EP3424057A1 - Elektrische spulenwicklung - Google Patents

Elektrische spulenwicklung

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Publication number
EP3424057A1
EP3424057A1 EP17717351.5A EP17717351A EP3424057A1 EP 3424057 A1 EP3424057 A1 EP 3424057A1 EP 17717351 A EP17717351 A EP 17717351A EP 3424057 A1 EP3424057 A1 EP 3424057A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
coil winding
electrical
conductor
conductive element
winding
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Withdrawn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
EP17717351.5A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Anne Bauer
Hans-Peter KRÄMER
Manfred Wohlfart
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 EP3424057A1 publication Critical patent/EP3424057A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • 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
    • 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
    • H01F27/2871—Pancake coils
    • 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
    • H01F27/32—Insulating of coils, windings, or parts thereof
    • H01F27/323—Insulation between winding turns, between winding layers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F6/00—Superconducting magnets; Superconducting coils
    • H01F6/04—Cooling

Definitions

  • the present invention relates to an electrical coil ⁇ winding with an electrical conductor, a non-conductive element and at least a first holding element, wherein the electrical conductor and the non-conductive element are parallel to ⁇ wound in a plurality of turns.
  • the individual windings are provided already during the winding with an adhesive and / or impregnating agent, and this is cured after the eigentli ⁇ chen winding process, so that a mechanically more dimensionally stable bobbin is formed.
  • dry wound coils ie coils without such bonding or impregnating can be cast, glued or impregnated after winding process to obtain such a form stable ⁇ len spool.
  • dry gewekkelte coils in which the turns are not, only partially or only loosely connected.
  • Eg can be screwed to the non-conductive element with the two contact ⁇ elements that are used for the electrical contacting of the electrical conductor.
  • These are often copper blocks, which are arranged in radially innenlie ⁇ ing and / or outer regions of the coil winding and are electrically connected to the two end regions of the conductor with this. If ladder and non-conducting element are both mechanically fixed to these contact elements, mutual displacement of these two elements can sometimes be prevented, but only as long as it is not for the application of additional forces or a
  • the object of the invention is therefore to provide an electric coil ⁇ winding, which overcomes the disadvantages mentioned.
  • a coil winding is to be made available ge ⁇ represents, which is mechanically stable even without bonding or potting with a fixing means in operation. It should therefore be maintained during operation of the winding assembly without the electrical conductor and the non-conductive Ele ⁇ ment slip against each other and lose their mechanical hold in the coil winding.
  • the SPU ⁇ lenwicklung invention comprises at least one electrical conductor, at least one non-conductive element and at least a first retaining element.
  • the electrical conductor and which does not conduct ⁇ de element are wound parallel to each other in a plurality of turns wherein the first retaining element is arranged in a first end region of the coil winding, and wherein the non-conductive member by at least one elastic see tension member on the retaining element is mechanically fixed.
  • the elastic tension element may for example be a tension spring or else another elastic element with which the non-conductive element is fixed to the retaining element while applying a tensile stress.
  • it may be a rubber band or an element of a similar elastic material as rubber.
  • the coil winding is thus designed so that the electrical conductor is mechanically decoupled from the tensile force of the elastic tension element.
  • the electrical conductor can be rigidly fixed mechanically to the holding element or also to any other element. This ensures that the non-conductive element is kept separate from the electrical Lei ⁇ ter under mechanical tension.
  • At a drove the coil winding and / or at a cooling or heating to an operating temperature can be achieved so that occurring forces can be absorbed and different length changes between the electrical conductor and non-conductive element can be compensated.
  • undesired displacement of the electrical conductor and / or of the non-conducting element from the local winding plane does not occur.
  • both the electrical conductor and the non-conductive element can be band-shaped.
  • the coil winding may be formed as a flat coil with superimposed layers of the band-shaped elements.
  • the coil can be a solid Have winding level, within which all windings are ge ⁇ wrapped.
  • the band-shaped conductor and the band-shaped non-conductive element can then be wound within this Wick ⁇ treatment plane that the main surfaces of the bands are each perpendicular to the winding plane.
  • the band-shaped elements of the successive turns can then each lie flat over each other.
  • the band-shaped elements may also be present in the form of other geometries:
  • the non-conductive element may also advantageously be in the form of a dreidi ⁇ -dimensionally structured fabric.
  • a flat belt is also possible and in principle before geometry ⁇ geous, for both the non-conductive element as well as the electrical conductor.
  • flat coils with band-shaped electrical conductor and band-shaped non-conductive element generally have the advantage that these winding elements radially superimposed so that the elements in each successive turns fix each other mechanically and the entire coil winding is mechanically stable even in dry form.
  • the inventive tensile stress on the non-conductive element is then a particularly good mechanical stability he ⁇ reaches.
  • the electrical conductor is a superconducting
  • HTS High-temperature superconductors
  • cuprate superconductors superconductors
  • superconductors half of 77 K, where the operating temperature can be achieved by cooling with other cryogenic materials than liquid helium.
  • HTS materials are also particularly attractive because these materials can have high upper critical magnetic fields as well as high critical current densities, depending on the choice of operating temperature.
  • the high temperature superconductor for example, the high temperature superconductor
  • Magnesium diboride or an oxide ceramic superconductor for example, a compound of the type REBa 2 Cu30 x (short REBCO), where RE is a rare earth element or a mixture of such elements.
  • the mechanical stability of dry-wound coils is particularly important since in some cases it is not desirable to seal or bond the coil, for example to obtain an open structure in which the superconducting conductor is in close contact with can stand a fluid coolant. This makes it easier to achieve cooling of the superconductor to a temperature below its transition temperature.
  • the first end region may advantageously be arranged radially outboard on ⁇ . Rich in such a radially outer loading, in particular a flat coil, it is especially more ⁇ kind, to avoid lateral slippage of the winding elements by electrostatic forces, or by changes in length, since the windings lying outside are supported mechanically by further turns and so special ansoci - lig are for a lateral displacement.
  • the first end region may, in principle, also be arranged radially inwardly.
  • both a radially inner end region and a radially outer end region of a coil winding can be designed in the manner described.
  • the non-conductive element can be attached both inside and outside by means of an elastic tension element on a holding element be fixed. This fixation can advantageously be decoupled mechanically on both sides from a fixation of the electrical conductor.
  • the radially inner and radially au ⁇ SEN each present a separate support member on which the non-conductive element is fixed mecha nically ⁇ in its two end regions.
  • both end regions of the conductor and thus both retaining elements to be located radially outside, as is frequently the case, for example, with current-limiting coils.
  • the holding element may advantageously be formed as an electrical contact ⁇ element, with which the electrical conductor is electrically connected.
  • the electrical conductor may be connected to the same retaining element as the non-conductive element.
  • the conductor can be rigidly connected mechanically to this holding element and is thus mechanically decoupled from the elastically fixed non-conducting element.
  • the first Hal ⁇ teelement ment be a radially outward electrical contact element.
  • a second holding member vorlie ⁇ gene which is a radially inner or radially emergelie ⁇ constricting contact element, and with which the non ⁇ conductive element is also fixed in its second end region with ⁇ means of an elastic tension member.
  • the at least one contact element may be, for example, a copper contact piece.
  • the non-conductive element may be formed as a spacer between individual, superimposed turns of the electrical conductor.
  • the Ab ⁇ spacers may in particular be a radial spacer between radially superimposed turns of a flat coil. Particularly advantageous hereby a radial distance of the individual turns of at least 1 mm can be realized.
  • the designed as a spacer non-conductive element may have one or more cavities, which are traversed by a fluid coolant. This embodiment is particularly advantageous in connection with a superconducting conductor, since then with the coolant particularly effective ei ⁇ ne cooling to a temperature below the critical temperature can be effected. Especially in superconducting coil windings, it is generally advantageous to provide the individual windings with a spacer therebetween
  • the non-conductive element may be generally a corrugated strip umfas ⁇ sen.
