[go: up one dir, main page]

DE10156212A1 - Vorrichtung zur elektrischen Versorgung wenigstens eines Supraleiters - Google Patents

Vorrichtung zur elektrischen Versorgung wenigstens eines Supraleiters

Info

Publication number
DE10156212A1
DE10156212A1 DE10156212A DE10156212A DE10156212A1 DE 10156212 A1 DE10156212 A1 DE 10156212A1 DE 10156212 A DE10156212 A DE 10156212A DE 10156212 A DE10156212 A DE 10156212A DE 10156212 A1 DE10156212 A1 DE 10156212A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
transformer
winding
secondary winding
superconductor
primary winding
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
DE10156212A
Other languages
English (en)
Inventor
Florian Steinmeyer
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Siemens Corp
Original Assignee
Siemens Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Siemens Corp filed Critical Siemens Corp
Priority to DE10156212A priority Critical patent/DE10156212A1/de
Priority to EP02791595A priority patent/EP1454404A1/de
Priority to JP2003548381A priority patent/JP4309274B2/ja
Priority to KR1020047007373A priority patent/KR100991301B1/ko
Priority to PCT/DE2002/004071 priority patent/WO2003047077A1/de
Publication of DE10156212A1 publication Critical patent/DE10156212A1/de
Priority to US10/846,361 priority patent/US20040256922A1/en
Priority to US11/423,186 priority patent/US7355307B2/en
Ceased legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K55/00—Dynamo-electric machines having windings operating at cryogenic temperatures
    • H02K55/02—Dynamo-electric machines having windings operating at cryogenic temperatures of the synchronous type
    • H02K55/04—Dynamo-electric machines having windings operating at cryogenic temperatures of the synchronous type with rotating field windings
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E40/00—Technologies for an efficient electrical power generation, transmission or distribution
    • Y02E40/60—Superconducting electric elements or equipment; Power systems integrating superconducting elements or equipment

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Superconductive Dynamoelectric Machines (AREA)

Abstract

Eine Vorrichtung zur Versorgung wenigstens einer supraleitenden Wicklung (2) mit elektrischer Energie umfasst DOLLAR A a) wenigstens eine elektrische Energiequelle (3), DOLLAR A b) wenigstens einen Transformator zur Übertragung der Energie zwischen der Energiequelle (3) und dem Supraleiter (2). DOLLAR A Vorteil: berührungslose Übertragung der Energie, geringere Wärmeeinleitung.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Versorgung wenigstens eines Supraleiters, insbesondere wenigstens einer supraleitenden Wicklung, der bzw. die auf wenigstens eine vorbestimmte Temperatur zur Erzielung der Supraleitung gekühlt oder kühlbar ist.
  • Aus US 5,482,919 A ist ein supraleitender Rotor bekannt mit einer supraleitenden Wicklung, die in einem Elektromotor als Läuferspule einsetzbar ist. Die supraleitende Wicklung wird durch ein Kühlsystem auf eine so niedrige Temperatur gekühlt, dass sie supraleitend wird. Dabei kommt bevorzugt ein Hochtemperatur-Supraleitungsmaterial (HTSL-Material) zum Einsatz, das bereits bei oberhalb von 35 K liegenden Sprungtemperaturen supraleitend wird. Die Kühlung der Spule kann mittels eines Kühlsystems erfolgen, bei dem die Abkühlung unter Nutzung des Gifford-McMahon-Kreisprozesses oder des Stirling- Kreisprozesses bewerkstelligt wird.
  • Die supraleitende Spule wird mit einem Wechselstrom über Schleifringe versorgt. Dies ist jedoch mit Blick auf die Lebensdauer des Motors infolge Verschleiß der Bürsten nachteilig. Problematisch ist auch, dass über die Schleifringe eine übermäßige Wärmeeinleitung in den gekühlten Bereich erfolgen kann. Beispielsweise leitet eine nur durch Wärmeleitung gekühlte Stromzuführung bei einer Temperatur von 20 bis 40 K mindestens 45 W/kA in den gekühlten Bereich ein. Bei einem Betriebsstrom von beispielsweise 300 A im Supraleiter und zwei Stromzuführungen werden dann mindestens 27 W eingeleitet. Das entspricht etwa der gesamten Kälteleistung eines herkömmlichen leistungsstarken Gifford-McMahon-Kühlers (ca. 25 W bei 20 K). Je höher der Wärmeverlust durch die Stromzuführung ist, desto höher liegt dann aber die Betriebstemperatur der Spule, so dass der kritische Strom des Supraleiters absinkt und damit auch die erzielbare Feldstärke der Spule. Ein wirtschaftlicher Betrieb sowie eine effiziente Stromversorgung sind bei dem aus US 5,482,919 A bekannten Motor somit nur bedingt möglich.
  • Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Versorgung wenigstens eines Supraleiters, insbesondere wenigstens einer supraleitenden Wicklung, mit elektrischer Energie anzugeben, die möglichst effizient und wirtschaftlich betrieben werden kann. Insbesondere soll die Wärmeeinleitung über die Stromzuführung möglichst klein sein, so dass kein Verlust der Supraleitung und damit bei einer supraleitenden Wicklung keine entsprechende Reduzierung der Feldstärke in der Wicklung oder Spule zu befürchten ist.
  • Die Lösung dieser Aufgabe durch die Erfindung ist mit den Merkmalen des Anspruchs 1 verwirklicht.
  • Die Vorrichtung gemäß Anspruch 1 zur Versorgung wenigstens eines Supraleiters, insbesondere wenigstens einer supraleitenden Wicklung, die auf wenigstens eine vorbestimmte Temperatur, bei der die Supraleitung eintritt, gekühlt oder kühlbar ist, mit elektrischer Energie umfasst
    • a) wenigstens eine elektrische Energiequelle,
    • b) einen Transformator zur Übertragung der elektrischen Energie zwischen der Energiequelle und dem Supraleiter, wobei eine Primärwicklung des Transformators elektrisch mit der Energiequelle verbunden oder gekoppelt ist und eine Sekundärwicklung des Transformators mit dem Supraleiter elektrisch verbunden oder gekoppelt ist.
  • Die Erfindung beruht auf der Überlegung, zur Übertragung der Energie zwischen der elektrischen Energiequelle und dem Supraleiter wenigstens einen Transformator zu verwenden. Der Transformator ermöglicht eine berührungslose Übertragung der elektrischen Energie von der Energiequelle zum Supraleiter, so dass im Falle einer rotierenden Wicklung, beispielsweise einer Läuferspule eines Elektromotors, auf verschleißende Bürsten verzichtet werden kann.
  • Die Wärmeeinleitung zu dem gekühlten Supraleiter kann mit Hilfe des Transformators deutlich verringert werden. Mit einem geeignet gewählten Transformationsverhältnis (Spannungsübersetzungsverhältnis) des Transformators kann nämlich in einer vorteilhaften Ausführungsform die von der Energiequelle gelieferte Spannung hochtransformiert werden, so dass bei gleicher elektrischer Versorgungsleistung ein geringerer Strom von dem Transformator zum gekühlten Supraleiter notwendig ist. Dadurch kann der Querschnitt der Stromzuführung zwischen dem Transformator und dem Supraleiter verringert werden. Diese Verwendung einer dünneren Stromzuführung verringert deutlich die Wärmeeinleitung über die Stromzuführung. Diese Ausführungsform ist besonders dann vorteilhaft, wenn Primärwicklung und Sekundärwicklung des Transformators auf warmen Niveau liegen, also außerhalb des gekühlten Bereiches mit dem Supraleiter, und der Übergang von dem warmen Bereich in den gekühlten oder kalten Bereich durch die Stromzuführung erfolgt.
  • In einer anderen Ausführungsform ist es aber auch möglich, dass die mit der Energiequelle verbundene Primärwicklung auf warmem Niveau liegt und die mit dem Supraleiter verbundene Sekundärwicklung des Transformators auf dem kalten Niveau. Da nun auch die Stromzuführung komplett innerhalb des kalten Bereiches verlaufen kann, trägt sie nicht mehr zu einer Wärmeeinleitung zum Supraleiter bei. Die thermische Isolation geschieht nun zwischen den beiden berührungslosen Wicklungen des Transformators. Das Transformationsverhältnis kann hier praktisch beliebig eingestellt werden und insbesondere auch 1 betragen.
  • Die Übertragung der elektrischen Energie in die den Supraleiter oder die supraleitende Wicklung erfolgt also berührungsfrei, so dass kein Verschleiß zu befürchten ist. Durch die Wahl eines Transformators als Mittel zur Einleitung elektrischer Energie in den Supraleiter ist auch sichergestellt, dass der Wärmeeintrag in den gekühlten Bereich niedrig bleibt, so dass die Effizienz der Supraleitung erhalten bleibt. Weiterhin ist die Vorrichtung möglichst kompakt aufgebaut oder aufbaubar, um eine hohe Leistungsdichte erreichen zu können, mit der eine Umerregung einer Läuferspule bei wechselnden Betriebsbedingungen möglich ist.
  • Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Anwendungen der Vorrichtung gemäß der Erfindung ergeben sich aus den vom Anspruch 1 abhängigen Ansprüchen.
  • Für die konstruktive Umsetzung des Erfindungskonzeptes sind verschiedene Ausgestaltungen denkbar: Die Primärwicklung und die Sekundärwicklung des Transformators können axial nebeneinander angeordnet sein. Alternativ ist auch eine radial übereinander angeordnete Positionierung von Primär- und Sekundärspule möglich. Ferner können die Primärwicklung und die Sekundärwicklung des Transformators an, auf oder in einem gemeinsamen Magnetflussleitkörper angeordnet sein oder auch an, auf oder in einem jeweils einem zugehörigen Magnetflussleitkörper. Die Primärwicklung des Transformators kann auch in einer Ausnehmung der Sekundärwicklung angeordnet sein, wie es umgekehrt auch möglich ist, die Sekundärwicklung in einer Ausnehmung der Primärwicklung anzuordnen.
  • In einer Ausführungsform sind die Primärwicklung und die Sekundärwicklung des Transformators durch einen Luftspalt beabstandet. In einer anderen Ausführungsform erfolgt die Beabstandung zwischen den beiden Wicklungen bevorzugt durch eine Lage oder Wand aus elektrisch nicht leitfähigem (dielektrischem), elektrisch isolierendem, insbesondere auch thermisch schlecht leitenden (wärmeisolierenden) Material, wobei insbesondere an Glasfaserkunststoff gedacht ist. Diese Wand kann insbesondere die Behälterwand eines kryogenen Behälters sein, in dessen Innern der Supraleiter angeordnet ist.
  • Der Transformator wandelt im Allgemeinen eine an seiner Primärwicklung anstehende Wechselspannung der Energiequelle in eine Wechselspannung in der Sekundärwicklung um.
  • Die Wechselspannung in der Sekundärwicklung des Transformators ist in einer Ausführungsform betragsmäßig (der Amplitude nach) kleiner als die Wechselspannung in der Primärwicklung des Transformators. In einer alternativen, bevorzugten Ausführungsform ist die Wechselspannung in der Sekundärwicklung des Transformators betragsmäßig größer als die Wechselspannung in der Primärwicklung des Transformators.
  • Gemäß einer weiteren Fortbildung ist vorgesehen, dass zwischen dem Transformator und der supraleitenden Läuferspule ein zweiter Transformator angeordnet ist. Besonders vorteilhaft ist es dann, wenn sowohl die Primärwicklung als auch die Sekundärwicklung des Transformators außerhalb des gekühlten Bereiches des Elektromotors angeordnet sind, diese Teile also beispielsweise im Wesentlichen auf Umgebungstemperatur liegen. Indes ist der zweite Transformator bevorzugt innerhalb des gekühlten Bereiches angeordnet. Der zweite Transformator transformiert eine Wechselspannung an seiner Primärwicklung, die mit der Sekundärwicklung des ersten Transformators verbunden ist, in eine an seiner Sekundärwicklung für den Supraleiter bereitgestellte Wechselspannung. Diese an der Sekundärwicklung des zweiten Transformators anliegende Wechselspannung ist vorzugsweise betragsmäßig kleiner als die Wechselspannung an der Primärwicklung des zweiten Transformators, insbesondere um die hochtransformierte Spannung des ersten Transformator wieder für den Supraleiter herunterzutransformieren.
  • Die an der Sekundärwicklung des zweiten Transformators anliegende Wechselspannung kann aber auch betragsmäßig größer sein als die Wechselspannung an der Primärwicklung des zweiten Transformators, falls dies erforderlich ist.
  • Zum Betrieb des Supraleiters oder der Läuferspule kann ferner zwischen Transformator und Supraleiter bzw. Spule bzw. zwischen zweitem Transformator und Supraleiter bzw. Spule mindestens ein Gleichrichter angeordnet sein, wobei insbesondere an eine Schaltung mit wenigstens einem MOSFET-Schalter gedacht ist; der Gleichrichter kann telemetrisch gesteuert sein.
  • Im Allgemeinen können die Frequenzen der Transformatorspannungen in weiten Grenzen gewählt werden. Die Effizienz des Motors wird insbesondere dadurch maximiert, dass der Transformator und/oder der zweite Transformator hochfrequent betrieben werden.
  • In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform ist der wenigstens eine Supraleiter rotiert oder rotierbar, insbesondere in einem Elektromotor als Läuferspule. Es ist dann vorzugsweise die Primärwicklung des Transformators relativ zum Supraleiter feststehend und die Sekundärwicklung des Transformators mit dem Supraleiter mitrotierbar oder mitrotierend.
  • In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung schematisch dargestellt. Es zeigen:
  • Fig. 1 einen Schnitt durch einen Synchronmotor mit einer supraleitenden Läuferspule gemäß einer ersten Ausgestaltung,
  • Fig. 2 eine andere Ausführung des Motors gemäß Fig. 1,
  • Fig. 3 eine weitere alternative Ausgestaltung zu Fig. 1 bzw. Fig. 2,
  • Fig. 4 eine weitere Alternative zu Fig. 1, 2 bzw. 3 und
  • Fig. 5 den Verlauf der Stromstärke in der Läuferspule über der Zeit.
  • In Fig. 1 ist schematisch ein Elektromotor 1 dargestellt, der eine supraleitende Läuferspule (Wicklung) 2 beinhaltet. Die Läuferspule 2 muss gekühlt werden, so dass in ihr Supraleitung auftreten kann. Hierzu weist der Elektromotor 1 einen gekühlten Bereich 9 auf, der in Fig. 1 durch strichpunktierte Linien angedeutet ist und innerhalb eines Kryobehälters 13 liegt. Zur Kühlung des Bereiches 9 wird eine Kühleinrichtung eingesetzt, die beispielsweise den Gifford-McMahon- Kreisprozess oder den Stirling-Kreisprozess nutzt. Die Läuferspule 2 besteht aus Hochtemperatur-Supraleitungsmaterial (HTSL-Material), so dass Supraleitung bereits bei Sprungtemperaturen über 35 K auftritt.
  • Die Läuferspule 2 wird von einer elektrischen Energiequelle 3 gespeist, die insbesondere in einem feststehenden Netzteil 15 vorgesehen ist. Zur Übertragung der elektrischen Energie ist ein erster Transformator 4 vorgesehen. Dieser weist eine Primärwicklung 5 auf, die axial an eine Sekundärwicklung 6 angrenzt, wobei zwischen beiden Wicklungen 5, 6 ein Luftspalt 7 vorhanden ist. Während die Primärwicklung 5 ortsfest angeordnet ist, ist die Sekundärwicklung 6 drehbar angeordnet, wobei sie fest mit dem nur schematisch skizzierten Rotor 13 verbunden ist, der mittels der Welle 14 in nicht dargestellten Lagern gelagert ist.
  • Die Primärwicklung 5 des Transformators 4 ist elektrisch mit der Energiequelle 3 verbunden. Die Energiequelle 3 erzeugt eine Wechselspannung U1, also eine zeitlich veränderliche, insbesondere in der Polarität alternierende, Spannung, die an der Primärwicklung 5 des Transformators 4 anliegt. Über den Luftspalt 7 wird die Wechselspannung U1 induktiv in die Sekundärwicklung 6 des Transformators 4 transformiert. Die transformierte Ausgangsspannung der Sekundärwicklung ist ebenfalls eine Wechselspannung und mit U2 bezeichnet. Während die Frequenz der Wechselspannung U2 im Allgemeinen mit der Frequenz der ursprünglichen Wechselspannung U1 übereinstimmt, kann das Verhältnis U2/U1 der beiden Wechselspannung U2 und U1, das sogenannte Transformations- oder Spannungsübersetzungsverhältnis, durch entsprechende Wahl der Primärwicklung 5 und der Sekundärwicklung 6, insbesondere deren Windungszahlen, eingestellt werden.
  • Wie Fig. 1 entnommen werden kann, befinden sich beide Wicklungen 5 und 6 des ersten Transformators 4 außerhalb des gekühlten Bereiches 9, also im Wesentlichen auf Umgebungstemperatur TU.
  • An den ersten Transformator 4 und namentlich an dessen Sekundärwicklung 6 schließt sich ein zweiter Transformator 8 an. Dieser wiederum steht mit der Läuferspule 2 in Verbindung und versorgt diese mit elektrischer Energie. Der zweite Transformator 8 ist im gekühlten Bereich 9 angeordnet, in dem die Supraleit-Temperatur TS herrscht. Die Primärwicklung 80 des zweiten Transformators 8 ist mit der Sekundärwicklung 6 des ersten Transformators 4 elektrisch über eine Stromleitung (Stromzuführung) 68 verbunden. Die Sekundärwicklung 81 des Transformators 8 ist dagegen elektrisch mit der Läuferspule 2 verbunden, in Fig. 1 in einem Mittenabgriff. Die an der Sekundärspule 81 des zweiten Transformators 8 erzeugte Versorgungsspannung ist wieder eine Wechselspannung und mit U3 bezeichnet.
  • Um die Wärmeeinleitung in den gekühlten Bereich 9 über die aus der im Warmen liegenden Sekundärwicklung 6 des Transformators 4 in den gekühlten Bereich 9 führende Stromleitung (Stromzuführung) 68 zu reduzieren, wird die von dem Netzteil 15 gelieferte Wechselspannung U1 von dem Transformator 4 hochtransformiert in eine deutlich höhere Spannung U2. Das Transformationsverhältnis kann dabei wenigstens 2, insbesondere wenigstens 5, betragen oder auch über 10 liegen. Durch die höhere Spannung U2 kann der Strom in der Stromleitung 68bei gleicher zu übertragender elektrischer Leistung verringert werden, so dass ohne Zunahme von Verlustleistung durch die dadurch bewirkte Widerstandserhöhung der Querschnitt der Stromleitung 68 deutlich verringert werden kann.
  • Beide Transformatoren 4 und 8 arbeiten im Hochfrequenzbetrieb. Die Betriebsfrequenz(en) liegt bzw. liegen typischerweise im Bereich zwischen 100 Hz und 1 MHz, kann bzw. können aber auch darunter oder darüber liegen.
  • Beide Transformatoren 4 und 8 weisen jeweils ein Transformationsverhältnis auf, das in weiten Grenzen frei gewählt werden kann.
  • Die Energie von der elektrischen Energiequelle 3 wird vorzugsweise vom ersten Transformator 4 bei höherer Spannung U2 und kleinerem Strom über die elektrische Verbindung, die Stromleitung 68 zum zweiten Transformator 8 "ins Kalte" geleitet.
  • Im zweiten Transformator 8 wird die elektrische Energie auf geringe Spannung U3 und hohe Stromstärke transformiert. Damit kann über den zweiten Transformator 8 die Stromstärke im Stromkreis des Supraleiters 2 auf die erforderlich Größe gebracht werden, indem die Spannung U2 in die geringere Spannung U3 heruntertransformiert wird. Im gekühlten Bereich 9, also bei kryogener Temperatur, treten nur geringe thermische Verluste auf.
  • Anschließend erfolgt in einem Gleichrichter - in Fig. 1 in Form einer Schaltung mit zwei MOSFET-Schaltern - die Gleichrichtung des Stromes, der zum Betrieb der supraleitenden Spule 2 nötig ist. Zum Betrieb des Gleichrichters 10 ist eine phasenrichtige Ansteuerung des MOSFET-Gates mit einer Spannung nötig, die von einer mitrotierenden Steuerung (Steuereinrichtung) 16 bei geringer Leistungsaufnahme erfolgt.
  • Die Steuerung 16 wird berührungslos durch eine nur schematisch dargestellte Telemetrieanlage 17 angesteuert. Dies erfolgt beispielsweise über Infrarotübertragung, über einen faseroptischen Schleifring oder über Funk. Die Telemetrie 17 ist in der Regel ohnehin zur Betriebsüberwachung der Läuferspule 2 hinsichtlich Temperatur und Spannung notwendig. Falls erforderlich, kann aus dem Transformator 4 auch die Energie für die Spannungsversorgung der Steuerung 16 bzw. der Telemetrie 17 entnommen werden.
  • In den Fig. 2, 3 und 4 sind alternative konstruktive Ausgestaltungen des Elektromotors 1 zu sehen.
  • Während in Fig. 1 die Primärwicklung 5 und die Sekundärwicklung 6 des Transformators 4 in Achsrichtung der Welle 14 nebeneinander angeordnet sind, ist gemäß Fig. 2 vorgesehen, dass die beiden Wicklungen 5, 6 radial übereinander positioniert sind. Der Luftspalt 7 verläuft hier also in Form eines Hohlzylinders. Ansonsten entspricht der Aufbau des Elektromotors 1 im Wesentlichen demjenigen gemäß Fig. 1.
  • In Fig. 3 ist ein Elektromotor 1 dargestellt, bei dem die Primärwicklung 5 des Transformators 4 in einer ringförmigen Ausnehmung 11 eines gemeinsamen Magnetflusskörper (Jochs) 65 für Primärwicklung 5 und Sekundärwicklung 6 angeordnet ist.
  • Hier gilt - wie für die anderen Ausgestaltungen auch -, dass zur Vermeidung von Wirbelströmen das flussführende Joch 65 des Transformators 4 aus geschichteten Eisenblechen (Trafoblechen) aus Ferrit besteht. Bei höheren Betriebsfrequenzen, namentlich im MHz-Bereich, ist es indes auch möglich, unter Verzicht auf Trafobleche eine induktive Energieübertragung vom Festen ins Rotierende durch die sich gegenüberliegenden Wicklungen 5, 6 zu bewerkstelligen.
  • Als weitere Variante des Elektromotors 1 ist gemäß Fig. 4 vorgesehen, dass nur ein Transformator - nämlich der Transformator 4 - zur Versorgung der Läuferspule 2 zum Einsatz kommt; ein zweiter Transformator 8 wie bei den Ausführungsformen gemäß Fig. 1, 2 und 3 ist nicht vorgesehen.
  • Die feststehende Primärwicklung 5 des Transformators 4 liegt dabei "im Warmen", also im Wesentlichen auf dem Niveau der Umgebungs-Temperatur TU. Die mitrotierende Sekundärwicklung 6 ist "im Kalten" angeordnet, also bei Supraleit-Temperatur TS.
  • Der Spalt zwischen beiden Wicklungen 5, 6 wird durch eine Wand 12 aus nichtleitfähigem Material ausgefüllt. Zum Einsatz kommt hier insbesondere glasfaserverstärkter Kunststoff. Dass sich dadurch unter Umständen ein größerer Abstand zwischen den Wicklungen 5, 6 ergibt als bei den Lösungen gemäß Fig. 1, 2 bzw. 3 ist bei hochfrequentem Transformatorbetrieb nicht problematisch. Die Wand 12 ist hier Teil der Wandung des Kryobehälters 13.
  • Es ergibt sich damit insgesamt ein einfacher konstruktiver Aufbau.
  • In Fig. 5 ist schematisch der Verlauf der Stromstärke I in der Läuferspule 2 über der Zeit t aufgetragen. Es sind dort drei Betriebszustände zu sehen:
    Zum raschen Laden der Spule 2 (Ladephase 18, MOSFET in Ladeschaltung) ist eine hohe Leistungsübertragung notwendig. Dazu wird die Gate-Versorgung der Gleichrichterbrücke in Ladeschaltung synchronisiert und mit hoher Spannung und/oder hoher Frequenz des Netzteils ein hoher Energieübertrag sichergestellt.
  • Während des Betriebes (Haltephase 19, MOSFET in Ladeschaltung) müssen nur die äußerst geringen Verluste der HTSL-Spule nachgespeist werden. Dazu reichen kleine Spannungen und/oder niedrige Frequenzen.
  • Zum Entladen (Entladephase 20, MOSFET in Entladeschaltung) wird die Phase der MOSFET-Synchronisation um 180° verschoben. Zur raschen Entladung werden wieder hohe Spannungen und/oder hohe Frequenzen gewählt.
  • Der Vorteil beim Einsatz von MOSFETs ist, dass hohe Spannungen und Frequenzen realisierbar sind, so dass eine rasche Anpassung an wechselnde Betriebsbedingung erfolgen kann. Zum Schutz der Wicklungen bei Fehlsynchronisation können Schutzdioden zum Einsatz kommen.
  • Die Entladung der Spule erfolgt also nach dem Transformator- Gleichrichter-Prinzip mit kalten MOSFET-Schaltern.
  • Mit der beschriebenen Ausgestaltung wird in vorteilhafter Weise auch erreicht, dass im Gegensatz zu Induktionsmaschinen, bei denen die Läuferspannung drehzahlabhängig ist, die beschriebene Energieübertragung im Wesentlichen drehzahlunabhängig ist.
  • Durch die vorgeschlagene Ausgestaltung werden die erfindungsgemäßen Ziele erreicht:
    Der Motor kann - weil auf Bürsten verzichtet werden kann - verschleißfrei betrieben werden. Es ergibt sich weiterhin ein insgesamt sehr kompakter Aufbau und damit eine hohe Leistungsdichte des Motors. Schließlich ist die durch die Energieeinleitung in den gekühlten Bereich eingetragene Wärme minimal, so dass sich eine effiziente Nutzung des supraleitenden Effektes erzielen lässt.

Claims (25)

1. Vorrichtung zur Versorgung wenigstens eines Supraleiters, insbesondere wenigstens einer supraleitenden Wicklung (2), der bzw. die auf wenigstens eine vorbestimmte Temperatur (TS) zur Erzielung der Supraleitung gekühlt oder kühlbar ist, mit elektrischer Energie umfassend
a) wenigstens eine elektrische Energiequelle (3),
b) wenigstens einen Transformator (4, 8) zur Übertragung der Energie zwischen der Energiequelle (3) und dem Supraleiter (2), wobei eine Primärwicklung (5) des Transformators (4) elektrisch mit der Energiequelle (3) verbunden oder gekoppelt ist und eine Sekundärwicklung (6) des Transformators (4) mit dem Supraleiter (2) elektrisch verbunden oder gekoppelt ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der der Supraleiter rotiert oder rotierbar ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, bei der die Sekundärwicklung (6) des Transformators (4) relativ zur Primärwicklung (5) rotiert oder rotierbar ist und mit dem Supraleiter (2) mitrotiert oder mitrotierbar ist.
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Primärwicklung (5) und die Sekundärwicklung (6) des Transformators (4) durch einen Luftspalt (7) beabstandet sind.
5. Vorrichtung nach einen der Ansprüche 1 bis 3, bei der zwischen der Primärwicklung (5) und der Sekundärwicklung (6) des Transformators (4) eine Lage oder Wand (12) aus elektrisch isolierendem und/oder wärmeisolierendem Material, insbesondere aus Glasfaserkunststoff, angeordnet ist.
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Supraleiter (2) innerhalb eines gekühlten oder kühlbaren Bereiches (9) angeordnet ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, bei der die Primärwicklung (5) des Transformators (4) außerhalb des gekühlten oder kühlbaren Bereiches (9) angeordnet ist und/oder die Sekundärwicklung (6) des Transformators (4) innerhalb des gekühlten oder kühlbaren Bereiches (9) angeordnet ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 6, bei der sowohl die Primärwicklung (5) als auch die Sekundärwicklung (6) des Transformators (4) außerhalb des gekühlten oder kühlbaren Bereiches (9) angeordnet sind.
9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Transformator (4) eine an der Primärwicklung (5) anstehende Wechselspannung (U1) in eine Wechselspannung (U2) in der Sekundärwicklung (6) umwandelt.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, bei der die Wechselspannung (U2) in der Sekundärwicklung (6) des Transformators (4) betragsmäßig kleiner ist als die Wechselspannung (U1) in der Primärwicklung (5) des Transformators (4).
11. Vorrichtung nach Anspruch 9, bei der die Wechselspannung (U2) in der Sekundärwicklung (6) des Transformators (4) betragsmäßig größer ist als die Wechselspannung (U1) in der Primärwicklung (5) des Transformators (4).
12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der elektrisch zwischen die Sekundärwicklung (6) des genannten Transformators (4) und den Supraleiter (2) ein zweiter Transformator (8) geschaltet ist.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12 in Rückbeziehung auf Anspruch 6 oder einen auf Anspruch 6 rückbezogenen Anspruch, bei der der zweite Transformator (8) innerhalb des gekühlten oder kühlbaren Bereiches (9) angeordnet ist.
14. Vorrichtung nach Anspruch 12 oder Anspruch 13, bei der eine an einer Primärwicklung (80) des zweiten Transformators (8), die mit der Sekundärwicklung (6) des ersten Transformators (4) verbunden ist, anliegende Wechselspannung (U2) in eine an einer Sekundärwicklung (81) des zweiten Transformators (8) für den Supraleiter (2) bereitgestellte Wechselspannung (U3) umgewandelt wird.
15. Vorrichtung nach Anspruch 14, bei der die Wechselspannung (U3) an der Sekundärwicklung (81) des zweiten Transformators (8) betragsmäßig kleiner ist als die Wechselspannung (U2) an der Primärwicklung (80) des zweiten Transformators (8).
16. Vorrichtung nach Anspruch 14, bei der die Wechselspannung (U3) an der Sekundärwicklung (81) des zweiten Transformators (8) betragsmäßig größer ist als die Wechselspannung (U2) an der Primärwicklung (80) des zweiten Transformators (8).
17. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der elektrisch zwischen den Transformator (4) und den Supraleiter (2) bzw. zwischen den zweiten Transformator (8) und den Supraleiter (2) mindestens ein Gleichrichter (10), der insbesondere wenigstens einen MOSFET-Schalter umfasst, geschaltet oder schaltbar ist.
18. Vorrichtung nach Anspruch 17, bei der der Gleichrichter (10) telemetrisch (17) gesteuert oder steuerbar ist.
19. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Transformator (4) und/oder der zweite Transformator (8) hochfrequent betrieben werden oder betreibbar sind.
20. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Primärwicklung (5) und die Sekundärwicklung (6) des wenigstens einen Transformators (4) axial nebeneinander angeordnet sind.
21. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Primärwicklung (5) und die Sekundärwicklung (6) des Transformators (4) radial übereinander angeordnet sind.
22. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Primärwicklung (5) und die Sekundärwicklung (6) des Transformators (4) an auf oder in einem gemeinsamen Magnetflussleitkörper (65) angeordnet sind.
23. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Primärwicklung (5) und die Sekundärwicklung (6) des Transformators (4) an auf oder in jeweils einem zugehörigen Magnetflussleitkörper (65) angeordnet sind.
24. Elektromotor mit
a) wenigstens einer supraleitenden Wicklung (2) und
b) einer Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Versorgung der wenigstens einen supraleitenden Wicklung.
25. Elektromotor nach Anspruch 24, bei dem die wenigstens eine supraleitende Wicklung (2) Bestandteil eines rotierbaren Läufers ist.
DE10156212A 2001-11-15 2001-11-15 Vorrichtung zur elektrischen Versorgung wenigstens eines Supraleiters Ceased DE10156212A1 (de)

