird im gezeigten Beispiel von einem amagnetisch ausgebildeten Stator-Wicklungsträger 25 ge- tragen, es handelt sich hier also um eine Luftspaltwicklung ohne Eisenzähne zwischen den Windungen der Wicklung.

Claims

Patentansprüche
1. Rotor (1) für eine elektrische Maschine (21), umfassend
- wenigstens eine elektrische Spulenanordnung (3i) ,
- wenigstens einen Wicklungsträger (5,5i), der die wenigstens eine Spulenanordnung (3i) mechanisch trägt und diese auf einer radial außenliegenden Seite der Spulenanordnung wenigstens teilweise umgibt,
- wobei der Rotor (1) ein zentrales Tragelement (6) aufweist und
- wobei der wenigstens eine Wicklungsträger (5i) über ein formschlüssig in das Tragelement (6) eingebettetes Veranke¬ rungselement (4) mechanisch mit dem zentralen Tragelement verbunden ist,
- wobei der Rotor wenigstens einen innenliegenden Hohlraum
(7i) aufweist, in dem ein fluides Kühlmittel (9) zirkulier¬ bar ist, derart, dass die wenigstens eine Spulenanordnung (3i) zumindest auf ihrer radial innenliegenden Seite in Kontakt mit dem Kühlmittel (9) treten kann.
2. Rotor (1) nach Anspruch 1, bei welchem die elektrische Spulenanordnung (3i) ein supraleitendes Leitermaterial auf¬ weist.
3. Rotor (1) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, der
eine Mehrzahl n von Spulenanordnungen (3i) aufweist,
- wobei jeder der Spulenanordnungen (3i) auf einem ihr zugeordneten einzelnen Wicklungsträger (5i) angeordnet ist
- und wobei jedem Wicklungsträger (5i) wenigstens ein form- schlüssig in das Tragelement (6) eingebettetes Veranke¬ rungselement zugeordnet ist.
4. Rotor (1) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, der eine Mehrzahl n von Spulenanordnungen (3i) aufweist,
- wobei jede der Spulenanordnungen (3i) auf einem ihr zugeordneten Umfangssegment eines übergeordneten, gemeinsamen Wicklungsträgers (5) angeordnet ist.
5. Rotor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der wenigstens eine Wicklungsträger bezogen auf die Umfangs- richtung des Rotors in seiner Mitte mit dem zugeordneten Verankerungselement verbunden ist.
6. Rotor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die formschlüssige Verbindung des wenigstens einen Verankerungselements () mit dem zentralen Tragelement durch Einführen einer wurzelartigen Struktur des Verankerungsele- ments in eine dazu passende Ausnehmung im zentralen Tragele¬ ment gebildet ist.
7. Rotor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der zusätzlich wenigstens eine Bandage (13) aufweist, mittels derer der wenigstens eine Wicklungsträger (5,5i) im Rotor fixiert ist .
8. Rotor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welcher einen elektrisch leitenden Dämpferschirm (15b) und/oder eine Kryostatwand (15a, 15b) aufweist, die die wenigstens eine Spu¬ lenanordnung (3i) radial umgeben.
9. Rotor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem der wenigstens eine Wicklungsträger (5,5i) eisenlos ausgestaltet ist.
10. Rotor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welcher bezogen auf sein Gesamtvolumen eine durchschnittliche Materialdichte von höchstens 8 g/cm3 aufweist.
11. Rotor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die wenigstens eine Spulenanordnung als vorgefertigte Formspule in den Wicklungsträger eingelegt ist.
12. Elektrische Maschine (21) mit einem Rotor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche und einem feststehend angeordne¬ ten Stator (23) .
13. Elektrische Maschine (21) nach Anspruch 12, welche für eine Leistungsdichte von wenigstens 5 kW/kg ausgelegt ist und/oder welche für eine Nennleistung von wenigstens 5 MW ausgelegt ist.
14. Elektrische Maschine (21) nach einem der Ansprüche 11 bis 13, welche für eine Drehzahl des Rotors (1) von wenigstens 1000 Umdrehungen pro Minute ausgelegt ist.
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