EP1454404A1 - Vorrichtung zur elektrischen versorgung wenigstens eines supraleiters - Google Patents

Vorrichtung zur elektrischen versorgung wenigstens eines supraleiters

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Publication number
EP1454404A1
EP1454404A1 EP02791595A EP02791595A EP1454404A1 EP 1454404 A1 EP1454404 A1 EP 1454404A1 EP 02791595 A EP02791595 A EP 02791595A EP 02791595 A EP02791595 A EP 02791595A EP 1454404 A1 EP1454404 A1 EP 1454404A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
transformer
winding
secondary winding
superconductor
voltage
Prior art date
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Ceased
Application number
EP02791595A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Florian Steinmeyer
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens AG filed Critical Siemens AG
Publication of EP1454404A1 publication Critical patent/EP1454404A1/de
Ceased legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K55/00—Dynamo-electric machines having windings operating at cryogenic temperatures
    • H02K55/02—Dynamo-electric machines having windings operating at cryogenic temperatures of the synchronous type
    • H02K55/04—Dynamo-electric machines having windings operating at cryogenic temperatures of the synchronous type with rotating field windings
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E40/00—Technologies for an efficient electrical power generation, transmission or distribution
    • Y02E40/60—Superconducting electric elements or equipment; Power systems integrating superconducting elements or equipment

Definitions

  • the invention relates to a device for supplying at least one superconductor, in particular at least one superconducting winding, which is or can be cooled or cooled to at least one predetermined temperature in order to achieve superconductivity.
  • a superconducting rotor is known with a superconducting winding, which can be used as an armature coil in an electric motor.
  • the superconducting winding is cooled by a cooling system to a temperature so low that it becomes superconducting.
  • a high-temperature superconducting material (HTSL material) is preferably used here, which becomes superconducting even at transition temperatures above 35 K.
  • the coil can be cooled by means of a cooling system in which the cooling is carried out using the Gifford-McMahon cycle or the Stirling cycle.
  • the superconducting coil is supplied with an alternating current via slip rings.
  • this is disadvantageous in view of the life of the motor due to wear of the brushes.
  • a power supply that is only cooled by heat conduction introduces at least 45 W / kA into the cooled area at a temperature of 20 to 40 K.
  • the higher the heat loss through the power supply the higher the operating temperature. ture of the coil, so that the critical current of the superconductor drops and thus the achievable field strength of the coil. Economical operation and efficient power supply are therefore only possible to a limited extent in the motor known from US Pat. No. 5,482,919.
  • the invention is based on the object of specifying a device for supplying at least one superconductor, in particular at least one superconducting winding, with electrical energy which can be operated as efficiently and economically as possible.
  • the heat input via the power supply should be as small as possible, so that there is no fear of a loss of superconductivity and therefore no corresponding reduction in the field strength in the winding or coil in the case of a superconducting winding.
  • the device according to claim 1 for supplying at least one superconductor, in particular at least one superconducting winding, which can be cooled or cooled to at least a predetermined temperature at which the superconductivity occurs, with a) at least one electrical energy source, b) a transformer for transmitting the electrical energy between the energy source and the superconductor, a primary winding of the transformer being electrically connected or coupled to the energy source and a secondary winding of the transformer being electrically connected or coupled to the superconductor.
  • the invention is based on the consideration of using at least one transformer for transmitting the energy between the electrical energy source and the superconductor.
  • Transformer enables contactless transmission of electrical energy from the energy source to the superconductor, so that in the case of a rotating winding, for example a rotor coil of an electric motor, there is no need for wearing brushes.
  • the heat input to the cooled superconductor can be significantly reduced with the help of the transformer.
  • a suitably chosen transformation ratio (voltage transformation ratio) of the transformer namely, in an advantageous embodiment, the voltage supplied by the energy source can be stepped up, so that a lower current from the transformer to the cooled superconductor is necessary for the same electrical supply power.
  • the cross section of the current supply between the transformer and the superconductor can be reduced.
  • This use of a thinner power supply significantly reduces the heat input through the power supply.
  • This embodiment is particularly advantageous when the primary winding and secondary winding of the transformer are at a warm level, that is to say outside the cooled area with the superconductor, and the transition from the warm area to the cooled or cold area takes place through the power supply.
  • the primary winding connected to the energy source is at a warm level and the secondary winding of the transformer connected to the superconductor is at a cold level. Since the power supply can now also run completely within the cold area, it no longer contributes to heat transfer to the superconductor. The thermal insulation now takes place between the two contactless windings of the transformer.
  • the transformation ratio can be set practically arbitrarily here and in particular can also be 1.
  • the transmission of the electrical energy into the superconductor or the superconducting winding is thus carried out free, so there is no fear of wear.
  • the choice of a transformer as a means of introducing electrical energy into the superconductor also ensures that the heat input into the cooled area remains low, so that the efficiency of the superconductivity is maintained.
  • the device is constructed as compactly as possible or can be built up in order to be able to achieve a high power density with which a re-excitation of a rotor coil is possible under changing operating conditions.
  • the primary winding and the secondary winding of the transformer can be arranged axially next to one another.
  • a radial positioning of the primary and secondary coils is also possible.
  • the primary winding and the secondary winding of the transformer can be arranged axially next to one another.
  • Secondary winding of the transformer can be arranged on, on or in a common magnetic flux guide body or also on, on or in a respective associated magnetic flux guide body.
  • the primary winding of the transformer can also be arranged in a recess of the secondary winding, as it is also possible, conversely, to arrange the secondary winding in a recess of the primary winding.
