DE3914546C2 - Torusförmiger Hybrid-Transformator - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen torusförmigen hybri­ den Impulstransformator, wobei dieser Ausdruck einen Impuls­ transformator von torusförmiger Gestalt bezeichnet, dessen Primärwicklung im Betrieb supraleitend ist, während seine Se­ kundärwicklung nicht supraleitend ist. Die Aufrechterhaltung des supraleitenden Zustands der Primärwicklung setzt eine Küh­ lung auf niedriger Temperatur voraus, während sich die Sekun­ därwicklung auf Umgebungstemperatur befinden kann.

Aus der US-PS 3 143 720 ist ein eisenloser Transformator für schnelle Tiefsttemperatur-Elektronikschaltungen bekannt, des­ sen toroidaler Kern aus isolierendem Material ist. Auf den Kern ist eine Schicht aus supraleitendem Material aufgebracht, die am äußeren und am inneren Umfang des Torus geschlitzt ist und eine Primär- und eine Sekundärwicklung trägt. Da die in Elektronikschaltungen übertragenen Energien gering sind, spie­ len hier elektromagnetisch erzeugte mechanische Kräfte keine Rolle.

Die Druckschrift CH-PS 411 124 zeigt einen eisenlosen Transfor­ mator mit supraleitenden torusförmigen Wicklungen, die entwe­ der selbsttragend sind oder von leichten, nichtmagnetischen Materialien getragen werden. Die übertragenen Energien dürften auch hier gering sein, da von elektromagnetisch erzeugten me­ chanischen Kräften keine Rede ist.

Die Erzielung einer hohen Wirksamkeit bei der Speicherung grö­ ßerer Energien bedingt eine verlustlose Kopplung zwischen der Primär­ wicklung und dem elektromagnetischen Nutzfeld. Es ist bekannt, daß in dieser Hinsicht der torusförmige Transformator die beste Lösung bietet, dies umso mehr, als die Stärke des Mag­ netfelds eine Wert erreicht, der den Einsatz eines magneti­ schen Kreises aus einem Material mit hoher Permeabilität zur Führung des Feldes ausschließt, weil ein solches Material gesättigt würde. Außerdem ist die im Primärkreis geforderte Schaltleistung umso kleiner, je größer die Kopplung zwischen der Primär- und der Sekundärwicklung ist. Diese Forderung setzt also eine Sekundärwicklung voraus, die möglichst an der Primärwicklung liegt.

Nun tendieren aber die auf die Leiter der Wicklungen einwir­ kenden elektromagnetischen Kräfte dahin, den Durchmesser der Wicklungswindungen zu vergrößern, und sie besitzen eine zur Symmetrieachse des Torus gerichtete Zentripetalresultierende. Eine solche Resultierende muß für jede der Wicklungen durch eine Struktur aufgefangen werden.

Es ist im übrigen aus thermodynamischen Gründen wünschenswert, die Sekundärwicklung auf der Primärwicklung anzubringen und nicht umgekehrt, wobei eine thermische Isolierung und eine elektrische Isolierung zwischen den Wicklungen angebracht sind.

Man könnte daran denken, eine einzige Struktur im Zentrum des Torus anzuordnen, der die erwähnten Zentripetalresultierenden der beiden Wicklungen aufnimmt. Das ist aber deswegen nicht möglich, weil die auf die Primärwicklung einwirkende resultie­ rende Zentripetalkraft diese Wicklung mit einer solchen Kraft auf die Sekundärwicklung und die Struktur pressen würde, daß sie das thermische Isolationsmaterial zerdrücken würde.

Aufgabe der Erfindung ist dementsprechend die Schaffung eines torusförmigen, hybriden Impulstransformators, der mit einer Struktur ausgestattet ist, die die Primärwicklung gegenüber den erwähnten Zentripetalkräften stützt und dennoch die Sekun­ därwicklung so nahe wie möglich an der Primärwicklung anzu­ bringen gestattet.

