Elektrische Maschine Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit einem Ständer und einem um eine Rotationsachse drehbar gelagerten Läufer, bei der der Läufer einen innenliegenden Läuferkern aufweist, der mit wenigstens einer elektrischen Spulenwicklung versehen ist. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Synchronmaschine mit einem derartigen Aufbau, die zusätzlich einen asynchronen Betriebsmodus aufweist.

Nach dem Stand der Technik weisen Synchronmaschinen einen feststehenden Ständer und einen um eine ortsfeste Achse ro- tierenden Läufer auf, wobei der Läufer typischerweise eine Erregerwicklung trägt, die das für den Betrieb der Maschine nötige magnetische Feld erzeugt. Der Ständer ist mit einer Mehrzahl an elektrischen Spulenwicklungen versehen, die zusammen an ein ein- oder mehrphasiges Wechselspannungsnetz an- geschlossen sind. Dabei läuft der Läufer synchron mit dem

Ständer-Drehfeld und damit synchron zur Netzfrequenz bezie ^¬ hungsweise mit einem ganzzahligen Bruchteil der Netzfrequenz, abhängig von der Polpaarzahl. Bei einer sogenannten Innenpol- maschine ist der Läufer typischerweise als zylindrischer Kör- per innerhalb eines hohlzylindrischen Ständers angeordnet. Zwischen den Spulenwicklungen des Läufers und des Ständers befindet sich ein Luftspalt, der zur Erhöhung des Wirkungs ^¬ grades der Maschine und/oder um den Herstellungs- und Materi ^¬ alaufwand zu minimieren allgemein möglichst klein gehalten wird.

Eine solche Synchronmaschine kann prinzipiell entweder als Motor oder als Generator betrieben werden. Im Motorbetrieb wird dem Stromnetz elektrische Leistung entzogen und über die Drehung des Läufers in mechanische Leistung umgewandelt.

Hierzu ist der Läufer zweckmäßig mit einer Rotorwelle verbun ^¬ den, die das erzeugte Drehmoment überträgt. Solche Motoren können beispielsweise als Antriebe für Verdichter, Gebläse oder Pumpen zum Einsatz kommen. Im Generatorbetrieb wird umgekehrt mechanische Energie in elektrische Energie umgewan ^¬ delt, und eine von außen induzierte Drehung der Rotorwelle erzeugt über magnetische Induktion in den Ständerspulen eine Wechselspannung.

Bei beiden Betriebsmodi wird die Erregerwicklung des Läufers von einem Gleichstrom durchflössen, der von einer Erregereinrichtung auf die rotierende Spulenwicklung übertragen wird. Es sind Synchronmaschinen bekannt, bei denen die Erregerwicklung als supraleitende Spulenwicklung ausgeführt ist, da durch den zu vernachlässigenden Gleichstromwiderstand einer solchen Spule ein besonders hoher Wirkungsgrad und/oder ein kompakter Aufbau erzielt werden kann. Eine solche supralei- tende Erregerwicklung ist beispielsweise in der

US 20120235532 AI sowie in der EP 490550 Bl beschrieben.

Für den Anlauf und/oder Auslauf einer Synchronmaschine werden typischerweise spezielle Umrichter und/oder Motoren benötigt, da die Maschine im Synchronbetrieb nicht ihre Drehzahl ändern kann, ohne dass gleichzeitig auch die Netzfrequenz geändert wird. Die Netzfrequenz des Stromnetzes bleibt aber in den al ^¬ lermeisten Fällen konstant. Um den zusätzlichen Aufwand durch speziell erforderliche Umrichter und/oder Motoren zu vermei- den, ist es wünschenswert, eine Synchronmaschine zu entwi ^¬ ckeln, die zusätzlich zu ihrem synchronen Betriebsmodus einen asynchronen Betriebsmodus aufweist, in dem die Maschine also als Asynchronmaschine betrieben werden kann. Bei Asynchronma ^¬ schinen rotiert der Läufer allgemein nicht synchron mit der Netzfrequenz, sondern es liegt ein dauerhafter sogenannter

Schlupf zwischen diesen beiden Größen vor. Mit einem solchen asynchronen Betriebsmodus können elektrische Maschinen auch bei konstanter Netzfrequenz anlaufen, ohne hierfür zusätzliche Motoren und Umrichter zu benötigen.

Gerade bei supraleitenden Synchronmaschinen ist es besonders schwierig, einen zusätzlichen asynchronen Betriebsmodus zur Verfügung zu stellen. Dies liegt daran, dass für den Asyn- chronmodus auf dem Läufer zusätzliche elektrische Leiter be ^¬ nötigt werden, die durch Induktion von Strömen auch im asynchronen Betrieb eines Motors zu einer Drehmomentbildung beitragen oder alternativ im Generatorbetrieb zur Stromerzeugung beitragen. Durch solche zusätzlichen Leiter kommt es aber allgemein zumindest beim Anlaufbetrieb zu zusätzlichen Verlusten, die eine wirksame Kühlung der auf dem Läufer angeord ^¬ neten supraleitenden Erregerspule auf kryogene Temperaturen beeinträchtigen können. Alternativ kann prinzipiell auch die für den Synchronmodus benötigte Erregerwicklung als Läuferwicklung für den Asynchronbetrieb mitbenutzt werden. Allerdings werden dann spezielle Ausgestaltungen der Wicklung benötigt, und es werden häufig zusätzliche äußere Beschaltungs- maßnahmen wie beispielsweise Stern-Dreieck-Schaltungen und Anlaufwiderstände notwendig. Nachteilig bei einer solchen

Ausgestaltung ist in jedem Fall, dass im Asynchronbetrieb ein hoher Wärmeeintrag in die Erregerwicklung erfolgt, die dann beispielsweise bei einer supraleitenden Wicklung auf eine Temperatur oberhalb der Sprungtemperatur des Supraleiters er- wärmt wird.

In der EP1203437B1 ist ein Synchronmotor mit einer supraleitenden Erregerwicklung beschrieben, die zusätzlich einen als Induktionsmodus beschriebenen asynchronen Betriebsmodus auf- weist. Hierzu ist als Teil des Läufers ein Induktionsaufbau vorgesehen, der bei einem asynchronen Notbetrieb des Motors, wenn die Erregerwicklung nicht mehr supraleitend ist, ein Drehmoment erzeugt. Der Induktionsaufbau ist hierbei jedoch in einigen Ausführungsformen so dicht bei den supraleitenden Erregerwicklungen angeordnet, dass im Induktionsmodus die Er ^¬ regerwicklung durch die im Induktionsaufbau auftretende Wär ^¬ meentwicklung noch weiter erwärmt wird. Bei einer speziellen Ausführungsform ist ein Vakuumbereich zur thermischen Isolation zwischen Teilen des Induktionsaufbaus und der Erreger- wicklung beschrieben. Nachteilig ist bei dieser Variante je ^¬ doch, dass die Führung des Erregermagnetfeldes zwischen Erre ^¬ gerwicklung und Ständer durch den größeren Abstand zwischen diesen Elementen erschwert ist. Weiterhin dienen bei den be- schriebenen Ausführungsformen flächige elektromagnetische Ab ^¬ schirmelemente sowie Wände eines Kryostaten als Induktions ^¬ leiter, so dass der Induktionsstrom hier nur in unstrukturierten flächigen Leitern fließen kann.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine elektrische Maschine anzugeben, welche die genannten Nachteile vermeidet. Insbe ^¬ sondere soll die elektrische Maschine als Synchronmaschine ausgestaltet sein, die einen zusätzlichen asynchronen Be- triebsmodus aufweist, bei dem die Eigenschaften der Erreger ^¬ wicklung für den Synchronbetrieb möglichst wenig beeinträchtigt werden.

Diese Aufgabe wird durch die in Anspruch 1 angegebene elek- frische Maschine gelöst. Die erfindungsgemäße elektrische Ma ^¬ schine weist einen Ständer und einen um eine Rotationsachse drehbar gelagerten Läufer auf. Dabei weist der Läufer einen innenliegenden Läuferkern auf, der mit wenigstens einer elektrischen Spulenwicklung versehen ist. Der Läuferkern und die Spulenwicklung sind radial von einem äußeren Läufermantel umhüllt, wobei der Läufermantel eine Mehrzahl von elektrisch leitenden Längsstäben aufweist, die zumindest teilweise an ihren axialen Endbereichen elektrisch leitfähig miteinander verbunden sind. Dabei soll im Folgenden unter einem Längsstab allgemein ein elektrischer Leiter mit einer Richtungskomponente in axialer Richtung verstanden werden. Er muss nicht als freitragender Stab ausgebildet sein, sondern kann als längliches leitfähiges Element von ganz allgemeiner Form vor ^¬ liegen, beispielsweise auch als leitfähige Füllung aus fle- xiblen Materialien oder als Geflecht von Leitersträngen.

Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine liegt darin, dass durch den Läufermantel ein radial zwischen Läuferkern und Ständer angeordnetes Bauteil zur Ver- fügung steht, auf dem zusätzliche elektrische Leiter, hier in Form der Längsstäbe, angeordnet werden können. Durch die we ^¬ nigstens teilweise elektrisch leitfähige Verbindung der

Längsstäbe in den axialen Endbereichen werden diese Leiter zu übergeordneten elektrisch leitfähigen geschlossenen Schleifen verbunden, in denen im Asynchronbetrieb der elektrischen Maschine ein Strom induziert werden kann. Vorteilhaft ist dabei jeder der Längsstäbe mit wenigstens einem anderen Längsstab zu einem geschlossenen Stromkreis verbunden, so dass alle Längsstäbe im asynchronen Betriebsmodus zum induzierten

Stromfluss beitragen können. Es müssen aber nicht alle Längs ^¬ stäbe elektrisch leitfähig mit allen anderen Längsstäben verbunden sein, da sie auch beispielsweise in unterschiedlichen Gruppierungen zu mehreren geschlossenen Stromkreisen verknüpft sein können.

Bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung der elektrischen Maschine dient die auf dem Läuferkern angeordnete elektrische Spulenwicklung als Erregerwicklung für den Synchronbetrieb. Die Kombination von Läuferkern und elektrischer Spulenwicklung wird im Folgenden auch als innerer Läufer bezeichnet. Hierbei ist der Läuferkern beispielsweise mit der Spulenwick ^¬ lung bewickelt, oder die bereits gewickelte Spulenwicklung kann nachträglich auf dem Läuferkern aufgebracht sein. Die

Spulenwicklung kann den Läuferkern wenigstens teilweise umgeben und/oder sie kann anderweitig beispielsweise in radial außenliegenden Bereichen auf dem Läuferkern angeordnet sein. Die vor allem im Asynchronbetrieb elektrisch wirksamen Längsstäbe sind bei der elektrischen Maschine auf dem den inneren Läufer umgebenden Läufermantel angeordnet. Dieser Läufermantel mit den zugehörigen Längsstäben ist dabei mechanisch mit dem inneren Läufer verbunden und rotiert synchron mit diesem. Die Anordnung der im Asynchronbetrieb wirksamen elektrischen Leiter auf einem radial weiter außenliegenden Bereich als die im Synchronbetrieb wirksamer Erregerwicklung ist deshalb vorteilhaft, weil so die Wärmeentwicklung durch im Asynchronbe ^¬ trieb entstehende Verluste einen vorteilhaft geringen Ein- fluss auf die Temperatur der Erregerwicklung hat.

Da durch die spezielle Ausgestaltung der elektrischen Maschine ein asynchroner Betriebsmodus für eine Synchronmaschine zur Verfügung gestellt wird, kann diese elektrische Maschine sowohl im Asynchronbetrieb anfahren als auch in diesem Betriebsmodus kontrolliert herunterfahren. Hierzu werden im Un ^¬ terschied zum Stand der Technik keine zusätzlichen Anfahrum- richter oder Anfahrmotoren benötigt. Auch bei einer Störung während des Betriebs im Synchronmodus kann die elektrische Maschine temporär oder sogar dauerhaft im asynchronen Modus weiterbetrieben werden, ohne dass es dabei zu einer übermäßigen Aufheizung der Erregerwicklung kommt.

Neben der Schaffung eines radialen Bereichs zur Anordnung der elektrisch leitfähigen Längsstäbe weist die Ummantelung des inneren Läufers mit dem Läufermantel noch einen weiteren Vorteil auf: So kann hierdurch der Durchmesser des inneren Läu- fers deutlich kleiner als der Bohrungsdurchmesser des Ständers ausgebildet werden. Gerade bei elektrischen Maschinen für hohe Drehzahlen hat dies den zusätzlichen Vorteil, dass die elektrische Spulenwicklung des inneren Läufers bei glei ^¬ chem Bohrungsdurchmesser des Ständers und bei gleicher Dreh- zahl niedrigeren Zentrifugalkräften ausgesetzt ist. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die elektrische Spulen ^¬ wicklung des inneren Läufers durch Einsatz von Materialien mit hoher Stromtragfähigkeit leicht auf kleinem Raum angeord ^¬ net werden kann.

Die Bezeichnung der elektrischen Leiter des Läufermantels als Längsstäbe soll verdeutlichen, dass diese Leiter eine hohe Richtungskomponente in Richtung der Rotationsachse des Läu ^¬ fers aufweisen. Beispielsweise können diese Längsstäbe paral- lel zur Richtung der Rotationsachse des Läufers ausgerichtet sein. Insbesondere können sie alle parallel auf einer gemein ^¬ samen Zylinderoberfläche angeordnet sein. Alternativ können die Längsstäbe aber auch in einem Winkel zur Rotationsachse angeordnet sein. Durch eine solche leicht schräge Lage können die Anlaufbedingungen der elektrischen Maschine verbessert werden. Beispielsweise können das sogenannte Nutenpfeifen, inhomogene Drehmomente, magnetische Wirbelungen, Rüttelkräfte und/oder Bremsungen vermindert werden. Bei einer solchen Aus- führungsform liegen die Längsstäbe nicht mehr genau parallel zueinander, sondern sind in unterschiedlichen Richtungen, aber vorteilhaft um einen betragsmäßig gleichen Winkel gegen die Rotationsachse des Läufers geneigt. Eine solche Konfigu- ration wird auch als „einfach geschränkt" bezeichnet. Alter ^¬ nativ können bei einer „doppelt geschränkten" oder auch „mehrfach geschränkten" Ausführungsform unterschiedliche axiale Bereiche der Längsstäbe mit verschiedenen Neigungen be ^¬ züglich der Rotationsachse ausgebildet sein. Diese Schränkung wird in der Fachwelt alternativ auch als Schrägung oder Drall bezeichnet. Der Winkel der Längsstäbe mit der Rotationsachse kann beispielsweise bis zu +/- 20 Grad betragen. Besonders vorteilhaft liegt der Winkel bei einer gegebenen Nutenzahl n der Ständerwicklung bei einem Wert von etwa 360°/n.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den von Anspruch 1 abhängigen Ansprüchen hervor. So kann die elektrische Maschine zusätzlich folgende Merkmale aufweisen:

Der Läufermantel kann zu einem mehrheitlichen Teil seines Vo ^¬ lumens aus einem weichmagnetischen Material gebildet sein. Insbesondere kann dieses weichmagnetische Material eine mag ^¬ netische Permeabilitätszahl von wenigstens 30 aufweisen. Ein solches weichmagnetisches Material ist besonders geeignet, um das durch die Erregerwicklung des inneren Läufers erzeugte Magnetfeld zum Ort des Ständers zu führen. Zweckmäßig wird dabei der radiale Abstand zwischen der Außenseite des inneren Läufers und der Innenseite des Ständers zu einem mehrheitli- chen Teil durch dieses weichmagnetische Material gefüllt. Da ^¬ bei kann vorteilhaft ein möglichst kleiner Luftspalt zwischen Ständer und Läufermantel erreicht werden. So kann trotz der geometrischen Entkopplung des Durchmessers des inneren Läufers vom Bohrungsdurchmesser des Ständers trotzdem am Ort des Ständers ein vorteilhaft hohes Magnetfeld erreicht werden. Besonders vorteilhaft sind die Längsstäbe dann in einem au ^¬ ßenliegenden Bereich des Läufermantels angeordnet, so dass sich auch zwischen den Längsstäben und den Ständerwicklungen ein vorteilhaft kleiner wirksamer Spalt ergibt. Ein möglichst dünner Spalt ist gerade für den asynchronen Betriebsmodus be ^¬ sonders wichtig. Die Längsstäbe können gegen das weichmagnetische Material des Läufermantels elektrisch isoliert sein. Dies ist zweckmäßig, da dann die Induktion von elektrischen Strömen in den Längsstäben getrennt von einem möglichen Stromfluss im Material des Läufermantels erfolgt.

Die elektrische Spulenwicklung des Läufers kann als supralei ^¬ tende Spulenwicklung, insbesondere mit einem hochtemperatur- supraleitenden Material, ausgebildet sein. Bei Maschinen mit einer solchen supraleitenden Erregerwicklung können besonders hohe Wirkungsgrade und weitere vorteilhafte Eigenschaften er ^¬ zielt werden. Die Wahl einer supraleitenden Erregerwicklung in Kombination mit einer geometrischen Entkopplung von Durchmesser des inneren Läufers und Bohrungsdurchmesser des Ständers besonders vorteilhaft, da Läuferwicklungen mit supralei- tenden Materialien aufgrund der hohen Stromtragfähigkeit be ^¬ sonders gut kompakt und auf Läufern mit niedrigen Durchmes ^¬ sern ausgestaltet werden können. Andererseits ist es gerade bei empfindlichen supraleitenden Materialien wie keramischen Hochtemperatursupraleitern besonders wichtig, übermäßige me- chanische Belastungen durch hohe Zentrifugalkräfte zu vermei ^¬ den. Elektrische Maschinen mit supraleitenden Erregerwicklung können also besonders vorteilhaft so aufgebaut werden, dass die geometrischen Anforderungen an den Innendurchmesser des Ständers und den Außendurchmesser des inneren Läufers durch einen dazwischen angeordneten, mitrotierenden weichmagnetischen Läufermantel entkoppelt sind.

Andererseits ist es gerade bei supraleitenden Erregerwicklungen besonders schwierig, auf dem Läufer zusätzliche elektri- sehe Leiter für einen asynchronen Betriebsmodus vorzusehen, da durch Stromfluss in diesen Leitern zusätzliche Wärme auf dem Läufer erzeugt wird. Diese zusätzliche Wärme erschwert aber die Kühlung der supraleitenden Erregerwicklung auf ihre Betriebstemperatur. Bei dem beschriebenen Aufbau mit radial weiter außen angeordneten Längsstäben für den asynchronen Betriebsmodus wird dieses Problem dadurch gelöst, dass die Längsstäbe in einem so großen radialen Abstand von der supra- leitenden Spulenwicklung angeordnet werden, dass sie thermisch von dieser entkoppelt werden können.

Bei Vorliegen einer supraleitenden Spulenwicklung im inneren Läufer kann vorteilhaft der gesamte innere Läufer beim Be- trieb der Maschine auf eine Temperatur in der Nähe der Be ^¬ triebstemperatur des Supraleiters gekühlt werden. Besonders vorteilhaft ist dann der innere Läufer vom Läufermantel ther ^¬ misch entkoppelt. Beispielsweise können innerer Läufer und Läufermantel durch thermisch schlecht leitfähige Materialien mit einer thermischen Leitfähigkeit von höchstens 2 W/mK und/oder einem Wärmeleitintegral von höchsten 20 W/cm miteinander verbunden sein. Besonders geeignet hierfür sind beispielsweise glasfaserverstärkte Kunststoffe oder kohlefaser ^¬ verstärkte Kunststoffe.

Der Läufermantel kann zu mehrheitlichen Teilen seines Umfangs eine Dicke von wenigstens 2 cm aufweisen. Besonders vorteil ^¬ haft kann die Dicke wenigstens 5 cm, insbesondere sogar we ^¬ nigstens 20 cm betragen. Der Vorteil dieser Ausführungsform liegt darin, dass der Außendurchmesser des inneren Läufers um wenigstens den genannten Wert der Dicke kleiner gewählt wer ^¬ den kann als der Innendurchmesser des Ständers. Außerdem ergibt sich dann ein ausreichend großer radialer Bereich für die Anordnung der für den asynchronen Betriebsmodus benötig- ten Längsstäbe.

