DE102004029949A1

DE102004029949A1 - High temperature superconducting coil e.g. for mobile applications, current limiting or reactive power compensation, has current feeds for cooled superconducting winding fed through yoke arm at end of core arm

Info

Publication number: DE102004029949A1
Application number: DE102004029949A
Authority: DE
Inventors: Volker Dr. Hussennether; Adolf KÜHN; Bernd Wacker; Martino Dr. Leghissa; Peter Massek
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2003-07-04
Filing date: 2004-06-21
Publication date: 2005-02-17
Also published as: WO2005004248A3; WO2005004248A2

Abstract

The coil (2) has a magnetic flux body (3) of a ferromagnetic material provided with an axial core arm (4) enclosed by a high temperature superconductive winding (9), 2 parallel side arms (5,6) and 2 yoke arms (7,8) connecting the axial core arm with at least one of the side arms. The current feeds (10,11) for the high temperature superconducting winding and cooling circuit connections for the winding fed through the cross-sectional surface of at least one of the yoke arms.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf die besondere Ausgestaltung einer HTS(Hochtemperatursupraleitungs)-Drossel sowie deren Verwendung.The The invention relates to the particular embodiment of a HTS (high-temperature superconducting) choke as well as their use.

Hochtemperatursupraleiter (HTS-Leiter) finden aufgrund ihrer hohen, normalleitende Metalle weit übertreffenden Stromdichten zunehmend Anwendung in der Energietechnik. Als technische HTS-Drähte stehen zum Beispiel Ag/Bi₂Sr₂Ca₂Cu₃O_X (Bi-2223)-Bandleiter gegenwärtig mit Stromdichten von über 100A/mm² bei 77K zur Verfügung („IEEE Trans. on Appl. Supercond.", Vol. 11, 2001, Seiten 3261 bis 3264). Die Vorteile der HTS liegen in der möglichen Gewicht- und Volumeneinsparung und der Steigerung des Wirkungsgrads von Betriebsmitteln. Diesem steht die für den Betrieb bei kryogenen Temperaturen erforderliche Kühlung gegenüber. Mit der erwarteten Qualitäts- und Kostenentwicklung der HTS-Materialien kann von einer Kommerzialisierung in den nächsten Jahren ausgegangen werden.High-temperature superconductors (HTS conductors) are increasingly being used in power engineering due to their high, normally conducting metals far surpassing current densities. As technical HTS wires, for example, Ag / Bi ₂ Sr ₂ Ca ₂ Cu ₃ O _X (Bi-2223) waveguides are currently available at current densities above 100 A / mm ² at 77K ("IEEE Trans. On Appl. Supercond. 11, 2001, pages 3261 to 3264.) The advantages of HTS are the possible weight and volume savings and the increase in the efficiency of equipment, which is matched by the cooling required for operation at cryogenic temperatures Quality and cost development of HTS materials can be expected to be commercialized over the next few years.

Ein Einsatzgebiet der HTS-Bandleiter sind AC-Wicklungen. Im Gegensatz zum nahezu verlustlosen Verhalten bei DC-Betrieb erfordern die auftretenden AC-Verluste eine effektive Kühlung der HTS-Komponenten. Als verlässlich hat sich die Zwangskühlung in einem geschlossenen Kreislauf mit flüssigem Stickstoff LN₂ bei Temperaturen zwischen 66K und 77K erwiesen (vgl. „Physica C", Vols. 372–376, 2002, Seiten 1688 bis 1693).A field of application of the HTS band conductors are AC windings. In contrast to almost lossless behavior in DC operation, the AC losses that occur require effective cooling of the HTS components. Forced cooling has proven to be reliable in a closed circuit with liquid nitrogen LN ₂ at temperatures between 66K and 77K (see "Physica C", Vols. 372-376, 2002, pages 1688-1693).

HTS-Drosseln zur Strombegrenzung sind z.B. aus der DE 44 18 050 A1 bekannt. Hierbei ist ein seitlicher Schenkel eines magnetflussführenden Ringkörpers aus weichmagnetischem Material von einem gekühlten HTS-Hohlzylinder umschlossen, den beabstandet eine normalleitende Spule umgibt. Über diese Spule ist induktiv ein strommäßig zu begrenzender Stromkreis an den HTS-Hohlzylinder gekoppelt.HTS chokes for current limiting are eg from the DE 44 18 050 A1 known. In this case, a lateral limb of a magnet-flux conducting annular body made of soft magnetic material is enclosed by a cooled HTS hollow cylinder, which surrounds a normal-conducting coil at a distance. About this coil is inductively coupled to a current-limiting circuit to the HTS hollow cylinder.

Bei HTS-Leitern ist ihr supraleitendes Material anisotrop. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine HTS-Leiter-Drossel anzugeben, die einen hohen Gütefaktor bei hohem Wirkungsgrad aufweist. Die Drossel soll insbesondere einen mobilen Einsatz wie z.B. in Schienenfahrzeugen ermöglichen.at HTS conductors are anisotropic to their superconducting material. Task of The present invention is to provide a HTS conductor inductor having a high quality factor having high efficiency. The throttle should in particular a mobile use such as in rail vehicles.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den im Hauptanspruch angegebenen Maßnahmen gelöst. Demgemäss soll die Drossel

a) einen magnetflussführenden Körper aus ferromagnetischem Material, umfassend mindestens einen axialen Kernschenkel, zwei dazu parallele, seitliche Rückschlussschenkel sowie zwei den mindestens einen axialen Kernschenkel und die Rückschlussschenkel magnetisch überbrückende Jochschenkel,
b) wenigstens eine den mindestens einen Kernschenkel umschließende Hochtemperatursupraleiter-Wicklung,
c) Stromzuführungen der wenigstens einen Wicklung, die durch wenigstens einen der Jochschenkel im Bereich der Querschnittsfläche der anliegenden Wicklung geführt sind, und
d) Mittel zur Kühlung der wenigstens einen Wicklung enthalten.

This object is achieved with the measures specified in the main claim. Accordingly, the throttle should

a) a magnetic flux carrying body of ferromagnetic material, comprising at least one axial core leg, two parallel, side return limbs and two yoke legs magnetically bridging the at least one axial core limb and the return limbs,
b) at least one high-temperature superconductor winding enclosing the at least one core limb,
c) power supply lines of the at least one winding, which are guided through at least one of the yoke legs in the region of the cross-sectional area of the adjacent winding, and
d) contain means for cooling the at least one winding.

Da die Stromzuführungen in der axialen Mitte der Drossel durch wenigstens einen der brückenartigen Jochschenkel in dem stirnseitigen Bereich des Kernschenkelquerschnitts oder des ringscheibenförmigen Querschnitts der ihn umschließenden Wicklung führen, lässt sich vorteilhaft mit dieser Bauweise im Gegensatz zu konventionellen Drosseln der Abstand zwischen der Wicklung und dem Jochschenkel minimieren. Auf diese Weise sind an den stirnseitigen Wicklungsenden auftretende radiale Feldkomponenten zumindest weitgehend zu unterdrücken, welche sich nachteilig auf die Verluste des anisotropen HTS-Materials auswirken. Diese anisotrope Eigenschaft lässt sich bei der erfindungsgemäßen Drossel berücksichtigen. Dies bedingt nämlich besondere konstruktive Maßnahmen, um eine hohe Güte bzw. einen hohen Wirkungsgrad einer Drossel zu realisieren. Mit den erfindungsgemäßen Maßnahmen sind entsprechende Forderungen zu erfüllen.There the power supply lines in the axial center of the throttle by at least one of the bridge-like yoke legs in the frontal region of the core leg cross-section or the ring-shaped cross-section the surrounding him Lead winding, let yourself advantageous with this construction as opposed to conventional Restricting the distance between the winding and the yoke leg minimize. In this way, at the end-side winding ends occurring radial field components at least largely suppress which adversely affect the losses of the anisotropic HTS material. This anisotropic feature lets in the throttle according to the invention consider. This is because special design measures, a high quality or to realize a high efficiency of a throttle. With the measures according to the invention appropriate requirements have to be fulfilled.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Drossel gehen aus den abhängigen Ansprüchen hervor.advantageous Embodiments of the throttle according to the invention will become apparent from the dependent claims.

