DE102010040272A1

DE102010040272A1 - Hochtemperatur-Supraleiter (HTS)-Spule

Info

Publication number: DE102010040272A1
Application number: DE102010040272A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Nick; Marijn Pieter Oomen
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Priority date: 2010-09-06
Filing date: 2010-09-06
Publication date: 2012-03-08
Anticipated expiration: 2030-09-07
Also published as: EP2601660A1; JP6270479B2; DE102010040272B4; CN103189937A; KR20130138231A; US9048015B2; KR101887714B1; JP2013539338A; WO2012031790A1; US20130172196A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung schafft eine Hochtemperatur-Supraleiter(HTS)-Spule (1) mit mindestens einer Spulenwicklung (2), welche ein supraleitendes Material aufweist; und mit einem Spulenträger (3) fü (2) oder der Spulenträger (3) derart ausgebildet sind, dass sie bei einem Abkühlen der Hochtemperatur-Supraleiter(HTS)-Spule (1) von einer Raumtemperatur auf die Betriebstemperatur der Hochtemperatur-Supraleiter(HTS)-Spule (1) zur Vermeidung oder Verringerung der Längskompression (Umfangsrichtung) des in der Spulenwicklung (2) enthaltenen supraleitenden Materials dem thermischen Schrumpfen der Spulenwicklung (2) entgegenwirken.

Description

Die Erfindung betrifft eine Hochtemperatur-Supraleiter(HTS)-Spule insbesondere für einen Pol eines Rotors einer elektrischen Maschine, z. B. eines elektrischen Motors oder Generators.
Hochtemperatur-Supraleiter(HTS)-Spulen kann man für Polwicklungen von Maschinenrotoren einsetzen, wobei sie von einer Raumtemperatur auf eine Betriebstemperatur abgekühlt werden. Bei der Betriebstemperatur entfaltet ein im HTS-Leiter in der Spulenwicklung enthaltenes supraleitendes Material seine supraleitenden Eigenschaften. Der Rotor ist dabei auf einer Welle montiert. Die Kühlung der Hochtemperatur-Supraleiter-Spule erfolgt dabei beispielsweise durch eine Hohlwelle. Der Rotor der rotierenden Maschine weist mehrere Pole auf, deren Wicklungen über die Hohlwelle gekühlt werden, so dass die Hochtemperatur-Supraleiter(HTS)-Spulen auf die entsprechende Betriebstemperatur abgekühlt werden.
Herkömmlicherweise werden heute meist Hochtemperatur-Supraleiter der „ersten Generation” (1G-HTS) eingesetzt. Diese Bandleiter sind meist einige mm breit und nur ein Bruchteil eines mm dick. Sie enthalten bei 1G-HTS Filamente einer granularen HTS-Keramik (z. B. BiSrCaCuO), eingebettet in einer Silber-Matrix, wobei die Herstellung mit der sogenannten Pulver-in-Rohr Methode erfolgt. Mit solchen Leitern sind keine speziellen Maßnahmen zur Vermeidung von Kompression notwendig.
Neuerdings gibt es HTS-Bandleiter der „zweiten Generation” (2G-HTS). Diese werden in Beschichtungsverfahren hergestellt gemäß einer „coated conductor” Architektur. Ein dünner Film des HTS-Keramik-Material, z. B. YBaCuC, wird auf einem flexiblen wickelbaren Substratmaterial aufgebracht, beispielsweise ein Band einer tieftemperatur-tauglichen und hoch dehnbaren Eisenlegierung (Stahl, z. B. Hastelloy) oder auch einer Nickel-Wolfram-Legierung. Evtl. Enthält der Fertigungsprozess für das 2G-HTS-Band vor dem Aufbringen des Supraleiter-Films noch eine oder mehrere Zwischenschichten. Zur Stabilisierung gegen Überströme kann der Leiter auf einer oder auf beiden Seiten mit Kupfer versehen werden.
Von 2G-HTS-Leitern werden Verbesserungen im Vergleich zu 1G-HTS-Leitern erwartet, insbesondere höhere Stromdichte, bessere mechanische Eigenschaften, freiere Wahl von Leitermaterialien und Geometrie.
