WO2020083671A1 - Rotor und maschine mit supraleitendem permanentmagneten in einem rotorträger - Google Patents

Rotor und maschine mit supraleitendem permanentmagneten in einem rotorträger Download PDF

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strip
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Peter Kummeth
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Rolls-Royce Deutschland Ltd & Co Kg
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Definitions

  • the present invention relates to a rotor for an elec tric machine with a central rotor axis, comprising a rotor carrier and at least one mechanically carried by the rotor carrier me permanently magnetic superconducting magnetic device with one or more superconducting magnetic elements. Furthermore, the invention relates to an electrical machine with such a rotor and a method for the manufacture of such a rotor.
  • the power density of an electrical machine scales with the magnetic flux density that can be generated by the electric or permanent magnets used in the electrical machine. This relationship allows a significant increase in the power density without a significant change in the topology of the electrical machine, if conventional permanent magnets are replaced by super permanent permanent magnets, for example, since higher magnetic flux densities can be generated with them.
  • One approach to increasing the power density is therefore to use an electrical machine with permanent magnets made of super equip conductive materials.
  • Such materials can generate magnetic flux densities in orders of magnitude which are a multiple of the flux densities that can be generated with conventional permanent magnets at correspondingly low temperatures.
  • YBCO yttrium barium copper oxide
  • DE102016205216A1 describes an electrical machine with superconducting permanent magnets and a method for magnetizing the permanent magnets.
  • Superconducting permanent magnets must first be magnetized at a cryogenic temperature below the transition temperature of the super conductor before they are operated and then kept permanently at such a cryogenic temperature. Due to the loss-free current flow in the superconductor material, a permanent magnetization state is achieved.
  • a p-pole magnetic field can be generated by the rotor, where the number p of the magnetic poles is either directly Number of permanent magnetic superconducting magnetic elements distributed over the circumference or the number of groups of superconducting magnetic elements combined to form a pole corresponds.
  • the individual superconducting magnetic elements can in principle either be designed as a stack of several superconducting tape conductors or as superconducting bulk elements.
  • the execution of the magnetic elements as a strip conductor stack has proven to be advantageous in order to produce superconducting magnetic elements with comparatively large dimensions and generally relatively freely selectable size and geometry.
  • the amount of superconducting material required is relatively low in comparison with the superconducting bulk elements.
  • a disadvantage of the known permanently excited rotors with superconducting strip conductor stacks is that the production of the individual superconducting magnetic elements is comparatively complex and he requires additional manufacturing devices.
  • the individual strip conductor stacks according to the prior art were typically used as prefabricated components which are manufactured in a separate manufacturing process before being arranged in the rotor carrier. In the manufacture of these prefabricated components, the individual strip conductors are arranged in the desired stack geometry and the stack thus formed is connected to an mechanically stable prefabricated component by an adhesive or a potting agent. In this way, in particular mechanically intrinsically stable cuboid magnetic elements can be formed, which are then embedded as a whole in the associated cutouts in the rotor carrier.
  • the use of such prefabricated components has the disadvantage that there is a not negligible layer of adhesive or casting compound in the area of the outer surfaces, which layer thermally couples the superconducting strip conductors of the stack to the rotor carrier. sword. If the prefabricated component is to meet specified geometrical dimensions, then it is expedient to compensate for slight variations in the spatial position of the individual strip conductors of the stack by means of enveloping adhesive or casting compound. In addition, the adhesive or potting agent should ensure the mechanical strength of the prefabricated component. The layer thickness of this external material is therefore not to be neglected and is typically in the range of 1 mm or more.
  • thermal conductivity of typical adhesives or potting agents is relatively low in comparison to metallic materials, so that such an enveloping or compensating layer can make the thermal coupling of the individual superconductors more difficult for the strip conductor.
  • a small gap is further formed between the component and the rotor carrier. If this gap remains empty, there is a particularly poor thermal coupling to the surrounding rotor carrier in this area. Even if it is filled with an additional filler, the overall result is an undesirably high layer thickness of additional material between the strip conductors and the material of the rotor carrier.
  • the object of the invention is therefore to provide a rotor which overcomes the disadvantages mentioned.
  • a rotor is to be made available which is comparatively easy to manufacture and in which there is a good thermal connection of the strip conductors used in the strip conductor stack to the rotor carrier.
  • Another task is to admit an electrical machine with such a rotor.
  • a method for producing such a rotor is to be made available.
  • the rotor according to the invention is designed as a rotor for an electrical machine. It has a central rotor axis A.
  • the rotor comprises a rotor carrier and a permanent magnetic superconducting magnet device mechanically carried by the rotor carrier with one or more superconducting the magnetic elements.
  • the respective superconducting magnetic element is embedded in a matching, assigned radially outer recess of the rotor carrier.
  • the respective superconducting magnetic element is formed by at least one stack of several superconducting strip conductors.
  • the respective strip conductor stack is fixed in the associated recess by a pole cap arranged radially further outside, in such a way that the pole cap holds the individual strip conductors together in the stack.
  • a permanent magnetic superconducting magnet element is to be understood in the present context as an element which comprises a superconductor material and which can be brought into a permanently magnetized state by magnetization at a cryogenic temperature and maintenance of this cryogenic temperature.
  • the rotor described may in particular comprise a plurality of such superconducting magnetic elements in order to be able to generate a multipole magnetic field. These magnetic elements can be distributed over the circumference of the rotor in such a way that they (either individually or in groups) correspond to the individual magnetic poles of a permanently excited rotor.
  • the individual strip conductors of the strip conductor stack are in particular stacked one above the other in the radial direction. In this way, a stack of strip conductors can be formed particularly simply by sequentially inserting individual strip conductors into the radially outer recess.
  • a major advantage of the rotor according to the invention is that the strip conductor stack is not present as a prefabricated component, but only as a stack formed in situ.
  • the tape conductor stack should special only be formed within the associated recess of the ro tor carrier.
  • the strip conductor stack does not form a mechanically intrinsically stable prefabricated component.
  • the individual strip conductors have therefore in particular not been connected to one another to form a prefabricated component before being inserted into the recess with an adhesive or casting compound.
  • the individual strip conductors of the strip conductor stack can also be stacked loosely one above the other in the finished rotor.
  • the individual strip conductors of the strip conductor stack can also have been connected to one another subsequently (that is to say after being inserted into the cutout of the rotor carrier). Such a subsequent connection can be made, for example, by filling in the gaps with an adhesive and / or a potting compound.
  • connection is only subsequently produced and has not already been formed in a prefabricated magnetic element as in the prior art can easily be seen from the fact that in such a case there is no gap between the strip conductor stack and the surrounding areas of the rotor carrier. Such a gap is in fact completely filled when the adhesive or potting agent is subsequently introduced.
  • the individual strip conductors of the stack are fixed by the pole cap. If the individual strip conductors are only loosely one above the other in the finished rotor, the individual strip conductors are held together in the radial direction essentially only by the pole cap. If, however, the individual strip conductors in the finished rotor have additionally been connected to one another by a subsequently introduced adhesive or casting compound, the polar cap provides for the initial fixation before such an adhesive or casting compound is introduced into the recess and the The stack is then additionally fixed. In this case, the stack is fixed by the polar cap during the curing of the potting or adhesive. All variants have in common that the polar cap is pressed against the tape conductor stack with a contact pressure from radially outside and thus fixes the individual tape conductors against each other.
  • the described design of the strip conductor stack as a non-prefabricated, but only in situ formed strip conductor stack has two major advantages: on the one hand, the manufacture of the rotor is improved in that fewer process steps and fewer special production devices are required and the production is simplified overall . If the formation of the strip conductor stack only takes place within the associated recess, no separate device for producing the prefabricated magnetic elements is required.
  • Another advantage lies in the fact that an optionally present layer that envelops or laterally delimits the strip conductor stack (that is, a layer between the strip conductor stack and the surrounding parts of the rotor carrier) can be formed substantially thinner overall than in the case of corresponding prefabricated construction parts. With such a thin configuration of the enveloping layer, a significantly improved thermal connection of the individual strip conductors to the rotor carrier can be achieved.
  • the electrical 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 arise analogously to the described advantages of the rotor according to the invention.
  • the method according to the invention is used to produce a rotor according to the invention. It includes the following steps:
  • the strip conductor stack is only formed in situ within the cutout and is not available as a prefabricated component.
  • the pole cap which is arranged radially on the outside, is only attached subsequently, that is to say only after the formation of the strip conductor stack.
  • This enables mechanical fixation of the strip conductor stack formed in situ.
  • a plurality of such stacks can also be formed within one or more suitable cutouts, as a result of which several superconducting magnetic elements then arise in the latter case. So it can also be formed side by side within a given recess several stacks.
  • suitable is intended in the present context to mean generally that the size and shape of the recess should either fit exactly one stack or to a number of stacks lying next to one another in the recess.
  • the individual superconducting strip conductors can lie loosely one above the other in the at least one strip conductor stack.
  • they should in particular not be connected to one another to form a mechanically fixed unit, in particular not be potted or glued.
  • the individual strip conductors are therefore in principle mutually displaceable in the direction Licher.
  • the lateral direction here means a direction perpendicular to the stacking direction and parallel to the strip conductor level. Such lateral displacement is in any case not prevented by a mechanically firm connection of the individual band leads. If there is enough space on the side next to the strip conductors for such a movement, a lateral shift is possible with this variant.
  • the production of the strip conductor stack is particularly simple, since no additional step for producing a fixed strip conductor composite is required at all.
  • the individual strip conductors are only fixed against each other by the pole cap pressed against the outside.
  • This embodiment is particularly advantageous in combination with a filling of the cavities formed by a thermal grease.
  • a thermal grease is at least at room temperature as a highly viscous liquid and does not form a mechanically strong bond between the strip conductors.
  • the thermal grease advantageously brings about a good thermal coupling of the individual strip conductors to the rotor carrier.
  • the individual superconducting tape conductors of the at least one tape conductor stack can be connected to one another by Ver and / or potting within the associated recess. This gluing or potting was then carried out in particular subsequently, in other words only after the stack had been inserted into the recess. This first subsequent formation of the firm bond between the individual strip conductors can easily be recognized by the fact that the adhesive or the potting agent fills the gap between the strip conductor stack and the boundary walls of the recess without a gap. In the case of a prefabricated, glued or potted magnetic element, on the other hand, a residual gap would remain between the adhesive or the potting agent and the boundaries of the recess.
  • the residual gap present according to the prior art could be filled up with a further filler in order to further improve the thermal coupling.
  • This additional step is omitted in the described embodiment of the rotor according to the invention, whereby the manufacturing process is facilitated overall.
  • a suitable encapsulant should generally be understood.
  • this can be either an organic or an inorganic potting compound.
  • the potting compound can in particular be a low-melting metal solder material.
  • a major advantage of such a metallic solder material is that it has a significantly higher thermal conductivity than most organic materials. A better thermal coupling of the strip conductor stack to the rotor carrier can thus be achieved.
  • the thermal expansion coefficient is typically lower for metallic solder materials than for typical organic potting agents.
  • a potting compound should generally be understood to mean a potting compound introduced into the remaining intermediate spaces after the strip conductor stack has been formed.
  • an adhesive or other filler can also be introduced during the formation of the stack in the resulting lateral cavities and, if appropriate, also in spaces between the individual superimposed strip conductors.
  • this can preferably be designed such that it at least covers the stack of strip conductors both in the axial and in the azimuthal direction. It should therefore be at least as wide as the strip conductor stack in the directions mentioned. Especially partially, it can protrude at least in the azimuthal direction in order to achieve a particularly reliable mechanical fixation.
  • a pole cap can in particular have a cross-sectional shape with a rounded radially outer surface and a protrusion on both sides (beyond the lateral dimension of the magnetic element) in the circumferential direction.
  • the pole cap can be formed from an amagnetic material according to a first advantageous embodiment. In this embodiment, therefore, there is no magnetic interaction between the superconducting magnetic element and the pole cap. Rather, the pole cap essentially serves to mechanically fix the strip conductor stack.
  • the pole cap can comprise a ferromagnetic material.
  • it can be formed essentially from a ferromagnetic material.
  • Such a ferromagnetic pole cap can help to improve the magnetic flux guidance of the excitation field formed.
  • such a ferromagnetic pole cap can contribute to a homogenization of the magnetic flux.
  • a magnetic element is formed from a plurality of stacked (axially and / or azimuthally) adjacent strip conductors. In such a case, the adjacent strip conductor stacks typically form a relatively inhomogeneous magnetic field which has individual maxima of the magnetic flux density stacked over the individual part.
  • a significantly more homogeneous flow distribution is desired, in which these sharp maxima should be smoothed.
  • Such smoothing can be achieved in an advantageous manner by a ferromagnetic pole cap which covers the partial stack lying side by side.
  • Advantageous ferromagnetic materials for the pole cap are, for example, iron and iron-containing alloys and compounds, in particular soft iron, ferrite, St37, transformer sheet, dynamo sheet, cobalt iron, silicon iron, nickel iron and the alloy X8Ni9.
  • the ferromagnetic material generally has a comparatively high saturation magnetization, for example a saturation magnetization between 1.0 Tesla and 2.5 Tesla and particularly advantageously in the range between 1.5 Tesla and 2.5 Tesla.
  • this is made thinner in its azimuthal edge regions and extends there less radially outwards than in its azimuthal center.
  • the permanent magnetic super-magnetic device for generating a magnetic field can be designed with a magnetic flux density of at least 1 Tesla.
  • the magnetic flux density is particularly preferably even above 1.5 T.
  • the flux density mentioned can be a flux density within the rotor.
  • the magnetic flux density in the air gap of the electrical machine is particularly advantageously in this comparatively high range.
  • An advantage of this embodiment is that the magnetic flux density can in particular be higher than would be achievable with conventional permanent magnets. With such high magnetic flux densities, the advantages described are particularly effective when it comes to magnetic flux guidance by means of ferromagnetic polar caps.
  • the superconducting magnetic element can advantageously consist of a plurality of strip conductor stack to be composed.
  • the rotor comprises a plurality of magnetic elements
  • each of these magnetic elements can be segmented in the manner described.
  • the stacking direction of the strip conductor stack is advantageously a radial direction with respect to the central rotor axis A.
  • the individual stacks lying next to one another can in principle be arranged axially and / or azimuthally next to one another. Such a segmentation allows magnetic elements with relatively large spatial dimensions to be formed in a simple manner.
  • these can either be present in separate assigned recesses or a plurality of strip conductor stacks can be arranged next to one another in a common recess.
  • the separate arrangement of individual strip conductor stacks in individual savings can be advantageous in order to improve the thermal coupling of the respective strip conductor stack to the material of the rotor carrier.
  • the joint embedding of several adjacent stacks in a higher-level cutout can be advantageous in order to achieve a gap-free or low-gap design of a higher-level magnetic pole.
  • a comparatively high and homogeneous magnetic flux density can be achieved with a plurality of strip conductor stacks lying very closely next to one another.
  • strip conductor stack which has a plurality of strip conductors lying next to one another in each level of the stack, the strip conductors of the adjacent stack levels being arranged such that they are geometrically offset from one another in such a way that they differ from one another result in different positions of the gaps at level. Even with such more complex stacks, homogenization of the magnetic flux density by flux-guiding ferromagnetic pole caps is advantageous.
  • a gap can be formed between the stack of strip conductors and the walls of the associated recess, which is filled with a filler.
  • a filler is particularly subsequently introduced into the cavity formed during stacking, ie after the conductor stack has been formed within the recess.
  • the thermal coupling of an individual strip conductor to the rotor carrier is advantageously improved.
  • such a filler can also fill existing spaces between the individual strip conductors of the stack and thus better couple the individual strip conductors thermally with one another.
  • Such a filler can be, for example, a thermal grease, an epoxy resin, a paraffin and / or a low-melting solder material.
  • it can be either a filler that is liquid at room temperature (possibly highly viscous) or a filler that is solid at room temperature.
  • a solid filler can be obtained, for example, by curing an adhesive or a casting compound or by solidifying a low-melting solder material.
  • the starting material for such a solid filler can also be a liquid filler be.
  • a liquid starting material is generally to be preferred (regardless of the later physical state of the filler), since extensive filling of small cavities and in particular narrow gaps can be achieved with this.
  • a particularly suitable thermal grease is Apiezon N, for example, because it has a high thermal conductivity and is also easy to process.
  • Both unfilled epoxy resins for example Stycast 1266
  • filled epoxy resins for example Stycast 2850 FT
  • the epoxy resins of the Stycast type are particularly preferred.
  • Particularly suitable as low-melting solder materials are solder materials with a melting temperature below 250 ° C., particularly preferably with a melting temperature between 30 ° C. and 200 ° C.
  • Such low-melting solders are particularly suitable for forming a mechanically firm and thermally highly conductive filling of the interspaces, advantageously avoiding excessive thermal stress on the sensitive strip conductors.
  • Particularly suitable low-melting solders are, for example, solders containing indium, in particular the so-called Field metal.
  • the filler can advantageously have a specific thermal conductivity of at least 0.05 W / mK.
  • the value mentioned for the thermal conductivity should apply in particular at an operating temperature of the rotor.
  • This operating temperature should in particular be a cryogenic operating temperature at which the superconducting material of the strip conductor is in the superconducting state.
  • a cryogenic operating temperature can be in a range between 20 K and 30 K.
  • thermal conductivities above 0.07 W / mK can be achieved at such cryogenic temperatures.
  • thermal greases for example thermal conductivities above 0.12 W / mK.
  • With low-melting solders much higher values can be achieved, for example thermal conductivities above 10 W / mK.
  • the filler can have a maximum layer thickness of at most 0.5 mm and in particular at most 0.2 mm in an intermediate space between the strip conductor stack and the walls of the associated recess.
  • the layer formed by the filler in this inter mediate space is typically not a particularly homogeneous layer, since the individual strip conductors of the stack, in particular in the described in-situ formation of the stack from layer to layer, can be arranged laterally offset to one another. This causes a significant variation in the respective thickness of the space to be filled in by the filler.
  • the mean layer thickness of the filler in this intermediate space can in particular be significantly lower than the maximum values mentioned above. But it can also be in a similar range. For example, such an average layer thickness in general (and regardless of the maximum layer thickness present in each case) advantageously lies in the range between 0.05 mm and 0.5 mm and in particular between 0.05 mm and 0.2 mm.
  • the comparatively small layer thicknesses described are particularly advantageous if the filler is an organic filler and has a rather low thermal conductivity (for example below 1 W / mK).
  • the filler layer surrounding the strip conductor stack is particularly thin, since a comparatively good thermal connection of the strip conductor stack to the rotor carrier can nevertheless be ensured.
  • significantly larger layer thicknesses of the surrounding filler can also be advantageous, for example layer thicknesses in the range between 0.1 mm and 1 mm. Due to the high specific See thermal conductivity of these materials is then still a comparatively good thermal connection possible.
  • the individual strip conductors of the at least one stack of strip conductors can each be designed as high-temperature superconducting strip conductors.
  • they can each have a normally conductive substrate and a high-temperature superconducting layer.
  • High-temperature superconductors are superconducting materials with a transition temperature above 25 K and in some material classes above 77 K, where the operating temperature can be reached by cooling with cryogenic materials other than liquid helium. HTS materials are also particularly attractive because, depending on the choice of operating temperature, these materials can have high upper critical magnetic fields and high critical current densities.
  • the high-temperature superconductor can comprise, for example, magnesium diboride or an oxide-ceramic superconductor, for example a compound of the type REBa2Cu30 x (REBCO for short), RE being an element of rare earths or a mixture of such elements.
  • REBa2Cu30 x REBCO for short
  • the rotor carrier can be designed to be at a cryogenic operating temperature when the rotor is operating. In this way it can be achieved that the superconducting magnetic elements can be cooled via the rotor carrier.
  • the superconducting magnetic elements can also be coupled directly to additional elements of a cooling bus.
  • individual copper elements of a copper cooling bus can additionally be embedded in the cutouts of the rotor carrier, so that the embedded magnetic elements can come into direct contact with these copper elements.
  • one or more heat pipes can also be integrated into the rotor carrier, so that the strip conductor stacks can come into thermal contact with the ends of these heat pipes in the area of the recesses.
  • the rotor carrier can be formed from an amagnetic material.
  • Suitable materials for the rotor carrier are, for example, non-magnetic stainless steel, aluminum, aluminum-containing alloys, copper and copper-containing alloys such as brass.
  • the described mechanical pressing of the pole caps can be achieved, for example, by screws, by clamping and / or by axially inserting dovetail-shaped pole caps into matching recesses.
  • the width of the individual strip conductors of the strip conductor stack can be, for example, in a range between 4 mm and 100 mm.
  • comparatively wide band conductors are particularly preferred in order to form the largest possible superconducting magnetic elements with relatively homogeneous magnetic fields and high magnetization.
  • FIG. 1 shows a first embodiment of an electrical machine in schematic cross section
  • Figure 6 Show area of the superconducting magnetic elements and Figure 6 shows a further embodiment of an electrical machine in schematic cross section.
  • an electrical machine 1 is shown in schematic cross section, that is perpendicular to the central axis A.
  • the machine comprises an external fixed stator 3 and an internal rotor 5 rotatably mounted about the central axis A.
  • the electromagnetic interaction between the rotor 5 and the stator 3 takes place over the air gap 6 between them.
  • It is a permanently excited machine, which has a plurality of permanent magnetic superconducting magnet elements 9 to form an excitation field in the region of the rotor.
  • four such permanent magnets are distributed over the circumference of the rotor in an exemplary manner. They are arranged in corresponding radially outer recesses 12 of a rotor carrier 7, the rotor carrier 7 mechanically carrying the magnetic elements 9.
  • additional magnetic elements than those shown here can also be present, but such an axial subdivision does not increase the number of magnetic poles of the electrical machine.
  • the rotor carrier 7, together with the magnetic elements 9 held thereon, is cooled to a cryogenic operating temperature by a cooling device which is not detailed here, which is below the transition temperature of the superconductor material used in the magnetic elements.
  • a cooling device which is not detailed here, which is below the transition temperature of the superconductor material used in the magnetic elements.
  • rotor carriers 7 and magnetic elements 9 are arranged together in the interior of a cryostat 11. Between the cryostat and the rotor carrier 7 there is an annular vacuum space V for thermal insulation.
  • the individual magnetic elements 9 are each formed as a strip conductor stack 8 from individual superconducting strip conductors 10.
  • a large number of such superconducting strip conductors 10 are stacked one above the other in a radial direction.
  • the individual strip conductors 10 of the respective strip conductor stack are not connected to one another to form a prefabricated component, but rather are successively inserted into the corresponding recess 12 in the Rotor carrier 7 has been inserted.
  • the strip conductor stack 8 was formed here in situ within the respective recesses 12 of the rotor support 7. Subsequently, the strip conductor stacks 8 thus formed were mechanically fi xed by the arrangement of a radially outer pole cap 13.
  • pole caps 13 thus hold the individual Bandlei ter 10 of the strip conductor stack formed in the recesses together.
  • the pole caps 13 are pressed with a radial pressure p from the radially outside against the strip conductor stack 8.
  • the individual strip conductors 10 are initially not firmly connected to one another. It is possible that, even in the finished rotor 5, they lie only loosely one above the other and are held together only by the contact pressure p of the pole caps 13. Alternatively, however, they can be additionally fixed to one another after the formation of the stack within the respective recess 12, for example by an adhesive and / or a filler.
  • FIG. 2 shows a detail of the rotor of an electrical machine in a schematic cross section.
  • the area of a superconducting magnetic element 9 is shown, which is embedded in a radially outer recess of the rotor carrier 7.
  • the remaining part of the electrical machine can, for example, be designed similarly to the example in FIG. 1.
  • the magnetic element 9 is formed here by a strip conductor stack 8 from a plurality of individual supralei tenden strip conductors 10. These individual strip conductors 10 are stacked one above the other in the radial direction r. They are fixed radially from the outside by a pole cap 13 which is pressed against the strip conductor stack 8 with a contact pressure. The means for forming this contact pressure are not shown here for the sake of clarity.
  • FIG. 1 shows a detail of the rotor of an electrical machine in a schematic cross section.
  • the area of a superconducting magnetic element 9 is shown, which is embedded in a radially outer recess of the rotor carrier 7.
  • the individual strip conductors 10 of the strip conductor stack 8 are only loosely placed one on top of the other and are finally made by pressing the outer pole cap 13 held together. Otherwise, they are principally displaceable in the lateral direction. In particular, they are not glued or poured together.
  • a small space 15 is formed between the lateral edges of an individual strip conductor and the walls 18 of the associated recess of the rotor carrier. This gap 15 is exaggerated Darge here.
  • this average width of this gap or gap is marked with b in FIG.
  • this average distance b from the walls of the recess can be chosen to be particularly small. This is due to the fact that the strip conductor stack formed in situ does not require an outer covering for mechanically fixing the individual strip conductors to one another and that, compared to the prefabricated component, a particularly small lateral offset of the individual strip conductors is achieved by an exact adaptation to the size of the recess can be.
  • the radially outer pole caps 13 are shaped so that they reproduce or continue the circular outer cross-sectional shape of the rotor carrier in the azimuthal direction.
  • the individual pole caps 13 are each formed from a ferromagnetic material. In general, this advantageously results in improved magnetic flux guidance and, in particular, homogenization of the magnetic flux that penetrates radially outwards.
  • FIG. 3 shows a detail section for a similar area of a rotor according to a further example of the invention.
  • fertilizer Here, too, the area of a superconducting magnetic element 8 is shown, which overall is configured similarly to the example in FIG. 2.
  • the space between the lateral edges of the strip conductor and the walls 18 of the savings is filled with a filler 17.
  • This filler 17 can advantageously essentially completely or at least predominantly fill the intermediate space. In principle, it can either be a filler that is liquid at room temperature (possibly highly viscous) or a filler that is solid at room temperature.
  • a solid filler can be obtained, for example, by pouring an originally liquid filler into the intermediate space and then chemically curing it or solidifying it by cooling.
  • the filler can ent either after the arrangement of the entire Bandlei terstapels and / or during the stacking of the individual tape conductors are introduced into the lateral space.
  • the filler can be a heat-conducting grease, an adhesive, a casting compound and or a low-melting solder.
  • a major advantage of filling the intermediate space with such a filler 17 is that the thermal coupling of the strip conductor stack 8 to the rotor carrier 7 can be significantly improved compared to an empty space. This is particularly the case if the thermal conductivity of the filler 17 is comparatively high and / or if the average layer thickness d of the filler 17 enveloping the side is selected to be comparatively small. For example, this can be medium
  • Layer thickness is less than 0.5 mm. This average layer thickness can advantageously be chosen to be significantly thinner than would be possible using a prefabricated, already glued or cast tape conductor stack.
  • the individual band conductors 10 of the band conductor stack 8 have a slight mutual relationship lateral offset, which is also exaggerated here.
  • the layer thickness d of the laterally adjacent filler 17 is not constant, but it can vary significantly from layer to layer. If an individual strip conductor touches the side wall 18, it can also be 0 or almost 0 at individual points.
  • the maximum lateral layer thickness of the filler 17 is designated d max in FIG. It, too, can advantageously be significantly smaller than in the case of a comparable prefabricated and already glued or cast magnetic element.
  • FIG. 4 shows a similar detail section of a rotor according to a further example of the invention.
  • the magnetic element 9 is not formed by a single strip conductor stack, but by a plurality of stacked conductor stack 8. Three stacked conductor strips 8 lying next to one another are shown here by way of example, and this number can also be chosen to be lower or higher.
  • the individual strip conductor stacks are arranged next to one another in the azimuthal direction of the rotor. You are together in a common recess of the rotor support 7 is embedded. In addition, they are fixed together by a common pole cap 13, which projects over all three strip conductor stacks 8 of the magnetic element 9 in the azimuthal direction.
  • the pole cap is selected from a ferromagnetic flux-carrying material. This is particularly useful in the present segmentation of the magnetic element 9 in order to achieve a homogenization of the radially outwardly penetrating magnetic flux. In particular, the maxima of the magnetic flux formed over the individual strip conductor stack 18 are smoothed outwards.
  • the spaces 15 between the strip conductor stacks 8 and the walls of the recess either remain free or are filled with a filler similar to the example in FIG. 3.
  • the gaps 15a between the individual strip conductor stacks 8 are formed can either remain free or be filled with a filler.
  • the use of a filler is advantageous in order to improve the thermal coupling and thus the cooling of the individual strip conductor stacks.
  • Figure 5 shows a further detail of a rotor according to another embodiment of the invention.
  • Ge is a top view from the radially outside of a radially outer surface of the rotor in the region of three outer recesses. These three recesses are arranged side by side in the axial direction of the rotor. In these three recesses, three associated strip conductor stacks 8 are embedded, that is, one strip conductor stack per recess. These axially adjacent strip conductor stacks form, in particular, a common magnetic pole of the rotor.
  • only one strip conductor stack 8 is embedded in each of the cutouts. It is alternatively also possible, however, for a magnetic element 9 to be embedded in each of these cutouts, which, similar to the example in FIG. According to a further embodiment, it is also possible that, alternatively or additionally, a plurality of axially adjacent strip conductor stacks are arranged together in a common recess in the rotor carrier.
  • FIG. 5 shows a schematic cross-sectional illustration for a further embodiment of an electrical machine. Overall, this electrical machine is designed similarly to the electrical machine of FIG. 1. In contrast to this, however, the polar caps 13 on their radially outer side are not modeled on the circular circumference of the rotor carrier 7, but rather have a greater curvature. Similar to the example in FIG.
  • the azimuthal edge regions 13a of the pole caps are each made thinner than the azimuthal center 13b.
  • the azimuthal centers 13b extend further outward in the radial direction than these azimuthal edge regions 13a.

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Abstract

Es wird ein Rotor (5) für eine elektrische Maschine (1) mit einer zentralen Rotorachse (A) angegeben. Der Rotor umfasst: - einen Rotorträger (7) und - wenigstens eine von dem Rotorträger (7) mechanisch getragene permanentmagnetische supraleitende Magneteinrichtung mit einem oder mehreren supraleitenden Magnetelementen (9), - wobei das jeweilige supraleitende Magnetelement (9) in eine passende, zugeordnete radial außenliegende Aussparung (12) des Rotorträgers (7) eingebettet ist, - wobei das jeweilige supraleitende Magnetelement (9) durch wenigstens einen Bandleiterstapel (8) aus mehreren supraleitenden Bandleitern (10) gebildet ist - und wobei der jeweilige Bandleiterstapel (8) durch eine radial weiter außen angeordnete Polkappe (13) in der zugehörigen Aussparung (12) fixiert ist, derart, dass die Polkappe (13) die einzelnen Bandleiter (10) in dem Bandleiterstapel (8) zusammenhält. Weiterhin werden eine elektrische Maschine mit einem solchen Rotor sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Rotors angegeben.

Description

Beschreibung
Rotor und Maschine mit supraleitendem Permanentmagneten in einem Rotorträger
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Rotor für eine elek trische Maschine mit einer zentralen Rotorachse, umfassend einen Rotorträger und wenigstens eine von dem Rotorträger me chanisch getragene permanentmagnetische supraleitende Mag neteinrichtung mit einem oder mehreren supraleitenden Magne telementen. Weiterhin betrifft die Erfindung eine elektrische Maschine mit einem solchen Rotor sowie ein Verfahren zur Her stellung eines solchen Rotors.
Aus dem Stand der Technik sind elektrische Maschinen bekannt, welche einen Stator und einen Rotor aufweisen und bei welchen der Rotor dazu ausgelegt ist, ein elektromagnetisches Erre gerfeld zu erzeugen. Ein solches Erregerfeld kann entweder durch auf dem Rotor angeordnete Permanentmagnete oder durch auf dem Rotor angeordnete Spulenelemente erzeugt werden. Für elektrische Maschinen mit besonders hohen Leistungsdichten werden zum Teil Rotoren mit supraleitenden Spulenelementen eingesetzt. Eine andere Möglichkeit zum Erreichen besonders hoher Leistungsdichten ist die Verwendung von supraleitenden Permanentmagneten .
Die Leistungsdichte einer elektrischen Maschine skaliert mit der magnetischen Flussdichte, die durch die in der elektri schen Maschine zum Einsatz kommenden Elektro- oder Permanent magnete erzeugbar ist. Dieser Zusammenhang erlaubt eine sig nifikante Erhöhung der Leistungsdichte ohne wesentliche Ver änderung der Topologie der elektrischen Maschine, wenn bei spielsweise konventionelle Permanentmagnete durch supralei tende Permanentmagnete ersetzt werden, da mit diesen höhere magnetische Flussdichten generiert werden können.
Ein Ansatz zur Erhöhung der Leistungsdichte besteht daher da rin, eine elektrische Maschine mit Permanentmagneten aus sup- raleitfähigen Materialien auszustatten. Derartige Materialien können bei entsprechend niedrigen Temperaturen magnetische Flussdichten in Größenordnungen erzeugen, die ein Vielfaches der mit konventionellen Permanentmagneten erzeugbaren Fluss dichten betragen. Bspw. ist es möglich, mit einem Magneten aus YBCO (Yttrium-Barium-Kupfer-Oxid) bei ca. 30 K ein Mag netfeld mit einer magnetischen Flussdichte von bis zu 8 T zu erzeugen, während ein konventioneller Magnet, bspw. bestehend aus NeFeB, Flussdichten in Größenordnungen von ca. 1,2 T ge neriert .
In der DE102016205216A1 wird eine elektrische Maschine mit supraleitfähigen Permanentmagneten sowie ein Verfahren zum Magnetisieren der Permanentmagnete beschrieben. Supraleitende Permanentmagnete müssen vor ihrem Betrieb zunächst bei einer kryogenen Temperatur unterhalb der Sprungtemperatur des Sup raleiters aufmagnetisiert werden und dann dauerhaft auf einer solchen kryogenen Temperatur gehalten werden. Aufgrund des verlustfreien Stromflusses im Supraleitermaterial wird so ein dauerhafter Magnetisierungszustand erreicht.
