DE1292766B

DE1292766B - Einrichtung zum kurzzeitigen Schwaechen eines starken Magnetfeldes

Info

Publication number: DE1292766B
Application number: DES92264A
Authority: DE
Inventors: Kafka; Dipl-Ing Wilhelm
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1963-12-24
Filing date: 1964-07-25
Publication date: 1969-04-17
Also published as: US3360692A; SE302333B; GB1094575A; DE1280440B; CH428940A; AT269303B; BE656727A; NL6414123A

Description

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Die Hauptpatentanmeldung bezieht sich auf eine kurzzeitiges, starkes Magnetfeld aufzubauen. Dabei Einrichtung zum Erzeugen magnetischer Impulse besteht die erfindungsgemäße Lösung darin, daß die hoher Leistung unter Verwendung einer supraleiten- Verbraucherwicklung im Magnetfeld einer weiteren den Erregerwicklung und einer mit dieser magnetisch stromdurchflossenen supraleitenden Wicklung angegekoppelten Sekundärwicklung. 5 ordnet und so geschaltet ist, daß innerhalb der Ver-

Auf einigen technischen Gebieten, beispielsweise braucherwicklung das durch sie erzeugte Magnetfeld bei der Wasserstoff-Fusion, der Plasmatechnik, bei dem Magnetfeld der supraleitenden Wicklung ent-Spiegelmaschinen usw., werden starke Magnetfelder gegengerichtet und im Raum zwischen den beiden benötigt. Oftmals ist die geforderte Feldstärke so Wicklungen außerhalb der Verbraucherwicklung mit groß, daß übliche Magnetspulen nicht mehr aus- io dem Magnetfeld der supraleitenden Wicklung gleichreichen. Kommt es in diesen Fällen nicht auf einen , gerichtet ist.

Dauerbetrieb an, so werden diese Magnetfelder Das impulsförmige Magnetfeld in der Ver-

durch Entladung von Speicherkondensatoren in braucherwicklung wird hier dem starken Dauereiner Magnetwicklung- erzeugt. Hierfür sind sehr magnetfeld einer supraleitenden Wicklung gegengroße Speicherkondensatoren notwendig. Außerdem 15 sinnig überlagert und dadurch eine Schwächung des bereitet es Schwierigkeiten, die Kondensatorströme Dauermagnetfeldes erzielt. Man erhält so ein Magnetzum Anschluß an eine" räumlich eng begrenzte Spule feld mit impulsförmigem Einbruch, zusammenzufassen und die bei der Entladung des Die Einrichtung eignet sich insbesondere zur

Kondensators auftretenden mechanischen Kräfte zu magnetischen Kompression von Plasma in Spiegelbeherrschen. Nach der Hauptpatentanmeldung kön- 20 maschinen. Das Plasma wird zu diesem Zweck zum nen die Nachteile beim Erzeugen magnetischer Im- Zeitpunkt des Induktionsminimums in den von der pulse hoher Leistung dadurch überwunden werden, Verbraucherwicklung umschlossenen Hohlraum gedaß der Induktionsstoß der von Gleichstrom durch- bracht und bei'dem darauffolgenden Anstieg der Inflossenen Erregerwicklung beim Übergang vom supra- duktion komprimiert.

leitenden in den normalleitenden Zustand ausgenutzt 25 Die Einrichtung eignet sich auch dazu, das Plasma wird, um über die Sekundärwicklung in einer an durch die impulsförmige Schwächung der Induktion diese angeschaltete Verbraucherwicklung ein kurz- plötzlich zu entspannen und in einen anderen Mazeitiges, starkes Magnetfeld aufzubauen. gnetraum überzuführen. Außerdem kann die magne-

Zur Erzeugung starker Magnetfelder von kurzer tische Anziehungskraft einer Magnetkupplung durch Dauer sieht die Hauptpatentanmeldung also vor, in 30 die erfindungsgemäße Einrichtung kurzzeitig untereiner supraleitenden Erregerwicklung Energie zu brachen und damit beispielsweise der Schlupf zwispeichern und diese Energie durch Transition der sehen zwei Drehachsen geregelt werden. Erregerwicklung in den. normalleitenden Zustand . Die Erfindung wird durch ein Ausführungsbeispiel über eine Sekundärwicklung auf eine Verbraucher- . an Hand dreier Figuren näher erläutert. Es zeigt wicklung zu übertragen. Magnetfelder von kurzer 35 Fig. 1 den prinzipiellen Aufbau der erfmdungs-Dauer können dazu benutzt werden, andere Magnet- gemäßen Einrichtung,

feider zu schwächen. In der USA.-Patentschrift Fig. 2 den zeitlichen Induktionsverlauf in der

