Transformer with superconducting windings

【発明の詳細な説明】 超伝導巻線を備えた変圧器 技術分野 変圧器が、超伝導巻線を設けられるとともに、通常の巻線を備えた変圧器に対して対抗しうる製品となるための重要な条件は、交流損失が最少であることである。 現在利用可能な高温超伝導材料がテープとして設計されているため、超伝導巻線は従来のシート巻き巻線に似ている。 超伝導テープにおける交流損失がテープの平面に対する交番磁界の方向に従って大きくなるため、交流損失をうけ入れ可能なレベルに維持しうるようにするため、特殊な手段が採用されなければならない。 本発明はこれらの損失を最少にするのに役立つ設計に関するものである。 図面の簡単な説明 図１は変圧器コアのリムの周りの二つの同心の変圧器巻線における磁界形状の略図であり、 図２は、従来のシート巻き変圧器巻線が、損失をできるだけ少なくするように設計される、現在の技術水準による方法を示す図であり、 図３は、超伝導巻線を使用するとき、損失を少なくすることを、現在の技術水準によって処理する方法を示し、 図４は、損失を少なくするための、本発明による設計を示す。 背景技術および課題 超伝導体の特性は、可能な電流密度が通常の導体よりいちじるしく大きいことである。 上記のように、変圧器巻線に使用される超伝導体はテープの形状を有する。 現在利用しうるテープは、約３０％の超伝導体および約７０％の銀マトリックスを含有する。 超伝導材料は、もし導体がうける交番磁界が、磁界がテープ面内にあるよりむしろテープ面に垂直の方向に向けられるならば、交流損失が３〜 ５倍の大きさになるような、テープにおける配向を有する。 もし変圧器に対して特殊な手段がなにも採用されなければ、変圧器コアのリム３の周りの二つの同心巻線１および２に対する磁界は、図１に示されたような外観を有するであろう。 巻線の間に延長する実質的に軸線方向の漏洩磁束４は、巻線の両端部において多かれ少なかれ半径方向に偏向する。 そこで巻線は、導体に渦電流を発生させかつ損失を生ずる半径方向成分を有する磁束が横切ることになる。 もちろん、このことは、巻線が通常のシート巻線よりなるものであるか、または超伝導シート（テープ）巻線として設計されているかにかかわらず、真実である。 テープ面に対する磁界の方向に依存する超伝導テープの損失特性のため、 この課題は従来の巻線におけるよりも超伝導巻線において一層顕著になる。 半径方向磁界成分のため発生する損失を減少するため通常のシート巻線に使用される技術の典型的事例は、米国特許第４３２３８７０号明細書に開示されている。 磁界形状に影響を与えるべく試みる代わりに、導体材料は磁界に沿うことを考慮されている。 このことは、各点における磁界のベクトルが導体面の切線方向になるようテープが形成されるように実施される。 このようにして、渦電流は排除することができる。 上記米国特許の図１と同様の添付された図２は、この所要の効果を実現するため、シート巻き巻線をどのように設計すべきかを示している。 コアリムに向かう内側を向いた巻付けは、コアリムに向かう端部において、機械的観点から実際には必ずしも必要でない巻線支持体５を丸くすることによって実施され、外側を向いた巻線は異なった種類のくさびまたはライニングの助けによって実施可能である。 しかしながら、この方法は、必要な空間の増大、損失増加を生ずる巻線半径の増大、および比較的時間を要しかつ困難な巻線作業を伴う。 超伝導巻線が使用されるとき損失を小さく維持するように処理する方法の事例は、スエーデン国特許第９２０２４５５３号、“超伝導体を備えた変圧器／リアクトル用巻線支持体”明細書および添付された図３から明らかである。 超伝導テープ８は、実質的に真直ぐな、円形−円筒形の管状支持体よりなる巻線支持体６ 上に巻かれる。 コアリム３と巻線支持体との間には、いわゆる寒冷壁７が設けられている。 巻線が位置する側に、支持体は外方に両端部に向かって支持体に沿うらせん溝を設けられ、溝は導体の幅に等しい幅の平面を有する。 このようにして、外向きの端部に向かう支持体の周りの溝の各巻きは、円錐の真直ぐな切頭体の包囲面を実際に構成する面を形成する。 コアの真直ぐな切頭体の包囲面における母線９と支持体の軸方向中心線との間の角度は、各巻きに対して外向きに支持体の端部に向かって増大し、包囲面が、すべての点において、磁界の方向と一致するようにする。 支持体の中央部分は溝のない円形−円筒形包囲面を有する。 支持体の端部に沿うらせん溝のため、超伝導テープは支持体全体に沿って一層または二層連続的に巻くことができる。 発明の要約、利点 本発明によれば、巻線の端部における渦電流の発生およびそれに関連した交流損失を防止するため、異なった解決手段が使用される。 その代わり、磁界は、巻線全体の軸線方向長さにおいて、磁界が巻線の対称軸に平行に延長し、すなわち図１におけるように、それは巻線の端部で偏向しないように、影響をうける。 同心に配置された変圧器の二次および一次巻線の間に、二つの巻線の間を電気的に絶縁する絶縁物質を充填された、同心の管状空間、いわゆる主要空間が設けられる。 巻線の端部においても巻線の対称軸に平行に延長するように磁界を制御するため、大きい、好適には１０ ³以上の相対的透磁率を備えた多数の磁性材料の同心の円筒形スクリーンが一緒にかつ絶縁して主要通路の両端に導入される。 もしスクリーンが非導電性材料のものであるならば、それらは閉鎖した巻きを形成することができる。 ある導電率において、スクリーンは溝付きとされるか、または重なる場合には、重なりにおいて十分な絶縁性を有する。 本発明の一実施例は図４から明らかである。 同心巻線は図１に符号１および２ で示され、変圧器のリムは符号３で示されている。 磁界線４は絶縁材料を充填された主要通路１０内に示されている。 主要通路１０の上方および下方部分には、 上記による磁性材料の多数の円筒形スクリーン１１および１２が同心的に導入されている。 図面から明らかなように、これらのスクリーンの目的は、巻線の上方および下方部分においても、それらが主要通路内に延長し、多少でも巻線を半径方向に貫通しないように、磁束線を集中することである。 本発明の範囲は、主要通路における現在の空間、他の点において、スクリーン材料の厚さおよび磁気特性に従ってスクリーンリングの数を別のものとすることを可能にしている。 しかしながら、スクリーンリングは、定格電流において、それらが磁気的に飽和されないような大きさにしなければならない。 同時に、巻線の間に十分な空間が存在しなければならない。 そうでなければ、スクリーンの軸線方向長さは現在の変圧器の設計に適合しなければならない。 これらのスクリーンに適した材料はいわゆるアモルファス変圧器シートまたはヒステリシス損失を無視し得る他の材料である。 一実施例において、同心リングはらせんリングと置換することができる。