Aufgrund der hohen kritischen Stromdichten und der hohen kri tischen magnetischen Flussdichten der inzwischen zur Verfü gung stehenden supraleitenden Materialien können auf diese Weise elektrische Maschinen mit prinzipiell sehr hohem magne tischem Nutzfluss (also dem nutzbaren magnetischen Fluss im Luftspalt der elektrischen Maschine) erreicht werden. Für Ra dialflussmaschinen mit supraleitenden Permanentmagneten im Rotor sind bisher nur sehr wenige tatsächliche technische Re alisierungen bekannt. Die meisten bekannten Konzepte basieren auf einem Ersatz der konventionellen Permanentmagneten durch permanentmagnetische supraleitende Magnetelemente im Rotor einer konventionellen Radialflussmaschine. Dies bedeutet, dass dann im Rotor mehrere supraleitende Magnetelemente in einem radial außenliegenden Bereich eines Rotorträgers über den Umfang des Rotors verteilt sind. Auf diese Weise kann durch den Rotor ein p-poliges Magnetfeld erzeugt werden, wo bei die Anzahl p der magnetischen Pole entweder direkt der Anzahl der über den Umfang verteilten permanentmagnetischen supraleitenden Magnetelemente oder der Anzahl von jeweils zu einem Pol zusammengefassten Gruppen von supraleitenden Magne telementen entspricht.
Die einzelnen supraleitenden Magnetelemente können nach dem Stand der Technik prinzipiell entweder als Stapel aus mehre ren supraleitenden Bandleitern oder als supraleitende Bulk- Elemente ausgeführt sein. Die Ausführung der Magnetelemente als Bandleiterstapel hat sich als vorteilhaft erwiesen, um supraleitende Magnetelemente mit vergleichsweise großen Ab messungen und allgemein relativ frei wählbarer Größe und Geo metrie herzustellen. Außerdem ist die Menge an benötigtem Supraleitermaterial im Vergleich mit den supraleitenden Bulk- Elementen relativ niedrig.
Nachteilig bei den bekannten permanenterregten Rotoren mit supraleitenden Bandleiterstapeln ist, dass die Herstellung der einzelnen supraleitenden Magnetelemente vergleichsweise aufwendig ist und zusätzliche Herstellungsvorrichtungen er fordern. So wurden die einzelnen Bandleiterstapel nach dem Stand der Technik typischerweise als vorgefertigte Bauteile eingesetzt, die vor ihrer Anordnung im Rotorträger in einem separaten Herstellungsprozess gefertigt werden. Bei der Her stellung dieser vorgefertigten Bauteile werden die einzelnen Bandleiter in der gewünschten Stapel-Geometrie angeordnet und der so gebildete Stapel wird durch ein Klebemittel oder ein Vergussmittel zu einem mechanisch stabilen vorgefertigten Bauteil verbunden. So können insbesondere mechanisch eigen stabile quaderförmige Magnetelemente gebildet werden, welche dann im Ganzen in zugehörige Aussparungen des Rotorträgers eingebettet werden.
Die Verwendung solcher vorgefertigter Bauteile bringt aber den Nachteil mit sich, dass im Bereich der Außenflächen eine nicht zu vernachlässigende Schicht von Klebemittel oder Ver gussmittel vorliegt, welche die thermische Ankopplung der supraleitenden Bandleiter des Stapels an den Rotorträger er- schwert. Wenn das vorgefertigte Bauteil vorgegebene geometri sche Abmessungen erfüllen soll, dann ist es zweckmäßig, leichte Variationen in der räumlichen Lage der einzelnen Bandleiter des Stapels durch umhüllendes Klebemittel oder Vergussmittel auszugleichen. Außerdem soll das Klebemittel oder Vergussmittel die mechanische Festigkeit des vorgefer tigten Bauteils sicherstellen. Somit ist die Schichtdicke dieses außenliegenden Materials nicht zu vernachlässigen und liegt typischerweise im Bereich von 1 mm oder mehr. Die ther mische Leitfähigkeit typischer Klebemittel oder Vergussmittel ist im Vergleich zu metallischen Materialien relativ niedrig, sodass eine solche umhüllende beziehungsweise ausgleichende Schicht die thermische Ankopplung der einzelnen supraleiten den Bandleiter erschweren kann. Beim Einsetzen eines solchen vorgefertigten Bauteils in eine passende Aussparung des Ro torträgers wird weiterhin zwischen dem Bauteil und dem Rotor träger ein kleiner Spalt ausgebildet. Wenn dieser Spalt leer bleibt, liegt in diesem Bereich eine besonders schlechte thermische Ankopplung an den umgebenden Rotorträger vor. Auch wenn er durch ein zusätzliches Füllmittel ausgefüllt wird, ergibt sich insgesamt eine unerwünscht hohe Schichtdicke an zusätzlichem Material zwischen den Bandleitern und dem Mate rial des Rotorträgers.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Rotor anzugeben, welcher die genannten Nachteile überwindet. Insbesondere soll ein Rotor zur Verfügung gestellt werden, welcher vergleichs weise leicht herzustellen ist und in welchem eine gute ther mische Anbindung der verwendeten Bandleiter des Bandleiter stapels an den Rotorträger gegeben ist. Eine weitere Aufgabe ist es, eine elektrische Maschine mit einem solchen Rotor an zugeben. Zusätzlich soll ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Rotors zur Verfügung gestellt werden.
Diese Aufgaben werden durch den in Anspruch 1 beschriebenen Rotor, die in Anspruch 14 beschriebene elektrische Maschine und das in Anspruch 15 beschriebene Verfahren gelöst. Der erfindungsgemäße Rotor ist als Rotor für eine elektrische Maschine ausgestaltet. Er weist eine zentrale Rotorachse A auf. Der Rotor umfasst einen Rotorträger und eine von dem Ro torträger mechanisch getragene permanentmagnetische supralei tende Magneteinrichtung mit einem oder mehreren supraleiten den Magnetelementen. Dabei ist das jeweilige supraleitende Magnetelemente in eine passende, zugeordnete radial außen liegende Aussparung des Rotorträgers eingebettet. Das jewei lige supraleitende Magnetelement ist durch wenigstens einen Stapel aus mehreren supraleitenden Bandleitern gebildet. Der jeweilige Bandleiterstapel ist durch eine radial weiter außen angeordnete Polkappe in der zugehörigen Aussparung fixiert, derart, dass die Polkappe die einzelnen Bandleiter in dem Stapel zusammenhält.
Unter einem permanentmagnetischen supraleitenden Magnetele ment soll im vorliegenden Zusammenhang ein Element verstanden werden, welches ein Supraleitermaterial umfasst und welches durch Aufmagnetisierung bei einer kryogenen Temperatur und Aufrechterhaltung dieser kryogenen Temperatur in einen dauer haft magnetisierten Zustand gebracht werden kann. Der be schriebene Rotor kann insbesondere eine Mehrzahl von solchen supraleitenden Magnetelementen umfassen, um ein mehrpoliges Magnetfeld erzeugen zu können. Diese Magnetelemente können so über den Umfang des Rotors verteilt sein, dass sie (entweder jeweils einzeln oder in Gruppen) den einzelnen magnetischen Polen eines permanenterregten Rotors entsprechen.
Die einzelnen Bandleiter des Bandleiterstapels sind insbeson dere in radialer Richtung übereinandergestapelt . Auf diese Weise kann besonders einfach durch sequenzielles Einlegen einzelner Bandleiter in die radial außenliegende Aussparung ein Bandleiterstapel gebildet werden.
Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Rotors liegt darin, dass der Bandleiterstapel hier nicht als vorgefertig tes Bauteil, sondern erst als in situ gebildeter Stapel vor liegt. Mit anderen Worten soll der Bandleiterstapel hier ins- besondere erst innerhalb der zugehörigen Aussparung des Ro torträgers gebildet worden sein. Der Bandleiterstapel bildet in jedem Fall kein mechanisch eigenstabiles vorgefertigtes Bauteil. Die einzelnen Bandleiter sind also insbesondere nicht bereits vor dem Einlegen in die Aussparung mit einem Klebemittel oder Vergussmittel miteinander zu einem vorgefer tigten Bauteil verbunden worden.
Insbesondere können die einzelnen Bandleiter des Bandleiter stapels auch im fertig hergestellten Rotor lose übereinander liegend gestapelt sein. Bei dieser Variante ist auf einfache Weise erkennbar, dass kein vorgefertigtes Bauteil im Sinne eines mechanisch eigenstabilen Stapelverbunds vorliegt. Prin zipiell können die einzelnen Bandleiter des Bandleiterstapels aber auch nachträglich (also nach dem Einlegen in die Ausspa rung des Rotorträgers) miteinander verbunden worden sein. Ei ne solche nachträgliche Verbindung kann beispielsweise durch Auffüllen der vorhandenen Lücken durch ein Klebemittel und/oder durch ein Vergussmittel erfolgen. Dass diese Verbin dung erst nachträglich hergestellt ist und nicht bereits in einem vorgefertigten Magnetelement wie beim Stand der Technik gebildet wurde, ist leicht daran zu erkennen, dass in einem solchen Fall kein Spalt zwischen dem Bandleiterstapel und den umgebenden Bereichen des Rotorträgers vorliegt. Ein solcher Spalt wird nämlich bei einem nachträglichen Einbringen des Klebemittels oder Vergussmittels vollständig aufgefüllt.
Bei dem erst in situ innerhalb der Aussparung gebildeten Bandleiterstapel werden die einzelnen Bandleiter des Stapels durch die Polkappe fixiert. Wenn die einzelnen Bandleiter auch im fertigen Rotor nur lose übereinander liegen, werden die einzelnen Bandleiter in radialer Richtung im Wesentlichen nur durch die Polkappe zusammengehalten. Wenn die einzelnen Bandleiter allerdings im fertigen Rotor durch ein nachträg lich eingebrachtes Klebemittel oder Vergussmittel zusätzlich miteinander verbunden worden sind, dann sorgt die Polkappe für die initiale Fixierung, bevor ein solches Klebemittel o- der Vergussmittel in die Aussparung eingebracht wird und den Stapel dann zusätzlich fixiert. In diesem Fall wird der Sta pel während des Aushärtens des Verguss- oder Klebemittels durch die Polkappe fixiert. Allen Varianten ist gemeinsam, dass die Polkappe mit einem Anpressdruck von radial außen ge gen den Bandleiterstapel gedrückt wird und somit die einzel nen Bandleiter gegeneinander fixiert.
Mit der beschriebenen Ausführung des Bandleiterstapels als nicht vorgefertigter, sondern erst in situ gebildeter Band leiterstapel sind zwei wesentliche Vorteile verbunden: Zum einen wird die Herstellung des Rotors dadurch verbessert, dass weniger Verfahrensschritte sowie weniger spezielle Fer tigungsvorrichtungen benötigt werden und die Herstellung ins gesamt vereinfacht ist. Wenn die Ausbildung des Bandleiter stapels erst innerhalb der zugehörigen Aussparung erfolgt, wird keine separate Vorrichtung zur Herstellung der vorgefer tigten Magnetelemente benötigt. Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass eine optional vorliegende, den Bandleiterstapel umhüllende beziehungsweise seitlich begrenzende Schicht (also eine Schicht zwischen dem Bandleiterstapel und den umgebenden Teilen des Rotorträgers) insgesamt wesentlich dünner ausge bildet sein kann als bei entsprechenden vorgefertigten Bau teilen. Bei einer solchen dünnen Ausgestaltung der umhüllen den Schicht kann eine deutlich verbesserte thermische Anbin dung der einzelnen Bandleiter an den Rotorträger erreicht 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 .
Das erfindungsgemäße Verfahren dient zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Rotors. Es umfasst die folgenden Schritte:
- Ausbildung wenigstens eines Bandleiterstapels durch sequen tielles Einbringen einer Mehrzahl von supraleitenden Band- leitern in eine passende radial außenliegende Aussparung des Rotorträgers und
- anschließende mechanische Fixierung des so gebildeten Band leiterstapels durch eine radial weiter außen angeordnete Polkappe .
Mit anderen Worten wird der Bandleiterstapel erst in situ in nerhalb der Aussparung ausgebildet und liegt nicht als vorge fertigtes Bauteil vor. Die radial außen angeordnete Polkappe wird erst nachträglich, also erst nach der Ausbildung des Bandleiterstapels angebracht. Hierdurch wird eine mechanische Fixierung des in situ gebildeten Bandleiterstapels ermög licht. Die Vorteile des Verfahrens und auch die vorteilhaften Ausführungsformen ergeben sich analog zu den beschriebenen Vorteilen und Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Rotors. Insbesondere können auch mehrere solche Stapel innerhalb einer oder mehrerer passender Aussparungen gebildet werden, wodurch dann im letzteren Fall mehrere supraleitende Magne telemente entstehen. Es können also auch innerhalb einer ge gebenen Aussparung mehrere Stapel nebeneinander ausgebildet werden. Der Begriff „passend" soll im vorliegenden Zusammen hang also allgemein bedeuten, dass die Größe und Form der Aussparung entweder zu genau einem Stapel oder zu einer Mehr zahl von in der Aussparung nebeneinander liegenden Stapeln passen soll.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfin dung gehen aus den von Anspruch 1 abhängigen Ansprüchen sowie der folgenden Beschreibung hervor. Dabei können die beschrie benen Ausgestaltungen des Rotors, der elektrischen Maschine und des Herstellungsverfahrens allgemein vorteilhaft mitein ander kombiniert werden.
So können nach einer allgemein vorteilhaften Ausführungsform die einzelnen supraleitenden Bandleiter in dem wenigstens einen Bandleiterstapel lose übereinander liegen. Bei dieser Ausführungsform sollen sie also insbesondere nicht zu einer mechanisch festen Einheit miteinander verbunden, insbesondere nicht vergossen oder verklebt sein. Bei dieser Ausführungs form sind die einzelnen Bandleiter also prinzipiell in seit licher Richtung gegeneinander verschiebbar. Unter der seitli chen Richtung ist hier eine Richtung senkrecht zur Stape lungsrichtung und parallel zur Ebene der Bandleiter gemeint. Eine solche seitliche Verschiebbarkeit wird jedenfalls nicht durch eine mechanisch feste Verbindung der einzelnen Bandlei ter verhindert. Wenn seitlich neben den Bandleitern genügend Platz für eine solche Bewegung vorliegt, ist bei dieser Vari ante eine seitliche Verschiebung möglich. Bei dieser Ausfüh rungsform ist die Herstellung des Bandleiterstapels besonders einfach, da überhaupt kein zusätzlicher Schritt zur Herstel lung eines festen Bandleiter-Verbundes benötigt wird. Die einzelnen Bandleiter werden lediglich durch die von außen an gepresste Polkappe gegeneinander fixiert. Diese Ausführungs form ist besonders vorteilhaft in Kombination mit einer Aus füllung der gebildeten Hohlräume durch ein Wärmeleitfett . Ein solches Wärmeleitfett liegt zumindest bei Raumtemperatur als hochviskose Flüssigkeit vor und bildet keinen mechanisch fes ten Verbund zwischen den Bandleitern aus. Das Wärmeleitfett bewirkt jedoch vorteilhaft eine gute thermische Ankopplung der einzelnen Bandleiter an den Rotorträger.
Gemäß einer alternativen Ausführungsvariante können die ein zelnen supraleitenden Bandleiter des wenigstens einen Band leiterstapels innerhalb der zugehörigen Aussparung durch Ver kleben und/oder Verguss miteinander verbunden sein. Dieses Verkleben beziehungsweise der Verguss ist dann insbesondere nachträglich erfolgt, also mit anderen Worten erst nach dem Einlegen des Stapels in die Aussparung. Diese erste nachträg liche Ausbildung des festen Verbundes zwischen den einzelnen Bandleitern ist leicht daran erkennbar, dass das Klebemittel beziehungsweise des Vergussmittel den Zwischenraum zwischen dem Bandleiterstapel und den Begrenzungswände der Aussparung spaltfrei ausfüllt. Bei einem vorgefertigten verklebten oder vergossenen Magnetelemente würde dagegen zwischen dem Klebe mittel beziehungsweise dem Vergussmittel und den Begrenzungen der Aussparung ein Restspalt verbleiben. Dieser bei einem Ro- tor nach dem Stand der Technik vorhandene Restspalt könnte prinzipiell durch ein weiteres Füllmittel aufgefüllt werden, um die thermische Ankopplung noch zu verbessern. Dieser zu sätzliche Schritt entfällt bei der beschriebenen Ausführungs form des erfindungsgemäßen Rotors, wodurch das Herstellungs verfahren insgesamt erleichtert wird.
Unter dem beschriebenen Verguss des Bandleiterstapels inner halb der Aussparung soll allgemein ein Auffüllen der vorlie genden Hohlräume mit einem geeigneten Vergussmittel verstan den werden. Hierbei kann es sich prinzipiell entweder um ein organisches oder um ein anorganisches Vergussmittel handeln. Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform kann es sich bei dem Vergussmittel insbesondere um ein niedrigschmelzendes me tallisches Lotmaterial handeln. Ein wesentlicher Vorteil eines solchen metallischen Lotmaterials ist, dass es im Ver gleich zu den meisten organischen Materialien eine deutlich höhere thermische Leitfähigkeit aufweist. Somit kann eine bessere thermische Ankopplung des Bandleiterstapels an den Rotorträger erreicht werden. Außerdem ist der thermische Aus dehnungskoeffizient bei metallischen Lotmaterialien typi scherweise geringer als bei typischen organischen Vergussmit teln .
Unter einem Vergussmittel soll im vorliegenden Zusammenhang allgemein ein nach der Ausbildung des Bandleiterstapels in die verbleibenden Zwischenräume eingebrachtes Vergussmittel verstanden werden. Ein Klebemittel oder ein anderweitiges Füllmittel kann dagegen auch bereits während der Ausbildung des Stapels in den entstehenden seitlichen Hohlräumen und ge gebenenfalls auch in Zwischenräumen zwischen den einzelnen übereinanderliegenden Bandleitern eingebracht werden.
Allgemein und unabhängig vom Material der Polkappe kann diese bevorzugt so ausgebildet sein, dass sie sowohl in axialer als auch in azimutaler Richtung den Bandleiterstapel wenigstens abdeckt. Sie sollte also in den genannten Richtungen wenigs tens so breit sein wie der Bandleiterstapel. Besonders vor- teilhaft kann sie ihn zumindest in azimutaler Richtung über ragen, um eine besonders zuverlässige mechanische Fixierung zu erreichen. Eine solche Polkappe kann insbesondere eine Querschnittsform mit einer abgerundeten radial außenliegenden Oberfläche und einem beidseitigen Überstand (über die seitli che Abmessung des Magnetelements hinaus) in Umfangsrichtung aufweisen .
Allgemein und unabhängig von der sonstigen Ausgestaltung der einzelnen Magnetelemente kann die Polkappe gemäß einer ersten vorteilhaften Ausführungsform aus einem amagnetischen Materi al gebildet sein. Bei dieser Ausführungsform findet also kei ne magnetische Wechselwirkung zwischen dem supraleitenden Magnetelement und der Polkappe statt. Vielmehr dient die Pol kappe im Wesentlichen der mechanischen Fixierung des Band leiterstapels .
Gemäß einer alternativen vorteilhaften Ausführungsform kann die Polkappe ein ferromagnetisches Material umfassen. Insbe sondere kann sie im Wesentlichen aus einem ferromagnetischen Material gebildet sein. Eine solche ferromagnetische Polkappe kann dazu beitragen, die magnetische Flussführung des ausge bildeten Erregerfeldes zu verbessern. Insbesondere kann eine solche ferromagnetische Polkappe zu einer Homogenisierung des magnetischen Flusses beitragen. Dies kann vor allem dann be sonders vorteilhaft sein, wenn ein Magnetelement aus mehreren (axial und/oder azimutal) nebeneinanderliegenden Bandleiter stapeln gebildet ist. In einem solchen Fall wird durch die nebeneinanderliegenden Bandleiterstapel typischerweise ein relativ inhomogenes Magnetfeld ausgebildet, welches einzelne Maxima der magnetischen Flussdichte über den einzelnen Teil stapeln aufweist. Für die meisten Anwendungen wird jedoch ei ne deutlich homogenere Flussverteilung gewünscht, bei welcher diese scharfen Maxima geglättet sein sollen. Eine solche Glättung kann in vorteilhafter Weise durch eine ferromagneti sche Polkappe erreicht werden, welche die nebeneinanderlie genden Teilstapel gemeinsam überdeckt. Vorteilhafte ferromagnetische Materialien für die Polkappe sind beispielsweise Eisen und eisenhaltige Legierungen und Verbindungen, insbesondere Weicheisen, Ferrit, St37, Trans formatorblech, Dynamoblech, Cobalt-Eisen, Silizium-Eisen, Ni ckel-Eisen sowie die Legierung X8Ni9. Allgemein vorteilhaft weist das ferromagnetische Material eine vergleichsweise hohe Sättigungsmagnetisierung auf, beispielsweise eine Sättigungs magnetisierung zwischen 1,0 Tesla und 2,5 Tesla und besonders vorteilhaft im Bereich zwischen 1,5 Tesla und 2,5 Tesla.
Bei einer vorteilhaften Variante der ferromagnetischen Pol kappe ist diese in ihren azimutalen Randbereichen dünner aus gebildet und erstreckt sich dort weniger weit nach radial außen als in ihrem azimutalen Zentrum. Über eine derartige Formgebung kann vorteilhaft erreicht werden, dass in Umfangs richtung des Rotors gesehen ein im Wesentlichen sinusförmiger magnetischer Flussverlauf erzeugt wird. Die Verwendung eines solchen Rotors in einer elektrischen Maschine ermöglicht einen vergleichsweise oberwellenarmen Betrieb.
Allgemein bevorzugt kann die permanentmagnetische supralei tende Magneteinrichtung zur Erzeugung eines Magnetfelds mit einer magnetischen Flussdichte von wenigstens 1 Tesla ausge legt sein. Besonders bevorzugt liegt die magnetische Fluss dichte sogar oberhalb von 1,5 T. Beispielsweise kann es sich bei der genannten Flussdichte um eine Flussdichte innerhalb des Rotors handeln. Besonders vorteilhaft liegt aber auch die magnetische Flussdichte im Luftspalt der elektrischen Maschi ne in diesem vergleichsweise hohen Bereich. Ein Vorteil die ser Ausführungsform ist, dass die magnetische Flussdichte insbesondere höher sein kann als dies mit konventionellen Permanentmagneten erreichbar wäre. Bei derart hohen magneti schen Flussdichten kommen die beschriebenen Vorteile bei der magnetischen Flussführung mittels ferromagnetischer Polkappen besonders wirksam zum Tragen.
Allgemein vorteilhaft kann das supraleitende Magnetelement aus einer Mehrzahl von nebeneinander angeordneten Bandleiter- stapeln zusammengesetzt sein. Bei Ausführungsformen, bei de nen der Rotor mehrere Magnetelemente umfasst, kann insbeson dere jedes dieser Magnetelemente auf die beschriebene Weise segmentiert sein. Allgemein ist die Stapelungsrichtung des Bandleiterstapels vorteilhaft eine radiale Richtung bezüglich der zentralen Rotorachse A. In diesem Fall können die einzel nen nebeneinanderliegenden Stapel prinzipiell axial und/oder azimutal nebeneinander liegend angeordnet sein. Eine derarti ge Segmentierung erlaubt es, auf einfache Weise Magnetelemen te mit relativ großen räumlichen Abmessungen auszubilden.
Bei der beschriebenen Segmentierung in mehrere nebeneinander liegende Bandleiterstapel können diese entweder jeweils in separaten zugeordneten Aussparungen vorliegen oder aber es können jeweils mehrere Bandleiterstapel nebeneinander in einer gemeinsamen Aussparung angeordnet sein. Die separate Anordnung von einzelnen Bandleiterstapeln in einzelnen Aus sparungen kann vorteilhaft sein, um die thermische Ankopplung des jeweiligen Bandleiterstapels an das Material des Rotor trägers zu verbessern. Die gemeinsame Einbettung von mehreren nebeneinanderliegenden Stapeln in eine übergeordnete Ausspa rung kann jedoch vorteilhaft sein, um eine möglichst lücken lose oder lückenarme Ausgestaltung eines übergeordneten mag netischen Pols zu erreichen. Insbesondere kann mit mehreren sehr dicht nebeneinanderliegenden Bandleiterstapeln eine ver gleichsweise hohe und homogene magnetische Flussdichte er reicht werden.
Wenn mehrere nebeneinanderliegende Bandleiterstapel zusammen einen magnetischen Pol ausbilden, kann es allgemein vorteil haft sein, diese einzelnen Teilstapel mittels einer gemeinsa men Polkappe zu fixieren. Dabei kann beispielsweise entweder genau eine Polkappe für jeden magnetischen Pol zum Einsatz kommen oder aber es können gegebenenfalls auch mehrere Teil kappen für einen magnetischen Pol vorliegen. Bei der Verwen dung von magnetisch flussführenden Polkappen kann hierbei wie oben beschrieben eine Homogenisierung der magnetischen Fluss dichte erreicht werden. Alternativ zu den beschriebenen nebeneinanderliegenden dis kreten Teilstapeln ist es auch möglich und unter Umständen vorteilhaft, einen Bandleiterstapel auszubilden, der in jeder Ebene des Stapels mehrere nebeneinanderliegende Bandleiter aufweist, wobei die Bandleiter der benachbarten Stapelebenen jedoch derart geometrisch versetzt zueinander angeordnet sind, dass sich von Ebene zu Ebene unterschiedliche Positio nen der Lücken ergeben. Auch bei solchen komplexeren Stapeln ist eine Homogenisierung der magnetischen Flussdichte durch flussführende ferromagnetische Polkappen vorteilhaft.
Gemäß einer allgemein vorteilhaften Ausführungsform kann zwi schen dem Bandleiterstapel und den Wänden der zugehörigen Aussparung jeweils ein Zwischenraum gebildet sein, welcher durch ein Füllmittel ausgefüllt ist. Insbesondere ist ein solcher Zwischenraum im Wesentlichen vollständig durch dieses Füllmittel ausgefüllt. Wie weiter oben beschrieben, ist ein solches Füllmittel insbesondere nachträglich, also nach der Ausbildung des Leiterstapels innerhalb der Aussparung, in den beim Stapeln gebildeten Hohlraum eingeführt. Durch das Auf füllen der Hohlräume wird die thermische Ankopplung der ein zelnen Bandleiter an den Rotorträger vorteilhaft verbessert. Optional kann ein solches Füllmittel zusätzlich auch vorhan dene Zwischenräume zwischen den einzelnen Bandleitern des Stapels ausfüllen und somit die einzelnen Bandleiter ther misch besser miteinander koppeln.
Ein solches Füllmittel kann beispielsweise ein Wärmeleitfett, ein Epoxidharz, ein Paraffin und/oder ein niedrigschmelzendes Lotmaterial sein. Es kann sich also allgemein entweder um ein bei Raumtemperatur flüssiges (gegebenenfalls hochviskoses) oder um ein bei Raumtemperatur festes Füllmittel handeln. Ein solches festes Füllmittel kann beispielsweise durch Aushärten eines Klebemittels oder eines Vergussmittels beziehungsweise durch Erstarren eines niedrigschmelzenden Lotmaterials erhal ten werden. Das Ausgangsmaterial für ein solches festes Füll mittel kann also durchaus auch ein flüssiges Füllmaterials sein. Ein flüssiges Ausgangsmaterial ist (unabhängig vom spä teren Aggregatzustand des Füllmittels) allgemein zu bevorzu gen, da hiermit eine weitgehende Ausfüllung auch von kleine ren Hohlräumen und insbesondere schmalen Spalten erreicht werden kann.
Ein besonders geeignetes Wärmeleitfett ist beispielsweise Apiezon N, da es eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist und außerdem gut verarbeitbar ist. Als Epoxidharze kommen sowohl ungefüllten Epoxidharze (beispielsweise Stycast 1266) wie auch gefüllte Epoxidharze (beispielsweise Stycast 2850 FT) in Frage. Allgemein sind die Epoxidharze des Typs Stycast beson ders bevorzugt. Als niedrigschmelzende Lotmaterialien eignen sich insbesondere Lotmaterialien mit einer Schmelztemperatur unterhalb von 250 °C, besonders bevorzugt mit einer Schmelz temperatur zwischen 30 °C und 200 °C. Derart niedrigschmel zende Lote sind besonders geeignet, um eine mechanisch feste und thermisch hochleitfähige Füllung der Zwischenräume auszu bilden, wobei eine zu starke thermische Belastung der emp findlichen Bandleiter vorteilhaft vermieden wird. Besonders geeignete niedrigschmelzende Lote sind beispielsweise indium haltige Lote, insbesondere das sogenannte Fieldsche Metall.
Allgemein vorteilhaft kann das Füllmittel eine spezifische Wärmeleitfähigkeit von wenigstens 0,05 W/m-K aufweisen. Der genannte Wert für die Wärmeleitfähigkeit soll dabei insbeson dere bei einer Betriebstemperatur des Rotors gelten. Diese Betriebstemperatur soll insbesondere eine kryogene Betriebs temperatur sein, bei welcher das supraleitende Material des Bandleiters im supraleitenden Zustand ist. Beispielsweise kann eine solche kryogene Betriebstemperatur in einem Bereich zwischen 20 K und 30 K liegen. Mit Epoxidharzen als Füllmit tel können bei solchen kryogenen Temperaturen beispielsweise Wärmeleitfähigkeiten oberhalb von 0,07 W/m-K erreicht werden. Mit Wärmeleitfetten können vorteilhaft noch höhere Werte er reicht werden, beispielsweise Wärmeleitfähigkeiten oberhalb von 0,12 W/m-K. Mit niedrigschmelzenden Loten können vorteil- haft noch wesentlich höhere Werte erreicht werden, beispiels weise Wärmeleitfähigkeiten oberhalb von 10 W/m-K.
Allgemein vorteilhaft kann das Füllmittel in einem Zwischen raum zwischen dem Bandleiterstapel und den Wänden der zugehö rigen Aussparung eine maximale Schichtdicke von höchstens 0,5 mm und insbesondere höchstens 0,2 mm aufweisen. Dabei ist die durch das Füllmittel gebildete Schicht in diesem Zwi schenraum typischerweise keine besonders homogene Schicht, da die einzelnen Bandleiter des Stapels insbesondere bei der ge schilderten in-situ Ausbildung des Stapels von Schicht zu Schicht seitlich etwas versetzt zueinander angeordnet sein können. Dies bewirkt eine deutliche Variation in der jeweili gen Dicke des durch das Füllmittel auszufüllenden Zwischen raums. So kann die mittlere Schichtdicke des Füllmittels in diesem Zwischenraum insbesondere deutlich niedriger sein als die oben genannten Maximalwerte. Sie kann aber auch in einem ähnlichen Bereich liegen. Beispielsweise kann eine solche mittlere Schichtdicke allgemein (und unabhängig von der je weils vorliegenden maximalen Schichtdicke) vorteilhaft im Be reich zwischen 0,05 mm und 0,5 mm und insbesondere zwischen 0,05 mm und 0,2 mm liegen.
Die beschriebenen vergleichsweise geringen Schichtdicken sind besonders vorteilhaft, wenn das Füllmittel ein organisches Füllmittel ist und eine eher niedrige thermische Leitfähig keit (beispielsweise unterhalb von 1 W/m-K) aufweist. Bei diesen Ausführungsformen ist es besonders wünschenswert, wenn die den Bandleiterstapel umgebende Füllmittel-Schicht beson ders dünn ist, da dann trotzdem eine vergleichsweise gute thermische Anbindung des Bandleiterstapels an den Rotorträger gewährleistet werden kann. Bei anderen Ausführungsformen mit Füllmittel mit höherer thermischer Leitfähigkeit (beispiels weise oberhalb von 1 W/m-K) und insbesondere bei der Verwen dung niedrigschmelzender metallischer Lote können zweckmäßig auch deutlich größere Schichtdicken des umgebenden Füllmit tels vorteilhaft sein, beispielsweise Schichtdicken im Be reich zwischen 0,1 mm und 1 mm. Aufgrund der hohen spezifi- sehen thermischen Leitfähigkeit dieser Materialien ist dann trotzdem eine vergleichsweise gute thermische Anbindung mög lich.
Allgemein können die einzelnen Bandleiter des wenigstens einen Bandleiterstapels jeweils als hochtemperatursupralei tende Bandleiter ausgebildet sein. Insbesondere können sie jeweils ein normalleitendes Substrat und eine hochtemperatur supraleitende Schicht aufweisen. Hochtemperatursupraleiter (HTS) sind supraleitende Materialien mit einer Sprungtempera tur oberhalb von 25 K und bei einigen Materialklassen ober halb von 77 K, bei denen die Betriebstemperatur durch Kühlung mit anderen kryogenen Materialien als flüssigem Helium er reicht werden kann. HTS-Materialien sind auch deshalb beson ders attraktiv, da diese Materialien abhängig von der Wahl der Betriebstemperatur hohe obere kritische Magnetfelder so wie hohe kritische Stromdichten aufweisen können. Der Hoch temperatursupraleiter kann beispielsweise Magnesiumdiborid oder einen oxidkeramischen Supraleiter, beispielsweise eine Verbindung des Typs REBa2Cu30x (kurz REBCO) umfassen, wobei RE für ein Element der seltenen Erden oder eine Mischung solcher Elemente steht.
