DE8817155U1

DE8817155U1 - Elektromagnetische Vorrichtung

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Publication number: DE8817155U1
Application number: DE8817155U
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1987-10-28
Filing date: 1988-10-26
Publication date: 1994-02-03
Anticipated expiration: 1998-10-27

Description

Elektromagnetische Vorrichtung

Die Erfindung betrifft eine elektromagnetische Vorrichtung.

Elektromagnetische Vorrichtungen wie Transformatoren oder Drosseln umfassen typischerweise eine oder mehrere leitfähige Wicklungen für elektrischen Strom und einen Magnetrahmen, gewöhnlich als Kern bezeichnet, in dem der magnetische Induktionsfiuß infolge des Stroms in den Wicklungen konzentriert wird.

Um die Betriebsleistung derartiger Vorrichtungen, insbesondere von Transformatoren, zu erhöhen, ist es üblich geworden, speziell formuliertes ferromagnetisches Bandmaterial, gestaltet in Form eines Ringkerns, mit spiralförmig um den Kern angeordneten leitfähigen Wicklungen zu verwenden.

Obwohl die Länge des magnetischen Induktionsflußweges in dem Kern eines derartigen Transformators lang ist, bezogen auf die effektive Länge des Abschnitts der Wicklungen, die den magnetischen Induktionslfluß induzieren, sind derartige Transformatoren relativ leistungsfähig und besitzen ein sehr niedriges magnetisches Strahlfeld.

Für Hochleistungsanwendungen, zum Beispiel für in elektrischen Unterstationen oder in anderen Leistungsverteilungssystemen verwendeten Transformatoren, ist die Wärmeableitung in dem Kern und den Wicklungen von großen Transformatoren problematisch, so daß derartige große Transformatoren gewöhnlich durch öl gekühlt werden. Dies erhöht natürlich die Kosten und die Komplexität des Transformators.

Durch Stapeln einer Zahl von Ringkernsegmenten und Führen der Wicklungen durch die Kernsegmente kann der magnetische Induktions-

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flußweg des Transformators gekürzt werden, indessen die relative Länge der Wicklungen ansteigt. Bei Leistungstransformationsanwendungen bewirkt dies übermäßige Wärme, die in den Wicklungen abzuleiten ist.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine elektromagnetische Vorrichtung der genannten Art zu schaffen, die einen hohen Wirkungsgrad besitzt, ohne übermäßige Wärme zu entwickeln.

Diese Aufgabe wird gemäß dem Patentanspruch 1 gelöst.

Gemäß der Erfindung wird eine elektromagnetische Vorrichtung geschaffen, die eine oder mehrere elektrisch leitfähigen Wicklungen und einen zylindrischen Magnetrahmen aufweist, der um die Wicklungen angeordnet ist, und zwar im wesentlichen koaxial mit dem dabei eingeschlossenen Abschnitt der Wicklungen, der Magnetrahmen einen magnetischen Induktionsflußweg definiert, der eine Länge besitzt, die geringer ist als die Länge des Abschnitts der Wicklungen, die durch den Magnetrahmen eingeschlossenen sind, und die Wicklungen aus einem supraleitenden Material bestehen. Vorzugsweise werden die Wicklungen von einem Material gebildet, das supraleitend ist bei der Temperatur von flüssigem Stickstoff oder sogar Nah-Umgebungstemperatur.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung zu entnehmen.

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Grundmodells des Transformators gemäß der Erfindung; und Fig. 2 zeigt eine Teilschnittansicht eines Kernsegments
des Transformators der Fig. 1.

In Fig. 1 ist dargestellt ein Transformator mit zwei zylinderförmigen Magnetrahmen 10 und 12, von denen jeder zehn koaxial angeordnete ferromagnetische, ringförmige Kernsegmente 14 aufweist. Die Kernsegmente 14 sind typischerweise in Spiralform gewickelt aus einem Band, bestehend aus ferromagnetische!!) Material wie Bandeisenblech für Transformatoren, um die ringförmigen Kernsegmente, wie sie in Fig. 2 dargestellt sind, zu bilden. Alternativ hierzu können die Kernsegmente 14 aus einem geeigneten Ferritmaterial, wie es häufig in Transformatoren, bestimmt für Hochfrequenzanwendungen verwendet wird, hergestellt sein.

