WO2012031790A1 - Hochtemperatur-supraleiter (hts)-spule - Google Patents

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WO2012031790A1
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coil
hts
temperature superconductor
winding
temperature
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Wolfgang Nick
Marijn Pieter Oomen
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Siemens Aktiengesellschaft
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Definitions

  • High-temperature superconductors (HTS) coil The invention relates to a high-temperature superconductor (HTS) - coil particular for a pole of a rotor of an electrical ⁇ 's machine, for example an electric motor or genera ⁇ tors.
  • High temperature superconductor (HTS) coils can be used for pole windings of machine rotors while being cooled from a room temperature to an operating temperature. At the operating temperature, a superconducting material contained in the coil winding in the HTS conductor develops its superconducting properties.
  • the rotor is mounted on a shaft. The cooling of the high-temperature superconductor coil takes place, for example, by a hollow shaft.
  • the rotor of the rotating machine has a plurality of poles whose Wick ⁇ ments are cooled via the hollow shaft, so that the high-temperature superconductor (HTS) coils are cooled to the appropriate operating temperature.
  • Second generation HTS (2G-HTS) ribbon conductors have been produced in coating processes according to a "coated conductor" architecture.
  • a thin film of HTS-ceramic material such as YBaCuO is applied to a Flexib ⁇ len windable substrate material, for example a band of a low-temperature-proof and highly stretchable Iron alloy (steel, eg Hastelloy) or a nickel-tungsten alloy. Possibly.
  • the manufacturing process for the 2G HTS tape contains one or more interlayers prior to application of the superconductor film.
  • the conductor can be provided with copper on one or both sides.
  • Improvements compared to 1G HTS conductors are of 2G HTS conductors expected, especially higher current density, besse- re mechanical properties, freer choice of conductor material ⁇ lien and geometry.
  • the HTS tape conductor (IG or 2G) is usually surrounded with electrical insulation, and the whole is embedded in a resin (impregnation) for mechanical fixation. Since the purpose of the HTS coils is to generate a magnetic field, Lorenz forces then act on the individual HTS band conductors.
  • HTS high-temperature superconductor
  • HTS high-temperature superconductor
  • This thermal shrinkage is significantly greater than the free, unobstructed shrinkage of the HTS conductor, because the used in the coil manufacturing impregnating resin (usually epoxy resin) has a much higher shrinkage value, for example, 1.4% from 300K to 30K, as the HTS conductor, the Substrate, HTS layer and copper, and a
  • Shrink value of about 0.3% from 300K to 30K has. This thermal shrinkage of the coil winding leads to a compression of the superconducting material contained in the coil winding in the conductor longitudinal direction (circumferential direction). If coils of 2G-HTS material are produced by conventional methods, the longitudinal compression takes place once
  • the invention provides a high temperature superconductor (HTS) coil having:
  • At least one coil winding of HTS ribbon conductor comprising a superconducting material
  • High temperature superconductor (HTS) coil from room temperature to the operating temperature of the HTS coil counteract the thermal shrinkage of the coil winding so as to avoid or reduce the longitudinal compression (circumferential direction) of the superconducting material contained in the coil winding.
  • HTS High temperature superconductor
  • HTS coil consists of Spulenträ- ger of a material whose thermal shrinkage is small upon cooling to the operating temperature of high-temperature superconductivity ⁇ conductor (HTS) coil as a thermal shrinkage of the coil winding without coil carrier. Examples are still presented.
  • the coil winding is wound with a high winding tension.
  • the coil carrier consists of a material which has a modulus of elasticity (E) of
  • the strip conductor for the coil winding has a superconducting HTS ceramic layer.
  • Conductor film which is applied to a substrate material whose thermal shrinkage is less than the thermal shrinkage of the HTS ceramic conductor film when cooled to the operating temperature of the high-temperature superconductor (HTS) coil.
  • HTS high-temperature superconductor
  • the strip conductors on an electrically insulating insulation jacket which is embedded in an impregnating material wherein the thermi ⁇ specific shrink of the insulating jacket or the Imoniagniermate ⁇ rials upon cooling to the operating temperature of the high-temperature superconductors (HTS) coil are particularly small, in ⁇ play, less than the shrinkage of epoxy of about 1.4%.
  • the impregnating material also has grains of a metal oxide in order to counteract the thermal shrinkage of the coil winding 2. This metal oxide is, for example, aluminum oxide.
  • the coil carrier and the coil winding are adapted in a ring shape to a shape of a pole core. More specifically, this is shown below.
  • the high-tempera ture ⁇ superconductor (HTS) coil at an operating temperature of less than 80 Kelvin operated.
  • the invention further provides a rotor of an electric machine having at least one pole, to each of which at least one high temperature superconductor (HTS) coil is mounted, wherein the high temperature superconductor (HTS) coil comprises: at least one coil winding of HTS band conductor, which has a superconducting material;
  • both the coil winding or the coil carrier or advantageously both are designed such that upon cooling the high-temperature superconductor (HTS) coil from a room temperature to the operating temperature of the (HTS) coil counteract the thermal shrinkage of the coil winding, so as to longitudinal compression (Circumferential direction) of the superconducting material contained in the coil winding to avoid or reduce.
  • HTS high-temperature superconductor
  • the pole cores counteract each a thermal shrinkage of the high-temperature superconductor (HTS) coil attached thereto.
  • HTS high-temperature superconductor
  • Fig. 1 is a perspective view showing a possible embodiment of the high-temperature superconductor (HTS) coil according to the invention
  • Fig. 2 is a perspective view showing ei ⁇ ner another embodiment of the high-temperature superconductor according to the invention (HTS) coil having an enlarged coil support cross-section;
  • HTS high-temperature superconductor according to the invention
  • Fig. 3 is a detailed perspective view of a mögli ⁇ Chen embodiment of the high-temperature superconductor (HTS) coil according to the invention.
  • a high-temperature superconductor (HTS) coil 1 has at least one coil winding 2, which is attached to a coil carrier 3.
  • the coil winding 2 has a superconducting material.
  • the coil winding 2 consists of turns of an HTS tape conductor (1G-HTS or 2G-HTS), which in turn comprises a superconducting HTS ceramic conductor film deposited on a windable substrate material, as well as further layers and insulation / impregnation outside around.
  • the superconducting HTS ceramic conductor film may be, for example, a conductor film of YBaCuO.
  • the illustrated in Fig. 1 high-temperature supra-conductor ⁇ (HTS) coil 1 is cooled (HTS) coil 1 for the operation of a room tempera ture ⁇ on the operating temperature of high-temperature superconductors.
  • the high-temperature superconductor (HTS) coil 1 is operated at an operating temperature of less than 80 Kelvin. Upon cooling of the high-temperature superconductor (HTS) coil 1 from the room temperature to the operating temperature, there is a thermal shrinkage of the coil winding 2.
  • the coil winding 2 or the Spool carrier 3 or both designed such that they counteract the thermal shrinkage of the coil winding upon cooling of the high-temperature superconductor (HTS) coil 1 from the room temperature to the operating temperature of the HTS coil 1, so as to the longitudinal compression (circumferential direction) of the To avoid or reduce contained in the coil winding 2 superconducting material.
  • both the coil winding 2 and the coil carrier 3 are designed such that they counteract the mechanical shrinkage of the coil winding 2.
  • only the coil carrier 3 is designed such that it counteracts the thermal shrinkage of the coil winding 2.
  • the coil winding 2 is formed only in such a way that it counteracts the own thermal shrinkage, or the caused thereby L Lucasskontrak ⁇ tion (circumferential direction) of the superconductor material avoids or reduces.
  • the coil carrier 3 consists of a material whose thermal shrinkage during cooling to the operating temperature of the HTS coil 1 is less than the thermal shrinkage of the coil winding 2 without coil carrier.
  • the bobbin 3 is thus preferably made of a material with the lowest possible thermal shrinkage.
  • the coil support 3 can be provided with a heat-conductive jacket, for example with a jacket made of copper sheet. This jacket is preferably made of a material with high thermal conductivity.
  • the bobbin 3 may have a composite or sandwich construction, which is surrounded by a jacket made of a material with high thermal conductivity.
  • the bobbin 3 is in a possible embodiment of a circumferentially reinforced with glass fiber plastic material (GRP).
  • GFP glass fiber plastic material
  • the bobbin 3 may also be made of steel, in particular 4340 steel. On cooling from a room temperature of about 300 Kelvin to an operating temperature of up to 30 Kelvin, this steel only has a thermal shrinkage of 0.21%.
  • the coil carrier 3 preferably consists of a material with a low elasticity, that is to say of a material which has a high modulus of elasticity E. In one possible embodiment, the coil carrier 3 consists of a material whose modulus of elasticity E is greater than
  • the coil carrier 3 has a material cross-section which is greater than a minimum material cross-section required for the winding process to achieve a predetermined mechanical stability.
  • 2 shows, by way of example, an embodiment of the HTS coil 1 according to the invention, in which the coil carrier 3 has an enlarged material cross-section compared with FIG. 1 and is therefore more stable and allows the use of an elevated winding tension.
  • the HTS coil 1, as shown in Fig. 1 or 2 is, for example, brought on a pole core of a machine rotor ⁇ .
  • the coil carrier 3 and the coil winding 2 are adapted to the shape of the pole core, ie they are as shown in FIGS. 1, 2, for example, raceway-ring-shaped.
  • the pole core of the machine rotor is completely filled by the pole core of the machine rotor.
  • the high-temperature superconductor (HTS) coils 1 are mounted directly on the respective pole cores, so that the iron or steel of the pole core can counteract the longitudinal compression of the HTS ceramic.
  • the coils are formed on carriers which are only just stiff enough for the winding process.
  • the coil winding 2 and the corresponding coil carrier 3 are then shrunk on a prefabricated pole core of the rotor or mounted with exact fit on it. Mechanical forces which occur during cooling during operation of the high temperature superconductor (HTS) coil 1 are then held by the pole core.
  • the pole core has a smaller thermal shrinkage and thus prevents longitudinal compression (circumferential direction) of the HTS ceramic contained in the coil winding 2.
  • Good coupling of both the high-temperature superconductor (HTS) coil 1 and the associated pole core to a cooling system prevents the high-temperature superconductor (HTS) coil 1 from cooling faster than the associated pole core.
  • the bobbin 3 is a solid bobbin and thus has a very large cross-section and thus high mechanical stability for receiving Windungs wholly.
  • the coil winding 2 is made of 2G-HTS strip conductors with a higher winding tension, as is usual with 1G-HTS strip conductors for de ⁇ ren partially low mechanical strength , Since the 2G HTS strip conductors are available in different widths, often the winding tension per line width is specified.
  • the entire winding tension F w results here as a winding tension / width x width of the HTS-band conductor.
  • the HTS coil 1 has a correspondingly high pretensioning force.
  • the biasing force results from the Pro ⁇ domestic product of the winding train, for example, 30 N per wire, and the Number of turns n of the coil winding.
  • the total preload force F v is as follows:
  • n is the number of turns of the coil winding 2 and F w winding tension per conductor.
  • the high-temperature superconductor (HTS) coil 1 preferably has a coil winding made of 2G HTS tape conductors in which a superconducting HTS ceramic conductor film is applied to a substrate material.
  • Such Spulenwick ⁇ lungs with 2G HTS (“coated conductors") allow today a significantly higher winding tension F w per conductor width of up to ei ⁇ nigen 100 N / cm conductor width.
  • the winding tension F w per conductor width is more than 50 N / cm up to 100 N / cm or more.
