Rotor und Maschine mit zylinderförmigem Tragkörper die vorliegende Erfindung betrifft einen Rotor für eine elektrische Maschine mit einer zentralen Rotorachse A, umfas send wenigstens eine supraleitende Spulenanordnung, ein Kühl system zur Kühlung der Spulenanordnung auf eine kryogene Be triebstemperatur und einen Tragkörper, der die wenigstens eine Spulenanordnung von einer radial innenliegenden Seite der Spulenanordnung aus mechanisch trägt, wobei der Tragkör per eine im Wesentlichen zylinderförmige Außenkontur auf weist. Weiterhin betrifft die Erfindung eine elektrische Ma schine mit einem derartigen Rotor.

Nach dem Stand der Technik werden die supraleitenden Spulena nordnungen in supraleitenden Rotoren typischerweise auf in nenliegenden zylindrischen Tragkörpern gehalten, wobei diese Tragkörper gleichzeitig mehrere Funktionen erfüllen: Zum ei nen dient der Tragkörper der mechanischen Halterung der Spu lenanordnungen. Zum anderen bewirkt der Tragkörper meist auch die thermische Ankopplung der supraleitenden Spulenanordnun gen an ein Kühlsystem, um den supraleitenden Leiter auf eine kryogene Betriebstemperatur unterhalb der Sprungtemperatur des Supraleiters zu kühlen. Drittens erfüllt der Tragkörper (oder zumindest Teile davon) auch noch die Funktion der mag netischen Flussführung. Hierzu sind typischerweise wesentli che Teile des Tragkörpers aus ferromagnetischem Material aus gebildet. Um all die genannten Funktionen gleichzeitig erfül len zu können, weist solch ein Tragkörper nach dem Stand der Technik typischerweise eine relativ komplexe Struktur auf, in der sowohl Elemente aus Eisen (zur magnetischen Flussführung) und Elemente aus Kupfer (zur thermischen Ankopplung) mecha nisch fest miteinander verbunden sind. Da bei einer Abkühlung des Rotors von Raumtemperatur auf eine kryogene Betriebstem peratur sehr hohe Temperaturdifferenzen überwunden werden müssen, ist es bei dieser komplexen Struktur auch wichtig, einen stabilen mechanischen Zusammenhalt der einzelnen Kompo- nenten auch in Anbetracht des differenzielle thermischen Schrumpfs der unterschiedlichen Materialien zu gewährleisten. Hierdurch ergibt sich eine hohe Komplexität bei der Auslegung eines solchen Rotors. Ein weiterer Nachteil von derartigen bekannten Rotoren ist ihr hohes Gewicht, da die beiden wich tigen strukturellen Materialien Eisen und Kupfer jeweils eine vergleichsweise hohe Dichte aufweisen. Zur Gewährleistung der Funktionen der magnetischen Flussführung des Eisenjochs und der thermischen Ankopplung der Spulen mittels einer in das Joch eingearbeiteten Kühlbusstruktur aus Kupfer sind gleich zeitig relativ große Mengen der genannten Materialien erfor derlich. Gerade bei Rotoren und rotierenden Maschinen mit vergleichsweise großem Durchmesser ergibt sich hieraus neben der hohen Komplexität auch eine hohe Gesamtmasse des Rotors.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Rotor anzugeben, welcher die genannten Nachteile überwindet. Insbesondere soll ein Rotor zur Verfügung gestellt werden, welcher einen ver gleichsweise einfachen Aufbau des Tragkörpers aufweist, der die Spulenanordnung (en) trägt. Der Tragkörper soll dabei die Anforderungen an die mechanische Stabilität für die Halterung der Spulenanordnung (en) und die thermische Ankopplung zur Kühlung der Spulenanordnung (en) erfüllen. Gleichzeitig soll dabei eine ausreichende magnetische Flussverkettung zwischen Rotor und Stator gewährleistet sein. Insbesondere soll der Rotor möglichst leicht ausgebildet sein. Eine weitere Aufgabe ist es, eine elektrische Maschine mit den genannten Eigen schaften anzugeben.

Diese Aufgaben werden durch den in Anspruch 1 beschriebenen Rotor und die in Anspruch 13 beschriebene elektrische Maschi ne gelöst.

Der erfindungsgemäße Rotor ist ein Rotor für eine elektrische Maschine mit einer zentralen Rotorachse A. Der Rotor umfasst wenigstens eine supraleitende Spulenanordnung. Er umfasst ferner ein Kühlsystem zur Kühlung der Spulenanordnung auf eine kryogene Betriebstemperatur. Weiterhin umfasst er einen Tragkörper, der die wenigstens eine Spulenanordnung von einer radial innenliegenden Seite der Spulenanordnung aus mecha nisch trägt. Dabei weist der Tragkörper eine im Wesentlichen zylinderförmige Außenkontur auf. Der Tragkörper besteht zum überwiegenden Teil aus einem amagnetischen Material, welches eine Dichte von höchstens 4,6 g/cm ³ und eine thermische Leit fähigkeit von wenigstens 10 W/ (m-K) aufweist. Weiterhin ist der Tragkörper dazu ausgestaltet, die supraleitende Spulenan ordnung thermisch an das Kühlsystem anzukoppeln.

Mit anderen Worten soll der zylinderartige Tragkörper als Hauptbestandteil das genannte amagnetische Material mit den angegebenen Eigenschaften aufweisen. Beispielsweise kann die ses genannte amagnetische Material mehr als die Hälfte des festen Volumens des Tragkörpers ausmachen. Alternativ oder zusätzlich kann das genannte amagnetische Material auch mehr als die Hälfte der Masse des Tragkörpers ausmachen. Grund sätzlich soll dabei aber nicht ausgeschlossen sein, dass als Nebenbestandteil ein oder mehrere andere Materialien mit ab weichenden Eigenschaften im Tragkörper vorliegen.

Das genannte amagnetische Material mit den angegebenen Eigen schaften kann selbst entweder ein homogenes Material sein o- der es kann alternativ auch ein zusammengesetzter Material verbund sein, welcher dann in Summe die genannten Eigenschaf ten in Bezug auf Magnetisierbarkeit, Dichte und thermische Leitfähigkeit erfüllen soll. Mit anderen Worten soll es sich dann in einem solchen Fall um die effektiven Eigenschaften des gesamten Materialverbundes handeln, beispielsweise um die effektive thermische Leitfähigkeit und die gemittelte Dichte.

Das Kühlsystem soll allgemein dazu ausgestaltet sein, die we nigstens eine supraleitende Spulenanordnung auf die kryogene Betriebstemperatur zu kühlen. Hierzu kann das Kühlsystem bei spielsweise einen Kühlmittelkanal zur Zirkulation eines kryo genen fluiden Kühlmittels umfassen. Es kann sich dabei um ei nen insgesamt geschlossenen Kühlmittelkreislauf handeln, wo bei allerdings nicht alle Teile dieses Kreislaufs im Bereich des Rotors angeordnet sein müssen, sondern bestimmte Teile wie ein Kaltkopf und eine äußere Kühlmittelzuleitung auch in den feststehenden Bereichen der elektrischen Maschine ange ordnet sein können. Wesentlich für das Kühlsystem des Rotors ist nur, dass insgesamt Strukturen vorhanden sind, über die eine ausreichende thermische Ankopplung der Spuleneinrich tungien) an einen kalten Bereich des Rotors (also beispiels weise an ein in einem Kühlmittelkanal transportiertes Kühl mittel) gewährleistet ist, so dass die Spulenanordnung (en) im supraleitenden Zustand betrieben werden können.

Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung ist es wesent lich, dass der Tragkörper selbst dazu ausgestaltet ist, die supraleitende Spulenanordnung thermisch an das Kühlsystem an zukoppeln. Insbesondere kann der Tragkörper den wesentlichen wirksamen thermischen Pfad zwischen der Spulenanordnung und dem Kühlsystem darstellen, also beispielsweise zwischen der Spulenanordnung und einem in den Tragkörper eingebetteten Kühlmittelkanal. Um dies zu ermöglichen, soll das genannte amagnetische Material des Tragkörpers eine ausreichend hohe thermische Leitfähigkeit im genannten Wertebereich aufweisen.

Unter dem zylinderartigen Tragkörper beziehungsweise der im Wesentlichen zylinderförmigen Außenkontur dieses Tragkörpers soll verstanden werden, dass die einhüllende Form des Trag körpers zylinderförmig ist. Insbesondere kann diese einhül lende Form eine kreiszylindrische Geometrie aufweisen. Dabei soll jedoch grundsätzlich nicht ausgeschlossen sein, dass sich lokal auf der Außenfläche des Tragkörpers leichte Abwei chungen von dieser kreiszylinderförmigen Einhüllenden erge ben: beispielsweise kann der Tragkörper ein oder mehrere Aus sparungen, insbesondere in Form von ebenen Abplattungen auf weisen, durch welche die Auflageflächen zur mechanischen Hal terung der Spulenanordnung (en) gegeben sind. Alternativ oder zusätzlich kann der Tragkörper auf seiner Außenfläche auch ein oder mehrere Vorsprünge aufweisen, beispielsweise um die Spulenanordnung (en) im Zentrum der jeweiligen Spule auszufül len . Der Kerngedanke der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass bei supraleitenden Spulenanordnungen bei ausreichend ho hem Leiterquerschnitt aufgrund ihrer hohen Stromtragfähigkeit weitgehend auf magnetisch flussführende Strukturen im Bereich des Tragkörpers verzichtet werden kann. Dabei soll ein magne tisch flussführender Nebenbestandteil des Tragkörpers (bei spielsweise in Form von kleineren einzelnen Strukturelemen ten) grundsätzlich nicht ausgeschlossen sein. Wesentlich ist, dass der Hauptbestandteil des Tragkörpers aus einem amagneti schen Material gebildet ist. Die Erfindung beruht also auf der Erkenntnis, dass es unter Umständen besser ist, auf die Flussführung durch den Tragkörper (zumindest weitgehend) zu verzichten und stattdessen eine ausreichend hohe Flussverket tung zwischen Rotor und Stator durch eine vergleichsweise ho he Stromtragfähigkeit der Spulenanordnung zu erreichen. Dies kann beispielsweise durch einen vergleichsweise hohen Materi alquerschnitt des supraleitenden Leiters innerhalb der Spu lenanordnung und/oder eine hohe Stromdichte im Leitermaterial selbst erreicht werden. Insgesamt kann die Spulenanordnung so bei einem vergleichsweise hohen Betriebsstrom betrieben wer den, bei dem auf magnetisch flussführende Eigenschaften des Tragkörpers zumindest weitgehend verzichtet werden kann.

Durch die Wahl eines amagnetischen Hauptbestandteils für das Material des Tragkörpers wird es möglich, den Tragkörper mit einer wesentlich geringeren mittleren Dichte als der Dichte von Eisen auszugestalten. Durch die Wahl eines solchen leich ten Materials mit einer Dichte im genannten Wertebereich kann so ein vergleichsweise leichter Rotor realisiert werden. Auch auf zusätzliche schwere Strukturen zur thermischen Ankopplung der Spulenanordnung (en) (insbesondere einen aufwändigen Kühl bus aus Kupfer) kann verzichtet werden, da bereits der Haupt bestandteil des Tragkörpers selbst eine vergleichsweise hohe thermische Leitfähigkeit im genannten Bereich aufweisen soll. Hierdurch kann beispielsweise eine effiziente Kühlung durch enge thermische Anbindung der Spulenanordnung (en) an einen im Tragkörper eingebetteten Kühlmittelkanal gewährleistet wer den .

Insgesamt kann so ein Rotor zur Verfügung gestellt werden, bei dem der Tragkörper gleichzeitig die Anforderungen zur me chanischen Halterung der Spulenanordnung (en) und zu deren Kühlung erfüllt, wobei der Tragkörper trotzdem vergleichswei se einfach aufgebaut ist. Insbesondere kann der Tragkörper aus einer geringeren Anzahl von einzelnen Teilelementen zu sammengesetzt sein als beim Stand der Technik. Weiterhin kann der Tragkörper und somit auch der gesamte Rotor vergleichs weise leicht ausgebildet sein.

Die erfindungsgemäße elektrische Maschine umfasst einen er findungsgemäßen Rotor und einen feststehend angeordneten Sta tor. Der Rotor kann dabei insbesondere um die zentrale Rotor achse A drehbar gelagert sein. Die Vorteile der erfindungsge mäßen Maschine ergeben sich analog zu den oben angegebenen Vorteilen des erfindungsgemäßen Rotors.

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 und der elektrischen Maschine allgemein vorteilhaft miteinander kom biniert werden.

Allgemein vorteilhaft kann die Dichte des amagnetischen

Hauptbestandteils des Tragkörpers auf einen Mittelwert von 3 g/cm ³ oder weniger begrenzt sein.

Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform kann das amagnetische Material des Tragkörpers Aluminium umfassen. Insbesondere kann dieser amagnetische Hauptbestandteil des Tragkörpers entweder im Wesentlichen durch Aluminium selbst oder durch eine aluminiumhaltige Legierung gebildet sein. Aluminium ist besonders geeignet, um die genannten Anforde rungen an Dichte und thermische Leitfähigkeit zu erfüllen und gleichzeitig auch bei tiefen Temperaturen eine hohe mechani sche Festigkeit zu gewährleisten. Das Aluminium oder die Alu miniumlegierung muss jedoch auch bei dieser Ausführungsform nicht der einzige Materialbestandteil des Tragkörpers sein. Beispielsweise kann in eine tragende Grundstruktur aus Alumi nium beziehungsweise einer Aluminiumlegierung nach Art einer Fachwerkstruktur ein weiteres Material eingebettet sein, wel ches dem Tragkörper zusätzliche vorteilhafte Eigenschaften verleiht. Bei diesem weiteren Material kann es sich bei spielsweise um ein thermisch noch besser leitfähiges Material und/oder um ein noch leichteres Material handeln. Alternativ oder zusätzlich kann es sich bei einem solchen eingebetteten Material aber auch um einen Nebenbestandteil des Tragkörpers handeln, welcher nicht die weiter oben genannten Materialan forderungen erfüllt. Insbesondere kann es sich dabei auch um ein magnetisch flussführendes Material handeln, welches in nerhalb der durch den Hauptbestandteil gebildeten Stützstruk tur in Form von einem oder mehreren zusätzlichen Elementen vorliegt. Im Übrigen ist die beschriebene Ausführung des Tragkörpers mit einer fachwerkartigen Zusammensetzung aus einer Stützstruktur und einer Füllung nicht auf die Wahl von Aluminium als amagnetischem Hauptbestandteil beschränkt, son dern sie kann allgemein auch in Kombination mit anderen tra genden Materialien zum Einsatz kommen.

