WO2019091842A1 - Rotor und maschine mit p-poliger rotorwicklung - Google Patents

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WO2019091842A1
WO2019091842A1 PCT/EP2018/079814 EP2018079814W WO2019091842A1 WO 2019091842 A1 WO2019091842 A1 WO 2019091842A1 EP 2018079814 W EP2018079814 W EP 2018079814W WO 2019091842 A1 WO2019091842 A1 WO 2019091842A1
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WO
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rotor
winding
switchable
current
rotor winding
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Application number
PCT/EP2018/079814
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English (en)
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Inventor
Michael Frank
Jörn GRUNDMANN
Peter Van Hasselt
Original Assignee
Siemens Aktiengesellschaft
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K55/00—Dynamo-electric machines having windings operating at cryogenic temperatures
    • H02K55/02—Dynamo-electric machines having windings operating at cryogenic temperatures of the synchronous type
    • H02K55/04—Dynamo-electric machines having windings operating at cryogenic temperatures of the synchronous type with rotating field windings
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F6/00—Superconducting magnets; Superconducting coils
    • H01F6/006—Supplying energising or de-energising current; Flux pumps
    • H01F6/008—Electric circuit arrangements for energising superconductive electromagnets
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K3/00—Details of windings
    • H02K3/04—Windings characterised by the conductor shape, form or construction, e.g. with bar conductors
    • H02K3/28—Layout of windings or of connections between windings
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
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    • H02K2213/09—Machines characterised by the presence of elements which are subject to variation, e.g. adjustable bearings, reconfigurable windings, variable pitch ventilators
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E40/00—Technologies for an efficient electrical power generation, transmission or distribution
    • Y02E40/60—Superconducting electric elements or equipment; Power systems integrating superconducting elements or equipment

Definitions

  • the present invention relates to a rotor for an electrical machine, comprising a superconducting rotor Wick ⁇ lung, which is set to form a p-pole magnetic field from ⁇ .
  • the rotor winding includes a plurality of Wicklungsab ⁇ cuts, which are each associated with one of p magnetic poles, each winding section comprises one or meh ⁇ eral conductor turns.
  • the invention relates to an electrical machine with such a rotor and a method for operating such a rotor.
  • electrical machines in particular synchronous machines with higher power, are often equipped with a rotor winding for generating the rotor field. This can often cover higher power ranges than with permanent magnetically excited machines.
  • Such a rotor winding must for field generation of a
  • a superconducting machine can be made smaller and lighter in comparison with a conventional machine with the same power, thus leading to an increase in power density.
  • a fixed current source and a Kochtra ⁇ restriction device for transferring the current to the rot Schl- de winding comprises.
  • the excitation means comprises a current source, which contributes to weight and Vo ⁇ lumen of the machine.
  • the object of the invention is therefore to provide a rotor for an electric machine, which overcomes the disadvantages mentioned.
  • a rotor is to be made available in which an electric current is fed into the rotor can be fed without generating a high contribution to the weight of the electric machine.
  • Another object is to provide an electric machine with such a rotor.
  • a method for operating such a rotor should also be provided.
  • the rotor according to the invention is designed as a rotor for an electric machine. It comprises averaging a superconducting rotor coils, which is set to form a p-pole magnetic field from ⁇ .
  • This rotor winding has several Wicklungsab ⁇ sections, which are each associated with one of the p magnetic poles. Each winding section has one or more conductor windings.
  • the rotor winding forms GR tendonss a self-contained circuit from can flow in wel chem ⁇ a continuous current.
  • This closed circuit has a continuous current switch with a switchable conductor region, which can be switched between a superconducting state and a normal conducting state.
  • the said continuous current does not necessarily have to be an extremely constant current, as is required, for example, for the so-called continuous current operation of a superconducting magnet in a magnetic resonance apparatus ("MR magnet") permanently flowing current over hours, days or even weeks with extremely low decay (for example, in MR magnets at most in the per mille range) remains constant essential for a continuous current in the context of the present invention is that at least over a period of several hours Current flow is maintained, which does not change in magnitude., For example, a decay of the current by about 10% to 20% Its original value is perfectly acceptable for operation of the machine. When used herein importance ⁇ processing of the word continuous current could therefore generally speak of a pseudo-continuous current.
  • each winding section is assigned to each of the p magnetic poles, it should be understood that either each winding section (according to a 1: 1 assignment) corresponds exactly to one pole coil or that each winding section of a partial coil corresponds to a higher pole coil.
  • a respective pole coil is then composed of a plurality of such partial coils (that is, of a plurality of said winding regions). (Either each pole coil or each sub-coil) of each of the winding portions ⁇ ser case has at least a complete turn of conductor ⁇ .
  • it is particularly advantageous according ⁇ be multiple conductor turns per pole coil or coil per part.
  • Said switching the switchable conductor region Zvi ⁇ rule the superconducting state and the normal state can in principle be done in different ways.
  • a switch for example, by a loka ⁇ les heating take place (similar to the usual injecting current into magnetic resonance magnets) or else by a magnetic ⁇ table triggered quenching.
  • An essential advantage of the rotor according to the invention is that the switchable conductor region makes it possible to feed in current into the closed circuit of the rotor winding.
  • This can ⁇ SUC gene in particular in that an additional current source is connected to two connection nodes which are adjacent within the rotor winding on both sides face the switchable area. It may be an external power source, which is not part of the rotor and not part of the electrical machine in particular. It is essential that this power source during operation of the electric machine back from the Rotor winding can be electrically isolated.
  • the switchable conductor region and the presence of an annular closed circuit in the rotor winding make it possible for a continuous current to continue to flow in the rotor winding even after the current source has been disconnected. This is achieved by placing the switchable conductor region in a normally conducting state for feeding in, and later, in order to maintain the continuous current, to switch the switchable conductor region back into a superconducting state.
  • the thus fed into the rotor winding continuous current does not have to be extremely constant, while maintaining an exciter gerfeldes of the rotor is possible without the external power ⁇ source must be connected to the rotor winding at least for the duration of a few hours.
  • the weight of the external power source can be ⁇ saves and the electric machine can achieve a total of a higher power density than a comparable machine with permanent feeding of an electrical current into the rotor.
  • the electric machine according to the invention has an OF INVENTION ⁇ to the invention rotor and a fixedly arranged stator.
  • the advantages of this machine are analogous to the advantages of the rotor according to the invention described above.
  • the switchable Leiterbe ⁇ rich may include one or more of said winding sections particularly advantageous.
  • the switchable conductor region can consist essentially of one or more such winding sections.
  • An essential advantage of this embodiment is that this provides a relatively long conductor section for the switchable conductor area without having to add additional conductor material to the rotor winding for this purpose. Namely, at least one winding section can be used for this purpose, which is present anyway in the rotor winding and serves there for the formation of the multipolar exciter field.
  • the switchable conductor region is also in contrast to the corresponding embodiments of the switchable conductor regions in superconducting magnetic resonance magnets, since there the switchable conductor regions are present as additional conductor regions, which have no essential function in the formation of the magnetic field.
  • winding ⁇ averaging section is always at least one, and typically includes a plurality of full turns of conductor. Note that such a correspondingly long conductor portion is in its normal ⁇ conducting state also represents a correspondingly large ohmic resistance, which has a favorable effect on the supply of a current in the rotor winding, since then the resistance ratio between the switchable semiconductor region and the remaining part of the superconducting rotor winding is great.
  • the switchable conductor region can section the winding ⁇ or may correspond to the winding sections exactly ei ⁇ nes magnetic pole.
  • a magnetic pole may either comprise one or more winding sections, which then form the switchable conductor area.
  • the switchable conductor region comprises only a part of a magnetic pole. Also with this part it can then either be a selected winding section or even several winding sections (ie, in particular, several sub-coils) of this pole. Also in such an embodiment, a sufficiently long conductor section for the switchable Porterbe can be made rich ⁇ available depending on the coil geometry. By suitable thermal separation, it is also possible in this case for the switchable conductor section to transition into the normally conducting state, while the remaining part of the rotor winding (also in the considered pole) remains in the superconducting state.
  • the switchable conductor region corresponds to the winding section or the winding sections of a plurality of magnetic poles.
  • these plurality of poles may comprise either one or more winding sections then respectively, said (r) then forming the switching ⁇ cash semiconductor region (or forming).
  • a possible advantage of this embodiment is that, when using multiple magnetic poles for the switchable region, it may be possible to obtain a rotor winding with higher symmetry than if only one magnetic pole were designed differently than the others. Said under ⁇ defenceliche embodiment can thereby again be provided for example by a thermal separation of the switchable semiconductor region from the other parts of the rotor winding
  • this managerial a pattern length of at least 5 m, in particular at least 50 m to grasp ⁇ .
  • the said conductor length it should be to the "outstanding" conductor length of the corresponding Wicklungsbe ⁇ Empire act.
  • Such a high conductor length in switchable Conductor region provides the advantage that a high resistance in the normal conducting state and entspre ⁇ accordingly as described above, an easy injection of a current into the rotor Wick ⁇ development made possible by an external power source.
  • the switchable conductor portion may be in the normally conducting to stand ⁇ a resistance of at least 15 mOhm R_schalt having 1.5 ohms into ⁇ particular at least to allow the supply of electricity to the rotor winding.
  • the resistance of the switchable conductor section in its normally-conductive state depends on its conductor length, the superconducting material, the conductor geometry and optional further materials which are connected in parallel in the manner of a shunt resistor to the superconducting material.