In der Anwendung für Spulen wird der HTS-Bandleiter (1G oder 2G) üblicherweise mit einer elektrischen Isolierung umgeben, und das Ganze zur mechanischen Fixierung in ein Harz (Imprägnierung) eingebettet. Da der Zweck der HTS-Spulen in der Erzeugung eines Magnetfelds liegt, wirken dann Lorenzkräfte auf die einzelnen HTS-Bandleiter.
Beim Abkühlen der Hochtemperatur-Supraleiter(HTS)-Spule von der Raumtemperatur auf die Betriebstemperatur der Hochtemperatur-Supraleiter(HTS)-Spule kommt es zu einem thermischen Schrumpfen der Spulenwicklung, in radialer Richtung aber auch in Umfangsrichtung. Dieses thermische Schrumpfen ist deutlich größer als der freie, unbehinderte Schrumpf des HTS-Leiters, denn das bei der Spulenherstellung benutzte Imprägnierharz (meist Epoxydharz) hat einen deutlich höheren Schrumpfwert, beispielsweise 1.4% von 300K auf 30K, als der HTS-Leiter, der aus Substrat, HTS-Schicht und Kupfer besteht, und einen Schrumpfwert von etwa 0.3% von 300K bis 30K aufweist. Dieses thermische Schrumpfen der Spulenwicklung führt zu einer Kompression des in der Spulenwicklung enthaltenen supraleitenden Materials in Leiterlängsrichtung (Umfangsrichtung). Werden aus 2G-HTS-Material Spulen mit herkömmlichen Methoden hergestellt, kommt es sobald die Längskompression ein bestimmtes Ausmaß überschreitet, zu einer irreversiblen Degradierung der supraleitenden Eigenschaften des in der Spulenwicklung enthaltenen supraleitenden Materials. Der dünne Keramikfilm in 2G-HTS-Leitern ist anfälliger für solche Kompression als die aus vielen einzelnen Körnern bestehende Filamente in 1G-HTS-Leitern.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Hochtemperatur-Supraleiter(HTS)-Spule zu schaffen, bei welcher die Degradierung supraleitender Eigenschaften aufgrund von thermischem Schrumpfen weitestgehend vermieden wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Hochtemperatur-Supraleiter(HTS)-Spule mit den in Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.
Die Erfindung schafft eine Hochtemperatur-Supraleiter(HTS)-Spule mit:
mindestens einer Spulenwicklung aus HTS-Bandleiter, welche ein supraleitendes Material aufweist; und mit
einem Spulenträger für die Spulenwicklung;
wobei die Spulenwicklung oder der Spulenträger oder beide derart ausgebildet sind, dass sie bei einem Abkühlen der Hochtemperatur-Supraleiter(HTS)-Spule von Raumtemperatur auf die Betriebstemperatur der HTS-Spule dem thermischen Schrumpfen der Spulenwicklung entgegenwirken, um so die Längskompression (Umfangsrichtung) des in der Spulenwicklung enthaltenen supraleitenden Materials zu vermeiden oder zu reduzieren.
Bei einer möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Hochtemperatur-Supraleiter(HTS)-Spule besteht der Spulenträger aus einem Material, dessen thermischer Schrumpf beim Abkühlen auf die Betriebstemperatur der Hochtemperatur-Supraleiter(HTS)-Spule geringer ist als ein thermischer Schrumpf der Spulenwicklung ohne Spulenträger. Beispiele werden noch dargestellt.
Bei einer möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Hochtemperatur-Supraleiter(HTS)-Spule ist die Spulenwicklung mit einem hohen Wickelzug gewickelt.
Bei einer möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Hochtemperatur-Supraleiter(HTS)-Spule besteht der Spulenträger aus einem Material, welches ein Elastizitätsmodul (E) von mehr als 150.000 M N/m² aufweist oder der Spulenträger ist besonders stabil konstruiert, z. B. massiv.
