DE19943783A1

DE19943783A1 - Supraleitungseinrichtung mit einer mehrpoligen Wicklungsanordnung

Info

Publication number: DE19943783A1
Application number: DE19943783A
Authority: DE
Inventors: Guenter Ries
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1999-09-13
Filing date: 1999-09-13
Publication date: 2001-03-29
Also published as: WO2001020756A1

Abstract

Die Supraleitungseinrichtung (5) enthält eine 2- oder 4-polige Wicklungsanordnung mit einer an eine gemeinsame Zylindermantelfläche zumindest teilweise angepaßten Außenkontur. Es sind zwei zu einer Mittelebene (M) symmetrische Teilspulen (7, 8) aus einem Stapel von ebenen Rennbahntyp-Spulenelementen (2i) vorgesehen. Jedes Spulenelement ist aus bandförmigen Hoch-T¶c¶-Supraleitern (20) erstellt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Supraleitungseinrichtung mit einer Wicklungsanordnung, die mehrere, auf einem Wick lungsträger angeordnete Teilspulen enthält, welche

- jeweils aus einem Stapel von ebenen Spulenelementen vom Rennbahntyp zusammengesetzt sind, wobei die Spulenelemen te aus ein Hoch-T_c-Supraleitermaterial aufweisenden Lei tern gewickelt sind,
- eine an eine gemeinsame Zylindermantelfläche zumindest teilweise angepaßte Außenkontur aufweisen und
- so zu erregen sind, daß ein mehrpoliges Magnetfeld er zeugt wird.

Eine entsprechende Supraleitungseinrichtung ist aus der WO 98/02953 A zu entnehmen.

Zwei- oder mehrpolige Elektromagnete weisen im allgemeinen vier oder eine noch größere Anzahl von gleichartigen magneti schen Einzelpolen auf, welche aus jeweils einer Polwicklung auf einem gegebenenfalls ferromagnetischen Wickelkern gebil det sind. Diese Wicklungen werden gleichmäßig auf dem Außen umfang eines entsprechenden Wicklungsträgers um eine gemein same Achse angeordnet und von Gleichstrom mit abwechselndem Stromumlaufsinn durchflossen. Bei den Wicklungen kann es sich um die von feststehenden Magneten oder insbesondere von Roto ren elektrischer Maschinen handeln.

Eine entsprechende elektrische Maschine mit einem solchen mehrpoligen Feldwicklungsaufbau ist der EP 0 805 545 A1 zu entnehmen. Jeder Einzelpol dieser Maschine ist durch eine Teilwicklung vom Rennbahntyp erzeugt, deren supraleitende Leiter um einen Eisenkern gewickelt sind und sich in einem eigenen Kryostaten befinden. Als Supraleitermaterial für die Leiter ist insbesondere Nb₃Sn vorgesehen.

Seit 1987 metalloxidische Supraleitermaterialien bekannt ge worden sind, die Sprungtemperaturen von über 77 K aufweisen und die deshalb auch als Hoch-T_c-Supraleitermaterialien oder HTS-Materialien bezeichnet werden, versucht man, entsprechen de Supraleitungseinrichtungen auch mit solchen Leitern zu er stellen. Es zeigt sich jedoch dabei, daß bisher bekannte Lei ter nur eine verhältnismäßig geringe Stromtragfähigkeit in Magnetfeldern mit Induktionen im Tesla-Bereich besitzen. Dies macht es erforderlich, daß aus solchen Leitern erstellte Wicklungen trotz der verhältnismäßig hohen Sprungtemperaturen ihrer Leiter dennoch auf einem unterhalb von 77 K liegenden Temperaturniveau gehalten werden müssen.

