DE102004024392A1 - Supraleitende Wechselstromwicklung für elektrische Maschinen - Google Patents

Abstract

Bisher konnten in elektrischen Maschinen keine supraleitenden Wechselstromwicklungen eingesetzt werden, weil die magnetische Beanspruchung zu hoch ist. Gegenstand der Erfindung ist die Anwendung eines magnetischen Schirms 2 zur Reduktion der magnetischen Induktion im stromführenden Supraleiter 1. Dadurch wird das magnetische Streufeld so weit reduziert, dass ein stromfester Betrieb von Wechselstromwicklungen möglich wird. Dieses Prinzip eröffnet die Anwendung von Supraleitern auch in im Stator von elektrischen Maschinen befindlichen Wechselstromwicklungen, die einer einfacheren Kühlung zugänglich sind als die bislang verwendeten läuferseitigen Gleichstromwicklungen.

Description

• Die Erfindung betrifft supraleitende elektrische Drehfeldmaschinen, die aus einem Stator und einem Läufer bestehen. Der Stator enthält eine mehrsträngige Wicklung, die ein magnetisches Dreh- oder Wanderfeld erzeugt, das den Läufer in Dreh- bzw. Bewegungsrichtung antreibt. Zweck der Erfindung ist es, die Anwendung einer wechsel- oder drehstromdurchflossenen supraleitenden Wicklung im Stator zu ermöglichen – Supraleiter ermöglichen einen praktisch widerstands- und daher verlustlosen Stromfluss. Dabei ist die Energieersparnis um so größer, je höher die zur Aufrechterhaltung des supraleitenden Zustandes erforderliche Kühlmitteltemperatur gewählt werden kann (d.h. je geringer die dazu zu benötigte Kühlleistung ist). Als weiterer Parameter dürfen in Supraleitern (außer der sog. "Sprungtemperatur") auch die beiden anderen, ebenfalls materialspezifische Werte der kritischen Stromdichte und magnetische Induktion nicht überschritten werden.
• Bisher konnten supraleitende Wicklungen nicht effektiv mit Wechselstrom belastet und daher nicht in Wechselstrommaschinen eingesetzt werden. Dafür gibt es zwei wesentliche Gründe:
• • In den Supraleitern entstehen durch den Wechselstrom Hystereseverluste.
• • Die magnetische Induktion erreicht in den Supraleitern von elektrischen Maschinen bei Ausnutzung der vollen Supraleiter-Stromtragfähigkeit eine Größe, bei der die Supraleitung zusammenbricht.
• Daher werden derzeit supraleitende elektrische Maschinen nur mit supraleitenden Gleichstromwicklungen (als Erregerwicklungen) hergestellt, die magnetisch vom Hauptfeld nicht abgeschirmt sind und im magnetischen Streubereich liegen. Dabei sind die magnetischen Feldstärken im Bereich der supraleitenden Wicklung so hoch, dass diese auf ein Temperaturniveau von 27 – 30 K abgekühlt werden muss, um den supraleitenden Zustand zu erhalten, während bei den sog. Hochtemperatur – Supraleitern (HTSL) üblicherweise 77 K° genügen.
• Stand der Technik sind somit Maschinen, bei denen nur der Läufer mit Supraleitern ausgeführt ist. Dadurch wird das Wirkungsprinzip auf fremderregte Synchronmaschinen beschränkt. Die Kühlung des Läufers ist in solche Maschinen eine technisch schwierige und kostenintensive Aufgabe.
• Kern der Erfindung ist eine Wicklungskonfiguration, die einerseits die volle Stromtragfähigkeit des Supraleiters ausnutzt und andererseits keine hohen Induktionen im Leiter hervorruft. Weiterhin muss die Anbindung eines Kühlkreises zum Kühlen der supraleitenden Wechselstromwicklung und zur Abfuhr der Wechselstromverluste einfach möglich sein. Weiteres Ziel ist die Verwendung von kostengünstigem flüssigem Stickstoff (LN₂) mit einer Betriebstemperatur von 77 K.
• 1 zeigt das Prinzip der erfindungsgemäßen Ausführung einer supraleitenden Wechselstromwicklung. Sie besteht aus einem bestromten supraleitenden Bandleiter (Nutwicklung) 1 und einem unbestromten massiven Supraleiter (Schirm) 2 in einer Nut 3, die in einem Weicheisen-Blechpaket zwischen den Zähnen 4 sowie dem Joch 5 angeordnet werden. Der Nut-Zahnkombination steht ein Teil des Läufers 7 gegenüber, der durch den Luftspalt 6 vom Stator getrennt wird. Die Nutwicklung 1 wird von einem Wechselstrom durchflossen. Sie erzeugt einen magnetischen Streufluss zwischen den Zähnen, der sich unten über das Joch schließt. Ohne den erfindungsgemäßige Schirm 2 würde das Streufeld sehr große Werte erreichen, die die Stromtragfähigkeit der supraleitenden Wicklung aufgrund des Nutquerfeldes beschränken. Um dies zu vermeiden wird in derselben Nur der supraleitende Schirm 2 mit einer relativen Permeabilität kleiner als 1 eingebaut.
• Bezüglich des magnetischen Streuflusses in der Nut sind beide supraleitenden Materialien 1 und 2 in Reihe geschaltet (1), so dass die Induktion im Wicklungsbereich aufgrund der niedrigen Permeabilität der Supraleiter erheblich geringer als in Luft wird. Durch die Wirkung des Schirms 2 wird der magnetische Nutwiderstand für den Streufluss erhöht, so dass die effektive Flussdichte im Bereich der supraleitenden Wicklung sinkt. Die damit einhergehende Reduktion des Bauraums in der Nut wird durch die geringere Induktion im System überkompensiert.
• Für die supraleitende Wicklung 1 und den Schirm 2 können unterschiedliche supraleitende Materialien (z.B. Bi-2223 HTS -Drähte und YBCO-Massivsupraleiter) verwendet werden.
• Die Materialverteilung kann der gewünschten Verteilung des magnetischen Feldes angepasst werden. Zum Beispiel können sowohl Massiv- als auch Bandleiter einen dreieckigen- bzw. trapezförmigen – Querschnitt aufweisen, um so eine optimale Feldkompensation zu erzielen. 2 zeigt beispielhaft eine Anordnung aus einer Spule trapezförmigen Querschnitt aus Bandleitern 1.1 mit zwei Schirmen dreieckigen Querschnitt 2.1. und 2.3 sowie einem supraleitenden Nutverschlusskeil 2.2 mit trapezförmigem Querschnitt.
• Zum gleichen Zweck können auch die Formen der Nuten (z.B. sich trapezförmig vom Nutgrund zur Nutöffnung verbreiternd) – bzw. entsprechend der Zähne – der gewünschten Magnetfeldverteilung angepasst werden. Dies kann auch vorteilhaft in Außenläufermotoren eingesetzt werden (3). Die entsprechende Anordnung für Innenläufer zeigt beispielhaft 4.
• Die supraleitende Wicklung 1 und der supraleitende Schirm 2 können in einer Nut oder in verschiedenen Nuten angeordnet sein. In einer weiteren Ausprägung der Erfindung ist beispielsweise der supraleitende Schirm 2.4 in den Zahnbereich eingebaut werden (5). Dadurch werden neben dem Streufluss im Zahn-Nutbereich auch die Oberfeldkomponenten im magnetischen Luftspaltfeld, die durch die Nutung verursacht werden, reduziert. Der am Nutgrund liegende Schirm 2.5 reduziert die normale magnetische Feldkomponente in der Nur, die die kritische Stromdichte in der supraleitenden Wicklung sehr beschränkt.
• Erfindungsgemäß kann zum Ausgleich der inhomogenen Wirkung des magnetischen Feldes im supraleitenden Schirm zwischen dem Schirm und der Wicklung ein ferromagnetischer Dämpfer 8 zur Homogenisierung des magnetischen Feldes eingebaut werden (6).
• Der Einsatz der beschrieben supraleitenden Wicklung kann sowohl in Asynchron- als auch in Synchronmaschinen für Wechselstromwicklungen erfolgen.
• Es können rotierende und lineare Maschinen gebaut werden.
• Die Erfindung kann in Innen- und in Außenläufer-Maschinen eingesetzt werden.
• Die wesentliche Neuerung der Erfindung besteht darin, dass durch Einsatz eines supraleitenden magnetischen Schirms das magnetische Feld in kritischen Bereichen der supraleitenden Wechselstromwicklung reduziert wird. Dadurch wird eine neue Anwendung von Supraleitern erschlossen.
• Der Vorteil der Erfindung besteht darin, dass mit ihrer Hilfe supraleitende Wechselstrom- und Drehstrommaschinen gebaut werden können. Durch die Reduzierung der magnetischen Streuflüsse wird die Leistungsdichte, die Kraftdichte und damit die Ausnutzung der Maschine wesentlich erhöht. Dabei verbessern sich der Leistungsfaktor durch Reduzierung der Blindleistung und der Wirkungsgrad der Maschine.
• 7 zeigt die Anwendung der Erfindung in einer Sonderbauform der Linearmaschine, nämlich der Polysolenoidmaschine. Es sind verschiedene Varianten entsprechend den möglichen Ausführungsformen der Nut gezeigt. Die Statorbleche der Polysolenoidmaschine bestehen aus (gegeneinander isolierten) Blechringen mit großem Außendurchmesser am Nutgrund und kleinem Innendurchmesser am luftspaltseitigen Zahnkopf. Infolgedessen ist der Nutstreufluss in Polysolenoidmotoren wesentlich höher als in rotierenden Maschinen.