Der torusförmige Hybrid-Transformator gemäß der vorliegenden Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die die Primärwick­ lung haltende Struktur innerhalb der die Primärwicklung bil­ denden Windungen angeordnet ist und daß Mittel vorgesehen sind, die mindestens den der Symmetrieachse des Transformators benachbarten Teil der Windungen mechanisch an der Struktur befestigen und auf diese Weise die auf die Primärwicklung einwirkenden Zentripetalkräfte auf die Struktur übertragen.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Struktur als Kranz mit einer äußeren Gestalt ähnlich derjeni­ gen des Transformators ausgebildet, an dessen Oberfläche die Windungen der Primärwicklung aufgewickelt sind, wobei der zur Symmetrieachse des Torus hin gerichtete Bereich des Kranzes Halterungsmittel aufweist, die mindestens einen entsprechenden Teil jeder Windung an die Struktur koppeln.

Gemäß einem weiteren Merkmal dieser Ausführungsform sind die Halterungsmittel als Verankerungshaken ausgebildet, die einen Verbindungskörper zum Einschieben in eine Nut der Struktur und zur Halterung darin durch Formschluß, einen Verbindungssteg zur Verlängerung des Verbindungskörpers durch die Dicke der Primärwicklung zur Symmetrieachse des Torus hin, und minde­ stens einen Halteanker aufweisen, der sich vom Verbindungsstab ausgehend vor der Primärwicklung in Querrichtung erstreckt, um mögliche Zentripetalkräfte aufzunehmen, die auf den Wick­ lungsabschnitt einwirken, vor dem er sich befindet, und um sie über den Verbindungssteg und den Verbindungskörper auf die Struktur zu übertragen.

Vorzugsweise bildet die Struktur ein Gehäuse für ein Kühlflüs­ sigkeitsbad.

Vorteilhafterweise sind Kühlflüssigkeitskanäle in der Primär­ wicklung zwischen den Halterungsmitteln vorhanden.

Vorzugsweise ist die Primärwicklung von elektrischen und ther­ mischen Isolationsschichten umgeben und trägt unmittelbar darauf die Sekundärwicklung, die ihrerseits isoliert und mit einer Bewehrung versehen ist.

Vorzugsweise erfolgt der Umlauf des Kühlmittels im Kreislauf entlang der gesamten äußeren Begrenzung der Windungen, zu­ nächst in den geradlinigen Kanälen und dann entlang der Leiter im Raum zwischen dem Gehäuse und der inneren kalten Wand des Kryostaten.

Die Erfindung wird nun anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines Segments des torus­ förmigen Hybrid-Transformators gemäß der Erfindung, mit einem Teilschnitt, der den Aufbau der verschiedenen Bestandteile des Transformators veranschaulicht,

Fig. 2 einen Querschnitt durch einen Ausschnitt des Transfor­ mators gemäß Fig. 1 in vergrößertem Maßstab.

In Fig. 1 sieht man einen 120°-Abschnitt einer Torusanord­ nung, die drei identische, mit Hilfe nicht dargestellter Mit­ tel zusammengesetzte Abschnitte aufweist, welche zusammen den Transformator bilden.

Der Transformator umfalt also, vom Inneren des Toruskranzes zur Außenseite desselben gesehen (vgl. auch die Fig. 2):

• - ein torusförmiges Gehäuse 1 aus einem dichten Isoliermate­ rial, das eine Kühlflüssigkeit enthält,
• - eine Primärwicklung 2, die eine einzige Lage eines Leiters aufweisen kann, dessen Windungen sich dort praktisch berühren, wo sie am engsten aneinanderliegen,
• - Verankerungshaken 3,
• - eine innere Wand 4, welche die kalte Wandung des die Wick­ lung 2 enthaltenden Kryostaten bildet und die aus einem Iso­ liermaterial wie Epoxyglas besteht,
• - einen evakuierten Zwischenraum 5, der einer hyperisolierende Matte enthält,
• - eine Wärmeabschirmung 6, die aus einer diskontinuierlichen Lage von Rohren besteht, die von einer Kühlflüssigkeit durch­ strömt werden,
• - Abstandsstücke 7, welche die Wärmeabschirmung von der Augen­ wand des Kryostaten fernhalten,
• - eine dichte Wand 8 aus elektrisch nichtleitendem Material, welche die warme Wandung des Kryostaten bildet,
• - eine Wärmeisolationsschicht 9,
• - eine elektrisch leitende Lage 10, welche die Sekundärwicklung des Transformators bildet, und
• - eine nicht dargestellte Armierung mit einer thermischen und elektrischen Isolation für die Sekundärwicklung.