Aus der eingangs genannten WO-Schrift ist ein Synchronmotor mit einem supraleitenden Läufer unter Verwendung entsprechen der HTS-Leiter zu entnehmen. Dieser Läufer weist auf einem zylindrischen Wicklungsträger jeweils um 90° in Umfangsrich tung versetzt angeordnete Teilspulen auf, die die vier Ein zelpole des Läufers bilden. Die Teilspulen sind dabei so ge staltet, daß ihre Außenkonturen an eine gemeinsame Zylinder mantelfläche zumindest weitgehend angepaßt sind. Jede Teil spule besteht dabei aus einem Stapel von mehreren ebenen, mit HTS-Leitern erstellten Spulenelementen. Auf den Aufbau dieser Spulenelemente ist jedoch in der Schrift nicht näher einge gangen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Supraleitungs einrichtung mit den eingangs genannten Merkmalen dahingehend auszugestalten, daß sie für eine entsprechende zwei- oder vierpolige Magnetfelderzeugung einen vereinfachten Aufbau ih rer Wicklungsanordnung aufweist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zwei zu einer Mittelebene symmetrische Teilspulen aus einem Stapel von ebenen Spulenelementen vom Rennbahntyp vorgesehen sind, wobei jedes Spulenelement aus bandförmigen Hoch-T_c-Supra leitern erstellt ist.

Die Erfindung geht dabei von der Erkenntnis aus, daß sich be reits mit zwei entsprechenden Teilwicklungen jeweils aus dem besonderen Stapel auch mit bandförmigen HTS-Leitern die ge wünschte Multipolanordnung mit einer für die meisten Anwen dungsfälle hinreichenden Symmetrie erreichen läßt. Die Wick lungsanordnung der erfindungsgemäßen Supraleitungseinrichtung weist somit vorteilhaft einen entsprechend einfachen Aufbau auf.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Supralei tungseinrichtung gehen aus den abhängigen Ansprüchen hervor.

Vorteilhaft können Hoch-T_c-Supraleiter mit einem Aspektver hältnis von mindestens 3, vorzugsweise von mindestens 10 vor gesehen sein. Gerade derartige bandförmige Supraleiter lassen sich nämlich zu Rennbahn-Spulenelementen wickeln, ohne daß eine Degradation ihrer supraleitenden Eigenschaften zu be fürchten ist.

Die Spulenelemente können vorteilhaft vorgefertigt sein, wo bei die Wickel aus den bandförmigen Supraleitern vergossen werden können. Aus solchen Spulenelementen lassen sich dann bausteinartig die Teilspulen in einfacher Weise zusammenset zen.

Ferner ist es als besonders vorteilhaft anzusehen, wenn die Wicklungsanordnung die Rotorwicklung einer elektrischen Ma schine ist. Eine zwei- oder vierpolige Anordnung, wie sie vielfach für solche Maschinen gefordert wird, läßt nämlich im Zentrum des Wicklungsträgers hinreichend Platz frei, der für Einbauten wie z. B. für Teile einer Kryoversorgung für die Su praleiter von einer Kopfseite der Wicklung her in ihrem Wick lungsträger genutzt werden kann. Vorteilhaft können deshalb dort Teile eines Kryokühlers angeordnet werden.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird nachfolgend auf die Zeichnung Bezug genommen, in der bevorzugte Ausführungs beispiele von Supraleitungseinrichtungen nach der Erfindung oder von Teilen derselben schematisch veranschaulicht sind. Dabei zeigen die

Fig. 1 ein Spulenelement zum Aufbau einer Teilspule,

Fig. 2 eine Wicklungsanordnung,

Fig. 3 einen Quadranten einer weiteren Wicklungsanordnung,

Fig. 4 und 5 jeweils eine Supraleitungseinrichtung und

Fig. 6 und 7 von verschiedenen Wicklungsanordnungen zu er zeugende Multipolfeldkonfigurationen.

In den Figuren sind sich entsprechende Teile mit denselben Bezugszeichen versehen.

Eine erfindungsgemäße Supraleitungseinrichtung weist eine be sonders gestaltete Wicklungsanordnung auf, die sich aus zwei Teilspulen zusammensetzt. Jede dieser Teilspulen soll dabei aus einem Stapel von ebenen Spulenelementen aufgebaut sein. Ein entsprechendes Spulenelement zeigt Fig. 1 in Schrägan sicht. Dieses mit 2 bezeichnete Spulenelement ist vom soge nannten Rennbahn(race track)-Typ; d. h., es besitzt gerade Seitenteile 3a und 3b, die über beispielsweise halbkreisför mige, stirnseitige Bogenteile 4a und 4b ineinander übergehen. Das Spulenelement soll mit mindestens einem bandförmigen Lei ter aus einem der bekannten HTS-Materialien wie z. B. YBa₂Cu₃O_7-x, Bi₂Sr₂CaCu₂O_8+x oder (Bi,Pb)₂Sr₂Ca₂Cu₃O_10+x aufgebaut sein. Hierbei kann es sich um Leiter mit auf einem bandförmi gen, metallischen Träger wie z. B. aus einem Stahl oder aus mindestens einem anderen normalleitenden Metall wie Ag oder einer Ag-Legierung abgeschiedenem HTS-Material oder von einer normalleitenden Hülle oder Matrix wie z. B. aus Ag oder einer Ag eingeschlossenen HTS-Mono- oder Multifilamenten handeln.

Entsprechende, an sich bekannte Leiter haben ein hohes Aspektverhältnis (= Leiterbreite/Leiterdicke) von mindestens 3, vorzugsweise mindestens 10. Die HTS-Leiter sind insbeson dere auf einem Temperaturniveau von höchstens 77 K (Siedetem peratur von LN₂), insbesondere aber darunter zu halten. Hier zu können an sich bekannte Kryokühler insbesondere vom Typ Pulsröhrenkühler oder Stirling oder Gifford-McMahon vorgese hen werden, mit denen sich die Leiter z. B. auf einem Tempera turniveau zwischen 20 und 50 K halten lassen.

Außerdem sollen die bandförmigen HTS-Leiter zu dem Spulenele ment in ihrer "leichten Richtung", d. h. über ihre Breitseite gebogen sein. Auf diese Weise ist eine unzulässige Dehnung beim Biegen und eine damit verbundene Einbuße an Stromtrag vermögen zu vermeiden. Beispielsweise sind folgende Parameter einzuhalten:

- Zulässiger Biegedurchmesser ≧ 50 mm
- Zulässiger axialer Zug beim Wickeln < 50 bis 100 MPa
- Zulässige Dehnung < 0,3%
- Zulässige Druckkraft quer zum Leiter < 50 bis 100 MPa.

Entsprechende HTS-Leiter mit einem oder mehreren supraleiten den Leiterkernen (Mono- oder Multifilamentleiter), mit denen diese Parameter eingehaltenwerden können, sind allgemein be kannt. Dabei sind Leiter mit einer Hülle aus einer Silberle gierung wie AgMg oder AgPd hinsichtlich der Wickeltechnik un empfindlicher. Die Leiter können in dem Spulenelement 2 mit tels einer an sich bekannten Vergußtechnik unter Verwendung eines aushärtbaren Kunststoffes fixiert sein.

Aus mehreren solcher vorzugsweise vorgefertigten Sulenelemen ten werden durch Stapelung zwei Teilspulen aufgebaut, die eine Wicklungsanordnung einer erfindungsgemäßen Supralei tungseinrichtung bilden. Eine solche Supraleitungseinrichtung zeigt Fig. 2 im Querschnitt. Diese allgemein mit 5 bezeich nete Supraleitungseinrichtung enthält einen insbesondere mehrteiligen Wicklungsträger 6, der zumindest teilweise aus ferromagnetischem Material bestehen kann. Beispielsweise um faßt der Wicklungsträger einen zentralen Trägerkern 6a aus einem ferromagnetischen Material wie z. B. Eisen, während von zwei Teilspulen 7 und 8 umschlossene Mittelstücke 6b sowie Zwischenstücke 6c zwischen diesen Teilspulen wahlweise aus ferromagnetischem oder nicht-magnetischem Material bestehen.

Dieser Wicklungsträger nimmt die zwei Teilspulen 7 und 8 auf, die jeweils aus einem Stapel von ebenen Spulenelementen 2i vom Rennbahntyp zusammengesetzt sind. Dabei sollen die Teilspulen symmetrisch zu einer Mittelebene M aufgebaut sein. Die Querausdehnungen ihrer einzelnen Spulenelemente in der Wickelebene sind so gewählt, daß zumindest einige dieser Spu lenelemente seitlich an eine gemeinsame Zylindermantelfläche angrenzen. Die Spulenelemente haben deshalb im allgemeinen unterschiedliche Größe. Darüber hinaus weisen sie aus Feld formungsgründen im Bereich ihrer stirnseitigen Bogenteile auch unterschiedliche Ausdehnungen in Längsrichtung (= Rich tung ihrer Seitenteile) auf.

An die gemeinsame Zylindermantelfläche ist somit die Außen kontur der jeweiligen Teilspule bzw. der gesamten Wicklungs anordnung zumindest teilweise angepaßt. Die entsprechenden, an die Zylindermantellfläche angrenzenden Spulenelemente sind mit 2i' bezeichnet. In der Figur sind ferner noch vier Kappen 10a bis 10d mit kreissegmentartigem Querschnitt gezeigt, mit denen die Teilspulen 7 und 8 an dem Wicklungsträger 6 befe stigt sind.

Die die Wicklungsanordnung und die Kappen 10a bis 10d um schließende Zylindermantelfläche wird beispielsweise durch ein Innenrohr 9 festgelegt. Innerhalb dieses gegebenenfalls durch ein besonderes Hüllrohr gebildeten Innenrohres können die von ihm eingeschlossenen Teile mittels eines aushärtbaren Kunststoffes 11 vergossen sein. Da das Innenrohr 9 im allge meinen auf Tieftemperatur wie die von ihm umgebene Wicklungs anordnung aus den Teilspulen 7 und 8 liegt, kann es z. B. von einem Außenrohr 12 auf Raumtemperatur konzentrisch umschlos sen sein, wobei der Zwischenraum zwischen Außen- und Innen rohr zu deren gegenseitiger thermischer Isolation mit Isola tionsmitteln 13 wie z. B. Isolationsfolien und/oder Vakuum versehen ist.

Fig. 3 zeigt als Querschnitt einen Quadranten einer weiteren Supraleitungseinrichtung 14 nach der Erfindung mit einem Sta pel von ebenen Rennbahntyp-Spulenelementen 2i bzw. 2i' einer Teilspule 7. Durch den Wicklungsträger 6 aus kaltem Eisen verlaufen Kühlkanäle 15 zu den Supraleitern der Teilspule 7. Der Wicklungsträger und die in ihm angeordnete Teilspule sind von einer Bandage 16 umschlossen, die dem kalten Hüllrohr nach Fig. 2 entspricht und somit eine Kryoinnenwand bildet.

Die Supraleitungseinrichtung nach der Erfindung kann z. B. eine elektrische Maschine wie beispielsweise eine Synchronma schine mit einem Rotor sein, der eine besonders gestaltete Wicklungsanordnung aufweist. Eine entsprechende Ausführungs form ist in Fig. 4 in Schrägansicht angedeutet. Der dort mit 17 bezeichnete Rotor enthält einen Wicklungsträger 6 gemäß Fig. 2, von dem nur die längssseitigen Zwischenstücke 6c, ein Mittelstück 6b sowie die Kappen 10a bis 10c ersichtlich sind. Sein zentraler Trägerkern 6a weist einen Hohlraum 18 auf. Der Rotor ist um eine Achse A drehbar gelagert und von einer nicht dargestellten Ständerwicklung umgeben. Wegen der zweiteiligen Ausführungsform der Wicklungsanordnung bleibt vorteilhaft ein axialer Zugang zur Einführung von Teilen einer Kühlmittelzuführung oder zum Einbau von Teilen eines Kryokühlers in den Hohlraum 18. In der Figur ist ein Kaltkopf 19 eines entsprechenden Kryokühlers nur angedeutet.

Fig. 5 zeigt einen weiteren Rotor 21 einer erfindungsgemäßen Supraleitungseinrichtung in Fig. 4 entsprechender Darstel lung. Bei diesem Rotor erstreckt sich ein zentraler Träger kern 6d des Wicklungsträgers, der im wesentlichen dem Träger kern 6a und den Zwischenstücken 6c nach Fig. 4 entspricht und somit einen rechteckigen Querschnitt hat, in axialer Richtung bis über den jeweiligen Kopf der Teilspulen 7 und 8 hinaus. Demgegenüber sind die von den Teilspulen eingeschlos senen Mittelstücke 6b des Wicklungsträgers von der Stirnseite des Trägerkerns 6d um eine Länge L in axialer Richtung nach innen beabstandet. Aus Feldformungsgründen sollte diese Länge L vorzugsweise 0,5 bis 2 mal so groß sein wie die Höhe h des Spulenelement-Stapels jeder Teilspule.

Die beiden Teilspulen einer Wicklungsanordnung einer erfin dungsgemäßen Supraleitungseinrichtung können von einem elek trischen Strom so durchflossen werden, daß in ihren geraden Teilen eine Stromverteilung mit einer Symmetrie entsprechend einer 4-Polanordnung oder einer 2-Polanordnung entsteht. In den Fig. 6 und 7 sind die solche Polanordnungen hervorru fenden Stromflußrichtungen durch die hierfür bekannten Symbo le ⊗ und ⊙ veranschaulicht. Dabei sind die durch den Strom fluß erzeugten magnetischen Feldlinien der 4-Polanordnung nach Fig. 6 mit gepfeilten Linien f1 und die der 2-Polan ordnung nach Fig. 7 mit gepfeilten Linien f2 veranschau licht. D. h., erfindungsgemäß läßt sich mit einer nur zweige teilten Wicklungsanordung je nach Stromflußrichtung eine der beiden Polanordnungen gewinnen.

Bei den vorstehend erläuterten Ausführungsbeispielen nach den Fig. 4 und 5 wurde davon ausgegangen, daß es sich bei der Supraleitungseinrichtung nach der Erfindung um eine elektri sche Maschine mit einer rotierenden Erregerwicklung handeln soll. Selbstverständlich kann die Wicklungsanordnung einer entsprechenden Einrichtung auch Teil einer ortsfesten Magnet spule mit zwei oder vier magnetischen Polen (= sogenannter linearer Di- bzw. Quadrupol) sein.

Claims

1. Supraleitungseinrichtung mit einer Wicklungsanordnung, die mehrere, auf einem Wicklungsträger angeordnete Teilspulen enthält, welche

- jeweils aus einem Stapel von ebenen Spulenelementen vom Rennbahntyp zusammengesetzt sind, wobei die Spulenelemen te aus ein Hoch-T_c-Supraleitermaterial aufweisenden Lei tern gewickelt sind,
- eine an eine gemeinsame Zylindermantelfläche zumindest teilweise angepaßte Außenkontur aufweisen und
- so zu erregen sind, daß ein mehrpoliges Magnetfeld er zeugt wird,

dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeu gung eines zwei- oder vierpoligen Magnetfeldes zwei zu einer Mittelebene (M) symmetrische Teilspulen (7, 8) aus einem Sta pel von ebenen Spulenelementen (2i) vom Rennbahntyp vorgese hen sind, wobei jedes Spulenelement aus bandförmigen Hoch-T_c- Supraleitern (20) erstellt ist.

2. Supraleitungseinrichtung nach Anspruch 1, gekenn zeichnet durch Supraleiter (20) mit einem Aspektver hältnis von mindestens 3, vorzugsweise mindestens 10.

3. Supraleitungseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, da durch gekennzeichnet, daß die Supra leiter (20) in den Spulenelementen (2i) vergossen sind.

4. Supraleitungseinrichtung nach einem der vorangehenden An sprüche, gekennzeichnet durch vorgefertigte, zu den Teilspulen (7, 8) zusammengesetzte Spulenelemente (2i).

5. Supraleitungseinrichtung nach einem der vorangehenden An sprüche, gekennzeichnet durch einen Wick lungsträger (6) aus zumindest teilweise ferromagnetischem Ma terial.

6. Supraleitungseinrichtung nach einem der vorangehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Wicklungsträger aus mehreren Teilen (6a bis 6c) zusammen gesetzt ist.

7. Supraleitungseinrichtung nach einem der vorangehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ihre Wicklungsanordnung die Rotorwicklung einer elektrischen Maschine ist.

8. Supraleitungseinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Wicklungsträger (6) Teile (19) eines Kryokühlers angeordnet sind.

9. Supraleitungseinrichtung nach einem der vorangehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Hoch-T_c-Supraleiter (20) auf einem Temperaturniveau unter 77 K gehalten sind.