DE1589623A1 - Elektromagnetischer Akkumulator - Google Patents

Description

Wpi.-lng. R. Β··ϋΐι. 410-12.56j5P '" 18.7.1967

Dip!.- Ing. Lamprecht 1 ς β Q R ? Ί MSiMhm22,SMhIMtMMr-W I PO ^QiI J

Commissariat ä l'änergie Atomique, Paris (Frankreich)

Elektromagnetischer Akkumulator

Die Erfindung bezieht sich auf einen elektromagnetischen Akkumulator mit einem supraleitenden Kreis, wobei der in diesem Kreis gesoeicherte Strom und Magnetfluß ohne Energieverlust bie zur gesteuerten Freisetzung in einen mit dem ersten Kreis gekoppelten weiteren Areis aufrechterhalten wird.

Zum Einschließen eines elektrischen Stromes in einem eupraleitenden Kreis ist es bekannt, diesen Kreis in Form einer Spule aufzubauen, die aus aufeinanderfolgenden Spiralen au· Drähten, Kabeln, Bändern, Folien u«w. besteht. Eine Spule dieser Art, die den gew'ihnlich in der Elektrotechnik verwendeten Spulen aus normalleitende:n Material ähnelt, gestattet es für den Fall, daß da« Material suoraleitend iet, ein starkes permanente· Magnetfeld zu erzeugen oder erhebliche elektrische Energien ausgehend von relativ schwachen Strömen einzuschließen.

Eine solche in klassischer Weise aufgebaute Spule weist jedoch verschiedene Nachtelle auf. Praktisch sind die verschiedenen Spiralen, die diese Spule bilden, in Serie geschaltet; tritt daher an irgendeinem Punkt der Spule ein lokaler Übergang vom

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supraleitenden Zustand In den normalleItenden Zustand auf, so wird die Spule an dieser Stelle unterbrochen. Dabei zeigt der an dieser Stelle auftretende Joule-Effekt die Tendenz, sich In den supraleitenden Kreis hinein auszubreiten und die darin In elektromagnetlecher Form gespeicherte Energie In Form von Warne freizusetzen. Eine solche Spule 1st-daher In Ihrem Verhalten Instabil.

Es sind bereits verschiedene Kunstgriffe angewandt worden, um diesen Nachteil abzuschwächen. So 1st Insbesondere der supraleitende Draht oder das supraleitende Band mit einer metallischen HUlIe Überzogen worden, die ohne Übermäßige Erhitzung den gesamten den Supraleiter durchfließenden Strom übertragen kann. Tritt daher ein lokaler Überfang vom supraleitenden Zustand In den normalle It enden Zustand ein, so wird der elektrische Widerstand an dieser Stelle des Supraleiters großer als der der metallischen Hüll·, die dann die Strouführung übernimmt und es dem inneren Faden, der nicht mehr Sitz des Joule-Effektes 1st, gestattet, wieder supraleitend zu werden. In gleicher Welse lassen sich ähnliche Strombrücken- verwenden, insbesondere indem «an den supraleitenden Drähten oder Bändern normale Metalldrähte parallel-

schaltet, Indem man die Snulen mit Hilfe mehrerer voneinander uimbh ir. l«er und getrennt voneinander crespeister Wicklungen aufbaut oder auch Indem man für die zur Erzeugung der starken Magnetfelder bestimmte Spule ein aus massiven Leiterstücken bestehendes Gerippe

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verwendet, da« im Fall· ein·· lokalen Übergang·· de« aipraleltenden Drahtes in den normalleitenden Zu·tand die Änderungen de· Magnetfeldes mittel« induzierter Ström·, deren Sitz ·· i«t, dämpft.

Jedoch lassen sich die verschiedenen oben erwähnten Mittel nicht immer in Anwendung bringen. Weiterhin «ind «ie ie allgemeinen kompliziert und kostspielig zu realieleren. Aufierdem «lnd eie insbesondere bei der Herstellung τοη Verbindungen, die es gestatten sollen, einerseits den supraleitenden Kreis in sich su echllefien, um den Strom einzuschließen, und andererseits diesen Kr·!· an «in« Stromv*reorgungequ*ll· anzusohllefien, alt Isolationaproblemen verbunden.

