DE1589623B2 - Vorrichtung zum speichern und zum freisetzen elektrischer energie in einem bzw aus einem supraleitenden kreis - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Speichern und zum Freisetzen elektrischer Energie in einem bzw. aus einem supraleitenden Kreis mit einer in sich geschlossenen Schicht aus supraleitendem Material, die im Einflußbereich eines sich bewegenden äußeren Magnetfeldes für die Einkopplung eines elektrischen Dauerstromes in die supraleitende Schicht liegt.

Zum Einschließen eines elektrischen Stromes in einem supraleitenden Kreis ist es bekannt, diesen Kreis in Form einer Spule aufzubauen, die aus aufeinanderfolgenden Spiralen aus Drähten, Kabeln, Bändern, Folien usw. besteht. Eine Spule dieser Art, die den gewöhnlich in der Elektrotechnik verwendeten Spulen aus normalleitendem Material ähnelt, gestattet es für den Fall, daß das Material supraleitend ist, ein starkes permanentes Magnetfeld zu erzeugen oder erhebliche elektrische Energien ausgehend von relativ schwachen Strömen einzuschließen.

Eine solche in klassischer Weise aufgebaute Spule weist jedoch verschiedene Nachteile auf. Praktisch sind die verschiedenen Spiralen, die diese Spule bilden, in Serie geschaltet; tritt daher an irgendeinem Punkt der Spule ein lokaler Übergang vom 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 elektromagnetischer Form gespeicherte Energie in Form von Wärme freizusetzen. Eine solche Spule ist daher in ihrem Verhalten instabil.

Es sind bereits verschiedene Kunstgriffe angewandt worden, um diesen Nachteil abzuschwächen. So ist insbesondere der supraleitende Draht oder das supraleitende Band mit einer metallischen Hülle überzogen worden, die ohne übermäßige Erhitzung den gesamten den Supraleiter durchfließenden Strom übertragen kann. Tritt daher ein lokaler Übergang vom supraleitenden Zustand in den normalleitenden Zustand ein, so wird der elektrische Widerstand an dieser Stelle des Supraleiters größer als der der metallischen Hülle, die dann die Stromführung übernimmt und es dem inneren Faden, der nicht mehr Sitz des Joule-Effektes ist, gestattet, wieder supraleitend zu werden. In gleicher Weise lassen sich ähnliche Strombrücken verwenden, insbesondere indem man den supraleitenden Drähten oder Bändern normale Metalldrähte parallelschaltet, indem man die Spulen mit Hilfe mehrerer voneinander unabhängiger und getrennt voneinander gespeister Wicklungen aufbaut oder auch indem man für die zur Erzeugung der starken Magnetfelder bestimmte Spule ein aus massiven Leiterstücken bestehendes Gerippe verwendet, das im Falle eines lokalen Überganges des supraleitenden Drahtes in den normalleitenden Zustand die Änderungen des Magnetfeldes mittels induzierter Ströme, deren Sitz es ist, dämpft.

Jedoch lassen sich die verschiedenen oben erwähnten Mittel nicht immer in Anwendung bringen. Weiterhin sind sie im allgemeinen kompliziert und kostspielig zu realisieren. Außerdem sind sie insbesondere bei der Herstellung von Verbindungen, die es gestatten sollen, einerseits den supraleitenden Kreis in sich zu schließen, um den Strom einzuschließen, und andererseits diesen Kreis an eine Stromversorgungsquelle anzuschließen, mit Isolationsproblemen verbunden.

