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Title:
SUPERCONDUCTING TRANSFORMER
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/1996/022606
Kind Code:
A1
Abstract:
To simplify the structure of the torus winding (29) of a superconducting transformer (1, 1a, 1b, 1c, 1d), at least the circular sections of the torus winding (29) consist of several identical first winding components (11, 11a, 11b, 11c). In addition, there is a suitable annular winding component (11, 11a, 11b, 11c) with a shape having an outwardly tapering, trapezoidal or wedge-like cross-section. There are at least two coaxial mutually insulated tubular conductors (13) arranged inside each other perpendicularly to its annular plane, which form the ring.

Inventors:
M�ller, Walter
Application Number:
PCT/DE1996/000018
Publication Date:
July 25, 1996
Filing Date:
January 10, 1996
Export Citation:
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Assignee:
SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT M�LLER, Walter.
International Classes:
H01F27/28; H01F6/06; H01F36/00; (IPC1-7): H01F36/00
Foreign References:
CH411124A
DE937184C
EP0422556A1
US4151498A
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Claims:
Patentansprüche
1. Transformator (1, la, lb, lc, ld) mit einer supraleitenden To ruswicklung (29), welche von mehreren gleichen ersten Wick lungselementen (11, 11a, 11b, 11c) mit Ringform gebildet ist, wobei die ersten Wicklungselemente (11, 11a, 11b, 11c) πngsek torartig aneinandergereiht und jeweils zumindest im Bereich (14) ihrer anemanderliegenden Flächen im Querschnitt ein Profil mit nach außen verjüngtem, trapez oder keilförmigen Querschnitt aufweisen, und wobei die Wicklungselemente (11, 11a, 11b, 11c) jeweils zumindest zwei koaxial ineinander angeordnete, gegeneinander elektrisch isolierte Röhrenleiter (13) aufweisen.
2. Supraleitender Transformator nach Anspruch 1, wobei die ersten Wicklungselemente (11, 11a, 11b, 11c) rotationssym¬ metrisch sind.
3. Supraleitender Transformator nach Anspruch 1 oder 2, wobe zur Bildung einer gestreckten Ringform der Toruswicklung (29 röhrenförmige zweite Wicklungselemente vorgesehen sind, die zueinander parallele gerade Anschnitte (17) bilden.
4. Supraleitender Transformator nach Anspruch 3, wubei die zweiten Wicklungselemente an ihren Stirnflächen jeweils eine zentralen Bereich (14a) aufweisen, die parallel zueinander sind, derart, daß die zweiten Wicklungselemente in Längs¬ richtung unter Bildung einer Röhrenform geradlinig aneinan¬ dergereiht sind.
5. Supraleitender Transformator nacn einem der Ansprüche 3 oder 4, wobei die gestreckte Ringform im Bereich der gerader Abschnitte (17) gefaltet ist, derart, daß ihre freien Enden parallel zueinander liegen.
6. Supraleitender Transformator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei für zumindest je zwei benachbarter Wicklungs elemente (11, 11a,11b, 11c) ein etwa sattelförmiger äußerer Schirmkörper (15,15a) vorgesehen ist.
7. Supraleitender Transformator nach Anspruch 6, wobei der/die Schirmkörper (15,15a) aus einem eisenhaltigen und/oder supraleitenden Material gefertigt ist/sind.
8. Wicklungselement in Ringform zur Bildung der supralei¬ tenden Toruswicklung (29) eines induktiven Bauteils, insbe sondere eines Transformators (1,la, lb, lc, ld) , wobei die Ringform im Querschnitt ein Profil mit nach außen verjüngtem, trapez oder keilförmigen Querschnitt aufweist, und wobei zumindest zwei koaxial ineinander angeordnete, gegeneinander elektrisch isolierte Röhrenleiter (13) vorgesehen sind.
9. Wicklungselement nach Anspruch 8, wobei die Ringform rota¬ tionssymmetrisch ist.
10. Wicklungselement nach Anspruch 9, wobei der äußere Röh renleiter (13) eine geringere Höhe als der innere aufweist.
Description:
Beschreibung

Supraleitender Transformator

Die Erfindung betrifft einen supraleitenden Transformator mit einer Toruswicklung und ein für seine Herstellung geeignetes Wicklungselement .

