CH423957A - DC generator - Google Patents

DC generator

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Publication number
CH423957A
CH423957A CH1135265A CH1135265A CH423957A CH 423957 A CH423957 A CH 423957A CH 1135265 A CH1135265 A CH 1135265A CH 1135265 A CH1135265 A CH 1135265A CH 423957 A CH423957 A CH 423957A
Authority
CH
Switzerland
Prior art keywords
magnetic field
generator according
conductors
type
conductor
Prior art date
Application number
CH1135265A
Other languages
German (de)
Inventor
Risch Rudolf
Original Assignee
Bbc Brown Boveri & Cie
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Filing date
Publication date
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Publication of CH423957A publication Critical patent/CH423957A/en

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Classifications

    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02KDYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K55/00Dynamo-electric machines having windings operating at cryogenic temperatures
    • YGENERAL 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
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E40/00Technologies for an efficient electrical power generation, transmission or distribution
    • Y02E40/60Superconducting electric elements or equipment; Power systems integrating superconducting elements or equipment

Landscapes

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

Description

  

      Gleichstromgenerator       Die Erfindung     bezieht    sich auf einen Gleichstrom  generator, der geeignet ist, hohe Ströme zu     erzeugen     und der besonders     vorteilhaft    zur Speisung von     supra-          leitenden    Spulen verwendet werden kann.  



  Die Anwendung von     supraleitenden    Spulen hat in  letzter Zeit bei der Erzeugung von extrem hohen ma  gnetischen Feldstärken eine     besondere    Bedeutung er  langt. Diese Spulen sind dabei in einem     Kryostat    unter  gebracht,     in    dem die für das Eintreten der     Supra-          leitung    nötige tiefe Temperatur     herrscht.    Die bei den  benötigten hohen Strömen in den nicht     supraleitenden     Speiseleitungen auftretenden Verluste können jedoch       beträchtliche    Werte annehmen.

   Um     diese    Verluste zu  vermeiden, wird der Generator im     Kryostat        selbst     untergebracht.  



       Erfindungsgemäss    weist der Generator ein sich  periodisch     änderndes        Magnetfeld    auf, das sich relativ  zu einem System von Supraleitern bewegt, wodurch  in den Supraleitern Spannungen induziert werden,  wobei dieses System mindestens eine     Serieschaltung          einschliesst,    bestehend aus einerseits einem Leiter  eines ersten Typs,     dessen        Supraleitung    durch das  Magnetfeld nicht aufgehoben wird, und     andererseits     einer Parallelschaltung von mindestens zwei Leitern  eines zweiten Typs     (Kryotrons),

      deren     Supraleitung     durch das Magnetfeld aufgehoben wird, wobei das  Magnetfeld und die Leiter so ausgelegt sind, dass in  jedem Augenblick     mindestens    ein Leiter des zweiten  Typs     supraleitend    bleibt.  



  Anhand der Figuren wird die Erfindung beispiels  weise erläutert:  Die     Fig.    1 und 2     zeigen    eine erste Variante, bei der  das sich periodisch ändernde Magnetfeld durch einen  rotierenden, vorzugsweise permanenten Magneten 1  erzeugt wird.

   Das System von     Supraleitern    ruht und  besteht aus einem     Leiter    eines ersten Typs 2,     dessen          Supraleitung    durch das Magnetfeld nicht aufgehoben  wird und aus zwei Supraleitern eines zweiten Typs 3,    deren     Supraleitung    durch das Magnetfeld aufgehoben  wird     (Kryotrons),    wein die Feldstärke einen an sich  bekannten     Schwellwert    überschreitet. Die     supraleiten-          den    Verbindungen 4, S besorgen einerseits die Par  allelschaltung der Leiter und ihre     Serieschaltung    mit  dem Leiter 2.

   Die durch das sich bewegende Magnet  feld in jedem der Leiter vom zweiten Typ     induzierte          EMK    wird jedoch kurzgeschlossen, da das Magnet  feld und die Leiter so ausgelegt sind, dass in jedem  Augenblick     mindestens    ein Leiter 3     supraleitend        bleibt.     Der in der Parallelschaltung der Leiter 3 entstehende  Kurzschlussstrom hat jedoch Verluste zur Folge. Um       diese    Verluste möglichst klein zu halten, sollen diese  Leiter 3 in ihrem normalleitenden Zustand einen mög  lichst grossen Widerstand aufweisen, was durch ent  sprechende Formgebung,     z.B.    durch Verlängerung des  Strompfades erreicht werden kann.  



