Rotor, Maschine und Verfahren zum Aufmagnetisieren

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 sowie ein Verfahren zum Magnetisieren von wenigstens einem supraleitenden Permanentmagneten eines solchen Rotors.

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. Beispielsweise ist es möglich, mit einem Magneten aus YBCO (Yttrium-Barium-Kupfer-Oxid) bei ca. 30 K ein Magnetfeld mit einer magnetischen Flussdichte von bis zu 8 T zu erzeugen, während ein konventioneller Magnet, bei spielsweise bestehend aus NeFeB, Flussdichten in Größenord nungen von ca. 1,2 T generiert.

In der DE102016205216A1 wird eine elektrische Maschine mit supraleitfähigen Permanentmagneten sowie ein Verfahren zum Magnetisieren der Permanentmagnete beschrieben. Supraleitende Permanentmagnete müssen vor ihrem Betrieb zunächst aufmagne tisiert werden und dann dauerhaft auf einer kryogenen Tempe ratur unterhalb ihrer Sprungtemperatur gehalten werden. Auf grund des verlustfreien Stromflusses im Supraleitermaterial wird so ein dauerhafter Magnetisierungszustand erreicht.

Das in der DE102016205216A1 beschriebene Verfahren zur Magne tisierung der Permanentmagnete ist jedoch vergleichsweise aufwendig, da hierfür der Rotor und der Stator der Maschine voneinander getrennt werden müssen und eine dieser beiden Komponenten der Maschine vorübergehend durch eine spezielle Magnetisierungseinheit ersetzt wird. Hierzu muss die Maschine so ausgestaltet sein, dass Rotor und Stator leicht voneinan der getrennt werden können, was den konstruktiven Aufwand für die elektrische Maschine erhöht. Auch durch die separate Mag netisierungseinheit entsteht ein zusätzlicher apparativer Aufwand, da zusätzlich zu den Komponenten der Maschine eine weitere Einheit zur Verfügung gestellt werden muss, um eine Magnetisierung der Permanentmagnete zu ermöglichen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Rotor zur Verfügung zu stellen, welcher den genannten Nachteil überwindet. Insbesondere soll ein Rotor zur Verfügung ge stellt werden, welcher eine vergleichsweise einfache Magneti sierung eines darin angeordneten supraleitenden Permanentmag- neten erlaubt. Eine weitere Aufgabe ist es, eine elektrische Maschine mit einem solchen Rotor anzugeben. Zusätzlich soll ein Verfahren zur Magnetisierung von wenigstens einem supra leitenden Permanentmagneten eines solchen Rotors angegeben werden .

Diese Aufgaben werden durch den in Anspruch 1 beschriebenen Rotor, die in Anspruch 12 beschriebene elektrische Maschine und das in Anspruch 13 beschriebene Verfahren gelöst.

Der erfindungsgemäße Rotor ist als Rotor für eine elektrische Maschine ausgestaltet. Er weist eine zentrale Rotorachse A auf. Der Rotor umfasst einen Rotorträger und einen von dem Rotorträger mechanisch getragenen supraleitenden Permanent magneten. Der Rotor umfasst ferner eine Magnetisierungsvor richtung mit wenigstens einem supraleitenden Spulenelement, welches den supraleitenden Permanentmagneten umgibt und wel ches zur Aufmagnetisierung des supraleitenden Permanentmagne ten geeignet ist.

Unter einem supraleitenden Permanentmagneten soll im vorlie genden Zusammenhang ein Element verstanden werden, welches ein Supraleitermaterial umfasst und welches durch Aufmagneti sierung und anschließende Aufrechterhaltung einer kryogenen Temperatur in einen dauerhaft magnetisierten Zustand gebracht werden kann. Der beschriebene Rotor kann insbesondere eine Mehrzahl von solchen supraleitenden Permanentmagneten umfas sen, um ein mehrpoliges Magnetfeld erzeugen zu können. Diese Permanentmagnete können so über den Umfang des Rotors ver teilt sein, dass sie (entweder jeweils einzeln oder in Grup pen) den einzelnen magnetischen Polen eines permanentmagneti schen Rotors entsprechen.

Diese supraleitenden Permanentmagnete sind dann - entweder einzeln oder in Gruppen - von mindestens einem jeweils zuge ordneten supraleitenden Spulenelement umgeben. Es können auch mehrere solche supraleitende Spulenelemente einem Permanent magneten oder einer Gruppe von Permanentmagneten zugeordnet sein. Die einem bestimmten Spulenelement zugeordneten Perma nentmagnete werden dabei von dem jeweiligen Spulenelement um geben. Darunter soll verstanden werden, dass sich das Spulen element in einer oder mehreren Windungen um den zugeordneten Permanentmagneten oder die zugeordnete Gruppe von Permanent magneten herum erstreckt.

Das Aufmagnetisieren des jeweiligen supraleitenden Permanent magneten durch das zugeordnete supraleitende Spulenelement wird dadurch erreicht, dass in das supraleitende Spulenele ment ein Strom eingespeist wird. Durch den Stromfluss in dem Spulenelement wird ein Magnetfeld erzeugt, welches innerhalb des supraleitenden Permanentmagneten einen magnetischen Fluss aufprägt. Um diesen magnetischen Fluss dauerhaft in dem Per manentmagneten einzufrieren, wird der supraleitende Perma nentmagnet zweckmäßig auf eine Betriebstemperatur unterhalb der Sprungtemperatur des betreffenden Supraleitermaterials abgekühlt. Diese Abkühlung kann grundsätzlich entweder be reits vor dem Einspeisen, während des Einspeisens oder auch nach dem Einspeisen erfolgen.