  • the self-contained circuit of the Ro ⁇ gate winding in the fully superconducting state, an inductance L and a resistor R_ ses have, the ratio L / R_ ses in the range between 50,000 s and
  • the rotor winding may comprise a high-temperature superconducting conductor material.
  • Hochtemperatursup ⁇ raleiter are superconducting materials having a
  • HTS materials are also particularly attractive because these materials can have high upper critical magnetic fields as well as high critical current densities, depending on the choice of operating temperature.
  • the high-temperature superconductor may comprise, for example, magnesium diboride and / or an oxide-ceramic superconductor, for example a REBa 2 Cu30 x (REBCO) compound for short, where RE stands for a rare-earth element or a mixture of such elements.
  • REBa 2 Cu30 x (REBCO) compound for short, where RE stands for a rare-earth element or a mixture of such elements.
  • the self-contained circuit of the rotor winding may in particular have a total resistance in the range up to InOhm in the superconducting state.
  • a low overall velvet resistance is advantageous to cause a loss as possible ⁇ free current flow and to (in conjunction with the inductance of the circuit) to effect a slow as possible decay of the persistent current.
  • the continuous current as described above, in contrast to magnetic resonance magnets need not be absolutely constant, it is all ⁇ common possible that the total resistance of the closed circuit in the superconducting state assumes a value of 10 yOhm or more.
  • a continuous conductor by subsequent on ⁇ slots a continuous conductor a continuous To obtain superconducting conductor loop of high-temperature superconducting material. This has a favorable effect on the elec ⁇ cal losses, but is not always manageable in the production of complex p-pole rotor windings. Therefore, it can be favorable, a rotor winding with a total resistance above said value available to stel ⁇ len, to facilitate the production of the winding by the introduction of subsequent contacts.
  • the rotor may preferably have a cooling device with which the rotor winding can be cooled to an operating temperature below the transition temperature of the present superconductor material.
  • Such a cooling device may in particular comprise at least one cryostat within which the rotor winding is arranged.
  • a cryostat may for example be filled with a fluid coolant which cools the superconducting winding.
  • a cryostat may have a double-walled vessel wall, wherein a vacuum space may be provided between the two walls for better thermal insulation.
  • the rotor can be designed so that the switching of the switchable Lei ⁇ ter Schemes in the normal conducting state can be achieved by heating.
  • the rotor may in particular have a heating element in the vicinity of the switchable conductor region.
  • the switchover of the switchable conductor region into the normally conducting state can, in principle, also be achieved in another way, for example by applying a strong magnetic field.
  • the rotor may be configured such that in the vicinity of the switching ⁇ cash conductor region an additional magnetic field can be accommodated a ⁇ , for example by introduction of a permanent magnet in the vicinity of this area, by the operating of an additional coil in this area and / or by introducing a flux-guiding element in this area, which is a magnetic flux from a directs another area outside the machine into the area of the continuous current switch.
  • the switchable conductor region can be thermally separated from the remaining parts of the rotor winding in such a way that the switchable conductor region can transition into the normally conducting state, while the remaining parts remain in the superconducting state.
  • This can be achieved in particular in that the switchable conductor region is arranged in a different subregion of the cryostat than the remaining parts of the rotor winding.
  • the switchable conductor region can be arranged in a separate cryostat.
  • the switchable conductor region can go into the normal conducting state, while the remaining parts remain in the superconducting state.
  • the cooling permanent or temporary
  • the other areas may intensify the cooling ⁇ be maintained or the high level.
  • the remaining regions for example via a cooling fluid and / or a thermosyphon, can be bonded particularly well thermally to a cooling device.
  • strah ⁇ lung transparent window may for example be provided in the region of this conductor section.
  • 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 prerequisite for fully electric powered aircraft.
  • they are also beneficial in the field of others - especially other mobile applications.
  • the said power density is to be understood as meaning the rated power of the machine relative to its total weight, that is to say based on the weight of the stator, rotor, housing, cooling system plus possibly additionally present components such as auxiliary components which are required during operation.
  • the no longer connected during operation power source then flows no longer in the total weight.
  • 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 in principle for driving a vehicle, particularly an aircraft ge ⁇ suitable. Alternatively, with such a powerful ma- machine but also when operating as a generator of electric current for driving on board the vehicle he needed ⁇ be generated. 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 revolutions per minute, in particular even for at least 3000 revolutions per minute.
  • the electric machine may generally preferably be a synchronous machine.
  • the machine can be designed as a drive machine and / or as a generator in a vehicle, in particular in an aircraft.
  • the described method may advantageously comprise the following additional step after said step c): d) Use of the rotor for generating a rotating electromagnetic field in an electrical machine by means of a flow in the rotor winding following steps a) to c) continuous current.
  • Power source can be operated.
  • the machine when operating the machine may be dispensed on the weight of the power source and also to the Ge ⁇ weight of a transfer device, which then results in operation according to a higher power density of the machine.
  • the continuous current can fall over a period of operation of three hours by a proportion of at most 10%.
  • the rotor may in particular be designed so that the time constant for the waste (which is given by L / R wesentli ⁇ chen) is at least 28.5 hours. If the temporal fall of the persistent current is so limited upwards, use of the machine in a vehicle after disconnection from the power source for a period of at least several hours is possible.
  • the persistent current may decrease by a percentage of 20% or more over an operating period of three hours.
  • the rotor may be particularly so sets excluded that the time constant for decay at 14 stun ⁇ or less. Although such a rapid decay is not necessarily desirable, but can for many appli ⁇ conditions, especially in machines in vehicles, following be tolerated to the power supply, if the structure of the rotor can be simplified by this. In particular, then normally conductive contact points between the individual superconducting winding sections can be used.
  • FIG. 1 shows a schematic equivalent circuit diagram of a rotor Wick ⁇ lung with an open persistent current switch, which is connected to an external power source
  • Figure 2 shows a corresponding equivalent circuit diagram is closed at wel ⁇ chem the persistent current switch
  • FIG. 3 shows a corresponding equivalent circuit diagram in wel ⁇ chem the external power source is removed
  • Figure 4 is a schematic sectional view of a part
  • Figure 5 is a schematic representation of components of a
  • Figure 6 is a schematic representation of the structure of a pole like ⁇ netic shows in a similar rotor winding.
  • FIG. 1 shows a schematic equivalent circuit diagram of a Ro ⁇ torwicklung 1 is shown, which is connected to the power supply with a current source. 13
  • the rotor winding 1 has a continuous current switch 6, which is connected via a first connection node 8 and a second connection node 10 with the remaining parts of the rotor winding 1.
  • These remaining parts are summarized here to a residual winding 3 shown only very schematically, although they are typically in a real rotor struk ⁇ tured into several individual pole coils, which then electrically connected to a connected to hanging winding. In the illustrated equivalent circuit, however, it comes to this struc ⁇ turing not, but only on the division of the rotor winding to persistent current switch 6 and the rest of winding 3.
  • These two winding parts together form a gesche ⁇ nen circuit 5 made, in which a current of at least can flow in a ring at ge ⁇ connected permanent current switch .
  • FIG. 1 schematically shows the persistent current switch 6 in an opened configuration.
  • these open Configurati ⁇ on is not to say that there exists no elekt ⁇ 's compound, but only that the persistent current switch 6 (or its switchable leader area) in the normal and not in the superconducting state.
  • the superconducting state of the switchable conductor region should be understood as the closed state of the switch .
  • the persistent current switch 6 is therefore a resistor that can be switched between two distinctly different values.
  • the entire rotor winding 1, that is both the permanent current scarf ter ⁇ 6 and the remaining winding 3 have a superconducting conductor material.
  • the dotted line that surrounds both the Dau ⁇ erstromschalter 6 and the node 8 and 10 so-like the remaining coil 3 is intended to schematically represent the outer contours of a cryostat 11 here.
  • the entire rotor winding 1 can be cooled to an operating temperature below the transition temperature of the superconducting material.
  • the rotor winding is connected to an external current source 13, which is arranged outside of the cryostat 11.
  • This Ver ⁇ connection to the current source 13 serves to supply a current in the rotor winding. However, for further operation of the electric machine, this connection can be disconnected again, as will become clear later.
  • FIG. 1 shows a rotor winding 1 in a state during the execution of the method step b) mentioned above, that is to say with a connected current source and during the supply of the current Ii.
  • the permanent current switch has been set to be ⁇ nem normal conducting state 6 - Further, in an additional step - in particular, between step a) and step b).
  • the rotor winding shown is a rotor winding in a rotor or a machine according to a first exemplary embodiment of the invention.
  • the other components of the rotor or of the machine are not shown here in more detail for the sake of clarity .
  • Figure 2 shows a corresponding equivalent circuit diagram for the Ro ⁇ torwicklung 1 of Figure 1 but wherein the permanent current switch 6 is closed.
  • the switchable conductor section of this persistent current switch 6 is thus in its superconducting state. This was brought about by a further method step following the previously shown step b). By this switching is achieved that now a ring current I 3 flows through the now closed circuit 3 of the rotor winding 1.
  • Figure 3 shows a corresponding equivalent circuit diagram for the Ro ⁇ torwicklung of Figures 1 and 2, wherein but now according to process step c), the current source 13 of the both connection nodes 8 and 10 has been removed.
  • the separation of this compound can be done outside of the cryostat 11 in particular - as indicated by the leftover conductor sections.
  • This continuous current flowing via the rotor winding 1 can be used to produce an exciting field during operation of an electric machine comprising the rotor, without the current source 13 being part of the electrical machine.
