Rotor und Maschine mit supraleitendem Permanentmagneten

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Rotor für eine elektrische Maschine mit einer zentralen Rotorachse, umfas send einen Rotorträger und wenigstens einen von dem Rotorträ ger mechanisch getragenen supraleitenden Permanentmagneten. Weiterhin betrifft die Erfindung eine elektrische Maschine mit einem solchen Rotor.

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

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

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

In der DE102016205216A1 wird eine elektrische Maschine mit supraleitfähigem Permanentmagneten sowie ein Verfahren zum Magnetisieren des Permanentmagneten beschrieben. Supraleiten de Permanentmagnete müssen vor ihrem Betrieb zunächst bei einer kryogenen Temperatur unterhalb der Sprungtemperatur des Supraleiters aufmagnetisiert werden und dann dauerhaft auf einer solchen kryogenen Temperatur gehalten werden. Aufgrund des verlustfreien Stromflusses im Supraleitermaterial wird so ein dauerhafter Magnetisierungszustand erreicht. Um diesen auch über längere Zeit zu erhalten, müssen jedoch sowohl elektromagnetische Verluste als auch eine sonstige uner wünschte Erwärmung des Supraleiters zuverlässig vermieden werden .

Für den Betrieb von elektrischen Maschinen werden typischer weise Umrichter benötigt, welche elektromagnetische Wechsel felder und Oberwellen erzeugen. Durch diese Wechselfelder werden in den elektrisch leitfähigen Elementen der elektri schen Maschine Wirbelströme erzeugt, was wiederum zur Erwär mung dieser leitfähigen Elemente führt. Ein Problem beim Ein satz supraleitender Permanentmagnete für die Erzeugung des Erregerfeldes liegt darin, dass auch diese Permanentmagnete elektrisch leitfähig sind und im Bereich des Rotors den be schriebenen Wechselfeldern ausgesetzt sind. Durch die Wech selwirkung der Permanentmagnete mit diesen Wechselfeldern nimmt die Magnetisierung der Permanentmagnete allmählich ab. Auch die indirekt durch diese elektromagnetische Wechselwir kung erzeugte Wärme im Bereich der Permanentmagnete kann zu einem Verlust der Magnetisierung führen, wenn die Wärme nicht effizient genug abgeführt wird. Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Rotor für eine elektrische Maschine anzugeben, welcher die genannten Proble me im Zusammenhang mit dem Betrieb eines supraleitenden Per manentmagneten überwindet. Insbesondere soll ein Rotor zur Verfügung gestellt werden, welcher einen supraleitenden Per manentmagneten aufweist, wobei ein allmählicher Verlust der Magnetisierung beim Betrieb des Rotors im Vergleich zum Stand der Technik wirksam reduziert ist. Eine weitere Aufgabe ist es, eine elektrische Maschine mit einem solchen Rotor anzuge ben .

Diese Aufgaben werden durch den in Anspruch 1 beschriebenen Rotor und die in Anspruch 15 beschriebene elektrische Maschi ne gelöst.

Der erfindungsgemäße Rotor ist als Rotor für eine elektrische Maschine ausgestaltet. Er weist eine zentrale Rotorachse A auf. Der Rotor umfasst einen Rotorträger, wenigstens einen von dem Rotorträger mechanisch getragenen supraleitenden Per manentmagneten sowie einen Dämpferschirm mit wenigstens einem Abschirmelement. Dieses Abschirmelement umgibt den wenigstens einen supraleitenden Permanentmagneten und ist aus einem elektrisch leitfähigen Material mit einer Leitfähigkeit s von wenigstens 30 -IO ⁶ S/m gebildet.

Unter einem supraleitenden Permanentmagneten soll im vorlie genden Zusammenhang ein Element verstanden werden, welches ein Supraleitermaterial umfasst und welches durch Aufmagneti sierung bei einer kryogenen Temperatur und Aufrechterhaltung dieser kryogenen Temperatur in einen dauerhaft magnetisierten Zustand gebracht werden kann. Der beschriebene Rotor kann insbesondere eine Mehrzahl von solchen supraleitenden Perma nentmagneten umfassen, um ein mehrpoliges Magnetfeld erzeugen zu können.

Der wenigstens eine supraleitende Permanentmagnet soll vom Rotorträger mechanisch getragen werden. Insbesondere kann der supraleitende Permanentmagnet (oder gegebenenfalls die Mehr zahl solcher Permanentmagnete) hierzu auf einer radial außen liegenden Seite des Rotorträgers angeordnet sein. Die Perma nentmagnete können gegebenenfalls in passende Ausnehmungen auf der Außenfläche des Rotorträgers eingebettet sein. Alter nativ können sie auch in innenliegende Ausnehmungen des Ro torträgers eingeschoben sein (beispielsweise von einem axia len Ende aus) .

Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Rotors liegt darin, dass ein überwiegender Teil der beim Betrieb der Ma schine auftretenden elektromagnetischen Wechselfelder durch den außenliegenden Dämpferschirm abgeschirmt wird. Dieser ab geschirmte Teil der Wechselfelder tritt somit nicht in elek tromagnetische Wechselwirkung mit dem/den supraleitenden Per manentmagneten. Auf diese Weise wird der Verlust an Magneti sierung (sowohl der Verlust durch die direkte elektromagneti sche Wechselwirkung als auch der indirekte Verlust durch eine dadurch verursachte Erwärmung des/der Permanentmagneten) wirksam reduziert.

