DE1110219B - Schalter zur wahlweisen Verteilung eines elektrischen Stromes auf mehrere parallele Belastungszweige - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen supraleitenden Schalter, bei dem der Schaltvorgang von einem gesteuerten Magnetfeld ausgeführt wird.

Bei Temperaturen in der Nähe des absoluten Nullpunktes weisen eine beträchtliche Anzahl metallischer Elemente und Legierungen keinen Widerstand auf (zweiundzwanzig metallische Elemente dieser Art sind gegenwärtig bekannt). Der normale Widerstand eines solchen supraleitenden Stoffes kann durch die Anlegung eines magnetischen Feldes wiederhergestellt werden, wenn dessen Stärke einen Wert übersteigt, der als Überführungsfeldstärke bezeichnet werden kann und der sich je nach den Stoffen, ihren Temperaturen und anderen Faktoren richtet. Beim Schalter gemäß der Erfindung wird diese Erscheinung, daß der Widerstand wiederhergestellt wird, ausgenutzt.

Die meisten Schalter besitzen bewegliche Teile, deren mechanisches Moment die Schalter daran hindert, schnell tätig zu werden. Bei vielen Schaltern, die schnell arbeiten, ist der sich bewegende Teil ein Elektronenstrahl, für den jedoch eine vakuumdichte Hülle erforderlich ist.

Demgemäß ist das Ziel der Erfindung ein schnell arbeitender Schalter, der keine vakuumdichte Hülle benötigt, der keine sich bewegenden Teile aufweist und der von einem magnetischen Feld betätigt wird.

Bei einem Schalter zur wahlweisen Verteilung eines elektrischen Stromes auf mehrere parallele Belastungszweige ist in Reihe mit jeder Last ein supraleitendes Element eingeschaltet; an den Elementen sind je eine erste und eine zweite strombelastete Wicklung verschiedener Windungszahl angeordnet, ferner sind alle ersten und alle zweiten Wicklungen je in Serie geschaltet; die ersten und zweiten Wicklungen erzeugen entgegengerichtete Magnetfelder; infolge einer Änderung der Strombelastung der ersten oder zweiten Wicklungen ist die Supraleitfähigkeit der einzelnen Elemente wahlweise zerstörbar.

Weitere Ausführungsformen des Erfindungsgegen-Standes gehen aus der Beschreibung der Figuren hervor.

Fig. 1 zeigt ein Schaltbild einer .Ausfuhrungsform der Erfindung;

■ Fig. 2 ist eine graphische Darstellung, die den Betrieb der Ausführungsform gemäß Fig. 1 anschaulich macht;

Fig. 3 ist ein Schaltbild einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 4 ist eine graphische Darstellung, die die Arbeitsweise der in Fig.;3 dargestellten Ausführungsform anschaulich macht; · .

Schalter zur wahlweisen Verteilung

eines elektrischen Stromes
auf mehrere parallele Belastungszweige

Anmelder:

General Electric Company,
Schenectady, N. Y. (V. St. A.)

Vertreter: Dr.-Ing. W. Reichel, Patentanwalt,
Frankfurt/M. 1, Parkstr. 13

Beanspruchte Priorität:
V. St. v. Amerika vom 13. Oktober 1958

Vernon Leopold Newhouse, Scotia, N. Y. (V. St. Α.), ist als Erfinder genannt worden

Fig. 5 ist ein Schaltbild einer dritten Ausführungsform der Erfindung.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 1 steuern mehrere supraleitende Elemente 1, 2, 3 und 4 wahlweise den Strom, der von einer Wechsel- oder Gleichstromquelle 5 aus zu Belastungen 6, 1, 8 und 9 fließt. Wenn auch nur vier Elemente 1 bis 4 und vier Belastungen 6 bis 9 angegeben sind, so kann doch eine beliebige Anzahl benutzt werden. Zur Steuerung des Stromes müssen die Elemente 1 bis 4, die vorzugsweise sämtlich dieselbe Überführungsfeldstärke benötigen, einen viel größeren Widerstand als die Belastungen 6 bis 9 besitzen. Bei einigen Anwendungsmöglichkeiten können die Belastungen 6 bis 9 Spulen aus einem supraleitenden Material sein, die nur eine Induktivität zeigen.