Bei einer möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Hochtemperatur-Supraleiter(HTS)-Spule weist der Bandleiter für die Spulenwicklung einen supraleitenden HTS-Keramik-Leiterfilm auf, der auf einem Substratmaterial aufgebracht ist, dessen thermischer Schrumpf bei Abkühlen auf die Betriebstemperatur der Hochtemperatur-Supraleiter(HTS)-Spule geringer ist, als der thermische Schrumpf des HTS-Keramik-Leiterfilms.
Bei einer möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Hochtemperatur-Supraleiter(HTS)-Spule weist der Bandleiter einen elektrisch isolierenden Isolationsmantel auf, der in einem Imprägniermaterial eingebettet ist, wobei der thermische Schrumpf des Isolationsmantels oder des Imprägniermaterials beim Abkühlen auf die Betriebstemperatur der Hochtemperatur-Supraleiter(HTS)-Spule besonders klein sind, beispielsweise kleiner als der Schrumpf von Epoxy von etwa 1,4%. Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Hochtemperatur-Supraleiter(HTS)-Spule 1 weist das Imprägniermaterial zudem Körner aus einem Metalloxid auf, um dem thermischen Schrumpfen der Spulenwicklung 2 entgegenzuwirken. Bei diesem Metalloxid handelt es sich beispielsweise um Aluminiumoxid.
Bei einer möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Hochtemperatur-Supraleiter(HTS)-Spule sind der Spulenträger und die Spulenwicklung an eine Form eines Polkerns angepasst ringförmig ausgebildet. Genauer wird dies weiter unten dargestellt.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Hochtemperatur-Supraleiter(HTS)-Spule wird die Hochtemperatur-Supraleiter(HTS)-Spule bei einer Betriebstemperatur von unter 80 Kelvin betrieben.
Die Erfindung schafft ferner einen Rotor einer elektrischen Maschine mit mindestens einem Pol, an den jeweils mindestens eine Hochtemperatur-Supraleiter(HTS)-Spule angebracht ist, wobei die Hochtemperatur-Supraleiter(HTS)-Spule aufweist:
mindestens eine Spulenwicklung aus HTS-Bandleiter, welche ein supraleitendes Material aufweist;
einen Spulenträger für die Spulenwicklung;
wobei die Spulenwicklung oder der Spulenträger oder vorteilhaft beide derart ausgebildet sind, dass sie bei einem Abkühlen der Hochtemperatur-Supraleiter(HTS)-Spule von einer Raumtemperatur auf die Betriebstemperatur der (HTS)-Spule dem thermischen Schrumpfen der Spulenwicklung entgegenwirken, um so die Längskompression (Umfangsrichtung) des in der Spulenwicklung enthaltenen supraleitenden Materials zu vermeiden oder zu reduzieren.
Bei einer möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Maschinenrotors wirken die Polkerne jeweils einem thermischen Schrumpfen der daran angebrachten Hochtemperatur-Supraleiter(HTS)-Spule entgegen.
Im Weiteren werden mögliche Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Hochtemperatur-Supraleiter(HTS)-Spule unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren beschrieben.
Es zeigen:
1 die perspektivische Ansicht zur Darstellung einer möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Hochtemperatur-Supraleiter(HTS)-Spule;
2 eine perspektivische Ansicht zur Darstellung einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Hochtemperatur-Supraleiter(HTS)-Spule mit einem vergrößerten Spulenträgerquerschnitt;
3 eine perspektivische Detailansicht einer möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Hochtemperatur-Supraleiter(HTS)-Spule.
