DE2229545A1 - Schalter fur supraleitenden Strom kreis - Google Patents

Description

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410-18.919P 16. 6. 1972

COMMISSARIAT A L¹ENERGIE ATOMIQUE. Paris (Frankreich)

Schalter für supraleitenden Stromkreis

Die Erfindung betrifft einen Schalter für einen supraleitenden Stromkreis.

Bekanntlich ist es für die Überführung eines supraleitenden Stromkreises vom supraleitenden Zustand in den normalleitenden Zustand üblich, diesen Stromkreis ganz oder teilweise einem Magnetfeld oder einer Temperaturerhöhung auszusetzen, wobei das Magnetfeld bzw. die Temperatur einen kritischen Wert überschreitet. Der Stromkreis verliert so seine supraleitenden Eigenschaften und kehrt also in den normalleitenden Zustand zurück, wo sein elektrischer Widerstand merklich nicht mehr Null ist; wenn er vorher geschlossen war mit einem ohne Energieverlust fließenden elektrischen Strom, wird er offen. Auf dieselbe Weise wird

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durch Zurückführen der Bedingungen des Felds und der Temperatur auf ihren Anfangszustand der Stromkreis in sich selbst geschlossen wie in einer üblichen Schaltung mit einem mechanischen oder anderen Schalter.

In den Fällen, wo der Umschaltparameter des Stromkreises das Magnetfeld ist, ist es zweckmäßig, daß einerseits dieses sehr schnell seinen Wert H erreicht, der das schnelle Öffnen des Stromkreises hervorruft, und andererseits, daß. der Wert dieses Felds im wesentlichen homogen im gesamten Volumen M ist, das vom Stromkreis oder vom den Schalter bildenden Stromkreisabschnitt begrenzt ist. Insbesondere muß■zur Verhütung induzierter Spannungen, die vom Supraleiter nicht annehmbar sind, der magnetische Induktionsvektor parallel zum betrachteten Stromkreisteil sein, der im allgemeinen durch einen oder mehrere Drähte aus Supraleitermaterial gebildet ist.

Um möglichst genau die oben aufgestellten Bedingungen zu erfüllen, ist es bereits bekannt, den supraleitenden Stromkreis durch eine Wicklung von supraleitenden Drähten zu erzeugen, die in aufeinanderfolgenden Windungen gewikkelt sowie umgeben von oder eingebettet sind in einem Isolierträger oder einem Träger bzw. Halter aus nicht supraleitendem Material, wobei die Wicklung sich als ein Torus oder noch allgemeiner als ein Drehkörper mit einer Achse darstellt, und wobei die Wicklungswindungen in Ebenen senkrecht zu dieser Achse verlaufen. Der einem derartigen Stromkreis angepaßte Schalter ist seinerseits durch eine äußere Umschaltwicklung gebildet, die um den Drehkörper in einer oder mehreren Ebenen gewickelt ist, die durch die Achse des Drehkörpers verlaufen, also im wesent-

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lichen senkrecht auf den Ebenen stehen, die die Windungen der supraleitenden Wicklung enthalten. Vorzugsweise hat die äußere Umschaltwicklung eine Lage von η Drähten, die parallel geschaltet und in N Windungen den supraleitenden Stromkreis entlang gewickelt sind, wobei die Verwendung einer Lage aus mehreren Drähten die Selbstinduktion der Umschaltwicklung begrenzt und damit außerdem die Anzahl der notwendigen Windungen reduziert.

Aufgrund der vorstehend beschriebenen Maßnahmen ist das durch die äußere Wicklung erzeugte Feld somit ungefähr parallel zu den Drähten ausgerichtet,die die Windungen der supraleitenden Wicklung bilden. Dennoch schließen aus offensichtlichen baulichen Gründen die Windungen dieser äußeren Wicklung tatsächlich keinen genauen Winkel von 90 mit den Windungen des supraleitenden Stromkreises ein. Daraus resultiert eine axiale Komponente des erzeugten Magnetfelds, die in diesem Stromkreis die oben erwähnten unerwünschten Induktionsspannungen hervorruft. Wenn der Gesamtstrom der Lage der Drähte der Umschaltwicklung I beträgt und mit N die Anzahl der Windungen in dieser Wicklung bezeichnet ist, beläuft sich theoretisch die Anzahl der Nutzamperewindungen zur Erzeugung des Umschaltfelds auf!

ATu = NI (1).

Die Verschiebung des Stroms dieser Wicklung um die Drehachse des Drehkörpers, der den supraleitenden Stromkreis darstellt, erzeugt unter diesen Bedingungen ein axiales Streufeld, das einer bestimmten Anzahl von Amperewindungen entspricht?

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ATp = I - 1 (2).

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen Schalter für einen supraleitenden Stromkreis zu schaffen, der die Erzeugung von störenden Induktionsspannungen vermeidet, und zwar durch eine beträchtliche Verringerung bzw. völlige Beseitigung der axialen Komponente des erzeugten Umschal tfelds.

Ein derartiger Schalter ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Wicklung durch eine Folge von η Elementarwicklungen gebildet ist, die parallel zueinander geschaltet sind und jeweils von einem Strom — durchflossen werden, wobei I der zur Erzeugung des Umschaltfelds H notwendige Strom ist.

Jede Elementarwicklung kann ihrerseits N Windungen aufweisen. Die Anzahl der Nutzamperewindungen für die Erzeugung des Magnetfelds H bleibt unverändert. Es gilt also:

ATu = — · η · N = NI (3).

Andererseits beträgt das durch die Stromverschiebung erzeugte Streufelds

ATp -I - 1 - J (*).

ist also durch η dividiert, wenn man die Gleichungen (2) und (4) miteinander vergleicht.

Um noch den Wert des Streufelds zu begrenzen und diesen Wert sogar genau auf Null zu bringen, kann man außer-

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dem in vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung die Elementarwicklungen des Umschaltkreises so ausbilden, daß die Richtung des Stroms in den Windungen jeder Elementarwicklung umgekehrt zu der einer folgenden Wicklung ist, wobei die Gesamtanzahl der Elementarwicklungen eine gerade Zahl ist.

In diesem Fall sind die axialen Komponenten der magnetischen Induktionen, die in den Elementarwicklungen erzeugt sind, paarweise unterschiedlich ausgerichtet, so daß sie sich gegenseitig aufheben. Eine derartige Anordnung hat außerdem den Vorteil der Verringerung des Potentialgradienten zwischen zwei benachbarten Leitern in den aufeinanderfolgenden Elementarwicklungen, weshalb insbesondere die beiden sich berührenden Drähte von zwei benachbarten Elementarwicklungen immer auf demselben Potential liegen, während bei den üblichen Wicklungen die beiden Endleiter der Gesamtpotentialdifferenz ausgesetzt sind, die die Erzeugung des Umschaltfelds gestattet.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen?

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Schalters für einen supraleitenden Stromkreis in perspektivischer Ansicht; und

Fig. 2 ein anderes Ausführungsbeispiel dieses Schalters.

Ein supraleitender Stromkreis 1 ist gebildet durch eine Wicklung mit einer Folge benachbarter und aufeinander-

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folgender Windungen aus einem Supraleiterdraht 2, der in parallelen Lagen angeordnet ist, die in im wesentlichen horizontalen Ebenen verlaufen. Diese Windungen aus Supraleiterdraht sind in einem Trägermaterial 3 eingebettet, das ein Leitermaterial oder ein Isolierstoff ist, jedoch auf keinen Fall supraleitend sein darf. Die gesamte Anordnung dieses Stromkreises stellt sich in den hier betrachteten Ausführungsbeispielen dar als ein Drehkörper in Form eines Zylinders 3· Gemäß anderen Ausführungsformen kann dieser Drehkörper auch die Form eines Torus aufweisen.

Um den so gebildeten supraleitenden Stromkreis aus dem supraleitenden Zustand in den normalleitenden Zustand zu bringen, ordnet man um den Zylinder 3 eine Umschaltwicklung k an, die aus einer Folge von Windungen eines geeigneten Supraleiterdrahts besteht. Außerdem ist gemäß einem Merkmal der Erfindung die Wicklung k in mehrere benachbarte Elementarwicklungen unterteilt, von denen nur zwei, nämlich mit 5 und 6 bezeichnete, in der Zeichnung auftreten. Jede Elementarwicklung ist an ihren Enden an ein axiales elektrisches Kabel 7 angeschlossen, das eine zentrale Seele 8 und einen Außenleiter 9 hat, wobei dieses Kabel somit zwischen Enden der Elementarwicklungen eine geeignete elektrische Spannung zu erzeugen gestattet, die für alle Elementarwicklungen gleich ist, da diese parallel geschaltet sind. *

Die magnetische Induktion, die durch jede dieser Elementarwicklungen erzeugt wird, ist unter diesen Bedingungen im wesentlichen parallel zur Richtung des Supraleiterdrahts 2 ausgerichtet, der den Stromkreis 1 bildet. Außerdem gestattet die Unterteilung der Umschaltwicklung in be-

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nachbarte Elementarwicklungen, die parallel geschaltetsind, daß das erzeugte axiale Streufeld verringert wird, und zwar um einen Faktor, der gleich der Anzahl dieser Wicklungen ist.

Im in Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Elementarwicklungen 5 und 6 in einander entgegengesetztem Sinn gewickelt, wobei die Verschiebung der Ströme, die die axiale Induktion in jeder von ihnen erzeugt, aufgrund dieses Umstands entgegengesetzt ist, was mit einer geraden Gesamtzahl der Elementarwicklungen die vollständige Beseitigung der Streuinduktion gestattet. Außerdem-begrenzt die Wicklungssinnumkehr der Elementarwicklungen den Spannungsgradienten zwischen benachbarten Leitern, wobei diese Spannung höchstens gleich V/n ist, wenn V die elektrische Spannung bezeichnet, die zwischen den Leitern des Kabels 7 auftritt, die parallel an die Elementarwicklungen geschaltet sind, und η die Anzahl der Windungen jeder dieser Wicklungen.

Vorzugsweise besteht der supraleitende Stromkreis aus einem Supraleiterdraht von Niob-Titan, und zwar unisoliert bei einem Durchmesser von 270 /um und mit einem spezifi-

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sehen Widerstand von 70 · 10~ Cl «cm, wobei dieser Draht so angeordnet wird, daß Leiterbänder aus parallelen Drähten entstehen. In einem speziellen Ausführungsbeispiel wurden in jedem Leiterband zwölf parallele Drähte verwendet, wobei das Band eine Länge von 87 m hatte, was eine Gesamtdrahtlänge von 1044 m und ein Volumen des Supraleitermaterials von 58 cm ergab. Dieser Stromkreis in Form einer Torus-Spule, wie in Fig. 1 oder 2 abgebildet, lag vor in Form eines Zylinders mit 38Ο mm Höhe, 310 mm Durchmesser und 5 mm Dicke, wobei vier .Doppellagen aus zehn Windungen

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vorgesehen waren, die durch Polyäthylen-Zwischenlagen von 2 mm Dicke und 20 mm Breite getrennt waren. Die Isolation zwischen den Lagen in jeder Doppellage wurde durch ein Klebelement in der Art von Polyesteri'oli en gebildet, durch die geeignet die supraleitenden Drähte in jedem Band justiert wurden«

Die Umschaltwicklung wurde hergestellt aus einem Kup-

•p ferkabel gleichen Querschnitts von 339 mm", isoliert und umhüllt, verteilt auf 3$ El enientarwi cklungen mit sechs Windungen. Der Widerstand im normal1 eitenden Zustand des Umschalters betrug 90 Cl , der typische Strom 1580 A und die spezifische Leistung 3 »38 * 1 0~ W/cnr , wobei die Umschaltzeit schließlich gro'ßenordnungsmäfii g /us betrug.

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Claims (2)

1. Patentansprüche

   1 .y Schalter für supraleitenden Stromkreis, bestehend aus einem Supraleiter, der in Lagen angeordnet ist, die in parallelen Ebenen verlaufen, wobei diese insgesamt einen Drehkörper um eine Achse bilden; mit einer äußeren Umschal twicklung zur Erzeugung eines Magnetfelds H, die in aufeinanderfolgenden Windungen gewickelt ist, die in Ebenen verlaufen, die im wesentlichen senkrecht auf den Ebenen der Lagen des Supraleiters stehen, dadurch g e ken η ze ichne t , daß die äußere Wicklung durch eine Folge von η Elementarwicklungen (5» 6) gebildet ist, die parallel zueinander geschaltet sind und jeweils von einem Strom — durchflossen werden, wobei I der zur Erzeu-

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   gung des Umschaltfelds H notwendige Strom ist.
2. 2. Schalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die El einen tarwick lung (4, 6) derartige Spulen sind, daß die Stromrichtung Ln den Windungen jeder Elementarwicklung umgekehrt zu der einer folgenden Wicklung ist, wobei die Anzahl der Elementarwicklungen geradzahlig ist.

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