DE1181801B

DE1181801B - AC transformer with windings made of superconducting materials

Info

Publication number: DE1181801B
Application number: DEK47487A
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Dr Techn Peter Klaudy
Original assignee: PETER KLAUDY DIPL ING DR TECHN
Current assignee: PETER KLAUDY DIPL ING DR TECHN
Priority date: 1962-08-11
Filing date: 1962-08-11
Publication date: 1964-11-19

Description

Wechselstromtransformator mit Wicklungen aus supraleitenden Werkstoffen Die Erfindung betrifft einen Wechselstromtransformator mit Wicklungen aus supraleitenden Werkstoffen, wozu bereits vorgeschlagen wurde, solche Transformatoren toroidförmig auszubilden mit gleichmäßig angeordneten Wicklungen ohne ferromagnetisches Material im Feldraum und die Wicklungen selbst aus supraleitenden Werkstoffen herzustellen, wie es F i g. 1 im Prinzip erkennen läßt. Solche Transformatoren besitzen nach außen hin keine bzw. nur vernachlässigbar kleine Streufelder, so daß Wirbelstromverluste in benachbarten metallischen Leitern oder Beeinflussungen benachbarter Leitungen vermieden werden können. Um die elektrische Streuspannung klein zu halten und um zu verhindern, daß im inneren Teil des Wicklungsraumes der Primär- und Sekundärwicklungen magnetische Feldstärken entstehen, die über der Löschfeldstärke der supraleitenden Wicklungsdrähte liegen - supraleitende Drähte können nämlich nur bis zu ganz bestimmten, für das jeweilige Material und die Temperatur charakteristischen magnetischen Feldstärken verwendet werden, wenn sie die Eigenschaft der Supraleitfähigkeit nicht verlieren sollen -, wurde bereits bei Transformatoren mit supraleitenden Wicklungen mit und ohne Eisenkern weiterhin vorgeschlagen, die Primär- und Sekundärwicklungen eng miteinander zu verschachteln bzw. zu vermaschen, so daß sich die von den Wicklungsströmen hervorgerufenen Felder im wesentlichen, bis auf das resultierende Transformatorfeld, gegenseitig aufheben.AC transformer with windings made of superconducting materials The invention relates to an AC transformer with windings made of superconducting Materials, for which it has already been proposed, such transformers are toroidal designed with evenly arranged windings without ferromagnetic material in the field and to produce the windings themselves from superconducting materials, as it F i g. 1 can be seen in principle. Such transformers own to the outside towards no or only negligibly small stray fields, so that eddy current losses in neighboring metallic conductors or influences on neighboring lines can be avoided. To keep the electrical stray voltage small and around to prevent that in the inner part of the winding space of the primary and secondary windings Magnetic field strengths arise that are above the extinguishing field strength of the superconducting Winding wires - superconducting wires can only be used up to very specific, magnetic field strengths characteristic of the respective material and temperature can be used if they do not lose the property of superconductivity should - has already been used in transformers with superconducting windings with and Without an iron core it is still proposed that the primary and secondary windings be closely related to nest or intermesh, so that the winding currents caused Fields essentially mutually exclusive with the exception of the resulting transformer field lift.

Die Herstellung solcher verschachtelter Wicklungen ist jedoch schwierig, kostspielig und bewirkt einen schlechten Wickelfüllfaktor, weil wegen der einzuhalterrden Prüfspannungsbedingung zwischen Primär- und Sekundärwicklung - besonders bei Hochspannungstransformatoren - erhebliche Isolationsabstände zwischen den zur Niederspannungs-und Hochspannungswicklung gehörigen Leitern vorgesehen werden müssen.However, making such nested windings is difficult, expensive and causes a poor winding fill factor because of the need to hold Test voltage condition between primary and secondary winding - especially with high voltage transformers - Considerable isolation distances between the low-voltage and high-voltage windings appropriate ladders must be provided.

Auch lassen sich im Hinblick auf die praktisch zugelassenen Magnetisierungsströme bei Transformatoren in Ringbauweise ohne ferromagnetisches Material (F i g. 1) und ebenso wegen des gleichmäßigen Feldstärkenverlaufes längs des ganzen magnetischen Weges (worin W die Wicklungszahl, L die mittlere magnetische Länge, 1 den Strom bedeutet) im Vergleich zu Transformatoren mit Eisenkernen nur verhältnismäßig sehr geringe Kraftflußdichten erreichen.In view of the practically permitted magnetization currents in transformers in ring construction without ferromagnetic material (FIG. 1) and also because of the uniform field strength course along the entire magnetic path (where W is the number of turns, L is the mean magnetic length, 1 is the current) in comparison to transformers with iron cores, they only achieve relatively very low force flux densities.

Eine Verbesserung der Verhältnisse bei Transformatoren ohne Eisenkern könnte unter Anwendung der gleichen Anzahl von primär und sekundär miteinander verschachtelten Windungen bei gleichem Flußquerschnitt zwar erreicht werden, wenn die Wicklungen nicht ringförmig wie nach F i g. 1, sondern nach Art eines Solenoides gemäß F i g. 2 angeordnet werden. Bei gleicher Durchflutung 1 - W ist dann nämlich die Feldstärke und Kraftflußdichte innerhalb der Wicklungen entsprechend dem viel kleineren magnetisch in Reihe geschalteten Widerstand außerhalb der Wicklungen wesentlich größer als im Falle einer Anordnung nach F i g. 1. Allerdings treten dabei wegen des nach' außen tretenden Feldes in in der Nähe befindlichen Metallen Wirbelstromverluste und in elektrischen Leitern starke Beeinflussungen auf, die eine solche Anordnung nicht als zweckmäßig erscheinen lassen.An improvement in the ratios in transformers without an iron core could be achieved by using the same number of primary and secondary interleaved turns with the same flux cross-section if the windings are not ring-shaped as shown in FIG. 1, but in the manner of a solenoid according to FIG. 2 can be arranged. With the same flow rate 1 - W , the field strength and force flux density within the windings are, in accordance with the much smaller magnetically series-connected resistance outside the windings, significantly greater than in the case of an arrangement according to FIG. 1. However, eddy current losses occur in nearby metals because of the outwardly emerging field and strong influences occur in electrical conductors, which do not make such an arrangement appear expedient.