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Die Wicklungen 16 sind durch die magnetischen Rahmen 10 und 12 geführt. Die Wicklungen umfassen eine Primärwicklung mit einem Stromleiter 18 und eine Sekundärwicklung mit einem Stromleiter 20. Die Abschnitte 26 und 28 der Wicklungen 16 sind eingeschlossen durch oder umhüllt von den magnetischen Rahmen 10 bzw. 12. Die Abschnitte 22 und 24 der Wicklungen 16 sind nicht eingeschlossen. Die eingeschlossenen Abschnitte 26 und 28 sind im allgemeinen koaxial mit dem Magnetrahmen 10 bzw. 12. Der magnetische Induktionsfluß in den Rahmen 10 und 12 fließt peripheral in den Kernsegmenten 14, wie durch die Pfeile 30 und 32 angezeigt.

Endplatten 36 und 38, die durch Bolzen 40 zusammengehalten werden, halten die Kernsegmente 14 der Magnetrahmen zusammen. Eine thermisch isolierende Hülse 42 umgibt die Wicklungen 16, damit ein Kühlmedium üoer die Wicklungen fließen kann.

Fig. 2 ist eine Teilschnittansicht eines einzelnen ringförmigen Kernsegments 14, das spiralförmig gewickelt ist aus ferromagnetischem Material wie Bandeisenblech 34 für Transformatoren. Der induzierte wechselnde oder schwankende magnetische Fluß in dem ringförmigen Kernelement bewirkt Wärmeverluste, die durch Wahl des Bandmaterials oder durch Verringerung der Flußweglänge minimiert werden können, wobei letzteres in diesem Ausführungsbeispiel bevorzugt wird. Bei der dargestellten Kernsegmentkonstruktion kann die Höhe der Kernsegmente 14 sowie ihre inneren und äußeren Durchmesser gemäß den Erfordernissen der Transformatorausbiidung bequem variiert werden.

Der dargestellte Transformator hat verschiedene Vorteile gegenüber herkömmlichen Transformatoren, bei denen "Kern"-, "Mantel"-, "Topf"- und herkömmliche ringförmige Magnetrahmen Verwendung finden. Die magnetischen Induktionswege 30 und 32 sind relativ kurz verglichen mit den Längen der Abschnitte 26 und 28 der Wicklungen 16, die von den Rahmen 10 und 12 eingeschlossen sind. Die "nicht arbeitenden" Abschnitte 22 und 24 der Wicklungen 16 sind relativ kurz, verglichen mit der Länge der "arbeitenden" Abschnitte 26 und 28. Dies bewirkt einen Transformator mit niedrigen magnetischen Verlusten und hohem Wirkungsgrad. (Die "nicht arbeitenden" Abschnitte der Wicklungen sind definiert als die Abschnitte der Wicklungen, die nicht von den Magnetrahmen eingeschlossen bzw. umhüllt sind und außerhalb dieser liegen und daher keinen nutzbaren Induktionsfluß in den Magnetrahmen erzeugen. Die "arbeitenden" Abschnitte der

Wicklungen 16 sind definiert als die Abschnitte, die von den Magnetrahmen eingeschlossen und im wesentlichen koaxial zu diesen sind, und daher zur Erzeugung nutzbaren Induktionsflusses in den Magnetrahmen geeignet sind).

Die Gruppen von Wicklungen 16 sind vollständig durch die Magnetrahmen 10 und 12 eingeschlossen, so daß die magnetische Kopplung zwischen den Wicklungen außerordentlich gut und der Streufluß außerordentlich niedrig ist.

Die ringförmigen Kernsegmente können eine verhältnismäßig geringe Vielzahl verschiedener Abmessungen umfassen und sind daher wirtschaftlich herzustellen. Eine große Zahl verschiedener Transformatorkenndaten können folglich einfach durch Variieren der Zahl an Kernsegmenten 14, die von den Magnetrahmen 10 und 12 umfaßt sind, erzeugt werden.

Das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel findet Anwendung in der allgemeinen Stromverteilung und Transformierung. Obwohl unüblich in der Form im herkömmlichen Sinn, würde die längliche Form des Transformators bequeme Anwendung finden in am Pol angebrachter Verteilung und heruntertransformierenden Transformatoren und in Unterstationen.

Bei der Suche nach Möglichkeiten zur Verringerung der Länge des magnetischen Induktionsflußweges 30 und 32, kann der Transformator-Designer konfrontiert werden mit einem unerwünschten Anstieg des elektrischen Widerstandes der Wicklungen 16 wegen inrer größer angestiegenen Länge. Sind die Wicklungen 16 allerdings aus supraleitendem Material hergestellt, kann der Transformator extrem lang ausgebildet sein, ohne Folgeanstieg des Widerstandsverlustes in den Wicklungen. Unter "Supraleitfähigkeit" ist ein leitfähiges Material zu verstehen, dessen elektrischer Widerstand näherungsweise oder vollkommen verschwindet.

Bei den herkömmlichen besonders niedrigen supraleitenden Temperaturen verhindert die zur Aufrechterhaltung der notwendigen tiefen Temperaturen erforderlichen Energie die Verwendung der Supraleitfähigkeit. Neue bei Umgebungstemperatur oder ^umgebungstemperatur supraleitende Materialien sind jedoch mehr geeignet als Wicklungen verwendet zu werden. Ihre Verwendung erfordert geringfügige oder gar keine Kühlung, obgleich die elektrischen Verluste nahezu null werden. Ihre Verwendung erlaubt maximale Anwendung der vorstehend beschriebenen Transformatorge-

staltungen, wodurch ein Transformatur mit vorbildlichem Wirkungsgrad geschaffen wird. Der Transformator kann bequem einen Magnetrahmen mit einem Längen- zu Breiteverhältnis (L:W in Fig. 1) von 2:1 oder mehr, oder sogar 5:1, 10:1 oder 25:1 besitzen. Eine derartige langgestreckte Gestaltung ist nur mit supraleitenden Wicklungen anwendbar.

Selbstverständlich können die Wicklungen 16 von geeigneten Körpern gehalten werden, um sie zu schützen und sie davon abzuhalten in direkten Kontakt mit den Magnetrahmen 10 und 12 zu gelangen. Die supraleitenden Wicklungen können zusätzlich in geeignete thermische Isolierung eingekapselt sein, damit die richtige Betriebsumgebung an den Wicklungen aufrecht erhalten wird. Herkömmliche Supraleitungstechnologie, basierend auf einem Betrieb nahe dem absoluten Nullpunkt, würde untragbare komplexe Kühlung und Isolierung erfordern und ist daher ungeeignet. Modernere Entwicklungen schließen spezielle keramikartige Substanzen ein, die Supraleitung aufweisen bei Temperaturen von flüssigem Stickstoff und damit bescheidenere Kühlung und Isolierung erfordern. Da flüssiger Stickstoff vergleichsweise billig und für Auffüllungszwecke leicht erhältlich ist, wird diese Technologie bevorzugt. Weiter verbesserte Technologie, die Supraleitung nahe Umgebungstemperaturen liefert, würde Kühlung und Isolierung noch weiter vereinfachen und wäre daher noch vorteilhafter in der Anwendung. Die Wicklungen können einzeln isoliert sein gegen Wärme oder können zusammen isoliert sein. Im allgemeinen sind gute Wärmeisolatoren auch gute Elektrizitätsisolatoren, so daß ein Isolierungsmedium für beides, thermische und elektrische Isolierung, benutzt werden kann.

Die supraleitenden Wicklungen können eine metallische oder leitfähige keramikartige Beschichtung oder Band auf einem geeigneten flexiblen Substrat umfassen, ähnlich zu herkömmlichen gedruckten Leiterpiattenbahnen für die Elektronik, oder sind durch Dickfilm oder Dünnfilmtechnologie zu bilden. Derartige leitfähige Bänder können im Vakuum aufgedampft oder lichtelektrisch geätzt werden. Sie können auf das Substrat mittels Galvanisieren oder stromlosen Kaschieren beschichtet werden.

In Abhängigkeit von der Art des verwendeten Supraleiters sind die Wicklungen auf die Temperatur von flüssigem Stickstoff zu küh-

len oder sind zu betreiben näher zu Umgebungstemperaturen. Zum Beispiel bei Verwendung der jüngsten supraleitenden Materialien ist es möglich, die Wicklungen bei Temperaturen von -4O⁰C oder höher oder sogar -20⁰C oder höher zu betreiben.

Supraleitender Betrieb der beschriebenen Transformatorausführungsbeispiele findet Anwendung in großen Stromverteilungstransformationen wie Transformatoren, die Ferngitterstromleitungen speisen. Derartige Transformatoren finden Anwendung bei nahezu allen Stromtransformationsanwendungen, die nur von den wirtschaftlichen Aspekten des Einbaus der Supraieitunstechnologie abhängt.

Drosseln und Drosselspulen, die die gegenwärtige Transformatortechnologie benutzen, finden Anwendung bei der Gleichrichtung und Siebung sowie Strombegrenzung in derartigen verschiedenen Anwendungen wie Gasentladungsblitz, Lichtbogenofen und Frequenzfilterung in einer Oberschwingungssiebeinrichtung.

Claims

Schutzansprüche

1. Elektromagnetische Vorrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß vorgesehen sind eine oder mehrere elektrisch leitfähige Wicklungen (16) und ein zylinderförmiger Magnetrahmen (10, 12), der um die Wicklungen angeordnet und im wesentlichen koaxial mit dem Abschnitt der dadurch eingeschlossenen Wicklungen ausgerichtet ist, der Magnetrahmen einen magnetischen Induktionsflußweg (30, 32) definiert mit einer Länge, die geringer ist als die Länge des Abschnitts (26, 28) der Wicklungen, die von dem Magnetrahmen umhüllt sind, und die Wicklungen aus einem supraleitenden Material bestehen.

2. Elektromagnetische Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklungen (16) aus einem Material bestehen, das bei der Temperatur von flüssigem Stickstoff supraleitend ist.

3. Elektromagnetische Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklungen (16) kühlbar sind.

4. Elektromagnetische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklungen (16) von einem thermisch isolierenden Material (42) umgeben sind.

5. Elektromagnetische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklungen (16) aus einem leitfähigen Material bestehen, das auf einem Substrat angebracht ist.

6. Elektromagnetische Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat flexibel ausgebildet ist.

7. Elektromagnetische Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat mit dem leitfähigen Material beschichtet ist.

8. Elektromagnetische Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklungen (16) mittels Dickschicht- oder Dünnschichttechnologie bildbar sind.

9. Elektromagnetische Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklungen (16) mittels photoelektrischen Ätzens bildbar sind.

10. Elektromagnetische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Lange- zu Breiteverhältnis (L:W) des magnetischen Rahmens 2:1 oder mehr beträgt.

11. Elektromagnetische Vorrichtung nach Anspruch 1.0, dadurch gekennzeichnet, daß das Länge- zu Breiteverhältnis (L:W) 5:1 oder mehr beträgt.

12. Elektromagnetische Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Länge- zu Breiteverhältnis (L:W) 10:1 oder mehr beträgt.

13. Elektromagnetische Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Länge- zu Breiteverhältnis (L:W) 15:1 oder mehr beträgt.