  • FIG 4 shows a schematic sectional view of a portion of an electric machine 40 according to an embodiment ⁇ example of the invention. Shown is a 90 ° angle segment of the machine in a cutting plane, which is perpendicular to zentra ⁇ len axis A of the machine.
  • the electric machine 1 has an inner, about the central axis A rotatably mounted rotor 41.
  • This rotor 41 is equipped with a rotor winding 1, which is designed to generate a p-pole magnetic field.
  • the rotor winding 1 is divided into a plurality p of pole coils, which are each associated with a magnetic pole.
  • the two illustrated of the total of eight pole coils of the electric machine are marked here with pi and P2.
  • the internal rotor 41 is surrounded radially by a stationary stator 42. Both rotor and stator here have a circular cylindrical basic shape.
  • the stator includes an outboard cylinder jacket iron yoke 44 as a flux guiding element. Between the iron yoke 44 and the rotor 41 there is an air gap 45 in which the stator winding 43 of the stator 42 is likewise arranged here. It han ⁇ delt here a so-called air gap winding.
  • the electric machine 40 may be, for example act a synchronous machine.
  • the machine can generally be designed as a rotor and / or as a generator.
  • the feeding of a continuous current into the electric machine 40 of FIG. 4 can advantageously be carried out as shown in FIGS. 1 to 3.
  • the persistent current switch 6 can be given by a switchable conductor region which corresponds either to a whole pole coil, a plurality of pole coils or a partial coil of such a pole coil.
  • FIG. 5 shows a schematic representation of components of a rotor winding 1, as may be used, for example, in the machine 40 of FIG.
  • the number of electric poles can in principle also unlike the Maschi ⁇ ne of the figure be chosen.
  • the cylindrical flat coils 50 in each case to superconducting coils, which may be formed for example as zy ⁇ relieving shaped flat coils or as saddle coils.
  • the cylindrical flat coils can in principle have different basic shapes. So it can basically be circular cylindrical coils, oval coils, rectangular coils or - as shown here - raceway-like coils.
  • These flat or saddle-shaped coils each have a plurality of turns w ⁇ of a superconducting electrical conductor 51. They are each connected via their radially inner and radially emergelie ⁇ ing conductor ends together so that overall results in a ring-shaped closed circuit 5, here rather extends over all pole coils.
  • individual connecting conductors 53 are arranged, which may be either conducting or superconducting ⁇ normally conducting principle between the superconducting coils. It is only important that the losses of the entire rotor winding 1 are sufficiently small, so that once a continuous current fed into the annular circuit 5 can flow for a sufficiently long time for operation of the electric machine. It is therefore also possible for the superconducting coils to be connected to one another by superconducting connection conductors , but normally conducting contact materials.
  • the switchable semiconductor region 54 which forms the permanent current switch 6, by precisely one pole coil is formed, namely by the illustrated right pole ⁇ spool 50p.
  • the remaining pole coils together form the remaining winding 3.
  • a connection node 8, 10 is arranged on each branch of the circuit.
  • the rotor winding is electrically connected to a power source 13.
  • FIG. 5 shows a state in which this current source 13 is connected to the corresponding connection nodes.
  • a ring current I3 can hereby be fed into the rotor winding, which also flows after the current source 13 has been disconnected as a continuous current through the entire rotor winding.
  • the pole coil 50p is sufficiently thermally isolated from the other pole coils. Furthermore, the field coil is provided with a Schuele ⁇ ment 55 50p, with which it can be easily and quickly placed in a normal conducting state.
  • a plurality of poles can generally also form the switchable conductor region together, or else only a part of such a pole coil can form the switchable conductor region.
  • a Talking embodiment is shown schematically in Figure 6, in a schematic depicting ⁇ development of the structure of a magnetic pole is exemplified 50p a similar rotor winding 1 as shown in FIG. 5
  • Shown is a cross section with a sectional plane which intersects through the two long conductor legs of the here likewise raceway-like formed coils.
  • the wesentli ⁇ che difference is that only a shorter wire section represents the persistent current switch is available and that this made available to sub-coil should be 60x expedient slightly more thermally isolated from the rest of coils 60a, 60b of the same magnetic pole than the other Part coils of the same pole are usually thermally insulated from each other. This is shown schematically between the selected part from ⁇ coil 60x and the adjacent partial coil 60b by an additional thermal insulating member 62nd

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Abstract

Es wird ein Rotor (41) für eine elektrische Maschine (40) angegeben, umfassend eine supraleitende Rotorwicklung (1), welche zur Ausbildung eines p-poligen Magnetfeldes ausgelegt ist, - wobei die Rotorwicklung (1) mehrere Wicklungsabschnitte (50a, 50b, 50c, 50p) aufweist, welche jeweils einem der p magnetischen Pole (p1,p2,pi) zugeordnet sind, wobei jeder Wicklungsabschnitt (50a, 50b, 50c, 50p) ein oder mehrere Leiterwindungen (wi) aufweist, - wobei die Rotorwicklung (1) wenigstens einen in sich geschlossenen Stromkreis (5) ausbildet, in welchem ein Dauerstrom (I5) fließen kann, - wobei der geschlossene Stromkreis (5) einen Dauerstromschalter (6) mit einem schaltbaren Leiterbereich (54) aufweist, der zwischen einem supraleitenden Zustand und einem normalleitenden Zustand umschaltbar ist. Weiterhin wird eine elektrische Maschine (40) mit einem solchen Rotor (41) sowie ein Verfahren zum Betrieb eines solchen Rotors angegeben.

Description

Beschreibung
Rotor und Maschine mit p-poliger Rotorwicklung Die vorliegende Erfindung betrifft einen Rotor für eine elektrische Maschine, umfassend eine supraleitende Rotorwick¬ lung, welche zur Ausbildung eines p-poligen Magnetfeldes aus¬ gelegt ist. Die Rotorwicklung weist mehrere Wicklungsab¬ schnitte auf, welche jeweils einem der p magnetischen Pole zugeordnet sind, wobei jeder Wicklungsabschnitt ein oder meh¬ rere Leiterwindungen aufweist. Weiterhin betrifft die Erfindung eine elektrische Maschine mit einem solchen Rotor sowie ein Verfahren zum Betrieb eines derartigen Rotors. Nach dem Stand der Technik werden elektrische Maschinen, insbesondere Synchronmaschinen mit höherer Leistung, häufig mit einer Rotorwicklung zur Erzeugung des Rotorfeldes ausgestattet. Hiermit können oft höhere Leistungsbereiche abgedeckt werden als mit permanentmagnetisch erregten Maschinen. Eine solche Rotorwicklung muss zur Felderzeugung von einem
elektrischen Strom durchflössen sein. Dieser Strom wird in der Regel durch eine Stromquelle eingespeist, welche festste¬ hend (also außerhalb des rotierenden Systems des Rotors) an¬ geordnet ist. Nachteilig bei dieser Lösung ist, dass hierbei eine vergleichsweise aufwändige Übertragungseinrichtung benö¬ tigt wird, um den Strom von dem feststehenden System auf die rotierende Rotorwicklung zu übertragen. Hierbei können beispielsweise entweder auf Schleifringen basierende Lösungen oder Lösungen auf Basis sogenannter Erregereinrichtungen zum Einsatz kommen. Beide Varianten sind jedoch vergleichsweise komplex und benötigen in jedem Fall mindestens eine Möglich¬ keit zur Einspeisung des Erregerstromes, welche beim Betrieb der elektrischen Maschine permanent im Einsatz ist. Die
Stromquelle und die Übertragungseinrichtung für den Strom tragen in jedem Fall zum Gewicht und zum Volumen der elektrischen Maschine bei. Bei einer konventionellen Rotorwicklung weist diese ein widerstandsbehaftetes Leitermaterial, wie zum Beispiel Kupfer oder Aluminium auf. Ein solches Leitermaterial bewirkt ent¬ sprechende ohmsche Verluste, die je nach Maschinengröße im Bereich von einigen Kilowatt bis Megawatt liegen können. Zur Vermeidung dieser Verluste sind alternativ auch Maschinen bekannt, deren Rotorwicklung ein supraleitendes Leitermaterial aufweist. Ein solches Material transportiert im supraleiten¬ den Betriebszustand (also bei einer Betriebstemperatur unter- halb der Sprungtemperatur des Supraleiters) den Strom nahezu verlustlos und vermeidet damit die oben genannten ohmschen Verluste. Hierdurch wird der Wirkungsgrad der elektrischen Maschine entsprechend erhöht. Zudem ist es wegen des verlust¬ freien Stromtransports möglich, zu höheren Betriebsströmen und damit zu höheren Feldern zu gelangen. Hierdurch kann eine supraleitende Maschine im Vergleich zu einer konventionellen Maschine bei gleicher Leistung kleiner und leichter gebaut werden, was also zu einer Erhöhung der Leistungsdichte führt. Auch bei den bisher bekannten supraleitenden Rotorwicklungen sind diese beim Betrieb der Maschine permanent mit einer Er¬ regereinrichtung verbunden, welche typischerweise wie oben beschrieben eine feststehende Stromquelle und eine Übertra¬ gungseinrichtung zur Übertragung des Stroms auf die rotieren- de Wicklung umfasst. In jedem Fall umfasst hier die Erregereinrichtung eine Stromquelle, welche zum Gewicht und zum Vo¬ lumen der Maschine beiträgt. Für die Entwicklung einer elektrischen Maschine mit einer sehr hohen Leistungsdichte ist dieser zusätzliche Gewichtsbeitrag jedoch von Nachteil. Vor allem bei einer Anwendung einer solchen Maschine in einem Fahrzeug (insbesondere in einem Luftfahrzeug) wäre es vor¬ teilhaft, das Gewicht der Maschine bei gleicher Leistung wei¬ ter reduzieren zu können. Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Rotor für eine elektrische Maschine anzugeben, welcher die genannten Nachteile überwindet. Insbesondere soll ein Rotor zur Verfügung gestellt werden, bei dem ein elektrischer Strom in die Rotor- wicklung eingespeist werden kann, ohne dass hierfür ein hoher Beitrag zum Gewicht der elektrischen Maschine anfällt. Eine weitere Aufgabe ist es, eine elektrische Maschine mit einem derartigen Rotor zur Verfügung zu stellen. Zusätzlich soll auch ein Verfahren zum Betrieb eines solchen Rotors zur Verfügung gestellt werden.
