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Supraleitender Stromkreis Bei Magneten und ähnlichen Apparaten mit
supraleitenden Wicklungen, die mit Gleichstrom arbeiten, entstehen im Dauerbetrieb
Verluste in den Zuleitungsstücken zu den supraleitenden Wicklungen. Daher muß die
Kühleinrichtung und die Erzeugungsanlage für das flüssige Helium nicht nur den Wärmeübergang
durch die Wärmeisolation der Erregerwicklung, sondern auch den Wärmeübergang in
diesen Zuleitungsstücken dauernd abführen. Außerdem muß die Stromquelle stets den
vollen Strom bei dem in den Zuleitungsstücken entstehenden Spannungsabfall als elektrische
Energie nachliefern.
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Es wäre daher eine Erregeranordnung günstig, bei der die elektrische
Energiezufuhr bei Dauerbetrieb entfällt und die Kühleinrichtung nur noch die durch
die Wärmeisolation durchdringende Wärme abführen muß. Hierbei ist es im Prinzip
bereits bekannt (vgl. die Zeitschrift »Scientific American«, 1960, S.74 bis 82),
eine supraleitende Erregerwicklung im Innern eines gekühlten Systems so anzuordnen,
daß die Erregerwicklung in sich geschlossen ist und zumindest teilweise vorübergehend
aus dem supraleitenden Zustand in den normalleitenden Zustand gebracht und während
dieser Zeit an sie von einer äußeren Gleichstromquelle ein Spannungszeitintegral
angelegt oder in ihr induziert wird.
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In vielen Fällen ist es aber erwünscht, ja sogar notwendig, kleine
Veränderungen des durch den im supraleitenden Kreis fließenden Dauerstrom erzeugten
Magnetfeldes vorzunehmen, so z. B. bei Ablenkmagneten, Spektrographen oder bei den
Feldwicklungen elektrischer Maschinen, um Rückwirkungen von Belastungsänderungen
auf die Klemmenspannung durch entsprechende Änderung des Erregerfeldes wieder auszugleichen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, Mittel zu schaffen, mit denen diese
Veränderung des Nutzfeldes vorgenommen werden kann, ohne daß eine elektrische Verbindung
der supraleitenden Erregerwicklung mit einer äußeren Spannungsquelle hergestellt
werden muß.
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Demgemäß bezieht sich die Erfindung auf einen supraleitenden Stromkreis,
der von einem Dauerstrom durchflossen ist und der eine Erregerwicklung zur Erzeugung
eines Nutzflusses und einen weiteren, mit dem Nutzfluß der Erregerwicklung nicht
verketteten Stromkreisabschnitt enthält. Dabei besteht die Lösung der obengenannten
Aufgabe darin, daß erfindungsgemäß zur Veränderung des von dem Dauerstrom bewirkten
Nutzfeldes wenigstens eine auf den supraleitenden weiteren Stromkreisabschnitt elektromagnetisch
einwirkende äußere Steuerspule vorgesehen ist. Die Erfindung beruht dabei auf der
Erkenntnis, daß in einem geschlossenen Stromkreis aus Supraleitern die Summe der
einzelnen magnetischen Durchflutungen konstant ist. Es wird daher der einen geschlossenen
supraleitenden Kreis durchsetzende Gesamtfluß in einen Hauptfluß, der mit den Windungen
der supraieitenden Erregerspule verkettet ist und das Nutzfeld darstellt, aufgeteilt
sowie in einen Steuerfluß, der die Windungen einer mit der Erregerspule in Reihe
geschalteten, jedoch nicht mit ihr induktiv gekoppelten Spule durchsetzt. Jede Veränderung
des letztgenannten Flusses, z. B. durch Beeinflussung mit dem Magnetfeld einer äußeren
Steuerspule, ruft daher eine gegensinnige Änderung des Nutzflusses hervor, deren
Größe vom Verhältnis der Windungszahlen der beiden supraleitenden Wicklungen abhängt.
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Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Lösung, bei dem das
von dem Strom in der supraleitenden Erregerwicklung hervorgerufene Nutzfeld verändert
wird, besteht darin, eine nicht supraleitende Wicklung so anzuordnen, daß ihr Fluß
zwar die supraleitende Erregerwicklung voll durchsetzt, jedoch direkt nur unwesentlich
zum Nutzfeld beiträgt. In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann dies so erfolgen,
daß das von der supraleitenden Erregerwicklung hervorgerufene Nutzfeld zwischen
den Polschuhen eines Magneten verläuft und jeweils Polschuhe in entgegengesetzter
magnetischer Polarität durch einen ferromagnetischen Nebenschluß verbunden sind.
Eine äußere Steuerspule wird dann so angeordnet, daß ihr Fluß im wesentlichen in
den ferromagnetischen Nebenschluß sowie in den Eisenkörper des Magneten verläuft.
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Das Wesen der Erfindung soll nachstehend an Hand der Figuren veranschaulicht
werden, wobei F i g. 1 und 2 Möglichkeiten aufzeigen, wie der Dauerstrom in einer
supraleitenden Erregerwicklung hervorgerufen werden kann, und in
F
i g. 3 bis 6 angedeutet ist, auf welche Weise dann der so erhaltene Dauerstrom verändert
werden kann.
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In F i g. 1 ist mit 1 die Hauptspule bezeichnet, die aus einem Supraleiter
besteht. Die Enden der Wicklung 1 sind durch ein supraleitfähiges Verbindungsstück
2 überbrückt. Durch eine außerhalb der Wärmeisolation befindliche Spule 3 kann die
Magnetfeldstärke in einem Teil des Verbindungsstückes 2 so groß gemacht werden,
daß trotz der niedrigen Temperatur die Supraleitfähigkeit des Verbindungsstückes
2 verlorengeht, wonach es einen endlichen Widerstand aufweist. Mit 4 sind die elektrischen
Durchführungen bezeichnet, durch welche die Enden der Erregerwicklung 1 mit einer
äußeren Stromquelle 6 verbunden werden können. Durch einen Schalter 7 kann die Stromquelle
6 sowohl von der Spule 1 als auch von der Spule 3 abgetrennt werden.
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Um in der Spule 1 den zum Betrieb erforderlichen Dauerstrom hervorzurufen,
wird zunächst der Schalter 7 geschlossen, nachdem der ganze Innenraum innerhalb
der Wärmeisolation auf die für die Supraleitfähigkeit erforderliche Temperatur gebracht
worden ist. Dies kann z. B. durch verflüssigtes Helium geschehen. Die Spule 1 ist
supraleitend, während das Verbindungsstück 2 beim Einschalten des Schalters 7 durch
das Magnetfeld der Spule 3 in den nicht supraleitenden Zustand kommt, so daß die
Spannung der Stromquelle 6, die zum Aufbau des magnetischen Flusses der Spule 1
notwendig ist, nur einen geringen Strom über die Querverbindung 2 treibt. Sobald
die gewünschte Magnetfeldstärke erreicht ist, wird . der Schalter 7 abgeschaltet,
das Magnetfeld der Spule 3 verschwindet, worauf das Verbindungsstück 2 supraleitend
wird und der Strom der Spule 1 sich über dieses Verbindungsstück schließt, das nun
ebenfalls einen unendlich kleinen Widerstand hat. Es kann zweckmäßig sein, die Spule
3 durch einen besonderen Schalter 8 abzuschalten, bevor der Schalter 7 geöffnet
wird, damit genügend Zeit für den Abbau des Magnetfeldes der Spule 3 bleibt, bevor
der Hauptstrom sich über das Verbindungsstück Z schließt. Innerhalb der Wärmeisolation
5 entstehen nun im-Dauerbetrieb keinerlei Verluste. Damit über die Durchführungen
4 keine Wärme in das Innere des gekühlten Systems gelangen kann, werden diese zweckmäßig
als Stecker ausgebildet und im --Dauerbetrieb herausgezogen. An ihre Stelle- können
dann wärmeisolierende Abschlußdeckel angebracht werden.
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Der Abbau des Alagnetfeldes kann ohne große Erwärmung der SpulA 1
dadurch erfolgen, daß man die Stromquelle 6 upipolt und nach Einstecken der Durchführungen
4 den. Schalter 7 wieder einschaltet.
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Als Leitermaterial für die Spule 1 wird zweckmäßigerweise ein solches
verwendet, das auch bei hohen Magnetfeldstärken noch supraleitend bleibt, wie z.
B. Niob-Zirkm oder Niob-Zinn; während für das Verbindungsstück 2 ein Material zweckmäßig
ist, das schon bei einer geringeren Feldstärke seine Supraleitfähigkeit verliert,
wie z. B. Niob. Es muß dabei darauf geachtet werden, daß das Feld der Spule 1 nicht
die Querverbindung 2 beeinflussen kann.
