DE102004023475A1

DE102004023475A1 - Synchronmaschine mit Statorkühleinrichtung

Info

Publication number: DE102004023475A1
Application number: DE102004023475A
Authority: DE
Inventors: Joachim Frauenhofer; Norbert Dr. Huber; Jürgen Dr. Rieger; Wolfgang Dr. Schmidt; Bernd Wacker
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 2004-05-12
Filing date: 2004-05-12
Publication date: 2005-12-08
Also published as: WO2005112237A1

Abstract

Die Synchronmaschine (6) enthält eine beispielsweise supraleitende Rotorwicklung und eine zu kühlende, normalleitende Statorwicklung (11). Die Statorwicklung (11) ist zumindest teilweise in einer Trägerstruktur (14) mit hohlzylindrischem, weichmagnetischem Außenkörper (13) sowie axial und radial verlaufenden, stegartigen Tragzähne (21i) aus nicht-magnetischem Material angeordnet. Ein Außengehäuse (15) mit hohlzylindrischen Gehäuseteil (15a) umschließt den Außenkörper (13). Es soll eine Kühlung des aus einem nicht-magnetischen Material bestehenden Gehäuseteils (15a) wenigstens in Teilbereichen mittels eines Kühlmediums (K) vorgesehen sein, wobei eine thermische Ankopplung der Statorwicklung (11) an das Kühlmedium (K) über die Trägerstruktur (14) und den Gehäuseteil (15a) erfolgt. Hierzu sollen die Tragzähne (21i) zumindest teilweise aus einem Material mit einer thermischen Leitfähigkeit lambda K È m von über 10 W/K È m bestehen.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Synchronmaschine mit einem mehrpoligen Rotor sowie einem den Rotor umschließenden Stator, der

– eine zu kühlende, normalleitende Statorwicklung,
– eine die Statorwicklung zumindest teilweise aufnehmende Trägerstruktur, welche einen im Wesentlichen hohlzylindrischen Außenkörper aus weichmagnetischem Material sowie an dessen Innenseite axial und radial verlaufende, stegartige Tragzähne aus nicht-magnetischem Material aufweist, zwischen denen zumindest Teile der Statorwicklung angeordnet sind,
– ein Außengehäuse mit einem den Außenkörper umschließenden, hohlzylindrischen Gehäuseteil und
– eine Statorkühleinrichtung zur Abführung der von der Statorwicklung erzeugten Wärme an ein Kühlmedium

Eine entsprechende Synchronmaschine mit Statorkühleinrichtung ist der EP 1 251 624 A2 zu entnehmen.

Bei der bekannten Synchronmaschine ist die Statorwicklung als eine sogenannte Luftspaltwicklung ausgebildet. Sie befindet sich vollständig in einem Kühlmittelraum, durch den ein flüssiges Kühlmittel hindurchgeleitet wird. Um eine effektive Kühlung der Wicklungsteile im Bereich der Tragzähne zu gewährleisten, sind an diesen Aussparungen als Kühlkanäle ausgebildet. Hierzu bedarf es einer hinreichend großen Ausdehnung der Tragzähne in radialer Richtung.

Bei manchen Maschinentypen ist jedoch diese Ausdehnung beschränkt; d.h., bei solchen Maschinentypen mit verhältnismäßig kleinen Außendurchmessern ist dann eine effektive Abführung der von der Statorwicklung erzeugten Wärme an ein bei spielsweise flüssiges Kühlmittel mittels einer derartigen Statorkühleinrichtung kaum möglich. Entsprechende Maschinentypen werden insbesondere für Propeller- und Jetantriebe in schwimmenden Geräten wie Schiffen gefordert.

Gute See-Eigenschaften eines Überwasserschiffes sind durch hohe Geschwindigkeit und gute Manövrierfähigkeit gekennzeichnet.

Eine wichtige Eigenschaft ist die Seeausdauer, die sowohl vom Vorrat an Kraftstoff sowie Wasser und Proviant als auch von der Betriebssicherheit der Anlagen und der Einsatzfähigkeit der Besatzung abhängt. Heute ist die hohe Dauergeschwindigkeit bei Seegang verbunden mit guten Seeverhalten eine wichtige Forderung zur Überbrückung weiter Seeräume geworden.

Die Systeme und Komponenten der Fahr- und Bordnetze müssen zur Verbesserung der See-Eigenschaften eine hohe funktionelle Verfügbarkeit bieten.

Um den Schiffskörper hydrodynamisch optimal konstruieren zu können, ist es notwendig, elektrische Antriebsmaschinen für die Propulsion (Propeller, Waterjets oder Impeller) im Aspektverhältnis der Maschine Aktivteillänge zu Aktivteildurchmesser von bis zu 3 zu bauen. Diese elektrischen Maschinen sollen sehr leicht sein, einen hohen Wirkungsgrad haben sowie nach Möglichkeit natürlich (durch relative Bewegung) gekühlt sein.

Nachfolgend sei auf einige für die Auslegung des Antriebs eines Schiffes zu berücksichtigende Gesichtspunkte eingegangen:

I. Propeller-Antrieb

Überwasser-Schiffe werden in der Regel heute mit 2 Propellerschrauben angetrieben. Im Schiffsinneren sind Dieselmotoren oder Gasturbinen angeordnet, die ihre mechanische Energie über Wellenanlagen/Getriebe an die Propeller weitergeben.

Für Marineantriebe werden aus den bisherigen Betriebserfahrungen besonders strenge Forderungen gestellt, nämlich

• schnelle Startbereitschaft,
• hohe Kurzhöchstleitungen bei Überlast,
• geringes Gewicht,
• gute Wartungsmöglichkeiten sowie Ein- und Ausbauwege,
• geringer Betriebsstoffverbrauch,
• hohe Betriebssicherheit.

