DE1089801B - Schaltelement zum Veraendern der Induktivitaet eines elektrischen Leiters, insbesondere in Form einer auf einen Kern gewickelten Spule - Google Patents

Description

Die. Erfindung bezieht sich auf ein Schaltelement, dessen induktiver Widerstand in Abhängigkeit von einem elektrischen Steuersignal von einem bestimmten Wert auf einen anderen geändert werden kann.

Es ist unter der Bezeichnung »Kryotron« ein Umschaltelement bekannt, das direkt die Sprunetemperatur von normalerweise supraleitenden Stoffen (d. h. bei der Arbeitstemperatur ohne Einwirkung eines Magnetfeldes supraleitend) ausnutzt. Dieses Element umfaßt üblicherweise einen normalerweise supraleitenden Sperrleiter, beispielsweise aus Tartal, um den eine Steuerspule, z. B. aus Niob, gewunden ist. Die Steuerspule ist mit einer Stromquelle verbunden, die durch die Spule genügend Strom schickt, um ein Magnetfeld zu erzeugen, das die Supraleitfähigkeit des Sperrleiters »verdrängt«, d. h. diesen widerstandbehaftet macht.

Auf diese. Weise schaltet das Cryotron-Stromtor zwischen dem Zustand mit Widerstandseigenschaften und dem der Supraleitfähigkeit, und zwar in Abhängigkeit davon, ob die Steuerleitung mit einem größeren als einem vorbestimmten Stromwert beaufschlagt ist oder nicht. Zwei dieser Elemente können bei geeigneter Schaltung an eine gemeinsame Stromquelle angeschlossen werden. Wenn das Stromtor des einen Elements supraleitend ist und das Stromtor des anderen einen elektrischen Widerstand besitzt, fließt der gesamte Strom durch das erstere Tor und kein Strom durch das zuletzt genannte. Der Strompfad kann durch letzteres Stromtor geschaltet werden, und zwar durch Abschalten seiner Steuerspule, um dieses Stromtor supraleitend zu machen, und durch Einschalten der Steuerspule des anderen Stromtors, um dieses nichtleitend zu machen. Verschiedene Schaltungen, wie Flip-Flop-Schaltungen usw., wurden bereits für Auswerteinrichtungen und ähnliche Anlagen mit Cryotrons zusammengestellt.

Bei Verwendung von Tantal-Sperrleitern arbeiten die Cryotrons normalerweise in flüssigem Helium bei Atmosphärendruck, um eine brauchbare Verdrängungsfeldstärke, d. h. in der Größenordnung von 50 bis 100 örsted, zu erhalten.

Vielfach wird ein Schaltelement gewünscht, das ein Wechselstromsignal schaltet, aber den Gleichstromfluß nicht beeinträchtigt. Es kann für ein solches Element auch wünschenswert sein, bei herabgesetzten Temperaturen und in Verbindung mit Cryotrons und anderen supraleitenden Elementen zu arbeiten.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Schaltelement zu schaffen, das auch bei Wechselströmen verwendet werden kann und für den Betrieb mit Cryotrons und anderen supraleitenden Umschaltelementen geeignet ist.

Zu diesem Zweck sieht die Erfindung ein Schaltelement vor, mit dem Schaltimpulse durch die Ände-

zum Verändern der Induktivität

eines elektrischen Leiters,

insbesondere in Form einer

auf einen Kern gewickelten Spule

ίο Anmelder:

International Business Machines

Corporation,
New York, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter: Dr.-Ing. F. Wuesthoff, Dipl.-Ing. G. Puls

und Dipl.-Chem. Dr. rer. nat. E. Frhr. v. Pechmann,

Patentanwälte, München 9, Schweigerstr. 2

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 2. Juli 1957

Albert E. Slade, Cochituate, Mass. (V. St. A.),
ist als Erfinder genannt worden

rung der Induktvität eines elektrischen Leiters erzeugt werden. Die Induktivität dieses Leiters wird gemäß der Erfindung durch einen Kern bestimmt, welcher mindestens einen Teilbereich aufweist, der in nächster Nachbarschaft des Leiters liegt und bei der Arbeitstemperatur des Schaltelements ohne Einfluß eines Magnetfeldes supraleitend ist und der zur Veränderung seiner Permeabilität durch das Magnetfeld einer auf den Kern aufgebrachten und entsprechend ausgelegten Steuerwicklung in den Zustand endlichen Widerstandes gebracht werden kann. Große Änderungen der Induktivität lassen sich erzielen, wenn der Leiter in Form einer Spule auf den Kern gewickelt ist.

Da die Größe der Induktivität einer Spule bekanntlieh dem Querschnitt des von den Feldlinien erfüllten Raumes proportional und der mittleren Länge dieser Feldlinien umgekehrt proportional ist, ist jede Maßnahme, bei der die Form des von den Feldlinien erfüllten Raumes gemäß der Lehre der Erfindung geändert wird, geeignet, die Induktivität der auf den Kern gewickelten Spule zu ändern. Um einen möglichst großen Wechsel der Induktivität zu erhalten, hat es sich als zweckmäßig erwiesen, den Kern mit einer äußeren Zone aus supraleitfähigen! Material zu ver-

009 609/283

3 4

sehen, wobei der innere Teil des Kerns vorteilhafter- unter den Verdrängungswert sinkt, wird der Kern

weise aus einem ferromagnetischen Material besteht. wieder supraleitend und die Induktivität fällt auf ihren

Das neue Schaltelement weist einen einfachen, seine vorherigen Wert ab.

Herstellung verbilligenden Aufbau auf. Die mit ihm Die Induktivität der Spule ist bestimmt durch die

erreichbare Schaltgeschwindigkeit ist außerordentlich 5 Größe des magnetischen Flusses, der durch den Strom

hoch. Es gestattet in einfacher Weise bei Vorhanden- in der Spule hervorgerufen wird, und dieser ist

sein von Wechselstromsignalen und einem Gleichstrom, wiederum abhängig von dem Querschnitt oder Kern-

ohne Beeinflussung des Gleichstromflusses auf Wechsel- volumen der Spule, durch den der Induktionsfluß hin-

stromsignale anzusprechen. durchtreten kann, sowie von der Permeabilität des

Die Erfindung wird im folgenden an Hand schema- ίο Kernes. Die Wirkungsweise des Schalterelements getischer Zeichnungen an einem Ausführungsbeispiel maß der Erfindung beruht darauf, daß supraleitende näher erläutert. Stoffe undurchdringlich für einen magnetischen Fluß

Fig. 1 zeigt eine Kurvenschar für verschiedene sind. Obwohl der Grund hierfür noch nicht vollstän-Stoffe und zeigt, wie die Temperatur, bei der ein Stoff dig bekannt ist, kann eine Erklärung darin gesehen supraleitend wird,' sich in Abhängigkeit eines ange- 15 werden, daß, wenn ein Magnetfeld auf supraleitende legten Magnetfeldes ändert, wobei die Stoffe dann Stoffe einwirkt, Wirbelströme in diesen auftreten, die supraleitend sind, wenn sie den Bedingungen, die Sekundärfelder von gleicher Stärke, jedoch von ent durch die Flächen zur Linken und unterhalb der ent- gegengesetzter Richtung zu dem angelegten Feld aufsprechenden Kurven dargestellt sind, ausgesetzt sind; kommen lassen. Dadurch wird das Netto- bzw. resul-

Fig. 2 zeigt ein gemäß der Erfindung hergestelltes 20 tierende Feld durch das Material gleich Null, und es

Schaltelement, teilweise weggebrochen; kann kein Induktionsfluß durch das Material hindurch -

Fig. 3 zeigt schematisch einen Schalter mit einem treten. Diese Erscheinung wurde bei Vollkörpern von

Schaltelement gemäß der Erfindung, und supraleitenden Stoffen und ebenso im durch Toroide

Fig. 4 zeigt schematisch einen Transformator mit und zylinderförmige Hohlkörper solcher Stoffe abge-

einem Schaltelement gemäß der Erfindung. 25 grenzten Raum beobachtet. Während dies eine von