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Eine andere Möglichkeit zum Erzeugen eines Dauerstromes in der Spule
1 ist in F i g. 2 dargestellt. Wie bei F i g. 1 befindet sich eine supraleitende
Erregerwicklung 1 in. einen gekühlten wärmeisolierten Gefäß 5. Die Spule 1 ist in
sich geschlossen. Außerdem ist hier ein zweites wärmeisolierendes Gefäß 10 vorgesehen,
in welchem sich eine supraleitende Spule 9 mit ihren Durchführungen 4 befindet.
Der Magnetfluß dieser Spule ist eng verkettet mit der Spule 1. Der Erregungsvorgang
bei Spule 1 geht wie folgt vor sich: Vor dem Einschalten befindet sich die Spule
9 beispielsweise auf 4,2° K und ist supraleitend, während die Spule 1 sich auf einer
etwas höheren Temperatur befindet und vorerst noch nicht supraleitend ist. Die Stecker
4 werden nun in die Durchführungen gesteckt und Schalter 7 geschlossen. Die Spule
9 erzeugt das gewünschte Magnetfeld, wobei sich in der Kurzschlußwindung 1 wegen
ihres endlichen Widerstandes nur ein geringer Gegenstrom ausbildet. Sobald das gewünschte
Magnetfeld erreicht ist, wird die Spule 1 so weit abgekühlt, daß sie ebenfalls supraleitend
wird. Dann wird der Schalter 7 geöffnet und der Stecker 4 herausgezogen. In dem
Augenblick, wo der Strom in der Spule 9 unterbrochen wird, übernimmt die mit ihr
eng verkettete Spule 1 ihre magnetische Durchflutung, indem in ihr ein entsprechender
Dauerstrom induziert wird. Da die Spule 1 keine äußeren Zuleitungen aufweist, muß
nur die geringe Wärmemenge, welche durch die Isolation 5 hindurchdringt, abgeführt
werden. Auf der anderen Seite braucht die Spule 9 während der ganzen Betriebszeit,
in der das Feld der Spule 1 in konstanter Höhe aufrechterhalten werden soll, nicht
gekühlt zu werden. Die Entregung der Spule 1 kann auf zweierlei Art bewerkstelligt
werden. Man kann entweder die Temperatur der Spule 1 durch Wegnehmen der
Kühlung ansteigen lassen, bis die Supraleitung erlischt. Ihre magnetische Energie
wird dann durch den nun auftretenden ohmschen Widerstand in Form von Wärmeerzeugung
vernichtet. Diese Wärmemenge muß vor einer darauffolgenden Wiederinbetriebnahme
abgeführt werden. Ist nun ein schneller Wechsel zwischen Erregung und Entregung
der Spule 1 vorgesehen, so ist es zweckmäßig, die abzubauende magnetische Energie
in die Stromquelle 6 überzuführen. Man wird daher die Spule 9 wieder so weit abkühlen,
bis sie supraleitend ist, die Durchführungen 4 wieder einstecken, die Stromquelle
6 umpolen, den Schalter 7 schließen und danach die Temperatur der Spule 1 gerade
so weit erhöhen, daß deren Supraleitfähigkeit verschwindet.
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Die wärmeisolierten Gefäße 5 und 10 können konstruktiv weitgehend
miteinander verbunden sein, da deren Temperaturunterschiede während des Betriebes
nur wenige Grade zu betragen brauchen. Beispielsweise kann die Spule 1 aus einem
Stahlrohr bestehen, auf das der Supraleiter als dünne Schicht aufgebracht ist. Darüber
liegt dann die Wärmeisolation 5. Das Ganze kann innerhalb der Wärmeisolation 10
angeordnet werden, wobei sich dann zwischen den wärmeisolierenden Schichten 5 und
10 die Spule 9 befindet. Das Innere des Stahlrohres kann durch flüssiges Helium
gesondert gekühlt werden. Um die Temperatur der Spule 1 zu erhöhen, kann der Heliumdruck
im Innern des Stahlrohres so weit erhöht werden, daß die Verdampfungstemperatur
des Heliums über die Sprungtemperatur des Supraleiters 1 liegt. Es ist natürlich
auch möglich, die Spule 9 mit Normalleitern auszuführen, so daß die Wärmeisolation
10 in Wegfall kommt.