3 081406 ist eine bistabile Supraleiteranordnung be- ^;-· Verbraucherwicklung und

schrieben, die durch Schwächung und Verdrängung Fig. 3 eine konstruktive Ausgestaltung der Ein-

des gesamten Magnetflusses aus einer supraleiten- 40 richtung.

den Wicklung von dem einen in den anderen stabilen In F i g. 1 ist die Einrichtung zur Erzeugung star-

Zustand umschaltbar "ist Es handelt sich dabei um ' ker Magnetfelder von kurzer Dauer entsprechend der ein Schwachstromschaltelement, bei dem nach Hauptpatentanmeldung erkennbar. Sie besteht aus Schwächung des Magnetfeldes in einer Wicklung ein einer supraleitenden Erregerwicklung 1, einer Sekun-Magnetfeld in einer anderen (der ersteren parallel- 45 därwicklung 2 und einer Verbraucherwicklung 3. Die geschalteten supraleitenden) Wicklung aufgebaut Sekundärwicklung 2 ist mit der Erregerwicklung 1 wird, wobei das erstere Magnetfeld für dauernd (bis durch den magnetischen Fluß 4 verkoppelt. Die Verzum nächsten Umschalten) ganz verschwindet. braucherwicklung 3 ist an die Sekundärwicklung 2

Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe - angeschlossen, und an die supraleitende Erregerzugrunde, mit Hilfe der nach der Hauptpatent- 50 wicklung 1 ist über einen Schalter 5 eine Spannungsanmeldung herstellbaren starken Magnetfelder das quelle 6 anschaltbar. Die Erregerwicklung 1 ist abMagnetfeld in einer supraleitenden Wicklung für schnittweise durch Widerstände 7 und 8 überbrückt, lediglich kurze Zeit, d.· h. nur während der Zeitdauer die dazu dienen, die Transition der Erregerwicklung des schwächenden. Magnetfeldes, zu schwächen. in den normalleitenden Zustand zu beschleunigen. Nach dem Abschalten des schwächenden Magnet- 55 ^Die bisher beschriebene Einrichtung wirkt folgenfeldes soll das zu schwächende Magnetfeld also wie- dermaßen: Es sei angenommen, daß sich die suprader mit der ursprünglichen Stärke vorhanden sein. leitende Erregerwicklung 1 im supraleitenden Zu-Demgemäß bezieht sich die Erfindung auf eine Ein- stand befindet und der Schalter 5 bereits seit geraurichtung zum kurzzeitigen Schwächen eines starken mer Zeit geöffnet ist. Die Erregerwicklung 1 ist dann Magnetfeldes mit einer Einrichtung zum Erzeugen 60 stromlos. Beim Anschalten der Gleichspannungsmagnetischer Impulse hoher Leistung unter Verwen- quelle 6 an die Erregerwicklung 1 mittels des Schaldung einer supraleitenden Erregerwicklung und einer ters 5 beginnt sich ein Magnetfeld aufzubauen. Diemit dieser magnetisch gekoppelten Sekundärwick- ser Aufbau, welcher von der Ladezeitkonstante ablung, wobei der Induktionsstoß der von Gleichstrom hängt, soll genügend langsam vor sich gehen, um den durchfiossenen Erregerwicklung beim Übergang vom 65 supraleitenden Zustand der Erregerwicklung 1 nicht supraleitenden in den normalleitenden Zustand aus- zu gefährden. Während der Aufbauzeit verändert genutzt ist, um über die Sekundärwicklung in einer sich auch der Fluß durch die Sekundärwicklung 2. an diese angeschaltete Verbraucherwicklung ein Die in dieser Wicklung induzierte Spannung ist aber

Claims

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auf Grund von deren wesentlich geringerer Windungs- man dadurch, daß man den Stromkreis der Sekunzahl so klein, daß bei dem ohmschen Widerstand im därwicklung 2 aus einem Draht mit großem Tempe-Sekundärkreis praktisch kein Strom fließt. Ist bei dem raturkoeffizienten des elektrischen Widerstandes auf-Ladevorgang der Erregerwicklung 1 schließlich ein baut und einen möglichst großen Temperaturbereich bestimmter Energiewert und damit ein bestimmter 5 überstreicht. Man verwendet für die Sekundärwick-Strom erreicht, dann beginnt in der Erregerwick- lung 2 und die Verbraucherwicklung 3 zu diesem lung 1 an einer Stelle eine Transition in den normal- Zweck vorzugsweise einen auf 4 bis 20° K abgekühlleitenden Zustand. Der Übergang vom supraleitenden ten Metalldraht, z. B. aus Kupfer oder Aluminium, in den normalleitenden Zustand kann auch durch und belastet ihn mit einer sehr großen Stromdichte, einen Wärme- oder Stromstoß willkürlich ausgelöst io Der ohmsche Widerstand steigt dann während des werden. Bei Anwesenheit der Widerstände 7 und 8 Stromstoßes durch Erwärmung auf beispielsweise breitet sich diese Transition sehr schnell über die ge- 400° K um einen Faktor in der Größenordnung von samte Erregerwicklung 1 aus. Dies rührt daher, daß 100. Metallmenge und Energieinhalt werden so abjeweils der Wicklungsteil, der in den normalleitenden gestimmt, daß gerade eine Temperatur erreicht wird, Zustand übergeht, durch den parallelgeschalteten 15 die der Wicklungsisolation nicht schadet. Es ist Widerstand praktisch überbrückt wird, so daß der zweckmäßig, eine Isolation für hohe Temperaturen, Anteil der Durchflutung, der auf diesen Wicklungs- z. B. Glasfasern, zu benutzen, teil entfallen ist, von den anderen Wicklungsteilen Der Verlauf der Induktionskurve Bl zeigt wähmit übernommen werden muß und diese dadurch be- rend des Einbruchs der Induktionskurve B1 einen schleunigt in den normalleitenden Zustand gebracht ao Anstieg. Dies ist darauf zurückzuführen, daß die werden. Durchflutung in der Verbraucherwicklung 3 das

Ist die gesamte Erregerwicklung 1 normalleitend Feld der supraleitenden Wicklung 9 aus dem Inneren geworden, dann tritt an ihr ein hoher ohmscher verdrängt. Da der Gesamtfluß in der supraleitenden Spannungsfall auf, der durch eine Flußabnahme er- Wicklung 9 erhalten bleiben muß, weil sie kurzzeugt werden muß. Diese Flußabnahme erzeugt an as geschlossen ist und keine Flußänderung zuläßt, verder eng gekoppelten Sekundärwicklung 2 eine Span- größert sich die Induktivität Bl außerhalb der Vernung, die in relativ kurzer Zeit in der Verbraucher- braucherwicklung 3 und im übrigen auch der Strom wicklung 3 einen großen Strom und ein starkes Ma- in der supraleitenden Wicklung 9. gnetfeld erzeugt. Der Strom klingt dann entsprechend Der konstruktive Aufbau der erfindungsgemäßen der Entladezeitkonstante des Sekundärkreises ab. 30 Einrichtung läßt in Fi g. 3 die supraleitende Erreger-

Dieses impulsförmige Magnetfeld wird nun er- wicklung 1 erkennen, die mit zwei Lagen 13 und 14 fmdungsgemäß dazu benutzt, ein durch eine weitere der Sekundärwicklung 2 abwechselt. Deren Windunsupraleitende Wicklung erzeugtes Dauermagnetfeld gen sind als Hohlleiter ausgebildet, durch den Kühlzu schwächen. Zu diesem Zweck ist die Verbraucher- flüssigkeit oder Kühlgas geleitet wird. Die Sekundärwicklung 3 innerhalb einer supraleitenden Wick- 35 wicklung 2 ist mit der supraleitenden Erregerwicklung 9 angeordnet, die über einen Schalter 10 an eine lung I magnetisch eng gekoppelt. Supraleitende Er-Gleichspannungsquelle 11 anschaltbar und nach dem regerwicklung 1 und Sekundärwicklung 2 sind von Auferregen mittels eines Schalters 12 supraleitend einer Wärmeisolation 15 umgeben. Die Verbraucherkurzgeschlossen werden kann, wicklung 3 ist ähnlich aufgebaut wie die Sekundär-

Zur Veranschaulichung der magnetischen Vor- 40 wicklung 2 und innerhalb der zweiten supraleitenden gänge in der supraleitenden Wicklung 9 sind in Wicklung 9 angeordnet. Damit beim Verdrängen des Fig. 2 der zeitliche Induktionsverlauf der Induk- Magnetfeldes aus der Verbraucherwicklung 3 durch tion B1 innerhalb der normalleitenden Verbraucher- den Stromimpuls die supraleitende Wicklung 9 nicht wicklung 3 und der Induktion Bl zwischen normal- gefährdet wird — es wurde bereits erwähnt, daß sich leitender und supraleitender Wicklung 9 dargestellt. 45 hierbei die Induktion im Zwischenraum und der Die Induktionen B1 und B 2 haben bei stromdurch- Strom in der supraleitenden Wicklung 9 erhöhen —, flossener Wicklung 9 einen bestimmten gleichbleiben- ist der Innendurchmesser der supraleitenden Wickden Wert. Wird nun zur Zeit t_t durch Transition der lung 9 mehr als doppelt so groß wie der Innendurchsupraleitenden Erregerwicklung 1 in den normal- messer der Verbraucherwicklung 3 gemacht. Außerleitenden Zustand die Verbraucherwicklung 3 erregt, 50 dem ist die Wärmeisolation 16 der Verbraucherwickdann fällt der Induktionswert B1, da das Magnetfeld lung 3 auch zwischen Verbraucherwicklung und der Wicklung 3 innerhalb dieser Wicklung dem der supraleitender Wicklung 9 ausreichend dick geWicklung 9 entgegenwirkt, ab. Die Schwächung des macht, damit die beim Stromimpuls in der VerMagnetfeldes dauert so lange, bis durch die ohm- braucherwicklung 3 auftretende Wärme nicht auf die sehen Verluste im Stromkreis der Sekundärwick- 55 supraleitende Wicklung 9 einwirken kann. Die supralung 2 und der Verbraucherwicklung 3 die magne- leitende Wicklung 9 ist durch Vergrößerung der Wintische Energie in Stromwärme umgesetzt ist. Dann dungszahlen an den beiden Enden als magnetische erreicht die Induktion in der Verbraucherwicklung 3 Flasche ausgebildet und ist von einer Wärmeisolation wieder den ursprünglichen Wert. Die Tiefe des im- 17 umgeben, pulsförmigen Einschnitts der Induktionskurve Sl 60

richtet sich nach der Größe der magnetischen Ener- ... gie der supraleitenden Erregerwicklung 1. Für ihre Patentansprüche: Breite ist die Schnelligkeit des Abfalls und des Anstiegs maßgebend. Der Abfall kann dadurch be- 1. Einrichtung zum kurzzeitigen Schwächen schleunigt werden, daß man eine Wicklung mit ver- 65 eines starken Magnetfeldes mit einer Einrichtung hältnismäßig kleiner Induktivität bei großer Draht- zum Erzeugen magnetischer Impulse hoher länge, also eine Wicklung kleinen Durchmessers und Leistung unter Verwendung einer supraleitenden großer Länge wählt. Einen schnellen Anstieg erhält Erregerwicklung und einer mit dieser magnetisch

gekoppelten Sekundärwicklung, wobei der Induktionsstoß der von Gleichstrom durchflossenen Erregerwicklung beim Übergang vom supraleitenden in den normalleitenden Zustand ausgenutzt ist, um über die Sekundärwicklung in einer an diese angeschaltete Verbraucherwicklung ein kurzzeitiges, starkes Magnetfeld aufzubauen, nach Patentanmeldung P 12 80 440.9, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbraucherwicklung (3) im Magnetfeld einer weiteren stromdurchflossenen supraleitenden Wicklung (9) angeordnet und so geschaltet ist, daß innerhalb der Verbraucherwicklung (3) das durch sie erzeugte Magnetfeld dem Magnetfeld (Bl) der supraleitenden "Wicklung (9) entgegengerichtet und im Raum zwischen den beiden Wicklungen außerhalb der Verbraucherwicklung (3) mit dem Magnetfeld (B 2) der supraleitenden Wicklung (9) gleichgerichtet ist.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge- ao kennzeichnet, daß der Durchmesser der Verbraucherwicklung (3) kleiner als ihre Länge ist.
3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß Sekundärwicklung (2) und Verbraucherwicklung (3) aus einem Metall mit großem Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstandes bestehen.
4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß Sekundär- und Verbraucherwicklung mit hoher Stromdichte bei sehr tiefen Temperaturen betrieben werden.
5. Einrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß für Sekundär- und Verbraucherwicklung eine temperaturbeständige Wicklungsisolation, beispielsweise eine Glasisolation, verwendet ist.
6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Innendurchmesser der die Verbraucherwicklung (3) umschließenden supraleitenden Wicklung (9) mehr als doppelt so groß wie der Innendurchmesser der Verbraucherwicklung (3) ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen