DE19720397A1 - Supraleitender Hochstromschalter - Google Patents

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 Y_1,2Ba_0,8CuO₄.

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.