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EP3224839A1 - Elektrische spuleneinrichtung zur induktiv-resistiven strombegrenzung - Google Patents

Elektrische spuleneinrichtung zur induktiv-resistiven strombegrenzung

Info

Publication number
EP3224839A1
EP3224839A1 EP16706861.8A EP16706861A EP3224839A1 EP 3224839 A1 EP3224839 A1 EP 3224839A1 EP 16706861 A EP16706861 A EP 16706861A EP 3224839 A1 EP3224839 A1 EP 3224839A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
support body
superconducting layer
coil device
superconducting
coil
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.)
Withdrawn
Application number
EP16706861.8A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Anne Bauer
Peter Kummeth
Christian Schacherer
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 AG
Siemens Corp
Original Assignee
Siemens AG
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 AG, Siemens Corp filed Critical Siemens AG
Publication of EP3224839A1 publication Critical patent/EP3224839A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F6/00—Superconducting magnets; Superconducting coils
    • H01F6/06—Coils, e.g. winding, insulating, terminating or casing arrangements therefor
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F41/00—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing or assembling magnets, inductances or transformers; Apparatus or processes specially adapted for manufacturing materials characterised by their magnetic properties
    • H01F41/02—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing or assembling magnets, inductances or transformers; Apparatus or processes specially adapted for manufacturing materials characterised by their magnetic properties for manufacturing cores, coils, or magnets
    • H01F41/04—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing or assembling magnets, inductances or transformers; Apparatus or processes specially adapted for manufacturing materials characterised by their magnetic properties for manufacturing cores, coils, or magnets for manufacturing coils
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F41/00—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing or assembling magnets, inductances or transformers; Apparatus or processes specially adapted for manufacturing materials characterised by their magnetic properties
    • H01F41/02—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing or assembling magnets, inductances or transformers; Apparatus or processes specially adapted for manufacturing materials characterised by their magnetic properties for manufacturing cores, coils, or magnets
    • H01F41/04—Apparatus or processes specially adapted for manufacturing or assembling magnets, inductances or transformers; Apparatus or processes specially adapted for manufacturing materials characterised by their magnetic properties for manufacturing cores, coils, or magnets for manufacturing coils
    • H01F41/048—Superconductive coils

Definitions

  • the invention relates to an electrical coil device with a choke coil for inductive-resistive current limiting. Furthermore, the invention relates to an inductive-resistive current limiter device and a manufacturing method with such an electric coil device.
  • Choke coils are inductive AC resistors, which are often used to limit short-circuit currents and to reduce high-frequency current components on electrical lines. They usually have a low
  • inductors can also be connected in series with a consumer to act as a series resistor and so reduce the voltage applied to the consumer AC voltage.
  • inductors with windings made of normally conducting materials such as copper or aluminum are typically used to limit the current or to smooth the current characteristics.
  • sol ⁇ cher choke coils reduces the network stability, which is in the course of the energy transition, especially at feeding of elec tric energy ⁇ by a plurality of decentralized Energypeiser of increasing importance.
  • the stability ty increase of electrical AC voltage networks it is highly desirable that, in normal operation, the Induk ⁇ tivity of the reactor is small, but that they quickly assumes a high value of ⁇ in Sturgeon ⁇ drop or current is being limited.
  • connection resistance entste ⁇ hen electrical losses due to the current induced in the inner coil current flow, which in turn lead to a higher cost in cooling the superconducting coil.
  • Another disadvantage of the subsequent connection of the coil windings is the expensive preparation of the contact points and in their error proneness.
  • the object of the invention is therefore to specify an electrical coil device for inductive-resistive current limiting, which avoids the disadvantages mentioned.
  • a fast and reliable change of Indukti ⁇ tivity of the reactor is to be achieved with low electrical losses in normal operation and simplified manufacturing.
  • Further objects of the invention are to provide an inductive-resistive current limiter device with such a coil device and a production method for such a coil device.
  • the coil device comprises an inductor and a choke coil disposed within the Tragkör ⁇ per.
  • a ring-shaped closed conductor element each having at least one ring-shaped ⁇ closed superconducting layer is at least arranged.
  • Under a ring-shaped superconducting superconducting layer here is a continuous superconducting layer verstan ⁇ den, which is closed in a ring by uniform superconducting material in itself. So there should be no additional electrical contacts in which the superconducting material is electrically connected, for example, by normally conducting materials. Instead, an annular superconducting conductor loop is already produced by the deposition of the superconducting layer.
  • Coil means can be operated with lower losses than without such compensation.
  • the coil device is suitably designed so that in case of failure, ie at currents in the inductor above a predetermined
  • the currents induced in the annular closed supralei ⁇ border layer increase so much that the critical current density is exceeded and the superconductivity collapses in this layer.
  • the inductance of the inductor increases due to the then lack of Magnetfeldkompensa- tion in its interior, and in an external circuit, in which the inductor is incorporated, flowing fault current can be effectively limited. This limitation happens very quickly and without additional control, as would be necessary when retracting a plunger into the coil.
  • the advantage of the coil device according to the invention is that by the absence of subsequently introduced contacts, in particular ohmic contacts, additional resistors in the annular conductor elements can be avoided.
  • the ring current flows instead in a continuous superconducting layer, which reduces the heat development within the superconducting layer. Since the at least one superconducting conductor element for the operation of the coil device must be cooled to a temperature below its transition temperature, is in
  • cooling device Area of these conductor elements expediently provided a cooling device.
  • the required cooling capacity of this cooling device is advantageously lower the lower the electrical losses in the annular conductor elements. In a continuous superconducting annular layer such losses are reduced.
  • a further advantage lies in a greater fault tolerance of the continuously superconducting layer deposited, for example, directly on the support body.
  • small imperfections with non-superconducting regions can be tolerated more easily, especially since the annularly closed superconducting layer can be made much wider than an annular closed winding of typically only a few mm wide strip conductors.
  • the superconducting properties of such conventional tape conductors can easily degrade, causing additional electrical and thermal losses.
  • the inductive current limiting device has an electrical coil device according to the invention.
  • a current limiter device has electrical contacts for integrating the choke coil in an external circuit.
  • This external circuit can be, for example, an AC power network, in particular an AC medium-voltage network.
  • the method for producing an electric coil device according to the invention is characterized by the step of depositing an annularly closed superconducting layer on a surface of the support body.
  • the manufacturing process can comprise a plurality of further steps, such as, for example, the production of the choke coil and the introduction of the support body coated in this way into an interior of the choke coil.
  • Characteristic of the invention is the production of an annularly closed and continuous superconducting layer, in particular in a coating step and without the subsequent attachment of electrical contacts for producing the at least one annular closed conductor element.
  • the choke coil and the support body with the at least one superconducting conductor element may have a common central axis.
  • the choke coil and the support body can be arranged coaxially with each other, wherein the support body is then co-axially positio ⁇ ned in the interior of the choke coil.
  • Such a coaxial arrangement is particularly expedient in order to achieve as far as possible compensation of the total magnetic field present in the interior of the entire arrangement, in particular in the interior of the at least one annular conductor element.
  • the central axis may expediently be an axis of symmetry of the choke coil and / or the support body. In this case, for example, a rotational symmetry of the choke coil and / or support body may be present, but it may also be a lower type of
  • the support body may comprise at least a cylinder-like surface on which the at least one annular gesche ⁇ ne superconducting layer.
  • the superconducting layer itself may also have the shape of a cylindrical surface.
  • this lateral surface can be defined either by a single superconducting layer, or several such annularly closed layers can also be present on a common cylindrical circumferential surface. In the said lateral surface, it may be the Mantelflä ⁇ che a straight cylinder.
  • a straight cylinder is to be understood, according to the general geometric definition, to be a body which, by displacement of a flat base along a perpendicular to her straight line arises.
  • the shape is therefore not limited to cylinders with a circular base.
  • oval, egg-shaped or rectangular bases may also be present. It can also be used other than rectangular poly ⁇ gonmers to define the base surface, wherein the corners of the polygons can be both pointed and rounded.
  • lateral surfaces may also specify the layer geometry.
  • ⁇ play may be on the coated surface of the support body and a concave and / or convex curved surface.
  • a symmetry with respect to a centra ⁇ len axis can also be present at such an overall curved lateral surface.
  • the support body may also have a trapezoidal cross-section.
  • the support body may be formed as a hollow body, for example as a hollow cylinder.
  • An advantage of this execution ⁇ form is the low use of material.
  • a substantially field-free space is created in normal operation state by the Ab ⁇ shielding, be required in the not necessarily more electromagnetically active Mate ⁇ rials.
  • the coil device can thus be advantageously designed coreless in the interior of the support body.
  • other components can be arranged in the interior of such a hollow body, ⁇ example, an additional soft magnetic core, either as a fixed positioned core or as a plunger can be formed.
  • the at least one annularly closed superconducting layer can then be arranged on an inner surface of the carrier body designed as a hollow body.
  • This can be particularly advantageous in ⁇ example, if the support ⁇ body at the same time as part of a coolant vessel, as a wall of a cryostat or generally as part of adevor- direction and / or thermal insulation for the area to be cooled of the superconducting layer is used.
  • the support body mainly electrically non-conductive materials such as plastic, ceramic materials, glass fiber reinforced plastic, carbon fiber reinforced plastic, hard tissue or hard paper.
  • a carrier body made of mainly conductive material it is advantageous to provide a continuously non-conductive region at least in the longitudinal direction, which prevents induced eddy currents in the carrier body.
  • electrically non-conductive materials have the advantage that the induction of currents through the magnetic field of the inductance coil is avoided. Said Koen ⁇ nen additional electrical and thermal losses are kept low. In addition, the influence of the unwanted induced currents on the impedance change decreases.
  • a support body formed as a hollow body may alternatively or additionally also be provided on its outer lateral surface with the at least one annularly closed superconducting layer.
  • the support body can be made of electrically conductive and / or non-conductive materials, since this is arranged in the electromagnetically shielded by the superconducting layer region and thus advantageously prevents the formation of induction ⁇ currents in the support body by this shield becomes.
  • the support body is made of non-conductive materials, since the shielding effect of the induced currents during the short-circuit current limit should be reduced.
  • the support body may also comprise the above-mentioned non-conductive materials and / or metallic materials such as steel, stainless steel or alloys such as Hastelloy or nickel-tungsten alloys.
  • the support body can also here as part of a coolant vessel wall as a cryostat or all ⁇ common as part of a cooling device and / or thermal Insulation serve for the area to be cooled of the superconducting layer.
  • the support body can also be embodied as a solid body, in which case the outer surface is then provided with the at least one annularly closed superconducting layer.
  • the materials can be selected as freely as in the case of an externally coated hollow body, for example from the list of materials mentioned in the preceding paragraph.
  • the at least one annularly closed superconducting layer can have a high-temperature superconducting material.
  • High-temperature superconductors are superconducting
  • the high-temperature superconductive layer may comprise, for example, magnesium diboride or an oxide-ceramic superconductor, for example a REBa 2 Cu30 x (REBCO) compound for short, where RE stands for a rare earth element or a mixture of such elements.
  • REBa 2 Cu30 x (REBCO) compound for short, where RE stands for a rare earth element or a mixture of such elements.
  • suitable as a pre-structured substrate surface is advantageous for a high quality of these supralei ⁇ Tenden layers may optionally be provided with one or meh ⁇ reren intermediate layers as a growth substrate.
  • metallic superconductors in the annular conductor element.
  • several parallel extending annularly closed superconducting conductor ⁇ elements may be arranged, each with at least one annular gesche ⁇ NEN superconducting layer on the support body.
  • Th other WOR plurality of such conductive elements may be arranged axially offset on the support body, each conductor element forms a self-contained, through superconducting conductor ⁇ loop without a ohmic contacts.
  • the individual ringför ⁇ -shaped conductor elements may be electrically isolated against each other, for example, but they can also be electrically connected. They can be connected to one another in a normally conducting manner, for example via an electrically conductive supporting body, or the different axially offset partial rings can be connected to one another by superconducting bridges.
  • the various sub-rings can optionally have been together with such bridges, by a common coating step on the support body ist ⁇ eliminated.
  • each of these conductor elements can have an axial extent of at least 1 mm, in particular at least 20 mm.
  • the width of the Lei ⁇ ter elements can thus be clearly borrowed greater than, for example, by an annular short-circuiting of commercially available superconducting band conductor can be achieved.
  • the coated outer surface of the support body may also have uncoated portions in addition to the annular conductor elements. This can be the case both in embodiments with only one conductor element and in particular inticiansfor ⁇ men with a plurality of juxtaposed partial rings.
  • the at least one annular conductor element may also have a superconducting layer with a varying layer, for example, in order to adapt the layer thickness or width to the expected distribution of the magnetic field.
  • the electrical coil device may have a cooling device for cooling the at least one superconducting layer, which comprises a cryostat.
  • a cooling device for cooling the at least one superconducting layer, which comprises a cryostat.
  • the superconducting layer can thus be cooled to a temperature ⁇ operation below the critical temperature of the superconducting material.
  • the cooling device permanently such a cryogenic temperature can be maintained. If the winding of the choke coil is formed of a normal conducting conductor, the choke coil outside the
  • Cryostats be arranged.
  • the winding of the choke coil also within the
  • cryostats especially when it is also in the winding of the choke coil to a superconducting winding.
  • the cryostat can be designed to be particularly advantageous without electrical feedthroughs. It can therefore be designed as a largely closed vessel with particularly low thermal losses, because for the shielding of the annularly closed conductor element no electrical contact with an external circuit is necessary.
  • the annular closed superconducting layer may be arranged on a wall of the cryostat.
  • the support body carrying the superconducting layer may constitute one of the boundary walls of the cryostat.
  • Such a boundary wall can then, for example, by a
  • Layer advantageously be deposited by aerosol deposition.
  • aerosol deposition is understood to mean the deposition of a layer from an aerosol, that is to say from a dispersion of solid particles in a gas.
  • a starting material of the superconductive layer may be dispersed as being dispersed in a gas
  • Powder present Such a powder aerosol till ⁇ different layer is easily distinguished at the grain structure of the underlying ⁇ lying powder of layers of other previously known coating method, such as physical shearing or chemical vapor deposition. With the methods of aerosol deposition superconducting layers can be deposited much easier than with conventional methods on non-planar surfaces such as the lateral surface of the present support body here.
  • the superconducting layer may advantageously comprise magnesium diboride.
  • This superconducting layer can particularly advantageously comprise magnesium diboride as the main constituent or even consist essentially of magnesium diboride.
  • a waste divorce a Magnesiumdiborid Anlagen from a powder Aero ⁇ sol is particularly well possible, as described for example in DE 10 2010 031741 B4.
  • the dispersed in the aerosol, and serving as a starting material powder can either be already ⁇ as magnesium diboride or as a powder mixture consisting of elemental magnesium and boron or as a mixture of all three components, magnesium diboride, magnesium and boron vorlie ⁇ gen.
  • Magnesium diboride in defined layers for example 1 ym up to 100 ym are produced.
  • a magnesium diboride layer deposited by aerosol deposition can also be applied to non-planar substrates with replication of their surface. chen Weghoff applied as a continuous coating.
  • Gasphasenabschei ⁇ tion such as chemical vapor deposition, sputtering or evaporation
  • significantly thicker superconducting layers can be deposited via the aerosol deposition in a simple manner. It is advantageous in the film thickness of the superconducting layer is at least 0.5 ym, ym especially before ⁇ geous even at least.
  • Magnesium diboride has a transition temperature of about 39 K and is thus considered as a high-temperature superconductor, but the transition temperature is rather low compared to other HTS materials.
  • the advantages of this material in comparison with high-temperature oxide-ceramic superconductors lie in its ease of manufacture and, therefore, in a particularly flexible choice of substrate materials and substrate geometries.
  • the superconducting layer may comprise a high-temperature oxide ceramic superconductor.
  • it may be a material of the type REBa 2 Cu30 x . This material class advantageously allows the formation of electrical conductors with higher operating temperatures than for example with magnesium diboride.
  • the annularly closed superconducting layer can be deposited from a solution before ⁇ geous. This may be advantageous in particular for the deposition of thicker, oxide-ceramic superconducting layers.
  • Figure 1 is a schematic perspective Thomasdarstel ⁇ development of a coil device according to the prior art
  • Figure 2 is a schematic perspective Thomasdarstel ⁇ development of a coil device according to a first embodiment
  • Figure 3 is a schematic perspective view of a
  • FIG. 4 shows a schematic cross section of a coil device according to a third exemplary embodiment
  • FIG. 5 shows a schematic cross section of a coil device according to a fourth exemplary embodiment
  • FIG. 6 shows a schematic cross section of a coil device according to a fifth exemplary embodiment.
  • FIG. 1 shows a schematic perspective view of a coil device according to the prior art as a half section through the center of the coil device 1. Shown is a throttle coil 3 arranged on the outer circumference, which radially surrounds the other components of the coil device 1 shown.
  • This choke coil 3 serves to limit a short-circuit current and to smooth the current profile in a higher-level circuit.
  • the choke coil 3 is connected via two terminals 19 to the circuit not shown here, in which the current I flows.
  • This circuit can be, for example, an AC medium-voltage network, but the choke coil 3 can also be designed in general for other industrial or local networks.
  • the choke coil 3 may be designed, for example, for low voltage nets with interchangeable clamping ⁇ voltages between 100V and 1000V, alternatively, it may be medium voltage networks for voltages between 52kV and AFR or to high-voltage networks for voltages act above 52kV.
  • the choke coil can be designed in particular for a power range of at least 250 kVA, in particular at least 400 kVA or even at least 630 kVA.
  • a cryostat 13 is arranged, which is configured in this example as a bath cryostat and a coolant 14 includes.
  • a cryostat Within the cryostat an arrangement of a plurality of superconducting conductor elements 7 is arranged, which conductor elements 7 are respectively short-circuited as ⁇ connected rings made of superconducting strip conductor material 8 before ⁇ . Due to the magnetic field generated by the choke coil, a ring current is induced in the annular conductor elements 7. Due to the superconducting properties of the stripline 8, this ring current flows almost lossless.
  • the coolant 14 within the cryostat 13 the supra ⁇ conductive conductor elements 7 are cooled to an operating temperature below its transition temperature.
  • the induced ring currents cause a shielding of the magnetic field of the choke coil 3 in the further inner region of the coil device 1.
  • This effect is shown schematically in FIG. 1 in the diagram shown below. It shows the course of the magnetic field strength H as a function of the radial position r. For large values of the radius r, which are far outside the choke coil 3, the magnetic Feldstär ⁇ ke almost zero. In the radially outer region of the inductor, the field strength is large in magnitude, inside the Dros ⁇ selspule then undergoes a zero crossing and rises to the radially inner region of the inductor back to its maximum value Hi on.
  • the magnetic field intensity inside the choke coil initially remains relatively constant at Hi, but is then reduced again to a value close to zero by the shielding effect of the annularly closed conductor elements 7. This results in a compensation of the magnetic field in a radially inner region of the coil device 1. This results in the inductance of the choke coil 3 and thus the Impec- danz the entire coil device 1 in the parent
  • FIG. 2 shows an electrical coil device 1 according to a first exemplary embodiment of the invention in a similar schematic perspective view.
  • the coil device 1 also comprises a choke coil 3, which in turn surrounds the üb ⁇ ring components of the coil device 1 shown radially.
