DE2822421A1

DE2822421A1 - Einrichtung zur erzeugung eines magnetischen feldes

Info

Publication number: DE2822421A1
Application number: DE19782822421
Authority: DE
Inventors: Mario Rabinowitz
Original assignee: Electric Power Research Institute Inc
Current assignee: Electric Power Research Institute Inc
Priority date: 1977-05-27
Filing date: 1978-05-23
Publication date: 1978-11-30
Also published as: JPS53147907A; CA1103297A; GB1586031A; SE7806065L; US4176291A; JPS6227622B2; FR2392527A1

Description

PATENTANWÄLTE. f? 8 2 2 4 2 1

R. SPLANEMANN dr. B. REITZNER J. RICHTER F. WERDEFiMANN

DIPL.-ING. MÖNCHEN

DIPL.-CHEM.

DIPL .-INCi.

DIPL-ING.

HAMBURG

2OOO HAMBURG 36 2 ?*> J· «8

NEUER WALL 1O TEL. (O4O) 34OO45 34 OO 56 TELEGRAMME: INVEN riUS HAMBURS

UNSERE AKTE:

■" E 78 229 DH

IHR ZEICHEN:

PATENTANMELDUNG

PRIORITÄT:

BEZEICHNUNG:

ANMELDER:

ERFINDER:

27. Mai 1977

(entspr. US.-Anm. Serial No. 801 241)

Einrichtung zur Erzeugung eines magnetischen Feldes

Electric Power Research Institute,Inc. 3412 Hillview Avenue
Palo Alto, Kalif.,V.St.A.

Mario Rabinowitz

262 1/2 Arbor Road

Menlo Park, Kalif., V.St.A₀

809848/0956

Konten: Deutsche Bank AG, Hamburg, Konlo-Nr. 6/I0055 (BLZ 20070000) · Postscheckamt Hamburg, Konto-Nr. 2620 80-201 (BLZ 20010020)

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung und ein Verfahren zur Erzeugung eines magnetischen Feldes in einer supraleitenden, rotierenden elektrischen Maschine.

Das Konzept eines supraleitenden Wechselstromgenerators für Anwendungen in Energieversorgungsanlagen ist "bereits seit einer Anzahl von Jahren von Interesse gewesen, jedoch ist es erst kürzlich geschehen, daß endgültige Realisierbarkeitsstudien angestellt worden sind» Wenn auch diese Studien noch nicht vollständig ausgeführt worden sind, so wird doch deutlich, daß die mit einer solchen elektrischen Maschine erzielbaren Vorteile in der verminderten Größe, dem verringerten Gewicht, dem höheren Wirkungsgrad, den niedrigeren Kapitalkosten und der größeren Systemstabilität oder Zuverlässigkeit liegen. Darüber hinaus bietet der supraleitende Generator die Möglichkeit, die volle Hochspannung für das Leitungsnetz, d.h. 230 kV, 500 kV oder mehr direkt abzugeben. Der Betrieb auf voller Netz- oder Leitungsspannung beseitigt vollständig die Notwendigkeit eines aufwärts umformenden Transformators und würde somit eine Vereinfachung der Kraftwerksanlage, einen möglichen

Anstieg der Zuverlässigkeit und Einsparungen an Kapital-

und Betriebskosten ergeben.

Soweit durch den Anmelder selbst feststellbar, war der erste Bericht in der bekannt gewordenen Literatur über Arbeiten an supraleitenden Wechselrichtern veröffentlicht worden von Woodson, Stekly, Halas, Hatch und Hoppie im Jahr 1966. Über diese Arbeiten ist berichtet worden in

809848/0956

2H22421

IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems, PAS 85, Seite 264, von H.H₀ Woodson, Z.J.J. Stekly und E. Halas, 1966; und in ΙΞΕΕ Transactions on Power Apparatus and Systems, PAS 85, Seite 274-, von Z.J.J. Stekly, H.H„ Woodson, A.M. Hatch, L.O. Hopple und E. HaIa?, 1966. Ein AVCO-Forschungsbericht von Stekly und Woodson, Nr. I81, aus dem Jahre 1964- legt ein noch früheres Datum fest. Diese Autoren erbauten und betrieben erfolgreich einen Wechselstromgenerator, bei dem eine feststehende supraleitende Erregerwicklung, sowie eine auf einer Temperatur von 500⁰K (Raumtemperatur) mit Schleifringverbindungen versehene Läuferoder Ankerwicklung zum Einsatz gelangte.

1971 zeigte eine Arbeitsgruppe am Massachusetts Institute of Technology die Ausführbarkeit der ersten umlaufenden supraleitenden Erregerwicklung. Über diese Arbeit wurde berichtet in IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems, PAS 90, Seite 611, von P. Thullen, J₀C. Dudley, D.L.Greene, J.L₀ Smith, Jr, und H.H. Woodson, 1971. Die Maschine wurde mit 4-5 ^VA als synchroner Kondensator betrieben. Diese Experimente zeigten, daii eine in angemessener Weise aufgeteilte und verlagerte Ständerwicklung das vom Läufer erzeugte starke magnetische Feld mit annehmbar niedrigen Wirbelstrom- und UmlaufStromverlusten ausnutzen kann, und ohne die Notwendigkeit von Eisen, um den magnetischen Fluß vom Läufer zum Ständer überzuleiten, Diese elektrische Maschine erreichte eine Feldstärke von 3,2 T im umlaufenden Betriebszustand.

809848/0958

Eine zweite, auf 3 MVA ausgelegte Maschine wurde gebaut, abgenommen und am 25. November 1975 während der Zeit von 22 Minuten als synchroner Kondensator am Hetz von Cambridge, Massachusetts, beigeben. Diese Maschine wies eine umlaufende supraleitende Feldwicklung innerhalb einer normalleitenden, feststehenden Ständerwicklung auf.