Priority Applications (7)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE10156212A DE10156212A1 (de) 2001-11-15 2001-11-15 Vorrichtung zur elektrischen Versorgung wenigstens eines Supraleiters
EP02791595A EP1454404A1 (de) 2001-11-15 2002-10-31 Vorrichtung zur elektrischen versorgung wenigstens eines supraleiters
JP2003548381A JP4309274B2 (ja) 2001-11-15 2002-10-31 少なくとも１つの超電導体に給電する装置
KR1020047007373A KR100991301B1 (ko) 2001-11-15 2002-10-31 하나 이상의 초전도체에 전력을 공급하기 위한 전동기
PCT/DE2002/004071 WO2003047077A1 (de) 2001-11-15 2002-10-31 Vorrichtung zur elektrischen versorgung wenigstens eines supraleiters
US10/846,361 US20040256922A1 (en) 2001-11-15 2004-05-14 Device for supplying electric power to a superconductor
US11/423,186 US7355307B2 (en) 2001-11-15 2006-06-09 Rotary transformer for supplying electric power to a superconducting rotor

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE10156212A DE10156212A1 (de) 2001-11-15 2001-11-15 Vorrichtung zur elektrischen Versorgung wenigstens eines Supraleiters

Publications (1)

Publication Number Publication Date
DE10156212A1 true DE10156212A1 (de) 2003-06-05

Family

ID=7705906

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE10156212A Ceased DE10156212A1 (de) 2001-11-15 2001-11-15 Vorrichtung zur elektrischen Versorgung wenigstens eines Supraleiters

Country Status (6)

Country Link
US (2) US20040256922A1 (de)
EP (1) EP1454404A1 (de)
JP (1) JP4309274B2 (de)
KR (1) KR100991301B1 (de)
DE (1) DE10156212A1 (de)
WO (1) WO2003047077A1 (de)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2007036430A1 (de) * 2005-09-30 2007-04-05 Siemens Aktiengesellschaft Verfahren und vorrichtung zur induktiven energieübertragung an supreleitende erregerspulen einer elektrischen maschine
CN100571007C (zh) * 2006-05-16 2009-12-16 中国科学院电工研究所 超导储能用双向多电平软开关dc/dc及其电压侧移相控制方法
EP2551999A1 (de) * 2011-07-27 2013-01-30 Siemens Aktiengesellschaft Elektrische Maschine mit schleifringloser Erregung
WO2017060509A1 (de) * 2015-10-09 2017-04-13 Oswald Elektromotoren Gmbh Elektrische maschine

Families Citing this family (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005204492A (ja) * 2003-12-19 2005-07-28 Sumitomo Electric Ind Ltd 超電導モータ装置
DE102004048961A1 (de) * 2004-10-07 2006-04-27 Siemens Ag Elektrische Maschine mit HTS-Läuferwicklung
DE102005047541A1 (de) * 2005-09-30 2007-05-03 Siemens Ag Verfahren zur Energiezu- und -abfuhr zu und aus einer ohmsch-induktiven Last und dabei verwendeter Gleichrichter
DE102005047451A1 (de) 2005-09-30 2007-04-12 Siemens Ag Synchronmaschine
US8134345B2 (en) * 2005-11-29 2012-03-13 General Electric Company Cryogenic exciter
JP5201551B2 (ja) 2008-08-06 2013-06-05 株式会社Ｉｈｉ 超電導コイル及び磁場発生装置
TWI379328B (en) * 2008-12-02 2012-12-11 Delta Electronics Inc Magnetic element
JP4701294B2 (ja) * 2009-01-30 2011-06-15 アイシン精機株式会社 超電導装置
JP5705238B2 (ja) * 2010-12-10 2015-04-22 三菱電機株式会社 回転電機
US8320088B2 (en) * 2010-12-20 2012-11-27 Varian Semiconductor Equipment Associates, Inc. Power transfer mechanism for use in transmission and distribution level electrical power systems
KR101446866B1 (ko) * 2013-04-16 2014-10-06 정윤도 고온 초전도 코일을 이용한 무선전력전송장치
US9972429B2 (en) * 2014-08-11 2018-05-15 Victoria Link Limited Superconducting current pump
US9998047B2 (en) * 2015-01-16 2018-06-12 Hamilton Sundstrand Corporation Synchronous machine with rechargeable power storage devices
WO2018183579A1 (en) * 2017-03-28 2018-10-04 NAITO, Allison Superconducting magnet engine
DE102020207000B4 (de) 2019-06-19 2023-02-23 Universität Stuttgart, Körperschaft Des Öffentlichen Rechts Elektrisch erregte Maschine und Anordnung für eine elektrisch erregte Maschine
EP4068311B1 (de) * 2021-03-30 2024-02-28 Bruker Switzerland AG Verfahren zum laden und/oder entladen und/oder zur ladungsumkehr eines supraleitenden schalterfreien supraleitenden geschlossenen stromkreises durch gleichstromeinspeisung, supraleitender schalterfreier supraleitender geschlossener stromkreis zur verwendung mit diesem verfahren, supraleitender magnet und verfahren zur herstellung des supraleitenden stromkreises
US20230188011A1 (en) * 2021-12-14 2023-06-15 Schaeffler Technologies AG & Co. KG Telemetry system for electric motor rotor

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE1238098B (de) * 1964-06-19 1967-04-06 Siemens Ag Verfahren zum Auferregen einer supraleitenden Magnetspule
DE4019241C2 (de) * 1990-06-15 1993-08-05 Temic Telefunken Microelectronic Gmbh, 7100 Heilbronn, De
EP0860936A2 (de) * 1997-02-20 1998-08-26 Charles Bowker Elektroenergieübertragung

Family Cites Families (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US2448028A (en) * 1943-12-24 1948-08-31 Raytheon Mfg Co Electrical system
US3273046A (en) * 1961-05-08 1966-09-13 Gen Electric Inverter circuits with independent commutation circuits
DE1488730B2 (de) * 1965-11-17 1971-03-25 Siemens AG, 1000 Berlin u 8000 München Synchrongenerator insbesondere turbogenerator mit supra leitender erregerwicklung
US3934332A (en) * 1974-11-26 1976-01-27 Westinghouse Electric Corporation Method of making electrical coils having improved strength and oil permeability
DE3027340C2 (de) * 1980-07-18 1983-10-27 Valentin Nikolaevič Leningrad Šachtarin Kontaktlose supraleitende Synchronmaschine
US4598241A (en) * 1982-07-12 1986-07-01 Mykola Sereda Rectifier commutation in electrical machines
JPS63310366A (ja) 1987-06-10 1988-12-19 Hitachi Ltd 同期機
US5442956A (en) * 1992-06-03 1995-08-22 Trw Inc. Torque sensor for a power assist steering system
CA2109652A1 (en) * 1992-11-25 1994-05-26 Richard J. Becker Rotary transformer
US5482919A (en) * 1993-09-15 1996-01-09 American Superconductor Corporation Superconducting rotor
US5532532A (en) * 1993-09-17 1996-07-02 Martin Marietta Energy Systems, Inc. Hermetically sealed superconducting magnet motor
US5965959A (en) * 1996-07-02 1999-10-12 American Superconductor Corporation Superconducting magnets and power supplies for superconducting devices
WO2001058005A2 (en) * 2000-01-11 2001-08-09 American Superconductor Corporation Exciter assembly telemetry
US6420842B1 (en) * 2000-01-11 2002-07-16 American Superconductor Corporation Exciter and electronic regulator for rotating machinery
US6362588B1 (en) * 2000-02-09 2002-03-26 Reliance Electric Technologies, Llc Excitation system for rotating synchronous machines

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE1238098B (de) * 1964-06-19 1967-04-06 Siemens Ag Verfahren zum Auferregen einer supraleitenden Magnetspule
DE4019241C2 (de) * 1990-06-15 1993-08-05 Temic Telefunken Microelectronic Gmbh, 7100 Heilbronn, De
EP0860936A2 (de) * 1997-02-20 1998-08-26 Charles Bowker Elektroenergieübertragung

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2007036430A1 (de) * 2005-09-30 2007-04-05 Siemens Aktiengesellschaft Verfahren und vorrichtung zur induktiven energieübertragung an supreleitende erregerspulen einer elektrischen maschine
CN100571007C (zh) * 2006-05-16 2009-12-16 中国科学院电工研究所 超导储能用双向多电平软开关dc/dc及其电压侧移相控制方法
EP2551999A1 (de) * 2011-07-27 2013-01-30 Siemens Aktiengesellschaft Elektrische Maschine mit schleifringloser Erregung
WO2017060509A1 (de) * 2015-10-09 2017-04-13 Oswald Elektromotoren Gmbh Elektrische maschine
US10886820B2 (en) 2015-10-09 2021-01-05 Oswald Elektromotoren Gmbh Electrical machine

Also Published As

Publication number Publication date
US7355307B2 (en) 2008-04-08
JP2005510997A (ja) 2005-04-21
EP1454404A1 (de) 2004-09-08
US20070070559A1 (en) 2007-03-29
KR20040053312A (ko) 2004-06-23
KR100991301B1 (ko) 2010-11-01
JP4309274B2 (ja) 2009-08-05
US20040256922A1 (en) 2004-12-23
WO2003047077A1 (de) 2003-06-05

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE10156212A1 (de) Vorrichtung zur elektrischen Versorgung wenigstens eines Supraleiters
EP3920385B1 (de) Elektrisch erregte maschine und anordnung für eine elektrisch erregte maschine
DE3789570T2 (de) Induktionsheizungs- und -schmelzsysteme mit Induktionsspulen.
EP2132866B1 (de) Linearmaschine mit einem primärteil und einem sekundärteil
DE102022201589A1 (de) Rotoranordnung für eine fremderregte Synchronmaschine
DE69512217T2 (de) Direktwirkendes berührungloses elektrisches leistungskabel
DE60019609T2 (de) Supraleitender elektromotor
EP0799517A1 (de) Anordnung zur berührungslosen induktiven übertragung elektrischer leistung
CH677549A5 (de)
DE10203651A1 (de) Übertrager
EP1938443B1 (de) Synchronmaschine
EP1929616B1 (de) Erregereinrichtung für eine elektrische maschine
DE10303307A1 (de) Maschine mit einem Rotor und einer supraleltenden Rotorwicklung
DE69221281T2 (de) Röntgenröhre mit Schleifringlager
DE69107548T2 (de) Vorrichtung zum induktiven Erwärmen.
DE4429656C1 (de) Einrichtung zur berührungsfreien Übertragung elektrischer Energie auf einen Gegenstand
EP0774826B1 (de) Synchronmotor
DE102014224363A1 (de) Vorrichtung der Supraleitungstechnik mitSpuleneinrichtungen und Kühlvorrichtung sowie damitausgestattetes Fahrzeug
DE19753320A1 (de) Verfahren zur Kühlung einer Wechselstrommaschine, insbesondere Transversalflußmaschine und Wechselstrommaschine
EP0511549B1 (de) Galette zum Erhitzen eines laufenden Fadens
EP1906503A1 (de) Generatorableitung für einen Kraftwerksgenerator
DE19538261C2 (de) Induktiv beheizte Galette
DE102010006041A1 (de) Vorrichtung zum Anwärmen metallischer Bauteile
DE4005129A1 (de) Vorrichtung zur induktiven erwaermung von koerpern mittels hochfrequenter schwingungen
DE102022132027A1 (de) Induktionsheizvorrichtung, System, Produktionslinie, Verfahren und Verwendung

Legal Events

Date Code Title Description
OP8 Request for examination as to paragraph 44 patent law
8131 Rejection