Rotor und Maschine mit supraleitendem Permanentmagneten für hohe magnetische Flussdichten

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Rotor für eine elek trische Maschine mit einer zentralen Rotorachse, umfassend einen Rotorträger und eine von dem Rotorträger mechanisch ge tragene permanentmagnetische supraleitende Magneteinrichtung. Die Magneteinrichtung ist zur Ausbildung eines mehrpoligen Erregerfeldes ausgestaltet, wobei die Position der magneti schen Pole um den Umfang des Rotors verteilt ist.

Aus dem Stand der Technik sind elektrische Maschinen bekannt, welche einen Stator und einen Rotor aufweisen und bei welchen der Rotor dazu ausgelegt ist, ein elektromagnetisches Erre gerfeld zu erzeugen. Ein solches Erregerfeld kann entweder durch auf dem Rotor angeordnete Permanentmagnete oder durch auf dem Rotor angeordnete Spulenelemente erzeugt werden. Für elektrische Maschinen mit besonders hohen Leistungsdichten werden zum Teil Rotoren mit supraleitenden Spulenelementen eingesetzt. Eine andere Möglichkeit zum Erreichen besonders hoher Leistungsdichten ist die Verwendung von supraleitenden Permanentmagneten .

Die Leistungsdichte einer elektrischen Maschine skaliert mit der magnetischen Flussdichte, die durch die in der elektri schen Maschine zum Einsatz kommenden Elektro- oder Permanent magnete erzeugbar ist. Dieser Zusammenhang erlaubt eine sig nifikante Erhöhung der Leistungsdichte ohne wesentliche Ver änderung der Topologie der elektrischen Maschine, wenn bei spielsweise konventionelle Permanentmagnete durch supralei tende Permanentmagnete ersetzt werden, da mit diesen höhere magnetische Flussdichten generiert werden können.

Ein Ansatz zur Erhöhung der Leistungsdichte besteht daher da rin, eine elektrische Maschine mit Permanentmagneten aus sup- raleitfähigen Materialien auszustatten. Derartige Materialien können bei entsprechend niedrigen Temperaturen magnetische Flussdichten in Größenordnungen erzeugen, die ein Vielfaches der mit konventionellen Permanentmagneten erzeugbaren Fluss dichten betragen. Bspw. ist es möglich, mit einem Magneten aus YBCO (Yttrium-Barium-Kupfer-Oxid) bei ca. 30 K ein Mag netfeld mit einer magnetischen Flussdichte von bis zu 8 T zu erzeugen, während ein konventioneller Magnet, bspw. bestehend aus NeFeB, Flussdichten in Größenordnungen von ca. 1,2 T ge neriert .

In der DE102016205216A1 wird eine elektrische Maschine mit supraleitfähigen Permanentmagneten sowie ein Verfahren zum Magnetisieren der Permanentmagnete beschrieben. Supraleitende Permanentmagnete müssen vor ihrem Betrieb zunächst bei einer kryogenen Temperatur unterhalb der Sprungtemperatur des Sup raleiters aufmagnetisiert werden und dann dauerhaft auf einer solchen kryogenen Temperatur gehalten werden. Aufgrund des verlustfreien Stromflusses im Supraleitermaterial wird so ein dauerhafter Magnetisierungszustand erreicht.

Aufgrund der hohen kritischen Stromdichten und der hohen kri tischen magnetischen Flussdichten der inzwischen zur Verfü gung stehenden supraleitenden Materialien können auf diese Weise elektrische Maschinen mit prinzipiell sehr hohem magne tischem Nutzfluss (also dem nutzbaren magnetischen Fluss im Luftspalt der elektrischen Maschine) erreicht werden. Für Ra dialflussmaschinen mit supraleitenden Permanentmagneten im Rotor sind bisher nur sehr wenige tatsächliche technische Re alisierungen bekannt. Die meisten bekannten Konzepte basieren auf einem Ersatz der konventionellen Permanentmagneten durch supraleitende Permanentmagnete im Rotor einer konventionellen Radialflussmaschine. Dies bedeutet, dass dann im Rotor mehre re supraleitende Permanentmagnete in einem radial außenlie genden Bereich eines Rotorträgers über den Umfang des Rotors verteilt sind. Auf diese Weise kann durch den Rotor ein p-poliges Magnetfeld erzeugt werden, wobei die Anzahl p der magnetischen Pole entweder direkt der Anzahl der über den Um fang verteilten supraleitenden Permanentmagnete oder der An- zahl von jeweils zu einem Pol zusammengefassten Gruppen von supraleitenden Permanentmagneten entspricht. Diese über den Umfang verteilten supraleitenden Permanentmagnete können ent sprechend auch als magnetische Polelemente bezeichnet werden.

Nachteilig bei einem solchen Rotor ist, dass der theoretisch mit den supraleitenden Permanentmagneten erreichbare magneti sche Fluss typischerweise nicht optimal ausgenutzt wird. Dies liegt daran, dass im radial innenliegenden Bereich des Rotors typischerweise entweder amagnetisches Material oder ferromag netisches Material zur magnetischen Flussführung verwendet wird. Ein solches Material besitzt einen magnetischen Wider stand, der auch zur Verringerung des verfügbaren magnetischen Flusses im Luftspalt der elektrischen Maschine beiträgt. Dies gilt bei ferromagnetischen Materialien insbesondere dann, wenn die Sättigungsmagnetisierung eines solchen Materials überschritten wird. Aufgrund der hohen Qualität der bereits heute verfügbaren Supraleitermaterialien und der weiter zu erwartenden Steigerung der kritischen Stromdichte und der verfügbaren geometrischen Abmessungen solcher supraleitenden Permanentmagneten ergibt sich hier eine Lücke zwischen den theoretisch möglichen magnetischen Flussdichten und den tat sächlich in einer solchen elektrischen Maschine im Luftspalt nutzbar zur Verfügung gestellten magnetischen Flussdichten.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Rotor mit einer permanentmagnetischen supraleitenden Magneteinrichtung anzu geben, welcher die genannten Nachteile überwindet. Insbeson dere soll ein solcher Rotor zur Verfügung gestellt werden, mit welchem ein besonders hoher magnetischer Nutzfluss in einer elektrischen Maschine erreicht werden kann. Eine weite re Aufgabe ist es, eine elektrische Maschine mit einem derar tigen Rotor anzugeben.

Diese Aufgaben werden durch den in Anspruch 1 beschriebenen Rotor und die in Anspruch 15 beschriebene elektrische Maschi ne gelöst. Der erfindungsgemäße Rotor ist als Rotor für eine elektrische Maschine ausgestaltet. Er weist eine zentrale Rotorachse A auf. Der Rotor umfasst einen Rotorträger und eine von dem Ro torträger mechanisch getragene permanentmagnetische supralei tende Magneteinrichtung. Die Magneteinrichtung ist zur Aus bildung eines p-poligen Erregerfeldes ausgestaltet und zwar derart, dass die Positionen der magnetischen Pole über den Umfang des Rotors verteilt sind. Die supraleitende Magnetein richtung weist eine Anzahl m von supraleitenden Magnetelemen ten auf. Dabei weist jedes Magnetelement zwei supraleitende magnetische Polelemente auf, welche jeweils in einem radial außenliegenden Bereich des Rotors angeordnet sind. Die beiden Polelemente sind an unterschiedlichen Umfangspositionen ange ordnet. Zusätzlich weist jedes Magnetelement ein supraleiten des magnetisches Verbindungselement auf, welches in einem ra dial weiter innen liegenden Bereich des Rotors angeordnet ist und die beiden supraleitenden magnetischen Polelemente mitei nander verbindet.

Die Anzahl m der beschriebenen supraleitenden Magnetelemente kann insbesondere entweder 1 oder auch größer als 1 sein. Es reicht also aus, wenn wenigstens ein solches Magnetelement vorliegt, welches wie beschrieben wenigstens aus zwei radial außenliegenden Polelementen und einem vergleichsweise radial weiter innen liegenden Verbindungselement zwischen diesen beiden Polelementen zusammengesetzt ist. Ein solches Magne telement bildet also ein durchgehendes übergeordnetes Ele ment, welches sich zumindest über zwei magnetische Pole er streckt .

Das Magnetelement und/oder die darin enthaltenen Polelemente und das Verbindungselement sind jeweils entweder vollständig als supraleitende Permanentmagnete ausgebildet oder weisen zumindest jeweils solche supraleitenden Permanentmagnete als Hauptbestandteile auf. Im Vergleich zum Stand der Technik wird durch ein solches übergeordnetes Magnetelement die magnetische Flussführung in nerhalb des Rotors und insbesondere im radial weiter innen liegenden Bereich des Rotors verbessert. Dies wird dadurch erreicht, dass der typischerweise im Stand der Technik vor liegende „magnetische Luftspalt" innerhalb des Rotors vor teilhaft vermieden wird. Mit diesem „magnetischen Luftspalt" ist bei einem herkömmlichen Rotor der Bereich gemeint, der radial weiter innen liegt als die Position der radial außen liegenden Permanentmagneten und in dem sich der magnetische Fluss zwischen benachbarten magnetischen Polen schließt. Bei einem herkömmlichen Rotor mit über den Umfang verteilten Per manentmagneten weist dieser Bereich typischerweise ein amag netisches Material auf, sodass hier magnetisch gesehen ein Luftspalt vorliegt. Durch die erfindungsgemäße Anordnung eines supraleitenden magnetischen Verbindungselements in die sem Bereich wird der magnetische Fluss zwischen einzelnen (vorzugsweise benachbarten) magnetischen Polen geschlossen und die Flussführung im Rotor wird insgesamt verbessert, wodurch sich die lokal wirksame magnetische Flussdichte im Bereich der einzelnen Pole erhöht. Dies führt auch zu einer erhöhten magnetischen Flussdichte im Bereich des Luftspalts der elektrischen Maschine, also radial zwischen Rotor und Stator. Durch diesen Effekt kann im Vergleich zum Stand der Technik die Leistung und/oder die Leistungsdichte der elektrischen Maschine erhöht werden.

Die erfindungsgemäße elektrische Maschine weist einen erfin dungsgemäßen Rotor und einen feststehend angeordneten Stator auf. Die Vorteile der erfindungsgemäßen Maschine ergeben sich analog zu den oben beschriebenen Vorteilen des erfindungsge mäßen Rotors .

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfin dung gehen aus den von Anspruch 1 abhängigen Ansprüchen sowie der folgenden Beschreibung hervor. Dabei können die beschrie benen Ausgestaltungen des Rotors und der elektrischen Maschi ne allgemein vorteilhaft miteinander kombiniert werden. Allgemein vorteilhaft können die m Magnetelemente vorteilhaft jeweils ein hochtemperatursupraleitendes Material (HTS-Mate- rial) aufweisen. Insbesondere können sowohl die Polelemente als auch das wenigstens eine Verbindungselement jeweils ein solches HTS-Material aufweisen. Besonders vorteilhaft weisen alle vorhandenen Polelemente und Verbindungselemente ein HTS- Material auf. Hochtemperatursupraleiter sind supraleitende Materialien mit einer Sprungtemperatur oberhalb von 25 K und bei einigen Materialklassen, beispielsweise den Kuprat-Supra leitern, oberhalb von 77 K, bei denen die Betriebstemperatur durch Kühlung mit anderen kryogenen Materialien als flüssigem Helium erreicht werden kann. HTS-Materialien sind auch des halb besonders attraktiv, da diese Materialien abhängig von der Wahl der Betriebstemperatur hohe obere kritische Magnet felder sowie hohe kritische Stromdichten aufweisen können.

Der Hochtemperatursupraleiter kann beispielsweise Magnesium- diborid oder einen oxidkeramischen Supraleiter, beispielswei se eine Verbindung des Typs REBa2Cu30 _{x (} kurz REBCO) umfassen, wobei RE für ein Element der seltenen Erden oder eine Mi schung solcher Elemente steht.

Allgemein und unabhängig von der Materialwahl können im Rotor mehrere supraleitende Permanentmagnete vorliegen, welche ent weder jeweils einzeln oder gruppenweise die magnetischen Pole des Rotors ausbilden können. Für die einzelnen Permanentmag nete sind dabei grundsätzlich beliebige Formen möglich. Ins besondere können die Permanentmagnete jeweils quaderförmig ausgestaltet sein, was eine vergleichsweise einfache Herstel lung ermöglicht.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsvariante können die m Mag netelemente jeweils wenigstens einen Stapel aus mehreren sup raleitenden Bandleitern aufweisen. Ein solcher supraleitender Bandleiter weist typischerweise eine dünne supraleitende Schicht auf einem bandförmigen Trägersubstrat auf. Dabei kön nen zusätzlich optional weitere Schichten zwischen, unter und/oder über den genannten Schichten vorliegen. Beispiels weise können dann mehrere solche supraleitende Bandleiter in radialer Richtung r bezüglich der Rotorachse übereinander ge stapelt sein. Die Hauptrichtung der Stapelung kann aber grundsätzlich auch anders orientiert sein. Zusätzlich können auch in Umfangsrichtung und/oder in axialer Richtung mehrere einzelne Bandleiter im Stapel nebeneinander vorliegen. Die Bandleiter des gesamten Stapels können optional auch zwischen den einzelnen Stapelschichten versetzt zueinander angeordnet sein, wobei sich beispielsweise auch die Orientierung der einzelnen Bänder (also die Lage ihrer Längsrichtung) von Sta pelebene zu Stapelebene ändern kann. In jedem Fall ist durch die Bildung von Bandleiterstapeln eine einfache Formgebung des supraleitenden magnetischen Elements und insbesondere die Ausbildung einer gewünschten Größe auf einfache Weise mög lich. Besonders einfach können quaderförmige magnetische Ele mente auf diese Weise hergestellt werden. Die als Stapel aus Bandleitern gebildeten supraleitenden magnetischen Elemente können allgemein vorteilhaft als vorgefertigte Bauteile her gestellt werden und dann als Ganzes in eine entsprechende Aussparung des Rotorträgers eingelegt werden.

Besonders vorteilhaft kann jedes Magnetelement entweder einen oder mehrere solche Bandleiterstapel aufweisen. Beispielswei se kann ein Magnetelement durch einen einzelnen durchgehenden Bandleiterstapel gebildet sein. Ein solcher durchgehender Bandleiterstapel kann in einzelne Abschnitte eingeteilt wer den, welche jeweils den Polelementen und den dazwischen ange ordneten Verbindungselement entsprechen. Der Übergang zwi schen diesen Abschnitten kann allmählich sein und/oder muss nicht äußerlich erkennbar sein. Die Polelemente sind dann einfach durch die radial weiter außen liegenden Bereiche eines solchen durchgehenden Stapels gebildet. Alternativ kann ein solches Magnetelement aber auch mehrere Teilstapel umfas sen, welche nachträglich zu den übergeordneten Magnetelemen ten zusammengesetzt sind. Dabei können die Polelemente und das Verbindungselement jeweils entweder einen oder mehrere solcher Teilstapel umfassen. Zusätzlich zu dem Bandleitersta- pel beziehungsweise der Mehrzahl an Teilstapeln kann das Mag netelement aber auch optional noch weitere Elemente aufwei sen, wie beispielsweise weiter unten im Zusammenhang mit zu sätzlichen ferromagnetischen Flussführungselementen beschrie ben ist.

Alternativ oder insbesondere auch zusätzlich zu dem wenigs tens einen Bandleiterstapel kann das Magnetelement aber auch ein oder mehrere supraleitende Bulk-Elemente aufweisen. Unter einem solchen Bulk-Element soll dabei ein einstückiges Ele ment aus supraleitendem Material verstanden werden. Solche Bulk-Elemente können prinzipiell in beliebigen Geometrien hergestellt werden. Insbesondere können relativ leicht qua derförmige, aber auch keilförmige permanentmagnetische Ele mente zur Verfügung gestellt werden. Vorteilhafte Materialien für solche Bulk-Elemente sind wiederum beispielsweise Magne- siumdiborid und REBCO.

Bei den Ausführungsformen mit wenigstens einem Bandleitersta pel ist es besonders bevorzugt, wenn jeder der Bandleiter eine flächige Supraleiterschicht aufweist, wobei die Dicke der Supraleiterschicht wenigstens 1 % und insbesondere we nigstens 2 % der Dicke des jeweiligen Bandleiters beträgt.

Der Vorteil einer solchen vergleichsweise dicken Supraleiter schicht ist, dass dann auch der Volumenanteil des Supra leitermaterials am jeweiligen magnetischen Element ver gleichsweise hoch ist. Insbesondere kann dann auch der Anteil des Supraleitermaterials im gesamten Stapel beispielsweise bei wenigstens 1 % und insbesondere bei wenigstens 2 % lie gen. Ein derart hoher Volumenanteil an Supraleitermaterial ist vorteilhaft für das Erreichen einer hohen magnetischen Flussdichte und damit auch für eine hohe Leistung der

elektrischen Maschine.

Allgemein bevorzugt kann die permanentmagnetische supralei tende Magneteinrichtung zur Erzeugung eines Magnetfelds mit einer magnetischen Flussdichte von wenigstens 2 Tesla ausge legt sein. Beispielsweise kann es sich bei der genannten Flussdichte um eine Flussdichte innerhalb des Rotors handeln. Besonders vorteilhaft liegt aber auch die magnetische Fluss dichte im Luftspalt der elektrischen Maschine in diesem ver gleichsweise hohen Bereich. Ein Vorteil dieser Ausführungs form ist, dass die magnetische Flussdichte insbesondere höher sein kann als dies mit konventionellen Permanentmagneten er reichbar wäre. Bei derart hohen magnetischen Flussdichten kommen die durch die Erfindung bewirkten Vorteile bei der magnetischen Flussführung besonders wirksam zum Tragen. Bei einer derart hohen magnetischen Flussdichte ist es nicht mehr zweckmäßig, die magnetische Flussführung zwischen den einzel nen Polen hauptsächlich mit ferromagnetischen Flussführungs elementen zu bewirken. Dies würde zu einem vergleichsweise hohen magnetischen Widerstand führen, da die Sättigungsmagne tisierung dieser Materialien überschritten wird. Daher ist es im Zusammenhang mit solch hohen magnetischen Flussdichten be sonders vorteilhaft, die magnetische Flussführung zwischen den einzelnen Polelementen gemäß der Erfindung durch ein sup raleitendes magnetisches Verbindungselement zu bewirken. Das Vorliegen von einzelnen ferromagnetischen Teilstücken inner halb des übergeordneten Magnetelements soll dabei allerdings nicht grundsätzlich ausgeschlossen sein: Solche ferromagneti schen Teilstücke können optional zusätzlich zum Supraleiter material innerhalb des Magnetelements (und insbesondere in nerhalb des Verbindungselements) vorliegen. Sie sollen aber nicht den wesentlichen Teil eines solchen Verbindungselements ausmachen, sondern höchstens einen untergeordneten Volumenan teil bilden. Mit anderen Worten sollen sie weniger als die Hälfte des Gesamtvolumens ausfüllen.

Gemäß einer ersten vorteilhaften Ausführungsvariante kann we nigstens eines der m Magnetelemente als ein gerade geformtes Element ausgebildet sein. Insbesondere kann es sich um ein gerades und allgemein länglich geformtes Magnetelement han deln. Mit anderen Worten verbindet dann das Verbindungsele ment die beiden Polelemente des Magnetelements in gerader Li nie. Diese Ausführungsvariante ist besonders vorteilhaft, wenn der Rotor nur ein solches Magnetelement aufweist (m = 1) . Bei einer zweipoligen Magneteinrichtung erstreckt sich dann also das eine Magnetelement geradlinig von Pol zu Pol. Das Verbindungselement eines solchen geraden Magnetele ments kann sich dann besonders bevorzugt zentral und symmet risch durch die Rotorachse A hindurch erstrecken. Wenn ein solches Magnetelement durch einen supraleitenden Bandleiter stapel gebildet ist, kann dieser insbesondere als ein homoge nes längliches Element ausgebildet sein, welches nur grob in die außenliegenden Bereiche der beiden Polelemente und den innenliegenden Bereich des Verbindungselements unterteilt ist. Die Bandleiterebene der einzelnen gestapelten Bandleiter kann dann insbesondere senkrecht zur Längsrichtung dieses länglichen Magnetelements liegen.

Gemäß einer alternativen vorteilhaften Ausführungsvariante können die m Magnetelemente jeweils eine gebogene Form auf weisen. Diese Ausführungsvariante ist besonders vorteilhaft, wenn der Rotor mehr als ein solches Magnetelement aufweist (m > 2) . Insbesondere kann bei dieser Ausführungsvariante das Verbindungselement jeweils gekrümmt sein. Die paarweise zu sammengehörenden Polelemente werden also jeweils durch eine gebogene Struktur miteinander verbunden. Diese Ausführungsva riante hat den Vorteil, dass bei einer höherpoligen Mag neteinrichtung (insbesondere p > 4) jeweils zwei benachbarte Pole paarweise miteinander verbunden werden können und dass gleichzeitig das Zentrum des Rotors - also der Bereich um die zentrale Rotorachse A - frei von den Magnetelementen bleibt. Auf diese Weise können mehrere separate Magnetelemente gebil det werden, welche sich räumlich nicht überlappen. Außerdem kann der Bereich um die zentrale Rotorachse A vorteilhaft für die Anordnung eines Kühlmittelkanals zur Einspeisung eines kryogenen Kühlmittels genutzt werden. Die Ausführungsformen mit einem gekrümmten Verbindungselement sind besonders gut durch einen gebogenen Bandleiterstapel im Verbindungselement realisierbar. Alternativ kann ein solches Verbindungselement aber auch ein oder mehrere gerade Bandleiterstapel (oder an dere quaderförmige Supraleiterelemente) umfassen, welche je weils durch keilförmige Verbindungsstücke mit benachbarten quaderförmigen Elementen verbunden sind. Bei solchen keilför migen Verbindungsstücken kann es sich beispielsweise um keil förmige ferromagnetische Flussführungselementen oder aber auch um keilförmige supraleitende Bulk-Elemente handeln.

Allgemein und unabhängig von der genauen Zusammensetzung und geometrischen Formgebung können die m Magnetelemente jeweils beabstandet von der zentralen Rotorachse A angeordnet sein.

Der Rotor kann allgemein vorteilhaft einen innenliegenden Kühlmittelkanal aufweisen, welcher insbesondere innerhalb des Rotorträgers eingebettet sein kann. Ein solcher Kühlmittelka nal kann zum Transport eines kryogenen fluiden Kühlmittels genutzt werden, durch welches die supraleitenden magnetischen Elemente (also die Magnetelemente inklusive ihrer jeweiligen Polelemente und Verbindungselemente) auf eine kryogene Be triebstemperatur unterhalb der Sprungtemperatur des Supralei ters gekühlt werden können. Zweckmäßig kann der Rotorträger zusammen mit diesen supraleitenden Elementen auf die kryogene Temperatur gekühlt werden. Bei den Ausführungsformen, bei de nen die Magnetelemente von der zentralen Rotorachse A beab standet angeordnet sind, kann ein solcher Kühlmittelkanal insbesondere im Bereich der zentralen Achse A verlaufen.