  • a bath cryostat 13 is arranged, but here it contains a cylindrical supporting body 5, which is coated on its outer side 5b with a continuous superconducting layer 9.
  • a ring-shaped closed autismele ⁇ ment 7 which is formed from a uniform superconducting material and not by subsequently applied ohms see contacts must be contacted.
  • ⁇ th embodiment is a single ring-shaped closed conductor element whose axial Ausdeh ⁇ voltage along the major axis A is similar in size to the axial extension of the choke coil 3.
  • Spulenein- device 1 is made to an arrangement nikzylind ⁇ step coils.
  • the choke coil 3 and the annular Lei ⁇ terelement 7 are in this case aligned concentrically about a common system axis A.
  • the support body shown in Figure 2 is a circular cylindrical hollow body, which may be formed in principle both non-conductive as well as electrically conductive material.
  • other geometries such as Cylind ⁇ generic shapes with non-circular symmetric base or non-cylindrical objects with geometric mantelförmi- gen surfaces can come into consideration for the supporting body.
  • the magnetic field H is already largely compensated by the superconducting layer 9, the electromagnetic properties of the support body for the field profile in the area lying further in the normal operation are no longer relevant.
  • the hollow body-like design of the support body 5 is advantageous in order to save material and also to reduce the mass to be cooled.
  • the superconducting layer 9 may, for example, a
  • Magnesium diboride layer which can be advantageously deposited by an aerosol deposition.
  • it may also be other superconducting materials, like ⁇ play, other high-temperature superconductors of the type REBCO act itself.
  • Such superconducting materials can be deposited both from the gas phase and from a solution.
  • the superconducting layer 9 is formed as a continuous superconducting coating on an annularly closed surface of the support body 5, so that no subsequently introduced, normally conductive contact is required.
  • the superconducting layer 9 can be formed homogeneously in its layer thickness, it can in principle also vary in their layer thickness, for example in order
  • Figure 3 shows an alternative support body 5, which can be used in a coil device according to a second embodiment of the invention.
  • the remaining components of the coil device can, for example, be arranged analogously as shown in FIG.
  • Supporting body 5 is also a cylindrical hollow body whose outer circumferential surface is coated with a superconducting layer 9 '.
  • this superconducting layer 9 ' is divided into a plurality of annular conductor elements 7'.
  • the individual ⁇ nen conductor elements 7 ⁇ can be applied simultaneously in a coating process.
  • the structuring can take place either during the coating, for example by means of shadow masks, or else after the application of the layer by removal of the material in the intermediate spaces 10.
  • the arrangement of the five parallel annular conductor elements 7 'shown here is only in this case. playfully understand, there may be less or much more conductor elements 7 'present.
  • the axial extent of the individual conductor elements 7 ' can also be chosen to be significantly larger than in the prior art according to FIG. 1, since the extent of the individual rings is not limited by the size of commercially available superconducting strip conductors 8.
  • the subdivision of the superconducting layer 9 'into individual partial rings, ie the presence of uncoated regions 10 between these rings, may be advantageous in order to avoid undesired induction currents in the axial direction.
  • FIG. 4 shows a schematic cross section of an electrical coil device 1 according to a further embodiment. play the invention.
  • a choke coil 3 is arranged radially outboard.
  • a cryostat 13 is arranged which is designed in this example as a hollow cylindrical container having an inner cryostat wall 15a and an outer cryostat wall 15b.
  • a hollow cylindrical support body 5 is arranged, which is also coated on its outer side with a superconducting layer 9 here.
  • This superconducting layer 9 can in turn be designed similarly as in FIG. 2 as a single annularly closed cylinder jacket, or, as in FIG.
  • FIG. 4 An advantage of the embodiment shown in FIG. 4 is that the interior of the cryostat can remain free of material, ie also free of coolant.
  • the coil device 1 can be constructed relatively material-saving.
  • the area in the interior of the inner wall of the cryostat is additionally available as a space for a plunger which, for example, can be moved into the interior of the coil device 1 in the event of a malfunction in order to increase the inductance.
  • a soft-magnetic core can also be located permanently inside the coil device 1.
  • FIG. 5 shows a further schematic cross section of a coil device 1 according to a fourth exemplary embodiment of the invention.
  • a choke coil 3 is arranged radially outboard.
  • a cryostat 13 is also arranged on the inside.
  • a fully cylindrical support body 5 is arranged, which is coated on its outer side with a superconducting layer 9.
  • the ⁇ se layer 9 either as a single conductor element or as a plurality of conductor elements on the outside of the
  • the material of the solid cylinder may be advantageous as an amagnetic material beispielswei ⁇ se glass fiber reinforced plastic or stainless steel.
  • AI ternatively, the support body may be a soft-magnetic material, so that the inductance is increased in the event of a fault. In normal operation, the core is electromagnetically shielded by the supra ⁇ conductive layer.
  • FIG. 6 shows an electrical coil device 1 according to a further exemplary embodiment of the invention in a schematic cross section.
  • the coil device 1 has a radially outer choke coil 3, to which a cryostat wall 15b adjoins radially inwardly.
  • a hollow-cylindrical support body 5 is again arranged here, which in this example is coated on its inner circumferential surface with a superconducting layer 9.
  • a liquefied coolant 14 which serves to cool the superconducting layer.
  • This coolant can be, for example, liquefied nitrogen, helium or neon.
  • the support body 5 can serve simultaneously as a carrier of the superconducting layer as well as a container for the coolant 14.
  • the additional, outer cryostat wall 15b can also be dispensed with, and the support body 5 can simultaneously serve as an outer cryostat wall.
  • Layer 9 is coated, is advantageously made of an electrically non-conductive material, since the magnetic field of the choke coil is compensated here only in its interior by the supralei ⁇ tende layer 9.
  • a conductive material for the support body 5 would lead here to an undesirable, additional induction current in the support body 5, which would cause unnecessary electromagnetic losses.
  • the magnetic field can nevertheless be compensated virtually lossless here by the superconducting layers 9.
  • Spuleneinrich ⁇ lines with at least one on a lateral surface of a Supporting body arranged superconducting layer within which a plurality of radially juxtaposed respectively annular short-circuited partial coils are arranged for shielding.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Containers, Films, And Cooling For Superconductive Devices (AREA)
  • Superconductors And Manufacturing Methods Therefor (AREA)

Abstract

Es wird eine elektrische Spuleneinrichtung mit einer Drosselspule und einem innerhalb der Drosselspule angeordneten Tragkörper angegeben, wobei auf dem Tragkörper wenigstens ein ringförmig geschlossenes supraleitendes Leiterelement mit jeweils wenigstens einer ringförmig geschlossenen supraleitenden Schicht angeordnet ist. Weiterhin wird eine induktivresistive Strombegrenzungseinrichtung mit einer solchen elektrischen Spuleneinrichtung sowie ein Herstellungsverfahren für eine Spuleneinrichtung angegeben. Das Herstellungsverfahren umfasst den Schritt des Abscheidens einer ringförmig geschlossenen supraleitenden Schicht auf einer Oberfläche des Tragkörpers.

Description

Beschreibung
Elektrische Spuleneinrichtung zur induktiv-resistiven Strombegrenzung
Die Erfindung betrifft eine elektrische Spuleneinrichtung mit einer Drosselspule zur induktiv-resistiven Strombegrenzung. Weiterhin betrifft die Erfindung eine induktiv-resistive Strombegrenzereinrichtung und ein Herstellungsverfahren mit einer solchen elektrischen Spuleneinrichtung.
Drosselspulen stellen induktive Wechselstromwiderstände dar, die oft zur Begrenzung von Kurzschlussströmen sowie zur Reduzierung hochfrequenter Stromanteile auf elektrischen Leitun- gen eingesetzt werden. Sie weisen meist einen geringen
Gleichstromwiderstand auf, so dass die Gleichstromverluste hierbei gering gehalten werden können. In Wechselstromnetzen können Drosselspulen auch in Serie mit einem Verbraucher geschaltet werden, um als Vorwiderstand zu wirken und so die an dem Verbraucher anliegende Wechselspannung zu reduzieren.
In Wechselspannungs-Mittelspannungsnetzen werden typischerweise Drosselspulen mit Wicklungen aus normalleitenden Materialien wie Kupfer oder Aluminium zur Strombegrenzung oder zur Glättung der Stromverläufe eingesetzt. Der Einsatz sol¬ cher Drosselspulen reduziert die Netzstabilität, was im Zuge der Energiewende, insbesondere bei der Einspeisung von elek¬ trischer Energie durch eine Vielzahl von dezentralen Energieeinspeiser von immer größerer Bedeutung ist. Um die Stabili- tät von elektrischen Wechselspannungsnetzen zu erhöhen, ist es besonders wünschenswert, dass im Normalbetrieb die Induk¬ tivität der Drosselspule klein ist, dass sie jedoch im Stör¬ fall oder Strombegrenzungsfall schnell einen hohen Wert an¬ nimmt .
Eine Möglichkeit, eine Drosselspule mit stark variabler In¬ duktivität zur Verfügung zu stellen, ist durch das im Stand der Technik bekannte Konzept der sogenannten Erdschlusslösch- spule gegeben. Bei solchen Erdschlusslöschspulen kann ein verfahrbarer eisenhaltiger Kern, ein sogenannter Tauchkern, in das Spulenzentrum eingebracht oder wieder daraus entfernt werden. Auf diese Weise kann die Induktivität der Drossel va- riiert werden, jedoch erfordert diese Variation durch die me¬ chanische Bewegung erstens eine aktive Steuerungsmöglichkeit und zweitens eine relativ lange Zeitskala für die Änderung und ist daher für eine betriebszustandsabhängige Kurzschluss¬ strombegrenzung praktisch unbrauchbar. Ein weiterer Nachteil dieser Lösung ist, dass auch im herausgefahrenen Zustand des Tauchkerns der Innenraum der Drosselspule nicht magnetfeld¬ frei ist. Somit sind auch in diesem Zustand die Induktivität und somit die Impedanz der Drosselspule größer als bei einer Spule mit einem im Wesentlichen magnetfeldfreien Innenraum.