Das Schaltelement beruht in seiner Wirkungsweise vielen möglichen Theorien ist, hängt die Erfindung ie-

auf der Änderung der Eigenschaften gewisser elek- doch nicht von der Erkenntnis der Ursache dieser Er-

trischer Leiter, die Temperaturen um den absoluten scheinung ab, sondern vielmehr von dem tatsächlichen

Nullpunkt ausgesetzt sind. Wenn die Temperatur sich Vorhandensein dieser Erscheinung. Deshalb ist, wenn

dem absoluten Nullpunkt nähert, wechseln diese Stoffe 3° ein Supraleiter einen großen Teil des Kernes des

in Abwesenheit eines Magnetfeldes sprunghaft vom Schalterelements einnimmt, die effektive Querschnitts-

Widerstandszustand zur Supraleitfähigkeit, bei der fläche der Spule, d. h. die Fläche, durch die der Fluß

ihr Widerstand gleich Null ist. Die Temperatur, bei hindurchtritt, klein und ebenso die Induktivität der

der dieser plötzliche Wechsel auftritt, wird als Sprung- Induktionsspule entsprechend sehr klein. Wenn die

temperatur bezeichnet, wenn der Leiter einem Magnet- 35 Supraleitfähigkeit des Kernes jedoch verdrängt wird,

feld ausgesetzt wird, wird die Sprungtemperatur her- entspricht die effektive Querschnittsfläche der Spule

abgesetzt; der Zusammenhang zwischen einwirken- der wirklichen Querschnittsfläche, und dadurch steigt

dem Magnetfeld und Sprungtemperatur ist in Fig. 1 die Induktivität wesentlich an.

für einige dieser Stoffe aufgezeigt. Fig. 2 zeigt einen Induktor nach dem Prinzip der

Wie aus dieser Figur hervorgeht, verlieren ohne 4° Erfindung, wobei dieser Induktor einen Kern 2, auf magnetische Feldeinwirkung Tantal bei 4,4° K oder den eine Induktionsspule 4 gewickelt ist, deren Indukdarunter, Blei bei 7,2° K und Niob bei 8° K jeglichen tivität steuerbar ist, sowie eine Steuerspule 6 aufweist, elektrischen Widerstand. Im ganzen gibt es bisher Der Kern 2 besteht vorzugsweise aus einem zentralen 21 Elemente nebst vielen Legierungen und Verbindun- Bereich 2 α aus ferromagnetischem Material, das von gen, die im Temperaturbereich von 0 bis 17° C supra- 45 einer dünnen Schale bzw. Deckschicht aus supraleitend werden. leitendem Material umgeben ist. Wenn die Schale bzw.

Die Einwirkung eines Magnetfeldes verschiebt die Hülse 2b im supraleitenden Zustand ist, hat die Spule

Sprungtemperatur zu kleineren Werten, oder wenn die hier die kleinste Induktivität, da, wie vorher ausge-

Temperatur konstant gehalten wird, bewirkt ein Ma- führt, der Raum innerhalb der Spule, durch den der

gnetfeld von genügender Intensität, daß das supra- 50 magnetische Fluß hindurchtritt, sehr klein ist und

leitende Material wieder seine normalen Widerstands- hauptsächlich durch den Zwischenraum der zwischen

behafteten Eigenschaften zurückgewinnt. Aus Fig. 1 Spule und Hülse angeordneten Isolation gebildet wird,

ist ersichtlich, daß ein Magnetfeld zwischen 50 und Wenn dann genügend Strom durch die Spule 6 zur

100 Örsted ein Stück Tantal, das auf 4,2° K gehalten Verdrängung der Supraleitfähigkeit der gesamten

wird (dem Siedepunkt von flüssigem Helium bei ..-Vt- 55 Hülse geschickt wird, kann der magnetische Fluß

mosphärendruck), von der Supraleitfähigkeit in den durch den ganzen Querschnitt der Spule 4 hindurch-

widerstandsbehafteten Zustand überführt. treten, und da dieser fast vollständig durch den hoch-

Das Schaltelement benutzt die Eigenschaften von permeablen Mittelteil 2a gebildet wird, steigt die Insupraleitenden Stoffen, die Permeabilität des Kernes duktivität sehr an.

einer Spule von einem bestimmten Wert auf einen 60 Der innere Bereich bzw. Teil 2a des Kernes 2 sollte anderen zu ändern. Die Induktivität wird dabei von neben großer Permeabilität auch einen genügend einer auf einen normalerweise supraleitenden Kern großen Sättigungswert besitzen, um eine Sättigewickelten Induktionsspule erzeugt. Eine zweite gung durch den Strom in der Steuer- und Induktions-Wicklung, die sogenannte Steuerspule, ist in ähnlicher spule zu vermeiden. Zur Verdrängung der Supraleit-Weise auf den Kern gewickelt und mit einer Steuer- 65 fähigkeit der Hülse bzw. Schale 2 b soll ein genügend stromquelle verbunden. Wenn genügend Strom durch großes Feld nötig sein, damit die Supraleitfähigkeit die Steuerspule geschickt wird, um die Supraleitfähig- der Hülse nicht durch Ströme verdrängt wird, die keit des Kerns des Schalterelements zu verdrängen, normalerweise in der Induktionsspule fließen. Ein gewird die Induktivität der Spule sprunghaft und wesent- eignetes Hülsenmaterial ist Tantal oder Blei, deren lieh vergrößert. Wenn der Strom in der Steuerspule 7° Wahl von der Stärke des durch den Strom in der In-

duktionsspule erzeugten Feldes abhängt. Wenn die größte Differenz zwischen den beiden Induktionswerten gewünscht wird, sollte die Hülse so dünn wie möglich sein. Eine dünne Hülse ist auch vom Standpunkt der Erhöhung des Widerstandes der Hülse im nichtsupraleitenden Zustand wünschenswert, wodurch die auf die Wirbelströme in der Hülse zurückzuführenden Verluste verringert werden. Daher kann die Deckschicht bzw. Hülse um den Mittelteil vorzugsweise durch Aufdampfen oder Niederschlagen auf elektrischem Wege gebildet werden. Die Spule-4 ist vorzugsweise supraleitend, um Widerstandsverluste im Kreis zu vermeiden. Sie kann aus 0,076-mm-Niob-Draht hergestellt sein, wodurch sie ein genügend größeres kritisches Verdrängungsfeld als die Deckschicht 2 & besitzt, um eine Verdrängung der Supraleitfähigkeit der Induktionsspule durch den Strom der Steuerspule 6 zu vermeiden. Der Niobdraht soll eine möglichst dünne Isolierschicht aufweisen. Eine 0,00635 mm dicke Haut aus gesintertem Poiytetrafluoräthylen ist für diesen Zweck geeignet.

Die Steuerspule 6 kann aus gewöhnlichem Kupfer draht bestehen, wenn keine Beschränkung der Belastbarkeit der verfügbaren Steuerstromquelle besteht. Jedoch kann sie aus demselben Material bestehen, um ebenfalls supraleitend zu sein und um eine Wärmcentwicklung in dem flüssigen Heliumbad, in dem das Schalterelement arbeitet, zu vermeiden. Überdies kann sie, wenn supraleitend, auch über Cryotrons oder anderen in der Schaltung damit verbundenen supraleitenden Elementen gespeist werden. Die Spule 6 sollte genügend lang und eine ausreichende Anzahl von Windungen besitzen, um eine Verdrängung der Supraleitfähigkeit über die gesamte Länge der Hülse. 2b, um die die Induktionsspule4 gewickelt ist, zu erreichen.

Die Länge der Hülse bzw. Deckschicht 2b sollte etwas größer als die der Spule 4 sein, um bei supraleitender Hülse eine Verkettung des magnetischen Flusses mit irgendwelchen Windungen der Spule zu vermeiden. Um die Wirkung zu verbessern, kann der zentrale Bereich 2» die Form eines Ringes oder irgendeines anderen geschlossenen Magnetkreises besitzen; bei dieser Formgebung ist die Induktivität der Spule bei Verdrängung der Supraleitfähigkeit der Hülse am größten. Andererseits ist es, wenn es hauptsächlich auf den Raumbedarf ankommt, günstig, den Mittelteil, wie in Fig. 2 gezeigt, als Stab auszubilden. Eine Spule veränderlicher Induktivität gemäß der Erfindung kann 0,64 cm lang sein mit einem Kerndurchmesser von so 0,23 mm und einem Gesamtdurchmesser von ungefähr 0,4 mm. Dieser kleine Raumbedarf erlaubt eine Anordnung, bei der viele Tausende solcher veränderlicher Induktivitäten in einem Raum von weniger als 28 edm untergebracht sind. Das Sohalterelement wird Vorzugsweise in ein flüssiges Heliumbad eingetaucht, um die gewünschten tiefen Temperaturen zur Supraleitfähigkeit zu erlangen. Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, kann bei Verwendung des beschriebenen supraleitenden Materials das flüssige Heliumbad unter Atmosphärendruck sein, wobei die Spule 4 und die Steuerspule 6 supraleitend sind, während die Kernhülse 2 α schnell vom supraleitenden zum widerstandbehafteten Zustand wechseln kann.

Fig. 3 zeigt einen Umschalter mit zwei Schalt-Stellungen, bei welchen zwei der neuen induktiven Schalterelemente verwendet sind. Diese Elemente, die allgemein mit 8 und 8' bezeichnet sind, sind dem in Fig. 2 gezeigten Element ähnlich; sie besitzen Kerne 10 bzw. 10', Induktionsspulen 12 bzw. 12' und Steuerspulen 14 bzw. 14', die alle den entsprechenden Teilen der Fig. 2 ähnlich sind. Die Kerne können daher ferromagnetische Innenteile 10 α und 10 a! besitzen, die von normalerweise supraleitenden Hülsen 10 b bzw. 10 b' umgeben sind. Die Induktionsspulen sind an einem Ende verbunden und werden mit einer zu schaltenden Wechselstromstelle (nicht gezeigt) verbunden. Die anderen Enden der Induktionsspulen sind mit den vom Schalter zu speisenden Schaltungselementen (nicht gezeigt) verbunden. Der induktive Widerstand dieser anderen Schaltungselemente sollte so groß sein, daß beim Schalten der Stromquelle durch den Induktor 8 oder 8' die gesamte Induktivität dieses Zweiges wesentlich kleiner ist als die des anderen Zweiges.

Bei einem typischen Anwendungsbeispiel wird dabei die Steuerspule 14 eingeschaltet, um die Supraleitfähigkeit des Kernmaterials 10 zu \^rerdrängen und um die Induktivität der Spule 12 zu erhöhen. Die Spule 14' wird nicht gespeist, und das supraleitende Material des Kernes 10' hält die Induktivität der Spule 12' auf ihrem niedrigsten Wert. Da die Induktionsspule 8 eine wesentlich größere Induktivität als die Spule 8' besitzt, fließt der größte Teil des Stromes durch die Spule 8' (vorausgesetzt, daß die vom Schalter gespeisten Kreise einen ohmschen oder induktiven Widerstand besitzen und die Induktivität dieser Kreise klein gegenüber der der Induktionsspule 8' bei der größten Induktivität ist). Wenn der Strom durch die Spule 8 geschaltet werden soll, wird die Steuerspule 14' eingeschaltet und Spule 14 ausgeschaltet. Der Stromzweig durch Spule 8 hat nun die kleinere Impedanz, und der Hauptstrom fließt durch diese.

Fig. 4 zeigt einen Transformator 15, bei dem ein Schalterelement gemäß der Erfindung verwendet ist. Wie aus dieser Figur hervorgeht, besitzt der Transformator einen Kern 16, ähnlich dem Kern 2 der Fig. 2, mit einem ferromagnetischen Innenteil 16a, der von einer normalerweise supraleitenden Hülse 16 & umgeben ist. Ferner ist eine Steuerspule 18 ähnlich der Steuerspule 6 der Fig. 2 vorgesehen, auch primäre und sekundäre Induktionsspulen 20 bzw. 22, welche der Induktionsspule 4 der Fig. 2 entsprechen. Wenn kein Strom durch die Steuerspule 18 fließt, verringert das supraleitende Material im Kern 16 den nutzbaren Fluß durch den die Sekundärspule 22 ankoppelnden Kern. Dadurch wird die Leistungsabgabe an den Klemmen der Sekundärspule 22 ein Minimum. Wird jedoch die Steuerspule 18 mit genügend Strom nur Verdrängung der Supraleitfähigkeit des Materials im Kern gespeist, so erzeugt die Primärspule 20 einen wesentlichen magnetischen Fluß, der ebenfalls die Spule 22 koppelt, so daß die Ausgangsleistung des Transformators entsprechend ansteigt. Obwohl der Kern 16 als Stab oder Stange gezeigt ist, kann er selbstverständlich auch jede geeignete Transformatorkernform besitzen. Die Primär- und Sekundärspulen können, wie gezeigt, ineinanderliegend gewickelt werden oder aber auch an getrennten Stellen des Kerns.

Das beschriebene supraleitende Schalterelement für Wechselströme führt seine Schaltfunktion durch Änderung von einem bestimmten Induktivitätswert auf einen änderen unter dem Einfluß eines elektrischen Stromes aus. Die Induktionsspule besitzt einen normalerweise supraleitenden Kern, der im supraleitenden Zustand den Durchgang eines merklichen Flusses durch eine Induktionsspüle verhindert, wobei die Induktivität der Spule auf einen Minimalwert gehalten wird. Unter dem Einfluß des durch eine ebenfalls auf dem Kern aufgewickelte Steuerspule ausgebildeten Magnetfeldes kann die Supraleitfähigkeit des Ma-

terials verdrängt werden, so daß der Kern einen magnetischen Fluß hindurchläßt. Die Induktionsflußstärke hängt von den magnetischen Eigenschaften des Kernes im verdrängten Zustand ab und bestimmt die Induktivität der Spule in diesem Zustand. Die Schaltgeschwindigkeit ist sehr hoch, da ein Material zwischen dem verdrängten und dem supraleitenden Zustand in sehr kurzen Zeiten wechseln kann. Wie oben ausgeführt, kann das Schalterelement gemäß der Erfindung zum Schalten einer Wechselstromquelle irgendeines beliebigen Stromkreises verwendet werden. Das Schalterelement kann auch zur Steuerung des Ausganges eines Transformators benutzt werden.

Claims (10)

Patentansprüche: x_

1. Schaltelement zum Verändern der Induktivität eines elektrischen Leiters, insbesondere in Form einer auf einen Kern gewickelten Spule, gekennzeichnet durch einen Kern, der mindestens einen Teilbereich aufweist, der bei der Arbeitstemperatür des Schaltelementes ohne Einfluß eines Magnetfeldes supraleitend ist und der zur Veränderung seiner Permeabilität durch das Magnetfeld einer auf ihn aufgebrachten, entsprechend ausgelegten Steuerwicklung in den Zustand endlichen Widerstandes gebracht werden kann.

2. Schaltelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern eine äußere Zone aus supraleitendem Material aufweist.

3. Schaltelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern in seinem inneren Bereich aus ferromagnetischem Material besteht, der von der Zone aus supraleitendem Material umgeben ist.

4. Schaltelement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das ferromagnetische Material Zylinderform besitzt und das supraleitende Material den Zylinder hülsenförmig umgibt.

5. Schaltelement nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern über die Steuerwicklung an beiden Enden hinausragt.

6. Schaltelement nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Induktionswicklung aus einem supraleitenden Material besteht, dessen Schwellwert höher als der Schwellwert des supraleitenden Bereichs des Kerns ist.

7. Schaltelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Induktionswicklung aus Niob und der supraleitende Bereich des Kerns aus Tantal besteht.

8. Schaltelement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß auch die Steuerwicklung aus supraleitendem Material —· vorzugsweise aus Niob — besteht.

9. Schalter, gekennzeichnet durch mehrere Schaltelemente gemäß Anspruch 1 bis 8, wobei die Induktionswicklung jedes Elements mit einem Ende der Induktionswicklungen der übrigen Elemente verbunden ist und die Eingangsklemme des Schalters bildet.

10. Transformator, gekennzeichnet durch ein Element nach Anspruch 1 bis 8, dessen Kern eine weitere als Primärwicklung dienende Wicklung aufweist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

© 009 609/283 9.60