DE19720397A1 - Supraleitender Hochstromschalter - Google Patents
Supraleitender HochstromschalterInfo
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Classifications
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- H—ELECTRICITY
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- H10N60/00—Superconducting devices
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- H10N60/35—Cryotrons
- H10N60/355—Power cryotrons
Landscapes
- Containers, Films, And Cooling For Superconductive Devices (AREA)
Description
Die Erfindung betrifft einen supraleitenden Hochstromschalter.
Zum Schalten hoher Leistungen brauchbare Schalter weisen in der Regel
einen komplizierten Aufbau auf, da spezielle Maßnahmen getroffen
werden müssen, um der Entstehung von Lichtbögen vorzubeugen bzw.
entstandene Lichtbögen zu löschen. Eine brauchbare Größe zur
Bewertung eines Leistungsschalters ist die auf eine Volumeneinheit
bezogene Schaltleistung (Strom.Spannung/Bauteilvolumen). Bei den
üblichen Schaltern ist dieser Wert relativ gering, bedingt durch den
baulichen Aufwand.
Nachteilig bei den konventionellen Hochstromschaltern ist zudem die
relativ lange Schaltzeit, die man üblicherweise für einen kompletten
Schaltzyklus angibt, der aus dem Einschalten und dem Ausschalten eines
Stromkreises besteht.
Zur Lösung der oben aufgezeigten Probleme wurde von der Anmelderin
bereits ein supraleitender Hochstromschalter vorgeschlagen
(WO 89/05044), bei dem in einem Gehäuse stapelartig plattenförmige
Isolierträger mit darauf aufgedampften hochtemperatur-supraleitendem
Material angeordnet sind.
Hochtemperatur-Supraleiter sind insbesondere solche mit einer
Sprungtemperatur von mehr als etwa 80°K. Typische Hochtemperatur-
Supraleitmaterialien sind ABa3CuO7 (mit A = Y, La, Nd, Sm, Eu, Gd,
Ho, Xr, Lu) sowie Y1,2Ba0,8CuO4.
Die Schaltfunktion bei einem supraleitenden Hochstromschalter besteht
in dem Übergang zwischen supraleitendem und normal-leitendem
Zustand, und umgekehrt. Im supraleitenden Zustand ist der Schalter
geschlossen, d. h. der Strom fließt ohne elektrischen Widerstand durch
die Schaltereinheit. Durch geeignete Abkühlung des Schalters wird
dieser in den supraleitenden Zustand gebracht. Zum Öffnen des
Schalters sind verschiedene Mechanismen möglich, beispielsweise das
Heizen des supraleitfähigen Materials durch elektrische Heizung, durch
Laserstrahl etc. . Weitere Möglichkeiten sind das Aufbringen externer
Magnetfelder und das Einbringen eines Zusatzstromimpulses. Bezüglich
weiterer Einzelheiten wird auf die oben angegebene WO-Druckschrift
verwiesen.
Im normal-leitenden Zustand des supraleitenden Materials existiert
zwischen Eingangsanschluß und Ausgangsanschluß des Schalters ein
beträchtlicher elektrischer Widerstand. Bedingt durch die Bauweise des
bekannten supraleitenden Hochstromschalters ist allerdings die
Spannungsfestigkeit relativ gering. Neben den Materialdaten des
Supraleiters im normalleitenden und supraleitenden Zustand legt
insbesondere die Spannungsfestigkeit der Anordnung die erzielbare
Schaltleistung fest. Demnach bedeutet eine geringe Spannungsfestigkeit
natürlich eine relativ niedrige Obergrenze für die Schaltleistung.
Es ist Aufgabe der Erfindung, einen supraleitenden Hochstromschalter
anzugeben, der sich durch vergleichsweise hohe Spannungsfestigkeit bei
hoher Schaltleistung pro Bauteil-Volumeneinheit auszeichnet.
Insbesondere soll ein Schalter für hohe Leistungen geschaffen werden,
der Schaltleistungen von vorzugsweise mehr als 1 MVA, insbesondere
mehr als 1 GVA aufweist.
Gelöst wird diese Aufgabe bei einem supraleitenden Hochstromschalter
erfindungsgemäß durch folgende Merkmale:
- a) Es ist mindestens eine Schicht mit einer Wicklung aus einem supraleitenden, insbesondere hochtemperatur-supraleitenden, Stromleiterabschnitt vorgesehen, um eine Hochstromschaltereinheit zu bilden;
- b) innerhalb jeder Wicklungs-Schicht ist die Leitungsführung derart beschaffen, daß der zu schaltende Strom in in radialer Richtung benachbarten Stromleiterabschnitten gegensinnig fließt; und
- c) es ist eine Schaltsteuereinrichtung vorgesehen, mit der in dem Stromleiterabschnitt eine Änderung zwischen den Zuständen supraleitend" und "nicht-supraleitend" auslösbar ist.
Bei dem erfindungsgemäßen supraleitenden Hochstromschalter bringt die
Schaltsteuereinrichtung die Stromleiterabschnitte - zumindest teilwei
se - aktiv von dem gerade existierenden Zustand (supraleitend/normal-lei
tend) in den anderen Zustand (normal-leitend/supraleitend), um so den
Schalter zu "öffnen" bzw. zu "schließen". Der Stromleiterabschnitt in
der Wicklungs-Schicht bildet - elektrisch - einen durchgehenden
Stromleiter zwischen einem Eingangsanschluß und einem
Ausgangsanschluß des Schalters. Wie weiter unten noch näher
ausgeführt werden wird, ist bei einer speziellen Ausführungsform der
Erfindung ein einziger durchgehender Stromleiter, z. B. in Form eines
vorisolierten Drahts, vorgesehen. In einer bevorzugten Ausführungsform
sind mehrere Schichten mit je einer Wicklung in Richtung der
Wicklungsachse aneinandergereiht. Wesentlich dabei ist, daß die
zwischen Eingang und Ausgang des Schalters anstehende Spannung auf
mehrere Schichten in axialer Richtung der Baueinheit verteilt wird.
Hierdurch verteilt sich die zu schaltende Spannung auf mehrere
Schichten, so daß man eine sehr hohe Spannungsfestigkeit erreicht. Im
supraleitenden Zustand fließen erhebliche Ströme. Mit dem
erfindungsgemäßen Schalter lassen sich also hohe Schaltleistungen
erzielen. Sämtliche Ausführungsformen der Erfindung zeichnen sich
durch einen relativ einfachen, auf jeden Fall aber äußerst kompakten
Aufbau aus, so daß die auf eine Volumeneinheit des Schalters bezogene
elektrische Schaltleistung beträchtlich ist, was den erfindungsgemäßen
Schalter gegenüber konventionellen Schaltern überlegen macht.
Ein weiteres besonderes Merkmal eines Leistungsschalters ist die
Schaltgeschwindigkeit. Erfindungsgemäß verläuft innerhalb jeder Schicht
in den einzelnen Stromleiterabschnitten die Stromrichtung so, daß in
benachbarten Stromleitern die Stromrichtung gegensinnig ist. Da
naturgemäß jede Wicklung eines Leiters eine gewisse Induktivität
aufweist, wird bei einem Schalter der Schaltvorgang durch die in der
Induktivität gespeicherte Energie beeinträchtigt. Durch den
gegensinnigen Stromverlauf gemäß der Erfindung wird ein
induktivitätsarmer Aufbau erreicht, so daß hierdurch die
Schaltgeschwindigkeit hoch ist.
In einer speziellen Ausführungsform der Erfindung haben die einzelnen,
aneinandergereihten Schichten des erfindungsgemäßen
Hochstromschalters gleichen oder zumindest ähnlichen Aufbau, wobei
insbesondere in axialer Richtung benachbarte Stromleiterabschnitte
praktisch gleichen radialen Abstand von der Wickelachse haben. In
solchen in axialer Richtung benachbarten Stromleitern benachbarter
Schichten können in einer weniger günstigen Ausführungsform die
Stromrichtungen gleichsinnig sein, vorzugsweise sind die
Stromrichtungen jedoch auch in den in der axialen Richtung
benachbarten Stromleiterabschnitten gegensinnig. Wenn die
Stromrichtungen nicht nur in radial, sondern auch in axial benachbarten
Stromleiterabschnitten gegensinnig sind, werden die besonders günstigen
Eigenschaften des erfindungsgemäßen Hochstromschalters, wie sie oben
speziell für jeweils eine Wicklungs-Schicht erläutert wurden, noch
verstärkt. Dies betrifft insbesondere die inneren mechanischen Kräfte
zwischen den stromführenden Teilen, die trotz des kompakten Aufbaus
sehr gering bleiben, und dadurch die Führung höherer Ströme
ermöglichen.
Die im folgenden erläuterten Wirkungsweisen und Vorteile der
Erfindung beziehen sich auf verschiedene Ausführungsformen, die die
Ausgestaltung der Stromleiterabschnitte, den Schichtaufbau, den
gesamten Aufbau des Schalters mit seinen besonderen elektrischen und
mechanischen Merkmalen und den Aufbau sowie die Betriebsweise des
Schalters unter Berücksichtigung der Supraleitfähigkeit des
Stromleitermaterials betreffen.
Um die hohe Spannungsfestigkeit, die hohe Schaltleistung und die hohe
Schaltgeschwindigkeit wirkungsvoll zu nutzen, sollte eine Mindestanzahl
von Schichten vorgesehen sein, wobei aus Gründen der Symmetrie
möglichst eine geradzahlige Anzahl von Schichten vorhanden sein sollte.
Bevorzugt werden mindestens vier Schichten.
Supraleiter sind auf dem Markt in verschiedenen Ausführungsformen
erhältlich, z. B. als vorisolierter Draht. Bei einer bevorzugten
Ausführungsform der Erfindung sind sämtliche Stromleiterabschnitte aus
wickelbarem Draht gebildet, vorzugsweise besteht der gesamte
Schalteraufbau aus einem durchgehenden, wickelbaren Draht, wobei die
Wicklung in den einzelnen Schichten und die Relation der Wicklungen
in benachbarten Schichten so gewählt ist, daß die oben erläuterte
gegensinnige Stromführung in benachbarten Stromleiterabschnitten
erreicht wird. Auf die spezielle Wicklungsgeometrie wird weiter unten
noch näher eingegangen.
Der wickelbare Draht kann aus Filamentdraht mit Widerstandsmatrix
bestehen. Bei einem solchen Draht sind zahlreiche sehr dünne Filamente
in die Matrix aus Widerstandsmaterial eingebettet. Eine Alternative für
den wickelbaren Draht ist ein aus Filamentdrähten gebildetes, z. B.
geflochtenes, Kabel. Bei einem solchen wickelbaren Draht lassen sich
relativ enge Biegeradien realisieren, ohne daß der Draht beim
Wickelvorgang beschädigt wird. Der intakte, gewickelte Draht kann den
vollen Nenn-Strom führen, so daß der durch den Draht gebildete
Schalter im geschlossenen Zustand keinen Widerstand besitzt.
Die Stromleiterabschnitte können auch direkt aus Hochtemperatur-Su
praleitermaterial bestehen.
Es ist insbesondere bevorzugt, den gesamten Schalteraufbau aus einem
durchgehenden Draht auszuführen. Es wird dann keine zusätzliche Länge
zur Realisierung der Verlötung der Abschnitte benötigt.
Zur Erzielung eines guten Verhältnisses von elektrischer Schaltleistung
zu Volumeneinheit des Schalters ist es günstig, wenn man das insgesamt
für die Isolierung und mechanische Stabilisierung des Schalters
bereitzustellende Volumen sehr klein hält. Eine praktische Möglichkeit,
dies zu erreichen, besteht in dem direkten Wickeln vorisolierter
Stromleiter unter Verzicht auf jegliches Strukturmaterial. Bei dieser
Ausführungsform werden die bloß vorisolierten Stromleiter zu der
gewünschten Form gewickelt, ohne daß weitere spezielle
Isolationsmaßnahmen zwischen den einzelnen Windungen erforderlich
wären. Die gewünschte Spannungsfestigkeit wird durch entsprechend
große Anzahl der Schichten bzw. Länge des Schalters erreicht, so daß
die Vorisolierung ausreicht, Spannungsdurchbrüche zu unterbinden. In
einer speziellen Ausführungsform wird die Spannungsfestigkeit durch
nachträgliches Tränken mit Isolationsvergußmaterial, z. B. Epoxidharz,
erreicht. Dieser Vorgang kann schichtweise oder an der kompletten
Einheit erfolgen. Man kann die einzelnen gewickelten Schichten aus
vorisoliertem Draht schichtweise mit einer Isolationsschicht ausstatten,
so daß man zwischen den Schichten eine erhöhte Isolierung erhält, um
der Spannung zwischen zwei in axialer Richtung benachbarten
Stromleiterabschnitten zu entsprechen, die etwas höher ist als die
Spannung zwischen zwei in radialer Richtung benachbarten
Stromleiterabschnitten.
Vorzugsweise wird die gesamte Baueinheit des Hochstromschalters mit
einer Isolationsschicht versehen, wobei diese in einer speziellen
Ausführungsform auch als mechanische Stabilisierung dient.
Anstatt nur vorisolierte Leiter in radialer Richtung zu wickeln, um die
einzelnen Schichten zu erhalten, kann man auch Stromleiterabschnitte
mit Umhüllungsmaterial verwenden, wobei dieses Umhüllungsmaterial
der Stromleiterabschnitte als Isolierung zwischen sowohl in radialer als
auch in axialer Richtung benachbarten Stromleitern dient. Das Kriterium
für die Auslegung der Spannungsfestigkeit des Umhüllungsmaterials ist
dann die höchste zwischen je zwei Schichten auftretende Spannung. Es
ist bevorzugt, den gesamten Hochstromschalter mit geeignetem Material
auszugießen und mit Hilfe dieses Vergusses (28) eine mechanische
Stabilisierung der Einheit zu erhalten. Die oben erläuterten speziellen
Ausführungsformen der Erfindung beziehen sich auf den Einsatz eines
wickelbaren Drahts. Alternativ dazu kann man jedoch auch
Strukturmaterial verwenden, welches die spätere Form der Wicklung
vorgibt, indem man in das Strukturmaterial die Wicklungen einbringt.
Das Strukturmaterial kann z. B. ein Isolierstoffkörper sein, der
Freiräume entsprechend den späteren Wicklungen aufweist. Bei
Verwendung eines solchen Strukturmaterials wird gemäß einer speziellen
Ausführungsform der Erfindung, keramisches Hochtemperatur-Su
praleitermaterial als Vorprodukt in die Freiräume des
Strukturmaterials eingefüllt, anschließend wird das Supraleitermaterial
geeignet wärmebehandelt, z. B. gesintert oder schmelztexturiert. Das
Supraleitermaterial kann auch durch Aufdampfen in dünnen Schichten
aufgebracht werden.
Das Strukturmaterial kann man nicht nur bei wärmebezuhandelndem
Supraleitermaterial verwenden, sondern auch bei wickelbaren Drähten.