  • the inventively designed bobbin 3 holds without undue deformation a significantly higher winding train rw.
  • the coil winding 2 is wound at increased winding tension F w such that the winding tension of the coil winding is continuously reduced from the inside to the outside during the winding of the coil winding.
  • Fig. 3 shows a detailed view of a further execution ⁇ example of the high-temperature superconductor according to the invention (HTS) coil 1.
  • the coil 2 comprises a plurality of wound coil turns which are indicated by dashed lines in Fig. 3.
  • the wound coil windings made of HTS ribbon conductors are adapted to a correspondingly shaped coil carrier 3. Also in this configuration, the represent advantageous aspects of the HTS coil 1 according to the invention.
  • the coil carrier 3 shown in FIG. 3 preferably consists of a material whose thermal shrinkage on cooling to the operating temperature is lower than the thermal shrinkage of the material used in the coil winding 2.
  • the bobbin 3 consists for example of a glass fiber reinforced plastic material or steel, in particular 4340 steel. The coil turns of the coil winding
  • tur high-temperature superconductor (HTS) coil 1 may be a so-called web-spool HTS racing, which is attached to a pole core of a rotor of a ro ⁇ animal machine.
  • the high-temperature superconductor according to the invention (HTS) coil 1 is preferably designed for a certain rich ⁇ The operating temperature, in particular for operations in 80K and about 30K.
  • the embodiment of the high-temperature superconductor (HTS) coil 1 according to the invention is not limited to the embodiments shown in FIGS. 1-3.
  • a plurality of high-temperature superconductor (HTS) coils 1 may be mounted on a coil carrier
  • the coil winding 2 can be provided between two coil carriers 3 in a sandwich structure.
  • the total cross section of the bobbin is increased.
  • a plurality of high-temperature superconducting (HTS) coils 1 are mounted on a common seed ⁇ pole core of a rotor.
  • the inventive high-temperature superconducting (HTS) coil 1 is not to be ⁇ limits in FIGS. illustrated 1-3 ring shape but can then take other forms in accordance with the design of the machine rotor, such as an oval shape or a rectangle with rounded corners.
  • the high-temperature superconductor (HTS) coil 1 according to the invention does not have to be flat, but instead can be formed, for example, fitted to a cylinder surface.
  • the thermal shrinkage of the coil winding 2 is detected by sensors and reported to a control device. Exceeds the thermal shrinkage, for example, a predetermined threshold, this can trigger a message to report the risk of Moegli ⁇ chen compression of the superconducting material contained in the coil winding 2 and the associated impair ⁇ supply of the superconducting property.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung schafft eine Hochtemperatur-Supraleiter (HTS)-Spule (1) mit mindestens einer Spulenwicklung (2), welche ein supraleitendes Material aufweist; und mit einem Spulenträger (3) für die Spulenwicklung (2), wobei die Spulenwicklung (2) oder der Spulenträger (3) derart ausgebildet sind, dass sie bei einem Abkühlen der Hochtemperatur-Supraleiter (HTS)-Spule (1) von einer Raumtemperatur auf die Betriebstemperatur der Hochtemperatur-Supraleiter (HTS)-Spule (1) zur Vermeidung oder Verringerung der Längskompression (Umfangsrichtung) des in der Spulenwicklung (2) enthaltenen supraleitenden Materials dem thermischen Schrumpfen der Spulenwicklung (2) entgegenwirken.

Description

Beschreibung
Hochtemperatur-Supraleiter (HTS) -Spule Die Erfindung betrifft eine Hochtemperatur-Supraleiter (HTS)- Spule insbesondere für einen Pol eines Rotors einer elektri¬ schen Maschine, z.B. eines elektrischen Motors oder Genera¬ tors . Hochtemperatur-Supraleiter (HTS) -Spulen kann man für Polwicklungen von Maschinenrotoren einsetzen, wobei sie von einer Raumtemperatur auf eine Betriebstemperatur abgekühlt werden. Bei der Betriebstemperatur entfaltet ein im HTS-Leiter in der Spulenwicklung enthaltenes supraleitendes Material seine sup- raleitenden Eigenschaften. Der Rotor ist dabei auf einer Welle montiert. Die Kühlung der Hochtemperatur-Supraleiter-Spule erfolgt dabei beispielsweise durch eine Hohlwelle. Der Rotor der rotierenden Maschine weist mehrere Pole auf, deren Wick¬ lungen über die Hohlwelle gekühlt werden, so dass die Hoch- temperatur-Supraleiter (HTS) -Spulen auf die entsprechende Betriebstemperatur abgekühlt werden.
Herkömmlicherweise werden heute meist Hochtemperatur-Supra¬ leiter der „ersten Generation" (1G-HTS) eingesetzt. Diese Bandleiter sind meist einige mm breit und nur ein Bruchteil eines mm dick. Sie enthalten bei 1G-HTS Filamente einer gra¬ nulären HTS-Keramik (z.B. BiSrCaCuO) , eingebettet in einer Silber-Matrix, wobei die Herstellung mit der sogenannten Pul- ver-in-Rohr Methode erfolgt. Mit solchen Leitern sind keine speziellen Maßnahmen zur Vermeidung von Kompression notwendig .
Neuerdings gibt es HTS-Bandleiter der „zweiten Generation" (2G-HTS) . Diese werden in Beschichtungsverfahren hergestellt gemäß einer „coated conductor" Architektur. Ein dünner Film des HTS-Keramik-Material , z.B. YBaCuO, wird auf einem flexib¬ len wickelbaren Substratmaterial aufgebracht, beispielsweise ein Band einer tieftemperatur-tauglichen und hoch dehnbaren Eisenlegierung (Stahl, z.B. Hastelloy) oder auch einer Nickel-Wolfram-Legierung. Evtl. Enthält der Fertigungsprozess für das 2G-HTS-Band vor dem Aufbringen des Supraleiter-Films noch eine oder mehrere Zwischenschichten. Zur Stabilisierung gegen Überströme kann der Leiter auf einer oder auf beiden Seiten mit Kupfer versehen werden.
