DE102012218986A1

DE102012218986A1 - Rectangular coil has cylindrical support having base with straight side pieces of side lengths which are integral multiple of full transposition length of transposed conductor and rounded corners of respective radius

Info

Publication number: DE102012218986A1
Application number: DE201210218986
Authority: DE
Inventors: Peter Kummeth
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2012-09-25
Filing date: 2012-10-18
Publication date: 2014-04-17

Abstract

The rectangular coil (1) has cylindrical support (4) with a rectangular base with rounded corners, and transposed conductor with full transposition length. The base has straight side pieces of side lengths which are integral multiple of the full transposition length of transposed conductor and rounded corners of respective radius. An independent claim is included for method for manufacturing rectangular coil.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Rechteckspule und ein Verfahren zu deren Herstellung, wobei die Rechteckspule einen Träger und wenigstens einen Roebelleiter mit Volltranspositionslänge V umfasst. Der Träger ist zylinderförmig ausgebildet mit einer im Wesentlichen rechteckigen Grundfläche mit abgerundeten Ecken, mit einer ersten Seitenlänge a und einer zweiten Seitenlänge b der geraden Seitenstücke und jeweils einem Radius r der abgerundeten Ecken der im Wesentlichen rechteckigen Grundfläche. The present invention relates to a rectangular coil and to a method for the production thereof, wherein the rectangular coil comprises a carrier and at least one full-length translucent tube conductor V. The carrier is cylindrical with a substantially rectangular base with rounded corners, with a first side length a and a second side length b of the straight side pieces and each having a radius r of the rounded corners of the substantially rectangular base.

Insbesondere bei Hochstromanwendungen wie Kraftwerksgeneratoren oder leistungsfähigen Elektromotoren werden Roebelleiter eingesetzt. Roebelleiter bestehen aus mehreren Einzelleitern, die über der Leiterlänge im Verlauf einer Volltranspositionslänge V ihre Plätze einmal durchtauschen. Dadurch wechselt jeder Teilleiter des Roebelleiters bei einer gewickelten Spule seine Position. Insbesondere im Hinblick auf die Minimierung von AC−Verlusten und die Reduktion von Kopplungsverlusten ist dieser Aufbau von großer Bedeutung. Ein Roebelleiter hat typischerweise eine Länge von sehr vielen Volltranspositionslängen V und ist durch die große Zahl von verroebelten Einzelleitern in der Lage, hohe Ströme zu tragen. Especially in high current applications such as power plant generators or powerful electric motors Roelf conductors are used. Roebel conductors consist of several individual conductors which exchange their positions over the conductor length during the course of a full-length transport V. As a result, each sub-conductor of the Roebelleiters changes its position in a wound coil. Especially with regard to the minimization of AC losses and the reduction of coupling losses, this structure is of great importance. A Roebel conductor typically has a length of a very large number of full-length transversal lengths V and is able to carry high currents because of the large number of fringed individual conductors.

Beim Wickeln runder Spulen wird durch das permanente Durchtauschen der Positionen der Einzelleiter über die Leiterlänge erreicht, dass ein Leiter zeitweise innen, d.h. bei kleinerem Wickelradius und dann wieder außen, d.h. bei größerem Wickelradius verläuft. Dadurch erfolgt bei gegebenem, d.h. festem Wickeldurchmesser ein Längenausgleich über eine Volltranspositionslänge V. In winding round coils, by permanently swapping the positions of the individual conductors over the conductor length, it is achieved that a conductor is temporarily internally, i. at a smaller winding radius and then outside again, i. runs at a larger winding radius. As a result, given a given, i. fixed winding diameter a length compensation over a Volltranspositionslänge V.

Ein Problem beim Wickeln von Spulen aus Roebelleiter, und hierbei insbesondere aus supraleitendem HTS−Roebelleiter der ersten (Bi2223) oder der zweiten Generation, insbesondere YBCO beschichteter Leiter, für z.B. HTS−Kraftwerksgeneratoren besteht darin, dass die Spulen nicht mehr rund sind. Sie weisen in der Regel eine rechteckige Form mit verrundeten Ecken auf, z.B. mit einem Kurvenradius von 50 mm. Hierbei kommt es beim Wickeln einer Spule mit beliebigen Abmessungen dazu, dass der Ausgleich der Längen der verroebelten Einzelleiter nicht mehr funktioniert. Es bilden sich Überlängen einzelner Teilleiter, die sich als eine Art Beule während des Wickelprozesses immer mehr aufbauen und durch den Roebelleiter "geschoben" werden müssen. Bei großen Leiterlängen, d.h. bei großen Windungszahlen gibt dies immense Probleme bis hin zur Beschädigung des HTS−Leiters. A problem when winding coils of raw conductor, and here in particular from superconducting HTS Roebel conductor of the first (Bi2223) or the second generation, in particular YBCO coated conductor, for e.g. HTS power plant generators is that the coils are no longer round. They generally have a rectangular shape with rounded corners, e.g. with a radius of curvature of 50 mm. In this case, when winding a coil of arbitrary dimensions, the compensation of the lengths of the twisted individual conductors no longer works. Overlengths of individual sub-conductors form, which build up more and more as a kind of bulge during the winding process and have to be "pushed" by the Roebelleiter. For large conductor lengths, i. With large numbers of turns, this gives rise to immense problems, including damage to the HTS conductor.

Auch das Aufbringen von Wickelzug während der Wicklungsherstellung ist in diesem Fall ein Problem, da der Teilleiter mit Überlänge während des gesamten Wickelvorgangs zwangsläufig ohne Zugkraft gewickelt wird. Die Verwendung eines Bandabzugs zur Wickelzugerzeugung ist beim Ausbilden einer Leiterbeule unmöglich, da sich zwischen Wickelträger der Spule und Bandabzug die Leiterbeule immer weiter vergrößert, bis schließlich der HTS−Leiter knickt oder beschädigt wird. Darüber hinaus kann durch die Form der Einzelleiter, d.h. die Stanzmuster ein Leiter nicht beliebig weit gegen die anderen Leiter verschoben werden. Wird die Verschiebung zu groß, so verkeilen sich die Leiter und werden beschädigt. Also, the application of winding tension during the winding production is a problem in this case, since the excess length conductor is inevitably wound without traction during the entire winding process. The use of a tape puller for Wickelzugerzeugung is impossible when forming a Leiterbulder, as between winding support of the coil and tape withdrawal, the conductor bump continues to increase until finally the HTS conductor kinks or is damaged. In addition, the shape of the single conductors, i. the punching pattern a conductor can not be moved arbitrarily far against the other ladder. If the displacement becomes too large, the conductors will become wedged and damaged.

Im Stand der Technik werden bei klassischen Generatoren Kupfer−Roebelstäbe eingesetzt, um die zuvor beschriebenen Probleme zu vermeiden. Diese werden erst während der Generatorfertigung miteinander elektrisch verbunden. Dieses Vorgehen ist bei Supraleitern und insbesondere bei HTS−Leitern unmöglich, da durch die nachträgliche Leiterverbindung die Supraleitung unterbrochen wird. Dies erzeugt Kontakte mit großen ohmschen Verlusten. In the prior art copper Roebel rods are used in classical generators to avoid the problems described above. These are only electrically connected to each other during generator production. This procedure is impossible with superconductors and in particular with HTS conductors, because the superconduction is interrupted by the subsequent conductor connection. This creates contacts with large ohmic losses.

Bei der Herstellung von Testspulen aus HTS−Roebelleiter werden bisher in erster Linie runde Spulen hergestellt. Hier tritt das Problem nicht auf. Runde Spulen sind aber aufgrund ihrer Form nicht für den Einsatz in HTS−Kraftwerksgeneratoren geeignet. In the production of test coils made of HTS-Roebel conductor, round coils have been produced in the first place. Here the problem does not occur. Due to their shape, however, round bobbins are not suitable for use in HTS power plant generators.

Testspulen mit rechteckiger Geometrie werden bisher aus sehr wenigen Windungen, d.h. ca. 5 Windungen HTS−Roebelleiter hergestellt. Dabei ist die Windungszahl so gering, dass sich die aufbauende Leiterbeule durch die gesamte Roebelleiterlänge schieben kann, ohne den Leiter zu beschädigen. Der Wickelzug ist dabei extrem gering zu halten. Für Generatorwicklungen sind jedoch wesentlich größere Windungszahlen nötig, was sofort zur Beschädigung des Leiters führt. Test coils with a rectangular geometry are so far from very few turns, i. Approx. 5 turns HTS raw conductor made. The number of turns is so small that the constructive Leiterbtule can push through the entire Roebel conductor length, without damaging the head. The winding tension is to be kept extremely low. For generator windings, however, much larger numbers of turns are required, which immediately leads to damage to the conductor.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, eine Rechteckspule mit Roebelleiter und ein Verfahren zu deren Herstellung anzugeben, welche die zuvor beschriebenen Probleme nicht aufweisen. Insbesondere ist es Aufgabe eine Möglichkeit anzugeben, im Wesentlichen rechteckige Hochstromspulen aus HTS-Roebelleiter herzustellen, welche z.B. nicht mehr in der Windungszahl begrenzt sind. Ein Ausbeulen, Verschieben und/oder Knicken von Teilleitern des Robelleiters beim Wickeln soll vermieden werden. Object of the present invention is therefore to provide a rectangular coil with Roebel conductor and a method for their preparation, which do not have the problems described above. In particular, it is an object to provide a way to produce substantially rectangular high current coils of HTS raw conductor, which is e.g. are no longer limited in the number of turns. Bulging, shifting and / or buckling of sub-conductors of the Robelleiters during winding should be avoided.