Wie man aus 1 erkennen kann, weist eine Hochtemperatur-Supraleiter(HTS)-Spule 1 mindestens eine Spulenwicklung 2 auf, die an einem Spulenträger 3 angebracht ist. Die Spulenwicklung 2 weist ein supraleitendes Material auf. Bei einer möglichen Ausführungsform besteht die Spulenwicklung 2 aus Windungen eines HTS-Bandleiters (1G-HTS oder 2G-HTS), der seinerseits einen supraleitenden HTS-Keramik-Leiterfilm aufweist, der auf einem wickelbaren Substratmaterial aufgebracht ist, sowie weitere Schichten und Isolation/Imprägnierung außen herum. Bei dem supraleitenden HTS-Keramik-Leiterfilm kann es sich beispielsweise um einen Leiterfilm aus YBaCuO handeln. Die in 1 dargestellte Hochtemperatur-Supraleiter(HTS)-Spule 1 wird zum Betrieb von einer Raumtemperatur auf die Betriebstemperatur der Hochtemperatur-Supraleiter(HTS)-Spule 1 abgekühlt.
Bei einer möglichen Ausführungsform wird die Hochtemperatur-Supraleiter(HTS)-Spule 1 bei einer Betriebstemperatur von unter 80 Kelvin betrieben. Beim Abkühlen der Hochtemperatur-Supraleiter(HTS)-Spule 1 von der Raumtemperatur zu der Betriebstemperatur kommt es zu einem thermischen Schrumpfen der Spulenwicklung 2. Bei der erfindungsgemäßen Hochtemperatur-Supraleiter(HTS)-Spule 1 sind die Spulenwicklung 2 oder der Spulenträger 3 oder beide derart ausgebildet, dass sie bei einem Abkühlen der Hochtemperatur-Supraleiter(HTS)-Spule 1 von der Raumtemperatur auf die Betriebstemperatur der HTS-Spule 1 dem thermischen Schrumpfen der Spulenwicklung entgegenwirken, um so die Längskompression (Umfangsrichtung) des in der Spulenwicklung 2 enthaltenen supraleitenden Materials zu vermeiden oder zu reduzieren.
Bei einer möglichen Ausführungsform sind sowohl die Spulenwicklung 2 als auch der Spulenträger 3 derart ausgebildet, dass sie dem mechanischen Schrumpfen der Spulenwicklung 2 entgegenwirken. Bei einer möglichen Ausführungsform ist nur der Spulenträger 3 derart ausgebildet, dass er dem thermischen Schrumpfen der Spulenwicklung 2 entgegenwirkt. Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform der Hochtemperatur-Supraleiter(HTS)-Spule 1 ist lediglich die Spulenwicklung 2 derart ausgebildet, dass sie dem eigenen thermischen Schrumpfen entgegenwirkt bzw. die dadurch verursachte Längskontraktion (Umfangsrichtung) des Supraleitermaterials vermeidet oder reduziert.
Bei einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Hochtemperatur-Supraleiter(HTS)-Spule 1 besteht der Spulenträger 3 aus einem Material, dessen thermischer Schrumpf bei dem Abkühlen auf die Betriebstemperatur der HTS-Spule 1 geringer ist als der thermische Schrumpf der Spulenwicklung 2 ohne Spulenträger. Der Spulenträger 3 besteht somit vorzugsweise aus einem Material mit einem möglichst geringen thermischen Schrumpf. Um eine benötigte Wärmeabfuhr von den inneren Windungen bzw. Wicklungen der HTS-Spule 1 zu gewährleisten, kann der Spulenträger 3 bei einer möglichen Ausführungsform mit einem wärmeleitfähigen Mantel versehen werden, beispielsweise mit einem Mantel aus Kupferblech. Dieser Mantel besteht vorzugsweise aus einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit. Weiterhin kann der Spulenträger 3 eine Komposit- oder Sandwichkonstruktion aufweisen, die mit einem Mantel aus einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit umgeben ist.
Der Spulenträger 3 besteht bei einer möglichen Ausführungsform aus einem in Umfangsrichtung mit Glasfaser verstärkten Kunststoffmaterial (GFK). Alternativ kann der Spulenträger 3 auch aus Stahl bestehen, insbesondere aus Stahl-4340. Dieser Stahl weist beim Abkühlen von einer Raumtemperatur von etwa 300 Kelvin auf eine Betriebstemperatur von bis zu 30 Kelvin lediglich ein thermisches Schrumpfen von 0,21% auf. Weiterhin besteht der Spulenträger 3 vorzugsweise aus einem Material mit einer geringen Elastizität, das heißt aus einem Material, welches ein hohes Elastizitätsmodul E besitzt. Bei einer möglichen Ausführungsform besteht der Spulenträger 3 aus einem Material, dessen Elastizitätsmodul E größer als 150.000 M N/m² ist.
