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Die Erfindung betrifft einen Rotor für eine supraleitende Synchronmaschine, umfassend mehrere Pole definierende Polkerne und um Polkerne gelegte supraleitende Wicklungen sowie eine supraleitende Synchronmaschine, umfassend einen Stator und einen gegen den Stator bewegbaren Rotor der vorgenannten Art.
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Bei bekannten Synchronmaschinen, bei denen ein als Innenläufer oder Außenläufer ausgebildeter Rotor gegen einen Stator bewegt wird, sind Rotoren bekannt, die eine geradzahlige Anzahl von Polen tragen. Diese Pole bilden bei Betrieb der Synchronmaschine magnetische Felder abwechselnder Polung aus, so dass letztlich von Polpaaren geredet werden kann, die in Umfangsrichtung aufeinander folgen. Einer solchen Synchronmaschine, die häufig auch Radialflussmaschine genannt wird, kann also eine Polpaarzahl zugeordnet werden.
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Nachdem Synchronmaschinen bekannt sind, bei denen Permanentmagnete benutzt werden, um die magnetischen Felder an den Polen zu erzeugen, sind auch Synchronmaschinen gängig, bei denen elektrischer Strom, der durch wenigstens eine Spule umfassende Wicklungen geführt wird, die Magnetfelder erzeugt. Dabei werden um am äußeren Rand des Rotors vorgesehene Polkerne die Spulen gelegt, wobei diese am Umfang des Rotors so befestigt sind, dass abwechselnd einmal der magnetische Fluss nach außen, einmal nach innen gerichtet ist.
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Bei supraleitenden Maschinen, bei denen die Wicklungen aus einem Supraleitermaterial hergestellt sind, insbesondere einem Hochtemperatur-Supraleitermaterial, müssen entsprechend viele supraleitende Spulen für die Pole gefertigt und geprüft werden. Es werden eine Vielzahl von Spulenanschlüssen und Verbindungen benötigt und sämtliche supraleitenden Wicklungen müssen aufwendig gekühlt werden. Auch die thermische Abfangung muss entsprechend der Anzahl von supraleitenden Wicklungen ausgeführt werden.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Rotor und eine Synchronmaschine anzugeben, bei denen sich die Verwendung supraleitender Wicklungen aufwandsärmer und konstruktiv einfacher gestalten lässt.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einem Rotor der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass zwischen zwei Polkernen, um die eine supraleitende Wicklung gelegt ist, jeweils ein Polkern ohne supraleitende Wicklung angeordnet ist.
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Die Idee der vorliegenden Erfindung ist es also, halb so viele Wicklungen, das bedeutet Spulensätze, mit insbesondere jeweils verdoppelter Windungszahl zu verwenden, und diese so zu montieren, dass der von ihnen erzeugte magnetische Fluss immer in eine bestimmte Richtung zeigt, also beispielsweise radial nach außen oder radial nach innen. Zwischen zwei Polkernen mit derartigen Wicklungen befindet sich immer ein Polkern, an dem keine supraleitende Wicklung vorgesehen ist. Dennoch wird hiermit eine Anordnung von Polpaaren geschaffen, bei denen jeweils abwechselnd der magnetische Fluss radial nach innen oder radial nach außen aus dem Polkern austritt, nachdem durch die wenigstens teilweise ferromagnetisch ausgeführte Tragestruktur des Rotors das magnetische Feld von dem mit einer Wicklung versehenen Polkern zu den wicklungslosen Polkernen geführt wird, so dass sich der übliche Magnetkreis bildet.
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Es hat sich gezeigt, dass eine derartige Ausgestaltung bei supraleitenden Maschinen, bei denen supraleitende Wicklungen verwendet werden, auch im Hinblick auf die sich ergebende Asymmetrie zwischen mit Wicklungen versehenen und nicht mit Wicklungen versehenen Polkernen problemlos realisieren lässt, nachdem es mit supraleitenden Wicklungen problemlos möglich ist, einen großen Luftspalt zuzulassen, so dass die Asymmetrie zwischen benachbarten Polen ausgeglichen wird. Zudem sei angemerkt, dass supraleitende Spulen, die einen Teil von supraleitenden Wicklungen bilden, sehr teuer sind, so dass sich die entstehende Kostenersparnis dadurch, dass weniger Spulen benötigt werden, lohnt. Es müssen also vorteilhafterweise weniger supraleitende Spulen hergestellt werden, das bedeutet, es existiert eine reduzierte Anzahl von Teilen, die gefertigt, verarbeitet, überprüft usw. werden müssen. Damit ist eine erhebliche Kostenersparnis gegeben. Zum anderen nimmt die Anzahl von Kontakten zwischen den Spulen, von Anschlüssen, Isolationsteilen, thermischen Anbindungen der Supraleiter und dergleichen ebenso ab wie die Zahl der Spulen, so dass auch hier weniger Teile vorliegen, weniger Montageaufwand erforderlich ist und die Kosten reduziert werden. Gerade im Hinblick auf die Kühlung kann eine deutliche Vereinfachung erzielt werden.
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Dabei kann, wie bereits erwähnt, vorgesehen sein, dass die Windungszahl an einem mit einer Wicklung versehenen Polkern dem doppelten der Windungszahl entspricht, die an einem Polkern vorgesehen wäre, wenn jeder Polkern eine Wicklung aufwiese. Das bedeutet also letztlich, dass im Vergleich zu aus dem Stand der Technik bekannten Rotoren von jedem zweiten Polkern die Windungszahl an einem benachbarten Polkern „verschoben” wird, so dass letztlich dieselben magnetischen Felder und Flüsse erzeugt werden, nur die Anzahl der supraleitenden Spulen und die Orte, an denen die Felderzeugung stattfindet, reduziert sind.
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Dabei kann vorgesehen sein, dass eine Wicklung einen Stapel übereinander angeordneter Einzelspulen, insbesondere Flachspulen und/oder Rennbahnspulen, umfasst. Eine derartige Anordnung ist grundsätzlich bekannt, so dass hier mehrere Spulen benutzt werden, um die gewünschte Windungszahl einer Wicklung zu erzielen. In dieser Ausgestaltung kann in besonders vorteilhafter Weiterbildung der vorliegenden Erfindung vorgesehen sein, dass die radial außen angeordneten Spulen einen größeren Durchmesser als die radial innen angeordneten Spulen aufweisen. Das bedeutet, der zwischen den Polkernen bestehende Freiraum, der bei einem als Innenläufer ausgebildeten Rotor ja nach außen größer wird, kann dieser ideal ausgenutzt werden, um die Windungen, gegebenenfalls hinreichend beabstandet von einem nicht mit einer Wicklung versehenen Polkern, anzuordnen.
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Alternativ ist es im Übrigen auch denkbar die Einzelspulen des eine Wicklung bildenden Spulenstapels im Vergleich zu einem Rotor des Standes der Technik immer mit doppelt so großer Windungszahl auszuführen, beispielsweise also doppelt so breite Spulen herzustellen. Auch dies ist denkbar, nachdem der Freiraum zwischen Polkernen ohnehin üblicherweise so dimensioniert ist, dass die gewünschte Windungszahl Platz findet.
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Besonders zweckmäßig lässt sich die vorliegende Erfindung realisieren, wenn eine größere Zahl von Polen vorgesehen ist, beispielsweise wenigstens acht Pole.
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Neben dem Rotor betrifft die Erfindung auch eine Synchronmaschine, umfassend einen Stator und einen gegen den Stator bewegbaren erfindungsgemäßen Rotor. Sämtliche Ausführungen bezüglich des erfindungsgemäßen Rotors lassen sich analog auf die erfindungsgemäße supraleitende Synchronmaschine übertragen, so dass damit auch die genannten Vorteile erreicht werden können.
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Dabei kann vorgesehen sein, dass der Stator keine Polkerne an seinen Statorwicklungen aufweist und der erweiterte Luftspalt, der den Abstand der Polkerne des Rotors bis zu einem den Rotor umgebenden, einen Vakuumraum für die Wicklungen definierenden Zylinderspalt, die Dicke des Zylinders, den tatsächlichen Luftspalt zwischen Rotor und Stator und die Strecke von der Begrenzung des Stators zum magnetischen Rückschlusselement des Stators in radialer Richtung umfasst, größer als zehn Zentimeter ist. Denkbar sind beispielsweise auch erweiterte Luftspalte von bis zu zwanzig oder dreißig Zentimetern. Ein derart vorgesehener, bei supraleitenden Synchronmaschinen möglicher Luftspalt gleicht die entstehende Asymmetrie zwischen benachbarten Polkernen aus, so dass keine nachteilhaften Effekte durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung beobachtet werden können.
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Weitere Vorteile und Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus dem im folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiel sowie anhand der Zeichnung.
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Dabei zeigt die einzige Figur einen kennzeichnenden Ausschnitt einer erfindungsgemäßen Synchronmaschine.
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Die Figur zeigt einen Teilschnitt durch eine erfindungsgemäße Synchronmaschine 1, die einen als Innenläufer ausgebildeten Rotor 2 und einen gegenüber dem drehbaren Rotor 2 feststehenden Stator 3 umfasst. Der Rotor 2 umfasst eine aus Eisen oder Stahl bestehende Tragestruktur 4, aus der am äußeren Umfang in regelmäßigem Abstand Polkerne 5, 5' ausgebildet sind. Selbstverständlich sind auch Ausgestaltungen denkbar, in denen die Polkerne an der auch als Joch wirkenden Tragestruktur 4 befestigt sind. Der Rotor 2 weist zudem einen hohlen Innenraum 6 auf, der als Verdampferraum für ein flüssiges Kühlmittel benutzt werden kann. Es sei an dieser Stelle schon angemerkt, dass der Übersichtlichkeit halber Teile der Kühleinrichtungen, Zuleitungen und dergleichen durch die Tragestruktur 4 nicht gezeigt sind.
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Um jeden zweiten Polkern 5 ist, wie grundsätzlich bekannt, eine supraleitende Wicklung 7 gelegt, während die zwischen mit Wicklungen 7 versehenen Polkerne 5 liegenden Polkerne 5' keine Wicklungen aufweisen. Dabei ist die Ausgestaltung nun so, dass die Windungszahl, die bei einem herkömmlichen Rotor an dem Polkern 5' vorgesehen wäre, nun der supraleitenden Wicklung 7 der Polkerne 5 hinzugefügt wurde, und zwar konkret so, dass dennoch an einem Polkern 5 die gleiche Zahl an Spulen 8 vorgesehen ist, die als Stapel von Rennbahnspulen die Wicklungen 7 bilden. Dazu ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel jede der Spulen 8 doppelt so breit, wie sie es bei einem herkömmlichen Rotor wäre, bei dem alle Polkerne 5, 5' von Spulen umgeben sind, das heißt, die Spulen haben die doppelte Windungszahl.
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Es sei an dieser Stelle auch angemerkt, dass eine Ausgestaltung denkbar ist, in der die Spulen 8 der Wicklungen 9 radial nach außen breiter werden, um den Raum zwischen den Polkernen 5, 5' besser ausnutzen zu können.
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Die Spulen 8 sind aus einem Hochtemperatur-Supraleitermaterial hergestellt, wobei die streifenförmigen Hochtemperatur-Supraleiter beispielsweise rennbahnartig um den Polkern 5 geführt sein können (Rennbahnspulen). Da die Spulen 8 mithin kühl gehalten werden müssen, befinden sie sich in einem Vakuumraum 9, der durch einen mitrotierenden, die äußere Oberfläche des Rotors 2 bildenden Zylinder 10 abgeschlossen ist. An dem Zylinder 10 schließt sich der Luftspalt 11 zwischen Rotor 2 und Stator 3 an. Dieser kann beispielsweise drei bis vier Millimeter dick sein. Der Stator 3 umfasst wie grundsätzlich bekannt Statorwicklungen 12, die vorliegend aufgrund der supraleitenden Eigenschaften der Maschine 1 nicht von ferromagnetischem Material benachbart sind, das bedeutet, das Füllmaterial 13 ist nicht magnetisch. An die Statorwicklungen 12 schließt sich jedoch wie bekannt das Statorjoch 14 an.
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Das bedeutet aber, dass der effektive Luftspalt für aus den Polkernen 5, 5' austretenden magnetischen Fluss (Pfeile 15) einem erweiterten Luftspalt 16 entspricht, der den Abstand der Polkerne 5, 5' zu dem Zylinder 10, die Dicke des Zylinders 10, den Luftspalt 11 zwischen Rotor 2 und Stator 3, sowie die Strecke innerhalb des Stators 3 bis zum Statorjoch 14 in radialer Richtung umfasst. Dieser erweiterte Luftspalt 16 ist in der vorliegenden Erfindung größer als zehn Zentimeter.
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Wie aus der Figur ersichtlich, stellt sich nämlich durchaus das bekannte Schema abwechselnder Flussdichtungen bei aufeinander folgenden Polen ein, wobei hier die mit Wicklungen 7 versehenen Polkerne 5 einen radial nach außen zeigenden magnetischen Fluss aufweisen, die nicht mit Wicklungen 7 versehenen Polkerne 5' einen radial nach innen verlaufenden magnetischen Fluss. Durch die magnetische, als Joch wirkende Tragstruktur 4 des Rotors 2 wird der magnetische Kreis im Rotor, wie dargestellt, wie üblich geschlossen. Hieraus ergibt sich jedoch, nachdem ja die Polkerne 5' keine eigenen Wicklungen 7 aufweisen, eine Asymmetrie, die jedoch aufgrund des großen erweiterten Luftspalts 16 keine Rolle spielt.
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Bei der erfindungsgemäßen Synchronmaschine 1 bzw. dem erfindungsgemäßen Rotor 2 ist es also nicht nur möglich, weniger supraleitende Spulen zu verwenden, sondern es sind konsequenterweise auch weniger Zuleitungen, Isolationen und dergleichen notwendig. Insbesondere vereinfacht sich auch insgesamt die Kühlung, da nur an jedem zweiten Polkern 5 eine Kühlung notwendig ist.