Darüber hinaus hat die Firma Westinghouse einen supraleitenden 5-MVA-Generator gebaut und betrieben, ebenso wie einen supraleitenden, vierpoligen, mit 12000 U/min umlaufenden Leichtgewichtsläufer für Anwendungen in Luftfahrzeugen. Über dies Arbeiten wurde berichtet in Proceedings 1972 Applied Superconductivity Conference, Veröffentlichung des IEEE, Best.-Nr. 72CH0682-5-TABSC, Seite 151, von C.J. Mole, H.E.Haller, D.O. Litz, und in Proceedings 1974 Applied Superconductivity Conference, IEEE Transactions on Magnetics MAG11, Seite 640, von J.H. Parker,Jr, R.D. Blaugher, A. Patterson, P.D. Vecchio und J.L. McCabria 1975.

Gegenwärtig gibt es mehrere Probleme bei der Konstruktion eines gewöhlichen umlaufenden Supraleiters. Für den Fall, daß der Supraleiter die Feldwicklung einer elektrischen Maschine darstellt, gibt es das Problem der Bewegung und des Ziehens des Leiters. Für den Fall, daiä die Feldwicklung feststehend ist, reicht das magnetische Feld in der gegenwärtig in Betracht gezogenen Höhe von 5 bis 6 Tesla aus, um eine Bewegung der Leiter zu bewirken. Ist die Feldwicklung rotierend, so ist die Zentrifugalkraft größer als die

809848/0958

magnetische Kraftwii'kung, und beide Kräfte kombinieren sich und verursachen eine Bewegung der supraleitenden Stränge im Läufer. Tritt eine solche Leiterbewegung auf, so führt sie zu einer Verminderung der kritischen Stromdichte in der Maschine ebenso wie zu einer Erhöhung der Leisfcungsverluste. Bei Tiefsbternperaturen stellt eine Leiterbewegung einen erheblichen Verlust im Kühlkreislauf dar. Wird die Bewegung der Leiter weiterhin nicht eingeschränkt, so kann dabei soviel Energie umgesetzt werden, daß der Supraleiter in seinen Normalleitungszustand gebracht wird _β

Das zweite Problem bei der Auslegung einer üblichen supraleitenden Wicklung liegt in der Notwendigkeit der Stabilisierung der elektrischen Maschine gegenüber der Möglichkeit thermischer, mechanischer und elektrischer Störungen. Eine jede dieser Störungen kann die Leistung des Supraleiters in starkem Maße herabsetzen. Darüber hinaus kann eine regenerativ oder rückkoppelnd wirkande Verschlechterung zum schädlichen Verlöschen der Supraleitfähigkeit fuhren.

Eine der wesentlichsten Eigenschaften der Supraleitfähigkeit liegt in der Tatsache, dab aus der Hauptmasse eines Supraleiters beim Übergang vom norraalleitenden zum supraleitenden Zustand ein magnetisches Feld ausgetrieben wird. Nach seinem Entdecker wird dieser Effekt als "Meissner-Effekt" bezeichnet. Jedoch ist im Gegensatz zu den vom Meissner-Effekt erwarteten Auswirkungen, gezeigt worden, daß jede Feldform, von niedriger

809848/0956

- να- /ß 22421

bis au hoher Feldstärke,sowohl in einen Supraleiter vom Typ I als auch in einem Supraleiter vom Typ II festgehalten werden kann_o Es ist gezeigt worden, daß die Übereinstimmung zwischen dem festgehaltenen und dem ursprünglichen oder erzeugenden Feld recht groß ist. Magnetfelder' mit einem, zwei oder drei Polpaaren sind permanent und quer zur Längsachse von massiven, hohlen und gespaltenen hohlen Zylindern festgehalten worden,, Über diese Arbeiten wird berichtet in IEEE Transactions on Magnetics, MAG11, Seite 548, von M. Rabinowitz, 1975; Nuovo Cimento Letters 7> 1> von Μ» Rabinowitz, E.L. Garwin, D₀J₀ Frankel, 1973» und Appl. Physics Letters 22, Seite 599, von E.L. Garwin, M„ Rabinowitz und D.J. Frankel, 1973.

Aufgabe der Erfindung ist es, zur Verminderung von Größe und Gewicht und zur Erhöhung des Wirkungsrades, aber auch zur Verringerung der Kapitalkosten beizutragen und eine größere Stabilität bei einer supraleitenden elektrischen Maschine zu schaffen, einhergehend mit einer Erhöhung der magnetischen Flußdichte in einer solchen supraleitenden Maschine, dabei ihre Ausgangsleistung zu erhöhen; denn die Leistungsdichte eines 'elektrischen Motors oder Generator's ist dem Quadrat der mittleren magnetischen Flußdichte an der Hauptwicklung (Ständer) proportional, ferner soll die Leiterbewegung und das Ziehen im Läufer eines supraleitenden ele ktrischen Generators beseitigt werden, es soll ein magnetisches Feld zum Betrieb einer supraleitenden elektrischen Maschine festgehalten und dafür die Ständerwicklung dieser Maschine verwendet werden, ferner sind alle elektri-

809848/0956

sehen Leitungen zum Läufer eines supraleitenden elektrischen Generators zu beseitigen; denn diese Leitungen sind bisher verlustbehaftet gewesen, weil sie gekühlt wurden, und sie haben verwickelte Übergangsanordnungen von Supraauf Hormalleitung und Schleifringanordnungen erforderlich gemacht.