Diese Aufgaben werden durch den in Anspruch 1 beschriebenen Rotor, die in Anspruch 11 beschriebene elektrische Maschine sowie das in Anspruch 12 beschriebene Betriebsverfahren gelöst.
Der erfindungsgemäße Rotor ist als Rotor für eine elektrische Maschine ausgelegt. Er umfasst eine supraleitende Rotorwick- lung, welche zur Ausbildung eines p-poligen Magnetfeldes aus¬ gelegt ist. Diese Rotorwicklung weist mehrere Wicklungsab¬ schnitte auf, welche jeweils einem der p magnetischen Pole zugeordnet sind. Dabei weist jeder Wicklungsabschnitt ein o- der mehrere Leiterwindungen auf. Die Rotorwicklung bildet we- nigstens einen in sich geschlossenen Stromkreis aus, in wel¬ chem ein Dauerstrom fließen kann. Dieser geschlossene Stromkreis weist einen Dauerstromschalter mit einem schaltbaren Leiterbereich auf, der zwischen einem supraleitenden Zustand und einem normalleitenden Zustand umschaltbar ist.
Der genannte Dauerstrom muss hier nicht notwendigerweise ein extrem konstanter Strom sein, wie er beispielsweise für den sogenannten Dauerstrom-Betrieb von einem supraleitenden Magneten in einem Magnetresonanzgerät („MR-Magnet" ) benötigt wird. Es ist also insbesondere nicht gefordert, dass der Wert des dauerhaft fließenden Stroms über Stunden, Tage oder sogar Wochen hinweg mit äußerst geringem Abklingen (beispielsweise bei MR-Magneten höchstens im Promillebereich) konstant bleibt. Wesentlich für einen Dauerstrom im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung ist nur, dass zumindest über einen Zeitraum von mehreren Stunden ein Stromfluss aufrecht erhalten bleibt, der sich in seiner Größenordnung nicht ändert. Ein Abklingen des Stroms beispielsweise um etwa 10 % bis 20 % seines ursprünglichen Wertes ist dabei für einen Betrieb der Maschine durchaus akzeptabel. Bei der hier verwendeten Bedeu¬ tung des Wortes Dauerstrom könnte man also allgemein auch von einem Pseudo-Dauerstrom sprechen.
Unter der Formulierung, dass jeder Wicklungsabschnitt jeweils einem der p magnetischen Pole zugeordnet ist, soll verstanden werden, dass entweder jeder Wicklungsabschnitt (gemäß einer 1 : 1-Zuordnung) genau einer Polspule entspricht oder aber dass jeder Wicklungsabschnitt einer Teilspule einer übergeordneten Polspule entspricht. Im zweiten Fall ist dann eine jeweilige Polspule aus mehreren solchen Teilspulen (also aus mehreren der genannten Wicklungsbereiche) zusammengesetzt. Jeder die¬ ser Wicklungsbereiche (also entweder jede Polspule oder jede Teilspule) weist dabei wenigstens eine vollständige Leiter¬ windung auf. Es können aber insbesondere vorteilhaft auch je¬ weils mehrere Leiterwindungen pro Polspule beziehungsweise pro Teilspule vorliegen. Das genannte Umschalten des schaltbaren Leiterbereichs zwi¬ schen dem supraleitenden Zustand und dem normalleitenden Zustand kann prinzipiell auf unterschiedliche Weise erfolgen. So kann ein solches Umschalten beispielsweise durch ein loka¬ les Aufheizen (ähnlich wie beim üblichen Einspeisen von Strom in Magnetresonanz-Magnete) oder aber auch durch ein magne¬ tisch ausgelöstes Quenchen erfolgen.
Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Rotors liegt darin, dass durch den schaltbaren Leiterbereich eine Einspei- sung von Strom in den geschlossenen Stromkreis der Rotorwicklung ermöglicht wird. Dies kann insbesondere dadurch erfol¬ gen, dass an zwei Verbindungsknoten, welche innerhalb der Rotorwicklung beidseitig benachbart zum schaltbaren Bereich liegen, eine zusätzliche Stromquelle angeschlossen wird. Es kann sich hierbei um eine externe Stromquelle handeln, welche insbesondere nicht Teil des Rotors und auch nicht Teil der elektrischen Maschine ist. Wesentlich ist, dass diese Stromquelle beim Betrieb der elektrischen Maschine wieder von der Rotorwicklung elektrisch getrennt sein kann. Durch den schaltbaren Leiterbereich und das Vorliegen eines ringförmig geschlossenen Stromkreises in der Rotorwicklung (wobei dieser ringförmige Stromkreis die externe Stromquelle nicht ein- schließen soll) wird ermöglicht, dass auch nach Abtrennung der Stromquelle weiterhin ein Dauerstrom in der Rotorwicklung fließt. Dies wird dadurch erreicht, dass zur Einspeisung der schaltbare Leiterbereich in einen normalleitenden Zustand versetzt wird und dass später, zur Aufrechterhaltung des Dau- erstroms, der schaltbare Leiterbereich wieder in einen supraleitenden Zustand versetzt wird. Auch wenn der hierdurch in die Rotorwicklung eingespeiste Dauerstrom nicht unbedingt extrem konstant sein muss, so wird trotzdem zumindest für die Dauer von einigen Stunden die Aufrechterhaltung eines Erre- gerfeldes des Rotors ermöglicht, ohne dass die externe Strom¬ quelle mit der Rotorwicklung verbunden sein muss. Hierdurch kann insbesondere das Gewicht der externen Stromquelle einge¬ spart werden und die elektrische Maschine kann insgesamt eine höhere Leistungsdichte erreichen als eine vergleichbare Ma- schine mit permanenter Einspeisung eines elektrischen Stroms in den Rotor.
Die erfindungsgemäße elektrische Maschine weist einen erfin¬ dungsgemäßen Rotor und einen feststehend angeordneten Stator auf. Die Vorteile dieser Maschine ergeben sich analog zu den oben beschriebenen Vorteilen des erfindungsgemäßen Rotors.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betrieb eines erfindungs¬ gemäßen Rotors umfasst die folgenden Schritte:
a) Verbindung der Rotorwicklung mit einer äußeren Stromquelle über zwei Verbindungsknoten, welche innerhalb des ge¬ schlossenen Stromkreises jeweils benachbart zu dem schalt¬ baren Leiterbereich angeordnet sind,
b) anschließende Einspeisung eines Stroms mittels der äußeren Stromquelle in einen Teil der Rotorwicklung,
c) anschließende Trennung der Rotorwicklung von der äußeren Stromquelle . Auch die Vorteile des Verfahrens ergeben sich analog zu den oben beschriebenen Vorteilen des erfindungsgemäßen Rotors. Allgemein gilt auch hier, dass die äußere Stromquelle nicht Teil des beschriebenen geschlossenen Stromkreises ist. Die Einspeisung des Stroms erfolgt insbesondere in den Teil der Rotorwicklung, der nicht durch den schaltbaren Leiterbereich gegeben ist. Dieser übrige Teil der Rotorwicklung wird im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung auch als Restwicklung bezeichnet. Die Einspeisung des Stroms von der Strom- quelle in die Restwicklung kann insbesondere dann erfolgen, wenn der schaltbare Leiterbereich in einem normalleitenden Zustand ist. Durch die beschriebenen Schritte a) bis c) wird insgesamt ein Strom in die Rotorwicklung eingespeist, der nach der Trennung von der äußeren Stromquelle weiterhin als Dauerstrom durch die Rotorwicklung fließt. Diese Aufrechterhaltung des Dauerstroms findet insbesondere dann statt, wenn der schaltbare Leiterabschnitt nach Einspeisung des Stroms wieder in einen supraleitenden Zustand versetzt worden ist. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den von den Ansprüchen 1 und 12 abhängigen Ansprüchen sowie der folgenden Beschreibung hervor. Dabei können die beschriebenen Ausgestaltungen des Rotors, der
elektrischen Maschine und des Betriebsverfahrens allgemein vorteilhaft miteinander kombiniert werden.
Allgemein besonders vorteilhaft kann der schaltbare Leiterbe¬ reich einen oder mehrere der genannten Wicklungsabschnitte umfassen. Insbesondere kann der schaltbare Leiterbereich im Wesentlichen aus einem oder mehreren derartigen Wicklungsabschnitten bestehen. Ein wesentlicher Vorteil dieser Ausführungsform ist, dass hierdurch ein relativ langer Leiterabschnitt für den schaltbaren Leiterbereich zur Verfügung steht, ohne dass hierfür zusätzliches Leitermaterial zur Ro- torwicklung hinzugefügt werden muss. Es kann nämlich zumindest ein Wicklungsabschnitt hierfür genutzt werden, der in der Rotorwicklung ohnehin vorhanden ist und dort zur Ausbildung des mehrpoligen Erregerfeldes dient. Diese „Doppelver- wendung" des schaltbaren Leiterbereichs steht auch im Gegensatz zu den entsprechenden Ausgestaltungen der schaltbaren Leiterbereiche in supraleitenden Magnetresonanz-Magneten, da dort die schaltbaren Leiterbereiche als zusätzliche Leiterbe- reiche vorliegen, welche keine wesentliche Funktion bei der Ausbildung des Magnetfeldes haben.
