DE19710501A1 - Electrical machine using high-temperature superconductor - Google Patents

Electrical machine using high-temperature superconductor

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DE19710501A1
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Hans-Joachim Gutt
Ingo Immendoerfer
Kurt Reutlinger
Arkadi Gruener
Volker Schlechter
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GUTT HANS JOACHIM
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Abstract

The electrical machine has a wound laminated stator (3,3a,3b), generating a rotary magnetic field for driving a rotor (1), mounted on the machine shaft (5). At least the outer part of the rotor is formed from a high-temperature superconductive material, cooled to a low temperature via a cooling device, the rotor supported by magnetic bearings (2) in the stator magnetic field. The magnetic bearings may use permanent annular magnets on one or both sides of the rotor, provided with recesses filled with a material having a different magnetic characteristic.

Description

Das technische Gebiet der Erfindung sind die elektrischen Maschinen, die aus einem Stator und einem Rotor bestehen. Der Stator enthält eine mehrphasige Wicklung, die ein magnetisches Drehfeld erzeugt, das den Rotor (oder: Läufer) in Drehrichtung antreibt. In gleicher Weise kann ein mit kinetischer Energie versehener Rotor abgebremst werden und elektrische Energie auf der Statorseite zurückgewonnen werden.The technical field of the invention is electrical Machines that consist of a stator and a rotor. Of the Stator contains a multi-phase winding that is magnetic The rotating field generates the rotor (or: rotor) in the direction of rotation drives. In the same way, one can use kinetic energy provided rotor are braked and electrical energy on on the stator side.

Die Erfindung hat sich zur Aufgabe gestellt, die Lagerung zu vereinfachen und gleichwohl verlustfrei zu gestalten und die Antriebseigenschaften der Maschine zu verbessern.The invention has set itself the task of storage simplify and at the same time make it lossless and the To improve the drive properties of the machine.

Dazu schlägt die Erfindung vor, einen hochtemperatur­ supraleitendes Material beinhaltenden Läufer (Rotor) zu verwenden, der überraschend bessere Antriebseigenschaften zeigt, als ein geblechter Läufer oder ein Permanentmagnet-Läufer, der aber zusätzlich die Möglichkeit eröffnet, mit einem Magnetlager den Rotor berührungslos und damit verlustfrei so zu lagern, daß er um eine Drehachse 100 leicht drehbar ist (Anspruch 1). Die Erfindung macht sich dabei die Erkenntnis zunutze, daß ein Hochtemperatur-Supraleiter, der selbstverständlich entsprechend gekühlt wird, um seine Supraleiter-Eigenschaft zu erhalten, in Verbindung mit Permanentmagneten, die als Lager verwendet werden, Magnetflußröhren verankert und auf diese Weise das passiv berührungslos arbeitende Magnetlager ohne Reibung gebildet werden kann. Die Magnetflußröhren entstehen aufgrund eines als "Pinning-Effektes" bezeichneten physikalischen Vorgangs.For this purpose, the invention proposes to use a rotor (rotor) containing high-temperature superconducting material, which surprisingly shows better drive properties than a laminated rotor or a permanent magnet rotor, but which additionally opens up the possibility of using a magnetic bearing to make the rotor contactless and thus loss-free to store so that it is easily rotatable about an axis of rotation 100 (claim 1). The invention makes use of the knowledge that a high-temperature superconductor, which of course is cooled appropriately in order to maintain its superconductor property, is anchored in magnetic flux tubes in connection with permanent magnets which are used as bearings, and in this way the passively non-contacting one Magnetic bearings can be formed without friction. The magnetic flux tubes arise due to a physical process known as the "pinning effect".

Die elektrischen Maschinen, die von der Erfindung vorgeschlagen werden, sind Maschinen vorzugsweise kleiner Leistung und Baugröße. Diese Auswahl bedingt, daß die eigentlich zu kühlenden Wicklungen bzw. der aus HTSL-Material gebildete Rotor thermisch aufgrund der kleinen Abmessungen nicht vor den restlichen Konstruktionsteilen zu trennen sind. Es wird also die komplette Kleinmaschine abgekühlt, was dadurch realisiert werden kann, daß die gesamte Maschine in einem z. B. aus Flüssigstickstoff ausgebildeten Tiefkühlbad betrieben wird, die die Kühleinrichtung bildet, über die das HTSL-Material entsprechend tiefkühlbar ist.The electrical machines proposed by the invention machines are preferably low power and Size. This selection means that the ones that are actually to be cooled Windings or the rotor formed from HTSL material thermally due to the small dimensions not before the rest Construction parts are to be separated. So it will be the complete one  Small machine cooled, which can be achieved in that the entire machine in one z. B. from liquid nitrogen trained frozen pool is operated, which the Cooling device forms over which the HTSL material accordingly can be frozen.