  • the primary winding and the secondary winding of the transformer are spaced apart by an air gap.
  • the spacing between the two windings is preferably carried out by a layer or wall made of electrically non-conductive (dielectric), electrically insulating, in particular also thermally poorly conductive (heat-insulating) material, in particular glass fiber plastic.
  • This wall can in particular be the container wall of a cryogenic loading be holder, inside which the superconductor is arranged.
  • the transformer generally converts an AC voltage from the energy source applied to its primary winding into an AC voltage in the secondary winding.
  • the AC voltage in the secondary winding of the transformer is smaller in magnitude (in terms of amplitude) than the AC voltage in the primary winding of the transformer. In an alternative, preferred embodiment, the AC voltage in the secondary winding of the transformer is greater in magnitude than the AC voltage in the primary winding of the transformer.
  • a second transformer is arranged between the transformer and the superconducting armature coil. It is particularly advantageous if both the primary winding and the secondary winding of the transformer are outside the cooled one
  • the second transformer is preferably arranged within the cooled area.
  • the second transformer transforms an AC voltage on its primary winding, which is connected to the secondary winding of the first transformer, into an AC voltage provided on its secondary winding for the superconductor.
  • This AC voltage applied to the secondary winding of the second transformer is preferably smaller in magnitude than the AC voltage at the primary winding of the second transformer, in particular in order to transform the high-transformed voltage of the first transformer back down for the superconductor.
  • the AC voltage applied to the secondary winding of the second transformer can, however, also be greater in amount than the AC voltage on the primary winding of the second transformer, if necessary.
  • At least one rectifier can furthermore be arranged between the transformer and superconductor or coil or between the second transformer and superconductor or coil, wherein in particular a circuit with at least one MOSFET switch is intended; the rectifier can be controlled telemetrically.
  • the frequencies of the transformer voltages can be selected within wide limits.
  • the efficiency of the motor is maximized in particular by the fact that the transformer and / or the second transformer are operated at high frequency.
  • the at least one superconductor is rotated or rotatable, in particular in an electric motor as a rotor coil.
  • the primary winding of the transformer is then preferably fixed relative to the superconductor and the secondary winding of the transformer can be rotated or rotated with the superconductor.
  • FIG. 1 shows a section through a synchronous motor with a superconducting armature coil according to a first embodiment
  • FIG. 2 shows another embodiment of the motor according to FIG. 1,
  • FIG. 3 shows a further alternative embodiment to FIG. 1 or FIG. 2,
  • FIGS. 1, 2 and 3 and 5 shows the course of the current strength in the rotor coil over time.
  • FIG. 1 schematically shows an electric motor 1 which contains a superconducting armature coil (winding) 2.
  • the rotor coil 2 must be cooled so that superconductivity can occur in it.
  • the electric motor 1 has a cooled area 9, which is indicated by dash-dotted lines in FIG. 1 and lies within a cryocontainer 13.
  • a cooling device is used, which uses the Gifford-McMahon cycle or the Stirling cycle, for example.
  • the armature coil 2 consists of high-temperature superconducting material (HTSL material), so that superconducting already occurs at step temperatures above 35 K.
  • HTSL material high-temperature superconducting material
  • the rotor coil 2 is fed by an electrical energy source 3, which is provided in particular in a fixed power supply unit 15.
  • a first transformer 4 is provided for the transmission of the electrical energy.
  • This has a primary winding 5 which axially adjoins a secondary winding 6, an air gap 7 being present between the two windings 5, 6. While the primary winding 5 is arranged in a stationary manner, the secondary winding 6 is arranged rotatably, wherein it is firmly connected to the rotor 13, which is only schematically outlined, and which is mounted by means of the shaft 14 in bearings, not shown.
  • the primary winding 5 of the transformer 4 is electrically connected to the energy source 3.
  • the energy source 3 generates an alternating voltage U1, that is to say a voltage which changes over time and in particular alternates in polarity and which is applied to the primary winding 5 of the transformer 4.
  • the AC voltage U1 is inductively transformed into the secondary winding 6 of the transformer 4 via the air gap 7.
  • the transformed output voltage of the secondary winding is also an AC voltage and is designated U2. While the frequency of the alternating voltage U2 generally coincides with the frequency of the original alternating voltage Ul, the ratio U2 / U1 of the two alternating voltages U2 and Ul, the so-called transformation or voltage transformation ratio, can be chosen, in particular, by appropriate choice of the primary winding 5 and the secondary winding 6 whose number of turns are set.
  • both windings 5 and 6 of the first transformer 4 are located outside the cooled area 9, that is to say essentially at the ambient temperature Tu.
  • a second transformer 8 is connected to the first transformer 4 and in particular to its secondary winding 6.
  • the second transformer 8 is arranged in the cooled area 9, in which the superconducting temperature T s prevails.
  • the primary winding 80 of the second transformer 8 is electrically connected to the secondary winding 6 of the first transformer 4 via a power line (power supply) 68.
  • the secondary winding 81 of the transformer 8 is electrically connected to the armature coil 2, in FIG. 1 in a center tap.
  • the supply voltage generated at the secondary coil 81 of the second transformer 8 is again an AC voltage and is designated U3.
  • the AC voltage U 1 supplied by the power supply unit 15 is transformed up into a by the transformer 4 significantly higher voltage U2.
  • the transformation ratio can be at least 2, in particular at least 5, or can be above 10.
  • the higher voltage U2 allows the current in the power line 68 can be reduced with the same electrical power to be transmitted, so that the cross section of the power line 68 can be significantly reduced without increasing the power loss due to the increase in resistance caused thereby.