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In F i g. 3 ist eine Anordnung dargestellt, die es erlaubt, den einmal
eingestellten Dauerstrom in dem
von der Spule 1 und dem Verbindungsstück
2 gebildeten Kurzschlußkreis innerhalb gewisser Grenzen zu verändern, ohne
die äußere Spannungsquelle 6 wieder einschalten zu müssen. F i g. 3 entspricht unter
Beibehaltung der entsprechenden Bezugszeichen im wesentlichen der F i g. 1. Zusätzlich
ist jedoch das supraleitende Verbindungsstück 2 zum Teil in Form einer Spule 11
ausgeführt. Diese Spule ist induktiv mit einer äußeren Steuerspule 12 gekoppelt,
welche die Aufgabe hat, den Fluß der Spule 11 und damit auch den Magnetfluß der
Spule 1 zu verändern. Die Erregung des Dauerstromes in der Spule 1 sowie dem Verbindungsstück
2 geht analog wie bei der Anordnung nach F i g. 1 vonstatten. Wenn sich also der
Dauerstrom im supraleitenden Kreis, bestehend aus der Wicklung 1 mit der Windungzahl
w, und der Spule 11 mit der Windungszahl w11 ausgebildet hat, dann gilt bezüglich
der Summe der magnetischen Durchflutung dieser beiden Spulen folgende Beziehung:
wl.0l+w11.011-K, wobei K eine Konstante ist und 01 bzw. 011 die entsprechenden Teilflüsse
sind. Jedes von der Steuerspule 12 aufgenommene Spannungszeitintegral f
U - d t
verändert den Fluß 011 der Wicklung 11 und damit nach obiger Beziehung
auch gegensinnig den Fluß 01 der Wicklung 1. Durch in der Höhe und/oder Dauer bemessene
Spannungsimpulse, welche von einer Gleichspannungsquelle 13 geliefert werden, hat
man es also in der Hand, das Nutzfeld 01 zu vergrößern oder zu verkleinern. Soll
diese Änderung beibehalten werden, so muß ein entsprechender Gleichstrom in der
Wicklung der Steuerspule 12 fließen. Ist der Fluß 011 beispielsweise 1% des Nutzflusses
01, so genügt für den Strom J eine Konstanz von 1%, um den Fluß 01 auf 10-5 konstant
zu halten.
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Die Gleichspannungsquelle kann, wie in F i g. 3 angedeutet, in einem
Gleichstromgenerator bestehen, der in beiden Richtungen impulsweise erregt werden
kann. An seine Stelle kann aber auch beispielsweise ein aus Siliziumstromtoren aufgebauter
Gegentaktstromrichter treten.
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Bei der Anordnung nach F i g. 3 eröffnet sich die Möglichkeit, von
der Steuerspule 12 die Funktion der Spule 3 übernehmen zu lassen, so daß letztere
und die durch sie hindurchgeführte Schleife des Verbindungsstückes 2 in Wegfall
kommen. Bei entsprechendem Strom J kann die Spule 12 so stark erregt werden, daß
die kritische Feldstärke der supraleitfähigen Spule 11 überschritten wird, sie in
den Normalzustand kommt und demzufolge einen endliche Widerstand aufweist. Damit
ist der gleiche Betriebszustand erreicht, der sich - wie zuvor beschrieben - auch
ergibt, wenn man das Magnetfeld der Spule 3 über die kritische Feldstärke des durch
sie hindurchgeführten Verbindungsstückes 2 steigert. Nach Verringern des die Spule
11 beeinflussenden Magnetfeldes auf einen unterhalb ihrer kritischen Feldstärke
liegenden Wert und damit gekoppelter Abschaltung der Spannungsquelle 6 durch den
Schalter 7 geht dann der Strom der Wicklung 1 auf die nun ebenfalls supraleitfähig
gewordene Wicklung 11 über. Die Veränderung des Nutzflusses 0i erfolgt nun durch
Ändern des Stromes J, natürlich auf ein weit geringeres Stromniveau, als es durch
die kritische Feldstärke der Spule 11 gegeben war. F i g. 4 zeigt die Anordnung
der zusätzlichen Spule 11 zur Veränderung des Nutzflusses 01 bei der in F
i g. 2 dargestellten Ausführungsform der Erfindung. Erregung und Entregung der Spule
1 gehen genauso vor sich wie bei der Anordnung nach F i g. 2.
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Es ist zweckmäßig, die Streuung zwischen den Windungen w11 und w12
möglichst klein zu halten. Dies kann unter Umständen so geschehen, daß ein entsprechender
Eisenkern mit Luftspalten vorgesehen wird, durch welche dann der die Wicklung 11
umschließende Teil der Wärmeisolation 5 geführt ist.