Weiterhin weist der Spulenträger 3 bei einer möglichen Ausführungsform einen Materialquerschnitt auf, der größer ist als ein minimaler für den Wickelprozess zur Erreichung einer vorgegebenen mechanischen Stabilität benötigter Materialquerschnitt. 2 zeigt beispielhaft eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen HTS-Spule 1, bei welcher der Spulenträger 3 einen im Vergleich zu 1 vergrößerten Materialquerschnitt aufweist und dadurch stabiler ist und die Verwendung eines erhöhten Wickelzugs erlaubt.
Die HTS-Spule 1, wie sie in 1 oder 2 dargestellt ist, wird zum Beispiel auf einem Polkern eines Maschinenrotors angebracht. Der Spulenträger 3 und die Spulenwicklung 2 sind dabei an die Form des Polkerns angepasst, d. h. sie sind wie in den 1, 2 dargestellt, beispielsweise rennbahn-ringförmig ausgebildet. Die in 1, 2 dargestellte Öffnung 4 wird von dem Polkern des Maschinenrotors komplett ausgefüllt. Schrumpft das Polkerneisen bei Abkühlen von der Raumtemperatur auf die. Betriebstemperatur der HTS-Spule 1 weniger als eine freiliegende Spulenwicklung schrumpfen würde, so bestimmt das Polkerneisen den thermischen Schrumpf der Spulenwicklung und somit die Längskompression der darin enthaltenen HTS-Keramik. Bei einer möglichen Ausführungsform werden daher die Hochtemperatur-Supraleiter(HTS)-Spulen 1 direkt auf die jeweiligen Polkerneisen montiert, so dass das Eisen bzw. der Stahl des Polkerns der Längskompression der HTS-Keramik entgegenwirken kann. Bei dieser Ausführungsform werden die Spulen auf Trägern gebildet, die nur gerade steif genug sind für den Wickelprozess. Die Spulenwicklung 2 und der entsprechende Spulenträger 3 werden dann auf einem vorgefertigten Polkern des Rotors aufgeschrumpft oder mit genauer Passung darauf montiert. Mechanische Kräfte, die bei Abkühlen im Betrieb der Hochtemperatur-Supraleiter(HTS)-Spule 1 auftreten, werden dann von dem Polkerneisen gehalten. Das Polkerneisen besitzt einen geringeren thermischen Schrumpf und verhindert auf diese Weise eine Längskompression (Umfangsrichtung) der in der Spulenwicklung 2 enthaltenen HTS-Keramik. Durch eine gute Ankopplung sowohl der Hochtemperatur-Supraleiter(HTS)-Spule 1 als auch des zugehörigen Polkerns an ein Kühlsystem wird dabei verhindert, dass die Hochtemperatur-Supraleiter(HTS)-Spule 1 schneller abkühlt als der zugehörige Polkern.
Bei einer möglichen (nicht dargestellten) Ausführungsform ist der Spulenträger 3 ein massiver Spulenträger und weist somit einen sehr großen Querschnitt auf und damit hohe mechanische Stabilität zur Aufnahme von Windungskräften.
Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Hochtemperatur-Supraleiter(HTS)-Spule 1 wird die Spulenwicklung 2 aus 2G-HTS-Bandleitern mit einem höheren Wickelzug hergestellt, als er bei 1G-HTS-Bandleitern wegen deren teilweise geringer mechanischer Festigkeit üblich ist. Da die 2G-HTS-Bandleiter in unterschiedlichen Breiten verfügbar sind, wird oft der Wickelzug pro Leiterbreite angegeben. Der gesamte Wickelzug F_w ergibt sich dabei als Wickelzug/Breite x Breite des HTS-Bandleiters. Beispielsweise wird vorteilhaft ein 12 mm breiter HTS-Bandleiter mit mindestens 25 N/cm Wickelzug pro Breite, also 30 N Wickelzug verarbeitet. Dadurch weist die erfindungsgemäße HTS-Spule 1 eine entsprechend hohe Vorspannkraft auf. Die Vorspannkraft ergibt sich aus dem Produkt des Wickelzuges, beispielsweise 30 N pro Leiter, und der Anzahl von Windungen n der Spulenwicklung. Die gesamte Vorspannkraft F_V ergibt sich wie folgt: F = 2 × n × F_W, wobei n die Anzahl von Windungen der Spulenwicklung 2 und F_W Wickelzug pro Leiter ist.
