Transformator mit supraleitenden Wicklungen Die vorliegende Erfindung betrifft einen Transformator mit wenigstens einer Transformationseinheit, die eine Primärwick ^¬ lung und eine Sekundärwicklung aufweist.

Die meisten herkömmlichen Transformatoren basieren auf elek- frischen Wicklungen, die um einen weichmagnetischen Kern angeordnet sind, wobei dieser Kern meist aus gegeneinander elektrisch isolierten Eisenblechen aufgebaut ist. Solche Transformatoren weisen zumindest eine Primärwicklung und ein Sekundärwicklung auf, die induktiv über einen gemeinsamen weichmagnetischen Kern gekoppelt sind. Die beiden Wicklungen einer elektrischen Phase sind gemeinsam meistens um verschiedene Segmente eines solchen Kerns angeordnet. Die Leitermate ^¬ rialien der beiden Wicklungen können prinzipiell sowohl normalleitend als auch supraleitend sein.

Diese herkömmlichen Transformatoren mit weichmagnetischen Kernen weisen verschiedene Nachteile auf:

- Das maximal nutzbare Magnetfeld im Inneren der Wicklungen ist durch das Sättigungsmagnetfeld des weichmagnetischen Materials limitiert. Für einen Eisenkern liegt das maximal nutzbare Magnetfeld in der Regel zwischen 1,4 T und 2 T.

- Das Material des weichmagnetischen Kerns hat einen wesent ^¬ lichen Anteil am Gewicht und an den Kosten eines solchen Transformators. Gerade für mobile Anwendungen, insbesondere für Off-Shore Anwendungen, wäre eine deutliche Reduktion des Gewichts eines Transformators wünschenswert.

- Das Streufeld eines herkömmlichen Transformators hat eine beträchtliche Ausdehnung, was einerseits zu elektrischen Verlusten und andererseits zu Problemen bei der elektromag- netischen Verträglichkeit führen kann.

Transformatoren mit supraleitenden Wicklungen müssen nicht zwangsläufig mit einem weichmagnetischen Kern ausgestattet sein. Durch die supraleitenden Eigenschaften kann ein hoher Strom nahezu ohne ohmsche Verluste in den Wicklungen fließen, und es können prinzipiell auch ohne Eisenkern sehr hohe mag ^¬ netische Felder erzeugt werden, ohne dass Sättigungseffekte auftreten. Zumindest können supraleitende Transformatoren mit einer reduzierten Menge an weichmagnetischem Material ausgebildet werden. Hierdurch können zumindest die ersten beiden der oben genannten Nachteile vermieden oder abgemildert werden. Bekannte Transformatoren mit supraleitenden Wicklungen weisen jedoch weitere Nachteile oder Schwierigkeiten im Zusammenhang mit ihrem Aufbau auf:

- Bei einer Ausführung mit einem weichmagnetischen Kern kann dieser Kern ebenfalls in einem zusammen mit dem Supraleiter auf eine kryogene Temperatur gekühlten Bereich angeordnet sein. In diesem Fall fallen die Ummagnetisierungsverluste im Kalten an, was diese Verluste gegenüber einer

Ummagnetisierung eines entsprechenden warmen Kerns erhöht, da der Widerstand des Kerns sinkt und höhere Induktions ^¬ ströme fließen. Außerdem wird der Kühlungsaufwand dadurch erhöht, dass diese Ummagnetisierungsverluste im kalten Be ^¬ reich anfallen.

- Alternativ kann ein weichmagnetischer Kern außerhalb des zu kühlenden Bereichs angeordnet werden. Dann ist der Aufbau eines die supraleitenden Wicklungen umgebenden Kryostaten jedoch deutlich komplexer, da erstens ein ringförmiger

Kryostat mit einer Aussparung für den Kern benötigt wird und zweitens zumindest im Bereich zwischen Kern und Spulenwicklung die Kryostatwand möglichst aus elektrisch nicht- leitfähigem Material ausgebildet sein sollte, um zusätzli- che elektrische Verluste durch Wirbelströme zu vermeiden.

Auch in den anderen Bereichen sollte die Kryostatwand ent ^¬ weder möglichst aus nichtleitendem Material ausgebildet sein oder die Kryostatwand sollte weit entfernt von den Wicklungen angeordnet sein, um elektrische Verluste zu mi- nimieren. Alternativ kann eine elektrisch leitende Kryostatwand auch in einem Teilbereich durch ein isolierendes Material unterbrochen sein, um einen ringförmigen geschlos- senen Stromfluss zu unterbinden. Ein solcher Aufbau ist jedoch fertigungstechnisch relativ aufwendig.

Bekannt sind tieftemperatursupraleitende Transformatoren, bei denen die Primärwicklung und die Sekundärwicklung jeweils auf mehrere untereinander in Serie geschaltete Teilwicklungen aufgeteilt sind, die abwechselnd aufeinanderfolgend um eine ringförmige Grundstruktur gewickelt angeordnet sind. Ein sol ^¬ cher Transformator wurde beispielsweise von H. Hirczy in „Ar- chiv für Elektrotechnik 55 (1972), S. 1-9 beschrieben. Eine solche mehrfach ineinander verschachtelte Anordnung bewirkt, dass die magnetischen Flussdichten zwischen den einzelnen Wicklungsteilen nicht zu hoch werden und somit die Wechsel ^¬ stromverluste in den einzelnen supraleitenden Leiterteilen gering gehalten werden können. Für einen Transformator mit einem tieftemperatursupraleitenden Leitermaterial ist eine solche Anordnung notwendig, da bei einem eisenlosen Transformator wegen der geringen Permeabilität unter sonst gleichen Voraussetzungen viel höhere Windungszahlen vorgesehen werden müssen. Dies führt jedoch im Vergleich zu einzelnen, nicht radial unterteilten Primär- und Sekundärwicklungen zu einem deutlich komplexeren Aufbau mit erhöhtem Wicklungsaufwand, Kontaktierungsaufwand und erhöhter Fehleranfälligkeit. Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Transformator anzugeben, welcher die genannten Nachteile überwindet. Insbesondere soll ein Transformator zur Verfügung gestellt werden, welcher möglichst einfach hergestellt werden kann und/oder ein möglichst geringes Gewicht aufweist.