Das eine Ende der Elemente 1 bis 4 ist jeweils mit einem Draht 10 an einer Klemme der Stromquelle 5 angeschlossen, während das andere mit einem Draht 11 mit der jeweiligen Belastung 6 bis 9 verbunden ist. Die Kreise der Belastungen 6 bis 9 werden über einen gemeinsamen Erdanschluß mit der anderen Klemme der Stromquelle 5 vervollständigt.

Magnetische Felder, vorzugsweise Gleichfelder, werden den Elementen 1 bis 4 von einem Strom hervorgerufen, der von einer Stromquelle 12 über einen Satz-Wicklungen 13, 14, 15 und 16 mit unterschied-

109 620/277

3 4

lichen Windungszahlen fließt. Die Stärke dieser ma- Belastungszweig viel geringer als der Widerstand der gnetischen Felder soll größer als die von den EIe- anderen Belastungszweige einschließlich des Zweiges

menten 1 bis 4 benötigte Uberführungsfeldstärke mit der künstlichen Belastung 46 ist.

sein. Ebenso soll der Unterschied zwischen der Feld- Wenn ein Strom durch die Belastung? fließen soll,

stärke an zwei beliebigen Elementen 1 bis 4 größer 5 wird der Strom der Quelle 17 vergrößert, um an den als die für diese Elemente erforderliche Überfüh- Elementen 1 bis 4, die durch die Linie 27 angege-

rungsfeldstärke sein. bene magnetische Feldstärke zu erzeugen. Die sich

Weitere magnetische Felder für die Elemente 1 am Element 1 ergebende Feldstärke (Pfeil 34), die

bis 4 werden ebenfalls von einem Strom hervorgeru- durch diese Feldänderung auf einen Wert vergrößert

fen, der von einer einstellbaren Stromquelle mit einer io ist, der den der Überführungsfeldstärke übersteigt,

Potentiometeranordnung 17 aus über einen weiteren stellt den normalen Widerstand des Elementes 1 wie-

Satz Wicklungen 18, 19, 20 und 21 fließt, die vor- der her. Die sich an den anderen Elementen 2 bis 4

zugsweise sämtlich die gleiche Anzahl Windungen ergebenden Feldstärken sind kleiner geworden, aber

haben. Diese Felder sind denen entgegengerichtet, nur die am Element 2 sich ergebende Feldstärke

die von dem durch die Wicklungen 13 bis 16 fließen- 15 (Pfeil 35) ist kleiner als die Überführungsfeldstärke,

den Strom erzeugt werden. Nur wenn das Element 2 supraleitend ist, wird der

Eine nicht dargestellte Vorrichtung hält diesen von der Quelle 5 kommende Strom von der BeIa-

Schalter in der Nähe des absoluten Nullpunktes. stung6 auf die Belastung 7 geschaltet.

Eine hierfür geeignete Anordnung ist ein sogenann- Wenn der durch die Wicklungen 18 bis 21 fließende

ter Kälteregler, der mit flüssigem, in einem Dewar- 20 Strom die durch die Linie 28 angegebene magnetische

gefäß eingeschlossenem Helium arbeitet, das von Feldstärke hervorruft, wird die sich am Element 2

flüssigem Stickstoff umgeben ist, der in einem größe- ergebende Feldstärke über die Überführungsfeldstärke

ren Dewargefäß enthalten ist. Infolge dieser Umge- hinaus gesteigert, während sie am Element 3 unter

bung mit der niedrigen Temperatur werden Vorzugs- die Überführungsfeldstärke abnimmt. Die sich am

weise alle Schalterbestandteile supraleitend, wobei 25 Element 4 ergebende Feldstärke nimmt also ab, aber

eine Erzeugung von Joulescher Wärme vermieden nicht bis unter die Überführungsfeldstärke. Die sich

wird. am Element 1 ergebende Feldstärke wird sogar wei-

Die Arbeitsweise des Schalters gemäß Fig. 1 ver- ter über die Überführungsfeldstärke hinaus gesteigert, steht man am besten an Hand der Auftragung gemäß Da nur das Element 3 supraleitend ist, wird der Strom Fig. 2, in der die positiven und negativen Ordinaten- 30 der Quelle S auf die Belastung 8 geschaltet,
werte den magnetischen Feldstärken in entgegenge- Wenn das von den Wicklungen 18 bis 21 erzeugte setzten Richtungen in den Elementen 1 bis 4 entspre- magnetische Feld den von der Linie 29 angegebenen chen. Ausgezogene Pfeile 22, 23, 24 und 25 entspre- Wert annimmt, ist nur das Element 4 supraleitend, chen den magnetischen Feldern, die von dem Strom Dann fließt der Strom der Quelle 5 über die Beerzeugt werden, der durch die Wicklungen 13 bis 16 35 lastung 9.