Von 2G-HTS-Leitern werden Verbesserungen im Vergleich zu 1G- HTS-Leitern erwartet, insbesondere höhere Stromdichte, besse- re mechanische Eigenschaften, freiere Wahl von Leitermateria¬ lien und Geometrie.
In der Anwendung für Spulen wird der HTS-Bandleiter (IG oder 2G) üblicherweise mit einer elektrischen Isolierung umgeben, und das Ganze zur mechanischen Fixierung in ein Harz (Imprägnierung) eingebettet. Da der Zweck der HTS-Spulen in der Erzeugung eines Magnetfelds liegt, wirken dann Lorenzkräfte auf die einzelnen HTS-Bandleiter. Beim Abkühlen der Hochtemperatur-Supraleiter (HTS) -Spule von der Raumtemperatur auf die Betriebstemperatur der Hochtemperatur-Supraleiter (HTS) -Spule kommt es zu einem thermischen Schrumpfen der Spulenwicklung, in radialer Richtung aber auch in Umfangsrichtung . Dieses thermische Schrumpfen ist deutlich größer als der freie, unbehinderte Schrumpf des HTS-Leiters, denn das bei der Spulenherstellung benutzte Imprägnierharz (meist Epoxydharz) hat einen deutlich höheren Schrumpfwert , beispielsweise 1.4% von 300K auf 30K, als der HTS-Leiter, der aus Substrat, HTS-Schicht und Kupfer besteht, und einen
Schrumpfwert von etwa 0.3% von 300K bis 30K aufweist. Dieses thermische Schrumpfen der Spulenwicklung führt zu einer Kompression des in der Spulenwicklung enthaltenen supraleitenden Materials in Leiterlängsrichtung (Umfangsrichtung) . Werden aus 2G-HTS-Material Spulen mit herkömmlichen Methoden herge- stellt, kommt es sobald die Längskompression ein bestimmtes
Ausmaß überschreitet, zu einer irreversiblen Degradierung der supraleitenden Eigenschaften des in der Spulenwicklung enthaltenen supraleitenden Materials. Der dünne Keramikfilm in 2G-HTS-Leitern ist anfälliger für solche Kompression als die aus vielen einzelnen Körnern bestehende Filamente in 1G-HTS- Leitern . Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Hochtemperatur-Supraleiter (HTS) -Spule zu schaffen, bei welcher die Degradierung supraleitender Eigenschaften aufgrund von thermischem Schrumpfen weitestgehend vermieden wird. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Hochtemperatur- Supraleiter (HTS) -Spule mit den in Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.
Die Erfindung schafft eine Hochtemperatur-Supraleiter (HTS)- Spule mit:
mindestens einer Spulenwicklung aus HTS-Bandleiter, welche ein supraleitendes Material aufweist; und mit
einem Spulenträger für die Spulenwicklung;
wobei die Spulenwicklung oder der Spulenträger oder beide
derart ausgebildet sind, dass sie bei einem Abkühlen der
Hochtemperatur-Supraleiter (HTS) -Spule von Raumtemperatur auf die Betriebstemperatur der HTS-Spule dem thermischen Schrumpfen der Spulenwicklung entgegenwirken, um so die Längskompression (Umfangsrichtung) des in der Spulenwicklung enthaltenen supraleitenden Materials zu vermeiden oder zu reduzieren.
Bei einer möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Hochtemperatur-Supraleiter (HTS) -Spule besteht der Spulenträ- ger aus einem Material, dessen thermischer Schrumpf beim Abkühlen auf die Betriebstemperatur der Hochtemperatur-Supra¬ leiter (HTS) -Spule geringer ist als ein thermischer Schrumpf der Spulenwicklung ohne Spulenträger. Beispiele werden noch dargestellt .
Bei einer möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Hochtemperatur-Supraleiter (HTS) -Spule ist die Spulenwicklung mit einem hohen Wickelzug gewickelt. Bei einer möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Hochtemperatur-Supraleiter (HTS) -Spule besteht der Spulenträger aus einem Material, welches ein Elastizitätsmodul (E) von
N
mehr als 150.000 M —- aufweist oder der Spulenträger ist be- m
sonders stabil konstruiert, z.B. massiv.
Bei einer möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Hochtemperatur-Supraleiter (HTS) -Spule weist der Bandleiter für die Spulenwicklung einen supraleitenden HTS-Keramik-
Leiterfilm auf, der auf einem Substratmaterial aufgebracht ist, dessen thermischer Schrumpf bei Abkühlen auf die Betriebstemperatur der Hochtemperatur-Supraleiter (HTS) -Spule geringer ist, als der thermische Schrumpf des HTS-Keramik- Leiterfilms.
Bei einer möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Hochtemperatur-Supraleiter (HTS) -Spule weist der Bandleiter einen elektrisch isolierenden Isolationsmantel auf, der in einem Imprägniermaterial eingebettet ist, wobei der thermi¬ sche Schrumpf des Isolationsmantels oder des Imprägniermate¬ rials beim Abkühlen auf die Betriebstemperatur der Hochtemperatur-Supraleiter (HTS) -Spule besonders klein sind, bei¬ spielsweise kleiner als der Schrumpf von Epoxy von etwa 1,4%. Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Hochtemperatur-Supraleiter (HTS) -Spule 1 weist das Imprägniermaterial zudem Körner aus einem Metalloxid auf, um dem thermischen Schrumpfen der Spulenwicklung 2 entgegenzuwirken. Bei diesem Metalloxid handelt es sich beispielsweise um Aluminiumoxid.
Bei einer möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Hochtemperatur-Supraleiter (HTS) -Spule sind der Spulenträger und die Spulenwicklung an eine Form eines Polkerns angepasst ringförmig ausgebildet. Genauer wird dies weiter unten dargestellt . Bei einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Hochtemperatur-Supraleiter (HTS) -Spule wird die Hochtempera¬ tur-Supraleiter (HTS) -Spule bei einer Betriebstemperatur von unter 80 Kelvin betrieben.
Die Erfindung schafft ferner einen Rotor einer elektrischen Maschine mit mindestens einem Pol, an den jeweils mindestens eine Hochtemperatur-Supraleiter (HTS) -Spule angebracht ist, wobei die Hochtemperatur-Supraleiter (HTS) -Spule aufweist: mindestens eine Spulenwicklung aus HTS-Bandleiter, welche ein supraleitendes Material aufweist;
einen Spulenträger für die Spulenwicklung;
wobei die Spulenwicklung oder der Spulenträger oder vorteilhaft beide derart ausgebildet sind, dass sie bei einem Abkühlen der Hochtemperatur-Supraleiter (HTS) -Spule von einer Raumtemperatur auf die Betriebstemperatur der (HTS) -Spule dem thermischen Schrumpfen der Spulenwicklung entgegenwirken, um so die Längskompression (Um- fangsrichtung) des in der Spulenwicklung enthaltenen supraleitenden Materials zu vermeiden oder zu reduzieren .
Bei einer möglichen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ma schinenrotors wirken die Polkerne jeweils einem thermischen Schrumpfen der daran angebrachten Hochtemperatur-Supraleiter (HTS) -Spule entgegen.
Im Weiteren werden mögliche Ausführungsformen der erfindungs gemäßen Hochtemperatur-Supraleiter (HTS) -Spule unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 die perspektivische Ansicht zur Darstellung einer möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Hochtemperatur-Supraleiter (HTS) -Spule;
Fig. 2 eine perspektivische Ansicht zur Darstellung ei¬ ner weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Hochtemperatur-Supraleiter (HTS) -Spule mit einem vergrößerten Spulenträgerquerschnitt ;
Fig. 3 eine perspektivische Detailansicht einer mögli¬ chen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Hochtemperatur-Supraleiter (HTS) -Spule.
Wie man aus Fig. 1 erkennen kann, weist eine Hochtemperatur- Supraleiter (HTS) -Spule 1 mindestens eine Spulenwicklung 2 auf, die an einem Spulenträger 3 angebracht ist. Die Spulenwicklung 2 weist ein supraleitendes Material auf. Bei einer möglichen Ausführungsform besteht die Spulenwicklung 2 aus Windungen eines HTS-Bandleiters (1G-HTS oder 2G-HTS) , der seinerseits einen supraleitenden HTS-Keramik-Leiterfilm aufweist, der auf einem wickelbaren Substratmaterial aufgebracht ist, sowie weitere Schichten und Isolation / Imprägnierung außen herum. Bei dem supraleitenden HTS-Keramik-Leiterfilm kann es sich beispielsweise um einen Leiterfilm aus YBaCuO handeln. Die in Fig. 1 dargestellte Hochtemperatur-Supra¬ leiter (HTS) -Spule 1 wird zum Betrieb von einer Raumtempera¬ tur auf die Betriebstemperatur der Hochtemperatur-Supraleiter (HTS) -Spule 1 abgekühlt.
Bei einer möglichen Ausführungsform wird die Hochtemperatur- Supraleiter (HTS) -Spule 1 bei einer Betriebstemperatur von unter 80 Kelvin betrieben. Beim Abkühlen der Hochtemperatur- Supraleiter (HTS) -Spule 1 von der Raumtemperatur zu der Betriebstemperatur kommt es zu einem thermischen Schrumpfen der Spulenwicklung 2. Bei der erfindungsgemäßen Hochtemperatur- Supraleiter (HTS) -Spule 1 sind die Spulenwicklung 2 oder der Spulenträger 3 oder beide derart ausgebildet, dass sie bei einem Abkühlen der Hochtemperatur-Supraleiter (HTS) -Spule 1 von der Raumtemperatur auf die Betriebstemperatur der HTS- Spule 1 dem thermischen Schrumpfen der Spulenwicklung entge- genwirken, um so die Längskompression (Umfangsrichtung) des in der Spulenwicklung 2 enthaltenen supraleitenden Materials zu vermeiden oder zu reduzieren.
Bei einer möglichen Ausführungsform sind sowohl die Spulen- wicklung 2 als auch der Spulenträger 3 derart ausgebildet, dass sie dem mechanischen Schrumpfen der Spulenwicklung 2 entgegenwirken. Bei einer möglichen Ausführungsform ist nur der Spulenträger 3 derart ausgebildet, dass er dem thermischen Schrumpfen der Spulenwicklung 2 entgegenwirkt. Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform der Hochtemperatur- Supraleiter (HTS) -Spule 1 ist lediglich die Spulenwicklung 2 derart ausgebildet, dass sie dem eigenen thermischen Schrumpfen entgegenwirkt bzw. die dadurch verursachte Längskontrak¬ tion (Umfangsrichtung) des Supraleitermaterials vermeidet oder reduziert.
Bei einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Hochtemperatur-Supraleiter (HTS) -Spule 1 besteht der Spulenträger 3 aus einem Material, dessen thermischer Schrumpf bei dem Abkühlen auf die Betriebstemperatur der HTS-Spule 1 geringer ist als der thermische Schrumpf der Spulenwicklung 2 ohne Spulenträger. Der Spulenträger 3 besteht somit vorzugsweise aus einem Material mit einem möglichst geringen thermischen Schrumpf. Um eine benötigte Wärmeabfuhr von den inneren Windungen bzw. Wicklungen der HTS-Spule 1 zu gewährleisten, kann der Spulenträger 3 bei einer möglichen Ausführungsform mit einem wärme- leitfähigen Mantel versehen werden, beispielsweise mit einem Mantel aus Kupferblech. Dieser Mantel besteht vorzugsweise aus einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit. Weiterhin kann der Spulenträger 3 eine Komposit- oder Sandwichkonstruktion aufweisen, die mit einem Mantel aus einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit umgeben ist. Der Spulenträger 3 besteht bei einer möglichen Ausführungsform aus einem in Umfangsrichtung mit Glasfaser verstärkten Kunststoffmaterial (GFK) . Alternativ kann der Spulenträger 3 auch aus Stahl bestehen, insbesondere aus Stahl-4340. Dieser Stahl weist beim Abkühlen von einer Raumtemperatur von etwa 300 Kelvin auf eine Betriebstemperatur von bis zu 30 Kelvin lediglich ein thermisches Schrumpfen von 0,21 % auf. Weiterhin besteht der Spulenträger 3 vorzugsweise aus einem Material mit einer geringen Elastizität, das heißt aus einem Mate- rial, welches ein hohes Elastizitätsmodul E besitzt. Bei einer möglichen Ausführungsform besteht der Spulenträger 3 aus einem Material, dessen Elastizitätsmodul E größer als
N
150.000 M — ist.
m Weiterhin weist der Spulenträger 3 bei einer möglichen Ausführungsform einen Materialquerschnitt auf, der größer ist als ein minimaler für den Wickelprozess zur Erreichung einer vorgegebenen mechanischen Stabilität benötigter Materialquerschnitt. Fig. 2 zeigt beispielhaft eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen HTS-Spule 1, bei welcher der Spulenträger 3 einen im Vergleich zu Fig. 1 vergrößerten Materialquerschnitt aufweist und dadurch stabiler ist und die Verwendung eines erhöhten Wickelzugs erlaubt. Die HTS-Spule 1, wie sie in Fig. 1 oder 2 dargestellt ist, wird zum Beispiel auf einem Polkern eines Maschinenrotors an¬ gebracht. Der Spulenträger 3 und die Spulenwicklung 2 sind dabei an die Form des Polkerns angepasst, d. h. sie sind wie in den Fig. 1, 2 dargestellt, beispielsweise rennbahn-ring- förmig ausgebildet. Die in Fig. 1, 2 dargestellte Öffnung 4 wird von dem Polkern des Maschinenrotors komplett ausgefüllt. Schrumpft das Polkerneisen bei Abkühlen von der Raumtempera¬ tur auf die Betriebstemperatur der HTS-Spule 1 weniger als eine freiliegende Spulenwicklung schrumpfen würde, so be- stimmt das Polkerneisen den thermischen Schrumpf der Spulenwicklung und somit die Längskompression der darin enthaltenen HTS-Keramik. Bei einer möglichen Ausführungsform werden daher die Hochtemperatur-Supraleiter (HTS) -Spulen 1 direkt auf die jeweiligen Polkerneisen montiert, so dass das Eisen bzw. der Stahl des Polkerns der Längskompression der HTS-Keramik entgegenwirken kann. Bei dieser Ausführungsform werden die Spu- len auf Trägern gebildet, die nur gerade steif genug sind für den Wickelprozess . Die Spulenwicklung 2 und der entsprechende Spulenträger 3 werden dann auf einem vorgefertigten Polkern des Rotors aufgeschrumpft oder mit genauer Passung darauf montiert. Mechanische Kräfte, die bei Abkühlen im Betrieb der Hochtemperatur-Supraleiter (HTS) -Spule 1 auftreten, werden dann von dem Polkerneisen gehalten. Das Polkerneisen besitzt einen geringeren thermischen Schrumpf und verhindert auf diese Weise eine Längskompression (Umfangsrichtung) der in der Spulenwicklung 2 enthaltenen HTS-Keramik. Durch eine gute An- kopplung sowohl der Hochtemperatur-Supraleiter (HTS) -Spule 1 als auch des zugehörigen Polkerns an ein Kühlsystem wird dabei verhindert, dass die Hochtemperatur-Supraleiter (HTS)- Spule 1 schneller abkühlt als der zugehörige Polkern. Bei einer möglichen (nicht dargestellten) Ausführungsform ist der Spulenträger 3 ein massiver Spulenträger und weist somit einen sehr großen Querschnitt auf und damit hohe mechanische Stabilität zur Aufnahme von Windungskräften. Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Hochtemperatur-Supraleiter (HTS) -Spule 1 wird die Spulenwicklung 2 aus 2G-HTS-Bandleitern mit einem höheren Wickelzug hergestellt, als er bei 1G-HTS-Bandleitern wegen de¬ ren teilweise geringer mechanischer Festigkeit üblich ist. Da die 2G-HTS-Bandleiter in unterschiedlichen Breiten verfügbar sind, wird oft der Wickelzug pro Leiterbreite angegeben. Der gesamte Wickelzug Fw ergibt sich dabei als Wickelzug/Breite x Breite des HTS-Bandleiters . Beispielsweise wird vorteilhaft ein 12mm breiter HTS-Bandleiter mit mindestens 25 N/cm Wi- ckelzug pro Breite, also 30 N Wickelzug verarbeitet. Dadurch weist die erfindungsgemäße HTS-Spule 1 eine entsprechend hohe Vorspannkraft auf. Die Vorspannkraft ergibt sich aus dem Pro¬ dukt des Wickelzuges, beispielsweise 30 N pro Leiter, und der Anzahl von Windungen n der Spulenwicklung. Die gesamte Vorspannkraft Fv ergibt sich wie folgt:
Fv = 2 x n x Fw,
wobei n die Anzahl von Windungen der Spulenwicklung 2 und Fw Wickelzug pro Leiter ist.
Die erfindungsgemäßen Hochtemperatur-Supraleiter (HTS) -Spule 1 weist vorzugsweise eine Spulenwicklung aus 2G-HTS-Bandlei- ter auf, in der ein supraleitender HTS-Keramik-Leiterfilm auf einem Subtratmaterial aufgebracht ist. Derartige Spulenwick¬ lungen mit 2G-HTS ("coated conductors") erlauben heute einen deutlich höheren Wickelzug Fw pro Leiterbreite von bis zu ei¬ nigen 100 N/cm Leiterbreite. Bei einer möglichen Ausführungs- form der erfindungsgemäßen HTS-Spule 1 beträgt der Wickelzug Fw pro Leiterbreite mehr als 50 N/cm bis zu 100 N/cm oder mehr. Der erfindungsgemäß gestaltete Spulenträger 3 hält ohne unzulässige Deformation einen deutlich höheren Wickel zug r w aus. Wird bei dieser Ausführungsform die Spulenwicklung 2 beim Wickeln unter mechanische Vorspannung gebracht, verringert der beim Abkühlen der HTS-Spule 1 auf die Betriebstempe¬ ratur hervorgerufene thermische Schrumpf zunächst diese me¬ chanische Vorspannung in Umfangsrichtung . Erst wenn diese mechanische Vorspannung ganz aufgehoben ist, entsteht eine un- akzeptable Längskompression des in der Spulenwicklung 2 enthaltenen supraleitenden Materials. Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird die Spulenwicklung 2 bei erhöhten Wickelzug Fw derart gewickelt, dass der Wickelzug der Spulenwicklung von innen nach außen während des Wickeins der Spulenwicklung stetig verringert wird.
Fig. 3 zeigt in einer Detailansicht ein weiteres Ausführungs¬ beispiels der erfindungsgemäßen Hochtemperatur-Supraleiter (HTS) -Spule 1. Die Spulenwicklung 2 weist eine Vielzahl von gewickelten Spulenwindungen auf, die in Fig. 3 gestrichelt angedeutet sind. Die gewickelten Spulenwindungen aus HTS- Bandleiter sind an einen entsprechend geformten Spulenträger 3 angepasst. Auch in dieser Konfiguration lassen sich die aufgeführten vorteilhaften Aspekte der erfindungsgemäßen HTS- Spule 1 darstellen.
Der in Fig. 3 dargestellte Spulenträger 3 besteht vorzugswei- se aus einem Material dessen thermischer Schrumpf beim Abkühlen auf die Betriebstemperatur geringer ist als der thermische Schrumpf des in der Spulenwicklung 2 verwendeten Materials. Der Spulenträger 3 besteht beispielsweise aus einem glasfaserverstärkten Kunststoffmaterial oder aus Stahl, ins- besondere 4340-Stahl. Die Spulenwindungen der Spulenwicklung
2 werden vorzugsweise mit einem hohen Wickelzug Fw gewickelt, so dass eine entsprechend hohe Vorspannkraft besteht. Bei der vorliegenden Ausführungsform werden die inneren Wicklungen der Spulenwicklung 2 auf einem höheren Wickelzug gewickelt, welcher im Laufe des Wickelprozesses gemindert wird. Der an¬ fängliche Wickelzug pro Leiterbreite kann dabei mehr als 100 N/cm betragen, wobei der Wickelzug im Laufe des Wickeins bei¬ spielsweise nahezu linear auf einem Wickelzug von mehr als 25 N/cm vermindert wird. Die in Fig. 3 dargestellte Hochtempera- tur-Supraleiter (HTS) -Spule 1 kann eine sogenannte HTS-Renn- bahnspule sein, die an einen Polkern eines Rotors einer ro¬ tierenden Maschine angebracht wird.
Die erfindungsgemäße Hochtemperatur-Supraleiter (HTS) -Spule 1 wird vorzugsweise für einen bestimmten Betriebstemperaturbe¬ reich ausgelegt, insbesondere für Betrieb unter 80K bzw. bei etwa 30K. Die Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Hochtemperatur-Supraleiter (HTS) -Spule 1 ist nicht auf die in den Fig. 1-3 dargestellten Ausführungsformen beschränkt. Beispielswei- se können bei einer möglichen Ausführungsform mehrere Hochtemperatur-Supraleiter (HTS) -Spulen 1 auf einem Spulenträger
3 vorgesehen sein. Weiterhin kann bei einer möglichen Ausführungsform die Spulenwicklung 2 zwischen zwei Spulenträgern 3 in einer Sandwichstruktur vorgesehen werden. Dadurch wird der Gesamtquerschnitt der Spulenträger erhöht. Weiterhin ist es möglich, dass mehrere Hochtemperatur-Supraleiter (HTS) -Spulen 1, wie sie in den Fig. 1-3 dargestellt sind, an einen gemein¬ samen Polkern eines Rotors angebracht werden. Weiterhin ist die erfindungsgemäße Hochtemperatur-Supraleiter (HTS) -Spule 1 nicht auf die in den Fig. 1-3 dargestellte Ringform be¬ schränkt sondern kann dann auch andere Formen entsprechend dem Design des Maschinenrotors annehmen, beispielsweise eine ovale Form oder als Rechteck mit abgerundeten Ecken. Weiterhin muss die erfindungsgemäße Hochtemperatur-Supraleiter (HTS) -Spule 1, wie sie in den Fig. 1, 3 dargestellt ist, nicht flach ausgebildet sein, sondern kann beispielsweise an- gepasst an eine Zylinderoberfläche ausgebildet sein.
Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform wird der thermische Schrumpf der Spulenwicklung 2 sensorisch erfasst und einer Steuereinrichtung gemeldet. Überschreitet der thermische Schrumpf beispielsweise einen vorgegebenen Schwellenwert kann dies eine Nachricht auslösen, um die Gefahr einer mögli¬ chen Kompression des in der Spulenwicklung 2 enthaltenen supraleitenden Materials und die damit verbundene Beeinträchti¬ gung der supraleitenden Eigenschaft zu melden.

Claims

Patentansprüche
1. Hochtemperatur-Supraleiter (HTS) -Spule (1) mit:
(a) mindestens einer Spulenwicklung (2), welche ein supraleitendes Material aufweist; und mit
(b) einem Spulenträger (3) für die Spulenwicklung (2);
(c) wobei die Spulenwicklung (2) oder der Spulenträger (3) derart ausgebildet sind, dass sie bei einem Abkühlen der Hochtemperatur-Supraleiter (HTS) -Spule (1) von einer Raumtemperatur auf die Betriebstemperatur der Hochtemperatur-Supraleiter (HTS) -Spule (1) zur Vermeidung oder Verringerung der Längskompression des in der Spulenwicklung (2) enthaltenen supraleitenden Materials dem thermischen Schrumpfen der Spulenwicklung (2) entgegenwirken .
2. Hochtemperatur-Supraleiter (HTS) -Spule nach Anspruch 1, wobei der Spulenträger (3) aus einem Material besteht, dessen thermischer Schrumpf bei dem Abkühlen auf die Betriebstemperatur der Hochtemperatur-Supraleiter (HTS) -Spule (1) geringer ist, als der thermische Schrumpf der Spulenwicklung (2) in Umfangsrichtung ohne Spulenträger.
3. Hochtemperatur-Supraleiter (HTS) -Spule nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Spulenträger (3) aus einem mit Glasfaser verstärkten Kunststoffmaterial besteht.
4. Hochtemperatur-Supraleiter (HTS) -Spule nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Spulenträger (3) aus Stahl besteht.
5. Hochtemperatur-Supraleiter (HTS) -Spule nach Anspruch 4, wobei der Spulenträger (3) aus 4340-Stahl besteht.
6. Hochtemperatur-Supraleiter (HTS) -Spule nach Anspruch 1-5, wobei der Spulenträger (3) einen Mantel aufweist, der aus ei¬ nem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit, insbesondere Kup¬ fer, besteht.
7. Hochtemperatur-Supraleiter (HTS) -Spule nach Anspruch 1-6, wobei der Spulenträger (3) aus einem Material besteht, wel-
N
ches ein Elastizitätsmodul (E) von mehr als 150.000 M —- m aufweist .
8. Hochtemperatur-Supraleiter (HTS) -Spule nach Anspruch 1-7, wobei der Spulenträger (3) einen Materialquerschnitt auf¬ weist, der größer als ein minimal für den Wickelprozess zur Erreichung einer mechanischen Stabilität benötigter Quer- schnitt ist.
9. Hochtemperatur-Supraleiter (HTS) -Spule nach Anspruch 1-7, wobei der Spulenträger ein massiver Spulenträger ist.
10. Hochtemperatur-Supraleiter (HTS) -Spule nach Anspruch 1-7, wobei die Spulenwicklung (2) mit einem Wickelzug pro Breite des HTS-Bandleiters von mehr als 25 N/cm gewickelt ist und eine entsprechend hohe Vorspannungskraft aufweist.
11. Hochtemperatur-Supraleiter (HTS) -Spule nach Anspruch 10, wobei der Wickelzug pro Breite des HTS-Bandleiters mehr als 50 N/cm bis über 100 N/cm beträgt.
12. Hochtemperatur-Supraleiter (HTS) -Spule nach Anspruch 1-11, wobei die Spulenwicklung (2) aus HTS-Bandleiter einen supraleitenden HTS-Keramik-Leiterfilm, insbesondere aus YBa- CuO aufweist, der auf einem Substratmaterial aufgebracht ist, dessen thermischer Schrumpf bei Abkühlen auf die Betriebstemperatur der HTS-Spule (1) geringer ist, als der thermische Schrumpf des HTS-Keramik-Leiterfilms .
13. Hochtemperatur-Supraleiter (HTS) -Spule nach Anspruch 1-12, wobei der HTS-Bandleiter einen elektrisch isolierenden Isolationsmantel aufweist, der in einem Imprägniermaterial eingebettet ist, wobei der thermische Schrumpf des Isolati¬ onsmantels bei Abkühlen auf die Betriebstemperatur der HTS- Spule (1) geringer ist als der thermische Schrumpf des Im¬ prägniermaterials .
14. Hochtemperatur-Supraleiter (HTS) -Spule nach Anspruch 13, wobei das Imprägniermaterial einen thermischen Schrumpf auf¬ weist, der geringer ist als der thermische Schrumpf von Epo¬ xydharz .
15. Hochtemperatur-Supraleiter (HTS) -Spule nach Anspruch 14, wobei das Imprägniermaterial Körner aus Metalloxid, insbeson¬ dere aus Aluminiumoxid, aufweist.
16. Hochtemperatur-Supraleiter (HTS) -Spule nach Anspruch 10-15, wobei der Spulenträger (3) und die Spulenwicklung (1) angepasst an eine Form eines Polkerns ringförmig ausgebildet sind .
17. Hochtemperatur-Supraleiter (HTS) -Spule nach Anspruch 1-16, wobei die Hochtemperatur-Supraleiter (HTS) -Spule (1) bei einer Betriebstemperatur von unter 80 Kelvin (K) betrieben wird.
18. Hochtemperatur-Supraleiter (HTS) -Spule nach Anspruch 1-17, wobei die Spulenwicklung (2) derart gewickelt ist, dass der Wickelzug von innen nach außen während des Wickeins der Spulenwicklung (2) stetig verringert wird.
19. Rotor einer elektrischen Maschine mit mehreren Polkernen, an die jeweils mindestens eine Hochtemperatur-Supraleiter (HTS) -Spule (1) nach einem der Ansprüche 1-18 angebracht ist.
20. Rotor einer elektrischen Maschine nach Anspruch 19, wobei die Polkerne jeweils einem thermischen Schrumpf der daran angebrachten Hochtemperatur-Supraleiter (HTS) -Spule (1) entgegenwirken.
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