Der aus schmelztexturiertem Hochtemperatur-Supraleiter-Material hergestellte Läufer (Rotor) kann als Hystereseläufer viel bessere Antriebseigenschaften entwickeln, als die bislang bei Normaltemperatur betriebenen Hystereseläufer (Anspruch 2).The one made of melt-textured high-temperature superconductor material manufactured rotor (rotor) can do a lot as a hysteresis rotor Develop better drive properties than that previously used for Normal temperature operated hysteresis rotor (claim 2).

Mit der Erfindung werden eine berührungslose und deshalb verlustfreie Lagerung des Rotors sowie ein verbesserter elektromotorischer Antrieb mit höherer Effizienz geschaffen, der auch ein generatorisches Abbremsen des Läufers erlaubt. Baulich und funktionell werden in demselben aus Hochtemperatur- Supraleiter-Material gebildeten Rotor beide Eigenschaften verankert. Das Magnetlager kann auf Statorseite aus einem Permanentmagnet gebildet sein (Anspruch 3) . Es kann aus mehreren in axialer Richtung magnetisierten Ringen bestehen, die über ein Stator-Rückflußjoch dann in Verbindung stehen, wenn sie an gegenüberliegenden Seiten des Rotors (seinen Stirnseiten) angeordnet werden (Anspruch 4, 5).With the invention, a non-contact and therefore lossless storage of the rotor and an improved electric motor drive with higher efficiency created that regenerative braking of the rotor is also permitted. Constructionally and functional in the same from high temperature Superconductor material formed rotor both properties anchored. The magnetic bearing can be made from one on the stator side Permanent magnet be formed (claim 3). It can consist of several exist in the axial direction magnetized rings that over a Stator reflux yoke then communicate when on opposite sides of the rotor (its end faces) be arranged (claim 4, 5).

Auch die Statorwicklung der Maschine kann aus einem supraleitenden Material gebildet sein, das in seiner Temperatur an die Temperatur des Rotors angepaßt ist, zu der er seine supraleitende Eigenschaft entwickelt (Anspruch 6).The stator winding of the machine can also be made from one superconducting material formed in its temperature is adapted to the temperature of the rotor to which it is developed superconducting property (claim 6).

Die Kleinmaschine kann wegen der in ihr oft vorliegenden hohen Magnetflußdichte (B beträgt etwa zwei Tesla) mit einer Luftspaltwicklung ausgestattet sein (Anspruch 7), da eine Flußführung in Zähnen eines Eisenblechpaketes aufgrund der Eisensättigung nicht mehr sinnvoll ist. Die Wicklung ist dabei im Luftspalt zwischen Läufer und einem nutenlosen Stator (Ständer) der Maschine angeordnet. Werden geringere Flußdichten verwendet, als oben angegeben, können auch genutete Blechpakete des Stators verwendet werden. The small machine can because of the often present in it Magnetic flux density (B is about two Tesla) with one Air gap winding to be equipped (claim 7), since a Flow guidance in teeth of an iron sheet stack due to the Iron saturation is no longer useful. The winding is there in the air gap between the rotor and a slotless stator (Stand) of the machine. Will lower flux densities used, as stated above, can also grooved sheet metal packages of the stator can be used.  

Der Rotor kann mit Aussparungen oder Auswölbungen versehen sein (Anspruch 8), die andere magnetische Eigenschaften besitzen, so ferromagnetisch, diamagnetisch, paramagnetisch oder als Permanentmagnet ausgebildet sind, gegenüber dem mit den Pinning-Effekt behafteten HTSL-Material. Geeignete Aussparungen oder Auswölbungen führen zur Verbesserung der Antriebs- und/oder Trag-, Führungs- oder Sensoreigenschaft des HTSL-Läufers. Solche Aussparungen können zu einem topfförmigen Läufer führen (Anspruch 14, Anspruch 19 bis 22).The rotor can be provided with recesses or bulges (Claim 8), which have other magnetic properties, so ferromagnetic, diamagnetic, paramagnetic or as Permanent magnet are formed, compared to that with the pinning effect contaminated HTSL material. Suitable cutouts or Bulges lead to the improvement of the drive and / or Carrying, guiding or sensor properties of the HTSL runner. Such Recesses can lead to a pot-shaped runner (Claim 14, claims 19 to 22).

Die Drehzahlerfassung des Rotors erfolgt vorteilhaft berührungslos oder sensorlos, die dabei gewonnenen Signale können gleichzeitig als Impulssteuerung für einen speisenden Stromrichter verwendet werden, der die Statorwicklung mit einem solchen Wechselstrom versieht, der ein entsprechendes Drehfeld für den Rotor erzeugt (Anspruch 10, 11).The speed of the rotor is advantageously recorded The signals obtained are contactless or sensorless can simultaneously serve as impulse control for a dining party Converters can be used, the stator winding with a provides such an alternating current that has a corresponding rotating field generated for the rotor (claim 10, 11).

Die Anordnung kann kugelförmig oder zumindest halbkugelförmig sein, betreffend den Läufer und den Stator, hierzu wird auf die deutsche Patentanmeldung 195 47 016.8 verwiesen, in der ein solcher Aufbau näher beschrieben ist. Die dortige Beschreibung wird hier durch Bezugnahme einbezogen.The arrangement can be spherical or at least hemispherical regarding the rotor and the stator, please refer to the German patent application 195 47 016.8 referenced in the such structure is described in more detail. The description there is incorporated here by reference.

Die Lagerung eines topfförmigen Läufers (Anspruch 15 bis 18) ist speziell für aufrecht stehende Ausführungen konzipiert.The storage of a pot-shaped rotor (claim 15 to 18) specially designed for upright versions.

Beispiele sollen die Erfindung erläutern.Examples are intended to illustrate the invention.

Fig. 1 ist ein Schnitt durch eine Maschine mit HTSL-Läufer 1, deren Symmetrieachse mit 100 bezeichnet ist. Fig. 1 is a section through a machine with HTSL rotor 1 , the axis of symmetry is designated 100 .

Fig. 2a ist ein Hysteresemotor in senkrechter Bauweise mit einem topfförmigen HTSL-Läufer 10. FIG. 2a is a hysteresis motor in a vertical structure with a cup-shaped HTSC rotor 10th

Fig. 2b ist eine gegenüber Fig. 2a modifizierte Fassung des topfförmigen Läufers 10, der nicht nur einen Boden 10b, sondern auch einen Deckel 10c hat, verbunden über einen außenseitigen dünnen Zylinderabschnitt 10a, der Boden 10b und Deckel 10c verbindet. Innen ist der topfförmige Läufer 10 mit Eisen (Fe) gefüllt. Die stärkeren Stirnabschnitte, der Deckel und der Boden des Läufers 10 dienen der Erhöhung der Lagertragkraft und -stabilität. Fig. 2b is a modified version of Fig. 2a of the pot-shaped rotor 10 , which not only has a bottom 10 b, but also a lid 10 c, connected via an outside thin cylinder portion 10 a, the bottom 10 b and lid 10 c connects . The inside of the pot-shaped rotor 10 is filled with iron (Fe). The thicker end sections, the lid and the bottom of the rotor 10 serve to increase the bearing capacity and stability.

Fig. 2c zeigt eine Ausschnittsvergrößerung des unteren Lagers gemäß Fig. 2a, mit einer nochmal geteilten Umfangs- Permanentmagnet-Lagerung 20a′, 20a′′ mit entgegengesetzter Polarität. Sie sind in Höhe des Bodens 10b des topfförmigen HTSL-Läufers 10 angeordnet. Fig. 2c shows an enlarged detail of the lower bearing according to Fig. 2a, with a again divided circumferential permanent magnet bearing 20 a ', 20 a''with opposite polarity. They are arranged at the level of the bottom 10 b of the pot-shaped HTSL rotor 10 .

Fig. 3 ist ein Beispiel eines Kugel-HTSL-Läufers. Fig. 3 is an example of a ball-HTS rotor.

Eine Welle 5 dient in Fig. 1 als Abtrieb zu einem Objekt, das mit einer Drehzahl beaufschlagt werden soll. An der Welle 5 ist starr der Rotor 1 angekoppelt, der hier als zylindrisch dargestellt ist, mit einem Durchmesser, der erheblich größer ist, als derjenige der Welle 5. Gegenüber dem Rotor 1 ist ein geblechter Stator 3 vorgesehen, der eine Wicklung trägt, die in der Fig. 1 nur durch ihre Wickelköpfe 3a, 3b symbolisiert ist. Diese Wicklung ist eine mehrphasige Wicklung, die es erlaubt, ein Drehfeld im Luftspalt zwischen Rotor und Stator auszubilden, um den Rotor 1 anzutreiben. In FIG. 1, a shaft 5 serves as an output to an object that is to be subjected to a speed. The rotor 1 , which is shown here as cylindrical, is rigidly coupled to the shaft 5 and has a diameter that is considerably larger than that of the shaft 5 . Opposite the rotor 1 , a laminated stator 3 is provided, which carries a winding, which is symbolized in FIG. 1 only by its winding heads 3 a, 3 b. This winding is a multi-phase winding which allows a rotating field to be formed in the air gap between the rotor and the stator in order to drive the rotor 1 .

Der Rotor 1 ist über zwei dargestellte magnetisierte Zylinder 2 gelagert, und zwar an seinen beiden Stirnseiten im äußeren Bereich. Die beiden Lagerringe haben eine Polarisierung, die in axialer Richtung verläuft, oder ein entsprechendes radialsymmetrisches Feld durch Flußleitstücke erzeugt. Die Radialkräfte können durch gegenüberliegende Magnetlager entsprechend erhöht werden.The rotor 1 is supported by two magnetized cylinders 2 shown, on its two end faces in the outer region. The two bearing rings have a polarization which runs in the axial direction or a corresponding radially symmetrical field is generated by flux guide pieces. The radial forces can be increased accordingly by using opposite magnetic bearings.