Die erfindungsgemäßen Hochtemperatur-Supraleiter(HTS)-Spule 1 weist vorzugsweise eine Spulenwicklung aus 2G-HTS-Bandleiter auf, in der ein supraleitender HTS-Keramik-Leiterfilm auf einem Subtratmaterial aufgebracht ist. Derartige Spulenwicklungen mit 2G-HTS (”coated conductors”) erlauben heute einen deutlich höheren Wickelzug F_W pro Leiterbreite von bis zu einigen 100 N/cm Leiterbreite. Bei einer möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen HTS-Spule 1 beträgt der Wickelzug F_W pro Leiterbreite mehr als 50 N/cm bis zu 100 N/cm oder mehr. Der erfindungsgemäß gestaltete Spulenträger 3 hält ohne unzulässige Deformation einen deutlich höheren Wickelzug F_W aus. Wird bei dieser Ausführungsform die Spulenwicklung 2 beim Wickeln unter mechanische Vorspannung gebracht, verringert der beim Abkühlen der HTS-Spule 1 auf die Betriebstemperatur hervorgerufene thermische Schrumpf zunächst diese mechanische Vorspannung in Umfangsrichtung. Erst wenn diese mechanische Vorspannung ganz aufgehoben ist, entsteht eine unakzeptable Längskompression des in der Spulenwicklung 2 enthaltenen supraleitenden Materials. Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird die Spulenwicklung 2 bei erhöhten Wickelzug F_W derart gewickelt, dass der Wickelzug der Spulenwicklung von innen nach außen während des Wickelns der Spulenwicklung stetig verringert wird.
3 zeigt in einer Detailansicht ein weiteres Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Hochtemperatur-Supraleiter(HTS)-Spule 1. Die Spulenwicklung 2 weist eine Vielzahl von gewickelten Spulenwindungen auf, die in 3 gestrichelt angedeutet sind. Die gewickelten Spulenwindungen aus HTS-Bandleiter sind an einen entsprechend geformten Spulenträger 3 angepasst. Auch in dieser Konfiguration lassen sich die aufgeführten vorteilhaften Aspekte der erfindungsgemäßen HTS-Spule 1 darstellen.
Der in 3 dargestellte Spulenträger 3 besteht vorzugsweise aus einem Material dessen thermischer Schrumpf beim Abkühlen auf die Betriebstemperatur geringer ist als der thermische Schrumpf des in der Spulenwicklung 2 verwendeten Materials. Der Spulenträger 3 besteht beispielsweise aus einem glasfaserverstärkten Kunststoffmaterial oder aus Stahl, insbesondere 4340-Stahl. Die Spulenwindungen der Spulenwicklung 2 werden vorzugsweise mit einem hohen Wickelzug F_W gewickelt, so dass eine entsprechend hohe Vorspannkraft besteht. Bei der vorliegenden Ausführungsform werden die inneren Wicklungen der Spulenwicklung 2 auf einem höheren Wickelzug gewickelt, welcher im Laufe des Wickelprozesses gemindert wird. Der anfängliche Wickelzug pro Leiterbreite kann dabei mehr als 100 N/cm betragen, wobei der Wickelzug im Laufe des Wickelns beispielsweise nahezu linear auf einem Wickelzug von mehr als 25 N/cm vermindert wird. Die in 3 dargestellte Hochtemperatur-Supraleiter(HTS)-Spule 1 kann eine sogenannte HTS-Rennbahnspule sein, die an einen Polkern eines Rotors einer rotierenden Maschine angebracht wird.