In jedem Fall kann das Strukturmaterial als Isoliermaterial und auch als
Material zur mechanischen Stabilisierung des Bauteils dienen. Während
sich die oben angesprochenen Merkmale des erfindungsgemäßen
Hochstromschalters speziell auf die Ausgestaltung der stromführenden
Wicklungen selbst beziehen, soll im folgenden näher auf die Einrichtung
eingangen werden, mit deren Hilfe die Wicklungen vom supraleitenden
in den normal-leitenden Zustand - und umgekehrt - überführt werden.
Zur Überführung vom supraleitenden in den normal-leitenden Zustand
wird vorzugsweise eine integrierte Heizung verwendet, die zwischen den
axial benachbarten Schichten angeordnet ist. Man kann zwischen jeder
benachbarten Schicht eine Heizung integrieren, man kann aber auch
Heizungen zwischen jeweils zwei oder drei oder mehr als Block
zusammengefaßten Schichten integrieren.
Wenn der erfindungsgemäße Hochstromschalter geschlossen ist, sich die
Stromleiterabschnitte also im supraleitenden Zustand befinden, sind
sämtliche Stromleiterabschnitte soweit abgekühlt, daß sie unterhalb der
Sprungtemperatur widerstandslos Strom leiten. Um den Schalter zu
öffnen, kann man z. B. die oben angesprochene Heizvorrichtung
aktivieren, so daß die Temperatur zumindest einzelner Teilbereiche der
Stromleiterabschnitte über die Sprungtemperatur ansteigt. Damit bricht
der Zustand der Supraleitfähigkeit in den Bereichen erhöhter Temperatur
zusammen. Man kann die Heizung so auslegen, daß praktisch sämtliche
Stromleiterabschnitte überall gleichzeitig in den normal-leitenden
Zustand übergehen. In einer bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung reicht es jedoch aus, wenn nur partiell eine
Temperaturerhöhung stattfindet. Nach dem Übergang in den normal
leitenden Zustand erzeugen die betreffenden Stromleiterabschnitte
genügend Verlustwärme, um auch die bis dahin noch nicht normal-
leitenden, benachbarten Stromleiterabschnitte soweit zu wärmen, daß
deren Temperatur über die Sprungtemperatur ansteigt. Dieser Übergang
geht relativ rasch vonstatten, so daß innerhalb kurzer Zeit die gesamte
Stromleiterlänge einen sehr hohen elektrischen Widerstand aufweist, was
dem geöffneten Schalterzustand entspricht.
Um den Hochstromschalter vom normal-leitenden in den supraleitenden
Zustand zu überführen, müssen die Stromleiterabschnitte soweit
abgekühlt werden, daß ihre Temperatur unterhalb der Sprungtemperatur
liegt. Dies geschieht normalerweise durch das für die Erzielung der
Supraleitfähigkeit erforderliche kryogene Kühlmedium. Besonders
bevorzugt werden - ähnlich wie bei den oben erläuterten
Heizeinrichtungen - Kühleinrichtungen zwischen einzelnen Schichten des
Schalters vorgesehen. In einer besonderen Ausführungsform sind
elektrische Thermokraftelemente zwischen den einzelnen Schichten des
Schalters angeordnet, beispielsweise spezielle Peltierelemente, die bei
den für Supraleiter typischen tiefen Temperaturen zu arbeiten in der
Lage sind. Diese Thermokraftelemente können dann sowohl als
Heizeinrichtung als auch als Kühleinrichtung betrieben werden, wie es
im Prinzip aus dem Stand der Technik bekannt ist.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung dient zur Überführung
vom supraleitenden in den normal-leitenden Zustand ein extern erzeugtes
Magnetfeld und/oder ein durch die Wicklung geleiteter kurzer, hoher
Zusatzstromimpuls. Dieser Zusatzstromimpuls hat eine Dauer von
weniger als 10 µs. Er kann auch durch Kurzschließen der Last erzeugt
werden. Die Auslösung durch einen Zusatzstromimpuls ist besonders
dann vorteilhaft, wenn der Abschaltvorgang äußerst schnell sein soll und
sich der Spannungsabfall sofort über die gesamte Leiterlänge ausbilden
soll.
Auch hier kann der oben beschriebene Mechanismus der Ausnützung der
Selbstheizung verwendet werden.
Je nach Anwendungsfall kann es erwünscht sein, daß der durch die zu
schaltende Last fließende Strom in seiner Höhe begrenzt wird. In einem
solchen speziellen Fall kann eine besondere Ausführungsform der
Erfindung derart ausgelegt sein, daß bei Überschreitung eines
Schwellenwerts des ansteigenden Stroms dieser einen spontanen
Übergang der Stromleiterabschnitte vom supraleitenden in den normal-
leitenden Zustand hervorruft. Wenn anschließend wieder eine
ausreichende Abkühlung des Supraleitermaterials erreicht ist (z. B. durch
ständig eingeschaltete Kühleinrichtung) wird wieder der supraleitende
Zustand eingenommen, so daß sich insgesamt ein periodisches Ein- und
Ausschalten durch den erfindungsgemäßen Hochstromschalter realisieren
läßt.