Ein magnetisches Rückflußjoch 4 kann vorgesehen sein, das ein Gehäuse für den gesamten Rotor bildet. Über das Rückflußjoch 4 werden die Feldlinien des Rotorlagers 2 zurückgeführt und der Antrieb erhält einen kompakten Aufbau. Die Feldlinien eines jeden Lagers können durch geeignete Flußführung auch in sich selbst geschlossen werden.A magnetic return yoke 4 can be provided, which forms a housing for the entire rotor. The field lines of the rotor bearing 2 are returned via the reflux yoke 4 and the drive has a compact structure. The field lines of each camp can also be closed in themselves by a suitable flow.

Der Rotor 1 besteht aus einem schmelztexturierten Hochtemperatur-Supraleiter-Material, abgekürzt HTSL. Er ist durch die Lagerringe 2 berührungslos gelagert und hat einen entsprechenden Durchmesser, der gerade noch nicht an der Innenfläche des Stators 3 anliegt, sondern einen mäßigen Luftspalt beläßt. Über diesen Luftspalt wird das Drehfeld übertragen.The rotor 1 consists of a melt-textured high-temperature superconductor material, abbreviated to HTSL. It is supported in a contactless manner by the bearing rings 2 and has a corresponding diameter which just barely does not abut the inner surface of the stator 3 , but rather leaves a moderate air gap. The rotating field is transmitted via this air gap.

Zusätzlich zu der axialen Lagerung über das statorseitige Lager 2 können in radialer Richtung wirkende Kompensationsmagnete (Permanentmagnete oder steuerbare Elektromagnete) vorgesehen sein, die für einen gleichbleibenden Luftspalt sorgen, mithin dafür sorgen, daß die Achse der Welle immer weitgehend in der Achse 100 zu liegen kommt, die auch die Symmetrieachse des rotationssymmetrischen Stators 3 ist. Geringe Schwankungen können indes zugelassen werden, da der Rotor 1 nicht mechanisch gelagert ist und die Öffnung in dem Rückflußjoch so gestaltet sein sollte, daß sie ein entsprechendes Spiel der Welle 5 zuläßt. An der Abtriebsseite würde eine entsprechende Kopplung vorzusehen sein, die das Spiel erlaubt. In addition to the axial bearing via the stator-side bearing 2 , compensation magnets (permanent magnets or controllable electromagnets) acting in the radial direction can be provided, which ensure a constant air gap, and consequently ensure that the axis of the shaft always lies largely in axis 100 , which is also the axis of symmetry of the rotationally symmetrical stator 3 . Slight fluctuations can, however, be permitted since the rotor 1 is not mechanically supported and the opening in the reflux yoke should be designed such that it allows the shaft 5 to play accordingly. On the output side, a corresponding coupling would have to be provided, which allows the game.

Fig. 2a veranschaulicht einen topfförmigen Läufer 10, der einen äußeren Mantel an HTSL-Material hat. Der Anteil des HTSL-Materials besteht aus einer vergleichsweise dünnen Wandlage 10a, die zylindrisch ist, und einem vergleichsweise dicken Bodenbereich 10b, um den topfförmigen Läufer 10 auszubilden. Innen ist der Läufer mit Eisen aufgefüllt, so daß er im wesentlichen außenseitig aus HTSL-Material besteht. Figure 2a illustrates a pot-shaped runner 10 having an outer jacket of HTSL material. The proportion of the HTSL material consists of a comparatively thin wall layer 10 a, which is cylindrical, and a comparatively thick bottom region 10 b in order to form the pot-shaped rotor 10 . The inside of the rotor is filled with iron so that it essentially consists of HTSL material on the outside.

Ersichtlich an der Fig. 2a sind die Statorblech-Pakete 3 mit den Wickelköpfen 3a, 3b, wie schematisch schon in Fig. 1 veranschaulicht. Deutlicher wird an der Fig. 2a die Art und Weise der Lagerung des Läufers 10.The stator lamination packets 3 with the winding heads 3 a, 3 b can be seen in FIG. 2a, as already schematically illustrated in FIG. 1. 2a clearly the way of the bearing of the rotor 10 is at the Fig..

In dem gezeigten Beispiel ist eine senkrecht stehende Variante gewählt. Der Boden 10b ist gegenüber der Zylinderwand 10a deutlich stärker, er ist mindestens doppelt so stark ausgebildet. Der zylindrische Kern des HTSL-Läufers besteht aus einem weichmagnetischen Material, z. B. Eisen.In the example shown, a vertical variant is selected. The bottom 10 b is significantly stronger than the cylinder wall 10 a, it is at least twice as strong. The cylindrical core of the HTSL rotor consists of a soft magnetic material, e.g. B. iron.