Es ist nun bereits eine Vorrichtung der eingangs genannten Art bekanntgeworden (vgl. französische Patentschrift 1388131), die einen supraleitenden Kreis in Form eines dünnen und in sich geschlossenen ringförmigen Bandes aufweist, das an einer Stelle von den Feldlinien eines äußeren sich bewegenden Magnetfeldes durchsetzt wird, so daß unter dem Einfluß des äußeren Magnetfeldes in dem supraleitenden Band ein elektrischer Dauerstrom entsteht. Dabei ist aber offengelassen, wie die im supraleitenden Kreis gespeicherte Energie an einen Verbraucher ausgekoppelt werden kann.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, die Vorrichtung der eingangs genannten Art so auszugestalten, daß die gespeicherte Energie des Dauerstromes möglichst schnell und bei einem hohen Wirkungsgrad ausgekoppelt werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die supraleitende Schicht als Hohlzylinder mit einem allseitigen isolierenden Überzug ausgebildet ist, auf den innen und außen die Windungen einer aus einem leitenden Band bestehenden ersten Spule zum Auskoppeln des im Hohlzylinder umlaufenden Stromes in eine ihn innen oder außen umgebende und mit einem Verbraucher verbundene zweite Spule fortlaufend aufgewickelt sind.

Die vom leitenden Band gebildete erste Spule ge- ίο stattet es, über Joulesche oder Ohmsche Wärme auf die Temperatur der supraleitenden Schicht einzuwirken bzw. in dieser ein überkritisches Magnetfeld zu erzeugen, so daß die gesamte hohlzylindrische supraleitende Schicht vom supraleitenden in den normalleitenden Zustand übergeht, wodurch auch praktisch die gesamte in dieser Schicht eingeschlossene Energie über die zweite Spule an den Verbraucher abgegeben wird. Der Übergang nicht nur eines Teils, sondern der gesamten supraleitenden Schicht in den normalleitenden Zustand bewirkt nicht nur einen maximalen Wirkungsgrad bei der Energieabgabe, sondern läßt diese auch in kürzester Zeit vor sich gehen. Es ist ferner ersichtlich, daß die supraleitende Schicht selbst im Zusammenwirken mit der aus dem leitenden Band bestehenden ersten Spule die Rolle eines Schalters spielt, so daß kein gesondertes supraleitendes Material für einen Schalter erforderlich ist.

Es war für sich bekannt (vgl. USA.-Patentschrift 3 262 024), einen supraleitenden Kreis aus mindestens einer zylindrischen, von einem isolierenden Überzug umgebenden supraleitenden Schicht zu bilden.

Außerdem ist es auch nicht mehr neu (vgl. USA.-Patentschrift 3 252 018), bei einem supraleitenden Wechselstromgenerator innen und außen auf einem supraleitenden Hohlzylinder einige Windungen eines Heizdrahtes anzuordnen, wobei diese Heizwindungen dazu dienen, den im Hohlzylinder bestehenden supraleitenden Kreis an einer Stelle zu unterbrechen, damit ein Magnetfeld in den vom Hohlzylinder umschlossenen Innenraum eindringen kann. In diesem supraleitenden elektrischen Generator wird durch Hin- und Herbewegung eines Kolbens aus supraleitendem Material im supraleitenden Hohlzylinder ein Wechselstrom in einer Ankerspule erzeugt.

Es ist auch bereits bekannt, zum Auskoppeln eines in einem supraleitenden Kreis eingeschlossenen Stromes eine mit einem Verbraucher verbundene Spule, die mit dem supraleitenden Kreis induktiv gekoppelt ist, zu verwenden (vgl. Zeitschrift »Cryogenics«, Juni 1964, S. 153 bis 161).

Um das Speichervermögen der erfindungsgemäßen Vorrichtung und damit die auskoppelbare Energie zu erhöhen, ist es zweckmäßig, daß der supraleitende Kreis aus mehreren zueinander benachbarten, jedoch voneinander unabhängigen und durch isolierende Schichten voneinander getrennten supraleitenden Schichten in Hohlzylinderform besteht. Diese Maßnahme ist für sich bereits bekannt gewesen (vgl. USA.-Patentschrift 3 262 024).