So kann bevorzugt der magnetflussführende Körper der Drossel in seinem mindestens einen Kernschenkel wenigstens eine Unterbrechung des ferromagnetischen Materials aufweisen. Hierbei kann die Unterbrechung mit isolierendem Material ausgefüllt sein, für das insbesondere ein glasfaserverstärkter Kunststoff gewählt ist. Auf diese Weise ist vorteilhaft eine Erhöhung oder Variabilität bzw. Einstellbarkeit der Induktivität der Drossel zu erreichen.Thus, preferably, the magnetic flux carrying body of the throttle in its at least one core leg at least have an interruption of the ferromagnetic material. In this case, the interruption may be filled with insulating material, for the particular a glass fiber reinforced plastic is selected. In this way, it is advantageous to achieve an increase or variability or adjustability of the inductance of the choke.

Ferner können vorteilhaft Mittel zu einer axialen Einspannung des mindestens einen Kernschenkels und/oder der ihn umschließenden Wicklung vorgesehen sein. Als Einspannwinkel sind bevorzugt Druckleisten geeignet. Auf diese Weise lassen sich Wicklung und umschlossener Schenkel voneinander unabhängig zwischen den Jochschenkeln fixieren, indem sie gegen den jeweils gegenüberliegenden Jochschenkel gepresst werden. Ein derartiges Einspannen dient zur Vermeidung von Kräften zwischen Schenkel und Wicklung, die z.B. beim Abkühlen oder Erwärmen der Drossel auftreten können.Further can advantageous means for axial clamping of the at least one Kernschenkels and / or the winding surrounding him provided be. As clamping angle pressure strips are preferably suitable. On this way, the winding and the enclosed leg can be separated from each other independently fix it between the yoke legs by pushing against each opposite Yoke legs are pressed. Such clamping serves for Avoidance of forces between leg and winding, e.g. when cooling or Heat the throttle can occur.

Die wenigstens eine Wicklung der Drossel kann insbesondere mit HTS-Roebelleitern, die vorzugsweise isolierte, kontinuierlich transponierte Einzeldrähte aufweisen, aufgebaut sein. Die Verwendung entsprechender HTS-Leiter gewährleistet begrenzte Verluste bei einem Wechselstrombetrieb der Drossel.The At least one winding of the throttle can be used in particular with HTS-Roebelleitern, which preferably have isolated, continuously transposed individual wires, be constructed. The use of appropriate HTS conductors guaranteed limited losses in an AC operation of the throttle.

Vorteilhaft wird ferner eine Breite der Jochschenkel gewählt, die zumindest annähernd dem Außendurchmesser der wenigstens einen Wicklung entspricht. Auf diese Weise und wegen des minimalen Abstands der Wicklungsenden gegenüber den Jochschenkeln können Radialfeldkomponenten an den Wicklungsenden gering gehalten werden.Advantageous Furthermore, a width of the yoke legs is chosen that at least approximately outer diameter which corresponds to at least one winding. In this way and because of the minimum distance of the coil ends from the yoke legs may be radial field components be kept low at the coil ends.

Dieser Abstand kann bei der Drossel vorteilhaft kleiner als das 10fache, vorzugsweise kleiner als das 1fache der halben Differenz zwischen Außen- und Innendurchmesser der Wicklung sein. Damit ist auf alle Fälle eine hinreichende Unterdrückung der radialen Feldkomponenten an den Wicklungsstirnseiten auch bei vorhandenen Isolationsmitteln in dem Abstandsbereich zu gewährleisten.This Distance can be advantageously less than 10 times, preferably less than 1 times the half difference between Outside- and inner diameter of the winding. This is definitely one sufficient oppression the radial field components at the winding ends also at to ensure existing insulation in the distance range.

Weiterhin ist eine Kühlmittelzufuhr durch wenigstens einen der Jochschenkel im stirnseitigen Bereich der wenigstens einen Wicklung vorteilhaft. Über entsprechende Öffnungen in dem Jochschenkel erreicht dann das Kühlmittel unmittelbar die Wicklung, wo es vorteilhaft in axiale Kühlkanäle eintritt. Diese Ausbildung zeichnet sich dadurch aus, dass sie zugleich die zur Unterdrückung von Radialfeldkomponenten erforderliche Annäherung des Jochschenkels an die Wicklung und die für die Kühlung der Wicklung notwendige Zuführung des Kühlmittels gestattet.Farther is a coolant supply by at least one of the yoke legs in the frontal region of the at least one winding advantageous. About appropriate openings in the yoke leg then the coolant directly reaches the winding, where it enters beneficial in axial cooling channels. This training is characterized by the fact that they are at the same time the for suppression required by radial field components approximation of the yoke leg the winding and the for the cooling the winding necessary feeder of the coolant allowed.

Die Drossel ist vorteilhaft in einem ein Kühlmittel aufnehmenden Kryostaten angeordnet. Damit liegen der magnetflussführende Körper und die wenigstens eine HTS-Wicklung zumindest weitgehend auf gleichem Temperaturniveau. Der Kryostat kann dabei so ausgestaltet sein, dass in ihm weitere Komponenten mit HTS-Material wie z.B. ein Transformator unterzubringen sind. Er ist im Allgemeinen mit nicht-magnetischem Material aufgebaut.The Throttle is advantageous in a coolant receiving cryostat arranged. This is the magnetic flux carrying body and the at least one HTS winding at least largely at the same temperature level. The cryostat can be designed so that in him more Components with HTS material, e.g. to accommodate a transformer are. It is generally constructed with non-magnetic material.

Stattdessen ist es auch möglich, die Wicklung in einem eigenen, ein Kühlmittel aufnehmenden Kryostaten anzuordnen. In diesem Fall ist die zu kühlende Masse, die im Wesentlichen nur den mindestens einen Kernschenkel, die sie umschließende Wicklung sowie die Durchführungsbereiche des Kühlmittels durch den wenigstens einen Jochschenkel umfasst, zu begrenzen.Instead it is also possible the winding in its own, a coolant receiving cryostat to arrange. In this case, the mass to be cooled is essentially only the at least one core leg, the winding surrounding it as well as the implementation areas of the coolant by the at least one yoke leg, to limit.

Als Kühlmittel kann bevorzugt flüssiger Stickstoff vorgesehen sein.When coolant may preferably be more liquid Nitrogen be provided.

Für die wenigstens eine HTS-Wicklung kommt bevorzugt ein mehrlagiger Aufbau in Frage. Diese Ausführungsform verringert vorteilhaft die Wicklungshöhe und gestattet damit einen kompakten Aufbau der gesamten Drossel.For the least a HTS winding is preferably a multilayer construction in question. This embodiment advantageously reduces the winding height and thus allows one compact construction of the entire throttle.

Die wenigstens eine HTS-Wicklung kann vorteilhaft mit Stromzuführungen kontaktiert sein, die isoliert durch wenigstens einen der Jochschenkel geführt sind. Ein kompakter Aufbau der Drossel ist somit zu gewährleisten. Vorteilhaft kann die Drossel so ausgebildet sein, dass sie einen hohen Gütefaktor Q, vorzugsweise von mindestens 300, insbesondere von mindestens 700 aufweist. Sie lässt sich deshalb besonders vorteilhaft als eine kompakte Drossel für einen umrichtergesteuerten Antrieb, als eine Traktionsdrossel oder als eine Hilfsbetriebsdrossel oder als eine Glättungsdrossel, insbesondere für einen mobilen Einsatz ausbilden. Auch eine Verwendung einer erfindungsgemäßen Drossel zur Strombegrenzung oder in einem System der Energieübertragung wie der Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung, insbesondere auch zu einer Blindleistungskompensation ist vorteilhaft.The At least one HTS winding can be advantageous with power supplies be contacted, isolated by at least one of the yoke legs guided are. A compact construction of the throttle is thus to ensure. Advantageously, the throttle can be designed so that they have a high quality factor Q, preferably of at least 300, in particular of at least 700 has. She lets Therefore, particularly advantageous as a compact throttle for a converter-controlled drive, as a traction throttle or as an auxiliary operating choke or as a smoothing choke, in particular for one train mobile use. Also a use of a throttle according to the invention for current limiting or in a system of power transmission like the high-voltage DC transmission, in particular also to a reactive power compensation is advantageous.

