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Transformator mit Wicklungen aus supraleitendem Material
Die Erfindung betrifft einen Transformator, in dessen magnetischem Kreis an den Stellen, die von den Wicklungen umschlossen sind, kein ferromagnetisches Material oder allenfalls ausserordentlich stark übersättigtes magnetisches Material verwendet wird, während im übrigen Teil des magnetischen Kreises nicht übersättigtes normales ferromagnetisches Material zur Anwendung gelangt.
Die ausserordentlichen Fortschritte der Wärmeisoliertechnik sowie die Vervollkommnung im Bau von Gasverflüssigungs- (Heliumverflüssigungs-) Anlagen gestatten es jetzt, unter geringem Energieaufwand auch grössere Räume auf tiefsten, nahe dem absoluten Null-Punkt liegenden Temperaturen zu halten.
In bekannter Weise wurde deshalb bereits versucht, Transformatoren zu bauen, die supraleitende, auf tiefsten Temperaturen gehaltene Wicklungen und (wegen der sonst zu grossen Eisenverluste) normale, auf Zimmertemperatur gehaltene Eisenkerne besitzen. Es ist dann gegenüber gewöhnlichen Transformatoren möglich, Gewichtserspamisse und Wirkungsgradverbesserungen zu erzielen. Die Vorteile des verschwindenden Widerstandes lassen sich aber nicht voll ausnützen, weil für die Kühleinrichtungen der Wicklungen sowie die Einrichtungen zur Erhaltung der normalen Temperatur der Eisenkerne verhältnismässig viel Platz erforderlich ist, was Vergrösserung der Streuung, Eisenverluste und Kosten bewirkt.
Man könnte daran denken, auf die Anwendung von ferromagnetischen Baustoffen ganz zu verzichten und-um Streuungserscheinungen nach aussen zu verhindern-die Transformatoren ringförmig auszuführen. Im Hinblick auf die notwendige Begrenzung des Magnetisierungsstromes kann dann allerdings bei gegebener Spannung nur mit Kraftflussdichten gearbeitet werden, die weit unterhalb derjenigen liegen, die bei normalen Transformatoren zur Anwendung gelangen (wenige hundert Gauss), und es sind daher grö- ssere Querschnittsflächen für das magnetische Feld und grösserer Raumbedarf für den Transformator erforderlich. Dazu kommt, dass die Herstellung der Ringspulen mit den viellagig angeordneten zahlreichen Windungen, die zwecks Kleinhaltung der Streuung gegebenenfalls miteinander zu verflechten sind, technologisch grosse Schwierigkeiten bedingt.
Wenn die Transformatorwindungen wegen hoher Spannung zwischen den Wicklungen im Hinblick auf die Durchschlagsgefahr nicht verflochten werden können, lassen sich überdies auch die guten Eigenschaften der neu entwickelten supraleitenden Materialien, die sehr hohe Kraftflussdichten vertragen, nicht voll ausnützen.
Erfindungsgemäss sollen diese Nachteile dadurch überwunden werden, dass im Zuge des magnetischen Weges eines aus ferromagnetischem Material bestehenden, nicht übersättigten Transformators an den Stellen, die von den Wicklungen umschlossen sind, Strecken eingeschaltet werden, in denen kein ferromagnetisches Material zur Anwendung gelangt. Dadurch ist es nicht nur möglich jdie Kraftflussdichte innerhalb der Transformatorwicklungen-d. h. dort, wo sich kein ferromagnetisches Material befindetsehr hoch zu wählen, sondern die Transformatorwicklungen lassen sich auch, ohne ungünstigen Einfluss auf die Dimensionierung des Eisenkernes, leichter auf tiefsten Temperaturen halten.
Die Zeichnung lässt ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgedankens erkennen. Die auf mehrere Einzelspulen aufgeteilten und miteinanderentwederunmittelbarverflochtenen primären und sekundären Win- dungen oder miteinander verschachtelten primären und sekundären scheibenförmigen, flachen Transformatorspulen sind darin mit Sp 1 und SPz bezeichnet. Sie umfassen in ihrem Inneren den eisenfreien Raum RL hoher Kraftflussdichte BLs, der sich innerhalb eines nach Art eines Manteltransformators oder rotations-
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symmetrisch zur Spulenachse gebauten lamellierten Eisenkörpers normaler Sättigung befindet. Der Kühlraum, in dem die Spulen auf tiefster Temperatur angeordnet sind, ist mit K bezeichnet.