Ein weiterer Vorteil (neben der Doppelnutzung an sich) der Nutzung von wenigstens einem Wicklungsabschnitt als schaltba- rem Leiterbereich ist, dass hierdurch eine vergleichsweise große Leiterlänge für den schaltbaren Leiterbereich zur Verfügung gestellt wird. Der Grund hierfür ist, dass der Wick¬ lungsabschnitt immer wenigstens eine und typischerweise eine Mehrzahl von vollständigen Leiterwindungen umfasst. Ein sol- ches entsprechend langes Leiterstück stellt in seinem normal¬ leitenden Zustand auch einen entsprechend großen ohmschen Widerstand dar, was sich günstig auf die Einspeisung eines Stroms in die Rotorwicklung auswirkt, da dann das Widerstandsverhältnis zwischen dem schaltbaren Leiterbereich und den übrigen Teil der supraleitenden Rotorwicklung groß ist.
Vorteilhaft kann der schaltbare Leiterbereich dem Wicklungs¬ abschnitt beziehungsweise den Wicklungsabschnitten genau ei¬ nes magnetischen Pols entsprechen. Mit anderen Worten kann ein magnetischer Pol entweder einen oder mehrere Wicklungsabschnitte umfassen, wobei diese (r) dann den schaltbaren Leiterbereich ausbilden (bzw. ausbildet). Ein wesentlicher Vorteil dieser Ausführungsform ist, dass ein solcher magnetischer Pol räumlich von den übrigen Teilen der Rotorwicklung (die den anderen magnetischen Pol zugeordnet sind) getrennt ist und es daher besonders leicht möglich ist, den schaltba¬ ren Leiterbereich in den normalleitenden Zustand zu versetzen, während die übrigen Teile der Rotorwicklung supraleitend bleiben .
Alternativ ist es jedoch auch möglich und unter Umständen vorteilhaft, wenn der schaltbare Leiterbereich nur einen Teil eines magnetischen Pols umfasst. Auch bei diesem Teil kann es sich dann entweder um einen ausgewählten Wicklungsabschnitt oder auch um mehrere Wicklungsabschnitte (also insbesondere mehrere Teilspulen) dieses Pols handeln. Auch bei einer solchen Ausführungsform kann je nach Wicklungsgeometrie ein aus- reichend langer Leiterabschnitt für den schaltbaren Leiterbe¬ reich zur Verfügung gestellt werden. Durch geeignete thermische Trennung kann auch hierbei ermöglicht werden, dass der schaltbare Leiterabschnitt in den normalleitenden Zustand übergeht, während der übrige Teil der Rotorwicklung (auch in dem betrachteten Pol) im supraleitenden Zustand verbleibt.
Gemäß einer weiteren alternativen Ausführungsform ist es auch möglich, dass der schaltbare Leiterbereich dem Wicklungsabschnitt beziehungsweise den Wicklungsabschnitten mehrerer magnetischer Pole entspricht. Mit anderen Worten kann diese Mehrzahl von Polen dann jeweils entweder einen oder mehrere Wicklungsabschnitte umfassen, wobei diese (r) dann den schalt¬ baren Leiterbereich ausbilden (bzw. ausbildet). Ein möglicher Vorteil dieser Ausführungsform ist, dass bei Verwendung von mehreren magnetischen Polen für den schaltbaren Bereich unter Umständen eine Rotorwicklung mit höherer Symmetrie erhalten werden kann, als wenn nur ein magnetischer Pol unterschiedlich ausgestaltet wird als die übrigen. Die genannte unter¬ schiedliche Ausgestaltung kann dabei wiederum beispielsweise durch eine thermische Trennung des schaltbaren Leiterbereichs von den übrigen Teilen der Rotorwicklung gegeben sein
und/oder durch andere Kontaktwiderstände. Wenn die Wicklungs¬ abschnitte von mehreren magnetischen Polen zu dem schaltbaren Leiterbereich beitragen, kann durch die höhere Leiterlänge auch ein entsprechend höherer Widerstand im normalleitenden Zustand des schaltbaren Leiterbereichs erreicht werden.
Allgemein vorteilhaft und unabhängig von der genauen Ausgestaltung des schaltbaren Leiterbereichs kann dieser eine Lei- terlänge von wenigstens 5 m, insbesondere wenigstens 50 m um¬ fassen. Bei der genannten Leiterlänge soll es sich um die „abgewickelte" Leiterlänge des entsprechenden Wicklungsbe¬ reichs handeln. Eine derart hohe Leiterlänge im schaltbaren Leiterbereich bewirkt den Vorteil, dass wie oben beschrieben ein hoher Widerstand im normalleitenden Zustand und entspre¬ chend eine leichte Einspeisung eines Stroms in die Rotorwick¬ lung von einer äußeren Stromquelle ermöglicht wird.
Der schaltbare Leiterabschnitt kann im normalleitenden Zu¬ stand einen Widerstand R_schalt von wenigstens 15 mOhm, ins¬ besondere wenigstens 1,5 Ohm aufweisen, um die Einspeisung von Strom in die Rotorwicklung zu ermöglichen. Bei der Ein- speisung des Stroms kommt es dabei auf das Verhältnis der Wi¬ derstände zwischen dem normalleitenden dann schaltbaren Leiterabschnitt und dem noch supraleitenden übrigen Teil der Rotorwicklung an. Dabei hängt der Widerstand des schaltbaren Leiterabschnitts in seinem normalleitenden Zustand von dessen Leiterlänge, dem supraleitenden Material, der Leitergeometrie und optional vorhandenen weiteren Materialien ab, die dem supraleitenden Material in der Art eines Shuntwiderstandes parallel geschaltet sind.
Vorteilhaft kann der in sich geschlossene Stromkreis der Ro¬ torwicklung im vollständig supraleitenden Zustand eine Induktivität L und einen Widerstand R_betrieb aufweisen, wobei das Verhältnis L/R_betrieb im Bereich zwischen 50.000 s und
500.000 s liegt - also im Bereich von einigen Stunden bis einigen Tagen. Dieses Verhältnis entspricht im Wesentlichen der Zeitkonstante für das Abklingen des im Dauerstrom-Modus fließenden Stroms. Mit dem Widerstand R_betrieb soll dabei konkret der Gesamtwiderstand des ringförmig geschlossenen Stromkreises gemeint sein, der sich im vollständig supralei¬ tenden Betriebszustand ergibt.
Besonders vorteilhaft kann die Rotorwicklung ein hochtempera- tursupraleitendes Leitermaterial umfassen. Hochtemperatursup¬ raleiter (HTS) sind supraleitende Materialien mit einer
Sprungtemperatur oberhalb von 25 K und bei einigen Material¬ klassen, beispielsweise den Cuprat-Supraleitern, oberhalb von 77 K, bei denen die Betriebstemperatur durch Kühlung mit anderen kryogenen Materialien als flüssigem Helium erreicht werden kann. HTS-Materialien sind auch deshalb besonders attraktiv, da diese Materialien abhängig von der Wahl der Betriebstemperatur hohe obere kritische Magnetfelder sowie hohe kritische Stromdichten aufweisen können.