Die erfindungsgemäße Hochtemperatur-Supraleiter(HTS)-Spule 1 wird vorzugsweise für einen bestimmten Betriebstemperaturbereich ausgelegt, insbesondere für Betrieb unter 80K bzw. bei etwa 30K. Die Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Hochtemperatur-Supraleiter(HTS)-Spule 1 ist nicht auf die in den 1–3 dargestellten Ausführungsformen beschränkt. Beispielsweise können bei einer möglichen Ausführungsform mehrere Hochtemperatur-Supraleiter(HTS)-Spulen 1 auf einem Spulenträger 3 vorgesehen sein. Weiterhin kann bei einer möglichen Ausführungsform die Spulenwicklung 2 zwischen zwei Spulenträgern 3 in einer Sandwichstruktur vorgesehen werden. Dadurch wird der Gesamtquerschnitt der Spulenträger erhöht. Weiterhin ist es möglich, dass mehrere Hochtemperatur-Supraleiter(HTS)-Spulen 1, wie sie in den 1–3 dargestellt sind, an einen gemeinsamen Polkern eines Rotors angebracht werden. Weiterhin ist die erfindungsgemäße Hochtemperatur-Supraleiter(HTS)-Spule 1 nicht auf die in den 1–3 dargestellte Ringform beschränkt sondern kann dann auch andere Formen entsprechend dem Design des Maschinenrotors annehmen, beispielsweise eine ovale Form oder als Rechteck mit abgerundeten Ecken. Weiterhin muss die erfindungsgemäße Hochtemperatur-Supraleiter(HTS)-Spule 1, wie sie in den 1, 3 dargestellt ist, nicht flach ausgebildet sein, sondern kann beispielsweise angepasst an eine Zylinderoberfläche ausgebildet sein.
Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform wird der thermische Schrumpf der Spulenwicklung 2 sensorisch erfasst und einer Steuereinrichtung gemeldet. Überschreitet der thermische Schrumpf beispielsweise einen vorgegebenen Schwellenwert kann dies eine Nachricht auslösen, um die Gefahr einer möglichen Kompression des in der Spulenwicklung 2 enthaltenen supraleitenden Materials und die damit verbundene Beeinträchtigung der supraleitenden Eigenschaft zu melden.

Claims

Hochtemperatur-Supraleiter(HTS)-Spule (1) mit: (a) mindestens einer Spulenwicklung (2), welche ein supraleitendes Material aufweist; und mit (b) einem Spulenträger (3) für die Spulenwicklung (2); (c) wobei die Spulenwicklung (2) oder der Spulenträger (3) derart ausgebildet sind, dass sie bei einem Abkühlen der Hochtemperatur-Supraleiter(HTS)-Spule (1) von einer Raumtemperatur auf die Betriebstemperatur der Hochtemperatur-Supraleiter(HTS)-Spule (1) zur Vermeidung oder Verringerung der Längskompression des in der Spulenwicklung (2) enthaltenen supraleitenden Materials dem thermischen Schrumpfen der Spulenwicklung (2) entgegenwirken.
Hochtemperatur-Supraleiter(HTS)-Spule nach Anspruch 1, wobei der Spulenträger (3) aus einem Material besteht, dessen thermischer Schrumpf bei dem Abkühlen auf die Betriebstemperatur der Hochtemperatur-Supraleiter(HTS)-Spule (1) geringer ist, als der thermische Schrumpf der Spulenwicklung (2) in Umfangsrichtung ohne Spulenträger.
Hochtemperatur-Supraleiter(HTS)-Spule nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Spulenträger (3) aus einem mit Glasfaser verstärkten Kunststoffmaterial besteht.
Hochtemperatur-Supraleiter(HTS)-Spule nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Spulenträger (3) aus Stahl besteht.
Hochtemperatur-Supraleiter(HTS)-Spule nach Anspruch 4, wobei der Spulenträger (3) aus 4340-Stahl besteht.