II. Waterjet-Antrieb

Entsprechende Antriebssysteme werden insbesondere für schnelle seegehende Schiffe vorgesehen. Sie umfassen einen Antrieb durch wenigstens einen Wasserstrahl, den sogenannten „Waterjet", der in einem Pumpenaggregat mit Austrittsdüse (n) erzeugt wird. Hierzu kann ein Laufrad am Ende einer Pumpenwelle vorgesehen werden, die mit einem Motor wie etwa einem Elektromotor, beispielsweise mit Hoch-T_c-Supraleitern oder mit einem Dieselmotor oder einer Gasturbine verbunden ist (vgl. z.B. WO 03/101820 A1).

III. Voll-elektrisches Schiff (VES)

Das elektrische Bordnetz von heutigen Schiffen setzt sich aus folgenden Komponenten und Systemen zusammen:

• elektrische Energieerzeugung
• elektrische Energieverteilung
• elektrische Energieverbraucher

Das vollelektrische Schiff (VES) beinhaltet den Einsatz von wirtschaftlichen, elektrischen Energieerzeugern für den Antrieb des Schiffes durch elektrische Maschinen (Fahrnetz) und die Versorgung des Bordnetzes.

Der Leistungsbedarf der elektrischen Energie-Erzeugeraggregate liegt bei den zukünftigen Schiffen im Bereich von 20-50 MW je nach Anforderungen an das Bordnetz und an die Geschwindigkeit des Schiffes.

Insbesondere im Rahmen der Entwicklung voll-elektrischer Schiffe ist auch an Antriebe gedacht, die ihre wenigstens eine elektrische Antriebsmaschine an der Unterseite des Schiffskörpers gondelartig angebracht aufweisen. Solche Antriebe werden auch als „POD-Antriebe" bezeichnet. Entsprechende Antriebe, insbesondere mit Synchronmaschinen unter Verwendung von Hoch-T_c-Supraleitern, sind allgemein bekannt (vgl. z.B. WO 03/019759 A2, EP 0 907 556 B1 , WO 03/047962 A2).

Oberstes Ziel der Gestaltung solcher POD-Antriebe ist zunächst die Gewichtsminimierung. So wird z.B. für spezielle Schiffstypen ein bestimmtes Zielgewicht für den POD (bestehend aus HTS-Motor, Gondel-Gehäuse mit Gleitlagern und Drucklager, Propeller mit Welle, POD-Schaft, POD-Aufhängung mit Azimut-Modul) gefordert, wobei ca. 25 % des Gesamtgewichtes auf den Motor-Aktivteil, bestehend aus Rotor und Stator ohne Welle, entfallen dürfen.

Weiterhin besteht das Ziel, einen hydrodynamischen Propellerwirkungsgrad von > 60 % zu erreichen. Das Verhältnis Gondeldurchmesser/Propellerdurchmesser ist für den POD-Antrieb dabei ein wichtiges Kriterium und sollte optimal bei 0,3...0,33 liegen (Verhältnisse unter 0,3 bringen nur noch geringfügige hydrodynamische Vorteile bei außergewöhnlich hohem Aufwand für den Motor). Unter der Annahme, dass ein Propeller einen Außendurchmesser von 3,5 m hat, ergibt sich für den Durchmesser der Gondel ein Zielwert von (3,5 m)·(0,3...0,33) = 1050 ...1150 mm. Beträgt die Wandstärke des Gehäuses 50 mm (Annahme), so ist der erforderliche Durchmesser des Aktivteiles (Statorjoch) 950...1050 mm.

Die Länge der Gondel sollte unter Einhaltung eines guten hydrodynamischen Widerstandes möglichst kurz sein und wird maßgeblich von der Länge des Aktivteiles beeinflusst.

Bekannte Permanentmagnet-Maschinen, konventionelle Asynchron- und Synchronmaschinen erreichen die Anforderungen bezüglich dieser Voraussetzungen des Aspektverhältnisses und des Gewichtes nicht.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es nun, die Synchronmaschine mit den eingangs genannten Merkmalen dahingehend auszugestalten, dass eine sichere Kühlung der Statorwicklung mit vermindertem Aufwand ermöglicht wird, insbesondere auch bei geringer radialer Ausdehnung der Wicklung, wie es für Maschinen von Schiffen gefordert wird.

Diese Aufgabe wird mit den in Anspruch 1 angegebenen Maßnahmen gelöst. Dementsprechend soll bei der Synchronmaschine mit den eingangs genannten Merkmalen ihr hohlzylindrischer Gehäuseteil wenigstens in Teilbereichen mit dem Kühlmedium verbunden (bzw. von diesem benetzt) sein und soll eine thermische Ankopplung der Statorwicklung an das Kühlmedium über die Trägerstruktur und den Gehäuseteil erfolgen, wobei die Tragzähne zumindest teilweise aus einem Material mit einer thermischen Leitfähigkeit λ von über 10 W/K·m bestehen.

Den erfindungsgemäßen Maßnahmen liegt die Überlegung zugrunde, dass die Statorwicklung der Synchronmaschine vorteilhaft über Wärmeleitung in ihren Tragzähnen praktisch vollständig entwärmt wird. Durch den Verzicht auf Tragzähne aus ferromagnetischem Eisen stellt die Statorwicklung praktisch eine Luftspaltwicklung dar, wobei über die Trägerstruktur für diese Wicklung die Verlustwärme aus der Luftspaltwicklung abgeführt wird. Hierbei spielt es keine Rolle, ob ein oder mehrere, z.B. elektrisch versetzte Ständersysteme als Luftspaltwicklung verwirklicht sind. Es werden also keine Statorzähne aus Eisen wie bei bekannten Maschinen, sondern mit einem Material mit einer hinreichend hohen thermischen Leitfähigkeit (Wärmeleitfähigkeit λ) eingesetzt.