  Beispielsweise weist der Strompfad der Leiter des  zweiten Typs 3 eine Länge auf, die grösser ist als die  Distanz zwischen den Leiterenden, wobei diese Länge  insbesondere mindestens das Doppelte dieser Distanz  beträgt. Diese vergrösserte Länge des Strompfades  kann vorteilhaft durch Faltung des     supraleitenden     Materials erreicht werden.

   Auch     wendel-    oder     zick-          zackartig    geformte Leiter sind     denkbar.    Wie man sieht,  ist das zwischen den Klemmen 6 liegende Leiter  system in jedem Augenblick     supraleitend.    Für den er  zeugten Strom ist jedoch nur die im Leiter 2 induzierte  Spannung massgebend, da die in den     Leitern    3 indu  zierten     Spannungen    immer kurzgeschlossen werden,  so dass die Anordnung gemäss     Fig.    1 und 2 als Gleich  stromgenerator arbeitet.  



  Anhand von     Fig.    3 und 4 wird eine zweite Variante       beschrieben.    Hier ist der rotierende permanente     Ma-          gnet    zweipolig ausgebildet.  



  Anstelle eines einzigen Systems von     Supraleitern     gemäss     Fig.    1 und 2 sind zwei solche Systeme     in    Serie  geschaltet und räumlich entsprechend der     Polteilung              in    Drehrichtung des Magneten um 180  gegenein  ander     versetzt.    Die paarweise     parallelgeschalteten     Leiter vom zweiten Typ 3a und 3b bzw. 3c und 3d  sind gegeneinander um 90      versetzt.     



  Die     Fig.    5 und 6 betreffen eine dritte Variante, bei  der das Leitersystem ruht und im wesentlichen wie  bei der ersten     Variante        ausgebildet    ist. Anstatt eines  rotierenden permanenten Magneten wird     das        sich    be  wegende Magnetfeld mit     Hilfe    von ruhenden     Dreh-          stromwicklungen    7     erzeugt.     



  Damit der Generator als Gleichstromerzeuger       wirken    kann, muss das Magnetfeld im Luftspalt zwi  schen den Aussenpolen 8 und dem     Innenpol    9 über  all oder zumindest vorwiegend die gleiche radiale  Orientierung     aufweisen.    Dies kann vorteilhaft durch,  einen     permanenten    Magneten oder durch eine Gleich  stromwicklung     z.B.    an der Stelle 10     realisiert    werden.  



  Bei den     beschriebenen    Varianten mit rotierenden  Magneten     (Fig.    1 bis 4) weist das     Magnetfeld    einen  angenähert     rechteckigen    Verlauf mit steilen     Anstieg-          bzw.        Abfallflanken    auf.  



  Um die     dritte        Variante    zu verbessern, werden     er-          findungsgemäss    zur Erzielung eines     ähnlichen,    ange  nähert rechteckigen     Verlaufs        zusätzlich        Wicklungen     zur Erzeugung von     Oberwellen    angebracht.  



  Anstelle     eines    einzigen     Grundschaltungssystems     von     Supraleitern    wie bei den Varianten gemäss den       Fig.    1 und. 2 bzw. 5 und 6 können     unabhängig    von .der  gewählten Variante, zwecks Erhöhung der Generator  spannung, mehrere- dieser     Grundschaltungssysteme        in          Reihe    geschaltet werden. Eine     Reihenschaltung    von  zwei Systemen ist in     Fig.    7 in der Abwicklung gezeigt.  



  Es ist bekannt, dass jedes     supraleitende        Material          seine        Supraleitung        verliert    wenn das Material einem       Magnetfeld    ausgesetzt ist, dessen Feldstärke     einen     spezifischen Schwellwert überschreitet. Für den Leiter  vom ersten Typ 2 kann man also     vorteilhaft    ein  Material     wählen;    bei dem dieser Schwellwert nicht er  reicht wird. Dadurch wird man jedoch in der Wahl  des     Materials    eingeschränkt.  



       Andererseits    könnte man für den Leiter 2 ein  Material mit     niedrigerem    Schwellwert verwenden,       wenn    es gelingt, das eingeprägte Magnetfeld an der  Stelle dieser Leiter zu     schwächen.     