Die Erfindung hat cum Ziel, diesen Naohteilen duroh einen elektromagnetischen Akkumulator abzuhelfen, der zu seinem Betrieb keine unmittelbare Verbindung zwischen dem einen elektrischen Strom einschließenden supraleitenden Kreis und einem äufieren Speisekreis verlangt.

Zu diesem Zwecke ist der erfindungeremäfle elektromagnetische Akkumulator gekennzeichnet durch einen supraleitenden Kreis mit mindestens einer In sich geschlossenen supraleitenden Schicht , und durch toittel zum Erzeugen eines bewegten Magnetfeldes in der Nachbarschaft des supraleitenden Kreises.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung und ihrer Arbeitsweise

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werden Im folgenden einige Ausführungsforii.en für erfindunps emäfce Akkumulatoren näher beschrieben, die jedoch lediglich als αie Erfindung in keiner Weise einschränkende Beispiele zu verstehen sind. In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 ein irinzipschaltblld für einen elektromagnetischen Akkumulator;

Fig. 2 ein Diagramm, entlang dessen Abszisse die Zeit und entlang dessen Grdinate das von dem Sneisekreis, der einen Teil des in Fig. 1 dargestellten Akkumulators bildet, erzeugte magnetische Feld aufgetra en ist;

Fig. 3 In größerem i>.a£stab Einzelheiten der obigen Ausfuhr uniform für einen erfindungsgemäßen Akkumulator und

Fig. k und 5 zwei Abwandlungen für einen Akkumulator nach Fig. 1.

Der In der Flg. 1 dargestellte elektromagnetische Akkumulator besitzt einen supraleitenden Kreis 10, in den ein vorgegebener elektrischer Strom eingeschlossen werden soll und der aus zwei zueinander koaxialen zylindrischen Schichten 11 und 12 besteht, die unabhängig voneinander und jeweils in sich geschlossen sind. Der supraleitende Kreis IC ist mit einem Speisekreis gekoppelt, der ein bewegtes Magnetfeld liefert, das es gestattet, in dem supraleitenden Kreis einen elektrischen Induktionsstrom zu erzeugen. Dieser Süeisekreis besitzt sechs elektromagnetische Spulen klassischer Bauart, die ir der Zeichnung mit den Bezugszahlen

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bis 6 bezeichnet sind.

Die Soulen 1 bis 6 sind mit ihrem einen Ende über elektrische Leitungen la Ms 6a an Gleichrichter Ib bis 6b angeschlossen, die paarweise miteinander verbunden und in umgekehrtem Sinne an ihren gemeinsamer] ...unkt an erschlossen sind, der seinerseits mit einer der Phasen I, JI oder Hi eines üblichen dreiphasigen Drehstromnetzes verbunden ist. Die anderen Tinden der Soulen 1 bis 6 sind mit einer gemeinsamen Leitung 7 verbunden, die ihrerseits an den Nulleiter N des Drehstromnetzes angeschlossen ist. Dank dieser Schal tun-- sind die Soulen 2, 4 und 6 in umgekehrter Richtung wie die Spulen 1, 3 und 5 angeschlossen und wird die G-esamtheit der S ml en mit Wechselströmen gespeist, die zeitlich

egeneinanuer versetzt und in uassender deise gleichgerichtet sind. Die Spulen 1 bis 6 erzeugen auf diese Weise ein haacnetfeld, aessen zeitlicher Verlauf in der Fi-. 2 dargestellt ist. Dieses Feld ist eii' magnetisches Gleitfeld, das eire Verschiebung im Sinne der Kurver ι bis 6 erfährt, wobei jede der Kurven des ■"da Gramms mit eit:e η Yf-ex /ersehen ist, Her der ßezu szahl Jer Soule entspricht, L·"- von deir ,ieweiliger: leiciigerichtoren Strom durchflossen wi^j.

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Flußpunrpen die Einführung eines elektrischen Stromes in den supraleitenden Kreis, der darin eingeschlossen bleibt und seinerseits ein Magnetfeld erzeugt, das solange konstant bleibt, wie der eingeschlossene Strom seinen Wert beibehält.