Die Lagerung erfolgt im unteren Bereich des topfförmigen Läufers 10, dort wo der Boden 10b ist, durch einen vorzugsweise ringförmigen Permanentmagnet 20b, der stirnseitig zum Boden ausgerichtet ist und durch einen ebenfalls vorzugsweise ringförmigen radialen Magneten 20a, der einen größeren Durchmesser hat, als der zuvor erwähnte Magnet 20b, dennoch auch im Bodenbereich 10b des HTSL-Läufers angeordnet ist, jedoch axial gering versetzt. Die beiden am Umfang und an der Stirnseite lagernden Permanentmagnete 20a, 20b haben vorzugsweise entgegengesetzte Polarität und sind vorteilhaft über einen ringförmigen Verbindungsbereich 20c aus HTSL-Material verbunden.The storage takes place in the lower region of the pot-shaped rotor 10 , where the bottom 10 b is, by a preferably ring-shaped permanent magnet 20 b, which is oriented towards the bottom on the end face, and by a likewise preferably ring-shaped radial magnet 20 a, which has a larger diameter, than the above-mentioned magnet 20 b, is nevertheless also arranged in the bottom region 10 b of the HTSL rotor, but axially slightly offset. The two permanent magnets 20 a, 20 b mounted on the circumference and on the end face preferably have opposite polarities and are advantageously connected via an annular connecting region 20 c made of HTSL material.

In Fig. 2c ist das Lager deutlicher dargestellt. An Fig. 2c ist auch ersichtlich, daß der am Umfang lagernde Permanentmagnet 20a in nochmals zwei Permanentmagnetringe 20a′ und 20a′′ gesplittet werden kann, um zwischen diesen beiden ringförmigen Permanentmagneten eine Schicht aus HTSL vorzusehen. Die Achse 100 gibt eine Orientierung hinsichtlich der Fig. 1. The bearing is shown more clearly in FIG. 2c. On Fig. 2c it can also be seen that the circumferential permanent magnet 20 a in two permanent magnet rings 20 a 'and 20 a''can be split to provide a layer of HTSL between these two annular permanent magnets. The axis 100 provides an orientation with respect to FIG. 1.

Am oberen Ende des topfförmigen Läufers 10 sind ebenfalls zwei beabstandete, vorzugsweise ringförmige Permanentmagnete 21a, 21b in Fig. 2a vorgesehen, die ähnlich der geteilten Ringmagnet-Anord­ nung 20a′ und 20a′′ am Boden eine umfängliche Lagerung erreichen. Die Ringe am oberen Ende des topfförmigen Läufers 10 haben entgegengesetzte Polarität, auch zwischen Ihnen kann eine HTSL-Zwischenlage vorgesehen werden.At the upper end of the pot-shaped rotor 10 are also two spaced, preferably ring-shaped permanent magnets 21 a, 21 b in Fig. 2a provided, similar to the split ring magnet arrangement 20 a 'and 20 a''achieve a comprehensive storage on the ground. The rings at the upper end of the pot-shaped rotor 10 have opposite polarity, an HTSL intermediate layer can also be provided between them.

Zuvor war erwähnt, daß der Mantel 10a des Läufers zumindest innerhalb des axialen Bereiches des Stators 3 eine sehr geringe Wanddicke hat, z. B. etwa zwischen 5%, 10% und 15% des Durchmessers des Läufers 10. Die stirnseitige HTSL-Schicht, die gemäß Fig. 2b an beiden Enden des topfförmigen Läufers 10 angebracht ist, dient der Erhöhung der Lagertragkraft und der Lagerstabilität, womit die dortigen HTSL-Schirme 10b, 10c deutlich verstärkt sind.Previously it was mentioned that the jacket 10 a of the rotor has a very small wall thickness, at least within the axial area of the stator 3 , for. B. approximately between 5%, 10% and 15% of the diameter of the rotor 10 . The frontal HTSC layer, which according to FIG. Is attached to both ends of the cup-shaped rotor 10 2b, serves to increase the storage capacity and the storage stability, whereby the local HTS screens b 10 10 c are significantly enhanced.

In Fig. 3 ist ein HTSL-Kugellager gezeigt, bei dem ein kugelförmiger Läufer 50 aus HTSL-Material vorgesehen ist. Er wird in einer topfförmigen Lagerung gehalten, mit einem radial wirkenden Permanentmagnet 52b, der als Ring ausgestaltet ist und einem kalottenförmig ausgestalteten Tragmagnet 52a, der unterhalb der Läuferkugel 50 angeordnet ist. Beide Magnete 52a, 52b sind in einem Tragkörper 51 angeordnet und können durch einen HTSL-Ring 53 magnetisch abgeschirmt sein. Der horizontal liegende Lagerring 52b, der an die Kugeloberfläche mit seiner Innenwandung eng angepaßt sein kann, dient der seitlichen Führung der Läuferkugel 50. Die vertikale Führung, das Tragen der Kugel 50, übernimmt der Tragmagnet 52a in dem Haltekörper 51. Obgleich die beiden Magnete eng voneinander beabstandet sind, können sie durch den HTSL-Ring 53 voneinander magnetisch geschirmt werden.In Fig. 3, a HTSC ball bearing is shown in which a spherical rotor 50 is provided made of HTS material. It is held in a cup-shaped bearing, with a radially acting permanent magnet 52 b, which is designed as a ring, and a spherical support magnet 52 a, which is arranged below the rotor ball 50 . Both magnets 52 a, 52 b are arranged in a support body 51 and can be magnetically shielded by an HTSL ring 53 . The horizontally lying bearing ring 52 b, which can be closely adapted to the inner surface of the spherical surface, serves to guide the rotor ball 50 laterally. The vertical guidance, the carrying of the ball 50 , takes over the support magnet 52 a in the holding body 51st Although the two magnets are closely spaced apart, they can be magnetically shielded from one another by the HTSL ring 53 .

