DE4408290C2 - Wicklungsanordnung mit einem Supraleiter und Tragkörper hierzu - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Wicklungsanordnung für einen Su­ praleiter, insbesondere für supraleitende Transformatoren oder Drosseln, und einen Tragkörper hierzu.

Supraleitende Transformatoren oder Drosseln sind bisher nur als Versuchsmuster oder Prototypen bekannt. Die hierfür ver­ wendeten metallischen Supraleiter (MSL) sind als Multifila­ ment Runddrähte mit Durchmessern von ca. 0,5 bis ca. 3 mm aus­ gebildet und sind für einige 100 A Nennstrom geeignet. Die bisherigen Prototypen wurden meist mit einlagigen Wicklungen und für Niederspannung gebaut.

Um im Betrieb durch Stromkräfte erzeugte Leitervibrationen und dadurch bedingte Zusatzverluste weitgehend zu unter­ drücken, müssen die Supraleiter einerseits möglichst fest auf einem Wickelkörper angeordnet sein. Andererseits ist jedoch eine möglichst hohe Benetzung der Supraleiter mit dem Kühl­ mittel erforderlich. Der Wärmeübergang von Drahtlage zu Drahtlage bis zur Spulenoberfläche, wie er von normalleiten­ den Spulenwicklungen bekannt ist, genügt bei Supraleitern nicht. Zusätzlich müssen auch Lötstellen, die einen normal­ leitenden Übergang zwischen zwei Supraleitern darstellen, weitgehend vermieden werden.

Aus der DE 39 19 487 C2 ist eine Wicklungsanordnung bekannt, die mindestens zwei Wicklungslagen mit Supraleitern umfaßt, wobei der bzw. die Supraleiter auf einem Tragkörper angeord­ net ist/sind. Als Tragkörper dienen dort Leisten und Ringe oder alternativ ein Isolierzylinder. Aus der FR 23 72 503 ist eine Wicklungsanordnung für einen Transformator bekannt, dessen Wicklungen in einer wendelförmigen Nut eines Tragkör­ pers eingelegt sind. Als Tragkörper dient dort jedoch ein Element des Magnetkerns.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Wicklungsan­ ordnung für Hochspannung mit einem Supraleiter und einen hierfür geeigneten Tragkörper anzugeben, bei der die oben­ genannten Probleme beseitigt sind.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit einer Wicklungsanordnung gemäß Anspruch 1. Auf diese Weise ist der Supraleiter hinreichend festgelegt, so daß trotzdem noch eine ausreichende Kühlung möglich ist. Der kritische Bereich der Leiterverbindung zwischen den Lagen ist ebenfalls vorteilhaft gekühlt. Eine derartige vibrationsunempfindliche Wicklungsan­ ordnung eignet sich insbesondere für bewegte Transformatoren und Drosseln, z. B. in der Verkehrstechnik als Lokomotivtrans­ formator. Die dafür verwendete Verbindungsnut ist dabei be­ vorzugt als Kühlkanal für den Kühlmittelstrom ausgebildet. Es ist günstig, wenn die Verbindungsnut annähernd axial oder quer zu der wendelförmigen Nut verläuft. Dadurch ist eine gute Kühlung des Supraleiters möglich. Mit Vorteil kann der Supraleiter in der Nut und/oder in der Verbindungsnut festge­ legt sein. Dies kann beispielsweise durch eine Harzimprägnie­ rung der Windungsisolation und Verbacken mit der Nutwand er­ folgen. Auf diese Weise ist die Kühlmittelströmung nicht be­ hindert.

Zum Erzeugen eines Abstands zwischen den Lagen des Supralei­ ters können auch Abstandsmittel vorgesehen sein, die beim Herstellen der Wicklungsanordnung mit eingewickelt werden. Gegebenenfalls können die Abstandsmittel nach einem Verbacken des Supraleiters nachträglich aus der Wicklungsanordnung, z. B. auf chemische Weise, entfernt werden.

Ein zur Lösung der Aufgabe geeigneter erfindungsgemäßer Trag­ körper ist nach Anspruch 7 gegeben. Auf diese Weise ist mit einfachen Mitteln eine Festlegung des Supraleiters möglich, so daß der Supraleiter vibrationsgeschützt ist. Bevorzugt ist die Verbindungsnut dabei als Kühlkanal ausgebildet. Damit ist auch der kritische Bereich für die elektrische Verbindung der einzelnen Lagen ausreichend gekühlt, so daß ein sicherer Be­ trieb des Transformators möglich ist.

Die Verbindungsnut kann dabei annähernd axial verlaufen, wo­ durch eine Verbindung der zwei Lagenwicklungen auf kürzestem Weg möglich ist. Gegebenenfalls weist der Tragkörper auch ei­ ne Vielzahl von annähernd axial verlaufenden Verbindungsnuten auf, so daß eine variable Verlegung des Verbindungsleiters möglich ist. Alle Verbindungsnuten sind somit vom Kühlmittel durchströmt und ermöglichen eine Kühlung des gesamten Wick­ lungsbereichs. Als Kühlmittel kommen beispielsweise LHe und LN₂ zur Anwendung.

Bevorzugt weist der Tragkörper eine Oberflächenbeschaffenheit auf, die insbesondere zum Verbacken, Verkleben oder zum Festlegen des Supraleiters geeignet ist. Sie kann dabei ei­ nerseits eine vorteilhafte Oberflächenrauhigkeit aufweisen, die ein Festlegen ermöglicht, oder mit einer den Supraleiter fixierenden Beschichtung versehen sein.

Die Erfindung und weitere Vorteile werden nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine elektrische Schaltskizze einer sechslagigen Wick­ lung mit inneren Lagenverbindungen,

Fig. 2 eine Schaltskizze mehrerer axial fortlaufend hinter­ einandergeschalteter Wicklungen gemäß Fig. 1,

Fig. 3 einen Längsschnitt durch einen Tragkörper entlang einer Kühlnut und

Fig. 4 eine Abwicklung eines Tragkörpers mit Wendelnut und Kühlnuten.

Die der vorliegenden Wicklungsanordnung zugrundeliegende Wicklungsart ist die mehrlagige Lagenwicklung in Einzellagen­ schaltung, wie beispielsweise in Fig. 1 dargestellt. Dabei werden die einzelnen Lagen L1 bis L6 nacheinander auf einen Trag- oder Wickelkörper aufgebracht, wobei jeweils das Ende a einer ersten Lage L1 mit dem Anfang b der nächsten Lage L2 über einen Verbindungsleiter R1 verbunden ist. Diese Wick­ lungsart hat für die vorliegende Anwendung den Vorteil, daß wegen des gleichen Wickelsinns aller Lagen L1 bis L6 diese in einer einzigen fortlaufenden Wendelnut in einem Wickelgang ohne Unterbrechung des Supraleiters untergebracht werden können.

Fig. 2 zeigt eine Wicklungsanordnung, bei der drei Blöcke B1 bis B3 mit jeweils sechs Lagen L1 bis L6 in Reihe geschaltet sind.

Damit Leitervibrationen unterdrückt werden können, wird der verwendete Supraleiter in einer Nut 3 eines als Wickel- oder Spulen­ körper dienenden Tragkörpers 1 eingelegt. Fig. 3 zeigt hierzu einen Längsschnitt durch einen Teilabschnitt eines derartigen Tragkörpers 1, der eine im wesentlichen zylindrische Form aufweist. Er kann aus üblichen Materialien, z. B. Hartpapier oder Kunststoff gefertigt sein. Zur Realisierung der in Fig. 1 und 2 gezeigten Wicklungsarten weist der Tragkörper 1 eine wendelförmige Nut 3 auf, in der der Supraleiter 4 lagenweise (Lagen L1 bis L6) eingelegt ist. Der gezeigte Längsschnitt verläuft entlang einer im wesentlichen axial verlaufenden Kühlnut, durch die ein Kühlmittel 5 strömt.

Die Fixierung des Supraleiters 4 im Tragkörper 1 erfolgt unter Einhaltung der für die entsprechenden elektrischen und kühltechnischen Werte erforderlichen Isolationsabstände. Die Fixierung selbst kann, wie nicht näher gezeigt, beispiels­ weise durch Harzimprägnierung der Windungsisolation und durch anschließendes Verbacken mit der Nutwand erfolgen. Eine Be­ hinderung der Kühlmittelströmung ist dadurch vermieden, da kein zusätzliches Befestigungsmittel, z. B. Kleber, benötigt wird. Bei einer Verklebung weist die Oberfläche der Nut 3 bevorzugt eine Rauhigkeit zur verbesserten Klebeverbindung auf. Eine Distanzierung der Lagen L1 bis L6 beim Wickeln kann beispielsweise durch nicht näher gezeigte Abstandsmittel, wie Lochstreifen, aus Isoliermaterial erfol­ gen. Dabei ist darauf zu achten, daß einerseits eine mög­ lichst geringe Abdeckung des Supraleiters 4 erfolgt, um eine größtmögliche Kühlung zu erzielen, und daß andererseits Leiter­ vibrationen ausgeschlossen sind. Die Abstandsmittel können auch verlierbar sein, wobei diese nach Herstellung der Wicklungsanordnung mit einem technischen oder chemischen Verfahren entfernt werden.

Fig. 4 zeigt eine Teilansicht einer Abwicklung eines derar­ tigen Tragkörpers 1, wobei in der oberen Hälfte der Trag­ körper 1 unbewickelt und in der unteren Hälfte bewickelt dar­ gestellt ist. Es ist dabei zu erkennen, daß die Nuten 3 leicht schräg entsprechend der Wendelsteigung und die Kühl­ kanäle KI bis K7 quer dazu, jedoch im wesentlichen axial im Tragkörper 1 verlaufen. Mit "quer" wird hier verstanden, daß die Kühlkanäle K1 bis K7 die Nut 3 in einen beliebigem Winkel schneiden. Mit Vorteil werden die Kühlkanäle K1 bis K7 dazu benutzt, die Verbindungen zwischen den einzelnen Lagen L1 bis L6 herzustellen. Die Kühlkanäle K1 bis K7 dienen somit als Verbindungspunkt. Damit sind auch die Verbindungsleiter R1, R2, R6 ausreichend dem Kühlmittelstrom ausgesetzt.

