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