Bei Transformatoren für hohe Leistungen ist zur Erzielung von geringen Gewichten und Verlusten der Einsatz von supraleiten¬ den Materials für die Leiter der Wicklungen bekannt. Dabei werden bevorzugt eisenlose Anordnungen - also ohne Transfor¬ matorkern - verwendet. Um ein in die Umgebung des Transforma¬ tors ausstrahlendes Magnetfeld aus Gründen der elektromagnet- ischen Verträglichkeit (EMV) zu vermeiden, wird möglichst ei¬ ne Führung des Hauptfeldes in geschlossenen Flußschläuchen durch die Wicklung selbst erzwungen.

Eine bekannte Lösung hierzu ist die Toruswicklung. bei der eine günstige Führung des Hauptfeldes möglich ist. Die Torus¬ wicklung wird dabei aus einem rohrartigen Material herge¬ stellt. Eine derartige Toruswicklung erfordert jedoch eine aufwendige Fertigungstechnik. Darüber hinaus läßt diese Bau¬ art keine weitere Optimierung des Bauvolumens bei oiner vor- gegebenen Leistung zu.

Hinsichtlich des Bauvolumens sind Spulenanordnungen, die aus einem supraleitenden Koaxialkabel gewickelt sind, z. B. der Kabeltransformator, der Toruswicklung überlegen. Diese weisen jedoch ein frei in den Raum ausstrahlendes Magnetfeld auf.

Aus der CH-PS-411 124 ist ein supraleitender Transformator bekannt, dessen Wicklungen torusförmig angeordnet sind, wobei der Querschnitt der Wicklungen kreisringfόrmige Gestalt auf- weist. Aus der DE-PS-937 184 ist eine Schaltdrossel bekannt, die einen ringförmigen Eisenkern mit darauf angeordneten Wicklungen in Form von Scheibenspulen aufweist. Zur verbes-

serten Ausnutzung des vom Kern umschlossenen Ringraumes wei¬ sen die Wicklungen in ihrem Randbereich einen keilförmigen Querschnitt auf .

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen supraleiten¬ den Transformator mit einer Toruswicklung anzugeben, der be¬ sonders einfach herstellbar ist. Der Erfindung liegt die wei¬ tere Aufgabe zugrunde, ein Bauteil zur Bildung einer Torus¬ wicklung für einen derartigen Transformator anzugeben.

Die Lösung der Aufgabe gelingt mit einem supraleitenden Transformator gemäß Anspruch 1.

Die Toruswicklung ist dadurch von einer Vielzahl von Wick- lungselementen gebildet, die jeweils für sich allein einfach herstellbar sind. Für einen ringförmigen Torus wird nur eine Ausführung eines Wicklungselements benötigt. Die Herstellung der Toruswicklung des Transformators st damit wesentlich vereinfacht gegenüber einer Ausführung nach dem Stand der Technik, wodurch sie auch kostengünstig ist.

Zur Bildung einer zumindest ovalen oder länglich gestreckten Toruswicklung können gerade zweite Wicklungselemente vorge¬ sehen sein. Dies ist günstig, wenn von der Kreisrir.gfor ab- weichende Wicklungsformen gebildet werden müssen. Dies kann sich auch günstig bei einer Optimierung des erforderlichen Kesselvolumens für den Transformator auswirken.

