EP3292554A1 - Transformator mit supraleitenden wicklungen - Google Patents

Transformator mit supraleitenden wicklungen

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Publication number
EP3292554A1
EP3292554A1 EP16733962.1A EP16733962A EP3292554A1 EP 3292554 A1 EP3292554 A1 EP 3292554A1 EP 16733962 A EP16733962 A EP 16733962A EP 3292554 A1 EP3292554 A1 EP 3292554A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
transformer
windings
ring
winding
cryostat
Prior art date
Legal status (The legal status 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 status listed.)
Withdrawn
Application number
EP16733962.1A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Tabea Arndt
Jörn GRUNDMANN
Christian Schacherer
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 EP3292554A1 publication Critical patent/EP3292554A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F36/00—Transformers with superconductive windings or with windings operating at cryogenic temperature
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F27/00—Details of transformers or inductances, in general
    • H01F27/08—Cooling; Ventilating
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F27/00—Details of transformers or inductances, in general
    • H01F27/28—Coils; Windings; Conductive connections
    • H01F27/2895—Windings disposed upon ring cores
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F6/00—Superconducting magnets; Superconducting coils
    • H01F6/06—Coils, e.g. winding, insulating, terminating or casing arrangements therefor
    • 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 present invention relates to a transformer with at least one transformation unit which has a primary Wick ⁇ lung and a secondary winding.
  • transformers are based on fresh windings, which are arranged around a soft magnetic core, this core is usually constructed of mutually electrically insulated iron sheets.
  • Such transformers have at least one primary winding and one secondary winding, which are inductively coupled via a common soft magnetic core.
  • the two windings of an electrical phase are commonly arranged together around different segments of such a core.
  • the ladder mate ⁇ rials of the two windings can be both normal conducting and superconducting principle.
  • the maximum usable magnetic field inside the windings is limited by the saturation magnetic field of the soft magnetic material.
  • the maximum usable magnetic field is usually between 1.4 T and 2 T.
  • the material of the soft magnetic core has a materiality ⁇ union share of the weight and the cost of such a transformer. Especially for mobile applications, especially for off-shore applications, a significant reduction of the weight of a transformer would be desirable.
  • the stray field of a conventional transformer has a considerable extent, which on the one hand can lead to electrical losses and on the other hand to problems in the electromagnetic compatibility.
  • Transformers with superconducting windings do not necessarily have to be equipped with a soft magnetic core be. Through the superconducting properties, a high current can flow in the windings with virtually no ohmic losses, and it is possible in principle even without iron core very high like ⁇ genetic fields are generated without saturation effects. At least superconducting transformers can be formed with a reduced amount of soft magnetic material. As a result, at least the first two of the above-mentioned disadvantages can be avoided or mitigated. However, known transformers with superconducting windings have further disadvantages or difficulties in connection with their construction:
  • this core can also be arranged in a region cooled to a cryogenic temperature together with the superconductor.
  • the Ummagnetleitershnee accumulate in the cold, what these losses compared to a
  • Remagnetization of a corresponding hot core increases because the resistance of the core decreases and higher induction currents ⁇ flow.
  • the cooling effort is increased by the fact that these Ummagnetmaschineshnee incurred in the cold Be ⁇ rich.
  • a soft magnetic core can be arranged outside the area to be cooled.
  • the structure of a cryostat surrounding the superconducting windings is much more complex since, first, an annular one
  • the cryostat wall should, if possible, be made of electrically nonconductive material in order to avoid additional electrical losses due to eddy currents.
  • cryostat should be ent ⁇ not formed of non-conductive material as possible, or the cryostat wall should be positioned far away from the windings in order to mi- nimize electrical losses.
  • an electrically conductive cryostat wall can also be interrupted by an insulating material in a partial region in order to produce an annular closed to prevent this current flow.
  • such a structure is relatively expensive to produce.
  • Low-temperature superconducting transformers are known, in which the primary winding and the secondary winding are respectively divided into a plurality of partial windings connected in series with one another, which are arranged alternately successively wound around an annular basic structure.
  • a sol ⁇ cher transformer has been described for example by H. Hirczy in "Archive for Electrical Engineering 55 (1972), pp 1-9. Such a multiply interleaved arrangement causes the magnetic flux densities between the individual winding parts are not too high and thus the change ⁇ power losses in the individual superconducting conductor parts can be kept low.
  • a transformer with a low-temperature superconducting conductor material such an arrangement is necessary because in an ironless transformer much higher numbers of turns must be provided because of the low permeability under otherwise identical conditions.
  • the object of the invention is therefore to provide a transformer which overcomes the disadvantages mentioned.
  • a transformer is to be provided, which can be manufactured as simply as possible and / or has the lowest possible weight.
  • the transformer according to the invention has at least one first transformation unit with a primary winding and a secondary winding. Both windings each have at least one high-temperature superconducting conductor. Both windings are each wound in several windings around a first ring-like basic structure common to both windings, such that both windings extend over a co-wound, overwhelming part of the circumference of the ring-like basic structure.
  • a sol che structure is to be understood that represents either a completely closed over its circumference ring or is a ring that is at a point on its circumference geöff ⁇ net.
  • the two ends of the ring may be as example ⁇ axially offset from each other.
  • the windings are around a common toroidal one
  • the two windings of the transformer are not arranged on different segments of the ring-like base body, but in a common circumferential area for both windings.
  • one of the two windings surrounding the other completely in the circumferential region of the Common ⁇ men.
  • a significant advantage of the transformer according to the invention is that a simple interleaving is made possible by the use of a high-temperature superconducting conductor material.
  • the primary and secondary windings do not have to be subdivided into individual sub-interleaved partial windings in order to achieve a tolerable level of alternating current losses at high currents and high numbers of windings. This is due to the material properties of the high-temperature superconductors, since the critical magnetic fields are comparatively high in comparison to low-temperature superconductors.
  • the technical complexity for cooling is lower in high-temperature superconductors, and thus higher losses in the cold environment can be tolerated than in low-temperature superconductors.
  • all turns of a winding connected in series with each other in series may radially surround all turns of the other winding connected in series on the entire jointly wound part of the circumference.
  • the term "radial” should generally not denote the direction along a radius of the ring as a whole, but rather the radial direction with respect to the local center of a cross section of the ring, the expression that one winding "radially surrounds" the other mean that this winding is arranged on each such cross-section outside the other.
  • the interior of the two windings may be free of a soft magnetic core over a majority of the circumference of the first ring-like basic structure.
  • the co-wound peripheral area of the ring-like base structure may be substantially free of such a soft magnetic core.
  • a transformation mator be formed with relatively low weight. It can thus be used particularly advantageously for mobile applications, for example for off-shore applications or in aviation.
  • a further advantage of a core-free or nuclear-poor configuration is that the risk of quenching, that is to say the collapse of the superconductivity, is reduced when the transformer is first magnetized.
  • the first annular basic structure may advantageously represent a ge ⁇ opened ring with an axial offset between two end portions of the ring.
  • this basic structure may correspond to a single turn of a helix.
  • a general advantage of arranging the windings on a common ring-like basic structure is that the magnetic flux can close over the circumference of the ring and there is only a small stray magnetic field outside the ring. In the special embodiment with an open ring, such a stray magnetic field is higher in the area of the openings than in the remaining areas of the ring. This causes the losses caused by this stray field to be somewhat higher than with a completely closed ring.
  • the advantage of the open structure with axial offset is that a desired magnetic coupling of said first trans ⁇ formation unit to a further, axially adjacent trans ⁇ formation unit can be done by the stray field increased at the openings.
  • Such a coupling may be desired, for example, between multiple phases of a multi-phase alternating current network, one in case of unbalanced loads, single-phase load, in the event of a short-circuit or any other fault of a higher-level power grid Divergence of the individual phases or to prevent an isolated interruption of individual phases. So it should be made a magnetic balance between the individual phases.
  • Such a magnetic coupling of the phases is achieved, for example, in a conventional three-phase Trans ⁇ formator in star-star circuit by an additional compensation winding.
  • this offset may be smaller than one
  • Diameter of the ring-like basic structure can be advantageous so small so that the magnetic flux through the parent ring structure can disregard largely close and the stray fields in the Ringöffnun- gen are relatively low, so that losses due to these stray ⁇ fields can also be kept low.
  • the mean lateral outer dimension of the ring should be understood as corresponding to the said diameter.
  • a soft-magnetic core can be arranged in the interior of the two windings only in the end regions of this structure.
  • the rest of the environmental may be catch of the annular basic structure free of a soft magnetic core, and only in the region of the apertures may be such a core, for example, a magneti ⁇ specific coupling of the first transformation unit described with an adjacent and constructed analogously allow further transformation unit.
  • the transformer may advantageously comprise a plurality of transform ⁇ units which can each be constructed analogous to the above beschrie ⁇ surrounded first transformation unit.
  • the advantageous embodiments described above in connection with the first transformation unit can be used correspondingly for such a more complex transformer.
  • Such a multiphase trans- Formator can be used, for example, in a three-phase alternating ⁇ power network to achieve a desired magnetic coupling of the individual phases.
  • all transformation units can each have an associated ring-like base ⁇ structure, each representing an open ring with an axial offset between two end portions of the ring, wherein the individual ring-like basic structures are axially offset from each other so that they together form a superordinate helical structure.
  • one end portion of a first ring-like basic structure may oppose a first end portion of an adjacent second ring-like basic structure, and a second end portion of the second ring-like basic structure may in turn face a first end portion of an adjacent third ring-like basic structure so that a superimposed helical structure over all three opened ring structures results.
  • an axial offset between see the two end portions of an open ring structure for example, approximately correspond to an axial offset between the individual adjacent ring structures.
  • the axial offset ie the axial opening of a single ring can also be slightly larger than the axial offset between adjacent ring structures in order to further increase the magnetic coupling between the adjacent transformer units.
  • the axial opening of a single ring may be smaller than the axial offset between two adjacent ring structures, if a weaker magnetic coupling is desired.
  • Such a transformer with a plurality of magnetically coupled transformation units may have a soft-magnetic coupling yoke, which extends in the axial direction in the region of the openings of the axially offset annular basic structures.
  • a soft-magnetic coupling yoke which extends in the axial direction in the region of the openings of the axially offset annular basic structures.
  • Such an axially extended Kopp ⁇ ment yoke is particularly suitable to over the in the region of the openings particularly strong magnetic stray field the individual transformation units to achieve a magnetic coupling of the axially adjacent units.
  • the coupling yoke may advantageously comprise iron as the material or may even be formed essentially of iron. Very advanta- way, the material may include so-called metallic glasses (for example amorphous iron ⁇ game) and / or nanocrystalline ⁇ plant materials.
  • Such materials are particularly suitable because of the high permeability and saturation polarization.
  • Such an axially extending coupling yoke can advantageously be provided in the region of the openings of the individual ring-like basic structures with projections which each extend into an end region of the opened ring structures. By such projections, the magnetic coupling of the adjacent transformation units can be amplified.
  • a spread of the stray magnetic fields from the areas of the openings of the ring structures in areas which are remote from Kopplungsj och is advantageously avoided ⁇ the, since the magnetic flux is passed through the Kopplungsj och.
  • the spread of stray magnetic fields in other spatial areas is reduced.
  • mag- netic flux can be ge ⁇ also included a larger ring opening and thus across a larger distance between the end portions of the ring structure can be selected. In this way, the accessibility of the terminals of the two Wick ⁇ lungs can be facilitated because, for example, a larger opening can be provided for the outer winding than for the inner winding.
  • the transformer can have a cryostat for cooling the high-temperature superconducting conductors, wherein the cryostat can jointly enclose all present primary and secondary windings. So it is advantageous only a cryostat necessary to cool all the superconducting windings of the transformer together.
  • a cryostat can advantageously have a simply connected topology. In other words, the cryostat is then not designed as a ring cryostat, but has a simply connected structure without a through
  • the cryostat may advantageously have an electrically conductive cryostat wall.
  • the cryostat wall on a major part of the outer surface of the
  • Cryostats be designed as an electrically conductive wall. This advantageously allows the use of metallic material ⁇ lien, whereby such cryostat comparatively robust overall genüber repeated cooling cycles can be designed.
  • a cryostat can be electrically non-conductive only in the regions in the vicinity of the openings of the ring-like basic structures of the individual transformer units in order to reduce the electrical losses in these areas with increased stray fields.
  • the cryostat wall can also be designed to be electrically conductive throughout its entire surface.
  • the cryostat may advantageously have a cryostat wall of a magnetically conductive material. Such a cryostat can help to reduce stray magnetic fields outside the cryostat since the magnetic flux across the cryostat can be closed.
  • a soft magnetic ⁇ ULTRASONIC Kopplungsj och In order to close the magnetic flux through the opening of a ring-like basic structure of ring-shaped, for example, can connect in the region of an opening of the ring structure to an outer wall of the cryostat, a soft magnetic ⁇ ULTRASONIC Kopplungsj och.
  • the high temperature superconducting conductors of the primary and secondary windings may include magnesium diboride and / or a REBCO type compound.
  • REBCO is a shorthand notation for a REBa 2 Cu30 x type compound, where RE stands for a rare earth element or a mixture of such elements. Such materials are particularly well suited for use with transformers of the present invention because of their high critical current densities and high critical magnetic fields.
  • the high-temperature superconducting conductor can generally be designed as a strip conductor.
  • a tape guide may for example have a tendency Lauttemperatursupralei ⁇ layer on a normally conducting metallic substrate.
  • the substrate may be nonconductive.
  • one or more additional layers may be arranged on both sides of the substrate and / or between the substrate and the superconducting layer in ⁇ game as buffer layers, layers electrical stabilization, insulating layers and protective layers.
  • the high temperature superconducting conductor may comprise generally before ⁇ part by way of a structure that is designed to minimize the AC losses in the conductor.
  • the conductor may be divided for example into several conductor strands are transposed manner of a transposed conductor with a characteris ⁇ tables transposition length.
  • the transformer may have at least one ring-shaped winding carrier.
  • a winding carrier can be present for each transformation unit of such a transformer.
  • the respective winding carrier can correspond in its outer shape of the respective ring-like basic structure.
  • Such a winding carrier may for example be formed in each case as a solid ring, around which the turns of the primary and secondary windings are wound.
  • the end regions of such a winding structure can be be provided with recesses in which the described projections of a soft magnetic Kopplungsj oh can ⁇ protrude.
  • such a winding carrier can also be designed as an annular hollow body over its entire circumference.
  • a winding support can advantageously be formed from an electrically non-conductive material in order to minimize electromagnetic losses in the winding support.
  • FIG. 1 shows a schematic perspective view of parts of a transformer according to a first execution ⁇ example of the invention
  • FIG. 2 shows a schematic perspective view of further parts of the transformer from FIG. 1,
  • Figure 3 is a schematic cross section of the ring-like
  • Figure 4 is a schematic perspective view of a
  • Figure 5 shows a schematic perspective view of a part of a transformer according to a third execution ⁇ example
  • FIG. 6 shows further components of the transformer from FIG. 5,
  • Figure 7 shows further components of the transformer of the Figu ⁇ ren 5 and 6 and
  • Figure 8 shows a cryostat of the transformer of Figures 5 to 7.
  • FIG. 1 is a schematic perspective view of parts of a transformer according to a first embodiment. game of the invention shown. Shown is a winding support 27a, which has a ring-like basic structure 9a. In the first exemplary embodiment, this structure 9a corresponds to a closed ring, that is to say a torus.
  • the ring in the illustrated example is a circular ring with a circular cross-section, but other shapes for both the parent form of the ring circumference as well as the shape of the ring cross section conceivable, for example oval or elliptic ⁇ specific forms as well as polygons or polygons with rounded corners ,
  • a primary winding 5a of the transformer is wound, this primary winding having a high-temperature superconducting conductor 7, which in this example is in the form of a flat band conductor 25a.
  • This first strip conductor 25a is wound in the form of a toroidal winding in several turns Wi around the annular base body 9a, which in this case is predetermined by the first winding support 27a.
  • FIG. 2 shows the elements of the transformer 1 already shown in FIG. 1 as well as further essential elements of a first transformation unit 3a of the transformer.
  • the transformer 1 of this first exemplary embodiment can in particular have only one such transformation unit 3 a, so that FIG. 2 all for the basic function of the
  • Transformers 1 represents essential parts. It can also be a number of such transformation units in a multi-phase transformer al ⁇ lerdings.
  • FIG. 2 shows a second band conductor 25b which forms the secondary winding 5b of the transformer 1.
  • This secondary winding 5b also has two contacts 6b for connection to a parent seconds on kundärstromnik, for example, a load current ⁇ circle.
  • the secondary winding 6b is also wound around the same annular base structure 9a such that a major part u of the circumference of the ring is wound by both windings 5a and 5b.
  • the secondary winding 5b is arranged in such a way that, in comparison with the primary winding 5a, it is arranged further outward with respect to an imaginary annular center of the basic structure 9a.
  • the Se ⁇ kundärwicklung 5b is here so disposed on an outer radial winding layer and surrounds the primary winding 5a on each segment of the ring circumference complete.
  • the order of primary and secondary winding arrangement may generally be reversed.
  • FIG. 3 illustrates these geometric properties of the two interleaved windings 5a and 5b.
  • the figure 3 shows a schematic cross-section of the ring-like basic structure of the transformer 1 in Figure 2, wherein the cross-sectional plane is determined so that it contains the centra ⁇ le axis a of the ring-shaped base structure 9a.
  • the cross section thus shows two opposite circumferential segments of the transformation unit 3a of the transformer 1, wherein the local center of each such segment cross section is designated by z.
  • the primary winding 5a is thus wound on an inner winding layer 31a around the winding support 27a.
  • the minimum inner radius of this inner winding layer 31a is given here by the radius ri of this first winding carrier 27a.
  • this inner winding layer 31a is not completely filled with the strip conductor of the primary winding 5a is filled, the location is only the ra ⁇ Dialen area in which the windings Wi of the primary winding are located 5a.
  • an optional electrically insulating intermediate layer 29 is arranged, which here forms a second winding support 27b with a relatively larger radius r2.
  • the Posi ⁇ tion of this second winding support 27b is also indicated in Figure 2 with a dashed line.
  • the secondary winding 5b can also rest directly on the primary winding 5a, provided that the individual conductors 7 are already sufficiently electrically isolated. It is essential that one winding 5b the other 5a with respect to the local center z of a given
  • primary winding 5a and secondary winding 5b are not subdivided into such partial windings, which alternate in their radii for the two winding types .
  • a subdivision is not shown here in partial windings within each winding layers 31a and 31b is quite possible, however, sol ⁇ len all part windings of a winding type all part ⁇ ments of the other winding type completely radially vice ⁇ ben.
  • the primary winding 5a can in principle also be arranged radially outside of the secondary winding 5b. It is essential only that the one winding fully ⁇ continuously surrounds the other, irrespective of the radial order.
  • the transformer 1 of Figures 1 to 3 is induced by a current flowing in the primary winding 5a current in the secondary winding 5b, wherein the ratio of the currents and the ratio of the voltages in a known manner by the ratio of the number of turns Wi and Wi ⁇ are given.
  • the turn ratio of about 2: 1 shown here is likewise to be understood as an example only. Depending on the desired transformation ratio, very different numerical ratios can be used here.
  • the secondary winding 5b may also have a higher one, in contrast to the example shown here
  • Winding number than the primary winding 5a The two band conductors 25a and 25b of the two windings 5a and 5b may be generally similar or similar, taking the may have the same materials and / or the same cross-sectional dimensions. However, in extreme turns ratios, it may also be advantageous to use different cross-sectional areas and / or different materials for the two types of windings. Thus, for example, as shown in Figure 2, that winding 5b with the low number of turns Wi ⁇ have a larger conductor cross-section than the other winding 5a, since in the winding 5b with fewer turns Wi ⁇ generally the higher current flows.
  • a strip conductor 25a, 25b of this example may have a higher width to increase the current carrying capacity ⁇ , the other properties, in particular materials and vertical dimensions, may be advantageous ⁇ way of the same design.
  • the closed annular structure 9 of the first embodiment is achieved that at a loading ⁇ drive the transformer 1, the magnetic flux in the interior of the windings 5a, 5b annular flows and only a very small stray field in the area radially outside the two coils 5a and 5b penetrates.
  • the interior of the annular basic structure 9a can advantageously be free of a soft-magnetic core.
  • the inner winding support 27a may be formed of non-magnetic material. It may be formed for example as a solid ring or as an annular hollow tube.
  • FIG. 4 shows a schematic perspective view of a further transformer 1 according to a second exemplary embodiment of the invention.
  • a transformation ⁇ unit 3a is shown, wherein the whole transformer 1 may comprise re ⁇ around one or more such transformation units 3a.
  • the embodiment of the figure is basically similar in structure to that of Figures 1 to 3.
  • the first bobbin 27a has the structure of a requestedêtschnit ⁇ ring 12 with an opening Regarding its central Axis a
  • the ring structure 9a has an axial offset 11, which is small compared to an outer diameter 15 of the circular ring 9a here.
  • the other ele- ments of the transformer are constructed similarly as in the first example from ⁇ guide.
  • the magnetic flux does not close completely within the annular basic structure 9a, but it penetrates in the region of the opening 12 an increased magnetic stray field from the actual
  • This increased stray magnetic field may be desirable to achieve a magnetic coupling such a first transformation unit 3a further analog ⁇ be built mator transform units in a multi-phase transformer.
  • Such a polyphase transformer according to a third embodiment of the invention is shown in a schematic perspective view in Figure 5. Shown are only selected elements of a transformer 1, which in this example has three such transformation units 3a, 3b and 3c, each of which may be constructed, for example, similar to that shown in FIG. For the sake of clarity, for the first transformation unit, only an opened, first ring-like basic structure 9a with a surrounding one is shown here
  • the basic structures 9a, 9b and 9c of the three transformation ⁇ elements 3a, 3b and 3c are with respect to a parent System axis a of the transformer 1 axially offset from one another.
  • the axial offset IIa between two adjacent such units corresponds in this mecanicsbei ⁇ game in approximately the inner axial offset 11 of a respective open ring.
  • a second end portion 13b of the first ring structure 9a a first end portion 13a of the second ring structure 9b is arranged approximately opposite and corresponding to the second pair of second and third ring structure 9b and 9c ,
  • the transformer 1 of Figure 5 has a soft magnetic coupling hole 17 extending along the axial direction a of the system.
  • the Kopplungsj och 17 is arranged at ⁇ that there are 12 of the three more open NEN ring structures 9a, 9b and 9c is in the range of the openings.
  • the magnetic flux emerging in the region of these openings 12 from the end regions 13a and 13b of the ring structures can be coupled into the soft-magnetic coupling yoke and thus reinforce a magnetic coupling of the adjacent transformer units.
  • the corresponding profile of the stomach tables flows 33a, 33b and 33c for the three transformers ⁇ tion units 3a, 3b and 3c is shown schematically in Figure 6, which also shows the soft magnetic coupling ⁇ yoke 17 of the same transformer 1, however, for reasons of clarity without the winding support, and Wick ⁇ lungs of the two lower transformation units 3b and 3c.
  • the outer secondary winding 5b is also drawn, which, as in FIG. 4, is again arranged on an envelope 28 of the open ring-like basic structure 9a.
  • the soft magnetic Kopplungsj och 17 has six zapfenarti ⁇ ge projections 19, which project into the end portions 13a and 13b in the three ring structures 9a, 9b and 9c, so that the coupling of the magnetic flux is enhanced in the Kopplungsj och 17th But even without such projections ⁇ the coupled magnetic fluxes 33a, 33b and 33b of the three Einhei ⁇ th on the soft magnetic material of Kopplungsj ox closer together than would be the case with a corresponding geometric arrangement without such a yoke. In principle, however, a similar magnetic coupling of a plurality of axially adjacent transformer units is possible without a soft magnetic material arranged therebetween.
  • FIG. 7 shows a schematic perspective view of further components of the transformer 1 of the third exemplary embodiment from FIGS. 5 and 6.
  • FIG. 7 shows a cryostat 21 which comprises all the primary and secondary windings of the three transformation units 3a, 3b and 3c encloses.
  • the cryostat 21 is a closed, thermally insulated container through which the internal elements are thermally separated from the warm external environment. It may, for example, be a bath cryostat.
  • the outer cryostat wall 23 may for example be vacuum-insulated.
  • the cryostat 21 in Figure 7 has an interior with a simple contiguous topology, so it is around a simple chamber and not an annular interior.
  • FIG. 8 shows the outer contours of the same cryostat 21 without the other elements of the transformer 1.
  • the cryostat 21 is provided with a recess, so that this coupling yoke 17 can advantageously be arranged in the warm space , Branching from this in the axial direction a extending recess 20 are still more recesses 20 ⁇ arranged, which are shaped so that they can absorb the lateral projections 19 of Kopplungsj ochs 17.
  • the cryostat of FIGS. 7 and 8 has a cube-shaped basic structure, but in principle it can also assume other shapes, for example a different cylindrical structure whose base area is adapted to the shape of the individual transformer units.
  • the outer wall 23 of the Kryos ⁇ did 21 may be an electrically conductive, for example, have me ⁇ tallisches material.
  • the outer ⁇ wall 23 having such an electrically conductive material over a large part of the outer surface and only in the region of the recesses 20 and / or 20 ⁇ be formed from electrically non-conductive material, to losses due to the passage of the magnetic fluxes 33a, 33b and 33c through the cryostat wall 23 in the region of the ring openings 12 to minimize.

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Abstract

Es wird ein Transformator mit wenigstens einer ersten Transformationseinheit mit einer Primärwicklung und einer Sekundärwicklung angegeben. Beide Wicklungen weisen jeweils mindestens einen hochtemperatursupraleitenden Leiter auf. Beide Wicklungen sind jeweils in mehreren Windungen um eine für beide Wicklungen gemeinsame erste ringartige Grundstruktur gewickelt, derart, dass sich beide Wicklungen über einen gemeinsam bewickelten, überwiegenden Teil des Umfangs der ringartigen Grundstruktur erstrecken.

Description

Beschreibung
Transformator mit supraleitenden Wicklungen Die vorliegende Erfindung betrifft einen Transformator mit wenigstens einer Transformationseinheit, die eine Primärwick¬ lung und eine Sekundärwicklung aufweist.
Die meisten herkömmlichen Transformatoren basieren auf elek- frischen Wicklungen, die um einen weichmagnetischen Kern angeordnet sind, wobei dieser Kern meist aus gegeneinander elektrisch isolierten Eisenblechen aufgebaut ist. Solche Transformatoren weisen zumindest eine Primärwicklung und ein Sekundärwicklung auf, die induktiv über einen gemeinsamen weichmagnetischen Kern gekoppelt sind. Die beiden Wicklungen einer elektrischen Phase sind gemeinsam meistens um verschiedene Segmente eines solchen Kerns angeordnet. Die Leitermate¬ rialien der beiden Wicklungen können prinzipiell sowohl normalleitend als auch supraleitend sein.
Diese herkömmlichen Transformatoren mit weichmagnetischen Kernen weisen verschiedene Nachteile auf:
- Das maximal nutzbare Magnetfeld im Inneren der Wicklungen ist durch das Sättigungsmagnetfeld des weichmagnetischen Materials limitiert. Für einen Eisenkern liegt das maximal nutzbare Magnetfeld in der Regel zwischen 1,4 T und 2 T.
- Das Material des weichmagnetischen Kerns hat einen wesent¬ lichen Anteil am Gewicht und an den Kosten eines solchen Transformators. Gerade für mobile Anwendungen, insbesondere für Off-Shore Anwendungen, wäre eine deutliche Reduktion des Gewichts eines Transformators wünschenswert.
- Das Streufeld eines herkömmlichen Transformators hat eine beträchtliche Ausdehnung, was einerseits zu elektrischen Verlusten und andererseits zu Problemen bei der elektromag- netischen Verträglichkeit führen kann.
Transformatoren mit supraleitenden Wicklungen müssen nicht zwangsläufig mit einem weichmagnetischen Kern ausgestattet sein. Durch die supraleitenden Eigenschaften kann ein hoher Strom nahezu ohne ohmsche Verluste in den Wicklungen fließen, und es können prinzipiell auch ohne Eisenkern sehr hohe mag¬ netische Felder erzeugt werden, ohne dass Sättigungseffekte auftreten. Zumindest können supraleitende Transformatoren mit einer reduzierten Menge an weichmagnetischem Material ausgebildet werden. Hierdurch können zumindest die ersten beiden der oben genannten Nachteile vermieden oder abgemildert werden. Bekannte Transformatoren mit supraleitenden Wicklungen weisen jedoch weitere Nachteile oder Schwierigkeiten im Zusammenhang mit ihrem Aufbau auf:
- Bei einer Ausführung mit einem weichmagnetischen Kern kann dieser Kern ebenfalls in einem zusammen mit dem Supraleiter auf eine kryogene Temperatur gekühlten Bereich angeordnet sein. In diesem Fall fallen die Ummagnetisierungsverluste im Kalten an, was diese Verluste gegenüber einer
Ummagnetisierung eines entsprechenden warmen Kerns erhöht, da der Widerstand des Kerns sinkt und höhere Induktions¬ ströme fließen. Außerdem wird der Kühlungsaufwand dadurch erhöht, dass diese Ummagnetisierungsverluste im kalten Be¬ reich anfallen.
- Alternativ kann ein weichmagnetischer Kern außerhalb des zu kühlenden Bereichs angeordnet werden. Dann ist der Aufbau eines die supraleitenden Wicklungen umgebenden Kryostaten jedoch deutlich komplexer, da erstens ein ringförmiger
Kryostat mit einer Aussparung für den Kern benötigt wird und zweitens zumindest im Bereich zwischen Kern und Spulenwicklung die Kryostatwand möglichst aus elektrisch nicht- leitfähigem Material ausgebildet sein sollte, um zusätzli- che elektrische Verluste durch Wirbelströme zu vermeiden.
Auch in den anderen Bereichen sollte die Kryostatwand ent¬ weder möglichst aus nichtleitendem Material ausgebildet sein oder die Kryostatwand sollte weit entfernt von den Wicklungen angeordnet sein, um elektrische Verluste zu mi- nimieren. Alternativ kann eine elektrisch leitende Kryostatwand auch in einem Teilbereich durch ein isolierendes Material unterbrochen sein, um einen ringförmigen geschlos- senen Stromfluss zu unterbinden. Ein solcher Aufbau ist jedoch fertigungstechnisch relativ aufwendig.
Bekannt sind tieftemperatursupraleitende Transformatoren, bei denen die Primärwicklung und die Sekundärwicklung jeweils auf mehrere untereinander in Serie geschaltete Teilwicklungen aufgeteilt sind, die abwechselnd aufeinanderfolgend um eine ringförmige Grundstruktur gewickelt angeordnet sind. Ein sol¬ cher Transformator wurde beispielsweise von H. Hirczy in „Ar- chiv für Elektrotechnik 55 (1972), S. 1-9 beschrieben. Eine solche mehrfach ineinander verschachtelte Anordnung bewirkt, dass die magnetischen Flussdichten zwischen den einzelnen Wicklungsteilen nicht zu hoch werden und somit die Wechsel¬ stromverluste in den einzelnen supraleitenden Leiterteilen gering gehalten werden können. Für einen Transformator mit einem tieftemperatursupraleitenden Leitermaterial ist eine solche Anordnung notwendig, da bei einem eisenlosen Transformator wegen der geringen Permeabilität unter sonst gleichen Voraussetzungen viel höhere Windungszahlen vorgesehen werden müssen. Dies führt jedoch im Vergleich zu einzelnen, nicht radial unterteilten Primär- und Sekundärwicklungen zu einem deutlich komplexeren Aufbau mit erhöhtem Wicklungsaufwand, Kontaktierungsaufwand und erhöhter Fehleranfälligkeit. Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Transformator anzugeben, welcher die genannten Nachteile überwindet. Insbesondere soll ein Transformator zur Verfügung gestellt werden, welcher möglichst einfach hergestellt werden kann und/oder ein möglichst geringes Gewicht aufweist.
Diese Aufgabe wird durch den in Anspruch 1 beschriebenen Transformator gelöst. Der erfindungsgemäße Transformator weist wenigstens eine erste Transformationseinheit mit einer Primärwicklung und einer Sekundärwicklung auf. Beide Wicklun- gen weisen jeweils mindestens einen hochtemperatursupralei- tenden Leiter auf. Beide Wicklungen sind jeweils in mehreren Windungen um eine für beide Wicklungen gemeinsame erste ringartige Grundstruktur gewickelt, derart, dass sich beide Wiek- lungen über einen gemeinsam bewickelten, überwiegenden Teil des Umfangs der ringartigen Grundstruktur erstrecken.
Unter einer ringartigen Grundstruktur soll hierbei eine sol- che Struktur verstanden werden, die entweder einen über seinen Umfang vollständig geschlossenen Ring darstellt oder einen Ring darstellt, der an einer Stelle seines Umfangs geöff¬ net ist. Hierbei können die beiden Enden des Rings beispiels¬ weise axial gegeneinander versetzt sein. Mit anderen Worten ist sind die Wicklungen um einen gemeinsamen toroidalen
Grundkörper angeordnet. Dabei sind die beiden Wicklungen des Transformators nicht auf unterschiedlichen Segmenten des ringartigen Grundkörpers angeordnet, sondern in einem für beide Wicklungen gemeinsamen Umfangsbereich . Insbesondere umgibt eine der beiden Wicklungen die andere in dem gemeinsa¬ men Umfangsbereich vollständig.
Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Transformators liegt darin, dass durch die Verwendung eines hochtemperatur- supraleitenden Leitermaterials eine einfache Verschachtelung ermöglicht wird. Die Primär- und Sekundärwicklung müssen hier also im Gegensatz zum Stand der Technik nicht in einzelne weiter ineinander unterverschachtelte Teilwicklungen unterteilt werden, um bei hohen Strömen und hohen Windungszahlen eine tolerierbare Höhe der Wechselstromverluste zu erreichen. Dies liegt an den Materialeigenschaften der Hochtemperatursupraleiter, da bei ihnen die kritischen Magnetfelder im Unterschied zu Tieftemperatursupraleitern vergleichsweise hoch liegen. Zusätzlich ist bei Hochtemperatursupraleitern der technische Aufwand zur Kühlung niedriger, und es können somit auch höhere Verluste in der kalten Umgebung toleriert werden als bei Tieftemperatursupraleitern . Auch durch die vergleichsweise höheren Wärmekapazitäten der Hochtemperatursup¬ raleiter können höhere lokale Verlustleistungsdichten tole- riert werden. Dies gilt insbesondere dann, wenn die hochtem- peratursupraleitenden Wicklungen bei einer Betriebstemperatur deutlich unterhalb interhalb ihrer Sprungtemperatur betrieben werden, beispielsweise bei mehr als 10 K unterhalb ihrer Sprungtemperatur .
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfin- dung gehen aus den von Anspruch 1 abhängigen Ansprüchen sowie der folgenden Beschreibung hervor.
So können für die wenigstens eine Transformationseinheit alle miteinander elektrisch in Serie geschalteten Windungen einer Wicklung alle miteinander in Serie geschalteten Windungen der anderen Wicklung auf dem gesamten gemeinsam bewickelten Teil des Umfangs radial umgeben. Mit anderen Worten umgibt entwe¬ der die Primärwicklung vollständig die Sekundärwicklung oder die Sekundärwicklung umgibt vollständig die Primärwicklung über den gesamten maßgeblichen Umfangsbereich des Rings hinweg. Unter dem Begriff „radial" soll hierbei allgemein nicht die Richtung entlang eines Radius des Rings als Ganzes ver¬ standen werden, sondern die radiale Richtung bezüglich des lokalen Zentrums eines Querschnitts des Rings. Der Ausdruck, dass eine Wicklung die andere „radial umgibt" soll bedeuten, dass diese Wicklung auf jedem derartigen Querschnitt außerhalb der anderen angeordnet ist.
Außer den im Hauptanspruch genannten beiden Wicklungen sollen also keine weiteren Teilwicklungen vorliegen, die mit den beiden genannten Wicklungen elektrisch in Serie geschaltet sind und mit dem jeweils anderen Wicklungstyp abwechselnd in¬ einander verschachtelt sind, wie dies nach dem Stand der Technik für tieftemperatursupraleitende Transformatoren er- forderlich ist.
Das Innere der beiden Wicklungen kann auf einem überwiegenden Teil des Umfangs der ersten ringartigen Grundstruktur frei von einem weichmagnetischen Kern sein. Insbesondere kann der gemeinsam bewickelte Umfangsbereich der ringartigen Grundstruktur im Wesentlichen frei von einem solchen weichmagnetischen Kern sein. Im Vergleich zu herkömmlichen Transformatoren mit normalleitenden Wicklungen kann ein solcher Transfor- mator mit relativ geringem Gewicht ausgebildet werden. Er kann somit besonders vorteilhaft für mobile Anwendungen zum Einsatz kommen, beispielsweise für Off-Shore-Anwendungen oder in der Luftfahrt. Ein weiterer Vorteil einer kernfreien oder kernarmen Ausgestaltung ist, dass sich die Gefahr des Quen- chens, also des Zusammenbruchs der Supraleitung, beim ersten Aufmagnetisieren des Transformators verringert. Bei einem herkömmlichen supraleitenden Transformator mit weichmagnetischem Kern treten nämlich beim ersten Aufmagnetisieren des Kerns durch den geringen ohmschen Widerstand der Wicklungen sehr hohe Ströme auf (sogenannte Rush-In-Currents) , die zu einem solchen Zusammenbruch führen können. In der Ausführungsform ohne weichmagnetischen Kern im Hauptteil der Wicklung ist diese Gefahr deutlich reduziert.
Die erste ringartige Grundstruktur kann vorteilhaft einen ge¬ öffneten Ring mit einem axialen Versatz zwischen zwei Endbereichen des Rings darstellen. Mit anderen Worten kann diese Grundstruktur einer einzelnen Windung einer Helix entspre- chen. Ein allgemeiner Vorteil der Anordnung der Wicklungen auf einer gemeinsamen ringartigen Grundstruktur ist, dass sich der magnetische Fluss über den Umfang des Rings hinweg schließen kann und nur ein geringes magnetisches Streufeld außerhalb des Rings vorliegt. Bei der speziellen Ausführungs- form mit einem geöffneten Ring ist ein solches magnetisches Streufeld im Bereich der Öffnungen höher als in den übrigen Bereichen des Rings. Dies bewirkt, dass die durch dieses Streufeld bewirkten Verluste etwas höher ausfallen können als bei einem vollständig geschlossenen Ring. Allerdings ergibt sich aus der geöffneten Struktur mit axialem Versatz der Vorteil, dass durch das an den Öffnungen erhöhte Streufeld eine erwünschte magnetische Kopplung der genannten ersten Trans¬ formationseinheit an eine weitere, axial benachbarte Trans¬ formationseinheit erfolgen kann. Eine solche Kopplung kann beispielsweise zwischen mehreren Phasen eines Mehrphasen- Wechselstromnetzes erwünscht sein, um ein bei Schieflasten, bei einphasiger Belastung, bei einem Kurzschlussfall oder einem sonstigen Störfall eines übergeordneten Stromnetzes ein Auseinanderlaufen der einzelnen Phasen oder ein isoliertes Unterbrechen einzelner Phasen zu verhindern. Es soll also ein magnetisches Gleichgewicht zwischen den einzelnen Phasen hergestellt werden. Eine solche magnetische Kopplung der Phasen wird beispielsweise in einem herkömmlichen Dreiphasen-Trans¬ formator in Stern-Stern-Schaltung durch eine zusätzliche Ausgleichswicklung erreicht.
Bei einer Ausführung der ersten ringartigen Grundstruktur mit axialem Versatz kann dieser Versatz kleiner sein als ein
Durchmesser der ringartigen Grundstruktur. Der Versatz kann also vorteilhaft so klein sein, dass sich der magnetische Fluss über die übergeordnete Ringstruktur hinweg weitgehend schließen kann und die Streufelder im Bereich der Ringöffnun- gen relativ gering sind, so dass Verluste durch diese Streu¬ felder ebenfalls gering gehalten werden können. Für nicht kreisförmige Ringstrukturen soll unter dem genannten Durchmesser entsprechend die mittlere seitliche äußere Abmessung des Rings verstanden werden.
Vorteilhaft kann bei den Ausführungsformen mit einer geöffneten Ringstruktur nur in den Endbereichen dieser Struktur ein weichmagnetischer Kern im Inneren der beiden Wicklungen angeordnet sein. Mit anderen Worten kann der übrige Teil des Um- fangs der ringartigen Grundstruktur frei von einem weichmagnetischen Kern sein, und nur im Bereich der Öffnungen kann ein solcher Kern vorliegen, beispielsweise um eine magneti¬ sche Kopplung der beschriebenen ersten Transformationseinheit mit einer benachbarten und analog aufgebauten weiteren Trans- formationseinheit zu ermöglichen.
Der Transformator kann vorteilhaft mehrere Transformations¬ einheiten aufweisen, die jeweils analog zu der oben beschrie¬ benen ersten Transformationseinheit aufgebaut sein können. Die oben im Zusammenhang mit der ersten Transformationseinheit beschriebenen vorteilhaften Ausführungsformen können in entsprechender Weise für einen solchen komplexeren Transformator zur Anwendung kommen. Ein solcher Mehrphasen-Trans- formator kann beispielsweise in einem Dreiphasen-Wechsel¬ stromnetz eingesetzt werden, um eine gewünschte magnetische Kopplung der einzelnen Phasen zu erreichen. Bei einem solchen Mehrphasen-Transformator können alle Transformationseinheiten jeweils eine zugehörige ringartige Grund¬ struktur aufweisen, die jeweils einen geöffneten Ring mit einem axialen Versatz zwischen zwei Endbereichen des Rings darstellt, wobei die einzelnen ringartigen Grundstrukturen derart axial versetzt zueinander angeordnet sind, dass sie zusammen eine übergeordnete helixartige Struktur bilden. Mit anderen Worten kann ein Endbereich einer ersten ringartigen Grundstruktur einem ersten Endbereich einer benachbarten zweiten ringartigen Grundstruktur gegenüberliegen, und ein zweiter Endbereich der zweiten ringartigen Grundstruktur kann wiederum einem ersten Endbereich einer benachbarten dritten ringartigen Grundstruktur gegenüberliegen, so dass sich eine übergeordnete helixartige Struktur über alle drei geöffneten Ringstrukturen ergibt. Hierbei kann ein axialer Versatz zwi- sehen den beiden Endbereichen einer geöffneten Ringstruktur beispielsweise ungefähr einem axialen Versatz zwischen den einzelnen benachbarten Ringstrukturen entsprechen. Der axiale Versatz, also die axiale Öffnung eines einzelnen Rings kann aber auch etwas größer sein als der axiale Versatz zwischen benachbarten Ringstrukturen, um die magnetische Kopplung zwischen den benachbarten Transformatoreinheiten noch weiter zu erhöhen. Alternativ kann die axiale Öffnung eines einzelnen Rings aber auch kleiner sein als der axiale Versatz zwischen zwei benachbarten Ringstrukturen, wenn eine schwächere magne- tische Kopplung erwünscht ist.
Ein solcher Transformator mit mehreren magnetisch gekoppelten Transformationseinheiten kann ein weichmagnetisches Kopplungsjoch aufweisen, welches sich im Bereich der Öffnungen der axial versetzten ringartigen Grundstrukturen in axialer Richtung erstreckt. Ein derartiges axial ausgedehntes Kopp¬ lungsjoch ist besonders geeignet, um über das im Bereich der Öffnungen besonders stark ausgeprägte magnetische Streufeld der einzelnen Transformationseinheiten eine magnetische Kopplung der axial benachbarten Einheiten zu erreichen. Das Kopplungsjoch kann als Material vorteilhaft Eisen umfassen oder sogar im Wesentlichen aus Eisen gebildet sein. Sehr vorteil- haft kann das Material sogenannte metallische Gläser (bei¬ spielsweise amorphes Eisen) und/oder nanokristalline Werk¬ stoffe umfassen. Solche Materialien eignen sich aufgrund der hohen Permeabilität und Sättigungspolarisation besonders gut. Ein solches axial ausgedehntes Kopplungsj och kann vorteilhaft im Bereich der Öffnungen der einzelnen ringartigen Grundstrukturen mit Vorsprüngen versehen sein, die sich jeweils in einen Endbereich der geöffneten Ringstrukturen hinein erstrecken. Durch solche Vorsprünge kann die magnetische Kopplung der benachbarten Transformationseinheiten verstärkt werden. Eine Ausbreitung der magnetischen Streufelder aus den Bereichen der Öffnungen der Ringstrukturen in Bereiche, die vom Kopplungsj och entfernt liegen, wird dabei vorteilhaft vermie¬ den, da der magnetische Fluss durch das Kopplungsj och geführt wird. Somit wird die Ausbreitung magnetischer Streufelder in andere räumliche Bereiche reduziert.
Ein weiterer Vorteil der stärkeren magnetischen Kopplung über die Vorsprünge des Kopplungsj ochs liegt darin, dass der mag- netische Fluss auch über eine größere Ringöffnung hinweg ge¬ schlossen werden kann und somit ein größerer Abstand zwischen den Endbereichen der Ringstruktur gewählt werden kann. Hierdurch kann die Zugänglichkeit der Anschlüsse der beiden Wick¬ lungen erleichtert werden, da beispielsweise für die äußere Wicklung eine größere Öffnung vorgesehen werden kann als für die innere Wicklung.
Der Transformator kann einen Kryostaten zur Kühlung der hoch- temperatursupraleitenden Leiter aufweisen, wobei der Kryostat alle jeweils vorliegenden Primär- und Sekundärwicklungen gemeinsam umschließen kann. Es ist also vorteilhaft nur ein Kryostat notwendig, um alle supraleitenden Wicklungen des Transformators gemeinsam zu kühlen. Ein solcher Kryostat kann vorteilhaft eine einfach zusammenhängende Topologie aufweisen. Mit anderen Worten ist der Kryostat dann nicht als Ringkryostat ausgebildet, sondern hat eine einfach zusammenhängende Struktur ohne durchgehendes
Loch. Im Vergleich zu herkömmlichen supraleitenden Transformatoren, bei denen ringförmige Kryostaten um die ringförmigen Wicklungen angeordnet sind und das Innere der Wicklungen au¬ ßerhalb des Kryostaten liegt, kann ein derartiger Kryostat wesentlich einfacher hergestellt werden. Er kann außerdem kleiner ausgeführt werden als Kryostaten mit komplexerer Topologie .
Der Kryostat kann vorteilhaft eine elektrisch leitfähige Kryostatwand aufweisen. Insbesondere kann die Kryostatwand auf einem überwiegenden Teil der äußeren Oberfläche des
Kryostaten als elektrisch leitende Wand ausgebildet sein. Dies erlaubt vorteilhaft die Verwendung metallischer Materia¬ lien, wodurch ein solcher Kryostat vergleichsweise robust ge- genüber wiederholten Abkühlungszyklen ausgestaltet werden kann. Vorteilhaft kann ein solcher Kryostat lediglich in den Bereichen in der Nähe der Öffnungen der ringartigen Grundstrukturen der einzelnen Transformatoreinheiten elektrisch nichtleitend sein, um die elektrischen Verluste in diesen Be- reichen mit erhöhten Streufeldern zu reduzieren. Die Kryostatwand kann alternativ aber auch durchgehend auf ihrer gesamten Fläche elektrisch leitfähig ausgebildet sein.
Der Kryostat kann vorteilhaft eine Kryostatwand aus einem magnetisch leitfähigen Material aufweisen. Ein solcher Kryostat kann dazu beitragen, magnetische Streufelder außerhalb des Kryostaten zu reduzieren, da der magnetische Fluss über den Kryostaten geschlossen werden kann. Um den magnetischen Fluss über die Öffnung einer ringartigen Grundstruktur ring- förmig zu schließen, kann beispielsweise ein weichmagneti¬ sches Kopplungsj och im Bereich einer Öffnung der Ringstruktur an eine Außenwand des Kryostaten anschließen. Die hochtemperatursupraleitenden Leiter der Primär- und Sekundärwicklungen können Magnesiumdiborid und/oder eine Verbindung des Typs REBCO aufweisen. REBCO ist hierbei eine Kurzschreibweise für eine Verbindung des Typs REBa2Cu30x, wo- bei RE für ein Element der seltenen Erden oder eine Mischung solcher Elemente steht. Derartige Materialien eignen sich besonders gut für die Anwendung Transformatoren nach der vorliegenden Erfindung, da sie hohe kritische Stromdichten und hohe kritische Magnetfelder aufweisen.
Besonders voreilhaft kann der hochtemperatursupraleitende Leiter allgemein als Bandleiter ausgebildet sein. Ein solcher Bandleiter kann beispielsweise eine hochtemperatursupralei¬ tende Schicht auf einem normalleitenden metallischen Substrat aufweisen. Das Substrat kann jedoch alternativ auch nichtleitend sein. Zusätzlich können auf beiden Seiten des Substrats und/oder zwischen Substrat und supraleitender Schicht eine oder mehrere zusätzliche Schichten angeordnet sein, bei¬ spielsweise Pufferschichten, elektrische Stabilisierungs- schichten, Isolationsschichten und Schutzschichten.
Der hochtemperatursupraleitende Leiter kann allgemein vor¬ teilhaft eine Struktur aufweisen, die zur Minimierung der Wechselstromverluste im Leiter ausgebildet ist. Hierzu kann der Leiter beispielsweise in mehrere Leiterstränge unterteilt sein, die nach Art eines Röbelleiters mit einer charakteris¬ tischen Transpositionslänge transponiert sind.
Der Transformator kann wenigstens einen ringartig geformten Wicklungsträger aufweisen. Insbesondere kann für jede Transformationseinheit eines solchen Transformators ein solcher Wicklungsträger vorliegen. Dabei kann der jeweilige Wicklungsträger in seiner äußeren Form der jeweiligen ringartigen Grundstruktur entsprechen. Ein solcher Wicklungsträger kann beispielsweise jeweils als massiver Ring ausgebildet sein, um den die Windungen der Primär- und Sekundärwicklungen gewickelt sind. Bei einer Ausführungsform mit einer geöffneten Ringstruktur können die Endbereiche eines solchen Wicklungs- trägers mit Ausnehmungen versehen sein, in die die beschrieben Vorsprünge eines weichmagnetischen Kopplungsj ochs hinein¬ ragen können. Alternativ kann ein solcher Wicklungsträger aber auch auf seinem gesamten Umfang als ringförmiger Hohl- körper ausgestaltet sein.
Allgemein kann ein Wicklungsträger vorteilhaft aus einem elektrisch nichtleitenden Material gebildet sein, um elektromagnetische Verluste im Wicklungsträger möglichst gering zu halten.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand einiger bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die angehängten Zeichnungen beschrieben, in denen:
Figur 1 eine schematische perspektivische Ansicht von Teilen eines Transformators nach einem ersten Ausführungs¬ beispiel der Erfindung zeigt,
Figur 2 eine schematische perspektivische Ansicht von weite- ren Teilen des Transformators aus Figur 1 zeigt,
Figur 3 einen schematischen Querschnitt der ringartigen
Grundstruktur für den Transformator aus Figur 2 zeigt,
Figur 4 eine schematische perspektivische Ansicht eines
Transformators nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt,
Figur 5 eine schematische perspektivische Ansicht eines Teils eines Transformators nach einem dritten Ausführungs¬ beispiel zeigt,
Figur 6 weitere Bestandteile des Transformators aus Figur 5 zeigt,
Figur 7 weitere Bestandteile des Transformators aus den Figu¬ ren 5 und 6 zeigt und
Figur 8 einen Kryostaten des Transformators aus den Figuren 5 bis 7 zeigt.
In Figur 1 ist eine schematische perspektivische Ansicht von Teilen eines Transformators nach einem ersten Ausführungsbei- spiel der Erfindung gezeigt. Gezeigt ist ein Wicklungsträger 27a, der eine ringartige Grundstruktur 9a aufweist. Diese Struktur 9a entspricht im ersten Ausführungsbeispiel einem geschlossenen Ring, also einem Torus . Der Ring im gezeigten Beispiel ist ein kreisförmiger Ring mit einem kreisförmigen Querschnitt, es sind jedoch auch andere Formen sowohl für die übergeordnete Form des Ringumfangs als auch für die Form des Ringquerschnitts denkbar, beispielsweise ovale oder ellipti¬ sche Formen sowie Polygone oder Polygone mit abgerundeten Ecken. Um die Ringstruktur 9a ist eine Primärwicklung 5a des Transformators gewickelt, wobei diese Primärwicklung einen hochtemperatursupraleitenden Leiter 7 aufweist, der in diesem Beispiel als flacher Bandleiter 25a vorliegt. Dieser erste Bandleiter 25a ist in Form einer toroidalen Wicklung in meh- reren Windungen Wi um den ringförmigen Grundkörper 9a gewickelt, der in diesem Fall durch den ersten Wicklungsträger 27a vorgegeben ist. Zur Verbindung mit einem äußeren Stromkreis ist die Primärwicklung 5a mit zwei Kontakten 6a verse¬ hen, über die sie beispielsweise mit einer Wechselstromquelle verbunden werden kann. Die wenigen in Figur 1 gezeigten Windungen Wi sind hierbei nur beispielhaft zu verstehen und sol¬ len gegebenenfalls auch eine deutlich höhere Anzahl von Windungen repräsentieren. Wesentlich ist, dass diese Windungen Wi der Primärwicklung 5a in einer gemeinsamen inneren radia- len Wicklungslage um den Wicklungsträger 27a gewickelt sind. Dabei kann diese innere radiale Wicklungslage optional auch mehrere Teillagen aufweisen, die übereinander um den Wicklungsträger 27a gewickelt sind. In Figur 2 sind die bereits in Figur 1 gezeigten Elemente des Transformators 1 sowie weitere wesentliche Elemente einer ersten Transformationseinheit 3a des Transformators gezeigt. Der Transformator 1 dieses ersten Ausführungsbeispiels kann insbesondere nur eine solche Transformationseinheit 3a auf- weisen, so dass die Figur 2 alle für die Grundfunktion des
Transformators 1 wesentlichen Teile darstellt. Es können al¬ lerdings auch mehrere derartige Transformationseinheiten in einem Mehrphasen-Transformator vorliegen. Zusätzlich zu den in Figur 1 gezeigten Elementen zeigt die Figur 2 einen zweiten Bandleiter 25b, der die Sekundärwicklung 5b des Transformators 1 ausbildet. Diese Sekundärwicklung 5b weist ebenfalls zwei Kontakte 6b zur Verbindung mit einem übergeordneten Se- kundärstromkreis auf, beispielsweise einem Verbraucherstrom¬ kreis. Die Sekundärwicklung 6b ist ebenfalls um dieselbe ringförmige Grundstruktur 9a gewickelt und zwar so, dass ein überwiegender Teil u des Umfangs des Rings von beiden Wicklungen 5a und 5b umwickelt ist. Dabei ist die Sekundärwick- lung 5b so angeordnet, dass sie im Vergleich zur Primärwicklung 5a bezüglich eines gedachten ringförmigen Zentrums der Grundstruktur 9a weiter außenliegend angeordnet ist. Die Se¬ kundärwicklung 5b ist hier also auf einer äußeren radialen Wicklungslage angeordnet und umgibt die Primärwicklung 5a auf jedem Segment des Ringumfangs vollständig. Die Reihenfolge der Anordnung von Primär- und Sekundärwicklung kann jedoch allgemein auch umgekehrt sein.
Figur 3 verdeutlicht diese geometrischen Eigenschaften der beiden ineinander verschachtelten Wicklungen 5a und 5b. So zeigt die Figur 3 einen schematischen Querschnitt der ringartigen Grundstruktur für den Transformator 1 aus Figur 2, wobei die Querschnittsebene so gelegt ist, dass sie die zentra¬ le Achse a der ringförmigen Grundstruktur 9a enthält. Der Querschnitt zeigt also zwei gegenüberliegende Umfangssegmente der Transformationseinheit 3a des Transformators 1, wobei das lokale Zentrum eines jeden solchen Segmentquerschnitts mit z bezeichnet ist. Bezüglich dieses lokalen Zentrums z ist die Primärwicklung 5a also auf einer inneren Wicklungslage 31a um den Wicklungsträger 27a gewickelt. Der minimale innere Radius dieser inneren Wicklungslage 31a ist hier durch den Radius ri dieses ersten Wicklungsträgers 27a gegeben. Für den Quer¬ schnitt einer gegebenen Umfangsposition ist dabei diese innere Wicklungslage 31a nicht vollständig mit dem Bandleiter der Primärwicklung 5a angefüllt, die Lage gibt lediglich den ra¬ dialen Bereich an, in dem sich die Windungen Wi der Primärwicklung 5a befinden. Bezüglich des lokalen Zentrums z radial außerhalb der inneren Wicklungslage 31a ist im gezeigten Bei- spiel noch eine optionale elektrisch isolierende Zwischenlage 29 angeordnet, die hier einen zweiten Wicklungsträger 27b mit einem vergleichsweise größeren Radius r2 ausbildet. Die Posi¬ tion dieses zweiten Wicklungsträgers 27b ist auch in Figur 2 mit einer gestrichelten Linie gekennzeichnet. Eine solche Zwischenlage muss jedoch nicht vorliegen. Die Sekundärwicklung 5b kann auch direkt auf der Primärwicklung 5a aufliegen, sofern die einzelnen Leiter 7 bereits hinreichend elektrisch isoliert sind. Wesentlich ist, dass die eine Wicklung 5b die andere 5a bezüglich des lokalen Zentrums z eines gegebenen
Umfangssegments vollständig radial umgibt. Insbesondere sind Primärwicklung 5a und Sekundärwicklung 5b nicht in solche Teilwicklungen unterteilt, die sich für die beiden Wicklungs¬ typen in ihren Radien abwechseln. Eine hier nicht gezeigte Unterteilung in Teilwicklungen innerhalb der jeweiligen Wicklungslagen 31a und 31b ist durchaus möglich, allerdings sol¬ len alle Teilwicklungen des einen Wicklungstyps alle Teil¬ wicklungen des anderen Wicklungstyps vollständig radial umge¬ ben. Im Unterschied zu dem in den Figuren 1 bis 3 gezeigten Beispiel kann dabei grundsätzlich auch die Primärwicklung 5a radial außerhalb von der Sekundärwicklung 5b angeordnet sein. Wesentlich ist nur, dass die eine Wicklung die andere voll¬ ständig umgibt, unabhängig von der radialen Reihenfolge. Bei einem Betrieb des Transformators 1 der Figuren 1 bis 3 wird durch einen in der Primärwicklung 5a fließenden Strom ein Strom in der Sekundärwicklung 5b induziert, wobei das Verhältnis der Ströme und das Verhältnis der Spannungen in bekannter Weise durch das Verhältnis der Anzahl der Windungen Wi und Wi λ gegeben sind. Das hier gezeigte Windungsverhältnis von etwa 2:1 ist ebenfalls nur beispielhaft zu verstehen. Je nach gewünschtem Transformationsverhältnis können hier sehr unterschiedliche Zahlenverhältnisse zum Einsatz kommen. Je nach Transformationsrichtung kann auch die Sekundärwicklung 5b im Unterschied zum hier gezeigten Beispiel eine höhere
Windungszahl aufweisen als die Primärwicklung 5a. Die beiden Bandleiter 25a und 25b der beiden Wicklungen 5a und 5b können allgemein ähnlich oder gleich aufgebaut sein, wobei sie die gleichen Materialien und/oder die gleichen Querschnittsabmessungen aufweisen können. Bei extremeren Windungsverhältnissen kann es jedoch auch vorteilhaft sein, unterschiedliche Querschnittsflächen und/oder unterschiedliche Materialien für die beiden Wicklungstypen zu verwenden. So kann beispielsweise, wie in Figur 2 gezeigt, diejenige Wicklung 5b mit der niedrigen Zahl an Windungen Wi λ einen größeren Leiterquerschnitt aufweisen als die andere Wicklung 5a, da in der Wicklung 5b mit weniger Windungen Wi λ allgemein der höhere Strom fließt. Bei Verwendung eines Bandleiters 25a, 25b kann dieser beispielsweise eine höhere Breite aufweisen, um die Strom¬ tragfähigkeit zu erhöhen, wobei die anderen Eigenschaften, insbesondere Materialien und vertikale Abmessungen, vorteil¬ haft gleich ausgebildet sein können.
Durch die geschlossene ringförmige Struktur 9a des ersten Ausführungsbeispiels wird erreicht, dass sich bei einem Be¬ trieb des Transformators 1 der magnetische Fluss im Inneren der Wicklungen 5a, 5b ringförmig fließt und nur ein sehr kleines Streufeld in den Bereich radial außerhalb der beiden Wicklungen 5a und 5b dringt. Hierbei kann das Innere der ringförmigen Grundstruktur 9a vorteilhaft frei von einem weichmagnetischen Kern sein. Der innere Wicklungsträger 27a kann dabei aus amagnetischem Material ausgebildet sein. Er kann beispielsweise als massiver Ring oder auch als ringförmiges Hohlrohr ausgebildet sein.
Figur 4 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht eines weiteren Transformators 1 nach einem zweiten Ausführungsbei- spiel der Erfindung. Auch hier ist nur eine Transformations¬ einheit 3a gezeigt, wobei der gesamte Transformator 1 wiede¬ rum eine oder mehrere solcher Transformationseinheiten 3a umfassen kann. Das Ausführungsbeispiel der Figur ist prinzipiell ähnlich aufgebaut wie das der Figuren 1 bis 3. Im Unter- schied zum ersten Ausführungsbeispiel liegt hier jedoch eine geöffnete ringförmige Grundstruktur 9a vor. Entsprechend hat der erste Wicklungsträger 27a die Struktur eines aufgeschnit¬ tenen Rings mit einer Öffnung 12. Bezüglich seiner zentralen Achse a weist die Ringstruktur 9a einen axialen Versatz 11 auf, der klein im Vergleich zu einem äußeren Durchmesser 15 des hier kreisförmigen Rings 9a ist. Abgesehen von dieser Öffnung 12 und dem axialen Versatz 11 sind die übrigen Ele- mente des Transformators ähnlich aufgebaut wie im ersten Aus¬ führungsbeispiel. Bei einem Betrieb des Transformators 1 nach dem zweiten Ausführungsbeispiel schließt sich der magnetische Fluss jedoch nicht vollständig innerhalb der ringförmigen Grundstruktur 9a, sondern es dringt im Bereich der Öffnung 12 ein erhöhtes magnetisches Streufeld aus der eigentlichen
Ringstruktur aus. Dieses erhöhte magnetische Streufeld kann erwünscht sein, um eine magnetische Kopplung einer solchen ersten Transformationseinheit 3a mit weiteren analog aufge¬ bauten Transformationseinheiten in einem Mehrphasen-Transfor- mator zu erreichen.
Ein solcher Mehrphasentransformator nach einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in schematischer perspektivischer Darstellung in Figur 5 gezeigt. Gezeigt sind nur ausgewählte Elemente eines Transformators 1, der in diesem Beispiel drei solche Transformationseinheiten 3a, 3b und 3c aufweist, von denen jede beispielsweise ähnlich wie in Figur 4 aufgebaut sein kann. Für die erste Transformationseinheit ist hier der Übersichtlichkeit halber nur eine geöffnete ers- te ringartige Grundstruktur 9a mit einer diese umgebenden
Primärwicklung 5a gezeigt. Für die übrigen beiden Transformationseinheiten 3b und 3c sind lediglich die Formen der geöffneten ringartigen Grundstrukturen 9b und 9c dargestellt. Alle drei Transformationseinheiten 3a, 3b und 3c sollen analog zu- einander aufgebaut sein und jeweils eine die Primärwicklung lokal radial umgebende Sekundärwicklung aufweisen. Grundsätzlich kann die radiale Reihenfolge von Primär- und Sekundärwicklungen auch genau umgekehrt sein. Sie kann auch für die einzelnen Transformationseinheiten 3a, 3b und 3c unterschied- lieh gewählt sein.
Die Grundstrukturen 9a, 9b und 9c der drei Transformations¬ elemente 3a, 3b und 3c sind bezüglich einer übergeordneten Systemachse a des Transformators 1 axial versetzt zueinander angeordnet. Der axiale Versatz IIa zwischen zwei benachbarten solchen Einheiten entspricht dabei in diesem Ausführungsbei¬ spiel in etwa dem inneren axialen Versatz 11 eines jeweiligen geöffneten Rings. Durch diese zueinander passende Wahl der beiden Versätze IIa und 11 wird erreicht, dass beispielsweise ein zweiter Endbereich 13b der ersten Ringstruktur 9a einem ersten Endbereich 13a der zweiten Ringstruktur 9b etwa gegenüberliegend angeordnet ist und entsprechend für das zweite Paar aus zweiter und dritter Ringstruktur 9b und 9c. Auf diese Weise ergibt sich durch die Anordnung der drei Ringstrukturen 9a, 9b und 9c die in Figur 5 zu erkennende übergeordne¬ te helixartige Struktur. Zusätzlich zu den drei Transformationseinheiten 9a, 9b und 9c weist der Transformator 1 der Figur 5 ein weichmagnetisches Kopplungsj och auf 17, welches sich entlang der axialen Richtung a des Systems erstreckt. Das Kopplungsj och 17 ist so an¬ geordnet, dass es im Bereich der Öffnungen 12 der drei offe- nen Ringstrukturen 9a, 9b und 9c liegt. Hierdurch kann der im Bereich dieser Öffnungen 12 aus den Endbereichen 13a und 13b der Ringstrukturen austretende magnetische Fluss in das weichmagnetische Kopplungsj och eingekoppelt werden und so eine magnetische Kopplung der nebeneinanderliegenden Trans- formatoreinheiten verstärken. Der entsprechende Verlauf der magentischen Flüsse 33a, 33b und 33c für die drei Transforma¬ tionseinheiten 3a, 3b und 3c ist schematisch in Figur 6 eingezeichnet, welche ebenfalls das weichmagnetische Kopplungs¬ joch 17 desselben Transformators 1 zeigt, allerdings der Übersichtlichkeit halber ohne die Wicklungsträger und Wick¬ lungen der beiden unteren Transformationseinheiten 3b und 3c. Für die obenliegende Transformationseinheit 3a ist zusätzlich zu der in Figur 5 bereits dargestellten Primärwicklung 5a noch die außenliegende Sekundärwicklung 5b eingezeichnet, welche ähnlich wie in Figur 4 wieder auf einer Einhüllenden 28 der offenen ringartigen Grundstruktur 9a angeordnet ist. Das weichmagnetische Kopplungsj och 17 weist sechs zapfenarti¬ ge Vorsprünge 19 auf, die in den Endbereichen 13a und 13b in die drei Ringstrukturen 9a, 9b und 9c hineinragen, so dass die Einkopplung des magnetischen Flusses in das Kopplungsj och 17 noch verstärkt wird. Aber auch ohne solche Vorsprünge wer¬ den die magnetischen Flüsse 33a, 33b und 33b der drei Einhei¬ ten über das weichmagnetische Material des Kopplungsj ochs stärker aneinander gekoppelt, als es bei einer entsprechenden geometrischen Anordnung ohne ein solches Joch der Fall wäre. Grundsätzlich ist aber auch eine ähnliche magnetische Kopp¬ lung von mehreren axial benachbarten Transformatoreinheiten ohne ein dazwischen angeordnetes weichmagnetisches Material möglich. Wesentlich ist, dass durch den axialen Versatz 11 der einzelnen Ringstrukturen 9a, 9b und 9c die im Bereich der Öffnungen austretenden magnetischen Flüsse 33a, 33b beziehungsweise 33c den magnetischen Flüssen der jeweils benachbarten Transformatoreinheiten nahekommen und so mit diesen magnetisch gekoppelt werden. Hierdurch wird in einem solchen Mehrphasentransformator vorteilhaft eine Kopplung der Phasen erreicht.
Figur 7 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht von weiteren Bestandteilen des Transformators 1 des dritten Ausführungsbeispiels aus den Figuren 5 und 6. Zusätzlich zu den bereits in Figur 6 gezeigten Elementen zeigt Figur 7 einen Kryostaten 21, der alle Primär- und Sekundärwicklungen der drei Transformationseinheiten 3a, 3b und 3c umschließt. Mit Hilfe dieses Kryostaten 21 können die hochtemperatursupralei- tenden Wicklungen 5a und 5b auf eine kryogene Temperatur un- terhalb der Sprungtemperatur des Supraleiters gekühlt werden. Der Kryostat 21 ist ein geschlossener, thermisch isolierter Behälter, durch den die innenliegenden Elemente thermisch von der warmen äußeren Umgebung getrennt sind. Es kann sich beispielsweise um einen Badkryostaten handeln. Die außenliegende Kryostatwand 23 kann beispielsweise vakuumisoliert sein.
Der Kryostat 21 in Figur 7 weist einen Innenraum mit einer einfach zusammenhängenden Topologie auf, es handelt sich also um eine einfache Kammer und nicht einen ringförmigen Innenraum. Figur 8 zeigt zur besseren Übersicht die äußeren Konturen desselben Kryostaten 21 ohne die übrigen Elemente des Transformators 1. Im Bereich des magnetischen Kopplungsj ochs 17 ist der Kryostat 21 mit einer Aussparung versehen, so dass dieses Kopplungsj och 17 vorteilhaft im Warmen angeordnet wer¬ den kann. Abzweigend von dieser sich in axialer Richtung a erstreckenden Aussparung 20 sind noch weitere Aussparungen 20 λ angeordnet, die so geformt sind, dass sie die seitlichen Vorsprünge 19 des Kopplungsj ochs 17 aufnehmen können.
Der Kryostat der Figuren 7 und 8 weist eine würfelförmige Grundstruktur auf, er kann jedoch prinzipiell auch andere Formen annehmen, beispielsweise eine andere zylindrische Struktur, deren Grundfläche an die Form der einzelnen Transformatoreinheiten angepasst ist. Die Außenwand 23 des Kryos¬ taten 21 kann ein elektrisch leitfähiges, beispielsweise me¬ tallisches Material aufweisen. Beispielsweise kann die Außen¬ wand 23 auf einem Großteil der Außenfläche ein solches elekt- risch leitfähiges Material aufweisen und nur im Bereich der Aussparungen 20 und/oder 20 λ aus elektrisch nichtleitendem Material gebildet sein, um Verluste durch den Durchtritt des magnetischen Flüsse 33a, 33b und 33c durch die Kryostatwand 23 im Bereich der Ringöffnungen 12 zu minimieren.

Claims

Patentansprüche
1. Transformator (1) mit wenigstens einer ersten Transformationseinheit (3) , die eine Primärwicklung (5a) und eine Se- kundärwicklung (5b) aufweist,
- wobei beide Wicklungen (5a, 5b) jeweils einen hochtempera- tursupraleitenden elektrischen Leiter (7) aufweisen
- und wobei beide Wicklungen (5a, 5b) in mehreren Windungen (Wi,Wix) um eine für beide Wicklungen (5a, 5b) gemeinsame erste ringartige Grundstruktur (9a) gewickelt sind,
- derart, dass sich beide Wicklungen (5a, 5b) über einen ge¬ meinsam bewickelten, überwiegenden Teil (u) des Umfangs der ringartigen Grundstruktur (9a) erstrecken.
2. Transformator (1) nach Anspruch 1, bei dem für die wenigstens eine Transformationseinheit (3a)
- alle miteinander elektrisch in Serie geschalteten Windungen (Wix) einer jeweiligen Wicklung (5b) die miteinander in Serie geschalteten Windungen (Wi) der anderen Wicklung (5a) auf dem gesamten gemeinsam bewickelten Teil (u) des Umfangs radial umgeben.
3. Transformator (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Innere der beiden Wicklungen (5a, 5b) auf einem überwiegenden Teil (ux) des Umfangs der ersten ringartigen
Grundstruktur (9a) frei von einem weichmagnetischen Kern ist.
4. Transformator (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die erste ringartige Grundstruktur (9a) einen ge- öffneten Ring mit einem axialen Versatz (11) zwischen zwei Endbereichen (13a, 13b) des Rings darstellt.
5. Transformator (1) nach Anspruch 4, bei dem der axiale Versatz (11) kleiner ist als ein Durchmesser (15) der ersten ringartigen Grundstruktur (9a).
6. Transformator (1) nach einem der Ansprüche 4 oder 5, bei dem nur in den Endbereichen (13a, 13b) der ersten ringartigen Grundstruktur (9a) ein weichmagnetischer Kern (17) im Inneren der beiden Wicklungen (5a, 5b) angeordnet ist.
7. Transformator (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit mehreren Transformationseinheiten (3a, 3b, 3c), die jeweils eine Primärwicklung (5a) und eine Sekundärwicklung (5b) mit hochtemperatursupraleitenden Leitern (7) aufweisen,
- wobei jede der beiden Wicklungen (5a, 5b) einer jeweiligen Transformationseinheit (3a, 3b, 3c) in mehreren Windungen (Wi,Wix) um eine für beide Wicklungen (5a, 5b) gemeinsame ringartige Grundstruktur (9a, 9b, 9c) der jeweiligen Trans¬ formationseinheit (3a, 3b, 3c) gewickelt ist,
- derart, dass sich beide Wicklungen (5a, 5b) einer jeweili¬ gen Transformationseinheit (3a, 3b, 3c) über einen gemein- sam bewickelten, überwiegenden Teil (u) des Umfangs der jeweiligen ringartigen Grundstruktur (9a, 9b, 9c) erstrecken.
8. Transformator (1) nach Anspruch 7, bei dem alle Transformationseinheiten (3a, 3b, 3c) jeweils eine zugehörige ringarti- ge Grundstruktur (9a, 9b, 9c) aufweisen, die einen geöffneten Ring mit einem axialen Versatz (11) zwischen zwei Endbereichen des jeweiligen Rings (9a, 9b, 9c) darstellt
- wobei die einzelnen ringartigen Grundstrukturen (9a, 9b, 9c) derart axial zueinander versetzt angeordnet sind, dass sie zusammen eine übergeordnete helixartige Struktur (19) bilden .
9. Transformator (1) nach Anspruch 8, welcher ein weichmagnetisches Kopplungsj och (17) aufweist, das sich im Bereich der Öffnungen (12) der axial versetzten ringartigen Grundstrukturen (9a, 9b, 9c) in axialer Richtung (a) erstreckt.
10. Transformator (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welcher einen Kryostaten (21) zur Kühlung der hochtempe- ratursupraleitenden Leiter (7) aufweist, wobei der Kryostat
(21) alle jeweils vorliegenden Primär- und Sekundärwicklungen (5a, 5b) gemeinsam umschließt.
11. Transformator (1) nach Anspruch 10, bei welchem der Kryostat (21) eine einfach zusammenhängende Topologie auf¬ weist.
12. Transformator (1) nach einem der Ansprüche 10 oder 11, bei welchem der Kryostat (21) eine elektrisch leitfähige Kryostatwand (23) aufweist.
13. Transformator (1) nach einem der vorhergehenden Ansprü- che, bei welchem die hochtemperatursupraleitenden elektrischen Leiter (7) Magnesiumdiborid und/oder eine Verbindung des Typs REBCO aufweisen.
14. Transformator (1) nach einem der vorhergehenden Ansprü- che, bei welchem die hochtemperatursupraleitenden elektrischen Leiter (7) als Bandleiter (25) ausgebildet sind.
15. Transformator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welcher wenigstens einen ringartig geformten Wicklungsträger (27a) aufweist.
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