WO2019166438A1 - Sattelspule für einen wenigstens zwei pole aufweisenden rotor einer elektrischen maschine und elektrische maschine - Google Patents

Sattelspule für einen wenigstens zwei pole aufweisenden rotor einer elektrischen maschine und elektrische maschine Download PDF

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WO2019166438A1
WO2019166438A1 PCT/EP2019/054739 EP2019054739W WO2019166438A1 WO 2019166438 A1 WO2019166438 A1 WO 2019166438A1 EP 2019054739 W EP2019054739 W EP 2019054739W WO 2019166438 A1 WO2019166438 A1 WO 2019166438A1
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coil
temperature superconductor
conductor
saddle
coil conductor
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PCT/EP2019/054739
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Marijn Pieter Oomen
Tabea Arndt
Michael Frank
Jörn GRUNDMANN
Peter Van Hasselt
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • H02K55/02—Dynamo-electric machines having windings operating at cryogenic temperatures of the synchronous type
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
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    • H01F6/00—Superconducting magnets; Superconducting coils
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    • Y02E40/00—Technologies for an efficient electrical power generation, transmission or distribution
    • Y02E40/60—Superconducting electric elements or equipment; Power systems integrating superconducting elements or equipment

Definitions

  • Saddle coil for having at least two poles rotor of an electric machine and electric machine
  • the invention relates to a saddle coil for a rotor having at least two poles of an electric machine, such as an electric machine.
  • High-temperature superconductor tapes in particular those having flat, thin, high-temperature superconductor layers on metallic tapes, show promising properties for the production of coil windings. All together advantageous in the use of Hochtemperatursup raleiterb sectionn is that at a temperature below the critical temperature of the superconductor, a current can flow almost loss freely.
  • high-temperature superconductor tapes are generally very sensitive to mechanical loads. It turns out to be re relatively simple, planar, two-dimensional coil geometries, thus wich flat coils / racecourse coils ("pancake coils”) wi, where it turns out to be much harder to implement, three-dimensional coil geometries, which would be desirable.
  • the rotary iron can no longer be forged as a single project jahekt, but must be composed of several parts, such as riveted shaft ends, the who, so that the flat coils can be mounted on the rotor. This leads to the development of mechanical weaknesses and can lead to dynamic instabilities, especially in large machines with high centrifugal forces and Glasbe loads.
  • rotor coils with high-temperature superconductors must be cooled down to low operating temperatures.
  • cooling fluid is introduced into the rotor and out of the rotor close to the rotor axis. The same applies to the lines for coil current and coil voltage. For flat coils, this leads to problems in design and manufacturing.
  • the invention has for its object to provide a saddle coil of a high-temperature superconductor, which is shaped three-dimensionally, has a comparatively niedri conditions space requirement on the head sides and ASm possible avoids excessive me chanical loads of high-temperature superconductor tape.
  • saddle coils are therefore proposed that are substantially rectangular in plan view and, for each coil winding, consist of four composite sections. cut, namely two longitudinal sections and two Querab cut exist. While in the longitudinal sections of a straight line corresponding course of the coil conductor and is given so with the high-temperature superconductor, a bending of the coil conductor is given in a Sat telform for the transverse sections, in particular a circular section shape.
  • the high-temperature superconductor tapes of the short sides, ie the transverse sections are preferably connected directly or indirectly at a 90 ° angle with the high-temperature superconductor strips of the longitudinal sections. After these connections are needed at each corner of the rectangular saddle coil, each coil turn has four such connections.
  • connections in the corners are preferably produced by pressing high-temperature superconductor tapes with indium and / or by soldering the high-temperature superconductor tapes in overlapping areas, as described, for example, in the articles by S. Ito et al. or S.L. Lalitha / T. Lecrevisse et al. is described.
  • the flat side of the high-temperature superconductor tapes is preferably oriented such that it extends in the installed state at least substantially perpendicular to a radial direction of the rotor, at each Place the saddle coil.
  • the first length is preferably 4 to 8 Me ter and the second length is preferably 0.5 to 1 meter.
  • At least one existing in particular copper Ver connecting element, with which the high temperature superconductor bands of the coil conductors are respectively connected, is provided.
  • an indirect connection of the high-temperature superconductor ribbons is given, which is produced by a particular existing copper connecting element.
  • Such a connecting element may have the advantage that a larger contact surface is given during soldering / pressing, which can also lead to extremely low resistance values.
  • a connecting element acts as a kind of "distribution part", over which the through the respective coil Conductor can redistribute flowing current suitably, example, in a defective high-temperature superconductor tape in one of the coil conductor.
  • the connecting element may have a pro filing or shaping, the factors on the corresponding ends of the coil conductor, in particular the posi of the high-temperature superconductor tapes in the Spulenlei, is tuned to provide as possible for each high-temperature superconductor band as optimal contact options.
  • a high-temperature superconductor tape usually, and therefore also in the present invention preferably, a high-temperature superconductor layer applied to a metallic substrate, wherein between the substrate, so the substrate layer, and the high-temperature superconductor still be provided at least one buffer layer can.
  • the high-temperature superconductor tape has a high-temperature superconductor layer side and a substrate side.
  • the coil conductors and the connecting portions are of course carried out electrically insulated, for which in principle be known procedures can be used.
  • the coil turns can advantageously be composed of short high-temperature superconductor strip pieces, in the above-mentioned example, up to several meters long.
  • the manufacturer can therefore request and use high-quality superconductor tapes of the highest quality, even if this quality can not yet be reliably and uniformly produced over hundreds of meters of high-temperature superconductor tapes used in winding.
  • an additional design option for rotors in electrical machines, especially large bipolar machines such as power plant generators, provides.
  • the use of the proposed saddle coils is therefore particularly advantageous in that a Hochtemperatursupra conductor, in particular a high-temperature superconductor of the two th generation, is used, for which the rotor, or at least the rotor coil, must be kept at low operating temperatures.
  • the saddle coil according to the invention it allows the coolant supply along the rotor axis, after there no coil conductors must be guided along, although in the longitudinal sections, the coil conductor, the ideal case fol lowing, are guided in the center plane (equatorial plane) of the rotor. In addition, no excessive space is required on winding heads.
  • the coil conductors may comprise a plurality, in particular two to six, high-temperature superconductor tapes.
  • the number of high-temperature superconductor tapes is preferably chosen straight, since hereby, as will be explained in more detail below, the best constellations with regard to the connec tion areas at the corners can be achieved.
  • the width of the number of bands required is also important. After high-temperature superconductor bands exist in different widths, in doubt about a width adjustment, an even number of high-temperature superconductor tapes required in a coil conductor can be reached. In general, it has been found in practice that two to six high-temperature superconductor tapes are usually suffi cient to carry the required power in a Kraftwerksgene generator as an electric machine.
  • the Hochtemperatursupra conductor strips of each coil conductor at least partially one above the other (face-to-face) and / or at least partially side by side (edge-to-edge) are performed in parallel. It is thus possible to guide the high-temperature superconductor tapes so that their flat sides are facing, thus forming a stack, which allows an extremely compact design of the coil conductor.
  • the coil conductors of the transverse sections and the coil conductors of the longitudinal sections may differ in respect of the number of high-temperature superconductor tapes and / or their geometric arrangement and / or their extent.
  • This is a rer rer, massive advantage of the method, because in contrast to wound rotor coils in which he inventive saddle coil a variety of additional degrees of freedom, in particular there, the longitudinal sections and the transverse sections, for example, the requirements of the construction space and / or Field conditions corresponding to fit locally, with a different design and the production of improved resistance in the connec tion areas at the corners can serve.
  • it is possible to provide the transverse sections with a larger number of high-temperature superconductor tapes for example to compensate for a reduction in size and / or an unfavorable contacting of an additional compensation conductor layer, and the like.
  • the high-temperature superconductor tapes are guided at a distance in the connecting region of the corners, one high-temperature superconductor being used in each case.
  • band of the adjoining corner at the cross section with a high-temperature superconductor tape of the longitudinal section is directly connected ver and the high-temperature superconductor tapes are in the connec tion area using the spacing into one another arranged cross.
  • a corresponding embodiment could also be realized in the case of a connecting element, which then has an engagement profile into which the spaced-apart high-temperature superconductor tapes engage for the respective contact.
  • the spacing of the high-temperature conductor strips can be achieved by fanning at the ends, which is conceivable and preferred, however, if anyway, for example, by other layers, a suitable Beabstan can be brought tion, for example, by additional Liche, to compensate or compensate strong currents provided normal conductive conductor layers, in particular of copper.
  • a further concrete embodiment provides that in we least one connection region of a corner of the coil conductor to be connected, are guided in the high-temperature superconductor ribbons, a stepped, the Hochtem peratursupraleiterb selected in the longitudinal direction spaced fingerle lowing end and the other of the Spu lenleier to be joined offset according to the spacing has adjacent running high-temperature superconductor tapes, wherein in each case a pair of high-temperature superconductor tapes is connected directly to each other.
  • a stepped design it also applies in principle that it is possible and useful even in the presence of a connecting element, which then has a corresponding matching stepped connection profile.
  • An expedient, advantageous specific embodiment also results if in a connection area at least one corner next to each other guided Hochtemperatursupra ladder bands of a coil conductor led juxtaposed ge, to be connected high-temperature superconductor of the other coil conductor all overlap and are all connected to them all.
  • a maximum con tact surface between the high temperature superconductors of the coil conductor to be connected is created, which significantly reduces the resistance on the one hand, on the other hand allows a redistribution of currents between individual high-temperature superconductor tapes in a particularly simple manner.
  • a combination with a stepped end is also conceivable in this case.
  • a high-temperature superconductor tapes are guided side by side, a large contact surface also results when a connecting element is used, so that corresponding embodiments can also be expedient in the provision of such a connecting element.
  • connection element which may be formed, for example, as a solid end piece and / or of highly conductive metal, in particular copper or aluminum