Es ist von Vorteil, wenn die ersten Wicklungselemente jeweils im Querschnitt außer den trapez- oder keilförmigen Bereichen einen zentralen Bereich mit rechteckigem Querschnitt aufwei¬ sen und damit als zweite Wicklungselemente dienen. Die Wick¬ lungselemente sind dann also rotationssymmetrisch. Auf diese Weise wird unabhängig von der Form αes Transformators nur ei- ne Sorte von Wicklungselement benotigt, wodurch der Aufwand für seinen Aufbau, seine Herstellung und für die Lagerhaltung der Wicklungselemente niedrig gehalten ist.

Eine weitere Optimierung in bezug auf die Baugröße ist da¬ durch erzielt, daß die Toruswicklung gefaltet ist. Durch das Falten, das durch die Verwendung der vorliegenden Wicklungs- elemente einfach möglich ist, sind kleinste Transformator- großen bei gleichbleibenden elektrischen Werten erzielbar.

Es ist günstig, wenn für zumindest je zwei benachbarter Wick¬ lungselemente ein etwa sattelförmiger Schirmkörper vorgesehen ist . Dadurch kann ein Ausweichen des magnetischen Flusses aus den Zwischenräumen der Wicklungelemente vermieden werden. Die Verluste sind damit niedrig gehalten.

Die Schir körper sind bevorzugt aus einem eisenhaltigen und/oder supraleitenden Material gefertigt. Dadurch ist eine gute Abschirmwirkung, insbesondere unter supraleitenden Be¬ dingungen, gegeben.

Die weitere Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst mit einem Wicklungselement gemäß Anspruch 8. Ein derartiges Wicklungs- selement ist besonders einfach, z.B. durch einfaches Wickeln von Leiter und Isolationsschichten, und preiswert herstell¬ bar, wodurch der Aufwand für die Herstellung des Transforma¬ tors niedrig gehalten ist. Derartige Wicklungseiemete können dabei parallel aneinander oder unter Bildung eine? Bogens segmentartig aneinandergefügt werden, da sie quasi torussek- torförmig ausgebildet sind. Dadurch sind auch verschiedenste Formen für Wicklungen, insbesondere eine Nachbildung einer Torusform, realisierbar. Es ist ein gliederartiger Aufbau der Toruswicklung möglich.

Der außenliegende Röhrenleiter kann eine geringere Höhe als der innere aufweisen. Dadurch ist eine gute Ausnutzung des Querschnitts möglich, da die Leiter direkt an den Umfangsflä- chen des Wicklungselements plaziert werden können. Bevorzugt ist das Wicklungselement rotationssymmtrisch und damit ein¬ fach herstellbar.

Die Erfindung, weitere Vorteile und Details werden nachfol¬ gend in Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung beispiel¬ haft näher erläutert. Es zeigen:

FIG 1 ein supraleitender Transformator mit Toruswicklung,

FIG 2 ein erstes Wicklungselement für eine Toruswicklung gemäß FIG 1,

FIG 3 eine Toruswicklung in gestreckter Bauweise,

FIG 4 ein Transformator mit einer gestreckte Toruswicklung i gefalteter Ausführung in einer Seitenansicht,

FIG 5 der Transformator gemäß FIG 4 in der Draufsicht

FIG 6 und 7 ein Prinzipbild eines dreiphasigen Transformators mit gestreckter Toruswicklung in einer Drauf- bzw. Sei¬ tenansicht und

FIG 8 und 9 einen dreiphasigen Transformator mit gefalteter Toruswicklung in einer Drauf- bzw. Seitenansicht.

FIG 1 zeigt einen supraleitenden Transformator 1, der in ei- nem Gehäuse 3 angeordnet ist. Die Prinzipdarstellung zeigt, daß der Innenraum 5 des Gehäuses 3 über Versorgungsleitungen 7 mit einer Kühleinrichtung 9 verbunden ist. Die Kühleinrich tung 9 kühlt das im Gehäuse 3 enthaltene Kühlmedium auf die erforderliche Tiefte peratur herab.

Der Transformator 1 weist im Prinzip eine Wicklung auf, die nach Art einer Toruswicklung, ähnlich einem geschlossenen Schlauchring, aufgebaut ist. Die Toruswicklung wird vorlie ¬ gend von einer Vielzahl von ersten Wicklungselementen 11, 11a, 11b, 11c gebildet, die sektorartig aneinander gefügt sind. Sie bilden dabei eine polygonartige Anordnung.

FIG 2 zeigt einen Schnitt durch ein derartiges erstes Wick¬ lungselement 11 im Detail. Das erste Wicklungselement 11 ist zunächst ringartig mit einem inneren Durchmesser Dl und einem äußeren Durchmesser D2 aufgebaut. Je nach gewünschtem Trans- formatortyp sind in dem ersten Wicklungselement 11 entsprech¬ ende konzentrische Röhrenleiter 13 koaxial angeordnet, die als Leiter für die Wicklung dienen. Vorliegend ist beispiel¬ haft das Wicklungselement 11 mit drei Röhrenleitern 13 darge¬ stellt, die für einen Dreiwicklungstransformator oder auch eine doppelkonzentrische Anordnung eines Zweiwicklungstrans¬ formators dienen kann.

Da vorliegend ein supraleitendes Bauelement gebildet sein soll, sind die Röhrenleiter selbstverständlich aus einem supraleitenden Material, z.B. einem Hoch- oder Tieftempera- turleiter (HTL bzw. TTL) , gefertigt.

Zumindest im Bereich 14 der einander anliegenden Flächen be¬ nachbarter Wicklungselemente weist das Wicklungselement 11 ein Profil mit einem keil- oder trapezförmigen Querschnitt auf. Im Gegensatz zu einem O-Ring mit kreisförmigem Quer¬ schnitt kann hier also von einem Trapez-Ring gesprochen wer¬ den.

Der entsprechende Trapezwinkel α hängt je nach der für die

Toruswicklung vorgesehenen Geometrie, insbesondere dem Radius und der Anzahl von Wicklungselementen 11, ab. Bevorzugt ist das Wicklungselement 11 - wie dargestellt - rotations¬ symmetrisch ausgebildet, so daß beim Zusammenfügen von Wick- lungselementen 11a, 11b, 11c keine besondere Lage vorgesehen werden muß. Es sind jedoch auch unsymmetrische Formen oder im Gegensatz zur Kreisringform auch eckige oder ovale Ausfüh¬ rungen möglich, die jedoch nicht weiter dargestellt sind.

In FIG 1 ist zu sehen, wie eine vorgegebene Anzahl, nämlich zehn, Wicklungselemente 11 bis 11c polygonartig zur einer To¬ ruswicklung zusammengefügt sind. Um die Zwischenräume Z zwi-

sehen den Wicklungselementen 11 bis 11c möglichst klein zu halten, kann die Anzahl der ersten Wicklungselemente 11 bis 11c hoch gewählt werden. Auf diese Weise ist ein radiales Ausweichen des magnetischen Flusses zwischen den ersten Wick- lungselementen 11 bis 11c vermieden Es ist auch alternativ prinzipiell möglich, die ersten Wicklungselemente im Quer¬ schnitt völlig kreisπngsektorförmig auszubilden, so daß die Zwischenräume Z nahezu völlig vermieden sind.

Zur Vermeidung des radialen Austretens des elektromagneti¬ schen Flusses aus der Toruswicklung sind beispielhaft an den ersten Wicklungselementen 11a, 11b, 11c Schirmkörper 15 ange¬ ordnet (stπchliert dargestellt) . Die Schirmkörper 15 sind etwa sattelförmig ausgebildet und überlappen jeweils einen Zwischenraum Z zwischen zwei Wicklungselementen 11a und 11b bzw. 11b und 11c. Mit S sind die Verläufe der resultierenden Wirbelstrombahnen in den Schirmkorpern 15 bezüglich der eingezeichneten Leerlaufstromdurchflutung L in den ersten Wicklungselementen 11a bis 11c qualitativ dargestellt.