Die Erfindung wird nachfolgend an Hand einer bevorzugten Ausführungsform noch weiter erläutert, wobei auf die Zeichnung Bezug genommen wird. Dabei zeigen derenThe Invention will be described below with reference to a preferred embodiment further explained, wherein is referred to the drawing. This show their

1 eine erfindungsgemäße HTS-Traktionsdrossel, teils als Längsschnittansicht, teils in Seitenansicht, 1 an HTS traction throttle according to the invention, partly as a longitudinal sectional view, partly in side view,

2 und 3 einen Querschnitt durch die Drossel nach 1 bzw. eine Aufsicht auf deren Stirnseite, 2 and 3 a cross section through the throttle after 1 or a top view on the front side,

4 in einem Diagramm den kritischen Strom der Wicklung und der vollständigen Drossel, 4 in a diagram the critical current of the winding and the complete reactor,

5 in einem Diagramm die AC-Verluste der Drossel bei 16,7 Hz, 5 in a diagram the AC losses of the choke at 16.7 Hz,

6 die Induktivität und den gesamten Wirkungsgrad der Drossel bei 16,7 Hz, 6 the inductance and the total efficiency of the choke at 16.7 Hz,

7 einen gemeinsamen Kryostaten für eine erfindungsgemäße Drossel und einen Transformator, 7 a common cryostat for a throttle according to the invention and a transformer,

8 eine mobile Einsatzmöglichkeit des Kryostaten nach 7, 8th a mobile application of the cryostat after 7 .

9 einen Querschnitt durch eine weitere erfindungsgemäße Drossel und 9 a cross section through another throttle according to the invention and

10 eine andere Ausbildungsmöglichkeit einer solchen Drossel im Querschnitt. 10 another training possibility of such a throttle in cross section.

In den Figuren sind sich entsprechende Teile mit denselben Bezugszeichen versehen.In the figures are corresponding parts with the same reference numerals Mistake.

Als für die Figuren zugrundegelegtes Anwendungsbeispiel ist eine sogenannte Traktionsdrossel mit HTS-Wicklung gewählt, die insbesondere im Hinblick auf einen mobilen Einsatz in Schienenfahrzeugen konzipiert ist. In den Figuren sind bezeichnet mit 2 allgemein die Drossel, mit 3 ein magnetflussführender Körper aus Blechen aus einem der bekannten ferromagnetischen, weichmagnetischen Materialien, wobei der Körper vom sogenannten Mantelkerntyp ist (vgl. Buch von R. Feldtkeller: „Theorie der Spulen und Übertrager", 4. Auflage, 1963, Verlag S. Hirzel, Stuttgart (DE), Seiten 60 bis 63), mit 4 mindestens ein zentraler Kernschenkel, mit 5 und 6 zwei seitliche, äußere Rückschlussschenkel, mit 7 und 8 ein oberer bzw. unterer, den Kernschenkel und die seitlichen Rückschlussschenkel magnetisch überbrückender Jochschenkel, mit 9 wenigstens eine HTS-Leiterwicklung mit Außendurchmesser D und Querschnittsfläche F, mit 10 und 11 zwei durch den oberen Jochschenkel hindurchgeführte Stromzuführungsleiter zur elektrischen Verbindung der Wicklung 9 für einen Strom I, wobei die Stromzuführungsleiter durch mit Isolationsmaterial gefüllte Aussparungen 16 in dem Jochschenkel verlaufen. Weiterhin sind in den Figuren mit 12 und 13 Kühlschlitze in dem oberen und unteren Jochschenkel 7 bzw. 8 zur Zu- und Abführung eines Kühlmittels k zu bzw. aus der Wicklung 9 sowie mit 14 einige der die Blechpakete des magnetflussführenden Körpers 3 zusammenhaltenden Verschraubungen (- weitere sind der Übersichtlichkeit der Darstellung wegen weggelassen -) bezeichnet. Eine die Wicklung 9 umschließende Umhüllung oder Bandage ist mit 15 bezeichnet. Ferner ist mit a bzw. a' der vorteilhaft minimal zu haltende Abstand zwischen den Stirnseiten 9a und 9b der Wicklung 9 und dem jeweils zugeordneten Jochschenkel 7 bzw. 8 bezeichnet. Dieser Abstand wird selbstverständlich auch durch eventuell erforderliche Isolationsmittel zwischen der jeweiligen Wicklungsstirnseite und dem zugeordneten Jochschenkel bestimmt. Im Allgemeinen ist davon auszugehen, dass der Abstand a bzw. a' kleiner als das 10fache, vorzugsweise kleiner als das 1fache der Wicklungsbreite b ( = halbe Differenz „Außendurchmesser minus Innendurchmesser") ist (vgl, auch 2).As for the figures underlying application example, a so-called traction choke is selected with HTS winding, which is designed in particular with regard to a mobile use in rail vehicles. In the figures are designated with 2 generally the throttle, with 3 a body carrying magnetic flux made of sheet metal from one of the known ferromagnetic, soft magnetic materials, wherein the body of the so-called Mantelkerntyp is (see book by R. Feldtkeller: "Theory of coils and transformer", 4th edition, 1963, Verlag S. Hirzel, Stuttgart (DE), pages 60 to 63), with 4 at least one central core leg, with 5 and 6 two lateral, outer yoke legs, with 7 and 8th an upper or lower, the core leg and the lateral yoke legs magnetically bridging yoke legs, with 9 at least one HTS conductor winding with outer diameter D and cross-sectional area F, with 10 and 11 two through the upper yoke leg passed power supply conductor for electrically connecting the winding 9 for a current I, wherein the power supply conductor through filled with insulating material recesses 16 run in the yoke leg. Furthermore, in the figures with 12 and 13 Cooling slots in the upper and lower yoke legs 7 respectively. 8th for supplying and discharging a coolant k to or from the winding 9 as well as with 14 some of the laminated cores of the magnetic flux carrying body 3 cohesive fittings (- others are omitted for clarity of presentation -). A the winding 9 enclosing cladding or bandage is with 15 designated. Further, with a and a 'of advantageously minimally maintained distance between the end faces 9a and 9b the winding 9 and the respectively associated yoke leg 7 respectively. 8th designated. Of course, this distance is also determined by any required insulation means between the respective winding end face and the associated yoke leg. In general, it can be assumed that the distance a or a 'is less than 10 times, preferably less than 1 times, the winding width b (= half the difference "outer diameter minus inner diameter") (cf. 2 ).

Zur Erhöhung der Induktivität der Drossel 2 ist der zentrale Kernschenkel 4 in mehrere Kernscheiben 4a aus dem ferromagnetischen Material unterteilt, die ihrerseits durch Unterbrechungen oder Luftspalte 20 beabstandet sind. Diese Unterbrechungen sind mit isolierendem Material, vorzugsweise einem glasfaserverstärkten Kunststoff (GFK) ausgefüllt. Die entsprechenden Füllungen sind mit 20a bezeichnet. Der sich so ergebende Aufbau des Kernschenkels 4 alternierend aus ferromagnetischen Kernscheiben 4a und dazwischenliegenden GFK-Füllungen 20a wird mit Hilfe einer Druckleiste 18 in axialer Richtung, d.h. in Ausdehnungsrichtung des Kernschenkels, eingespannt. Mittels Verschraubungen 18a wird dabei der Aufbau gegen den unteren Jochschenkel 8 gedrückt. In entsprechender Weise wird die Wicklung 9 mittels einer Druckleiste 19 und deren Verschraubungen 19a gegen den oberen Jochschenkel 7 gepresst. Eine entsprechende Einspannung kann auch für weitere, nicht dargestellte Kernschenkel und ihnen jeweils zugeordnete HTS-Leiter-Wicklungen erfolgen.To increase the inductance of the choke 2 is the central core thigh 4 in several core disks 4a divided from the ferromagnetic material, which in turn by interruptions or air gaps 20 are spaced. These interruptions are filled with insulating material, preferably a glass fiber reinforced plastic (GRP). The corresponding fillings are with 20a designated. The resulting structure of the core leg 4 alternating from ferromagnetic core disks 4a and intermediate GRP fillings 20a is using a pressure bar 18 in the axial direction, ie in the expansion direction of the core leg, clamped. By means of fittings 18a is doing the construction against the lower yoke leg 8th pressed. In a similar way, the winding 9 by means of a pressure bar 19 and their fittings 19a against the upper yoke leg 7 pressed. A corresponding clamping can also be done for other, not shown core legs and their respective assigned HTS conductor windings.