  • connection element may add some weight and resistance on the other Side but allows a significantly larger connection area per Hochtemperatursupra ladder band, so that the total resistance can be reduced.
  • such an embodiment may be at play, for example, if the internal interface resistances in the high-temperature superconductor tapes are too high and / or not uniformly distributed and / or not sufficiently predictable.
  • connec tion elements also applies that they are easier to insulate, are mechanically fastened and with a cooling Direction of the electrical machine for the rotor are connectable.
  • the coil conductors may be out of each other at the corners and / or the coil turns may be spaced by an insulator layer. Finally, the coil conductors can then be fanned out to create the space for the connections and / or it can be given anyway Ab states between the individual coil conductors, for example by insulating material.
  • the coil conductors may therefore additionally comprise at least one conductor layer made of a normally conductive material, in particular copper, which is in electrical contact with each high-temperature superconductor band of the respective coil conductor, in particular at least one high-temperature superconductor layer-side of the high-temperature superconductor bands.
  • a conductor layer for example, in overcurrent part of the through Take over coil conductor of guided current.
  • the conductor layer thus serves the electrical stabilization and provides a parallel resistor; particular advantages are, in particular in the use of copper as a normally conductive Lei termaterial, also excellent heat conduction and / or heat capacity.
  • one of the coil conductor connected to a corner in particular the L Lucassab a section associated coil conductor, a smaller number of high-temperature superconductor tapes than the other coil conductor, in particular a transverse section associated coil conductor, wherein in which a coil conductor, the high temperature tursupraleiterb selected with a high-temperature superconductor layer side are connected to the respective conductor layer, in the other with the substrate side.
  • An electric machine according to the invention in particular a synchronous machine, has at least two poles on the rotor with at least one saddle coil according to the invention. All embodiments relating to the saddle coil according to the invention can be analogously transferred to the electric machine according to the invention, with which therefore also the already mentioned advantages can be obtained.
  • FIG. 1 shows a cross section of a rotor of a erfindungsge MAESSEN electrical machine with saddle coils according to the invention
  • FIG. 3 is a schematic diagram for connecting cross sections and longitudinal sections
  • Fig. 4 shows a first concrete embodiment of a corner of
  • FIG. 5 shows a cross section along the line VV in FIG. 4,
  • FIG. 6 is a cross-section along the line VI-VI in FIG.
  • Fig. 7 shows a second concrete embodiment of a corner of
  • Fig. 8 shows a cross section along the line VIII-VIII in
  • FIG. 11 shows a cross section along the line XI-XI in FIG.
  • Fig. 12 fanned coil conductor to create a
  • Fig. 14 is a cross section along the lines XIV-XIV in
  • Fig. 15 shows a fifth concrete embodiment of the corner of
  • FIG. 16 shows a cross section along the line XVI-XVI in FIG.
  • Fig. 17 is a cross section taken along the line XVII-XVII in FIG.
  • Fig. 15, 18 is a sixth concrete embodiment of the corner of the saddle coil
  • Fig. 20 is a cross-section along the line XX-XX in Fig.
  • FIG. 21 is a cross-section along the line XXI-XXI in Ver connection region in a compound according to FIG. 15 or FIG. 18,
  • Fig. 22 shows a seventh concrete embodiment of the corner of
  • Fig. 23 is a cross section taken along the line XXIII-XXIII in
  • Fig. 24 is a cross section along the line XXIV-XXIV in
  • Fig. 1 shows a schematic diagram of a two-pole rotor 1 of an electric machine according to the invention, wherein the ro tor 1 rotatably gela Gert within a stator, not shown here for the sake of clarity, the electric machine.
  • the rotor 1 comprises two saddle coils 2, which are arranged symmetrically to a center plane 3 (equatorial plane) of the rotor 1.
  • the electric machine may in particular be a power plant generator.
  • Fig. 2 shows the structure of a coil turn 6 of the saddle coil 2 in this respect more precisely in a plan view.
  • the coil turns 6 and thus the saddle coil 2 are configured rectangular in plan view and each have longitudinal sections 7, which extend in the axial direction of the rotor 1, and transverse sections 8, which form the head pieces 4 on.
  • the sections 7, 8 are respectively connected, as will be explained in more detail below.
  • the transverse sections 8 are arched in a circular section shape, as can be seen from FIG. 1, so that the saddle shape of the saddle coil 2 is created.
  • the area around the rotor axis 9 for the connection of adeein direction not shown in detail here of the electric machine and electrical lines are kept free.
  • the longitudinal sections 7 and the transverse sections 8 each include at least one Hochtemperatursupraleiterband in the coil conductor formed by them, usually several re high-temperature superconductor tapes, in particular 2 to 6, are provided.
  • the flat sides of the Hochtemperatursupra conductor strips run within the rotor 1 so that they always extend perpendicular to the respective radial direction 10 of the rotor 1, so that the curvature of Querab sections 8 / the head pieces 4 is selected accordingly.
  • each of the high-temperature superconductor tapes has a high-temperature superconductor layer made of a high-temperature superconductor, in particular a second-generation high-temperature superconductor, to a side which is carried by a substrate. Between the substrate and the Hochtemperatursupra conductor layer buffer layers may be provided.
  • FIGS. 9 to 12 show advantageous developments in the presence of an additional conductor layer made of a normally conductive material, in particular copper.
  • the high-temperature superconductor tapes 14 of both coil conductors are arranged one above the other there, thus in an extremely space-saving arrangement, are therefore present as a stack.
  • the cross section 13 shows, fanned out that the Hochtem peratursupraleiterb section 14 can engage with each other and can be connected in the corresponding overlap areas 15 directly to a high-temperature superconductor 14 of the other coil conductor. By fanning, however, more space in height is needed in the connection area.
  • the high-temperature superconductor tapes are now laterally hineinan arranged offset by the step spacing and ideally slightly offset in their height so that they immedi applicable with the associated high-temperature superconductor 14 of the coil conductor of the longitudinal section into contact and accordingly, for example can be connected by pressing or soldering with this.
  • less space in height and thus less space on the coil heads is taken, however, the coil conductor of the transverse section. 8 is made wider.
  • the embodiment according to FIGS. 4 to 6 is to be considered somewhat more robust.
  • Fig. 12 shows a fanning of several superimposed lie low coil conductors 17 which may belong to different Spulenwindun conditions or the same coil winding, for the embodiment of FIG. 10 to 12. It results for each of the coil conductor 17 is a sufficient space for the manufacture ment of the compound with the correspondingly fanned Spu lenleitern 17 of the transverse section 8, whose (optional and in this embodiment in any case existing) Hochtem peratursupraleiterb section 14 are shown accordingly.
  • the coil conductors 17 may, in particular in the case of different coil turns, also be spaced apart by insulation material in order to avoid fanning at least partially.
  • Figs. 13 and 14 show a further, fourth embodiment example of the compound in the corner 5, where there is a connec tion element 18, here made of copper, is used is profiled to receive the turn stepped ends 16 of both coil conductors 17 in which three Hochtemperatursupralei terb S 14 are superimposed, and to provide a con tact surface for the high-temperature superconductor layer side each of the high-temperature superconductor belt 14.
  • the connecting element 18 adds weight and resistance, but it allows a larger contact area per Hochtempera tursupraleiterband 14, so that the total resistance decreases.
  • the mechanical robustness is increased and the connection to a cooling system is simplified.
  • Figures 15 to 24 show embodiments in which additionally at least one conductor layer made of a normally conductive material, here copper, is used. This allows additional flexibility, especially as regards the provision of free spaces in the connection area at the corners 5. It is shown in Figures 15, 18 and 22 each have a (partially cut) view of the corner 5; Cross sections of the coil conductors 17 are shown in FIGS. 16, 17, 19, 20, 23 and 24 and a connection area cross section from FIG. 21.
  • a normally conductive material here copper
  • FIGS. 15 to 17 uses a coil conductor 17 of the longitudinal section 8, which has two high-temperature superconductor tapes 14, which are overlaid with facing high-temperature superconductor layers 19, wherein between the high-temperature superconductor tapes 14, the conductor layer 20 is made of copper is arranged. Surrounding an insulating material 21 is indicated.
  • the high-temperature superconductor layers 19 face outward, away from the conductor layers 20 provided there, so that poorer contact is achieved, to which end, however more high-temperature superconductor are present as in the coil conductor 17 of the longitudinal section. 7
  • the conductor layer 20 of the coil conductor 17 of the longitudinal section 7 terminates at a point 22 to provide a free space into which the high-temperature superconductor tapes 14 of the coil conductor 17 of the transverse section 8 can protrude, wherein the high-temperature superconductor layers 19 adjoin each other and directly with one of said methods are connected.
  • the Spulenlei ter 17 of the transverse section 8 can be made more extensive than the coil conductor 17 of the longitudinal section. 7
  • Figs. 18 to 20 show a modification for a case in which a larger amount of copper for each of the coil conductors 17 is to be used.
  • the copper material of the conductor layer 20 extends now also next to the Hochtemperatursupraleiterbän countries 14, while the conductor layers 20 of the Spulenlei age 17 of the transverse section 8 are extended so that the copper fer contacted the high-temperature superconductor 14 also on the side of the high-temperature superconductor layer 19.
  • the cover from shares of the conductor layers 20 also ends here accordingly before the connection area in the corner 5 to allow the corresponding connection.
  • Fig. 21 shows a cross section along the line XXI - XXI in Fig. 18, which also explained in detail for Fig. 15 to 17 the kausbe. It can be seen clearly the ends of the conductor layer 20 of the coil conductor 17 of the longitudinal section 7 between the high-temperature superconductor tapes 14 of this coil conductor to provide a space in which the high-temperature superconductor tapes 14 of the other coil conductor 17 of the transverse section 8 engage, so that the high temperature tursupraleiterb sections 14 each with their pages of high-tech peratursupraleiter für 19 are connected. Ideally, no thickening in the connection area is required.
  • FIGS. 22 to 24 show a modified, further embodiment in which a large amount of copper is also required. While the coil conductor 17 of the Lssensab-section 7 in turn, as in Fig. 15 to 17, only with a diagonal conductor layer 20 is formed, which is used by the thicker conductor layer 20 of the coil conductor 17 of the Lssensab section 7 additional space for the coil conductor 17 of Transverse section 8 used to assign two juxtaposed high-temperature superconductor tapes 14 on each other, in addition, a conductor layer 20 is provided between rule.

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  • Superconductive Dynamoelectric Machines (AREA)

Abstract

Sattelspule (2) für einen wenigstens zwei Pole aufweisenden Rotor (1) einer elektrischen Maschine, wobei die rechteckige Sattelspule (2) für jede Spulenwindung (6) zwei gerade, eine erste Länge aufweisende Längsabschnitte (7) und zwei im rechten Winkel an die Längsabschnitte (7) anschließende, symmetrisch gewölbt ausgeführte Querabschnitte (8) einer zweiten Länge, die kleiner als die erste Länge ist, aufweisen, wobei jeder Längsabschnitt (7) und jeder Querabschnitt (8) wenigstens einen Spulenleiter (17) mit wenigstens einem Hochtemperatursupraleiterband (14) aufweist und die Spulenleiter (17) an den Ecken (5) der Sattelspule (2) durch Verpressen und/oder Verlöten direkt oder indirekt, insbesondere niederohmig, miteinander verbunden sind.