Allgemein vorteilhaft kann in jeden der n Magnetelemente das supraleitende magnetische Verbindungselement zu wenigstens 50% Volumenprozent aus supraleitenden Teilelementen bestehen. In diesem Zusammenhang soll unter einem „supraleitenden Teil element" insbesondere ein supraleitender Bandleiter-Stapel oder ein supraleitendes Bulk-Element verstanden werden. Ein solches supraleitendes Teilelement muss also jeweils nicht zu 100 % aus supraleitendem Material bestehen. So weist insbe sondere ein Bandleiterstapel typischerweise einen deutlich geringeren Volumenanteil an Supraleitermaterial auf. Wesent lich ist aber, dass in jedem supraleitenden Teilelement zu mindest keine größeren Lücken zwischen den einzelnen supra leitenden Schichten vorliegen. Wenn also ein supraleitendes Teilelement eine Vielzahl von supraleitenden Schichten um- fasst (wie dies bei einem Bandleiterstapel der Fall ist) dann soll eine nicht-supraleitende Lücke - also der Abstand zweier supraleitender Schichten - nirgends größer als 1 mm sein. In einem solchen Fall soll insgesamt von einem supraleitenden Teilelement gesprochen werden, selbst dann, wenn der Volumen anteil an Supraleitermaterial wesentlich geringer als 100 % ist .

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsvariante kann das supra leitende magnetische Verbindungselement in einem oder mehre ren der m Magnetelemente jeweils wenigstens ein supraleiten des Teilelement und zusätzlich ein oder mehrere ferromagneti sche Teilelemente aufweisen. Bei dieser Ausführungsform ist also das Verbindungselement nicht ausschließlich aus einem Supraleitermaterial oder aus einem Stapel von supraleitenden Bandleitern gebildet, sondern es umfasst ein oder zusätzliche ferromagnetische Teilelemente zur magnetischen Flussführung. Diese Ausführungsvariante kann vor allem dann vorteilhaft sein, wenn das wenigstens eine Verbindungselement gebogen ausgeführt ist und die gewünschte Biegung nur vergleichsweise schwierig durch ein supraleitendes Teilelement realisiert werden kann. Beispielsweise können dann ein oder mehrere keilförmige ferromagnetische Teilelemente zwischen einzelnen quaderförmigen supraleitenden Teilelementen eingesetzt wer den, um insgesamt eine gebogene Struktur zu erzeugen. Ein solches ferromagnetisches Teilelement kann als Material bei spielsweise Eisen, Weicheisen, Ferrit, St37, Transformator blech, Dynamoblech, Kobalt-Eisen, Silizium-Eisen, Nickel- Eisen und/oder X8Ni9 umfassen. Bevorzugt weist das verwendete ferromagnetische Material eine Sättigungsmagnetisierung ober halb von 1 Tesla, besonders bevorzugt oberhalb von 1,5 Tesla auf. Es sind eine Reihe von hochsättigenden ferromagnetischen Materialien bekannt, mit denen Sättigungsmagnetisierungen von beispielsweise bis zu 2,5 Tesla erreicht werden können.

Auch bei den genannten vergleichsweise hohen Bereichen für die Sättigungsmagnetisierung liegt die durch die supraleiten den Magnetelemente erzeugbare Flussdichte typischerweise oberhalb der Sättigungsmagnetisierung dieser ferromagneti schen Materialien. Aus diesem Grund ist es vorteilhaft, wenn derartige ferromagnetische Teilelemente in ihrer Dicke bezie hungsweise ihrem Volumenanteil des Verbindungselements be grenzt sind. Vorteilhaft kann insbesondere der Volumenanteil derartiger ferromagnetischer Teilelemente in einem gegebenen Verbindungselement bei höchstens 50%. Alternativ oder zusätz lich kann die Dicke dieser ferromagnetischen Teilelemente (also die Ausdehnung entlang einer lokalen Längsrichtung des Verbindungselements) auf höchstens 5 cm begrenzt sein. Auf diese Weise wird nur ein geringer magnetischer Widerstand in das Verbindungselement eingebracht und es liegt insgesamt trotzdem eine verbesserte Flussführung bei gleichzeitig er leichterter geometrischer Formgebung vor.

Alternativ zur vorab beschriebenen Ausführungsform können die vorhandenen supraleitenden magnetischen Verbindungselemente aber auch jeweils durchgängig aus einem oder mehreren supra leitenden Teilelementen gebildet sein. Unter einer solchen „durchgängigen" Ausführungsform soll hier insbesondere ver standen werden, dass eventuell vorliegende Lücken oder Ab stände zwischen einzelnen supraleitenden Teilschichten wiede rum auf höchstens 2 mm begrenzt sein sollen. Bei einer derart dimensionierten „erlaubten Lücke" kann vorteilhaft innerhalb eines Bandleiterstapels eine Biegung erzeugt werden, wobei der Abstand der einzelnen Supraleiterschichten auch im Bie gungsbereich gering genug gehalten wird, damit der Band leiterstapel trotzdem als übergeordnetes supraleitendes mag netisches Element wirkt.