Das Abschirmelement kann den wenigstens einen Permanentmagne ten insbesondere radial umlaufend umgeben. Auf diese Weise ist eine besonders wirksame Abschirmung von elektromagneti schen Wechselfeldern aus radial weiter außen liegenden Berei chen gegeben. Zusätzlich ist es optional auch möglich (aber nicht zwingend erforderlich) , dass eine Umhüllung und somit eine weitere Abschirmung auch auf den axial endständigen Sei ten des Permanentmagneten vorliegt. Diese beiden axial end ständigen Seiten werden im Unterschied zu den radial außen liegenden Seiten häufig auch als Stirnseiten des Rotors be zeichnet. Wesentlich im Zusammenhang mit der vorliegenden Er findung ist aber vor allem eine Abschirmung im Bereich der radial außenliegenden Seiten des Permanentmagneten.

Durch die Wahl eines Materials für das Abschirmelement mit einer elektrischen Leitfähigkeit im genannten Wertebereich ist sichergestellt, dass eine ausreichende Abschirmung der potenziell vorliegenden elektromagnetischen Wechselfelder stattfindet. Insbesondere soll es sich bei dem genannten Ab schirmelement um ein zusätzliches Element des Rotors handeln, welches nicht bereits Teil des Rotorträgers oder Teil eines unter Umständen für die Kühlung benötigten Kryostaten ist.

Der Kerngedanke der vorliegenden Erfindung besteht also da rin, einen Dämpferschirm in der Form von wenigstens einem zu sätzlichen Abschirmelement vorzusehen, welches nicht bereits als mechanisch tragendes Element oder als thermisch isolie rendes Element des Rotors benötigt wird.

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

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfin dung gehen aus den von Anspruch 1 abhängigen Ansprüchen sowie der folgenden Beschreibung hervor. Dabei können die beschrie benen Ausgestaltungen des Rotors und der elektrischen Maschi ne allgemein vorteilhaft miteinander kombiniert werden.

Allgemein vorteilhaft kann der Rotor eine Kühlvorrichtung um fassen, mit welcher der wenigstens eine supraleitende Perma nentmagnet auf eine kryogene Betriebstemperatur unterhalb der Sprungtemperatur des verwendeten Supraleiters gekühlt werden kann. Insbesondere kann die Kühlvorrichtung so ausgestaltet sein, dass der Rotorträger zusammen mit dem wenigstens einen Permanentmagneten auf diese kryogene Betriebstemperatur ge kühlt wird.

Die Kühlvorrichtung kann insbesondere wenigstens einen Kryos taten umfassen, innerhalb dessen die Rotorwicklung angeordnet ist. In einen solchen Kryostaten kann beispielsweise ein flu ides Kühlmittel eingeleitet werden, welches den wenigstens einen supraleitenden Permanentmagneten und den Rotorträger kühlt. Die Kühlvorrichtung kann einen geschlossenen Kühlmit- telkreislauf umfassen, in welchem ein solches fluides Kühl mittel zirkulieren kann. Der Kryostat kann zur besseren ther mischen Isolation einen Vakuumraum aufweisen. Bei diesem Va kuumraum kann es sich beispielsweise um einen ringförmigen Vakuumraum handeln, welcher den Rotorträger und den darauf angeordneten wenigstens einen Permanentmagneten radial umgibt .

Allgemein bevorzugt kann das wenigstens eine Abschirmelement eine Dicke von wenigstens 0,1 mm und insbesondere wenigstens 1 mm aufweisen. Durch die Kombination einer derart hohen Wandstärke mit der oben beschriebenen hohen elektrischen Leitfähigkeit des Materials wird eine entsprechend zuverläs sige Abschirmung von elektromagnetischen Wechselfeldern si chergestellt .

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann das Material des wenigstens einen Abschirmelements Kupfer und/oder Aluminium umfassen. Insbesondere kann eines der genannten Metalle als Hauptbestandteil des Abschirmelements vorliegen. Besonders bevorzugt kann das Abschirmelement im Wesentlichen aus einem der genannten Metalle bestehen. Diese beiden Metalle eignen sich in besonderer Weise für die Herstellung hoch leitfähiger Elemente, besonders wenn sie gemäß einer vorteilhaften Aus führungsform in sehr hoher Reinheit vorliegen. Wenn der Dämp ferschirm mehrere separate Abschirmelemente aufweist, kann vorteilhaft entweder ein Teil dieser Abschirmelemente oder sogar jedes dieser Abschirmelemente aus einem der genannten bevorzugten Materialien und/oder mit einer Wandstärke im be vorzugten Bereich gebildet sein.

Gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsvariante kann der Dämpferschirm ein außenliegendes Abschirmelement umfassen, welches den Rotorträger und den wenigstens einen supraleiten den Permanentmagneten radial umgibt. Insbesondere kann ein solcher Rotor auch mehrere supraleitende Permanentmagnete um fassen, wobei dann das außenliegende Abschirmelement diese Mehrzahl an Permanentmagneten zusammen mit dem Rotorträger radial umgibt.

Insbesondere können Rotorträger und Permanentmagnet (e) von einem solchen außenliegenden Abschirmelement radial umlaufend umschlossen sein. Ein solches außenliegendes Abschirmelement kann vorteilhaft als hohlzylindrisches Element geformt sein. Besonders bevorzugt ist hierbei eine kreiszylindrische Form.

Bei den Ausführungsformen, bei denen der Rotor einen Kryosta- ten umfasst, ist es besonders bevorzugt, wenn der Kryostat Rotorträger und Permanentmagnet (e) radial umschließt und wenn das außenliegende Abschirmelement den Kryostaten radial um schließt. Der wesentliche Vorteil einer solchen Ausführungs form liegt darin, dass Rotorträger und Permanentmagnet (e) in nerhalb des Kryostaten gemeinsam gekühlt werden können, wäh rend das außenliegende Abschirmelement auf einer vergleichs weise warmen Temperatur liegt. Die durch die elektromagneti sche Abschirmung im Abschirmelement auftretenden Verluste treten dann nicht im Kalten auf. Somit wird eine unerwünschte Wärmeentwicklung im kryogenen Bereich des Rotors vorteilhaft vermieden oder zumindest weitgehend reduziert. Das Abschirm element kann im warmen Bereich des Rotors wesentlich einfa cher und effizienter gekühlt werden als dies im kryogenen Be reich des Rotors der Fall wäre.

Bei den Ausführungsformen mit einem außenliegenden Abschirm element kann dieses allgemein vorteilhaft auf seiner Außen fläche mit einer Mehrzahl von Kühlrippen versehen sein. Ein solches außenliegendes Abschirmelement kann insbesondere den Rotor nach radial außen zum Luftspalt der elektrischen Ma schine hin begrenzen. Dabei ist der Luftspalt radial zwischen Rotor und Stator angeordnet. Die Ausführungsform mit außen liegenden Kühlrippen bewirkt den Vorteil, dass die durch die Abschirmung der Wechselfelder im Abschirmelement freigesetzte Wärme besonders leicht über den Luftspalt abgeführt werden kann. Mit anderen Worten kann dann der Luftspalt zur Luftküh lung des außenliegenden Abschirmelements verwendet werden. Die Effektivität einer solchen Luftkühlung wird durch die be schriebenen Kühlrippen verbessert.

Alternativ oder zusätzlich zu den Kühlrippen kann der Rotor ein oder mehrere Lüfterräder aufweisen, um die Außenfläche des Rotors (und insbesondere die des außenliegenden Abschirm elements) beim Betrieb zu kühlen. Insbesondere wird durch solche Lüfterräder während der Drehung des Rotors ein zusätz licher Luftstrom durch den zwischen Rotor und Stator angeord neten Luftspalt bewirkt. Eine derart verstärkte Strömung be wirkt eine noch weiter verbesserte Abführung der im außen liegenden Abschirmelement freigesetzten Wärme.

Alternativ oder zusätzlich kann ein solcher erhöhter Luft strom im Luftspalt auch durch einen zusätzlichen externen Lüfter bewirkt werden, welcher im Gegensatz zur oben be schriebenen Variante selbst nicht Teil des Rotors ist. Ein solcher Lüfter kann beispielsweise axial neben dem Rotor an geordnet sein und entsprechend von einer axial endständigen Seite aus (also einer Stirnseite) einen Luftstrom in den Luftspalt einbringen.

Bei den Ausführungsformen mit einem außenliegenden Abschirm element kann dieses Abschirmelement allgemein vorteilhaft von einem zusätzlichen radial außenliegenden Halteelement umgeben sein. Ein solches Halteelement ist insbesondere dann vorteil haft, wenn das außenliegende Abschirmelement aus einem ver gleichsweise weichen Material (wie Kupfer oder Aluminium) ge bildet ist. Das Halteelement kann dann vorteilhaft eine Ver formung des außenliegenden Abschirmelements durch die Zentri fugalkräfte bei der Drehung des Rotors verhindern oder zumin dest reduzieren. Hierzu kann das Halteelement im Vergleich zum außenliegenden Abschirmelement aus einem mechanisch fes teren Material gebildet sein. Beispielsweise kann das Hal teelement Edelstahl umfassen - insbesondere amagnetischen Edelstahl - und/oder eine nichtmetallische Bandage umfassen. Eine solche nichtmetallische Bandage kann beispielsweise ei- nen glasfaserverstärkten Kunststoff oder einen kohlefaserver stärkten Kunststoff umfassen.

Weiterhin ist es bei den Ausführungsformen mit einem außen liegenden Abschirmelement allgemein vorteilhaft, wenn der Ro tor einen ringförmigen Vakuumraum aufweist, welcher radial zwischen dem außenliegenden Abschirmelement einerseits und dem Rotorträger mit dem wenigstens einen Permanentmagneten andererseits angeordnet ist. Bei einer solchen Ausführungsva riante ist das außenliegende Abschirmelement durch den Vaku umraum thermisch gut von dem Rotorträger und den wenigstens einen Permanentmagneten isoliert, sodass das außenliegende Abschirmelement beim Betrieb des Rotors eine wesentlich höhe re Temperatur aufweisen kann als die weiter innen liegenden kryogenen Elemente. Dies erleichtert wiederum allgemein die Abführung der im außenliegenden Abschirmelement freigesetzten Wärme. Alternativ oder zusätzlich zu dem ringförmigen Vakuum raum kann radial zwischen dem Abschirmelement und dem Rotor träger auch eine andere Art von thermischer Isolation ange ordnet sein (beispielsweise eine zusätzliche Superisolations- Folie innerhalb des Vakuumraums) .