  • a corrugated strip in the present context is a band-shaped element with a wave-like profile. These may in principle be regular or irregular waves. They may be sinusoidal waves or only approximately wave-shaped arrangements of polygons. It is only important that the corrugated strip has a sequence of successive wave crests and wave troughs in the longitudinal direction. About such a structure can be achieved ⁇ that the non-conductive element acts as a spacer zwi ⁇ tween the adjacent turns of the electrical conductor.
  • the non-conductive element from egg ⁇ nem corrugated strip are made, or it may comprise one or more further ingredients in addition to the corrugated strip.
  • the non-conductive element may be formed by combining at least one such corrugated strip with one or more flat strips.
  • the individual components can either be laid over one another loosely or else firmly connected mechanically, for example by gluing or welding of the individual components.
  • the non-conductive element may be at least partially formed from a plastic.
  • Plastics are generally well-suited for electrical insulation and are at the same time deformable enough to be wrapped in a coil winding in the form of thin strips.
  • flat strips of plastics such as beispielswei ⁇ se polyester, polyethylene terephthalate (PET), polyimide (PI) or polytetrafluoroethylene (PTFE), in particular Hostaphan, kapton or teflon, are used.
  • Plastics are also particularly suitable for a non-conductive element acting as a spacer.
  • the plastic For use in conjunction with sup ⁇ ra organizationsden electrical conductors, it is generally particularly advantageous when the plastic is designed for use in a cryogenic temperature range below the transition temperature of the superconductor.
  • the art ⁇ material can be adapted, environmentally rinsed from the method employed for cooling the cooling fluid, such as liquid nitrogen, FLÜS ⁇ Sigem hydrogen, liquid helium or liquid neon to be without its mechanical strength to Verlie ⁇ ren.
  • the non-conductive element may be wider than the electrical conductor.
  • the width of these elements should generally be understood to mean an expansion in a spatial direction perpendicular to their longitudinal extent, in particular the greatest extent perpendicular to the longitudinal extent.
  • the non-conductive element is wider than the electrical see conductor, since then the electrical conductor between the surrounding turns of the non-conductive element can be embedded so that it in an axial direction of the coil winding from the outer mechanical Protected influences.
  • a further advantage of a wider in comparison with the conductor non-conductive member that the track for a mög ⁇ union electrical flashover of one turn of the conductor to the next is significantly extended. In this way, the risk of unwanted electrical flashovers between the turns of the coil winding decreases.
  • the non-conducting element of such width can have, in a region lying inwardly in relation to its width, a recess or a series of recesses in which NEN of the electrical conductor is guided.
  • the conductor is then - not only radially embedded between the adjacent turns of the nonconductive element - in particular in the geometry of a flat coil, but is also held in the axial direction of the coil winding between parts of the nonconductive element.
  • the non-conductive element can be made up of several parts.
  • a corrugated non-conductive tape with one or more flat Vietnameselei ⁇ Tenden strips may be combined at least.
  • plastic-containing component elements may be joined together by thermal welding from ⁇ cut as to form a übergeord ⁇ designated three-dimensional structure.
  • a spacer for the turns of the electrical conductor can be made available to be ⁇ Sonder easily.
  • the elastic traction element may be generally configured so that it can exert a pulling force of at least 5 N to the non ⁇ conductive element. This tensile force can act on it, in particular along a longitudinal direction of the nonconductive element. In the case of a traction force designed in this way, a reliable retightening of the nonconductive element can advantageously be achieved, with which a good support is achieved and thus an axial slippage of the individual turns can be avoided.
  • the tension element as a tension spring, this may for example have a spring constant of at least 5 N / mm.
  • the electrical conductor may have at least two conductor branches on ⁇ , wherein at least two adjacent in the winding lie ⁇ constricting guide legs for opposite direction current flow directions from ⁇ designed. Such an embodiment is particularly advantageous for application of the coil winding in one
  • the coil winding can be designed in particular in the form of a so-called bifilar coil winding.
  • the current flow directions can either vary between each adjacent pair of conductor branches, or else there can be both energetically energizable neighbors of conductor branches in the same direction. It is essential in connection with the present invention that there is at least one pair of conductor branches adjacent in the winding, in which the current flow directions provided in operation are opposite.
  • the tensile stress according to the invention is particularly relevant on the at least one nonconductive element, since the adjacent conductor branches repel each other during operation and thus it can be particularly easy to loosen the winding assembly.
  • Such electrically loosening of the winding assembly is advantageously avoided by the solution according to the invention, since the non-conductive element is permanently tensioned.
  • the present tension may be as indicated above so strong designed such that the mechanical integrity of the coil ⁇ system is so high that a lateral slipping of the windings is avoided and in electrical operation.
  • the coil winding can thus be designed for use in a fault current limiter. It will therefore be one
  • Current limiter claimed with a coil winding according to the invention may be a supraleal acting fault current limiting device act.
  • the current limiter can be designed as a resistive, inductive or inductive resistive current limiter.
  • the current limiter can have one or more coil windings according to the invention. In the case of multiple coil windings, these can be stacked in particular in the axial direction.
  • the coil winding may also be for operating in a rotating machine, thus for example in the rotor or stator windings of a rotor or generator vorgese ⁇ hen.
  • the coil winding can be provided as a magnetic coil for generating magnetic fields, in particular as a superconducting magnet ⁇ coil for magnetic resonance imaging or magnetic resonance spectroscopy.
  • Figure 1 is a schematic plan view of a bifilar wound
  • Figure 2 designed as a spacer non-conductive
  • FIG. 3 shows the first end portion 9a of Figure 1 in a schematic
  • FIG. 1 shows a coil winding 1 of a fault current limiter in a schematic plan view. Shown is a Flat coil in which an electrical conductor 3 is wound in a plurality of turns within a fixed winding plane about a central winding axis A.
  • the electrical conductor here has two conductor branches 3a and 3b, which are connected to each other in the center of the winding in the example shown and are arranged in the form of a so-called bifilar winding such that the current flow directions Ia and Ib of the winding branches adjacent arranged in the winding branches 3a and 3b are opposite. Between the adjacent turns of the constricting Lie two conductor branches 3a and 3b each ⁇ wells arranged a non-conductive element. 5 The present here the total ⁇ two non-conductive members 5, separate the adjacent turns of the electrical conductor 3 over the entire length of the winding. The adjacent windings are due to the insulating properties of the
  • Elements 5 for an electrically isolated and they are kept on a specified differently surrounded distance d to the other due to the thickness of the elements. 5
  • the elements 5 are only reproduced sche ⁇ matically as a flat line. However, in this example, they also have a significant extent in the radial direction and an overall three-dimensional structure, as will be explained in more detail below.
  • the two ends of the electrical conductor 3 are due to the shown folding of the conductor in the center of the coil winding both here in radially outer regions of the winding.
  • the first conductor branch 3a is connected to a first holding element 7a, which simultaneously serves as a contact element for this conductor branch 3a. It can be configured for example as a solid copper block.
  • the second conductor branch 3b is connected to a corresponding second holding element 7b, which also serves as a contact element.
  • the two contacted there conductor branches 3a and 3b are covered approximately up to the respective holding ⁇ element on the radially outer side of one of the non-conductive elements 5 and me ⁇ mechanically protected so toward the outside are.
  • the non-conducting elements 5 are mecha- connected to the respective holding elements 7a and 7b.
  • the embodiment of the coil winding 1 described in more detail below in connection with FIG. 4 differs from the prior art in the exact type of mechanical fixing of the non-conductive elements 5 on the retaining elements 7a and 7b.
  • Fi gur ⁇ 2 is a detailed view of the dargestell- th in Figure 1 non-conductive member 5 is shown. Shown is a section of the Ab ⁇ designed as spacer non-conductive member 5 of the coil winding 1 with an inserted therein electrical conductors 3 in a schematic perspective view.
  • the width of the spacer is here designated B and the direction of its longitudinal extent with L.
  • the electrical conductor 3 is designed here as a superconducting band conductor, for example as a band conductor with a high-temperature superconducting layer on a normal considering- the substrate.
  • a superconducting band conductor for example as a band conductor with a high-temperature superconducting layer on a normal considering- the substrate.
