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Title:
SUPERCONDUCTIVE ELECTRIC COIL DEVICE AND ROTOR COMPRISING A COIL DEVICE
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2019/206801
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to an electric coil device (1) comprising - a winding support which is made of an elongated hollow tube (3) that has the shape of a ring such that a higher-order loop of the winding device (1) is formed entirely by the annular shape of the winding support, - and a winding which is made of a superconductive conductor (5) and is attached to the winding support, wherein - the superconductive conductor (5) is wound in a helical manner about the hollow tube (3) in a plurality of individual windings (w) such that at least one higher-order winding of the entire helix is produced by the annular shape of the winding support, and - the interior of the hollow tube (3) is designed as a coolant channel (7) for circulating a fluid coolant. Furthermore, a rotor (41) is provided for an electric machine, comprising at least one such coil device (1).

Inventors:
ARNDT, Tabea (Ina-Seidel-Str. 4, Erlangen, 91056, DE)
Application Number:
EP2019/060082
Publication Date:
October 31, 2019
Filing Date:
April 18, 2019
Export Citation:
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Assignee:
SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT (Werner-von-Siemens-Straße 1, München, 80333, DE)
International Classes:
H02K55/04; H02K3/24
Foreign References:
JPH08130134A1996-05-21
EP3292554A12018-03-14
DE102014114451A12016-04-07
DE102011056008A12013-06-06
FR1270987A1961-09-01
US9431864B22016-08-30
US8664809B22014-03-04
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Claims:
Patentansprüche

1. Elektrische Spuleneinrichtung (1) umfassend

einen Wicklungsträger, der aus einem länglichen Hohlrohr (3) gebildet ist, welches nach Art eines Rings geformt ist, so dass insgesamt durch die Ringform des Wicklungsträgers eine übergeordnete Schlaufe der Spuleneinrichtung (1) ge bildet wird,

und eine auf dem Wicklungsträger angebrachte Wicklung aus einem supraleitenden Leiter (5) ,

wobei der supraleitende Leiter (5) in einer Vielzahl von Einzelwindungen (w) helixartig um das Hohlrohr (3) gewi ckelt ist, so dass sich durch die Ringform des Wicklungs trägers wenigstens eine übergeordnete Windung der gesamten Helix ergibt,

und wobei das Innere des Hohlrohrs (3) als Kühlmittelkanal (7) zur Zirkulation eines fluiden Kühlmittels ausgebildet ist .

2. Spuleneinrichtung (1) nach Anspruch 1, welche eine Spu lenachse (A) aufweist und welche zwei axiale Spulenschenkel (21) aufweist, die sich parallel zu der Spulenachse (A) er strecken .

3. Spuleneinrichtung (1) nach Anspruch 2, bei welchem inner halb der axialen Spulenschenkel (21) der supraleitende Leiter (5) einen lokalen Winkel a von höchstens 79 Grad mit der Spulenachse (A) ausbildet.

4. Spuleneinrichtung (1) nach Anspruch 2 oder 3, welche zu sätzlich zu den beiden axialen Leiterschenkeln (21) zwei axi al endständige Verbindungsschenkel (23) aufweist, welche je weils als gerade Schenkel ausgebildet sind.

5. Spuleneinrichtung (1) nach Anspruch 2 oder 3, welche zu sätzlich zu den beiden axialen Leiterschenkeln (21) zwei axi- al endständige Verbindungsschenkel (23) aufweist, welche je weils als gebogene Schenkel ausgebildet sind.

6. Spuleneinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden An sprüche, bei welcher das Hohlrohr (3) eine runde Quer schnittsform aufweist.

7. Spuleneinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden An sprüche, bei welcher das Hohlrohr (3) einen Innendurchmesser von höchstens 50 mm aufweist.

8. Spuleneinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden An sprüche, bei welcher der supraleitende Leiter (5) wenigstens einen Bandleiter (11) umfasst.

9. Spuleneinrichtung nach Anspruch 8, bei welchem die Dicke das Bandleiters (11) höchstens 150 ym ist.

10. Spuleneinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden An sprüche, bei welcher das Hohlrohr (3) zumindest abschnitts weise einen Biegeradius unterhalb von 100 mm aufweist.

11. Spuleneinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden An sprüche, welche als Spuleneinrichtung für eine elektrische Maschine ausgebildet ist.

12. Rotor (41) für eine elektrische Maschine mit wenigstens einer Spuleneinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden An sprüche .

13. Rotor (41) nach Anspruch 12, welcher ein Kühlsystem zur Kühlung des supraleitenden Leiters (5) auf eine kryogene Be triebstemperatur aufweist,

wobei das Kühlsystem dazu ausgestaltet ist, ein fluides Kühl mittel im Kühlmittelkanal (7) der Spuleneinrichtung (1) zu zirkulieren .

14. Rotor (41) nach einem der Ansprüche 11 oder 12, welcher zusätzlich einen Rotorkern (31) aufweist, auf welchem die we nigstens eine Spuleneinrichtung (1) mechanisch gehalten wird, wobei der Rotorkern (31) dazu ausgebildet ist, beim Betrieb des Rotors (41) auf einer warmen Betriebstemperatur gehalten zu werden.

15. Rotor (41) nach einem der Ansprüche 12 bis 14, bei wel chem der Rotorkern (31) wenigstens eine Nut (43) aufweist, um die Spuleneinrichtung (1) aufzunehmen.

Description:
Beschreibung

Supraleitende elektrische Spuleneinrichtung sowie Rotor mit Spuleneinrichtung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Spulen einrichtung mit einem Wicklungsträger und einer auf dem Wick lungsträger angebrachten Wicklung aus einem supraleitenden Leiter sowie einem Kühlmittelkanal zur Zirkulation eines flu iden Kühlmittels. Weiterhin betrifft die Erfindung einen Ro tor für eine elektrische Maschine mit einer solchen Spulen einrichtung .

Aus dem Stand der Technik sind supraleitende elektrische Spu leneinrichtungen bekannt, welche als Erregerwicklungen in Ro toren von elektrischen Maschinen eingesetzt werden. Um die Spuleneinrichtung beim Betrieb einer solchen Maschine auf eine kryogene Betriebstemperatur unterhalb der Sprungtempera tur des verwendeten Supraleiters zu kühlen, weist ein solcher Rotor häufig auch ein Kühlsystem auf. Ein solches Kühlsystem kann beispielsweise einen oder mehrere Kühlmittelkanäle um fassen, in denen ein fluides (also ein flüssiges beziehungs weise gasförmiges) Kühlmittel zirkuliert. Wichtig ist in sol chen Fällen, dass eine gute thermische Anbindung der zu küh lenden Spuleneinrichtung an das fluide Kühlmittel vorliegt. Viele solche Rotoren weisen einen tragenden Rotorkern auf, auf dem eine oder mehrere supraleitende Spuleneinrichtungen gehalten werden. In vielen Fällen wird dieser Rotorkern eben falls auf die kryogene Betriebstemperatur gekühlt. Es handelt sich dann bei dem Rotor um einen im Wesentlichen vollständig gekühlten Rotor.

Alternativ ist es jedoch grundsätzlich auch möglich, dass der Rotorkern im Betrieb auf einem vergleichsweise warmen Tempe raturniveau liegt und nur die direkte Umgebung der supralei tenden Spuleneinrichtung lokal gekühlt wird. Eine solche Va riante ist beispielsweise in den US Patentschriften

US9431864B2 und US8664809B2 näher beschrieben. Gemäß diesen beiden Schriften können die supraleitenden Erregerspulen mit tels thermisch vergleichsweise schlecht leitender Halte schlaufen an einem vergleichsweise warmen weichmagnetischen Rotorkern befestigt sein. Auch hier sind im Bereich der sup raleitenden Spulen Kühlmittelkanäle angeordnet, in denen ein fluides Kühlmittel fließen und so die Spulen auf eine kalte Betriebstemperatur kühlen kann. Ein Vorteil eines solchen warmen Rotorkerns ist, dass für die Verluste in diesem Be reich des Rotors kein zusätzlicher Kühlaufwand für das kryo gene Kühlsystem anfällt. Allerdings muss eine gute thermische Isolation sowie eine zuverlässige Drehmomentübertragung für verschiedene Raumrichtungen zwischen dem warmen Rotorkern und den supraleitenden Spulen gewährleistet sein. Dies kann zu einem vergleichsweise hohen apparativen Aufwand bei der Hal terung der einzelnen Spulen führen, beispielsweise zu der Notwendigkeit, Halteschlaufen für verschiedene Richtungen vorzusehen .

Die wesentlichen Anforderungen, die an eine supraleitende Spuleneinrichtung eines solchen Rotors und insbesondere auch an die Anbindung der Spuleneinrichtung an die übrigen Rotor komponenten gestellt werden, liegen zum einen im Bereich der thermischen Isolation und der Kopplung der Spulen an ein Kühlsystem und zum anderen im Bereich der für den Betrieb des Rotors nötigen mechanischen Stabilität. Hierunter soll zum einen die mechanische Stabilität der Spulenaufhängung ver standen werden, die insbesondere bei hohen Drehzahlen

und/oder hohen Maschinenleistungen starken Zentrifugalkräften und auch starken elektromagnetischen Kräften ausgesetzt ist. Zum anderen soll unter der mechanischen Stabilität der supra leitenden Spuleneinrichtung auch verstanden werden, dass der supraleitende Leiter selbst sowohl bei der Herstellung der Spule als auch beim Betrieb keine mechanische Schädigung er fährt. Hierzu gehört auch, dass die tolerierbaren Biegeradien des supraleitenden Leiters nicht unterschritten werden. Viele bekannte supraleitende Leiter und insbesondere die supralei tenden Bandleiter sind empfindlich gegenüber zu starker loka ler Biegung, vor allem gegenüber einer Biegung innerhalb der Bandleiterebene. Solche Randbedingungen müssen bei der Ausle gung der Spulenwicklung ebenfalls berücksichtigt werden. An dererseits ist es aber bei vielen Anwendungen wünschenswert, eine möglichst kompakte Spulengeometrie und insbesondere mög lichst kompakte Wicklungsköpfe zu erreichen. Unter den Wick lungsköpfen sollen hier allgemein diejenigen Spulenbereiche verstanden werden, bei denen axiale Spulensegmente (die ent lang der Hauptachse der Maschine ausgerichtet sind) durch Verbindungssegmente miteinander elektrisch verbunden werden. Kompakte Wicklungsköpfe sind eine wesentliche Voraussetzung, um möglichst kleine und leichte Maschinen und insbesondere Maschinen mit einer hohen Leistungsdichte zur Verfügung stel len zu können. Vor allem bei Rennbahnspulen aus supraleiten den Bandleitern ist der Platzbedarf für die Wickelköpfe auf grund der geringen Biegbarkeit der Bandleiter oft vergleichs weise hoch.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine elektrische Spulen einrichtung anzugeben, welche die genannten Nachteile über windet. Insbesondere soll eine elektrische Spuleneinrichtung zur Verfügung gestellt werden, welche mechanisch stabil ist, bei welcher der Supraleiter zuverlässig auf eine kryogene Be triebstemperatur kühlbar ist und welche gleichzeitig einen geringen Platzbedarf im Bereich der Wickelköpfe aufweist.

Eine weitere Aufgabe ist es, einen Rotor für eine elektrische Maschine mit den entsprechenden Eigenschaften zur Verfügung zu stellen.

Diese Aufgaben werden durch die in Anspruch 1 beschriebene elektrische Spuleneinrichtung und den in Anspruch 12 be schriebenen Rotor gelöst.

Die erfindungsgemäße elektrische Spuleneinrichtung weist ei nen Wicklungsträger auf, der aus einem länglichen Hohlrohr gebildet ist. Dieses Hohlrohr ist nach Art eines Rings ge formt, sodass insgesamt durch die Ringform des Wicklungsträ- gers eine übergeordnete Schlaufe der Spuleneinrichtung gebil det wird. Weiterhin weist die Spuleneinrichtung eine auf dem Wicklungsträger angebrachte Wicklung aus einem supraleitenden Leiter auf. Der supraleitende Leiter ist in einer Vielzahl von Einzelwindungen helixartig um das Hohlrohr gewickelt, so- dass sich durch die Ringform des Wicklungsträgers wenigstens eine übergeordnete Windung der gesamten Helix ergibt. Das In nere des Hohlrohrs ist dabei als Kühlmittelkanal zur Zirkula tion eines fluiden Kühlmittels ausgebildet.

Mit anderen Worten liegt innerhalb der Spuleneinrichtung eine Verschachtelung von zwei Wicklungen vor: Eine erste, unterge ordnete Wicklung ist durch die Vielzahl von Einzelwindungen des Leiters um den Wicklungsträger gegeben, wobei hier insge samt eine helixartige Wicklung vorliegt. Eine zweite, überge ordnete Wicklung ist durch die Ringform des Wicklungsträgers vorgegeben, wodurch die auf dem Wicklungsträger aufgewickel ter Helix als Ganzes in wenigstens einer Schlaufe - und somit wenigstens einer übergeordneten Windung - vorliegt. Insbeson dere kann sich die Helixwicklung über einen wesentlichen Teil der Länge des ringförmig geformten Hohlrohrs und besonders vorteilhaft sogar über den ganzen Umfang des Rings erstre cken. Hierdurch wird erreicht, dass aus der (untergeordneten) Helixwicklung eine vollständige (übergeordnete) Windungs schlaufe des supraleitenden Leiters gebildet wird. Insgesamt ergibt sich dadurch ein Netto-Stromtransport entlang der lo kalen Richtung des Hohlrohrs.

Prinzipiell und allgemein vorteilhaft kann der Wicklungsträ- ger als geschlossener Ring vorliegen, sodass durch die Form des Wicklungsträgers also genau eine übergeordnete Schlaufe gebildet ist (und somit genau eine übergeordnete Windung) . Alternativ ist es jedoch grundsätzlich auch möglich, dass der Wicklungsträger nicht vollständig geschlossen, sondern nur weitgehend ringartig geformt ist. Es kann also ein ver gleichsweise kleiner offener Bereich des Wicklungsträgers vorliegen, welche optional durch ein separates Verbindungs stück geschlossen sein kann. Grundsätzlich ist es jedoch auch möglich, dass die übergeordnete Wicklung nicht nur eine ein zige Windung umfasst, sondern eine Mehrzahl solcher Windun- gen. Hierzu können insbesondere auf einen ringförmig ge schlossenen Wicklungsträger mehrere übereinanderliegende he lixartige Wicklungen aufgebracht werden, sodass wiederum für den Leiter insgesamt mehrere übergeordnete Windungen (hier bestehend aus den einzelnen Lagen der Helix) gebildet werden.

Der Kühlmittelkanal im Inneren des Hohlrohrs kann insbesonde re zur Zirkulation von flüssigem oder gasförmigem Kühlmittel innerhalb eines insgesamt geschlossenen Kühlmittelkreislaufs des Rotors ausgebildet sein. Hierzu kann der Kühlmittelkanal insbesondere seitliche (also nicht-tangentiale) Anschlüsse aufweisen, durch welche ein solches fluides Kühlmittel ein beziehungsweise ausgeleitet werden kann.

Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Spuleneinrich tung liegt darin, dass der als Hohlrohr ausgebildete Wick lungsträger dem helixartig darauf aufgewickelten supraleiten den Leiter sowohl mechanische Stabilität verleiht als auch eine zuverlässige Kühlung ermöglicht. Im Gegensatz zu her kömmlichen Erregerspulen in supraleitenden Rotoren, bei denen die supraleitenden Spulen häufig als imprägnierte oder ver gossene Flachspulen aus supraleitenden Bandleitern ausgebil det sind, muss die Spulenwicklung für sich hier nicht selbst tragend ausgebildet sein. Mit anderen Worten handelt es sich bei der Spulenwicklung nicht um ein eigenstabiles Bauteil, sondern die einzelnen Windungen der helixartige Wicklung wer den mechanisch von dem Wicklungsträger gehalten und die Wick lung ist ohne den Träger unter Umständen nicht formstabil. Dies bewirkt den Vorteil, dass der supraleitende Leiter an sich im Vergleich zum Stand der Technik mechanisch weniger fest und insbesondere dünner ausgebildet werden kann. Insbe sondere kann auf das im Stand der Technik übliche Imprägnier mittel oder Vergussmittel der Spulenwicklung verzichtet wer den. Durch eine solche nicht eigenstabile Ausgestaltung der Wicklung kann als weiterer Vorteil erreicht werden, dass die einzelnen Windungen leichter und effizienter gekühlt werden können . Dies wird bei der erfindungsgemäßen Spuleneinrichtung allge mein vorteilhaft dadurch erreicht, dass eine Kühlung über das die Wicklung tragende Hohlrohr selbst vermittelt wird. Hierzu ist der Innenraum des Hohlrohrs als Kühlmittelkanal ausgebil det. Durch diese räumliche Nähe eines kryogenen Kühlmittels kann auf besonders einfache Weise eine effiziente Kühlung des supraleitenden Leiters erreicht werden. Ein weiterer Vorteil dieser besonders engen thermischen Anbindung des Leiters an das fluide Kühlmittel liegt darin, dass mittels der Kühlung aus dem Wicklungsinneren die kurzfristige Ausbildung von lo kalen Hotspots (also beim Betrieb des Supraleiters gebildeten heißen Stellen entweder aufgrund von Quench-Vorgängen oder transienten Betriebszuständen beziehungsweise Fehlerfällen) toleriert und abgepuffert werden kann, ohne dass es zu einem Zusammenbruch der supraleitenden Eigenschaften der ganzen Spulenwicklung kommt. Ein solcher Zusammenbruch kann beim er findungsgemäßen Aufbau dadurch vermieden werden, dass die Spulenwindungen über das Hohlrohr des Wicklungsträgers ther misch eng an das tiefkalte Kühlmittel angekoppelt sind. Wei terhin können die Spulenwindungen nach radial außen hin ther misch gut gegen die außen liegende warme Umgebung isoliert sein. Eine Ausgestaltung des die Wicklung tragenden Hohlrohrs mit vergleichsweise hoher thermischer Leitfähigkeit und/oder hoher Wärmekapazität trägt somit vorteilhaft zum Vermeiden eines solchen Zusammenbruchs bei. Material sowie Innendurch messer und Außendurchmesser des Hohlrohrs können vorteilhaft so dimensioniert sein, dass sich eine gute thermische Anbin dung bei gleichzeitig ausreichend hoher Wärmekapazität und geringem Strömungswiderstand für das Kühlmittel ergibt.

Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Ausführung im Ver gleich zum Stand der Technik kann darin gesehen werden, dass für die wenigstens eine übergeordnete Spulenwindung zumindest in Teilbereichen relativ geringe Biegeradien toleriert werden können und somit für die Wicklung insgesamt relativ kompakte Wickelköpfe erreicht werden können. Dieser Vorteil rührt da her, dass bei der Herstellung einer Helixwicklung aus dem supraleitenden Leiter sowohl für die gleichmäßige Biegung des Leiters innerhalb der untergeordneten Helixwindungen als auch für die übergeordnete Biegung der Helix als Ganzes geringere Biegeradien toleriert werden können als beispielsweise für die Biegung eines Bandleiters innerhalb der Bandebene. Aber auch eine lokal eng begrenzte Biegung senkrecht zur Leiter ebene - beispielsweise in einer der Ecken einer Rechteckspule nach dem Stand der Technik - kann sich kritischer auswirken als eine gleichmäßig enge Wicklung mit kleinen Biegeradien innerhalb der Helix.

Insgesamt wird durch die Erfindung eine Spuleneinrichtung zur Verfügung gestellt, welche vorteilhaft sowohl mechanisch stabil als auch effektiv und zuverlässig kühlbar ist und mit kompakten Wickelköpfen ausgestaltet werden kann.

Der erfindungsgemäße Rotor weist wenigstens eine derartige erfindungsgemäße Spuleneinrichtung auf. Dabei ergeben sich die Vorteile des erfindungsgemäßen Rotors analog zu den vorab beschriebenen Vorteilen der erfindungsgemäßen Spuleneinrich tung .

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfin dung gehen aus den von den Ansprüchen 1 und 12 abhängigen An sprüchen sowie der folgenden Beschreibung hervor. Dabei kön nen die beschriebenen Ausgestaltungen der Spuleneinrichtung und des Rotors allgemein vorteilhaft miteinander kombiniert werden .

So weist die Spuleneinrichtung allgemein vorteilhaft eine Spulenachse auf, welche insbesondere eine Spulenlängsachse einer länglichen geformten Spule sein kann. Die Spulenein richtung kann in diesem Fall zwei axiale Spulenschenkel auf weisen, die sich im Wesentlichen in axialer Richtung erstre cken. Besonders vorteilhaft kann es sich dabei gerade axiale Spulenschenkel handeln, die sich parallel zu der Spulenachse erstrecken. Alternativ können die axialen Spulenschenkel je doch auch gebogen oder geknickt ausgestaltet sein, sodass sich für einzelne Teilbereiche ein leichter Winkel mit der Spulenachse ergeben kann. Vorteilhaft kann ein solcher Winkel ß in einem Bereich bis zu ß = arctan (W/L) liegen, wobei W die maximale Breite der Spule ist (senkrecht zur Längsachse) und L die Länge der Spule ist.

Die allgemeine Ausführungsform mit axialen Spulenschenkeln ist besonders vorteilhaft für die Anwendung der Spulenein richtung als Rotorspule in einer rotierenden elektrischen Ma schine. Bei einer solchen Anwendung sind vor allem die bezüg lich der Maschinenachse axial orientierten Spulenschenkel maßgeblich für die elektromagnetische Wechselwirkung zwischen Rotor und Stator. Bei solch einer Anwendung können insbeson dere die Spulenlängsachsen von einer Mehrzahl solcher Spulen einrichtungen jeweils parallel zu der zentralen Rotorachse (und damit der Maschinenachse) verlaufen.

Allgemein vorteilhaft kann innerhalb der axialen Spulenschen kel der supraleitende Leiter einen lokalen Winkel a mit der Spulenachse ausbilden, der im Bereich von bis zu 89,4° liegt. Obwohl die Spulenschenkel als Ganzes parallel zu Spulenachse liegen, verläuft der der supraleitende Leiter selbst aufgrund der untergeordneten helikalen Wicklung nicht parallel zu die ser Achse. Für die elektromagnetische Wechselwirkung in einer elektrischen Maschine ist es aber vorteilhaft, wenn der vor liegenden Leiter einen möglichst geringen Winkel mit der Ma schinenachse bildet. Dies wird durch den genannten vorteil haften Winkelbereich für den Leiter innerhalb der Helixwick lung erreicht. Besonders vorteilhaft ist der Betrag des Win kels des Leiters mit der Längsachse innerhalb der axialen Leiterschenkel im Wesentlichen gleich. Innerhalb der Helix wechselt nur die lokale Orientierung des Leiters zu der

Längsachse. Es ist jedoch grundsätzlich auch möglich, dass der Betrag des Winkels variiert. In solchen Fällen soll der genannte Winkelbereich möglichst für die gesamten axialen Spulenschenkel nicht überschritten werden.

Besonders vorteilhaft kann der Winkel a im Bereich zwischen 11° und 89,5° liegen, insbesondere im vorteilhaften Teilbe- reich zwischen 11° und 79° oder im besonders bevorzugten Teilbereich zwischen 11° und 22°. Die beispielhaft genannten Werte für die Winkel a können dabei insbesondere mit den folgenden Parametern erreicht werden: Ein Winkel a von etwa 11° kann beispielsweise bei einem Außenradius des Hohlrohrs von 10 mm, einer Leiterbreite von 20 mm und einer Ganghöhe von 200 mm realisiert werden. Ein Winkel a von etwa 22° kann beispielsweise bei einem Außenradius des Hohlrohrs von 10 mm, einer Leiterbreite von 20 mm und einer Ganghöhe von 100 mm realisiert werden. Ein Winkel a von etwa 79° kann beispiels weise bei einem Außenradius des Hohlrohrs von 10 mm, einer Leiterbreite von 4 mm und einer Ganghöhe von 8 mm realisiert werden. Ein Winkel a von etwa 89,5° kann beispielsweise bei einem Außenradius des Hohlrohrs von 50 mm, einer Leiterbreite von 2 mm und einer Ganghöhe von 2 mm realisiert werden. Die Parameterkombinationen der genannten Beispiele sind so dimen sioniert, dass bei der Torsion innerhalb der Helixwicklung die Grenzwerte für irreversible Dehnung (8i rr) von supralei tenden Bandleitern eingehalten werden, welche beispielsweise im Bereich zwischen 8i rr = 0,2% bis 2% liegen können. Allge mein und jeweils unabhängig von den genannten Kombinationen mit anderen Parameterwerten kann die Leiterbreite vorteilhaft im Bereich zwischen 2 mm und 20 mm, insbesondere zwischen 4 mm und 12 mm liegen. Allgemein und jeweils unabhängig von den genannten Kombinationen mit anderen Parameterwerten kann die Ganghöhe der Helix im Bereich zwischen dem lfachen und lOfa- chen Wert der Leiterbreite liegen, insbesondere im Bereich zwischen dem 2fachen und 5fachen dieses Werts. Um eine mög lichst weitgehend axial ausgerichtete Geometrie der einzelnen Leiter entsprechend dem genannten Winkelbereich zu erreichen, ist es vorteilhaft wenn die helixartige Wicklung mit einer vergleichsweise großen Ganghöhe ausgebildet ist. Mit anderen Worten sollen die untergeordneten Einzelwindungen der heli xartigen Wicklung insgesamt nicht zu eng gewickelt sein. Dies gilt insbesondere für die genannten axialen Schenkel, aber optional auch für gegebenenfalls zusätzlich vorliegende Ver bindungsschenkel . Allgemein kann die Spuleneinrichtung zusätzlich zu den beiden genannten axialen Leiterschenkeln zwei axial endständige Ver bindungsschenkel aufweisen. Durch diese dann insgesamt vier Spulenschenkel kann dann eine insgesamt geschlossene ringför mige Spuleneinrichtung definiert sein. Eine solche Spulenein richtung kann beispielsweise insgesamt die Grundform einer Rechteckspule (optional mit leicht abgerundeten Ecken) , einer oval geformten Spule beziehungsweise einer Rennbahnspule auf weisen .

Gemäß einer ersten vorteilhaften Ausführungsform können die endständigen Verbindungsschenkel jeweils als gerade Schenkel ausgebildet sein. Bei dieser Ausführungsform kann dann sogar die gesamte Spule vorteilhaft innerhalb einer Spulenebene verlaufen. Es liegt also hierbei eine besonders einfache Spu lengeometrie vor, was auch die Anordnung und Halterung der Spuleneinrichtung auf einem mechanisch tragenden Rotorkörper erleichtern kann.

Alternativ können die endständigen Verbindungsschenkel gemäß einer zweiten vorteilhaften Ausführungsform aber auch jeweils als gebogene Schenkel ausgebildet sein. Insbesondere können diese Verbindungsschenkel aus der Ebene der axialen Schenkel heraus gebogen sein. Beispielsweise kann eine solche Biegung eine Biegung um eine zentrale Rotorachse eines übergeordneten Rotors sein, sodass die Spulenschenkel der Spuleneinrichtung insgesamt auf einer gemeinsamen Zylindermantelfläche verlau fen. Hierdurch wird beispielsweise im Zentrum einer Rotorein heit Platz für die Rotorwelle geschaffen.

Allgemein vorteilhaft kann das Hohlrohr, welches die unterge ordnete helixartige Wicklung trägt, eine runde Querschnitts form aufweisen. Eine solche runde Querschnittsform insbeson dere auf der Außenseite des Hohlrohrs erleichtert die Auf bringung einer helixartigen Wicklung aus einem supraleitenden Leiter, ohne dass dieser Leiter zu stark geknickt werden muss. Besonders vorteilhaft kann die Außenseite des Hohlrohrs einen annähernd kreisförmigen Querschnitt aufweisen, was dann zu einer besonders symmetrischen Form der helixartigen Wick lung führt. Vorteilhaft kann die Außenseite des Hohlrohrs eine oder mehrere helixartig umlaufende Nuten aufweisen, in die der helixartig gewickelte supraleitende Leiter eingelegt werden kann.

Auch die Innenfläche des Hohlrohrs kann allgemein vorteilhaft mit rundem und insbesondere kreisförmigem Querschnitt ausge bildet sein, um eine widerstandsarme Zirkulation von fluidem Kühlmittel im Inneren des Hohlrohrs zu ermöglichen.

Allgemein vorteilhaft kann das Hohlrohr einen Innendurchmes ser von 50 mm oder weniger aufweisen. Insbesondere kann der Innendurchmesser im Bereich von 2 mm bis 20 mm liegen. Hier durch ist ein entsprechend enger Kühlmittelkanal definiert.

In diesem Bereich kann eine ausreichend hohe Kühlleistung erreicht werden. Der Außendurchmesser kann entsprechend bei spielsweise im Bereich von 4 mm bis 100 mm liegen, besonders vorteilhaft im Bereich zwischen 10 mm und 50 mm. Bei nicht exakt kreisförmigen Rohrquerschnitten soll unter den genann ten Durchmessern analog die jeweils größte innere beziehungs weise äußere Abmessung verstanden werden.

Der genannte supraleitende Leiter kann allgemein einen oder mehrere supraleitende Bandleiter umfassen. Ein solcher Band leiter kann eine vergleichsweise dünne supraleitende Schicht auf einem Trägersubstrat aufweisen.

Der supraleitende Leiter allgemein (und insbesondere ein sup raleitender Bandleiter) kann besonders vorteilhaft ein hoch temperatursupraleitendes Material aufweisen. Hochtemperatur supraleiter (HTS) sind supraleitende Materialien mit einer Sprungtemperatur oberhalb von 25 K und bei einigen Material klassen, beispielsweise den Cuprat-Supraleitern, oberhalb von 77 K, bei denen die Betriebstemperatur durch Kühlung mit an deren kryogenen Materialien als flüssigem Helium erreicht werden kann. HTS-Materialien sind auch deshalb besonders at traktiv, da diese Materialien abhängig von der Wahl der Be- triebstemperatur hohe obere kritische Magnetfelder sowie hohe kritische Stromdichten aufweisen können.

Der Hochtemperatursupraleiter kann beispielsweise Magnesium- diborid und/oder einen oxidkeramischen Supraleiter, bei spielsweise eine Verbindung des Typs REBa2Cu30 x ( kurz REBCO) aufweisen, wobei RE für ein Element der seltenen Erden oder eine Mischung solcher Elemente steht.

Bei der Ausführungsform mit einem supraleitenden Bandleiter kann der Leiter insbesondere auch durch einen Stapel von meh reren übereinanderliegenden und/oder nebeneinanderliegenden Bandleitern gebildet sein. Bei dieser Ausführungsform kann für die einzelnen Leiterwindungen eine noch höhere Stromtrag fähigkeit erreicht werden.

Der jeweilige einzelne supraleitende Bandleiter (welcher ins besondere Teil eines Stapels sein kann) kann besonders vor teilhaft eine Dicke von nur 150 ym oder weniger aufweisen, insbesondere sogar im Bereich von 100 ym oder weniger. Im Vergleich zu typischen supraleitenden Rotorwicklungen handelt es sich bei dieser Ausführungsform um eine vergleichsweise dünne Ausführung des Bandleiters. Dies wird im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung vorteilhaft ermöglicht, da der Bandleiter selbst keine eigenstabilen mechanischen Eigen schaften aufweisen muss, sondern vielmehr von dem Hohlrohr, um dass die Helix gewickelt ist, mechanisch getragen wird.

Ein Vorteil einer solchen vergleichsweise dünnen Leiteraus führung ist, dass hiermit beim Wickeln der helixartigen Wick lung die hier benötigten vergleichsweise geringen Biegeradien erreicht werden können, ohne dass es zu einer Schädigung des supraleitenden Leiters kommt. Je dünner der einzelne Bandlei ter insgesamt ist, desto engere Biegungen sind typischerweise insgesamt möglich. Ein weiterer unabhängiger Vorteil von ver gleichsweise niedrigen Leiterdicken ist in der vergleichswei se höheren Stromdichte der daraus gewickelten Wicklung zu se hen . Um die vorab genannte niedrige Gesamtdicke des Bandleiters zu erreichen, können insbesondere ein Substrat des Bandleiters und/oder eine oder mehrere Stabilisierungsschichten des Band leiters im Vergleich zum Stand der Technik relativ dünn aus gebildet sein. So kann beispielsweise das Trägersubstrat des Bandleiters eine Dicke von nur 75 ym oder weniger aufweisen, insbesondere sogar nur höchstens 50 ym oder sogar nur höchs tens 25 ym. Die optional vorliegenden elektrischen Stabili sierungsschichten können beispielsweise zusammengenommen eine Dicke von nur 100 ym oder weniger aufweisen, insbesondere so gar nur höchstens 50 ym oder sogar nur höchstens 25 ym. Der artige Stabilisierungsschichten sind typischerweise als me tallisch leitfähigen Schichten gebildet und können das

Schichtsystem aus Substrat, Supraleiterschicht und optionalen weiteren Schichten entweder einseitig oder beidseitig abde cken. Diese Stabilisierungsschichten können bei einem lokalen Zusammenbruch der Supraleitung die Funktion eines elektri schen Shunts übernehmen. Hierfür ist typischerweise eine ge wisse Mindestdicke erforderlich. Im Zusammenhang mit der vor liegenden Erfindung kann diese Dicke jedoch deutlich geringer gewählt werden als beim Stand der Technik, da vorteilhaft ei ne solche Shuntfunktion auch durch ein optional elektrisch leitfähiges Hohlrohr mit übernommen werden kann.

Allgemein kann der supraleitende Leiter zumindest abschnitts weise einen vergleichsweise kleinen Biegeradius aufweisen, der sich aus dem Außendurchmesser des Hohlrohrs und der ge wählten Ganghöhe ergibt. Hierdurch kann insgesamt eine ver gleichsweise kompakte Geometrie der gesamten Spuleneinrich tung und insbesondere der Wickelköpfe der Spuleneinrichtung erreicht werden. Alternativ oder zusätzlich kann eine insge samt kompakte Geometrie auch dadurch erreicht werden, dass das Hohlrohr, das die helixartige Wicklung trägt, zumindest abschnittsweise einen Biegeradius r unterhalb von 100 mm auf weist, insbesondere sogar unterhalb von 50 mm. Eine derart enge Biegung des tragenden Hohlrohrs ist insbesondere in den Bereichen zwischen den axialen Leiterschenkeln und endständi gen Verbindungsschenkel zweckmäßig, weil damit eine besonders kompakte Geometrie der Wickelköpfe erzielt werden kann. Dies kann insbesondere durch Wickeln der Helix auf ein vorgeform tes Hohlrohr erreicht werden.

Besonders vorteilhaft kann die Spuleneinrichtung als Spulen einrichtung für eine elektrische Maschine ausgebildet sein. Insbesondere kann es sich um eine Spuleneinrichtung für den Rotor einer elektrischen Maschine handeln. Insbesondere kann es sich um eine Spuleneinrichtung für die Erregerwicklung eines solchen Rotors handeln. Bei der Ausführungsform als Ro torwicklung liegt die genannte Spulenachse zweckmäßig paral lel zu der zentralen Maschinenachse beziehungsweise der zen tralen Rotorachse. Bei einer derartigen Anwendung der Spulen einrichtung kommen die weiter oben genannten Vorteile der er findungsgemäßen Ausgestaltung besonders gut zum Tragen.

Allgemein kann die elektrische Spuleneinrichtung vorteilhaft auch noch weitere Elemente zusätzlich zu dem Hohlrohr, dem innenliegenden Kühlmittelkanal und der auf dem Hohlrohr auf gebrachten helixartigen Wicklung aufweisen. Insbesondere kann es sich bei solchen zusätzlichen Elementen um radial weiter außen liegende Elemente handeln, welche die helixartige Wick lung und das Hohlrohr konzentrisch umgeben. Beispielsweise können ein oder mehrere außenliegende Halteelemente radial außerhalb der helixartigen Leiterwindungen angeordnet sein. Besonders vorteilhaft können solche Halteelemente elektrisch leitfähig ausgebildet sein und somit auch eine elektrisch ab schirmende Wirkung aufweisen. Dies kann insbesondere zur Ver meidung von elektrischen Wechselstromverlusten in den weiter innenliegenden Schichten beitragen. Alternativ oder zusätz lich kann eine radial außen liegende und insbesondere mecha nisch vorgespannte Bandage die helixartige Wicklung (und op tional auch ein oder mehrere solche Halteelemente) umgeben und auf diese Weise zu einer zusätzlichen mechanischen Fixie rung beitragen. Eine solche Bandage kann beispielsweise aus einem elektrisch nicht leitfähigen Material und/oder aus einem thermisch gering leitfähigen Material gebildet sein. Radial noch weiter außenliegend kann optional eine thermische Isolationsschicht vorgesehen sein, welche beispielsweise ein Aerogel und/oder eine Multilagenisolation und/oder einen Va kuumraum umfassen kann. Bei all diesen genannten optional vorliegenden Schichten kann es sich um konzentrische Elemente handeln, welche jeweils innerhalb einer zugeordneten Zylin dermantelschicht vorliegt. Auf diese Weise kann durch eines oder mehrere der genannten Elemente besonders vorteilhaft eine hohe mechanische Stabilität bei gleichzeitig guter ther mischer Isolation erreicht werden.

Die Spuleneinrichtung kann allgemein Kühlmittelanschlüsse aufweisen, welche dazu dienen, den im Inneren des Hohlrohrs liegenden Kühlmittelkanal mit den übrigen Teilen eines Kühl mittelkreislaufs zu verbinden. Beispielsweise können für ein solches Hohlrohr zwei solche Kühlmittelanschlüsse vorgesehen sein, von denen einer als Zufluss und der andere als Abfluss dienen kann. Diese Anschlüsse können bezüglich der Ringstruk tur des Hohlrohrs seitlich angeordnet sein, mit anderen Wor ten nicht-tangential zu dem Ring.

Alternativ oder zusätzlich zu den seitlichen Anschlüssen kann die Spuleneinrichtung vorteilhaft ein Verbindungsstück auf weisen, welches dazu dient, zwei Endbereiche des Hohlrohrs zu einem insgesamt geschlossenen Ring zu verbinden. Bei einem derartigen Verbindungsstück kann es sich alternativ entweder ebenfalls um ein Hohlrohr oder aber um ein innen geschlosse nes Verbindungsstück handeln. Je nach Ausführungsform ergibt sich damit entweder ein insgesamt ringförmig geschlossener Kanal oder nur ein fast ringförmig durchgehender Kanal, wel cher sich dann beispielsweise vom Zufluss bis zum Abfluss er streckt .

Allgemein kann die helixartige Windung aus dem supraleitenden Leiter insgesamt elektrisch über die übergeordnete Windung der Spuleneinrichtung hinweg zu einem ringförmigen Stromkreis geschlossen sein. Dies ist beispielsweise nützlich, um die Spuleneinrichtung in einem Dauerstrom-Modus zu betreiben. Alternativ kann die Spuleneinrichtung jedoch auch als offene Spule vorliegen, welche über zwei elektrische Anschlüsse in den Endbereichen der Spule mit einem äußeren elektrischen Stromkreis verbindbar ist.

Das Hohlrohr des Wicklungsträgers kann allgemein vorteilhaft aus einem metallischen Material gebildet sein oder ein metal lisches Material umfassen. Ein metallisches Material ist be sonders günstig, um eine gute thermische Ankopplung der heli xartigen Windungen an das im Innenraum fließende Kühlmittel zu erreichen. Beispielsweise kann das Hohlrohr aus Kupfer ge bildet sein oder zumindest Kupfer umfassen oder alternativ auch Stahl und/oder Aluminium umfassen. Alternativ oder zu sätzlich kann das Material des Hohlrohrs aber auch einen Fa serverbundwerkstoff, beispielsweise einen faserverstärkten Kunststoff umfassen. Mit den letztgenannten Materialien kann vorteilhaft eine geringe Dichte erreicht werden.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des Rotors kann die ser eine magnetische Polzahl n aufweisen, wobei n vorteilhaft geradzahlige Werte zwischen 2 und 64 annehmen kann. Hierzu kann der Rotor allgemein mehrere erfindungsgemäße Spulenein richtungen umfassen.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Rotors kann dieser ein Kühlsystem zur Kühlung des supraleitenden Leiters auf eine kryogene Betriebstemperatur aufweisen, wobei das Kühlsystem dazu ausgestaltet ist, ein fluides Kühlmittel im Kühlmittelkanal der Spuleneinrichtung zu zirkulieren.

Hierdurch kann besonders vorteilhaft eine Betriebstemperatur des supraleitenden Leiters erreicht werden, welche unterhalb der Sprungtemperatur des verwendeten Supraleiters liegt.

Bei dem fluiden Kühlmittel kann es sich insbesondere um flüs sigen Wasserstoff, flüssiges Helium, flüssiges Neon, flüssi gen Stickstoff, flüssigen Sauerstoff und/oder flüssiges Me than handeln. Dabei kann bei Verwendung all dieser kryogenen Kühlmittel prinzipiell die flüssige Form neben der Gasform vorliegen, und es kann durch ein Verdampfen der Flüssigkeit im Bereich der zu kühlenden Komponenten eine zusätzliche Kühlwirkung erreicht werden. So ist es möglich, dass das kry ogene Kühlmittel im Inneren des Hohlrohrs beziehungsweise im übergeordneten Kühlkreislauf insbesondere nach dem Thermosi- phon-Prinzip und/oder nach Art eines Wärmerohrs zirkuliert.

Gemäß einer allgemein bevorzugten Ausführungsform des Rotors kann dieser zusätzlich einen Rotorkern aufweisen, auf welchem die wenigstens eine Spuleneinrichtung mechanisch gehalten wird. Insbesondere ist dieser Rotorkern dann dazu ausgebil det, beim Betrieb des Rotors auf einer warmen Betriebstempe ratur vorzuliegen. Im vorliegenden Zusammenhang soll unter einer solchen warmen Betriebstemperatur eine Temperatur deut lich oberhalb der Sprungtemperatur des Supraleiters verstan den werden, welche insbesondere in der Nähe oder sogar noch oberhalb der Raumtemperatur liegen kann. Diese Ausführungs form hat den Vorteil, dass nicht der gesamte Rotor gekühlt werden muss, sondern nur ein oder mehrere lokal begrenzte Teilbereiche, in denen ein oder mehrere erfindungsgemäße Spu leneinrichtungen angeordnet sind.

Allgemein kann der Rotorkern (unabhängig davon ob er auf einem warmen oder kalten Temperaturniveau betrieben wird) aus einem weichmagnetischen Material gebildet sein oder wenigs tens ein solches weichmagnetisches Material umfassen. Ein derartiger Rotorkern ist vorteilhaft für die magnetische Flussführung im Rotor. Alternativ kann der Rotorkern aber auch aus nicht-magnetischem Material gebildet sein und bei spielsweise Aluminium und/oder nicht-magnetischen Stahl um fassen .

Um die Halterung von ein oder mehreren kryogenen supraleiten den Wicklungen auf einem warmen Rotorkern zu ermöglichen ist es zweckmäßig, die wenigstens eine Spuleneinrichtung über (ein oder mehrere) thermisch gering leitfähige Halteelemente an dem warmen Rotorkerns befestigen. Beispielsweise können dabei Haltestege aus Kunststoff und insbesondere faserver- stärktem Kunststoff und/oder aus Keramik zum Einsatz kommen. Prinzipiell kann hier aber auch ein metallisches Material (beispielsweise Stahl) zum Einsatz kommen, da die eingebrach- te Wärme direkt im Kühlrohr abgeführt wird und nicht den sup raleitenden Leiter erreicht.

Alternativ oder zusätzlich können die einzelnen kryogenen supraleitenden Wicklungen über thermische isolierende Halte schlaufen an dem warmen Rotorkörper befestigt sein, ähnlich wie dies in den Schriften US9431864B2 und US8664809B2 be schrieben ist.

Weiterhin kann der Rotorkern vorteilhaft ein oder mehrere Nu ten aufweisen, um die Spuleneinrichtung (en) aufzunehmen. Bei spielsweise kann für jeden Längsschenkel der Spuleneinrich tung eine solche Nut am Rotorkern vorgesehen sein. Alternativ oder zusätzlich können auch für die endständige Verbindungs schenkel Nuten vorgesehen sein, um die entsprechenden Spulen teile zu führen.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand einiger bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die angehängten Zeichnungen beschrieben, in denen:

Figur 1 eine schematische perspektivische Darstellung eines

Teils einer Helixwicklung auf einem Hohlrohr zeigt,

Figur 2 einen Querschnitt und eine schematische Seitenansicht einer solchen Helixwicklung zeigt,

Figur 3 eine schematische Querschnittsdarstellung eines zu sammengesetzten supraleitenden Leiters zeigt,

Figur 4 eine schematische Querschnittsdarstellung einer He lixwicklung nach einem weiteren Beispiel zeigt,

Figur 5 eine schematische Aufsicht eines Spulenelements nach einem Beispiel der Erfindung zeigt,

Figur 6 eine schematische perspektivische Darstellung für ein

Spulenelement auf einem Rotorkern zeigt,

Figur 7 eine Detailansicht des Spulenelements der Figur 6 zeigt, Figur 8 eine schematische Darstellung für ein erstes Ausfüh rungsbeispiel eines Rotors zeigt und

Figur 9 eine schematische Darstellung für ein zweites Ausfüh rungsbeispiel eines Rotors zeigt.

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

Figur 1 zeigt eine schematische perspektivische Darstellung eines Teilbereichs einer elektrischen Spuleneinrichtung 1 nach einem ersten Beispiel der Erfindung. Gezeigt ist ein Teil einer Helixwicklung aus einem supraleitenden Leiter 5, welche auf einem Hohlrohr 3 aufgewickelt ist. Exemplarisch ist hier nur ein Teil einer Windung w des supraleitenden Lei ters um das Hohlrohr gezeigt. Insgesamt liegt jedoch eine Vielzahl solcher Windungen w vor, welche eine helixartige Wicklung ausbilden. Im Inneren des Hohlrohrs 3 ist ein Kühl mittelkanal 7 ausgebildet, in dem ein fluides Kühlmittel strömen kann, sodass eine Kühlung des supraleitenden Leiters auf eine kryogene Betriebstemperatur ermöglicht wird. Das Hohlrohr 3 kann aus einem thermisch gut leitfähigen Material, beispielsweise aus Kupfer, gebildet sein. Elektrisch kann der Leiter 5 gegen das Hohlrohr 3 isoliert sein, dies ist jedoch nicht zwingend nötig.

Figur 2 zeigt auf der linken Seite eine Querschnittsdarstel lung und auf der rechten Seite eine schematische Seitenan sicht der Spuleneinrichtung 1 aus der Figur 1. Aus der Quer- schnittsdarstellung ist ersichtlich, dass die helixartige Wicklung eine lokale Achse a aufweist, um welche die einzel nen Teilelemente der Spuleneinrichtung konzentrisch angeord net sind. In der schematischen Seitenansicht ist ein Aus schnitt mit etwa zweieinhalb Windungen w der Helixwicklung gezeigt. Der gezeigte Ausschnitt kann beispielsweise Teil eines insgesamt geraden Spulenschenkels sein, und die unter geordneten Helixwindungen w bilden Teilabschnitte auf diesem insgesamt geraden Spulenschenkel. Der supraleitende Leiter 5 aus den Figuren 1 und 2 kann bei spielsweise aus mehreren Teilleitern 11 zusammengesetzt sein. Figur 3 zeigt eine schematische Querschnittsdarstellung eines solchen zusammengesetzten Leiters 5, der auf einer Außenflä che des Hohlrohrs 3 aufliegt. In diesem Beispiel ist der ge samte Leiter 5 durch mehrere nebeneinanderliegende Stapel von jeweils mehreren übereinanderliegenden supraleitenden Band leitern 11 gebildet. Diese einzelnen Bandleiter 11 umfassen jeweils ein Trägersubstrat und eine vergleichsweise dünne supraleitende Schicht sowie optional noch weitere Zwischen schichten und/oder elektrische Stabilisierungsschichten. Die se einzelnen Bandleiter sind jeweils vergleichsweise sehr dünn, sodass sie zur Bildung der Helixwicklung mit ver gleichsweise kleinen Biegeradien gebogen werden können. Durch die Ausgestaltung des gesamten Leiters 5 mit vielen einzelnen Teilleitern 11 ist insgesamt auch eine sehr hohe Stromtragfä higkeit und somit eine hohe Stromdichte möglich.

Figur 4 zeigt eine schematische Querschnittsdarstellung einer elektrischen Spuleneinrichtung 1 nach einem weiteren Beispiel der Erfindung. Auch diese Spuleneinrichtung umfasst eine he lixartige Wicklung aus einem supraleitenden Leiter 5 auf einem Hohlrohr 3. Zusätzlich zu den bereits in Figur 1 und 2 gezeigten Elementen umfasst diese Spuleneinrichtung noch wei tere bezüglich des Leiters 5 radial außenliegende und eben falls konzentrisch zur lokalen Achse a angeordnete Elemente. Es handelt sich hierbei in der Reihenfolge von innen nach außen um zwei Halteelemente 13, eine Bandage 15 und eine thermische Isolationsschicht 17. Allgemein ist jedes dieser Elemente nur optional vorhandenen, wobei jedoch die darge stellte radiale Abfolge insgesamt zweckmäßig ist. Die Hal teelemente 13 sind hier durch zwei zylindrische Halbschalen gebildet, welche in diesem Beispiel jeweils aus einem metal lischen Material sind und die Leiterwindungen w von außen me chanisch halten. Gleichzeitig wird durch die elektrisch leit fähige Eigenschaft dieser Halteelemente 13 die Funktion eines elektrischen Dämpfers erfüllt, sodass hochfrequente elektri sche Felder vorteilhaft abgeschirmt werden können. Die Banda- ge 15 dient zur zusätzlichen mechanischen Fixierung und kann beispielsweise aus einem elektrisch isolierenden und ther misch schlecht leitfähigen Material gebildet sein. Radial noch weiter außenliegend liegt hier eine thermische Isolati onsschicht 17 vor, welche insbesondere ein Aerogel, eine Mehrlagen-Isolation und/oder einem vakuumisolierende Hülle umfassen kann.

Figur 5 zeigt eine schematische Aufsicht eines Spulenelements 1 nach einem weiteren Beispiel der Erfindung. Auch dieses Spulenelements umfasst eine helixartige Wicklung aus einem supraleitenden Leiter 5 auf einem Hohlrohr 3. Lokal kann die se Wicklung ähnlich wie in den Figuren 1 und 2 gezeigt aufge baut sein. Der Leiter 5 kann ähnlich wie in Figur 3 als zu sammengesetzter Leiter vorliegen. Auch die optionalen Schich ten aus dem Beispiel der Figur 4 können zusätzlich radial außen liegend um den Leiter 5 angeordnet sein, sie sind je doch hier der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt. We sentlich ist, dass die helixartige Wicklung aus einer Viel zahl von Einzelwindungen w insgesamt eine übergeordnete ring förmige Schlaufe bildet. Im gezeigten Beispiel ist diese Schlaufe durch eine insgesamt geschlossene rechteckförmige Spulenform gegeben, in welche die Helix als Ganzes gebogen ist. Diese übergeordnete Spulenform weist im gezeigten Bei spiel zwei gerade axiale Segmente 21 auf, welche jeweils pa rallel zur Längsachse A der Spuleneinrichtung verlaufen. Zu sätzlich weist die Spule zwei axial endständige Verbindungs schenkel 23 auf, sodass sich insgesamt ein geschlossener Ring ergibt. Elektrisch kann der supraleitende Leiter entweder zu einem Kurzschlussring geschlossen sein, oder es können hier nicht gezeigte elektrische Kontaktstellen vorgesehen sein, sodass die übergeordnete Spule insgesamt mit einem äußeren Stromkreis verbunden werden kann.

Die Spuleneinrichtung 1 der Figur 5 ist nicht maßstabsgetreu dargestellt. So kann insbesondere das Längenverhältnis der einzelnen Spulenschenkel deutlich anders gewählt sein und beispielsweise können die axialen Leiterschenkel 21 deutlich länger ausgestaltet sein als hier gezeigt. Auch die Steigung der einzelnen Leiterwindungen innerhalb der helixartigen Wicklung ist nicht maßstabsgetreu dargestellt. Für die elek tromagnetische Wechselwirkung einer solchen Spuleneinrichtung 1 in einer elektrischen Maschine ist es allgemein vorteil haft, wenn die einzelnen Leiterabschnitte des supraleitenden Leiters 5 (und insbesondere auch die entsprechenden Abschnit te der darin vorliegenden Teilleiter) einen möglichst gerin gen Winkel a mit der Längsachse der Spule einschließen. Bei spielsweise kann a im Bereich der axialen Spulenschenkel ge nerell vorteilhaft unterhalb von 79 Grad liegen.

Die in Figur 5 gezeigte Rechteckspule weist die Form eines Rechtecks mit abgerundeten Ecken auf. Dabei sind die Biegera dien r im Bereich der Ecken im Vergleich zu herkömmlichen supraleitenden Spulen vergleichsweise klein. Dies wird sowohl durch die Verwendung vergleichsweise dünner Bandleiter ermög licht als auch durch die Tatsache, dass nicht der supralei tende Leiter 5 selbst, sondern das die Helixwicklung tragende Hohlrohr 3 in diesem engen Biegeradius r gebogen ist. Der lo kale Biegeradius des supraleitenden Leiters 5 innerhalb der Helixwicklung kann unterschiedlich zu diesem Biegeradius der übergeordneten Spulenform gewählt sein. Außerdem wird selbst bei einer engen Biegung innerhalb der Helixwicklung eine un günstige Biegung des Bandleiters - nämlich eine enge Biegung innerhalb der Bandleiterebene - vorteilhaft vermieden.

Das Spulenelement 1 der Figur 5 weist zusätzlich im linken Bereich der Figur ein Verbindungsstück 25 und zwei seitliche Kühlmittelanschlüsse 27 auf. Das Verbindungsstück 25 kann beispielsweise aus Kupfer oder Edelstahl gebildet sein und dient dazu, die beiden Endstücke des zu einer übergeordneten Schlaufe geformten Hohlrohrs zu einem insgesamt geschlossenen Ring zu verbinden. Die im Verhältnis zu diesen Ring seitlich angeordneten Kühlmittelanschlüsse 27 dienen dazu, das fluide Kühlmittel in den innenliegenden Kühlmittelkanal 7 einzulei ten beziehungsweise aus ihm auszuleiten. Figur 6 zeigt eine schematische perspektivische Darstellung eines Spulenelements 1, welches auf einem Rotorkern 31 ange ordnet ist. Von dem Rotorkern 31 ist hier nur eine obenlie gende Hälfte gezeigt. Das Spulenelement 1 kann insgesamt ähn lich wie beim Beispiel der Figur 5 aufgebaut sein, wobei hier die beiden Längsschenkel 21 vergleichsweise länger ausgebil det sind. Die Spuleneinrichtung 1 wird in einer passenden Nut 43 des Rotorkerns gehalten. Vorteilhaft kann der supraleiten de Leiter 5 beim Betrieb des Rotors durch das im Hohlrohr fließende Kühlmittel auf eine kryogene Betriebstemperatur ge kühlt sein. Der Rotorkern 31 kann dagegen im Betrieb auf einem warmen Temperaturniveau sein. Hierzu kann die Aufhän gung der Spuleneinrichtung 1 auf dem Rotorkern 31 durch ther misch gering leitfähige Elemente vermittelt sein, wie bei spielsweise im Zusammenhang mit der Figur 7 noch deutlicher werden wird. Durch die geringen Biegeradien der Spulenein richtung 1 und die ausgeprägte Rechteckform wird erreicht, dass in einem solchen Rotor einen insgesamt geringer Platzbe darf für die axial endständigen Verbindungsschenkel 23 und somit für die Wickelköpfe vorliegt. Hierdurch wird eine ins gesamt kompakte Ausführung des Rotors ermöglicht.

In Figur 7 ist eine Detailansicht des Spulenelements 1 der Figur 6 gezeigt. Gezeigt ist hier die Aufhängung dieses Spu lenelements 1 an dem warmen Rotorkern 31. Um den kalten sup raleitenden Leiter 5 und das ebenfalls kalte Hohlrohr 3 gegen den vergleichsweise warmen Rotorkern 31 thermisch zu isolie ren, ist zur mechanischen Aufhängung ein Haltestift 33 aus einem thermisch vergleichsweise niedrig leitfähigen Material vorgesehen. Dieser Haltestift kann sich, wie durch gestri chelte Linien angedeutet, durch das Hohlrohr 3 hindurch er strecken. Zusätzlich liegt hier eine optionale, ebenfalls thermisch gering leitfähige Manschette 37 vor, welches als Abstandselement zwischen der Spuleneinrichtung 1 und dem Ro torkern 31 wirkt. Optional können zwischen der Manschette 37 und dem Rotorkern 31 ein oder mehrere Federelemente 39 vorge sehen sein. Im Bereich des innenliegenden Kühlmittelkanals 7 kann der Haltestift 33 durch ein senkrecht zum Kühlmittelka- nal verlaufendes Führungsrohr 35 geführt sein, sodass ein di rekter Kontakt des Haltestifts 33 mit dem kryogenen Kühlmit tel vorteilhaft vermieden wird. Insgesamt kann das Spulenele ment 1 durch eine Mehrzahl von gleich oder ähnlich ausgestal teten Haltevorrichtungen an dem warmen Rotorkern 31 fixiert sein. Hierdurch wird eine mechanisch stabile und thermisch entkoppelt Aufhängung erreicht.

Figur 8 zeigt eine schematische Darstellung für ein Ausfüh rungsbeispiel des erfindungsgemäßen Rotors 41. Gezeigt ist eine Aufsicht aus einem der axialen Endbereiche des Rotors. Der gezeigte Rotor 41 umfasst einen Rotorkern 31, welcher eine im Wesentlichen zylindrische Form und eine zentrale Ro torachse B aufweist. Dieser Rotor 41 weist zwei erfindungsge mäße Spuleneinrichtungen 1 auf, welche jeweils in entspre chenden Nuten 43 des Rotorkerns 31 eingelegt sind. Die Ausge staltung der Spuleneinrichtung 1 kann insgesamt ähnlich wie bei den vorhergehenden Beispielen sein. Auch die Aufhängung kann ähnlich wie im Zusammenhang mit Figur 7 ausgestaltet sein. Im Beispiel der Figur 8 sind die beiden Spuleneinrich tungen 1 jeweils als flache Rechteckspulen ausgebildet, wobei die endständigen Spulenschenkel 23 jeweils gerade geformt sind und innerhalb einer gemeinsamen Spulenebene liegen.

Figur 9 zeigt eine ähnliche schematische Darstellung für ein alternatives Ausführungsbeispiel des Rotors. Dieser Rotor 41 weist ebenfalls einen warmen Rotorkern 31 und zwei darauf an geordnete Spuleneinrichtungen mit kryogen betriebenen Supra leitern auf. Im Unterschied zum Beispiel der Figur 8 sind hier die axial endständigen Verbindungsschenkel nicht als ge rade Leiterschenkel, sondern als gebogene Leiterschenkel mit konstantem Biegeradius ausgeführt. Insgesamt weisen daher die Spuleneinrichtungen 1 jeweils eine zylindermantelförmige Grundform auf.

Die beiden unterschiedlichen in den Figuren 8 und 9 gezeigten Grundformen für die übergeordneten Spulenelemente 1 können durch entsprechende Biegung der die Wicklungen tragenden Hohlrohre leicht realisiert werden. Grundsätzlich ist die entsprechende Formgebung dieser Hohlrohre entweder vor oder nach dem Aufbringen der helixartigen Wicklung möglich.

Bezugszeichenliste

1 Spuleneinrichtung

3 Hohlrohr

5 supraleitender Leiter

7 Kühlmittelkanal

11 Einzelleiter

13 Halteelement

15 Bandage

17 thermische Isolationsschicht

21 axiale Spulenschenkel

23 endständige Verbindungsschenkel

25 Verbindungsstück

27 seitliche Kühlmittelanschlüsse

31 Rotorkern

33 Haltestift

35 Führungsrohr

37 Manschette

39 Federelement

41 Rotor

43 Nut

a Winkel

a lokale Helixachse

A Spulenachse

B Rotorachse

L Länge der Spule

r Biegeradius des Hohlrohrs w untergeordnete Windung der Helix

W Breite der Spule