Alternativ oder zusätzlich zu dem beschriebenen außenliegen den Abschirmelement kann der Dämpferschirm wenigstens ein in nenliegendes Abschirmelement aufweisen. Ein solches innenlie gendes Abschirmelement ist jeweils wenigstens einem supralei tenden Permanentmagneten zugeordnet. Statt einem einzelnen supraleitenden Permanentmagneten kann es insbesondere auch einer Gruppe solcher supraleitender Permanentmagnete zugeord net sein. Das innenliegende Abschirmelement umgibt den zuge ordneten supraleitenden Permanentmagneten oder die entspre chende Gruppe jeweils lokal. Hierunter soll verstanden wer den, dass das innenliegende Abschirmelement zusammen mit dem wenigstens einen zugeordneten supraleitenden Permanentmagne ten von dem Rotorträger mechanisch getragen wird. Innenlie gendes Abschirmelement und Permanentmagnet (e) bilden also zu sammen eine Einheit, welche im Folgenden auch als geschirmtes Magnetelement bezeichnet wird. Ein solches geschirmtes Magne- telement kann insbesondere wiederum in einer entsprechenden Aussparung des Rotorträgers angeordnet sein. Hierbei befindet sich ein Teil des innenliegenden Abschirmelements zwischen dem wenigstens einen Permanentmagneten und dem Rotorträger, sodass insbesondere ein direkter Kontakt zwischen dem/den Permanentmagneten und dem Rotorträger vermieden wird. Das ge schirmte Magnetelement kann besonders vorteilhaft ein vorge fertigtes Bauteil bilden. Ein solches vorgefertigtes Bauteil aus dem innenliegenden Abschirmelement und dem wenigstens ei nen zugeordneten supraleitenden Permanentmagneten kann insbe sondere bei der Herstellung des Rotors als Ganzes in eine zu gehörige Aussparung des Rotorträgers eingebettet werden.

Wenn eine Gruppe von zusammengehörigen Permanentmagneten zu sammen von einem innenliegenden Abschirmelement umschlossen wird, können sie zweckmäßig zusammen einen magnetischen Pol ausbilden .

Dadurch, dass das innenliegende Abschirmelement zusammen mit dem/den Permanentmagneten auf dem Rotorträger gehalten wird, kann sich auch das innenliegende Abschirmelement zweckmäßig beim Betrieb des Rotors auf einer kryogenen Temperatur befin den. Dies bewirkt für die elektromagnetische Abschirmung den zusätzlichen Vorteil, dass die elektrische Leitfähigkeit bei einem metallischen Material des innenliegenden Abschirmele ments durch die kryogene Temperatur weiter erhöht ist. Bei spielsweise ist die elektrische Leitfähigkeit von Aluminium oder Kupfer bei einer kryogenen Temperatur wesentlich höher als bei Raumtemperatur. Durch diesen Effekt kann für ein in nenliegendes Abschirmelement bei einem vergleichbaren Materi al eine niedrigere Schichtdicke eingesetzt werden als bei ei nem vergleichbaren außenliegenden Abschirmelement. Beispiels weise kann die Schichtdicke eines solchen innenliegenden Ab schirmelements im Bereich von 0,1 mm bis 10 mm liegen.

Bei einer Ausführungsform mit einem oder mehreren innenlie genden Abschirmelementen können diese gemäß einer ersten vor teilhaften Variante zusätzlich zu einem außenliegenden Ab- schirmelement vorliegen, wie es weiter oben beschrieben wor den ist. Bei einer solchen Kombination ist also der gesamte Dämpferschirm als rein funktionale Einheit zu verstehen und ist aus mehreren räumlich separierten Abschirmelementen ge bildet. Ein solcher zusammengesetzter Dämpferschirm erfüllt insgesamt die Funktion der elektromagnetischen Abschirmung des wenigstens einen Permanentmagneten von unerwünschten Wechselteldern .

Bei einer solchen Kombination von einem außenliegenden Ab schirmelement und wenigstens einem innenliegenden Abschirm element kann die relative Abschirmwirkung der einzelnen Ab schirmelemente prinzipiell unterschiedlich gewählt sein. Bei spielsweise kann es vorteilhaft sein, wenn das außenliegende Abschirmelement den überwiegenden Teil der insgesamt vorlie genden Abschirmung bewirkt. Ein wesentlicher Vorteil dieser Variante kann darin liegen, dass dann der wesentliche Teil der durch die Abschirmung freigesetzten Wärme in der außen liegenden, wärmeren Umgebung abgeführt werden kann. Alterna tiv ist es aber auch möglich, dass die Abschirmwirkung des wenigstens einen innenliegenden Abschirmelements ähnlich oder sogar größer ist. Diese Variante kann vorteilhaft sein, um mit entsprechend weniger zusätzlichem abschirmenden Material eine wirksame Abschirmung zu erreichen und/oder um die Her stellung des Rotors zu vereinfachen.

Alternativ zu der oben beschriebenen Kombination von innen liegender und außenliegender Abschirmung ist es aber auch möglich, dass nur ein oder mehrere innenliegende Abschirmele mente vorliegen. Insbesondere ist dann kein zusätzliches au ßenliegendes radial umhüllendes Element mit der beschriebenen hohen elektrischen Leitfähigkeit gegeben. Bei dieser Ausfüh rungsvariante wird also die Abschirmung der elektromagneti schen Wechselfelder im Wesentlichen in der direkten lokalen Umgebung des wenigstens einen supraleitenden Permanentmagne ten bewirkt. Dadurch dass hier ein zusätzliches außenliegen des Abschirmelement entfällt, kann die Herstellung des Rotors unter Umständen einfacher sein als bei den weiter oben be- schriebenen Varianten. Außerdem kann der Luftspalt dünner ausgeführt werden, wodurch die elektromagnetische Wechselwir kung zwischen Stator und Rotor verbessert werden kann.

Bei den Ausführungsformen, die wenigstens ein innenliegendes Abschirmelement aufweisen, kann dieses thermisch vergleichs weise stärker an den Rotorträger angekoppelt sein als an den wenigstens einen zugeordneten supraleitenden Permanentmagne ten. Bei einer Mehrzahl von innenliegenden Abschirmelementen kann dies insbesondere für jedes dieser Abschirmelemente der Fall sein. Mit anderen Worten ist bei einer solchen Ausfüh rungsform der thermische Widerstand zwischen innenliegendem Abschirmelement und Rotorträger kleiner als der thermische Widerstand zwischen innenliegendem Abschirmelement und dem/den supraleitenden Permanentmagneten. Ein wesentlicher Vorteil dieser Ausführungsform ist, dass die durch die Ab schirmung im innenliegenden Abschirmelement freigesetzte Wär me leicht über den Rotorträger an eine Kühlvorrichtung des Rotors abgeführt werden kann, ohne zu einer wesentlichen Er wärmung des supraleitenden Permanentmagneten zu führen. Eine solche indirekte Erwärmung der Permanentmagneten ist zu ver meiden, da auch sie zu einem unerwünschten Verlust von Magne tisierung führen würde. Die beschriebene Ausführungsform er möglicht also eine Abschirmung der Wechselfelder in unmittel barer Nähe des supraleitenden Permanentmagneten, wobei trotz dem eine merkliche Erwärmung des Permanentmagneten vorteil haft vermieden wird.

Um den Wärmewiderstand zwischen innenliegendem Abschirmele ment und dem wenigstens einen zugeordneten supraleitenden Permanentmagneten entsprechend anzupassen, kann zwischen die sen Elementen eine thermische Isolationsschicht angeordnet sein. Allgemein vorteilhaft kann eine solche thermische Iso lationsschicht aus einem Material mit einer thermischen Leit fähigkeit von höchstens 2 W /m K gebildet sein. Beispielswei se kann die thermische Isolationsschicht aus einem Polymer oder einem polymerhaltigen Material gebildet sein, insbeson dere aus einem gefüllten oder ungefüllten Epoxidharz wie bei- spielsweise Stycast 1266 oder Stycast 2850FT. Allgemein und unabhängig von der genauen Materialwahl kann eine solche thermische Isolationsschicht vorteilhaft eine Schichtdicke zwischen 0,2 mm und 1 mm aufweisen. Eine solche Schichtdicke ist hoch genug, um eine hinreichende thermische Isolation zu bewirken, sodass eine Erwärmung des Permanentmagneten auf grund der Erwärmung im Abschirmelement wirksam reduziert wer den kann. Gleichzeitig ist die Schichtdicke gering genug, um trotzdem den supraleitenden Permanentmagneten zusammen mit dem Rotorträger auf eine kryogene Temperatur kühlen zu kön nen .

Bei einer Ausführungsform mit einem oder mehreren innenlie genden Abschirmelementen können diese jeweils aus einem Ab schirmgefäß und einem Abschirmdeckel zusammengesetzt sein.

Bei dieser Ausführungsvariante können vorteilhaft sowohl Ab schirmgefäß als auch Abschirmdeckel jeweils aus einem ent sprechend hoch leitfähigen Material und gegebenenfalls mit einer entsprechenden geeigneten Wandstärke ausgebildet sein (wie oben beschrieben) . Bei dieser Variante bilden also Gefäß und Deckel zusammen ein entsprechend umhüllendes Abschirmele ment aus. Ein Vorteil einer solchen Ausführungsvariante kann durch eine entsprechend einfachere Fertigung gegeben sein. Beispielsweise kann das Abschirmgefäß fest in den Rotorträger eingebettet sein und unter Umständen zusammen mit diesem ge fertigt werden. Das Einsetzen des wenigstens einen supralei tenden Permanentmagneten in dieses Abschirmgefäß und das an schließende Aufsetzen des Abschirmdeckels kann dann nachträg lich erfolgen.

Allgemein vorteilhaft kann der wenigstens eine supraleitende Permanentmagnet ein hochtemperatursupraleitendes Material aufweisen. Hochtemperatursupraleiter (HTS) sind supraleitende Materialien mit einer Sprungtemperatur oberhalb von 25 K und bei einigen Materialklassen, beispielsweise den Kuprat-Supra leitern, oberhalb von 77 K, bei denen die Betriebstemperatur durch Kühlung mit anderen kryogenen Materialien als flüssigem Helium erreicht werden kann. HTS-Materialien sind auch des- halb besonders attraktiv, da diese Materialien abhängig von der Wahl der Betriebstemperatur hohe obere kritische Magnet felder sowie hohe kritische Stromdichten aufweisen können.

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

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

Gemäß einer ersten Ausführungsvariante kann der wenigstens eine supraleitende Permanentmagnet durch einen Stapel von mehreren supraleitenden Bandleitern gebildet sein. Ein sol cher supraleitender Bandleiter weist typischerweise eine dün ne supraleitende Schicht auf einem bandförmigen Trägersub strat auf. Dabei können zusätzlich optional weitere Schichten dazwischen und/oder über beziehungsweise unter den genannten Schichten vorliegen. Beispielsweise können dann mehrere sol che supraleitende Bandleiter in radialer Richtung bezüglich der Rotorachse übereinander gestapelt sein. Die Hauptrichtung der Stapelung kann aber grundsätzlich auch anders orientiert sein. Zusätzlich können auch in Umfangsrichtung und/oder in axialer Richtung mehrere einzelne Bandleiter im Stapel neben einander vorliegen. Die Bandleiter des gesamten Stapels kön nen optional auch zwischen den einzelnen Stapelschichten ver setzt zueinander angeordnet sein, wobei sich beispielsweise auch die Orientierung der einzelnen Bänder (also die Lage ih rer Längsrichtung) von Stapelebene zu Stapelebene ändern kann. In jedem Fall ist durch die Bildung von Bandleitersta- peln eine einfache Formgebung des supraleitenden Permanent magneten und insbesondere die Ausbildung einer gewünschten Größe auf einfache Weise möglich. Besonders einfach können quaderförmige Permanentmagnete auf diese Weise hergestellt werden. Die als Stapel aus Bandleitern gebildeten supralei tenden Permanentmagnete können allgemein vorteilhaft als vor gefertigte Bauteile hergestellt werden und dann als Ganzes in eine entsprechende Aussparung des Rotorträgers eingelegt wer den, wobei sie vorher optional mit einem innenliegenden Dämp ferschirm umgeben werden können.