Die Erfindung vermeidet diese Nachteile dadurch, daß die Räume, in denen das magnetische Hauptfeld und gegebenenfalls auch die magnetischen Streufelder zur Wirkung kommen, durch Hüllen aus supraleitenden Stoffen eingeschlossen bzw. begrenzt sind, und macht von der Eigenschaft Gebrauch, daß magnetische Felder durch supraleitende Körper nicht hindurchdringen können, solange ihre Feldstärke unterhalb der Löschfeldstärke der supraleitenden Körper liegt. Es ergibt sich daher die Möglichkeit, die magnetischen Haupt- und Streuflüsse durch zweckentsprechende Anordnung supraleitender Bleche so zu umhüllen bzw. zu lenken, daß Wirbelstromverluste und Beeinßussunen in Nachbarkörpern und -leitungen nicht auftreten und daß teure verschachtelte primäre und kundäre Wicklungsanordnungen entfallen. Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in F i g. 3, und zwar für einen Transformator ohne Eisenkern dargestellt. Die primären und sekundären Transformatorwicklungen aus supraleitendem Werkstoff sind hier in einfachster Weise als mehrlagig gewickelte Solenoidspulen Spl und Sp., ausgebildet, die wiederum durch supraleitende, geschlitzte Blechkästen K1, K, (Schlitze Schl) so abgekapselt sind, daß die supraleitenden Bleche keine Kurzschlußwindungen bilden. Der in ihrem Inneren entstehende resultierende Magnetfiuß 0, wird durch Anordnung eines aus supraleitendem Blech bestehenden schachtelartigen, ringförmigen Kastens K so umhüllt, daß er nach außen nicht austreten kann. Streuung nach außen und die damit verbundenen Nachteile treten daher ebensowenig wie in toroidförmigen Spulen entsprechend F i g. l auf. Durch entsprechende Bemessung der magnetischen Querschnitte Al, Az, A3 ist es möglich, die Feldstärke und Kraftflußdichte H und B innerhalb des Magnetspulenbereichs - bei gleichem Wicklungsaufwand, entsprechend obigen Ausführungen - größer als im Falle der F i g. 1 zu machen und damit den Magnetisierungsstrom kleiner als dort zu halten. Der Transformator nach F i g. 3 liegt dann hinsichtlich seiner Kraftflußdichten magnetisch zwischen denjenigen der Transformatoren nach F i g. 1 und 2 und nähert sich dem Falle 2 um so mehr, je größer die Räume innerhalb des supraleitenden Kastens, d. h. die Querschnitte A_" As gehalten werden.The invention avoids these disadvantages in that the spaces in which the main magnetic field and possibly also the magnetic stray fields come into effect are enclosed or limited by sheaths made of superconducting materials, and makes use of the property that magnetic fields are created by superconducting bodies cannot penetrate as long as their field strength is below the extinguishing field strength of the superconducting body. There is therefore the possibility of enveloping or directing the main magnetic and leakage fluxes by appropriately arranging superconducting sheets so that eddy current losses and influences in neighboring bodies and lines do not occur and that expensive nested primary and secondary winding arrangements are not required. An embodiment of the invention is shown in FIG. 3, shown for a transformer without an iron core. The primary and secondary transformer windings made of superconducting material are designed here in the simplest way as multilayered wound solenoid coils Spl and Sp., Which in turn are encapsulated by superconducting, slotted sheet metal boxes K1, K, (slots Schl) in such a way that the superconducting sheets do not form any short-circuit turns . The resulting magnetic foot O, which arises in its interior, is encased by arranging a box-like, ring-shaped box K made of superconducting sheet metal in such a way that it cannot escape to the outside. Outward scattering and the associated disadvantages therefore do not occur any more than in toroidal coils according to FIG. l on. By appropriately dimensioning the magnetic cross-sections Al, Az, A3, it is possible to make the field strength and force flux density H and B within the magnet coil area greater than in the case of FIG. 1 and thus to keep the magnetizing current smaller than there. The transformer according to FIG. 3 then lies magnetically between those of the transformers according to FIG. 1 and 2 and approaches case 2 all the more, the larger the spaces within the superconducting box, ie the cross-sections A_ "As are kept.

Durch Einbau geeigneter supraleitender, dünner Blechzwischenlager Z, z. B. Bleibleche, Niobiumbleche usw., innerhalb der Wicklungen ist es weiter möglich, die inneren Wicklungslagen magnetisch so zu schirmen, daß sie nicht im Feld der äußeren Wicklungslagen liegen. Eine Verschachtelung oder Vermaschung der Wicklungen der Hochspannungs-und Niederspannungsspulen Spl, Spz zur Vermeidung des Auftretens von Löschfeldstärken im inneren Wicklungsraum ist daher nicht mehr erforderlich. Die Wicklungen können dsehalb mit Hilfe gewöhnlicher Wickelmaschinen billiger als gewöhnliche Solenoidspulen ausgeführt werden. Das heißt, im Gegensatz zu der Anordnung nach F i g. 1 sind Ringwickelmaschinen nicht nötig. Ebenso wie die die Windungen umfassenden supraleitenden Kästen K1, K, müssen auch die Zwischenlagebleche Z durch Schlitze Schl so unterbrochen werden, daß sie keine mit dem Haupt- oder Streufeld verketteten Kurzschlußstromkreise bilden.By installing suitable superconducting, thin sheet metal intermediate bearings Z, z. B. lead sheets, niobium sheets, etc., it is further within the windings possible to shield the inner winding layers magnetically so that they are not in the Field of the outer winding layers. A nesting or meshing of the Windings of the high-voltage and low-voltage coils Spl, Spz to avoid the The occurrence of extinguishing field strengths in the inner winding space is therefore no longer necessary. The windings can therefore be cheaper than using ordinary winding machines ordinary solenoid coils are carried out. That is, contrary to the arrangement according to FIG. 1 ring wrapping machines are not necessary. Just like the coils comprehensive superconducting boxes K1, K, the intermediate sheets Z have to go through Slots Schl are interrupted so that they do not interfere with the main or stray field Form concatenated short-circuit circuits.

Durch Vergrößerung der Wicklungslagen in axialer Richtung ist es leicht möglich, das Auftreten von Löschfeldstärken an den Spulenenden zu verhindern.It is easy by enlarging the winding layers in the axial direction possible to prevent the occurrence of extinguishing field strengths at the coil ends.

Die supraleitenden Zwischenlagen Z können z. B. als Folien, wie aus F i g. 3 ersichtlich, entweder zwischen den einzelnen Wicklungslagen oder aber auch so angeordnet werden, daß die Wicklungen in axialer Richtung in einzelne Abschnitte unterteilt werden.The superconducting intermediate layers Z can, for. B. as foils, such as from F i g. 3 can be seen, either between the individual winding layers or else be arranged so that the windings in the axial direction into individual sections be subdivided.

Zur Sicherstellung der Bedingungen bezüglich Prüfspanunngsfestigkeit ist eine entsprechende Isolation 1, der Hochspannungswicklung nötig. Durch entsprechende Anordnung der Bleche kann das auftretende Streufeld durch Verlängerung des magnetischen Weges (Vergrößerung des magnetischen Widerstandes), allerdings unter entsprechendem Platzaufwand, verlängert und damit jede beliebige vorgeschriebene Streuspannung erreicht werden. Eine solche Maßnahme ist in F i g. 4 beispielsweise dargestellt, wo durch Anordnung entsprechender, voneinander durch Isolierschichten IS isolierter supraleitender Bleche BI das Streufeld der Hochspannungs- und Niederspannungswicklungen Spl und Spe durch Vergrößerung der Länge der StreukraftIinien Strl, Str_ herabgesetzt wird und damit auch die elektrischen Streuspannungen auf ungefähr den halben Wert vermindert werden.Corresponding insulation 1, the high-voltage winding, is required to ensure the conditions with regard to test voltage strength. By arranging the metal sheets appropriately, the stray field that occurs can be lengthened by lengthening the magnetic path (increasing the magnetic resistance), albeit with a corresponding amount of space, and thus any prescribed stray voltage can be achieved. Such a measure is shown in FIG. 4 shows, for example, where by arranging corresponding superconducting sheets BI insulated from one another by insulating layers IS, the stray field of the high-voltage and low-voltage windings Spl and Spe is reduced by increasing the length of the stray force lines Strl, Str_ and thus also the stray electrical voltages are reduced to approximately half the value will.