Die erfindungsgemäßen Maßnahmen beruhen somit im Wesentlichen darauf, dass die Wärmeabfuhr über gut-leitfähiges Material in einem Bereich von über 10 W/K·m bis zu 1000 W/K·m aus der im Allgemeinen Cu-Leiter aufweisenden Statorwicklung durch deren unumgängliche Isolation erfolgen kann, wobei die Wärme an den umhüllenden Außenkörper abgegeben wird. Dieser umhüllende Außenkörper besteht aus Gründen einer erforderlichen magnetischen Flussführung aus einem weichmagnetischen Material wie insbesondere Eisen, welches für eine ausreichende magnetischen Flussführung einen verhältnismäßig großen Querschnitt aufweisen muss und daher in der Lage ist, ausreichend Wärme aufzunehmen und abzugeben. Die Abgabe erfolgt dabei zumindest über den ihm umhüllenden Gehäuseteil und gegebenenfalls über weitere Teile des Außengehäuses an das ihn von außen benetzende Kühlmedium, vorzugsweise direkt oder indirekt an Wasser wie z.B. Meerwasser oder Frischwasser, oder auch an ein gasförmiges Kühlmedium wie kalte Luft.

Besonders vorteilhaft ist auch, dass von den Wickelköpfen der Statorwicklung, welche wegen ihrer hochkomplizierten dreidimensionalen Geometrie im Allgemeinen nicht in die Trägerstruktur eingelegt werden können, die Wärmeabfuhr durch Wärmeleitung über die Cu-Leiter der Statorwicklung zum geraden Teil (Aktivteil) der Wicklung (im Bereich des sie umhüllenden weichmagnetischen Außenkörpers) erfolgt. Von dort aus wird mit den hochwärmeleitfähigen Tragzähnen diese Wärme wie auch die Wärme aus dem geraden Aktivteil zu dem weichmagnetischen Außenkörper hin abgeführt, der über den Gehäuseteil von dem Kühlmedium entwärmt wird. Der Wärmetransport in das Kühlmedium erfolgt somit im Wesentlichen nur über die Tragzähne und den Außenkörper, die zusammen die Trägerstruktur bilden, sowie zumindest über den Gehäuseteil des Außengehäuses.

Vorteilhaft ist auch, dass auf Zusatzaggregate wie eine Zwangskühlung der Statorwicklung im Bereich der Tragzähne verzichtet werden kann und somit die Verfügbarkeit des Antriebs verbessert ist.

Bevorzugte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Synchronmaschine gehen aus den abhängigen Ansprüchen hervor.

So ist es ebenfalls von Vorteil, wenn auch der Gehäuseteil zumindest teilweise aus einem Material mit einer thermischen Leitfähigkeit λ von über 10 W/K·m besteht, das insbesondere auch nicht-magnetisch sein kann.

Bevorzugt sollten die Tragzähne und/oder der Gehäuseteil zumindest teilweise aus einem Material mit einer größeren thermischen Leitfähigkeit λ als der von Eisen bestehen. Die Wärmeleitfähigkeit von Eisen ist begrenzt und liegt im Bereich von 40 bis 60 W/K·m in Abhängigkeit von einer eventuellen Zulegierung weiterer Materialien. D.h., es wird vorteilhaft ein Material mit einer thermischen Leitfähigkeit λ von über 60 W/K·m gewählt.

Im Allgemeinen wird zunächst der Gehäuseteil des Außengehäuses aus einem nicht-magnetischen Material ausgebildet sein. Die Gründe hierfür sind in einer guten Wärmeleitfähigkeit nicht-magnetischer Materialien wie z.B. von Bronze oder Stählen und/oder in einer Resistenz gegen unerwünschte Umwelteinflüsse, z.B. Korrosionsfestigkeit, zu sehen. Eine solche Materialwahl ist jedoch nicht zwingend. So kann gegebenenfalls der Gehäuseteil auch aus einem ferromagnetischen Material bestehen. Dabei ist es insbesondere im Hinblick auf einen einfachen Aufbau auch möglich, dass der Gehäuseteil als ein in den weichmagnetischen Außenkörper integrierter Bauteil und vorzugsweise mit diesem einstückig ausgebildet ist.

Um einen hinreichenden Wärmetransport über die Tragzähne zu gewährleisten, werden diese besonders vorteilhaft so aufgebaut, dass die thermische Leitfähigkeit λ in radialer Richtung mindestens den Wert wie in tangentialer Richtung, vorzugsweise einen höheren Wert, insbesondere mindestens aber den 2-fachen Wert, beträgt. Zur Förderung der Wärmeleitung in axialer Richtung innerhalb der Wicklung können die Tragzähne auch so aufgebaut sein, dass die thermische Leitfähigkeit λ in dieser Richtung mindestens den Wert wie in tangentialer Richtung, vorzugsweise einen höheren Wert, insbesondere mindestens aber den 2-fachen Wert, beträgt.

Als Material für die Tragzähne kommt bevorzugt eine Metalllegierung oder eine Keramik oder ein Verbundwerkstoff in Frage. Im Fall einer Verwendung eines Verbundwerkstoffs wird vorteilhaft ein solcher vorgesehen, dessen mechanische und thermische Eigenschaften, insbesondere der Elastizitätsmodul, die kritische Bruchdehnung und die thermische Leitfähigkeit λ, an die Einsatzbedingungen des Rotors angepasst sind. Hierfür kann vorteilhaft die Anpassung der mechanischen und thermischen Eigenschaften durch Auswahl eines Strukturträgers, seiner Geometrie und des Mengenanteils im Verbundwerkstoff, sowie durch Auswahl und Mengenanteil eines Füllmaterials im Verbundwerkstoff erfolgen. Dabei kann der Strukturträger im Verbundmaterial auch aus mehr als einem Material bestehen. Der zu verwendende Strukturträger im Verbundmaterial kann einen höheren Anteil an der thermischen Leitfähigkeit λ besitzen als nach dem reinen Mengenanteil auf ihn entfallen würde.

Besonders vorteilhaft ist es hierbei, wenn die Tragzähne aus einem Kohlefaser-Verbundwerkstoff mit hoher thermischer Leitfähigkeit λ ausgebildet werden.

Für die Kühlung des Gehäuseteils der erfindungsgemäßen Synchronmaschine kommen praktisch alle bekannten Kühlarten unter Verwendung von flüssigem, gegebenenfalls auch gasförmigem Kühlmittel oder von Kühlmittelgemischen oder -phasengemischen in Frage. So kann im Fall einer Verwendung von flüssigem Kühlmittel eine Kühlung mittels einer Badkühlung, insbesondere bei einer relativen Bewegung von Kühlmedium und Gehäuseteil, vorgesehen sein. Stattdessen ist auch eine forcierte Strömung des Kühlmediums an oder in dem Gehäuseteil (für alle Aggregatzustände des Kühlmediums) möglich. Dabei kann das Kühlmedium in diskreten Kühlkanälen, z.B. von thermisch an der Außenseite des Gehäuses angebrachten Kühlschlangen, strömen. Als flüssiges Kühlmedium kommt insbesondere Wasser in Frage.

Das Kühlmedium kann sich auch in einem eigenen Kühlsystem befinden, das thermisch direkt oder indirekt an ein weiteres Kühlmedium angekoppelt ist. Dabei kann für das weitere Kühlmedium ein zusätzlicher Kühlmittelkreislauf vorgesehen sein. Zwischen dem weiteren Kühlmedium und dem Kühlmedium der Maschine erfolgt dann in bekannter Weise ein Wärmeaustausch. Dabei kommt als weiteres Kühlmedium bevorzugt Wasser, insbesondere Meerwasser, in Frage. Entsprechende Kühltechniken sind insbesondere für Schiffsanwendungen vorteilhaft.

So kann der Stator eine axiale Ausdehnung des Aktivteils seiner Statorwicklung aufweisen, die mindestens das Einfache ihres Außendurchmessers, vorzugsweise mindestens das Zweifache und insbesondere mindestens das Vierfache beträgt. Das bedeutet, dass die Statorwicklung nur eine geringe radiale Ausdehnung aufweist. Entsprechende Maschinentypen kommen vorzugsweise für Schiffsanwendungen (Waterjet- oder POD-Typ), Pumpspeicherwerke oder für Kühlwasserkreisläufe z.B. in Kraftwer ken in Frage. Aufgrund der geringen radialen Ausdehnung der Statorwicklung solcher Maschinen ist nämlich nur eine indirekte Entwärmung wie gemäß der Erfindung realisierbar.

Da es sich bei der Statorwicklung der erfindungsgemäßen Synchronmaschine um eine mehrpolige Wicklung vom Luftspalttyp handelt, die im Allgemeinen eine hohe Induktion der Rotorwicklung erfordert, kann letztere Wicklung vorteilhaft tief zu kühlen sein, wobei sie thermisch direkt oder indirekt an eine hierfür geeignete Rotorkühleinrichtung angekoppelt ist. Vorzugsweise kann dabei die Rotorwicklung mit Supraleitern, insbesondere mit solchen, die Hoch-T_c-Supraleitermaterial enthalten, erstellt sein.

Alternativ kann der Rotor der erfindungsgemäßen Synchronmaschine in an sich bekannter Weise auch Pole aufweisen, die mit permanentmagnetischem Material erzeugt sind. Es sind auch Ausführungsformen des Rotors konzipierbar, bei denen der Rotor zusätzlich zu Polen aus permanentmagnetischem Material eine tiefzukühlende, insbesondere supraleitende Rotorwicklung enthält, die thermisch direkt oder indirekt an eine Rotorkühleinrichtung angekoppelt ist.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Synchronmaschine gehen aus den vorstehend nicht angesprochenen Unteransprüchen hervor.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird nachfolgend auf die Zeichnung Bezug genommen, in der bevorzugte Ausführungsbeispiele von erfindungsgemäßen Synchronmaschinen angedeutet sind. Dabei zeigen jeweils in leicht schematisierter Form

deren 1 einen Längsschnitt durch einen POD-Propellerantrieb eines Schiffes mit einer solchen Maschine,

deren 2 einen Querschnitt durch die Maschine gemäß 1,

deren 3 in einer Ausschnittsvergrößerung aus 2 eine Statornut der Maschine
sowie

deren 4 einen Querschnitt durch eine Waterjet-Maschine eines Schiffes.

Dabei sind in den Figuren sich entsprechende Teile jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.

Die Statorkühleinrichtung einer erfindungsgemäßen Maschine ist prinzipiell für alle bekannten Synchronmaschinen geeignet. Besonders vorteilhaft ist sie jedoch für Maschinentypen einsetzbar, die ein großes Aspektverhältnis der Statorwicklung aufweisen, d.h., wobei der Stator eine axiale Ausdehnung des Aktivteils seiner Statorwicklung aufweist, die ein Vielfaches des Außendurchmessers beträgt. Entsprechende Maschinentypen haben dann praktisch keinen Platz für diskrete Kühlkanäle im Bereich von Tragzähnen zwischen ihren Windungsteilen. Ein entsprechender Maschinentyp wird beispielsweise für POD-Antriebe von Schiffen vorgesehen. Für das Ausführungsbeispiel der 1 bis 3 sei ein entsprechender Maschinentyp ausgewählt, wobei von bekannten Ausführungsformen solcher Antriebe ausgegangen wird (vgl. z.B. WO 03/019759 A2 oder EP 0 907 556 B1 ).

In der Figur sind bezeichnet mit 2 eine POD-Antriebseinheit eines Schiffes, mit 3 eine Motorgondel, mit 4 der Rumpf eines Schiffes, mit 5 eine Haltevorrichtung für die Motorgondel an dem Schiffsrumpf, mit 6 eine Synchronmaschine nach der Erfindung, mit 7 ein Rotor dieser Maschine, mit 8 eine Rotorwelle, die in Wellenlagern 9 gelagert ist, mit 10 ein an der Welle befestigter Schiffspropeller, mit 11 eine Luftspalt- und Drehstromwicklung als Statorwicklung, mit 12 Wickelköpfe dieser Wicklung, mit 13 ein weichmagnetisches Eisenjoch als ein Außenkörper einer Trägerstruktur 14, mit 15 ein Außengehäuse der Maschine mit einem den weichmagnetischen Außenkörper 13 umschließenden Gehäuseteil 15a, mit 16 ein zwischen der Luftspalt-/Statorwicklung 11 und der Außenseite des Rotors 7 vor handener Luftspalt, mit A die Achse des Rotors 7 bzw. der Rotorwelle 8, mit W Wärmeströme und mit K ein Kühlmedium wie z.B. Wasser. In der gewählten Darstellung der Figur ist die Statorwicklung 11 weitgehend durch sich axial, d.h. in Richtung der Achse A erstreckende, stegartige Tragzähne 21i der Trägerstruktur 14 abgedeckt; nur ihre Wickelköpfe 12 sind ersichtlich. Die angedeuteten Wärmeströme W verlaufen innerhalb der Wicklung und in diesen Tragzähnen.