Er kann, wie in der Figur angedeutet, vorausgesetzt, dass seine Seitenwände nicht aus Metall, vor allem nicht aus supraleitendem Material bestehen, den leeren Innenraum hoher Kraftflussdichte innerhalb der Spulen mitumfassen. Der Weg der magnetischen Kraftlinien im Eisen und im eisenfreien Raum ist mit Ipgg und Irg angedeutet. Er verläuft - wie aus der Figur ersehen werden kann-bis auf die Strecke innerhalb der Spule ILS im Eisen, dessen Querschnitt Apg. so bemessen wird, dass in ihm normale Kraftflussdichten BFes so wie sie auch sonst im Transformatorbau üblich sind, herrschen. Die Eisenverluste lassen sich auf diese Weise begrenzen.
Der Vorteil des erfindungsgemässen Transformators liegt weiter darin, dass wegen des geringen magnetischen Widerstandes längs des grössten Teiles des Kraftlinienweges, auf dem ferromagnetisches Material zur Anwendung gelangt, bei gleichem Magnetisierungsaufwand wesentlich grössere Kraftflussdichten innerhalb der Transformatorspulen hergestellt werden können, als beim supraleitenden Transformator ohne Eisenkern. Gegenüber dem bekannten supraleitenden Transformator mit geschlossenem Eisenkern besitzt der erfindungsgemässe Transformator den technologischen Vorteil, dass seine Wicklungen unabhängig vom Eisenkern in einem gesonderten abgeschlossenen Raum auf tiefsten Temperaturen gehalten werden können.
Das ferromagnetische Material befindet sich bei ihm - ebenso wie bei dem bekannten Transformator mit supraleitenden Wicklungen und geschlossenem Eisenkern - auf Zimmertemperatur, ohne dass die auf verschiedener Temperatur befindlichen Räume der Wicklung und des Eisenkernes einander durchdringen, was einen wesentlichen Vorteil bedingt.
Wenn im Raum innerhalb der Wicklungen RL kein ferromagnetisches Material verwendet wird und daher auch Eisenverluste nicht in Frage kommen, kann die Kraftflussdichte dort nur mit Rücksicht auf das supraleitende Material der Wicklungen ausserordentlich hoch gehalten werden.
Natürlich könnte grundsätzlich auch daran gedacht werden, den Raum innerhalb der Wicklungen des erfindungsgemässen supraleitenden Transformators mit stark übersättigtem ferromagnetischen Material auszufüllen, um die Kraftflussdichten etwas zu steigern. Dies würde jedoch die gleichen Schwierigkeiten mit sich bringen, wie sie bei den bekannten supraleitenden Transformatoren mit Eisenkern bestehen, d. h. es müssten Vorkehrungen zur Sicherstellung normaler Temperatur in diesem ferromagnetischen Kernteil innerhalb der Wicklungen getroffen werden, um die Eisenverluste (besonders Wirbelstromverluste) zu begrenzen.
Diese würden nämlich sonst, wenn das (nicht supraleitend werdende) ferromagnetische Material sich dort auf tiefsten Temperaturen befinden würde, nicht nur wegen der ausserordentlich hohen B-Werte (Wirbelspannungen), sondern auch wegen des dann sehr kleinen spezifischen Widerstandes des ferromagnetischen Materials unzulässig hohe Werte erreichen.
Die bereits erwähnte Verflechtung der primären und sekundären Windungen für supraleitende Transformatoren ohne Eisenkern und Transformatoren, entsprechend dem Erfindungsgedanken. ist deshalb empfehlenswert, weil dann die Streuung ebenso klein gehalten werden kann wie bei gewöhnlichen Transformatoren mit Eisenkern. Neben den bereits in der Literatur bekannten Wicklungsanordnungen, bei denen die einzelnen primären und sekundären Windungslagen miteinander verschachtelt werden, erscheint es besonders empfehlenswert, die primären und sekundären Windungen ähnlich wie bei einem verdrillten
EMI2.1
unter Zwischenschaltung entsprechender Isolation spiralförmig um diese Primärwicklung angeordnet werden.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Elektrischer Transformator mit Wicklungen aus supraleitendem Material, dadurch gekennzeichnet, dass im Raum innerhalb der auf tiefsten Temperaturen befindlichen röhren- oder scheibenförmigen, gegebenenfalls miteinander verflochtenen Transformatorwicklungen kein ferromagnetisches oder allenfalls ausserordentlich stark übersättigtes ferromagnetisches Material, im übrigen magnetischen Kreis dagegen-von einer Übergangszone abgesehen-nicht oder mässig gesättigtes. auf normaler Temperatur befindliches ferromagnetisches Material entsprechenden Querschnitts, magnetisch in Reihe. geschaltet, verwendet ist.