Diese Aufgabe wird durch den in Anspruch 1 beschriebenen Transformator gelöst. Der erfindungsgemäße Transformator weist wenigstens eine erste Transformationseinheit mit einer Primärwicklung und einer Sekundärwicklung auf. Beide Wicklun- gen weisen jeweils mindestens einen hochtemperatursupralei- tenden Leiter auf. Beide Wicklungen sind jeweils in mehreren Windungen um eine für beide Wicklungen gemeinsame erste ringartige Grundstruktur gewickelt, derart, dass sich beide Wiek- lungen über einen gemeinsam bewickelten, überwiegenden Teil des Umfangs der ringartigen Grundstruktur erstrecken.

Unter einer ringartigen Grundstruktur soll hierbei eine sol- che Struktur verstanden werden, die entweder einen über seinen Umfang vollständig geschlossenen Ring darstellt oder einen Ring darstellt, der an einer Stelle seines Umfangs geöff ^¬ net ist. Hierbei können die beiden Enden des Rings beispiels ^¬ weise axial gegeneinander versetzt sein. Mit anderen Worten ist sind die Wicklungen um einen gemeinsamen toroidalen

Grundkörper angeordnet. Dabei sind die beiden Wicklungen des Transformators nicht auf unterschiedlichen Segmenten des ringartigen Grundkörpers angeordnet, sondern in einem für beide Wicklungen gemeinsamen Umfangsbereich . Insbesondere umgibt eine der beiden Wicklungen die andere in dem gemeinsa ^¬ men Umfangsbereich vollständig.

Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Transformators liegt darin, dass durch die Verwendung eines hochtemperatur- supraleitenden Leitermaterials eine einfache Verschachtelung ermöglicht wird. Die Primär- und Sekundärwicklung müssen hier also im Gegensatz zum Stand der Technik nicht in einzelne weiter ineinander unterverschachtelte Teilwicklungen unterteilt werden, um bei hohen Strömen und hohen Windungszahlen eine tolerierbare Höhe der Wechselstromverluste zu erreichen. Dies liegt an den Materialeigenschaften der Hochtemperatursupraleiter, da bei ihnen die kritischen Magnetfelder im Unterschied zu Tieftemperatursupraleitern vergleichsweise hoch liegen. Zusätzlich ist bei Hochtemperatursupraleitern der technische Aufwand zur Kühlung niedriger, und es können somit auch höhere Verluste in der kalten Umgebung toleriert werden als bei Tieftemperatursupraleitern . Auch durch die vergleichsweise höheren Wärmekapazitäten der Hochtemperatursup ^¬ raleiter können höhere lokale Verlustleistungsdichten tole- riert werden. Dies gilt insbesondere dann, wenn die hochtem- peratursupraleitenden Wicklungen bei einer Betriebstemperatur deutlich unterhalb interhalb ihrer Sprungtemperatur betrieben werden, beispielsweise bei mehr als 10 K unterhalb ihrer Sprungtemperatur .

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfin- dung gehen aus den von Anspruch 1 abhängigen Ansprüchen sowie der folgenden Beschreibung hervor.

So können für die wenigstens eine Transformationseinheit alle miteinander elektrisch in Serie geschalteten Windungen einer Wicklung alle miteinander in Serie geschalteten Windungen der anderen Wicklung auf dem gesamten gemeinsam bewickelten Teil des Umfangs radial umgeben. Mit anderen Worten umgibt entwe ^¬ der die Primärwicklung vollständig die Sekundärwicklung oder die Sekundärwicklung umgibt vollständig die Primärwicklung über den gesamten maßgeblichen Umfangsbereich des Rings hinweg. Unter dem Begriff „radial" soll hierbei allgemein nicht die Richtung entlang eines Radius des Rings als Ganzes ver ^¬ standen werden, sondern die radiale Richtung bezüglich des lokalen Zentrums eines Querschnitts des Rings. Der Ausdruck, dass eine Wicklung die andere „radial umgibt" soll bedeuten, dass diese Wicklung auf jedem derartigen Querschnitt außerhalb der anderen angeordnet ist.

Außer den im Hauptanspruch genannten beiden Wicklungen sollen also keine weiteren Teilwicklungen vorliegen, die mit den beiden genannten Wicklungen elektrisch in Serie geschaltet sind und mit dem jeweils anderen Wicklungstyp abwechselnd in ^¬ einander verschachtelt sind, wie dies nach dem Stand der Technik für tieftemperatursupraleitende Transformatoren er- forderlich ist.

Das Innere der beiden Wicklungen kann auf einem überwiegenden Teil des Umfangs der ersten ringartigen Grundstruktur frei von einem weichmagnetischen Kern sein. Insbesondere kann der gemeinsam bewickelte Umfangsbereich der ringartigen Grundstruktur im Wesentlichen frei von einem solchen weichmagnetischen Kern sein. Im Vergleich zu herkömmlichen Transformatoren mit normalleitenden Wicklungen kann ein solcher Transfor- mator mit relativ geringem Gewicht ausgebildet werden. Er kann somit besonders vorteilhaft für mobile Anwendungen zum Einsatz kommen, beispielsweise für Off-Shore-Anwendungen oder in der Luftfahrt. Ein weiterer Vorteil einer kernfreien oder kernarmen Ausgestaltung ist, dass sich die Gefahr des Quen- chens, also des Zusammenbruchs der Supraleitung, beim ersten Aufmagnetisieren des Transformators verringert. Bei einem herkömmlichen supraleitenden Transformator mit weichmagnetischem Kern treten nämlich beim ersten Aufmagnetisieren des Kerns durch den geringen ohmschen Widerstand der Wicklungen sehr hohe Ströme auf (sogenannte Rush-In-Currents) , die zu einem solchen Zusammenbruch führen können. In der Ausführungsform ohne weichmagnetischen Kern im Hauptteil der Wicklung ist diese Gefahr deutlich reduziert.