Erfindungsgemaß werden Supraleiter aus einer Beta-Wolfrarastruktur vom sogenannten Typ A-15 in die rotierexide elektrische Maschine einbezogen. Diese Werkstoffe gestatten nicht nur den Betrieb bei viel höheren Werten des magnetischen Flusses (B), sondern sie gestatten auch den stabilen Betrieb bei denselben Werten des Feldes wie Läufer mit Feldwicklungen, bei denen Werkstoffe mit niedrigen kritischen Parametern zum Einsatz gebracht worden sind. Es ist festzustellen, daß diese A-15-Werkstoffe derart spröde sind, daß sie nicht ohne weiteres zu Drähten zu verarbeiten sind, und demzufolge sind diese Werkstoffe noch nicht bei drahtgewickelten Läufern eingesetzt worden»

Weite Vorteile und Merkmale der Erfindung folgen aus der ausführlichen Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen und anhand der beigefügten Zeichnungen. Es zeigen:

Fig. 1: eine scheraatische seitliche Teilschnittansicht eines supraleitenden elektrischen Generators mit einem im Läufer nach der Erfindung eingespeicherten Magnetfeld,

809848/095S

Fig. 2: eine Stirnansicht des Läufers nach Fig. 1 in einer Schnittdarstellung in Richtung der Pfeile 2-2 nach Fig. 1,

Pig» 3; eine schaubildliche Ansicht eines Teils des Läufers nach Fig. 1 zur besseren Veranschaulichung der abwechselnd angeordneten zylinderförmigen Schichten aus supraleitendem und aus thermisch leitendem Material,

Fig₀ 4: eine Stirnansicht in Teilschnittdarstellung einer anderen Ausführungsform eines supraleitenden Läufers und einer Erregerwicklung, wobei durch Beaufschlagung ausgewählter Wicklungsteile im Ständer mit Impulsen ein magnetisches Feldmuster entwickelt wird,

.5,7: schematische Stirnansichten in Schnittdarstellung einfacher Zylinder zum Speichern eines magnetischen Feldes, dabei ist der Zylinder nach Fig„ ungeschlitzt, und der Zylinder nach Fig. 7 geschlitzt,

Fig.6,8: Draufsichten auf die entsprechenden Zylinder nach Fig. 5 bzw. Fig. 7,

Fig. 9: eine schematische Draufsicht auf eine zweite, andere Ausführungsform eines supraleitenden Läufers für eine elektrische Maschine, dabei

809848/0956

ist der Läufer aus der Maschine entfernt, und es wird ein Feldrauster durch Magnete entwickelt, die sich außerhalb und um ein Dewar-Gefäß herum befinden,

Pig» 10: ein Ersatzschaltbild eines Wechselstromgenerators im stationären Betriebszustand, und

Fig, 111 ein Spannungszeigerdiagramm zu dem Ersatzschaltbild nach Figo 10 im stationären Betriebszustand,,

Die Erfindung behandelt ein Verfahren und eine Einrichtung zur Schaffung eines magnetischen Feldes in einer supraleitenden rotierenden elektrischen Maschine,, Die Einrichtung schließt einen Zylinder aus supraleitendem Material zum Festhalten eines magnetischen Feldes ein. Der Zylinder kann sowohl in Motoren als auch in Generatoren einbezogen sein und kann umlaufend oder feststehend in bezug auf den Ständer der Maschine ausgeführt sein_o Figo 1 bis 3 veranschaulichen den in den Läufer eines großen supraleitenden Synchrongenerators einbezogenen supraleitenden Zylindern Das in dem Zylinder festgehaltene magnetische Feld wird durch im Läufer vorhandene Wicklungen entwickelt. Figo 4-zeigt eine andere Ausführungsforra des Läufers, wobei ein magnetisches Feldmuster durch impulsförmige Ansteuerung ausgewählter Windungen im Ständer entwickelt wird. Fig. 9 veranschaulicht eine zweite andere Ausführungsform des supraleitenden Zylinders. Dieser Zylinder ist aus der

809848/0956

- yi -

Maschine entfernbar, und das magnetische Feld wird außerhalb der Maschine eingespeichert oder festgehalten.

Nunmehr wird der Aufbau der Ausführungsform nach Fig. 1 bis 3 noch genauer dargestellt, demnach veranschaulicht Figo 1 einen supraleitenden Synchrongenerator mit einem Läufer 6, der von zwei Lagern 10 getragen wird, sowie ein Gehäuse 7. Der Läufer 6 rotiert innerhalb der Ständerwicklunsstäbe 8, die die Ständer- oder Hauptwicklung der Maschine bilden. Der Läufer 6 wird durch eine (nicht dargestellte) Turbine in Drehung versetzt, die mit einer Kupplung 12 verbunden ist.

Der Läufer 6 nach FIg₀ 1 wird durch einen Strom flüssigen Heliums gekühlt. Der Läufer 6 schließt einen elektromagnetischen Schirm 18 ein, der auch als vakuumdichte Ummantelung dient. Bei 19 wird der Inneraum des Läufers 6 fortlaufend evakuiert, um den Läufer 6 thermisch von anderen Teilen des Generators zu isolieren, die bei Raumtemperatur arbeiten. Der elektromagnetische Schirm 18 schirmt die supraleitende Windung gegenüber nichtsynchronen magneti-

sehen Feldkomponenten ab, die durch unsymmetrische Ströme oder Stromstöße in dem Ständer 8 erzeugt werden. Innerhalb des elektromagnetischen Schirms 18 befindet sich ein Wärmestrahlungsschirm 20, der auf eine mittlere Temperatur, zwischen 80⁰K und 100⁰K gekühlt wird« Dieser Wärmestrahlungsschirm 20 absorbiert Wärmestrahlung von dem auf der Umgebungstemperatur liegenden elektromagnetischen Schirm und strahlt diese bei niedrigerer Temperatur wieder ab. Der

809848/0956

/lh

Läufer 6 ist ebenfalls an seinen Stirnflächen durch zwei stirnseitige Wärraestrahlungsschirme 21, 21' geschützte

Innerhalb dieser Schirme 18, 20, 21, 21' befindet sich ein Schubrohr 25, das die Schubkräfte vom Läufer über die Kupplung 12 zur (nicht dargestellten) Turbine weiterleitet. In Fig. 2 ist das Schubrohr 25 in einer Stirnansicht dargestellt. Das Schubrohr 2.3 enthält einen Feldspeicherzylinder 27 zum Festhalten eines Magnetfeldes und zur Bildung eines magnetischen Kreises mit der Ständerwicklung 8 nach Fig. 1. Der Feldspeicherzylinder 27 umfaßt eine Vielzahl abwechselnd angeordneter Schichten 29 aus supraleitendem Material und Schichten 31 aus elektrisch und thermisch gut leitendem Material, wie beispielsweise Kupfer und Aluminium. Alle Schichten sind konzentrisch zueinander und von zylindrischer Form.

Es wird nun auf Fig. 2 und 3 bezug genommen,demnach wird jede Schicht 29 aus supraleitendem Material in einem Werkstoff vom sogenannten "Typ ΙΪ^Η hergestellt, der einen hohen kritischen Feldstärkewert für ein Zweitfeld H_c2 aufweist. Nach der bevorzugten Ausführungsform werden diese zylinderförmigen Schichten aus einem supraleitenden A-15-Werkstoff, mit einer Beta-Wolframstruktur, hergestellt. Beispiele für diese Werkstoffe sind im folgenden mit ihrer kritischen Temperatur T_Q und dem kritischen Feldstärkewert H_C2 für ein Zweitfeld bei einer Temperatur von 4,2 °κ in der Tabelle I aufgeführt:

809848/0956

	Supraleiter	a b e 1 1 e
T	Nb₃Ge	T_ in ⁰K
Nb₃(Al₁	23
Nb₃Ga	21
Nb₃Al	20,3
Nb₃Sn	18,9
V₃Ga	18,1
PbMo. .	15..16,8
	14.6
,Ge)




,S,-

(bei 4,2⁰K) in Tesla

37 41 33 30 22 23 50

Ira Gegensatz hierzu hat der als Draht am meisten heutzutage eingesetzte Supraleiter NbTi eine kritische Temperatur T

von nur 9»5°K und eine kritische Feldstärke H₂ ^{von nur} 12 Tesla. Obgleich vieldrähtige Nb^Sn-Litze nun im Handel verfügbar ist, so ist das Langzeitverhalten dieses Werkstoffs noch zu erforschen.

Es ist anzumerken, daß die Beta-Wolframstruktur des A-15-Werkstoffs als Supraleiter spröde ist wie viele andere Werkstoffe mit hohen H «-Werten. Wegen des hohen Hp-Wertes gleichzeitig mit der hohen kritischen Stromdichte, die bei diesen Werkstoffen erreichbar ist, sind diese Werkstoffe recht wünschenswert für Anwendungen bei Elektromagneten mit hohen Feldstärken_e Bislang sind diese spröden Werkstoffe noch nicht in supraleitenden Maschinen eingesetzt worden wegen der Schwierigkeit, diese Werkstoffe zu Wicklungen zu verarbeiten. Die Einbeziehung dieser Werkstoffe in den Feldspeicherzylinder 27 gestattet nicht nur den Betrieb des Generators bei höheren Werten der magnetischen Flußdichte (B), sondern auch einen stabileren Betrieb der Maschine bei den-

809848/0956

/ti

selben Werten des Feldes wie bei vergleichbaren, mit Wicklungen aufgebauten Läufern,,

Jede Schicht 29 aus supraleitendem Material wird nach Fig. 2 und 3 in Elemente 34- unterteilt, die ein Gitter 33 aus Spalten bilden,, Das in dem Feldspeicherzylinder 27 gespeicherte magnetische Feld erfordert keinen durchgehenden Supraleiter und keine monolithische Struktur. Jeder Zylinder ist unterteilt, um Hysterese- und Leistungsverluste aufgrund zeitveränderlicher harmonischer Feldkomponenten, die die Schirme 18, 20 nach Fig. 1 durchsetzen, auf einen Mindestwert herabzudrückeno Diese harmonischen Feldkomponenten werden durch zeitlich veränderliche magnetische Felder erzeugt, die vom Ständer zurückgespeist werden und die zeitlich veränderliche Wirbelströme verursachen»

Der Zwischenraum oder Spalt zwischen jedem Element 3²J- sollte so gering wie möglich sein, um eine hohe Übereinstimmung zwischen dem gespeicherten Feld und dem erzeugenden Feldmuster zu erhalten, wie es unten beschrieben wird» Die Größe eines jeden der Elemente 34- und deren Anzahl in jeder Schicht wird bestimmt aus der Optimierung der Gesamtstromdichte und der erforderlichen Dauer des gespeicherten Feldes,, Wenn die Größe jedes Elementes des Gitters abnimmt, so fällt die Gesamtstromdichteο Wenn jedohc die Zahl der Elemente zunimmt bei Verkleinerung ihrer Größe, so fallen damit die Verluste, und das Feld benötigt eine längere Zeit bis zu seinem Verfall.

809848/0956

Es ist in Figo 2 zu beachten, daß die Lücken zwischen den supraleitenden Elementen 34 bei verschiedenen Schichten nicht einander überlagern. Diese Versetzung der Lücken zwischen den Schichten vermindert eventuelle Randfeldeffekte, die zwischen den Elementen auftreten könnten. Wären die Lücken an einem Radius des Läufers entlang ausgerichtet, so würde das Randfeld das von der Ständerwicklung 8 erfaßte magnetische Feld stören. Außerdem sind die wechselnden Schichten 29 aus supraleitendem Material, obwohl sie durch ein Netz 33 von Spalten in eine Vielzahl von Elementen 34 unterteilt sind, gegeneinander derart versetzt, daß insgesamt gesehen die ganze Läuferoberfläche von einem Supraleiter abgedeckt ist, wenn auch dieser Supraleiter in einer einzelnen Schicht 29 nicht durchgängig ist. Es ist ferner anzumerken, daß der Feldspeicherzylinder 27 nach Fig. 2 aus einer Vielzahl supraleitender koaxialer Zylinder aufgebaut ist, um die Dichte dieses Materials im Läufer zu erhöhen, und dabei gleichzeitig eine starke Unterteilung in Elemente 34 zu gestatten«

Die zylinderförmigen Schichten 29 aus supraleitendem Material wechseln sich nach Fig. 2 mit den monolithischen zylinderförmigen Schichten 31 aus thermisch und elektrisch leitendem Material ab. Diese Schichten 31 aus thermisch und elektrisch leitendem Material können entweder aus Kupfer mit seiner hohen Leitfähigkeit oder aus Aluminium aufgebaut sein. Allgemein besitzen die Schichten 29 aus supraleitendem Material eine geringe thermische Leitfähigkeit, und die Schicht 31 aus thermisch gut leitendem Material schafft ein

809848/095B

Medium zur Wärmeableitung für den Feldspeicherzylinder 27· Die hohe elektrische Leitfähigkeit der Schicht 31 verzögert ebenfalls den Flußverlauf. Jede Schicht 31 des thermisch gut leitenden Materials enthält ebenfalls eine Vielzahl von Kanälen 36, durch welche flüssiges Helium strömt. Helium fließt auch das Gitternetz 33 von Spalten. Dieser Strom flüssigen Heliums kühlt den Supraleiter und ist Bestandteil der weiter unten beschriebenen, den Läufer durchsetzenden Strömung. Ferner enthält jede Schicht 31 aus thermisch gut leitendem Material eine Vielzahl von Heizelementen 381 die durch eine Läuferheizungs-Stromversorgungseinheit 40 nach Fig. 1 gespeist werden. Diese Heizelemente 38 werden dazu verwendet, die Temperatur des Feldspeicherzylinders 27 zu erhöhen und die supraleitenden Schichten 39 auf normale Leitfähigkeit zu bringen, wenn das gespeicherte magnetische Feld abzuändern ist. Dieser Vorgang wird unten ausführlich beschrieben.

Bs wird nun auf Fig. 2 bezug genommen, demnach enthält der Feldspeicherzylinder 27 neun normal- oder supraleitende Wicklungsbaugruppen 44. Jede Wicklungsbaugruppe 44 ist, wie in Fig. 1 veranschaulicht, oval und ringförmig gestaltet. Die Wicklungsbaugruppen 44 bilden eine Wicklung für die Erzeugung des magnetischen Feldmusters im Läufer und werden durch einen Läuferfeld-Impulsgenerator 54 nach Fig. 1 gespeist. Diese Wicklung erzeugt also ein magnetisches Feldmuster in den supraleitenden zylinderförmigen Schichten 29, und das magnetische Feld wird darin in der unten beschriebenen

809848/0956

2Λ

Weise gespeichert. Im Betrieb werden diese Wicklungsbaugruppen 44 für einen kurzen Zeitraum mit Stromimpulsen beaufschlagt, um für den Feldspeicherzylinder eine hohe magnetische Flußdichte zu erzeugen.,

Gemäß Fig· 1 wird der Läufer 6 durch einen Strom flüssigen Heliums gekühlte Gesättigtes flüssiges Helium wird aus einer Verflüssigungseinrichtung oder einem Dewar-Behälter (nicht dargestellt) an ein mittiges Speiserohr 58 abgegeben. Flüssiges Helium fließt an der Drehachse des Läufers 6 entlang in den hohlen Teil des Schubrohres 25. Durch ein radial verlaufendes Speiserohr 59 und einen Heliumstandsregler 60 wird das flüssige Helium im Läufer 6 verteilt. Durch die Kanäle 36 nach Fig. 2 wird flüssiges Helium auch durch die Schichten 31 aus thermisch gut leitendem Material verteilt.

Bei der Rotation des Läufers 6 bwirkt die Zentrifugalkraft, daß das flüssige Helium die Form eines Zylinders mit kreisringförmigem Querschnitt nach Figo 2 annimmt. Heliumdampf mit seinem niedrigeren, Gewicht verteilt sich mittig um die Rotationsachse. Die zylinderfox^mige überfläche an der Grenze zwischen der flüssigen und der dampfförmigen Phase ist bei 62 angedeutet.

Im stationären Betriebsfallsiedet das Helium infolge der in den kalten Bereich des Läufers 6 geleiteten Wärme. Zwei getrennte, vom Siedevorgang herrührende Abdampfströme werden

809848/0956

aus dem Läufer 6 abgeleitet. Ein Abdampfstrom durchläuft eine Reihe spiralförmiger Strömungskanäle 64, dann einen Durchgang 65, der über die innere seitliche Wandung des elektromagnetischen Schirms 18 läuft, und daran anschließend durch ein Ablaßrohr 66, das zu dem mittigen Speiserohr konzentrisch verläuft. Der andere Abdampfstrom tritt durch eine zweite Vielzahl spiralförmiger Strömungskanäle 64', die auch mit dem konzentrisch angeordneten Ablaßrohr 66 in Verbindung stehen. Der warme Helium-Abdampf fließt anschließend aus dem Generator heraus und wird zu der (nicht dargestellten) Verflüssigungseinrichtung zurückgeleitete

Nunmehr wird die Wirkungsweise der Ausführungsform nach Fig. 1 bis 3 beschrieben. Allgemein arbeitet der in Fig. bis J veranschaulichte supraleitende Generator in derselben Weise wie jeder große Synchron-Wechseistromgenerator. Ein im Läufer erzeugtes magnetisches Feld bildet einen magnetischen Kreis mit der Ständerwicklung 8, und wenn der Läufer 6 durch eine Quelle mechanischer Energie in Drehung versetzt wird, so wird elektrischer Strom in der Ständerwicklung erzeugt. Nach Fig. 1 wird der magnetische Kreis zwischen dem Ständer und dem Läufer 6 durch ein magnetisches Feld gebildet, das in dem Feldspeicherzylinder 27 nach Fig. 2 festgehalten ist, wo gezeigt wird, wie ein zweipoliges magnetisches Feld in einer seitlich zur Drehachse des Läufers 6 verlaufenden Richtung im Supraleiter festgehalten wird. Vierpolige oder vielpolige magnetische Felder noch höherer Ordnung können ebenfalls gespeichert werden.

809848/0956

Die Bauelemente innerhalb des Schubrohres 25 nach Fig. 2 und die Schirme 18, 20, 21, 21' nach Pig» 1 werden durch einen den Läufer 6 durchsetzenden Strom flüssigen Heliums gekühlt. Der Gesamtstrom durch den Generator¹ wird oben ausführlich beschrieben,, Das flüssige Helium im Läufer 6 durchfließt ebenfalls die Kanäle 36 nach Fig. 2 in den Schichten 31 aus gut wärmeleitendem Material und in dem Gitternetz von Spalten. In Verbindung mit der Wärmeleitung des thermisch gut leitenden Werkstoffs der Schichten 31 kühlt dieser Heliumstrom die Schichten 29 aus supraleitendem Material im Betrieb.

Der Vorgang der Speicherung eines magnetischen Feldes im Läufer wird dann begonnen, wenn der Läufer noch über der kritischen Temperatur des Supraleiters liegt, und dieser seine Normalleitfähigkeit zeigt» Die innerhalb des Feldspeicherzylinders 27 befindlichen Wicklungsbaugruppen 44 nach Fig. 2 werden durch den Läuferfeld-Impulsgenerator nach Fig. 1 gespeist. Diese Wicklungsbaugruppen 44 bilden ein Wicklungsmuster, das ein magnetisches Feldmuster in dem Generator erzeugt. Nach dem Aufbau des Feldmusters wird der Supraleiter in dem'Feldmuster auf eine Temperatur unterhalb seiner Überlangstemperatur abgekühlt. Nach dem Abkühlen des Supraleiters bis unterhalb seiner kritischen Temperatur werden die Wicklungsbaugruppen 44 stromlos gemacht, und das Feldmuster bleibt im Supraleiter gespeichert.

809848/0956

2«

Das festgehaltene magnetische Feld zeigt eine hohe Übereinstimmung mit dem erzeugenden Feldmuster. Bei der Anwendung des obigen Verfahrens kann die Stärke der Flußdichte, die im Supraleiter festgehalten wird, dadurch gesteuert werden, daß die Höhe der Flußdichte des erzeugenden Feldmusters verändert wird. Soll ein starkes magnetisches Feld in dem Supraleiter gespeichert werden, so wird in den Wicklungsbaugruppen 44 eine entsprechend hohe magnetische Flußdichte durch den Läuferstrora-Impulsgenerator 54 erzeugt. Weil die Wicklungsbaugruppen 44 nur eine sehr kurze Zeit eingeschaltet sir.ä, icarvn eine sei:r :io!r.s nagnetisoiie ?l\i3iic^-ce ir. Läufer entwickelt werden. Es ist festgestellt worden, daß ein Feldspeicherzylinder der hier beschriebenen Bauform bei der Anwendung dieses Verfahrens im Supraleiter ein magnetisches Feld von bis zu der Hälfte des Wertes H₃₂ speichern kann.

Das im Läufer festgehaltene magnetische Feld ist im wesentlichen feststehend, und die magnetische Flußdichte (B) ist konstant. Wenn es erforderlich ist, die magnetische Flußdichte des Feldes zu verändern, oder wenn das Feld infolge von Verlusten abgefallen ist,und wieder aufgebaut werden muß, so werden die supraleitenden Schichten 29 wieder ange-

wärrat, bis zum Erreichen des normalleitenden Zustandes, und das oben beschriebene Verfahren zum Festhalten eines Feldes wird wiederholt. Die in der thermisch leitenden Schicht 31 befindlichen Heizelemente 58 nach Fig. 2 werden von der Läuferheizungs-Stromversorgungseinheit 40 nach Fig. 2 aufgeheizt. Diese Heizelemente J8 bringen die

809848/0956

as

supraleitenden Schichten 29 bis auf eine Temperatur, die oberhalb der kritischen Temperatur liegt, und das zuvor in ihnen gespeicherte magnetische Feld wird gelöscht. Daraufhin werden die Heizelemente 38 wieder abgeschaltet, und die Wicklungsbaugruppen 44 werden von dem Läuferfeld-Impulsgenerator 54- ^mi^ einem impulsförmigen Strom gespeist, um ein neues Feldmuster in dem Supraleiter zu entwickeln. Das Ausgangssignal des Lauferfeld-Impulsgenerators 54 wird auf die Abgabe der gewünschten Ausgangs-Klemmenspannung des Generators eingestellt.

Es gibt mehrere Erklärungen für die Existenz eines gespeicherten magnetischen Flusses in dem Supraleiter, Eine Erklärung postuliert eine Inhomogenität in der Form eines vielfach gebundenen Systems dünner Elemente mit kritischen Feldtsärkewerten, die über den kritischen Feldstärkewerten des größeren Teils des Materials des Supraleiters liegen. Die hohen Feldstärkwerte dieser miteinander verbundenen, als Mendelssohnscher "Schwamm" bekannten Fäden oder Ketten können durch mechanische Spannungen, ein Gefälle in der Fremdstoffkonzentration oder Fehler im Kristallgitter ver-

ursacht sein. Der Feldspeicherzylinder 27 nach Fig. 2 wird in ein starkes magnetisches Feld eingebracht, das anschließend vermindert wird, so werden die anomalen Bereiche zuerst supraleitend und halten den magnetischen Fluß infolge der unter ihnen bestehenden Verbindungen fest.

Eine zweite Erklärung für das Festhalten des magnetischen

809848/0956

Fltisses wird in analoger Weise durch die Annahme einer Vex'teilung der Übergangstemperaturen gegeben.