Der Hochtemperatursupraleiter kann beispielsweise Magnesium- diborid und/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 in sich geschlossene Stromkreis der Rotorwicklung kann insbesondere einen Gesamtwiderstand im Bereich bis zu InOhm im supraleitenden Zustand aufweisen. Ein derart niedriger Ge- samtwiderstand ist vorteilhaft, um einen möglichst verlust¬ freien Stromfluss zu bewirken und um (im Zusammenspiel mit der Induktivität des Stromkreises) ein möglichst langsames Abklingen des Dauerstroms zu bewirken. Da der Dauerstrom aber, wie oben beschrieben, im Gegensatz zu Magnetresonanz- Magneten nicht absolut konstant sein muss, ist es jedoch all¬ gemein möglich, dass der Gesamtwiderstand des geschlossenen Stromkreises im supraleitenden Zustand einen Wert von 10 yOhm oder mehr annimmt. Auch mit derart hohen Widerständen, die beispielsweise durch Kontaktwiderstände aufgrund normallei- tender Verbindungen zwischen einzelnen supraleitenden Spulen zustande kommen können, ist ein Betrieb der elektrischen Maschine in dem weiter oben näher beschriebenen Pseudo-Dauer- strommodus noch möglich. Dies kann vorteilhaft sein, um mit vergleichsweise geringem apparativen Aufwand insbesondere mit einem hochtemperatursupraleitenden Material einen Dauerstrom- Betrieb zu ermöglichen, ohne dass ein durchgehend supralei¬ tendes Material über den gesamten Bereich des geschlossenen Stromkreises zur Verfügung steht. Vor allem bei hochtempera¬ tursupraleitenden Materialien ist es nicht immer möglich, eine supraleitende Verbindung mit vernachlässigbarem Kontakt¬ widerstand zu schaffen. Es ist zwar grundsätzlich möglich und in manchen Fällen vorteilhaft, durch nachträgliches Auf¬ schlitzen eines zusammenhängenden Leiters eine durchgehend supraleitende Leiterschleife aus hochtemperatursupraleitendem Material zu erhalten. Dies wirkt sich günstig auf die elek¬ trischen Verluste aus, ist jedoch bei der Herstellung komplexer p-poliger Rotorwicklungen nicht immer handhabbar. Daher kann es günstig sein, eine Rotorwicklung mit einem Gesamtwiderstand oberhalb des genannten Werts zur Verfügung zu stel¬ len, um die Herstellung der Wicklung durch das Einbringen nachträglicher Kontakte zu erleichtern. Der Rotor kann bevorzugt eine Kühlvorrichtung aufweisen, mit der die Rotorwicklung auf eine Betriebstemperatur unterhalb der Sprungtemperatur des vorliegenden Supraleitermaterials gekühlt werden kann. Eine solche Kühlvorrichtung kann insbesondere wenigstens einen Kryostaten umfassen, innerhalb des- sen die Rotorwicklung angeordnet ist. Ein solcher Kryostat kann beispielsweise mit einem fluiden Kühlmittel gefüllt sein, welches die supraleitende Wicklung kühlt. Ein solcher Kryostat kann eine doppelwandige Gefäßwand aufweisen, wobei zwischen den beiden Wänden zur besseren thermischen Isolation ein Vakuumraum vorgesehen sein kann.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann der Rotor so ausgestaltet sein, dass das Umschalten des schaltbaren Lei¬ terbereichs in den normalleitenden Zustand durch Erwärmung erreicht werden kann. Hierzu kann der Rotor in der Umgebung des schaltbaren Leiterbereichs insbesondere ein Heizelement aufweisen. Alternativ kann das Umschalten des schaltbaren Leiterbereichs in den normalleitenden Zustand jedoch prinzipiell auch auf andere Weise, beispielsweise durch Anlegen eines starken Magnetfeldes erreicht werden. Hierzu kann der Rotor so ausgestaltet sein, dass in der Umgebung des schalt¬ baren Leiterbereichs ein zusätzliches magnetisches Feld ein¬ gebracht werden kann, beispielsweise durch Einführung eines Permanentmagneten in die Nähe dieses Bereichs, durch den Be- trieb einer zusätzlichen Magnetspule in diesem Bereich und/oder durch Einführen eines flussführenden Elements in diesem Bereich, welches einen magnetischen Fluss aus einem anderen Bereich außerhalb der Maschine in den Bereich des Dauerstromschalters leitet.
Allgemein besonders vorteilhaft kann der schaltbare Leiterbe- reich thermisch derart von den übrigen Teilen der Rotorwicklung getrennt sein, dass der schaltbare Leiterbereich in den normalleitenden Zustand übergehen kann, während die übrigen Teile im supraleitenden Zustand verbleiben. Dies kann insbesondere dadurch erreicht werden, dass der schaltbare Leiter- bereich in einem anderen Teilbereich des Kryostaten angeordnet ist als die übrigen Teile der Rotorwicklung. Alternativ kann der schaltbare Leiterbereich in einem separaten Kryostaten angeordnet sein. Allgemein ist es vorteilhaft, wenn der schaltbare Leiterbereich thermisch stärker von den übrigen Teilen der Rotorwicklung getrennt ist, als die sonstigen benachbarten Wicklungsabschnitte beziehungsweise die sonstigen benachbarten magnetischen Pole thermisch voneinander getrennt sind. Mit anderen Worten kann also zwischen dem schaltbaren Leiterbereich und den übrigen Teilen der Rotorwicklung eine zusätzliche thermische Isolation eingefügt sein, die an den übrigen Stellen der Rotorwicklung nicht vorhanden ist.
Daneben sind aber auch weitere Maßnahmen denkbar, mit denen sichergestellt werden kann, dass der schaltbare Leiterbereich in den normalleitenden Zustand übergehen kann, während die übrigen Teile im supraleitenden Zustand verbleiben. So kann beispielsweise im schaltbaren Leiterbereich die Kühlung (dauerhaft oder temporär) auf ein Minimum reduziert oder sogar ganz weggelassen werden. In den übrigen Bereichen kann (eben- falls dauerhaft oder temporär) die Kühlung intensiviert wer¬ den oder auf hohem Niveau aufrechterhalten werden. Alternativ oder zusätzlich können die übrigen Bereiche, beispielsweise über ein Kühlfluid und/oder einen Thermosiphon besonders gut thermisch an eine Kühlvorrichtung angebunden werden. Alterna- tiv oder zusätzlich ist es auch denkbar, im schaltbaren Leiterbereich ein hohes elektromagnetisches Wechselfeld anzule¬ gen, um so ohne starke Erwärmung einen normalleitenden Zustand zu erreichen. Alternativ oder zusätzlich ist es auch denkbar, den schaltbaren Leiterbereich nicht (nur) durch ein lokales Heizelement, sondern indirekt über Wärmestrahlung aufzuheizen. Hierzu kann beispielsweise ein geeignetes strah¬ lungsdurchlässiges Fenster im Bereich dieses Leiterabschnitts vorgesehen sein.
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 Luft- fahrzeuge. Sie sind jedoch auch im Bereich anderer - insbesondere 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 wie Hilfskomponenten, die im Betrieb benötigt werden. Die beim Betrieb nicht mehr angeschlossene Stromquelle fließt dann jedoch nicht mehr in das Gesamtgewicht ein. 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 Ma- schine 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 ho- hen 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, ausgelegt sein. Bei der elektrischen Maschine kann es sich allgemein bevor- zugt um eine Synchronmaschine handeln. Die Maschine kann als Antriebsmaschine und/oder als Generator in einem Fahrzeug - insbesondere in einem Luftfahrzeug - ausgelegt sein.
Das beschriebene Verfahren kann vorteilhaft nach dem genann- ten Schritt c) den folgenden zusätzlichen Schritt umfassen: d) Verwendung des Rotors zur Erzeugung eines rotierenden elektromagnetischen Feldes in einer elektrischen Maschine mittels eines im Anschluss an die Schritte a) bis c) in der Rotorwicklung fließenden Dauerstroms.
Dies ermöglicht vorteilhaft, dass die Maschine ohne die
Stromquelle betrieben werden kann. So kann beim Betrieb der Maschine auf das Gewicht der Stromquelle und auch auf das Ge¬ wicht einer Übertragungsvorrichtung verzichtet werden, was im Betrieb dann zu einer entsprechend höheren Leistungsdichte der Maschine führt.
Vorteilhaft kann der Dauerstrom dabei über einen Betriebszeitraum von drei Stunden um einen Anteil von höchstens 10% abfallen. Hierzu kann der Rotor insbesondere so ausgelegt sein, dass die Zeitkonstante für den Abfall (die im Wesentli¬ chen durch L/R gegeben ist) bei wenigstens 28,5 Stunden liegt. Wenn der zeitliche Abfall des Dauerstroms derart nach oben hin begrenzt ist, ist eine Verwendung der Maschine in einem Fahrzeug nach Abtrennung von der Stromquelle für einen Zeitraum von zumindest einigen Stunden möglich.
Alternativ oder zusätzlich kann der Dauerstrom über einen Betriebszeitraum von drei Stunden um einen Anteil von 20% oder mehr abfallen. Hierzu kann der Rotor insbesondere so ausge- legt sein, dass die Zeitkonstante für den Abfall bei 14 Stun¬ den oder weniger liegt. Ein derart schnelles Abklingen ist zwar nicht unbedingt erwünscht, kann aber für viele Anwendun¬ gen, insbesondere bei Maschinen in Fahrzeugen, im Anschluss an die Stromeinspeisung toleriert werden, wenn der Aufbau des Rotors hierdurch vereinfacht werden kann. Insbesondere können dann normalleitende Kontaktstellen zwischen den einzelnen supraleitenden Wicklungsabschnitten zum Einsatz kommen.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand einiger bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die angehängten Zeichnungen beschrieben, in denen:
Figur 1 ein schematisches Ersatzschaltbild einer Rotorwick¬ lung mit einem geöffneten Dauerstromschalter zeigt, welche mit einer externen Stromquelle verbunden ist,
Figur 2 ein entsprechendes Ersatzschaltbild zeigt, bei wel¬ chem der Dauerstromschalter geschlossen ist,
Figur 3 ein entsprechendes Ersatzschaltbild zeigt, bei wel¬ chem die externe Stromquelle entfernt ist,
Figur 4 eine schematische Schnittdarstellung eines Teils
einer elektrischen Maschine nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt,
Figur 5 eine schematische Darstellung von Bestandteilen einer
Rotorwicklung zeigt,
Figur 6 eine schematische Darstellung des Aufbaus eines mag¬ netischen Pols in einer ähnlichen Rotorwicklung zeigt .
In den Figuren sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
In Figur 1 ist ein schematisches Ersatzschaltbild einer Ro¬ torwicklung 1 gezeigt, welche zur Stromeinspeisung mit einer Stromquelle 13 verbunden ist. Die Rotorwicklung 1 weist einen Dauerstromschalter 6 auf, welcher über einen ersten Verbindungsknoten 8 und einen zweiten Verbindungsknoten 10 mit den übrigen Teilen der Rotorwicklung 1 verbunden ist. Diese übrigen Teile sind hier zu einer nur sehr schematisch dargestellten Restwicklung 3 zusammengefasst , obwohl sie in einem realen Rotor typischerweise in mehrere einzelne Polspulen struk¬ turiert sein werden, welche dann elektrisch zu einer zusam- menhängenden Wicklung verbunden sind. Bei dem hier dargestellten Ersatzschaltbild kommt es jedoch auf diese Struktu¬ rierung nicht an, sondern nur auf die Aufteilung der Rotorwicklung in den Dauerstromschalter 6 und die Restwicklung 3. Diese beiden Wicklungsteile bilden zusammen einen geschlosse¬ nen Stromkreis 5 aus, in dem ein Strom zumindest bei ge¬ schlossenem Dauerstromschalter 6 ringförmig fließen kann.
In Figur 1 ist der Dauerstromschalter 6 schematisch in geöff- neter Konfiguration dargestellt. Diese geöffnete Konfigurati¬ on soll allerdings nicht bedeuten, dass hier gar keine elekt¬ rische Verbindung vorliegt, sondern nur, dass der Dauerstromschalter 6 (beziehungsweise dessen schaltbarer Leiterbereich) im normalleitenden und nicht im supraleitenden Zustand vor- liegt. Analog soll unter dem geschlossenen Zustand des Schal¬ ters ein supraleitender Zustand des schaltbaren Leiterbereichs verstanden werden. Es handelt sich bei dem Dauerstromschalter 6 also um einen zwischen zwei deutlich unterschiedlichen Werten umschaltbaren Widerstand.
Die gesamte Rotorwicklung 1, also sowohl der Dauerstromschal¬ ter 6 als auch die Restwicklung 3 weisen ein supraleitendes Leitermaterial auf. Die gepunktete Linie, die sowohl den Dau¬ erstromschalter 6 als auch die Verbindungsknoten 8 und 10 so- wie die Restspule 3 umgibt, soll hier schematisch die äußere Umrisse eines Kryostaten 11 darstellen. In diesem Kryostaten kann die gesamte Rotorwicklung 1 auf eine Betriebstemperatur unterhalb der Sprungtemperatur des supraleitenden Materials gekühlt werden. Durch die Verbindungspunkte 8 und 10 ist die Rotorwicklung mit einer äußeren Stromquelle 13 verbunden, welche außerhalb des Kryostaten 11 angeordnet ist. Diese Ver¬ bindung mit der Stromquelle 13 dient zur Einspeisung eines Stroms in die Rotorwicklung. Für einen weiteren Betrieb der elektrischen Maschine kann diese Verbindung allerdings wieder getrennt werden, wie später noch deutlich werden wird.
Über die Stromquelle 13 kann nun ein Gleichstrom in die Rotorwicklung eingespeist werden. In dem dargestellten Zustand mit verbundener Stromquelle 13 und geöffnetem Dauerstromschalter 6 ergibt sich dadurch ein Ladestrom Ii, der wie dargestellt durch die Restwicklung und durch die Leiterverbindungen der Stromquelle 13 fließt, nicht aber durch den Dauer- Stromschalter 6. Bedingt durch den endlichen ohmschen Widerstand des geöffneten Dauerstromschalters 6 fließt hier ein geringer Leckstrom I2. Figur 1 zeigt also eine Rotorwicklung 1 in einem Zustand während der Durchführung des weiter oben genannten Verfahrensschrittes b) , also mit verbundener Strom- quelle und während der Einspeisung des Stroms Ii. Weiterhin ist in einem zusätzlichen Schritt - insbesondere zwischen Schritt a) und Schritt b) - der Dauerstromschalter 6 in sei¬ nem normalleitenden Zustand versetzt worden. Bei der gezeigten Rotorwicklung handelt es sich um eine Rotorwicklung in einem Rotor beziehungsweise einer Maschine gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Dabei sind die übrigen Komponenten des Rotors beziehungsweise der Maschine der Über¬ sichtlichkeit halber hier nicht näher dargestellt. Figur 2 zeigt ein entsprechendes Ersatzschaltbild für die Ro¬ torwicklung 1 der Figur 1, bei welchem aber der Dauerstromschalter 6 geschlossen ist. Der schaltbare Leiterabschnitt dieses Dauerstromschalters 6 befindet sich also in seinem supraleitenden Zustand. Dies wurde durch einen weiteren Ver- fahrensschritt im Anschluss an den vorher gezeigten Schritt b) herbeigeführt. Durch dieses Umschalten wird erreicht, dass nun ein Ringstrom I3 durch den nunmehr geschlossenen Stromkreis 3 der Rotorwicklung 1 fließt. Im Bereich der elektrischen Verbindungen zur Stromquelle 13 fließt aufgrund des we- sentlich niedrigeren elektrischen Widerstandes in dem nun supraleitenden Dauerstromschalter 6 ein vergleichsweise niedriger Reststrom I4. Der durch den ringförmig geschlossenen Stromkreis 3 fließende Ringstrom I3 ist daher nur unwesent¬ lich kleiner als der ursprünglich eingespeiste Ladestrom Ii.
Figur 3 zeigt ein entsprechendes Ersatzschaltbild für die Ro¬ torwicklung der Figuren 1 und 2, bei welchem aber nun entsprechend Verfahrensschritt c) die Stromquelle 13 von den beiden Verbindungsknoten 8 und 10 entfernt wurde. Die Trennung dieser Verbindung kann dabei insbesondere - wie durch die übrig gebliebenen Leiterabschnitte angedeutet - außerhalb des Kryostaten 11 erfolgen. Nach erfolgter Trennung der
Stromquelle 13 fließt nun ein nur langsam abklingender Dauerstrom I5 durch den ringförmig geschlossenen Stromkreis 3.
Dieser über die Rotorwicklung 1 fließende Dauerstrom kann beim Betrieb einer den Rotor umfassenden elektrischen Maschine zur Erzeugung eines Erregerfeldes genutzt werden, ohne dass die Stromquelle 13 Teil der elektrischen Maschine ist.
Figur 4 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines Teils einer elektrischen Maschine 40 nach einem Ausführungs¬ beispiel der Erfindung. Gezeigt ist ein 90 ° -Winkelsegment der Maschine in einer Schnittebene, welche senkrecht zur zentra¬ len Achse A der Maschine liegt. Die elektrische Maschine 1 weist einen innenliegenden, um die zentrale Achse A rotierbar gelagerten Rotor 41 auf. Dieser Rotor 41 ist mit einer Rotorwicklung 1 ausgestattet, die zur Erzeugung eines p-poligen Magnetfeldes ausgelegt ist. Hierzu ist die Rotorwicklung 1 in eine Mehrzahl p von Polspulen unterteilt, die jeweils einem magnetischen Pol zugeordnet sind. Die beiden dargestellten der insgesamt acht Polspulen der elektrischen Maschine sind hier mit pi und P2 gekennzeichnet. Diese einzelnen Polspulen sind untereinander elektrisch zu einer übergeordneten Rotorwicklung 1 mit einem ringförmig geschlossenen elektrischen Stromkreis verbunden, wie dies auch in den Ersatzschaltbild an der Figuren 1 bis 3 dargestellt war. Der innenliegende Rotor 41 wird radial von einem feststehenden Stator 42 umgeben. Sowohl Rotor als auch Stator weisen hier eine kreiszylindrische Grundform auf. Der Stator umfasst ein außenliegendes zylindermantelförmiges Eisenjoch 44 als flussführendes Element. Zwischen dem Eisenjoch 44 und dem Ro- tor 41 befindet sich ein Luftspalt 45, in dem hier ebenfalls die Statorwicklung 43 des Stators 42 angeordnet ist. Es han¬ delt sich hier also um eine sogenannte Luftspaltwicklung. Bei der elektrischen Maschine 40 kann es sich beispielsweise um eine Synchronmaschine handeln. Die Maschine kann allgemein als Rotor und/oder als Generator ausgebildet sein. Die Ein- speisung eines Dauerstroms in die elektrische Maschine 40 der Figur 4 kann vorteilhaft so wie in den Figuren 1 bis 3 darge- stellt erfolgen. Dabei kann der Dauerstromschalter 6 durch einen schaltbaren Leiterbereich gegeben sein, welcher entweder einer ganzen Polspule, mehreren Polspulen oder aber einer Teilspule einer solchen Polspule entspricht. Die erste dieser Varianten wird mittels der Figur 5 näher erläutert: So zeigt Figur 5 eine schematische Darstellung von Bestandteilen einer Rotorwicklung 1, wie sie beispielsweise in der Maschine 40 der Figur 4 zum Einsatz kommen kann. Dabei kann die Zahl der elektrischen Pole prinzipiell auch anders als bei der Maschi¬ ne der Figur 4 gewählt sein. Beispielhaft sind in der Figur 5 nur vier Polspulen 50a, 50b, 50c und 50p dargestellt, wobei durch die Punkte in der Verbindung zwischen den Spulen 50c und 50p angedeutet ist, dass dazwischen noch weitere derar¬ tige Polspulen vorliegen können. Die Polzahl p kann beispielsweise allgemein vorteilhaft Werte zwischen 2 und 12 aufweisen und besonders vorteilhaft bei 8 liegen.
Bei den einzelnen Polspulen 50a bis 50p handelt es sich jeweils um supraleitende Spulen, welche beispielsweise als zy¬ linderförmige Flachspulen oder aber auch als Sattelspulen ausgebildet sein können. Die zylinderförmigen Flachspulen können prinzipiell verschiedenartige Grundformen aufweisen. So kann es sich grundsätzlich um kreiszylindrische Spulen, um ovale Spulen, Rechteckspulen oder - wie hier dargestellt - um rennbahnartige Spulen handeln. Diese flachen oder sattelför- migen Spulen weisen jeweils eine Mehrzahl von Windungen w± eines supraleitenden elektrischen Leiters 51 auf. Sie sind jeweils über ihre radial innenliegenden und radial außenlie¬ genden Leiterenden so miteinander verbunden, dass sich insgesamt ein ringförmig geschlossener Stromkreis 5 ergibt, wel- eher sich hier über alle Polspulen erstreckt. Hierzu sind zwischen den einzelnen supraleitenden Spulen einzelne Verbindungsleiter 53 angeordnet, welche prinzipiell entweder supra¬ leitend oder normalleitend sein können. Wesentlich ist nur, dass die Verluste der gesamten Rotorwicklung 1 ausreichend klein sind, damit ein einmal in den ringförmigen Stromkreis 5 eingespeist Dauerstrom für einen Betrieb der elektrischen Maschine ausreichend lange fließen kann. Es können also auch die supraleitenden Spulen durch supraleitende Verbindungslei¬ ter, aber normalleitende Kontaktmaterialien miteinander verbunden sein.
Im gezeigten Beispiel ist der schaltbare Leiterbereich 54, welcher den Dauerstromschalter 6 ausbildet, durch genau eine Polspule gebildet, nämlich durch die rechts dargestellte Pol¬ spule 50p. Die übrigen Polspulen bilden zusammen die Restwicklung 3. Zwischen der Restwicklung 3 und dem schaltbaren Leiterbereich 54 ist auf beiden Ästen des Stromkreises je- weils ein Verbindungsknoten 8, 10 angeordnet. Über diese Verbindungsknoten 8, 10 ist die Rotorwicklung elektrisch mit einer Stromquelle 13 verbindbar. Figur 5 zeigt einen Zustand, bei denen diese Stromquelle 13 an die entsprechenden Verbindungsknoten angeschlossen ist. Analog zu dem in den Figuren 1 bis 3 dargestellten Ablauf kann hiermit ein Ringstrom I3 in die Rotorwicklung eingespeist werden, welcher auch nach Abtrennung der Stromquelle 13 als Dauerstrom durch die gesamte Rotorwicklung fließt. Um ein Umschalten des schaltbaren Leiterbereichs 54 in den normalleitenden Zustand zu ermöglichen, während die Restwicklung 3 supraleitend bleibt, ist hier die Polspule 50p ausreichend thermisch von den übrigen Polspulen isoliert. Weiterhin ist die Polspule 50p mit einem Heizele¬ ment 55 versehen, mit dem sie leicht und schnell in einen normalleitenden Zustand versetzt werden kann.
Alternativ zu der in Figur 5 dargestellten Ausführungsform können allgemein auch mehrere Pole zusammen den schaltbaren Leiterbereich bilden, oder aber es kann auch nur ein Teil einer solchen Polspule den schaltbaren Leiterbereich ausbilden. Bei der letztgenannten Variante kann insbesondere jede der
Polspulen aus mehreren Teilspulen zusammengesetzt sein. Dann können entweder eine oder mehrere Teilspulen einer ausgewählten Polspule den schaltbaren Leiterbereich bilden. Ein ent- sprechendes Ausführungsbeispiel ist schematisch in Figur 6 dargestellt, in der beispielhaft eine schematische Darstel¬ lung des Aufbaus eines magnetischen Pols 50p einer ähnlichen Rotorwicklung 1 wie in der Figur 5 gezeigt ist. Im Unter- schied zu dem dortigen Beispiel weist die hier gezeigte Pol¬ spule 50p mehrere supraleitende Teilspulen auf, welche nach¬ träglich durch hier nicht gezeigte elektrische Verbindungen zu einer übergeordneten Gesamtspule verbunden worden sind. Gezeigt ist ein Querschnitt mit einer Schnittebene, welche durch die beiden langen Leiterschenkel der hier ebenfalls rennbahnartig ausgebildeten Spulen schneidet.
In diesem Beispiel bildet nur eine Teilspule 60x den schalt¬ baren Leiterbereich 54 aus, während die übrigen dargestellten Teilspulen 60a, 60b zusammen mit den hier nicht gezeigten übrigen Polspulen die sogenannte Restwicklung 3 ausbilden. Die Teilspulen 60a bis 60x eines magnetischen Pols sind unterei¬ nander zu einer übergeordneten Polspule verbunden, während die einzelnen Polspulen wieder zu der übergeordneten ringför- mig geschlossenen Rotorwicklung 1 verbunden sind. Im Übrigen funktionieren die Einspeisung eines Ladestroms und der Betrieb der Maschine im Dauerstrom-Modus analog wie für das vorhergehende Ausführungsbeispiel beschrieben. Der wesentli¬ che Unterschied besteht darin, dass nur ein kürzerer Leiter- abschnitt für den Dauerstromschalter zur Verfügung steht und dass die hierfür zur Verfügung gestellte Teilspule 60x von den übrigen Teilspulen 60a, 60b desselben magnetischen Pols zweckmäßig etwas stärker thermisch isoliert sein sollte als die übrigen Teilspulen desselben Pols normalerweise thermisch voneinander isoliert sind. Dies ist schematisch durch ein zusätzliches thermisches Isolationselement 62 zwischen der aus¬ gewählten Teilspule 60x und der benachbarten Teilspule 60b dargestellt .

Claims

Patentansprüche
1. Rotor (41) für eine elektrische Maschine (40), umfassend eine supraleitende Rotorwicklung (1), welche zur Ausbildung eines p-poligen Magnetfeldes ausgelegt ist,
- wobei die Rotorwicklung (1) mehrere Wicklungsabschnitte
(50a, 50b, 50c, 50p) aufweist, welche jeweils einem der p mag¬ netischen Pole (p!,p2,pi) zugeordnet sind, wobei jeder Wick¬ lungsabschnitt (50a, 50b, 50c, 50p) ein oder mehrere Leiter- Windungen (wi) aufweist,
- wobei die Rotorwicklung (1) wenigstens einen in sich geschlossenen Stromkreis (5) ausbildet, in welchem ein Dauerstrom (I5) fließen kann,
- wobei der geschlossene Stromkreis (5) einen Dauerstrom- Schalter (6) mit einem schaltbaren Leiterbereich (54) aufweist, der zwischen einem supraleitenden Zustand und einem normalleitenden Zustand umschaltbar ist.
2. Rotor (41) nach Anspruch 1, bei welchem der schaltbare Leiterbereich (54) einen oder mehrere der genannten Wicklungsabschnitte (50a, 50b, 50c, 50p) umfasst.
3. Rotor (41) nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem der schaltbare Leiterbereich (54) dem Wicklungsabschnitt (50p) oder den Wicklungsabschnitten genau eines magnetischen Pols (pi) entspricht .
4. Rotor (41) nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem der schaltbare Leiterbereich (54) dem Wicklungsabschnitt oder den Wick- lungsabschnitten mehrerer magnetischer Pole (pi,P2/Pi) ent¬ spricht .
5. Rotor (41) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem der schaltbare Leiterbereich (54) eine Leiterlänge von wenigstens 5m aufweist.
6. Rotor (41) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem der schaltbare Leiterbereich (54) im normalleitenden Zustand einen Widerstand von wenigstens 15 mOhm aufweist. 7. Rotor (41) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die Rotorwicklung (41) ein hochtemperatursupraleiten- des Leitermaterial umfasst.
8. Rotor (41) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem der in sich geschlossene Stromkreis (5) einen Gesamt¬ widerstand im Bereich zwischen 1 nOhm und 500 yOhm aufweist.
9. Rotor (41) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welcher eine Kühlvorrichtung (11) aufweist, mit der die Rotor- wicklung (1) auf eine Betriebstemperatur unterhalb der
Sprungtemperatur des Supraleitermaterials gekühlt werden kann .
10. Rotor (41) nach Anspruch 9, bei welchem der schaltbare Leiterbereich (54) thermisch derart von den übrigen Teilen der Rotorwicklung (1) getrennt ist, dass der schaltbare Lei¬ terbereich (54) in den normalleitenden Zustand übergehen kann, während die übrigen Teile (3) im supraleitenden Zustand verbleiben können.
11. Elektrische Maschine (40) mit einem Rotor (41) nach einem der vorhergehenden Ansprüche und einem feststehend angeordneten Stator (42). 12. Verfahren zum Betrieb eines Rotors (41) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, umfassend die folgenden Schritte:
a) Verbindung der Rotorwicklung (1) mit einer äußeren Stromquelle (13) über zwei Verbindungsknoten (8,10), welche in¬ nerhalb des geschlossenen Stromkreises (5) jeweils benach- bart zu dem schaltbaren Leiterbereich (54) angeordnet sind, b) anschließende Einspeisung eines Strom ( I i ) mittels der äußeren Stromquelle (13) in einen Teil (3) der Rotorwicklung (1),
c) anschließende Trennung der Rotorwicklung (1) von der äuße- ren Stromquelle (13) .
13. Verfahren nach Anspruch 12, welches nach Schritt c) den folgenden Schritt umfasst:
d) Verwendung des Rotors (41) zur Erzeugung eines rotierenden elektromagnetischen Feldes in einer elektrischen Maschine
(40) mittels eines im Anschluss an die Schritte a) bis c) in der Rotorwicklung (1) fließenden Dauerstroms (I5).
14. Verfahren nach Anspruch 13, bei welchem der Dauerstrom (I5) über einen Betriebszeitraum von drei Stunden um einen
Anteil von höchstens 10% abfällt.
15. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, bei welchem der Dauerstrom ( I 5 ) über einen Betriebszeitraum von drei Stunden um einen Anteil von 20% oder mehr abfällt.
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