Allgemein kann der Rotorträger dazu ausgebildet sein, um beim Betrieb des Rotors auf einer kryogenen Betriebstemperatur vorzuliegen. Hierdurch kann erreicht werden, dass die supra leitenden Magnetelemente über den Rotorträger gekühlt werden können. Alternativ oder zusätzlich können die supraleitenden Magnetelemente aber auch direkt an zusätzliche Elemente eines Kühlbusses angekoppelt sein. Beispielsweise können einzelne Kupferelemente eines Kupfer-Kühlbusses zusätzlich in die be schriebenen Aussparungen des Rotorträgers eingelassen sein, sodass die eingebetteten Magnetelemente in direkten Kontakt mit diesen Kupferelementen treten können. Alternativ können auch ein oder mehrere Wärmerohre in den Rotorträger inte griert sein, sodass die Bandleiterstapel im Bereich der Aus sparungen in thermischen Kontakt mit den Enden dieser Wärme rohre treten können. Allgemein kann der Rotorträger aus einem amagnetischen Mate rial ausgebildet sein. Dies ist vorteilhaft, um ein Schließen des magnetischen Flusses im Rotorträger zu vermeiden und eine hohe magnetischen Flussdichte in radial weiter außenliegenden Bereichen zu erzeugen. Geeignete Materialien für den Rotor träger sind beispielsweise amagnetischer Edelstahl, Alumini um, aluminiumhaltige Legierungen, Kupfer und kupferhaltigen Legierungen wie beispielsweise Messing.
Das beschriebene mechanische Anpressen der Polkappen kann beispielsweise durch Schrauben, durch Klemmen und/oder durch axiales Einschieben von schwalbenschwanzartig geformten Pol kappen in dazu passende Aussparungen erreicht werden.
Die Breite der einzelnen Bandleiter des Bandleiterstapels kann beispielsweise in einem Bereich zwischen 4 mm und 100 mm liegen. Hierbei sind vergleichsweise breite Bandleiter beson ders zu bevorzugen, um möglichst große supraleitende Magne telemente mit relativ homogenen Magnetfeldern und hoher Mag netisierung auszubilden.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand einiger bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die angehängten Zeichnungen beschrieben, in denen:
Figur 1 eine erste Ausführungsform einer elektrischen Maschi ne im schematischen Querschnitt zeigt,
Figur 2 bis 5 Detailausschnitte von ähnlichen Maschinen im
Bereich der supraleitenden Magnetelemente zeigen und Figur 6 eine weitere Ausführungsform einer elektrischen Ma schine im schematischen Querschnitt zeigt.
In den Figuren sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
In Figur 1 ist eine elektrische Maschine 1 im schematischen Querschnitt, also senkrecht zur zentralen Achse A gezeigt. Die Maschine umfasst einen außenliegenden feststehend ange ordneten Stator 3 und einen innenliegenden, um die zentrale Achse A drehbar gelagerten Rotor 5. Die elektromagnetische Wechselwirkung zwischen Rotor 5 und Stator 3 findet dabei über den dazwischenliegenden Luftspalt 6 hinweg statt. Es handelt sich um eine permanenterregte Maschine, welche zur Ausbildung eines Erregerfeldes im Bereich des Rotors eine Mehrzahl von permanentmagnetischen supraleitenden Magnetele menten 9 aufweist. Im Querschnitt der Figur 1 sind hier bei spielhaft vier derartige Permanentmagnete über den Umfang des Rotors verteilt. Sie sind in entsprechenden radial außenlie genden Aussparungen 12 eines Rotorträgers 7 angeordnet, wobei der Rotorträger 7 die Magnetelemente 9 mechanisch trägt. In der hier nicht dargestellten axialen Richtung können jedoch zusätzlich noch weitere als die hier gezeigten vier Magne telemente vorliegen, wobei durch eine solche axiale Untertei lung jedoch die magnetische Polzahl der elektrischen Maschine nicht erhöht wird.
Der Rotorträger 7 wird zusammen mit den darauf gehaltenen Magnetelementen 9 durch eine hier nicht detaillierter darge stellte Kühlvorrichtung auf eine kryogene Betriebstemperatur gekühlt, welche unterhalb der Sprungtemperatur des in den Magnetelementen verwendeten Supraleitermaterials liegt. Um diese kryogene Temperatur aufrechtzuerhalten, sind Rotorträ ger 7 und Magnetelemente 9 zusammen im Innenraum eines Kryos- taten 11 angeordnet. Zwischen dem Kryostaten und dem Rotor träger 7 befindet sich ein ringförmiger Vakuumraum V zur thermischen Isolation.
Im Ausführungsbeispiel der Figur 1 sind die einzelnen Magne telemente 9 jeweils als Bandleiterstapel 8 aus einzelnen sup raleitenden Bandleitern 10 gebildet. Dabei ist jeweils eine Vielzahl von solchen supraleitenden Bandleitern 10 in einer radialen Richtung übereinandergestapelt . Die einzelnen Band leiter 10 der jeweiligen Bandleiterstapel sind dabei nicht zu einem vorgefertigten Bauteil miteinander verbunden, sondern sie sind nacheinander in die entsprechende Aussparung 12 des Rotorträgers 7 eingelegt worden. Die Bandleiterstapel 8 wur den hier also in situ innerhalb der jeweiligen Aussparungen 12 des Rotorträgers 7 gebildet. Anschließend wurden die so gebildeten Bandleiterstapel 8 jeweils durch die Anordnung einer radial weiter außenliegenden Polkappe 13 mechanisch fi xiert. Diese Polkappen 13 halten also die einzelnen Bandlei ter 10 der in den Aussparungen gebildeten Bandleiterstapel zusammen. Dazu werden die Polkappen 13 mit einem radialen An pressdruck p von radial außen gegen die Bandleiterstapel 8 gepresst. Nach der Bildung der Bandleiterstapel sind die ein zelnen Bandleiter 10 zunächst nicht fest miteinander verbun den. Es ist möglich, dass sie auch im fertigen Rotor 5 nur lose Übereinanderliegen und nur durch den Anpressdruck p der Polkappen 13 zusammengehalten werden. Alternativ können sie jedoch nach der Ausbildung des Stapels innerhalb der jeweili gen Aussparung 12 beispielsweise durch ein Klebemittel und/oder ein Füllmittel zusätzlich miteinander fixiert wer den. Diese unterschiedlichen Varianten werden im Zusammenhang mit den nachfolgend beschriebenen Detailausschnitten deutlich werden .
So zeigt Figur 2 einen Detailausschnitt des Rotors einer elektrischen Maschine im schematischen Querschnitt. Gezeigt ist der Bereich eines supraleitenden Magnetelements 9, das in eine radial außenliegende Aussparung des Rotorträgers 7 ein gebettet ist. Der übrige Teil der elektrischen Maschine kann beispielsweise ähnlich wie beim Beispiel der Figur 1 ausge staltet sein. Auch das Magnetelement 9 ist hier durch einen Bandleiterstapel 8 aus einer Vielzahl von einzelnen supralei tenden Bandleitern 10 gebildet. Diese einzelnen Bandleiter 10 sind in radialer Richtung r übereinandergestapelt . Sie werden von radial außen durch eine Polkappe 13 fixiert, welche mit einem Anpressdruck gegen den Bandleiterstapel 8 gedrückt wird. Die Mittel zur Ausbildung dieses Anpressdrucks sind hier der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt. Im Bei spiel der Figur 2 sind die einzelnen Bandleiter 10 des Band leiterstapels 8 nur lose übereinandergelegt und werden aus schließlich durch das Anpressen der außenliegenden Polkappe 13 zusammengehalten. Ansonsten sind sie prinzipiell in seit licher Richtung gegeneinander verschiebbar. Sie sind also insbesondere nicht miteinander verklebt oder miteinander ver gossen. Dadurch, dass der Bandleiterstapel hier innerhalb der Aussparung durch sequenzielles Einlegen der einzelnen Band leiter 10 gebildet worden ist, können die Bandleiter 10 einen leichten seitlichen Versatz zueinander aufweisen. Dieser seitliche Versatz ist in der Figur 2 zur Verdeutlichung über trieben dargestellt. Zwischen den seitlichen Rändern der ein zelnen Bandleiter und den Wänden 18 der zugehörigen Ausspa rung des Rotorträgers ist ein kleiner Zwischenraum 15 gebil det. Auch dieser Zwischenraum 15 ist hier übertrieben darge stellt. Es kann sich dabei auch nur um einen minimalen Spalt handeln, der nach dem Einlegen der Bandleiter zu den Wänden der Aussparung hin verbleibt, wobei manche Bandleiter die Wand auch direkt berühren können. Die mittlere Breite dieses Zwischenraums beziehungsweise Spalts ist in Figur 2 mit b be zeichnet. Im Vergleich zu einem herkömmlichen vorgefertigten Bandleiterstapel kann dieser mittlere Abstand b zu den Wänden der Aussparung besonders klein gewählt werden. Dies liegt da ran, dass bei dem in situ gebildeten Bandleiterstapel keine äußere Umhüllung zur mechanischen Fixierung der einzelnen Bandleiter aneinander benötigt wird und dass im Vergleich zum vorgefertigten Bauteil durch eine genaue Anpassung an die Größe der Aussparung ein besonders geringer seitlicher Ver satz der einzelnen Bandleiter erreicht werden kann.
Die radial außenliegenden Polkappen 13 sind so geformt, dass sie in azimutaler Richtung die kreisförmige äußere Quer schnittsform des Rotorträgers nachbilden beziehungsweise fortsetzen. Die einzelnen Polkappen 13 sind hier jeweils aus einem ferromagnetischen Material gebildet. Dies bewirkt all gemein vorteilhaft eine verbesserte magnetische Flussführung und insbesondere eine Homogenisierung des nach radial außen dringenden magnetischen Flusses.
Figur 3 zeigt einen Detailausschnitt für einen ähnlichen Be reich eines Rotors nach einem weiteren Beispiel der Erfin- düng. Auch hier ist der Bereich eines supraleitenden Magne telements 8 gezeigt, welches insgesamt ähnlich wie beim Bei spiel der Figur 2 ausgebildet ist. Im Unterschied zum dorti gen Beispiel ist jedoch hier der Zwischenraum zwischen den seitlichen Rändern der Bandleiter und den Wänden 18 der Aus sparung durch ein Füllmittel 17 gefüllt. Dieses Füllmittel 17 kann den seitlichen Zwischenraum vorteilhaft im Wesentlichen ganz oder zumindest zum überwiegenden Teil ausfüllen. Prinzi piell kann es sich dabei entweder um ein bei Raumtemperatur flüssiges (gegebenenfalls hochviskos flüssiges) oder auch um ein bei Raumtemperatur festes Füllmittel handeln. Ein festes Füllmittel kann beispielsweise dadurch erhalten werden, dass ein ursprünglich flüssiges Füllmittel in den Zwischenraum eingegossen wird und anschließend chemisch ausgehärtet wird oder durch Abkühlung erstarrt. Das Füllmittel kann dabei ent weder nachträglich nach der Anordnung des gesamten Bandlei terstapels und/oder während der Stapelung der einzelnen Band leiter in den seitlichen Zwischenraum eingebracht werden. Beispielweise kann es sich bei dem Füllmittel um ein Wärme leitfett, ein Klebemittel, ein Vergussmittel und oder um ein niedrigschmelzendes Lot handeln.