Mit Vorteil können in Verbindung mit den oben erwähnten fierkmalen weitere an sich bekannte*Vorkehrungen getroffen werden, um insbesondere das Eindringen des magnetischen Gleitfeldes in den supraleitenden Kreis zu verbessern. So kann man z.B. mit dem Magnetfeld einen anderen physikalischen Effekt koppeln, wie Insbesondere eine lokale Aufheizunt, die sich synchron mit dem Magnetfeld entlang des supraleitenden Kreises verschiebt. Eine solche Aufheizung läßt sich entweder durch Leitung oder durch Bestrahlung entweder mit Lichtstrahlen oder Infrarotstrahlen erzielen, deren Anordnung mit der der das magnetische Gleitfeld liefernden elektromagnetischen Spulen regebenenfalls mit einer zeitlichen Voreilung verknüpft werden kann, um der Trägheit der thermischen Erscheinungen Rechnuna zu trafen. In gleicher Weise kann man zu einer s:leichförmigen Aufheizung des supraleitenden Kreises übergehen oder diesen eine;a zusätzlichen konstanten Magnetfeld aussetzen, um ihn sehr nahe an die kritischen Bedingungen für den Übergant· vom supraleitenden in rten noraalleltenden Zustand zu bringen, so daß sich üor durch das bewegte Magnetfeld erhaltene lokale Übergang in der sich entLan des supraleitenden Kreises bewegenden Zone leichter vollzieht und so eine wirksamere Einschließung des Stromes Ln dem supraleitenden Kreis --estattet.

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Dabei 1st Im übrigen zu bemerken, daß der supraleitende Kreis aus einer beliebigen Anzahl von übereinanderliegenden Schichten besteher kann, von denen Jede in sich geschlossen ist und wobei gegebenenfalls zwischen die verschiedenen Schichten Schichten aus einem /reeigneten Isoliermaterial eingefügt sind. Außerdem und bei anderen AusfUhrungsformen kann die Schaltung der das bewerte hagnetfeld erzeugenden Spulen in verschiedener Weise realisiert und insbesondere mehrfach in identischer Weise wiederholt werden. Außerdem kann man, statt einen dreiphasigen Drehstrom zu verwenden, von vielphaslgen Strömen auegehen, wobei der Anschluß des Spelsenetzes sowohl in Sternschaltung (wie im Falle der Fig. 1) als auch in Dreieckschaltung vorgenommen werden kann. SchlieiBlich können die Spulen Magnetkerne aufweisen und durchverbunden sein, wie das bei den Wicklungen des Ständers eines Wechselstromgenerator der Fall ist. Außerdem lassen sich bei der Ausführung der Zusammenschaltung der Spulen verschiedene an sich bekannte Abwandlungen treffen; so kann Jede in zwei identische Halbspulen unterteilt sein, die zu beiden Seiten der supraleitenden Schichten angeordnet sind. Die Anzahl dieser Spulen kann variabel sein und die Frequenz der vielphasigen Ströme regelbar. Schließlich läßt sich die Amplitude der magnetisierenden Ströme in Abhängigkeit von der Lage der Spulen ■modulieren, die entweder außerhalb oder innerhalb oder sowohl innerhalb als auch außerhalb des supraleitenden Kreises liegen können.

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Die Fife. 3 veranschaulicht rait mehr Einzelheiten eine besondere Ausführungsforni für einen elektromagnetischen Akkumulator,

dessen Arbeltsprinzip oben unter Bezugnahme auf die Fig. 1 und 2 erläutert worden ist.

In der Fig. 3 sieht man sechs Speisespulen 1 bis 6, die zur Erzeugung eines ma netischen Gleitfeldes bestimmt sind, wobei die eine (1) dieser Spulen in Form einee Längsschnittes dargestellt ist, bei dem die Enden 26 und 2? ihrer Wicklum sichtbar werden, die eich in der in der FIe:. 1 angedeuteten Weise an einen ι geeigneten Speisekrels anschließen lassen.