Ein Transformator nach der Erfindung besitzt demnach gegenüber den bisher vorgeschlagenen ringförmigen Transformatoren mit supraleitenden Wicklungen ohne Eisenkern wegen der Konzentration des Feldes auf ein kurzes Stück des magnetischen Weges innerhalb der Spulen den Vorteil besserer Ausnutzung des Wicklungsmaterials. Durch Anordnung von magnetischen supraleitenden Abschirmungsblechen innerhalb der Wicklungen ist es weiterhin möglich, auf eine teure Verschachtelung bzw. Vermaschung der Wicklungen zu verzichten. Ferner ist es, da durch die magnetischen Abschirmbleche verhindert werden kann, daß die inneren Wicklungslagen sich im Magnetfeld der äußeren Wicklungslagen befinden, möglich, bei gleichen supraleitenden Werkstoffen, d. h. bei gegebener Löschfeldstärke der Wicklungen, höhere Ströme und damit höhere Leistungen als bei den bisher bekannten Transformatoren zu erreichen.A transformer according to the invention therefore has compared to the previously proposed toroidal transformers with superconducting windings without an iron core because of the concentration of the field on a short piece of the magnetic Path within the coils the advantage of better utilization of the winding material. By arranging magnetic superconducting shielding sheets within the Windings, it is still possible on an expensive nesting or meshing to dispense with the windings. Furthermore, it is because of the magnetic shielding plates it can be prevented that the inner winding layers are in the magnetic field of the outer Winding layers are, possible, with the same superconducting materials, i. H. With a given extinguishing field strength of the windings, higher currents and thus higher power than with the previously known transformers.

Der Einwand, daß durch die Anwendung der Schirmbleche die magnetische Beanspruchung von den Leitern lediglich auf die Schirmbleche übertragen wird und daß die Schirmbleche bei starken Magnetfeldern, denen die Leiter magnetisch nicht gewachsen wären, unter dem Einfiuß dieser Felder ihre Fähigkeit zur Abschirmung ebenso verlieren würden, trifft jedoch nicht zu, weil die Leiter im Gegensatz zu den Schirmblechen durch die Lastströme auch noch zusätzlich magnetisch beansprucht sind und deshalb gleich großen äußeren Feldern weniger gut als die Schirmbleche widerstehen können.The objection that through the use of the shield plates the magnetic Stress from the conductors is only transferred to the shield plates and that the shield plates are exposed to strong magnetic fields, which the conductors are not magnetically sensitive to would have grown under the influence of these fields their ability to shield would also lose, but does not apply because the ladder is contrary to The shield plates are also subjected to additional magnetic stress by the load currents and therefore outer fields of the same size are less good than the shield plates can resist.

Wegen der Möglichkeit, an Stelle verschachtelter oder vermaschter Wicklungen billigere und weniger Platz erfordernde gewöhnliche Wicklungen zu verwenden, ist der Transformator nach der Erfindung auch den bekannten Transformatoren mit supraleitenden Wicklungen und auf normaler Temperatur gehaltenem Eisenkern überlegen.Because of the possibility of nested or meshed in place Windings to use cheaper and less space-consuming ordinary windings, the transformer according to the invention is also the known transformers with Superior to superconducting windings and iron core kept at normal temperature.

Es ist natürlich auch möglich, durch entsprechende Ausbildung der supraleitenden Umhüllungsbleche den Raum, in dem das Magnetfeld eingeschlossen ist, nach Art eines Kerntransformators zu formen.It is of course also possible through appropriate training of the superconducting cladding sheets the space in which the magnetic field is enclosed, shaped like a core transformer.

Wie bei bekannten Transformatoren können die Spulen als Röhren- oder Scheibenspulen ausgeführt werden.As with known transformers, the coils can be tubular or Disc coils are run.

Claims

Claims: 1. AC transformer with windings made of superconducting Materials, d a d u r c h g e - indicates that the spaces in which the magnetic Main field and possibly the magnetic stray fields come into effect Sheaths made of superconducting materials are enclosed or limited.

2. Transformer according to claim 1, characterized in that the windings of box-shaped sheet metal arrangements are surrounded by superconducting materials.

3. Transformer according to claim 1 and 2, characterized in that the winding cross-sections of the as disc or tube coils executed Windings through interposed sheets of superconducting materials in magnetic mutually shielded sections divided in the radial and / or axial direction are.

4. Transformer according to claim 2, characterized in that the metal sheets superconducting materials are arranged and laid in the area of the windings, that the paths of the stray force lines of the primary and / or isolated from each other secondary windings are artificially elongated. Considered publications: German interpretative document No. 1035 752.