Alternativ zu der Wahl von Aluminium oder einer Aluminiumle gierung als amagnetischem Bestandteil des Tragkörpers kann dieser auch einen Faserverbundwerkstoff umfassen. Ein solcher Faserverbundwerkstoff kann beispielsweise entweder selbst den Hauptbestandteil des Tragkörpers bilden oder aber er kann als zusätzliche Füllung in eine tragende Struktur aus einem ande ren Material eingebettet sein. Beispielsweise kann eine me chanisch tragende Struktur aus einem aluminiumhaltigen Mate rial mit einzelnen Elementen aus einem Faserverbundwerkstoff gefüllt sein. Umgekehrt kann jedoch auch eine mechanisch tra gende Struktur aus einem Faserverbundwerkstoff mit einzelnen Elementen aus einem aluminiumhaltigen Material gefüllt sein, beispielsweise um die effektive thermische Leitfähigkeit des gesamten Tragkörpers im Vergleich zum reinen Faserverbund werkstoff zu erhöhen. Bei einer solchen Ausführungsform kann beispielsweise im Bereich zwischen einem eingebetteten Kühl mittelkanal und einer außen aufliegenden Spulenanordnung zur erleichterten thermischen Ankopplung ein metallisches Element (oder mehrere) innerhalb eines Faserverbundwerkstoffs vorge sehen sein. Alternativ oder zusätzlich kann jedoch ein sol cher Faserverbundwerkstoff auch mit einem fein verteilten me tallischen Füllstoff versehen sein, um die thermische Leitfä higkeit des Faserverbundwerkstoffs insgesamt zu erhöhen.

Allgemein kann der Tragkörper dazu ausgestaltet sein, beim Betrieb des Rotors auf einer kryogenen Betriebstemperatur vorzuliegen. Unter einer solchen kryogenen Betriebstemperatur soll beispielsweise eine Temperatur unterhalb von 77 K und/oder eine Temperatur unterhalb der Sprungtemperatur des Supraleiters verstanden werden. Ein solcher Betrieb des Trag körpers „im Kalten" ermöglicht vorteilhaft, dass eine thermi sche Anbindung der Spulenanordnung (en) an das Kühlsystem durch das Material des Tragkörpers vermittelt wird.

Allgemein bevorzugt und unabhängig von der genauen Ausführung und Materialwahl kann der Tragkörper wenigstens einen darin eingebetteten Kühlmittelkanal zum Transport eines fluiden Kühlmittels umfassen. Insbesondere kann der Tragkörper (oder ein Teilelement davon) eine zylindermantelförmige Grundstruk tur aufweisen und der wenigstens eine Kühlmittelkanal kann so in diesen Zylindermantel eingebettet sein, dass fluides Kühl mittel über diesen Kanal in die Nähe der supraleitenden Spu lenanordnung geleitet werden kann. Beispielsweise kann der kleinste Abstand zwischen der Spulenanordnung und dem in den Tragkörper eingebetteten Kühlmittelkanal hierzu allgemein vorteilhaft 10 mm oder noch weniger betragen. Maßgeblich für die thermische Anbindung der Spulenanordnung an das Kühlmit tel ist dann insbesondere die effektive thermische Leitfähig keit desjenigen Materials, das im Bereich zwischen Kanal und Spulenanordnung den Tragkörper ausbildet. Besonders vorteilhaft kann der Tragkörper eine Mehrzahl von Kanalsegmenten aufweisen, welche dazu ausgebildet sind, einen parallelen Kühlmittelfluss durch die einzelnen Kanalsegmente zu ermöglichen. Dies ist besonders vorteilhaft, um eine Mehr zahl von Spulenanordnungen jeweils thermisch eng an das Kühl system anzukoppeln. Jedoch kann es auch schon bei einer ein zigen Spulenanordnung zweckmäßig sein, die einzelnen Bereiche der Spule (insbesondere einzelne Spulenschenkel) jeweils über einen oder mehrere eigene Kanalsegmente zu kühlen. Insgesamt ist es vorteilhaft, wenn die Anzahl der Kanalsegmente wenigs tens so hoch ist wie die Anzahl der einzelnen Spulenanordnun gen und insbesondere ein ganzzahliges Vielfaches hiervon bil det .

Bei den genannten einzelnen Kanalsegmenten kann es sich ins besondere um axial verlaufende Kanalsegmente handeln, welche insbesondere mit einem geringen Abstand neben einzelnen axia len Spulenschenkeln verlaufen können, um diese effizient zu entwärmen. Alternativ oder zusätzlich zu den genannten axia len Kanalsegmenten können jedoch auch ein oder mehrere radia le Kanalsegmente vorliegen, beispielsweise um fluides kryoge nes Kühlmittel von einem zentralen Zufluss in der Nähe der Rotorachse A in die radial weiter außen liegenden Bereiche nahe bei den einzelnen Spulenanordnungen zu leiten (und gege benenfalls auch von dort wieder zurück in den Bereich eines Abflusses im Bereich der Rotorachse, welcher identisch mit dem Zufluss oder auch separat ausgeführt sein kann) . Alterna tiv oder zusätzlich zu den genannten axialen und/oder radia len Kanalsegmenten können auch ein oder mehrere Kanalsegmente vorliegen, welche ringartig ausgebildet sind und sich in Um fangsrichtung des Rotors erstrecken. Hierdurch kann eine gleichmäßige Verteilung des Kühlmittels über den Umfang des Rotors erreicht werden.

Wenn die Kanalstruktur insgesamt auf die beschriebene Weise aus einzelnen axialen Segmenten und/oder radialen Segmenten und/oder Umfangssegmenten zusammengesetzt ist, dann kann ins gesamt eine käfigartige Kanalstruktur gebildet sein, mittels derer Kühlmittel vorteilhaft an viele einzelne Stellen in der Nähe der jeweiligen Spulenanordnungen transportiert werden kann. Dabei können vorteilhaft entweder alle Kanalsegmente oder auch nur Teile dieser Kanalsegmente in den zylindrischen Tragkörper eingebettet sein.

Insgesamt kann das übergeordnete Kanalsystem allgemein vor teilhaft und unabhängig vom genauen Aufbau dazu ausgebildet sein, um das kryogene Kühlmittel nach dem Thermosiphon- Prinzip zu zirkulieren.

Bei dem fluiden (also dem flüssigen beziehungsweise gasförmi gen) Kühlmittel kann es sich insbesondere um flüssigen Was serstoff, flüssiges Helium, flüssiges Neon, flüssigen Stick stoff, flüssigen Sauerstoff und/oder flüssiges Methan han deln. Dabei kann bei Verwendung all dieser kryogenen Kühlmit tel prinzipiell die flüssige Form neben der Gasform vorlie gen, und es kann durch ein Verdampfen der Flüssigkeit im Be reich der zu kühlenden Komponenten eine zusätzliche Kühlwir kung erreicht werden. Neon und Wasserstoff sind im Zusammen hang mit der vorliegenden Erfindung als fluide Kühlmittel be sonders bevorzugt, um sehr tiefe Betriebstemperaturen zu er reichen, wobei die Kühlung trotzdem relativ kostengünstig ist .

Allgemein bevorzugt kann der Tragkörper im Bereich seiner zy linderförmigen Außenkontur fluiddicht ausgestaltet sein. Mit anderen Worten kann der Tragkörper eine fluiddichte zylinder mantelartige Außenfläche aufweisen, welche insbesondere dicht gegenüber dem verwendeten fluiden Kühlmittel ist. Alternativ oder zusätzlich kann die genannte fluiddichte Außenfläche auch vakuumdicht ausgeführt sein. Besonders vorteilhaft ist die Außenseite des Tragkörpers im Bereich des gesamten Zylin dermantels durchgehend fluiddicht ausgebildet. Die axialen Endbereiche können jedoch offen sein, da der Tragkörper hier grundsätzlich durch zusätzliche Elemente abgedichtet werden kann. Wesentlich ist im Zusammenhang mit dieser Ausführungs form nur, dass der außenliegende Zylindermantel fluiddicht ist, um eine zuverlässige Trennung zwischen dem innerhalb des Tragkörpers verlaufenden Kühlmittelraum und einem außenlie genden Bereich des Tragkörpers zu ermöglichen. Insbesondere kann radial außerhalb des Tragkörpers ein Vakuumraum vorgese hen sein, welcher die thermische Isolation des Rotors gegen einen außen liegenden Stator gewährleisten kann. Vor allem bei dieser Ausführungsform ist eine vakuumdichte und fluid dichte Trennung von Kühlmittelraum und Vakuumraum wichtig. Diese Trennung kann zweckmäßig durch die äußere Zylinderwand des Tragkörpers gewährleistet sein. Alternativ ist es aber grundsätzlich auch möglich, den Tragkörper nicht absolut dicht auszuführen. In diesem Fall kann beispielsweise eine zusätzliche vakuumdichte Abdichtung durch eine radial außen liegende Hülle geschaffen werden. Eine solche Hülle kann so wohl den Tragkörper als auch die Spulenanordnung (en) radial umgeben und den Bereich des Rotors von dem außenliegenden Va kuumraum abtrennen.

Gemäß einer allgemein besonders bevorzugten Ausführungsform kann der Tragkörper einen Innenzylinder und einen Außenzylin der aufweisen, wobei der Außenzylinder den Innenzylinder ra dial umgibt und auf seiner Außenseite die wenigstens eine Spulenanordnung mechanisch trägt. Mit anderen Worten ist der Tragkörper dann wenigstens aus diesen beiden einzelnen zy lindrischen Elementen zusammengesetzt, wobei die beiden ein zelnen Elemente als separat hergestellte Bauteile vorliegen. Diese beiden ineinander geschachtelten Zylinder können bei spielsweise durch Schweißen und/oder durch Verschrauben und/oder durch Verkleben und/oder durch Formschluss (etwa mittels ineinandergreifender Schwalbenschwänze oder anderer Arten der Verzahnung) nachträglich miteinander verbunden wer den. Zweckmäßig weisen bei dieser Ausführungsform sowohl der Innenzylinder als auch der Außenzylinder als Hauptbestandteil ein amagnetisches Material mit den weiter oben genannten Ei genschaften auf. Dabei können die Materialien für Innenzylin der und Außenzylinder prinzipiell unabhängig voneinander ge wählt werden. Besonders vorteilhaft sind Innenzylinder und Außenzylinder jedoch aus dem gleichen Material oder den glei- chen Materialien gebildet, wobei jeweils entweder ein homoge nes Material oder aber auch ein Materialverbund gewählt sein kann .

Besonders vorteilhaft kann dann in dem zwischen Innenzylinder und Außenzylinder gebildeten Kontaktbereich ein Kühlmittelka nal ausgebildet sein. Dieser Kühlmittelkanal kann beispiels weise durch eine entsprechende längliche Aussparung im In nenzylinder und/oder im Außenzylinder gebildet sein. Die Aus gestaltung des Tragkörpers mit zwei ineinander geschachtelten Zylindern ermöglicht so auf besonders einfache Weise die Aus bildung eines Kühlmittelkanals und insbesondere eines Kanal systems aus einer Mehrzahl von einzelnen Kanalsegmenten. Ins besondere können im Kontaktbereich der beiden Zylinder ver gleichsweise einfach Kanalsegmente in axialer Richtung und/oder ringförmige Kanalsegmente in Umfangsrichtung ausge bildet werden. Durch Ausbildung einer Mehrzahl von axialen Segmenten und/oder Umfangssegmenten kann so auch auf einfache Weise eine relativ komplexe übergeordnete Kanalstruktur, bei spielsweise in Form einer Käfigstruktur gebildet werden.

Prinzipiell kann der Tragkörper des Rotors mittels eines ad ditiven Herstellungsverfahrens gefertigt sein. Solche additi ven Herstellungsverfahren ermöglichen auf einfache Weise die Herstellung von komplexen geometrischen Strukturen, welche beispielsweise aus unterschiedlichen Materialien zusammenge setzt sein können und auch innenliegende Aussparungen (bei spielsweise in Form eines Kanalsystems) aufweisen können. Die additive Fertigung stellt also eine weitere einfache Möglich keit dar, um einen Tragkörper mit innenliegendem eingebette ten Kanalstruktur und zu erzeugen. Bei dieser Ausführungsform kann der Tragkörper entsprechend auch aus einem einzigen ra dial durchgehenden hohlzylindrischen Körper gebildet sein. Es ist aber grundsätzlich auch möglich, den Tragkörper trotzdem aus zwei oder mehr ineinander geschachtelten Zylindern aufzu bauen und diese vorgefertigten Einzelzylinder jeweils mit ei nem additiven Verfahren zu fertigen. Auf diese Weise können auch Fachwerkstrukturen aus unterschiedlichen Materialien in dem jeweiligen Hohlzylinder realisiert werden (unabhängig da von, ob es sich nun um einen einzelnen Zylinder oder mehrere ineinander geschachtelte Zylinder handelt) .

Prinzipiell kann der Tragkörper des Rotors ausschließlich aus (einem oder mehreren) amagnetischen Materialien gebildet sein. Dies ist beispielsweise dann vorteilhaft, wenn die Stromtragfähigkeit der Spulenanordnung (en) so hoch ist, dass innerhalb des Rotors keine zusätzliche Flussführung benötigt wird .