Nicht dargestellt ist ein Sensor, der berührungslos den Rotor 1 so abtastet, daß beispielsweise eine Markierung oder mehrere Markierungen, die in gleichmäßigen Abständen am Umfang vorgesehen sind, abgetastet werden, um Signale hinsichtlich der Drehgeschwindigkeit (der Drehzahl) des Rotors zu erhalten. Diese Signale können einmal zur Erfassung der Drehzahl dienen, diese Signale können aber auch direkt zur Steuerung des statorseitigen Stromrichters herangezogen werden, um das Drehfeld entsprechend einzustellen.Not shown is a sensor which scans the rotor 1 in a contactless manner such that, for example, one mark or several markings, which are provided at uniform intervals on the circumference, are scanned in order to obtain signals relating to the rotational speed (the rotational speed) of the rotor. These signals can be used to record the speed, but these signals can also be used directly to control the stator-side converter in order to adjust the rotating field accordingly.

Claims (25)

1. Elektrische Maschine mit einer Welle (5), einem bewickelten, geblechten Stator (3; 3a, 3b) zur Ausbildung eines magnetischen Stator-Drehfeldes, sowie einem Läufer (1, 10), der von dem magnetischen Stator-Drehfeld drehantreibbar ist; dadurch gekennzeichnet, daß
  • (a) der Läufer (1, 10) zumindest im äußeren Bereich (10a) im wesentlichen aus einem hochtemperatur­ supraleitenden Material (HTSL) besteht, das über eine Kühleinrichtung entsprechend tiefkühlbar ist;
  • (b) der Läufer (1, 10) mit magnetischen Lagern (2) im Stator-Drehfeld berührungslos drehbar gelagert ist.
1. Electrical machine with a shaft ( 5 ), a wound, laminated stator ( 3 ; 3 a, 3 b) to form a magnetic stator rotating field, and a rotor ( 1 , 10 ) which can be driven in rotation by the magnetic stator rotating field is; characterized in that
  • (a) the rotor ( 1 , 10 ), at least in the outer region ( 10 a), consists essentially of a high-temperature superconducting material (HTSL) which can be correspondingly deep-frozen using a cooling device;
  • (b) the rotor ( 1 , 10 ) with magnetic bearings ( 2 ) is rotatably mounted in a contactless manner in the stator rotating field.
2. Maschine nach Anspruch 1, bei der der Läufer (1) zylindrisch ausgebildet ist, insbesondere aus schmelztexturiertem HTSL-Material mit Hystereseeigenschaft.2. Machine according to claim 1, wherein the rotor ( 1 ) is cylindrical, in particular made of melt-textured HTSL material with hysteresis property. 3. Maschine nach einem der vorigen Ansprüche, bei der die magnetischen Lager (2) Permanentmagnete sind, insbesondere ein- oder beidseitig des Läufers angeordnet.3. Machine according to one of the preceding claims, in which the magnetic bearings ( 2 ) are permanent magnets, in particular arranged on one or both sides of the rotor. 4. Maschine nach Anspruch 3, bei der zumindest eines der Lager (2) ein feststehende Lager (2) zum berührungslos drehbaren Lagern des Läufers (1; Rotor) ist, welches feststehende Lager ringförmig ausgebildet und in axialer Richtung permanent magnetisiert ist.4. Machine according to claim 3, wherein at least one of the bearings ( 2 ) is a fixed bearing ( 2 ) for contactlessly rotatable mounting of the rotor ( 1 ; rotor), which fixed bearing is annular and permanently magnetized in the axial direction. 5. Maschine nach einem der vorigen Ansprüche, bei der mehrere axial magnetisierte Zylinderlager (2) vorgesehen sind, die über ein ferromagnetisches Rückflußjoch (4) magnetisch gekoppelt sind.5. Machine according to one of the preceding claims, in which a plurality of axially magnetized cylinder bearings ( 2 ) are provided which are magnetically coupled via a ferromagnetic backflow yoke ( 4 ). 6. Maschine nach einem der vorigen Ansprüche, bei der die Statorwicklung (3a, 3b) aus einem im wesentlichen supraleitenden Werkstoff besteht. 6. Machine according to one of the preceding claims, wherein the stator winding ( 3 a, 3 b) consists of a substantially superconducting material. 7. Maschine nach einem der vorigen Ansprüche, die eine Luftspaltwicklung enthält, insbesondere aus einem Hochtemperatur-Supraleiter.7. Machine according to one of the preceding claims, the one Contains air gap winding, in particular from one High temperature superconductor. 