Der äußere Durchmesser des Läufermantels kann um wenigstens 10 % größer sein als der innere Durchmesser des Läufermantels. Besonders vorteilhaft können sich Innendurchmesser und Außendurchmesser um wenigstens 20 % unterscheiden. Die Vorteile dieser Ausführungsformen sind vergleichbar mit denen der oben beschriebenen Mindestwerte für die Nennwandstärke. Die Längsstäbe können in Nuten des Läufermantels angeordnet sein. Besonders vorteilhaft kann der Läufermantel mit einer Mehrzahl von radial außen liegenden Nuten versehen sein, innerhalb derer die Längsstäbe angeordnet sind. Dann ist der Abstand zwischen den Längsstäben und dem Ständer vorteilhaft gering. Der Läufermantel kann allgemein die Grundform eines kreiszylindrischen Hohlkörpers aufweisen, der den inneren Läufer umschließt.

Der Läufermantel, insbesondere das weichmagnetische Material des Läufermantels, kann mit wenigstens einem Paar von diamet ^¬ ral gegenüberliegenden Ausnehmungen versehen sein. Diese Ausnehmungen können zusätzlich zu den oben beschriebenen Nuten für die Längsstäbe vorliegen. Alternativ können solche Ausnehmungen aber auch durch die Nuten selbst gebildet sein.

Der Vorteil einer solchen Ausführungsform ist, dass der Anteil des magnetischen Flusses, der als magnetischer Kurz- schluss zwischen den Polen des Erregermagnetfeldes im Materi ^¬ al des Läufermantels verlorengeht, möglichst klein gehalten wird. Die genannten Ausnehmungen bewirken, dass der im Material des Läufermantels induzierte magnetische Fluss eine be ^¬ sonders hohe radiale Komponente aufweist und dass somit auch ein möglichst hoher magnetischer Fluss zum Ort des Ständers geleitet wird. Dabei sind die genannten Paare von diametral gegenüberliegenden Ausnehmungen besonders geeignet, um die zwischen den magnetischen Polen möglichen Kurzschlusspfade auch paarweise und damit möglichst symmetrisch einzuschränken. Vorteilhaft entsteht dadurch im Luftspalt und/oder am Ort des Ständers ein über dem Umfang betrachtet annähernd si ^¬ nusförmiger Feldverlauf.

Die genannten Ausnehmungen können als Ausnehmungen im weichmagnetischen Material des Läufermantels gebildet sein, wobei die Ausnehmungen zumindest teilweise mit amagnetischem Mate ^¬ rial aufgefüllt sein können. Besonders vorteilhaft können die Ausnehmungen auch im Wesentlichen ganz mit amagnetischem Material gefüllt sein. Unter amagnetischen Materialien sollen hier alle Materialien verstanden werden, die nicht ferromag- netisch oder ferrimagnetisch sind. Auch Legierungen oder andere Stoffgemische mit Permeabilitätszahlen y _r unterhalb von 30 sollen hierbei als amagnetisch gelten. Besonders vorteil- haft können amagnetische Materialien mit Permeabilitätszahlen unterhalb von 10 zum Einsatz kommen. Insbesondere kann auch Luft als amagnetische Füllung für die Ausnehmungen dienen, durch die ein magnetischer Kurzschluss zwischen den Polen des Erregerfeldes verhindert oder verringert werden kann. Beson- ders vorteilhaft sind die Ausnehmungen jedoch zumindest teil ^¬ weise mit einem Feststoff gefüllt, so dass der mit dem Läufer schnell rotierende Läufermantel an diesen Stellen in seiner mechanischen Festigkeit verstärkt wird. Geeignete Materialien für feste amagnetische Füllungen sind beispielsweise amagne- tische Legierungen, insbesondere amagnetischer Stahl, glasfaserverstärkter Kunststoff, kohlefaserverstärkter Kunststoff sowie Titan und dessen Legierungen.

Der Läufermantel kann mit wenigstens zwei diametral gegen- überliegenden Anordnungen von jeweils mehreren in axialer

Richtung beabstandeten Ausnehmungen versehen sein. Insbesondere können zwei oder mehr solcher Anordnungen vorliegen, die jeweils als regelmäßiges Raster oder auch unregelmäßiges Ras ^¬ ter von einzelnen Ausnehmungen ausgebildet sind. Zwischen diesen einzelnen Ausnehmungen kann stellenweise die volle

Nennwandstärke des Läufermantels vorliegen, was beispielswei ^¬ se zu einer höheren mechanischen Stabilität des sich schnell mitdrehenden Läufermantels führen kann. Der Läufermantel kann mit wenigstens zwei diametral gegen ^¬ überliegenden, jeweils radial durchgehenden Unterbrechungen versehen sein. Dies kann vorteilhaft bewirken, dass magneti ^¬ sche Kurzschlusspfade zwischen den Polen abgeschwächt werden können. Solche radial durchgehenden Ausnehmungen im weichmag- netischen Material können besonders vorteilhaft mit amagneti ^¬ schem Material gefüllt sein, um die mechanische Festigkeit des Läufermantels zu gewährleisten. Alternativ oder zusätzlich können die Ausnehmungen als in axialer Richtung beab- standete Anordnungen mehrerer einzelner Ausnehmungen vorliegen, zwischen denen zumindest ein Teil der Wandstärke des Läufermantels erhalten ist. Auch die weiteren beschriebenen vorteilhaften Merkmale der Ausnehmungen des Läufermantels können auf verschiedene Weisen miteinander kombiniert werden.

Die Spulenwicklung zur Erzeugung des Magnetfeldes kann mit einer Polpaarzahl n ausgebildet sein, wobei der Läufermantel wenigstens n Paare von jeweils diametral gegenüberliegenden Ausnehmungen aufweist, und wobei diese Ausnehmungen in Um- laufrichtung jeweils zwischen zwei benachbart liegenden Polen angeordnet sind. Vor allem bei Generatoren sind zweipolige Maschinen weit verbreitet. Bei einer entsprechenden Polpaarzahl von eins kann der Läufermantel dann demnach vorteilhaft wenigstens ein Paar von diametral gegenüberliegenden Ausnehmungen aufweisen, die in Umlaufrichtung zwischen den dann ebenfalls gegenüberliegenden Polen angeordnet sind. Besonders vorteilhaft können die Ausnehmungen im Wesentlichen mittig zwischen den jeweils benachbart liegenden Polen liegen, bei einer zweipoligen Maschine also äquatorial zwischen den Po ^¬ len. Bei elektrischen Maschinen mit einer höheren Polpaarzahl von zwei oder mehr können dann entsprechend höhere Zahlen von Ausnehmungspaaren vorgesehen sein, wobei Ausnehmungen und Pole vorteilhaft so in Umfangsrichtung verteilt sind, dass zwi- sehen jeweils zwei benachbart liegenden Polen immer wenigs ^¬ tens eine solche Ausnehmung angeordnet ist. Insbesondere kön ^¬ nen die Ausnehmungen jeweils in etwa mittig zwischen zwei in Umlaufrichtung benachbarten Polen angeordnet sein. Die mittige Anordnung zwischen benachbarten Polen ist besonders geeig- net, die direkten magnetischen Kurzschlusspfade zwischen den magnetischen Polen zu schwächen und die radialen Komponenten des magnetischen Flusses im Material des Läufermantels zu er ^¬ höhen. Es sind hier wiederum alle Kombinationen mit den oben beschriebenen Ausgestaltungen der Ausnehmungen möglich. Ins- besondere kann an jeder Position in Umlaufrichtung auch eine Reihe von mehreren Ausnehmungen angeordnet sein, die untereinander axial beabstandet sind. Wenn die elektrische Spulenwicklung des inneren Läufers zur Erzeugung eines Magnetfeldes mit einer Polpaarzahl n ausge ^¬ bildet ist, dann kann wenigstens ein Teil der Längsstäbe vor ^¬ teilhaft in Umlaufrichtung zwischen benachbarten Polen ange- ordnet sein. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die Längsstäbe in Nuten im weichmagnetischen Material des Läufermantels angeordnet sind. Bei dieser Ausführungsform erfüllen diese Nuten dann die gleiche Funktion wie die oben beschrie ^¬ benen Ausnehmungen, nämlich eine Abschwächung des magneti- sehen Kurzschlusspfades im Läufermantel im Bereich zwischen den Polen.

Besonders vorteilhaft können die Längsstäbe aus amagnetischem Material ausgebildet sein. Beispielsweise können die Längs- Stäbe aus Kupfer oder Aluminium oder aus diese Metalle ent ^¬ haltenden Legierungen gebildet sein. Die Längsstäbe können beispielsweise im Druckgussverfahren in entsprechenden Aussparungen des Läufermantels eingefügt werden. Dabei können besonders vorteilhaft gleichzeitig die endseitigen elektri- sehen Verbindungen, insbesondere aus demselben Material wie die Längsstäbe, hergestellt werden. Alternativ können die Längsstäbe auch als Stäbe mit unterschiedlichen Profilen in entsprechende Nuten des Läufermantels eingeführt werden und dann nachträglich an den axialen Endseiten mit den benötigten elektrischen Verbindungen untereinander versehen werden.

Zwischen dem Läuferkern mit der elektrischen Spulenwicklung und dem Läufermantel kann ein innerer Spalt angeordnet sein. Mit anderen Worten kann zwischen dem inneren Läufer und dem Läufermantel ein innerer Spalt angeordnet sein. Dieser innere Spalt kann zweckmäßig sein, um die Montage des inneren Läu ^¬ fers im Läufermantel zu vereinfachen. Ähnlich wie beim äuße ^¬ ren Luftspalt zwischen Läufermantel und Ständer ist es zweck ^¬ mäßig, einen solchen inneren Spalt möglichst gering zu hal- ten, beispielsweise zwischen 0,1 mm und 50 mm, insbesondere zwischen 1 mm und 10 mm. Der innere Spalt kann ein Luftspalt sein. Alternativ kann der innere Spalt aber auch evakuiert sein. Im inneren Spalt können weiterhin Stützstrukturen ange- bracht sein, um insbesondere bei axial ausgedehnten Läufern ein Durchbiegen und/oder Unwuchten zu minimieren.

Zwischen dem Läuferkern mit der elektrischen Spulenwicklung und dem Läufermantel kann ein innerer Vakuumbehälter angeordnet sein, der den Läuferkern mit der elektrischen Spulenwicklung vakuumdicht umschließt. Bei dieser Konfiguration ist al ^¬ so eine zusätzliche vakuumdichte Wand im inneren Spalt zwi ^¬ schen Läufermantel und innerem Läufer angeordnet. Zumindest der Teil des inneren Spalts, der zwischen Vakuumbehälter und innerem Läufer liegt, ist dann während des Betriebs evaku ^¬ iert, so dass ein hohes Temperaturgefälle zwischen dem kalten inneren Läufer und dem warmen Läufermantel aufrechterhalten werden kann. Diese Ausführungsform ist besonders vorteilhaft, um eine thermische Kopplung zwischen den Längsstäben des Läufermantels und der elektrischen Spulenwicklung des inneren Läufers möglichst zu minimieren. Hierdurch kann eine Erwärmung einer insbesondere supraleitenden Erregerwicklung durch die im asynchronen Betrieb auftretenden Verluste vorteilhaft reduziert werden.

Bei dieser Ausführungsform mit zusätzlichem Vakuumgefäß im inneren Spalt ist es zweckmäßig, wenn zumindest innerer Läu ^¬ fer und Vakuumgefäß in den axialen Endbereichen durch thermisch schlecht leitfähige Materialien miteinander verbunden sind .

Der Läufermantel kann aus einer Vielzahl von gegeneinander isolierten weichmagnetischen Blechen gebildet sein. Dies ist vorteilhaft, um elektrische Verluste durch im Läufermantel induzierte Wirbelströme möglichst niedrig zu halten. Zweckmä ^¬ ßig sind die einzelnen Bleche mit einander entsprechenden Ausnehmungen versehen, so dass sich bei einem Übereinander- stapeln der Bleche durchgehende Nuten ergeben. Wie oben im Zusammenhang mit der Richtung der Längsstäbe diskutiert, können diese übergeordneten Nuten entweder parallel zur Rotationsachse oder auch in einem Winkel dazu verlaufen. Es können alle Längsstäbe durch zwei axial endseitige Verbin ^¬ dungsstrukturen elektrisch miteinander kurzgeschlossen sein. Bei den endseitigen Verbindungsstrukturen kann es sich insbesondere um Kurzschlussringe handeln. Bei einer derartigen Ausführungsform sind also alle Längsstäbe Teil eines überge ^¬ ordneten Kurzschlusskäfigs. Solche Kurzschlusskäfige werden nach dem Stand der Technik häufig auf Läufern von Asynchronmaschinen verwendet. In der entsprechenden Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dienen sie als käfigförmige elek- frische Leiter für den zusätzlichen asynchronen Betriebsmodus der elektrischen Maschine. Kurzschlusskäfige von Asynchronma ^¬ schinen müssen für die Funktion der Maschine nicht mit einem äußeren Stromkreis verbunden sein. Während des synchronen Betriebsmodus der elektrischen Maschine kann ein solcher Kurz- schlusskäfig zusätzlich vorteilhaft als Dämpferwicklung wirken, beispielsweise um den negativen Einfluss von Schieflas ^¬ ten zu mindern und/oder Pendelungen nach Laststößen zu minimieren .

Alternativ zu der beschriebenen Ausführungsform mit einem übergeordneten Kurzschlusskäfig über alle Längsstäbe können die Längsstäbe auch gruppenweise zu mehreren Teilkäfigen ver ^¬ bunden sein. Beispielsweise können zwei ineinander geschachtelte Teilkäfige gebildet werden, indem in Umlaufrichtung aus jedem zweiten Längsstab ein erster Teilkäfig gebildet wird und aus den dazwischen liegenden übrigen Längsstäben ein zweiter Teilkäfig gebildet wird. Ein Vorteil einer solchen Konfiguration kann unter anderem darin liegen, dass für jeden dieser Teilkäfige eine höhere Schrägung der Längsstäbe ausge ^¬ bildet werden kann.

Alternativ zu den Ausführungsformen mit einem oder mehreren Kurzschlusskäfigen können benachbarte Längsstäbe jeweils paarweise an beiden Enden elektrisch leitfähig miteinander in Form einer geschlossenen Schlaufe verbunden sein. Diese so zueinander gehörenden Paare von Längsstäben sind also beispielsweise an beiden gegenüberliegenden axialen Enden über Verbindungssegmente verbunden, so dass eine geschlossene Spu- le gebildet wird. Hierdurch kann eine Mehrzahl von geschlos ^¬ senen Spulen ausgebildet werden, die entsprechend auf einem gemeinsamen Zylindermandel vorliegen können. Eine solche Anordnung von Läuferspulen für den asynchronen Betriebsmodus ist ähnlich zu den Spulen eines Schleifringläufers in einer herkömmlichen Asynchronmaschine. Dabei können die einzelnen Spulen jeweils über Schleifkontakte mit einem äußeren Stromkreis verbunden sein. Im radialen Zwischenraum zwischen Läuferkern und Läufermantel kann zusätzlich ein Dämpferschirm aus einem elektrisch leitfähigen und amagnetischen Material angeordnet sein. Ein solcher Dämpferschirm kann dabei vorteilhaft die Form eines Zylindermantels aufweisen. Bei dieser Ausführungsform wird die Induktion von Strömen von den elektrischen Leitern im Läufermantel in die elektrische Spulenwicklung des inneren Läufers vorteilhaft verringert. Dadurch können die Verluste minimiert werden. Der Dämpferschirm kann beispielsweise ein Hohlzylinder aus Kupfer oder Aluminium oder Legierungen dieser Metalle sein. Bei einer Ausführungsform mit einem Vakuumbehälter zwischen innerem Läufer und Läufermantel kann der Dämpferschirm besonders vorteilhaft ein Bestandteil dieses Vakuumbehälters sein . Die elektrische Maschine kann sowohl einen Betriebsmodus als Synchronmaschine als auch einen Betriebsmodus als Asynchron ^¬ maschine aufweisen. Die beschriebene Ausgestaltung des Läu ^¬ fers mit einer elektrischen Spulenwicklung in einem radial innenliegenden Bereich und elektrisch miteinander verbundenen Längsstäben in einem radial weiter außenliegenden Bereich ist besonders vorteilhaft dazu geeignet, diese beiden alternati ^¬ ven Betriebsmodi in derselben elektrischen Maschine zu ermög ^¬ lichen. Besonders vorteilhaft kann die elektrische Maschine ohne separaten Anfahrmotor und/oder ohne Anfahrumrichter aus- gestaltet sein. Die Erfindung wird nachfolgend anhand einiger bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die angehängten Zeichnungen beschrieben, von denen:

Fig. 1 einen schematischen Querschnitt einer elektrischen Maschine nach einem ersten Ausführungsbeispiel zeigt,

Fig. 2 einen schematischen Querschnitt einer elektrischen Maschine nach einem zweiten Ausführungsbeispiel zeigt,

Fig. 3 einen schematischen Querschnitt eines Läufermantels nach einem dritten Ausführungsbeispiel zeigt,

Fig. 4 eine schematische perspektivische Ansicht eines Läu- fermantels nach einem vierten Ausführungsbeispiel zeigt,

Fig. 5 eine schematische perspektivische Ansicht eines Läu ^¬ fermantels nach einem fünften Ausführungsbeispiel zeigt und

Fig. 6 einen schematischen Längsschnitt einer elektrischen

Maschine nach einem sechsten Ausführungsbeispiel zeigt .

Fig. 1 zeigt einen schematischen Querschnitt einer elektrischen Maschine 1 nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Gezeigt ist ein Ausschnitt eines hohlzylindrisch ausgebildeten Ständers 3 mit einem Bohrungsdurchmesser 39, in dessen Hohlraum ein Läufer 5 angeordnet ist. Der Läufer weist einen inneren Läuferkern 7 auf, auf dem eine Anordnung aus in diesem Beispiel mehreren gestapelten elektrischen Spulenwicklungen 9 befestigt ist. Diese elektrischen Spulenwicklungen 9 bilden die Erregerwicklung der elektrischen Maschine 1 und sind im betrachteten Ausführungsbeispiel als supraleitende

Spulenwicklungen, hier basierend auf einem keramischen Hochtemperatursupraleiter, ausgeführt. Sie dienen in diesem Beispiel zur Ausbildung eines zweipoligen Magnetfeldes, dessen Verlauf innerhalb des Läuferkerns mit dem Pfeil 11 symboli ^¬ siert ist. Die beiden Pole des Magnetfeldes liegen dabei im oberen und unteren Bereich des in Fig. 1 abgebildeten Läuferkerns 7. Der Läuferkern 7 mit den darauf angeordneten supra- leitenden Spulenwicklungen 9 bildet dabei den insgesamt zylinderförmigen inneren Läufer aus. Dieser innere Läufer ist von einem Läufermantel 13 umgeben, der eine hohlzylindrische Grundform aufweist. Innerhalb der zwischen den beiden Polen liegenden Ebene - die mittig und horizontal durch die Abbil- dung der Fig. 1 verläuft und im Folgenden auch als q-Ebene bezeichnet wird - weist der Hohlkörper des Läufermantels 13 zwei diametral gegenüberliegende Ausnehmungen 21 auf, die sich in diesem Beispiel als Nuten auch in axialer Richtung über die Länge des Läufermantels 13 erstrecken. Im gezeigten ersten Ausführungsbeispiel sind die Nuten offen und nicht mit einem anderen Festkörper gefüllt.

Zwischen dem inneren Läufer und dem Läufermantel 13 ist im gezeigten Beispiel ein schmaler innerer Spalt 35 angeordnet, der die Montage des inneren Läufers im Läufermantel 13 er ^¬ leichtert. Dieser Spalt ist nur 1 mm breit, so dass der Läu ^¬ fermantel sehr eng um den inneren Läufer geführt ist. An seinen beiden axialen Endseiten ist er mechanisch mit dem inneren Läufer verbunden, so dass er synchron mit diesem im In- nenraum des Ständers 3 um die zentrale Rotationsachse 11 ro ^¬ tiert. Zwischen dem Läufermantel 13 und dem Ständer 3 befindet sich ein äußerer Spalt 37, der in diesem Beispiel mit Luft gefüllt ist. Der Läufermantel 13 ist aus einem weichmagnetischen Material, in diesem Beispiel aus einer magnetischen Eisenlegierung gebildet. Er dient der Führung des von der Erregerwicklung 9 erzeugten zweipoligen Magnetfeldes. Die in Fig. 1 mit dem Pfeil 31 bezeichnete radiale Flusskomponente wird durch die hohe Permeabilität des Mantelmaterials verstärkt. Diese radi ^¬ ale Komponente 31 wird im Bereich des Luftspalts 37 auch als Nutzfluss bezeichnet. Am Ort des Ständers 3 setzt sich diese radiale Komponente 31 fort und tritt dort in elektromagneti- sehe Wechselwirkung mit auf dem Ständer 3 angeordneten weiteren elektrischen Spulenwicklungen. Auch im oberen Teil der Fig. 1 ergibt sich dabei eine zu Pfeil 31 analoge und gleich ^¬ gerichtete Flusskomponente, die hier der Übersichtlichkeit halber nicht gezeigt ist.

Für die Funktionsweise der elektrischen Maschine ist es vor ^¬ teilhaft, eine möglichst hohe radiale Komponente 31 des mag ^¬ netischen Flusses zu erzeugen. Ungünstig ist es dabei, wenn sich im Material des Läufermantels 13 ein magnetischer Kurz ^¬ schlusspfad 33 ausbilden kann. Um diesen Kurzschlussanteil 33 möglichst zu reduzieren ist daher der Läufermantel im äquato ^¬ rialen Bereich zwischen den beiden Polen mit den beiden gegenüberliegenden Ausnehmungen 21 versehen, die als amagneti- sehe Unterbrechungen wirken. Die Tiefe 23 der Ausnehmungen beträgt vorteilhaft mehr als die Hälfte der Nenndicke 15 des Läufermantels, so dass der Kurzschlussanteil 33 des magneti ^¬ schen Flusses tatsächlich signifikant reduziert wird. Die Breite 25 der Ausnehmungen ist im gezeigten Beispiel größer als die radiale Tiefe 23. Bei einer zweipoligen Maschine ent ^¬ spricht die Breite 25 der Ausnehmungen vorteilhaft in etwa der Höhe der Spulenwicklungen.

Der Außendurchmesser des inneren Läufers ist gegenüber dem Bohrungsdurchmesser 39 des Ständers 3 reduziert, was zu einer Verringerung der Zentrifugalkräfte im Bereich der elektrischen Spulenwicklungen 9 führt. Durch die vom Innendurchmesser 39 des Ständers 3 entkoppelte Verkleinerung des inneren Läufers können somit höhere Drehzahlbereiche für die elektri- sehe Maschine 1 zugänglich gemacht werden. Dabei dient das weichmagnetische Material des Läufermantels 13 und die Aus ^¬ führung mit äquatorialen Ausnehmungen 21 dazu, am Ort des Ständers trotz dieser Entkopplung ein starkes Erregermagnet ^¬ feld zu erzeugen.

Außerdem steht im Bereich des Läufermantels 13 Platz zur Verfügung, der für die Anordnung von elektrisch leitfähigen Längsstäben 28 innerhalb des Läufermantels 13 genutzt werden kann. Diese Längsstäben 28 sind im Querschnitt der Fig. 1 der Übersichtlichkeit halber nicht gezeigt, auf ihre Ausgestal ^¬ tung wird aber in den nachfolgenden Beispielen näher eingegangen .

Fig. 2 zeigt einen schematischen Querschnitt einer elektrischen Maschine 1 nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Ähnlich wie in Fig. 1 ist wiederum ein Ständer 3 mit darin angeordnetem Läufer 5 gezeigt, wobei der Läufer einen innenliegenden Läuferkern 7 und einen ihn umgebenden Läufermantel 13 aufweist. Auch die weiteren analogen Kompo ^¬ nenten sind mit denselben Bezugszeichen wie in der Fig. 1 versehen. Im gezeigten Beispiel ist der Läufermantel 13 als im Wesentlichen hohlzylindrischer Körper aus axial gestapel- ten weichmagnetischen Eisenblechen zusammengesetzt. Die einzelnen Eisenbleche sind jeweils mit acht nach radial außen hin offenen Ausnehmungen versehen, die über den Blechstapel hinweg zusammen längliche Nuten 26 bilden. In diesen Nuten sind Längsstäbe 28 angeordnet, die aus einem amagnetischen, elektrisch leitfähigen Material gebildet sind, beispielsweise Kupfer oder Aluminium. Wie weiter unten beschrieben können diese Längsstäbe 28 an den axialen Endbereichen des Läufers 5 auf unterschiedliche Weise elektrisch miteinander verbunden sein. In jedem Fall entstehen durch solche Verbindungen über- geordnete Leiterschleifen, durch die ein asynchroner Betriebsmodus der elektrischen Maschine 1 ermöglicht wird.

In der Ebene 29, die zwischen den magnetischen Polen des Erregerfeldes 27 angeordnet ist, sind ähnlich wie in Fig. 2 zwei zusätzliche Ausnehmungen 21 auf der Innenseite des Läu ^¬ fermantels 13 ausgebildet. Diese Ausnehmungen 21 sind Ausneh ^¬ mungen im weichmagnetischen Material des Läufermantels 13. Im zweiten Ausführungsbeispiel sind sie jeweils mit einer Fül ^¬ lung 22 aus amagnetischem Material gefüllt, beispielsweise mit einem amagnetischen Stahl. Auch zwei der Nuten 26 für die Längsstäbe 28 sind im Bereich der q-Ebene 29 angeordnet, so ^¬ dass sich innerhalb dieser Ebene auf jeder Seite nur eine ge ^¬ ringe Restdicke 15a des weichmagnetischen Materials des Läu- fermantels 13 ergibt. Somit ist der magnetische Kurzschluss ^¬ pfad 33 im Läufermantel 13 weitgehend unterdrückt.

Die in Fig. 2 gezeigten acht Längsstäbe sind im Übrigen nur beispielhaft zu verstehen. Es kann unter Umständen auch eine wesentlich höhere Anzahl an Längsstäben vorliegen, beispielsweise zwischen 10 und 50 Längsstäben.

Fig. 3 zeigt einen schematischen Querschnitt eines Läuferman- tels 13 nach einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Auch dieser Läufermantel 13 ist Teil einer elektrischen Maschine, die ähnlich wie in Fig. 1 aufgebaut ist. Insbesondere wird im Inneren des Läufermantels 13 durch einen inneren Läu ^¬ fer ein gleich orientiertes zweipoliges Magnetfeld 27 er- zeugt. Im gezeigten Querschnitt sind beispielhaft sechs

Längsstäbe 28 dargestellt, die hier jeweils eine etwas auf ^¬ wändigere Querschnittsform aufweisen als die relativ einfachen Rundstäbe in Fig. 2. Die Längsstäbe 28 weisen dabei je ^¬ weils einen, radial außen liegenden, Oberstab 28a, einen ra- dial innenliegenden Unterstab 28b und einen diese beiden Tei ^¬ le verbindenden Streusteg 28 c auf. Auch hier sind die Längs ^¬ stäbe 28 in Nuten 26 des Läufermantels 13 ausgebildet. Ihre radiale Höhe beträgt mehr als die Hälfte der Nenndicke 15 des Läufermantels 13, so dass im Bereich der äquatorialen q-Ebene nur eine geringe Restdicke 15a verbleibt. Dies ist wiederum günstig für die Unterdrückung der magnetischen Kurzschlusspfade 33, da auch hier die Längsstäbe 28 aus amagnetischem Material gebildet sind. In der die magnetischen Pole enthal ^¬ tenden Ebene 30 - die hier als d-Ebene bezeichnet werden soll - sind dagegen in diesem Beispiel keine Längsstäbe 28 ange ^¬ ordnet, so dass sich im Bereich der Pole vorteilhaft ein ho ^¬ her radialer Flussanteil 31 im weichmagnetischen Material des Läufermantels 13 ausbildet. Fig. 4 zeigt eine schematische perspektivische Darstellung eines Läufermantels 13 mit mehreren Längsstäben 28, die un ^¬ tereinander durch zwei endseitige Verbindungsringe 40a zu einem übergeordneten Kurzschlusskäfig verbunden sind. Die Funktion dieses Kurzschlusskäfigs im asynchronen Betriebsmo ^¬ dus der Maschine 1 ist analog zu bekannten Kurzschlussläufern in herkömmlichen Asynchronmaschinen. Auch hier sind die

Längsstäbe 28 in Nuten 26 des weichmagnetischen Materials des Läufermantels 13 angeordnet. Die Verbindungsringe 40a können wie hier gezeigt noch axial im Bereich des Läufermantels an ^¬ geordnet sein, oder sie können alternativ axial außerhalb der hohlzylindrischen Trägerstruktur angeordnet sein. Im gezeigten Beispiel sind die Längsstäbe 28 nicht exakt parallel zu der Rotationsachse 11 ausgerichtet, sondern sie sind in einem leichten Winkel in einer einfach geschrägten Konfiguration angeordnet .

Fig. 5 zeigt eine schematische perspektivische Darstellung eines Läufermantels 13 nach einem alternativen Ausführungs ^¬ beispiel der Erfindung. Hier sind benachbarte Längsstäbe 28 jeweils paarweise über endseitige Verbindungssegmente 40b zu geschlossenen Leiterschleifen verbunden. Es ergeben sich also mehrere geschlossene Spulen, die nebeneinander auf der Außenseite des hohlzylindrischen Läufermantels 13 angeordnet sind. Nach der Art von herkömmlichen Schleifringläufern können diese Leiterschleifen jeweils über Schleifringe mit einem äuße ^¬ ren Stromkreis verbunden sein. Im asynchronen Betriebsmodus kann dann ein Stromfluss über diese Schleifringverbindungen erfolgen, der dann im synchronen Betriebsmodus der Maschine 1 weitgehend zu Erliegen kommt.

Fig. 6 zeigt einen schematischen Längsschnitt durch eine elektrische Maschine 1 nach einem sechsten Ausführungsbei- spiel der Erfindung. Gezeigt ist ein ortsfestes Ständeraußengehäuse 41, in dem die Ständerwicklungen 43 auf der Innenseite eines Hohlzylinders angeordnet sind. Innerhalb dieses Ständers befindet sich ein auf einer Rotorwelle 45 mit Lagern 47 drehbar gelagerter Läufer 5. Der Läufer 5 umfasst einen weichmagnetischen Läuferkern 7, auf dem supraleitende Spulenwicklungen 9 als Erregerwicklungen der Maschine angeordnet sind. Der aus Läuferkern 7 und Spulenwicklungen 9 gebildete innere Läufer ist in einem inneren Vakuumbehälter 49 angeord- net, m dem beim Betrieb der Maschine ein Vakuum V vorliegt. Dieses Vakuum V dient der thermischen Isolation des insgesamt auf einem kryogenen Temperaturniveau gehaltenen inneren Läufers von seiner warmen Umgebung. Der innere Läufer ist mit thermisch schlecht leitenden Verbindungselementen 53 mechanisch mit der Rotorwelle 45 verbunden, so dass auch über diese Verbindungen ein hoher Temperaturgradient aufrechterhalten werden kann. Die Rotorwelle 45 ist über Seitenelemente 51 me ^¬ chanisch fest mit dem inneren Vakuumbehälter 49 verbunden, so dass dieser Vakuumbehälter synchron mit der Rotorwelle 45 und dem inneren Läufer rotiert. Auf der Außenseite des Vakuumbe ^¬ hälters 49 ist nun der Läufermantel 13 angeordnet, dessen weichmagnetisches Material das Magnetfeld der Erregerwicklun ^¬ gen 9 zum Ort der Ständerwicklungen 43 führt. Der Läufermantel 13 weist analog zu den vorherigen Beispielen hier nicht gezeigte Längsleiter 28 für den asynchronen Betriebsmodus auf. Besonders im asynchronen Betriebsmodus entsteht im Läu ^¬ fermantel 13 ein Wärmeeintrag durch elektrische Verluste in den Längsstäben 28. Durch den inneren Vakuumbehälter 49 ist dieser Bereich aber thermisch hinreichend vom inneren Läufer isoliert. Die zylindrische Außenwand 57 des inneren Vakuumbe ^¬ hälters erfüllt dabei gleichzeitig die Funktion eines Dämp ^¬ ferschirms zwischen innerem Läufer und Läufermantel 13.

Durch die feste Verbindung mit dem Vakuumbehälter 49 rotiert auch der Läufermantel 13 synchron mit den übrigen Bestandtei ^¬ len des Läufers 5. Im gezeigten sechsten Ausführungsbeispiel wird der innere Läufer durch ein im Innenraum der Rotorwelle 45 zirkulierendes Kühlmittel 55 gekühlt. Es wird also der ge ^¬ samte innere Läufer mit den supraleitenden Spulenwicklungen 9 und dem Läuferkern 7 auf eine Temperatur nahe der Betriebstemperatur des Supraleiters gekühlt. Der Läufermantel 13 da ^¬ gegen befindet sich außerhalb des thermisch isolierenden Vakuumbehälters 49 und wird daher auf einem deutlich höheren Temperaturniveau nahe der warmen Umgebungstemperatur gehalten .