Die erste ringartige Grundstruktur kann vorteilhaft einen ge ^¬ öffneten Ring mit einem axialen Versatz zwischen zwei Endbereichen des Rings darstellen. Mit anderen Worten kann diese Grundstruktur einer einzelnen Windung einer Helix entspre- chen. Ein allgemeiner Vorteil der Anordnung der Wicklungen auf einer gemeinsamen ringartigen Grundstruktur ist, dass sich der magnetische Fluss über den Umfang des Rings hinweg schließen kann und nur ein geringes magnetisches Streufeld außerhalb des Rings vorliegt. Bei der speziellen Ausführungs- form mit einem geöffneten Ring ist ein solches magnetisches Streufeld im Bereich der Öffnungen höher als in den übrigen Bereichen des Rings. Dies bewirkt, dass die durch dieses Streufeld bewirkten Verluste etwas höher ausfallen können als bei einem vollständig geschlossenen Ring. Allerdings ergibt sich aus der geöffneten Struktur mit axialem Versatz der Vorteil, dass durch das an den Öffnungen erhöhte Streufeld eine erwünschte magnetische Kopplung der genannten ersten Trans ^¬ formationseinheit an eine weitere, axial benachbarte Trans ^¬ formationseinheit erfolgen kann. Eine solche Kopplung kann beispielsweise zwischen mehreren Phasen eines Mehrphasen- Wechselstromnetzes erwünscht sein, um ein bei Schieflasten, bei einphasiger Belastung, bei einem Kurzschlussfall oder einem sonstigen Störfall eines übergeordneten Stromnetzes ein Auseinanderlaufen der einzelnen Phasen oder ein isoliertes Unterbrechen einzelner Phasen zu verhindern. Es soll also ein magnetisches Gleichgewicht zwischen den einzelnen Phasen hergestellt werden. Eine solche magnetische Kopplung der Phasen wird beispielsweise in einem herkömmlichen Dreiphasen-Trans ^¬ formator in Stern-Stern-Schaltung durch eine zusätzliche Ausgleichswicklung erreicht.

Bei einer Ausführung der ersten ringartigen Grundstruktur mit axialem Versatz kann dieser Versatz kleiner sein als ein

Durchmesser der ringartigen Grundstruktur. Der Versatz kann also vorteilhaft so klein sein, dass sich der magnetische Fluss über die übergeordnete Ringstruktur hinweg weitgehend schließen kann und die Streufelder im Bereich der Ringöffnun- gen relativ gering sind, so dass Verluste durch diese Streu ^¬ felder ebenfalls gering gehalten werden können. Für nicht kreisförmige Ringstrukturen soll unter dem genannten Durchmesser entsprechend die mittlere seitliche äußere Abmessung des Rings verstanden werden.

Vorteilhaft kann bei den Ausführungsformen mit einer geöffneten Ringstruktur nur in den Endbereichen dieser Struktur ein weichmagnetischer Kern im Inneren der beiden Wicklungen angeordnet sein. Mit anderen Worten kann der übrige Teil des Um- fangs der ringartigen Grundstruktur frei von einem weichmagnetischen Kern sein, und nur im Bereich der Öffnungen kann ein solcher Kern vorliegen, beispielsweise um eine magneti ^¬ sche Kopplung der beschriebenen ersten Transformationseinheit mit einer benachbarten und analog aufgebauten weiteren Trans- formationseinheit zu ermöglichen.

Der Transformator kann vorteilhaft mehrere Transformations ^¬ einheiten aufweisen, die jeweils analog zu der oben beschrie ^¬ benen ersten Transformationseinheit aufgebaut sein können. Die oben im Zusammenhang mit der ersten Transformationseinheit beschriebenen vorteilhaften Ausführungsformen können in entsprechender Weise für einen solchen komplexeren Transformator zur Anwendung kommen. Ein solcher Mehrphasen-Trans- formator kann beispielsweise in einem Dreiphasen-Wechsel ^¬ stromnetz eingesetzt werden, um eine gewünschte magnetische Kopplung der einzelnen Phasen zu erreichen. Bei einem solchen Mehrphasen-Transformator können alle Transformationseinheiten jeweils eine zugehörige ringartige Grund ^¬ struktur aufweisen, die jeweils einen geöffneten Ring mit einem axialen Versatz zwischen zwei Endbereichen des Rings darstellt, wobei die einzelnen ringartigen Grundstrukturen derart axial versetzt zueinander angeordnet sind, dass sie zusammen eine übergeordnete helixartige Struktur bilden. Mit anderen Worten kann ein Endbereich einer ersten ringartigen Grundstruktur einem ersten Endbereich einer benachbarten zweiten ringartigen Grundstruktur gegenüberliegen, und ein zweiter Endbereich der zweiten ringartigen Grundstruktur kann wiederum einem ersten Endbereich einer benachbarten dritten ringartigen Grundstruktur gegenüberliegen, so dass sich eine übergeordnete helixartige Struktur über alle drei geöffneten Ringstrukturen ergibt. Hierbei kann ein axialer Versatz zwi- sehen den beiden Endbereichen einer geöffneten Ringstruktur beispielsweise ungefähr einem axialen Versatz zwischen den einzelnen benachbarten Ringstrukturen entsprechen. Der axiale Versatz, also die axiale Öffnung eines einzelnen Rings kann aber auch etwas größer sein als der axiale Versatz zwischen benachbarten Ringstrukturen, um die magnetische Kopplung zwischen den benachbarten Transformatoreinheiten noch weiter zu erhöhen. Alternativ kann die axiale Öffnung eines einzelnen Rings aber auch kleiner sein als der axiale Versatz zwischen zwei benachbarten Ringstrukturen, wenn eine schwächere magne- tische Kopplung erwünscht ist.