Description

Beschreibung
Sattelspule für einen wenigstens zwei Pole aufweisenden Rotor einer elektrischen Maschine und elektrische Maschine
Die Erfindung betrifft eine Sattelspule für einen wenigstens zwei Pole aufweisenden Rotor einer elektrischen Maschine so wie eine elektrische Maschine.
Im Stand der Technik wurden bereits synchrone elektrische Ma schinen vorgeschlagen, beispielsweise zum Einsatz in Kraft werksgeneratoren, deren Rotorspulen bandförmige Leitersegmen te, insbesondere Hochtemperatursupraleiterbänder, umfassen. Die Verwendung von Hochtemperatursupraleitern (HTS) kann die Effizienz der Synchronmaschine erhöhen und verschiedene ande re Eigenschaften verbessern.
Hochtemperatursupraleiterbänder, insbesondere solche mit flä chigen, dünnen Hochtemperatursupraleiterschichten auf metal lischen, bandförmigen Substraten, zeigen vielversprechende Eigenschaften für die Herstellung von Spulenwicklungen. All gemein vorteilhaft bei der Verwendung von Hochtemperatursup raleiterbändern ist, dass bei einer Temperatur unterhalb der Sprungtemperatur des Supraleiters ein Strom nahezu verlust frei fließen kann.
Bei der Herstellung von Spulenwicklungen aus derartigen Hoch temperatursupraleitern ist jedoch zu beachten, dass Hochtem peratursupraleiterbänder allgemein sehr empfindlich gegenüber mechanischen Belastungen sind. Dabei erweist es sich als re lativ einfach, planare, zweidimensionale Spulengeometrien, mithin Flachspulen/Rennbahnspulen („pancake coils") zu wi ckeln, wobei es sich als deutlich schwieriger darstellt, an dere, dreidimensionale Spulengeometrien zu realisieren, was jedoch wünschenswert wäre.
Denn für einen zweipoligen Rotor einer elektrischen Synchron maschine, wie er in den meisten Kraftwerks- Leistungsgeneratoren eingesetzt wird, werden die axial ver laufenden Längsabschnitte der Rotorspule idealerweise nahe an der Symmetrieebene (Äquatorebene) des Rotors platziert. Dar aus resultiert bei Flachspulen der Nachteil, dass die Spulen enden sehr nahe an der Maschinenachse vorbeigeführt werden müssen. Dies hat eine Vielzahl von technischen Schwierigkei ten zur Folge.
So kann das Rotoreisen nicht länger als ein einziges Stahlob jekt geschmiedet werden, sondern muss aus mehreren Teilen, beispielsweise angenieteten Wellenenden, zusammengesetzt wer den, so dass die Flachspulen auf dem Rotor befestigt werden können. Dies führt zur Entstehung von mechanischen Schwächen und kann zu dynamischen Instabilitäten führen, insbesondere in großen Maschinen mit hohen Zentrifugalkräften und Zugbe lastungen .
Ferner ist zu beachten, dass Rotorspulen mit Hochtemperatur supraleitern auf niedrige Betriebstemperaturen herunter gekühlt werden müssen. In bekannten Kühlkonzepten wird Kühl fluid in den Rotor hinein und aus dem Rotor heraus nahe zu der Rotorachse geführt. Dasselbe gilt für die Leitungen für Spulenstrom und Spulenspannung. Bei Flachspulen führt dies zu Problemen im Design und in der Herstellung.
Zur Lösung dieser Probleme wurde vorgeschlagen, Flachspulen leicht versetzt zur Äquatorebene anzuordnen, um die Rotorach se für den Kühlzugang und die Stromleitungen bereitzuhalten. So ist beispielsweise in WO 01/20756 Al eine supraleitende Maschine mit einer mehrpoligen Wicklungsanordnung offenbart, bei der zwei zu einer Mittelebene (der angesprochenen Äqua torebene) symmetrische Teilspulen aus einem Stapel von ebenen Rennbahntyp-Spulenelementen verwendet werden. Jedes Spulen element ist aus bandförmigen Hoch-Tc-Supraleitern erstellt.
DE 203 18 174 Ul offenbart eine Doppelscheibenwicklung aus zwei flachen, gegenseitig isolierten Einzelscheibenwicklun gen, die aus einem bandförmigen Leiter mit Hoch-Tc-Supralei- termaterial gewickelt sind. Dabei soll eine verhältnismäßig leicht herstellbare Innenkontaktierungsmöglichkeit für den Einsatz in elektrischen Maschinen gegeben werden.
Es existieren ferner im Stand der Technik Ansätze, bei denen ein Hochtemperatursupraleiterband zu einer dreidimensionalen Sattelspule gewickelt wird, so dass die Spulenenden von der Rotorachse beabstandet verlaufen können. Ein Artikel von M.P. Oomen et al . , „Transposed-Cable Coil & Saddle Coils of HTS for Rotating Machines: Test Results at 30 K", IEEE Trans. Appl . Superconductivity 19 - 3, Seiten 1633 bis 1638 (2009), beschreibt die Ausbildung einer dreidimensional ausgeformten Spulenwicklung durch nachträgliches Biegen einer flachgewi ckelten ovalen Wicklung in die Form einer Zylinderoberfläche. DE 10 2008 035 655 Al offenbart eine Möglichkeit, das Hoch temperatursupraleiterband bereits dreidimensional zu wickeln. Zur Vermeidung starker Biegungen des Bandleiters sind jedoch in beiden Fällen platzaufwendige Wickelköpfe nötig, um die Längsabschnitte der Spulenwicklung in ihren axialen Endberei chen zu verbinden und gleichzeitig niedrige Biegeradien des Bandleiters zu erlauben. Durch diese Wickelköpfe wird ein ho her Platzbedarf verursacht. Ein mit solchen Wicklungen herge stellter Rotor ist daher vergleichsweise lang, was wiederum zu einem hohen Gewicht und zu einem hohen Materialverbrauch führt .
Im Stand der Technik sind bereits Verfahren bekannt, Hochtem peratursupraleiterbänder, insbesondere mit Hochtemperatursup raleitern der zweiten Generation, mit einem sehr geringen Wi derstand elektrisch zu verbinden, beispielsweise durch Ver- pressen gemeinsam mit Indium (vgl. hierzu den Artikel von S. Ito et al . , „Structure and Magnetic Field Dependences of Joint Resistance in a Mechanical Joint of REBCO Tapes", IEEE Transactions on Applied Superconductivity, 26 - 4, Seite 6601505 (2016)) oder durch vorsichtiges Löten, vgl. hierzu beispielsweise den Artikel von S.L. Lalitha, „Low resistance splices for HTS devices and applications" , Cryogenics (2017), DOI : http://dx.doi.Org/10.1016/j.cryogenics.2017.06.003, und den Artikel von T. Lecrevisse et al r „Tape-to-Tape Joint Re- sistances of a Magnet Assembled with (RE)BCO Double-Pancake Coils", IEEE Transactions on Applied Superconductivity,
25 - 3, Seite 6602505 (2015) ) . Diese Verfahren werden ange wendet, um Bandabschnitte zu erhalten, die länger sind als jene, die kommerziell erhalten werden können (also Bandab schnitte einer Länge von mehreren 100 m) und um kompakte Mag netsysteme aus mehreren Rennbahnspulen zusammenzusetzen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Sattelspule aus einem Hochtemperatursupraleiterband anzugeben, welche dreidimensional ausgeformt ist, einen vergleichsweise niedri gen Platzbedarf an den Kopfseiten aufweist und zu starke me chanische Belastungen des Hochtemperatursupraleiterbands mög lichst vermeidet.
Zur Lösung dieser Aufgabe sind erfindungsgemäß eine Sattel spule mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie eine elektri sche Maschine, insbesondere eine synchrone elektrische Ma schine, mit den Merkmalen des Anspruchs 14 vorgesehen. Vor teilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprü chen .
Eine erfindungsgemäße Sattelspule für einen wenigstens zwei Pole aufweisenden Rotor einer elektrischen Maschine weist demgemäß eine Rechteckform und für jede Spulenwindung zwei gerade, eine erste Länge aufweisende Längsabschnitte und zwei im rechten Winkel an die Längsabschnitte anschließende, sym metrisch gewölbt ausgeführte Querabschnitte einer zweiten Länge, die kleiner als die erste Länge ist, auf, wobei jeder Längsabschnitt und jeder Querabschnitt wenigstens einen Spu lenleiter mit wenigstens einem Hochtemperatursupraleiterband aufweist und die Spulenleiter an den Ecken der Sattelspule durch Verpressen und/oder Verlöten direkt oder indirekt, ins besondere niederohmig, miteinander verbunden sind.
Erfindungsgemäß werden also Sattelspulen vorgeschlagen, die im Wesentlichen in der Aufsicht rechteckig ausgebildet sind und für jede Spulenwicklung aus vier zusammengesetzten Ab- schnitten, nämlich zwei Längsabschnitten und zwei Querab schnitten, bestehen. Während in den Längsabschnitten ein einer Gerade entsprechender Verlauf der Spulenleiter und so mit der Hochtemperatursupraleiterbänder gegeben ist, ist für die Querabschnitte ein Biegen des Spulenleiters in eine Sat telform gegeben, insbesondere eine Kreisabschnittsform. Die Hochtemperatursupraleiterbänder der kurzen Seiten, also der Querabschnitte, werden mit den Hochtemperatursupraleiterbän dern der Längsabschnitte bevorzugt direkt oder aber indirekt in einem 90° -Winkel verbunden. Nachdem diese Verbindungen an jeder Ecke der rechteckigen Sattelspule benötigt werden, weist jede Spulenwindung vier derartige Verbindungen auf. Da bei wird ausgenutzt, dass Hochtemperatursupraleiterbänder, insbesondere solche aus Hochtemperatursupraleitern der zwei ten Generation, mit äußerst niedrigem Widerstand, mithin nie derohmig, verbunden werden können, insbesondere bei Tempera turen um 30 Kelvin. Dabei ist der Gesamtwiderstand aller Ver bindungen noch immer niedrig genug, um eine effiziente Küh lung bei diesen niedrigen Temperaturen, also den Betriebstem peraturen der Sattelspule, zu ermöglichen.