8. Maschine nach einem der vorigen Ansprüche, bei der der Läufer (Rotor; 1) Aussparungen oder Auswölbungen aufweist, die ganz oder teilweise aus Materialien mit anderer magnetischer Eigenschaft ausgefüllt oder ausgebildet sind.8. Machine according to one of the preceding claims, wherein the rotor (rotor; 1 ) has recesses or bulges, which are completely or partially filled or formed from materials with a different magnetic property. 9. Maschine nach Anspruch 8, bei der die Aussparungen oder Auswölbungen Nuten, Ringe, Kerne, geschichtete Scheiben oder Zylinder sind.9. Machine according to claim 8, wherein the recesses or Bulges Grooves, rings, cores, layered disks or cylinders. 10. Maschine nach einem der vorigen Ansprüche, bei der die Erfassung der Drehlage des Läufers (1) berührungslos erfolgt.10. Machine according to one of the preceding claims, in which the detection of the rotational position of the rotor ( 1 ) is carried out without contact. 11. Maschine nach Anspruch 10, bei der die berührungslos erfaßten Signale zur Erfassung der Läufer-Drehposition zur Impulsgabe für eine Steuerung von - insbesondere über einen Stromrichter gespeiste - Ständerströme in der Ständerwicklung (3a, 3b) verwendet werden.11. Machine according to claim 10, in which the non-contact detected signals for detecting the rotor rotational position for the impulse for a control of - stator currents - in particular fed via a converter - are used in the stator winding ( 3 a, 3 b). 12. Maschine nach einem der vorigen Ansprüche, bei der der Läufer (1, 50) und der Stator (3, 52b) kugelförmig bzw. halbkugelförmig ausgebildet sind.12. Machine according to one of the preceding claims, wherein the rotor ( 1 , 50 ) and the stator ( 3 , 52 b) are spherical or hemispherical. 13. Maschine nach Anspruch 12, bei der ein kalottenförmiger Permanent-Tragmagnet (52a) unterhalb des kugelförmig ausgebildeten Läufers (50) angeordnet ist und ein horizontaler, kalottenförmig ausgestalteter Permanentmagnet-Ring (52b) die seitliche Führung der Läuferkugel (50) übernimmt, wobei zwischen dem Tragmagnet (52a) und dem Seitenführungs-Magnet (52b) ein umlaufender Abschirmung (53) aus HTSL-Material vorgesehen ist. 13. Machine according to claim 12, wherein a dome-shaped permanent support magnet ( 52 a) is arranged below the spherically shaped rotor ( 50 ) and a horizontal, dome-shaped permanent magnet ring ( 52 b) takes over the lateral guidance of the rotor ball ( 50 ) , wherein a circumferential shield ( 53 ) made of HTSL material is provided between the support magnet ( 52 a) and the side guide magnet ( 52 b). 14. Maschine nach einem der Ansprüche 1, 8 oder 9, bei welcher der Läufer (1, 10) für eine senkrecht stehende Bauweise topfförmig (10a, 10b) ausgestaltet ist.14. Machine according to one of claims 1, 8 or 9, wherein the rotor ( 1 , 10 ) for a vertical construction is pot-shaped ( 10 a, 10 b). 15. Maschine nach Anspruch 8, 9 oder 14, bei der Permanentmagnete zur Lagerung des Läufers (1, 10) vorgesehen sind, wobei zwei Permanentmagnet-Ring­ körper (21a, 21b) vorzugsweise entgegengesetzter Polarität am oberen Randbereich des topfförmigen Läufers (10) umfänglich lagernd angebracht sind.15. Machine according to claim 8, 9 or 14, are provided in the permanent magnets for mounting the rotor ( 1 , 10 ), wherein two permanent magnet ring body ( 21 a, 21 b) preferably of opposite polarity at the upper edge region of the pot-shaped rotor ( 10 ) are mounted in extensive storage. 16. Maschine nach Anspruch 14 oder 15, bei der am unteren Randbereich (10b) des topfförmigen Läufers (10) ein umfänglich lagernder Permanentmagnet-Ring (20a) vorgesehen ist und insbesondere ein stirnseitig zum Boden (10b) des Läufers (10) ausgerichteter Permanentmagnet (20b) vorgesehen ist, dessen Durchmesser geringer ist, als derjenige des zuvor erwähnten Permanentmagnet-Rings (20a).16. Machine according to claim 14 or 15, in which at the lower edge region ( 10 b) of the pot-shaped rotor ( 10 ) a circumferentially mounted permanent magnet ring ( 20 a) is provided and in particular an end face to the bottom ( 10 b) of the rotor ( 10 ) aligned permanent magnet ( 20 b) is provided, the diameter of which is smaller than that of the aforementioned permanent magnet ring ( 20 a). 