Ein solcher Transformator mit mehreren magnetisch gekoppelten Transformationseinheiten kann ein weichmagnetisches Kopplungsjoch aufweisen, welches sich im Bereich der Öffnungen der axial versetzten ringartigen Grundstrukturen in axialer Richtung erstreckt. Ein derartiges axial ausgedehntes Kopp ^¬ lungsjoch ist besonders geeignet, um über das im Bereich der Öffnungen besonders stark ausgeprägte magnetische Streufeld der einzelnen Transformationseinheiten eine magnetische Kopplung der axial benachbarten Einheiten zu erreichen. Das Kopplungsjoch kann als Material vorteilhaft Eisen umfassen oder sogar im Wesentlichen aus Eisen gebildet sein. Sehr vorteil- haft kann das Material sogenannte metallische Gläser (bei ^¬ spielsweise amorphes Eisen) und/oder nanokristalline Werk ^¬ stoffe umfassen. Solche Materialien eignen sich aufgrund der hohen Permeabilität und Sättigungspolarisation besonders gut. Ein solches axial ausgedehntes Kopplungsj och kann vorteilhaft im Bereich der Öffnungen der einzelnen ringartigen Grundstrukturen mit Vorsprüngen versehen sein, die sich jeweils in einen Endbereich der geöffneten Ringstrukturen hinein erstrecken. Durch solche Vorsprünge kann die magnetische Kopplung der benachbarten Transformationseinheiten verstärkt werden. Eine Ausbreitung der magnetischen Streufelder aus den Bereichen der Öffnungen der Ringstrukturen in Bereiche, die vom Kopplungsj och entfernt liegen, wird dabei vorteilhaft vermie ^¬ den, da der magnetische Fluss durch das Kopplungsj och geführt wird. Somit wird die Ausbreitung magnetischer Streufelder in andere räumliche Bereiche reduziert.

Ein weiterer Vorteil der stärkeren magnetischen Kopplung über die Vorsprünge des Kopplungsj ochs liegt darin, dass der mag- netische Fluss auch über eine größere Ringöffnung hinweg ge ^¬ schlossen werden kann und somit ein größerer Abstand zwischen den Endbereichen der Ringstruktur gewählt werden kann. Hierdurch kann die Zugänglichkeit der Anschlüsse der beiden Wick ^¬ lungen erleichtert werden, da beispielsweise für die äußere Wicklung eine größere Öffnung vorgesehen werden kann als für die innere Wicklung.

Der Transformator kann einen Kryostaten zur Kühlung der hoch- temperatursupraleitenden Leiter aufweisen, wobei der Kryostat alle jeweils vorliegenden Primär- und Sekundärwicklungen gemeinsam umschließen kann. Es ist also vorteilhaft nur ein Kryostat notwendig, um alle supraleitenden Wicklungen des Transformators gemeinsam zu kühlen. Ein solcher Kryostat kann vorteilhaft eine einfach zusammenhängende Topologie aufweisen. Mit anderen Worten ist der Kryostat dann nicht als Ringkryostat ausgebildet, sondern hat eine einfach zusammenhängende Struktur ohne durchgehendes

Loch. Im Vergleich zu herkömmlichen supraleitenden Transformatoren, bei denen ringförmige Kryostaten um die ringförmigen Wicklungen angeordnet sind und das Innere der Wicklungen au ^¬ ßerhalb des Kryostaten liegt, kann ein derartiger Kryostat wesentlich einfacher hergestellt werden. Er kann außerdem kleiner ausgeführt werden als Kryostaten mit komplexerer Topologie .

Der Kryostat kann vorteilhaft eine elektrisch leitfähige Kryostatwand aufweisen. Insbesondere kann die Kryostatwand auf einem überwiegenden Teil der äußeren Oberfläche des

Kryostaten als elektrisch leitende Wand ausgebildet sein. Dies erlaubt vorteilhaft die Verwendung metallischer Materia ^¬ lien, wodurch ein solcher Kryostat vergleichsweise robust ge- genüber wiederholten Abkühlungszyklen ausgestaltet werden kann. Vorteilhaft kann ein solcher Kryostat lediglich in den Bereichen in der Nähe der Öffnungen der ringartigen Grundstrukturen der einzelnen Transformatoreinheiten elektrisch nichtleitend sein, um die elektrischen Verluste in diesen Be- reichen mit erhöhten Streufeldern zu reduzieren. Die Kryostatwand kann alternativ aber auch durchgehend auf ihrer gesamten Fläche elektrisch leitfähig ausgebildet sein.

Der Kryostat kann vorteilhaft eine Kryostatwand aus einem magnetisch leitfähigen Material aufweisen. Ein solcher Kryostat kann dazu beitragen, magnetische Streufelder außerhalb des Kryostaten zu reduzieren, da der magnetische Fluss über den Kryostaten geschlossen werden kann. Um den magnetischen Fluss über die Öffnung einer ringartigen Grundstruktur ring- förmig zu schließen, kann beispielsweise ein weichmagneti ^¬ sches Kopplungsj och im Bereich einer Öffnung der Ringstruktur an eine Außenwand des Kryostaten anschließen. Die hochtemperatursupraleitenden Leiter der Primär- und Sekundärwicklungen können Magnesiumdiborid und/oder eine Verbindung des Typs REBCO aufweisen. REBCO ist hierbei eine Kurzschreibweise für eine Verbindung des Typs REBa ₂ Cu30 _x , wo- bei RE für ein Element der seltenen Erden oder eine Mischung solcher Elemente steht. Derartige Materialien eignen sich besonders gut für die Anwendung Transformatoren nach der vorliegenden Erfindung, da sie hohe kritische Stromdichten und hohe kritische Magnetfelder aufweisen.

Besonders voreilhaft kann der hochtemperatursupraleitende Leiter allgemein als Bandleiter ausgebildet sein. Ein solcher Bandleiter kann beispielsweise eine hochtemperatursupralei ^¬ tende Schicht auf einem normalleitenden metallischen Substrat aufweisen. Das Substrat kann jedoch alternativ auch nichtleitend sein. Zusätzlich können auf beiden Seiten des Substrats und/oder zwischen Substrat und supraleitender Schicht eine oder mehrere zusätzliche Schichten angeordnet sein, bei ^¬ spielsweise Pufferschichten, elektrische Stabilisierungs- schichten, Isolationsschichten und Schutzschichten.

Der hochtemperatursupraleitende Leiter kann allgemein vor ^¬ teilhaft eine Struktur aufweisen, die zur Minimierung der Wechselstromverluste im Leiter ausgebildet ist. Hierzu kann der Leiter beispielsweise in mehrere Leiterstränge unterteilt sein, die nach Art eines Röbelleiters mit einer charakteris ^¬ tischen Transpositionslänge transponiert sind.

Der Transformator kann wenigstens einen ringartig geformten Wicklungsträger aufweisen. Insbesondere kann für jede Transformationseinheit eines solchen Transformators ein solcher Wicklungsträger vorliegen. Dabei kann der jeweilige Wicklungsträger in seiner äußeren Form der jeweiligen ringartigen Grundstruktur entsprechen. Ein solcher Wicklungsträger kann beispielsweise jeweils als massiver Ring ausgebildet sein, um den die Windungen der Primär- und Sekundärwicklungen gewickelt sind. Bei einer Ausführungsform mit einer geöffneten Ringstruktur können die Endbereiche eines solchen Wicklungs- trägers mit Ausnehmungen versehen sein, in die die beschrieben Vorsprünge eines weichmagnetischen Kopplungsj ochs hinein ^¬ ragen können. Alternativ kann ein solcher Wicklungsträger aber auch auf seinem gesamten Umfang als ringförmiger Hohl- körper ausgestaltet sein.

Allgemein kann ein Wicklungsträger vorteilhaft aus einem elektrisch nichtleitenden Material gebildet sein, um elektromagnetische Verluste im Wicklungsträger möglichst gering zu halten.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand einiger bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die angehängten Zeichnungen beschrieben, in denen:

Figur 1 eine schematische perspektivische Ansicht von Teilen eines Transformators nach einem ersten Ausführungs ^¬ beispiel der Erfindung zeigt,

Figur 2 eine schematische perspektivische Ansicht von weite- ren Teilen des Transformators aus Figur 1 zeigt,

Figur 3 einen schematischen Querschnitt der ringartigen

Grundstruktur für den Transformator aus Figur 2 zeigt,

Figur 4 eine schematische perspektivische Ansicht eines

Transformators nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt,

Figur 5 eine schematische perspektivische Ansicht eines Teils eines Transformators nach einem dritten Ausführungs ^¬ beispiel zeigt,

Figur 6 weitere Bestandteile des Transformators aus Figur 5 zeigt,

Figur 7 weitere Bestandteile des Transformators aus den Figu ^¬ ren 5 und 6 zeigt und

Figur 8 einen Kryostaten des Transformators aus den Figuren 5 bis 7 zeigt.

In Figur 1 ist eine schematische perspektivische Ansicht von Teilen eines Transformators nach einem ersten Ausführungsbei- spiel der Erfindung gezeigt. Gezeigt ist ein Wicklungsträger 27a, der eine ringartige Grundstruktur 9a aufweist. Diese Struktur 9a entspricht im ersten Ausführungsbeispiel einem geschlossenen Ring, also einem Torus . Der Ring im gezeigten Beispiel ist ein kreisförmiger Ring mit einem kreisförmigen Querschnitt, es sind jedoch auch andere Formen sowohl für die übergeordnete Form des Ringumfangs als auch für die Form des Ringquerschnitts denkbar, beispielsweise ovale oder ellipti ^¬ sche Formen sowie Polygone oder Polygone mit abgerundeten Ecken. Um die Ringstruktur 9a ist eine Primärwicklung 5a des Transformators gewickelt, wobei diese Primärwicklung einen hochtemperatursupraleitenden Leiter 7 aufweist, der in diesem Beispiel als flacher Bandleiter 25a vorliegt. Dieser erste Bandleiter 25a ist in Form einer toroidalen Wicklung in meh- reren Windungen Wi um den ringförmigen Grundkörper 9a gewickelt, der in diesem Fall durch den ersten Wicklungsträger 27a vorgegeben ist. Zur Verbindung mit einem äußeren Stromkreis ist die Primärwicklung 5a mit zwei Kontakten 6a verse ^¬ hen, über die sie beispielsweise mit einer Wechselstromquelle verbunden werden kann. Die wenigen in Figur 1 gezeigten Windungen Wi sind hierbei nur beispielhaft zu verstehen und sol ^¬ len gegebenenfalls auch eine deutlich höhere Anzahl von Windungen repräsentieren. Wesentlich ist, dass diese Windungen Wi der Primärwicklung 5a in einer gemeinsamen inneren radia- len Wicklungslage um den Wicklungsträger 27a gewickelt sind. Dabei kann diese innere radiale Wicklungslage optional auch mehrere Teillagen aufweisen, die übereinander um den Wicklungsträger 27a gewickelt sind. In Figur 2 sind die bereits in Figur 1 gezeigten Elemente des Transformators 1 sowie weitere wesentliche Elemente einer ersten Transformationseinheit 3a des Transformators gezeigt. Der Transformator 1 dieses ersten Ausführungsbeispiels kann insbesondere nur eine solche Transformationseinheit 3a auf- weisen, so dass die Figur 2 alle für die Grundfunktion des

Transformators 1 wesentlichen Teile darstellt. Es können al ^¬ lerdings auch mehrere derartige Transformationseinheiten in einem Mehrphasen-Transformator vorliegen. Zusätzlich zu den in Figur 1 gezeigten Elementen zeigt die Figur 2 einen zweiten Bandleiter 25b, der die Sekundärwicklung 5b des Transformators 1 ausbildet. Diese Sekundärwicklung 5b weist ebenfalls zwei Kontakte 6b zur Verbindung mit einem übergeordneten Se- kundärstromkreis auf, beispielsweise einem Verbraucherstrom ^¬ kreis. Die Sekundärwicklung 6b ist ebenfalls um dieselbe ringförmige Grundstruktur 9a gewickelt und zwar so, dass ein überwiegender Teil u des Umfangs des Rings von beiden Wicklungen 5a und 5b umwickelt ist. Dabei ist die Sekundärwick- lung 5b so angeordnet, dass sie im Vergleich zur Primärwicklung 5a bezüglich eines gedachten ringförmigen Zentrums der Grundstruktur 9a weiter außenliegend angeordnet ist. Die Se ^¬ kundärwicklung 5b ist hier also auf einer äußeren radialen Wicklungslage angeordnet und umgibt die Primärwicklung 5a auf jedem Segment des Ringumfangs vollständig. Die Reihenfolge der Anordnung von Primär- und Sekundärwicklung kann jedoch allgemein auch umgekehrt sein.

Figur 3 verdeutlicht diese geometrischen Eigenschaften der beiden ineinander verschachtelten Wicklungen 5a und 5b. So zeigt die Figur 3 einen schematischen Querschnitt der ringartigen Grundstruktur für den Transformator 1 aus Figur 2, wobei die Querschnittsebene so gelegt ist, dass sie die zentra ^¬ le Achse a der ringförmigen Grundstruktur 9a enthält. Der Querschnitt zeigt also zwei gegenüberliegende Umfangssegmente der Transformationseinheit 3a des Transformators 1, wobei das lokale Zentrum eines jeden solchen Segmentquerschnitts mit z bezeichnet ist. Bezüglich dieses lokalen Zentrums z ist die Primärwicklung 5a also auf einer inneren Wicklungslage 31a um den Wicklungsträger 27a gewickelt. Der minimale innere Radius dieser inneren Wicklungslage 31a ist hier durch den Radius ri dieses ersten Wicklungsträgers 27a gegeben. Für den Quer ^¬ schnitt einer gegebenen Umfangsposition ist dabei diese innere Wicklungslage 31a nicht vollständig mit dem Bandleiter der Primärwicklung 5a angefüllt, die Lage gibt lediglich den ra ^¬ dialen Bereich an, in dem sich die Windungen Wi der Primärwicklung 5a befinden. Bezüglich des lokalen Zentrums z radial außerhalb der inneren Wicklungslage 31a ist im gezeigten Bei- spiel noch eine optionale elektrisch isolierende Zwischenlage 29 angeordnet, die hier einen zweiten Wicklungsträger 27b mit einem vergleichsweise größeren Radius r2 ausbildet. Die Posi ^¬ tion dieses zweiten Wicklungsträgers 27b ist auch in Figur 2 mit einer gestrichelten Linie gekennzeichnet. Eine solche Zwischenlage muss jedoch nicht vorliegen. Die Sekundärwicklung 5b kann auch direkt auf der Primärwicklung 5a aufliegen, sofern die einzelnen Leiter 7 bereits hinreichend elektrisch isoliert sind. Wesentlich ist, dass die eine Wicklung 5b die andere 5a bezüglich des lokalen Zentrums z eines gegebenen

Umfangssegments vollständig radial umgibt. Insbesondere sind Primärwicklung 5a und Sekundärwicklung 5b nicht in solche Teilwicklungen unterteilt, die sich für die beiden Wicklungs ^¬ typen in ihren Radien abwechseln. Eine hier nicht gezeigte Unterteilung in Teilwicklungen innerhalb der jeweiligen Wicklungslagen 31a und 31b ist durchaus möglich, allerdings sol ^¬ len alle Teilwicklungen des einen Wicklungstyps alle Teil ^¬ wicklungen des anderen Wicklungstyps vollständig radial umge ^¬ ben. Im Unterschied zu dem in den Figuren 1 bis 3 gezeigten Beispiel kann dabei grundsätzlich auch die Primärwicklung 5a radial außerhalb von der Sekundärwicklung 5b angeordnet sein. Wesentlich ist nur, dass die eine Wicklung die andere voll ^¬ ständig umgibt, unabhängig von der radialen Reihenfolge. Bei einem Betrieb des Transformators 1 der Figuren 1 bis 3 wird durch einen in der Primärwicklung 5a fließenden Strom ein Strom in der Sekundärwicklung 5b induziert, wobei das Verhältnis der Ströme und das Verhältnis der Spannungen in bekannter Weise durch das Verhältnis der Anzahl der Windungen Wi und Wi ^λ gegeben sind. Das hier gezeigte Windungsverhältnis von etwa 2:1 ist ebenfalls nur beispielhaft zu verstehen. Je nach gewünschtem Transformationsverhältnis können hier sehr unterschiedliche Zahlenverhältnisse zum Einsatz kommen. Je nach Transformationsrichtung kann auch die Sekundärwicklung 5b im Unterschied zum hier gezeigten Beispiel eine höhere

Windungszahl aufweisen als die Primärwicklung 5a. Die beiden Bandleiter 25a und 25b der beiden Wicklungen 5a und 5b können allgemein ähnlich oder gleich aufgebaut sein, wobei sie die gleichen Materialien und/oder die gleichen Querschnittsabmessungen aufweisen können. Bei extremeren Windungsverhältnissen kann es jedoch auch vorteilhaft sein, unterschiedliche Querschnittsflächen und/oder unterschiedliche Materialien für die beiden Wicklungstypen zu verwenden. So kann beispielsweise, wie in Figur 2 gezeigt, diejenige Wicklung 5b mit der niedrigen Zahl an Windungen Wi ^λ einen größeren Leiterquerschnitt aufweisen als die andere Wicklung 5a, da in der Wicklung 5b mit weniger Windungen Wi ^λ allgemein der höhere Strom fließt. Bei Verwendung eines Bandleiters 25a, 25b kann dieser beispielsweise eine höhere Breite aufweisen, um die Strom ^¬ tragfähigkeit zu erhöhen, wobei die anderen Eigenschaften, insbesondere Materialien und vertikale Abmessungen, vorteil ^¬ haft gleich ausgebildet sein können.

Durch die geschlossene ringförmige Struktur 9a des ersten Ausführungsbeispiels wird erreicht, dass sich bei einem Be ^¬ trieb des Transformators 1 der magnetische Fluss im Inneren der Wicklungen 5a, 5b ringförmig fließt und nur ein sehr kleines Streufeld in den Bereich radial außerhalb der beiden Wicklungen 5a und 5b dringt. Hierbei kann das Innere der ringförmigen Grundstruktur 9a vorteilhaft frei von einem weichmagnetischen Kern sein. Der innere Wicklungsträger 27a kann dabei aus amagnetischem Material ausgebildet sein. Er kann beispielsweise als massiver Ring oder auch als ringförmiges Hohlrohr ausgebildet sein.

Figur 4 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht eines weiteren Transformators 1 nach einem zweiten Ausführungsbei- spiel der Erfindung. Auch hier ist nur eine Transformations ^¬ einheit 3a gezeigt, wobei der gesamte Transformator 1 wiede ^¬ rum eine oder mehrere solcher Transformationseinheiten 3a umfassen kann. Das Ausführungsbeispiel der Figur ist prinzipiell ähnlich aufgebaut wie das der Figuren 1 bis 3. Im Unter- schied zum ersten Ausführungsbeispiel liegt hier jedoch eine geöffnete ringförmige Grundstruktur 9a vor. Entsprechend hat der erste Wicklungsträger 27a die Struktur eines aufgeschnit ^¬ tenen Rings mit einer Öffnung 12. Bezüglich seiner zentralen Achse a weist die Ringstruktur 9a einen axialen Versatz 11 auf, der klein im Vergleich zu einem äußeren Durchmesser 15 des hier kreisförmigen Rings 9a ist. Abgesehen von dieser Öffnung 12 und dem axialen Versatz 11 sind die übrigen Ele- mente des Transformators ähnlich aufgebaut wie im ersten Aus ^¬ führungsbeispiel. Bei einem Betrieb des Transformators 1 nach dem zweiten Ausführungsbeispiel schließt sich der magnetische Fluss jedoch nicht vollständig innerhalb der ringförmigen Grundstruktur 9a, sondern es dringt im Bereich der Öffnung 12 ein erhöhtes magnetisches Streufeld aus der eigentlichen

Ringstruktur aus. Dieses erhöhte magnetische Streufeld kann erwünscht sein, um eine magnetische Kopplung einer solchen ersten Transformationseinheit 3a mit weiteren analog aufge ^¬ bauten Transformationseinheiten in einem Mehrphasen-Transfor- mator zu erreichen.

Ein solcher Mehrphasentransformator nach einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in schematischer perspektivischer Darstellung in Figur 5 gezeigt. Gezeigt sind nur ausgewählte Elemente eines Transformators 1, der in diesem Beispiel drei solche Transformationseinheiten 3a, 3b und 3c aufweist, von denen jede beispielsweise ähnlich wie in Figur 4 aufgebaut sein kann. Für die erste Transformationseinheit ist hier der Übersichtlichkeit halber nur eine geöffnete ers- te ringartige Grundstruktur 9a mit einer diese umgebenden

Primärwicklung 5a gezeigt. Für die übrigen beiden Transformationseinheiten 3b und 3c sind lediglich die Formen der geöffneten ringartigen Grundstrukturen 9b und 9c dargestellt. Alle drei Transformationseinheiten 3a, 3b und 3c sollen analog zu- einander aufgebaut sein und jeweils eine die Primärwicklung lokal radial umgebende Sekundärwicklung aufweisen. Grundsätzlich kann die radiale Reihenfolge von Primär- und Sekundärwicklungen auch genau umgekehrt sein. Sie kann auch für die einzelnen Transformationseinheiten 3a, 3b und 3c unterschied- lieh gewählt sein.