  • Such special ⁇ DERS suitable for superconducting current limiters strip conductor are described in DE 10 2004 048 646 Al in more detail.
  • the nonconductive element 5 is designed to ⁇ act as a spacer between adjacent turns of the conductor 3.
  • the non-conductive element 5 is constructed in the example shown of two parts, namely a flat band 18 and a corrugated strip 17. Both bands can be mechanically interconnected in the narrower adjacent areas - ie in the areas of wave troughs in Figure 2, for example by welding or gluing.
  • the corrugated strip 17 has recesses 21 in the region of the wave crests into which the strip-shaped conductor 3 can be inserted in the finished coil winding 1, as shown by way of example in the right-hand part of FIG.
  • a non-conductive spacer as shown by way of example in FIG. 2
  • the turns of the superconducting conductor 3 are kept at a defined distance and, on the other hand through the open structure cavities 13 are formed between the windings through which a fluid coolant can flow.
  • the construction of the non-conductive element according to FIG. 2 is to be understood in the context of the present invention only as an example. Further advantageous execution ⁇ shape of the spacer can just as in EP be carried out as described 2041808 Bl.
  • Figure 4 shows an ER-making-type configuration of fixing the Wicklungsele ⁇ mente 7a on the support member. Shown is again
  • nonconductive element 5 is not guided completely to the retaining element 7a. It is not directly and rigidly connected to this, but it is fixed via elastic tension elements to the ⁇ sem.
  • two such elasti ⁇ rule tension members 11 are in the form of tension springs, the corrugated strip between 17 and ribbon 18 in one of the hollow spaces on a 13 inserted retainer pin 12 are connected with this.
  • other types of fixation on non-conductive element 5 are conceivable. It is also sufficient that non-conductive element 5 and retaining element 7a are connected to each other with only one elastic tension element.
  • the advantages of the mechanical fixing of the non-conductive element according to the invention are not limited to the embodiment of the non-conductive element shown in FIG. Nor are they limited to current limiter coils having a geometry corresponding to FIG.
  • the embodiments according to FIGS. 1 and 2 are only to be understood as examples in order to better explain the effect of the invention.
  • the advantages of the fixation according to the invention also come into play, if, for example
  • the coil winding does not have the shape of a flat coil but, for example, the shape of a solenoid or saddle coil,
  • the coil winding is not bifilar, but is constructed, for example, as a winding with continuous same direction current flow in adjacent windings,
  • the coil winding is not designed for limiting the current but, for example, for a magnet coil or a coil in an electrical machine,
  • the end regions of the conductor are not both radially penetratelie ⁇ quietly, but for example, a radially outer and a ra dial ⁇ inside is arranged,
  • the at least one holding element is not formed simultaneously as a contact element for the conductor
  • the electrical conductor and / or the non-conductive element is not band-shaped

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Abstract

Es wird eine elektrische Spulenwicklung (1) mit einem elektrischen Leiter (3), einem nichtleitenden Element (5) und wenigstens einem ersten Halteelement (7a) angegeben. Der elektrische Leiter (3) und das nichtleitende Element (5) sind parallel zueinander in einer Mehrzahl von Windungen gewickelt. Das erste Halteelement (7a) ist in einem ersten Endbereich (9a) der Spulenwicklung (1) angeordnet, und das nichtleitende Element (5) ist mittels wenigstens eines elastischen Zugelements (11) an dem Halteelement (7a) mechanisch fixiert. Weiterhin wird ein Fehlerstrombegrenzer mit einer solchen Spulenwicklung (1) angegeben.

Description

Beschreibung
Elektrische Spulenwicklung Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Spulen¬ wicklung mit einem elektrischen Leiter, einem nichtleitenden Element und wenigstens einem ersten Halteelement, wobei der elektrische Leiter und das nichtleitende Element parallel zu¬ einander in einer Mehrzahl von Windungen gewickelt sind.
Bei vielen bekannten Spulenwicklungen sind elektrische Leiter im Wechsel mit nichtleitenden Elementen in einer Abfolge von aufeinanderliegenden Windungen aufgewickelt. Dabei isolieren die zwischen den Leiterwindungen liegenden nichtleitenden Elemente die einzelnen Leiterwindungen voneinander. Grundsätzlich kann es sich bei den elektrischen Leitern dabei um supraleitende oder auch um normalleitende Leiterelemente han¬ deln. Bei den supraleitenden Leiterelementen können zusätzlich zu dem supraleitenden Material auch ein oder mehrere normalleitende Leiterbahnen vorhanden sein. Bei herkömmlichen nass gewickelten Spulenwicklungen werden die einzelnen Windungen bereits beim Aufwickeln mit einem Klebe- und/oder Imprägniermittel versehen, und dieses wird nach dem eigentli¬ chen Wicklungsprozess ausgehärtet, so dass ein mechanisch formstabiler Spulenkörper gebildet wird. Auch trocken gewickelte Spulen, das heißt Spulen ohne ein solches Klebe- oder Imprägniermittel, können nach dem Wicklungsprozess vergossen, verklebt oder imprägniert werden, um einen solchen formstabi¬ len Spulenkörper zu erhalten. Es gibt aber auch trocken gewi- ekelte Spulen, bei denen die Windungen nicht, nur teilweise oder nur locker miteinander verbunden werden. Bei dieser Art von trockenen Spulenwicklungen besteht das Risiko, dass sich nach der Wicklung der Spule die einzelnen Windungslagen des elektrischen Leiters und des nichtleitenden Elements nach der Herstellung der Spule gegeneinander verschieben können. Insbesondere können durch den elektrischen Betrieb einer solchen Spulenwicklung oder auch durch Temperaturänderungen bei Abkühlen oder Erwärmen auf eine von der Herstellungstemperatur unterschiedliche Betriebstemperatur Kräfte ausgebildet wer¬ den, die die einzelnen Wicklungslagen gegeneinander verschieben können. Um das Problem des möglichen Verschiebens des elektrischen Leiters und/oder des nichtleitenden Elements aus der fertig gewickelten Spulenwicklung zu lösen, wird bei herkömmlichen Spulenwicklungen typischerweise das nichtleitende Element an den Enden der Spulenwicklung mechanisch fixiert. Beispiels- weise kann das nichtleitende Element mit den beiden Kontakt¬ elementen verschraubt werden, die zur elektrischen Kontaktie- rung des elektrischen Leiters verwendet werden. Hierbei handelt es sich häufig um Kupferblöcke, die in radial innenlie¬ genden und/oder außenliegenden Bereichen der Spulenwicklung angeordnet sind und an den beiden Endbereichen des Leiters elektrisch mit diesem verbunden sind. Wenn Leiter und nichtleitendes Element beide an diesen Kontaktelementen mechanisch fixiert werden, kann ein gegenseitiges Verschieben dieser beiden Elemente manchmal verhindert werden, aber nur solange es nicht zur Einwirkung zusätzlicher Kräfte oder zu einer
Ausdehnung oder Schrumpfung dieser Elemente kommt. Problematisch ist es aber vor allem, wenn benachbarte Leiterzweige sich beim Betrieb abstoßen oder wenn Leiter und nichtleitendes Element sich beim Betrieb und/oder bei einer Temperatur- Veränderung unterschiedlich in der Länge verändern. In diesen Fällen kann es bei der herkömmlichen Fixierung der Wicklungselemente leicht zu einem gegenseitigen Verschieben der unterschiedlichen Elemente kommen. Nachteilig ist dann vor allem, dass dann der kompakte mechanisch stabile Verbund der Spulen- wicklung verlorengehen kann. Gerade bei trocken gewickelten und nicht nachträglich vergossenen oder verklebten Flachspulen besteht dann das Problem, dass der Leiter und oder das nichtleitende Element in axialer Richtung, also senkrecht zur Wicklungsebene der Spule, aus der Spulenebene herausrutschen können. Solche Spulen sind dann im Betrieb nicht mechanisch stabil . Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine elektrische Spulen¬ wicklung anzugeben, welche die genannten Nachteile überwindet. Insbesondere soll eine Spulenwicklung zur Verfügung ge¬ stellt werden, welche auch ohne Verkleben oder Vergießen mit einem Fixierungsmittel im Betrieb mechanisch stabil ist. Es soll also im Betrieb der Wicklungsverbund erhalten bleiben, ohne dass der elektrische Leiter und das nichtleitende Ele¬ ment gegeneinander verrutschen und ihren mechanischen Halt in der Spulenwicklung verlieren.
Diese Aufgabe wird durch die in Anspruch 1 beschriebene elektrische Spulenwicklung gelöst. Die erfindungsgemäße Spu¬ lenwicklung weist wenigstens einen elektrischen Leiter, wenigstens ein nichtleitendes Element und wenigstens ein erstes Halteelement auf. Der elektrische Leiter und das nichtleiten¬ de Element sind parallel zueinander in einer Mehrzahl von Windungen gewickelt, wobei das erste Halteelement in einem ersten Endbereich der Spulenwicklung angeordnet ist und wobei das nichtleitende Element mittels wenigstens eines elasti- sehen Zugelements an dem Halteelement mechanisch fixiert ist.
Das elastische Zugelement kann beispielsweise eine Zugfeder oder aber auch ein anderes elastisches Element sein, mit dem das nichtleitende Element unter Ausübung einer Zugspannung an dem Halteelement fixiert ist. Beispielsweise kann es sich um ein Gummiband oder ein Element aus einem ähnlich elastischen Material wie Gummi handeln. Durch die erfindungsgemäße Ausge¬ staltung der elastischen Fixierung des nichtleitenden Elements an dem Halteelement wird erreicht, dass das nichtlei- tende Element getrennt von dem elektrischen Leiter unter
Spannung gehalten werden kann. Insbesondere ist die Spulenwicklung also so ausgestaltet, dass der elektrische Leiter mechanisch von der Zugkraft des elastischen Zugelements entkoppelt ist. Beispielsweise kann der elektrische Leiter starr an dem Haltelement oder auch an einem beliebigen anderen Element mechanisch fixiert sein. Hierdurch wird erreicht, dass das nichtleitende Element getrennt von dem elektrischen Lei¬ ter unter mechanischer Spannung gehalten wird. Bei einem Be- trieb der Spulenwicklung und/oder bei einer Abkühlung oder auch Erwärmung auf eine Betriebstemperatur kann so erreicht werden, dass auftretende Kräfte abgefedert und differentiell Längenänderungen zwischen elektrischem Leiter und nichtleitendem Element ausgeglichen werden können. So kommt es dann trotz einer Krafteinwirkung nicht zu einer unerwünschten Ver Schiebung des elektrischen Leiters und/oder des nichtleitenden Elements aus der lokalen Wicklungsebene heraus.
Vorteilhaft bleibt mit der erfindungsgemäßen Ausgestaltung der mechanischen Fixierung die Spulenwicklung auch als trockene Spule mechanisch stabil, da das auf Zug gehaltene nichtleitende Element auch den parallel dazu geführten elekt¬ rischen Leiter innerhalb der einzelnen Windungen der Wicklung fixiert. Auch in den Endbereichen der Spulenwicklung kommt es nicht zu einem Herausrutschen der leitenden und nichtleitenden Elemente aus der Wicklungsebene, da Längenänderungen durch das elastische Zugelement ausgeglichen werden können und nicht durch eine Verschiebung aus der Wicklungsebene her¬ aus ausgeglichen werden müssen. Dies gilt insbesondere auch für die äußersten Windungen der Wicklung, also beispielsweise für die radial am weitesten innen liegende und die radial am weitesten außen liegende Wicklung einer Flachspule. Bei einer starren Fixierung von elektrischem Leiter und nichtleitendem Element kommt es gerade in diesen Endbereichen besonders leicht zu einem Verrutschen der Wicklungselemente durch deren Längenänderungen oder durch elektrische Abstoßung zwischen den Leiterwindungen.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den von Anspruch 1 abhängigen Ansprüchen sowie der folgenden Beschreibung hervor.
So kann bei der elektrischen Spulenwicklung sowohl der elektrische Leiter als auch das nichtleitende Element bandförmig sein. Hierbei kann die Spulenwicklung als Flachspule mit übereinanderliegenden Lagen der bandförmigen Elemente ausgebildet sein. Mit anderen Worten kann die Spule eine feste Wicklungsebene aufweisen, innerhalb derer alle Windungen ge¬ wickelt sind. Der bandförmige Leiter und das bandförmige nichtleitende Element können dann so innerhalb dieser Wick¬ lungsebene gewickelt sein, dass die Hauptflächen der Bänder jeweils senkrecht zur Wicklungsebene liegen. Die bandförmigen Elemente der aufeinanderfolgenden Windungen können dann jeweils flächig übereinander liegen.
Im vorliegenden Zusammenhang sollen unter den genannten band- förmigen Elementen allerdings nicht nur Flachbänder verstanden werden, sondern die bandförmigen Elemente können auch in Form anderer Geometrien vorliegen: Insbesondere kann das nichtleitende Element auch vorteilhaft in Form eines dreidi¬ mensional strukturierten Bandes vorliegen. Eine flache Band- geometrie ist jedoch ebenfalls möglich und prinzipiell vor¬ teilhaft, sowohl für das nichtleitende Element als auch für den elektrischen Leiter.
Unabhängig von der genauen Ausgestaltung haben Flachspulen mit bandförmigem elektrischem Leiter und bandförmigem nichtleitendem Element allgemein den Vorteil, dass diese Wicklungselemente radial so übereinanderliegen, dass die Elemente in den einzelnen aufeinanderfolgenden Windungen sich gegenseitig mechanisch fixieren und die gesamte Spulenwicklung auch in trockener Form mechanisch stabil ist. Durch die erfindungsgemäße Zugspannung auf dem nichtleitenden Element wird dann eine besonders gute mechanische Stabilität er¬ reicht . Vorteilhaft kann der elektrische Leiter ein supraleitendes
Material umfassen. Insbesondere kann es sich um einen supra¬ leitenden Bandleiter handeln, bei dem eine supraleitende Schicht auf einem normalleitenden oder nichtleitenden Substrat aufgebracht ist. Bei dem supraleitenden Material kann es sich um einen Hochtemperatursupraleiter handeln. Hochtemperatursupraleiter (HTS) sind supraleitende Materialien mit einer Sprungtemperatur oberhalb von 25 K und bei einigen Materialklassen, beispielsweise den Cuprat-Supraleitern, ober- halb von 77 K, bei denen die Betriebstemperatur durch Kühlung mit anderen kryogenen Materialien als flüssigem Helium erreicht werden kann. HTS-Materialien sind auch deshalb besonders attraktiv, da diese Materialien abhängig von der Wahl der Betriebstemperatur hohe obere kritische Magnetfelder sowie hohe kritische Stromdichten aufweisen können.
Der Hochtemperatursupraleiter kann beispielsweise
Magnesiumdiborid oder einen oxidkeramischen Supraleiter, bei- spielsweise eine Verbindung des Typs REBa2Cu30x (kurz REBCO) aufweisen, wobei RE für ein Element der seltenen Erden oder eine Mischung solcher Elemente steht.
Bei Spulenwicklungen mit supraleitenden Leitern ist die me- chanische Stabilität von trocken gewickelten Spulen besonders wichtig, da in manchen Fällen ein Verguss oder ein Verkleben der Spule nicht gewünscht ist, beispielsweise um eine offene Struktur zu erhalten, in der der supraleitende Leiter in engem Kontakt mit einem fluiden Kühlmittel stehen kann. So kann leichter eine Kühlung des Supraleiters auf eine Temperatur unterhalb seiner Sprungtemperatur erreicht werden.
Der erste Endbereich kann vorteilhaft radial außenliegend an¬ geordnet sein. In einem solchen radial außenliegenden Be- reich, insbesondere einer Flachspule, ist es besonders wich¬ tig, ein seitliches Verrutschen der Wicklungselemente durch elektrostatische Kräfte oder durch Längenänderungen zu vermeiden, da die außen liegenden Windungen nicht durch weitere Windungen mechanisch gestützt werden und so besonders anfäl- lig für ein seitliches Verschieben sind.