Grundsätzlich ist es aber auch möglich und unter Umständen bevorzugt, wenn der Tragkörper zusätzlich zu dem genannten amagnetischen Material einen vergleichsweise geringeren An teil eines ferromagnetischen Materials aufweist. Ein solches ferromagnetisches Material kann beispielsweise ein oder meh rere zusätzliche Elemente ausbilden, welche in die amagneti sche Grundstruktur eingebettet sind oder auf einer Außenseite dieser Grundstruktur angeordnet sind. Allgemein müssen solche zusätzlichen ferromagnetischen Elemente vorteilhaft keine we sentliche mechanisch tragende Funktion erfüllen. Daher müssen diese ferromagnetischen Elemente nicht zwangsläufig aus einem kaltzähen Material gebildet sein, was ihre Kosten reduziert und ihre Fertigung erleichtert.

Beispielsweise können auf der radial außen liegenden Seite des zylindrischen Tragkörpers einzelne Vorsprünge aus ferro magnetischem Material ausgebildet sein. Diese Vorsprünge kön nen dazu ausgebildet sein, die einzelnen Spulenelemente in ihren lokalen Zentren auszufüllen. Optional können die Vor sprünge die Spulenelemente von hier aus zusätzlich mechanisch abzustützen, die mechanischen Belastungen sind hier jedoch vergleichsweise gering, insbesondere bei niedrigeren Drehzah len. Bei einer ferromagnetischen Ausführung dieser Vorsprünge werden also mit anderen Worten einzelne magnetisierbare Pol kerne auf einem amagnetischen Tragkörper gebildet. Bei Vor liegen mehrerer supraleitender Spulenanordnungen im Rotor ist dabei vorteilhaft jeder Spulenanordnung genau ein solcher Polkern zugeordnet.

Weiterhin ist es allgemein vorteilhaft, wenn der Tragkörper als Teilfläche seiner Außenfläche wenigstens eine radial au ßen liegende Auflagefläche aufweist, auf der die wenigstens eine Spulenanordnung mechanisch gehalten ist. Die Auflageflä che ist also insbesondere eine nach radial außen hin orien tierte Fläche, welche sowohl die mechanische Halterung der Spulenanordnung durch den Tragkörper als auch die thermische Ankopplung zur Kühlung der Spulenanordnung ermöglicht. Insbe sondere kann der Tragkörper im Bereich dieser beschriebenen Auflagefläche aus dem genannten amagnetischen Material mit den genannten weiteren Eigenschaften bezüglich Dichte und thermischer Leitfähigkeit gebildet sein. Besonders vorteil haft kann der Tragkörper im Bereich dieser beschriebenen Auf lagefläche kupferfrei ausgestaltet sein. Weiterhin kann sogar der gesamte Tragkörper kupferfrei ausgestaltet sein. Mit an deren Worten kann aufgrund der Vorteile der Erfindung auf den im Stand der Technik üblichen Kupfer-Kühlbus verzichtet wer den, da bereits durch das beschriebene Grundmaterial des Tragkörpers eine ausreichend hohe thermische Ankopplung an das Kühlsystem (und insbesondere an einen innen Tragkörper eingebetteten Kühlmittelkanal) erreicht werden kann.

Allgemein vorteilhaft kann es sich bei der genannten Auflage fläche um eine ebene Auflagefläche handeln. Eine solche ebene Auflagefläche kann beispielsweise durch eine zur Grundfläche der Spulenanordnung passende Abplattung im Außenbereich des zylindrischen Tragkörper ausgebildet sein. Bei einer Mehrzahl von Spulenanordnungen im Rotor kann allgemein eine entspre chend große Anzahl an solchen passenden Auflageflächen am Tragkörper ausgebildet sein.

Eine planare Auflagefläche eignet sich insbesondere zur An ordnung einer Spulenanordnung mit wenigstens einer planaren ersten Hauptfläche. Beispielsweise kann es sich bei der Spu lenanordnung um eine Flachspule oder um einen Stapel von Flachspulen handeln. Bei der Ausführungsform mit einem Stapel von Flachspulen kann es sich dabei um einen Stapel gleich großer und deckungsgleicher Flachspulen handeln. Alternativ ist es aber auch möglich, dass die Spulenanordnung als ein Stapel von Flachspulen variierender Größe gebildet ist, so- dass insbesondere auf der radial außen liegenden Seite der Spulenanordnung ein treppenartiges Profil gebildet ist. Ein solches treppenartiges Profil kann insbesondere so ausgestal tet sein, dass eine kreiszylindrische einhüllende Form des Rotors nachgebildet wird.

Zusätzlich zu der genannten wenigstens einen nach radial au ßen orientierten Auflagefläche kann der Tragkörper optional pro Spulenanordnung einen Vorsprung aufweisen, welcher insbe sondere so ausgestaltet ist, dass er als Spulenkern das loka le Innere der Spulenanordnung ausfüllt. Auch dieser Spulen kern kann allgemein vorteilhaft aus amagnetischem Material mit den genannten weiteren Eigenschaften gebildet sein. Al ternativ ist es jedoch auch möglich, dass dieser Spulenkern aus ferromagnetischem Material gebildet ist und als zusätzli ches Element an dem insbesondere ansonsten amagnetischen Tragkörper aufsitzt.

Allgemein besonders vorteilhaft kann der Rotor eine Mehrzahl n von supraleitenden Spulenanordnungen aufweisen. Ein solcher Rotor kann dann insbesondere zu einer Ausbildung eines n-po- ligen elektromagnetischen Feldes ausgestaltet sein. Die Polz ahl n kann dabei bevorzugt geradzahlig sein und zwischen 2 und 100, insbesondere zwischen 6 und 12 und besonders bevor zugt bei 8 liegen. Allgemein kommen bei einem vergleichsweise hochpoligen Rotor die Vorteile der Erfindung besonders zum Tragen .

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

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

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

Allgemein und unabhängig von der genauen Ausgestaltung der supraleitenden Spulenanordnung kommen die Vorteile der Erfin dung besonders zum Tragen, wenn der verwendete supraleitende Leiter eine sehr hohe Stromtragfähigkeit aufweist. Bei derart hohen Stromtragfähigkeiten kann besonders einfach auf eine magnetisch flussführende Eigenschaft für den Hauptbestandteil des Tragkörpers verzichtet werden. Beispielsweise kann die Stromtragfähigkeit eines der Spulenanordnung zugrundeliegen den Leiters bei wenigstens 100 A liegen. Entsprechend kann auch der nominale Betriebsstrom der Spulenanordnung bei we nigstens 100 A liegen. Besonders vorteilhaft kann der Be- triebsstrom sogar bei wenigstens 300 A liegen. Zur Erreichung eines derart hohen Betriebsstromes kann beispielsweise ein entsprechend hoher Leiterquerschnitt eingesetzt werden, was beispielsweise durch eine entsprechend hohe Leiterbreite (im Bereich mehrerer mm) und/oder durch eine Stapelung mehrerer Teilleiter erreicht werden kann. Dieser Ausführungsform liegt die Erkenntnis zugrunde, dass es günstiger sein kann, einen vergleichsweise hohen Leiterquerschnitt zu verwenden und die entsprechend hohen Kosten für das Supraleitermaterial in Kauf zu nehmen, dafür aber auf magnetisch flussführende Strukturen im Bereich des Tragkörpers weitgehend zu verzichten und somit eine niedrigere Komplexität für den Tragkörper zu erreichen.

