JPH10512715A - 超伝導変圧器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 超伝導変圧器（１、１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ）においてそのトーラス巻線（２９）を簡単な構造とするために、トーラス巻線（２９）を少なくともその円環状部分において複数の同一の第一の巻線要素（１１、１１ａ、１１ｂ、１１ｃ）により形成する。さらに、このために適当なリング形の巻線要素（１１、１１ａ、１１ｂ、１１ｃ）が設けられ、これは外に向かって先細の台形或いは楔状の断面をもっている。そのリング面に対して垂直に、少なくとも２つの同軸で互いに入れ子状に配置され相互に絶縁されてリング形を形成する円筒導体（１３）が設けられている。

Description

【発明の詳細な説明】 超伝導変圧器 この発明は、トーラス巻線を備えた超伝導変圧器及びこのような超伝導変圧器 の製造に適した巻線要素に関する。 大電力用の変圧器においてその重量及び損失を小さくするために、巻線導体と して超伝導材料を使用することが公知である。その場合、特に無鉄心構造、即ち 変圧器鉄心のない構造が使用される。電磁適合性（ＥＭＶ）の理由から変圧器の 周囲に磁界が放射されるのを回避するために、できるだけ主磁界は閉鎖された磁 束管の中を通るように巻線自体によって強制される。 このための１つの公知の解決方法は、主磁界を適当に通すことが可能なトーラ ス巻線である。トーラス巻線はその場合管状の材料から作られる。しかしながら このようなトーラス巻線を製造するには高度の技術を必要とする。その上この構 造では所定の電力においてその構造体積をさらに最適化することはできない。 構造体積に関しては超伝導同軸ケーブルで巻回されているコイル構成、例えば ケーブル変圧器はトーラス巻線より優れている。しかしながらこの構造では磁界 が空間に自由に放射される。 スイス特許第４１１１２４号明細書からは、その巻線がトーラス（円環面）状 に配置され、巻線断面は円リング状の形状を持っている超伝導変圧器が公知であ る。ドイツ連邦共和国特許第９３７１８４号明細書からは、リング状の鉄心を備 え、その上に円板コイルの形で巻線が配置されている開閉リアクトルが公知であ る。鉄心によって取り囲まれるリング状空間の利用率を改善するために巻線はそ の緑部領域において楔状の断面を持っている。 この発明の諜題は、トーラス巻線を備え、特に簡単に製造可能な超伝導変圧器 を提供することにある。さらにこの発明のもう１つの課題は、このような変圧器 のトーラス巻線を形成するための巻線要素を提供することにある。 この課題は、請求項１に記載の超伝導変圧器によって解決される。 トーラス巻線は、それぞれそれ自体容易に製造可能な多数の巻線要素により形 成されている。リング状のトーラスに対して巻線要素はただ１つの構成しか必要 としない。変圧器のトーラス巻線の製造は、従って、従来公知の構成に対して著 しく簡単化され、、これによりコスト的にも有利になる。 少なくとも楕円形或いは引き延ばされたトーラス巻線を形成するために直線状 の第二の巻線要素を設けることができる。このことは、円リング形とは異なる巻 線の形状が形成されなければならないときに都合がよい。さらにまた、変圧器に 必要なタンク容量を最適化する場合にも好ましい。 第一の巻線要素がそれぞれ断面において台形或いは楔状の領域の他に矩形断面 を持つ中央領域を備え、それにより第二の巻線要素として利用されるのも有利で ある。巻線要素はその場合即ち回転対称である。このようにして変圧器の形状に 無関係にただ１種類の巻線要素しか必要とせず、これによりその構造、製造及び 巻線要素の在庫管理の費用を低減することができる。 構造寸法に関するもう１つの最適化は、トーラス巻線が折り返されていること により達成される。この巻線要素の使用により簡単に可能な折り返しによって同 一の電気的値において最小の変圧器寸法が達成される。 少なくとも各２つの隣接する巻線要素に対してほぼ鞍状のシールドを設けるこ とも好ましい。