Gemäß einer alternativen zweiten Ausführungsvariante kann der wenigstens eine supraleitende Permanentmagnet aber auch durch ein supraleitendes Bulk-Element gebildet sein. Unter einem solchen Bulk-Element soll dabei ein einstückiges Element aus supraleitendem Material verstanden werden. Solche Bulk-Ele- mente können prinzipiell in beliebigen Geometrien hergestellt werden. Insbesondere können auch relativ leicht quaderförmig Permanentmagnete zur Verfügung gestellt werden. Vorteilhafte Materialien für solche Bulk-Elemente sind wiederum beispiels weise Magnesiumdiborid und REBCO.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der elektrischen Ma schine kann der Stator als flüssigkeitsgekühlter Stator aus geführt sein. Dies ist insbesondere bei Ausführungsformen mit einem außenliegenden Abschirmelement zweckmäßig, da dann die in diesem Abschirmelement freigesetzte Wärme zumindest teil weise auch über den Luftspalt hinweg über das Kühlsystem des Stators abgeführt werden kann.

Die Maschine beziehungsweise der Rotor ist bevorzugt für eine Nennleistung von wenigstens 5 MW, insbesondere wenigstens 10 MW, ausgelegt. Mit einer derart hohen Leistung ist sie grund sätzlich für den Antrieb eines Fahrzeugs, insbesondere eines Luftfahrzeugs geeignet. Alternativ kann mit einer derart leistungsstarken Maschine aber auch beim Betrieb als Genera tor der für den Antrieb benötigte elektrische Strom an Bord des Fahrzeugs erzeugt werden. Grundsätzlich kann die Maschine entweder als Motor oder als Generator ausgestaltet sein oder optional für beide Betriebsarten ausgelegt sein. Es kann sich beispielsweise um eine permanenterregte Synchronmaschine han deln. Um die beschriebenen hohen Leistungen zu erzielen, sind hochtemperatursupraleitende Elemente besonders geeignet, da sie besonders hohe Stromdichten erlauben.

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

Figur 1 eine erste Ausführungsform der elektrischen Maschine im schematischen Querschnitt zeigt,

Figur 2 eine zweite Ausführungsform der elektrischen Maschine im schematischen Querschnitt zeigt und

Figuren 3 bis 6 Detailausschnitte von ähnlichen Maschinen im

Bereich der supraleitenden Permanentmagnete zeigen.

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

In Figur 1 ist eine elektrische Maschine 1 im schematischen Querschnitt, also senkrecht zur zentralen Achse A gezeigt.

Die Maschine umfasst einen außenliegenden feststehend ange ordneten Stator 3 und einen innenliegenden um die zentrale Achse A drehbar gelagerten Rotor 5. Die elektromagnetische Wechselwirkung zwischen Rotor 5 und Stator 3 findet dabei über den dazwischenliegenden Luftspalt 15 hinweg statt. Es handelt sich um eine permanenterregte Maschine, welche zur Ausbildung eines Erregerfeldes im Bereich des Rotors eine Mehrzahl von supraleitenden Permanentmagneten 9 aufweist. Querschnitt der Figur 1 sind hier beispielhaft 4 derartige Permanentmagnete über den Umfang des Rotors verteilt. Sie sind in entsprechenden radial außenliegenden Ausnehmungen eines Rotorträgers 7 angeordnet, wobei der Rotorträger 7 die Permanentmagnete 9 mechanisch trägt. In der hier nicht darge stellten axialen Richtung können jedoch zusätzlich noch wei tere als die hier gezeigten vier Permanentmagnete vorliegen, wobei durch eine solche axiale Unterteilung jedoch die magne tische Polzahl der elektrischen Maschine nicht erhöht wird.