fließt. Waagerechte Linien 26, 27, 28 und 29 ent- Ein Schaltvorgang zwischen einzelnen Belastungen sprechen den vier unterschiedlichen Feldern, die er- kann einen kurzen Stromimpuls über eine andere zeugt werden, wenn vier verschiedene Ströme durch Belastung hervorrufen. Wenn z. B. das Umschalten die Wicklungen 18 bis 21 fließen. Pfeile 30, 31, 32 zwischen den Belastungen 6 und 8 stattfindet, muß und 33 stellen die sich an den Elementen 1 bis 4 40 der Strom der Quelle 17 für einen Augenblick einen ergebende magnetische Feldstärke dar, wenn die ma- Wert annehmen, durch den ein Strom in der Begnetische Feldstärke der Wicklungen 18 bis 21 einen lastung 7 hervorgerufen wird. Die Induktivität der Wert aufweist, dem die Linie 26 entspricht. Ebenso . Wicklungen 18 bis 21 verhindert jedoch Augenblicksstellen Pfeile 34,35,36 und 37; 38,39,40 und 41 und änderungen des Stroms der Quelle 17.
42, 43, 44 und 45 sich an den Elementen 1 bis 4 er- 45 Dieser Strom, der über diese Zwischenbelastung gebende magnetische Feldstärken von Feldern dar, oder mehrere Zwischenbelastungen fließt, kann dadie durch die Linien 27, 28 und 29 angegeben wer- durch umgangen werden, daß während der Schaltden. Die Überführungsfeldstärke, die entweder posi- vorgänge in die Belastungszweige ein Widerstand eintiv oder negativ sein kann, ist mit dem Symbolik gesetzt wird. Infolge dieses Widerstandes fließt dann bezeichnet. Die Größe der Überführungsfeldstärke ist 50 der Strom der Quelle 5 über die künstliche Belastung nicht von der Richtung abhängig. 46 während der Schaltvorgänge.

Bei Abwesenheit eines durch die Wicklungen 18 Beim Schalter gemäß der Fig. 1 sind mehrere

bis 21 fließenden Stromes halten die magnetischen Wicklungen 47 vorgesehen, durch die ein Strom hin-

Felder der Wicklungen 13 bis 16 alle supraleitenden durchgeht, der magnetische Felder erzeugt, die die

Elemente 1 bis 4 auf einem bestimmten endlichen 55 Supraleitfähigkeit der Leitungen 11 zerstören. Wenn

Widerstand. Dann fließt ungefähr der gesamte Strom die Leitungen 11 nicht supraleitend sind, können die

der Quelle 5 durch eine parallel geschaltete künst- Wicklungen 47 auch rund um die Leitungen 10 oder

liehe Belastung 46 mit einem relativ geringen Wider- Schaltelemente 1 bis 4 herumgelegt werden. Wenn

stand. eine monostabile Schaltung 48 ausgelöst wird, wird

Wenn der von der Quelle 17 durch die Wicklungen 60 ein Stromimpuls über die Wicklungen 47 erzeugt, des-18 bis 21 fließende Strom ein magnetisches Feld an sen Dauer wenigstens der maximalen Zeitspanne allen Elementen 1 bis 4 mit einer Stärke hervorruft, gleich ist, die für einen Schaltvorgang benötigt wird, die durch die Linie 26 in Fig. 2 angegeben ist, ist nur Die Auslöseimpulse werden von einer Differentiadie sich am Element 1 (Pfeil 30) sich ergebende ma- tionsschaltung 49 geliefert, die die Ausgangsspangnetische Feldstärke kleiner als die Überführungs- 65 nung der Quelle 17 differenziert. Da sich die Spanfeldstärke. Dann fließt im wesentlichen der gesamte nung der Quelle 17 nur während eines Schaltvorgangs Strom der Quelle 5 über das supraleitende Element 1 schnell ändert, erzeugt die Differentiationsschaltung 49 und die Belastung 6, da der Widerstand in diesem nur während dieser Schaltvorgänge Auslöseimpulse.