Ein wesentlicher Vorteil der Befüllung des Zwischenraums mit einem solchen Füllmittel 17 liegt darin, dass die thermische Ankopplung des Bandleiterstapels 8 an den Rotorträger 7 im Vergleich zu einem unausgefüllten Zwischenraum wesentlich verbessert werden kann. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn die thermische Leitfähigkeit des Füllmittels 17 ver gleichsweise hoch ist und/oder wenn die mittlere Schichtdicke d des seitlich umhüllenden Füllmittels 17 vergleichsweise klein gewählt ist. Beispielsweise kann diese mittlere
Schichtdicke unterhalb von 0,5 mm liegen. Diese mittlere Schichtdicke kann vorteilhaft deutlich dünner gewählt sein, als dies bei der Verwendung eines vorgefertigten, bereits verklebten oder vergossenen Bandleiterstapels möglich wäre.
Auch beim Beispiel der Figur 3 weisen die einzelnen Bandlei ter 10 des Bandleiterstapels 8 untereinander einen leichten seitlichen Versatz auf, der auch hier übertrieben dargestellt ist. Durch diesen lateralen Versatz ist die Schichtdicke d des seitlich benachbarten Füllmittels 17 nicht konstant, son dern sie kann von Lage zu Lage deutlich variieren. Wenn ein zelne Bandleiter die seitliche Wand 18 berühren, kann sie an einzelnen Stellen auch 0 oder nahezu 0 sein. Die maximale seitliche Schichtdicke des Füllmittels 17 ist in Figur 3 mit dmax bezeichnet. Auch sie kann vorteilhaft deutlich geringer sein als bei einem vergleichbaren vorgefertigten und bereits verklebten oder vergossenen Magnetelement.
In Figur 4 ist ein ähnlicher Detailausschnitt eines Rotors nach einem weiteren Beispiel der Erfindung gezeigt. Im Unter schied zu den vorhergehenden Beispielen ist hier das Magne telement 9 nicht durch einen einzelnen Bandleiterstapel, son dern durch eine Mehrzahl von nebeneinander angeordneten Band leiterstapeln 8 gebildet. Hier sind beispielhaft drei neben einanderliegende Bandleiterstapel 8 gezeigt, wobei diese Zahl auch niedriger oder höher gewählt sein kann. Im Beispiel der Figur 4 sind die einzelnen Bandleiterstapel in azimutaler Richtung des Rotors nebeneinander angeordnet. Sie sind zusam men in eine gemeinsame Aussparung des Rotorträgers 7 einge bettet. Außerdem werden sie zusammen von einer gemeinsamen Polkappe 13 fixiert, welche in azimutaler Richtung alle drei Bandleiterstapel 8 des Magnetelements 9 überragt. Auch hier ist die Polkappe aus einem ferromagnetischen flussführenden Material gewählt. Dies ist bei der hier vorliegenden Segmen tierung des Magnetelements 9 besonders zweckmäßig, um eine Homogenisierung des nach radial außen vordringenden magneti schen Flusses zu erreichen. Insbesondere werden dadurch die über den einzelnen Bandleiterstapel 18 ausgebildeten Maxima des magnetischen Flusses nach außen hin geglättet.
Auch beim Beispiel der Figur 4 ist es grundsätzlich denkbar, dass die Zwischenräume 15 zwischen den Bandleiterstapeln 8 und den Wänden der Aussparung entweder frei bleiben oder durch ein Füllmittel ähnlich wie beim Beispiel der Figur 3 gefüllt sind. Auch die Zwischenräume 15a, die zwischen den einzelnen Bandleiterstapeln 8 ausgebildet sind, können analog entweder frei bleiben oder mit einem Füllmittel ausgefüllt sein. Allgemein ist die Verwendung eines Füllmittels vorteil haft, um die thermische Ankopplung und somit die Kühlung der einzelnen Bandleiterstapel zu verbessern.
Figur 5 zeigt einen weiteren Detailausschnitt eines Rotors nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung. Ge zeigt ist eine Aufsicht von radial außen auf eine radial außenliegende Oberfläche des Rotors im Bereich von drei außenliegenden Aussparungen. Diese drei Aussparungen sind hier in axialer Richtung des Rotors nebeneinander angeordnet. In diese drei Aussparungen sind drei zugehörige Bandleiter stapel 8 eingebettet, also jeweils ein Bandleiterstapel pro Aussparung. Diese axial benachbarten Bandleiterstapel bilden insbesondere zusammen einen gemeinsamen magnetischen Pol des Rotors aus .
Beim Beispiel der Figur 5 ist in jede der Aussparungen je weils nur ein Bandleiterstapel 8 eingebettet. Es ist alterna tiv aber auch möglich, dass in jede dieser Aussparungen ein Magnetelement 9 eingebettet ist, welches ähnlich wie beim Beispiel der Figur 4 aus mehreren azimutal benachbarten Band leiterstapeln gebildet ist. Gemäß einer weiteren Ausführungs form ist es auch möglich, dass alternativ oder zusätzlich auch mehrere axial benachbarte Bandleiterstapel zusammen in einer gemeinsamen Aussparung des Rotorträgers angeordnet sind .
Auch beim Beispiel der Figur 5 sind ähnlich wie beim Beispiel der Figur 3 die Zwischenräume zwischen den Bandleiterstapeln und den seitlichen Wänden der Aussparungen durch ein Füllmit tel 17 mit entsprechend niedriger mittlerer Schichtdicke d ausgefüllt. Grundsätzlich ist es jedoch auch möglich, dass diese Zwischenräume eine relativ geringe Breite aufweisen und ohne eine solche Füllung ausgebildet sind, ähnlich wie beim Beispiel der Figur 2. In Figur 6 ist eine schematische Querschnittsdarstellung für eine weitere Ausführungsform einer elektrischen Maschine ge zeigt. Insgesamt ist diese elektrische Maschine ähnlich aus gestaltet wie die elektrische Maschine der Figur 1. Im Unter schied zu dieser sind hier jedoch die Polkappen 13 auf ihrer radial außen liegenden Seite nicht dem kreisförmigen Umfang des Rotorträgers 7 nachgebildet, sondern sie weisen eine stärkere Krümmung auf. Ähnlich wie beim Beispiel der Figur 1 sind also auch hier die azimutalen Randbereiche 13a der Pol kappen jeweils dünner ausgebildet als das azimutale Zentrum 13b. Beim Beispiel der Figur 6 erstrecken sich die azimutalen Zentren 13b jedoch in radialer Richtung noch weiter nach außen als diese azimutalen Randbereiche 13a. Durch diese ver stärkte Krümmung kann vorteilhaft erreicht werden, dass die ausgebildete magnetische Flussdichte über den Umfang des Ro tors gesehen einen im Wesentlichen sinusförmigen Verlauf er hält. Dies führt vorteilhaft zu einer oberwellenarmen
elektrischen Maschine 1.
Bezugszeichenliste
1 elektrische Maschine
3 Stator
5 Rotor
6 Luftspalt
7 Rotorträger
8 BandleiterStapel
9 supraleitendes Magnetelement
10 Bandleiter
11 Kryostatwand
12 radial außenliegende Aussparung
13 Polkappe
13a azimutaler Randbereich der Polkappe 13b azimutales Zentrum der Polkappe
15 Zwischenraum
15a Zwischenraum zwischen Bandleiterstapeln
17 Füllmittel
18 Wand der Aussparung
A zentrale Rotorachse
b mittlere Breite des Spalts
d mittlere Schichtdicke
dmax maximale seitliche Schichtdicke
P Anpressdruck
r radiale Richtung
V Vakuumraum

Claims

Patentansprüche
1. Rotor (5) für eine elektrische Maschine (1) mit einer zentralen Rotorachse (A) , umfassend
- einen Rotorträger (7) und
- wenigstens eine von dem Rotorträger (7) mechanisch getrage ne permanentmagnetische supraleitende Magneteinrichtung mit einem oder mehreren supraleitenden Magnetelementen (9),
- wobei das jeweilige supraleitende Magnetelement (9) in eine passende, zugeordnete radial außenliegende Aussparung (12) des Rotorträgers (7) eingebettet ist,
- wobei das jeweilige supraleitende Magnetelement (9) durch wenigstens einen Bandleiterstapel (8) aus mehreren supra leitenden Bandleitern (10) gebildet ist
- und wobei der jeweilige Bandleiterstapel (8) durch eine ra dial weiter außen angeordnete Polkappe (13) in der zugehö rigen Aussparung (12) fixiert ist, derart, dass die Polkap pe (13) die einzelnen Bandleiter (10) in dem Bandleitersta pel (8) zusammenhält.
2. Rotor (5) nach Anspruch 1, bei welchem die einzelnen sup raleitenden Bandleiter (10) des wenigstens einen Bandleiter stapels (8) lose Übereinanderliegen.
3. Rotor (5) nach Anspruch 1, bei welchem die einzelnen sup raleitenden Bandleiter (10) des wenigstens einen Bandleiter stapels (8) innerhalb der zugehörigen Aussparung (12) durch Verkleben und/oder Verguss miteinander verbunden sind.
4. Rotor (5) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die Polkappe (13) aus einem amagnetischen Material gebildet ist.
5. Rotor (5) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei welchem die Polkappe (13) ein ferromagnetisches Material umfasst.
6. Rotor (5) nach Anspruch 5, bei welchem die Polkappe (13) in ihren azimutalen Randbereichen (13a) dünner ausgebildet ist und sich weniger weit nach radial außen erstreckt als in ihrem azimutalen Zentrum (13b) .
7. Rotor (5) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die permanentmagnetische supraleitende Magneteinrich tung zur Erzeugung eines Magnetfelds mit einer magnetischen Flussdichte von wenigstens 1,0 T ausgelegt ist.
8. Rotor (5) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem das supraleitende Magnetelement (9) aus einer Mehr zahl von nebeneinander angeordneten Bandleiterstapeln (8) zu sammengesetzt ist.
9. Rotor (5) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem zwischen dem Bandleiterstapel (8) und den Wänden (18) der zugehörigen Aussparung (12) ein Zwischenraum (15) gebil det ist, welcher im Wesentlichen durch ein Füllmittel (17) ausgefüllt ist.
10. Rotor (5) nach Anspruch 9, bei welchem das Füllmittel (17) ein Wärmeleitfett, ein Epoxidharz, ein Paraffin und/oder ein niedrigschmelzendes Lotmaterial ist.
11. Rotor (5) nach einem der Ansprüche 9 oder 10, bei welchem das Füllmittel (17) bei der Betriebstemperatur des Rotors (5) eine spezifische Wärmeleitfähigkeit von wenigstens 0,05 W/m-K aufweist .
12. Rotor (5) nach einem der Ansprüche 9 bis 11, bei welchem das Füllmittel (17) im Zwischenraum (15) zwischen dem Band leiterstapel (8) und den Wänden (18) der zugehörigen Ausspa rung (12) eine maximale Schichtdicke (dmax) von höchstens
0,5 mm, insbesondere höchstens 0,2 mm, aufweist.
13. Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei wel chem die einzelnen Bandleiter des wenigstens einen Band leiterstapels jeweils ein normalleitendes Substrat und eine hochtemperatursupraleitende Schicht aufweisen.
14. Elektrische Maschine mit einem Rotor nach einem der vor hergehenden Ansprüche und einem feststehend angeordneten Sta tor .
15. Verfahren zur Herstellung eines Rotors nach einem der An sprüche 1 bis 13, umfassend die folgenden Schritte:
- Ausbildung wenigstens eines Bandleiterstapels durch sequen tielles Einbringen einer Mehrzahl von supraleitenden Band- leitern in eine passende radial außenliegende Aussparung des Rotorträgers und
- anschließende mechanische Fixierung des so gebildeten Band leiterstapels durch eine radial weiter außen angeordnete Polkappe .
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