Durch die Verwendung von einem supraleitenden Spulenelement für die Erzeugung des Magnetfeldes zur Aufmagnetisierung wird vorteilhaft die Erzeugung vergleichsweise hoher magnetischer Flüsse ermöglicht. Hierzu muss der Rotor zwar mit einem zu sätzlichen supraleitenden Element versehen werden. Allerdings kann der zusätzliche apparative Aufwand dadurch begrenzt wer den, dass eine ohnehin zur Kühlung des Permanentmagneten vor handene Kühleinrichtung auch zur Kühlung des supraleitenden Spulenelements verwendet wird. Um einerseits diesen Effekt besonders gut auszunutzen und andererseits eine effektive Aufmagnetisierung zu erreichen, kann das supraleitende Spu lenelement vergleichsweise dicht um den Permanentmagneten herumgeführt sein.

Die Erfindung beruht also auf der Erkenntnis, dass es unter Umständen apparativ weniger aufwendig sein kann, im Rotor ein zusätzliches Spulenelement zur Magnetisierung „in situ" vor- _Z usehen als eine Magnetisierung mittels einer separaten ex ternen Magnetisierungseinrichtung durchzuführen. Durch die Verwendung eines supraleitenden Spulenelements zur Magneti sierung können hohe magnetische Flüsse auch mit vergleichs weise geringen Leiterquerschnitten und entsprechend geringer zusätzlicher Masse im Rotor erzeugt werden.

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

Das erfindungsgemäße Verfahren dient zum Aufmagnetisieren von wenigstens einem supraleitenden Permanentmagneten eines er findungsgemäßen Rotors. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte :

a) Abkühlen der Magnetisierungsvorrichtung des Rotors auf eine Betriebstemperatur unterhalb der Sprungtemperatur des supraleitenden Materials der wenigstens einen supra leitenden Spuleneinrichtung,

b) Verbinden der Magnetisierungsvorrichtung mit einer äuße ren Stromquelle in einem feststehenden Zustand des Ro tors,

c) Einspeisen eines Magnetisierungsstroms in das wenigstens eine supraleitende Spulenelement der Magnetisierungsvor richtung, wodurch in dem wenigstens einen supraleitenden Permanentmagneten ein magnetischer Fluss ausgebildet wird,

d) Trennung der Magnetisierungsvorrichtung von der äußeren Stromquelle .

Mit anderen Worten wird hier die supraleitende Spuleneinrich tung in ihrem supraleitenden Zustand dazu benutzt, um während eines Stillstands des Rotors temporär bestromt zu werden und somit eine Magnetisierung in den Permanentmagneten einzuprä gen. Die Verbindung der supraleitenden Spuleneinrichtung mit dem äußeren Stromkreis wird nur temporär und nur während des Stillstands des Rotors benötigt. Insbesondere ist bei einem Betrieb des Rotors beziehungsweise bei einem Betrieb der den Rotor enthaltenden elektrischen Maschine keine Verbindung der Magnetisierungsvorrichtung mit dem äußeren Stromkreis mehr nötig. Hierdurch wird der apparative Aufwand für eine Kontak tierungsvorrichtung für die Magnetisierungsvorrichtung deut lich reduziert, da keine elektrische Kontaktierung zwischen einem feststehenden und einem drehenden System benötigt wird. Durch diese Erkenntnis kann der apparative Aufwand im Ver gleich zu einer auch während einer Drehung des Rotors zu bestromenden Spule deutlich reduziert werden. Im Übrigen er geben sich die weiteren Vorteile des erfindungsgemäßen Ver fahrens analog zu den beschriebenen Vorteilen des erfindungs gemäßen Rotors und der erfindungsgemäßen Maschine. Bei dem für die Durchführung des Verfahrens genannten Rotor kann es sich insbesondere um einen Rotor in einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine handeln.

Die genannten Schritte des Verfahrens können insbesondere in der angegebenen Reihenfolge durchgeführt werden. Dies ist je doch nicht zwingend notwendig. Zweckmäßig ist es aber in je dem Fall, wenn Schritt a) vor Schritt c) durchgeführt wird, damit das Spulenelement während des Einspeisens des Magneti sierungsstroms bereits supraleitend ist. Allgemein zweckmäßig ist es weiterhin, wenn Schritt c) nach Schritt b) durchge führt wird oder zumindest durch Schritt b) eingeleitet wird, da die Verbindung mit einer äußeren Stromquelle erst die Ein speisung des Stroms ermöglicht. Analog ist es zweckmäßig, wenn Schritt d) nach Schritt c) oder zumindest am Ende von Schritt c) erfolgt, da eine Trennung von der äußeren Strom quelle die Einspeisung unterbricht. Dagegen ist die Reihen folge der Schritte a) und b) grundsätzlich beliebig zu wäh len .