Zur Kühlung der Wicklung 9 ist diese von konzentrischen, sich in axialer Richtung erstreckenden Kühlkanälen 17 umgeben und gegebenenfalls von noch weiteren axialen Kühlkanälen durchsetzt, durch die das Kühlmittel k, insbesondere flüssiger Stickstoff (LN₂), strömt. Das Kühlmittel wird über die Kühlschlitze 12 und 13 in den Jochschenkeln 7 und 8 durch die Wicklung hindurchgeleitet. Durch besondere Schlitze 12a in dem oberen Jochschenkel 7 sind auch isoliert die erforderlichen Stromzuführungsleiter 10 und 11 hindurchgeführt. Für eventuell weiterhin vorhandene Wicklungen erfolgt die Kühlung entsprechend.For cooling the winding 9 this is of concentric, extending in the axial direction of the cooling channels 17 surrounded and optionally penetrated by still further axial cooling channels through which the coolant k, in particular liquid nitrogen (LN ₂ ), flows. The coolant gets over the cooling slots 12 and 13 in the yoke legs 7 and 8th passed through the winding. Through special slots 12a in the upper yoke leg 7 are also isolated the required power supply conductor 10 and 11 passed. For any existing windings, the cooling is done accordingly.

Gemäß dem ausgewählten Ausführungsbeispiel ist die Drossel 2 vollständig in einem ein Kühlmittel k aufnehmenden Kryostaten angeordnet, für den vorteilhaft nicht-magnetisches Material verwendet wird. Bei dieser Ausführungsform liegen der magnetflussführende Körper 3 und die HTS-Wicklung 9 zumindest weitgehend auf gleichem tiefen Temperaturniveau. Stattdessen ist es auch möglich, nur die HTS-Wicklung 9 in einem eigenen, das Kühlmittel aufnehmenden Kryostaten anzuordnen. In diesem Fall umfasst die zu kühlende Masse im Wesentlichen nur den zentralen Kernschenkel 4, die sie umschließende Wicklung 9 sowie die Durchführungsbereiche des Kühlmittels k durch den wenigstens einen Jochschenkel.According to the selected embodiment, the throttle is 2 completely arranged in a coolant k receiving cryostat for the advantageous non-magnetic material is used. In this embodiment, the magnetic flux carrying body are 3 and the HTS winding 9 at least largely at the same low temperature level. Instead, it is also possible only the HTS winding 9 to arrange in a separate, the coolant receiving cryostat. In this case, the mass to be cooled essentially comprises only the central core leg 4 they wrap around 9 and the passage areas of the coolant k through the at least one yoke leg.

Die HTS-Wicklung 9 kann vorteilhaft aus Bandleitern mit einem der bekannten HTS-Materialien wie insbesondere vom Typ Bi-2223 hergestellt sein. Die Bandleiter sind bevorzugt mehrlagig um ein zentrales Trägerrohr gewickelt, das den zentralen Kernschenkel 4 umschließt. Eine bauliche Trennung von HTS-Wicklung und Kernschenkel kann vorteilhaft für eine unabhängige Verspannung beider Teile zwischen den Jochschenkeln ausgenutzt werden. Es lässt sich so das Auftreten von Kräften zwischen der Wicklung und dem Kernschenkel beim Abkühlen der Drossel verhindern.The HTS winding 9 may advantageously be made of strip conductors with one of the known HTS materials such as in particular of the type Bi-2223. The band conductors are preferably wound in multiple layers around a central support tube, which is the central core limb 4 encloses. A structural separation of HTS winding and core leg can be advantageously exploited for an independent clamping of both parts between the yoke legs. It can thus prevent the occurrence of forces between the winding and the core leg when cooling the throttle.

Statt HTS-Leiter mit Material vom Bi-2223-Typ können selbstverständlich auch andere Leiter wie zum Beispiel YBCO-Bandleiter zum Einsatz kommen.Instead of Naturally, HTS conductors with Bi-2223 type material can also be used other conductors such as YBCO band conductors are used.

2 zeigt einen Querschnitt durch die Drossel 2 nach 1 in einem mittleren Bereich der Drossel. 2 shows a cross section through the throttle 2 to 1 in a middle region of the throttle.

Aus der Aufsicht auf diese Drossel gemäß 3 z.B. bezüglich ihres oberen Jochschenkels 7 sind die Kühlschlitze 12 in diesem Schenkel deutlich erkennbar. Diese Kühlschlitze innerhalb des Pakets aus Elektroblechen 26 des Jochschenkels 7 sind dabei nicht maßstäblich veranschaulicht. Durch mindestens einen verbreiterten, mit 12a bezeichneten Schlitz in dem Jochschenkel sind die Stromzuführungsleiter 10 und 11 isoliert hindurchgeführt. Der Schlitz 12a ist mit Abstandsleisten 25 aus einem isolierenden Material wie zum Beispiel aus GFK sowie mit der Druckleiste 18 teilweise ausgefüllt. Zwischen den einzelnen Elektroblechen 26 des Jochschenkels 7 befinden sich zu deren Beabstandung und zur Ausbildung der Kühlschlitze 12 Distanzstücke 27 ebenfalls aus GFK. Die Figur zeigt auch, dass die Breite B des Jochschenkels wenigstens annähernd so groß, vorzugsweise größer als der Durchmesser D der Querschnittsfläche F der Wicklung 9 gewählt wird.From the supervision of this throttle according to 3 eg with respect to her upper yoke leg 7 are the cooling slots 12 clearly visible in this leg. These cooling slots within the package of electrical sheets 26 of the yoke leg 7 are not illustrated to scale. By at least one widened, with 12a designated slot in the yoke leg are the power supply conductor 10 and 11 isolated passed. The slot 12a is with spacer strips 25 made of an insulating material such as fiberglass and with the pressure bar 18 partially filled. Between the individual electric sheets 26 of the yoke leg 7 are to their spacing and the formation of the cooling slots 12 spacers 27 also made of fiberglass. The figure also shows that the width B of the yoke leg is at least approximately as large, preferably larger than the diameter D of the cross-sectional area F of the winding 9 is selected.

Der Testbetrieb einer konkreten Ausführungsform der Drossel 2 nach den 1 bis 3 zeigt die Übereinstimmung der elektrischen Kenndaten mit der Auslegung. Bei Nennbetrieb mit 87 kVA und 16,7 Hz entspricht den Verlusten von 120 W ein Gütefaktor von 726. Unter Berücksichtigung der Kühlung ergibt sich ein gesamter Wirkungsgrad von 98,5 %. Die Gegenüberstellung der HTS-Testdrossel mit einer konventionellen Kupfertraktionsdrossel zeigt das für HTS-Betriebsmittel typische Potenzial in der Massen- und Volumenreduktion von 42 % und 60 %, sowie eine deutliche Steigerung des Wirkungsgrads bzw. Verminderung der Durchlassverluste um 3,5 %.The test mode of a specific embodiment of the throttle 2 after the 1 to 3 shows the agreement of electrical characteristics with the design. For rated operation with 87 kVA and 16.7 Hz, the losses of 120 W correspond to a quality factor of 726. Considering the cooling, the overall efficiency is 98.5%. The comparison of the HTS test reactor with a conventional copper traction reactor shows the typical potential for HTS equipment in the mass and volume reduction of 42% and 60%, as well as a significant increase in efficiency or reduction of the forward losses by 3.5%.

In der nachfolgend aufgeführten Tabelle 1 sind die Eigenschaften der ausgewählten HTS-Drossel 2 bei Nennbetrieb zusammengestellt. Ströme und Spannungen werden durch Effektivwerte, Felder durch Amplituden beschrieben. 1 zeigt die ausgewählte Ausführungsform der HTS-Drossel. Die Drossel besitzt einen bewickelten Kernschenkel vorzugsweise mit Scheibenkern. Jochschenkel und Rückschlussschenkel dienen zur Vermeidung von Streufeldern. Die Drossel ist für Betrieb bei 16,7 Hz und 87 kVA ausgelegt. Der Nennstrom von 347 A_rms entspricht dem typischen Traktionsstrom im Regionalbahnbetrieb. Die erforderliche Stromtragfähigkeit wird durch Verwendung eines 13fachen Roebelleiters aus Bi-2223 Bandleitern erreicht. Um eine gleichmäßige Stromaufteilung sicherzustellen, besteht der Roebelleiter aus isolierten, kontinuierlich transponierten Einzeldrähten (vgl. Beitrag von V. Hussennether et al.: "DC and AC Properties of Bi-2223 Cabled Conductors Designed for High-Current Applications", ICMC 2003, Twente, The Netherlands). In den nach dem Pulver-im-Rohr Verfahren hergestellten Bandleitern liegt die spröde, supraleitende Keramik in Form von Filamenten vor, die mit einer stabilisierenden Metallhülle zu flexiblen Drähten verbunden sind. Zur Verringerung der AC-Verluste kann vorteilhaft ein Leiter mit verdrillten Filamenten verwendet werden. Die Induktivität der konkreten Wicklung beträgt 2,9 mH und erhöht sich vorteilhaft durch Verwendung eines durch magnetische Luftspalte gescherten Scheibenkerns auf 6,9 mH. Des weiteren weist die Drossel folgende konstruktiven Merkmale auf:

• Um die Eisenverluste relativ zu den HTS-Wicklungsverlusten möglichst gering zu halten, werden Joch und Rückschluss mit der bei Nennbetrieb auftretenden Induktion von 586 mT deutlich überdimensioniert.
• Die isolierten Kupferstromzuführungen führen vorteilhaft in der axialen Mitte der Drossel durch die obere Jochbrücke. Im Gegensatz zu konventionellen Drosseln erlaubt es diese Bauweise, den Abstand a bzw. a' zwischen Wicklung und Joch zu minimieren und damit die an den Wicklungsenden auftretenden radialen Feldkomponenten zu unterdrücken. Dieser räumlich gesehene, geometrische Abstand kann so vorteilhaft unter 1 mm gehalten werden.
• Die Drosselspule enthält eine 6-lagige HTS-Wicklung, deren Lagen durch Kühlkanäle getrennt sind. Der Querschnittsanteil der Kühlkanäle beträgt beispielsweise 50 %. Vorteilhaft werden in den Jochbrücken beispielsweise durch GFK-Beilagen Kühlschlitze freigehalten, durch die der als Kühlmittel k verwendete LN₂ die Kühlkanäle der Wicklung erreicht.

Table 1 below shows the characteristics of the selected HTS choke 2 assembled at nominal operation. Currents and voltages are described by RMS values, fields by amplitudes. 1 shows the selected embodiment of the HTS throttle. The throttle has a wound core leg preferably with Scheibenkern. Yoke legs and back legs serve to avoid stray fields. The choke is designed for operation at 16.7 Hz and 87 kVA. The rated current of 347 A _rms corresponds to the typical traction current in regional rail operation. The required current carrying capacity is achieved by using a 13x Roebel conductor made of Bi-2223 tape conductors. To ensure a uniform distribution of current, the Roebelleiter consists of isolated, continuously transposed individual wires (see article by V. Hussennether et al .: "DC and AC Properties of Bi-2223 Cabled Conductors Designed for High Current Applications", ICMC 2003, Twente , The Netherlands). In the strip conductors produced by the powder-in-tube method, the brittle, superconducting ceramic is in the form of filaments which are connected to flexible wires by a stabilizing metal sheath. In order to reduce the AC losses, it is advantageous to use a twisted-filament conductor. The inductance of the concrete winding is 2.9 mH and increases advantageously by using a sheared by magnetic air gap disk core to 6.9 mH. Furthermore, the throttle has the following structural feature paint on:

• In order to keep the iron losses as low as possible relative to the HTS winding losses, yoke and inference are clearly oversized with the induction of 586 mT occurring at nominal operation.
• The insulated copper power supply leads advantageously through the upper yoke bridge in the axial center of the choke. In contrast to conventional chokes, this design allows to minimize the distance a or a 'between the winding and the yoke and thus to suppress the radial field components occurring at the winding ends. This spatially seen, geometric distance can be kept so advantageously below 1 mm.
• The inductor contains a 6-layer HTS winding whose layers are separated by cooling channels. The cross-sectional portion of the cooling channels is for example 50%. Cooling slots are advantageously kept free in the yoke bridges, for example by fiberglass inserts, through which the LN ₂ used as coolant k reaches the cooling channels of the winding.

Zur Messung befindet sich die Drossel hängend in einem Edelstahlkryostat. Die LN₂-Temperatur wird zwischen 65 K und 77 K variiert. Die elektrischen Messungen erfolgen in 4-Punkt Geometrie. DC-Transportmessungen werden über ein E-Feld-Kriterium von E_c = 1μV/cm für den kritischen Strom I_c ausgewertet. AC-Verluste P werden elektrisch mit Hilfe eines Leistungsmessgeräts (Siemens Functionmeter B1082) mit einer Genauigkeit von 10 % bestimmt. Im Verlauf des Messprogramms wird die Drossel mehreren Abkühlzyklen unterworfen. Dabei treten keine Veränderungen des Wicklungswiderstands bei Raumtemperatur und des kritischen Stroms der abgekühlten Drossel auf. Tabelle 1: Eigenschaften der HTS-Drossel

To measure the throttle is hanging in a stainless steel cryostat. The LN ₂ temperature is varied between 65K and 77K. The electrical measurements are made in 4-point geometry. DC transport measurements are evaluated via an E-field criterion of E _c = 1 μV / cm for the critical current I _c . AC losses P are determined electrically with the aid of a power meter (Siemens Functionmeter B1082) with an accuracy of 10%. During the measuring program, the throttle is subjected to several cooling cycles. There are no changes in the winding resistance at room temperature and the critical flow of the cooled throttle. Table 1: Properties of the HTS reactor

Die Stromtragfähigkeit wird im Temperaturbereich zwischen 65 K und 77 K sowohl für die Wicklung ohne Scheibenkern, Joch und Rückschlussschenkel als auch für die vollständig montierte Drossel bestimmt. Als Maß der Stromtragfähigkeit dient der kritische Strom I_c, bei dem die HTS-Wicklung vom supraleitenden in den normalleitenden Betriebszustand übergeht. In 2 sind die experimentell ermittelten kritischen Ströme zusammen mit den Vorhersagen aus Modellrechnungen dargestellt. Im Vergleich zur Wicklung ist der kritische Strom der Drossel um etwa 20 % zu höheren Strömen verschoben. Zurückzuführen ist diese Steigerung auf die Verringerung der radialen Magnetfeldkomponenten an den Wicklungsenden durch das Einfügen des Eisenjochs in unmittelbarer Nähe der stirnseitigen Wicklungsenden.The current carrying capacity is determined in the temperature range between 65 K and 77 K both for the winding without disk core, yoke and yoke legs as well as for the fully assembled choke. As a measure of the current carrying capacity is the critical current I _c , in which the HTS winding passes from the superconducting to the normal conducting operating state. In 2 The experimentally determined critical currents are shown together with the predictions from model calculations. Compared to the winding, the critical current of the choke is shifted by about 20% to higher currents. This increase is due to the reduction of the radial magnetic field components at the coil ends by the insertion of the iron yoke in the immediate vicinity of the end coil ends.

Die Stromtragfähigkeit der Bandleiter verhält sich anisotrop gegenüber äußeren Magnetfeldern B und ist durch eine starke Abnahme für senkrecht zur Leiteroberfläche gerichtete Felder B1 gekennzeichnet. Die Strom-Spannungs-Kennlinie kann durch folgendes Potenzgesetz beschrieben werden:

The current carrying capacity of the strip conductors behaves anisotropically with respect to external magnetic fields B and is characterized by a sharp decrease for fields B1 directed perpendicularly to the conductor surface. The current-voltage characteristic can be described by the following power law:

Mit dem in „Supercond. Sci. Technol." 16 (2003), Seiten 339 bis 354 angegebenen analytischen Verlauf von I_c(B, T) und n(B, T) für die verwendeten Bi-2223-Bandleiter ergibt sich ein einfaches Modell, das den kritischen Strom einer Lagenwicklung aus der Kennlinie (1) unter Berücksichtigung des ma ximalen Radialfelds an den Wicklungsenden berechnet. Die durchgezogenen Linien in 4 geben die auf diese Weise berechneten kritischen Ströme wieder.With the in "Supercond. Sci. Technol. 16 (2003), pp. 339-354, for the Bi-2223 band-conductors used, the analytical flow of I _c (B, T) and n (B, T) results in a simple model representing the critical current of a ply winding from the characteristic curve ( 1 ) calculated taking into account the maximum radial field at the coil ends. The solid lines in 4 give the calculated critical currents in this way.

Der verschwindende ohmsche DC-Widerstand bewirkt in Supraleitern im AC-Betrieb das Auftreten magnetisch hysteretischer Effekte, welche die Ursache für AC-Verluste bilden. Im Detail hängen diese von den AC-Strom- und AC-Feldkomponenten ab (vgl. die genannte Literaturstelle aus „Supercond. Sci. Technol."). 5 zeigt die bei Nennfrequenz von f = 16,7 Hz bestimmten AC-Verluste P der Drossel in Abhängigkeit des Stroms I. Im Gegensatz zum annähernd verlustlosen DC-Betrieb führen die auftretenden AC-Verluste zu einer Erwärmung der Drossel. Wesentlich für den Betrieb ist dabei, dass sich über den gesamten Strombereich eine stationäre Temperaturverteilung einstellt. Zum Vergleich sind zwei nach dem in der genannten Literaturstelle aus „Supercond. Sci. Technol." beschriebenen Verfahren berechneten AC-Verlustkurven eingezeichnet. Diese entsprechen der LN₂-Temperatur von 68 K zu Beginn der Messreihe und der am Ende auftretenden maximalen Temperatur der Drossel von 74 K. Die experimentell bestimmten Verluste werden von den beiden berechneten Verlustkurven eingeschlossen. Insbesondere ist mit zunehmendem Strom eine Annäherung an die für die maximale Temperatur von 74 K berechneten Verluste zu erkennen. Bei Nennstrom von 347 A betragen die Verluste der Drossel 120W. Der Einsatz in 5 zeigt die relativen Anteile der Verlustkomponenten bei Nennstrom und 74 K. Für die HTS-Wicklung werden Eigenfeldverluste, Wirbelstromverluste in der Ag-Hülle der Bandleiter, Magnetisierungsverluste und dynamischer Widerstand berücksichtigt. Wie für die beschriebene Drossel angenommen, beträgt der Anteil des Eisens nur 6 % an den Gesamtverlusten. Der Hauptbeitrag von 56 % stammt von den parallel zur Bandleiteroberfläche wirkenden Axialfeldern. Die senkrecht zur Bandleiteroberfläche wirkenden Radialfelder tragen 36 % zu den Gesamtverlusten bei. Bei der vorstehend angesprochenen konstruktiven Auslegung einer Drossel kann der Beitrag der senkrecht zur Band leiteroberfläche wirkenden Radialfelder deutlich verringert werden.The vanishing ohmic DC resistance in superconductors in AC operation causes the occurrence of magnetic hysteretic effects, which cause AC losses. In detail, these depend on the AC current and AC field components (see the cited reference "Supercond Sci. Technol."). 5 shows the determined at nominal frequency of f = 16.7 Hz AC losses P of the throttle as a function of the current I. In contrast to nearly lossless DC operation, the AC losses occurring lead to a warming of the throttle. It is essential for operation that a stationary temperature distribution is established over the entire current range. For comparison, two are described after the in the cited reference "Supercond. Sci. Technol- ously calculated AC loss curves, which correspond to the LN ₂ temperature of 68 K at the beginning of the series and the final maximum temperature of the reactor of 74 K. The experimentally determined losses are included in the two calculated loss curves. In particular, with increasing current it is possible to approximate the losses calculated for the maximum temperature of 74 K. At nominal current of 347 A, the losses of the choke are 120 W. The use in 5 shows the relative proportions of the loss components at rated current and 74 K. For the HTS winding, self-field losses, eddy current losses in the Ag shell of the strip conductors, magnetization losses and dynamic resistance are taken into account. As assumed for the throttle described, the iron content is only 6% of the total losses. The main contribution of 56% comes from the axial fields acting parallel to the strip surface. The radial fields acting perpendicular to the band surface contribute 36% to the total losses. In the above-mentioned structural design of a throttle, the contribution of the surface perpendicular to the strip surface acting radial fields can be significantly reduced.

Die Induktivität L der Drossel ergibt sich für ein axiales Modell zu

The inductance L of the choke results for an axial model

Für die HTS-Drossel folgt aus den in Tabelle 1 angegebenen Werte für die Windungszahl W, Wicklungshöhe H_w, relative Permeabilität des Scheibenkerns μ, Eisendurchmesser des Scheibenkerns D_e, Innen- und Außendurchmesser der Wicklung D_w, D_a eine Induktivität L von 6,7 mH. Experimentell folgt die Induktivität L aus der Verlustmessung mit der Spannung U bei der Frequenz f

For the HTS reactor, the values for the number of windings W, winding height H _w , relative permeability of the disk core μ, iron diameter of the disk core D _e , inner and outer diameter of the winding D _w , D _a an inductance L of 6.7 mH. Experimentally, the inductance L follows from the loss measurement with the voltage U at the frequency f

Dabei sind I der Strom durch die Wicklung und P die Verlustleistung der Drossel.there I is the current through the winding and P is the power loss Throttle.

In 6 ist die Induktivität L für die Messreihe aus 5 dargestellt. Die Drossel besitzt eine Induktivität von 6,9 mH, die über den gesamten Bereich um weniger als ±1 % schwankt. Wesentlich für die konstante Induktivität ist dabei, dass die maximalen bei einem Strom von 450 A auftretenden Induktionen in Joch bzw. Scheibenkern von 0,737 T bzw. 1,35 T noch unterhalb der Sättigungsinduktivität des Eisens von 2,03 T liegen. Die mit der Bezeichnung (2) berechnete Induktivität weicht um weniger als 3 % von der experimentell bestimmten Induktivität ab.In 6 is the inductance L for the measurement series off 5 shown. The inductor has an inductance of 6.9 mH, which varies by less than ± 1% over the entire range. Essential for the constant inductance is that the maximum occurring at a current of 450 A inductances in the yoke or disk core of 0.737 T and 1.35 T are still below the saturation inductance of the iron of 2.03 T. The with the designation ( 2 ) calculated inductance deviates by less than 3% from the experimentally determined inductance.

Weitere wesentliche Kenndaten der Drossel sind Gütefaktor Q und Wirkungsgrad η

die ebenfalls aus der Verlustmessung folgen. Bei Nennbetrieb ergibt sich ein Gütefaktor von 726 für die Drossel, der einem elektrischen Wirkungsgrad von 99,9 % entspricht. Er liegt somit deutlich über der geforderten Größe von mindestens 300, vorzugsweise von mindestens 700.Further essential characteristics of the throttle are quality factor Q and efficiency η

which also follow from the loss measurement. Rated operation results in a quality factor of 726 for the reactor, which corresponds to an electrical efficiency of 99.9%. It is thus well above the required size of at least 300, preferably of at least 700.

Zur Ermittlung des Gesamtwirkungsgrads der Drossel muss zusätzlich die für die Abfuhr der Verluste erforderliche Kühlung berücksichtigt werden. Der in 6 dargestellte gesamte Wirkungsgrad folgt aus der Beziehung (4) unter der Annahme eines Kühlaufwands von 10 W/W, mit dem die Verluste beaufschlagt werden. Bei Nennbetrieb beträgt der gesamte Wirkungsgrad der Drossel 98,5 %. Im Gegensatz zur Induktivität deutet sich ein Abfall des Wirkungsgrads oberhalb von 400 A an, der durch den Anstieg der Verluste der HTS-Wicklung beim Übergang in den resistiven Betriebszustand hervorgerufen wird.To determine the overall efficiency of the throttle, the cooling required to dissipate the losses must also be taken into account. The in 6 shown overall efficiency follows from the relationship ( 4 ) assuming a cooling load of 10 W / W, which is applied to the losses. At nominal operation the total efficiency of the choke is 98.5%. In contrast to the inductance, there is a drop in efficiency above 400 A, which is caused by the increase in the losses of the HTS winding during the transition to the resistive operating state.

Die HTS-Drossel demonstriert eine besondere Möglichkeit, HTS-Komponenten für die Energietechnik einschließlich der erforderlichen HTS-spezifischen Anforderungen zu verwenden. Die weitgehende Übereinstimmung zwischen berechneten und experimentell ermittelten Eigenschaften der Drossel belegt die Verlässlichkeit der für die Konstruktion und für die Vorhersage des Betriebsverhaltens erforderlichen Rechenmodelle.The HTS throttle demonstrates a special way of including HTS components for power engineering including required HTS-specific requirements. The extensive agreement between calculated and experimentally determined properties the throttle proves the reliability the for the construction and for the prediction of performance required computational models.

Wesentlich für den Einsatz von HTS-Komponenten ist das Kühlkonzept. Der Betrieb mit LN₂ als Kühlmittel k erweist sich als umweltfreundlich gegenüber der Ölkühlung konventioneller Systeme.Essential for the use of HTS components is the cooling concept. The operation with LN ₂ as coolant k proves to be environmentally friendly compared to the oil cooling of conventional systems.

Nachfolgend werden Volumen, Masse, Güte und Wirkungsgrad der HTS-Drossel einer konventionellen 290 kVA-Kupferdrossel mit zwei bewickelten Schenkeln und Scheibenkernen gegenüberge stellt. Aufgrund des für die HTS-Drossel überdimensionierten Jochs und der Rückschlussschenkel werden nur die bewickelten Schenkel betrachtet. Masse und Volumen der HTS-Drossel werden in bekannter Weise mit Hilfe von Transformatorwachstumsgesetzten auf die Leistung der Kupferdrossel skaliert. Da es keine allgemein gültige Skalierung für die Verluste von HTS-Wicklungen gibt, beziehen sich Güte und Wirkungsgrad in der nachfolgenden Tabelle 2 auf die Messwerte der HTS-Drossel. Wie für konventionelle Technik ist jedoch auch für HTS von einer Zunahme der Güte und des Wirkungsgrads mit zunehmender Leistung auszugehen.following become volume, mass, goodness and efficiency of the HTS reactor of a conventional 290 kVA copper reactor with two wound thighs and disk cores gegenüberge presents. Because of the oversized the HTS throttle Yoke and the back leg Only the wound thighs are considered. Mass and volume the HTS choke are set in a known manner with the aid of transformer growth scaled to the performance of the copper choke. Because there is no general valid Scaling for the losses of HTS windings goodness relates and efficiency in the following Table 2 on the measured values the HTS throttle. As for However, conventional technology is also an increase in HTS Goodness and the efficiency with increasing power.

Aus Tabelle 2 folgt für die HTS-Drossel eine Massen- bzw. Volumenreduktion von 42 % bzw. 60 %, die typische Werte für HTS-Wicklungen darstellen. Eine weitergehende Betrachtung erfordert die Berücksichtigung aller Systemkomponenten einschließlich des Kühlkonzepts.Out Table 2 follows for the HTS throttle a mass or volume reduction of 42% or 60%, the typical values for HTS windings represent. Further consideration is required the consideration all system components including the cooling concept.

Verglichen mit konventionellen Wicklungen zeichnen sich HTS-Wicklungen durch äußerst hohe Gütefaktoren aus. Die konkrete HTS-Drossel nach der Erfindung besitzt bei Nennbetrieb einen Gütefaktor von 726. Im Gegensatz zu konventionellen Drosseln muss für HTS-Drosseln zwischen dem elektrischen Gütefaktor und dem durch den Kühlaufwand verringerten gesamten Gütefaktor, der den für den Betrieb erforderlichen gesamten Wirkungsgrad kennzeichnet, unterschieden werden. Tabelle 2: Vergleich Kupfer- und HTS-Drossel

Compared with conventional windings, HTS windings are characterized by extremely high quality factors. The actual HTS reactor according to the invention has a quality factor of 726 at nominal operation. In contrast to conventional chokes, a distinction has to be made between the electrical quality factor and the overall efficiency factor reduced by the cooling effort, which characterizes the overall efficiency required for operation become. Table 2: Comparison of copper and HTS reactor

Für den gemeinsamen Einsatz mehrerer HTS-Komponenten, z.B. HTS-Transformator in Verbindung mit HTS-Drossel, bietet sich ein zentrales Kühlkonzept bestehend aus Kryostat, Kälteanlage, LN₂-Reservoir und LN₂-Pumpe zur Zwangskühlung an. Nach Möglichkeit lassen sich die Systemverluste durch gemeinsame Stromzuführungen mehrerer Komponenten verringern.For the joint use of several HTS components, eg HTS transformer in conjunction with HTS reactor, a central cooling concept consisting of cryostat, refrigeration system, LN ₂ reservoir and LN ₂ pump for forced cooling is recommended. If possible, the system losses can be reduced by common power supply of several components.

Ein entsprechendes Kühlkonzept, bei dem in einem Kryostaten weitere Komponenten mit HTS-Material angeordnet sind, ist in 7 angedeutet. Dementsprechend befindet sich in einem Kryostaten 22, der mit einem Kühlmittel k wie insbesondere LN₂ gefüllt ist, ein bekannter HTS-Transformator 23 sowie eine erfindungsgemäße Drossel 2. Besonders vorteilhaft ist eine derartige Kühltechnik für einen mobilen Einsatz, wie z.B. in 8 angedeutet ist. Diese Figur zeigt einen ICE-Triebkopf 24 mit einem Einbau eines derartigen Kryostaten für eine erfindungsgemäße HTS-Traktionsdrossel 2 und einen HTS-Traktionstransformator 23 mit Transformatorwicklungen 23a und Eisenkern 23b. Hierbei wird vorteilhaft die HTS-Traktionsdrossel mit der Unterspannungswicklung des HTS-Traktionstranformators in Reihe geschaltet, um die für einen Umrichterbetrieb des Transformators geforderte Kurzschlussinduktivität zu erreichen.A corresponding cooling concept, in which further components with HTS material are arranged in a cryostat, is in 7 indicated. Accordingly, is located in a cryostat 22 filled with a coolant k such as in particular LN ₂ , a known HTS transformer 23 and a throttle according to the invention 2 , Such a cooling technique is particularly advantageous for mobile use, such as in 8th is indicated. This figure shows an ICE power car 24 with an installation of such a cryostat for an HTS traction throttle according to the invention 2 and an HTS traction transformer 23 with transformer windings 23a and iron core 23b , In this case, the HTS traction throttle is advantageously connected in series with the low-voltage winding of the HTS traction transformer in order to achieve the required for a converter operation of the transformer short-circuit inductance.

Das Design von erfindungsgemäßen HTS-Drosseln kann bezüglich Masse, Volumen, Güte bzw. Wirkungsgrad oder Systemkosten optimiert werden. Entsprechend dem vorgesehenen Einsatz ergeben sich unterschiedliche Optimierungsschwerpunkte mit zum Teil gegenläufigen Abhängigkeiten.The Design of HTS chokes according to the invention can respect Mass, volume, quality or efficiency or system costs are optimized. Corresponding the intended use results in different optimization focuses with partly counter-rotating Dependencies.

Bei den vorstehend angesprochenen Figuren wurde davon ausgegangen, dass die Drossel jeweils nur einen einzigen zentralen, von einer HTS-Wicklung umschlossenen Kernschenkel besitzt. Die erfindungsgemäßen Gestaltungsmerkmale sind jedoch vorteilhaft auch auf Ausführungsformen von Drosseln anwendbar, die, ausgehend von den dargestellten Ausführungsformen, statt des einen zentralen Kernschenkels mehrere solcher axialen Kernschenkel aufweisen, wobei diesen jeweils eine HTS-Wicklung oder zumindest Teile einer solchen zugeordnet sind. Die nachfolgend erläuterten 9 und 10 zeigen derartige Ausführungsformen, wobei nicht dargestellte Teile der Drosseln denen nach den 1 bis 3 entsprechen.In the above-mentioned figures, it was assumed that the throttle has only a single central core limb enclosed by an HTS winding. The design features according to the invention are, however, also advantageously applicable to embodiments of throttles which, starting from the illustrated embodiments, have a plurality of such axial core legs instead of the one central core leg, wherein each of these is assigned an HTS winding or at least parts thereof. The following explained 9 and 10 show such embodiments, not shown parts of the throttles which after the 1 to 3 correspond.