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Mit dem Steuerstrom J kann also der Nutzfluß 0, in seiner Größe verändert
werden. Wird die erfindungsgemäße Anordnung für die Erregung von elektrischen Generatoren
mit wechselnder Belastung verwendet, so kann der Steuerstrom J in der Weise von
einem üblichen Spannungsregler beeinflußt werden, daß die Generatorspannung konstant
bleibt.
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In F i g. 5 ist eine weitere Möglichkeit dargestellt, auf das von
einer supraleitenden Erregerwicklung 1 erzeugte Nutzfeld 01 Einfluß zu nehmen. Hierzu
ist die Erregerwicklung 1 in zwei Spulen aufgeteilt, die je auf einen Polschuh eines
Weicheisenmagneten 16 angebracht sind. Die Erzeugung des Dauerstromes kann entsprechend
den Anordnungen nach F i g. 1 und 2 erfolgen, was hier nicht weiter dargestellt
ist. Der Teil des von der Erregerwicklung 1 erzeugten Flusses, der im Luftspalt
zwischen den beiden Polschuhen verläuft, wird als Nutzfluß 01 bezeichnet. Die Polschuhe
sind durch eine Anzahl stabförmiger magnetischer Nebenschlüsse 15 überbrückt, die
mit je einer nicht supraleitfähigen Steuerspule 14 versehen sind, was auch aus der
Draufsicht entsprechend F i g. 6 erkennbar ist. Der von diesen erzeugte Fluß 0,4
durchsetzt die supraleitende Erregerwicklung 1 und verläuft völlig in Eisen, trägt
demzufolge unmittelbar nichts zum Nutzfluß 01 bei. Auf Grund der zuvor erwähnten
Tatsache, daß die Summe der magnetischen Flüsse eines ausschließlich mit supraleitenden
Leitern geschlossenen Stromkreises immer konstant ist, ruft der Steuerfluß 014 eine
gegensinnige Änderung des von der supraleitenden Erregerwicklung 1 erzeugten Nutzflusses
01 hervor.
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In F i g. 7 ist ein weiteres Anwendungsbeispiel der Erfindung bei
einer Unipolarmaschine gezeigt. Mit 1 sind wiederum zwei supraleitende Erregerwicklungen
bezeichnet, deren Dauerstrom entsprechend wie bei den Anordnungen nach F i g. 1
oder 2 hervorgerufen werden kann. Die Richtung ihrer elektrischen Durchflutungen
ist so festgelegt, daß die von beiden Erregerwicklungen 1 erzeugten und im zylinderförmigen
Läufer 17 verlaufenden Flüsse am ganzen Zylindermantel in der gleichen Richtung
austreten. An den Schleifringen 18 wird der Gleichstrom abgenommen bzw. zugeführt.
Nutzfluß 0, der supraleitenden Erregerwicklung 1 ist derjenige Fluß, der an den
Stirnflächen des Zylinders innerhalb der durch die Schleifringe 18 begrenzten Kreisfläche
eintritt. Koaxial zu den supraleitenden Erregerwicklungen 1 ist eine nicht supraleitfähige
Steuerspule 14 angeordnet, von deren Fluß ein Teil mit der Spule 1 verknüpft ist
und nicht innerhalb der vorgenannten Kreisringfläche ein- oder austritt, also nichts
zum Nutzfluß ei unmittelbar beiträgt. Dieser Flußanteil ist der mit 014 bezeichnete
Steuerfluß. Durch geeignete Formgebung des Zylinders, etwa wie im Ausführungsbeispiel
durch Abschrägen an den Stirnseiten,
kann erreicht werden, daß ein
möglichst großer Teil des von der Spule 14 erzeugten Flusses als Steuerfluß in obigem
Sinn wirksam ist. Die Steuerwirkung des Flusses e14 ergibt sich wiederum aus der
Tatsache, daß der magnetische Gesamtfluß einer einmal supraleitend gewordenen Spule
konstant ist. Jede Veränderung des Steuerflusses 014 bringt daher eine gegensinnige
Veränderung der von den supraleitfähigen Erregerwicklungen 1 erzeugten Nutzflüsse
01 mit sich.
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Die letztgenannte Steuerungsart ist nicht nur bei Unipolarmaschinen
von Bedeutung, vielmehr kann sie in gleichem Maße zur Feldbeeinflussung bei sämtlichen
elektrischen Maschinen Anwendung finden, deren Felderregerwicklungen mit in sich
geschlossenen Supraleitern ausgeführt sind.