DE1513898C3 - Wechselstromgenerator - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Wechselstromgenerator mit Magnetpolen zur Erzeugung eines statischen Magnetfeldes, mit einer elektromagnetischen Wandlereinrichtung, die von dem Magnetfluß durchgesetzt wird, und mit einer Umschalteinrichtung zur Richtungsänderung des Magnetflusses.

Ein derartiger Wechselstromgenerator ist in der französischen Patentschrift 421451 beschrieben. Hierbei sind zahlreiche zum Teil ruhende, zum Teil umlaufende Polstücke erforderlich. Dieses bedingt infolge der zahlreichen Luftspalte einen erheblichen Streufluß. Eine Abschirmung des Magnetfeldes ist hierbei nicht vorgesehen.

Die Zeitschrift »Forschungen und Fortschritte«, 35. Jahrgang, 1961, Heft 5, S. 138 bis 141 vermittelt die Erkenntnis, daß Supraleiter zur Abschirmung magnetischer Felder geeignet sind.

Die Aufgabe der Erfindung liegt in einer Steuerung des Magnetflusses bei einem Wechselstromgenerator der genannten Art, wodurch sich bewegende Elemente für die Steuerung entbehrlich sind.

Diese Aufgabe wird bei einem Wechselstromgenerator der eingangs genannten Art nach der Erfindung dadurch gelöst, daß innerhalb eines von einer supraleitenden magnetischen Abschirmung eingeschlossenen Raumes zwischen den Magnetpolen mehrere Supraleitfähigkeit aufweisende Querwände innerhalb des Magnetflußweges angeordnet sind und daß eine Steuerungseinrichtung zur jeweiligen Steuerung der Supraleitfähigkeit jeder Querwand vorgesehen ist.

Die Erfindung bringt durch die Verwendung supraleitender Abschirmwände erhebliche Vorteile, weil der Magnetfluß mit Hilfe unbeweglicher Abschirmwände umgeleitet werden kann, so daß man innerhalb einer Wandleranordnung einen wechselnden Magnetfluß erhält. Dabei wird die bekannte Erscheinung eines Supraleiters ausgenutzt, daß derselbe in einem Magnetfeld bestimmter Stärke seine Supraleitfähigkeit verliert. Ein Supraleiter oberhalb dieser kritischen Feldstärke ist daher ein Leiter für den Magnetfluß; dagegen ein Supraleiter unterhalb dieser kritischen Feldstärke eine abschirmende Sperrwand. Infolge dieser Eigenschaften der Supraleiter und außerdem unter Ausnutzung des diamagnetischen Verhaltens läßt sich ein Magnetfluß verlustlos umschalten.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand von Ausführungsformen in Verbindung mit den Zeichnungen erläutert. Es stellt dar

Fig. 1 einen schematischen Schnitt durch eine erste Ausführungsform der Erfindung,

F i g. 2 einen gleichen Schnitt für einen entgegengesetzten Verlauf des Magnetfeldes,

F i g. 3 Einzelheiten des Spulenaufbaus für eine Einrichtung zum Umschalten der Supraleitfähigkeit,

Fig. 4a und 4b Schnitte durch eine weitere Ausführungsform der Erfindung für unterschiedliche Zustände des Magnetflusses,

Fig. 5 ein Kurvenbild des erzeugten Wechselstroms und

Fig. 6a und 6b entsprechende Schnitte durch eine weitere Ausführungsform der Erfindung.

Ausführungsbeispiel 1

Nach F i g. 1 ist ein Wandlerrohr 3 mit Ausgangsklemmen 2 und 2 a vorgesehen, durch das ein senkrecht zu der Zeichenebene fließender, durch das Zeichen (g) angedeuteter elektromagnetischer Strom 1 fließt. Das Wandlerkanalrohr 3 und die Bahn des Stromes 1 sind innerhalb des Spaltes zwischen zwei Magnetpolen 4 (Nordpol) und 4 a (Südpol) zur Erzeugung eines statischen Magnetfeldes angeordnet. Der Spalt zwischen den Magnetpolen ist hinsichtlich der Flußrichtung des elektromagnetischen Stromes 1 durch Abschirmwände 5, 6, 7, la, 8 und Sa aus supraleitendem Werkstoff mit jeweils nicht dargestellter Kühleinrichtung eingeschlossen. Damit der magnetische Fluß zwischen den Magnetpolen 4 und 4 a das Kraftlinienbild A annimmt, müssen zwei Querwände 7, Ta, 8 und 8a aus supraleitendem Werkstoff jeweils periodisch und abwechselnd als supraleitende magnetische Verschlüsse wirken können. Hierzu dient eine Spule 9 (Fig. 3) zum Aufbau eines Magnetfeldes innerhalb der supraleitenden

Querwand, wobei diese Spule ebenfalls aus einem supraleitenden Werkstoff besteht. Wenn mittels dieser Spule an den supraleitenden Querwänden 7 und la ein Magnetfeld gleich oder größer als das kritische Magnetfeld anliegt, ändert sich der supraleitende Zustand dieser Querwände in den normalleitenden Zustand, so daß der magnetische Fluß zwischen den Magnetpolen 4 und 4 a durch diesen magnetischen Verschlußeffekt in die Form des magnetischen Kraftlinienbildes A nach F i g. 1 gerichtet wird. Wenn sodann die Stärke des an den supraleitenden Querwänden 7 und la anliegenden Magnetfeldes innerhalb des nächsten Periodenabschnittes unter den kritischen Wert gesenkt wird, kommen die Querwände 7 und 7 α wieder in den supraleitenden Zustand zurück und lassen keinen magnetischen Fluß durch sich hindurch.

Wenn andererseits die Stärke des an den supraleitenden Platten 8 und 8 a anliegenden Magnetfeldes gleich oder größer als die kritische Feldstärke gemacht wird, ändert sich der supraleitende Zustand dieser Querwände in den normal leitenden Zustand, und der magnetische Fluß zwischen den Magnetpolen 4 und 4 a wird in das Kraftlinienbild A α nach Fig. 2 ausgerichtet. Infolgedessen wirkt auf den elektromagnetischen Strom jeweils senkrecht periodisch ein magnetisches Wechselfeld ein, dessen Teilfelder einander entgegengesetzt gerichtet sind. Somit kann man an den Ausgangsklemmen 2 und 2 a einen Wechselstrom abnehmen.

Wenn die gesamte Spule ein- oder ausgeschaltet wird, wird der magnetische Verschluß jeweils augenblicklich vollständig öffnen bzw. vollständig schließen, so daß man ein rechteckförmiges magnetisches Wechselfeld erhält. Durch Verwendung mehrerer (nach dem in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel sechs) Teilspulen Cl, C2, C3 ... Cn und durch zeitliche gegenseitige Versetzung der in den Teilspulen fließenden Ströme kann man eine näherungsweise sinusförmige Änderung des an dem elektromagnetischen Strom innerhalb des Wandlerkanalrohres 3 anliegenden magnetischen Wechselfeldes erzeugen, so daß sich ein sinusförmiger Wechselstrom nach F i g. 5 ergibt.

Wenn der durch die Spule dieser als Kraftlinienweg-Schalteinrichtung dienenden supraleitenden Querwand fließende Strom fortgesetzt ansteigt, ist das Magnetfeld in dem dem Spulenzentrum entsprechenden Wandbereich anfangs am stärksten. Folglich kommt dieser Bereich zuerst in den normal leitenden Zustand, und mit weiterem Ansteigen des Stromes kommen auch die anderen Wandbereiche in den normal leitenden Zustand. Um eine sinusförmige Änderung zu erhalten, kann man eine geeignet aufgebaute Steuerspule zur Feldsteuerung benutzen.

Die supraleitende Querwand muß auf einer sehr tiefen Temperatur gehalten und gegenüber dem Außenraum thermisch isoliert werden. Deshalb sind die Querwand und die Spule 9 für das Steuermagnetfeld innerhalb einer Kammer 10 für flüssiges Helium eingeschlossen. Auf jeder Seite dieser Kammer 10 sind nach F i g. 3 in einer schichtförmigen Anordnung nacheinander eine Vakuumschale 11, eine Kammer 12 für flüssigen Stickstoff und eine Vakuumschale 13 vorgesehen, damit die Außenraumwärme abgeschirmt wird.

Bei dieser Ausführungsform der Erfindung wird zur Überführung des supraleitenden Werkstoffes der magnetischen Querwände 1, la und 8, 8a von dem supraleitenden Zustand in den normal leitenden Zustand und umgekehrt die Stärke des auf den Werkstoff einwirkenden Magnetfeldes so vergrößert und verkleinert, daß der Wert des kritischen Magnetfeldes zur Erzeugung des supraleitenden Zustandes des Supraleiterwerkstoffes überschritten wird. Diese Umwandlung kann jedoch selbstverständlich auch durch Vergrößerung bzw. Verkleinerung des Wertes

ίο des durch den Supraleiterwerkstoffes fließenden Stromes oder des Temperaturwertes bewirkt werden, wobei jeweils der kritische Wert zur Aufrechterhaltung des supraleitenden Zustandes als Sprungpunkt wirkt.

Da man entsprechend der vorstehenden Beschreibung nach der vorliegenden Erfindung unter Verwendung von Magneten für ein statisches Magnetfeld ein magnetisches Wechselfeld auf einen elektromagnetischen Strom einwirken lassen kann und da die Energie des zwischen den Magneten erzeugten Magnetfeldes, d. h. das Produkt des Quadrates des magnetischen Flusses mit dem Volumen des von dem Magnetfeld erfüllten Raumes, immer konstant bleibt, wird keine Blindleistung eingespeist. Dies ist sehr günstig in Vergleich mit dem Verfahren zur Erzeugung eines magnetischen Wechselfeldes mittels einer Spule. Ferner bringt das erfindungsgemäße Verfahren viel weniger Gefahr mit sich und ist viel leichter praktisch durchzuführen als bekannte Verfahren, wo beispielsweise rotierende Magnete mit einem statischen Magnetfeld mittels einer mechanischen Einrichtung um einen elektromagnetischen Strom umlaufen und wo eine magnetische Abschirmeinrichtung eingeschoben bzw. herausgezogen wird.

Ausführungsbeispiel 2

Bei einer Einrichtung zur Erzeugung eines magnetischen Wechselfeldes, wo der beim Ausführungsbeispiel 1 erwähnte supraleitende Werkstoff benutzt ist, rindet eine in den F i g. 4 a und 4 b gezeigte Luftkernspule 21 an Stelle des elektromagnetischen Stromes bei der Einrichtung nach Ausführungsbeispiel 1 Verwendung. Dann wird der zwischen Statormagnetpolen 4 und 4 a erzeugte magnetische Fluß nach einer ähnlichen Arbeitsweise wie bei Ausführungsbeispiel 1 periodisch wechselnd in jeweils entgegengesetzter Richtung durch die Luftkernspule 21 geleitet, wobei jeweils die magnetischen Abschirmwände 25, 25 α bzw. 26, 26 α geöffnet bzw. geschlossen werden, so daß ein Wechselstrom erzeugt werden kann.

Ausführungsbeispiel 3

Nach F i g. 6 ist der Raum zwischen den Magneten 4 und 4 a zur Erzeugung eines statischen Magnetfeldes von einem supraleitenden Werkstoff ähnlich wie bei den Ausführungsbeispielen 1 und 2 umschlossen, ferner sind jeweils entgegengesetzt gewickelte Luftkernspulen 31 und 31a vorgesehen, die in der dargestellten Weise eingebaut sind. Die Luftkernspulen 31 und 31a sind durch supraleitende Wände 33, 35 und 36 abgeschirmt.

Wenn die supraleitenden Wände 35 und 36 jeweils abwechselnd zwischen dem supraleitenden und dem normal leitenden Zustand geändert werden, muß sich der Kraftlinienweg A b zwischen den Magnetpolen 4 und 4 a infolge der magnetischen Abschirm-

wirkung der supraleitenden Wände 35 und 36 zwischen den in den Fig. 4a und 4b gezeigten Zuständen ändern. Demzufolge geben die Luftkernspulen
und 31 α jeweils abwechselnd Induktionsspannungen ab. Da jedoch die Luftkernspulen 31 und 31a 5
jeweils mit entgegengesetztem Wicklungssinn gewickelt sind, kann durch geeignete Zusammenschaltung dieser Spulen ein Wechselstrom nach F i g. 5
erhalten werden.

Bei Verwendung von gleichstromerregten Magne- io
ten zur Erzeugung eines Magnetfeldes an Stelle der
Magnete bei den Einrichtungen nach den Ausführungsbeispielen 1, 2 oder 3 kann man diese Einrichtungen als Gleichstrom-Wechselstrom-Wandler benutzen, welche keine magnetische Wechselfeldenergie 15
zur Erzeugung magnetischer Wechselfelder mit Ma

gneten erfordern. Wenn ferner als Magnete supraleitende Magnete benutzt werden, erreichen die Kupferverluste einen vemachlässigbar kleinen Wert. Die Kühleinrichtung zur Kühlung der oben beschriebenen Bauteile aus supraleitendem Werkstoff benötigt im Betrieb eine vergleichsweise geringe Leistungszufuhr. Diese Leistung kommt dem auf Grund der thermodynamischen Gesetze berechneten Werte infolge der jüngsten großen Fortschritte in der Tieftemperaturtechnik immer näher. Wenn man beispielsweise die Kühleinrichtung für einen Gleichstrom-Wechselstrom-Wandler (oder einen Wechselstromgenerator) für 500 000 kW auf 5000 kW ansetzt, ergibt sich ein Gesamtwirkungsgrad dieses Gleichstrom-Wechselstrom-Wandlers von 99°/o, was recht viel ist.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Wechselstromgenerator mit Magnetpolen zur Erzeugung eines statischen Magnetfeldes, mit einer elektromagnetischen Wandlereinrichtung, die von dem Magnetfluß durchsetzt wird, und mit einer Umschalteinrichtung zur Richtungsänderung des Magnetflusses, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb eines von einer supraleitenden magnetischen Abschirmung eingeschlossenen Raumes zwischen den Magnetpolen mehrere Supraleitfähigkeit aufweisende Querwände (7, Ta, 8, 8a) innerhalb des Magnetflußweges (A, Aa) angeordnet sind und daß eine Steuereinrichtung zur jeweiligen Steuerung der Supraleitfähigkeit jeder Querwand vorgesehen ist.

2. Wechselstromgenerator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb der Abschirmung zwei durch mindestens eine supraleitfähige Querwand abgeschlossene Wegabschnitte für den Magnetfluß vorgesehen sind und daß eine Steuereinrichtung zur wechselweisen Steuerung jeder Querwand in den Supraleitungszustand vorgesehen ist.

3. Wechselstromgenerator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß vor jedem Magnetpol (4, 4 a) ein Verzweigungsabschnitt für den Magnetfluß mit je einer Querwand angeordnet ist und daß die Verzweigungsabschnitte zu einem gemeinsamen, die Wandlereinrichtung aufnehmenden Querzweig geführt sind.

4. Wechselstromgenerator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Querzweig einen Kanal (3) zur Durchleitung einer elektromagnetischen Strömung senkrecht zur Richtung des magnetischen Kraftflusses enthält (Fig. 1).

5. Wechselstromgenerator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Querzweig eine Spule (21) enthält, die von dem Magnetfluß in Axiälrichtung durchsetzt ist (Fig. 4).

6. Wechselstromgenerator nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch zwei je eine Spule (31, 31a) enthaltende, durch je eine supraleitfähige Querwand (35, 36) abgeschlossene Kraftflußwegabschnitte (Fig. 6).