Claims (7)

1. Wicklungs- und Nutkonfigurationen für elektrische Maschinen aller Art (wie rotierender oder linearer Bauart sowohl in Innen – als auch in Außenläufer-Ausführung sowie sowohl asynchroner als synchroner Art etc.) mit Supraleitern, dadurch gekennzeichnet, dass – vorzugsweise mit Wechselstrom – bestromte supraleitende Bandleiter ("Nutwicklungen") und zur Abschirmung gegen magnetische Streuflüsse mit (von außen) unbestromten Supraleitern ("Schirm") kombiniert werden.
2. Erfindungsgemäßige Wicklungs- und Nutkonfigurationen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für die "Nutwicklung" und den "Schirm" unterschiedliche supraleitende Materialien verwendet werden.
3. Erfindungsgemäßige Wicklungs- und Nutkonfigurationen nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialverteilung sowohl der Massiv- ("Schirm") als auch der Bandleiter ("Nutwicklung") der gewünschten Verteilung des magnetischen Feldes angepasst werden. Zum Beispiel können sowohl Massivals auch Bandleiter einen dreieckigen bzw. trapezförmigen Querschnitt aufweisen, um so einen optimalen Feldverlauf zu erzielen.
4. Erfindungsgemäßige Wicklungs- und Nutkonfigurationen nach Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass auch die Formen der Nuten (z.B. sich trapezförmig vom Nutgrund zur Nutöffnung verbreiternd) – bzw. entsprechend der Zähne – der gewünschten Magnetfeldverteilung angepasst werden. Dies kann auch vorteilhaft in Außenläufermaschinen eingesetzt werden.
5. Erfindungsgemäßige Wicklungs- und Nutkonfigurationen nach Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der supraleitende Schirm im Zahnbereich angeordnet ist. Dadurch reduzieren sich der Streufluss im Zahn-Nutbereich und die Oberfelder im magnetischen Luftspaltfeld, die durch Nutung verursacht werden.
6. Erfindungsgemäßige Wicklungs- und Nutkonfigurationen nach Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der supraleitende Schirm mindestens teilweise als Nutverschlusskeil verwendet wird.
7. Erfindungsgemäßige Wicklungs- und Nutkonfigurationen nach Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein ferromagnetischer Dämpfer 6 zwischen dem Schirm und der Nutwicklung zum Ausgleich der inhomogenen Wirkung des supraleitenden Schirms und Homogenisierung des magnetischen Feldes im Bereich der supraleitenden Wicklung angeordnet wird.