  • Both transformers 4 and 8 operate in high frequency mode.
  • the operating frequency (s) is typically in the range between 100 Hz and 1 MHz, but may or may also be below or above.
  • Both transformers 4 and 8 each have a transformation ratio that can be freely selected within wide limits.
  • the energy from the electrical energy source 3 is preferably conducted "from the cold" by the first transformer 4 at a higher voltage U2 and a smaller current via the electrical connection, the power line 68 to the second transformer 8.
  • the electrical energy is transformed to a low voltage U3 and a high current.
  • the current in the circuit of the superconductor 2 can thus be brought to the required size via the second transformer 8 by transforming the voltage U2 down to the lower voltage U3.
  • the cooled area 9 that is to say at a cryogenic temperature, only slight thermal losses occur.
  • the air gap 7 thus runs in the form of a hollow cylinder. Otherwise, the construction of the electric motor 1 essentially corresponds to that according to FIG. 1.
  • FIG 3 shows an electric motor 1 in which the primary winding 5 of the transformer 4 is arranged in an annular recess 11 of a common magnetic flux body (yoke) 65 for primary winding 5 and secondary winding 6.
  • the flux-leading yoke 65 of the transformer 4 consists of layered iron sheets (transformer sheets) made of ferrite in order to avoid eddy currents.
  • transformer sheets layered iron sheets
  • the fixed primary winding 5 of the transformer 4 is “in the warm”, that is to say essentially at the level of the ambient temperature Tu.
  • the secondary winding 6 that is also rotating is arranged “in the cold”, that is to say at the superconducting temperature T s .
  • the gap between the two windings 5, 6 is a
  • Wall 12 filled out of non-conductive material.
  • glass fiber reinforced plastic is used here. The fact that this may result in a greater distance between the windings 5, 6 than in the solutions according to FIGS. 1, 2 and 3 is not problematic in the case of high-frequency transformer operation.
  • the wall 12 is here part of the wall of the cryocontainer 13.
  • a high power transmission is necessary for the rapid charging of the coil 2 (charging phase 18, MOSFET in charging circuit).
  • the gate supply of the rectifier bridge in the charging circuit is synchronized and high energy transfer is ensured with high voltage and / or high frequency of the power supply.
  • MOSFETs metal-oxide-semiconductor field-effect transistors
  • the advantage of using MOSFETs is that high voltages and frequencies can be realized, so that they can be quickly adapted to changing operating conditions.
  • Protective diodes can be used to protect the windings in the event of incorrect synchronization.
  • the coil is therefore discharged according to the transformer-rectifier principle with cold MOSFET switches.
  • the motor can be operated without wear because brushes can be dispensed with. There is still a very compact overall construction and thus a high power density of the motor. Finally, the heat introduced into the cooled area by the introduction of energy is minimal, so that the superconducting effect can be used efficiently.

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Abstract

Eine Vorrichtung zur Versorgung wenigstens einer supraleiten-den Wicklung (2) mit elektrischer Energie umfasst, a) wenigstens eine elektrische Energiequelle (3), b) wenigstens einen Transformator zur Übertragung der Energie zwischen der Energiequelle (3) und dem Supraleiter (2).Vorteil: berührungslose Übertragung der Energie, geringere Wärmeeinleitung.

Description

Beschreibung
Vorrichtung zur elektrischen Versorgung wenigstens eines Supraleiters
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Versorgung wenigstens eines Supraleiters, insbesondere wenigstens einer supraleitenden Wicklung, der bzw. die auf wenigstens eine vorbestimmte Temperatur zur Erzielung der Supraleitung ge- kühlt oder kühlbar ist.
Aus US 5 , 482 , 919 A ist ein supraleitender Rotor bekannt mit einer supraleitenden Wicklung, die in einem Elektromotor als Läuferspule einsetzbar ist. Die supraleitende Wicklung wird durch ein Kühlsystem auf eine so niedrige Temperatur gekühlt, dass sie supraleitend wird. Dabei kommt bevorzugt ein Hochtemperatur-Supraleitungsmaterial (HTSL-Material) zum Einsatz, das bereits bei oberhalb von 35 K liegenden Sprungtemperaturen supraleitend wird. Die Kühlung der Spule kann mittels ei- nes Kühlsystems erfolgen, bei dem die Abkühlung unter Nutzung des Gifford-McMahon-Kreisprozesses oder des Stirling- Kreisprozesses bewerkstelligt wird.
Die supraleitende Spule wird mit einem Wechselstrom über Schleifringe versorgt. Dies ist jedoch mit Blick auf die Lebensdauer des Motors infolge Verschleiß der Bürsten nachteilig. Problematisch ist auch, dass über die Schleifringe eine übermäßige Wärmeeinleitung in den gekühlten Bereich erfolgen kann. Beispielsweise leitet eine nur durch Wärmeleitung ge- kühlte Stromzuführung bei einer Temperatur von 20 bis 40 K mindestens 45 W/kA in den gekühlten Bereich ein. Bei einem Betriebsstrom von beispielsweise 300 A im Supraleiter und zwei Stromzuführungen werden dann mindestens 27 W eingeleitet. Das entspricht etwa der gesamten Kälteleistung eines herkömmlichen leistungsstarken Gifford-McMahon-Kühlers (ca. 25 W bei 20 K) . Je höher der Wärmeverlust durch die Stromzuführung ist, desto höher liegt dann aber die Betriebstempera- tur der Spule, so dass der kritische Strom des Supraleiters absinkt und damit auch die erzielbare Feldstärke der Spule. Ein wirtschaftlicher Betrieb sowie eine effiziente Stromversorgung sind bei dem aus US 5 , 482, 919 A bekannten Motor somit nur bedingt möglich.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Versorgung wenigstens eines Supraleiters, insbesondere wenigstens einer supraleitenden Wicklung, mit elektri- scher Energie anzugeben, die möglichst effizient und wirtschaftlich betrieben werden kann. Insbesondere soll die Wärmeeinleitung über die Stromzuführung möglichst klein sein, so dass kein Verlust der Supraleitung und damit bei einer supraleitenden Wicklung keine entsprechende Reduzierung der Feld- stärke in der Wicklung oder Spule zu befürchten ist.
Die Lösung dieser Aufgabe durch die Erfindung ist mit den Merkmalen des Anspruchs 1 verwirklicht.
Die Vorrichtung gemäß Anspruch 1 zur Versorgung wenigstens eines Supraleiters, insbesondere wenigstens einer supraleitenden Wicklung, die auf wenigstens eine vorbestimmte Temperatur, bei der die Supraleitung eintritt, gekühlt oder kühlbar ist, mit elektrischer Energie umfasst a) wenigstens eine elektrische Energiequelle, b) einen Transformator zur Übertragung der elektrischen E- nergie zwischen der Energiequelle und dem Supraleiter, wobei eine Primärwicklung des Transformators elektrisch mit der E- nergiequelle verbunden oder gekoppelt ist und eine Sekundär- Wicklung des Transformators mit dem Supraleiter elektrisch verbunden oder gekoppelt ist.
Die Erfindung beruht auf der Überlegung, zur Übertragung der Energie zwischen der elektrischen Energiequelle und dem Sup- raleiter wenigstens einen Transformator zu verwenden. Der
Transformator ermöglicht eine berührungslose Übertragung der elektrischen Energie von der Energiequelle zum Supraleiter, so dass im Falle einer rotierenden Wicklung, beispielsweise einer Läuferspule eines Elektromotors, auf verschleißende Bürsten verzichtet werden kann.
Die Wärmeeinleitung zu dem gekühlten Supraleiter kann mit Hilfe des Transformators deutlich verringert werden. Mit einem geeignet gewählten Transformationsverhältnis (Spannungsübersetzungsverhältnis) des Transformators kann nämlich in einer vorteilhaften Ausführungsform die von der Energiequelle gelieferte Spannung hochtransformiert werden, so dass bei gleicher elektrischer Versorgungsleistung ein geringerer Strom von dem Transformator zum gekühlten Supraleiter notwendig ist. Dadurch kann der Querschnitt der Stromzuführung zwischen dem Transformator und dem Supraleiter verringert wer- den. Diese Verwendung einer dünneren Stromzuführung verringert deutlich die Wärmeeinleitung über die Stromzuführung. Diese Ausführungsform ist besonders dann vorteilhaft, wenn Primärwicklung und Sekundärwicklung des Transformators auf warmen Niveau liegen, also außerhalb des gekühlten Bereiches mit dem Supraleiter, und der Übergang von dem warmen Bereich in den gekühlten oder kalten Bereich durch die Stromzuführung erfolgt.
In einer anderen Ausführungsform ist es aber auch möglich, dass die mit der Energiequelle verbundene Primärwicklung auf warmem Niveau liegt und die mit dem Supraleiter verbundene Sekundärwicklung des Transformators auf dem kalten Niveau. Da nun auch die Stromzuführung komplett innerhalb des kalten Bereiches verlaufen kann, trägt sie nicht mehr zu einer Wärme- einleitung zum Supraleiter bei. Die thermische Isolation geschieht nun zwischen den beiden berührungslosen Wicklungen des Transformators. Das Transformationsverhältnis kann hier praktisch beliebig eingestellt werden und insbesondere auch 1 betragen.
Die Übertragung der elektrischen Energie in die den Supraleiter oder die supraleitende Wicklung erfolgt also berührungs- frei, so dass kein Verschleiß zu befürchten ist. Durch die Wahl eines Transformators als Mittel zur Einleitung elektrischer Energie in den Supraleiter ist auch sichergestellt, dass der Wärmeeintrag in den gekühlten Bereich niedrig bleibt, so dass die Effizienz der Supraleitung erhalten bleibt. Weiterhin ist die Vorrichtung möglichst kompakt aufgebaut oder aufbaubar, um eine hohe Leistungsdichte erreichen zu können, mit der eine Umerregung einer Läuferspule bei wechselnden Betriebsbedingungen möglich ist.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Anwendungen der Vorrichtung gemäß der Erfindung ergeben sich aus den vom Anspruch 1 abhängigen Ansprüchen.
Für die konstruktive Umsetzung des Erfindungskonzeptes sind verschiedene Ausgestaltungen denkbar: Die Primärwicklung und die Sekundärwicklung des Transformators können axial nebeneinander angeordnet sein. Alternativ ist auch eine radial ü- bereinander angeordnete Positionierung von Primär- und Sekun- därspule möglich. Ferner können die Primärwicklung und die
Sekundärwicklung des Transformators an, auf oder in einem gemeinsamen Magnetflussleitkörper angeordnet sein oder auch an, auf oder in einem jeweils einem zugehörigen Magnetflussleitkörper. Die Primärwicklung des Transformators kann auch in einer Ausnehmung der Sekundärwicklung angeordnet sein, wie es umgekehrt auch möglich ist, die Sekundärwicklung in einer Ausnehmung der Primärwicklung anzuordnen.