これにより磁束が巻線要素の間の空間から逸出するのが回避され る。従って損失を小さくすることができる。 シールドは、特に鉄を含む及び／又は超伝導材料から作られているのがよい。 これにより良好なシールド作用が、特に超伝導条件において得られる。 この発明のもう１つの課題は、この発明によれば、請求項８に記載の巻線要素 により解決される。このような巻線要素は、例えば導体及び絶縁膜を単純に巻回 することによって特に簡単にかつ安価に製造可能であり、これにより変圧器の製 造原価も低減することができる。このような巻線要素は、その場合、平行に互い に接して或いは弧を形成しつつセグメント状に互いに接合することができる。巻 線要素はほぼトーラスの扇形部を構成するように形成されているからである。こ れにより極めて種々の巻線形状も、特にトーラス形状の模倣を実現できる。トー ラス巻線の分節構造も可能である。 外側の円筒導体は内側の導体より低い高さを持つようにすることができる。こ れにより、導体は直接巻線要素の周囲面に配置することができるので、断面の有 効な利用が可能である。特に巻線要素は回転対称で、従って容易に製造可能であ るようにするのがよい。 この発明のその他の利点及び細部を以下に図面を参照して実施例で詳細に説明 する。図面において、 図１はトーラス巻線を備えた超伝導変圧器、 図２は図１によるトーラス巻線の第一の巻線要素、 図３は引き延ばされた構成のトーラス巻線、 図４は引き延ばされた構成のトーラス巻線を備え、その巻線が折り返されている 変圧器の側面、 図５は図４の変圧器の平面、 図６及び図７は引き延ばされた構成のトーラス巻線を備えた３相変圧器の原理図 のそれぞれ平面及び側面、 図８及び図９は引き延ばされた構成のトーラス巻線を備え、その巻線が折り返さ れている３相変圧器のそれぞれ平面及び側面を示す。 図１はケーシング３に配置されている超伝導変圧器１を示す。この原理図は、 ケーシング３の内部室５が供給管７を介して冷却装置９に接続されていることを 示している。冷却装置９はケーシング３に内蔵される冷却媒体を必要な低温に冷 却する。 変圧器１は、基本的に、閉鎖されたチューブリングのようなトーラス巻線に構 成されている１つの巻線を備える。トーラス巻線はこの例では扇形状に互いに接 合されている複数の第一の巻線要素１１、１１ａ、１１ｂ、１１ｃにより形成さ れている。これらはその場合多角形配置を形成している。 図２はこのような第一の巻線要素１１の断面を詳細に示す。第一の巻線要素１ １は内径Ｄ１と外径Ｄ２とをもってリング状に構成されている。所望の変圧器の 型に応じて第一の巻線要素１１には巻線導体となる対応の同心円筒導体１３が同 軸に配置されている。この例では、３巻線変圧器或いはまた２巻線変圧器の二重 同心配置に使用される３つの円筒導体１３を備えた巻線要素１１が例示されてい る。 この例では超伝導巻線要素が形成されなけれぼならないから、円筒導体は勿論 超伝導材料、例えば高温或いは低温超伝導体（ＨＴＬもしくはＴＴＬ）で作られ ていることは自明である。 少なくとも隣接する巻線要素の互いに接する面の範囲１４において巻線要素１ １は楔或いは台形状の断面を持つ形状を持っている。円形断面を持つＯリングに 対してこの場合は台形リングと呼ぶこともできる。 対応の台形頂角αはトーラス巻線のために行われる幾何的配置に応じて、特に 巻線要素１１の半径と数とに依存する。特に巻線要素１１は、図示のように、回 転対称に形成されるのがよく、従って巻線要素１１ａ、１１ｂ、１１ｃを接合す る際に特別な位置関係が用意される必要はない。しかしながら、ここでは図示し ないが、非対称形構成或いは円形リングとは異なって角形或いは楕円形構成も可 能である。 図１では、所定数の、即ち１０個の巻線要素１１乃至１１ｃが多角形状にトー ラス巻線として接合されていることを示している。巻線要素１１乃至１１ｃの間 の空間Ｚをできるだけ小さくするために、第一の巻線要素１１乃至１１ｃの数を 大きく選ぶこともできる。このようにして第一の巻線要素１１乃至１１ｃの間の 磁束の半径方向の逸出は回避される。或いはまた、第一の巻線要素は断面を完全 に円形リングのセクタ状に形成し、空間Ｚを殆ど完全に回避することも原理的に は可能である。 トーラス巻線から磁束が半径方向に逸出するのを回避するために、例えば第一 の巻線要素１１ａ、１１ｂ、１１ｃにはシールド１５（破線で図示）が配置され ている。シールド１５はほぼ鞍状に形成され、それぞれ２つの巻線要素１１ａと １１ｂ並びに１１ｂと１１ｃとの間の空間Ｚを覆っている。Ｓは第一の巻線要素 １１乃至１１ｃに記入された無負荷電流の流れＬに関してシールド１５に生ずる 渦電流路の経過を量的に示す。 シールド１５も同様に超伝導電磁材料で作られている。或いはまた適当に成形 された支持材に超伝導材料を面状に成膜することによっても実現できる。 或いはまた、支持材は線形の超伝導体で形成することもできる。これによって 骨格状の支持体が生じる。場合によってはシールド１５自体をこのような骨格状 構造に作ることもできる。骨格構造の個々の導体或いは導線はその場合電気的に 互いに接続される。 第一の巻線要素１１ａ乃至１１ｃ及びシールド１５は図示されてない固定手段 、例えばプラスチックからなる保持部材により互いに結合することも、或いはま た簡単な方法で互いに接着することもできる。 出力の大きい場合、例えば１０ＭＶＡ以上の単相出力の電力用変圧器において 多角形直径Ｄ３が大きくなるのを回避するために、引き延ばされたトーラス巻線 を備えた図３による変圧器１ａ（但し図ではケーシングを省略）が好ましい。こ の場合、即ち図１のものよりも小さい半径Ｒが使用され、２つの半多角形部分が ２つの直線部分１７を介して互いに結合されている。直線部分１７は、単純に同 心配置された直線状の円筒部片で形成できることは自明である（図示されてない ）。しかしながら、この直線部分は第一の巻線要素１１を使用しても形成できる 。これらは即ちその内径Ｄ１の範囲に、図３に示されるように、直線状の磁束管 を形成しながら直線的に互いに接して配置される。このようにして巻線装置全体 が標準の第一の巻線要素１１で形成されている。シールド１５ａは複数の巻線要 素１１を覆うようにもでき、従ってここに示すように、半殻状のシールド１５ａ が形成されている。 第一の巻線要素１１が直線状にかつある角度をもって互いに接して配置される ことにより、変圧器或いはコイルの巻線の任意の構造形状が作られる。これは、 一定の構造寸法或いは構造形状が維持されなければならないときには特に好都合 である。 図４及び５は超伝堺変圧器１ｂの別の実施例を示し、この例では図３の引き延 ばされたトーラス巻線がさらに折り返されている。両図において例えば冷却設備 の接続管２１及び高圧ブッシング２３を備えた変圧器１ｂのタンク１９が示され ている。この構成は図３の構成に較べて付加的な構造要素なしで構造長の短縮を 実現している。巻線要素１１を備えた巻線装置は即ちチェーンのように変形可能 である。付加的な折れ曲がり位置２５に同様に磁束制御のためのシールド１５ｂ が設けられるのがよい。 図６、７及び図８、９は、それぞれ多相超伝導変圧器１ｃ及び１ｄを側面及び 平面で示す。巻線２９はこの場合ただ原理的に図示されている。これにおいては 全ての、この例では３つの相Ｕ、Ｖ、Ｗに対してただ１つの共通のトーラス巻線 ２９が設けられていることが示されている。トーラス巻線２９は個々の相Ｕ、Ｖ 、Ｗごとに個々の巻線部分２９ａ乃至２９ｃに分割されている。各相Ｕ、Ｖ、Ｗ の巻線部分２９ａ乃至２９ｃはヨーク２７ａ、２７ｂ（図６及び７）によって互 いに分離されている。変圧器１ｃの図示の引き延ばされたトーラス巻線２９はこ の実施例ではその引き延ばし方向に対して直角方向に分割されているので、２つ のヨーク２７ａ、２７ｂしか必要としない。相Ｖは従って互いに分離された２つ の巻線部分２９ｂに分割されている。 この場合に生ずる磁束は図においてφｕ、φｖ、φｗとして記入されている。 中央の相ｖの磁束方向は相Ｕ及びＷの正の磁束方向に対して反対向きに選ばれて いる。その結果、ベクトル和によりヨーク２７ａ、２７ｂには最小可能な磁束φ ｕ、φｖ、φｗが生ずる。 巻線部分２９ａ、２９ｂ、２９ｃに分割することは同時にタンク１９をタンク 部分１９ａ、１９ｂ、１９ｃに分割することにも役立っている。タンク部分１９ ａ、１９ｂ、１９ｃはヨーク２７ａ、２７ｂの範囲で互いに接している面に図で は示されていないフランジ（従来例のような）を備えているので、波形に形成さ れたユニットの機械的及び磁気的に良好な結合が可能である。このような変圧器 １ｃは複数部分に分割して輸送可能であり、このことは、特に、常に輸送寸法及 び重量が問題となる大型の変圧器において有効である。場合によってはヨーク２ ７ａ、２７ｂ及びフランジは構造的に１つの単位に統合することもできる。ヨー ク２７ａ、２７ｂは通常の変圧器鋼板から作られ、タンク部分１９ａ、１９ｂ、 １９ｃの間の外側に配置されているので、これらは通常の周囲温度、即ちほぼ０ 乃至１００℃の間で使用される。 タンク部分１９ａ、１９ｂ、１９ｃはトーラス巻線２９をこの例のように単純 に分割する場合には直方体として形成することができ、これによりタンク部分は 簡単に作ることができる。変圧器全体を星形に分割することも考えられるが、こ の場合には相の数に応じて星形に分割された円筒状タンクが適用される。 この例示した３相構造も上述の実施例のように折り返し構成に作ることができ る。図９による折り返し構成では相Ｕ及びＷの巻線部分２９ａ及び２９ｃは互い に並列して配置されている。この構成は、その場合、共通のタンク部分１９ｄに 収納できるという利点がある。タンク形状はこの場合も任意に円筒状或いはまた 直方体状にすることができる。この構成においてはその上ただ１つの共通のヨー ク２７しか必要としない。 個々の実施例の特徴を互いに組み合わせたり或いは相互に交換することもこの 発明の基本思想を離れることなく可能であることは自明である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．リング形を持つ複数の同一の第一の巻線要素（１１、１１ａ、１１ｂ、１１ ｃ）により形成される超伝導トーラス巻線（２９）を備え、第一の巻線要素（１ １、１１ａ、１１ｂ、１１ｃ）はリングセクタ状に互いに相接して並べられかつ それぞれ少なくともその互いに接する面の範囲（１４）に断面において外に向か って先細の台形或いは楔状の形状を持ち、さらに巻線要素（１１、１１ａ、１１ ｂ、１１ｃ）は同軸に互いに入れ子状に配置され、相互に電気的に絶縁されたそ れぞれ少なくとも２つの円筒導体（１３）を備えている変圧器（１、１ａ、１ｂ 、１ｃ、１ｄ）。 ２．第一の巻線要素（１１、１１ａ、１１ｂ、１１ｃ）が回転対称である請求項 １記載の超伝導変圧器。 ３．トーラス巻線（２９）の引き延ばされたリング形を形成するために、互いに 平行な直線状部分（１７）を形成する円筒状の第二の巻線要素が設けられている 請求項１又は２記載の超伝導変圧器。 ４．第二の巻線要素がその端面において、この第二の巻線要素がその長さ方向に 円筒形を形成しながら直線的に互いに接して並べられるように互いに平行である それぞれ１つの中央領域（１４ａ）を備える請求項３記載の超伝導変圧器。 ５．引き延ばされたリング形が直線状部分（１７）の範囲で、その自由端が互い に平行であるように折り返されている請求項３又は４記載の超伝導変圧器。 ６．少なくとも各２つの隣接する巻線要素（１１、１１ａ、１１ｂ、１１ｃ）に 対して１つのほぼ鞍状の外部シールド（１５、１５ａ）が設けられている請求項 １乃至５の１つに記載の超伝導変圧器。 ７．シールド（１５、１５ａ）が鉄を含む及び／又は超伝導材料から作られてい る請求項６記載の超伝導変圧器。 ８．誘導電器、特に変圧器（１、１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ）のトーラス巻線（２ ９）を形成するためのリング形の巻線要素であって、このリング形が外に向かっ て先細の台形或いは楔状の断面を持つ形状を備え、少なくとも２つの同軸に互い に入れ子状に配置され、相互に電気的に絶縁された円筒導体（１３）が設けられ ている超伝導変圧器の巻線要素。 ９．リング形が回転対称である請求項８記載の巻線要素。 １０．外側の円筒導体（１３）が内側の導体より低い高さを持っている請求項９ 記載の巻線要素。