Die Schirmkörper 15 sind ebenfalls aus einem supraleitenden elektromagnetischen Material gefertigt. Sie können auch durcϊ eine flächenhafte Belegung eines entsprechend geformten Tra- germaterials mit supraleitenden Material realisier., werden.

Alternativ kann das Trägermateriai auch von linienhaften Su¬ praleitern gebildet werden. Es ergibt sich dadurch ein ske¬ lettartiger Träger. Gegebenenfalls können die Schirmkorper 1 selbst in einer derartigen Skelettbauweise ausgeführt sein. Die einzelnen Leiter oder Drähte des Skeletts sind dann elek trisch miteinander verbunden.

Die ersten Wicklungselemente 11a bis 11c und die Schirme 15 können miteinander durch nicht näher dargestellte Befesti- gungs ittel, z. B. Halteelemente aus Kunststoff, miteinander befestigt oder auch auf einfache Weise miteinander verklebt sein.

Um bei größeren Leistungen, z. B. bei Leistungstransformato¬ ren mit über 10 MVA Einphasenleistung, einen großen Polygon¬ durchmesser D3 zu vermeiden, kann eine Ausführung eines Transformators la gemäß FIG 3 mit gestreckter Toruswicklung günstig sein (Darstellung ohne Gehäuse) . Es kann dabei näm¬ lich ein kleinerer Radius R gegenüber dem aus FIG 1 verwendet werden, wobei zwei Halbpolygone mit zwei geraden Abschnitten 17 miteinander verbunden sind. Die geraden Abschnitte 17 kön¬ nen selbstverständlich von einfachen konzentrisch angeordnet- en geraden Röhrenstücken gebildet sein (nicht näher darge¬ stellt) . Die geraden Abschnitte können jedoch auch unter Ver¬ wendung der neuen ersten Wicklungselemente 11 gebildet wer¬ den. Diese können nämlich im Bereich ihres inneren Durchmes¬ sers Dl - wie in FIG 2 zu sehen ist - unter Bildung einer ge- raden Flußröhre gerade aneinander gesetzt werden. Auf diese Weise ist die gesamte Wicklungsanordnung von einem standard¬ mäßigen ersten Wicklungselement 11 gebildet. Der Schirmkörper 15a kann auch mehrere Wicklungselemente 11 abdecken, so daß wie hier gezeigt ein halbschalenartiger Schirm 15a gebildet ist.

Dadurch, daß die ersten Wicklungselemente 11 gerade und in Winkeln zueinander angeordnet werden können, sind beliebige Bauformen für die Wicklung eines Transformators oder einer Spule erzeugbar. Dies ist besonders günstig wenn bestimmte Baugrößen oder Bauformen eingehalten werden müssen.

Die FIG 4 und 5 zeigen eine weitere Ausführungsform eines su¬ praleitenden Transformators lb, bei dem die gestreckte Wick- lungsanordnung gemäß FIG 3 zusätzlich gefaltet ist. Die bei¬ den Figuren zeigen den Kessel 19 des Transformators lb, der beispielhaft einen Kühlanlagenanschluß 21 und eine Hochspan¬ nungsdurchführung 23 aufweist. Diese Ausführung weist gegen¬ über der aus FIG 3 eine reduzierte Baulänge auf, die ohne zu- sätzliche Bauelemente erzielbar ist. Die Wicklungsanordnung mit den neuen Wicklungselementen 11 ist nämlich nach Art ei¬ ner Gliederkette verformbar. An den zusätzlichen Knickstellen

25 sind ebenfalls bevorzugt Schirmkörper 15b zur Flußsteue- rung vorgesehen.