In einer Ausführungsform sind die Primärwicklung und die Se- kundärwicklung des Transformators durch einen Luftspalt beabstandet. In einer anderen Ausführungsform erfolgt die Beabstandung zwischen den beiden Wicklungen bevorzugt durch eine Lage oder Wand aus elektrisch nicht leitfähigem (dielektrischem) , elektrisch isolierendem, insbesondere auch thermisch schlecht leitenden (wärmeisolierenden) Material, wobei insbesondere an Glasfaserkunststoff gedacht ist. Diese Wand kann insbesondere die Behälterwand eines kryogenen Be- hälters sein, in dessen Innern der Supraleiter angeordnet ist.
Der Transformator wandelt im Allgemeinen eine an seiner Pri- märwicklung anstehende Wechselspannung der Energiequelle in eine Wechselspannung in der Sekundärwicklung um.
Die Wechselspannung in der Sekundärwicklung des Transformators ist in einer Ausführungsform betragsmäßig (der Amplitude nach) kleiner als die Wechselspannung in der Primärwicklung des Transformators. In einer alternativen, bevorzugten Ausführungsform ist die Wechselspannung in der Sekundärwicklung des Transformators betragsmäßig größer als die Wechselspannung in der Primärwicklung des Transformators.
Gemäß einer weiteren Fortbildung ist vorgesehen, dass zwischen dem Transformator und der supraleitenden Läuferspule ein zweiter Transformator angeordnet ist. Besonders vorteilhaft ist es dann, wenn sowohl die Primärwicklung als auch die Sekundärwicklung des Transformators außerhalb des gekühlten
Bereiches des Elektromotors angeordnet sind, diese Teile also beispielsweise im Wesentlichen auf Umgebungstemperatur liegen. Indes ist der zweite Transformator bevorzugt innerhalb des gekühlten Bereiches angeordnet. Der zweite Transformator transformiert eine Wechselspannung an seiner Primärwicklung, die mit der Sekundärwicklung des ersten Transformators verbunden ist, in eine an seiner Sekundärwicklung für den Supraleiter bereitgestellte Wechselspannung. Diese an der Sekundärwicklung des zweiten Transformators anliegende Wechsel- Spannung ist vorzugsweise betragsmäßig kleiner als die Wechselspannung an der Primärwicklung des zweiten Transformators, insbesondere um die hochtransformierte Spannung des ersten Transformator wieder für den Supraleiter herunterzutransformieren.
Die an der Sekundärwicklung des zweiten Transformators anliegende Wechselspannung kann aber auch betragsmäßig größer sein als die Wechselspannung an der Primärwicklung des zweiten Transformators, falls dies erforderlich ist.
Zum Betrieb des Supraleiters oder der Läuferspule kann ferner zwischen Transformator und Supraleiter bzw. Spule bzw. zwischen zweitem Transformator und Supraleiter bzw. Spule mindestens ein Gleichrichter angeordnet sein, wobei insbesondere an eine Schaltung mit wenigstens einem MOSFET-Schalter gedacht ist; der Gleichrichter kann telemetrisch gesteuert sein.
Im Allgemeinen können die Frequenzen der Transformatorspannungen in weiten Grenzen gewählt werden. Die Effizienz des Motors wird insbesondere dadurch maximiert, dass der Trans- formator und/oder der zweite Transformator hochfrequent betrieben werden.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform ist der wenigstens eine Supraleiter rotiert oder rotierbar, insbesonde- re in einem Elektromotor als Läuferspule. Es ist dann vorzugsweise die Primärwicklung des Transformators relativ zum Supraleiter feststehend und die Sekundärwicklung des Transformators mit dem Supraleiter mitrotierbar oder mitrotierend.
In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung schematisch dargestellt. Es zeigen:
FIG 1 einen Schnitt durch einen Synchronmotor mit einer supraleitenden Läuferspule gemäß einer ersten Ausgestaltung,
FIG 2 eine andere Ausführung des Motors gemäß FIG 1,
FIG 3 eine weitere alternative Ausgestaltung zu FIG 1 bzw. FIG 2,
FIG 4 eine weitere Alternative zu FIG 1, 2 bzw. 3 und FIG 5 den Verlauf der Stromstärke in der Läuferspule über der Zeit.
In FIG 1 ist schematisch ein Elektromotor 1 dargestellt, der eine supraleitende Läuferspule (Wicklung) 2 beinhaltet. Die Läuferspule 2 muss gekühlt werden, so dass in ihr Supraleitung auftreten kann. Hierzu weist der Elektromotor 1 einen gekühlten Bereich 9 auf, der in FIG 1 durch strichpunktierte Linien angedeutet ist und innerhalb eines Kryobehälters 13 liegt. Zur Kühlung des Bereiches 9 wird eine Kühleinrichtung eingesetzt, die beispielsweise den Gifford-McMahon- Kreisprozess oder den Stirling-Kreisprozess nutzt. Die Läuferspule 2 besteht aus Hochtemperatur-Supraleitungsmaterial (HTSL-Material) , so dass Supraleitung bereits bei Sprungtem- peraturen über 35 K auftritt.
Die Läuferspule 2 wird von einer elektrischen Energiequelle 3 gespeist, die insbesondere in einem feststehenden Netzteil 15 vorgesehen ist. Zur Übertragung der elektrischen Energie ist ein erster Transformator 4 vorgesehen. Dieser weist eine Primärwicklung 5 auf, die axial an eine Sekundärwicklung 6 angrenzt, wobei zwischen beiden Wicklungen 5, 6 ein Luftspalt 7 vorhanden ist. Während die Primärwicklung 5 ortsfest angeordnet ist, ist die Sekundärwicklung 6 drehbar angeordnet, wobei sie fest mit dem nur schematisch skizzierten Rotor 13 verbunden ist, der mittels der Welle 14 in nicht dargestellten Lagern gelagert ist.
Die Primärwicklung 5 des Transformators 4 ist elektrisch mit der Energiequelle 3 verbunden. Die Energiequelle 3 erzeugt eine Wechselspannung Ul, also eine zeitlich veränderliche, insbesondere in der Polarität alternierende, Spannung, die an der Primärwicklung 5 des Transformators 4 anliegt. Über den Luftspalt 7 wird die Wechselspannung Ul induktiv in die Se- kundärwicklung 6 des Transformators 4 transformiert. Die transformierte Ausgangsspannung der Sekundärwicklung ist e- benfalls eine Wechselspannung und mit U2 bezeichnet. Während die Frequenz der Wechselspannung U2 im Allgemeinen mit der Frequenz der ursprünglichen Wechselspannung Ul übereinstimmt, kann das Verhältnis U2/U1 der beiden Wechselspannung U2 und Ul, das sogenannte Transformations- oder Spannungsüberset- zungsverhältnis, durch entsprechende Wahl der Primärwicklung 5 und der Sekundärwicklung 6, insbesondere deren Windungszahlen, eingestellt werden.
Wie FIG 1 entnommen werden kann, befinden sich beide Wicklun- gen 5 und 6 des ersten Transformators 4 außerhalb des gekühlten Bereiches 9, also im Wesentlichen auf Umgebungstemperatur Tu.
An den ersten Transformator 4 und namentlich an dessen Sekun- därwicklung 6 schließt sich ein zweiter Transformator 8 an.
Dieser wiederum steht mit der Läuferspule 2 in Verbindung und versorgt diese mit elektrischer Energie. Der zweite Transformator 8 ist im gekühlten Bereich 9 angeordnet, in dem die Supraleit-Temperatur Ts herrscht. Die Primärwicklung 80 des zweiten Transformators 8 ist mit der Sekundärwicklung 6 des ersten Transformators 4 elektrisch über eine Stromleitung (Stromzuführung) 68 verbunden. Die Sekundärwicklung 81 des Transformators 8 ist dagegen elektrisch mit der Läuferspule 2 verbunden, in FIG 1 in einem Mittenabgriff. Die an der Sekun- därspule 81 des zweiten Transformators 8 erzeugte Versorgungsspannung ist wieder eine Wechselspannung und mit U3 bezeichnet .
Um die Wärmeeinleitung in den gekühlten Bereich 9 über die aus der im Warmen liegenden Sekundärwicklung 6 des Transformators 4 in den gekühlten Bereich 9 führende Stromleitung (Stromzuführung) 68 zu reduzieren, wird die von dem Netzteil 15 gelieferte Wechselspannung Ul von dem Transformator 4 hochtransformiert in eine deutlich höhere Spannung U2. Das Transformationsverhältnis kann dabei wenigstens 2, insbesondere wenigstens 5, betragen oder auch über 10 liegen. Durch die höhere Spannung U2 kann der Strom in der Stromleitung 68 bei gleicher zu übertragender elektrischer Leistung verringert werden, so dass ohne Zunahme von Verlustleistung durch die dadurch bewirkte Widerstandserhöhung der Querschnitt der Stromleitung 68 deutlich verringert werden kann.
Beide Transformatoren 4 und 8 arbeiten im Hochfrequenzbetrieb. Die Betriebsfrequenz (en) liegt bzw. liegen typischerweise im Bereich zwischen 100 Hz und 1 MHz, kann bzw. können aber auch darunter oder darüber liegen.
Beide Transformatoren 4 und 8 weisen jeweils ein Transformationsverhältnis auf, das in weiten Grenzen frei gewählt werden kann .
Die Energie von der elektrischen Energiequelle 3 wird vorzugsweise vom ersten Transformator 4 bei höherer Spannung U2 und kleinerem Strom über die elektrische Verbindung, die Stromleitung 68 zum zweiten Transformator 8 „ins Kalte* geleitet.
Im zweiten Transformator 8 wird die elektrische Energie auf geringe Spannung U3 und hohe Stromstärke transformiert. Damit kann über den zweiten Transformator 8 die Stromstärke im Stromkreis des Supraleiters 2 auf die erforderlich Größe ge- bracht werden, indem die Spannung U2 in die geringere Spannung U3 heruntertransformiert wird. Im gekühlten Bereich 9, also bei kryogener Temperatur, treten nur geringe thermische Verluste auf.
Anschließend erfolgt in einem Gleichrichter - in FIG 1 in
Form einer Schaltung mit zwei MOSFET-Schaltern - die Gleichrichtung des Stromes, der zum Betrieb der supraleitenden Spule 2 nötig ist. Zum Betrieb des Gleichrichters 10 ist eine phasenrichtige Ansteuerung des MOSFET-Gates mit einer Span- nung nötig, die von einer mitrotierenden Steuerung (Steuereinrichtung) 16 bei geringer Leistungsaufnahme erfolgt. Die Steuerung 16 wird berührungslos durch eine nur schematisch dargestellte Telemetrieanlage 17 angesteuert. Dies erfolgt beispielsweise über Infrarotübertragung, über einen faseroptischen Schleifring oder über Funk. Die Telemetrie 17 ist in der Regel ohnehin zur Betriebsüberwachung der Läuferspule 2 hinsichtlich Temperatur und Spannung notwendig. Falls erforderlich, kann aus dem Transformator 4 auch die Energie für die Spannungsversorgung der Steuerung 16 bzw. der Telemetrie 17 entnommen werden.
In den FIG 2, 3 und 4 sind alternative konstruktive Ausgestaltungen des Elektromotors 1 zu sehen.
Während in FIG 1 die Primärwicklung 5 und die Sekundärwick- lung 6 des Transformators 4 in Achsrichtung der Welle 14 nebeneinander angeordnet sind, ist gemäß FIG 2 vorgesehen, dass die beiden Wicklungen 5, 6 radial übereinander positioniert sind. Der Luftspalt 7 verläuft hier also in Form eines Hohl- zylinders. Ansonsten entspricht der Aufbau des Elektromotors 1 im Wesentlichen demjenigen gemäß FIG 1.
In FIG 3 ist ein Elektromotor 1 dargestellt, bei dem die Primärwicklung 5 des Transformators 4 in einer ringförmigen Ausnehmung 11 eines gemeinsamen Magnetflusskörper (Jochs) 65 für Primärwicklung 5 und Sekundärwicklung 6 angeordnet ist.
Hier gilt - wie für die anderen Ausgestaltungen auch -, dass zur Vermeidung von Wirbelströmen das flussführende Joch 65 des Transformators 4 aus geschichteten Eisenblechen (Trafo- blechen) aus Ferrit besteht. Bei höheren Betriebsfrequenzen, namentlich im MHz-Bereich, ist es indes auch möglich, unter Verzicht auf Trafobleche eine induktive Energieübertragung vom Festen ins Rotierende durch die sich gegenüberliegenden Wicklungen 5, 6 zu bewerkstelligen.
Als weitere Variante des Elektromotors 1 ist gemäß FIG 4 vorgesehen, dass nur ein Transformator - nämlich der Transforma- tor 4 - zur Versorgung der Läuferspule 2 zum Einsatz kommt; ein zweiter Transformator 8 wie bei den Ausführungsformen gemäß FIG 1, 2 und 3 ist nicht vorgesehen.
Die feststehende Primärwicklung 5 des Transformators 4 liegt dabei „im Warmen' , also im Wesentlichen auf dem Niveau der Umgebungs-Temperatur Tu. Die mitrotierende Sekundärwicklung 6 ist „im Kalten* angeordnet, also bei Supraleit-Temperatur Ts.
Der Spalt zwischen beiden Wicklungen 5, 6 wird durch eine
Wand 12 aus nichtleitfähigem Material ausgefüllt. Zum Einsatz kommt hier insbesondere glasfaserverstärkter Kunststoff. Dass sich dadurch unter Umständen ein größerer Abstand zwischen den Wicklungen 5, 6 ergibt als bei den Lösungen gemäß FIG 1, 2 bzw. 3 ist bei hochfrequentem Transformatorbetrieb nicht problematisch. Die Wand 12 ist hier Teil der Wandung des Kryobehälters 13.
Es ergibt sich damit insgesamt ein einfacher konstruktiver Aufbau.
In FIG 5 ist schematisch der Verlauf der Stromstärke I in der Läuferspule 2 über der Zeit t aufgetragen. Es sind dort drei Betriebszustände zu sehen:
Zum raschen Laden der Spule 2 (Ladephase 18, MOSFET in Ladeschaltung) ist eine hohe Leistungsübertragung notwendig. Dazu wird die Gate-Versorgung der Gleichrichterbrücke in Ladeschaltung synchronisiert und mit hoher Spannung und/oder ho- her Frequenz des Netzteils ein hoher Energieübertrag sichergestellt .
Während des Betriebes (Haltephase 19, MOSFET in Ladeschaltung) müssen nur die äußerst geringen Verluste der HTSL-Spule nachgespeist werden. Dazu reichen kleine Spannungen und/oder niedrige Frequenzen. Zum Entladen (Entladephase 20, MOSFET in Entladeschaltung) wird die Phase der MOSFET-Synchronisation um 180° verschoben. Zur raschen Entladung werden wieder hohe Spannungen und/oder hohe Frequenzen gewählt.
Der Vorteil beim Einsatz von MOSFETs ist, dass hohe Spannungen und Frequenzen realisierbar sind, so dass eine rasche Anpassung an wechselnde Betriebsbedingung erfolgen kann. Zum Schutz der Wicklungen bei Fehlsynchronisation können Schutz- dioden zum Einsatz kommen.
Die Entladung der Spule erfolgt also nach dem Transformator- Gleichrichter-Prinzip mit kalten MOSFET-Schaltern.
Mit der beschriebenen Ausgestaltung wird in vorteilhafter
Weise auch erreicht, dass im Gegensatz zu Induktionsmaschinen, bei denen die Läuferspannung drehzahlabhängig ist, die beschriebene Energieübertragung im Wesentlichen drehzahlunabhängig ist.
Durch die vorgeschlagene Ausgestaltung werden die erfindungsgemäßen Ziele erreicht:
Der Motor kann - weil auf Bürsten verzichtet werden kann - verschleißfrei betrieben werden. Es ergibt sich weiterhin ein insgesamt sehr kompakter Aufbau und damit eine hohe Leistungsdichte des Motors. Schließlich ist die durch die Energieeinleitung in den gekühlten Bereich eingetragene Wärme minimal, so dass sich eine effiziente Nutzung des supraleiten- den Effektes erzielen lässt.

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zur Versorgung wenigstens eines Supraleiters, insbesondere wenigstens einer supraleitenden Wicklung (2), der bzw. die auf wenigstens eine vorbestimmte Temperatur (Ts) zur Erzielung der Supraleitung gekühlt oder kühlbar ist, mit elektrischer Energie umfassend a) wenigstens eine elektrische Energiequelle (3), b) wenigstens einen Transformator (4, 8) zur Übertragung der Energie zwischen der Energiequelle (3) und dem Supraleiter (2), wobei eine Primärwicklung (5) des Transformators (4) elektrisch mit der Energiequelle (3) verbunden oder gekoppelt ist und eine Sekundärwicklung (6) des Transformators (4) mit dem Supraleiter (2) elektrisch verbunden oder gekoppelt ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der der Supraleiter rotiert oder rotierbar ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, bei der die Sekundärwick- lung (6) des Transformators (4) relativ zur Primärwicklung
(5) rotiert oder rotierbar ist und mit dem Supraleiter (2) mitrotiert oder mitrotierbar ist.
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Primärwicklung (5) und die Sekundärwicklung (6) des
Transformators (4) durch einen Luftspalt (7) beabstandet sind.
5. Vorrichtung nach einen der Ansprüche 1 bis 3, bei der zwischen der Primärwicklung (5) und der Sekundärwicklung (6) des Transformators (4) eine Lage oder Wand (12) aus elektrisch isolierendem und/oder wärmeisolierendem Material, insbesondere aus Glasfaserkunststoff, angeordnet ist.
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Supraleiter (2) innerhalb eines gekühlten oder kühlbaren Bereiches (9) angeordnet ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, bei der die Primärwicklung (5) des Transformators (4) außerhalb des gekühlten oder kühlbaren Bereiches (9) angeordnet ist und/oder die Sekundärwick- lung (6) des Transformators (4) innerhalb des gekühlten oder kühlbaren Bereiches (9) angeordnet ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 6, bei der sowohl die Primärwicklung (5) als auch die Sekundärwicklung (6) des Transfor- mators (4) außerhalb des gekühlten oder kühlbaren Bereiches (9) angeordnet sind.
9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Transformator (4) eine an der Primärwicklung (5) an- stehende Wechselspannung (Ul) in eine Wechselspannung (U2) in der Sekundärwicklung (6) umwandelt.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, bei der die Wechselspannung (U2) in der Sekundärwicklung (6) des Transformators (4) be- tragsmäßig kleiner ist als die Wechselspannung (Ul) in der Primärwicklung (5) des Transformators (4).
11. Vorrichtung nach Anspruch 9, bei der die Wechselspannung (U2) in der Sekundärwicklung (6) des Transformators (4) be- tragsmäßig größer ist als die Wechselspannung (Ul) in der Primärwicklung (5) des Transformators (4).
12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der elektrisch zwischen die Sekundärwicklung (6) des genann- ten Transformators (4) und den Supraleiter (2) ein zweiter Transformator (8) geschaltet ist.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12 in Rückbeziehung auf Anspruch 6 oder einen auf Anspruch 6 rückbezogenen Anspruch, bei der der zweite Transformator (8) innerhalb des gekühlten oder kühlbaren Bereiches (9) angeordnet ist.
14. Vorrichtung nach Anspruch 12 oder Anspruch 13, bei der eine an einer Primärwicklung (80) des zweiten Transformators (8), die mit der Sekundärwicklung (6) des ersten Transformators (4) verbunden ist, anliegende Wechselspannung (U2) in eine an einer Sekundärwicklung (81) des zweiten Transformators (8) für den Supraleiter (2) bereitgestellte Wechselspannung (U3) umgewandelt wird.
15. Vorrichtung nach Anspruch 14, bei der die Wechselspan- nung (U3) an der Sekundärwicklung (81) des zweiten Transformators (8) betragsmäßig kleiner ist als die Wechselspannung
(U2) an der Primärwicklung (80) des zweiten Transformators (8) .
16. Vorrichtung nach Anspruch 14, bei der die Wechselspannung (U3) an der Sekundärwicklung (81) des zweiten Transformators (8) betragsmäßig größer ist als die Wechselspannung (U2) an der Primärwicklung (80) des zweiten Transformators (8) .
17. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der elektrisch zwischen den Transformator (4) und den Supraleiter (2) bzw. zwischen den zweiten Transformator (8) und den Supraleiter (2) mindestens ein Gleichrichter (10), der insbesondere wenigstens einen MOSFET-Schalter umfasst, geschaltet oder schaltbar ist.
18. Vorrichtung nach Anspruch 17, bei der der Gleichrichter (10) telemetrisch (17) gesteuert oder steuerbar ist.
19. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Transformator (4) und/oder der zweite Transformator (8) hochfrequent betrieben werden oder betreibbar sind.
20. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Primärwicklung (5) und die Sekundärwicklung (6) des wenigstens einen Transformators (4) axial nebeneinander angeordnet sind.
21. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Primärwicklung (5) und die Sekundärwicklung (6) des
Transformators (4) radial übereinander angeordnet sind.
22. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Primärwicklung (5) und die Sekundärwicklung (6) des Transformators (4) an auf oder in einem gemeinsamen Magnet- flussleitkörper (65) angeordnet sind.
23. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Primärwicklung (5) und die Sekundärwicklung (6) des Transformators (4) an auf oder in jeweils einem zugehörigen Magnetflussleitkörper (65) angeordnet sind.
24. Elektromotor mit a) wenigstens einer supraleitenden Wicklung (2) und b) einer Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Versorgung der wenigstens einen supraleitenden Wicklung.
25. Elektromotor nach Anspruch 24, bei dem die wenigstens eine supraleitende Wicklung (2) Bestandteil eines rotierbaren Läufers ist.
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