Eine dritte Erklärung ist vom Anmelder¹ in dem oben zitierten Artikel aus Nuovo Cimento vorgeschlagen worden» Der Vorgang der Abkühlung eines zylinderförmigen Supraleiters schreitet von der Außenseite hei* fort und leitet, in Verbindung mit der geringen theoretischen Leitfähigkeit der Hauptmasse, den Übergang zur Supraleitung an der Außenseite des Zylinders ein. Anschließend daran bilden sich Vielfachverbindungen des Supraleiters, dies verhindert, daß magnetischer Fluß aus den inneren normalleitenden makroskopischen Bereichen entweicht, während diese Bereiche auf mikroskopische Größe zusammenschrumpfen»

Eine vierte, ebenfalls vom Anmelder vorgeschlagene Erklärung ist wohl die allgemeinste und zeigt, daß das Auftreten vielfacher Verbindungen bei einem Supraleiter kaum vermieden werden kann. Für jedes magnetische Feld innerhalb des kritischen Feldwertes für eine vorgegebene Temperatur des Kühlbades tritt der Supraleiter in ein Zwischenstadium ein (infolge des Gradienten des magnetischen für den Typ I oder den gemischten Zustand für den Typ II, beim Anstieg der kritischen Feldstärkewerte bei Supraleitung vom Werte null bei der Übergangstemperatur T , bis zu ihren Endwerten, bei der Temperatur des Kühlbades„ Langsame und gleichförmige Abkühlung stellt ein nahezu einwandfreies thermodynamisches Gleichgewicht sicher, was ein nahezu gleichförmiges Gitter

809848/0956

aus normalleitenden Bezirken ergibt, die den festgehaltenen magnetischen Fluß innerhalb eines Netzes vielfach miteinander verbundener supraleitender Bezirke enthalten. In ähnlicher Weise müssen Supraleiter vom Typ II das gemischte Stadium durchlaufen, wenn ein Supraleiter unterhalb der kritischen Temperatur T in einem Feld oberhalb der kritisehen magnetischen Feldstärke gehalten wird, während Supraleiter vom Typ I das Zwischenstadium durchlaufen. In beiden Fällen findet eine Speicherung des Flusses statt, weil der Supraleiter Vielfachbindungen aufweist.

Die Wicklungsbaugruppe 44- nach FIg₀ 2 kann entweder supraleitende oder normalleitende Wicklungen aufweisen. Derartige Wicklungen können ein Feldmuster hoher Stärke entwickeln, weil sie impulsförmig mit stark überhöhtem Strom gespeist werden können, im Vergleich zu dem Strom, den sie sonst im stationären Zustand führen wurden. Die Wicklung im Läufer wird durch einen Strom flüssigen Heliums gekühlt und weist demzufpge selbst für den Fall der normalen Leitfähigkeit einen sehr hohen Wert an Leitfähigkeit auf. Daher kann eine Wicklung von normaler Leitfähigkeit verwendet werden, um ein Feldmuster von der 10- bis 20-fachen Stärke eines üblicherweise bei einem stationären Feld anzutreffenden Wertes bei gleicher Wicklungsgröße zu entwickeln. Somit ist das von dem Feldspeicherzylinder 27 festgehaltene Feld wesentlich stärker als die bislang zur Verfügung stehenden Felder_e

Nun werden Aufbau und Wirkungsweise der Ausführungsform

809848/0958

nach Fig. 4 beschriebene Fig. 4 veranschaulicht in einer Stirnansicht in Schnittdarstellung den Läufer und den Ständer eines großen supraleitenden Wechselstromgenerators. Das Feldmuster wird erzeugt durch irapulsförmige Speisung ausgewählter Windungen im Ständer 8. Das magnetische Feld wird in einem Feldspeicherzylinder 74 gespeichert.

Nach Fig. 4 schließt der Läufer einen elektromagnetischen Schirm 18 ein, sowie einen Wärraestrahlungsschirm 20 und ein Schubrohr 25, die mit den oben beschriebenen Bestandteilen vergleichbare Funktionen wie erläutert ausüben. Der Läufer schließt den zum Speichern des magnetischen Feldes ausgelegten Feldspeicherzylinder 74 ein. Er weist eine Vielzahl abwechselnd angeordneter Schichten 76 aus supraleitendem Material und Schichten 78 aus thermisch und elektrisch gut leitendem Material auf. Alle Schichten sind zueinander konzentrisch und von zylindrischer Form. Wenn ein Feld in dem Feldspeicher zylinder 74 festgehalten wird,· so bildet dieses Feld einen magnetischen Kreis mit der Standerwicklung 8 des Generators.

Die supraleitenden zylinderförmigen Schichten 76 nach Fig.

werden aus einem Material vom Typ II hergestellt und bei der bevorzugten Ausführungsform aus einem in der obigen Tabelle I aufgeführten Werkstoff. Jede Schicht des supraleitenden Materials wird durch ein Gitter von Spalten in eine Vielzahl von Elementen 80 unterteilt. Wie oben beschrieben, wird die Größe und Form der Elemente festgelegt durch eine Optimierung zwischen der maximalen Stromdichte und der Dauer des Feldes.

809848/0956

Durch Wärmeleitung werden die Schichten 76 aus supraleitendem Material gekühlt, ebenso durch die thermisch leitenden zylinderförmigen Schichten 78. Ihrerseits werden diese letzteren Schichten durch einen Strom flüssigen Heliums durch den Läufer gekühlt. Die Elemente 80 aus supraleitendem Material sind durch schmale Stege 82 thermisch leitenden Materials voneinander getrennt. Die Stege 82 verbinden die Schichten 78 aus thermisch leitendem Material miteinander. Diese Stege 82 stützen auch den ^'eldspeicherzylinder 74 ab und schaffen ein Medium für die Wärmeableitung für die in den supraleitenden Elementen 80 erzeugte Wärme.

Nach der Ausführungsform gemäß Fig. 4· wird das magnetische Feldmuster dadurch erzeugt, daß ausgewählte Windungen im Ständer der Maschine gespeist werden. Bei der bevorzugten Ausführungsform wird das Feldmuster dadurch erzeugt, daß die Windungen im Ständer 8 impulsförmig gespeist werden. Um ein vierpoliges magnetisches Feld im Läufer festzuhalten, werden vier gegenüberliegende '^eilwicklungen 85 im Ständer impulsförmig durch einen Ständerwicklungs-Irapulsgenerator gespeist.