Diese Verbindungen der einzelnen Lagen, wurden bei konven­ tionellen Transformatoren durch gelötete äußere Umlenkverbin­ dungen hergestellt. In den gegenläufigen Kühlnuten großer Steigung kann der Supraleiter jetzt lötstellenfrei an den Anfang der nächsten Lage zurückgeführt werden. Die Verbin­ dungsleiterstücke R1, R2, R6 werden bevorzugt gleichmäßig am Umfang des Tragkörpers 1 verteilt, so daß durch das Über­ wickeln der Verbindungen ein radialer Platzbedarf für nur n + 1 Runddrähte bei einer n-lagigen Wicklung entsteht.

Zur Erzeugung der Supraleitung wird die vorgeschlagene Wick­ lungsanordnung selbstverständlich in ein nicht näher gezeig­ tes Kyrostatgefäß angeordnet, welches entsprechende Hilfsein­ richtungen, z. B. Kühleinrichtungen, umfaßt. Die Wicklungs­ anordnung eignet sich insbesondere für supraleitende Trans­ formatoren und Drosseln für Mittel- und Hochspannung.

Claims (12)

1. Wicklungsanordnung mit einem Supraleiter (4) zur Verwendung bei einem Transformator oder einer Drosselspule, wobei zumindest zwei Lagenwicklungen (L1 bis L6) aus einem durchgehenden Supraleiter (4) in einer wendelförmigen Nut eines Tragkörpers (1) eingelegt sind, und wobei die elektrischen Verbindungen (R1 bis R6) zwischen den Lagen (L1 bis L6) in zumindest einer im Tragkörper (1) annähernd quer zu der Nut (3) verlaufenden Verbindungsnut (K1 bis K7) angeordnet sind.

2. Wicklungsanordnung nach Anspruch 1, wobei die Verbindungs­ nut (K1 bis K7) zugleich als Kühlkanal für einen Kühlmittelstrom aus­ gebildet ist.

3. Wicklungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Ver­ bindungsnut (K1 bis K7) annähernd parallel zur Längsachse des Tragkörpers (1) verläuft.

4. Wicklungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Supraleiter (4) in der der Nut (3) und/oder in der Ver­ bindungsnut (K1 bis K6) durch Verkleben oder Verbacken, z. B. mit einem Harz festgelegt ist.

5. Wicklungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei Abstandsmittel zum Erzeugen eines Abstands zwischen Lagen (L1 bis L6) des Supraleiters (4) vorgesehen sind.

6. Wicklungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, welche für hohe Spannungen, z. B. für einen Lokomotivtransformator, Hoch- oder Mittelspannungstransformator, ausgebildet ist.

7. Tragkörper (1) für eine Wicklungsanordnung mit einem Supraleiter eines Transformators oder einer Drosselspule (4), welcher Tragkörper (1) an seiner zylinderförmigen Oberfläche eine wendelförmige Nut (3) zur Aufnahme des Supraleiters (4) und zur Bildung zumindest zweier Lagen (L1 bis L6) von Win­ dungen aufweist, wobei zumindest eine annähernd quer zur wen­ delförmigen Nut (3) verlaufende Verbindungsnut (K1 bis K6) vorgesehen ist, in der ein Verbindungsleiter (R1 bis R6) von einem Ende (a) einer ersten Lage (L1) zu einem Anfang (b) einer zweiten Lage (L2) verlegbar ist.

8. Tragkörper (1) nach Anspruch 7, wobei der Tragkörper (1) eine Vielzahl von quer zur wendelförmigen Nut (3) verlaufen­ den Nuten aufweist, von denen zumindest eine als Verbindungsnut (K1 bis K6) dient.

9. Tragkörper (1) nach Anspruch 7 oder 8, wobei die Verbin­ dungsnut/en (K1 bis K6) annähernd parallel zur Längsachse des Tragkörpers (1) verläuft bzw. verlaufen.

10. Tragkörper (1) nach einem der Ansprüche 7 bis 9, der zumindest in seinen Nuten (3, K1 bis K6) eine zum Festlegen des Supraleiters (4) geeignete Oberflächenbeschaffenheit, insbesondere Rauhigkeit, aufweist.

11. Tragkörper (1) nach Anspruch 10, wobei die Oberflächenbeschaffenheit der Nuten (3, K1 bis K6) für eine feste Verbindung mit einem kleberartigen Mittel geeignet ist.

12. Tragkörper (1) nach Anspruch 10, wobei zumindest die wendelförmige Nut (3) zum Festlegen des Supraleiters (4) eine Oberflächenbeschichtung aufweist.