Die Grundstrukturen 9a, 9b und 9c der drei Transformations ^¬ elemente 3a, 3b und 3c sind bezüglich einer übergeordneten Systemachse a des Transformators 1 axial versetzt zueinander angeordnet. Der axiale Versatz IIa zwischen zwei benachbarten solchen Einheiten entspricht dabei in diesem Ausführungsbei ^¬ spiel in etwa dem inneren axialen Versatz 11 eines jeweiligen geöffneten Rings. Durch diese zueinander passende Wahl der beiden Versätze IIa und 11 wird erreicht, dass beispielsweise ein zweiter Endbereich 13b der ersten Ringstruktur 9a einem ersten Endbereich 13a der zweiten Ringstruktur 9b etwa gegenüberliegend angeordnet ist und entsprechend für das zweite Paar aus zweiter und dritter Ringstruktur 9b und 9c. Auf diese Weise ergibt sich durch die Anordnung der drei Ringstrukturen 9a, 9b und 9c die in Figur 5 zu erkennende übergeordne ^¬ te helixartige Struktur. Zusätzlich zu den drei Transformationseinheiten 9a, 9b und 9c weist der Transformator 1 der Figur 5 ein weichmagnetisches Kopplungsj och auf 17, welches sich entlang der axialen Richtung a des Systems erstreckt. Das Kopplungsj och 17 ist so an ^¬ geordnet, dass es im Bereich der Öffnungen 12 der drei offe- nen Ringstrukturen 9a, 9b und 9c liegt. Hierdurch kann der im Bereich dieser Öffnungen 12 aus den Endbereichen 13a und 13b der Ringstrukturen austretende magnetische Fluss in das weichmagnetische Kopplungsj och eingekoppelt werden und so eine magnetische Kopplung der nebeneinanderliegenden Trans- formatoreinheiten verstärken. Der entsprechende Verlauf der magentischen Flüsse 33a, 33b und 33c für die drei Transforma ^¬ tionseinheiten 3a, 3b und 3c ist schematisch in Figur 6 eingezeichnet, welche ebenfalls das weichmagnetische Kopplungs ^¬ joch 17 desselben Transformators 1 zeigt, allerdings der Übersichtlichkeit halber ohne die Wicklungsträger und Wick ^¬ lungen der beiden unteren Transformationseinheiten 3b und 3c. Für die obenliegende Transformationseinheit 3a ist zusätzlich zu der in Figur 5 bereits dargestellten Primärwicklung 5a noch die außenliegende Sekundärwicklung 5b eingezeichnet, welche ähnlich wie in Figur 4 wieder auf einer Einhüllenden 28 der offenen ringartigen Grundstruktur 9a angeordnet ist. Das weichmagnetische Kopplungsj och 17 weist sechs zapfenarti ^¬ ge Vorsprünge 19 auf, die in den Endbereichen 13a und 13b in die drei Ringstrukturen 9a, 9b und 9c hineinragen, so dass die Einkopplung des magnetischen Flusses in das Kopplungsj och 17 noch verstärkt wird. Aber auch ohne solche Vorsprünge wer ^¬ den die magnetischen Flüsse 33a, 33b und 33b der drei Einhei ^¬ ten über das weichmagnetische Material des Kopplungsj ochs stärker aneinander gekoppelt, als es bei einer entsprechenden geometrischen Anordnung ohne ein solches Joch der Fall wäre. Grundsätzlich ist aber auch eine ähnliche magnetische Kopp ^¬ lung von mehreren axial benachbarten Transformatoreinheiten ohne ein dazwischen angeordnetes weichmagnetisches Material möglich. Wesentlich ist, dass durch den axialen Versatz 11 der einzelnen Ringstrukturen 9a, 9b und 9c die im Bereich der Öffnungen austretenden magnetischen Flüsse 33a, 33b beziehungsweise 33c den magnetischen Flüssen der jeweils benachbarten Transformatoreinheiten nahekommen und so mit diesen magnetisch gekoppelt werden. Hierdurch wird in einem solchen Mehrphasentransformator vorteilhaft eine Kopplung der Phasen erreicht.

Figur 7 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht von weiteren Bestandteilen des Transformators 1 des dritten Ausführungsbeispiels aus den Figuren 5 und 6. Zusätzlich zu den bereits in Figur 6 gezeigten Elementen zeigt Figur 7 einen Kryostaten 21, der alle Primär- und Sekundärwicklungen der drei Transformationseinheiten 3a, 3b und 3c umschließt. Mit Hilfe dieses Kryostaten 21 können die hochtemperatursupralei- tenden Wicklungen 5a und 5b auf eine kryogene Temperatur un- terhalb der Sprungtemperatur des Supraleiters gekühlt werden. Der Kryostat 21 ist ein geschlossener, thermisch isolierter Behälter, durch den die innenliegenden Elemente thermisch von der warmen äußeren Umgebung getrennt sind. Es kann sich beispielsweise um einen Badkryostaten handeln. Die außenliegende Kryostatwand 23 kann beispielsweise vakuumisoliert sein.

Der Kryostat 21 in Figur 7 weist einen Innenraum mit einer einfach zusammenhängenden Topologie auf, es handelt sich also um eine einfache Kammer und nicht einen ringförmigen Innenraum. Figur 8 zeigt zur besseren Übersicht die äußeren Konturen desselben Kryostaten 21 ohne die übrigen Elemente des Transformators 1. Im Bereich des magnetischen Kopplungsj ochs 17 ist der Kryostat 21 mit einer Aussparung versehen, so dass dieses Kopplungsj och 17 vorteilhaft im Warmen angeordnet wer ^¬ den kann. Abzweigend von dieser sich in axialer Richtung a erstreckenden Aussparung 20 sind noch weitere Aussparungen 20 ^λ angeordnet, die so geformt sind, dass sie die seitlichen Vorsprünge 19 des Kopplungsj ochs 17 aufnehmen können.

Der Kryostat der Figuren 7 und 8 weist eine würfelförmige Grundstruktur auf, er kann jedoch prinzipiell auch andere Formen annehmen, beispielsweise eine andere zylindrische Struktur, deren Grundfläche an die Form der einzelnen Transformatoreinheiten angepasst ist. Die Außenwand 23 des Kryos ^¬ taten 21 kann ein elektrisch leitfähiges, beispielsweise me ^¬ tallisches Material aufweisen. Beispielsweise kann die Außen ^¬ wand 23 auf einem Großteil der Außenfläche ein solches elekt- risch leitfähiges Material aufweisen und nur im Bereich der Aussparungen 20 und/oder 20 ^λ aus elektrisch nichtleitendem Material gebildet sein, um Verluste durch den Durchtritt des magnetischen Flüsse 33a, 33b und 33c durch die Kryostatwand 23 im Bereich der Ringöffnungen 12 zu minimieren.