DE2707589A1

DE2707589A1 - Dauerstromschalter zum kurzschliessen eines supraleitenden magneten

Info

Publication number: DE2707589A1
Application number: DE19772707589
Authority: DE
Inventors: Hans Hieronymus
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1977-02-22
Filing date: 1977-02-22
Publication date: 1978-08-24
Also published as: FR2381386A1; DE2707589B2; US4378479A; DE2707589C3; FR2381386B1; JPS53104194A; GB1581969A

Description

Dauerstromschalter zum Kurzschließen «ines supraleitenden Magneten

Die Erfindung bezieht sich auf einer

Kur^?<"fließen eines supraleitenden Magneten γ.it zwei Kontaktstücken, die aus hochreinem, elektri?ch /rut leitendem Material bestehen und von deren Kontaktoberflächen wenigsten?

eine gekrümmt ist.

Wenn ein magnetisches Feld einer supraleitender. Spule, insbesondere einer Hochfeldmagnetspule, erzeugt ist, braucht der Spule von außen zur Aufrechterhaltung des Feldes'praktisch keine elektrische Energie mehr zugeführt zu werden, v.v.r. nur der Energiebedarf der zur Aufrechterhaltung des supraleitenden Zustandes der Spule benötigten Kälteeinrichtungen int dann noch zu decken. Zur Speicherung der in der Spule eingespeiston elektrischen Energie kann die Spule deshalb an ihren Enden mittels eines möglichst widerstandsanrer. DauerstroTnschalters kurzgeschlossen werden. Der Strom fließt dann fast ungedänip'-i in dem so ausgebildeten, kurzgeschlossenen Stromkreis, und die zur Erregung der Magnetspule erforderliche Stromversorgung karm daraufhin unterbrochen werden.

Ein entsprechender Dauerstromschalter ist beispielsweise aus der deutschen Offenlegungsschrift 25 21 328 bekannt. Der Dauerstromschalter enthält zwei Kontaktstücke, von denen das

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eine beispielsweise eine ebene Kontaktoberfläche hat, während die Oberflächeces zweiten KontaktStückes gekrümmt ist. Die beiden Kontaktstücke sind jeweils aus zwei verschiedenen Materialien gefertigt. Ein Teil jedes Xontaktstück?r besteht aus einem bei Tiefsttemperatur normalleitenden, hochreinen Metall wie beispielsweise Kupfer oder Aluminium, während der andere Teil jedes Kontaktstückes· Supraleitermaterial enthält. Das normalleitende Material der Kontaktstücke dient dabei vorwiegend als Stabilisierungsmaterial für das Supraleitermaterial. Eine zum öffnen und Schließen des Schalters erforderliche mechanische Betätigungsvorrichtung ist so gestaltet, daß die supraleitenden Teile der beiden Kontaktstücke sowie ihre normalleitenden Teile jeweils direkt aneinandergefügt werden können. Es müssen deshalb besondere FUhrungseinrichtungen vorhanden sein, dit das genaue Anliegen insbesondere der supraleitenden Flächen gewährleisten. Ferner ist bei dem bekannten Dauerstrcmschalter eine Vakuumkammer vorgesehen, in der die Kentaktstücke angeordnet sind, um so Verunreinigungen der Oberflächen auszuschließen. Der Aufbau des bekannten Schalters ist deshalb verhältnismäßig aufwendig, und darüber hinaus ist nur eine indirekte Kühlung der supraleitenden Kontaktflächen möglich.

Da die supraleitenden Kontaktstücke des bekannten Dauerstromschalters möglichst hohe Stroradichten zulassen sollen, die Stromtragfähigr.eit der Supraleiter bekanntlich aber von den äußeren Magnetfeldern abhängt, kann dieser Schalter nicht in unmittelbarer Nähe eines supraleitender. Magneten hoher Feldstärke angeordnet werden.

Aufgabe der vorliegenden Er/findung ist es deshalb, einen Dauerstromschalter hoher Stromtragfähigkeit für supraleitende Magnete zu schaffen, bei dem die Schwierig keiten des bekannten Dauerstromschalters nicht oder nur in unwesentlichem Umfange auftreten. Dabei soll der Aufbau des Dauerstromschalters und insbesondere der seiner Kontaktstücke vereinfacht werden.

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Diese Aufgabe wird für einen DsuerstroTschalter cer o genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, ca.·? die Kontaktoberfläche kugelkappenförmig gestaltet ist nvA rUi3 die Kontaktkraft mindestens 500 N beträgt.

Die Vorteile dieser Gestaltung einen Dauerstror»schalters bestehen insbesondere darin, daß unt?>r voller Kor.tfl.ktkro.ft einerseits ein gutes Anliegen der beider. Kontaktoberfläche:x an ihrer gemeinsamen Kontaktzone und andererseits beim Schlio.^en des* Scheitere zugleich sine Reinigung der Kontakt zone avfr/cvnu. der gegenseitiger. Reibung zwischen der. beiden Kontaktoberflächen bewirkt wird. Es läßt sich so ein besonders geringer Kontaktwiderstand erreichen. Deshalb kanr. für die Kontakt stücke des Schalters nach der Erfindung auf eine Verwendung von s'ipraleitendem Material verzichtet worden, d.h. die Kontaktstücke werden vorteilhaft ausschließlich aus no riaalle itendem Material bestehen. Es hat sich nämlich herausgestellt, daß die von einem solchen Schalter bewirkten Verluste im Vorf.l^ich tu. der.en eines Schalters mit supraleitend ?r XontaV.t^n nur· un wer ^r-Zr-IiCV.

höher sind.

Gemäß einer weiteren Ausbildung eins Dauerstror-pchaltors ?io.c> Ίγτ· Erfindung können vorteilhaft die Kontakt stücke aus Feirrü^fjr besteher . Verunreinigungen des Silbers durch Frerdatone führer.

nämlich bei tiefen Temperaturen zu einer besonder." starken Widerr.tandserhöhung. Feinsilber irit einem Silber^ehni.· vor. etwa 99.97 % hat jedoch bei tiefen Temperaturen einen bot:or.dor' geringen elektrischen Widerstand. Dieser kann vo^te.\rvr^rt r.-jrJh weiter vermindert werden, wenn sogenanntes "doppelt gerohie-ler-. s" oder "chemisch reines" Silber mit mindestens 99.995 % Γ5.Iber,gehalt oder hochreines Feinsilber mit einem Silbergehalt von 1>9,999 ^ vorgesehen wird.

Darüber hinaus kann vorteilhaft für die Kontaktstücke des Dauerstromschalters nach der Erfindung weichgeglühtes Silber verwendet werden. Dieses im allgemeinen bei Temperaturen zwischen 400 und 700⁰C wärmebehandelte Material mit einer Brinellhärte

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beispielsweise zwischen 150 und 360 N/mm gewährleistet eine bei der vorgegebenen Kontaktkra.ft besonders innige Verbindung der beiden aneinandergefügten Kontaktstücke an der zwischen ihren Kontaktoberflächen ausgebildeten gemeinsamen Kontaktzone. In Verbindung mit dem besonders geringen !testwiderstand bei tiefen Temperaturen läßt sich so ein entsprechend niedriger Kontaktwiderstand erreichen.

Außerdem ist es besonders vorteilhaft, den Härtegrad der Materialien der beiden Kontaktoberflächen verschieden zu wählen.Damit läßt sich daß sogenannte Kaltverschweißen der beiden Kontaktoberflächen an ihrer gemeinsamen, verhältnismäßig großen Kontaktzone vermeiden. Eine der Kontaktflächen kann deshalb zweckmäßig mit einer Indiumschicht belegt sein, während die andere Kontaktoberfläche aus Feinsilber ist. Indium ist nämlich bekanntlich ein weicheres Material als vergleichsweise Feinsilber,

Ferner kann der Dauerstromschalter nach der Erfindung auch zwei gegeneinander geneigt angeordnete, ebene Kontakt st· ic λ?

enthalten, zwischen die ein weiteres Kontaktstück mit zv::>.

kugelkappenförmigen Kontaktoberflächen eingefügt werder '*.;;■:·-:.. Diese Gestaltung des Dauerstromschalters hat insbesor:-_-r» le-r Vorteil, daß bei den Schaltvorgängen Bewegungen dor mit :, r.: Schalter verbundenen, im allgemeinen supraleitenden Leiter vermieden werden. Die Betätigungsvorrichtung dieses Schc.i-a ; ist zudem besonders einfach, und das bewegliche "wischer..-kontaktstück kann leicht ausgetauscht werden.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung und deren in der\ Jv. ;^i·- ansprüchen gekennzeichneten Weiterbildungen wird auf die schematisehe Zeichnung Bezug genommen, in deren Fig. 1 ein Dau°rstromschalter gemäß der Erfindung angedeutet ist. Fig. 2 zeifrt eine weitere AusfUhrungsform eines solchen Dauerstromschalters mit einem beweglichen Zwischenkontaktstück. In den Fig. 3 und h ist ein Querschnitt bzw. eine Seitenansicht dieses Zwirch^nkontaktstückes dargestellt.

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Der in Fig. 1 in einem Querschnitt schematisch angedeutet?, nur teilweise ausgeführte Dauerstromschalter enthält ein ortsfestes Kontaktstück 2 und ein mittels einer .in der Figur nicht näher ausgeführten Betätigungsvorrichtung bewegliches Kontaktstück 3.· Die beiden Kontaktstücke können mitti»?.s der Betätigungsvorrichtung mit einer durch einen Pfeil dargestellten Kontaktkraft F gegeneinander gedrückt werden und sind mit den Enden der Leiter einer supraleitenden Magnetspule 5 elektrisch leitend verbunden, beispielsweise verlötet.

Bei der Spule kann es sich beispielsweise um einen Magneten zur Schwebeführung eines Fahrzeugs über einer elektrisch leitenden Schiene nach dem elektrodynamischen Abstoßungsprinzip handeln. Die Kontaktoberfläche 7 des Kontaktstücks £ ist aben gestaltet, während die Kontaktoberfläche 8 des beweglichen Kontaktstückes £ gekrümmt ist und die Gestalt einer Kugelkappe hat. Ihr verhältnismäßig großer Krümmungsradius ist mit r bezeichnet.

Die Kontaktstücke 2 und 3. können vorteilhaft aus Feinsilber hoher Reinheit, d.h. mit einem Silbergehalt, der größer als 99,97 % ist, bestehen. Dieses Silbermaterial ist vorzugsweise zudem noch weichgeglüht. Die Härtegrade der Kontaktoberfläche! werden dabei vorteilhaft verschieden gewählt. Gegebene; \:"s\7.s kann mindestens eine der Kontaktoberflächen 7 oder 8 iüit einer Indiumschicht überzogen sein, die beispielsweise 0,3 sm dick ist, wodurch eine satte Auflagefläche erreicht vird.

Beim Schließen des Dauerstromschalters wird nicht nur dar Kontaktstück 2 gegen das Kontaktstück 3. ^mi"t einer Kraft vor.

mindestens 500 N, vorzugsweise mindestens 1000 N gedrückt, sondern es wird auch eine der beiden Kontaktstücke, beispielsweise das Kontaktstück £, dabei geringfügig um eine Achse 9 senkrecht zu der ebenen Kontaktoberfläche 7 des Kontaktstückes 2 um einige Grad gedreht. Es läßt sich so ein besonders widerstandearmer Kontakt an der zwischen den beiden Kontaktoberflächen 7 und 8 ausgebildeten gemeinsamen Kontaktzone erreichen, da sich einerseits die beiden Kontaktoberflächen geringfügig

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deformieren und an der Kentaktzone innig aneinanderliegen und andererseits durch die Drehbewegung ein Reinigungseffekt in der Kontaktzone zwischen den beiden Kontaktflächen 7 und 8 hervorgerufen wird.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel des Dauerstromschalters nach Fig. 1 bestehen die beiden Kontaktstücke 2_ und 3_ aus Feinsilber mit unterschiedlichem Härtegrad. Die Kontaktoberfläche 8 des als Kugelkappe gestalteten Kontaktstückes 3_ hat einen Krümmungsradius von etwa 80 mm. Beim Gegeneinand.erdrücken der beiden Kontaktstücke 2 und 2 ^mi^ einer Kontaktkraft von etwa 2000 N wird das Kontaktstück 2 ^ ^die Achse 9 etwa um 5° gedreht. Es läßt sich dann ein Schalterwiderstand von kleiner 8 χ 10 JI erreichen.

Der in Fig. 2 in einem Querschnitt teilweise ausgeführte Dauerstromschalter enthält ein etwa V-förmiges Rahmenteil 11. dessen freie Schenkel 12 bzw. 13 um einen vorgegebenen Winkel ÖL auseinandergespreizt sind. An der Innenseite jedes dieser beiden Schenkel 12 bzw. 13 ist jeweils ein ebenes kontaktstück 14 bzw. 15 angeordnet, das mit den Enden der Leiter eines in der Figur nicht dargestellten supraleitenden Magneten verbunden ist und dem ortsfesten Kontaktstück 2 nach Fig. 1 entspricht. Ein Kurzschluß zwischen den beiden Kontaktstücken 14 und 15 wird

>5 durch ein beweglich angeordnetes Kontaktzwischenstück 1i6 ermöglicht, das mittels einer Betätigungsstange 17 einer in der Figur nicht näher ausgeführten Betätigungsvorrichtung mit einer vorbestimmten, durch einen Pfeil angedeuteten Zugkraft K zwischen die beiden gegeneinanderjsjeneigt angeordneten Kontakt-

)0 stücke 14 und 15 gezogen wird.

Beim Hineinziehen des kugelförmigen Kontaktstückes 1j5 in den zwischen den beiden Kontaktstücken 14 und 15 ausgebildeten, sich in Zugrichtung verjüngenden Spalt verformen sich die Kontaktstücke 14, 15 und t6 an ihren gemeinsamen Kontaktzonen geringfügig. Es wird so eine satte Verbindung dieser Kontaktstücke und insbesondere eine Reinigung der Kontaktzonen aufgrund von Reibung

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bewirkt. Die Schenkel 12 und 13 können dabei etwas auseinandergespreizt werden. Die Spreizung der beiden Schenkel kann zweckmäßig durch eine zwischen ihren beiden freien Enden angeordnete Begrenzungsvorrichtung, beispielsweise eine Stange 19, auf ein vorbestimmtes Maß festgelegt werden.

Aus den Fig. 3 und 4 sind weitere Einzelheiten des beweglichen Kontaktzwischenstückes T6 des Dauerstromschalters nach Fig. 2 zu entnehmen. In diesen Figuren ist durch gestrichelte Linien eine zentrale Bohrung 20 in dem Kontakt zwischenstück _1f> angedeutet, durch welche die Betätigungsstange 17 hindurchgesteckt wird. Die beiden Kontaktoberflächen 22 und 23 des KontaktZwischenstückes IjS, an denen im geschlossenen Zustand dieses Schalters die entsprechenden Kontaktoberflächen der Kontaktstücke 14 bzw. anl ^en, haben kugelkappenfönnige Gestalt mit einem verhältnismäßig großen Krümmungsradius r.

Um ein Kaltverschweißen der Kontaktstücke an ihren gemeinsamen Kontaktzonen zu verhindern, ist vorteilhaft der Hfcrtegrad der Kontaktoberflächen 22 und 23 verschieden gegenüber dem der Oberflächen der ihnen zugeordneten Kontaktstücke 14 und 15. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, daß für die Kontaktstücke Feinsilber verschiedener Härte vorgesehen wird oder jeweils eine der beiden Kontaktoberflächen, beispielsweise die Flächen 22 und 23, mit einer Indiumschicht überzogen sind.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel eines Dauerstromschalters nach den Fig. 2 bis 4 beträgt der Krümmungsradius r der Kontaktoberflächen 22 und 23 des Kontaktzwischenstückes Λ6^ etwa 80 mm. Die beiden Schenkel 12 und 13 und somit die beiden Kontaktstücke 14 und 15 sind gegeneinander um einen Winkel ό* von etwa 40° geneigt. Dadurch wird eine sogenannte Selbsthemmung der Vorrichtung vermieden, weil tg^ • /U ist, wobei /U der Reibungskoeffizient des Oberflächenmaterial β der Kontaktflächen ist. Als Material für die KontaktstUcke 14 bie _1j5 ist Feinsilber vorgesehen. Wird das Kontakt zwischenstück IJS mit einer Zugkraft K « 2000 N

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zwischen die beiden Kontaktstücke 14 und 15 gezogen, so ergibt sich ein Schalterwiderstand von kleiner 2 χ 1O~ St .

Aufgrund des verhältnismäßig geringen Widerstandes sind die DauerStromschalter nach der Erfindung insbesondere zur Aufrechterhaltung des magnetischen Feldes in einem Supraleitungsmagneten auch über längere Zeit unabhängig von einer äußeren Stromversorgung geeignet. Die Schalter können in unmittelbarer Nähe der Magnet spulen angeordnet werden und ohne weiteres verhältnismäßig hohe Ströme von beispielsweise über 1000 A tragen. Das zur Kühlung der mit den Kontaktstücken verbundenen Leiter vorgesehene Kühlmittel kann unmittelbar auch zur Kühlung der Kontaktstück vorgesehen sein. So kann sich beispielsweise der Schalter Im Kryostaten der zugeordneten Magnetspule befinden.

11 Patentansprüche 4 Figuren

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Claims

- <*■*- 77^r? 7 5 ^fJ 3 r'^J Patentansprüche

uerstromschalter zum Kurzschließen eines supraleitenden Magneten mit mindestens zwei Kontakt stücken, die aus hochreiner., elektrisch gut leitendem Material bestehen und vor. ieren Kontaktoberflächen wenigstens eine gekrümmt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die gekrümmte Kontaktoberfläche (S, 22, 23) kugelkappenförmig gestaltet ist und caß die Kontaktkraft (F) mindestens 500 N beträgt.
2. Dauerstromschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontaktkraft (F) mindestens 1000 N beträft.
3. ^"arstromschalter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eines der Kontaktstücke '?, ^, 14. 16) aus Feinsilber besteht.
4. Dauerstromschalter nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch mindestens ein Kontaktstück (Z, _3„, 14, 15, ^jS) aus chenisoh reinem Feinsilber.
5. DauerStromschalter nach Anspruch 3 oder 4, gek

durch mindestens ein Kontaktstück {2, J>» 14; 15_; *j3) εν' v^r.v ·-- geglühtem Silber.
6. Dauerstromschalter nach einem der Ansprüche 1 ο .? ?₍ dadurch gekennzeichnet, daß der Härtegrad der Katerinl:.;n der Kontaktoberflächen (7, 8) verschieben ist.
7. DauerStromschalter nach Anspruch 6, dadurch gekenrzeichnet, daß eine der Kontaktoberflächen (7, S) mit einer Indiumschicht versehen ist.
8. Dauerstromschalter »it einer mechanischen Betätigungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Betätigungsvorrichtung mit einer Drehvorrichtung für eine geringfügige Drehung der einen Kontaktoberfläche (8) auf der anderen Kontaktoberfläche '?) 'air. «?;.ne senkrecht zur

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Richtung der Kontaktkraft (F) verlaufende Drehachse (9) versehen ist (Fig. 1).
9. Dauer Stromschalter nach einem der Ansprüohp 1 Mr- 7, gekennzeichnet durch zwei gegeneinander geneigt angeordnete* ebene Kontaktstücke (14, 15)_fzwischen denen e;r weiteres Kontaktstück (^6) mit zwei kugelkappeni l>rmigen Kontaktoberflächen (22, 23) eingefügt werden kann (Fig. 2).
10. Dauerstronschalter nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Kontaktstücke (1^, 15) fest an άοη Schenkel (12, 13) eines V-förmigen Rahmenelernentes (T1_) befestigt aind.
11. Daverstromschalter nach Anspruch 10, dadurch gekennzoichnet, daß die Spreizung der beiden Schenkel (1?, 13) beim 3chlie8er des Schalters auf ein vorbestimmtes Maß begrenzt ist.

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