Die angegebene Aufgabe wird bezüglich der Rechteckspule mit Roebelleiter mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst und bezüglich des Verfahrens zu Herstellung der Rechteckspule mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst. The specified object is achieved with respect to the rectangular coil with Roebel conductor having the features of claim 1 and with respect to the method for producing the rectangular coil with the features of claim 10.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Rechteckspule mit Roebelleiter und des Verfahrens zu deren Herstellung gehen aus den jeweils zugeordneten abhängigen Unteransprüchen hervor. Dabei können die Merkmale des Hauptanspruchs mit Merkmalen der Unteransprüche und Merkmale der Unteransprüche untereinander kombiniert werden. Advantageous embodiments of the rectangular coil according to the invention with Roebel conductor and the method for their preparation will become apparent from the respective associated dependent claims. In this case, the features of the main claim with features of the subclaims and features of the subclaims can be combined with each other.

Die erfindungsgemäße Rechteckspule umfasst einen Träger und wenigstens einen Roebelleiter mit Volltranspositionslänge V, wobei der Träger zylinderförmig ausgebildet ist mit einer im Wesentlichen rechteckigen Grundfläche mit abgerundeten Ecken, mit einer ersten Seitenlänge a und einer zweiten Seitenlänge b der geraden Seitenstücke und jeweils einem Radius r der abgerundeten Ecken der im Wesentlichen rechteckigen Grundfläche. Die Seitenlänge a und die Seitenlänge b sind jeweils als ein ganzzahliges Vielfaches der Volltranspositionslänge V ausgebildet. The rectangular coil according to the invention comprises a carrier and at least one Roebelleiter with Volltranspositionslänge V, wherein the carrier is cylindrical with a substantially rectangular base with rounded corners, with a first side length a and a second side length b of the straight side pieces and each have a radius r of the rounded Corners of the substantially rectangular base. The side length a and the side length b are each formed as an integer multiple of the full-length transport V.

Dadurch können im Wesentlichen rechteckige Hochstromspulen aus HTS-Roebelleiter hergestellt werden. Diese sind z.B. nicht mehr in der Windungszahl begrenzt. Die Kumulation von Leiterüberschuss eines Teilleiters während des Spulenwickelns wird wirksam vermieden. Ein Ausbeulen, Verschieben und/oder Knicken von Teilleitern des Robelleiters beim Wickeln wird vermieden. Durch die Wahl der Seitenlänge a und der Seitenlänge b jeweils als ein ganzzahliges Vielfaches der Volltranspositionslänge V wird erreicht, dass die geraden Spulenstücke a und b im Hinblick auf die Position von Einzelleitern im Roebelleiter als „neutrale Zwischenstücke“ betrachtet werden können. Die verbleibenden abgerundeten Ecken, z.B. in Form von Viertelkreissegmenten mit Radius r verhalten sich in der Summe wie ein kreisförmiger Spulenträger mit Radius r. Somit können analog zu runden Spulen aus Roebelleitern auch im Wesentlichen rechteckige Spulen mit abgerundeten Ecken aus Roebelleiter hergestellt werden. As a result, substantially rectangular high-current coils made of HTS raw conductor can be produced. These are e.g. no longer limited in the number of turns. The accumulation of conductor excess of a conductor during coil winding is effectively avoided. Bulging, shifting and / or buckling of sub-conductors of the Robelleiters during winding is avoided. By choosing the side length a and the side length b in each case as an integer multiple of the full transport length V is achieved that the straight coil pieces a and b can be considered in terms of the position of individual conductors in the Roebelleiter as "neutral intermediate pieces". The remaining rounded corners, e.g. in the form of quadrant segments with radius r behave in the sum like a circular coil carrier with radius r. Thus, substantially rectangular coils with rounded corners made of raw conductor can be produced analogous to round coils of Roebelleitern also substantially.

Die wenigstens eine abgerundete Ecke kann einen Radius r im Bereich von Zentimetern aufweisen, insbesondere 5 Zentimetern. Alle abgerundeten Ecke können den gleichen Radius r aufweisen. Damit wird eine große Rechteckspule ausgebildet. The at least one rounded corner may have a radius r in the range of centimeters, in particular 5 centimeters. All rounded corners can have the same radius r. This forms a large rectangular coil.

Von der Rechteckspule kann ein Roebelleiter mit vorgegebener Volltranspositionslänge V umfasst sein. Durch Vorgabe der Volltranspositionslänge V kann definiert die Seitenlänge a und die Seitenlänge b jeweils als ein ganzzahliges Vielfaches der Volltranspositionslänge V ausgebildet werden. From the rectangular coil can be a Roebel conductor with a predetermined Volltranspositionslänge V includes. By specifying the full transport length V, the side length a and the side length b can each be defined as an integer multiple of the full transport length V.

Der Roebelleiter kann ein Hochtemperatur-Supraleitendes (HTS) Material der ersten Generation, insbesondere Bi2223, und/oder der zweiten Generation, insbesondere YBCO, umfassen. The raw conductor may comprise a first generation high temperature superconducting (HTS) material, particularly Bi2223, and / or second generation, especially YBCO.

Die Seitenlänge a und die Seitenlänge b können unterschiedlich lang sein, mit einer Länge gleich einem ganzzahligen Vielfachen m der Volltranspositionslänge V für die Seitenlänge a und mit einer Länge gleich einem ganzzahligen Vielfachen n der Volltranspositionslänge V für die Seitenlänge b, wobei m und n unterschiedliche ganze Zahlen sind. Entsprechend der Wahl von n und m können Spulen verschiedener Rechteckformen ausgebildet werden. The side length a and the side length b can be of different lengths, with a length equal to an integer multiple m of the full transport length V for the side length a and with a length equal to an integer multiple n of the full transport length V for the side length b, where m and n are different integers Numbers are. According to the choice of n and m coils of different rectangular shapes can be formed.

Die Windungszahl der Spule kann größer als 10 sein. Es können Rechteckspulen mit beliebig vielen Windungen ausgebildet werden, ohne das die zuvor beschriebenen Probleme auftreten. So können Rechteckspulen mit mehr als tausend Windungen ausgebildet werden. The number of turns of the coil can be greater than 10. It can rectangular coils are formed with any number of turns without the problems described above occur. Thus, rectangular coils can be formed with more than a thousand turns.

Die Spule kann als eine Hochstromspule ausgebildet sein. Es können aber auch andere Spulen mit den zuvor beschriebenen Eigenschaften ausgebildet werden. The coil may be formed as a high current coil. However, other coils with the properties described above can also be formed.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer zuvor beschriebenen Rechteckspule umfasst, das eine Spule mit einer hohen Windungszahl gewickelt wird, insbesondere mit einer Windungszahl größer 10 Windungen. Dabei kann der Roebelleiter beim Wickeln mit einem Wickelzug beaufschlagt werden. Der Wickelzug ist eine Zugkraft auf den Leiter beim Wickeln, welche für eine feste Wicklung mit gewünschter Windungslage führt. Ohne Wickelzug kann der Leiter beim Wickeln verrutschen und ein enges Anliegen des Leiters einer Windung an den Nachbarwindungen verhindern. Dadurch würden Lufteinschlüsse gebildet, welche beim Vergießen mit Harz aufgefüllt würden. Die Spule würde größere räumliche Dimensionen bzw. Umfang aufweisen, was zu nachteiligen Eigenschaften wie z.B. Wirkungsgradverlusten beim Einsatz der Spule in einem Rotor führen kann. The inventive method for producing a rectangular coil described above, which is wound a coil having a high number of turns, in particular with a number of turns greater than 10 turns. In this case, the Roebelleiter can be applied during winding with a winding tension. The winding tension is a tensile force on the conductor during winding, which leads to a fixed winding with the desired winding position. Without a winding pull, the conductor may slip during winding and prevent a close contact of the conductor of one turn with the adjacent turns. As a result, air pockets would be formed, which would be filled with resin during casting. The coil would have larger spatial dimensions, resulting in adverse properties such as Loss of efficiency can result in the use of the coil in a rotor.

Beim Wickeln der Spule kann ein Bandabzug zum Aufbau von Wickelzug zwischen dem Wickelträger und dem Bandabzug verwendet werden. Damit lässt sich technisch einfach, ohne großen Aufwand ein Wickelzug erzeugen. When winding the spool, a tape take-off can be used to build up the winding tension between the roll carrier and the tape take-off. This makes it technically easy to produce a winding tension without much effort.

Der Roebelleiter kann auf den zylinderförmigen Träger ohne Ausbeulen, Verschieben und/oder Knicken von Teilleitern des Robelleiters gewickelt werden. Gerade in Hinblick auf HTS-Anwendungen ist ein Knicken zu vermeiden, da keramische supraleitende Materialien bzw. Schichten beim Knicken brechen. Dies würde zu ohmschen Verlusten an den Knickstellen im Supraleiter führen. The Roebelleiter can be wound on the cylindrical support without buckling, moving and / or buckling of sub-conductors of the Robelleiters. Especially with regard to HTS applications, buckling is to be avoided since ceramic superconducting materials or layers break when bent. This would lead to ohmic losses at the kinks in the superconductor.

Die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung einer Rechteckspule verbundenen Vorteile sind analog den Vorteilen, welche zuvor im Bezug auf die erfindungsgemäße Rechteckspule beschrieben wurden. The advantages associated with the method according to the invention for producing a rectangular coil are analogous to the advantages which were previously described in US Pat With reference to the rectangular coil according to the invention have been described.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung mit vorteilhaften Weiterbildungen gemäß den Merkmalen der abhängigen Ansprüche werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert, ohne jedoch darauf beschränkt zu sein. Preferred embodiments of the invention with advantageous developments according to the features of the dependent claims are explained in more detail with reference to the figures, but without being limited thereto.

