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Die
Erfindung betrifft elektrische Maschinen einschließlich Motoren
und Generatoren.
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In
der
US-Patentschrift 4,763,404 ist
ein supraleitender Schwachstrom-Magnet mit Lösch-Schaden-Schutz beschrieben. Bei dem
Magneten wird die Technik des Formens eines gedrehten Kabels aus
einer Vielzahl von im Wesentlichen parallelen supraleitenden Drähten und
anschließendes
Wickeln dieses Kabels in Windungen angewandt, um einen gewünschten
Magnetaufbau zu bilden.
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In
der Druckschrift
WO
99/17312 A sind ein Netztransformator und ein Verfahren
zum Adaptieren eines Hochspannungskabels beschrieben. Die Wicklungen
werden mit einem Hochspannungskabel hergestellt, das einen elektrischen
Leiter umfasst. Um den Leiter ist eine erste Halbleiterschicht angeordnet. Um
die erste Halbleiterschicht ist eine erste Isolierschicht angeordnet
und um die erste Isolierschicht ist eine weitere Halbleiterschicht
angeordnet, die an verschiedenen Stellen jeder Wicklung direkt geerdet
ist.
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Im
Betrieb wird Ankerwicklungen eines Motors Wechselstrom (AC) zugeleitet,
um ein rotierendes Magnetfeld zu erzeugen. Das rotierende Feld wird
benutzt, um ein Drehmoment zwischen dem Rotor und dem Stator zu
erzeugen, das den Rotor veranlasst sich zu drehen. Bei Ausführungsformen,
bei denen die Anker-(AC)-Wicklungen am Stator angeordnet sind, dreht
sich das rotierende Feld im Raum und zieht den Rotor mit sich. Wenn
das rotierende Feld durch eine Wechselstromquelle mit Festfrequenz
erzeugt wird, dreht es sich mit einer konstanten Drehzahl (min–1).
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Das
rotierende Feld kann ein bewegliches Element, entweder einen Rotor
oder einen Stator, auf verschiedene Weise ziehen oder „schleppen". Bei einer Vorgehensweise
kann das geschleppte Element ein Permanentmagnet oder ein durch
Gleichstrom (DC) gespeister Elektromagnet sein. Motoren werden in
ihrem rotierenden Feld mit zwei Typen von Polen gewickelt, Nord
und Süd.
Der Permanentmagnet oder Elektromagnet und das rotierende Feld halten aufgrund
des Statorstroms einander Nordpol zu Südpol fest und rotieren miteinander.
Bei einer anderen Vorgehensweise ist das geschleppte Element eines Induktionsmotors
eine Rotorwicklung, in welcher das vom Stator erzeugte rotierende
Feld einen Strom induziert. Dieser Strom reagiert mit dem rotierenden Feld,
um ein Drehmoment zu erzeugen. Zum Induzieren eines Stroms muss
die Motorwicklung langsamer drehen als das rotierende Feld; die
Drehzahldifferenz wird als „Schlupf" bezeichnet. Schlupf
bedeutet das Unvermögen
des Rotors, mit dem durch den Stator erzeugten sich bewegenden rotierenden
Magnetfeld Schritt zu halten. Das geschleppte Element eines Wechselstromsynchronmotors
ist dessen Rotor, der entweder einen Permanentmagneten oder einen Elektromagneten
aufweist. Die Motordrehung ist synchron mit der Wechselstromnetzfrequenz,
weil der Rotor am rotierenden Magnetfeld festgehalten ist, das wiederum
synchron zur Netzfrequenz ist. Synchronmotoren mit zwei Polen arbeiten üblicherweise bei
3600 min–1 mit
einem Netzstrom von 60 Hz. Langsamere Motoren haben vier Pole, einen
Nordpol bei 0 Grad, einen Südpol
bei 90 Grad, einen Nordpol bei 180 Grad, und einen Südpol bei
270 Grad. Solche Motoren laufen bei 1800 min–1 synchron
mit einem Netzstrom von 60 Hz. Der Hauptunterschied zwischen einem
Synchronmotor und einem Induktionsmotor besteht darin, dass der
Rotor des Synchronmotors mit der gleichen Drehzahl dreht, wie das
aufgrund der Statorströme
rotierende Magnetfeld. Dies ist möglich, weil das Magnetfeld
des Rotors durch Feldspulen oder Permanentmagneten erzeugt wird. Der
Rotor weist entweder Permanentmagneten oder gleichstromerregte Ströme auf,
die gezwungen werden, in einer bestimmten Stellung zu arretieren,
wenn sie einem anderen Magnetfeld gegenübergestellt werden. Wenn der
Motor bei einer synchronen Drehzahl arbeitet, sind deshalb kein
Schlupf und keine Drehzahländerung
als Funktion wechselnder Belastung vorhanden.