Dabei sind die Verbindungen in den Ecken bevorzugt durch Ver- pressen von Hochtemperatursupraleiterbändern mit Indium und/oder durch Verlöten der Hochtemperatursupraleiterbänder in Überlappungsbereichen hergestellt, wie dies beispielsweise in den eingangs genannten Artikeln von S. Ito et al . bezie hungsweise S.L. Lalitha/T. Lecrevisse et al . beschrieben ist. Diese verpressenden beziehungsweise verlötenden Verbindungs techniken schaffen bereits äußerst niedrige Widerstände im Verbindungsbereich an den Ecken, wobei die vorliegende Erfin dung im Folgenden noch weitere Möglichkeiten in Weiterbildun gen vorschlägt, den Gesamtwiderstand der Verbindungen zu re duzieren .
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist die flache Seite der Hochtemperatursupraleiterbänder bevorzugt so orientiert, dass sie im Einbauzustand zumindest im Wesentlichen senkrecht zu einer Radialrichtung des Rotors verläuft, und zwar an jeder Stelle der Sattelspule. Die Hochtemperatursupraleiterbänder der Querabschnitte sind dabei in einem adäquaten Radius zur Bildung eines Kreisabschnitts gebogen, wobei die Wölbung auf grund der senkrechten Orientierung der flachen Seite zur Ra dialrichtung des Rotors durch Verbiegen der Hochtemperatur supraleiterbänder in der „einfach biegbaren" Richtung der Hochtemperatursupraleiterbänder gebildet ist, mithin derart, dass die geringstmöglichen nachteiligen Folgen durch die me chanische Belastung auftreten. Im Ergebnis wird so der Be reich der Rotorachse freigehalten. In jedem Fall liegen die flachen Seiten der Hochtemperatursupraleiterbänder an den Ecken zumindest im Wesentlichen, bei Direktverbindung gänz lich, in der gleichen Ebene, so dass eine möglichst große Überlappung gegeben ist, was zur weiteren Reduzierung der Kontaktwiderstände beiträgt.
Wie bereits dargelegt, handelt es sich bei den eingesetzten Hochtemperatursupraleitern der Hochtemperatursupraleiterbän der bevorzugt um Hochtemperatursupraleiter der zweiten Gene ration, für die eine Vielzahl widerstandsarmer Kontaktmög lichkeiten bekannt ist.
Für Kraftwerksgeneratoren („Utility Generator") als elektri sche Maschinen beträgt die erste Länge bevorzugt 4 bis 8 Me ter und die zweite Länge bevorzugt 0,5 bis 1 Meter.
In einer Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass wenigstens ein insbesondere aus Kupfer bestehendes Ver bindungselement, mit dem die Hochtemperatursupraleiterbänder der Spulenleiter jeweils verbunden sind, vorgesehen ist. In diesem Fall ist also eine indirekte Verbindung der Hochtempe ratursupraleiterbänder gegeben, welche durch ein insbesondere aus Kupfer bestehendes Verbindungselement hergestellt ist.
Ein solches Verbindungselement kann den Vorteil aufweisen, dass eine größere Kontaktfläche beim Löten/Verpressen gegeben ist, was ebenso zu äußerst geringen Widerstandswerten führen kann. Zudem wirkt ein Verbindungselement als eine Art „Ver teilstelle", über die sich der durch die jeweiligen Spulen- leiter fließende Strom geeignet umverteilen kann, beispiels weise bei einem defekten Hochtemperatursupraleiterband in einem der Spulenleiter. Das Verbindungselement kann eine Pro filierung beziehungsweise Formgebung aufweisen, die auf die entsprechenden Enden der Spulenleiter, insbesondere die Posi tionen der Hochtemperatursupraleiterbänder in den Spulenlei tern, abgestimmt ist, um möglichst für jedes Hochtemperatur supraleiterband möglichst optimale Kontaktmöglichkeiten zu bieten .
Dabei sei noch darauf hingewiesen, dass ein Hochtemperatur supraleiterband üblicherweise, mithin auch im Rahmen der vor liegenden Erfindung vorzugsweise, eine auf ein metallisches Substrat aufgebrachte Hochtemperatursupraleiterschicht auf weist, wobei zwischen dem Substrat, also der Substratschicht, und der Hochtemperatursupraleiterschicht noch wenigstens eine Pufferschicht vorgesehen sein kann. Insofern weist das Hoch temperatursupraleiterband eine Hochtemperatursupraleiter schichtseite und eine Substratseite auf. Im Rahmen der vor liegenden Erfindung ist es selbstverständlich besonders be vorzugt, jegliche Verbindungen, insbesondere bei direkter Verbindung von Hochtemperatursupraleiterbändern, hochtempera tursupraleiterschichtseitig vorzusehen .
Es sei ferner noch allgemein darauf hingewiesen, dass die Spulenleiter und die Verbindungsbereiche selbstverständlich elektrisch isoliert ausgeführt sind, wofür grundsätzlich be kannte Vorgehensweisen eingesetzt werden können. Beispiels weise können die Spulenleiter und/oder die Verbindungsberei che nach Aufbringen eines Isolationsmaterials, beispielsweise Glasfasergewebe, mit einem Harz imprägniert sein.
Allgemeine Vorteile der erfindungsgemäßen Sattelspule und der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine umfassen zunächst, dass keine komplexe 3D-Wickeltechnik für mehrere Hochtempera tursupraleiterbänder, die parallel vorgesehen sind, oder auch nur ein einzelnes Hochtemperatursupraleiterband entwickelt werden muss. Ein weiterer besonderer Vorteil ist, wie bereits dargelegt wurde, dass alle Hochtemperatursupraleiterbänder im Rotor senkrecht zur Radialrichtung orientiert werden können, so dass die starke Zentrifugalkraft in dem Rotor als Druck lediglich in einer Richtung senkrecht zur Ebene der Hochtem peratursupraleiterbänder wirkt, mithin nicht als Scherbean spruchung beziehungsweise Scherspannung. Es hat sich gezeigt, dass Hochtemperatursupraleiterbänder zu ihrer flachen Seite senkrechtem Druck besonders gut widerstehen können.
Die Spulenwindungen können vorteilhafterweise aus kurzen Hochtemperatursupraleiterbänderstücken, im oben genannten Beispiel bis zu einigen Metern lang, zusammengesetzt werden. Vom Hersteller können mithin Hochtemperatursupraleiterbänder höchster Qualität angefordert und verwendet werden, selbst wenn diese Qualität noch nicht verlässlich und gleichmäßig über beim Wickeln verwendete Hochtemperatursupraleiterbänder von hunderten Meter Länge hergestellt werden kann.
Mithin wird zusammenfassend eine zusätzliche Ausgestaltungs option für Rotoren in elektrischen Maschinen, insbesondere großen Zweipolmaschinen wie Kraftwerksgeneratoren, bereitge stellt. Die Verwendung der vorgeschlagenen Sattelspulen ist insbesondere daher vorteilhaft, dass ein Hochtemperatursupra leiter, insbesondere ein Hochtemperatursupraleiter der zwei ten Generation, verwendet wird, für welchen der Rotor, oder wenigstens die Rotorspule, bei niedrigen Betriebstemperaturen gehalten werden muss. Die erfindungsgemäße Sattelspule er laubt die Kühlmittelzuführung entlang der Rotorachse, nachdem dort keine Spulenleiter entlanggeführt werden müssen, obwohl in den Längsabschnitten die Spulenleiter, dem Idealfall fol gend, in der Mittelebene (Äquatorebene) des Rotors geführt sind. Zudem ist kein übermäßiger Platzbedarf an Wickelköpfen erforderlich .
Dabei sei an dieser Stelle noch darauf hingewiesen, dass es selbstverständlich denkbar ist, auch mehrere Sattelspulen in einem Rotor einzusetzen beziehungsweise Sattelspulen ver schiedener Windungszahl in verschiedener Anordnung auf die erfindungsgemäße Weise bereitzustellen. Insgesamt werden Ma schinen mit Hochtemperatursupraleitern im Rotor so attrakti ver als herkömmliche, mit Kupferleitern ausgestattete elek trische Maschinen.
Die Spulenleiter können mehrere, insbesondere zwei bis sechs, Hochtemperatursupraleiterbänder umfassen. Dabei wird die Zahl der Hochtemperatursupraleiterbänder bevorzugt gerade gewählt, da sich hiermit, wie im Folgenden noch näher dargelegt werden wird, die besten Konstellationen im Hinblick auf die Verbin dungsbereiche an den Ecken erreichen lassen. Bei der Zahl der benötigten Bänder ist selbstverständlich auch die Breite zu beachten. Nachdem Hochtemperatursupraleiterbänder in ver schiedenen Breiten existieren, lässt sich im Zweifel über eine Breitenanpassung auch eine gerade Anzahl der in einem Spulenleiter benötigten Hochtemperatursupraleiterbänder er reichen. Allgemein hat es sich in der Praxis gezeigt, dass zwei bis sechs Hochtemperatursupraleiterbänder meist ausrei chend sind, um den benötigten Strom in einem Kraftwerksgene rator als elektrische Maschine zu tragen.
Konkret kann vorgesehen sein, dass die Hochtemperatursupra leiterbänder eines jeweiligen Spulenleiters wenigstens teil weise übereinander (face-to-face) und/oder wenigstens teil weise nebeneinander (edge-to-edge) parallel geführt sind. Es ist also sowohl möglich, die Hochtemperatursupraleiterbänder so zu führen, dass sich ihre flachen Seiten zugewandt sind, sie mithin einen Stapel bilden, was eine äußerst kompakte Ausgestaltung des Spulenleiters erlaubt. Steht der benötigte Raum zur Verfügung, ist es jedoch denkbar, die Hochtempera tursupraleiterbänder nebeneinander (mit ihren schmalen Seiten einander zugewandt) zu führen, was, worauf im Folgenden noch näher eingegangen werden wird, Vorteile bezüglich der Kontak tierung in den Verbindungsbereichen mit sich bringen kann. Dabei sei bereits an dieser Stelle allgemein darauf hingewie sen, dass bezüglich der Längsabschnitte der Sattelspule im Rotor meist weniger Bauraum zur Verfügung steht, so dass hier eine kompakte Ausgestaltung eher bevorzugt ist, mithin Hoch- temperatursupraleiterbänder bevorzugt übereinander geführt werden. In den Endbereichen des Rotors, in denen die Querab schnitte zu liegen kommen, steht jedoch häufig mehr Bauraum zur Verfügung, so dass hier Ausgestaltungen, in denen die Hochtemperatursupraleiterbänder nebeneinander liegen (und so mit ein breiter Spulenleiter entsteht) eher eingesetzt werden können. Kombinationen von übereinander angeordneten Hochtem peratursupraleiterbändern in den Längsabschnitten und neben einander angeordneten Supraleiterbändern in den Querabschnit ten können zu äußerst widerstandsarmen, leicht verbindbaren sowie gegebenenfalls weitere Vorteile aufweisenden Kombinati onen führen, wie im Folgenden noch näher erläutert werden wird .