Zur Erzielung der Supraleitfähigkeit wird normalerweise ein kryogenes
Kühlmedium verwendet. Damit wird der Stromleiter ständig unter die
Sprungtemperatur abgekühlt. Um eine Änderung in den normal-leitenden
Zustand auszulösen, erfolgt eine vorübergehende Erwärmung oder es
wird ein anderer der oben beschriebenen Mechanismen angewendet.
Nach Abschalten der Wärmequelle bzw. eines der anderen
Überführungsmechanismen geht der Stromleiter durch die ständige
Kühlung "automatisch" wieder in den supraleitenden Zustand
("schließen") über.
Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der
Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines konkreten Ausführungs
beispiels eines supraleitenden Hochstromschalters gemäß
der Erfindung;
Fig. 2 eine Schnittansicht entsprechend der Längsmittelebene
eines schematisch dargestellten Hochstromschalters,
Fig. 2a einen Querschnitt eines mit einer Umhüllung versehenen
Filamentdrahts;
Fig. 3a und 4a eine Schnittansicht bzw. eine perspektivische Ansicht
einer schematischen, zwei Schichten umfassenden
Wicklungsanordnung eines erfindungsgemäßen
Hochstromschalters;
Fig. 3b und 4b eine Schnittansicht bzw. eine perspektivische Ansicht
einer schematischen Anordnung als Alternative zu der in
Fig. 3a und 4a dargestellten Wicklungsanordnung;
Fig. 5 eine perspektivische, schematische Darstellung einer zwei
Schichten umfassenden Wicklungsanordnung mit im
Grundriß rechteckigen Doppeldrahtwicklungen;
Fig. 6 eine schematische Draufsicht eines eine Wicklungsschicht
des erfindungsgemäßen Hochstromschalters bildenden
Doppeldrahts;
Fig. 7a und 7b eine weitere Ausführung einer Wicklung einer Schicht
bzw. eine Wicklung, die durch Umklappen der in Fig. 7a
gezeigten Wicklung nach rechts erhalten wird, und
Fig. 8 einen Formkörper, der Strukturmaterial zur Bildung einer
Wicklung einer Schicht darstellt.
Fig. 1 zeigt perspektivisch einen supraleitenden Hochstromschalter in
Form einer Hochstromschaltereinheit 1. Auf einen Isolierstoffträger 2
sind mehrere Wicklungs-Schichten 10a, 10b, . . . 10h in axialer Richtung
aneinandergereiht.
Links unten in Fig. 1 ist ein Zylinderkoordinatensystem angedeutet. Das
Koordinatensystem enthält die Zylinderachse Z, die im folgenden als
Wickelachse bezeichnet wird, und die in Fig. 1 als strichpunktierte
Mittelachse des Trägers 2 dargestellt ist. In den einzelnen Schichten
10a . . . 10h sind Stromleiterabschnitte in mehreren Windungslagen gewickelt,
wobei die der Wickelachse Z am nächsten liegende Windungslage hier
als erste Windungslage bezeichnet wird. Mit zunehmenden Abstand R
von der Wickelachse Z erhöht sich die Numerierung der Windungslage.
Die Stromrichtung entspricht der Zylinderkoordinate phi, wobei die
Stromrichtung der Koordinate +phi oder -phi entspricht.
Die in Fig. 1 dargestellte Hochstromschaltereinheit 1 enthält außerdem
mehrere als Peltierelemente ausgeführte Kühl-/Heizelemente 8a, 8b, 8c
und 8d, die gemäß Zeichnung zwischen einzelnen Wicklungs-Schichten
10a, 10b; 10c, 10d; 10e, 10f bzw. 10g, 10h liegen. Die beim Kühlen
abgegebene Wärme der Peltierelemente wird auf einen Wärmetauscher
im Zentrum der zylindrischen Anordnung transferiert. Die Kühl-/Heiz
elemente 8a-8d sind über eine Stromleitung 14 mit einer
Schaltsteuereinrichtung 12 verbunden, die durch Kühlen/Heizen der
Schichten 10a . . . 10h die Hochstromschaltereinheit 1 schließt bzw.
öffnet, indem die Stromleiterabschnitte in den einzelnen Schichten
10a . . . 10h in den supraleitenden Zustand bzw. in den normal-leitenden
Zustand gebracht werden. Der zu schaltende Strom wird über einen
Eingangsanschluß 6 zugeführt und über einen Ausgangsanschluß 4
abgeleitet. Zwischen den Anschlüssen 4 und 6 befindet sich ein
durchgehender, supraleitfähiger Stromleiter, der durch
Stromleiterabschnitte in den einzelnen Schichten 10a . . . 10h gebildet
wird. Im normal-leitenden Zustand besitzt der Stromleiter zwischen den
Anschlüssen 4 und 6 aufgrund seiner beträchtlichen Länge einen hohen
elektrischen Widerstand, was dem Schaltzustand "offen" der
Hochstromschaltereinheit 1 entspricht.
In Fig. 1 ist ein Teil einer Bauteilisolierung 28 dargestellt. Diese aus
Kunststoff gebildete Bauteilisolierung 28 umhüllt die
Hochstromschaltereinheit 1 vollständig und dient sowohl zur elektrischen
Isolierung als auch zur mechanischen Stabilisierung. Zwischen den
einzelnen Schichten 10a . . . 10h befinden sich Isolierungen, und auch
zwischen den benachbarten Windungen innerhalb jeder Schicht 10a . . . 10h
befindet sich eine elektrische Isolierung zwischen den benachbarten
Stromleiterabschnitten.
In Fig. 2 sind sechs Wicklungsschichten mit jeweils vier Windungslagen
schematisch dargestellt. Die erste Windungslage hat von der
Wickelachse Z des Trägers 2 einen radialen Abstand R1, die zweite
Windungslage hat einen radialen Abstand von R2 usw.
Die schematisch in Fig. 2 dargestellten sechs Wicklungs-Schichten
haben einen definierten axialen Abstand, was durch die axialen
Positionen Z1, Z2 . . . Z6 angedeutet ist.
Die schematische Schnittdarstellung in Fig. 2 macht deutlich, wie der
Strom in einzelnen Stromleiterabschnitten 20 innerhalb der einzelnen
Wicklungs-Schichten und innerhalb der einzelnen Windungslagen fließt.
Ein "x" bedeutet einen in die Zeichnungsebene hineinfließenden Strom,
ein "." bedeutet einen aus der Zeichnungsebene herausfließenden Strom.
Somit ist aus Fig. 2 ersichtlich, daß innerhalb jeder einzelnen Schicht
radial benachbarte Stromleiterabschnitte 20 gegensinnig von Strom
durchflossen werden. Das gleiche gilt auch für zwei auf axial
aufeinanderfolgenden Schichten benachbart liegenden
Stromleiterabschnitten innerhalb einer Windungslage. Wie ersichtlich ist,
sind die Stromrichtungen in jeweils zwei benachbarten
Stromleiterabschnitten 20 der Windungslage auf dem Radius R1
gegensinnig. Wie eingangs ausgeführt, wird durch diese Stromführung
eine induktivitätsarme Schaltereinheit gebildet, und aufgrund der damit
geringen Energiespeicherung in der Schaltereinheit werden die
Schaltvorgänge rasch und mit günstigem Wirkungsgrad ausgeführt. Wie
oben angesprochen, erfolgt das Umschalten zwischen supraleitendem
Zustand (geschlossener Schalter) und normal-leitendem Zustand
(geöffneter Schalter) durch Überführen des durch die
Stromleiterabschnitte 20 gebildeten Stromleiters in den supraleitenden
bzw. den normal-leitenden Zustand durch Kühlen/Heizen mit Hilfe von
speziell für den Einsatz im tiefkalten Temperaturbereich geeigneten
Peltierelementen 8.
Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel sind vorisolierte
Drähte aus supraleitendem Material zu Schichten vorgefertigt und auf
den zylinderförmigen Träger 2 aufgesteckt, wobei die Drähte nach der
Bildung jeweils einer Schicht mit einer Zwischenschicht-Isolierung
versehen werden. Nach Fertigstellung der Wicklungen sämtlicher
Schichten wird die gesamte Baueinheit mit Epoxydharz zur weiteren
Isolation und mechanischen Stabilität vergossen.
Fig. 2a zeigt den Querschnitt durch einen Stromleiterabschnitt 20. Eine
Isolierstoff-Umhüllung 22 umschließt ein Widerstandsmatrix-Material 24,
in dem Drahtfilamente 26 eingebettet sind.
Im folgenden werden mögliche geometrische Formen benachbarter
Wicklungs-Schichten erläutert, mit deren Hilfe die in Fig. 1 schematisch
dargestellte Stromführung erreicht werden kann.
Fig. 3a zeigt zwei Wicklungsschichten mit jeweils vier Windungslagen,
wobei die Stromführung derart gewählt ist, daß radial benachbarte
Stromleiterabschnitte innerhalb einer Wicklungs-Schicht den Strom
gegensinnig führen, während hingegen zwei in Richtung der Wickelachse
benachbarte Stromleiterabschnitte den Strom gleichsinnig führen.
Fig. 4a zeigt in schematischer perspektivischer Ansicht eine mögliche
geometrische Anordnung für einen Stromleiter (in Fig. 4a ist die
perspektivische Darstellung in axialer Richtung (Z) auseinandergezogen
dargestellt). Von der oberen zu der unteren Wicklungs-Schicht erfolgt
hier keine Umkehrung der Wicklungsrichtung.
Fig. 4a und 4b zeigen den Aufbau des Hochstromschalters aus einem
durchgehenden Draht.
Gemäß Fig. 3b und 4b erfolgt zwischen benachbarten Wicklungs-
Schichten eine Umkehrung der Wicklungsrichtung, so daß nicht nur in
radialer Richtung benachbarte Stromleiterabschnitte den Strom
gegensinnig führen, sondern auch in Richtung der Wicklungsachse
benachbarte Stromleiterabschnitte den Strom gegensinnig führen.
Fig. 5 zeigt eine Ausführungsform für Wicklungs-Schichten mit
rechteckigem Grundriß jeweils als Doppelleiter-Wicklung ausgeführt.
Zwei in axialer Richtung benachbarte Wicklungs-Schichten besitzen
jeweils in der links unten dargestellten Ecke eine einstuckig mit beiden
Wicklungen ausgebildete Schichtübergangsverbindung. Die
Stromrichtungen sind in der üblichen Notation angedeutet. Auch hier
sind die Ströme in radial benachbarten und in axial benachbarten
Stromleiterabschnitten gegensinnig.
Die in Fig. 5 dargestellte Anordnung läßt sich erhalten durch
Verwendung von rechteckigen Isolierstoff-Formkörpern, in deren
Hohlräume pulverförmiges keramisches supraleitendes Material eingefüllt
wird, woraufhin die gefüllte Formkörperanordnung gesintert wird. Vor
dem Sintern kann man mehrere Formkörper in axialer Richtung
aneinanderreihen, um nach dem Sintern ein fertiges Bauteil zu erhalten.
Dieses Bauteil braucht dann nur noch mit externen Anschlüssen versehen
und in ein Gehäuse eingekapselt zu werden.
Fig. 6 zeigt schematisch eine durch einen Doppeldraht gebildete
Wicklung 18, wobei ein Doppeldraht von innen nach außen gewickelt
ist. Der Übergang zu der benachbarten Schicht erfolgt dann prinzipiell
so, wie dies in Fig. 5 angedeutet ist.
Fig. 7a und 7b zeigen eine weitere Ausführungsform einer Wicklung
18'. Wie aus Fig. 7a hervorgeht, ist von außen nach innen eine
Wicklung geführt, wobei diese Wicklung im Bereich der Wickelachse
gewendet und dann in den Zwischenräumen der von außen nach innen
geführten Wicklung nach außen geführt ist. Hierdurch werden ebenso
wie bei der Wicklung 18 nach Fig. 6 in radial benachbarten
Stromleiterabschnitten gegensinnige Ströme geführt.
Fig. 7b zeigt die Wicklung 18' nach Fig. 7a in um 180° nach rechts
umgeklappter Anordnung.
Die beiden in Fig. 7a und 7b dargestellten Wicklungen werden in axial
benachbarten Schichten eingesetzt, wobei der Höhensprung in Richtung
der Z-Achse dann jeweils links außen bzw. rechts außen an den beiden
Wicklungen erfolgt. Wie man sieht, erreicht man durch Anordnen einer
geraden Zahl von derartigen Wicklungs-Schichten eine Schaltereinheit
mit einem axial oben liegenden und einem axial unten liegenden
Anschluß auf der linken oder der rechten Seite der Baueinheit. Die
Ströme werden dabei so geführt, wie dies schematisch in Fig. 2
dargestellt ist (Schachbrettmuster).
Die Ausgestaltung der Wicklung im Bereich des Zentrums, wie sie in
Fig. 6, 7a und 7b dargestellt ist, verhindert die Verwendung eines
zylindrischen Trägers, wie er im Aufbau nach Fig. 1 verwendet wird.
Hier werden zwei halbkreisförmige Träger (71a, 72a, 71b, 72b), die die
dargestellte Führung der Wicklung durch das Zentrum ermöglichen,
eingesetzt.
Das in Fig. 1 dargestellte Ausführungsbeispiel enthält Wicklungen aus
wickelbarem Draht. Als eine alternative Möglichkeit zur Herstellung der
Wicklungsschichten kann man mit sogenanntem Strukturmaterial
arbeiten. Fig. 8 zeigt eine solches Strukturmaterial in der Gestalt eines
scheibenförmigen Formkörpers 40 mit einem kreisscheibenförmigen
Boden 44 und in Richtung des Radius spiralförmig verlaufenden Wänden
46 mit einer axialen Höhe entsprechend der Schichtdicke in Z-Richtung,
durch die Freiräume 42 gebildet werden.
Die in Fig. 8 dargestellte Anordnung ist lediglich schematisch. In die
Freiräume 46 wird pulverförmiges Supraleitermaterial eingefüllt und
dann gesintert, so daß eine fertige Wicklungs-Schicht erhalten wird.
Claims (28)
1. Supraleitender Hochstromschalter, mit folgenden Merkmalen:
- a) es ist mindestens eine Schicht (10a . . . 10h) mit einer Wicklung (18, 18') aus einem supraleitenden Stromleiterabschnitt (20) vorgesehen, um eine Hochstromschaltereinheit (1) zu bilden;
- b) innerhalb der Wicklungsschicht (10a . . . 10h) ist die Leitungsführung derart beschaffen, daß der zu schaltende Strom in in radialer Richtung benachbarten Stromleiterabschnitten (20) gegensinnig fließt;
- c) es ist eine Schaltsteuereinrichtung (12) vorgesehen, mit der in dem Stromleiterabschnitt (20) eine Änderung zwischen den Zuständen "nicht-supraleitend" und "supraleitend" auslösbar ist.
2. Hochstromschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß mehrere Schichten (10a . . . 10h) mit je einer Wicklung in
Richtung der Wicklungsachse (Z) aneinandergereiht sind, und
daß in verschiedenen Schichten (10a . . . 10h) benachbart
angeordnete, auf gleichem Radius (R) bezüglich der
Wicklungsachse (Z) befindliche Stromleiterabschnitte (20)
gegensinnigen Stromverlauf aufweisen.
3. Hochstromschalter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß mindestens vier Schichten (10a . . . 10h)
vorgesehen sind.
4. Hochstromschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß die Stromleiterabschnitte (20) aus
wickelbarem Draht bestehen.
5. Hochstromschalter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,
daß der wickelbare Draht aus Filamentdraht (26) mit
Widerstandsmatrix (24) besteht.
6. Hochstromschalter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,
daß der wickelbare Draht aus einem Kabel aus Filamentdrähten
besteht.
7. Hochstromschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch
gekennzeichnet, daß die Stromleiterabschnitte aus
Hochtemperatur-Supraleitmaterial bestehen.
8. Hochstromschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch
gekennzeichnet, daß für den gesamten Schalteraufbau ein
durchgehender Draht verwendet wird.
9. Hochstromschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch
gekennzeichnet, daß die Stromleiterabschnitte (20) vorisoliert
sind und unter Verzicht auf Strukturmaterial direkt gewickelt
sind.
10. Hochstromschalter nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet,
daß die vorisolierten Stromleiterabschnitte nachträglich mit
Isolationsverguß getränkt werden.
11. Hochstromschalter nach Anspruch 9 und 10, dadurch
gekennzeichnet, daß die Wicklung (18, 18') jeweils einer
Schicht (10a . . . 10h) nachträglich mit einer Isolationsschicht
versehen ist.
12. Hochstromschalter nach Anspruch 9, 10 oder 11, dadurch
gekennzeichnet, daß die gesamte Hochstromschaltereinheit (1)
mit einer Isolationsschicht (28) versehen ist.
13. Hochstromschalter nach Anspruch 12, bei dem die
Isolationsschicht als mechanische Stabilisierungsschicht (28)
ausgebildet ist.
14. Hochstromschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 13, bei
dem die Stromleiterabschnitte Umhüllungsmaterial (22)
aufweisen, das gleichzeitig zur Isolation zwischen den
Schichten (10) dient.
15. Hochstromschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch
gekennzeichnet, daß die Hochstromschaltereinheit (1) eine aus
Vergußmaterial (28) gebildete Stabilisierung aufweist.
16. Hochstromschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch
gekennzeichnet, daß die Schichten aus vorgeformten
Strukturmaterial (40) bestehen, welches Freiräume (42)
aufweist, in die die Wicklungen eingebracht sind.
17. Hochstromschalter nach Anspruch 16, bei dem sich in den
Freiräumen (42) wärmebehandeltes oder aufgedampftes
keramisches Hochtemperatur-Supraleitermaterial befindet.
18. Hochstromschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch
gekennzeichnet, daß das Strukturmaterial (40) als Isolations- und
Stabilisiermaterial ausgebildet ist.
19. Hochstromschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch
gekennzeichnet, daß die Überführung vom supraleitenden
Zustand in den normal-leitenden Zustand durch eine integrierte
Heizung (8a-8d) herbeigeführt wird.
20. Hochstromschalter nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet,
daß die integrierte Heizung (8a . . . 8d) axial zwischen den
Schichten (10a . . . 10h) angeordnet ist.
21. Hochstromschalter nach Anspruch 19 oder 20, dadurch
gekennzeichnet, daß die an die Schaltsteuereinrichtung (12)
angeschlossene integrierte Heizung (8a-8d) die
Hochstromschaltereinheit (1) nur teilweise vom supraleitenden
in den normal-leitenden Zustand überführt, und die komplette
Überführung durch Selbstheizung erfolgt.
22. Hochstromschalter nach einem der Ansprüche 19 bis 21, bei
dem zwischen den einzelnen Schichten (10a . . . 10h) zusätzliche
Kühleinrichtungen vorgesehen sind.
23. Hochstromschalter nach einem der Ansprüche 19 bis 22,
dadurch gekennzeichnet, daß zur Heizung und zur Kühlung
elektrische Thermokraftelemente (8), insbesondere
Peltierelemente, angeordnet sind.
24. Hochstromschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 18, bei
dem die Überführung vom supraleitenden in den normal-
leitenden Zustand durch ein extern erzeugtes Magnetfeld
herbeigeführt wird.
25. Hochstromschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 18, bei
dem die Überführung vom supraleitenden in den normal-
leitenden Zustand durch einen Zusatzstromimpuls herbeigeführt
wird.
26. Hochstromschalter nach Anspruch 25, bei dem der
Zusatzstromimpuls eine Zeitspanne von weniger als 10 µs
aufweist.
27. Hochstromschalter nach Anspruch 25 oder 26, bei dem der
Zusatzstromimpuls durch den Stromstoß beim Kurzschluß der
Last hervorgerufen wird.
28. Hochstromschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch
gekennzeichnet, daß zur vorzugsweise periodischen Abschaltung
eines ansteigenden Stroms die Hochstromschaltereinheit (1)
derart ausgebildet ist, daß sie bei Überschreiten eines
Schwellenwerts des ansteigenden Stroms selbsttätig vom
supraleitenden in den normal-leitenden Zustand übergeführt
wird.
Priority Applications (4)
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