In diesem Sinn ist es auch vorteilhaft, daß die supraleitende hohlzylindrische Schicht zu einem Torus gebogen ist, und daß die Mittel zum Erzeugen des sich bewegenden äußeren Magnetfeldes in einer zu der Achse des Torus senkrechten Symmetrieebine des Torus angeordnet sind.

Schließlich wird das Auskoppeln der im supraleitenden Kreis gespeicherten Energie in keiner Weise behindert, wenn zum Erzeugen des sich bewegenden äußeren Magnetfeldes in an sich bekannter Weise elektromagnetische Spulen verwendet werden (vgl. französische Patentschrift 1 388 131), wobei jedoch in vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung die Spulen von vielphasigen und gleichgerichteten, zeitlich gegeneinander versetzten Wechselströmen gespeist werden.

Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 ein Prinzipschaltbild einer Anordnung zur Erzeugung eines sich bewegenden äußeren Magnetfeldes an einem supraleitenden Kreis mit in sich geschlossenen Schichten aus supraleitendem Material,

F i g. 2 ein Diagramm, entlang dessen Abszisse die Zeit und entlang dessen Ordinate das von der Anordnung, die einen Teil der in F i g. 1 dargestellten Vorrichtung bildet, erzeugte magnetische Feld aufgetragen ist,

F i g. 3 eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung, und

F i g. 4 und 5 zwei Abwandlungen für die Vorrichtung nach Fig. 1.

Die in der F i g. 1 vereinfacht dargestellte Vorrichtung zum Speichern elektrischer Energie 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 10 ist mit einem Speisekreis gekoppelt, der ein sich bewegendes äußeres Magnetfeld liefert, das es gestattet, in dem supraleitenden Kreis einen elektrischen Induktionsstrom zu erzeugen. Dieser Speisekreis besitzt sechs elektromagnetische Spulen klassischer Bauart, die in der Zeichnung mit den Bezugszahlen 1 bis 6 bezeichnet sind.

Die Spulen 1 bis 6 sind mit ihrem einen Ende über elektrische Leitungen la bis 6 a an Gleichrichter Ib bis 6 b angeschlossen, die paarweise miteinander verbunden und in umgekehrtem Sinne an ihren gemeinsamen Punkt angeschlossen sind, der seinerseits mit einer der Phasen I, II oder III eines üblichen dreiphasigen Drehstromnetzes verbunden ist. Die anderen Enden der Spulen 1 bis 6 sind mit einer gemeinsamen Leitung 7 verbunden, die ihrerseits an den Nulleiter N des Drehstromnetzes angeschlossen ist. Dank dieser Schaltung sind die Spulen 2, 4 und 6 in umgekehrter Richtung wie die Spulen 1, 3 und 5 angeschlossen und wird die Gesamtheit der Spulen mit Wechselströmen gespeist, die zeitlich gegeneinander versetzt und in passender Weise gleichgerichtet sind. Die Spulen 1 bis 6 erzeugen auf diese Weise ein Magnetfeld, dessen zeitlicher Verlauf in der F i g. 2 dargestellt ist. Dieses Feld ist ein magnetisches Gleitfeld, das eine Verschiebung im Sinne der Kurven 1 bis 6 erfährt, wobei jede der Kurven des Diagramms mit einem Index versehen ist, der der Bezugszahl der Spule entspricht, die von dem jeweiligen gleichgerichteten Strom durchflossen wird.

Das entstehende Magnetfeld durchläuft in jedem Augenblick den supraleitenden Kreis 10 und ruft bei passender Größe einen lokalen Übergang eines Kreises in einer Zone hervor, die sich mit dem Feld verschiebt. Diese Verschiebung einer lokalen Übergangszone verwirklicht demzufolge nach dem bekannten Prinzip der Plußpumpen die Einführung eines elek-

frischen 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.

In Verbindung mit der oben erwähnten Anordnung können 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 Aufheizung, 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 gegebenenfalls mit einer zeitlichen Voreilung verknüpft werden kann, um der Trägheit der thermischen Erscheinungen Rechnung zu tragen. In gleicher Weise kann man zu einer gleichförmigen Aufheizung des supraleitenden Kreises übergehen oder diesen einem zusätzlichen konstanten Magnetfeld aussetzen, um ihn sehr nahe an die kritischen Bedingungen für den übergang vom supraleitenden in den normalleitenden Zustand zu bringen, so daß sich der durch das bewegte Magnetfeld erhaltene lokale Übergang in der sich entlang des supraleitenden Kreises bewegenden Zone leichter vollzieht und so eine wirksamere Einschließung des Stromes in dem supraleitenden Kreis gestattet.

Dabei ist im übrigen zu bemerken, daß der supraleitende Kreis aus einer beliebigen Anzahl von übereinanderliegenden Schichten bestehen kann, von denen jede in sich geschlossen ist und wobei gegebenenfalls zwischen die verschiedenen Schichten Schichten aus einem geeigneten Isoliermaterial eingefügt sind. Außerdem und bei anderen Ausführungsformen kann die Schaltung der das bewegte Magnetfeld erzeugenden Spulen in verschiedener Weise realisiert und insbesondere mehrfach in identischer Weise wiederholt werden. Außerdem kann man, statt einen dreiphasigen Drehstrom zu verwenden, von vielphasigen Strömen ausgehen,. wobei der Anschluß des Speisenetzes sowohl in Sternschaltung (wie im Falle der F i g. 1) als auch in Dreieckschaltung vorgenommen werden kann. Schließlich können die Spulen Magnetkerne aufweisen und durchverbunden sein, wie das bei den Wicklungen des Ständers eines Wechselstromgenerators 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.

Die Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

In der F i g. 3 sieht man die in Verbindung mit den Fig. 1 und 2 bereits erwähnten sechs Speisespulen 1 bis 6, die zur Erzeugung eines magnetischen Glcitfeldes bestimmt sind, wobei die eine (1) dieser Spulen in Form eines Längsschnittes dargestellt ist, bei dem die Enden 26 und 27 ihrer Wicklung sichtbar werden, die sich in der in der F i g. 1 angedeuteten Weise an einen geeigneten Spreisekreis anschließen lassen.
Der supraleitende Kreis 10 ist zur Vereinfachung der Zeichnung als aus einer einzigen supraleitenden Schicht 11 bestehend dargestellt, die in sich geschlossen ist und die Form eines geraden Zylinders aufweist. Die supraleitende Schicht 11 wird von einem

ίο geeigneten elektrisch isolierenden Überzug 30 umgeben und ist außerhalb des Überzuges 30 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 als auch auf ihrer inneren Oberfläche umgibt. Die beiden Enden 32 und 33 des leitenden Bandes 31 werden voneinander durch eine isolierende Platte 34 getrennt; außerdem ist jede Windung des Bandes gegenüber der Nachbarwindung um einen Abstand 35 in der Weise versetzt, daß das Band rund um die supraleitende Schicht 11 herum einen stetigen elektrischen Kreis bildet, der wie oben erläutert, dazu bestimmt ist, den Übergang dieser Schicht auf ihrer ganzen Oberfläche in dem Augenblick auszulösen, in dem man die zuvor eingeschlossenen elektrische Energie in einen äußeren Nutzkreis 36 hinein freisetzen will.

Dieser Nutzkreis enthält eine Wicklung 36, die aus einer Spule üblicher Bauart aus einem Draht oder Band aus Kupfer oder Aluminium besteht, und kann ebenso im Innern wie außerhalb des Zylinders liegen, der von der supraleitenden Schicht 11, ihrem isolierenden Überzug 30 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 36 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 31 durchfließenden Stromes ergibt, gestattet gemäß einem bekannten Prozeß den Übergang praktisch der gesamten in der Schicht 11 eingeschlossenen Energie in den Nutzkreis 36.