Der supraleitende Kreie 10 ist zur Vereinfachung der Zeichnung •ale aus einer einzigen supraleitenden Schicht 11 bestehend dar estellt, die in sich geschlossen 1st und die Form eines geraden Zylinders aufweist. Die supraleitende Schicht 11 wird von einem geeigneten elektrisch isolierenden Überzug JO umgeben und ist außerhalb des Überzuges JO mit einem leitenden Band 31 vorzugsweise aus Kupfer verbunden, das derart auf den überzug 30 aufgewickelt ist, daß es die supraleitende Schicht 11 sowohl auf ihrer äußeren ale auch auf ihrer inneren' Oberfläche umgibt. Die beiden Enden 32 und 33 des leitenden Bandes 31 werden voneinander durch eine isolierende Platte Jk getrennt; außerdem ist jede Windung des Bandes gegenüber der Nachbarwindunsr um einen Abstand 35 In der Weise versetzt, da!3 das Band rund um die supraleitende Schicht 11 einen stetigen elektrischen Kreis bildet, der wie oben

erläutert, dazu bestimmt 1st, den übergang dieser Schicht auf ihrer

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ganzen überfläche in dem Augenblick auszulösen, indem man die zuvor eingeschlossene elektrische Energie in einen äußeren Nutzkreis hinein freisetzen will.

Vorzugsweise ist dieser Nutzkreis eine Wicklung 36, die aus einer Spule üblicher Bauart aus einein Draht oder Band aus Kupfer oder Aluminium besteht, und kann ebenso im Innern wie außerhalb des Zylinders liefen, der von der supraleitenden Schicht 11, ihrem isolierenden Überzug 3^ und dem von dem leitenden Band 31 gebildeten Auslösekreis umschrieben wird. Schließlich kann das Aggregat aus der supraleitenden Schicht 11 und ihrem Steuerkreis einerseits und aus dem Nutzkreis J6 andererseits im Inneren einer isolierenden Masse 37 eingeschlossen sein, aus der die Enden 38 und 39 des Kreises 36 heraustreten, die an irgendeinen anderen geeigneten in der Zeichnung nicht dargestellten Kreis angeschlossen sind.

Der von dem leitenden Band 31 gebildete Auslösekreis gestattet es, über den Joule-Effekt auf die Temperatur der supraleitenden Schicht 11 einzuwirken und/oder darin einen magnetischen Auslöseimpuls zu erzeugen. Der vollständige Übergang der Schicht 11 vom supraleitenden in den normalleitenden Zustand, der sich dabei bei einem passenden Wert des das leitende Band 3I durchfließenden Stromes ergibt, gestattet gemäß einen bekannten Prozeß den Übergang der Quasi-Gesamthelt der in der Schicht 11 eingeschlossenen Energie in den Nutzkreis 36.

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Es lassen sich verschiedene Abwandlungen der AusfUhrun. sform treffen, insbesondere was die Art des elektrisch isolierenden Überzuges 30 für die Schicht 11 oder aanz allgemein das gesamte Aggregat des supraleitenden Kreises 10 anbelangt. Insbesondere kann es In bestimmten Fällen angebracht sein, Materialien mit gutem Wärmeleitvermögen, wie z.B. Aluminium zu verwenden. Außerdem ist festzustellen, daß die leitenden Kreise 31 und 36 ebenso wie die isolierenden Überzüge JO und 37 nach verschiedenen Verfahren und insbesondere durch aufeinanderfolgende Abscheidung von leitenden bzw* isolierenden Schichten hergestellt werden können. Schließlich läßt sich der Kreis 36 vollständig von dem supraleitenden Kreis 10 trennen, da er ja allein zur Übertragung der in der supraleitenden Schicht 11 eingeschlossenen Energie benutzt wird.

Bei dem in den Fin:, l und 3 dargestellten AusfUhrungsbeispiel liegt der supraleitende Kreis in Form von koaxialen Schichten von zylindrischer Allgemeinform vor. Es versteht sich Jedoch von selbst, daß sich natürlich auch andere AusfUhrungsformen vorsehen lassen, Insbesondere solche, wie sie in den Fig. 4 und 5 dargestellt sind. Im Falle der Flg. k hat der supraleitend· Kreis 10 die geometrische Form eines Torus, wobei der darin eingeschlossene und durch die Pfeile in seiner Hichtung angedeutet· Magnetfluß φ und der Strom J mit Hilfe einer Mehrzahl von äußeren Spulen, wie z.B. kl, erzeugt wird, die in einer durch die Achs« des Torus 40 ". verlaufenden Eben· verteilt angeordnet sind. In der Flg. 5 let der gleiche Torus JfO mit Spulen 42 gekoppelt, dl· in einer zu der oben

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erwähnten Ebene senkrechten Symmetrieebene verteilt angeordnet sind, und der Strom J und der Kacnetfluß ψ haben dann andere Bichtungen.