Wie in der Figur durch die gepfeilten Linien der Wärmeströme W angedeutet sein soll, wird die in den elektrischen Leitern der Wicklung 11 hervorgerufene Wärme aus dem Wicklungsbereich zunächst in den sie in ihrem axialen Teil umschließenden weichmagnetischen Außenkörper 13 übertragen und von dort zumindest über den den Außenkörper umschließenden Gehäuseteil 15a an das Kühlmedium K abgegeben. Das Gehäuse ist insbesondere in diesem Bereich vorteilhaft aus einem gut-wärmeleitfähigen Material aufgebaut, das bevorzugt eine thermische Leitfähigkeit λ (Wärmeleitfähigkeit) von über 10 W/K·m, insbesondere von über 60 W/K·m besitzt. Hierfür besteht es vorteilhaft aus Metalllegierungen wie speziellen Bronzen, oder z.B. unter Zumischung oder -legierung von Werkstoffen wie von Aluminium (Al) oder wie von Magnesium (Mg). So kann z.B. ein entsprechender Al-Guss bis zu 210 W/K·m haben bzw. z.B. ein entsprechender Mg-Guss etwa 150 W/K·m aufweisen. Diese Materialien ermöglichen zugleich eine Leichtbauweise und können auch eine weitere Vergrößerung der wärmeaustauschenden Oberfläche gegenüber dem Kühlmedium K bilden.

Bei dem vorstehend gewählten Ausführungsbeispiel ist davon ausgegangen, dass der Gehäuseteil 15a des Außengehäuses 15 eine Umhüllung formschlüssig um den weichmagnetischen Außenkörper 13 bildet. Eine solche Ausführungsform ist insbesondere unter dem Gesichtspunkt einer besonderen Materialwahl für den Gehäuseteil, z.B. aus Gründen einer guten Wärmeleitfähigkeit und/oder einer guten Resistenz gegenüber unerwünschten Einflüssen des umgebenden Kühlmediums wie einer guten Korro sionsfestigkeit von Vorteil. Deshalb kommen als Materialien neben den vorgenannten auch Bronze oder besondere Stähle in Frage. Eine derartige Materialwahl ist jedoch nicht unbedingt zwingend. So können selbstverständlich für den Gehäuseteil 15a auch ferromagnetische Materialien gewählt werden, sofern die geforderte gute Wärmeübertragung gewährleistet ist. Es ist auch möglich, dass für den Gehäuseteil das Material des weichmagnetischen Außenkörpers 13 vorgesehen wird. In diesem Fall kann sogar der Gehäuseteil 15 als ein integrierter Bestandteil des Außenkörpers ausgebildet bzw. betrachtet werden.

2 zeigt den Querschnitt durch die Maschine 6 nach 1 mit dem sie umschließenden Außengehäuse 15 bzw. dessen Gehäuseteil 15a. Die hier ersichtlichen einzelnen Tragzähne zwischen einzelnen Teilen der Statorwicklung 11 sind mit 21i bezeichnet. Sie bilden zusammen mit dem weichmagnetischen Außenkörper 13 die Trägerstruktur 14 für die Wicklung 11.

In 3 ist eine Ausschnittsvergrößerung aus der 2 im Bereich einer Statornut 20 veranschaulicht. In der Figur sind ferner bezeichnet mit 21a und 21b zwei der die Statornut in Umfangsrichtung seitlich begrenzenden Tragzähne 21i, mit 22j Wicklungsleiter oder ein -paket, beispielsweise Cu-Leiter, der Statorwicklung 11, mit 23 eine Leiterisolation um die einzelnen Leiter 22j, mit 24 eine Hauptisolation, mit 25 ein Halteschieber am Boden der Nut 20 und mit 26 ein Zwischenschieber in einem mittleren Bereich der Nut, z.B. gemäß der DE 102 27 559 A1 . Dabei spielt es keine Rolle, wie viel Leitermaterial im Stator parallelgeschaltet ist oder wie viele Statorsysteme insgesamt zur Anwendung kommen. Wichtigster Wärmewiderstand ist die Leiterisolation der Wicklungsleiter 22j sowie die Hauptisolation 24 zwischen dem Leiterpaket und den seitlichen Tragzähnen 21a und 21b. Über diese Isolationen gelangt die von den Leitern 22j hervorgerufene Wärme zu den vorteilhaft gut-wärmeleitend ausgebildeten Tragzähnen 21a und 21b und von dort über den die Nut nach außen hin umgebenden weichmagnetischen Außenkörper 13 und den Gehäuseteil 15a des Außengehäuses 15 an das Kühlmedium K. Dabei wird es als günstig erachtet, wenn auch der Zwischenschieber 26 aus einem gut-wärmeleitfähigen, aber elektrisch schlecht leitenden Material hergestellt wird wie z.B. aus einem Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid oder einer anderen gut-wärmeleitenden Keramik.

Bei der erfindungsgemäß ausgebildeten Maschine haben die Tragzähne 21a, 21b (bzw. 21i) drei Funktionen, nämlich

– Übertragung der mechanischen Momente,
– Halterung und Beabstandung der Wicklungsleiter 22j sowie
– die thermische Funktion der Wärmeabfuhr/-übertragung.

Als Material für die Tragzähne kommt insbesondere eine der vorgenannten, gut-wärmeleitfähigen Keramiken, Metalllegierungen oder aber ein Verbundwerkstoff, insbesondere mit Carbonfasern höchster Wärmeleitfähigkeit, z.B. ein CFK-Verbundwerkstoff (carbonfaser-verstärkter Kunststoff), in Frage. Hierbei ist es besonders vorteilhaft, die Faserrichtung so auszulegen, dass ein optimaler Wärmestrom erfolgen kann. Beispielsweise haben die Tragzähne keilförmige Gestalt. Dabei ist es unerheblich, welche konkrete Ausführungsform und Gestalt ein einzelner Tragzahn hat, z.B. ob er einstückig aus einem einheitlichen Material oder mehrgeteilt aus verschiedenen Materialien oder aus einem Sandwichmaterial oder einem Verbundwerkstoff hergestellt ist. Es muss jedoch auf alle Fälle sichergestellt sein, dass der geforderte Wärmestrom W in ausreichender Intensität in der gezeigten Weise abgeleitet werden kann.

Bei der Ausführungsform eines POD-Antriebs mit einer erfindungsgemäßen Synchronmaschine gemäß den vorstehenden 1 bis 3 wurde davon ausgegangen, dass das Außengehäuse 15 mit dem Gehäuseteil 15a unmittelbar von Meerwasser als Kühlmedium K von seiner Außenseite her umspült ist. Selbstverständlich ist die erfindungsgemäße Maschine auch für andere Kühlkreis läufe des Kühlmediums K ebenso gut geeignet. So kann das Kühlmedium sich in einem eigenen Kühlsystem befinden, das thermisch direkt oder indirekt an ein weiteres Kühlmedium, z.B. Frischwasser oder Meerwasser, angekoppelt ist. Es ist auch möglich, dass für dieses weitere Kühlmedium ein zusätzlicher Kühlmittelkreislauf vorgesehen wird, wobei dann ein Wärmeaustausch zwischen dem Kühlmedium K der Maschine und diesem zusätzlichen Kühlmittelkreislauf erfolgt. Das die erfindungsgemäße Maschine zumindest im Bereich des Gehäuseteils 15a kühlende Kühlmedium kann sich dabei in einem Behälter eines Kühlmittelbades befinden oder auch forciert an dem Außengehäuse vorbeiströmen. Eine solche Strömung kann auch in diskreten Kühlmittelkanälen erfolgen, die zumindest in oder an dem Gehäuseteil angeordnet sind. Beispielsweise können entsprechende Kühlmittelschlangen an der Außenseite des Gehäuseteils in gut-wärmeleitender Verbindung mit diesem angebracht sein.

Eine entsprechende Kühltechnik ist für die aus 4 ersichtliche Ausführungsform vorgesehen. Die Figur zeigt eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Synchronmaschine 6 gemäß den 1 bis 3, die innerhalb eines Behältergehäuses 31 über Tragstreben 32 gehalten ist. In einem oder mehreren Zwischenräumen 33 zwischen dem Behältergehäuse und dem Außengehäuse 15 der Maschine 6 befindet sich dabei das Kühlmedium K. Die gezeigte Ausführungsform kann insbesondere für Waterjet-Antriebe von Schiffen verwendet werden, bei der sich der eigentliche Motor in einem Maschinengehäuse im Schiffszwischenrumpf befindet. Zur Installation und Befestigung des Behältergehäuses 31 an einem Fundament sind außen an dem Behältergehäuse angreifende Pratzen 34 angedeutet. Die Tragstreben 32 übertragen hier das Drehmoment von der Maschine bzw. deren Außengehäuse auf das Behältergehäuse 31 und über die daran angeordneten Pratzen 34 auf das Fundament, im Beispiel den Schiffszwischenrumpf.

Das zwischen dem Behältergehäuse 31 und dem Maschinengehäuse 15 befindliche Kühlmedium K ist bevorzugt eine Flüssigkeit, ein Flüssigkeitsgemisch, ein Kalt-Gas oder ein Gas-Gemisch. Das Kühlmedium ist an einen Kühlkreislauf angebunden, z.B. direkt oder indirekt an das Frischwassersystem eines Schiffes. Hierzu können gegebenenfalls Pumpen eingesetzt werden. Es ist auch ein separater Wasserkreislauf denkbar, der mittels Wärmetauscher an das Meerwasser kühlt. Dieser separate Wärmekreislauf kann Natur- oder Zwangsumlauf haben. Bei einem Naturumlauf müssen entsprechend große Querschnitte realisiert sein. Der Naturumlauf kann beispielsweise aufgrund eines Thermosyphon-Effektes erfolgen, bei dem ein den Temperaturen angepasstes Kühlmedium, gegebenenfalls Wasser verwendet wird.

Bei den vorstehenden Ausführungsformen wurde davon ausgegangen, dass es sich bei dem für die erfindungsgemäße Synchronmaschine verwendeten Maschinentyp um einen Motor mit einem Rotor handelt, der eine mehrpolige Rotorwicklung insbesondere mit Hoch-T_c-Supraleitermaterial aufweist (z.B. gemäß der WO 03/047962 A2). Die Maschine kann dabei als Antriebsmotor oder Generator eingesetzt sein (vgl. die vorgenannte WO-A2-Schrift). Selbstverständlich kann die Maschine auch Leiter unter Verwendung von klassischem, metallischem Supraleitermaterial aufweisen oder auch mit normalleitenden, gegebenenfalls gekühlten Leitern aufgebaut sein.

Stattdessen kann eine erfindungsgemäße Synchronmaschine in bekannter Weise auch einen Rotor aufweisen, der Pole aus permanentmagnetischem Material besitzt (vgl. z.B.

EP 0 907 556 B1 ). Gegebenenfalls ist es auch möglich, Pole aus permanentmagnetischem Material mit Wicklungen aus den vorgenannten Supraleitermaterialien in Kombination zum Einsatz zu bringen.

Auslegungsbeispiel für einen POD-Antrieb unter Verwendung einer erfindungsgemäßen Synchronmaschine
Folgende beispielhafte Vorgaben seien gemacht

Propellerdrehzahl 0...200 U/min

Drehmoment 335 kNm
Es ergeben sich dann folgende geschätzte Motordaten
Außendurchmesser des Eisenjoches (ohne Vergussgehäuse: 1100 mm)
Länge des Aktivteiles: 3140 mm (ohne Wickelköpfe: 2750 mm)
Gewicht Rotor + Stator ohne Welle: 18,7 t (ohne Wickelköpfe: 16 t)
Der geschätzte Wirkungsgrad der Maschine bei Volllast beträgt ca. 97,5 % einschließlich des notwendigen Kryokühlers.
Die Polpaarzahl wird dabei mit 3 angenommen.
Umrichter für den Antrieb
Der Umrichter ist im Hinterschiff zu platzieren. Die Energieversorgung erfolgt über Kabel über das Azimut-Modul. Entsprechend der Antriebskonfiguration kann auch eine höherpolige Maschine verwendet werden. Die Umrichterfrequenz beträgt bei einer Drehzahl von 200 U/min 10 Hz.
Der Umrichter muss motorischen und generatorischen Betrieb zulassen, um bei Bremsvorgängen Energie aus dem POD-Antrieb herausnehmen zu können. Bis zu 200 U/min sollen Stopp-Vorgänge über Drehung des POD's um 180° und Schubaufnahme entgegen der Fahrtrichtung realisiert werden. Bei der Drehung der POD's wird die Wellendrehzahl kurzzeitig ab- und bei Schubaufnahme wieder hochgeregelt werden müssen.
Technische Daten Ruderpropeller:

Für einen ersten Entwurf des Ruderpropellers wären mit den vorstehend genannten Motordaten folgende technische Daten möglich:

Propellerwellenleistung	7 MW (335 kNm bei 200 U/min)
Drehzahl bei POD-Betrieb	ca. 0 ...200 U/min
Propellerdurchmesser	3,5 m (Zugpropeller)
Gewicht des Azimut- und Propulsionsmoduls	ca. 65 t
Durchmesser der Antriebsgondel	1200 mm (darin 1100 mm HTS-Motor zuzüglich Vergussgehäusewandung 50 mm)
Länge der Antriebsgondel	6300 mm (darin 3140 mm HTS-Motor zuzüglich Propeller mit Gleitlager und Drucklager)

Auslegungsbeispiel für einen Waterjet-Antrieb unter Verwendung einer erfindungsgemäßen Synchronmaschine
Hierbei sei eine HTS-Synchronmaschine für den Waterjet vorgesehen.
Die Zielsetzung ist im Gegensatz zum POD-Motor anders:
Der Antriebsmotor soll im Schiffszwischenboden installiert werden. Priorität hat hier die Optimierung des Durchmessers des Aktivteiles.
Die Länge des Aktivteils ist eher nicht so wichtig.
Ein hohes Gewicht ist eher erwünscht.
Der elektrische Wirkungsgrad sollte hoch sein.
Die Länge der Welle des Waterjet-Antriebes hängt einerseits von der Neigung gegenüber dem Schiffsrumpf, andererseits von der Bauhöhe des Antriebsmotors ab. Die Reduzierung der Wellenlänge hat wiederum eine Reduzierung des kritischen Trefferbereiches zur Folge (vgl. 2).
Mit den Vorgaben

Propellerdrehzahl 600 U/min

Drehmoment 111 kNm

ergeben sich mit folgende Daten:
Außendurchmesser des Statoreisenjoches (ohne Gehäuse): 1000 mm
Achshöhe: 560 mm (mit Gehäuse)
Länge des Aktivteiles: 2050 mm (ohne Wickelköpfe: 1500 mm)
Gewicht Rotor + Stator ohne Welle:10,5 t (ohne Wickelköpfe: 7,77 t)
Der geschätzte Wirkungsgrad der Maschine bei Volllast beträgt ca. 98 % einschließlich Kryokühler.
Die Polpaarzahl ist hier mit 2 angenommen.
Umrichter für den Waterjet-Antrieb:
Die HTS-Maschine ist eine 4polige (2 Polpaare) Ausführung. Die Umrichterfrequenz beträgt bei einer Drehzahl von 600 U/min 20 Hz.
Anwendung einer erfindungsgemäßen Synchronmaschine außerhalb der Marine
Selbstverständlich ist die Anwendung der Maschine nicht auf den Schiffsbereich beschränkt. Generell ist sie überall dort von besonderem Vorteil, wo Maschinen mit geringer radialer Ausdehnung ihrer Statorwicklung insbesondere vom Luftspaltwicklungstyp bei höherer Leistungsanforderung zum Einsatz kommen sollen. Beispiele entsprechender Anwendungsfälle sind

– Wasserpumpen, z.B. als Einsatz in Pumpspeicherwerken oder als Kühlwasserpumpe: Eine solche Pumpe kann quasi als ein feststehender POD angesehen werden, der von einem Kühlmedium umströmt wird.
– Kompressorantriebe, z.B. in Gas-Pipelines: Auch hier umströmt das gut wärmeleitende Fördergut wie Gas den Antrieb und wird zur Kühlung direkt auf der Gehäuseaußenseite ausgenutzt.
– Wellenantriebe, z.B. in Walzwerken.
– Generatoren, z.B. in Verbindung mit einer Gasturbine, wobei sowohl eine stationäre Anordnung wie auch eine mobile Anordnung, z.B. für Bahnanwendungen denkbar sind.
– Geräte der Chemie-/Prozessindustrie wie z.B. Extruder oder Luftzerlegungsvorrichtungen.

Claims

Synchronmaschine (6) mit a) einem mehrpoligen Rotor (7), sowie b) einem den Rotor (7) umschließenden Stator, der • eine zu kühlende, normalleitende Statorwicklung (11), • eine die Statorwicklung (11) zumindest teilweise aufnehmende Trägerstruktur (14), welche einen im Wesentlichen hohlzylindrischen Außenkörper (13) aus weichmagnetischem Material sowie an dessen Innenseite axial und radial verlaufende, stegartige Tragzähne (21i) aus nicht-magnetischem Material aufweist, zwischen denen zumindest Teile der Statorwicklung (11) angeordnet sind, • ein Außengehäuse (15) mit einem den Außenkörper (13) umschließenden, hohlzylindrischen Gehäuseteil (15a), und • eine Statorkühleinrichtung zur Abführung der von der Statorwicklung (11) erzeugten Wärme (W) an ein Kühlmedium (K) enthält, dadurch gekennzeichnet, dass – der hohlzylindrische Gehäuseteil (15a) wenigstens in Teilbereichen mit dem Kühlmedium (K) verbunden ist und – eine thermische Ankopplung der Statorwicklung (11) an das Kühlmedium (K) über die Trägerstruktur (14) und den Gehäuseteil (15a) erfolgt, wobei die Tragzähne (21i) zumindest teilweise aus einem Material mit einer thermischen Leitfähigkeit λ von über 10 W/K·m bestehen.
Synchronmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Gehäuseteil (15a) zumindest teilweise aus einem Material mit einer thermischen Leitfähigkeit λ von über 10 W/K·m besteht.
Synchronmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest der Gehäuseteil (15a) des Außengehäuses (15) aus einem nicht-magnetischen Material besteht.
Synchronmaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Tragzähne (21i) und/oder der Gehäuseteil (15a) zumindest teilweise aus einem Material mit einer größeren thermischen Leitfähigkeit λ als der von Eisen bestehen/besteht.
Synchronmaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Tragzähne (21i) und/oder der Gehäuseteil aus einem Material mit einer thermischen Leitfähigkeit λ von über 60 W/K·m bestehen/besteht.
Synchronmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Gehäuseteil (15a) aus einem ferromagnetischen Material besteht.
Synchronmaschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Gehäuseteil (15a) als ein in den weichmagnetischen Außenkörper (13) integrierter Bauteil und vorzugsweise mit diesem einstückig ausgebildet ist.
Synchronmaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Tragzähne (21i) so aufgebaut sind, dass die thermische Leitfähigkeit λ in radialer Richtung der Tragzähne mindestens den Wert wie in tangentialer Richtung, vorzugsweise einen höheren Wert, insbesondere mindestens aber den 2-fachen Wert, beträgt.
Synchronmaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Tragzähne (21i) so aufgebaut sind, dass die thermische Leitfähigkeit λ in axialer Richtung der Tragzähne mindestens den Wert wie in tangentialer Rich tung, vorzugsweise einen höheren Wert, insbesondere mindestens aber den 2-fachen Wert, beträgt.
Synchronmaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Material für die Tragzähne (21i) eine Metalllegierung oder eine Keramik oder ein Verbundwerkstoff vorgesehen ist.
Synchronmaschine nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass als Material ein Verbundwerkstoff vorgesehen ist, dessen mechanische und thermische Eigenschaften, insbesondere der Elastizitätsmodul, die kritische Bruchdehnung und die thermische Leitfähigkeit λ, an die Einsatzbedingungen des Rotors (7) angepasst sind.
Synchronmaschine nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Anpassung der mechanischen und thermischen Eigenschaften durch Auswahl eines Strukturträgers, seiner Geometrie und des Mengenanteils im Verbundwerkstoff, sowie durch Auswahl und Mengenanteil eines Füllmaterials im Verbundwerkstoff erfolgt ist.
Synchronmaschine nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Strukturträger im Verbundmaterial aus mehr als einem Material besteht.
Synchronmaschine nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Strukturträger im Verbundmaterial einen höheren Anteil an der thermischen Leitfähigkeit λ besitzt als nach dem reinen Mengenanteil auf ihn entfallen würde.
Synchronmaschine nach einem der Ansprüche 10 bis 14, gekennzeichnet durch eine Ausbildung der Tragzähne (21i) aus einem Kohlefaser-Verbundwerkstoff mit hoher thermischer Leitfähigkeit λ.
Synchronmaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gehäuseteil (15a) auf seiner Außenseite von dem Kühlmedium (K) zu kühlen ist.
Synchronmaschine nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kühlung mittels einer Badkühlung vorgesehen ist.
Synchronmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 16, gekennzeichnet durch eine forcierte Strömung des Kühlmediums (K).
Synchronmaschine nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömung in Kühlkanälen zumindest an oder in dem Gehäuseteil (15a) vorgesehen ist.
Synchronmaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmedium (K) sich im gasförmigen Zustand befindet.
Synchronmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmedium (K) sich im flüssigen Zustand befindet.
Synchronmaschine nach Anspruch 21, gekennzeichnet durch Wasser als Kühlmedium (K).
Synchronmaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmedium (K) sich in einem eigenen Kühlsystem befindet, das thermisch direkt oder indirekt an ein weiteres Kühlmedium angekoppelt ist.
Synchronmaschine nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass für das weitere Kühlmedium ein zusätzlicher Kühlmittelkreislauf vorgesehen ist.
Synchronmaschine nach Anspruch 23 oder 24, dadurch gekennzeichnet, dass das weitere Kühlmedium Wasser, insbesondere Meerwasser, ist.
Synchronmaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (7) eine tiefzukühlende, insbesondere supraleitende mehrpolige Rotorwicklung enthält, die thermisch direkt oder indirekt an eine Rotorkühleinrichtung angekoppelt ist.
Synchronmaschine nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorwicklung mit Hoch-T_c-Supraleitern erstellt ist.
Synchronmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (7) Pole aus permanentmagnetischem Material aufweist.
Synchronmaschine nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (7) zusätzlich zu den Polen aus permanentmagnetischem Material eine tiefzukühlende, insbesondere supraleitende Rotorwicklung enthält, die thermisch direkt oder indirekt an eine Rotorkühleinrichtung angekoppelt ist.
Synchronmaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator eine axiale Ausdehnung des Aktivteils seiner Statorwicklung (11) aufweist, die mindestens das Einfache ihres Außendurchmessers, vorzugsweise mindestens das Zweifache, insbesondere mindestens das Vierfache, beträgt.