Hochtemperatur-Supraleiter(HTS)-Spule nach Anspruch 1–5, wobei der Spulenträger (3) einen Mantel aufweist, der aus einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit, insbesondere Kupfer, besteht.
Hochtemperatur-Supraleiter(HTS)-Spule nach Anspruch 1–6, wobei der Spulenträger (3) aus einem Material besteht, welches ein Elastizitätsmodul (E) von mehr als 150.000 M N/m² aufweist.
Hochtemperatur-Supraleiter(HTS)-Spule nach Anspruch 1–7, wobei der Spulenträger (3) einen Materialquerschnitt aufweist, der größer als ein minimal für den Wickelprozess zur Erreichung einer mechanischen Stabilität benötigter Querschnitt ist.
Hochtemperatur-Supraleiter(HTS)-Spule nach Anspruch 1–7, wobei der Spulenträger ein massiver Spulenträger ist.
Hochtemperatur-Supraleiter(HTS)-Spule nach Anspruch 1–7, wobei die Spulenwicklung (2) mit einem Wickelzug pro Breite des HTS-Bandleiters von mehr als 25 N/cm gewickelt ist und eine entsprechend hohe Vorspannungskraft aufweist.
Hochtemperatur-Supraleiter(HTS)-Spule nach Anspruch 10, wobei der Wickelzug pro Breite des HTS-Bandleiters mehr als 50 N/cm bis über 100 N/cm beträgt.
Hochtemperatur-Supraleiter(HTS)-Spule nach Anspruch 1–11, wobei die Spulenwicklung (2) aus HTS-Bandleiter einen supraleitenden HTS-Keramik-Leiterfilm, insbesondere aus YBa-CuO aufweist, der auf einem Substratmaterial aufgebracht ist, dessen thermischer Schrumpf bei Abkühlen auf die Betriebstemperatur der HTS-Spule (1) geringer ist, als der thermische Schrumpf des HTS-Keramik-Leiterfilms.
Hochtemperatur-Supraleiter(HTS)-Spule nach Anspruch 1–12, wobei der HTS-Bandleiter einen elektrisch isolierenden Isolationsmantel aufweist, der in einem Imprägniermaterial eingebettet ist, wobei der thermische Schrumpf des Isolationsmantels bei Abkühlen auf die Betriebstemperatur der HTS-Spule (1) geringer ist als der thermische Schrumpf des Imprägniermaterials.
Hochtemperatur-Supraleiter(HTS)-Spule nach Anspruch 13, wobei das Imprägniermaterial einen thermischen Schrumpf aufweist, der geringer ist als der thermische Schrumpf von Epoxydharz.
Hochtemperatur-Supraleiter(HTS)-Spule nach Anspruch 14, wobei das Imprägniermaterial Körner aus Metalloxid, insbesondere aus Aluminiumoxid, aufweist.
Hochtemperatur-Supraleiter(HTS)-Spule nach Anspruch 10–15, wobei der Spulenträger (3) und die Spulenwicklung (1) angepasst an eine Form eines Polkerns ringförmig ausgebildet sind.
Hochtemperatur-Supraleiter(HTS)-Spule nach Anspruch 1–16, wobei die Hochtemperatur-Supraleiter(HTS)-Spule (1) bei einer Betriebstemperatur von unter 80 Kelvin (K) betrieben wird.
Hochtemperatur-Supraleiter(HTS)-Spule nach Anspruch 1–17, wobei die Spulenwicklung (2) derart gewickelt ist, dass der Wickelzug von innen nach außen während des Wickelns der Spulenwicklung (2) stetig verringert wird.
Rotor einer elektrischen Maschine mit mehreren Polkernen, an die jeweils mindestens eine Hochtemperatur-Supraleiter(HTS)-Spule (1) nach einem der Ansprüche 1–18 angebracht ist.
Rotor einer elektrischen Maschine nach Anspruch 19, wobei die Polkerne jeweils einem thermischen Schrumpf der daran angebrachten Hochtemperatur-Supraleiter(HTS)-Spule (1) entgegenwirken.