Bei dem in den F i g. 1 und 3 dargestellten Ausführungsbeispiel liegt der supraleitende Kreis in Form von koaxialen Schichten von zylindrischer Allgemeinform vor. Es versteht sich jedoch von selbst, daß sich natürlich auch andere Ausführungsformen vorsehen lassen, insbesondere solche, wie sie in den Fig. 4 und 5 dargestellt sind. Im Falle der F i g. 4 hat der supraleitende Kreis 10 die geometrische Form eines Torus, wobei der darin eingeschlossene und durch die Pfeile in seiner Richtung angedeutete Magnetfluß Φ und der Strom J mit Hilfe einer Mehrzahl von äußeren Spulen, wie z. B. 41, erzeugt wird, die in einer durch die Achse des Torus 40 verlaufenden Ebene verteilt angeordnet sind. In der F i g. 5 ist der gleiche Torus 40 mit Spulen 42 gekoppelt, die in einer zu der oben erwähnten Ebene senkrechten Symmetrieebenc

verteilt angeordnet sind, und der Strom / und der Magnetfluß Φ haben dann andere Richtungen.

Schließlich sei noch auf die Vorteile hingewiesen, die sich bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung durch die Einfachheit des Aufbaues des supraleitenden Kreises als Hohlzylinder mit einem allseitigen isolierenden Überzug ergeben. Die Stabilität eines derartigen Kreises ist erheblich verbessert, und er läßt 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 liegt und die Vorrichtung es dementsprechend gestattet, solche Schichten in einer Konfiguration anzuordnen, die es ermöglicht, das Magnetfeld an der Oberfläche auf einem begrenzten Wert zu halten. Auf diese Weise kann man mit zylindrischen Oberflächen von großem Durchmesser sehr hohe Ströme einschließen, weit höhere, als dies mit den übichen Spulen möglich ist, wobei man außerdem

ίο nur eine geringe Menge an supraleitendem Material aufzuwenden braucht.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

209 541/372

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Speichern und zum Freisetzen elektrischer Energie in einem bzw. aus einem supraleitenden Kreis mit einer in sich geschlossenen Schicht aus supraleitendem Material, die im Einflußbereich eines sich bewegenden äußeren Magnetfeldes für die Einkopplung eines elektrischen Dauerstromes in die supraleitende Schicht liegt, dadurch gekennzeichnet, daß die supraleitende Schicht (10) als Hohlzylinder mit einem allseitigen isolierenden Überzug (30) ausgebildet ist, auf den innen und außen die Windungen einer aus einem leitenden Band (31) bestehenden ersten Spule zum Auskoppeln des im Hohlzylinder (11) umlaufenden Stromes in eine ihn innen oder außen umgebende und mit einem Verbraucher verbundene zweite Spule (36) fortlaufend aufgewickelt sind (F i g. 3).

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der supraleitende Kreis aus mehreren zueinander koaxialen, jedoch voneinander unabhängigen und durch isolierende Schichten voneinander getrennten supraleitenden Schichten in Hohlzylinderform besteht.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die supraleitende hohlzylindrische Schicht zu einem Torus (40) gebogen ist, und daß die Mittel (41) zum Erzeugen des sich bewegenden äußeren Magnetfeldes in einer durch die Achse des Torus verlaufenden Ebene angeordnet sind (F i g. 4).

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die supraleitende hohlzylindrische Schicht zu einem Torus (40) gebogen ist, und daß die Mittel (42) zum Erzeugen des sich bewegenden äußeren Magnetfeldes in einer zu der Achse des Torus senkrechten Symmetrieebene des Torus angeordnet sind (F i g. 5).

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Mittel zum Erzeugen des sich bewegenden äußeren Magnetfeldes aus elektromagnetischen Spulen bestehen, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulen (1 bis 6) von vielphasigen und gleichgerichteten, zeitlich gegeneinander versetzten Wechselströmen gespeist werden.