Die Spulenleiter der Querabschnitte und die Spulenleiter der Längsabschnitte können sich bezüglich der Zahl der Hochtempe ratursupraleiterbänder und/oder deren geometrischer Anordnung und/oder deren Ausdehnung unterscheiden. Dies ist ein weite rer, massiver Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens, denn im Gegensatz zu gewickelten Rotorspulen bestehen bei der er findungsgemäßen Sattelspule eine Vielzahl zusätzlicher Frei heitsgrade, insbesondere dahin, die Längsabschnitte und die Querabschnitte, beispielsweise den Anforderungen an den Bau raum und/oder die Feldverhältnisse entsprechend, lokal anzu passen, wobei eine unterschiedliche Ausgestaltung auch der Herstellung eines verbesserten Widerstands in den Verbin dungsbereichen an den Ecken dienen kann. Beispielsweise ist es möglich, die Querabschnitte mit einer größeren Zahl an Hochtemperatursupraleiterbändern auszustatten, beispielswei se, um eine Reduzierung der Größe und/oder eine ungünstige Kontaktierung einer zusätzlichen Ausgleichs-Leiterschicht zu kompensieren und dergleichen.
In einer konkreteren Ausbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass bei übereinanderliegend geführten Hochtemperatur supraleiterbändern in einem Spulenleiter die Hochtemperatur supraleiterbänder im Verbindungsbereich der Ecken beabstandet geführt werden, wobei jeweils ein Hochtemperatursupraleiter- band des an der Ecke anschließenden Querabschnitts mit einem Hochtemperatursupraleiterband des Längsabschnitts direkt ver bunden ist und die Hochtemperatursupraleiterbänder im Verbin dungsbereich unter Nutzung der Beabstandung ineinander ein greifend angeordnet sind. Eine entsprechende Ausgestaltung ließe sich auch bei einem Verbindungselement realisieren, welches dann ein Eingriffprofil aufweist, in das die beab- standeten Hochtemperatursupraleiterbänder zur jeweiligen Kon taktierung eingreifen. Die Beabstandung der Hochtemperatur leiterbänder kann durch Auffächern an den Enden erreicht wer den, denkbar und bevorzugt ist es jedoch, wenn ohnehin, bei spielsweise durch andere Schichten, eine geeignete Beabstan dung herbeigeführt werden kann, beispielsweise durch zusätz liche, zum Ausgleich beziehungsweise zur Kompensation bei starken Strömen vorgesehene normalleitende Leiterschichten, insbesondere aus Kupfer.
Eine weitere konkrete Ausgestaltung sieht vor, dass in we nigstens einem Verbindungsbereich einer Ecke einer der zu verbindenden Spulenleiter, in dem Hochtemperatursupraleiter bänder übereinander geführt sind, ein gestuftes, die Hochtem peratursupraleiterbänder in Längsrichtung beabstandet freile gendes Ende aufweist und der andere der zu verbindenden Spu lenleier versetzt entsprechend der Beabstandung nebeneinander verlaufende Hochtemperatursupraleiterbänder aufweist, wobei jeweils ein Paar von Hochtemperatursupraleiterbändern mit einander direkt verbunden ist. Auch für eine gestufte Ausge staltung gilt grundsätzlich, dass sie auch bei Vorhandensein eines Verbindungselements, welches dann ein entsprechendes passendes gestuftes Verbindungsprofil aufweist, möglich und sinnvoll ist. Bei einer vorgesehenen direkten Verbindung der Hochtemperatursupraleiterbänder ist es in diesem Kontext zweckmäßig, wenn die nebeneinander verlaufenden Hochtempera tursupraleiterbänder des anderen Supraleiters, insbesondere des Querabschnitts, in ihrer Höhe entsprechend der Stufung des gestuften Endes versetzt sind. Auf diese Weise lässt sich eine besonders einfache Kontaktierung erreichen, wobei bei direkter Kontaktierung der Hochtemperatursupraleiterbänder miteinander wiederum, wie allgemein sinnvoll, bevorzugt die Hochtemperatursupraleiterschichtseiten miteinander verbunden werden .
Eine zweckmäßige, vorteilhafte konkrete Ausführungsform ergibt sich ferner, wenn in einem Verbindungsbereich wenigs tens einer Ecke nebeneinander geführte Hochtemperatursupra leiterbänder des einen Spulenleiters die nebeneinander ge führten, zu verbindenden Hochtemperatursupraleiterbänder des anderen Spulenleiters alle überlappen und jeweils mit diesen allen verbunden sind. Auf diese Weise wird eine maximale Kon taktfläche zwischen den Hochtemperatursupraleitern der zu verbindenden Spulenleiter geschaffen, was den Widerstand zum einen deutlich erniedrigt, zum anderen eine Umverteilung von Strömen zwischen einzelnen Hochtemperatursupraleiterbändern auf besonders einfache Weise erlaubt. Auch ist in diesem Fall im Übrigen durchaus eine Kombination mit einem gestuften Ende denkbar. Bei entsprechend nebeneinander geführten Hochtempe ratursupraleiterbändern ergibt sich im Übrigen auch bei Ver wendung eines Verbindungselements eine große Kontaktfläche, so dass entsprechende Ausgestaltungen auch bei Vorsehen eines solchen Verbindungselements zweckmäßig sein können.
Bezüglich des zwischengeschalteten Verbindungselements, wel ches beispielsweise als ein massives Endstück und/oder aus gut leitendem Metall, insbesondere Kupfer oder Aluminium, ausgebildete sein kann, ist im Allgemeinen noch anzumerken, dass ein derartiges Verbindungselement zwar etwas Gewicht und Widerstand hinzufügen mag, auf der anderen Seite aber eine deutlich größere Verbindungsfläche pro Hochtemperatursupra leiterband erlaubt, so dass der Gesamtwiderstand erniedrigt werden kann. Zweckmäßig kann eine solche Ausgestaltung bei spielsweise dann sein, wenn die internen Schnittstellenwider stände in den Hochtemperatursupraleiterbändern zu hoch und/oder nicht uniform verteilt und/oder nicht hinreichend gut vorhersagbar sind. Bei der Verwendung solcher Verbin dungselemente gilt ferner, dass sie leichter zu isolieren sind, mechanisch zu befestigen sind und mit einer Kühlein- richtung der elektrischen Maschine für den Rotor verbindbar sind .
Die im Vorangehenden genannten vier Grundmöglichkeiten (füh ren der Hochtemperatursupraleiterbänder als Stapel/neben einander; gestuftes Ende; Verbindungselement; ein Hochtempe ratursupraleiterband/mehrere Hochtemperatursupraleiterbänder) können situationsgerecht für die entsprechenden Sattelspu len/Rotoren und die konkreten Anwendungen optimal kombiniert werden, so dass sich hier beispielsweise durch unterschiedli che Kombinationen bereits sechzehn unterschiedliche Ausge staltungen ergeben.
Bei einer mehrere Spulenwindungen umfassenden Sattelspule und aufgrund der Verbindung an den Ecken in der Höhe ausgedehnte ren Spulenwindungen können die Spulenleiter an den Ecken aus einandergeführt sein und/oder die Spulenwindungen können durch eine Isolatorschicht beabstandet sein. Letztlich können die Spulenleiter dann aufgefächert werden, um den Raum für die Verbindungen zu schaffen und/oder es können ohnehin Ab stände zwischen den einzelnen Spulenleitern, beispielsweise durch Isoliermaterial gegeben sein.
Eine andere Möglichkeit der Flexibilität ist jedoch gegeben, wenn zusätzliches Leitermaterial zum elektrischen Ausgleich verwendet wird, dessen Anordnung beziehungsweise konkrete Ausgestaltung ebenso genutzt werden kann, um Räume bereitzu stellen, die der konkreten Kontaktierung der Hochtemperatur supraleiterbänder der Spulenleiter dienen.
Vorzugsweise können die Spulenleiter mithin zusätzlich we nigstens eine Leiterschicht aus einem normal leitenden Mate rial, insbesondere Kupfer, umfassen, welche in elektrischem Kontakt zu jedem Hochtemperatursupraleiterband des jeweiligen Spulenleiters steht, insbesondere wenigstens zu einer die Hochtemperatursupraleiterschicht aufweisenden Seite der Hoch temperatursupraleiterbänder. Eine derartige Leiterschicht kann beispielsweise bei Überstrom einen Teil des durch den Spulenleiter geführten Stroms übernehmen. Die Leiterschicht dient mithin der elektrischen Stabilisierung und stellt einen Parallelwiderstand bereit; besondere Vorteile sind, insbeson dere bei der Verwendung von Kupfer als normal leitendes Lei termaterial, auch eine hervorragende Wärmeleitung und/oder Wärmekapazität .
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung kann nun vor gesehen sein, dass in dem Verbindungsbereich wenigstens einer Ecke wenigstens ein Freiraum für wenigstens ein zu verbinden des Hochtemperatursupraleiterband durch Weglassen wenigstens eines Teils der Leiterschicht am Ende wenigstens eines Spu lenleiters besteht. Das Vorhandensein des zusätzlichen Lei termaterials bietet mithin die Flexibilität, Freiräume zur eigentlichen Kontaktierung der Hochtemperatursupraleiterbän der zu schaffen, indem die Leiterschicht bereits kurz vor Er reichen der Ecke endet und somit den entsprechenden Freiraum bereitstellt . Auf diese Weise kann auf Auffächerungen
und/oder bezüglich unterschiedlicher Spulenwindungen zugeord neten Spulenleitern auf Isolationsmaterial und dergleichen wenigstens teilweise, bevorzugt völlig, verzichtet werden.
In einer konkreten, vorteilhaften Ausgestaltung in diesem Zu sammenhang kann vorgesehen sein, dass einer der an einer Ecke verbundenen Spulenleiter, insbesondere der einem Längsab schnitt zugeordnete Spulenleiter, eine geringere Zahl von Hochtemperatursupraleiterbändern als der andere Spulenleiter, insbesondere der einem Querabschnitt zugeordnete Spulenleiter aufweist, wobei bei dem einen Spulenleiter die Hochtempera tursupraleiterbänder mit einer Hochtemperatursupraleiter schichtseite mit der jeweiligen Leiterschicht verbunden sind, bei dem anderen mit der Substratseite . Auf diese Weise ist ein auch geringerem Bauräumen genügender Längsabschnitt rea lisierbar, indem die Hochtemperatursupraleiterbänder, gerin ger in ihrer Zahl, übereinander geführt auf ihrer Hochtempe ratursupraleiterschichtseite mit der wenigstens einen Leiter schicht verbunden sind. Ist dies für den Querabschnitt nicht der Fall, das bedeutet, schließt dort die Leiterschicht auf der Substratseite an, kann dies über zusätzliche Hochtempera tursupraleiterbänder ausgeglichen werden. Konkret kann mithin vorgesehen sein, dass die Hochtemperatursupraleiterbänder des einen Spulenleiters, insbesondere des Längsabschnitts, über einander angeordnet sind und die Hochtemperatursupraleiter bänder des anderen Spulenleiters wenigstens teilweise neben einander .
Eine erfindungsgemäße elektrische Maschine, insbesondere eine Synchronmaschine, weist einen wenigstens zwei Pole aufweisen den Rotor mit wenigstens einer erfindungsgemäßen Sattelspule auf. Sämtliche Ausführungen bezüglich der erfindungsgemäßen Sattelspule lassen sich analog auf die erfindungsgemäße elektrische Maschine übertragen, mit welcher mithin ebenso die bereits genannten Vorteile erhalten werden können. Insbe sondere handelt es sich bei dem Rotor um einen zweipoligen Rotor, während es sich bei der elektrischen Maschine bevor zugt um einen Kraftwerksgenerator („Utility Generator") han delt. Besonders bevorzugt ist es, wie bereits eingangs darge legt, wenn sich die flache Seite der Hochtemperatursupralei terbänder möglichst weitgehend, insbesondere vollständig, senkrecht zur Radialrichtung des Rotors erstreckt.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungs beispielen sowie anhand der Zeichnung. Dabei zeigen:
Fig. 1 einen Querschnitt eines Rotors einer erfindungsge mäßen elektrischen Maschine mit erfindungsgemäßen Sattelspulen,
Fig. 2 die Struktur einer Spulenwindung der Sattelspule,
Fig. 3 eine Prinzipskizze zur Verbindung von Querschnitten und Längsabschnitten,
Fig. 4 eine erste konkrete Ausgestaltung einer Ecke der
Sattelspule in einer Aufsicht, Fig . 5 einen Querschnitt entlang der Linie V-V in Fig. 4,
Fig . 6 einen Querschnitt entlang der Linie VI-VI in Fig.
4,
Fig. 7 eine zweite konkrete Ausgestaltung einer Ecke der
Sattelspule in einer Aufsicht,
Fig. 8 einen Querschnitt entlang der Linie VIII-VIII in
Fig. 7,
Fig. 9 einen Querschnitt entlang der Linie IX-IX in Fig.
7,
Fig. 10 eine dritte konkrete Ausgestaltung einer Ecke der
Sattelspule,
Fig. 11 einen Querschnitt entlang der Linie XI-XI in Fig.
10,
Fig. 12 aufgefächerte Spulenleiter zur Schaffung eines
Freiraums zur Kontaktierung,
Fig. 13 eine vierte konkrete Ausgestaltung einer Ecke der
Sattelspule,
Fig. 14 einen Querschnitt entlang der Linien XIV-XIV in
Fig. 13,
Fig. 15 eine fünfte konkrete Ausgestaltung der Ecke der
Sattelspule,
Fig. 16 einen Querschnitt entlang der Linie XVI-XVI in Fig.
15,
Fig . 17 einen Querschnitt entlang der Linie XVII-XVII in
Fig. 15, Fig. 18 eine sechste konkrete Ausgestaltung der Ecke der Sattelspule,
Fig. 19 einen Querschnitt entlang der Linie XIX-XIX in Fig.
18,
Fig. 20 einen Querschnitt entlang der Linie XX-XX in Fig.
18,
Fig. 21 einen Querschnitt entlang der Linie XXI-XXI im Ver bindungsbereich bei einer Verbindung gemäß Fig. 15 oder Fig. 18,
Fig. 22 eine siebte konkrete Ausgestaltung der Ecke der
Sattelspule,
Fig. 23 einen Querschnitt entlang der Linie XXIII-XXIII in
Fig. 22, und
Fig. 24 einen Querschnitt entlang der Linie XXIV-XXIV in
Fig . 22.
Fig. 1 zeigt als eine Prinzipskizze einen zweipoligen Rotor 1 einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine, wobei der Ro tor 1 innerhalb eines hier der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellten Stators der elektrischen Maschine drehbar gela gert ist. Der Rotor 1 umfasst zwei Sattelspulen 2, die sym metrisch zu einer Mittenebene 3 (Äquatorebene) des Rotors 1 angeordnet sind. Bei der elektrischen Maschine kann es sich insbesondere um einen Kraftwerksgenerator handeln.
Von der Sattelspule 2 sind vorliegend hauptsächlich die kopf seitigen Kopfstücke 4 zu sehen, die an Ecken 5 windungsweise mit Längsstücken aus entsprechenden Längsabschnitten verbun den sind. Fig. 2 zeigt die Struktur einer Spulenwindung 6 der Sattel spule 2 diesbezüglich genauer in einer Aufsicht. Ersichtlich sind die Spulenwindungen 6 und somit die Sattelspule 2 recht eckig in der Aufsicht ausgestaltet und weisen jeweils Längs abschnitte 7, die in axialer Richtung des Rotors 1 verlaufen, und Querabschnitte 8, die die Kopfstücke 4 bilden, auf. An den Ecken 5 sind die Abschnitte 7, 8 jeweils verbunden, wie im Folgenden noch genauer erläutert wird. Die Querabschnitte 8 sind in einer Kreisabschnittsform gewölbt, wie es sich aus Fig. 1 ersehen lässt, so dass die Sattelform der Sattelspule 2 entsteht. Hierdurch kann der Bereich um die Rotorachse 9 für den Anschluss einer hier nicht näher gezeigten Kühlein richtung der elektrischen Maschine und elektrische Leitungen freigehalten werden.
Die Längsabschnitte 7 und die Querabschnitte 8 umfassen je weils wenigstens ein Hochtemperatursupraleiterband in dem durch sie gebildeten Spulenleiter, wobei üblicherweise mehre re Hochtemperatursupraleiterbänder, insbesondere 2 bis 6, vorgesehen sind. Die flachen Seiten der Hochtemperatursupra leiterbänder verlaufen dabei innerhalb des Rotors 1 so, dass sie sich immer senkrecht zur jeweiligen Radialrichtung 10 des Rotors 1 erstrecken, so dass auch die Wölbung der Querab schnitte 8/der Kopfstücke 4 entsprechend gewählt ist. Dies hat zur Folge, dass nicht nur das Biegen der Querabschnitte 8 in der „einfachen", diese am wenigsten mechanisch belastenden Biegerichtung der Hochtemperatursupraleiterbänder erfolgt, sondern auch, dass die große Zentrifugalkraft in dem Rotor 1 als Druck nur in einer Richtung senkrecht zur Ebene der Hoch temperatursupraleiterbänder wirkt, wo diese diesen Kräften besonders gut standhalten.
In den Ecken 5 in entsprechenden Verbindungsbereichen sind die Spulenleiter der Längsabschnitte 7 und der Querabschnitte 8 in einem 90°-Winkel verbunden, wie dies in Fig. 3 nochmals deutlicher gezeigt ist. Die Hochtemperatursupraleiterbänder weisen jeweils eine Hoch temperatursupraleiterschicht aus einem Hochtemperatursupra leiter, insbesondere einen Hochtemperatursupraleiter zweiter Generation, zu einer Seite auf, die von einem Substrat getra gen wird. Zwischen dem Substrat und der Hochtemperatursupra leiterschicht können Pufferschichten vorgesehen sein.
Die bevorzugt direkte Verbindung von Hochtemperatursupralei terbändern an den Ecken 5 ist durch Verpressen mit Indium o- der Löten an den Hochtemperatursupraleiterschichtseiten her gestellt. Entsprechende Verfahren sind aus den bereits in der allgemeinen Beschreibung diskutierten Artikeln bekannt, so dass eine niederohmige Verbindung, die gut zu kühlen bleibt, vorliegt .
Die folgenden Figuren stellen nun konkrete Realisierungen der Verbindungsbereiche an den Ecken 5 im größeren Detail dar, wobei in den Ausführungsbeispielen der Figuren 4 bis 8 der Übersichtlichkeit halber zunächst nur die Hochtemperatursup raleiterbänder und deren Verlauf im Detail gezeigt sind; in den Figuren 9 bis 12 sind vorteilhafte Weiterbildungen bei Vorliegen einer zusätzlichen Leiterschicht aus einem normal leitenden Material, insbesondere Kupfer, dargestellt. Dabei ist die Konvention, dass in diesen Zeichnungen horizontal der Spulenleiter des Längsabschnitts 7 verläuft, vertikal der Spulenleiter des Querabschnitts 8.
Die Fig. 4 bis 6 zeigen in einem ersten konkreten Ausfüh rungsbeispiel eine Aufsicht 12 auf den Verbindungsbereich in Fig. 4, einen Querschnitt 11 der jeweiligen Spulenleiter be züglich der Hochtemperatursupraleiterbänder 14 in Fig. 5 und einen Querschnitt 13 des Verbindungsbereichs in Fig. 6. Dabei sind vorliegend, wie auch in den Figuren 7 bis 14, beispiel haft drei Hochtemperatursupraleiterbänder seitens des Spulen leiters des Längsabschnitts 7 dargestellt; der Spulenleiter des Querabschnitts 8 kann für jedes Hochtemperatursupralei terband 14 des Spulenleiters des Längsabschnitts 7 mehrere, beispielsweise 2, Hochtemperatursupraleiterbänder 14 aufwei- sen; diese optionalen zusätzlichen Hochtemperatursupraleiter bänder sind in den Figuren 4 bis 14 gestrichelt angedeutet.