Zweckmäßig erfolgen zumindest die Schritte b) , c) und d) wäh rend eines Stillstands des Rotors. Während des Schritts a) kann der Rotor dagegen grundsätzlich in einem rotierenden oder einem feststehenden Zustand vorliegen. Auch nach Beendi- gung des Schritts d) kann eine solche Rotation (gegebenen falls wieder) aufgenommen werden, und die elektrische Maschi ne kann danach mit dem nun dauerhaft magnetisierten supralei tenden Permanentmagneten ihren normalen Betriebsmodus aufneh men. Der magnetische Fluss ist dann dauerhaft in den supra leitenden Permanentmagneten eingeprägt und steht zumindest für eine gewisse Betriebsdauer der elektrischen Maschine zur Verfügung, auch ohne dass die Schritte b) , c) und d) erneut durchgeführt werden müssen. Wenn die Magnetisierung aber nach einer gewissen Betriebsdauer abgenommen hat oder auch durch eine Erwärmung des supraleitenden Permanentmagneten über die Sprungtemperatur vollständig zusammengebrochen ist, können die beschriebenen Schritte b) , c) und d) erneut durchgeführt werden. Ein erneutes Abkühlen gemäß Schritt a) ist dagegen nur nötig, wenn zwischenzeitlich die supraleitende Spulenein richtung über ihre Sprungtemperatur hinaus erwärmt wurde.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfin dung gehen aus den von den Ansprüchen 1 und 13 abhängigen An sprüchen sowie der folgenden Beschreibung hervor. Dabei kön nen die beschriebenen Ausgestaltungen des Rotors, der Maschi ne und des Verfahrens allgemein vorteilhaft miteinander kom biniert werden.

So kann der wenigstens eine supraleitende Permanentmagnet vorteilhaft einen Stapel von supraleitenden Bandleitern um fassen beziehungsweise durch solch einen Stapel gebildet sein. Ein solcher supraleitender Bandleiter weist typischer weise eine dünne supraleitende Schicht auf einem bandförmigen Trägersubstrat auf. Dabei können zusätzlich optional weitere Schichten dazwischen und/oder über beziehungsweise unter den genannten Schichten vorliegen. Allgemein besonders vorteil haft können mehrere solche supraleitende Bandleiter in radia ler Richtung (bezüglich der Rotorachse) übereinandergestapelt sein. Die Hauptrichtung der Stapelung kann aber grundsätzlich auch anders orientiert sein. Zusätzlich können auch in Um fangsrichtung und/oder in axialer Richtung mehrere einzelne Bandleiter im Stapel nebeneinander vorliegen. Die Bandleiter des gesamten Stapels können optional auch zwischen den ein zelnen Stapelschichten versetzt zueinander angeordnet sein, wobei sich beispielsweise auch die Orientierung der einzelnen Bänder (also die Lage ihrer Längsrichtung) von Stapelebene zu Stapelebene ändern kann. In jedem Fall ist durch die Bildung von Bandleiterstapeln eine einfache Formgebung des supralei tenden Permanentmagneten und insbesondere die Ausbildung ei ner gewünschten Größe auf einfache Weise möglich. Besonders einfach können quaderförmige Permanentmagnete auf diese Weise hergestellt werden.

Alternativ oder zusätzlich zu der Ausführung mit einem oder mehreren Bandleiterstapeln kann der wenigstens eine supralei tende Permanentmagnet aber auch ein supraleitendes Bulk-Ele- ment umfassen. Insbesondere kann der Permanentmagnet durch ein solches Bulk-Element gebildet sein. Unter einem solchen Bulk-Element soll dabei ein einstückiges Element aus supra leitendem Material verstanden werden. Solche Bulk-Elemente können prinzipiell in beliebigen Geometrien hergestellt wer den. Insbesondere können auch relativ leicht quaderförmige Permanentmagnete zur Verfügung gestellt werden.

Allgemein und unabhängig von der sonstigen Form und Ausge staltung des wenigstens einen supraleitenden Permanentmagne ten kann dieser ein hochtemperatursupraleitendes Material aufweisen. Hochtemperatursupraleiter (HTS) sind supraleitende Materialien mit einer Sprungtemperatur oberhalb von 25 K und bei einigen Materialklassen oberhalb von 77 K, bei denen die Betriebstemperatur durch Kühlung mit anderen kryogenen Mate rialien als flüssigem Helium erreicht werden kann. HTS-Mate- rialien sind auch deshalb besonders attraktiv, da diese Mate rialien abhängig von der Wahl der Betriebstemperatur hohe obere kritische Magnetfelder sowie hohe kritische Stromdich ten 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.

Gemäß einer allgemein vorteilhaften Ausführungsform kann der Rotor eine Mehrzahl von supraleitenden Permanentmagneten auf weisen. Diese können entweder jeweils einzeln oder in Gruppen zusammengefasst einzelnen magnetischen Polen des Rotors zuge ordnet sein. Insbesondere können sie diese magnetischen Pole des Rotors ausbilden. Für die einzelnen Permanentmagnete sind dabei grundsätzlich beliebige Formen möglich.

Wenn ein magnetischer Pol durch eine Gruppe von mehreren Per manentmagneten gebildet ist, dann können die Permanentmagnete innerhalb einer Gruppe beispielsweise in axialer Richtung des Rotors nebeneinander angeordnet sein. Alternativ oder zusätz lich können sie aber auch in azimutaler und/oder radialer Richtung des Rotors nebeneinander angeordnet sein.

Bei all diesen verschiedenen Varianten ist es allgemein zweckmäßig, wenn entweder jedem Permanentmagneten einzeln oder jeder Gruppe von zusammengehörigen Permanentmagneten we nigstens ein supraleitendes Spulenelement zugeordnet ist, so dass dieses Spulenelement den wenigstens einen zugeordneten Permanentmagneten umgibt. Dabei ist es grundsätzlich auch möglich, dass einem Permanentmagneten beziehungsweise einer Gruppe von Permanentmagneten auch mehrere umgebende Spulen elemente zugeordnet sind. In jedem Fall ist es bei einer sol chen Mehrzahl von Permanentmagneten und/oder Spulenelementen zweckmäßig, wenn es zu jedem Permanentmagneten wenigstens ein supraleitendes Spulenelement gibt, mit welchem der zugehörige Permanentmagnet aufmagnetisiert werden kann.

Gemäß einer allgemein vorteilhaften Ausführungsform kann die Magnetisierungsvorrichtung eine Mehrzahl von supraleitenden Spulenelementen aufweisen, welche jeweils entweder einen sup raleitenden Permanentmagneten oder eine Gruppe von supralei tenden Permanentmagneten umschließen. Mit anderen Worten ist dann jedes der Spulenelemente für die Magnetisierung von we nigstens einem ihm zugeordneten Permanentmagneten vorgesehen.

Beim Vorliegen einer Mehrzahl von supraleitenden Spulenele menten in der Magnetisierungsvorrichtung ist es allgemein be sonders vorteilhaft, wenn diese elektrisch in Serie geschal tet sind. Bei dieser Ausführungsform kann auf besonders ein fache Weise eine gleichzeitige und einheitliche Bestromung aller Spulenelemente der Magnetisierungsvorrichtung erreicht werden. Insbesondere sind dann zur Verbindung der Magnetisie rungsvorrichtung mit einer externen (außerhalb des Rotors angeordneten) Stromquelle nur zwei Stromzuführungen nötig. Alternativ oder zusätzlich zu einer solchen Serienschaltung können einzelne Spulenelemente grundsätzlich auch parallel zueinander geschaltet sein. Auch dann ist eine Bestromung mit nur zwei externen Stromzuführungen grundsätzlich möglich, so lange die Mehrzahl von Spulenelementen allgemein elektrisch innerhalb eines gemeinsamen Stromkreises angeordnet ist.

Grundsätzlich kann jedes der supraleitenden Spulenelemente entweder eine oder auch mehrere Windungen des supraleitenden Leiters aufweisen. Besonders vorteilhaft ist es bei einer Mehrzahl von Spulenelementen, wenn diese mit einer unterein ander gleichen Windungszahl ausgebildet sind. Bei dieser Aus führungsform kann über eine Serienschaltung der einzelnen Spulenelemente auf besonders einfache Weise eine untereinan der gleiche Magnetisierung in den einzelnen supraleitenden Permanentmagneten erzeugt werden.

Allgemein vorteilhaft kann das supraleitende Spulenelement oder die Mehrzahl von supraleitenden Spulenelementen so aus gestaltet sein, dass damit innerhalb des wenigstens einen supraleitenden Permanentmagneten eine magnetische Flussdichte von wenigstens 1 T und insbesondere sogar wenigstens 2 T er zeugt werden kann. Beispielsweise kann die erzeugte magneti sche Flussdichte in der Umgebung eines magnetischen Pols in einem Bereich zwischen 1 T und 10 T liegen, insbesondere zwi schen 2 T und 10 T. Gemäß einer allgemein vorteilhaften Ausführungsform kann das supraleitende Spulenelement zwei axial ausgerichtete gerade Spulenschenkel aufweisen, welche azimutal benachbart zu dem zugeordneten supraleitenden Permanentmagneten angeordnet sind. Diese Ausführungsform ist besonders vorteilhaft, weil in einem permanentmagnetischen Rotor typischerweise in azi mutaler Richtung Platz zwischen den Permanentmagneten der einzelnen magnetischen Pole vorhanden ist. Dieser Platz kann also vorteilhaft für die Spulenschenkel der Magnetisierungs vorrichtung genutzt werden. Weiterhin beeinflussen die Spu lenschenkel in dieser Position den radialen Verlauf des durch die Permanentmagnete erzeugten magnetischen Flusses bei einem Betrieb des Rotors (also nach einer Beendigung der Aufmagne tisierung) nicht wesentlich.

Unter der beschriebenen „benachbarten" Anordnung soll hier verstanden werden, dass die axialen Spulenschenkel azimutal neben dem jeweils zugeordneten Permanentmagneten liegen. Sie können insbesondere „direkt benachbart" dazu angeordnet sein, in dem Sinne, dass kein weiteres elektrisch wirksames Element zwischen dem Spulenschenkel und dem zugeordneten Permanent magneten vorliegt. Dabei sollen andere dazwischenliegende Elemente jedoch nicht ausgeschlossen sein. Beispielsweise kann zwischen den axialen Spulenschenkeln und dem zugeordne ten Permanentmagneten jeweils noch eine zusätzliche thermi sche Kopplungsschicht mit einer hohen thermischen Leitfähig keit oder auch eine thermische Isolationsschicht mit einer niedrigen thermischen Leitfähigkeit angeordnet sein.

Die beschriebenen geraden axialen Spulenschenkel können in den axialen Endbereichen des Rotors durch zwei zusätzliche endständige Verbindungsschenkel zu einer ringförmigen Spule miteinander verbunden sein. Auch in diesen axial endständigen Positionen beeinflussen diese Verbindungsschenkel den durch die Permanentmagnete ausgebildeten radialen magnetischen Fluss nicht wesentlich. Die Spulenelemente können bevorzugt einen rechteckförmigen oder rennbahnförmigen Spulenquer- schnitt aufweisen, wobei dann also die geraden Schenkel des Rechtecks beziehungsweise der Rennbahn sich in axialer Rich tung erstrecken und azimutal neben dem zugeordneten Perma nentmagneten liegen.

Allgemein kann durch die räumliche Nähe der axialen Spulen schenkel zu dem zugeordneten Permanentmagneten auf einfache Weise eine starke Magnetisierung erreicht werden. Hierzu ist es allgemein vorteilhaft, wenn der Abstand zwischen den axia len Spulenschenkeln und dem zugeordneten Permanentmagneten höchstens 10 mm beträgt. Beispielsweise kann ein solcher Ab stand vorteilhaft in einem Bereich zwischen 0,2 mm und 5 mm, insbesondere zwischen 1 mm und 5 mm, liegen.

Allgemein vorteilhaft kann die Magnetisierungsvorrichtung des Rotors eine Kontaktierungsvorrichtung zur elektrischen Ver bindung des wenigstens einen supraleitenden Spulenelements mit einem äußeren Stromkreis aufweisen. Besonders vorteilhaft ist diese Kontaktierungsvorrichtung nur in einem feststehen den Zustand des Rotors zur Verbindung mit dem äußeren Strom kreis geeignet. Bei der letztgenannten Ausführungsform kann der apparative Aufwand für die Kontaktierungsvorrichtung vor teilhaft geringgehalten werden. Dies beruht auf der Erkennt nis, dass die Magnetisierung nicht während der Drehung des Rotors vorgenommen werden muss, sondern in einem feststehen den Zustand des Rotors durchgeführt werden kann. Die Kontak tierungsvorrichtung kann beispielsweise ein oder mehrere elektrische Stromzuführungen, elektrische Kontaktstücke, Kon taktbuchsen und/oder Kontaktstecker aufweisen. Sie soll aber insbesondere keine Drehdurchführung und keinen Schleifring- Kontakt aufweisen. Es soll sich also um eine rein stationäre Kontaktierungsvorrichtung handeln .

Gemäß einer ersten vorteilhaften Ausführungsvariante des sup raleitenden Spulenelements kann dieses ein tieftemperatursup raleitendes Material umfassen. Insbesondere kann es sich da bei um einen metallischen Supraleiter handeln, beispielsweise um NbsSn (mit einer Sprungtemperatur von etwa 18 K) oder NbTi (mit einer Sprungtemperatur von etwa 9,2 K) . Derartige Tief temperatursupraleiter sind vergleichsweise kostengünstig und allgemein gut verfügbar. Daher kann bei einer Verwendung sol cher Materialien eine Magnetisierungsvorrichtung mit ver gleichsweise geringem apparativen Aufwand realisiert werden. Die (zumindest für die Phase der Magnetisierung) benötigten tiefen Betriebstemperaturen können heutzutage relativ leicht mit bekannten Kühlvorrichtungen erreicht werden. Auch viele elektrische Maschinen mit Hochtemperatursupraleitern werden heutzutage mit Kühlvorrichtungen ausgestattet, mit denen Be triebstemperaturen unterhalb von 20 K und häufig sogar unter halb von 10 K erreichbar sind. Dieser Umstand kann bei der beschriebenen Ausführungsvariante mit einer tieftemperatur supraleitenden Spuleneinrichtung ausgenutzt werden, um bei den vorhandenen Kühlungsmöglichkeiten eine ansonsten ver gleichsweise wenig aufwändige zusätzliche Magnetisierungsvor richtung zu realisieren. Dabei muss das Tieftemperatursupra- leiter-Material der Spuleneinrichtung auch nicht permanent unterhalb seiner Sprungtemperatur betrieben werden. Es reicht vielmehr aus, wenn dies in der Phase des Aufmagnetisierens der Permanentmagnete der Fall ist. Bei dieser Phase kann es sich um einen sehr kurzen Zeitraum handeln. Ein besonderer Vorteil der metallischen Supraleiter ist die bei diesen Tem peraturen extrem hohe Stromdichte. Zum Beispiel können mit solchen Materialien Stromdichten oberhalb von >1000 A/mm ² bei T = 4.2 K und B = 5 T erreicht werden.

Gemäß einer zweiten alternativen Ausführungsvariante kann das wenigstens eine supraleitende Spulenelement aber auch ein hochtemperatursupraleitendes Material umfassen. Besonders be vorzugt sind auch hierfür die weiter oben im Zusammenhang mit dem supraleitenden Permanentmagneten genannten Materialien. Die hochtemperatursupraleitenden Leiter sind vielfach teurer als vergleichbare Leiter aus tieftemperatur-supraleitendem Material. Allerdings können sie vorteilhaft sein, um mit dem Spulenelement hohe Stromdichten erreichen zu können und/oder um das supraleitende Spulenelement bei einer ähnlichen Be triebstemperatur betreiben zu können wie einen innerhalb des Spulenelements angeordneten hochtemperatursupraleitenden Per manentmagneten .

Allgemein vorteilhaft kann der Rotor eine Kühlvorrichtung aufweisen, die geeignet ist, sowohl den wenigstens einen sup raleitenden Permanentmagneten als auch das wenigstens eine supraleitende Spulenelement auf eine Betriebstemperatur un terhalb der Sprungtemperatur des jeweiligen supraleitenden Materials zu kühlen. Dabei können die Sprungtemperaturen für den Permanentmagneten und das supraleitende Spulenelement grundsätzlich unterschiedlich sein, wenn hierfür verschiedene supraleitende Materialien gewählt werden. Bei einem normalen Betriebszustand des Rotors (insbesondere beim Betrieb einer elektrischen Maschine mit diesem Rotor) muss auch die Sprung temperatur des supraleitenden Spulenelements nicht unbedingt permanent unterschritten werden. Es reicht aus, wenn dies während der Phase der Aufmagnetisierung der Fall ist.

Die Kühlvorrichtung kann insbesondere wenigstens einen Kryos- taten umfassen, innerhalb dessen der Rotorträger mit dem we nigstens einen Permanentmagneten und dem wenigstens einen Spulenelement angeordnet ist. In einen solchen Kryostaten kann beispielsweise ein fluides Kühlmittel eingeleitet wer den, welches den Rotorträger zusammen mit den weiteren Ele menten kühlt. Die Kühlvorrichtung kann einen geschlossenen Kühlmittelkreislauf umfassen, in welchem ein solches fluides Kühlmittel zirkulieren kann. Der Kryostat kann zur besseren thermischen Isolation einen Vakuumraum aufweisen. Bei diesem Vakuumraum kann es sich beispielsweise um einen ringförmigen Vakuumraum handeln, welcher den Rotorträger und den darauf angeordneten wenigstens einen Permanentmagneten radial um gibt. Der wenigstens eine Permanentmagnet und das wenigstens eine Spulenelement sind bevorzugt thermisch an den Rotorträ ger angekoppelt, sodass sie mit diesem zusammen auf eine kry ogene Temperatur gekühlt werden können.

Gemäß einer ersten vorteilhaften Ausführungsvariante der thermischen Ausgestaltung können der supraleitende Permanent- magnet und das zugeordnete supraleitende Spulenelement derart thermisch gekoppelt sein, dass bei einem normalen Betriebszu stand der Kühlvorrichtung der Permanentmagnet und das Spulen element gemeinsam auf eine kryogene Betriebstemperatur ge kühlt werden. Mit anderen Worten sollen der Permanentmagnet und das zugeordnete Spulenelement thermisch so eng gekoppelt sein, dass ihre normale Betriebstemperatur ähnlich ist. Bei spielsweise können dann ihre Temperaturniveaus bei einem Nor malbetrieb einen Unterschied von höchstens 5 K und insbeson dere höchstens 2 K aufweisen. Insbesondere sind bei einem solchen Normalbetrieb sowohl für das supraleitende Material des Permanentmagneten als auch für das supraleitende Material des Spulenelements die jeweiligen Sprungtemperaturen unter schritten, sodass beide Elemente supraleitend sind. Bei spielsweise können bei dieser Ausführungsform der Permanent magnet und das Spulenelement zusammen durch gemeinsame ther mische Ankopplung an den Rotorträger gekühlt werden. Mit an deren Worten bilden sie also gemeinsam ein übergeordnetes zu kühlendes Element aus. Diese erste Ausführungsvariante ist vor allem dann zu bevorzugen, wenn der supraleitende Perma nentmagnet bereits während der Aufmagnetisierung (also wäh rend des Einprägens des magnetischen Flusses in Schritt c) des Verfahrens) im supraleitenden Zustand sein soll. Zwar muss bei dieser Variante ein höheres Magnetfeld erzeugt wer den, um im Endzustand einen vorgegebenen magnetischen Fluss zu erreichen. Auf der anderen Seite ist jedoch bei dieser Va riante eine gemeinsame Kühlung von Permanentmagnet und Spu lenelement möglich, und es kann zwischen der Magnetisierungs phase und dem normalen Betriebszustand des Rotors ein im We sentlichen einheitlicher Kühlungszustand beibehalten werden.

Gemäß einer alternativen, zweiten Ausführungsvariante der thermischen Ausgestaltung kann der Rotor zusätzlich im Be reich des supraleitenden Permanentmagneten ein Heizelement aufweisen. Weiterhin können der supraleitende Permanentmagnet und das zugeordnete supraleitende Spulenelement derart ther misch entkoppelt sein, dass das Spulenelement durch Kühlung mit der Kühlvorrichtung in einen supraleitenden Zustand ge- bracht werden kann, während der Permanentmagnet durch Aufhei zen mit dem Heizelement in einen warmen, normalleitenden Zu stand gebracht wird. Der Vorteil dieser Ausführungsvariante ist, dass der magnetische Fluss in den vergleichsweise warmen (und damit normalleitenden) Supraleiter problemlos eindringt und durch anschließendes Abkühlen unterhalb die Sprungtempe ratur verankert wird. Dies kann unter Umständen bevorzugt sein, weil dann für die gleiche Endmagnetisierung während der Magnetisierungsphase ein niedrigeres Magnetfeld benötigt wird, da der magnetische Fluss das normalleitende Material des supraleitenden Permanentmagneten homogen durchdringt und durch anschließendes Abkühlen unterhalb der Sprungtemperatur dann lokal verankert wird.

Entsprechend zu den beschriebenen Ausführungsvarianten des Rotors, können auch bei dem Verfahren die beiden alternativen Varianten für die thermische Ankopplung zum Einsatz kommen:

So kann gemäß einer ersten vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens der Schritt c) in einem Zustand des Rotors erfol gen, in dem auch der wenigstens eine supraleitende Permanent magnet auf eine kryogene Temperatur unterhalb der Sprungtem peratur seines supraleitenden Materials gekühlt ist. Dies wird vorteilhaft mit einer ersten Ausführungsform des Rotors erreicht, bei der der supraleitende Permanentmagnet und das zugeordnete supraleitende Spulenelement thermisch vergleichs weise eng gekoppelt sind.

Gemäß einer alternativen, zweiten Ausführungsform des Verfah rens kann der Schritt c) in einem Zustand des Rotors erfolgen oder zumindest beginnen, in dem der wenigstens eine supralei tende Permanentmagnet auf einer Temperatur oberhalb der

Sprungtemperatur seines supraleitenden Materials vorliegt. Dies kann insbesondere durch eine thermische Trennung des we nigstens einen supraleitenden Permanentmagneten und des zuge ordneten Spulenelementes erreicht werden (beispielsweise durch eine dazwischenliegende thermische Isolationsschicht) . Weiterhin kann dies durch ein lokales Heizen des supraleiten- den Permanentmagneten mit einem Heizelement erreicht werden. Bei einem solchen Heizelement kann es sich beispielsweise um eine Heizfolie handeln, welche auf den Außenflächen des Per manentmagneten angeordnet ist, die nicht dem Spulenelement benachbart sind.

Wenn der wenigstens eine supraleitende Permanentmagnet für die Phase des Aufmagnetisierens lokal auf eine Temperatur oberhalb der Sprungtemperatur aufgeheizt wird, kann zweckmä ßig der Rotorträger (und das wenigstens eine Spulenelement) auf einem tieferen kryogenen Temperaturniveau bleiben. Dies ermöglicht auch ein vergleichsweise schnelles Abkühlen des supraleitenden Permanentmagneten zurück zu einem supraleiten den Zustand während der Magnetisierungsphase.

Allgemein kann bei dem Verfahren der folgende weitere Schritt vorgesehen sein:

e) Abkühlen des supraleitenden Permanentmagneten auf eine Betriebstemperatur unterhalb der Sprungtemperatur des supraleitenden Materials des Permanentmagneten.

Abhängig von der gewählten Variante für die thermische An kopplung kann dieser zusätzliche Schritt e) entweder vor dem Einspeisen des Stroms in Schritt c) (erste Ausführungsform) oder nach beziehungsweise zeitlich überlappend mit dem Ein speisen des Stroms in Schritt c) (zweite Ausführungsform) er folgen .

Nachfolgend wird die Erfindung anhand zweier bevorzugter Aus führungsbeispiele unter Bezugnahme auf die angehängten Zeich nungen beschrieben, in denen:

Figur 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer elektrischen Ma schine im schematischen Querschnitt zeigt und Figur 2 ein zweites Ausführungsbeispiel einer elektrischen

Maschine im schematischen Querschnitt zeigt.

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 6 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. Im Querschnitt der Figur 1 sind hier beispielhaft vier derartige Permanentmagnete über den Umfang des Rotors verteilt. Sie sind in entsprechenden radial außenliegenden Aussparungen 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 Kühlvorrichtung auf eine kryo gene Betriebstemperatur gekühlt, welche unterhalb der Sprung temperatur des in den Permanentmagneten verwendeten Supra leitermaterials liegt. Um diese kryogene Temperatur aufrecht zuerhalten, sind Rotorträger 7 und Permanentmagnete 9 zusam men im Innenraum eines Kryostaten 11 angeordnet. Zwischen dem Kryostaten und dem Rotorträger 7 befindet sich ein ringförmi ger Vakuumraum V zur thermischen Isolation.

Im Ausführungsbeispiel der Figur 1 sind die einzelnen Perma nentmagnete 9 jeweils als Bandleiterstapel aus einzelnen sup raleitenden Bandleitern 10 gebildet. Dabei ist jeweils eine Vielzahl von solchen supraleitenden Bandleitern 10 in einer radialen Richtung übereinandergestapelt . Die vier einzelnen Permanentmagnete 9 sind jeweils von einem zugeordneten supraleitenden Spulenelement 19 umschlossen. Die Permanentmagnete 9 sind also jeweils im Zentrum eines solchen Spulenelements 19 angeordnet. Die einzelnen Spulenelemente 19 sind hier beispielsweise als Rechteckspulen ausgebildet. Je des der Spulenelemente 19 weist zwei gerade axiale Spulen schenkel auf, welche in der Querschnitts-Darstellung der Fi gur 1 azimutal beidseitig neben den jeweiligen Permanentmag neten 9 gezeigt sind. In den hier nicht dargestellten axialen Endbereichen des Rotors sind diese paarweise zusammengehören den axialen Spulenschenkel jeweils durch endständige Verbin dungsschenkel zu einer ringförmigen Spule geschlossen. Insge samt ist also jedes der Spulenelemente 19 ringförmig um einen zugeordneten Permanentmagneten 9 herumgelegt, wobei jeweils sowohl der radial innenliegende Bereich als auch der radial außen liegende Bereich der Permanentmagnete 9 frei bleibt.

Beim Beispiel der Figur 1 sind die supraleitenden Spulenele mente 19 sehr dicht neben den zugeordneten Permanentmagneten 9 angeordnet. Sie können unter Umständen sogar miteinander in Berührung sein. Beim Beispiel der Figur 1 sind sie jedenfalls thermisch eng miteinander gekoppelt, sodass sie durch den kalten Rotorträger 7 gemeinsam auf ein kryogenes Tempera turniveau gekühlt werden können. Optional kann zwischen den Permanentmagneten 9 und dem zugeordneten Spulenelement 19 auch eine thermische Kopplungsschicht angeordnet sein, wie es hier beispielhaft für den oben dargestellten Permanentmagne ten gezeigt ist.

Durch die Kühlvorrichtung des Rotors werden nicht nur die Permanentmagnete 9, sondern auch die supraleitenden Spulen elemente 19 auf eine kryogene Temperatur unterhalb der

Sprungtemperatur des jeweiligen supraleitenden Materials ge kühlt .

Um die supraleitenden Permanentmagneten 9 zu magnetisieren, wird ein Magnetisierungsstrom in die einzelnen zugeordneten Spulenelemente 19 eingespeist. Hierdurch wird in den innen- liegenden supraleitenden Permanentmagneten 9 ein magnetischer Fluss erzeugt. Dieser magnetische Fluss wird auch nach einem Abschalten des Magnetisierungsstroms dauerhaft erhalten, so lange die Permanentmagnete 9 im supraleitenden Zustand ver bleiben .

Die Einspeisung des Magnetisierungsstroms erfolgt während einer Magnetisierungsphase, bei der der Rotor in einem fest stehenden Zustand ist. In diesem feststehenden Zustand können die supraleitenden Spulenelemente 19 über eine hier nicht dargestellte Kontaktierungsvorrichtung mit einem übergeordne ten Stromkreis und insbesondere mit einer feststehenden ex ternen Stromquelle verbunden werden. Diese Stromquelle liegt also außerhalb des Rotors 5. Die Kontaktierungsvorrichtung ist nicht zur elektrischen Kontaktierung des rotierenden Ro tors, sondern nur zur elektrischen Kontaktierung des festste henden Rotors vorgesehen. Die Spulenelemente 19 bilden zusam men eine Magnetisierungsvorrichtung des Rotors aus. Sie sind in diesem Beispiel elektrisch miteinander in Serie geschal tet. Es fließt also während der Einspeisung ein einheitlicher Magnetisierungsstrom in allen vier Spulenelementen. Auch die Windungszahl der einzelnen Spulenelemente ist untereinander gleich gewählt. Hierdurch wird in den einzelnen Permanentmag neten 9 ein untereinander gleiches magnetisches Flussprofil eingeprägt .

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 sind jedoch die einzelnen Permanentmagnete 9 von dem jeweils zugeordneten Spulenelement 19 thermisch leicht entkoppelt. Hierzu ist im Zwischenraum zwischen diesen beiden Elementen jeweils eine thermische Isolationsschicht 21 angeordnet. Hierdurch wird erreicht, dass während der Magnetisierungsphase die Perma nentmagneten 9 auf einem etwas höheren Temperaturniveau ge halten werden können, bei dem insbesondere das hier vorlie gende Supraleitermaterial oberhalb der Sprungtemperatur ge- halten wird. Um eine solche relative Erwärmung zu ermögli chen, sind im Bereich der Permanentmagnete 9 zusätzliche Heizelemente 22 angeordnet. Im gezeigten Beispiel handelt es sich hierbei um Heizfolien, welche auf der radial innenlie genden Seite und der radial außenliegenden Seite der jeweili gen Permanentmagnete angeordnet sind. Diese Seiten werden nicht von den zugeordneten Spulenelement 19 umhüllt und ste hen daher für eine lokale Erwärmung zur Verfügung.

Um die Permanentmagnete 9 beim Beispiel der Figur 2 zu magne tisieren, wird grundsätzlich ähnlich vorgegangen, wie bereits im Zusammenhang mit der Figur 1 beschrieben. Vor dem Einspei sen des Magnetisierungsstroms werden hier jedoch die Perma nentmagnete 9 durch die Heizelemente 22 lokal so weit aufge heizt, dass sie nicht mehr supraleitend sind. Erst nach dem Einprägen des magnetischen Flusses in die Permanentmagnete 9, werden auch diese auf eine kryogene Temperatur unterhalb der Sprungtemperatur des hier verwendeten Supraleitermaterials abgekühlt .

Nur um zu verdeutlichen, dass statt der supraleitenden Band leiterstapel auch andere Konfigurationen für die Permanent magnete möglich sind, ist in Figur 2 der rechts dargestellte Permanentmagnet beispielhaft als supraleitendes Bulk-Element 9a dargestellt. In einem realen Rotor sind jedoch zweckmäßig die einzelnen Permanentmagnete untereinander gleich ausge staltet .

Durch die im Bereich des Rotors angeordneten supraleitenden Spulenelemente 19 wird also bei beiden Ausführungsbeispielen eine vergleichsweise einfache Magnetisierung der Permanent magnete 9 ermöglicht, wobei die Spulenelemente 19 in einem stationären Zustand des Rotors 5 mit einer feststehenden ex ternen Stromquelle verbunden werden. Nach der Trennung von dieser feststehenden Stromquelle kann der Rotor erstmalig oder wieder in einen rotierenden Zustand versetzt werden. Da bei bleiben die supraleitenden Permanentmagnete 9 in einem dauerhaft magnetisierten Zustand, solange sie unterhalb der Sprungtemperatur des hier verwendeten Supraleitermaterials gehalten werden.

Bezugszeichenliste

1 elektrische Maschine

3 Stator

5 Rotor

6 Luftspalt

7 Rotorträger

9 supraleitender Permanentmagnet

9a supraleitendes Bulk-Element 10 Bandleiter

11 Kryostatwand

13 thermische Kopplungsschicht 19 supraleitendes Spulenelement 21 thermische Isolationsschicht 22 Heizelement

A zentrale Rotorachse

N magnetischer Nordpol

S magnetischer Südpol

V Vakuumraum