Das Gehäuse 1 ist der Träger der Wicklung 2. Als Unterbau ist sein Vorhandensein nicht erforderlich, denn es gibt sogenannte Luftspulen, d. h. Spulen, deren Leiter, einmal gelegt, genügend steif ist, so daß er die Form der Wicklung definieren und bei­ behalten kann. Entlang solcher Wicklungen bleibt das Verhältnis zwischen ihrem örtlichen Krümmungsradius und dem Abstand zur Torusachse konstant. Wie erwähnt enthält das Gehäuse eine Kühlflüssigkeit 13. Die Kühlfunktion erfordert Dichtheit des Gehäuses, aber keine mechanische Eigenschaft von erheblicher Bedeutung. Erfindungsgemäß dient das Gehäuse noch in Bezug auf die elek­ tromagnetischen Kräfte als Haltestruktur für die Primärwick­ lung 2 und weist zu diesem Zweck eine entsprechende mechani­ sche Widerstandsfähigkeit auf. Diese Kräfte versuchen, den Querschnitt der Wicklung 2 zu vergrößern und besitzen eine Zentripetalresultierende in Richtung auf die Symmetrieachse 14 der Torusstruktur. Aus diesem Grund weist bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform der innere Abschnitt des Ge­ häuses 1, d. h., der der Achse 14 nächstgelegene Abschnitt, eine erheblich verstärkte Dicke 15 auf und besitzt Verstär­ kungsrippen 16, 17, 18. Die auf diesen Abschnitt 15 des als Haltestruktur wirkenden Gehäuses 1 von der Wicklung 2 übertra­ genen Zentripetalkräfte werden ohne ins Gewicht fallende Verformung aufgenommen, weil der Abschnitt 15 dann einer gleichmäßigen radialen Kontraktion unterworfen ist. Man kann also für das Gehäuse ein elektrisch isolierendes Kunststoffmaterial wie z. B. Polyimid verwenden.

In Querschnitt gesehen weist die allgemeine Form des Gehäuses 1 und des gesamten Transformators einen flachen Boden 20 und eine abgeflachte Krümmung 19 auf. Diese Krümmung entspricht derjenigen, die unmittelbar aus den auf die Leiter der Wick­ lung 2 einwirkenden Kräfte resultiert, wenn die Wicklung von einem sehr starken Strom durchflossen wird. Danach braucht das Gehäuse 1, abgesehen von dem inneren Abschnitt, keine weitere Belastung aufzufangen und kann also dünn sein. Die Windungen 21, 21′, etc. der Wicklung 2 sind, immer mit Ausnah­ me des inneren Abschnitts, einfach auf das Gehäuse 1 aufgelegt oder ggfs. damit verklebt. Dagegen sind die Windungen der Wicklung 2 erfindungsgemäß mit dem Gehäuse 1 in dem der Symme­ trieachse 14 benachbarten Abschnitt fest verbunden.

Die Mittel, welche die Windungen der Wicklung 2 mechanisch am inneren Abschnitt des als Haltestruktur dienenden Gehäuses 1 mechanisch befestigen, sind deutlicher in Fig. 2 dargestellt.

Fig. 2 stellt eine vergrößerte Teilansicht des Querschnitts durch die Torusanordnung entlang der Linie 22 in Fig. 1 dar. Man findet die entsprechenden Elemente der Fig. 1 wieder, die bereits früher genannt wurden und auf die nicht mehr ein­ gegangen wird.

Die Mittel, mit deren Hilfe die Wicklung 2 fest mit dem Gehäu­ se verbunden wird, sind im wesentlichen die Verankerungshaken 3, von denen jeder einen Verbindungskörper 23, einen Verbin­ dungssteg 24 und mindestens einen Halteanker 25 aufweist. Die Verankerungshaken 3, die auch in Fig. 1 zu sehen sind, stel­ len einzelne Elemente oder Gruppen von ausgerichteten Elemen­ ten dar, deren Gesamtlänge im wesentlichen derjenigen des flachen Abschnittes 15 des Bodens des Gehäuses 1 entspricht. In diesem Abschnitt 15 sind Nuten 12 zur Aufnahme und festen Halterung der Verankerungshaken 3 eingebracht. Die Nuten und der Verbindungskörper der Verankerungshaken besitzen einen dreieckigen Querschnitt oder eine Schwalbenschwanzform.

Zu beiden Seiten des Verbindungsstegs 24 verläuft zu beiden Seiten 26 und 27 der Leiter der Wicklung 2, der Windungen in einer einzigen Schicht bildet, wie in Fig. 1 zu sehen ist. Der Leiter besitzt einen rechteckigen Querschnitt. Er besteht vorzugsweise aus einem vieladrigen Material, das seine supra­ leitenden Eigenschaften in Gegenwart eines sehr starken magne­ tischen Feldes beibehält. Er ist mit einer elektrisch isolie­ renden Schicht umkleidet. Es ist weiter zu erkennen, daß sich der Leiter zweier aufeinanderfolgenden Windungen 26, 27 zu beiden Seiten des Verbindungssteges an diesen anlegt. Die gleiche Anordnung findet sich bei jedem der Verankerungshaken 3 wieder. Der Verankerungshaken erstreckt sich über jedem der beiden Leiter in einen Halteanker 25. Er haltert also die beiden benachbarten Leiter 26, 27 gegen die Zentripetalkräfte. Das gleiche gilt für die übrigen Verankerungshaken 3. Es ver­ steht sich von selbst, daß man einen Verankerungs­ haken je Leiter hätte vorsehen können, der nur einen einzigen Anker an einer seiner Seiten aufgewiesen hätte, oder daß man mehrere Leiter auf einer oder auf beiden Seiten des Hakens hätte anbringen können.

Der Verankerungshaken kann aus Epoxyglas bestehen. Der Haken 3 wird durch Einschieben in die Nut 12 nach dem Anbringen der Windung 26 in Position gebracht, wonach die Windung 27 gegen den Haken 3 gedrückt wird.

Zwischen der Windung 27 und der folgenden Windung 28 befindet sich gemäß Fig. 2 ein Kanal 11 mit rechteckigem Querschnitt für den Umlauf einer Kühlflüssigkeit, die die gleiche ist wie die innerhalb des Gehäuses 1 Der Kanal 11 erstreckt sich über die Länge der Verankerungshaken bis zu der Stellen wo die Windungen auseinandergehen. Der Umlauf der Kühlflüssigkeit findet im Kreislauf entlang der gesamten Umfangsfläche der Windungen statt, zunächst in den geradlinigen Kanälen 11 und dann entlang der Leiter im Raum zwischen dem Gehäuse 1 und der inneren kalten Wand 4 des Kryostaten.

Wie man sieht, ermöglicht es der beispielsweise durch eine Pumpe erzwungene Kühlmittelumlauf, die Wicklung über ihre ganze Höhe zu kühlen. Das Bad hält eine Flüssigkeitsreserve bereit, die bei einer beweglichen Installation die Autonomie gegenüber einer Tiefsttemperaturquelle gewährleistet. Wo aber eine solche Quelle zur Verfügung steht, braucht im Gehäuse 1 kein Flüssigkeitsbad vorhanden zu sein, und der Zwangsumlauf würde in Verbindung mit dieser Quelle erfolgen.

Die durch den Leiter der Wicklung 2, die Verbindungsstege 24 der Verankerungshaken 3 und der Kühlkanäle 11 gebildete Schicht ist kompakt. Wenn die Wicklung von einem starken Strom durchflossen wird, unterliegt sie, wie erläutert wurde, einer gleichmäßigen Zentripetalkraft. Sie widersetzt sich also von sich aus dieser Kraft durch einen Gewölbeeffekt, doch reicht die Steifigkeit dieser Schicht nicht aus. Die Anwesenheit der mit dem inneren Abschnitt 15 des Gehäuses 1 gebildeten Halterungsstruktur mit ihren Verstärkungsrippen 16, 17, 18, an welchen die Wicklung 2 mit Hilfe der Verankerungs­ haken 3 befestigt ist, ermöglicht es, die notwendige mechani­ sche Widerstandsfestigkeit zu erzielen.

Außerhalb dieses inneren Abschnitts der Wicklung 2 entfernen sich die Windungen voneinander, so daß das Gehäuse 1 ggfs. nur dazu dient, sie auf gleichem Abstand zu halten, beispiels­ weise durch die weiter oben erwähnte Verklebung.

Die innere Wand 4 liegt gegen die Traganker der Verankerungs­ haken 3 an. Sie kann an ihnen angeklebt sein, so daß eine einteilige, an der Struktur verankerte Anordnung entsteht.

Der Zwischenraum 5, in welchem das Vakuum hergestellt wird, enthält eine thermisch hyperisolierende Matte. Eine solche Matte aus teilweise aluminisiertem, wabenförmigem Kunststoffmaterial ist sehr zerbrechlich und verträgt keine Kompressionsbelastung. Die mechanische Steifigkeit der an der Wand 4 endenden inneren Struktur stellt sicher, daß derartige Belastungen nicht an die Matte gelangen.

Die thermische Abschirmung 6 vor der warmen Wand des Kryosta­ ten mit einer Umwälzung flüssigen Stickstoffs ist mit ihren Ab­ standsstücken von üblicher Bauart.

Das gleiche gilt für die warme Wand 8 des Kryostaten, die wärmeisolierende Schicht 9, welche die Aufheizung der Wand 8 bei impulsartiger Wärmeabgabe in der Sekundärwicklung verringert, und schließlich für die leitende Lage 10 und ihre Bewehrung. Es sei bemerkt, daß die Wand 9 nicht unbedingt erforderlich ist.

Claims (7)

1. Torusförmiger Hybrid-Transformator mit einer im Betrieb supraleitenden Primärwicklung, einer nichtsupraleitenden Se­ kundärwicklung, elektrisch und thermisch isolierenden Mitteln sowie einer die auf die Primärwicklung einwirkenden Zentripe­ talkräfte aufnehmenden Struktur, wobei die die Primärwicklung (2) haltende Struktur (1) innerhalb der die Primärwicklung bildenden Windungen (20, 21; 26, 27, 28) angeordnet ist und daß Mittel (3, 12) vorgesehen sind, die mindestens den der Symmetrieachse (14) des Transformators benachbarten Teil der Windungen mechanisch an die Struktur koppeln derart, daß die auf die Primärwicklung einwir­ kenden Zentripetalkräfte auf die Struktur zu übertragen sind.

2. Torusförmiger Hybrid-Transformator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Struktur (1) als Kranz mit einer äuße­ ren Gestalt ähnlich derjenigen des Transformators ausgebildet ist, an dessen Oberfläche die Windungen (20, 21; 26, 27, 28) der Primärwicklung aufgewickelt sind, wobei der zur Symmetrie­ achse des Torus hin gerichtete Bereich des Kranzes Halterungs­ mittel (3, 12) aufweist, die mindestens einen entsprechenden Teil jeder Windung an die Struktur koppeln.

3. Torusförmiger Hybrid-Transformator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Halterungsmittel als Verankerungshaken (3) ausgebildet sind, die einen Verbindungskörper (23) zum Einschieben in eine Nut (12) der Struktur und zur Halterung darin durch Formschluß, einen Verbindungssteg (24) zur Verlän­ gerung des Verbindungskörpers durch die Dicke der Primärwick­ lung (2) zur Symmetrieachse (14) des Torus hin, und mindestens einen Halteanker (25) aufweisen, der sich vom Verbindungsstab ausgehend vor der Primärwicklung in Querrichtung erstreckt, derart daß Zentripetalkräfte aufgenommen werden, die auf den Wick­ lungsabschnitt einwirken, vor dem er sich befindet, und diese über den Verbindungssteg und den Verbindungskörper auf die Struktur übertragen werden.

4. Torusförmiger Hybrid-Transformator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Struktur ein Gehäuse für ein Kühlflüssigkeitsbad bildet.

5. Torusförmiger Hybrid-Transformator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß Kühlflüssigkeitskanäle (11) innerhalb der Primärwicklung zwischen den Halterungsmitteln (3) vorhanden sind.

6. Torusförmiger Hybrid-Transformator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Primärwicklung von elektrisch und thermisch isolierenden Schichten umgeben ist und unmittelbar darauf die Sekundärwicklung trägt, die ihrer­ seits elektrisch isoliert und mit einer Bewehrung versehen ist.

7. Torusförmiger Hybrid-Transformator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Umlauf des Kühlmittels im Kreislauf entlang der gesamten äußeren Begrenzung der Windungen zunächst in den geradlinigen Kanälen (11) und dann entlang der Leiter im Raum zwischen dem Gehäuse (1) und der inneren kalten Wand (4) des Kryostaten erfolgt.