Wie Fig. 5 und 6 in den Querschnitten 11 und 13 zeigen, sind die Hochtemperatursupraleiterbänder 14 beider Spulenleiter dort übereinander angeordnet, mithin in einer äußerst platz sparenden Anordnung, liegen mithin als ein Stapel vor. An den zur Ecke 5 hin gelegenen Enden der Spulenleiter sind diese, wie der Querschnitt 13 zeigt, aufgefächert, dass die Hochtem peratursupraleiterbänder 14 ineinander eingreifen können und in den entsprechenden Überlappungsbereichen 15 direkt mit einem Hochtemperatursupraleiterband 14 des jeweils anderen Spulenleiters verbunden werden können. Durch das Auffächern wird allerdings im Verbindungsbereich mehr Raum in der Höhe benötigt .
Es sei angemerkt, dass es grundsätzlich auch denkbar ist, je den Spulenleiter nur an einer Stelle mit dem jeweils anderen Spulenleiter zu verbinden, was jedoch weniger bevorzugt ist.
Die Fig. 7 bis 9 zeigen ein zweites konkretes Ausführungsbei spiel, bei dem die benötigte Höhe im Bereich der Ecke 5 redu ziert ist. Wie der Querschnitt 13 in Fig. 9 zeigt, ist der Spulenleiter 13, der mit übereinander gestapelten Hochtempe ratursupraleiterbändern 14 wiederum vom Längsabschnitt 7 ein trifft, an seinem Ende 16 gestuft ausgebildet, so dass in be stimmten aufeinanderfolgenden Abschnitten einzelne der über einander gestapelten Hochtemperatursupraleiterbänder 14 frei gelegt werden. In dem Spulenleiter des Querabschnitts 8 sind die Hochtemperatursupraleiterbänder nun seitlich nebeneinan der angeordnet, um den Stufenabstand versetzt und idealer weise auch in ihrer Höhe leicht versetzt, so dass sie unmit telbar mit dem zugehörigen Hochtemperatursupraleiterband 14 des Spulenleiters des Längsabschnitts in Berührung kommen und entsprechend, beispielsweise durch Verpressen oder Löten mit diesem verbunden werden können. Dabei wird weniger Raum in der Höhe und somit weniger Platz an den Spulenköpfen benö tigt, wobei allerdings der Spulenleiter des Querabschnitts 8 breiter ausgeführt ist. Das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4 bis 6 ist insgesamt als etwas robuster zu bewerten.
Die Fig. 10 und 11 zeigen ein weiteres mögliches Ausführungs beispiel, in dem sowohl die Hochtemperatursupraleiterbänder 14 des Spulenleiters des Längsabschnitts 7 als auch die Hoch temperaturleiterbänder 14 des Spulenleiters des Querab schnitts 8 nebeneinander angeordnet sind und im Verbindungs bereich der Ecke 5 jeweils mit jedem Hochtemperatursupralei terband 14 des jeweils anderen Spulenleiters überlappen, so dass der Kontaktbereich für die Verbindung deutlich erhöht ist, eine einfache Umverteilung von Stromlasten stattfinden kann und ein großer Anschlussbereich für Kühlverbindungen be steht. Der große Kontaktbereich, vgl. Überlappungsbereiche 15, sorgt für einen geringeren Gesamtwiderstand.
Fig. 12 zeigt ein Auffächern von mehreren übereinander lie genden Spulenleitern 17, die unterschiedlichen Spulenwindun gen oder derselben Spulenwindung angehören können, für das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 10 bis 12. Es ergibt sich für jeden der Spulenleiter 17 ein hinreichender Raum zur Herstel lung der Verbindung mit dem entsprechend aufgefächerten Spu lenleitern 17 des Querabschnitts 8, deren (optionale und in diesem Ausführungsbeispiel in jedem Fall vorhandene) Hochtem peratursupraleiterbänder 14 entsprechend gezeigt sind. Die Spulenleiter 17 können, insbesondere im Fall von unterschied lichen Spulenwindungen, auch durch Isolationsmaterial beab- standet sein, um ein Auffächern wenigstens teilweise zu ver meiden .
Weitere Möglichkeiten, insbesondere auch im Fall einer einzi gen Spulenwindung, ergeben sich durch die im Hinblick auf die Figuren 15 bis 24 dargestellten Beispiele mit einer zusätzli chen Leiterschicht.
Die Fig. 13 und 14 zeigen ein weiteres, viertes Ausführungs beispiel der Verbindung in der Ecke 5, wobei dort ein Verbin dungselement 18, hier aus Kupfer, verwendet wird, welches profiliert ist, um die wiederum gestuft ausgeführten Enden 16 beider Spulenleiter 17, in denen drei Hochtemperatursupralei terbänder 14 übereinander liegen, aufzunehmen und eine Kon taktfläche für die Hochtemperatursupraleiterschichtseite je des Hochtemperatursupraleiterbandes 14 bereitzustellen. Das Verbindungselement 18 fügt Gewicht und Widerstand hinzu, er laubt jedoch einen größeren Kontaktbereich pro Hochtempera tursupraleiterband 14, so dass der Gesamtwiderstand sinkt. Zudem ist die mechanische Robustheit erhöht und die Anbindung an ein Kühlsystem vereinfacht.
Die Figuren 15 bis 24 zeigen nun Ausgestaltungen, in denen zusätzlich wenigstens eine Leiterschicht aus einem normal leitenden Material, hier Kupfer, verwendet wird. Dies erlaubt zusätzliche Flexibilität, insbesondere was das Bereitstellen von Freiräumen im Verbindungsbereich an den Ecken 5 angeht. Dabei ist in den Figuren 15, 18 und 22 jeweils eine (teilge schnittene) Aufsicht auf die Ecke 5 gezeigt; Querschnitten der Spulenleiter 17 ergeben sich aus den Fig. 16, 17, 19, 20, 23 und 24 und ein Verbindungsbereichsquerschnitt aus Fig. 21 gezeigt .
Das fünfte konkrete Ausführungsbeispiel der Fig. 15 bis 17 nutzt dabei einen Spulenleiter 17 des Längsabschnitts 8, der zwei Hochtemperatursupraleiterbänder 14 aufweist, die mit einander zugewandten Hochtemperatursupraleiterschichten 19 übereinander geführt sind, wobei zwischen den Hochtemperatur supraleiterbändern 14 die Leiterschicht 20 aus Kupfer ange ordnet ist. Umgebend ist ein isolierendes Material 21 ange deutet .
Für den Spulenleiter 17 des Querabschnitts 8, der von unten in die Fig. 15 einläuft, ist zu erkennen, dass hier nebenei nander angeordnete, in Zweierpärchen jeweils leicht höhenver setzte Hochtemperatursupraleiterbänder 14 vorgesehen sind.
Die Hochtemperatursupraleiterschichten 19 weisen dabei nach außen, weg von den auch dort vorgesehenen Leiterschichten 20, so dass ein schlechterer Kontakt gegeben ist, wozu jedoch mehr Hochtemperatursupraleiterbänder vorliegen als im Spulen leiter 17 des Längsabschnitts 7.
Die Leiterschicht 20 des Spulenleiters 17 des Längsabschnitts 7 endet an einer Stelle 22, um einen Freiraum zu schaffen, in den die Hochtemperatursupraleiterbänder 14 des Spulenleiters 17 des Querabschnitts 8 einragen können, wobei die Hochtempe ratursupraleiterschichten 19 jeweils aneinander angrenzen und mit einem der genannten Verfahren direkt verbunden sind. Da bei wird in diesem Ausführungsbeispiel im Übrigen ausgenutzt, dass am Rotorkopf mehr Raum besteht und daher der Spulenlei ter 17 des Querabschnitts 8 ausgedehnter ausgestaltet werden kann als der Spulenleiter 17 des Längsabschnitts 7.
Während das Ausführungsbeispiel der Fig. 15 für einen gerin gen Zusatz an Kupfer ausgestaltet ist, zeigen Fig. 18 bis 20 eine Modifikation für einen Fall, in dem eine größere Menge Kupfer für jeden der Spulenleiter 17 verwendet werden soll. Ersichtlich erstreckt sich das Kupfermaterial der Leiter schicht 20 nun auch neben den Hochtemperatursupraleiterbän dern 14 weiter, während die Leiterschichten 20 des Spulenlei ters 17 des Querabschnitts 8 so erweitert sind, dass das Kup fer die Hochtemperatursupraleiterbänder 14 auch an der Seite der Hochtemperatursupraleiterschicht 19 kontaktiert. Die ab deckenden Anteile der Leiterschichten 20 enden auch hier ent sprechend vor dem Verbindungsbereich in der Ecke 5, um die entsprechende Verbindung zu ermöglichen.
Fig. 21 zeigt einen Querschnitt entlang der Linie XXI - XXI in Fig. 18, der auch für Fig. 15 bis 17 den Verbindungsbe reich genauer erläutert. Zu erkennen ist deutlich das Enden der Leiterschicht 20 des Spulenleiters 17 des Längsabschnitts 7 zwischen den Hochtemperatursupraleiterbändern 14 dieses Spulenleiters, um einen Freiraum zu schaffen, in den die Hochtemperatursupraleiterbänder 14 des anderen Spulenleiters 17 des Querabschnitts 8 eingreifen, so dass die Hochtempera tursupraleiterbänder 14 jeweils mit ihren Seiten der Hochtem- peratursupraleiterschicht 19 verbunden sind. Dabei ist ideal erweise keine Verdickung im Verbindungsbereich erforderlich.
Die Fig. 22 bis 24 zeigen schließlich eine modifizierte, wei tere Ausführungsform, in der ebenso eine große Menge an Kup fer benötigt wird. Während der Spulenleiter 17 des Längsab schnitts 7 wiederum wie in Fig. 15 bis 17, nur mit einer di ckeren Leiterschicht 20, ausgebildet ist, wird der durch die dickere Leiterschicht 20 des Spulenleiters 17 des Längsab schnitts 7 genutzte zusätzliche Raum für den Spulenleiter 17 des Querabschnitts 8 genutzt, um jeweils zwei nebeneinander geführte Hochtemperatursupraleiterbänder 14 übereinander an zuordnen, wobei zusätzlich auch eine Leiterschicht 20 dazwi schen vorgesehen ist.
Dies verdeutlicht nochmals die Vielzahl an Optionen, die sich aufgrund der Flexibilität der Möglichkeit zur unterschiedli chen Gestaltung der Spulenleiter 17 des Längsabschnitts 7 und des Querabschnitts 8 und durch das Hinzufügen von Kupfer ergibt .
Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausfüh rungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele einge schränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen .

Claims

Patentansprüche
1. Sattelspule (2) für einen wenigstens zwei Pole aufweisen den Rotor (1) einer elektrischen Maschine, dadurch gekenn zeichnet, dass die rechteckige Sattelspule (2) für jede Spu lenwindung (6) zwei gerade, eine erste Länge aufweisende Längsabschnitte (7) und zwei im rechten Winkel an die Längs abschnitte (7) anschließende, symmetrisch gewölbt ausgeführte Querabschnitte (8) einer zweiten Länge, die kleiner als die erste Länge ist, aufweisen, wobei jeder Längsabschnitt (7) und jeder Querabschnitt (8) wenigstens einen Spulenleiter (17) mit wenigstens einem Hochtemperatursupraleiterband (14) aufweist und die Spulenleiter (17) an den Ecken (5) der Sat telspule (2) durch Verpressen und/oder Verlöten direkt oder indirekt, insbesondere niederohmig, miteinander verbunden sind .
2. Sattelspule (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung in den Ecken (5) durch Verpressen von Hochtemperaturleiterbändern mit Indium und/oder durch Verlö ten der Hochtemperatursupraleiterbänder (14) in Überlappungs bereichen (15) hergestellt ist oder wenigstens ein insbeson dere aus Kupfer bestehendes Verbindungselement (18), mit dem die Hochtemperatursupraleiterbänder (14) der Spulenleiter (17) jeweils verbunden sind, vorgesehen ist.
3. Sattelspule (2) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, dass die Spulenleiter (17) mehrere, insbesondere zwei bis sechs, Hochtemperatursupraleiterbänder (14) umfas sen .
4. Sattelspule (2) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochtemperatursupraleiterbänder (14) eines jeweili gen Spulenleiters (17) wenigstens teilweise übereinander und/oder wenigstens teilweise nebeneinander parallel geführt sind .
5. Sattelspule (2) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekenn zeichnet, dass die Spulenleiter (17) der Querabschnitte (8) und die Spulenleiter (17) der Längsabschnitte (7) bezüglich der Zahl der Hochtemperatursupraleiterbänder (14) und/oder deren geometrischer Anordnung und/oder deren Ausdehnung un terschiedlich sind.
6. Sattelspule (2) nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei übereinanderliegend geführten Hoch temperatursupraleiterbändern (14) in einem Spulenleiter (17) die Hochtemperatursupraleiterbänder (14) im Verbindungsbe reich der Ecken (5) beabstandet geführt werden, wobei jeweils ein Hochtemperatursupraleiterband (14) des an der Ecke (5) anschließenden Querabschnitts (8) mit einem Hochtemperatur supraleiterband (14) des Längsabschnitts (7) direkt verbunden ist und die Hochtemperatursupraleiterbänder (14) im Verbin dungsbereich unter Nutzung der Beabstandung ineinander ein greifend angeordnet sind.
7. Sattelspule (2) nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass in wenigstens einem Verbindungsbereich einer Ecke (5) einer der zu verbindenden Spulenleiter (17), in dem Hochtemperatursupraleiterbänder (14) übereinander ge führt sind, ein gestuftes, die Hochtemperatursupraleiterbän der (14) in Längsrichtung beabstandet freilegendes Ende (16) aufweist und der andere der zu verbindenden Spulenleiter (17) versetzt entsprechend der Beabstandung nebeneinander verlau fende Hochtemperatursupraleiterbänder (14) aufweist, wobei jeweils ein Paar von Hochtemperatursupraleiterbändern (14) miteinander direkt verbunden ist.
8. Sattelspule (2) nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Verbindungsbereich wenigstens einer Ecke (5) nebeneinander geführte Hochtemperatursupralei terbänder (14) des einen Spulenleiters (17) die nebeneinander geführten, zu verbindenden Hochtemperatursupraleiterbänder (14) des anderen Spulenleiters (17) alle überlappen und je weils mit diesen allen verbunden sind.
9. Sattelspule (2) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer mehrere Spulenwindun gen (6) umfassenden Sattelspule (2) und aufgrund der Verbin dung an den Ecken (5) in der Höhe ausgedehnteren Spulenwin dungen (6) die Spulenleiter (17) an den Ecken (5) auseinander geführt sind und/oder die Spulenwindungen (6) durch eine Iso latorschicht beabstandet sind.
10. Sattelspule (2) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spulenleiter (17) zusätzlich wenigstens eine Leiterschicht (20) aus einem normalleitenden Material, insbesondere Kupfer, umfassen, welche in elektri schem Kontakt zu jedem Hochtemperatursupraleiterband (14) des jeweiligen Spulenleiters (17) steht, insbesondere wenigstens zu einer die Hochtemperatursupraleiterschicht (19) aufweisen den Seite der Hochtemperatursupraleiterbänder (14).
11. Sattelspule (2) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Verbindungsbereich wenigstens einer Ecke (5) we nigstens ein Freiraum für wenigstens ein zu verbindendes Hochtemperatursupraleiterband (14) durch Weglassen wenigstens eines Teils der Leiterschicht (20) am Ende wenigstens eines Spulenleiters (17) besteht.
12. Sattelspule (2) nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekenn zeichnet, dass einer der an einer Ecke (5) verbundenen Spu lenleiter (17), insbesondere der einem Längsabschnitt (7) zu geordnete Spulenleiter (17), eine geringere Zahl von Hochtem peratursupraleiterbändern (14) als der andere Spulenleiter (17), insbesondere der einem Querabschnitt (8) zugeordnete Spulenleiter (17), aufweist, wobei bei dem einen Spulenleiter (17) die Hochtemperatursupraleiterbänder (14) auf einer Hoch temperatursupraleiterschichtseite (19) mit der jeweiligen Leiterschicht (20) verbunden ist, bei dem anderen auf einer Substratseite .
13. Sattelspule (2) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochtemperatursupraleiterbänder (14) des einen Spu lenleiters (17) übereinander angeordnet sind und die Hochtem peratursupraleiterbänder (14) des anderen Spulenleiters (17) wenigstens teilweise nebeneinander.
14. Sattelspule (2) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die flache Seite der Hochtempe ratursupraleiterbänder (14) senkrecht zur Radialrichtung (10) des Rotors (2) im Einbauzustand verläuft.
15. Elektrische Maschine, aufweisend einen wenigstens zwei Pole aufweisenden Rotor (1) mit wenigstens einer Sattelspule (2) nach einem der vorangehenden Ansprüche.
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Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE2542169A1 (de) * 1975-09-22 1977-03-24 Siemens Ag Supraleitende erregerwicklung fuer den laeufer einer elektrischen maschine
WO2001020756A1 (de) 1999-09-13 2001-03-22 Siemens Aktiengesellschaft Supraleitende machine mit einer mehrpoligen wicklungsanordnung
US20030059652A1 (en) * 2001-09-25 2003-03-27 Yu Wang Structural reinforced superconducting ceramic tape and method of making
DE20318174U1 (de) 2003-11-24 2004-09-30 Siemens Ag Doppelscheibenwicklung mit innen kontaktierten HTS-Leitern
DE102008035655A1 (de) 2007-08-23 2009-02-26 Zenergy Power Gmbh Wickelkörper für eine Sattelspulenwicklung

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4430589A (en) * 1981-04-02 1984-02-07 Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha Rotor of a superconductive rotary electric machine
US4427907A (en) * 1981-11-23 1984-01-24 Electric Power Research Institute, Inc. Spiral pancake armature winding module for a dynamoelectric machine
US6509819B2 (en) * 1999-07-23 2003-01-21 American Superconductor Corporation Rotor assembly including superconducting magnetic coil
JP2004179512A (ja) * 2002-11-28 2004-06-24 Sharp Corp 半導体レーザ素子

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE2542169A1 (de) * 1975-09-22 1977-03-24 Siemens Ag Supraleitende erregerwicklung fuer den laeufer einer elektrischen maschine
WO2001020756A1 (de) 1999-09-13 2001-03-22 Siemens Aktiengesellschaft Supraleitende machine mit einer mehrpoligen wicklungsanordnung
US20030059652A1 (en) * 2001-09-25 2003-03-27 Yu Wang Structural reinforced superconducting ceramic tape and method of making
DE20318174U1 (de) 2003-11-24 2004-09-30 Siemens Ag Doppelscheibenwicklung mit innen kontaktierten HTS-Leitern
DE102008035655A1 (de) 2007-08-23 2009-02-26 Zenergy Power Gmbh Wickelkörper für eine Sattelspulenwicklung

Non-Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
ITO SATOSHI ET AL: "Structure and Magnetic Field Dependences of Joint Resistance in a Mechanical Joint of REBCO Tapes", IEEE TRANSACTIONS ON APPLIED SUPERCONDUCTIVITY, IEEE SERVICE CENTER, LOS ALAMITOS, CA, US, vol. 26, no. 4, 1 June 2016 (2016-06-01), pages 1 - 5, XP011604227, ISSN: 1051-8223, [retrieved on 20160323], DOI: 10.1109/TASC.2016.2539210 *
LECREVISSE THIBAULT ET AL: "Tape-to-Tape Joint Resistances of a Magnet Assembled From (RE)BCO Double-Pancake Coils", IEEE TRANSACTIONS ON APPLIED SUPERCONDUCTIVITY, IEEE SERVICE CENTER, LOS ALAMITOS, CA, US, vol. 25, no. 3, 1 June 2015 (2015-06-01), pages 1 - 5, XP011573425, ISSN: 1051-8223, [retrieved on 20150212], DOI: 10.1109/TASC.2014.2372891 *
M.P. OOMEN ET AL.: "Transposed-Cable Coil & Saddle Coils of HTS for Rotating Machines: Test Results at 30 K", IEEE TRANS. APPL. SUPERCONDUCTIVITY, vol. 19, no. 3, 2009, pages 1633 - 1638, XP011258372
S. ITO ET AL.: "Structure and Magnetic Field Dependences of Joint Resistance in a Mechanical Joint of REBCO Tapes", IEEE TRANSACTIONS ON APPLIED SUPERCONDUCTIVITY, vol. 26, no. 4, 2016, pages 6601505, XP011604227, DOI: doi:10.1109/TASC.2016.2539210
S.L. LALITHA: "Low resistance splices for HTS devices and applications", CRYOGENICS, 2017
T. LECREVISSE ET AL.: "Tape-to-Tape Joint Re sistances of a Magnet Assembled with (RE)BCO Double-Pancake Coils", IEEE TRANSACTIONS ON APPLIED SUPERCONDUCTIVITY, vol. 25, no. 3, 2015, pages 6602505, XP011573425, DOI: doi:10.1109/TASC.2014.2372891

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