In der DE 10 2010 007 087 AI ist eine Vorrichtung zur Strombegrenzung mit einer veränderbaren Spulenimpedanz beschrieben. Bei dem dort beschriebenen Strombegrenzer wird durch den Einsatz einer supraleitenden Spule im Innern einer Drossel- spule die Induktivität und damit die Impedanz der Drosselspu¬ le signifikant reduziert. Dies geschieht durch Ströme, die in der supraleitenden Spule induziert werden und die das Magnet¬ feld der Drosselspule im Normalbetrieb kompensieren. Bei Überschreiten eines bestimmten Stromwertes geht der Supralei- ter in den normalleitenden Zustand über und vergrößert die Induktivität, wodurch der Strom begrenzt wird. Nach dem Ab¬ schalten des zu hohen Stroms geht der Supraleiter nach kurzer Zeit wieder selbstständig in den supraleitenden Zustand zu¬ rück und der Normalbetrieb kann wieder aufgenommen werden.
Nachteilig bei dieser bekannten Drosselspule mit supraleiten¬ der Abschirmspule ist, dass die Herstellung der Wicklungen für die innere supraleitende Spule relativ aufwendig ist. Insbesondere müssen einzelne Windungen, mehrere Wicklungen oder die gesamte innere Spule kurzgeschlossen werden, um das Fließen geschlossener Ringströme zu ermöglichen. Nach dem Stand der Technik werden hierzu möglichst gut leitfähige, elektrisch normalleitende Verbindungen zwischen den Endstü- cken der kommerziell erhältlichen supraleitenden Bandleiter angeordnet, beispielsweise durch Löten von Kontakten. Bei supraleitenden Bändern mit einem Schichtaufbau sollte der Strom im Kontaktbereich durch gut leitfähige Schichten ver- bunden sein. Insbesondere bei Bandleitern mit hochohmigen Schichten auf einer Seite kann es zweckmäßig sein, ein kurzes, zusätzliches Stück Bandleiter derart mit den Enden des Rings zu verbinden, dass der Strompfad durch gut leitfähige Schichten führt, nach Art eines sogenannten „Flip-Kontaktes". Durch den daraus resultierenden Verbindungswiderstand entste¬ hen jedoch auch elektrische Verluste durch den in der inneren Spule induzierten Stromfluss, die wiederum auch zu einem höheren Aufwand bei der Kühlung der supraleitenden Spule führen. Ein weiterer Nachteil der nachträglichen Verbindung der Spulenwicklungen liegt in der aufwendigen Herstellung der Kontaktstellen und in ihrer Fehleranfälligkeit.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine elektrische Spulen¬ einrichtung zur induktiv-resistiven Strombegrenzung anzuge- ben, welche die genannten Nachteile vermeidet. Insbesondere soll eine schnelle und zuverlässige Veränderung der Indukti¬ vität der Drosselspule erreicht werden, bei gleichzeitig niedrigen elektrischen Verlusten im Normalbetrieb und vereinfachter Herstellung. Weitere Aufgaben der Erfindung sind es, eine induktiv-resistive Strombegrenzereinrichtung mit einer solchen Spuleneinrichtung sowie ein Herstellungsverfahren für eine solche Spuleneinrichtung anzugeben.
Diese Aufgaben werden durch die in Anspruch 1 beschriebene elektrische Spuleneinrichtung, die in Anspruch 12 beschriebene Strombegrenzereinrichtung und das in Anspruch 13 beschriebene Herstellungsverfahren gelöst.
Die erfindungsgemäße Spuleneinrichtung weist eine Drosselspu- le und einen innerhalb der Drosselspule angeordneten Tragkör¬ per auf. Auf dem Tragkörper ist wenigstens ein ringförmig geschlossenes Leiterelement mit jeweils wenigstens einer ring¬ förmig geschlossenen supraleitenden Schicht angeordnet. Unter einer ringförmig geschlossenen supraleitenden Schicht soll hierbei eine durchgehend supraleitende Schicht verstan¬ den werden, die durch einheitliches supraleitendes Material in sich ringförmig geschlossen ist. Es sollen also keine zusätzlichen elektrischen Kontakte vorliegen, bei denen das supraleitende Material beispielsweise durch normalleitende Materialien elektrisch verbunden wird. Stattdessen wird eine ringförmige supraleitende Leiterschleife bereits durch die Abscheidung der supraleitenden Schicht erzeugt. In dem so erzeugten wenigstens einen ringförmigen und über diesen Ring durchgehend supraleitenden Leiter können so durch das sich ändernde Magnetfeld der Drosselspule in deren Innerem Ring¬ ströme induziert werden, die ihrerseits das Magnetfeld der Drosselspule kompensieren. Auf diese Weise wird der Bereich im Inneren des wenigstens einen ringförmigen Leiterelements im Wesentlichen feldfrei, was die Induktivität und somit auch die Impedanz der Drosselspule gegenüber einer nicht derart feldkompensierten Anordnung deutlich reduziert. Eine induk- tiv-resistive Strombegrenzereinrichtung mit einer solchen
Spuleneinrichtung kann so mit geringeren Verlusten betrieben werden als ohne eine solche Kompensation. Die Spuleneinrichtung ist zweckmäßig so ausgelegt, dass im Störfall, also bei Strömen in der Drosselspule oberhalb eines vorgegebenen
Schwellwertes, die in der ringförmig geschlossenen supralei¬ tenden Schicht induzierten Ströme so weit ansteigen, dass die kritische Stromdichte überschritten wird und die Supraleitung in dieser Schicht zusammenbricht. So steigt die Induktivität der Drosselspule durch die dann fehlende Magnetfeldkompensa- tion in ihrem Inneren an, und der in einem äußeren Stromkreis, in den die Drosselspule eingebunden ist, fließende Fehlerstrom kann wirksam begrenzt werden. Diese Begrenzung geschieht sehr schnell und ohne eine zusätzliche Steuerung, wie sie beim Einfahren eines Tauchkerns in die Spule nötig wäre.
Im Vergleich zu bekannten Spuleneinrichtungen mit supraleitenden Ringleitern aus nachträglich elektrisch verbundenen supraleitenden Bandleitern liegt der Vorteil der erfindungsgemäßen Spuleneinrichtung darin, dass durch das Fehlen von nachträglich eingeführten Kontakten, insbesondere ohmschen Kontakten, zusätzliche Widerstände in den ringförmigen Lei- terelementen vermieden werden können. Der Ringstrom fließt stattdessen in einer durchgehend supraleitenden Schicht, was die Wärmeentwicklung innerhalb der supraleitenden Schicht reduziert. Da das wenigstens eine supraleitende Leiterelement für den Betrieb der Spuleneinrichtung auf eine Temperatur un- terhalb seiner Sprungtemperatur gekühlt werden muss, ist im
Bereich dieser Leiterelemente zweckmäßig eine Kühleinrichtung vorgesehen. Die benötigte Kühlleistung dieser Kühleinrichtung ist vorteilhaft umso niedriger, je geringer die elektrischen Verluste in den ringförmigen Leiterelementen sind. Bei einer durchgehend supraleitenden ringförmigen Schicht sind solche Verluste reduziert.
Weitere Vorteile der erfindungsgemäß aufgebauten Spulenein¬ richtung ergeben sich aus der leichteren Herstellbarkeit des wenigstens einen ringförmigen Leiterelements. Im Vergleich zur Herstellung eines solchen Leiterelements durch nachträg¬ liche Kontaktierung der Endbereiche eines Leiterbandes werden weniger Prozessschritte benötigt. Außerdem wird der ebenfalls aufwändige Wickelprozess für ein solches Leiterband ebenfalls nicht benötigt. Der Bedarf an Wickelmaschinen, Wickelvorrichtungen, Stützstrukturen für die Wicklung sowie Lötvorrichtungen für den Bandleiter entfällt, und es wird lediglich eine Vorrichtung zur Aufbringung der Beschichtung auf den Tragkörper benötigt. Hierdurch können sowohl die Komplexität des Herstellungsprozesses wie auch die Herstellungskosten re¬ duziert werden.
Ein weiterer Vorteil liegt schließlich in einer größeren Fehlertoleranz der beispielsweise direkt auf dem Tragkörper ab- geschiedenen durchgehend supraleitenden Schicht. Im Vergleich zu einer Wicklung aus schmalen Leiterbänden können kleine Fehlstellen mit nicht supraleitenden Bereichen leichter toleriert werden, insbesondere da die ringförmig geschlossene supraleitende Schicht viel leichter breiter ausgeführt werden kann als eine ringförmig geschlossene Wicklung aus typischerweise nur wenige mm breiten Bandleitern. Gerade im Bereich der nachträglichen angebrachten elektrischen Kontakte können die supraleitenden Eigenschaften solcher herkömmlichen Bandleiter leicht degradieren, wodurch zusätzliche elektrische und thermische Verluste bewirkt werden.
Die erfindungsgemäße induktive Strombegrenzereinrichtung weist eine erfindungsgemäße elektrische Spuleneinrichtung auf. Zusätzlich zu den beschriebenen Merkmalen weist eine solche Strombegrenzereinrichtung elektrische Kontakte zur Einbindung der Drosselspule in einen äußeren Stromkreis auf. Dieser äußere Stromkreis kann beispielsweise ein Wechsel- Stromnetz, insbesondere ein Wechselstrom-Mittelspannungs-Netz sein. Die Vorteile einer solchen induktiven Strombegrenzung gegenüber dem Stand der Technik ergeben sich analog zu den beschriebenen Vorteilen der erfindungsgemäßen Spuleneinrichtung .