17. Maschine nach Anspruch 16, bei der zwischen den zwei im Bodenbereich (10b) des topfförmigen Läufers (10a) angeordneten Permanentmagnet-Ringen (20a, 20b) eine vorzugsweise ringförmige Abschirmung (20c) angebracht ist.17. Machine according to claim 16, in which between the two in the bottom region ( 10 b) of the pot-shaped rotor ( 10 a) arranged permanent magnet rings ( 20 a, 20 b) a preferably annular shield ( 20 c) is attached. 18. Maschine nach Anspruch 16 oder 17, bei der die im Bodenbereich angeordneten Permanentmagnetlager (20a, 20b) unterschiedliche Polarität zur besseren Flußführung haben.18. Machine according to claim 16 or 17, wherein the arranged in the bottom permanent magnet bearings ( 20 a, 20 b) have different polarity for better flux management. 19. Maschine nach einem der Ansprüche 8, 9 oder 14 bis 18, bei der im Bereich des Stators (3) die Stärke des HTSL-Materials im Läufer (10) dünn ist, insbesondere im Bereich zwischen 5% und 15% des Durchmessers des Läufers.19. Machine according to one of claims 8, 9 or 14 to 18, in which in the area of the stator ( 3 ) the thickness of the HTSL material in the rotor ( 10 ) is thin, in particular in the range between 5% and 15% of the diameter of the Runner. 20. Maschine nach Anspruch 19, bei der der Bodenbereich (10b) des Läufers (10) deutlich stärker, als die Wandstärke des dünnen Wandbereiches (10a) im Statorbereich ist. 20. Machine according to claim 19, wherein the bottom region ( 10 b) of the rotor ( 10 ) is significantly thicker than the wall thickness of the thin wall region ( 10 a) in the stator region. 21. Maschine nach Anspruch 20, bei der der topfförmige Läufer (10) an beiden Stirnseiten einen verstärkten HTSL-Stirnbereich (10b, 10c) hat.21. Machine according to claim 20, in which the cup-shaped rotor ( 10 ) has a reinforced HTSL end region ( 10 b, 10 c) on both end faces. 22. Maschine nach Anspruch 1, bei der der Läufer im äußeren radialen Zylinderbereich (10a) im wesentlichen aus HTSL-Material besteht, insbesondere im wesentlichen ganz aus HTSL-Material besteht.22. Machine according to claim 1, wherein the rotor in the outer radial cylinder region ( 10 a) consists essentially of HTSL material, in particular consists essentially of HTSL material. 23. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Läufer (10, 1) zur Erzielung und Aufrechterhaltung seines hochtemperatur-supraleitenden (HTSL-) Zustandes mit Flüssiggasen, insbesondere Flüssigstickstoff, Flüssigwasserstoff vorzugsweise durch Aufsprühen gekühlt wird, zur Verringerung der Läuferreibung unter Ausnutzung des Verdampfungswärmeentzuges.23. Electrical machine according to one of the preceding claims, in which the rotor ( 10 , 1 ) to achieve and maintain its high-temperature superconducting (HTSL) state with liquid gases, in particular liquid nitrogen, liquid hydrogen, preferably by spraying, to reduce the rotor friction Exploitation of heat of vaporization. 24. Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, deren HTSL-Läufer (1, 10) während oder nach Eintritt seines supraleitenden Zustandes permanentmagnetisch ganz oder teilweise aufmagnetisiert oder - insbesondere zwecks Feldschwächung - ganz oder teilweise abmagnetisiert wird.24. A method for operating an electrical machine according to any one of the preceding claims, the HTSL rotor ( 1 , 10 ) during or after the occurrence of its superconducting state magnetized completely or partially or - especially for the purpose of field weakening - completely or partially demagnetized. 25. Elektrische Maschine oder Verfahren nach einem der vorigen Ansprüche, wobei zwecks Verringerung von Auf- oder Abmagnetisierungsströmen, die normalerweise mittels einzelner oder mehrerer Ständerspulen erfolgen, die eine ganze Läufermagnetpolbreite umfassen, Zusatzspulen ständerseitig geeignet angeordnet sind, die nur einen Teil der Polbreite umfassen, um die gesamte Polbreite nacheinander in Schritten oder bei kontinuierlicher Läuferdrehung zu magnetisieren.25. Electrical machine or method according to one of the previous Claims, with the purpose of reducing up or Demagnetizing currents, which are normally by means of single or multiple stator coils, one cover entire rotor magnet pole width, additional coils are suitably arranged on the stator side, which only part the pole width to include the entire pole width one after the other in steps or in continuous Magnetize rotor rotation.
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