Es wird in den Figuren dargestellt: It is shown in the figures:

1 eine schematische Darstellung eines volltransponierten Verbundsupraleiters 2, d.h. Roebelleiters nach dem Stand der Technik, und 1 a schematic representation of a volltransponierten composite superconductor 2 , ie Roebelleiters according to the prior art, and

2 eine Aufsicht auf den Leiterausschnitt nach 1 aus drei Einzelleitern 3 _i sowie einen Einzelleiter 3 ₁ alleine, und 2 a view of the ladder neckline 1 from three individual leaders 3 _i as well as a single conductor 3 ₁ alone, and

3 eine schematische Schnittdarstellung eines Trägers 4 einer erfindungsgemäßen Rechteckspule 1 zum Bewickeln mit einem Roebelleiter 2 nach 1 und 2. 3 a schematic sectional view of a carrier 4 a rectangular coil according to the invention 1 for winding with a Roebel conductor 2 to 1 and 2 ,

In 1 ist in Schrägansicht ein Ausschnitt aus einem allgemein mit 2 bezeichneten Verbundsupraleiter nach Art eines Roebelleiters dargestellt, wie aus dem Stand der Technik WO2001059909A1 bekannt. Der Leiter umfasst mehrere nach Art eines Roebelstabes zusammengefasste Teilleiter 3 _j (j = Anzahl der Teilleiter mit 1 ≤ j ≤ N). N Teilleiter 3 _j brauchen dabei mehr als N + 1 Rasterplätze. In der 1 bedeuten

F: Flachbiegezone
G_1,2: Gerade, nicht-gebogene Stücke
H: Hochkant-Biegezone
P: periodischer Hochkant-Biegezonenabstand
V: Volltranspositionslänge
D: Teilleiterdicke
B: Teilleiterbreite.

In 1 is an oblique view of a general with 2 Represented composite superconductor in the manner of a Roebelleiters shown as in the prior art WO2001059909A1 known. The ladder comprises several sub-conductors combined in the manner of a Roebel rod 3 _j (j = number of sub-conductors with 1 ≤ j ≤ N). N part leader 3 _j need more than N + 1 grid locations. In the 1 mean

F: Flat bending zone
G _1,2: Straight, not-bent pieces
H: Edgewise bending zone
P: periodic upright bending zone distance
V: Full transposition length
D: Conductor thickness
B: Conductor width.

Die genannten Größen sind dabei wie folgt miteinander verknüpft:
P = H + G₁ + F + G₂ und
V = N × P (mit „x“ = Multiplikationssymbol). The sizes mentioned are linked together as follows:
P = H + G ₁ + F + G ₂ and
V = N × P (with "x" = multiplication symbol).

2 zeigt eine Aufsicht auf einen Ausschnitt aus diesem Verbundsupraleiter 2 sowie einen Ausschnitt aus einem einzigen Teilleiter 3 ₁ aus dieser Aufsicht. 2 shows a plan view of a section of this composite superconductor 2 as well as a section of a single conductor 3 ₁ from this supervision.

Bei den Teilleitern 3 _j handelt es sich um bekannte bandförmige Ein- oder Mehrkern-HTS-Leiter mit rechteckigem Querschnitt, wobei vorzugsweise alle Teilleiter gleich gestaltet sind und jeder Teilleiter dieselbe Leiterbreite B hat. Bei den Teilleitern kann es sich insbesondere um bekannte Ausführungsformen handeln, die im Allgemeinen folgende Merkmale und Eigenschaften aufweisen:

– Geometrie und Struktur: Sie haben kleine, flache Querschnitte (typisch um 1 mm²) mit sehr geringer Dicke (typisch zwischen 0,2 mm und 0,5 mm; Breite bis ca. 4 mm). Von den verschiedenen existierenden Ausführungsformen kommen für den hier ins Auge gefassten Anwendungsbereich vorzugsweise sogenannte Multifilamentsupraleiter (mit mehreren supraleitenden Leiterkernen) in Frage: Das supraleitende keramische Material ist in Form feiner Filamente eingebettet in eine insbesondere aus Silber oder einer Silberlegierung bestehenden Matrix. Die Filamente sind dabei vorzugsweise verdrillt (zur Herabsetzung von Wechselstrom-Verlusten). Als Supraleitermaterial gut geeignet ist die HTS-Vielstoffverbindung vom Typ (Bi, Pb)₂Sr₂Ca₂Cu₃O_x (sogenanntes „BPSCCO-2223-Material“). Die Silbermatrix kann zweckmäßigerweise durch eine zusätzliche dünne Hülle z.B. aus einer Silber-Magnesium-Legierung verstärkt sein. Ein entsprechender, für die nachfolgenden Betrachtungen an Hand der Figuren zu Grunde gelegter konkreter HTS-Standardbandleiter besitzt eine von einer AgMg-Hülle umgebene Ag-Matrix mit 55 darin eingelagerten, gegenseitig vertwisteten Leiterkernen bzw. -filamenten aus dem BPSCCO-2223-HTS-Material. Seine Außendimensionen (ohne Isolation) sind 3,6 × 0,26 mm². Er kann noch von einer Isolation z.B. aus Lupolen mit einer Dicke zwischen 0,03 und 0,05 mm umgeben sein. Alternativ können auch andere Leitermaterialien verwendet werden. So können z.B. Stahl- oder Kupferbänder beschichtet mit YBCO zum Einsatz kommen.
– Mechanische Empfindlichkeit gegen plastische Verformung: Zulässige Randfaserdehnungen bei Streckung, Biegung oder Torsion liegen ≤ 0,2 %, kritische Biegeradien typisch bei 50 mm (flache Seite) bzw. 800–1000 mm (Hochkantbiegung).
– Anisotropie: Zu beobachten ist eine ausgeprägte Magnetfeldrichtungsabhängigkeit ihrer Stromtragfähigkeit. So sinkt z.B. der bei 0,3 T und 77 K transportierbare Strom auf etwa ein Fünftel, wenn man die Feldrichtung aus der Leiterebene in die Richtung senkrecht zur flachen Leiterseite dreht.

At the sub-conductors 3 _j are known band-shaped single or multi-core HTS conductor with rectangular cross section, wherein preferably all sub-conductors are designed the same and each sub-conductor has the same conductor width B. The sub-conductors may in particular be known embodiments, which generally have the following features and properties:

- Geometry and structure: They have small, flat cross sections (typically around 1 mm ² ) with very small thickness (typically between 0.2 mm and 0.5 mm, width up to 4 mm). Of the various existing embodiments, so-called multifilament superconductors (having a plurality of superconducting conductor cores) are preferably used for the field of application envisaged here: The superconducting ceramic material is embedded in the form of fine filaments in a matrix consisting in particular of silver or a silver alloy. The filaments are preferably twisted (to reduce AC losses). Well suited as a superconducting material is the HTS multi-substance compound of the type (Bi, Pb) ₂ Sr ₂ Ca ₂ Cu ₃ O _x (so-called "BPSCCO 2223 material"). The silver matrix may expediently be reinforced by an additional thin shell, for example of a silver-magnesium alloy. A corresponding concrete HTS standard strip conductor, based on the figures for the following considerations, has an Ag matrix surrounded by an AgMg shell with 55 embedded therein mutually twisted conductor cores or filaments of the BPSCCO 2223 HTS material , Its external dimensions (without insulation) are 3.6 × 0.26 mm ² . He may still be surrounded by an insulation example of Lupolen with a thickness between 0.03 and 0.05 mm. Alternatively, other conductor materials may be used. For example, steel or copper strips coated with YBCO can be used.
- Mechanical sensitivity to plastic deformation: Permissible marginal fiber elongations during stretching, bending or torsion are ≤ 0.2%, critical bending radii typically at 50 mm (flat side) or 800-1000 mm (edgewise bending).
- Anisotropy: A pronounced magnetic field direction dependency of their current carrying capacity can be observed. For example, the current that can be transported at 0.3 T and 77 K drops to about one-fifth, if you turn the field direction from the conductor level in the direction perpendicular to the flat conductor side.

Der dargestellte HTS-Hochstrom-Verbundleiter 2 ist durch folgende Hauptmerkmale gekennzeichnet:

1. Der Verbundleiter ist aus mehreren, vorzugsweise voll isolierten HTS-Bandleitern als Teilleitern 3 _j zusammengesetzt. Die notwendige Anzahl N der Teilleiter mit einem Nennstrom I_HTSn für einen gewünschten Nennstrom I_VLn des Verbundsupraleiters ergibt sich nicht einfach als Quotient I_VLn / I_HTSn. Sie ist meistens deutlich größer und konkret nur mit Hilfe der materialspezifischen, nichtlinearen I(B)-Kurven und für einen bestimmten Anwendungsfall zu bestimmen, da I_HTSn für einen gestreckten Bandleiter im Eigenfeld definiert ist, I_VLn dagegen für die lokalen Feldwerte am Ort der Anwendung. Bereits bei einem gestreckten Verbundleiter ohne äußeres Magnetfeld bewirkt das durch die jeweils benachbarten Teilleiter erhöhte Feld am Ort eines jeden Teilleiters eine Erniedrigung seiner Stromtragfähigkeit.
2. Die Teilleiter 3 _j werden innerhalb des Verbundleiter-Gesamtquerschnitts systematisch und fortlaufend transponiert (Prinzip Roebel-Stab: laufende Kröpfungen durch Hochkantbiegungen und Flachbiegungen im Wechsel).
3. Beim Transponieren dürfen die Teilleiter nur reine Transversal-Versetzungen erfahren, jedoch – im Unterschied zum Verseilen – keinerlei Drehung, Torsion oder Kippung. Damit würde die Ausrichtung der Teilleiter auf die günstigste Feldrichtung verlassen, die Stromtragfähigkeit stark sinken (Anisotropie).
4. Für die genannten Teilleiter-Biegungen sind in beiden Querrichtungen unterschiedliche kritische Biegeradien maßgebend, die im Rahmen der vorgegebenen Werte leiterspezifisch zu ermitteln sind. Bei Unterschreiten dieser Werte degradiert die Stromtragfähigkeit der betroffenen HTS-Bandleiter. Die kritischen Radien sind jeweils etwa um den Faktor 100 größer als bei querschnittsgleichen Kupferbändern.

The illustrated HTS high-current composite conductor 2 is characterized by the following main features:

1. The composite conductor is made of several, preferably fully insulated HTS strip conductors as sub-conductors 3 _j composed. The necessary number N of sub-conductors with a rated current I _HTSn for a desired rated current I _{VLn of} the composite _{superconductor} does not simply result from the quotient I _VLn / I _HTSn . It is usually much larger and concretely determined only with the aid of the material-specific, non-linear I (B) curves and for a specific application, since I _HTSn for a stretched band in the self field is defined, I _VLn for the local field values at the place of application. Even with a stretched composite conductor without external magnetic field caused by the respective adjacent sub-conductor field at the location of each sub-conductor causes a lowering of its current carrying capacity.
2. The sub-leaders 3 _j are systematically and continuously transposed within the overall composite conductor cross section (Roebel rod principle: running cranks by bevelled bends and flat bends alternating).
3. When transposing, the sub-conductors may experience only transversal dislocations, but - in contrast to stranding - no rotation, torsion or tilting. This would leave the orientation of the sub-conductors in the most favorable field direction, the current carrying capacity drops sharply (anisotropy).
4. For the mentioned conductor bends different critical bending radii are decisive in both transverse directions, which are to be determined conductor-specifically within the given values. Falling below these values degrades the ampacity of the affected HTS band conductors. The critical radii are each about a factor of 100 larger than cross-sectional copper strips.

In 3 ist eine schematische Schnittdarstellung eines Trägers 4 einer erfindungsgemäßen Rechteckspule 1 zum Bewickeln mit einem Roebelleiter 2 nach 1 und 2 gezeigt. Der Leiter ist der Einfachheit halber nicht dargestellt, aber eine erfindungsgemäße Rechteckspule 1 weist eine ähnliche Form auf, bei gleichmäßiger Wicklung des Leiters 2 auf den Träger 4. In 3 is a schematic sectional view of a carrier 4 a rectangular coil according to the invention 1 for winding with a Roebel conductor 2 to 1 and 2 shown. The conductor is not shown for the sake of simplicity, but a rectangular coil according to the invention 1 has a similar shape, with uniform winding of the conductor 2 on the carrier 4 ,

Der Träger 4 ist zylinderförmig ausgebildet, d.h. mit einer geschlossenen Mantelfläche, welche eine Grund und Deckfläche vollständig umschließt. Die Grund- und Deckfläche sind im Wesentlichen rechteckig ausgebildet, mit Ausnahme der Ecken, welche abgerundet sind. Die vier abgerundeten Ecken bilden zusammen einen geschlossenen Kreis mit Radius r aus. Die rechteckige Grund- und Deckfläche weisen gerade Seitenkanten a und b auf, ausgenommen den abgerundeten Ecken. Die Länge der geraden Seitenkante a ist ein ganzzahliges Vielfaches m der Volltranspositionslänge V des Roebelleiters 2 und die Länge der geraden Seitenkante b ist ein ganzzahliges Vielfaches n der Volltranspositionslänge V des Roebelleiters 2, d.h. a = m·V und b = n·V mit ganzen Zahlen m und n. The carrier 4 is cylindrical, ie with a closed lateral surface which completely surrounds a base and top surface. The base and top surfaces are substantially rectangular, with the exception of the corners, which are rounded. The four rounded corners together form a closed circle with radius r. The rectangular base and top surfaces have straight side edges a and b, except for the rounded corners. The length of the straight side edge a is an integer multiple m of the full transport length V of the Roebel conductor 2 and the length of the straight side edge b is an integer multiple n of the full-length transport V of the blank conductor 2 , ie a = m · V and b = n · V with integers m and n.

Durch die Wahl der Seitenlänge a und der Seitenlänge b jeweils als ein ganzzahliges Vielfaches der Volltranspositionslänge V wird erreicht, dass die geraden Spulenstücke a und b im Hinblick auf die Position von Einzelleitern im Roebelleiter als „neutrale Zwischenstücke“ betrachtet werden können. Die verbleibenden abgerundeten Ecken, z.B. in Form von Viertelkreissegmenten mit Radius r verhalten sich in der Summe wie ein kreisförmiger Spulenträger mit Radius r. Somit können analog zu runden Spulen aus Roebelleitern auch im Wesentlichen rechteckige Spulen mit abgerundeten Ecken aus Roebelleitern hergestellt werden. Ein Ausbeulen, Verschieben und/oder Knicken von Teilleitern des Robelleiters beim Wickeln wird vermieden. By choosing the side length a and the side length b in each case as an integer multiple of the full transport length V is achieved that the straight coil pieces a and b can be considered in terms of the position of individual conductors in the Roebelleiter as "neutral intermediate pieces". The remaining rounded corners, e.g. in the form of quadrant segments with radius r behave in the sum like a circular coil carrier with radius r. Thus, essentially rectangular coils with rounded corners can be produced from Roebelleitern analogous to round coils of Roebelleitern. Bulging, shifting and / or buckling of sub-conductors of the Robelleiters during winding is avoided.

Die zuvor Beschriebenen Ausführungsbeispiele können untereinander kombiniert werden und/oder mit Ausführungsbeispielen aus dem Stand der Technik kombiniert werden. So kann der Roebelleiter z.B. aus einem Material wie Kupfer oder Stahl bestehen. Auch andere Formen der Grund- und Deckfläche sind möglich, solange die zuvor beschriebenen Bedingungen erfüllt sind. So können z.B. die Seitenkanten a und b eine Winkel ungleich 90 grad einschließen. The exemplary embodiments described above can be combined with one another and / or combined with exemplary embodiments of the prior art. Thus, the raw conductor may e.g. made of a material such as copper or steel. Other shapes of the base and top surfaces are possible as long as the conditions described above are met. Thus, e.g. the side edges a and b enclose an angle other than 90 degrees.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

WO 2001059909 A1 [0029] WO 2001059909 A1 [0029]

Claims

Rechteckspule (1) mit einem Träger (4) und wenigstens einem Roebelleiter (2) mit Volltranspositionslänge V, wobei der Träger (4) zylinderförmig ausgebildet ist mit einer im Wesentlichen rechteckigen Grundfläche mit abgerundeten Ecken, mit einer ersten Seitenlänge a und einer zweiten Seitenlänge b der geraden Seitenstücke und jeweils einem Radius r der abgerundeten Ecken der im Wesentlichen rechteckigen Grundfläche, dadurch gekennzeichnet, dass die Seitenlänge a und die Seitenlänge b jeweils als ein ganzzahliges Vielfaches der Volltranspositionslänge V ausgebildet sind. Rectangular coil ( 1 ) with a carrier ( 4 ) and at least one Roebel conductor ( 2 ) with full transport length V, wherein the carrier ( 4 ) Is cylindrical with a substantially rectangular base with rounded corners, with a first side length a and a second side length b of the straight side pieces and each having a radius r of the rounded corners of the substantially rectangular base, characterized in that the side length a and the Side length b are each formed as an integral multiple of Volltranspositionslänge V.

Rechteckspule (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die abgerundeten Ecken im Wesentlichen kreisförmig ausgebildet sind. Rectangular coil ( 1 ) according to claim 1, characterized in that the rounded corners are formed substantially circular.

Rechteckspule (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine abgerundete Ecke einen Radius r im Bereich von Zentimetern aufweist, insbesondere 5 Zentimetern. Rectangular coil ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized in that at least one rounded corner has a radius r in the range of centimeters, in particular 5 centimeters.

Rechteckspule (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass alle abgerundeten Ecke den gleichen Radius r aufweisen. Rectangular coil ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized in that all rounded corners have the same radius r.

Rechteckspule (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Roebelleiter (2) mit vorgegebener Volltranspositionslänge V umfasst ist. Rectangular coil ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized in that a raw conductor ( 2 ) with predetermined full-length transport V is included.

Rechteckspule (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Roebelleiter (2) ein Hochtemperatur-Supraleitendes Material der ersten Generation, insbesondere Bi2223, und/oder der zweiten Generation, insbesondere YBCO oder GdBaCuO, umfasst. Rectangular coil ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the raw conductor ( 2 ) comprises a high-temperature superconducting material of the first generation, in particular Bi2223, and / or of the second generation, in particular YBCO or GdBaCuO.

Rechteckspule (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Seitenlänge a und die Seitenlänge b unterschiedlich lang sind, mit einer Länge gleich einem ganzzahligen Vielfachen m der Volltranspositionslänge V für die Seitenlänge a und mit einer Länge gleich einem ganzzahligen Vielfachen n der Volltranspositionslänge V für die Seitenlänge b, wobei m und n unterschiedliche ganze Zahlen sind. Rectangular coil ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the side length a and the side length b are of different lengths, with a length equal to an integer multiple m of Volltranspositionslänge V for the side length a and with a length equal to an integer multiple n of Volltranspositionslänge V for the side length b, where m and n are different integers.

Rechteckspule (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Windungszahl der Spule größer 10 ist. Rectangular coil ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the number of turns of the coil is greater than 10.

Rechteckspule (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spule eine Hochstromspule ist. Rectangular coil ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the coil is a high-current coil.

Verfahren zur Herstellung einer Rechteckspule (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Spule mit einer hohen Windungszahl gewickelt wird, insbesondere mit einer Windungszahl größer 10 Windungen. Method for producing a rectangular coil ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized in that a coil is wound with a high number of turns, in particular with a number of turns greater than 10 turns.

Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Roebelleiter (2) beim Wickeln mit einem Wickelzug beaufschlagt wird. A method according to claim 10, characterized in that the raw conductor ( 2 ) is applied during winding with a winding tension.

Verfahren nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass beim Wickeln der Spule ein Bandabzug zum Aufbau von Wickelzug zwischen dem Wickelträger und dem Bandabzug verwendet wird. Method according to one of claims 10 or 11, characterized in that during winding of the coil, a tape take-off is used to build up winding tension between the winding carrier and the tape take-off.

Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Roebelleiter (2) auf den zylinderförmigen Träger (4) ohne Ausbeulen, Verschieben und/oder Knicken von Teilleitern des Robelleiters gewickelt wird. Method according to one of claims 10 to 12, characterized in that the Roebel conductor ( 2 ) on the cylindrical support ( 4 ) is wound without buckling, shifting and / or buckling of sub-conductors of the Robelleiters.