Es gibt verschiedene andere Ausführungsformen des Schalters gemäß Fig. 1, bei denen der Strom der Quelle 17 konstant gehalten und die Schaltvorgänge durch Änderungen des Stroms der Quelle 12 erzielt werden können. Ebenso brauchen die Wicklungen 18 bis 21 nicht die gleiche Anzahl Windungen aufzuweisen und die Elemente 1 bis 4 nicht dieselbe Überführungsfeldstärke zu benötigen. Die Möglichkeiten für die Kombination von Stoffen für die Elemente 1 bis 4, für die Windungen der Wicklungen 13 bis 16 und 18 bis 21 und für die Ströme der Quellen 12 und 17, so daß bedienbare Schalter entstehen, sind recht zahlreich. In vielen Fällen können die Wicklungen 47 und die Schaltungen 48 und 49 weggelassen werden.

Bei der Ausführungsform des Schalters gemäß Fig. 3 erzeugen die Ströme, die über eine Wicklung

50 mit veränderlicher Ganghöhe und eine Wicklung

51 mit konstanter Ganghöhe fließen, an den Elementen 1 bis 4, die auf der Achse der Wicklungen 50 und 51 angeordnet sind, entgegengesetzte magnetische Felder. Wenn sich der Strom in der Wicklung 51 ändert, verschiebt sich der Punkt für die Löschung der magnetischen Felder längs dieser Achse. Folglich kann eine sich ergebende magnetische Feldstärke, die geringer als die Überführungsfeldstärke ist, wahlweise an den Elementen 1 bis 4 hervorgerufen werden, so daß nur eins dieser Elemente zu einem bestimmten Zeitpunkt supraleitend wird. Die Arbeitsweise der Ausführungsform gemäß der Fig. 3 kann man besser an Hand der Auftragung gemäß der Fig. 4 verstehen, in der die Feldstärke durch Ordinateneinheiten und die Abstände längs der Wicklungen 50 und 51 durch Einheiten längs der Abszisse angegeben sind. Eine Linie 52 entspricht der magnetischen Feldstärke, die von einem durch die Wicklung 50 fließenden Strom erzeugt wird. Linien 53, 54, 55 und 56 entsprechen magnetischen Feldstärken, die von vier unterschiedlichen Strömen, die durch die Wicklung 51 fließen, erzeugt werden. Linien 57, 58, 59 und 60 entsprechen den resultierenden Feldstärken. Die Zahlen 1, 2, 3 und 4 längs der Abszisse geben den Ort der Elemente 1 bis 4 an.

Wenn durch die Wicklung 51 kein Strom fließt, ist die magnetische Feldstärke (Linie 52), die von dem durch die Wicklung 50 fließenden Strom erzeugt wird, größer als die Überführungsfeldstärke bei allen Elementen 1 bis 4. Dann geht im wesentlichen der gesamte Strom der Quelle 5 durch die zusätzliche Belastung 46 hindurch.

Wenn die von dem durch die Wicklung 51 fließenden Strom erzeugte magnetische Feldstärke einen Wert annimmt, der der Linie 53 entspricht, beträgt die sich am Element 1 ergebende Feldstärke (Linie 57) Null. Sie ist aber größer als die Überführungsfeldstärke bei allen anderen Elementen 2 bis 4. Folg- lieh fließt der Strom der Quelle 5 nur durch die Belastung 6.

Wenn die von der Wicklung 51 herrührende magnetische Feldstärke einen Wert erreicht, dem die Linie 54 entspricht, ist die sich ergebende Feldstärke (Linie 58) kleiner als die Überführungsfeldstärke in der Nähe oder beim Element 2. Dann fließt der Strom über das supraleitende Element 2 zur Belastung 7. In ähnlicher Weise werden die Elemente 3 und 4 bei den sich ergebenden magnetischen Feldstärken supraleitend, denen die Linien 59 und 60 entsprechen.

Je nach Wunsch kann eine Vorrichtung in die Ausführungsform gemäß Fig. 3 eingesetzt werden, die einen Stromdurchgang während der Schaltvorgänge zu den Belastungen verhindert.

Der in Fig. 5 angegebene Schalter ist dem Schalter gemäß Fig. 3 ähnlich, wenn man davon absieht, daß die einzelnen Elemente 1 bis 4 durch eine ununterbrochene, supraleitende Schicht 61 ersetzt sind, deren Widerstand die verschiedenen Belastungskreise gegeneinander isoliert. Die Abstände zwischen den benachbarten Leitungen an der Schicht 61 können durch die Auftragung gemäß Fig. 4 festgelegt werden, da die Schaltvorgänge der Ausführungsformen nach den Fig. 3 und 5 dieselben sind.

Zusammenfassend gesehen, ist ein Schalter beschrieben, bei dem der Schaltvorgang durch eine Zerstörung der Supraleitfähigkeit durch ein magnetisches Feld erzielt wird. Bei allen Ausführungsformen der Erfindung erzeugen zwei entgegengerichtete, magnetische Felder, von denen mindestens eins einstellbar ist, ein sich im Raum änderndes magnetisches Feld zur Durchführung des Schaltvorgangs. Da weder sich bewegende Teile noch abgelenkte Strahlen benutzt werden und die Zerstörung der Supraleitfähigkeit etwa momentan erfolgt, arbeitet der Schalter gemäß der Erfindung schnell und wirtschaftlich.

Claims (7)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Schalter zur wahlweisen Verteilung eines elektrischen Stromes auf mehrere parallele Belastungszweige, dadurch gekennzeichnet, daß in Reihe mit jeder Last ein supraleitendes Element eingeschaltet ist, daß an den Elementen je eine erste und eine zweite strombelastete Wicklung verschiedener Windungszahl angeordnet sind, daß ferner alle ersten und alle zweiten Wicklungen je in Serie geschaltet sind, daß die ersten und zweiten Wicklungen einander entgegengerichtete Magnetfelder erzeugen und daß durch Änderung der Strombelastung der ersten oder zweiten Wicklungen die Supraleitfähigkeit der einzelnen Elemente wahlweise zerstörbar ist.

2. Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zu den Belastungszweigen ein Ersatzbelastungszweig parallel geschaltet ist, dessen Widerstand viel niedriger als der der supraleitenden Elemente bei zerstörter Supraleitfähigkeit ist.

3. Schalter nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe der einen an den Elementen angeordneten, strombelasteten Wicklungen derart gewählt ist, daß das mit ihnen erzeugbare Magnetfeld mindestens die Überführungsfeldstärke des supraleitenden Materials liefert und sich von Element zu Element um diese Überführungsfeldstärke unterscheidet, daß die anderen an den Elementen angeordneten, strombelasteten Wicklungen, die ein dem Magnetfeld der ersten Wicklungen entgegengerichtetes Feld erzeugen, eine solche etwa gleiche Größe aufweisen, daß das von ihnen erzeugte Feld die Uberführungsfeldstärke des supraleitenden Materials liefert, und daß Einrichtungen vorgesehen sind, mit denen die Stärke der von den ersten an den Elementen angeordneten Wicklungen gelieferten magnetischen Felder einstellbar ist.

4. Schalter nach Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden an den Elementen

angeordneten Wicklungen um das jeweilige Element herumgewickelt sind und daß die eine Wicklung eine konstante Ganghöhe und die andere Wicklung eine sich ändernde Ganghöhe aufweist.

5. Schalter nach Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die supraleitenden Elemente einzelne getrennte Einheiten sind.

6. Schalter nach Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die supraleitenden Elemente

nur Teile eines Bleches aus einem supraleitenden Material sind, daß in die Belastungszweige derart eingeschaltet ist, daß die Verbindungen mit den Zweigen an dem Blech räumlich getrennt sind.

7. Schalter nach Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Stromquelle parallel zu den Belastungszweigen angeschlossen ist und daß das supraleitende Element in dem jeweiligen Belastungszweig in Reihe eingeschaltet ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen