DE102007049236A1

DE102007049236A1 - Elektrisches Bauelement, insbesondere eine elektrische Drossel

Info

Publication number: DE102007049236A1
Application number: DE102007049236A
Authority: DE
Inventors: Volker Dr. Hussennether; Martino Dr. Leghissa; Stefan Meinke
Original assignee: MDEXX GmbH
Current assignee: MDEXX GmbH
Priority date: 2007-10-10
Filing date: 2007-10-10
Publication date: 2010-04-22
Also published as: WO2009050028A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein elektrisches Bauelement (1), insbesondere eine elektrische Drossel (1a), mit einem ferromagnetischen Kern (2), insbesondere einem Eisenkern (2a), um den herum eine aus einem elektrischen Supraleiter gebildete Wicklung (3) angeordnet ist, wobei sich die Wicklung (3) in einem evakuierten Behälter (5) befindet und zwischen der Wicklung (3) und dem Kern (2) zur thermischem Isolation mindestens eine Wand (6a) des Behälters (5) verläuft, so dass sich der Kern (2) außerhalb des Behälters (5) befindet, und wobei die Kühlung der Wicklung (3) mit Hilfe eines Kühlmittels erfolgt. Um einen hohen Eisenfüllgrad bei niedrigen thermischen Verlusten zu erzielen, wird vorgeschlagen, dass der Behälter (5) einwandig ausgebildet und evakuiert und die Wicklung (3) mit Kühlelementen (7) zum Druchlauf des Kühlmittels versehen ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein elektrisches Bauelement, insbesondere eine elektrische Drossel, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Elektrische Drosseln gehören zu den allgemein bekannten elektrischen Bauelementen. Sie weisen einen Kern auf, der als Eisenkern ausgebildet ist und eine Wicklung trägt. Die Verwendung von supraleitenden Wicklungen ermöglichen höhere Stromdichten und niedrigere Wicklungswiderstände. Daraus resultieren eine grundsätzlich kompaktere Bauweise und/oder niedrigere Betriebsverluste. Heutzutage werden als Supraleiter auch sogenannte Hochtemperatur-Supraleiter verwendet. Die supraleitende Wicklung befindet sich dabei in einem Behälter, der im Innern auf kryogene Betriebstemperatur abgekühlt ist. Bei Drosseln mit warmem Eisenkern befindet sich dieser außerhalb des Behälters und seine Temperatur entspricht etwa der Umgebungstemperatur. Der Kern und die Wicklung sind also voneinander thermisch isoliert. Um die thermischen Verluste gering zu halten, ist die Behälterwand doppelwandig ausgebildet, wobei der Raum zwischen den beiden Wänden evakuiert und mit einem mehrlagigen Paket aus metallbeschichteten Folien versehen ist. Letzteres um die Wärmestrahlung zusätzlich zu reflektieren. Die Kühlung der Wicklung erfolgt mit Hilfe eines flüssigen und/oder gasförmigen Kühlmittels.
Selbstverständlich kann es sich bei dem elektrischen Bauelement auch um einen Transformator und dergleichen handeln, der anstelle einer Wicklung mindestens eine weitere Wicklung aufweist, also mindestens zwei Wicklungen besitzt.
Nachteilig ist, dass diese bekannten elektrischen Bauelemente keinen größeren Eisenfüllgrad ermöglichen.
Die Aufgabe der Erfindung ist ein elektrisches Bauelement mit einem ferromagnetischen Kern und mindestens einer Wicklung, welches einen hohen Eisenfüllgrad bei niedrigen thermischen Verlusten aufweist.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst; die Unteransprüche entsprechen vorteilhaften Ausgestaltungen.
Die Lösung sieht vor, dass der Behälter einwandig ausgebildet und evakuiert ist und die Wicklung mit Kühlelementen zum Durchlauf des Kühlmittels versehen ist. Auf diese Weise kann die supraleitende Wicklung den Kern eng umschließen. Die Kühlung der (aufgehängten) Wicklung erfolgt mittels Kühlelementen, durch welche das Kühlmittel fließt. Der relativ einfache Aufbau bei geringem Materialverbrauch ermöglicht eine wirtschaftliche Bauweise der Drossel.
Energetisch günstig ist es, wenn der Supraleiter ein Hochtemperatur-Supraleiter ist.
Zweckmäßigerweise werden die Kühlelemente außerhalb des Behälters an ein System zur Bereitstellung des Kühlmittels angeschlossen.
Die Magnetisierung lässt sich verstärken, wenn der Kern zumindest einen Rückschlussschenkel für den magnetischen Fluss aufweist.
Alternativ ist es auch möglich, zwei Rückschlussschenkel zu verwenden.
Energetisch günstiger kann es sein, wenn die Wicklung aus mehreren Teilwicklungen gebildet ist, die jeweils um einen eigenen Kern gewickelt sind und elektrisch parallel oder hintereinander geschaltet sind, wobei die Kerne magnetisch miteinander verbunden sind.
Kostengünstig ist es, wenn der Behälter aus einem elektrisch nicht leitfähigen Material besteht, insbesondere einem glasfaserverstärktem Kunststoff.
Um bei Betrieb mit Wechselstrom unerwünschte Wirbelströme in der Behälterwandung zu vermeiden, sollte der Behälter aus einem elektrisch nicht leitfähigen Material bestehen, insbesondere einem glasfaserverstärktem Kunststoff.
Zur besseren Einstellung der Induktivität wird vorgeschlagen, dass der Kern mindestens einen Luftspalt aufweist.
Eine gute Kühlung wird erzielt, wenn die Kühlelemente auf der Außen- und/oder Innenfläche der Wicklung angeordnet sind und/oder innerhalb der Wicklung verlaufen.
Wartungsgünstig ist es, wenn das System zur Bereitstellung des Kühlmittels ein verdampfendes Kühlmittel enthält, welches den Kühlkreislauf selbsttätig in Gang hält.
Alternativ ist es vorteilhaft, wenn das System zur Bereitstellung des Kühlmittels ein einphasiges gasförmiges und/oder flüssiges Kühlmittel enthält, wobei der Kühlkreislauf mittels Pumpen in Gang gehalten wird.
Weiter ist es von Vorteil, wenn das Kühlmittel ein Gas, insbesondere Sauerstoff, Stickstoff, Neon, Wasserstoff, Helium oder ein Gasgemisch aus diesen ist.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher beschrieben. Es zeigen:
1 eine Drossel mit einer supraleitenden Wicklung in einem einwandigen evakuierten Behälter,
2 eine Ausführung der Kühlung mit verzweigtem Kühlelement,
3 eine Ausführung der Kühlung mit getrennten Kühlelementen für den Hin- und Rücklauf des Kühlmittels,
4 eine Ausführung der Kühlung mit spiralförmig um die Wicklung herum angeordnetem Kühlelement,
5 eine Ausführung der Kühlung gemäß 4 mit Hin- und Rücklauf des Kühlmittels und
6 eine Ausführung der Kühlung mit innerhalb der Wicklung angeordneten Kühlelementen.
1 zeigt als elektrisches Bauelement 1 eine Drossel 1a (dabei kann es sich selbstverständlich auch um einen Transformator handeln) mit einem ferromagnetischen Kern 2 in Form eines Eisenkerns 2a, um den herum eine supraleitende mehrlagige Wicklung 3 gewickelt ist. Letzteres ist im unteren Teil der 2 zu erkennen, der einen Querschnitt durch die Drossel 1a darstellt, während im oberen Teil der Längsschnitt der Drossel 1a zu sehen ist. Der Supraleiter der Wicklung 3 ist ein Hochtemperatur-Supraleiter. Während des Betriebs fließt durch die Drossel 1a ein Gleich- oder Wechselstrom. Weiter sorgen Rückschlussschenkel 4 für eine Verstärkung des magnetischen Flusses. Zur Einstellung der Induktivität können im Kern 2 (hier nicht gezeigte) Luftspalte vorgesehen sein.
Die Wicklung 3 befindet sich vollständig in einem evakuierten Behälter 5, d. h. sie ist vollständig von den Wänden 6, 6a des Behälters 5 umgeben. Der Behälter besteht aus einem glasfaserverstärkten Kunststoff, der elektrisch nicht leitet (Eine zwischen Kern 2 und Wicklung 3 angeordnete elektrisch leitfähige Behälterwand wirkt wie eine kurzgeschlossene Wicklung). Die Wicklung 3 ist im Behälter 5 an mehreren Punkten aufgehängt (nicht gezeigt). Die Behälterwand 6a verläuft zur thermischen Isolation zwischen der Wicklung 3 und dem Eisenkern 2a, so dass sich der Eisenkern 2a außerhalb des Behälters 5 befindet; man spricht in diesem Zusammenhang auch von einem warmen Eisenkern.
Zur Kühlung der Wicklung 3 sind Kühlelemente 7 in Form von Rohren 7a vorgesehen, die hier an der Außenseite der Wicklung 3 angeordnet sind. Durch die Kühlrohre 7a fließt als Kühlmittel flüssiger Stickstoff, der an den Enden der Kühlrohre 7a verdampft und so den Kühlkreislauf selbsttätig in Gang hält. Anstelle von flüssigem Stickstoff kann auch ein anderes flüssiges Gas verwendet werden, insbesondere Sauerstoff, Neon, Wasserstoff, Helium oder ein Gemisch aus diesen. Die Kühlrohre 7a sind außerhalb des Behälters an ein nicht weiter gezeigtes System zur Bereitstellung des Kühlmittels angeschlossen.
2 zeigt die Anordnung der Kühlrohre 7a gemäß 1 als Vorderansicht (links) und als Draufsicht (rechts) in einer schematischen Darstellung, in der nur noch die Wicklung 3 und die Kühlrohre 7a der 1 dargestellt sind. Die Zu führung des Kühlmittels (z. B. flüssigen Stickstoff) erfolgt über ein Zuführrohr 7b, das über Verbindungsrohre 7c mit den Kühlrohren 7a verbunden ist. Wie 2 zeigt, verlaufen die Kühlrohre 7a unmittelbar an der Außenseite 8 der in etwa zylindrischen Wicklung 3. Der Pfeil 9 soll anzeigen, dass der flüssige Stickstoff in die Kühlrohre 7a hineinfließt und nach dem Verdampfen als Gas auf umgekehrtem Wege wieder herauskommt.
3 lässt eine alternative Ausführung der Anordnung der Kühlrohre zur 2 erkennen, wobei Zu- und Rückfluss hier des einphasigen gasförmigen und/oder flüssigen Kühlmittels über getrennte Kühlrohre 7a erfolgt, was durch die Pfeile 9, die die Flussrichtung des Kühlmittels kennzeichnen, dargestellt ist. Der Kühlkreislauf wird mittels nicht gezeigter Pumpen in Gang gehalten.
Eine weitere Ausführung der Kühlrohranordnung ist in 4 gezeigt, wo das Kühlrohr 7a wendelförmig um die Wicklung 3 herum geführt ist.
Die in 5 gezeigte Ausführung der Anordnung der Kühlrohre 7a weist im Unterschied zu der in 4 einen getrennten Hin- und Rücklauf des Kühlmittels auf.
Die Ausführung der Kühlung in 6 arbeitet mit innerhalb der Wicklung 3 verlaufenden Kühlkanälen 7d anstelle von Kühlrohren.
Selbstverständlich kann die Wicklung 3 auch aus mehreren Teilwicklungen gebildet sein, die jeweils um einen eigenen Kern 2 gewickelt und elektrisch parallel oder hintereinandergeschaltet sind, jeweils bei magnetisch miteinander verbundenen Kernen 2.
Aufgrund der Einwandigkeit des evakuierten Behälters 5 lassen sich hohe Eisenfüllgrade bei geringen Verlusten erreichen, da die im Eisenkern 2a anfallenden Verluste nicht auf kryogener Temperatur abgeführt werden müssen. Der Behälter 5 weist aufgrund seiner Einwandigkeit ein geringes Gewicht auf. Die Inbetriebnahme der Drossel 1a erfolgt relativ schnell, da lediglich die supraleitende Wicklung 3 abgekühlt werden muss. Die Temperatur des Behälters 5 ist wie die des Eisenkerns 2a die Umgebungstemperatur.
Analog zur Drossel 1a können auch zwei Wicklungen 3 den Eisenkern 2a umschließen, welche dann einen Transformator mit einer Primär- und einer Sekundärwicklung bilden.

Claims

Elektrisches Bauelement (1), insbesondere eine elektrische Drossel (1a) oder ein Transformator, mit einem ferromagnetischen Kern (2), insbesondere einem Eisenkern (2a), um den herum eine aus einem elektrischen Supraleiter gebildete Wicklung (3) angeordnet ist, wobei sich die Wicklung (3) in einem evakuierten Behälter (5) befindet und zwischen der Wicklung (3) und dem Kern (2) zur thermischen Isolation mindestens eine Wand (6a) des Behälters (5) verläuft, so dass sich der Kern (2) außerhalb des Behälters (5) befindet, und wobei die Kühlung der Wicklung (3) mit Hilfe eines Kühlmittels erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter (5) einwandig ausgebildet und evakuiert und die Wicklung (3) mit Kühlelementen (7) zum Durchlauf des Kühlmittels versehen ist.
Elektrisches Bauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Supraleiter ein Hochtemperatur-Supraleiter ist.
Elektrisches Bauelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlelemente (7) außerhalb des Behälters an ein System zur Bereitstellung des flüssigen und/oder gasförmigen Kühlmittels angeschlossen sind.
Elektrisches Bauelement nach einem der Ansprüche 1–3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern (2) für den magnetischen Fluss zumindest einen Rückschlussschenkel (4) aufweist.
Elektrisches Bauelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern (2) zwei Rückschlussschenkel (4) aufweist.
Elektrisches Bauelement nach einem der Ansprüche 1–5, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklung (3) aus mehreren Teilwicklungen gebildet ist, die jeweils um einen eigenen Kern (2) gewickelt sind und elektrisch parallel oder hintereinandergeschaltet sind, wobei die Kerne (2) magnetisch miteinander verbunden sind.
Elektrisches Bauelement nach einem der Ansprüche 1–6, dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter (5) aus einem elektrisch nichtleitfähigem Material besteht, insbesondere glasfaserverstärktem Kunststoff.
Elektrisches Bauelement nach einem der Ansprüche 1–7, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern (2) zur Einstellung der Induktivität mindestens einen Luftspalt aufweist.
Elektrisches Bauelement nach einem der Ansprüche 1–8, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlelemente (7) auf der Außen- und/oder Innenseite der Wicklung (3) angeordnet sind und/oder innerhalb der Wicklung (3) verlaufen.
Elektrisches Bauelement nach einem der Ansprüche 1–9, dadurch gekennzeichnet, dass das System zur Bereitstellung des Kühlmittels ein verdampfendes Kühlmittel enthält, welches den Kühlkreislauf selbsttätig in Gang hält.
Elektrisches Bauelement nach einem der Ansprüche 1–9, dadurch gekennzeichnet, dass das System zur Bereitstellung des Kühlmittels ein einphasiges gasförmiges und/oder flüssiges Kühlmittel enthält und der Kühlkreislauf mittels Pumpen in Gang gehalten wird.
Elektrisches Bauelement nach einem der Ansprüche 1–11, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmittel ein flüssiges Gas, insbesondere Sauerstoff, Stickstoff, Neon, Wasserstoff, Helium oder ein Gasgemisch aus diesen ist.