So geht aus 9 eine Drossel 29 nach der Erfindung mit einem magnetflussführenden Körper 30 hervor, der mehrere axiale Kernschenkel aufweist. Neben seinen zwei solchen Schenkeln 31a, 31b kann der Körper 30 mindestens einen weiteren, allgemein mit 31j bezeichneten Kernschenkel aufweisen, so dass für ihn dann eine Form des bekannten Manteltyp gegeben ist. Mit dem Index j z.B. bzgl. des Kernschenkels 31j soll dabei angedeutet sein, dass die erfindungsgemäße Drossel 29 mindestens zwei Kernschenkel (31a, 31b) aufweist und gemäß einer besondere Ausführungsform mindestens einen weiteren Kernschenkel (31j; mit j = c, d, ...) umfasst. Jeder dieser Kernschenkel ist analog zu der Ausführungsform des Kernschenkels 4 nach 1 durch magnetische Luftspalte 20 unterbrochen. Jeder der Kernschenkel ist dabei von einer HTS-Leiter-Wicklung 32a bzw. 32b bzw. 32j umschlossen. Da gemäß der angedeuteten Ausführungsform diese Wicklungen jeweils in einem eigenen Kryostaten 33a bzw. 33b bzw. 33j angeordnet sind, besitzt die Drossel 29 einen warmen magnetflussführenden Körper 30 mit den Jochschenkeln 7 und 8. Auf eine Darstellung der Kühlmittelzufuhr zu den einzelnen HTS-Leiter-Wicklungen und der erforderlichen Stromzuführungen wurde in der Figur verzichtet. Diese Teile entsprechen denen nach den 1 bis 3.That's how it works 9 a throttle 29 according to the invention with a magnetic flux carrying body 30 which has a plurality of axial core legs. Next to his two such thighs 31a . 31b can the body 30 at least one more, generally with 31j Have designated core legs, so that then given him a form of the known type of shell. With the index j eg regarding the core leg 31j should be hinted that the throttle according to the invention 29 at least two core legs ( 31a . 31b ) and, according to a particular embodiment, at least one further core limb ( 31j ; with j = c, d, ...). Each of these core legs is analogous to the embodiment of the core leg 4 to 1 through magnetic air gaps 20 interrupted. Each of the core legs is of a HTS conductor winding 32a respectively. 32b respectively. 32j enclosed. Since according to the indicated embodiment, these windings each in a separate cryostat 33a respectively. 33b respectively. 33j are arranged, has the throttle 29 a warm magnetic flux carrying body 30 with the yoke legs 7 and 8th , An illustration of the coolant supply to the individual HTS conductor windings and the required power supply lines has been omitted in the figure. These parts correspond to those after the 1 to 3 ,

Bei der in 10 angedeuteten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Drossel 34 wird davon ausgegangen, dass ihre beiden axialen Kernschenkel 35a und 35b, die in axialer Richtung nicht unterteilt sind, zusammen mit sie umschließenden Wicklungen 32a und 32b in einem gemeinsamen Kryostaten 36 angeordnet sind. Die Drossel besitzt deshalb einen kalten mag netflussführenden Körper 37, dessen Form vom sogenannten UI-Typ ist.At the in 10 indicated embodiment of a throttle according to the invention 34 It is assumed that both their axial core legs 35a and 35b which are not divided in the axial direction, together with enclosing windings 32a and 32b in a common cryostat 36 angeord are net. Therefore, the throttle has a cold mag netflussführenden body 37 whose shape is of the so-called UI type.

Claims

Throttle ( 2 . 29 . 34 ) - with a magnetic flux carrying body ( 3 . 30 . 37 ) made of ferromagnetic material, comprising at least one axial core limb ( 4 ; 31a to 31j ; 35a . 35b ), two parallel back yoke legs ( 5 . 6 ) as well as two yoke limbs magnetically bridging the at least one axial core limb and the return limbs ( 7 . 8th ), - with at least one the at least one core leg ( 4 ; 31a to 31j ; 35a . 35b ) enclosing high-temperature superconducting winding ( 9 ; 32a to 32j ), - with power supply lines ( 10 . 11 ) the at least one winding ( 9 ; 32a to 32j ) passing through at least one of the yoke legs ( 7 ) are guided in the region of the cross-sectional area (F) of the adjacent winding, and - with means for cooling the at least one winding ( 9 ; 32a to 32j ).

Throttle ( 2 . 29 . 34 ) according to claim 1, characterized in that - the magnetic flux carrying body ( 3 . 30 . 37 ) at least two axial core legs ( 4 ; 31a to 31j ; 35a . 35b ) and two core legs magnetically bridging yoke legs ( 7 . 8th ), - the axial core limbs ( 4 ; 31a to 31j ; 35a . 35b ) of high temperature superconductor windings ( 9 ; 32a to 32j ) are enclosed and - the power supply ( 10 . 11 ) of the windings through at least one of the yoke legs ( 7 ) are guided in the region of the cross-sectional area (F) of the respective adjacent winding.

Throttle according to claim 1 or 2, characterized in that the magnetic flux carrying body ( 3 ; 30 ) in its at least one core leg ( 4 ; 31a to 31j ) at least one interruption ( 20 ) of the ferromagnetic material.

Throttle according to claim 3, characterized in that the at least one interruption ( 20 ) is filled with insulating material.

Throttle according to claim 4, characterized in that the at least one interruption ( 20 ) is filled with a glass fiber reinforced plastic.

Throttle according to one of the preceding claims, characterized in that means for an axial clamping of the at least one core leg ( 4 ; 31a to 31j ) and / or the winding surrounding it ( 9 ; 32a to 32j ) are provided.

Choke according to one of the preceding claims, characterized by a construction of the at least one winding ( 9 ; 32a to 32j ) with high-temperature superconducting Roebelleitern, preferably having isolated, continuously transposed single wires.

Throttle according to one of the preceding claims, characterized in that the width (B) of the yoke legs ( 7 . 8th ) at least approximately the outer diameter (D) of the at least one winding ( 9 ; 32a to 32j ) corresponds.

Throttle according to one of the preceding claims, characterized in that the distance (a, a ') of the end faces ( 9a . 9a ' ) the at least one winding ( 9 ) of the respective yoke leg ( 7 . 8th ) smaller than 10 times, preferably smaller than 1 times the half difference (b) between outer and inner diameters of the winding ( 9 ).

Throttle according to claim 2 or according to claim 2 and one of claims 3 to 8, characterized in that the distance (a, a ') of the end faces ( 9a . 9a ' ) of the individual windings ( 9 ; 32a to 32j ) of the respective yoke leg ( 7 . 8th ) is less than 10 times, preferably less than 1 times half the difference (b) between the outer and inner diameters of the respective winding.

Throttle according to one of the preceding claims, characterized by a coolant supply through at least one of the yoke legs ( 7 . 8th ) in frontal areas of the at least one winding ( 9 ; 32a to 32j ).

Choke according to one of the preceding claims, characterized in that the at least one winding ( 9 ; 32a to 32j ) axial cooling channels ( 17 ) having.

Choke according to one of the preceding claims, characterized by an arrangement in a coolant (k) receiving cryostat ( 36 ).

Throttle according to Claim 13, characterized that in the cryostat more components with high temperature superconductor material are arranged.

Throttle according to one of claims 1 to 12, characterized in that the at least one winding ( 9 ) are arranged in a separate, a coolant receiving cryostat.

Throttle according to Claim 2 or according to Claim 2 and one of Claims 3 to 12, characterized in that the windings ( 9 ; 32a to 32j ) each in its own, a coolant receiving cryostat ( 33a to 33j ) are arranged.

Throttle according to one of the preceding claims, characterized in that as a coolant (k) liquid nitrogen (LN ₂ ) is provided.

Choke according to one of the preceding claims, characterized by a multilayer structure of the at least one winding ( 9 ; 32a to 32j ).

Throttle according to one of the preceding claims, characterized through a quality factor Q of at least 300, preferably of at least 700.

Use of the throttle according to one of the preceding claims in a converter-controlled drive.

Use of the throttle according to claim 20 as a traction throttle or as an auxiliary operating throttle or as a DC reactor or as smoothing choke, especially for a mobile application.

Use of the throttle according to one of claims 1 to 19 for current limitation.

Use of the throttle according to one of claims 1 to 19 in a system of energy transfer, in particular to a reactive power compensation.