Das Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen elektrischen Spuleneinrichtung ist durch den Schritt des Abschei- dens einer ringförmig geschlossenen supraleitenden Schicht auf einer Oberfläche des Tragkörpers gekennzeichnet. Das Her- stellungsverfahren kann eine Mehrzahl weiterer Schritte aufweisen wie beispielsweise die Herstellung der Drosselspule und das Einbringen des derart beschichteten Tragkörpers in ein Inneres der Drosselspule. Kennzeichnend für die Erfindung ist jedoch die Herstellung einer ringförmig geschlossenen und durchgehenden supraleitenden Schicht, insbesondere in einem Beschichtungsschritt und ohne die nachträgliche Anbringung elektrischer Kontakte zur Herstellung des wenigstens einen ringförmigen geschlossenen Leiterelements. Die Vorteile die¬ ses Herstellungsverfahrens wurden bereits im Zusammenhang mit den Vorteilen der erfindungsgemäßen Spuleneinrichtung näher erläutert . Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den von den Ansprüchen 1 und 13 abhängigen Ansprüchen hervor. Dabei können die Merkmale der Spuleneinrichtung, der Strombegrenzereinrichtung und des Herstellungsver- fahrens vorteilhaft miteinander kombiniert werden.
Die Drosselspule und der Tragkörper mit dem wenigstens einen supraleitenden Leiterelement können eine gemeinsame zentrale Achse aufweisen. Mit anderen Worten können Drosselspule und der Tragkörper koaxial zueinander angeordnet sein, wobei der Tragkörper dann koaxial im Inneren der Drosselspule positio¬ niert ist. Eine solche koaxiale Anordnung ist besonders zweckmäßig, um eine möglichst weitgehende Kompensation des insgesamt vorliegenden Magnetfeldes im Inneren der gesamten Anordnung, insbesondere im Inneren des wenigstens einen ringförmigen Leiterelements, zu erreichen. Die zentrale Achse kann dabei zweckmäßig eine Symmetrieachse der Drosselspule und/oder des Tragkörpers sein. Dabei kann beispielsweise eine Rotationssymmetrie von Drosselspule und/oder Tragkörper vor- liegen, es kann sich aber auch um eine niedrigere Art der
Symmetrie, beispielsweise eine zwei- oder vielzählige Rotati¬ onssymmetrie handeln. Besonders vorteilhaft weisen Drossel¬ spule und Tragkörper die gleichen Symmetrieeigenschaften auf. Der Tragkörper kann wenigstens eine zylinderartige Oberfläche aufweisen, auf der die wenigstens eine ringförmig geschlosse¬ ne supraleitende Schicht angeordnet ist. Somit kann auch die supraleitende Schicht selbst die Form einer zylinderartigen Mantelfläche aufweisen. Diese Mantelfläche kann hierbei ent- weder durch eine einzige supraleitende Schicht definiert sein, oder es können auch mehrere solche ringförmig geschlossene Schichten auf einer gemeinsamen Zylinder-Mantelfläche vorliegen . Bei der genannten Mantelfläche kann es sich um die Mantelflä¬ che eines geraden Zylinders handeln. Unter einem geraden Zylinder soll hier nach der allgemeinen geometrischen Definition ein Körper verstanden werden, der durch Verschiebung einer ebenen Grundfläche entlang einer zu ihr senkrecht stehenden Gerade entsteht. Die Form ist also nicht auf Zylinder mit kreisförmiger Grundfläche beschränkt. Alternativ können beispielsweise auch ovale, eiförmige oder rechteckige Grundflä- chen vorliegen. Es können auch andere als rechteckige Poly¬ gonzüge zur Definition der Grundfläche dienen, wobei die Ecken der Polygone sowohl spitz als auch abgerundet sein können .
Alternativ zu der genannten Ausführungsform mit der supralei- tenden Schicht auf einer zylindrischen Mantelfläche können auch andere Mantelflächen die Schichtgeometrie vorgeben. Bei¬ spielsweise kann es sich auf der beschichteten Oberfläche des Tragkörpers auch um eine konkav und/oder konvex gekrümmte Oberfläche handeln. Vorteilhaft kann auch bei solch einer ge- krümmten Mantelfläche eine Symmetrie bezüglich einer zentra¬ len Achse vorliegen. Der Tragkörper kann auch einen trapezförmigen Querschnitt aufweisen.
Der Tragkörper kann als Hohlkörper, beispielsweise als Hohlzylinder, ausgebildet sein. Ein Vorteil dieser Ausführungs¬ form liegt in dem geringen Materialeinsatz. Im Inneren des Hohlkörpers wird im regulären Betriebszustand durch die Ab¬ schirmung ein im Wesentlichen feldfreier Raum geschaffen, in dem nicht unbedingt weitere elektromagnetisch wirksame Mate¬ rialien benötigt werden. Die Spuleneinrichtung kann also vorteilhaft im Inneren des Tragkörpers kernlos ausgestaltet sein. Optional können jedoch auch weitere Komponenten im Inneren eines solchen Hohlkörpers angeordnet sein, beispiels¬ weise ein zusätzlicher weichmagnetischer Kern, der entweder als fest positionierter Kern oder auch als Tauchkern ausgebildet sein kann.
Die wenigstens eine ringförmig geschlossene supraleitende Schicht kann dann auf einer Innenfläche des als Hohlkörper ausgebildeten Tragkörpers angeordnet sein. Dies kann bei¬ spielsweise dann besonders vorteilhaft sein, wenn der Trag¬ körper gleichzeitig als Teil eines Kühlmittelgefäßes, als Wand eines Kryostaten oder allgemein als Teil einer Kühlvor- richtung und/oder thermischen Isolierung für den zu kühlenden Bereich der supraleitenden Schicht dient. Bei einer Anordnung der supraleitenden Schicht auf dem Innenmantel eines Hohlkörpers ist es allgemein vorteilhaft, wenn der Tragkörper haupt- sächlich elektrisch nichtleitende Materialien wie beispielsweise Kunststoff, keramische Materialien, glasfaserverstärkten Kunststoff, kohlefaserverstärkten Kunststoff, Hartgewebe oder Hartpapier aufweist. Wird ein Tragkörper aus hauptsächlich leitfähigem Material verwendet, so ist vorteilhaft zu- mindest in Längsrichtung ein durchgängig nichtleitender Bereich vorzusehen, der induzierte Wirbelströme im Tragkörper verhindert. Bei einer Ausführung mit einem die supraleitende Schicht umhüllenden Tragkörper haben elektrisch nicht-leitende Materialien den Vorteil, dass die Induktion von Strömen durch das Magnetfeld der Drosselspule vermieden wird. So kön¬ nen zusätzliche elektrische und thermische Verluste gering gehalten werden. Außerdem verringert sich der Einfluss der ungewollt induzierten Ströme auf die Änderung der Impedanz. Ein als Hohlkörper ausgebildeter Tragkörper kann alternativ oder zusätzlich auch auf seiner äußeren Mantelfläche mit der wenigstens einen ringförmig geschlossenen supraleitenden Schicht versehen sein. Bei einer solchen Ausführungsform kann der Tragkörper aus elektrisch leitenden und/oder nicht-lei- tenden Materialien ausgeführt sein, da dieser in dem elektromagnetisch durch die supraleitende Schicht abgeschirmten Bereich angeordnet ist und somit die Ausbildung von Induktions¬ strömen im Tragkörper durch diese Abschirmung vorteilhaft vermieden wird. Vorzugsweise besteht der Tragkörper aus nichtleitenden Materialien, da die Abschirmwirkung der induzierten Ströme während der Kurzschlussstrombegrenzung reduziert werden soll. Beispielsweise kann der Tragkörper auch die oben genannten nicht-leitenden Materialien aufweisen und/oder metallische Materialien wie beispielsweise Stahl, Edelstahl oder Legierungen wie Hastelloy oder Nickel-Wolfram- Legierungen aufweisen. Der Tragkörper kann auch hier als Teil eines Kühlmittelgefäßes, als Wand eines Kryostaten oder all¬ gemein als Teil einer Kühlvorrichtung und/oder thermischen Isolierung für den zu kühlenden Bereich der supraleitenden Schicht dienen.
Alternativ kann der Tragkörper auch als Vollkörper ausgebil- det sein, bei dem dann die Außenfläche mit der wenigstens einen ringförmig geschlossenen supraleitenden Schicht versehen ist. Beispielsweise kann es sich dabei um einen Vollzy¬ linder handeln. Bei einem Vollkörper können die Materialien ähnlich frei ausgewählt werden wie bei einem außen beschich- teten Hohlkörper, also beispielsweise aus der Liste der im vorhergehenden Absatz genannten Materialien.
Die wenigstens eine ringförmig geschlossene supraleitende Schicht kann ein hochtemperatursupraleitendes Material auf- weisen. Hochtemperatursupraleiter (HTS) sind supraleitende
Materialien mit einer Sprungtemperatur oberhalb von 25 K und bei einigen Materialklassen, beispielsweise den Cuprat-Supra¬ leitern, oberhalb von 77 K, bei denen die Betriebstemperatur durch Kühlung mit anderen kryogenen Materialien als flüssigem Helium erreicht werden kann. HTS-Materialien sind auch deshalb besonders attraktiv, da diese Materialien abhängig von der Wahl der Betriebstemperatur hohe obere kritische Magnetfelder sowie hohe kritische Stromdichten aufweisen können. Die hochtemperatursupraleitende Schicht kann beispielsweise Magnesiumdiborid oder einen oxidkeramischen Supraleiter, beispielsweise eine Verbindung des Typs REBa2Cu30x (kurz REBCO) aufweisen, wobei RE für ein Element der seltenen Erden oder eine Mischung solcher Elemente steht. Zur Abscheidungen von Schichten mit REBCO-Verbindungen eignen sich besonders metal- lische Tragkörper, da für eine hohe Qualität dieser supralei¬ tenden Schichten eine vorstrukturierte Substratoberfläche vorteilhaft ist, die gegebenenfalls auch mit einer oder meh¬ reren Zwischenschichten als Wachstumsunterlage versehen sein kann. Alternativ zu den genannten Materialien können aber auch metallische Supraleiter in dem ringförmigen Leiterelement zum Einsatz kommen. Allgemein können auf dem Tragkörper mehrere parallel zueinander verlaufende ringförmig geschlossene supraleitende Leiter¬ elemente mit jeweils wenigstens einer ringförmig geschlosse¬ nen supraleitenden Schicht angeordnet sein. Mit anderen Wor- ten können mehrere solche Leiterelemente axial versetzt auf dem Tragkörper angeordnet sein, wobei jedes Leiterelement eine in sich geschlossene, durchgehend supraleitende Leiter¬ schleife ohne ohmsche Kontakte bildet. Die einzelnen ringför¬ migen Leiterelemente können beispielsweise elektrisch gegen- einander isoliert sein, sie können jedoch auch elektrisch verbunden sein. Sie können, beispielsweise über einen elektrisch leitfähigen Tragkörper, normalleitend miteinander verbunden sein, oder es können die verschiedenen axial gegeneinander versetzten Teilringe durch supraleitende Brücken miteinander verbunden sein. Die verschiedenen Teilringe können, gegebenenfalls zusammen mit solchen Brücken, durch einen gemeinsamen Beschichtungsschritt auf dem Tragkörper abge¬ schieden worden sein. Unabhängig davon, ob nur ein ringförmiges Leiterelement oder mehrere solche Leiterelemente vorliegen, kann jedes dieser Leiterelemente eine axiale Ausdehnung von wenigstens 1 mm, insbesondere wenigstens 20 mm aufweisen. Die Breite der Lei¬ terelemente (senkrecht zu ihrer Ringebene) kann somit deut- lieh größer sein als dies beispielsweise durch ein ringförmiges Kurzschließen kommerziell erhältlicher supraleitender Bandleiter erreicht werden kann.
Die beschichtete Mantelfläche des Tragkörpers kann neben den ringförmigen Leiterelementen auch unbeschichtete Teilbereiche aufweisen. Dies kann sowohl bei Ausführungsformen mit nur einem Leiterelement als auch insbesondere bei Ausführungsfor¬ men mit mehreren nebeneinander angeordneten Teilringen der Fall sein.
Das wenigstens eine ringförmige Leiterelement kann auch eine supraleitende Schicht mit variierender Schicht aufweisen, beispielsweise um die Schichtdicke oder -breite an die zu er¬ wartende Verteilung des Magnetfeldes anzupassen.
Die elektrische Spuleneinrichtung kann eine Kühleinrichtung zur Kühlung der wenigstens einen supraleitenden Schicht aufweisen, die einen Kryostaten umfasst. Mit dieser Kühleinrichtung kann die supraleitende Schicht also auf eine Betriebs¬ temperatur unterhalb der Sprungtemperatur des supraleitenden Materials gekühlt werden. Durch eine thermische Isolation der supraleitenden Schicht gegen eine warme äußere Umgebung kann erreicht werden, dass mit der Kühleinrichtung dauerhaft eine solche kryogene Temperatur aufrechterhalten werden kann. Wenn die Wicklung der Drosselspule aus einem normalleitenden Leiter gebildet ist, kann die Drosselspule außerhalb des
Kryostaten angeordnet sein. Alternativ ist es auch möglich, die Wicklung der Drosselspule ebenfalls innerhalb des
Kryostaten anzuordnen, insbesondere wenn es sich bei der Wicklung der Drosselspule ebenfalls um eine supraleitende Wicklung handelt.
Bei den Ausführungsformen, bei denen außer dem wenigstens einen ringförmigen Leiterelement keine weiteren elektrischen Komponenten innerhalb des Kryostaten angeordnet werden müssen, kann der Kryostat besonders vorteilhaft ohne elektrische Durchführungen ausgebildet sein. Er kann also als weitgehend abgeschlossenes Gefäß mit besonders niedrigen thermischen Verlusten ausgestaltet sein, denn für die Abschirmwirkung des ringförmig geschlossenen Leiterelements ist keine elektrische Kontaktierung zu einem äußeren Stromkreis notwendig.
Die ringförmig geschlossene supraleitende Schicht kann auf einer Wand des Kryostaten angeordnet sein. Mit anderen Worten kann der Tragkörper, der die supraleitende Schicht trägt, eine der Begrenzungswände des Kryostaten darstellen. Eine solche Begrenzungswand kann dann beispielsweise durch eine
Vakuumisolation und/oder Lagen von Superisolation gegen eine warme äußere Umgebung thermisch isoliert sein. Bei dem Verfahren zur Herstellung der elektrischen Spuleneinrichtung kann die ringförmig geschlossene supraleitende
Schicht vorteilhaft durch Aerosol-Deposition abgeschieden werden .
Unter einer Aerosol-Deposition soll im vorliegenden Zusammenhang die Abscheidung einer Schicht aus einem Aerosol, also aus einer Dispersion von Festkörperteilchen in einem Gas, verstanden werden. Insbesondere kann dazu ein Ausgangsstoff der supraleitenden Schicht als in einem Gas dispergiertes
Pulver vorliegen. Eine solche aus einem Pulveraerosol abge¬ schiedene Schicht ist an der Körnchenstruktur des zugrunde¬ liegenden Pulvers leicht von Schichten aus anderen bisher bekannten Beschichtungsverfahren, wie beispielsweise physikali- scher oder chemischer Gasphasenabscheidung, zu unterscheiden. Mit den Verfahren der Aerosol-Deposition können supraleitende Schichten wesentlich leichter als mit herkömmlichen Verfahren auf nicht planaren Oberflächen wie der Mantelfläche des hier vorliegenden Tragkörpers abgeschieden werden.
Die supraleitende Schicht kann vorteilhaft Magnesiumdiborid umfassen. Besonders vorteilhaft kann diese supraleitende Schicht als Hauptbestandteil Magnesiumdiborid aufweisen oder sogar im Wesentlichen aus Magnesiumdiborid bestehen. Eine Ab- Scheidung einer Magnesiumdiboridschicht aus einem Pulveraero¬ sol ist besonders gut möglich, wie beispielsweise in der DE 10 2010 031741 B4 beschrieben. Das im Aerosol dispergierte und als Ausgangsstoff dienende Pulver kann dabei entweder be¬ reits als Magnesiumdiborid oder als ein Pulvergemisch aus elementarem Magnesium und Bor oder als ein Gemisch aus allen drei Komponenten Magnesiumdiborid, Magnesium und Bor vorlie¬ gen .
Durch die Aerosol-Deposition kann supraleitendes
Magnesiumdiborid in definierten Schichten von beispielsweise 1 ym bis zu 100 ym hergestellt werden. Eine durch Aerosol- Deposition abgeschiedene Magnesiumdiboridschicht kann auch auf nichtplanaren Substraten unter Nachbildung deren Oberflä- chenstruktur als zusammenhängende Beschichtung aufgebracht werden. Im Unterschied zu den Methoden der Gasphasenabschei¬ dung (wie beispielsweise chemischer Gasphasenabscheidung, Sputtern oder Verdampfen) können über die Aerosol-Deposition auf einfache Weise wesentlich dickere supraleitende Schichten abgeschieden werden. Vorteilhaft ist dabei die Schichtdicke der supraleitenden Schicht wenigstens 0,5 ym, besonders vor¬ teilhaft sogar wenigstens 5 ym. Magnesiumdiborid weist eine Sprungtemperatur von etwa 39 K auf und gilt somit als Hochtemperatur-Supraleiter, allerdings ist die Sprungtemperatur im Vergleich zu anderen HTS-Mate- rialien eher niedrig. Die Vorteile dieses Materials im Ver¬ gleich zu oxidkeramischen Hochtemperatur-Supraleitern liegen bei seiner leichten Herstellbarkeit und dadurch bedingt bei einer besonders flexiblen Wahl von Substratmaterialien und Substratgeometrien .
Alternativ oder zusätzlich kann die supraleitende Schicht einen oxidkeramischen Hochtemperatur-Supraleiter umfassen. Insbesondere kann es sich dabei um ein Material des Typs REBa2Cu30x handeln. Diese Materialklasse erlaubt vorteilhaft die Ausbildung von elektrischen Leitern mit höheren Betriebstemperaturen als beispielsweise mit Magnesiumdiborid.
Die ringförmig geschlossene supraleitende Schicht kann vor¬ teilhaft aus einer Lösung abgeschieden werden. Dies kann insbesondere zur Abscheidung von dickeren, oxidkeramischen supraleitenden Schichten vorteilhaft sein.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand einiger bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die angehängten Zeichnungen beschrieben, in denen:
Figur 1 eine schematische, perspektivische Schnittdarstel¬ lung einer Spuleneinrichtung nach dem Stand der Technik darstellt, Figur 2 eine schematische, perspektivische Schnittdarstel¬ lung einer Spuleneinrichtung nach einem ersten Ausführungsbeispiel darstellt, Figur 3 eine schematische, perspektivische Ansicht eines
Tragkörpers nach einem zweiten Ausführungsbeispiel darstellt,
Figur 4 einen schematischen Querschnitt einer Spulenein- richtung nach einem dritten Ausführungsbeispiel darstellt,
Figur 5 einen schematischen Querschnitt einer Spuleneinrichtung nach einem vierten Ausführungsbeispiel darstellt und
Figur 6 einen schematischen Querschnitt einer Spuleneinrichtung nach einem fünften Ausführungsbeispiel darstellt .
In Figur 1 ist eine schematische, perspektivische Darstellung einer Spuleneinrichtung nach dem Stand der Technik als Halbschnitt durch das Zentrum der Spuleneinrichtung 1 gezeigt. Gezeigt ist eine auf dem äußeren Umfang angeordnete Drossel- spule 3, die die weiteren gezeigten Komponenten der Spuleneinrichtung 1 radial umgibt. Diese Drosselspule 3 dient zur Begrenzung eines Kurzschlussstroms sowie zur Glättung des Stromverlaufs in einem übergeordneten Stromkreis. Hierzu ist die Drosselspule 3 über zwei Anschlüsse 19 mit dem hier nicht näher gezeigten Stromkreis verbunden, in dem der Strom I fließt. Bei diesem Stromkreis kann es sich beispielsweise um ein Wechselspannungs-Mittelspannungsnetz handeln, die Drosselspule 3 kann jedoch auch ganz allgemein für andere Industrie- oder Ortsnetze ausgelegt sein. So kann die Drosselspule 3 beispielsweise für Niederspannungsnetzte mit Wechselspan¬ nungen zwischen 100V und 1000V ausgelegt sein, alternativ kann es sich um Mittelspannungsnetze für Spannungen zwischen lkV und 52kV oder auch um Hochspannungsnetze für Spannungen oberhalb von 52kV handeln. Die Drosselspule kann insbesondere für einen Leistungsbereich von wenigstens 250kVA, insbesondere wenigstens 400kVA oder sogar wenigstens 630kVA ausgelegt sein .
Im Inneren der Drosselspule 3 ist ein Kryostat 13 angeordnet, der in diesem Beispiel als Badkryostat ausgestaltet ist und ein Kühlmittel 14 beinhaltet. Innerhalb des Kryostaten ist eine Anordnung aus mehreren supraleitenden Leiterelementen 7 angeordnet, wobei diese Leiterelemente 7 jeweils als kurzge¬ schlossene Ringe aus supraleitendem Bandleitermaterial 8 vor¬ liegen. Durch das von der Drosselspule erzeugte Magnetfeld wird in den ringförmigen Leiterelementen 7 ein Ringstrom induziert. Durch die supraleitenden Eigenschaften des Bandlei- ters 8 fließt dieser Ringstrom nahezu verlustfrei. Durch das Kühlmittel 14 innerhalb des Kryostaten 13 werden die supra¬ leitenden Leiterelemente 7 auf eine Betriebstemperatur unterhalb ihrer Sprungtemperatur gekühlt. Die induzierten Ringströme bewirken eine Abschirmung des Magnetfelds der Drossel- spule 3 im weiter innenliegenden Bereich der Spuleneinrichtung 1. Dieser Effekt ist schematisch in der Figur 1 im unten abgebildeten Diagramm dargestellt. Es zeigt den Verlauf der magnetischen Feldstärke H in Abhängigkeit von der radialen Position r. Bei großen Werten des Radius r, die weit außer- halb der Drosselspule 3 liegen, ist die magnetische Feldstär¬ ke nahezu null. Im radial äußeren Bereich der Drosselspule wird die Feldstärke betragsmäßig groß, im Inneren der Dros¬ selspule erfährt sie dann einen Nulldurchlauf und steigt zum radial innenliegenden Bereich der Drosselspule wieder auf ih- ren maximalen Wert Hi an. Durch die in diesem Beispiel elektrisch nicht leitende Ausführung der Kryostatwände bleibt die magnetische Feldstärke im Inneren der Drosselspule zunächst relativ konstant bei dem Wert Hi , wird jedoch dann durch die abschirmende Wirkung der ringförmig geschlossenen Leiterele- mente 7 wieder auf einen Wert nahe null reduziert. Es ergibt sich also eine Kompensation des Magnetfeldes in einem radial innenliegenden Bereich der Spuleneinrichtung 1. Hierdurch wird die Induktivität der Drosselspule 3 und somit die Impe- danz der gesamten Spuleneinrichtung 1 im übergeordneten
Stromkreis signifikant reduziert, wodurch die elektrischen Verluste gering gehalten werden. Um aus den dargestellten supraleitenden Bandleitern 8 ringförmig geschlossene Leiter- elemente 7 zu erzeugen, müssen die Bandleiter 8 jedoch aufwändig gewickelt werden und anschließend durch nachträglich angebrachte Ohm' sehe Kontakte elektrisch leitend verbunden werden. Hierdurch ist der induzierte Stromfluss in den Lei¬ terelementen 7 nach dem Stand der Technik nicht völlig ver- lustfrei.
Figur 2 zeigt eine elektrische Spuleneinrichtung 1 nach einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung in ähnlicher schema- tischer, perspektivischer Darstellung. Die Spuleneinrichtung 1 enthält ebenfalls eine Drosselspule 3, die wiederum die üb¬ rigen gezeigten Komponenten der Spuleneinrichtung 1 radial umgibt. In ihrem Inneren ist wiederum ein Badkryostat 13 angeordnet, der hier jedoch einen zylindrischen Tragkörper 5 enthält, der auf seiner Außenseite 5b mit einer durchgehend supraleitenden Schicht 9 beschichtet ist.
Hierdurch ergibt sich ein ringförmig geschlossenes Leiterele¬ ment 7, welches aus einem einheitlichen supraleitenden Material gebildet ist und nicht durch nachträglich aufgebrachte Ohm' sehe Kontakte kontaktiert werden muss. Im gezeigten ers¬ ten Ausführungsbeispiel handelt es sich um ein einzelnes ringförmig geschlossenes Leiterelement, dessen axiale Ausdeh¬ nung entlang der Hauptachse A ähnlich groß ist wie die axiale Ausdehnung der Drosselspule 3. Bei der gezeigten Spulenein- richtung 1 handelt es sich um eine Anordnung aus kreiszylind¬ rischen Spulen. Die Drosselspule 3 und das ringförmige Lei¬ terelement 7 sind hierbei konzentrisch um eine gemeinsame Systemachse A ausgerichtet. Diese Ausrichtung ist vorteil¬ haft, um das Magnetfeld im Inneren der Spuleneinrichtung be- sonders gut zu kompensieren und zur Reduktion von auf die Spulen wirkenden Querkräften. Der Verlauf der magnetischen Feldstärke H in Abhängigkeit von dem Radius r ist ähnlich wie bei der Figur 1 im unteren Teil der Abbildung schematisch gezeigt. Auch hier ergibt sich durch die abschirmende Wirkung der supraleitenden Schicht 9 eine weitgehende Kompensation des Magnetfeldes H im Inneren der Spuleneinrichtung 1.
Der in Figur 2 gezeigte Tragkörper ist ein kreiszylindrischer Hohlkörper, der prinzipiell sowohl aus nicht leitendem wie auch aus elektrisch leitfähigem Material gebildet sein kann. Je nach der Form der äußeren Drosselspule 3 können für den Tragkörper auch andere Geometrien wie beispielsweise zylind¬ rische Formen mit nicht kreissymmetrischer Grundfläche oder auch nicht zylindrische geometrische Objekte mit mantelförmi- gen Oberflächen in Frage kommen. Da das Magnetfeld H bereits durch die supraleitende Schicht 9 weitgehend kompensiert wird, sind die elektromagnetischen Eigenschaften des Tragkörpers für den Feldverlauf im weiter innen liegenden Bereich im Normalbetrieb nicht mehr relevant. Die hohlkörperartige Aus- gestaltung des Tragkörpers 5 ist vorteilhaft, um Material einzusparen und auch um die zu kühlende Masse zu reduzieren. Die supraleitende Schicht 9 kann beispielsweise eine
Magnesiumdiborid-Schicht sein, die vorteilhaft durch eine Ae- rosol-Deposition abgeschieden werden kann. Alternativ kann es sich aber auch um andere supraleitende Materialien, wie bei¬ spielsweise andere Hochtemperatur-Supraleiter des Typs REBCO, handeln. Solche supraleitenden Materialien können sowohl aus der Gasphase wie auch aus einer Lösung abgeschieden werden. Wesentlich ist, dass die supraleitende Schicht 9 als durchge- hend supraleitende Beschichtung auf einer ringförmig geschlossenen Oberfläche des Tragkörpers 5 ausgebildet ist, so dass kein nachträglich eingeführter, normalleitender Kontakt benötigt wird. Die supraleitende Schicht 9 kann in ihrer Schichtdicke homogen ausgebildet sein, sie kann prinzipiell auch in ihrer Schichtdicke variieren, beispielsweise um
Inhomogenitäten des Magnetfeldes H in axialer Richtung auszugleichen . Figur 3 zeigt einen alternativen Tragkörper 5, der in einer Spuleneinrichtung nach einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung zum Einsatz kommen kann. Die übrigen Komponenten der Spuleneinrichtung können beispielsweise analog wie in Fi- gur 2 gezeigt angeordnet sein. Der in Figur 3 dargestellte
Tragkörper 5 ist ebenfalls ein zylindrischer Hohlkörper, dessen äußere Mantelfläche mit einer supraleitenden Schicht 9' beschichtet ist. Im Unterschied zum ersten Ausführungsbei¬ spiel ist diese supraleitende Schicht 9' jedoch in mehrere ringförmige Leiterelemente 7' unterteilt. Es liegen also meh¬ rere parallel verlaufende ringförmig geschlossene Leiterele¬ mente vor, in denen jeweils ein geschlossener Ringstrom fließen kann, ähnlich wie bei dem in Figur 1 gezeigten Stand der Technik. Im Unterschied dazu sind hier jedoch die einzelnen ringförmigen Leiterelemente 7' jeweils aus einer durchgehend supraleitenden Schicht 9' gebildet, ohne dass nachträglich eingeführte elektrische Kontakte benötigt werden. Die einzel¬ nen Leiterelemente 7 λ können gleichzeitig in einem Beschich- tungsvorgang aufgebracht werden. Dabei kann die Strukturie- rung entweder schon während der Beschichtung erfolgen, beispielsweise durch Schattenmasken, oder aber nach der Aufbringung der Schicht durch Entfernung des Materials in den Zwischenräumen 10. Die Anordnung von den hier gezeigten fünf parallelen ringförmigen Leiterelementen 7 ' ist hierbei nur bei- spielhaft zu verstehen, es können auch weniger oder auch wesentlich mehr Leiterelemente 7' vorliegen. Die axiale Ausdehnung der einzelnen Leiterelemente 7 ' kann hier auch deutlich größer gewählt werden als bei dem Stand der Technik nach der Figur 1, denn die Ausdehnung der einzelnen Ringe ist nicht durch die Größe von kommerziell erhältlichen supraleitenden Bandleitern 8 begrenzt. Die Unterteilung der supraleitenden Schicht 9' in einzelne Teilringe, also das Vorliegen von unbeschichteten Bereichen 10 zwischen diesen Ringen, kann vorteilhaft sein, um unerwünschte Induktionsströme in axialer Richtung zu vermeiden.
Figur 4 zeigt einen schematischen Querschnitt einer elektrischen Spuleneinrichtung 1 nach einem weiteren Ausführungsbei- spiel der Erfindung. Auch hier ist eine Drosselspule 3 radial außenliegend angeordnet. Im innenliegenden Bereich ist wiede¬ rum ein Kryostat 13 angeordnet, der in diesem Beispiel als hohlzylindrischer Behälter mit einer inneren Kryostatwand 15a und einer äußeren Kryostatwand 15b ausgestaltet ist. Zwischen den beiden Kryostatwänden 15a und 15b ist wiederum ein hohlzylindrischer Tragkörper 5 angeordnet, der auch hier auf seiner Außenseite mit einer supraleitenden Schicht 9 beschichtet ist. Diese supraleitende Schicht 9 kann wiederum ähnlich wie in Figur 2 als einzelner ringförmig geschlossener Zylindermantel ausgebildet sein, oder sie kann ähnlich wie in Figur 3 als eine Mehrzahl von parallel verlaufenden, ringförmig geschlossenen Leiterelementen ausgestaltet sein. Ein Vorteil der in Figur 4 gezeigten Ausführungsform ist, dass das Innere des Kryostaten frei von Material bleiben kann, also auch frei von Kühlmittel. So kann die Spuleneinrichtung 1 relativ materialsparend aufgebaut werden. Optional steht der Bereich im Inneren der inneren Kryostatwand zusätz- lieh als Raum für einen Tauchkern zu Verfügung, der beispielsweise im Störfall zur Erhöhung der Induktivität in das Innere der Spuleneinrichtung 1 eingefahren werden kann. Alternativ kann sich auch ein weichmagnetischer Kern dauerhaft im Inneren der Spuleneinrichtung 1 befinden.
Figur 5 zeigt einen weiteren schematischen Querschnitt einer Spuleneinrichtung 1, nach einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Auch hier ist eine Drosselspule 3 radial außenliegend angeordnet. Angrenzend an die Drosselspule 3 ist auch hier auf der Innenseite ein Kryostat 13 angeordnet. In¬ nerhalb der Kryostatwand 15b ist hier ein vollzylindrischer Tragkörper 5 angeordnet, der auf seiner Außenseite mit einer supraleitenden Schicht 9 beschichtet ist. Auch hier kann die¬ se Schicht 9 entweder als einzelnes Leiterelement oder als eine Mehrzahl von Leiterelementen auf die Außenseite des
Tragkörpers aufgebracht sein. Das Material des Vollzylinders kann vorteilhaft ein amagnetisches Material wie beispielswei¬ se Glasfaser-verstärkter Kunststoff oder Edelstahl sein. AI- ternativ kann es sich bei dem Tragkörper um ein weichmagnetisches Material handeln, sodass die Induktivität im Störfall erhöht wird. Im Normalbetrieb wird der Kern durch die supra¬ leitende Schicht elektromagnetisch abgeschirmt.
In Figur 6 ist eine elektrische Spuleneinrichtung 1 nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung in schemati- schem Querschnitt gezeigt. Auch bei diesem fünften Ausführungsbeispiel weist die Spuleneinrichtung 1 eine radial außen liegende Drosselspule 3 auf, an die radial innenliegend eine Kryostatwand 15b angrenzt. Im Inneren des Kryostaten 13 ist hier wiederum ein hohlzylindrischer Tragkörper 5 angeordnet, der in diesem Beispiel auf seiner inneren Mantelfläche mit einer supraleitenden Schicht 9 beschichtet ist. Im Inneren des so beschichteten Tragkörpers 5 fließt oder befindet sich hier ein verflüssigtes Kühlmittel 14, das zur Kühlung der supraleitenden Schicht dient. Bei diesem Kühlmittel kann es sich beispielsweise um verflüssigten Stickstoff, Helium oder Neon handeln. Der Tragkörper 5 kann so gleichzeitig als Trä- ger der supraleitenden Schicht wie auch als Behälter für das Kühlmittel 14 dienen. Optional zu der in Figur 6 gezeigten Konfiguration kann die zusätzliche, äußere Kryostatwand 15b auch entfallen, und der Tragkörper 5 kann gleichzeitig als äußere Kryostatwand dienen. Der in Figur 6 gezeigte Tragkör- per 5, der auf seiner Innenwand mit der supraleitenden
Schicht 9 beschichtet ist, besteht vorteilhaft aus einem elektrisch nicht leitenden Material, da das Magnetfeld der Drosselspule hier erst in seinem Inneren durch die supralei¬ tende Schicht 9 kompensiert wird. Ein leitfähiges Material für den Tragkörper 5 würde hier zu einem unerwünschten, zusätzlichen Induktionsstrom im Tragkörper 5 führen, der unnötige elektromagnetische Verluste verursachen würde. Durch die Wahl eines elektrisch nicht leitenden Materials für den Tragkörper 5 kann hier trotzdem das Magnetfeld durch die supra- leitenden Schichten 9 nahezu verlustfrei kompensiert werden.
Weitere mögliche Ausführungsbeispiele umfassen Spuleneinrich¬ tungen mit wenigstens einer auf einer Mantelfläche eines Tragkörpers angeordneten supraleitenden Schicht, innerhalb der mehrere in radialer Richtung nebeneinander angeordnete jeweils ringförmig kurzgeschlossene Teilspulen zur Abschirmung angeordnet sind.

Claims

Patentansprüche
1. Elektrische Spuleneinrichtung (1) mit
- einer Drosselspule (3) und
- einem innerhalb der Drosselspule (3) angeordneten Tragkörper (5),
wobei auf dem Tragkörper (5) wenigstens ein ringförmig geschlossenes supraleitendes Leiterelement (7) mit jeweils we¬ nigstens einer ringförmig geschlossenen supraleitenden
Schicht (9) angeordnet ist.
2. Elektrische Spuleneinrichtung (1) nach Anspruch 1, bei der die Drosselspule (3) und der Tragkörper (5) mit dem wenig¬ stens einen supraleitenden Leiterelement (7) eine gemeinsame zentrale Achse (A) aufweisen.
3. Elektrische Spuleneinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei der der Tragkörper (5) wenigstens eine zylinderförmige Oberfläche (5a, 5b) aufweist, auf der die wenig- stens eine ringförmig geschlossene supraleitende Schicht (9) angeordnet ist.
4. Elektrische Spuleneinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Tragkörper (5) als Hohlkörper ausgebildet ist.
5. Elektrische Spuleneinrichtung (1) nach Anspruch 4, bei der die wenigstens eine ringförmig geschlossene supraleitende Schicht (9) auf einer Innenfläche (5a) des Hohlkörpers ange- ordnet ist.
6. Elektrische Spuleneinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der der Tragkörper (5) als Vollkörper ausgebildet ist.
7. Elektrische Spuleneinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die wenigstens eine ringförmig ge- schlossene supraleitende Schicht (9) auf einer Außenfläche (5b) des Tragkörpers (5) angeordnet ist.
8. Elektrische Spuleneinrichtung (1) nach einem der vorherge- henden Ansprüche, bei der die wenigstens eine ringförmig ge¬ schlossene supraleitende Schicht (9) ein hochtemperatursupra- leitendes Material aufweist.
9. Elektrische Spuleneinrichtung (1) nach einem der vorherge- henden Ansprüche, bei der auf dem Tragkörper (5) mehrere pa¬ rallel zueinander verlaufende ringförmig geschlossene supra¬ leitende Leiterelemente (7λ) mit jeweils wenigstens einer ringförmig geschlossenen supraleitenden Schicht (9λ) angeordnet sind.
10. Elektrische Spuleneinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einer Kühleinrichtung (11), die einen Kryostaten (13) umfasst.
11. Elektrische Spuleneinrichtung (1) nach Anspruch 10, wobei die wenigstens eine ringförmig geschlossene supraleitende Schicht (9) auf einer Wand (15) des Kryostaten (13) angeord¬ net ist.
12. Induktiv-resistive Strombegrenzereinrichtung (17) mit einer elektrischen Spuleneinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
13. Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Spulenein- richtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch den Schritt des Abscheidens einer ringförmig geschlossenen supraleitenden Schicht (9) auf einer Oberfläche (5a, 5b) des Tragkörpers (5) .
14. Verfahren nach Anspruch 13, bei dem die ringförmig geschlossene supraleitende Schicht (9) durch Aerosol-Deposition abgeschieden wird.
15. Verfahren nach Anspruch 13, bei dem die ringförmig geschlossene supraleitende Schicht (9) aus einer Lösung abge¬ schieden wird.
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