  Beispielsweise wird eine solche Schwächung des  Magnetfeldes durch Anordnung von     magnetischen          Abschirmkörpern    11 realisiert, die die Form von  magnetischen Brücken haben können, wie es in den       Fig.    8 und 9     z.B.    bei einer Variante mit rotierendem  Magneten gezeigt wird.



      DC generator The invention relates to a DC generator which is suitable for generating high currents and which can be used particularly advantageously for feeding superconducting coils.



  The use of superconducting coils has recently gained particular importance in the generation of extremely high magnetic field strengths. These coils are housed in a cryostat in which the low temperature required for the superconductivity to occur is present. However, the losses occurring in the non-superconducting feed lines with the high currents required can assume considerable values.

   To avoid these losses, the generator is housed in the cryostat itself.



       According to the invention, the generator has a periodically changing magnetic field that moves relative to a system of superconductors, whereby voltages are induced in the superconductors, this system including at least one series circuit, consisting on the one hand of a conductor of a first type whose superconductivity is through the Magnetic field is not canceled, and on the other hand a parallel connection of at least two conductors of a second type (cryotrons),

      whose superconductivity is canceled by the magnetic field, the magnetic field and the conductors being designed in such a way that at least one conductor of the second type remains superconducting at any given moment.



  The invention is explained using the figures, for example: FIGS. 1 and 2 show a first variant in which the periodically changing magnetic field is generated by a rotating, preferably permanent magnet 1.

   The system of superconductors rests and consists of a conductor of a first type 2, whose superconductivity is not canceled by the magnetic field, and two superconductors of a second type 3, whose superconductivity is canceled by the magnetic field (cryotrons), because the field strength is known Exceeds threshold. The superconducting connections 4, S provide on the one hand the parallel connection of the conductors and their series connection with the conductor 2.

   The EMF induced by the moving magnetic field in each of the conductors of the second type is short-circuited, however, since the magnetic field and the conductors are designed so that at least one conductor 3 remains superconducting at any moment. However, the short-circuit current generated in the parallel connection of conductors 3 results in losses. In order to keep these losses as small as possible, these conductors 3 should have the greatest possible resistance in their normally conducting state, which can be achieved by appropriate shaping, e.g. can be achieved by extending the current path.



  For example, the current path of the conductors of the second type 3 has a length which is greater than the distance between the conductor ends, this length being in particular at least twice this distance. This increased length of the current path can advantageously be achieved by folding the superconducting material.

   Helical or zigzag shaped conductors are also conceivable. As you can see, the conductor system between the terminals 6 is superconducting at all times. For the current he generated, however, only the voltage induced in the conductor 2 is decisive, since the voltages induced in the conductors 3 are always short-circuited, so that the arrangement according to FIGS. 1 and 2 operates as a direct current generator.



  A second variant is described with reference to FIGS. 3 and 4. Here the rotating permanent magnet has two poles.



  Instead of a single system of superconductors according to FIGS. 1 and 2, two such systems are connected in series and spatially offset by 180 against each other according to the pole pitch in the direction of rotation of the magnet. The pairs of conductors of the second type 3a and 3b or 3c and 3d connected in parallel are offset from one another by 90.



  FIGS. 5 and 6 relate to a third variant in which the ladder system is at rest and is designed essentially as in the first variant. Instead of a rotating permanent magnet, the moving magnetic field is generated with the aid of stationary three-phase windings 7.



  So that the generator can act as a DC generator, the magnetic field in the air gap between the outer poles 8 and the inner pole 9 must have the same radial orientation over all or at least predominantly. This can advantageously be done by a permanent magnet or by a direct current winding e.g. can be implemented at point 10.



  In the described variants with rotating magnets (FIGS. 1 to 4), the magnetic field has an approximately rectangular profile with steep rising and falling edges.



  In order to improve the third variant, according to the invention, in order to achieve a similar, more or less rectangular shape, additional windings are attached to generate harmonics.



  Instead of a single basic circuit system of superconductors as in the variants according to FIGS. 1 and. 2 or 5 and 6, regardless of the variant selected, several of these basic circuit systems can be connected in series in order to increase the generator voltage. A series connection of two systems is shown in Fig. 7 in the development.



  It is known that any superconducting material loses its superconductivity when the material is exposed to a magnetic field whose field strength exceeds a specific threshold value. For the conductor of the first type 2 one can therefore advantageously choose a material; at which this threshold is not reached. However, this restricts the choice of material.



       On the other hand, a material with a lower threshold value could be used for the conductor 2 if it is possible to weaken the applied magnetic field at the location of this conductor.