Der Rotorträger 7 wird zusammen mit den darauf gehaltenen Permanentmagneten 9 durch eine hier nicht detaillierter dar gestellte Kühlvorrichtung auf eine kryogene Betriebstempera tur gekühlt, welche unterhalb der Sprungtemperatur des in den Permanentmagneten verwendeten Supraleitermaterials liegt. Um diese kryogene Temperatur aufrechtzuerhalten, sind Rotorträ ger 7 und Permanentmagnete 9 zusammen im Innenraum eines Kry- ostaten 11 angeordnet. Zwischen dem Kryostaten und dem Rotor träger 7 befindet sich ein ringförmiger Vakuumraum V zur thermischen Isolation. Im Ausführungsbeispiel der Figur 1 ist der Dämpferschirm des Rotors durch ein außenliegendes Ab schirmelement 13a realisiert. Dieses außenliegende Abschirm element ist als metallischer Hohlzylinder ausgestaltet, wel cher die Außenwand des Kryostaten 11 radial umschließt. Auf diese Weise werden auch die weiter innen liegenden Elemente 7 und 9 radial von dem außen liegenden Abschirmelement 13a um schlossen. Hierdurch können elektromagnetische Wechselfelder aus radial noch weiter außen liegenden Bereichen durch das außenliegende Abschirmelement 13a wirksam abgeschirmt werden, sodass eine Wechselwirkung solcher Felder mit den supralei tenden Permanentmagneten stark reduziert wird. Die hierbei im außenliegenden Abschirmelement 13a durch die auftretenden Wirbelströme freigesetzte Wärme kann zum Luftspalt 15 hin ab geführt werden. Um die Wärmeabfuhr in Richtung des Luftspalts zu erhöhen, kann das außenliegende Abschirmelement 13a auf seiner außenliegenden Fläche mit einer Mehrzahl von Kühlrip pen 14 versehen sein, von denen in Figur 1 beispielhaft nur eine dargestellt ist. Solche Kühlrippen können sich (wie hier angedeutet) entweder axial erstreckenden oder es kann sich um ringförmige Kühlrippen in Umfangsrichtung oder auch um ander weitig orientierte Kühlrippen (beispielsweise auch in Spiral form) handeln. Die im Bereich des außenliegenden Abschirmele ments erzeugte Wärme kann zusätzlich zu der beschriebenen Luftkühlung auch durch ein im Bereich des Stators vorgesehe- nes Kühlsystem zur Kühlung der hier nicht näher dargestellten Statorwicklung mit abgeführt werden.

In Figur 2 ist eine alternative Ausführungsform einer elek trischen Maschine 1 im schematischen Querschnitt gezeigt. Diese Maschine ist prinzipiell ähnlich wie die Maschine der Figur 1 ausgestaltet. Im Unterschied zu dieser weist sie je doch zusätzlich um jeden supraleitenden Permanentmagneten 9 herum noch ein innenliegendes Abschirmelement 13i auf. Im ge zeigten Beispiel der Figur 2 sind diese innenliegenden Ab schirmelemente 13i zusätzlich zu dem bereits beschriebenen außenliegenden Abschirmelement 13a vorhanden. Sie bilden hier also zusammen mit diesem den übergeordneten Dämpferschirm aus. Alternativ kann jedoch die Abschirmung der elektromagne tischen Wechselfelder auch überwiegend oder sogar ausschließ lich durch die inneren Abschirmelemente 13i bewirkt werden. Das außenliegende Abschirmelement 13a ist also für dieses Ausführungsbeispiel als optional anzusehen.

Die innenliegenden Abschirmelemente 13i bewirken also eine lokale Abschirmung der (verbleibenden) Wechselfelder im Be reich der supraleitenden Permanentmagneten 9. Sie sind lokal um diese Permanentmagnete herum angeordnet, sodass sie auch einen Zwischenraum zwischen den Permanentmagneten 9 und dem Rotorträger 7 ausfüllen. Jeder der supraleitenden Permanent magnete 9 wird also zumindest in radialer Richtung vollstän dig von einem jeweils zugeordneten innenliegenden Abschirm element 13i umhüllt. Es ist möglich, dass jedem Permanentmag neten 9 genau ein solches innenliegendes Abschirmelement 13i zugeordnet ist. Alternativ können aber auch mehrere Perma nentmagnete 9 gruppenweise von einem gemeinsamen inneren Ab schirmelement 13i umgeben sein. Dazu können beispielsweise innerhalb eines gemeinsamen inneren Abschirmelements 13i in der hier nicht dargestellten axialen Richtung mehrere Perma nentmagnete 9 hintereinander angeordnet sein. Auch die inne ren Abschirmelemente 13i sind aus einem elektrisch hoch leit fähigen Material gebildet und können so durch Ausbildung von Wirbelströmen die hier vorliegenden elektromagnetischen Wech- selfelder wirksam nach innen abschirmen und so eine direkte Wechselwirkung dieser Felder mit dem supraleitenden Perma nentmagneten 9 vermeiden. Die im Bereich der inneren Abschir melemente 13i dadurch freigesetzte Wärme kann über den Rotor träger 7 abgeführt werden, welcher thermisch an das Kühlsys tem angekoppelt ist. Hierzu ist vorteilhaft der thermische Widerstand zwischen den Elementen 13i und 7 kleiner als der thermische Widerstand zwischen den Elementen 13i und 9.

Figur 3 zeigt einen Detailausschnitt des Rotors einer elek trischen Maschine im schematischen Querschnitt. Gezeigt ist der Bereich eines supraleitenden Permanentmagneten 9, der in eine radial außenliegende Aussparung eines Rotorträgers 7 eingebettet ist. Der übrige Teil der elektrischen Maschine kann beispielsweise ähnlich wie bei der Maschine der Figur 2 ausgestaltet sein. Auch der Permanentmagnet 9 der Figur 3 ist lokal von einem innenliegenden Abschirmelement 13i umgeben, sodass er zusammen mit diesem ein geschirmtes Magnetelement 16 bildet. Dieses geschirmte Magnetelement 16 kann als vorge fertigtes Bauteil hergestellt sein und entsprechend als Gan zes in die dazu passende Aussparung des Rotorträgers 7 einge bettet worden sein. Auch hier können in der nicht dargestell ten axialen Richtung gegebenenfalls noch weitere ähnliche Permanentmagneten 9 als Gruppe innerhalb eines gemeinsamen Abschirmelements 13i angeordnet sein. Beim Beispiel der Figur 3 ist der supraleitende Permanentmagnet 9 als supraleitendes Bulk-Element ausgebildet. Beispielsweise kann es sich dabei um einen einstückigen Quader aus YBCO oder Magnesiumdiborid handeln. Das Material des innenliegenden Abschirmelements 13i kann wiederum vorteilhaft als Hauptbestandteil Aluminium oder Kupfer aufweisen. Die Dicke des innenliegenden Abschirmele ments 13i ist hier mit dl3 angegeben. Diese Dicke kann bei spielsweise im Bereich von 2 mm liegen. Bei einer derartigen Wandstärke kann eine gute elektromagnetische Abschirmung der Wechselfelder gewährleistet werden. Durch die radial umlau fende Anordnung des inneren Abschirmelements 13i sind Perma nentmagnet 9 und Rotorträger 7 zumindest um diese Dicke dl7 beabstandet . Figur 4 zeigt einen Detailausschnitt eines Rotors nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung. Auch hier ist der Bereich um einen supraleitenden Permanentmagneten 9 gezeigt, welcher zusammen mit einem innenliegenden Abschirmelement 13i ein geschirmtes Magnetelement 16 bildet. Im Unterschied zum Beispiel der Figur 3 ist hier jedoch der supraleitende Perma nentmagnet 9 nicht als einstückiger Supraleiter, sondern als Stapel aus einzelnen supraleitenden Bandleitern 10 gebildet. Diese einzelnen Bandleiter können durch ein geeignetes Klebe mittel oder ein anderweitiges Verbindungsmittel zu einem fes ten Stapelpaket miteinander verbunden sein. Die einzelnen supraleitenden Bandleiter sind jeweils durch ein Schichtsys tem aus einer supraleitenden Schicht und optional mehreren weiteren elektrisch leitenden und oder isolierenden Schichten auf einem bandförmigen Trägersubstrat gebildet. Die Supra leiterschicht ist im Vergleich zu diesem Trägersubstrat ver gleichsweise dünn, sodass sie nur einen geringen Bestandteil des Gesamtmaterials des Bandleiterstapels bildet. Trotzdem können auch mit einem solchen supraleitenden Bandleiterstapel vergleichsweise hohe magnetische Flussdichten zur Ausbildung eines Erregerfeldes erreicht werden.

Figur 5 zeigt einen Detailausschnitt eines Rotors nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung. Zusätzlich zu den in Figur 4 dargestellten Elementen ist hier noch eine thermi sche Isolationsschicht 17 gezeigt, die umlaufend um den sup raleitenden Permanentmagneten 9 zwischen diesem und dem in nenliegenden Abschirmelement 13i angeordnet ist. Die Dicke dl7 dieser thermischen Isolationsschicht 17 kann beispiels weise zwischen 0,2 mm und 1 mm liegen. Das Material dieser Isolationsschicht kann beispielsweise durch ein Epoxidharz mit einer vergleichsweise niedrigen thermischen Leitfähigkeit gegeben sein. Durch eine solche thermische Isolationsschicht kann gewährleistet sein, dass die durch die elektrische Ab schirmung im Element 13i freigesetzte Wärme im Wesentlichen durch den Rotorträger 7 an das Kühlsystem des Rotors abge führt wird und nur geringfügig zu einer Erwärmung des supra- leitenden Permanentmagneten 9 beiträgt. Durch die zusätzliche thermische Isolationsschicht sind Permanentmagnet 9 und das zugehörige innere Abschirmelement 13i (zumindest) um die Di cke dl7 beabstandet. Vorteilhaft sind sie im Wesentlichen ge nau durch diese Dicke beabstandet. Beim Beispiel der Figur 5 ist der Permanentmagneten 9 wiederum als Stapel einzelner supraleitender Bandleiter gezeigt. Es kann sich jedoch alter nativ auch wieder um ein Bulk-Element handeln, ähnlich wie beim Beispiel der Figur 3.

Figur 6 zeigt einen Detailausschnitt eines Rotors nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung anstelle des in Figur 4 dargestellten einheitlichen und insbesondere einstü ckigen inneren Abschirmelements 13i ist hier der supraleiten de Permanentmagnet 9 von einem zweigeteilten inneren Abschir melement 13i umgeben. Dieses innere Abschirmelement 13i wird durch ein Abschirmgefäß 21 und einen Abschirmdeckel 23 gebil det. Beide Elemente sind wiederum in sich durchgehend aus ei nem elektrisch hoch leitfähigen Material und mit einer zur Abschirmung geeigneten Dicke gebildet, wie weiter oben ausge führt. Insbesondere durch den leichten seitlichen Überlapp zwischen Abschirmdeckel und Abschirmgefäß ist auch bei dieser zweiteiligen Ausführung eine ausreichende Abschirmung der um gebenden elektromagnetischen Wechselfelder gewährleistet, so- dass eine elektrische Wechselwirkung mit dem innenliegenden supraleitenden Permanentmagneten 9 wirksam vermieden wird. Beim Beispiel der Figur 6 ist der Permanentmagnet 9 wiederum als Stapel einzelner supraleitender Bandleiter gezeigt. Es kann sich jedoch alternativ auch wieder um ein Bulk-Element handeln, ähnlich wie beim Beispiel der Figur 3. Bezugszeichenliste

I elektrische Maschine

3 Stator

5 Rotor

7 Rotorträger

9 supraleitender Permanentmagnet

10 Bandleiter

II Kryostatwand

13a außenliegendes Abschirmelement

13i innenliegendes Abschirmelement

14 Kühlrippe

15 Luftspalt

16 geschirmtes Magnetelement

17 thermische Isolationsschicht

21 Abschirmgefäß

23 Abschirmdeckel

A zentrale Rotorachse

dl3 Dicke des Abschirmelements

dl7 Dicke der thermischen Isolationsschicht

V Vakuumraum