So kann insbesondere in einem oder mehreren der m Magnetele mente das supraleitende magnetische Verbindungselement eine gebogene Form aufweisen, wobei die Krümmung durch einen Band leiterstapel mit einer aufgefächerten Anordnung der einzelnen Bandleiter erreicht wird. Mit anderen Worten werden hier zwi schen einzelnen benachbarten Bandleitern keilförmige Lücken gebildet, welche aber wie oben angegeben in ihrer Ausdehnung begrenzt sein sollen. Ein wesentlicher Vorteil dieser Ausfüh- rungsform ist, dass zusätzliche flussführende Materialien (welche insbesondere früh in magnetische Sättigung gehen) vermieden werden können. Hierdurch kann insgesamt eine sehr gute magnetische Flussführung bei hohen magnetischen Fluss dichten erreicht werden.

Allgemein vorteilhaft kann der Rotor im Bereich der einzelnen Polelemente jeweils eine Polkappe aufweisen. Eine solche Pol kappe kann insbesondere eine Querschnittsform mit einer abge rundeten radial außenliegenden Oberfläche und einem beidsei tigen Überstand (über die seitliche Abmessung des Polelements hinaus) in Umfangsrichtung aufweisen. Diese Polelemente kön nen insbesondere aus einem ferromagnetischen flussführenden Material ausgebildet sein, wobei dieselben vorteilhaften Ma terialien zum Einsatz kommen können, welche weiter oben be schrieben worden sind. Alternativ können derart geformte Pol kappen aber prinzipiell auch durch ein zusätzliches supralei tendes Element (beispielsweise einen zusätzlichen Bandleiter stapel oder ein zusätzliches supraleitendes Bulk-Element) ge bildet sein.

Die Maschine beziehungsweise der Rotor ist bevorzugt für eine Nennleistung von wenigstens 0,5 MW, insbesondere wenigstens 10 MW, ausgelegt. Mit einer derart hohen Leistung ist sie grundsätzlich für den Antrieb eines Fahrzeugs, insbesondere eines Luftfahrzeugs geeignet. Alternativ kann mit einer der art leistungsstarken Maschine aber auch beim Betrieb als Ge nerator der für den Antrieb benötigte elektrische Strom an Bord des Fahrzeugs erzeugt werden. Grundsätzlich kann die Ma schine entweder als Motor oder als Generator ausgestaltet sein oder optional für beide Betriebsarten ausgelegt sein. Es kann sich beispielsweise um eine permanenterregte Synchronma schine handeln. Allgemein vorteilhaft kann es sich insbeson dere um eine Radialflussmaschine handeln.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand einiger bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die angehängten Zeichnungen beschrieben, in denen: Figur 1 eine schematische Querschnittsdarstellung einer kon ventionellen elektrischen Maschine mit Permanentmag neten im Rotor zeigt,

Figur 2 eine elektrische Maschine nach einem ersten Ausfüh rungsbeispiel der Erfindung zeigt und

Figuren 3 bis 6 weitere Ausführungsbeispiele der Erfindung ebenfalls im schematischen Querschnitt zeigen.

In den Figuren sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.

In Figur 1 ist eine elektrische Maschine 1 im schematischen Querschnitt, also senkrecht zur zentralen Achse A gezeigt. Es handelt sich um eine konventionelle Maschine nach dem Stand der Technik. Die Maschine umfasst einen außenliegenden fest stehend angeordneten Stator 3 und einen innenliegenden um die zentrale Achse A drehbar gelagerten Rotor 5. Die elektromag netische Wechselwirkung zwischen Rotor 5 und Stator 3 findet dabei über den dazwischenliegenden Luftspalt 15 hinweg statt. Es handelt sich um eine permanenterregte Maschine, welche zur Ausbildung eines Erregerfeldes im Bereich des Rotors eine Mehrzahl von konventionellen Permanentmagneten 8 aufweist, die mechanisch von einem Rotorträger 7 getragen werden. Bei der Maschine der Figur 1 sind beispielhaft zwei solche Perma nentmagnete 8 gezeigt, wobei im linken Teil der Zeichnung der magnetische Nordpol N nach radial außen orientiert ist und im rechten Teil der Zeichnung der magnetische Südpol S nach ra dial außen orientiert ist. Der Rotor 5 dieser elektrischen Maschine ist hier also zur Ausbildung eines zweipoligen Erre gerfeldes ausgestaltet (p=2). Die einzelnen Permanentmagnete 8 können entsprechend auch als Polelemente bezeichnet werden. Sie sind in einem radial außenliegenden Bereich des Rotors 5 angeordnet. Radial angrenzend an diese Polelemente sind zur Verbesserung der magnetischen Flussführung in Richtung des Luftspalts 15 noch zwei Polkappen 12 aus ferromagnetischem Material angeordnet. In Figur 2 ist eine elektrische Maschine 1 nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt, auch hier im sche matischen Querschnitt senkrecht zur zentralen Achse A. Diese Maschine 1 ist prinzipiell ähnlich aufgebaut wie die Maschine der Figur 1. Im Unterschied zu dieser sind hier jedoch die konventionellen Permanentmagnete durch eine permanentmagneti sche supraleitende Magneteinrichtung ersetzt. Um das dabei eingesetzte supraleitende Material auf eine kryogene Be triebstemperatur unterhalb der Sprungtemperatur des Supra leiters zu kühlen, ist der Rotor hier nach radial außen von einer Kryostatwand 11 begrenzt. Diese Kryostatwand 11 umgibt einen ringförmigen Vakuumraum, der die innenliegenden Berei che des Rotors thermisch nach außen hin isoliert. Im Beispiel der Figur 2 besteht die supraleitende Magneteinrichtung aus einem übergeordneten supraleitenden Magnetelement 9 (m = 1) . Dieses supraleitende Magnetelement weist wiederum zwei supra leitende magnetische Polelemente 21 auf, welche in ihrer Po sition und magnetischen Polarität den konventionellen Perma nentmagneten 8 der Figur 1 entsprechen. Diese beiden Polele mente 21 sind innerhalb des übergeordneten supraleitenden Magnetelements 9 durch ein ebenfalls supraleitendes magneti sches Verbindungselement 22 miteinander verbunden. Beim Bei spiel der Figur 2 ist das ganze übergeordnete Magnetelementen 9 durch einen radial durchgehenden supraleitenden Bandleiter stapel aus einzelnen supraleitenden Bandleitern 10 reali siert. Die Hauptebene der einzelnen Bandleiter 10 in dem Sta pel liegt dabei vorteilhaft senkrecht zur lokalen radialen Richtung r, in welcher die beiden magnetischen Pole miteinan der verbunden sind. Die oben beschriebene Einteilung in zwei radial außenliegende Polelemente 21 und einen radial weiter innenliegendes Verbindungselement 22 ist dabei nicht als scharfe physikalische Abgrenzung, sondern nur als grobe Un terteilung in drei Bereiche zu verstehen. Dabei entsprechen die Polelemente 21 in ihrer Funktion den radial außenliegen den Permanentmagneten 8 der herkömmlichen elektrischen Ma schine der Figur 1. Auch durch das Magnetelement 9 der Figur 2 wird also ein zweipoliges magnetisches Erregerfeld mit einem magnetischen Nordpol N (hier links) und einem magneti schen Südpol S (hier rechts) erzeugt.

Die Ausgestaltung des Magnetelements 9 als supraleitender Permanentmagnet bewirkt den Vorteil, dass hiermit im Ver gleich zu konventionellen Permanentmagneten sehr hohe magne tische Flussdichten erzeugt werden können. Hierdurch kann für die Maschine 1 eine sehr hohe Leistung und auch eine sehr ho he Leistungsdichte erreicht werden. Im Vergleich zu einer elektrischen Maschine, bei der nur die außenliegenden Perma nentmagneten 8 der Figur 1 durch supraleitende Permanentmag nete ersetzt wären, ist durch das erfindungsgemäß ausgestal tete supraleitend ausgeführte Verbindungselement 22 die mag netische Flussführung im Inneren des Rotors 5 entscheidend verbessert. Im Beispiel der Figur 1 ist das Verbindungsele ment 22 als durchgängiger supraleitender Bandleiterstapel zwischen den Bereichen der beiden Polelemente 21 ausgestal tet. Auch der Zwischenbereich ist also ein supraleitender Permanentmagnet. Hierdurch wird eine sehr gute magnetische Flussführung zwischen den beiden magnetischen Polen N und S erreicht, denn durch die supraleitenden Eigenschaften tritt hier keine magnetische Sättigung, sondern eine zusätzliche Verstärkung des magnetischen Flusses auf. Durch die darge stellte Ausführung des gesamten Magnetelements 9 und insbe sondere des Verbindungselements 22 als gerade geformtes Ele ment wird eine optimierte symmetrische und konzentrierte Flussführung zwischen den beiden Polen ermöglicht.

In der Querschnittsdarstellung Figur 2 ist nur ein supralei tendes Magnetelement 9 zur Ausbildung des starken zweipoligen Magnetfeldes gezeigt. Es ist aber prinzipiell möglich und un ter Umständen auch vorteilhaft, wenn in der hier nicht darge stellten axialen Richtung des Rotors noch weitere derartige Magnetelemente 9 hintereinander angeordnet sind (oder wenn ein solches Magnetelement aus mehreren ähnlichen axial be nachbarten Teilelementen zusammengesetzt ist) . Figur 3 zeigt eine ähnliche Querschnittsdarstellung einer elektrischen Maschine 1 nach einem weiteren Ausführungsbei spiel der Erfindung. Auch in diesem Beispiel weist der Rotor 5 eine permanentmagnetische supraleitende Magneteinrichtung auf, die vom Rotorträger 7 getragen wird. In diesem Beispiel ist die Magneteinrichtung zur Ausbildung eines 4-poligen Er regerfeldes ausgestaltet (p = 4) . Hierzu weist sie an der ge zeigten Querschnittsposition zwei separate supraleitende Mag netelemente 9 auf, wobei jedes dieser Magnetelemente 9 zwei supraleitende Polelemente 21 umfasst. Auch hier sind die mag netischen Pole gleichmäßig über den Umfang des Rotors ver teilt. Radial außerhalb von den Polelementen 21 sind jeweils magnetisch flussführende Polkappen 12 angeordnet. Dabei sind jeweils das Polelement 21 von einem außenliegenden Südpol S und das Polelement 21 von einem außenliegenden Nordpol N paarweise durch ein supraleitendes magnetisches Verbindungs element 22 verbunden. In diesem Beispiel sind die Verbin dungselemente 22 gebogen ausgeführt, um die hier um 90° ver setzten magnetischen Pole so verbinden zu können, dass die Anordnung des jeweiligen Verbindungselements einer geeigneten Verbindungsstrecke für die magnetischen Flusslinien zwischen den beiden Polen entspricht. Ein weiterer Unterschied zum Beispiel der Figur 2 ist, dass hier das Verbindungselement 22 nicht als vollständig durchgehender supraleitender Band leiterstapel ausgebildet ist. In seinem zentralen Bereich weist es zwar ein supraleitendes Teilelement 23 auf, welches als quaderförmige supraleitender Bandleiterstapel ausgebildet ist. Auch hier ist die Hauptebene der einzelnen Bandleiter des Stapels im Wesentlichen senkrecht zur Hauptrichtung der magnetischen Flussführung angeordnet. Dies gilt ebenso für die Stapelungsrichtung der Bandleiter in den axial außenlie genden magnetischen Polelementen 21. Die Bereiche zwischen den einzelnen quaderförmigen Bandleiterstapeln 21 und 23 sind hier aber durch kleinere nicht-supraleitende Teilstücke, näm lich durch keilförmige ferromagnetische Teilstücke 25 ausge füllt. Im Unterschied zu den beschriebenen supraleitenden Elementen 21 und 23 sind diese also selbst nicht permanent magnetisch. Durch ihre ferromagnetischen Eigenschaften unter- stützen sie jedoch die magnetische Flussführung innerhalb des Verbindungselements 22. Mit ferromagnetischen Materialien lässt sich vergleichsweise leicht ein solches keilförmig aus gestaltetes Element hersteilen. Dies ermöglicht es auf einfa che Weise, die gewünschte Biegung innerhalb des Verbindungs elements 23 zu erzeugen. Es wird zwar hier ein zusätzlicher magnetischer Widerstand in das übergeordnete Magnetelementen 9 eingefügt. Durch die Wahl einer vergleichsweise geringen maximalen Dicke d25 des ferromagnetischen Teilelements 25 wird dieser zusätzliche magnetische Widerstand jedoch ver gleichsweise gering gehalten. Die Dicke d25 kann beispiels weise bei 5 cm oder weniger liegen.

Ein weiterer Vorteil der gebogenen Ausgestaltung der supra leitenden Magnetelemente 9 beim Beispiel der Figur 3 liegt darin, dass die unmittelbare Umgebung der zentralen Rotorach se A frei von diesen Magnetelementen gehalten werden kann. So steht dieser Bereich vorteilhaft für die Einspeisung eines kryogenen Kühlmittels zur Verfügung, mit dem Rotorträger 7 und Magnetelemente 9 zusammen auf eine kryogene Betriebstem peratur gekühlt werden können. Entsprechend ist in Figur 4 eine ähnliche Ausführungsform gezeigt, bei welcher im Bereich der zentralen Rotorachse A ein innenliegender axialer Kühl mittelkanal 41 angeordnet ist. Im Übrigen kann der Rotor 5 beim Beispiel der Figur 4 ähnlich ausgeführt sein wie beim Beispiel der Figur 3. Auch hier können also die einzelnen supraleitenden Teilelemente 21 und 23 prinzipiell durch Band leiterstapel realisiert sein, wie im rechten oberen Teil der Figur 4 angedeutet. Beispielhaft ist im linken unteren Teil der Figur 4 aber auch noch eine andere Ausführungsvariante skizziert: Die supraleitenden Teilelemente 21 und 23 des hier angeordneten Magnetelements 9 sind beispielhaft nicht als Bandleiterstapel, sondern als supraleitende Bulk-Elemente re alisiert. Die unterschiedlich dargestellte Ausgestaltung dient aber nur zur Visualisierung der einzelnen Varianten - insbesondere sollen in einem realen Rotor 5 die einzelnen Magnetelemente 9 vorteilhaft untereinander gleich ausgestal- tet sein, also jeweils entweder mit Bandleiterstapeln oder mit Bulk-Elementen .

Figur 5 zeigt eine ähnliche Querschnittsdarstellung einer elektrischen Maschine 1 nach einem weiteren Ausführungsbei spiel der Erfindung. Ähnlich wie beim Beispiel der Figur 3 ist hier der Rotor 5 zur Ausbildung eines 4-poligen magneti schen Erregerfeldes ausgestaltet. Auch hier liegen zwei sepa rate supraleitende Magnetelemente 9 vor, welche jeweils zwei radial außenliegende Polelemente 21 umfassen. Im Unterschied zum Beispiel der Figur 3 ist hier die Biegung nicht durch keilförmige ferromagnetische Teilelemente, sondern durch auf gefächerte Abschnitte 27 des Bandleiterstapels realisiert.

Mit anderen Worten sind die einzelnen Magnetelemente 9 hier als von Pol zu Pol durchgehende Bandleiterstapel realisiert, welche jeweils zwei aufgefächerte Bereiche 27 zur Umsetzung der Biegung aufweisen. Ein besonderer Vorteil dieser Ausfüh rungsform liegt darin, dass durch die Ausgestaltung des Ver bindungselements 23 als durchgängiger supraleitender Band leiterstapel ein zusätzlicher magnetischer Widerstand vor teilhaft vermieden wird. Im kurvenäußeren Bereich der aufge fächerten Abschnitte 27 liegt zwar eine kleine zusätzliche Lücke zwischen den einzelnen Bandleitern 10 vor. Diese Lücke ist jedoch so klein gewählt, dass der Abstand d27 zweier be nachbarter supraleitender Schichten maximal 1 mm beträgt. Durch diese Begrenzung der maximalen Lücke zwischen den sup raleitenden Anteilen des Bandleiterstapels wird ein besonders hoher magnetischer Fluss innerhalb des Verbindungselements 22 erreicht .

Figur 6 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung, bei der ähnlich wie in Figur 4 der freiliegende Bereich der zent ralen Rotorachse A zur Anordnung eines axialen Kühlmittelka nals 41 genutzt ist. Analog zur Figur 4 ist auch hier für das links unten dargestellte supraleitende Magnetelement 9 bei spielhaft eine Realisierung mit supraleitenden Bulk-Elementen dargestellt . Es könnten natürlich auch die in Figur 6 dargestellten aufge fächerten supraleitenden Bandleiter in den Kurvenbereichen durch supraleitende Bulk-Elemente ersetzt werden.

Bezugs zeichenliste

I elektrische Maschine

3 Stator

5 Rotor

7 Rotorträger

8 konventioneller Permanentmagnet

9 supraleitendes Magnetelement

10 Bandleiter

II Kryostatwand

12 Polkappe

15 Luftspalt

21 Polelement

22 Verbindungselement

23 supraleitendes Teilelement

25 ferromagnetisches Teilelement

27 aufgefächerter Bandleiterstapel

41 Kühlmittelkanal

A zentrale Rotorachse

d25 maximale Dicke des ferromagnetischen Teilelements d27 maximaler Abstand der supraleitenden Schichten r radiale Richtung

N magnetischer Nordpol

S magnetischer Südpol

V Vakuumraum