Gleichviel welche Anordnung getroffen wird, die verschiedenen In eich geschlossenen supraleitenden Schichten können aus verschiedenen Materialien bestehen und unterschiedliche Eigenschaften besitzen, die In Abhängigkeit von Ihrer Lage In des Kreis gewählt sind. Insbesondere können die Schichten aus massiven Materlallen bestehen, die solche Anisotropien aufweisen, daß sie sich wie nebeneinander oder überelnanderllegende Isotrope oder noch besser anisotrope und Vorzugsrlchtuntren für den Stromdurchgang aufweisende supraleitende Schichten verhalten.

Schließlich sei noch auf die Vorteile hingewiesen, die sich bei dem erfindungsgemäßen elektromagnetischen Akkumulator durch die Einfachheit des Aufbaues des supraleitenden Kreises alt Hilfe von In sich geschlossenen Schichten ergeben, die mit einem Kreis zum Erzeugen eines bewegten Maimetfeldes unter Vermeidung Jeglicher direkten Verbindung zwischen dem supraleltenden Kreis und dem Stromerzeuger gekoppelt sind. Die Stabilität der Kreise ist daher erheblich verbessert, und sie lassen sich zum Einschließen von starken Strömen verwenden, die erhebliche Magnetflüsse liefern. Schließlich ist festzustellen, daß das kritische Feld für dünne supraleitende Schichten oberhalb des Feldes für massive Bauteile lie^t und der erflndungsgemfiße

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Akkumulator es dementsprechend restattet, solche Schichten in einer Konfiguration anzuordnen, die es ermöglicht, das i.a nc-tfeld an der tberflache auf einem begrenzten Wert zu halten. Auf diese Weise kann man mit zylindrischen Cberflächen von ■ ro!3em Durchmesser sehr hohe Ströme einschließen, weit höhere, als dies mit den üblichen Srulen m'jglich ist, wobei man außerdem nur eine ererlnf e ί enge an supraleitendem Material aufzuwenden braucht.

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Claims (7)

1. Pat en tans pr ü ehe

   M. J Elektromagnetischer Akkumulator, gekennzeichnet durch einen supraleitenden Kreis mit mindestens einer in sich geschlossenen supraleitenden Schicht und durch Mittel zum Erzeugen eines bewegten Magnetfeldes in der Nachbarschaft des supraleitenden Kreises.
2. 2. Elektromagnetischer Akkumulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der suoraleitende Kreis aus einer wehrzahl von einander benachbarten, jedoch voneinander unabhängigen und durch isolierende Schichten voneinander getrennten supraleitenden Schichten besteht.
3. 3. Elektromagnetischer Akkumulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der supraleitende Kreis aus mindestens einer zylindrischen von einem Isolierenden Überzug umgebenden supraleitenden Schicht besteht, die mit einer Spule aus einem innen und außen auf den Überzug aufgewickelten elektrischen Leiter ist.
4. 4. Elektromagnetischer Akkumulator, nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß der supraleitende Kreis mit einer unab- ; hänglcen Schal tuna- zur Freisetzung von Energie gekoppelt ist, die aus einer Wicklung aus einem metallischen Leiter besteht.
5. 5. Elektromagnetischer Akkumulator nach Anspruch 1, dadurch

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   gekennzeichnet, daß die Mittel zum Erzeugen eines bewerten Magnetfeldes aus elektromartnetischen Spulen bestehen, die von vlelphasigen und gleichgerichteten, zeiblich e-aneinander versetzten Wechselströmen gespeist werden.
6. 6. Elektromagnetischer Akkumulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der supraleitende Kreis die geometrische

   f Form eines Torus aufweist und daß die Mittel zum Erzeugen des beweglichen Magnetfeldes in einer durch die Achse des Torus verlaufenden Ebene angeordnet sind.
7. 7. Elektromagnetischer Akkumulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der supraleitende Kreis die geometrische Form eines Torus aufweist und daß die Mittel zua Erzeu, en des beweglichen Magnetfeldes in einer zu der Achse des Torus senkrechten Symmetrieebene des Torus angeordnet sind.

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