Gemäß einer allgemein bevorzugten Ausführungsform der

elektrischen Maschine kann es sich dabei um eine Synchronma schine handeln. Die Vorteile der Erfindung kommen vor allem für Synchronmaschinen mit vergleichsweise großem Durchmesser und/oder mit vergleichsweise niedrigen Drehzahlen besonders zum Tragen. Für derartige Maschinen sind die Gewichtseinspa rungen bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Rotors be sonders groß .

Allgemein kann der Außendurchmesser des Rotors bevorzugt im Bereich von 1 m oder mehr liegen. Dieser Außendurchmesser entspricht dann im Wesentlichen dem Luftspaltdurchmesser der elektrischen Maschine.

Alternativ oder zusätzlich kann die Nenndrehzahl der Maschine bei 1000 Umdrehungen pro Minute oder weniger liegen. Die me chanischen Lasten im Bereich des Tragkörpers sind bei solchen eher niedrigen Drehzahlen vergleichsweise gering, und es er geben sich daher mehr Freiheiten bei der Wahl der Materialien für den Tragkörper.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand einiger bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die angehängten Zeichnungen beschrieben, in denen: Figur 1 eine schematische Darstellung einer elektrischen Ma schine mit Rotor und Stator im schematischen Längs schnitt zeigt,

Figur 2 eine elektrische Maschine im schematischen Quer

schnitt zeigt,

Figur 3 eine supraleitende Spulenanordnung 15 in schemati scher perspektivischer Darstellung zeigt,

Figur 4 einen Ausschnitt einer Maschine in schematischer

Querschnittsdarstellung zeigt,

Figur 5 und Figur 6 ähnliche Ausschnitte von Maschinen nach zwei weiteren alternativen Ausführungsbeispielen zei gen und

Figur 7 eine schematische perspektivische Darstellung eines übergeordneten Kühlkanalsystems nach einem weiteren Ausführungsbeispiel zeigt.

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

In Figur 1 ist ein schematischer Längsschnitt einer elektri schen Maschine 1 entlang der zentralen Achse A der Maschine gezeigt. Es handelt sich dabei um eine Maschine nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die elektrische Ma schine umfasst einen Rotor 7 und einen Stator 3. Der Rotor 7 ist mittels einer Rotorwelle 9 um eine Rotationsachse A dreh bar gelagert, welche der zentralen Maschinenachse A ent spricht. Hierzu ist die Rotorwelle 7 über die Lager 10 gegen das Maschinengehäuse 11 abgestützt. Bei der elektrischen Ma schine kann es sich grundsätzlich um einen Motor oder einen Generator handeln oder auch um eine Maschine, die wahlweise in beiden Modi betrieben werden kann.

Der Stator 3 weist eine Mehrzahl von Statorwicklungen 4 auf. Vor allem die axial innenliegenden Bereiche der Statorwick lungen 4 zwischen den axial endständigen Wickelköpfen treten beim Betrieb der elektrischen Maschine 1 in elektromagneti sche Wechselwirkung mit einem elektromagnetischen Feld des Rotors 7. Diese Wechselwirkung findet über einen Luftspalt 6 hinweg statt, der radial zwischen Rotor 7 und Stator 3 liegt. Die Statorwicklungen 4 sind im gezeigten Beispiel in Nuten eines Stator-Blechpaketes 5 eingebettet.

Die elektrische Maschine der Figur 1 weist im Rotor 7 eine supraleitende Wicklung mit wenigstens einer supraleitenden Spulenanordnung auf. Bevorzugt handelt es sich um eine n-po- lige Rotorwicklung mit n solchen supraleitenden Spulenanord nungen. Hierzu können wesentliche Teile des Rotors 7 im Be trieb auf eine kryogene Temperatur gekühlt werden, die unter halb der Sprungtemperatur des verwendeten Supraleiters liegt. Diese Betriebstemperatur kann beispielsweise bei etwa 20 K liegen. Die Kühlung kann mit einem in der Abbildung nicht nä her dargestellten Kühlsystem erreicht werden. Die tiefkalten Komponenten sollten außerdem thermisch gegen die warme Umge bung isoliert sein. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel liegt diese (hier nicht näher dargestellte) thermische Isola tion im Außenbereich des Rotors 7, so dass dieser thermisch gegen den radial weiter außenliegenden warmen Stator 3 iso liert ist. Die einzelnen supraleitenden Spulenanordnungen sollen bei der Maschine 1 der Figur 1 im radial außenliegen den Bereich des Rotors 7 auf einem zylinderartigen Tragkörper 13 angeordnet sein. Sie sind in der Figur 1 der Übersicht lichkeit halber nicht eingezeichnet. Ihre genaue Anordnung und mechanische Halterung soll aber im Zusammenhang mit den folgenden Figuren deutlich werden.

Figur 2 zeigt eine ähnliche elektrische Maschine nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung im schematischen Quer schnitt, also mit einer Schnittebene senkrecht zur zentralen Achse A. Diese Maschine kann grundsätzlich ähnlich wie die in Figur 1 gezeigte Maschine aufgebaut sein. Auch sie weist einen außenliegenden Stator 3 und einen radial innenliegenden Rotor 7 auf. Der Rotor weist in diesem Beispiel eine supra leitende achtpolige Rotorwicklung auf, welche acht einzelne Spulenanordnungen 15 umfasst. Jede dieser Spulenanordnungen 15 umfasst zwei axial verlaufende Leiterschenkel 17 und bil det insgesamt eine rennbahnartige Spulenform aus. Beispiels- weise kann jede dieser Spulenanordnungen 15 eine rennbahnar tige Grundform ähnlich wie in Figur 3 gezeigt aufweisen. Bei spielsweise kann jede dieser Spulenanordnungen aus einem sup raleitenden Bandleiter gewickelt sein und ein oder mehrere Teilspulen in Form von supraleitenden Flachspulen aufweisen. Wie in Figur 2 angedeutet, kann jede dieser Spulenanordnungen im Querschnitt ein treppenartiges Profil aufweisen, sodass die kreiszylindrische Außenkontur des Rotors auf der Außen seite durch die jeweilige Spulenform nachgebildet wird. Al ternativ kann es sich aber auch so wie in Figur 3 dargestellt bei der gesamten Spulenanordnung 15 um eine übergeordnete Flachspule mit zwei gegenüberliegenden planaren Hauptflächen handeln .

Die acht Spulenanordnungen 15 in der Maschine der Figur 2 sind beim gezeigten Ausführungsbeispiel auf der radial außen liegenden Oberfläche eines insgesamt zylinderartigen Tragkör pers 13 angeordnet. Dieser Tragkörper 13 ist in Form eines Hohlzylinders mit insgesamt kreisförmiger Grundstruktur aus gebildet. In diesem Ausführungsbeispiel ist der Tragkörper 13 im Wesentlichen aus Aluminium oder einer aluminiumhaltigen Legierung gebildet. Im gezeigten Beispiel ist er als einstü ckiger Zylinder dargestellt, er kann alternativ jedoch aus mehreren Teilstücken zusammengesetzt sein. Um die einzelnen Spulenanordnungen 15 mechanisch tragen zu können, weist der Tragkörper im Bereich seiner Außenfläche eine entsprechende Anzahl von Abplattungen auf, sodass für jede der Spulenanord nungen eine planare Auflagefläche zur Verfügung steht. Diese Auflageflächen weisen jeweils eine zur Form der Spulenanord nung 15 passende ringförmige Grundstruktur auf. Dabei ist im Inneren des jeweiligen Rings aus dem Material des Tragkörpers 13 ein Vorsprung gebildet, der nach Art eines Spulenkerns den innenliegenden Teil der jeweiligen Spulenanordnung ausfüllt und diese so von innen aus mechanisch unterstützt.

Das Material des Tragkörpers 13 ist so gewählt, dass der Tragkörper mechanisch ausreichend fest ist, dass er eine ver gleichsweise geringe Dichte aufweist, und dass die einzelnen Spulenanordnungen 15 thermisch ausreichend gut an hier ein hier nicht näher dargestelltes Kühlsystem angekoppelt sind. Durch die Ankopplung an das Kühlsystem ist auch der Tragkör per 13 selbst auf einem kryogenen Temperaturniveau. Die Küh lung der einzelnen Spulenanordnungen wird durch die thermi sche Leitfähigkeit des Materials des Tragkörpers 13 vermit telt. Hierzu kann der Tragkörper 13 optional ein oder mehrere Kühlmittelkanäle aufweisen, durch die ein fluides Kühlmittel strömen kann. Diese Kühlmittelkanäle sind in Figur 2 nicht explizit dargestellt, werden aber im Zusammenhang mit den folgenden Beispielen noch näher beschrieben.

So zeigt Figur 4 eine Teilansicht eines Rotors 7 nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ebenfalls im sche matischen Querschnitt. Ein kleiner Teilabschnitt des Stators 3 sowie der Luftspalt 6 zwischen Rotor und Stator ist in Fi gur 4 ebenfalls dargestellt. Gezeigt ist für den Rotor 7 der Ausschnitt im Bereich von etwa einem magnetischen Pol, also der Bereich einer vollständigen Spulenanordnung 15 mit ihren beiden axialen Schenkeln. Weiterhin ist noch ein einzelner axialer Schenkel einer benachbarten Spulenanordnung gezeigt. Die einzelnen Spulenanordnungen 15 sind auch hier auf der Au ßenseite eines zylinderförmigen Tragkörpers 13 angeordnet. Dabei ist jede der Spulenanordnungen 15 als rennbahnartige Flachspule ausgebildet, wobei jeder der axialen Spulenschen kel einen rechteckförmigen Querschnitt aufweist. Die radial innenliegende Oberfläche einer jeweiligen Spulenanordnung 5 ist dabei im mechanischen Kontakt mit einer passenden plana ren Auflagefläche auf der radial außenliegenden Seite des zy lindrischen Tragkörpers 13. Diese planaren Auflageflächen sind wiederum jeweils als Abplattungen des kreiszylindrischen Grundkörpers gebildet. Im Beispiel der Figur 4 ist der Trag körper 13 durch zwei ineinander geschachtelte zylindrische Körper gebildet, nämlich einen Innenzylinder 21 und einen Außenzylinder 23. Dabei weist der Außenzylinder 23 neben den Abplattungen für die Auflageflächen der Spulenanordnungen auch noch eine Mehrzahl von Vorsprüngen 25 auf, welche je weils nach Art eines Spulenkerns den innenliegenden Bereich der einzelnen rennbahnförmige in Flachspulen ausfüllen. Der zylindrische Innenzylinder 21 und der zylindrische Außenzy linder 23 sind im Wesentlichen passgenau ineinandergeschach telt. Sie sind als einzelne Bauteile gefertigt, können aber anschließend mechanisch fest miteinander verbunden worden sein. Im Bereich ihrer Kontaktflache können in einem der bei den Zylinder oder auch in beiden Zylindern ein oder mehrere Aussparungen vorgesehen sein, durch welche Kühlmittelkanäle für den Durchfluss von fluidem Kühlmittel definiert sind. Im Beispiel der Figur 4 sind solche Kühlmittelkanäle 27 bei spielsweise durch entsprechende Aussparungen auf der Außen fläche des Innenzylinders 21 gebildet. Alternativ oder zu sätzlich können sie aber auch durch ähnliche Aussparungen auf der Innenfläche des Außenzylinders 23 gebildet sein. Vorteil haft verlaufen im Beispiel der Figur 4 die einzelnen Ka nalsegmente 27 in vergleichsweise geringem Abstand zu den Spulenschenkeln 17, um diese möglichst effektiv kühlen zu können. Bei den gezeigten Kanalsegmenten 27 handelt es sich hier entsprechend um in axialer Richtung ausgerichtete Ka nalsegmente. Das übergeordnete Kanalsystem innerhalb des ge samten Tragkörpers 13 ist so verzweigt, das Kühlmittel paral lel durch die einzelnen Kanalsegmente 27 fließen kann. Alter nativ oder zusätzlich kann aber prinzipiell auch ein seriel ler Fluss von Kühlmittel durch einzelne solche axiale Segmen te realisiert werden. Wesentlich ist nur, dass mittels eines übergeordneten Kühlsystems ein Transport von Kühlmittel durch die Kanäle (gemäß einem geschlossenen oder auch offenen

Kreislauf) bewirkt wird und so die Spulenanordnungen 15 durch die vergleichsweise gute thermische Leitfähigkeit des Trag körpers 13 effektiv auf eine kryogene Temperatur gekühlt wer den können. Die gezeigte Ausführungsform mit zwei ineinander geschobenen Teilzylindern ermöglicht auf einfache Weise die Ausbildung eines solchen Kühlkanalsystems.

Bei der Maschine gemäß dem Ausführungsbeispiel der Figur 4 ist der Tragkörper 13 auf einer kryogenen Betriebstemperatur, während der radial außenliegende Stator 3 auf einer deutlich höheren Temperatur betrieben wird. Um die dafür nötige ther- mische Isolation zu gewährleisten, befindet sich im Bereich zwischen Tragkörper 13 und Stator 3 ein Vakuumraum V. Um hier die Ausbildung eines ausreichend guten Vakuums zu ermögli chen, muss dieser Vakuumraum V von dem Kühlmittelraum inner halb der Kühlkanäle 27 ausreichend abgedichtet sein. Im Bei spiel der Figur 4 wird diese Abdichtung durch den Tragkörper selbst und insbesondere hier durch den Außenzylinder 23 ge währleistet .

Alternativ zu der in Figur 4 dargestellten Ausführungsform mit zwei Teilzylindern kann der Tragkörper 13 prinzipiell aber auch insgesamt einstückig ausgebildet sein und es können ähnliche Kühlmittelkanäle 27 in das Innere der Zylinderwand eingebettet sein. Eine solche Struktur kann beispielsweise durch ein additives Fertigungsverfahren gebildet sein.

Beim Beispiel der Figur 4 können der Innenzylinder 21 und der Außenzylinder 23 jeweils aus einem homogenen amagnetischen Material mit den weiter oben angegebenen Eigenschaften für die Dichte und die thermische Leitfähigkeit gebildet sein. Auch hier kann es sich beispielsweise wieder um Aluminium, eine Aluminiumlegierung beziehungsweise einen faserverstärk ten Verbundwerkstoff handeln. Aufgrund der hohen Stromtragfä higkeit in den supraleitenden Leitern der einzelnen Spulenan ordnungen 15 wird eine magnetische Flussführung durch den Tragkörper nicht unbedingt benötigt. Entsprechend kann der Tragkörper dann vergleichsweise einfach aufgebaut sein und entsprechend leicht ausgeführt sein.

In Figur 5 ist ein ähnlicher Teilbereich einer elektrischen Maschine 1 nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfin dung gezeigt. Ähnlich wie beim Beispiel der Figur 4 ist auch hier der Tragkörper 13 aus einem Innenzylinder 21 und einem Außenzylinder 23 zusammengesetzt. Auch hier sind zwischen diesen beiden Teilzylindern mehrere Kanalsegmente 27 gebil det, welche in diesem Fall beispielsweise durch entsprechende Aussparungen im Außenzylinder 23 gebildet sind. Der Außenzy linder 23 weist auch hier neben den Abplattungen für die Kon- taktflächen der Spulenanordnungen eine entsprechende Anzahl von Vorsprüngen 25 auf, welche jeweils die innenliegenden Be reiche der Spulenanordnungen 15 ausfüllen. Im Unterschied zum vorhergehenden Beispiel sind jedoch diese Vorsprünge 25 hier aus einem ferromagnetischen Material gebildet. Analog zum vorhergehenden Beispiel sind aber der Innenzylinder 21 und der Außenzylinder 23 jeweils wiederum aus einem amagnetischen Material mit den genannten weiteren Eigenschaften gebildet. Zusammen bilden die beiden Zylinder 21 und 23 den überwiegen den Anteil am Material des gesamten Tragkörpers 13. Daher ist auch hier der gesamte Tragkörper 13 überwiegend aus amagneti schem Material gebildet. Die bei dieser Hybridform zusätzlich vorliegenden ferromagnetischen Vorsprünge 25 dienen der zu sätzlichen magnetischen Flussführung im Bereich der lokalen Spulenkerne. Durch sie kann die Flussverkettung zwischen Ro tor 7 und Stator 3 noch weiter verbessert werden. Wesentlich im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung ist nur, dass der Tragkörper 13 mehrheitlich aus amagnetischem Material ge bildet ist und das insbesondere im Bereich der radial innen liegenden Auflageflächen für die Spulenanordnungen ein Kon takt mit amagnetischem Material vorliegt. Auch hier ist es dieses amagnetische Material (nämlich das amagnetische Mate rial des Außenzylinders 23) , welches die thermische Ankopp lung der Spulenanordnungen 15 an das in den einzelnen Kühlka nälen 27 fließende Kühlmittel vermittelt.

In Figur 6 ist ein ähnlicher Teilbereich einer elektrischen Maschine 1 nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfin dung gezeigt. Im Unterschied zu den vorhergehenden Beispielen weist der Tragkörper 13 hier nur einen einzelnen Tragzylinder 24 als wesentliches tragendes Element für die Spulenanordnun gen auf. Auch hier ist dieser Tragzylinder aus einem entspre chenden amagnetischen Material mit den zusätzlichen weiter oben beschriebenen Eigenschaften gebildet. In diesem Beispiel ist der Tragzylinder 24 durch ein additives Fertigungsverfah ren hergestellt worden, und es sind mehrere Kühlkanalsegmente 27 in das Innere dieses Zylinders eingebettet. Auch hier be finden sich die einzelnen Kanalsegmente in der Nähe der zu kühlenden Spulenschenkel, sodass diese effektiv gekühlt wer den können.

Ähnlich wie beim vorhergehenden Beispiel ist auch hier der amagnetische Tragzylinder 24 auf seiner radial außenliegenden Seite mit einer Mehrzahl von Vorsprüngen 25 aus ferromagneti schem Material versehen. Auch hier wird jede der vorhandenen Spulenanordnungen in ihrem Inneren jeweils durch einen sol chen ferromagnetischen Vorsprung 25 ausgefüllt. Im Unter schied zum vorhergehenden Beispiel weisen diese ferromagneti schen Vorsprünge 25 zur besseren Flussführung noch zusätzlich dachartige Überstände 26 auf, welche nach dem Prinzip eines Schenkelpols die Flussführung zwischen Rotor und Stator noch weiter verstärken.

Figur 7 zeigt eine schematische perspektivische Darstellung eines übergeordneten Kühlkanalsystems 31, wie es bei ver schiedenen Ausführungsformen der elektrischen Maschine Inne ren des Tragkörpers 13 zum Einsatz kommen kann. Ein solches Kühlkanalsystem kann wie vorab beschrieben entweder durch entsprechende Aussparungen zwischen zwei ineinander geschobe nen Zylindern oder auch durch ein additives Fertigungsverfah ren innerhalb eines einstückigen Zylinders realisiert werden. Das dargestellte Kühlkanalsystem 31 weist eine Art zylindri sche Käfigstruktur auf. Es umfasst eine Mehrzahl unterschied licher Kanalsegmente, durch welche das kryogene Kühlmittel sich verteilen kann, sodass es in den verschiedenen Bereichen des Rotors jeweils in die Nähe der einzelnen Spulenanordnun gen gelangen kann. Insgesamt umfasst das hier dargestellte Kühlkanalsystem sowohl eine Mehrzahl von axialen Kanalsegmen ten 31a als auch eine Mehrzahl von ringförmigen Kanalsegmen ten 31b, die sich in Umfangsrichtung erstrecken, sowie eine Mehrzahl von radialen Kanalsegmenten 31c. Mittels eines hier nicht näher dargestellten zentralen Zu- und Abflusses 33 kann dieses übergeordnete Kanalsystem 31 mit einem fluiden kryoge nen Kühlmittel versorgt werden. Dabei ist prinzipiell entwe der ein gemeinsamer Zu- und Abfluss möglich oder aber auch eine getrennte Ausbildung von Zufluss und Abfluss. Beispiels- weise kann ein gemeinsamer Zu- und Abfluss im zentralen Be reich der Rotorwelle gebildet sein und das kryogene Kühlmit tel kann insgesamt durch die Käfigstruktur nach Art eines Thermosiphon zirkulieren und durch die entsprechenden Ver- zweigungen und die Mehrzahl von parallel verlaufenden Segmen ten (insbesondere den parallelen axialen Segmenten 31a) in die unmittelbare Nähe der einzelnen Spulenanordnungen des Ro tors gelangen.

Bezugszeichenliste

1 elektrische Maschine

3 Stator

4 Statorwicklung

5 Stator-Blechpaket

6 Luftspalt

7 Rotor

9 Rotorwelle

10 Lager

11 Maschinengehäuse

13 Tragkörper

15 supraleitende Spulenanordnung 17 LeiterSchenkel

21 Innenzylinder

23 Außenzylinder

24 einzelner Tragzylinder

25 Vorsprung

26 Überstand

27 Kühlmittelkanal

31 KühlkanalSystem

31a axiale Kanalsegmente

31b ringförmige Kanalsegmente 31c radiale Kanalsegmente

33 zentraler Zu- und Abfluss A zentrale Achse

V Vakuumraum