Die FIG 6, 7 und 8, 9 zeigen mehrphasige supraleitende Trans- formatoren lc bzw. ld in einer Seiten- und Draufsicht. Die Wicklung 29 ist dabei nur im Prinzip dargestellt. Es ist da¬ bei zu erkennen, daß für alle Phasen U.V.W - hier vorliegend drei - nur eine gemeinsame Toruswicklung 29 vorgesehen ist. Sie ist in einzelne Wicklungsabschnitte 29a bis 29c für die einzelnen Phasen U,V,W unterteilt. Die Wicklungsabschnitte

29a bis 29c der Phasen U,V,W sind durch Joche 27a,27b (Figu¬ ren 6 und 7) voneinander getrennt. Die gezeigte gestreckte Toruswicklung 29 des Transformators lc ist in diesem Ausfüh- rungsbeispiel in ihrer Streckrichtung quer unterteilt, so daß nur zwei Joche 27a,b nötig sind. Die Phase V teilt sich dem¬ nach in zwei voneinander getrennte Wicklungsabschnitte 29b auf.

Die sich ergebenden magnetischen Flüße φu,φv,φw sind in den Figuren eingezeichnet. Die Flußrichtung der mittleren Phase V ist den positiven Flußrichtungen der Phasen U und W entgegen¬ gesetzt gewählt, so daß durch vekto ielle Addition an den Jo¬ chen 27a,27b kleinstmögliche Flüße φu,φv,φw entstehen.

Die Unterteilung in die Wicklungsabschnitte 29a, 29b,29c dient gleichzeitig zur Aufteilung des Kessels in drei Kesselab¬ schnitte 19a, 19b, 19c. Die Kesselabschnitte 19a, 19b, 19c sind an ihren aneinanderliegenden Flächen im Bereich der Joche 27a,27b mit nicht näher gezeigten Flanschen ( nach dem Stand der Technik) versehen, so daß einen gute mechanische und ma¬ gnetische Kopplung der geweilig gebildeten Einheiten möglich ist. Ein derartiger Transformator 1 z ist dadurch mehrteilig transportierbar, was insbesondere bei großen Transformatoren von Vorteil ist, da dort immer wieder Transportgröße und -ge- wicht ein Problem darstellen. Gegebenenfalls können die Joche 27a,27b und die Flansche vorteilhaft zu einer baulichen Ein ¬ heit vereinigt sein. Die Joche 27a, 27b sind aus üblichen

Transformatorblech gefertigt und außerhalb zwischen den Kes¬ selabschnitten 19a, 19b, 19c angeordnet, so daß sie bei norma¬ len Umgebungstemparaturen, also etwa zwischen 0 und 100° C, betrieben werden.

Die Kesselabschnitte 19a,19b, 19c können bei der vorliegenden einfachen Aufteilung der Toruswicklung 29 als Quader ausge¬ führt sein, wodurch sie einfach herstellbar sind. Es ist auch eine sternförmige Unterteilung des gesamten Transformators denkbar, bei der ein je nach Anzahl der Phasen sternförmig aufgeteilter zylindrischer Kessel zur Anwendung kommt.

Auch diese beispielhaft dreiphasige Anordnung ist gemäß den obigen Ausführungen auch in gefalteter Ausführung herstell- bar. In der gefalteten Ausführung gemäß FIG 9 kommen dabei die Wicklungsabschnitte 29a und 29c der Phasen U und W neben¬ einander zu liegen. Diese können dann mit Vorteil auch in einem gemeinsamen Kesselabschnitt 19d untergebracht sein.Die Kesselform kann hier beliebig zylindrisch oder auch quader- förmig sein. Bei dieser Ausführung ist sogar nur ein gemein¬ sames Joch 27 erforderlich.

Selbstverständlich sind die Merkmale der einzelnen Ausfüh¬ rungen miteinander kombinierbar oder untereinander austausch- bar, ohne daß der Grundgedanke der Erfindung verlassen wird.