Alternativ kann der erste Endbereich prinzipiell jedoch auch radial innenliegend angeordnet sein. Besonders vorteilhaft können sowohl ein radial innenliegender Endbereich als auch ein radial außenliegender Endbereich einer Spulenwicklung auf die beschriebene Weise ausgestaltet sein. Mit anderen Worten kann das nichtleitende Element sowohl innen als auch außen mittels eines elastischen Zugelements an einem Halteelement fixiert sein. Diese Fixierung kann vorteilhaft auf beiden Seiten mechanisch von einer Fixierung des elektrischen Leiters entkoppelt sein. Dabei kann radial innen und radial au¬ ßen jeweils ein separates Halteelement vorliegen, an dem das nichtleitende Element in seinen beiden Endbereichen mecha¬ nisch fixiert ist. Es können jedoch auch beide Endbereiche des Leiters und somit beide Halteelemente radial außenliegend sein, wie dies beispielsweise bei Strombegrenzerspulen häufig zu finden ist.
Das Halteelement kann vorteilhaft als elektrisches Kontakt¬ element ausgebildet sein, mit dem der elektrische Leiter elektrisch leitend verbunden ist. Mit anderen Worten kann der elektrische Leiter mit demselben Halteelement verbunden sein wie das nichtleitende Element. Dabei kann der Leiter starr mit diesem Halteelement mechanisch verbunden sein und ist somit mechanisch entkoppelt von dem elastisch fixierten nichtleitenden Element. Besonders vorteilhaft kann das erste Hal¬ teelement ein radial außenliegendes elektrisches Kontaktele- ment sein. Zusätzlich kann ein zweites Halteelement vorlie¬ gen, welches ein radial innenliegendes oder radial außenlie¬ gendes Kontaktelement darstellt, und mit welchem das nicht¬ leitende Element in seinem zweiten Endbereich ebenfalls mit¬ tels eines elastischen Zugelements fixiert ist. Bei dem we- nigstens einen Kontaktelement kann es sich beispielsweise um ein Kupferkontaktstück handeln.
Das nichtleitende Element kann als Abstandshalter zwischen einzelnen, übereinanderliegenden Windungen des elektrischen Leiters ausgebildet sein. Insbesondere kann der hierdurch er¬ reichte Abstand zwischen den aufeinanderliegenden Windungen größer sein als die Dicke des elektrischen Leiters. Der Ab¬ standshalter kann insbesondere ein radialer Abstandshalter zwischen radial übereinanderliegenden Windungen einer Flach- spule sein. Besonders vorteilhaft kann hiermit ein radialer Abstand der einzelnen Windungen von wenigstens 1 mm realisiert sein. Das als Abstandshalter ausgestaltete nichtleitende Element kann einen oder mehrere Hohlräume aufweisen, welche von einem fluiden Kühlmittel durchströmbar sind. Diese Ausgestaltung ist besonders in Verbindung mit einem supraleitenden Leiter vorteilhaft, da dann mit dem Kühlmittel besonders wirksam ei¬ ne Kühlung auf eine Temperatur unterhalb der Sprungtemperatur bewirkt werden kann. Besonders in supraleitenden Spulenwicklungen ist es allgemein vorteilhaft, die einzelnen Windungen mit einem dazwischen angeordneten Abstandshalter zu
beabstanden, um die gebildete Lücke für den Durchfluss von Kühlmittel zu nutzen.
Das nichtleitende Element kann allgemein ein Wellband umfas¬ sen. Ein Wellband ist im vorliegenden Zusammenhang ein bandförmiges Element mit einem wellenartigen Profil. Dabei kann es sich prinzipiell um regelmäßige oder unregelmäßige Wellen handeln. Es kann sich um sinusartige Wellen oder auch um nur annähernd wellenförmige Anordnungen von Polygonzügen handeln. Wesentlich ist nur, dass das Wellband eine Abfolge von in Längsrichtung aufeinander folgenden Wellenbergen und Wellentälern aufweist. Über eine solche Struktur kann erreicht wer¬ den, dass das nichtleitende Element als Abstandshalter zwi¬ schen den benachbarten Windungen des elektrischen Leiters wirkt. Wahlweise kann dabei das nichtleitende Element aus ei¬ nem Wellband bestehen, oder aber es kann zusätzlich zu dem Wellband ein oder mehrere weitere Bestandteile umfassen. Bei¬ spielsweise kann das nichtleitende Element durch Kombination von wenigstens einem solchen Wellband mit einem oder mehreren Flachbändern gebildet sein. Dabei können die einzelnen Bestandteile entweder lose übereinandergelegt oder auch fest mechanisch verbunden sein, beispielsweise durch Verkleben oder Verschweißen der einzelnen Bestandteile.
Das nichtleitende Element kann zumindest teilweise aus einem Kunststoff gebildet sein. Kunststoffe eignen sich allgemein gut zur elektrischen Isolation und sind gleichzeitig verformbar genug, um in Form dünner Bänder in eine Spulenwicklung eingewickelt zu werden. Zur elektrischen Isolation zwischen den benachbarten Windungen des elektrischen Leiters können beispielsweise Flachbänder aus Kunststoffen wie beispielswei¬ se Polyester, Polyethylenterephthalat (PET), Polyimid (PI) oder Polytetrafluorethylen (PTFE) , insbesondere Hostaphan, Kapton oder Teflon, zum Einsatz kommen. Auch für ein als Abstandshalter wirkendes nichtleitendes Element eigenen sich Kunststoffe besonders. Für den Einsatz in Verbindung mit sup¬ raleitenden elektrischen Leitern ist es allgemein besonders vorteilhaft, wenn der Kunststoff für den Einsatz in einem kryogenen Temperaturbereich unterhalb der Sprungtemperatur des Supraleiters ausgelegt ist. Insbesondere kann der Kunst¬ stoff dazu geeignet sein, von dem für die Kühlung eingesetzten Kühlfluid, wie beispielsweise flüssigem Stickstoff, flüs¬ sigem Wasserstoff, flüssigem Helium oder flüssigem Neon, um- spült zu werden, ohne seine mechanische Festigkeit zu verlie¬ ren .
Das nichtleitende Element kann breiter als der elektrische Leiter ausgebildet sein. Unter der Breite dieser Elemente soll allgemein eine Ausdehnung in einer Raumrichtung senkrecht zu ihrer Längsausdehnung verstanden werden, insbesondere die größte Ausdehnung senkrecht zur Längsausdehnung. Vor allem bei bandförmigen Wicklungselementen ist es vorteilhaft, wenn das nichtleitende Element breiter ist als der elektri- sehe Leiter, da dann der elektrische Leiter zwischen den umgebenden Windungen des nichtleitenden Elements so eingebettet sein kann, dass er in einer axialen Richtung der Spulenwicklung vor äußeren mechanischen Einflüssen geschützt wird. Ein weiterer Vorteil eines im Vergleich zum Leiter breiteren nichtleitenden Elements ist, dass die Strecke für einen mög¬ lichen elektrischen Überschlag von einer Windung des Leiters zur nächsten deutlich verlängert wird. Auf diese Weise sinkt die Gefahr für unerwünschte elektrische Überschläge zwischen den Windungen der Spulenwicklung.
Das derartig breit ausgelegte nichtleitende Element kann in einem auf seine Breite bezogen innenliegenden Bereich eine Aussparung oder eine Reihe von Aussparungen aufweisen, in de- nen der elektrische Leiter geführt ist. Bei einer solchen Ausführungsform ist dann der Leiter - insbesondere bei der Geometrie einer Flachspule - nicht nur radial zwischen den benachbarten Windungen des nichtleitenden Elements eingebet- tet, sondern wird auch in axialer Richtung der Spulenwicklung zwischen Teilen des nichtleitenden Elements gehalten. Durch eine solche Anordnung wird die mechanische Stabilität der ge¬ samten Wicklung erhöht, denn der elektrische Leiter wird von dem nichtleitenden Element festgehalten und ein seitliches Verrutschen in axialer Richtung wird vermieden, solange das nichtleitende Element unter Spannung bleibt. Eine solche Zug¬ spannung wird aber gerade durch die erfindungsgemäße mechani¬ sche Fixierung gewährleistet. Allgemein kann das nichtleitende Element aus mehreren Teilen aufgebaut sein. Insbesondere kann wenigstens ein gewelltes nichtleitendes Band mit ein oder mehreren flachen nichtlei¬ tenden Bändern kombiniert sein. Insbesondere bei einer Aus¬ führungsform, bei denen das nichtleitende Element zumindest teilweise aus einem Kunststoff gebildet ist, können kunst- stoffhaltige Teilelemente durch thermisches Verschweißen ab¬ schnittsweise miteinander verbunden sein, um eine übergeord¬ nete dreidimensionale Struktur auszubilden. So kann auf be¬ sonders einfache Weise ein Abstandshalter für die Windungen des elektrischen Leiters zur Verfügung gestellt werden.
Das elastische Zugelement kann allgemein so ausgestaltet sein, dass es eine Zugkraft von wenigstens 5 N auf das nicht¬ leitende Element ausüben kann. Diese Zugkraft kann insbeson- dere entlang einer Längsrichtung des nichtleitenden Elements auf dieses einwirken. Bei einer derart ausgestalteten Zugkraft kann vorteilhaft ein zuverlässiges Nachspannen des nichtleitenden Elements erreicht werden, mit dem eine gute Halterung bewirkt und somit ein axiales Verrutschen der ein- zelnen Windungen vermieden werden kann. Bei einer Ausgestaltung des Zugelements als Zugfeder kann diese beispielsweise eine Federkonstante von wenigstens 5 N/mm aufweisen. Der elektrische Leiter kann wenigstens zwei Leiterzweige auf¬ weisen, wobei zumindest zwei in der Wicklung benachbart lie¬ gende Leiterzweige für gegenläufige Stromflussrichtungen aus¬ gestaltet sind. Besonders vorteilhaft ist eine solche Ausge- staltung für eine Anwendung der Spulenwicklung in einem
Strombegrenzer, da sich bei einem derartigen Wechsel der Stromflussrichtungen die Induktivitäten der beiden Wicklungsteile gegenseitig kompensieren. Im normalen Betriebszustand des Strombegrenzers können dadurch die Wechselstromverluste vorteilhaft gering gehalten werden. Bei einer Anordnung mit nur zwei Leiterzweigen kann die Spulenwicklung insbesondere in Form einer sogenannten bifilaren Spulenwicklung ausgestaltet sein. Bei Anordnungen mit mehr als zwei Leiterzweigen können die Stromflussrichtungen entweder zwischen jedem be- nachbarten Paar an Leiterzweigen variieren, oder aber es können sowohl in gleicher Richtung bestrombare als auch in unterschiedlicher Richtung bestrombare Nachbarn von Leiterzweigen vorliegen. Wesentlich im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung ist, dass zumindest ein Paar von in der Wick- lung benachbarten Leiterzweigen vorliegt, bei denen die im Betrieb vorgesehenen Stromflussrichtungen entgegengesetzt sind. Bei einer derartigen Spulenwicklung ist die erfindungsgemäße Zugspannung auf dem wenigstens einen nichtleitenden Element besonders relevant, da sich die benachbarten Leiter- zweige im Betrieb gegenseitig abstoßen und es somit besonders leicht zu einem Lockern des Wicklungsverbundes kommen kann. Ein solches elektrisch bedingtes Lockern des Wicklungsverbundes wird durch die erfindungsgemäße Lösung vorteilhaft ver¬ mieden, da das nichtleitende Element dauerhaft gespannt ist. Die vorliegende Zugspannung kann wie oben angegeben so stark ausgebildet sein, dass der mechanische Zusammenhalt der Wick¬ lung so hoch ist, dass auch im elektrischen Betrieb ein seitliches Verrutschen der Windungen vermieden wird. Die Spulenwicklung kann also zur Verwendung in einem Fehlerstrombegrenzer ausgebildet sein. Es wird daher auch ein
Strombegrenzer mit einer erfindungsgemäßen Spulenwicklung beansprucht. Insbesondere kann es sich dabei um eine supralei- tende Fehlerstrombegrenzereinrichtung handeln. Der Strombegrenzer kann als resistiver, induktiver oder induktiv- resistiver Strombegrenzer ausgebildet sein. Der Strombegrenzer kann dabei eine oder mehrere erfindungsgemäße Spulenwick- lungen aufweisen. Im Falle mehrere Spulenwicklungen können diese insbesondere in axialer Richtung gestapelt sein.
Alternativ kann die Spulenwicklung aber auch zum Betrieb in einer rotierenden Maschine, also beispielsweise in den Rotor- oder Ständerwicklungen eines Rotors oder Generators vorgese¬ hen sein. In einer weiteren Alternative kann die Spulenwicklung aber auch als Magnetspule zur Erzeugung von Magnetfeldern vorgesehen sein, insbesondere als supraleitende Magnet¬ spule für die Magnetresonanz-Bildgebung oder Magnetresonanz- Spektroskopie.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand einiger bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die angehängten Zeichnungen beschrieben, in denen:
Figur 1 eine schematische Aufsicht einer bifilar gewickelten
Flachspule eines Fehlerstrombegrenzers zeigt,
Figur 2 ein als Abstandshalter ausgestaltetes nichtleitendes
Element der Spulenwicklung mit einem darin eingelegten elektrischen Leiter in schematischer Schrägsicht zeigt,
Figur 3 den ersten Endbereich 9a aus Figur 1 in schematischer
Seitenansicht für eine Ausgestaltung nach dem Stand der Technik zeigt und
Figur 4 den ersten Endbereich 9a aus Figur 1 in schematischer
Seitenansicht für eine Ausgestaltung gemäß der Erfin- dung zeigt.
In Figur 1 ist eine Spulenwicklung 1 eines Fehlerstrombegrenzers in schematischer Aufsicht gezeigt. Gezeigt ist eine Flachspule, bei der ein elektrischer Leiter 3 in einer Mehrzahl von Windungen innerhalb einer festen Wicklungsebene um eine zentrale Wicklungsachse A gewickelt ist. Der elektrische Leiter weist hier zwei Leiterzweige 3a und 3b auf, welche im gezeigten Beispiel im Zentrum der Wicklung miteinander verbunden sind und in Form einer sogenannten bifilaren Wicklung derart angeordnet sind, dass die Stromflussrichtungen Ia und Ib der in der Wicklung benachbart angeordneten Leiterzweige 3a und 3b entgegengesetzt sind. Zwischen den benachbart lie- genden Windungen der beiden Leiterzweige 3a und 3b ist je¬ weils ein nichtleitendes Element 5 angeordnet. Die hier ins¬ gesamt zwei vorhandenen nichtleitenden Elemente 5 trennen dabei die benachbarten Windungen des elektrischen Leiters 3 über die gesamte Länge der Wicklung. Die benachbarten Windun- gen sind dabei aufgrund der isolierenden Eigenschaften der
Elemente 5 zum einen elektrisch getrennt, und sie werden zum anderen aufgrund der Dicke der Elemente 5 auf einem vorgege¬ benen Abstand d gehalten. Die Elemente 5 sind dabei nur sche¬ matisch als flache Linie wiedergegeben. Sie haben jedoch in diesem Beispiel auch in radialer Richtung eine signifikante Ausdehnung und eine insgesamt dreidimensionale Struktur, wie im Folgenden noch näher erläutert wird.
Die beiden Enden des elektrischen Leiters 3 liegen aufgrund der gezeigten Faltung des Leiters im Zentrum der Spulenwicklung hier beide in radial außenliegenden Bereichen der Wicklung. Im ersten Endbereich 9a ist der erste Leiterzweig 3a mit einem ersten Halteelement 7a verbunden, welches gleichzeitig für diesen Leiterzweig 3a als Kontaktelement dient. Es kann beispielsweise als massiver Kupferblock ausgestaltet sein. Analog ist im zweiten Endbereich 9b der zweite Leiterzweig 3b mit einem entsprechenden zweiten Halteelement 7b verbunden, welches ebenfalls als Kontaktelement dient. In den Endbereichen 9a und 9b sind die beiden dort kontaktierten Leiterzweige 3a und 3b jeweils etwa bis zum jeweiligen Halte¬ element auf der radial außenliegenden Seite von einem der nichtleitenden Elemente 5 abgedeckt und so nach außen hin me¬ chanisch geschützt. Die nichtleitenden Elemente 5 sind mecha- nisch mit den jeweiligen Halteelementen 7a und 7b verbunden. Die weiter unten im Zusammenhang mit Figur 4 näher beschriebene erfindungsgemäße Ausführung der Spulenwicklung 1 unterscheidet sich vom Stand der Technik durch die genaue Art der mechanischen Fixierung der nichtleitenden Elemente 5 an den Halteelementen 7a und 7b.
Zum besseren Verständnis des Ausführungsbeispiels ist in Fi¬ gur 2 eine detailliertere Ansicht des in Figur 1 dargestell- ten nichtleitenden Elements 5 gezeigt. Gezeigt ist ein Ab¬ schnitt des als Abstandshalter ausgestalteten nichtleitenden Elements 5 der Spulenwicklung 1 mit einem darin eingelegten elektrischen Leiter 3 in schematischer Schrägsicht. Die Breite des Abstandshalters ist hier mit B bezeichnet und die Richtung seiner Längsausdehnung mit L.
Der elektrische Leiter 3 ist hier als supraleitender Bandleiter ausgebildet, beispielsweise als Bandleiter mit einer hochtemperatursupraleitenden Schicht auf einem normalleiten- den Substrat. Solche für supraleitende Strombegrenzer beson¬ ders geeignete Bandleiter sind in der DE 10 2004 048 646 AI näher beschrieben. Das nichtleitende Element 5 ist dazu aus¬ gestaltet, als Abstandshalter zwischen benachbarten Windungen des Leiters 3 zu wirken. Hierzu ist das nichtleitende Element 5 im gezeigten Beispiel aus zwei Teilen aufgebaut, nämlich aus einem Flachband 18 und einem Wellband 17. Beide Bänder können in den einander enger benachbarten Bereichen - also in den Bereichen der Wellentäler in Figur 2 - mechanisch miteinander verbunden sein, beispielsweise durch Verschweißen oder Verkleben. Das Wellband 17 weist im Bereich der Wellenberge Aussparungen 21 auf, in die in der fertigen Spulenwicklung 1 der bandförmige Leiter 3 eingelegt werden kann, wie im rechten Teil der Figur 2 beispielhaft gezeigt. Mit einem solchen nichtleitenden Abstandshalter, wie er beispielhaft in Figur 2 gezeigt ist, kann erreicht werden, dass zum einen die Windungen des supraleitenden Leiters 3 auf einem definierten Abstand gehalten werden und dass zum anderen durch die offene Struktur Hohlräume 13 zwischen den Windungen ausgebildet werden, durch die ein fluides Kühlmittel strömen kann. Der Aufbau des nichtleitenden Elements gemäß der Figur 2 ist im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung aber nur beispielhaft zu verstehen. Weitere vorteilhafte Ausführungs¬ formen des Abstandshalters können so wie in der EP 2041808 Bl beschrieben ausgeführt sein.
Nach dem Stand der Technik sind derartige Spulenwicklungen, wie sie mit Bezug auf Figur 1 und Figur 2 beschrieben wurden, durch eine starre Verbindung des elektrischen Leiters 3 und des nichtleitenden Elements 5 mit den jeweiligen Halteelementen 7a und 7b fixiert. Figur 3 zeigt eine derartige herkömm¬ liche Ausgestaltung der mechanischen Verbindung im Endbereich 9a nach dem Stand der Technik. Figur 3 zeigt eine seitliche
Ansicht des Endbereichs 9a von radial außen auf das Halteele¬ ment 7a der Figur 1. Gezeigt ist das radial außenliegende nichtleitende Element 5, das im linken Teil der Zeichnung den darunterliegenden Leiter 3 überdeckt. Dieser Leiter 3 ist hier nur durch eine gestrichelte Linie angedeutet. Die Aus¬ sparungen 21 des gezeigten nichtleitenden Elements 5 sind hier nicht mit einem Leiter gefüllt, da der hier gezeigte Leiter in dem Wellband der darunterliegenden Lage an nichtleitendem Element 5 gehalten ist. Im mittleren Teil der
Zeichnung ist der Leiter 3 voll zu sehen, da das Wellband 17 des äußeren nichtleitenden Elements 5 nicht ganz bis zum Halteelement 7a heranreicht und den Leiter 3 daher hier nicht mehr bedeckt. Ebenso ist im mittleren Bereich der Zeichnung das unter dem Wellband 17 liegende Flachband in seinem mitt- leren Bereich mit einer Ausnehmung versehen, durch das der elektrische Leiter 3 nach radial außen hindurchgeführt ist. Es sind also nur die beiden außenliegenden Teile des Flachbandes 18 bis zum Halteelement 7a geführt. In der gezeigten Ausführung der Halterung nach dem Stand der Technik sind so- wohl der Leiter 3 als auch die außenliegenden Teile des
Flachbandes 18 mittels einer starren Fixierung über Schrauben 23 mit dem Halteelement 7a verbunden. Dazu sind sowohl der elektrische Leiter 3 als auch die Teile des Flachbandes 18 zwischen zwei miteinander verschraubte Teile des Halteele¬ ments 7a eingelegt. Diese Art der Fixierung weist die im ein¬ leitenden Teil beschriebenen Nachteile auf, nämlich dass eine Längenänderung des nichtleitenden Elements und/oder eine durch den Betrieb der Spule verursachte Lockerung der Wicklung nicht ausgeglichen werden kann. Es ist zwar prinzipiell ein manuelles Nachspannen nach einer ersten Inbetriebnahme oder nach ersten Funktionstests möglich. Dies ist jedoch sehr aufwändig und erfordert die Demontage der Spulenwicklung aus der fertigen Strombegrenzereinrichtung. Weiterhin besteht das Risiko einer Schädigung des Supraleiters bei solch einem nachträglichen Eingriff.
Im Unterschied zu Figur 3 zeigt schließlich Figur 4 eine er- findungsgemäße Ausgestaltung der Fixierung der Wicklungsele¬ mente am Halteelement 7a. Gezeigt ist wiederum
eine seitliche Ansicht des Endbereichs 9a von radial außen. Im Unterschied zur in Figur 3 gezeigten Fixierung ist jedoch hier das nichtleitende Element 5 nicht ganz bis zum Halteele- ment 7a geführt. Es ist nicht direkt und starr mit diesem verbunden, sondern es ist über elastische Zugelemente an die¬ sem fixiert. Im gezeigten Beispiel liegen zwei solche elasti¬ schen Zugelemente 11 in Form von Zugfedern vor, die über einen zwischen Wellband 17 und Flachband 18 in einen der Hohl- räume 13 eingeschobenen Haltestift 12 mit diesem verbunden sind. Es sind jedoch auch andere Arten der Fixierung am nichtleitenden Element 5 denkbar. Ebenso reicht es aus, dass nichtleitendes Element 5 und Halteelement 7a mit nur einem elastischen Zugelement miteinander verbunden sind. Wesentlich ist, dass über das elastische Zugelement 11 eine Zugkraft auf das nichtleitende Element 5 ausgeübt wird, welche das nicht¬ leitende Element 5 im Betrieb nachspannt und dadurch den Wicklungsverbund schwächende Kräfte ausgleichen kann. Das nichtleitende Element 5 ist also entkoppelt von dem elektri- sehen Leiter 3 an dem Halteelement 7a fixiert. Durch die dau¬ erhafte Zugspannung auf dem nichtleitenden Element 5 kann so vorteilhaft ein mechanischer Zusammenhalt der Spulenwicklung auch ohne Verkleben oder Vergießen der Wicklung erreicht werden .
Die Vorteile der erfindungsgemäßen mechanischen Fixierung des nichtleitenden Elements sind im Übrigen nicht auf die in Figur 2 gezeigte Ausgestaltung des nichtleitenden Elements beschränkt. Ebensowenig sind sie auf Strombegrenzerspulen mit einer Geometrie entsprechend der Figur 1 beschränkt. Die Aus¬ gestaltungen entsprechend Figur 1 und 2 sind nur beispielhaft zu verstehen, um die Wirkung der Erfindung besser zu erläutern. Allgemein kommen die Vorteile der erfindungsgemäßen Fixierung auch zum Tragen, wenn beispielsweise
- die Spulenwicklung nicht die Form einer Flachspule hat, sondern beispielsweise die Form einer Solenoid- oder Sattel- spule,
- die Spulenwicklung nicht bifilar ist, sondern beispielsweise als Wicklung mit durchgehend gleichsinnigem Stromfluss in benachbarten Windungen aufgebaut ist,
- die Spulenwicklung nicht für die Strombegrenzung, sondern beispielsweise für eine Magnetspule oder eine Spule in einer elektrischen Maschine ausgelegt ist,
- die Endbereiche des Leiters nicht beide radial außenlie¬ gend, sondern beispielsweise einer radial außen und einer ra¬ dial innen angeordnet ist,
- das wenigstens eine Halteelement nicht gleichzeitig als Kontaktelement für den Leiter ausgebildet ist,
- der elektrische Leiter und/oder das nichtleitende Element nicht bandförmig ist
- und/oder wenn der elektrische Leiter nicht supraleitend ist.

Claims

Patentansprüche
1. Elektrische Spulenwicklung (1) mit einem elektrischen Leiter (3) , einem nichtleitenden Element (5) und wenigstens einem ersten Halteelement (7a)
- wobei der elektrische Leiter (3) und das nichtleitende Ele¬ ment (5) parallel zueinander in einer Mehrzahl von Windungen gewickelt sind,
- wobei das erste Halteelement (7a) in einem ersten Endbe- reich (9a) der Spulenwicklung (1) angeordnet ist und
- wobei das nichtleitende Element (5) mittels wenigstens ei¬ nes elastischen Zugelements (11) an dem Halteelement (7a) me¬ chanisch fixiert ist.
2. Elektrische Spulenwicklung (1) nach Anspruch 1,
- bei der sowohl der elektrische Leiter (3) als auch das nichtleitende Element (5) bandförmig sind,
- und wobei die Spulenwicklung (1) als Flachspule mit überei¬ nanderliegenden Lagen der bandförmigen Elemente ausgebildet ist.
3. Elektrische Spulenwicklung (1) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei der der elektrische Leiter (3) ein supraleitendes Leitermaterial umfasst.
4. Elektrische Spulenwicklung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der erste Endbereich (9a) radial au¬ ßenliegend angeordnet ist.
5. Elektrische Spulenwicklung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher das Halteelement (7a) als elektri¬ sches Kontaktelement ausgebildet ist, mit dem der elektrische Leiter (3) elektrisch leitend verbunden ist.
6. Elektrische Spulenwicklung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher das nichtleitende Element (5) als Abstandshalter zwischen einzelnen, übereinanderliegenden Windungen des elektrischen Leiters (3) ausgebildet ist.
7. Elektrische Spulenwicklung (1) nach Anspruch 6, bei welcher das nichtleitende Element (5) einen oder mehrere Hohl¬ räume (13) aufweist, welche von einem fluiden Kühlmittel (15) durchströmbar sind.
8. Elektrische Spulenwicklung (1) nach Anspruch 6 oder 7, bei welcher das nichtleitende Element (5) ein Wellband (17) um- fasst .
9. Elektrische Spulenwicklung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher das nichtleitende Element (5) zu¬ mindest teilweise aus einem Kunststoff gebildet ist.
10. Elektrische Spulenwicklung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das nichtleitende Element (5) brei¬ ter als der elektrische Leiter (3) ausgebildet ist.
11. Elektrische Spulenwicklung (1) nach Anspruch 10, bei der das nichtleitende Element (5) in einem auf seine Breite bezo¬ gen innenliegenden Bereich (19) eine Aussparung (21) oder eine Reihe von Aussparungen (21) aufweist, in der der elektrische Leiter (3) geführt ist.
12. Elektrische Spulenwicklung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welcher das nichtleitende Element (5) aus mehreren Teilen (17,18) aufgebaut ist.
13. Elektrische Spulenwicklung (1) nach einem der vorherge- henden Ansprüche, bei welcher das elastische Zugelement (11) eine Zugkraft von wenigstens 5 N auf das nichtleitende Ele¬ ment (5) ausüben kann.
14. Elektrische Spulenwicklung (1) nach einem der vorherge- henden Ansprüche, bei welcher der elektrische Leiter (3) min¬ destens zwei Leiterzweige (3a, 3b) aufweist, und wobei zumin¬ dest zwei in der Wicklung benachbart liegende Leiterzweige (3a, 3b) für gegenläufige Stromflussrichtungen (Ia, Ib) ausge¬ staltet sind.
15. Fehlerstrombegrenzer mit einer elektrischen Spulenwick- lung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
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Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR3076059B1 (fr) * 2017-12-22 2024-07-05 Inst Supergrid Limiteur de courant a supraconducteur, avec couches d’isolant d’epaisseurs variables
EP3747033B1 (de) * 2018-02-01 2022-03-02 Tokamak Energy Ltd Teilisolierte hts-spulen

Family Cites Families (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE8023732U1 (de) * 1980-09-05 1980-12-04 Vogt Gmbh & Co Kg, 8391 Erlau Helix-spule bzw. helix-filter
JPS6074605A (ja) * 1983-09-30 1985-04-26 Toshiba Corp 超電導磁石
JPS6320807A (ja) * 1986-07-14 1988-01-28 Mitsubishi Electric Corp 超電導コイル装置
JPH0753220Y2 (ja) * 1989-05-15 1995-12-06 富士通株式会社 フラットケーブル
DK1042820T3 (da) * 1997-12-19 2003-07-14 Siemens Ag Superlederkonstruktion med høj-Tc-superledermateriale, fremgangsmåde til fremstilling af konstruktionen samt strømbegrænserindretning med en sådan konstruktion
JP3892605B2 (ja) * 1998-12-25 2007-03-14 株式会社東芝 限流素子用超電導コイル装置
DE10230618A1 (de) * 2002-07-03 2004-01-29 Siemens Ag Bifilare Bandleiterstruktur eines Hochtemperatursupraleiters zur Strombegrenzung
DE102004048646B4 (de) * 2004-10-04 2006-08-10 Siemens Ag Supraleitende Strombegrenzereinrichtung vom resistiven Typ mit bandförmiger Hoch-Tc-Supraleiterbahn
ATE435504T1 (de) * 2006-03-02 2009-07-15 Theva Duennschichttechnik Gmbh Resistiver strombegrenzer
DE102006032702B3 (de) * 2006-07-14 2007-10-04 Siemens Ag Resistive supraleitende Strombegrenzeinrichtung mit bifilarer Spulenwicklung aus HTS-Bandleitern und Windungsabstandshalter
DE102006032973B3 (de) * 2006-07-17 2008-02-14 Siemens Ag Supraleitende Strombegrenzereinrichtung von resistiven Typ mit Halteelement
JP5039985B2 (ja) * 2007-10-19 2012-10-03 株式会社前川製作所 変圧器型超電導限流器
GB2485205B (en) * 2010-11-05 2016-08-17 Rolls Royce Plc A superconductor device
EP2693449B1 (de) * 2012-07-31 2017-11-15 Nexans Elektrisches Leiterelement
EP2843721B1 (de) * 2013-09-03 2015-11-04 Nexans Spulenanordnung für Supraleiter
JP6239750B2 (ja) * 2014-06-09 2017-11-29 株式会社日立製作所 超電導磁石
DE102015207861A1 (de) * 2015-04-29 2016-11-03 Siemens Aktiengesellschaft Elektrische Spuleneinrichtung

Also Published As

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