  For example, such a weakening of the magnetic field is realized by arranging magnetic shielding bodies 11, which can have the form of magnetic bridges, as shown in Figs. 8 and 9 e.g. is shown in a variant with a rotating magnet.

 

Claims (1)

PATENTANSPRUCH Gleichstromgenerator mit einem sich periodisch ändernden Magnetfeld, dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetfeld sich relativ zu einem System von Supraleitern bewegt, wodurch in den Supraleitern Spannungen induziert werden und dass dieses System mindestens eine Serieschaltung einschliesst, bestehend aus einerseits einem Leiter eines ersten Typs (2), des sen Supraleitung durch das Magnetfeld nicht aufge hoben wird, PATENT CLAIM Direct current generator with a periodically changing magnetic field, characterized in that the magnetic field moves relative to a system of superconductors, whereby voltages are induced in the superconductors and that this system includes at least one series circuit, consisting on the one hand of a conductor of a first type (2 ), whose superconductivity is not canceled by the magnetic field, und andererseits einer Parallelschaltung von mindestens zwei Leitern eines zweiten Typs (3), deren Supraleitung durch das Magnetfeld aufgehoben wird, wobei das Magnetfeld und die Leiter so aus gelegt sind, dass in jedem Augenblick mindestens ein Leiter des zweiten Typs supraleitend bleibt. UNTERANSPRÜCHE 1. and on the other hand a parallel connection of at least two conductors of a second type (3) whose superconductivity is canceled by the magnetic field, the magnetic field and the conductors being designed so that at least one conductor of the second type remains superconducting at any given moment. SUBCLAIMS 1. Gleichstromgenerator gemäss Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Supraleiter vom zweiten Typ (3) einen Strompfad aufweisen, dessen Länge grösser ist als die Distanz zwischen den Leiter enden und insbesondere mindestens das Doppelte dieser Distanz beträgt. 2. Gleichstromgenerator gemäss Unteranspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die grössere Länge des Strompfades durch Faltung des Supraleiters erreicht ist.. 3. Direct current generator according to patent claim, characterized in that the superconductors of the second type (3) have a current path whose length is greater than the distance between the ends of the conductors and in particular is at least twice this distance. 2. DC generator according to dependent claim 1, characterized in that the greater length of the current path is achieved by folding the superconductor. Gleichstromgenerator gemäss Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das System von Supra leitern ruht, während das Magnetfeld durch minde stens einen sich bewegenden Magneten (1) erzeugt wird. 4. Gleichstromgenerator gemäss Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetfeld mit Hilfe von ruhenden Wicklungen (7) erzeugt wird, die durch Wechselstrom gespeist werden. 5. Direct current generator according to claim, characterized in that the system of super conductors is at rest, while the magnetic field is generated by at least one moving magnet (1). 4. DC generator according to claim, characterized in that the magnetic field is generated with the help of stationary windings (7) which are fed by alternating current. 5. Gleichstromgenerator gemäss Unteranspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass Wicklungen zur Erzeu gung von Oberwellen angebracht sind, um einen an- genähert rechteckigen Verlauf des Magnetfeldes in Richtung seiner Bewegung zu erhalten. 6. Gleichstromgenerator gemäss Patentanspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetfeld an der Stelle der Leiter vom ersten Typ (2) durch magne tische Abschirmkörper geschwächt wird. Direct current generator according to dependent claim 4, characterized in that windings are attached to generate harmonics in order to obtain an approximately rectangular course of the magnetic field in the direction of its movement. 6. DC generator according to claim, characterized in that the magnetic field at the point of the conductor of the first type (2) is weakened by magnetic shielding bodies.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10101785A1 (en) * 2001-01-17 2002-07-25 Gerd Schlueter Unipolar machine has coaxial rotating pair of unipolar magnets with cylindrical air gap containing static armature conductors parallel to longitudinal axis, distributed on air gap periphery

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10101785A1 (en) * 2001-01-17 2002-07-25 Gerd Schlueter Unipolar machine has coaxial rotating pair of unipolar magnets with cylindrical air gap containing static armature conductors parallel to longitudinal axis, distributed on air gap periphery
DE10101785B4 (en) * 2001-01-17 2004-04-29 Gerd Schlüter Unipolar machine
DE10101785B8 (en) * 2001-01-17 2004-08-05 Schlüter, Gerd Unipolar machine

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