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Jedoch
kann bei einem Synchronmotor Schlupf in mindestens zwei Situationen
auftreten. In einer Situation, wenn die Belastung des Motors zu hoch
wird, kann der Rotor aus der Synchronisation fallen. In einer anderen
Situation tritt Schlupf auf, wenn der Motor auf Synchrondrehzahl
gebracht wird. Eine Vorgehensweise, dem Problem des Schlupfs beim
Hochfahren zu begegnen, besteht darin, einen Antrieb mit verstellbarer
Drehzahl (ASD = adjustable speed drive) zu verwenden, um die Drehzahl
des Motors zu regeln, bis er die Synchrondrehzahl erreicht. Jedoch
können
in manchen Anwendungsfällen
die Kosten des ASD die Kosten des eigentlichen Motors übersteigen.
Deshalb kenn die Verwendung eines ASD aus Kostengründen untragbar
sein.
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Das
Problem des „Schlupfs" ist besonders ein
Problem, wenn die Wicklung oder Spule aus supraleitenden Werkstoffen
gewickelt wird. Wenn ein Pol rutscht, kehrt sich der Fluss durch
die supraleitende Spule um. Über
einen sehr kurzen Zeitraum wird eine sehr hohe Spannung über der
Spule induziert. Die meisten herkömmlichen Wicklungen mit einer
kleineren Anzahl von Windungen können
diesem steilen Spannungsanstieg über
einen kurzen Zeitraum standhalten. Jedoch erfordern unter Verwendung
supraleitenden Werkstoffs gewickelte Spulen eine große Anzahl
von Windungen, weil der Betriebsstrom des zur Bildung der Spule
verwendeten Drahts (oder Bands) relativ niedrig ist. In diesem Fall
kann die hohe Spannung selbst über
kurze Zeiträume
für eine
supraleitende Wicklung schädlich
sein. Zum Beispiel kann die hohe Spannung die isolierenden Schichten
beeinträchtigen,
welche die supraleitenden Drahtspulen umgeben und eine Kurzschluss
innerhalb der Spule verursachen.
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In
einem allgemeinen Aspekt der Erfindung weist eine supraleitende
Wicklung ein Paar supraleitender Wicklungsabschnitte auf, die an
einen Knoten elektrisch angeschlossen sind, und eine Nebenschlussschaltung,
die zwischen den Knoten und einen elektrischen Masseanschluss geschaltet
ist. Die Nebenschlussschaltung ermöglicht einem Strom zu fließen, wenn
eine Spannung über
der supraleitenden Wicklung eine vorher festgelegte Grenzspannung übersteigt.
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In
einem anderen Aspekt der Erfindung umfasst das Verfahren zum Schaffen
einer supraleitenden Wicklung, elektrisches Anschließen eines
Paares supraleitender Wicklungsabschnitte an einen Knoten und Schalten
einer Nebenschlussschaltung zwischen den Knoten und einen elektrischen
Masseanschluss, um zu ermöglichen,
dass ein Strom fließt, wenn
eine Spannung über
der supraleitenden Wicklung eine vorher festgelegte Grenzspannung übersteigt.
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In
noch einem anderen Aspekt der Erfindung enthält ein Rotoraufbau ein Halteelement
und die zuvor beschriebene supraleitende Wicklung.
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Ausführungsformen
dieser Aspekte der Erfindung können
eines oder mehrere der folgenden Merkmale enthalten.
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Die
Nebenschlussschaltung enthält
eine Schalteinrichtung (wie zum Beispiel eine Zenerdiode, einen
Varistor, Funkenstreckeneinrichtungen [spark gap devices]) mit einer
offenen Stellung und einer geschlossenen Stellung. Die Schalteinrichtung
ist in der geschlossenen Stellung, um ein Fließen von Strom zu ermöglichen,
wenn die Spannung über
der supraleitenden Wicklung die vorher festgelegte Grenzspannung übersteigt.
Die Nebenschlussschaltung enthält
ein Widerstandselement, um durch die Nebenschlussschaltung fließende Energie
zu verbrauchen, wobei die Nebenschlussschaltung kryogen gekühlt werden
kann. Jeder supraleitende Wicklungsabschnitt enthält einen
Hochtemperatursupraleiter und kann als Flachspule ausgebildet sein.
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Neben
anderen Vorteilen schützt
die Nebenschlussschaltung die supraleitende Wicklung vor einem eventuellen
Schaden durch Überspannung.
Die Nebenschlussschaltung ermöglicht
es, die Dicke der Spulenisolierung zu verringern, wodurch zusätzlicher Raum
für den
Supraleiter geschaffen wird. Die Nebenschlussschaltung sorgt auch
für eine
kostengünstigere,
einfachere und hauptsächlich
zuverlässige Schutzeinrichtung
für die
supraleitende Wicklung.
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Die
Einzelheiten einer oder mehrerer Ausführungsformen der Erfindung
sind in der beigefügten
Zeichnung und der folgenden Beschreibung dargelegt. Andere Merkmale,
Ziele und Vorteile der Erfindung werden aus der Beschreibung und
der Zeichnung und aus den Patentansprüchen klar.
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In
der Zeichnung zeigen:
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1 eine
Schnittzeichnung eines Teiles eines Synchronmotors vom Ende her
gesehen,
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2 eine
isometrische Ansicht der supraleitenden Spule der 4 in
Form einer Rennbahn, bei der ein Teil weggeschnitten ist,
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3 eine
schematische Darstellung des Motors der 1, die das
Verhältnis
zwischen den Ankerwicklungen und den Polen darstellt,
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4 eine
vergrößerte Darstellung
eines Teils des Synchronmotors der 2,
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5 eine
schematische Darstellung einer supraleitenden Spule und einer Schutzschaltung
zur Verwendung bei dem Synchronmotor der 1,
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6 eine
schematische Darstellung eines supraleitenden Spulenaufbaus mit
Flachspulen und der Schutzschaltung, und
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7 eine
schematische Darstellung einer lagenweise gewickelten supraleitenden
Spule und der Schutzschaltung.
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Gleiche
Bezugszeichen in den verschiedenen Figuren der Zeichnung bezeichnen
gleiche Bauelemente.
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Unter
Bezugnahme auf 1 enthält ein supraleitender Synchronmotor 1 einen
Rotoraufbau 5 mit einer vierpoligen Struktur, die von einem
Kälteregler 12 und
einer elektromagnetischen Abschirmung 14 umgeben ist, die
beide durch eine Vakuumschicht 16 mit einem radialen Abstand
von einem kalten Rotorabschnitt 10 des Rotoraufbaus 5 angeordnet
sind. Eine Dreiphasenstatorwicklung 2 und eine mehrschichtige
Flussabschirmung 4, die hier aus Eisen ausgebildet ist,
umgeben ihrerseits die elektromagnetische Abschirmung 14.
Bei anderen Ausführungsformen
könnte
die eiserne Flussabschirmung 4 durch eine feste metallische
Abschirmung ersetzt werden, die aus einem unmagnetischen Werkstoff
(z. B. Kupfer oder Aluminium) gefertigt ist. Die elektromagnetische
Abschirmung 14 ist aus einem vorzugsweise unmagnetischen
Werkstoff (z. B. Kupfer, Aluminium, Stahl usw.) hergestellt.
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Der
kalte Rotorabschnitt 10 enthält ein kaltes Halteelement 20,
das aus einem hochfesten und duktilen Werkstoff (z. B. Aluminium)
gefertigt ist. Das kalte Halteelement 20 ist als inneres
zylindrisches Teil 20a dargestellt, das von einem äußeren zylindrischen
Teil 20b mit einer Außenfläche 22 mit
vier gestuften Profilen 24 umgeben ist. Jedes gestufte
Profil 24 trägt
eine von vier supraleitenden Wicklungsanordnungen 30, von
denen hier nur eine dargestellt ist, wobei jede Wicklungsanordnung
einem Pol des Motors zugeordnet ist. Insbesondere ist jede von einem ersten
Paar einander diametral gegenüberliegender supraleitender
Wicklungsanordnungen um eine erste Achse gewickelt. Jede von einem
zweiten Paar einander diametral gegenüberliegender supraleitender Wicklungsanordnungen
ist um eine zweite Achse 27 quer zur Achse 26 gewickelt.
Die Wicklungsanordnungen sind elektrisch miteinander verbunden und entlang
dem äußeren Umfang
des Halteelements auf den gestuften Profilen gelagert, die entlang
der Achsen 26, 27 ausgebildet sind. Wie genauer
im Folgenden behandelt wird, enthält jede supraleitende Wicklungsanordnung 30 eine
Nebenschlussschaltung (5) zum Schutz der Wicklung vor
Hochspannungbelastung zum Beispiel während eines Polschlupfereignisses.
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Bezugnehmend
auf
2 enthält
jede supraleitende Wicklungsanordnung
30 rennbahnförmige Doppelflachspulen
32,
die innerhalb einer Spulenhalterung
34 angeordnet sind.
Jede Doppelflachspule weist mitgewickelte Leiter auf, die parallel
und einer über
dem anderen gewickelt sind. Die Doppelflachspulen werden dann koaxial
eine auf der Oberseite der anderen gestapelt. Bei dieser Ausführungsform
besteht der Leiter aus einem supraleitenden Hochtemperatur-Kupferoxidkeramik-Werkstoff,
wie Bi
2Sr
2Ca
2Cu
3O
x,
der üblicherweise
als BSCCO 2223 bezeichnet wird. Wie hier gezeigt ist, können eine oder
mehrere der Doppelflachspulen eine Flachspule enthalten, die einen
kleineren Durchmesser als ihre benachbarte Flachspule der Doppelflachspule
aufweist. Die zwei Spulen eines Paares sind aus derselben fortlaufenden
Länge eines
supraleitenden Bandes gewickelt. In der
US-Patentschrift 5,581,220 ist eine
Methode zum Wickeln einer Spule in dieser Sache beschrieben.
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In 3 ist
eine schematische Darstellung des Synchronmotors 1 mit
einem kalten Rotorabschnitt 10a abgebildet, der von der
Dreiphasenstatorwicklung 2 umgeben ist. Der kalte Rotorabschnitt 10a ist
schematisch als vierpolige Schenkelpolmaschine dargestellt und der
Kälteregler 12,
die elektromagnetische Abschirmung 14 und die eiserne Flussabschirmung 4 sind
aus dieser Figur entfernt, um die Verständlichkeit der Arbeitsweise
der Maschine zu erleichtern. Die Anzahl der Pole in einer Maschine
ist durch die Anordnung des auftretenden Magnetfeldstärkendiagramms
bestimmt. Weil der Synchronmotor 1 eine vierpolige Struktur
haben soll, enthält
die Statorwicklung 2 vier Sätze von Dreiphasenwicklungen
(A, B, C). Zum Erzeugen eines rotierenden Magnetfelds benötigt jedes
Polpaar (N & S)
einen vollständigen
Satz von Dreiphasenwicklungen. Eine zweipolige Maschine würde einen
Satz von Dreiphasenwicklungen erfordern, wobei jede Phasenwicklung
um 120 Grad von einer benachbarten Wicklung versetzt angeordnet
ist. Das Drehmoment wird durch das Zusammenwirken der supraleitenden
Spule mit dem Strom der Ankerwicklung erzeugt. Im Betrieb sind die
Drehzahl der Pole und des rotierenden Magnetfelds beide generell
fixiert (z. B. 1800 min–1 bei einer vierpoligen
Maschine, die mit einem Netzanschluss von 60 Hz betrieben wird),
wobei jeder Pol des kalten Rotorabschnitts mit dem magnetischen Fluss
des Ankers geringfügig
nicht fluchtet.
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In 4 ist
die geringfügige
Verlagerung zwischen einem Rotorpol und dem magnetischem Fluss als
Belastungswinkel (δ)
zwischen dem Rotorfeld und dem Ankerfeld dargestellt. Der Belastungswinkel
(δ) stellt
eine Phasennacheilung zwischen einer Mittellinie 54 des
Statorwicklungsfelds und einer Mittellinie 56 des Rotorpols
dar. Im Wesentlichen zieht dieser Belastungswinkel den Rotoraufbau 5 relativ
zur Statorwicklung 2.
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Nun
wird wieder auf 3 Bezug genommen. Wenn der Belastungswinkel
90 Grad überschreitet,
wird die Kopplung zwischen dem Rotorpol und dem rotierenden Magnetfeld
unterbrochen und der Rotorpol „rutscht" und ist nicht mehr
mit dem Magnetfeld synchron. Wenn der Rotorpol rutscht, koppelt
ein Pol mit einer bestimmten Polarität (z. B. Nord) an einen Pol
mit entgegengesetzter Polarität
(z. B. Süd)
an und der magnetische Fluss durch die dem Pol zugeordnete supraleitende
Wicklung 30 kehrt um. Die Umkehrung des Flusses verursacht
eine hohe Spannung, die über
der supraleitenden Wicklung 30 induziert wird. Im Allgemeinen
ist die supraleitende Wicklung nicht dafür ausgelegt so hohen Spannungen
zu begegnen, selbst wenn es nur über eine
sehr kurze Zeit ist. Sobald die supraleitende Wicklung so hohen
Spannungen ausgesetzt wird, kann dies das Auftreten eines Lichtbogens
verursachen, welcher möglicherweise
die Isolierschichten beschädigt,
welche jede Windung der Wicklungen umgeben. Wenn die Isolierschichten
beschädigt
werden, kann die supraleitende Wicklung 30 elektrisch kurzgeschlossen
werden, was die Wicklung schädigt. Ein
Steigern der Dicke der die supraleitenden Wicklungen umgebenden
elektrischen Isolierung nimmt wertvollen Raum ein, der anderenfalls
durch den Leiter genutzt werden könnte und auch das Kühlen der Wicklungen
schwieriger gestaltet.
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Bezugnehmend
auf 5 ist zur Vermeidung von Überspannung und möglicher
Beschädigung
der Isolierung der supraleitenden Wicklung jede supraleitende Wicklung
in Wicklungsabschnitte 30a, 30b, 30c,
... 30n aufgeteilt. Jeder Wicklungsabschnitt ist mit einem
benachbarten Wicklungsabschnitt an einem Knoten 61 verbunden.
Jede supraleitende Wicklung 30 weist auch eine Nebenschlussschaltung 60 mit
einer Zenerdiode 62 und einem Widerstand 64 auf,
die zwischen einem zugehörigen
Knoten 61 und einem elektrischen Masseanschluss 66 angeschlossen
ist. Zur Aufrechterhaltung eines ausgewogenen Aufbaus sind die Typen
und Werte der Zenerdioden und der Widerstände im Allgemeinen so ausgewählt, dass
sie gleich sind.
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In
den Spulen 30a, 30b, 30c, 30d wird
keine Spannung induziert, wenn der Synchronmotor 1 im Beharrungszustand
arbeitet. Die Zenerdioden 62 leiten nicht und es ist kein
mit den parallelen Wegen zum elektrischen Masseanschluss verbundener
Verlust vorhanden. Während
eines Polschlupfvorgangs jedoch, wenn die Spannung den Grenzwert
(z. B. 1 KV) überschreitet,
leitet die Zenerdiode 62, so dass Strom durch den Nebenschlussschaltungsweg
zur Masse abgeleitet wird und die Spannung über der Wicklung auf der Grenzspannung
hält („clamps"). Die Widerstände 64 sind
typische Metallwiderstände
mit Werten, die so gewählt
sind, dass sie den durch den parallelen Weg fließenden Strom begrenzen und während des Überspannungszustands
eine Höhe
eines Stromflusses durch die Wicklungen aufrechterhalten. Zum Beispiel
können
während
eines Überspannungsvorfalls
Hochstrompegel so hoch wie beispielsweise 200A erzeugt werden. Bei
diesem besonderen Beispiel kann der Wert des Widerstands 64 ausgewählt werden,
um den Strom in der Spule auf ihren Bemessungswert zu begrenzen.
Das Aufrechterhalten eines Pegels des Stroms durch die Wicklung innerhalb
des Bemessungswerts der Spule während eines Übersparmungsvorfalls
ermöglicht
es, die Wicklung in ihrem normalen Beharrungszustandsbetrieb zu
halten. Sobald der Motor die Synchrondrehzahl erreicht, nimmt die
Spannung über
der supraleitenden Wicklung auf Null ab, unterhalb des Zenergrenzwerts,
so dass der Strom fast vollständig
durch die Wicklung fließt.
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Bezugnehmend
auf die 1, 2 und 6 enthält die supraleitende
Wicklungsanordnung 30 Doppelflachspulen 32 (z.
B., siehe 2). Wie zuvor behandelt wurde,
wird zur Bildung einer Flachspule (sowohl einer einfachen als auch
einer Doppelflachspule) der Leiter über sich selbst von einem inneren
Durchmesser zu einem äußeren Durchmesser
oder umgekehrt gewickelt. Die einzelnen Flachspulen werden dann
eine auf der anderen gestapelt und elektrisch angeschlossen (z.
B. gelötet). Dies
erfolgt im Allgemeinen an der Flachspulenverbindung 67 von
einer Flachspule zur anderen am äußeren Umfang
der Spulenanordnung. Bei dieser Ausführungsform sind die Nebenschlussverbindungen zwischen
Nebenschlussschaltungen und den einzelnen Flachspulen über eine
Lötverbindung
an der Flachspulenverbindung 67 hergestellt.
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Bezugnehmend
auf 7 ist bei einer alternativen Ausführungsform
eine supraleitende Wicklungsanordnung 80 lagenweise gewickelt.
Im Gegensatz zu einer Flachspule wird eine lagenweise gewickelte
Spule entlang der Achse der Spule in einer Richtung gewickelt und
dann über
der ersten Lage von Windungen in der entgegengesetzten Richtung zurückgewickelt.
Bei dieser Ausführungsform
werden Nebenschlussverbindungen 82 zwischen Nebenschlussschaltungen
und den einzelnen Abschnitten 80a, 80b, 80c,
... der lagenweise gewickelten Spule durch die Isolierung hindurch
in Seiten- oder Endbereichen der Spulenanordnung hergestellt.
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Es
ist eine Anzahl von Ausführungsformen der
Erfindung beschrieben worden. Gleichwohl versteht es sich, dass
verschiedene Abwandlungen vorgenommen werden können, ohne vom Geist und Anwendungsbereich
der Erfindung abzuweichen. Bei der zuvor beschriebenen Ausführungsform
wurde eine Zenerdiode als Schalteinrichtung verwendet, um den Fluss
des Stroms von der Wicklung zu steuern. Andere Schalteinrichtungen
einschließlich
Metalloxidvaristoren oder Funkenstreckeneinrichtungen sind auch
ebenso verwendbar. Auch kann eine supraleitende Wicklung 30 abhängig von
der besonderen Anwendung und Größe der rotierenden
Maschine in eine relativ geringe oder große Anzahl von Abschnitten unterteilt sein.
Zum Beispiel können
die supraleitenden Wicklungen für
eine 100 MW Zweipol-Synchronmaschine
in nicht weniger als 150 Abschnitte unterteilt sein.
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Bei
bestimmten Ausführungsformen
sind die Zenerdioden und Widerstände
kryogen gekühlt,
wodurch die Notwendigkeit von Stromleitungen ausgeschaltet wird,
von kalten in warme Bereiche des Motors überzugehen. Ferner weist bei
der zuvor in Verbindung mit 1 behandelten
Ausführungsform das
kalte Halteelement die Form eines inneren zylindrischen Teils 20a und
eines umgebenden äußeren zylindrischen
Teils 20b auf. Jedoch kann das kalte Halteelement 20 in
alternativen Ausführungsformen eine
einzelne integrale Einheit sein.
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Dementsprechend
liegen andere Ausführungsformen
innerhalb des Anwendungsbereichs der folgenden Ansprüche.