Wie bereits oben beschrieben, wird ein magnetisches Feld in dem Feldspeicherzylinder 74 nach Fig. M- festgehalten, indem die Ständerteilwicklungen 85 dann gespeist werden, wenn der Supraleiter sich außerhalb seiner kritischen Temperatur befindet und normal leitend ist. Daran anschließend wird der Supraleiter bis unter seine Übergangstemperatur abgekühlt, während er in dem Feldmuster verbleibt. Wenn die

809848/0966

Ubergangstemperatur unterschritten worden ist, so wird der Ständerwicklungs-Impulsgenerator 84- abgeschaltet, und das magnetische Feld bleibt in dem Feldspeicherzylinder 74- gespeichert ο

Im Rahmen der Erfindung wird in Betracht gezogen, ein magnetisches Feld bei rotierendem Läufer zu speichern. Der Ständerwicklungs- Impulsgenerator 84 ist mit einer Vielzahl von Windungen verbunden und wird derart taktgesteuert, daß eine Synchronisation des umlaufenden Feldes mit der Winkelgeschwindigkeit des Läufers hergestellt wird. Dadurch rotiert das erzeugende Feldmuster mit derselben Geschwindigkeit wie der Läufer, und ein magnetisches Feld wird in dem Supraleiter in der oben beschriebenen Weise festgehalten oder gespeichert.

Es ist festzustellen, daß, wenn sich die Wicklung zur Erzeugung des Feldmusters innerhalb des Ständers einer elektrischen Maschine befindet, der Läufer selbst keine zu ihm selbst führenden elektrischen Verbindungen mehr benötigt. Bislang war es schwierig gewesen, derartige elektrische Verbindungen zu kühlen. Außerdem haben supraleitende Läuferwicklungen komplizierte und kostspielige Schleifringe erforderlich gemacht, die nun bei der Ausführungsform nach Fig. 4-nicht mehr notwendig sind.

Nunmehr wird Aufbau und Arbeitsweise der Ausführungsform nach Fig. 9 beschrieben. Diese Ausführung ist für die Speicherung eines magnetischen Feldes in der Entfernung von oder außerhalb derjenigen elektrischen Maschine ausgelegt,

809848/0956

wo dieses Feld eingesetzt wez-den soll. Insbesondere stellt' hier der Feldspeicherzylinder 88 entweder einen Ständer oder einen Läufer dar und umfaßt eine Vielzahl abwechselnd angeordneter Schichten 90 aus supraleitendem Material und Schichten 91 aus thermisch gut leitendem Material. Diese Schichten haben eine zylindrische Form und wechseln einander in der oben beschriebenen Weise ab. Die Schichten bilden eine hohle, zylinderförmige, vielfach geschichtete Schale von leichtem Gewicht für Anwendungsfälle kurzer Betriebsdauer und hoher Energie. Die Schichten 90 aus supraleitendem Werkstoff sind nicht durch ein Netz von Spalten in einzelne Elemente unterteilt, weil diese Baugruppen nur für den kurzzeitigen Einsatz ausgelegt sind, und in diesen kurzen Zeiträumen die Verluste infolge zeitlich veränderlicher Wirbelströme unbedeutend sind» Vor dem Betrieb und während der Speicherung des Feldes wird der Feldspeicherzylinder 88 in einem Dewar-Gefäß 95 gelagert, das mit flüssigem Helium gefüllt ist. Das Dewar-Gefäß 93 ist von einer Vielzahl von Magneten 94- umgeben, die in der bevorzugten Ausführungsform ein sechspoliges magnetisches Feld (Polpaarzahl drei) erzeugen,,

In einem Anwendungsfall wird der Feldspeicherzylinder 88 in der Gestalt einer hohlen Schale nach Figo 9 als Läufer in einem Generator dazu verwendet, einen Hochenergie-Laser in einem Luftfahrzeug zu betreiben. Vor dem Einsatz wird ein magnetisches Feld in dem Zylinder gespeichert, und dann wird dieser Zylinder bei Tiefsttemperatur gelagert. Wird der Läufer benötigt, so wird er dem Dewar-Gefäß 93 ent-

809848/0956

nommen und in die Maschine eingesetzte Aus der obigen Tabelle I ist zu entnehmen, daß Supraleiter mit einer Beta-Wolframstruktur, vom Typ A-15, verhältnismäßig hohe kritische Temperaturen aufweisen, so daß die Überführung vom Dewar-Gefäß 93 zum Generator einfacher ausführbar ist als bei einem herkömmlichen Supraleiter.

In dem Feldspeicherzylinder 88 nach Fig. 9 kann durch Einsatz des oben in Verbindung mit Figo 1 bis Figo 3 beschriebenen Verfahrens ein magnetisches Feld gespeichert werden. Außerdem kann das magnetische Feld unter Einsatz des folgenden alternativen Verfahrens festgehalten werden: Der Feldspeicherzylinder 88 wird zuerst in das Dewar-Gefäß 93 eingebracht und dann auf eine Temperatur unterhalb seiner Ubergangstemperatur abgekühlt. Daran anschließend wird durch Inbetriebsetzen der Magnete 94- das äußere magnetische Feld aufgebaut. Das magnetische Feld wird praktisch in den Supraleiter durch Überschreiten der kritischen Feldstärke H₂ eingeprägt. Dann wird das erzeugende Feldmuster wirkungslos gemacht, und das magnetische Feld ist dann im Feldspeicherzylinder 88 festgehalten»

Dieses letztere Verfahren steht insofern im Gegensatz zu dem oben im Zusammenhang mit Fig. 1 bis Fig. 3 beschriebenen Verfahren, als keine Steuermöglichkeit für die Stärke des im Feldspeicherzylinder zu speichernden Feldes besteht. Nur das Feld höchster Stärke, das den Schirraungsgrenzwert eines Supraleiters übertrifft, wird festgehalten,

809848/0956

Als allgemeiner Gesichtspunkt ist auszuführen, daß die Erfindung die Speicherung eines Magnetfeldes in einer supraleitenden Schale betrifft, die sowohl in Generatoren als auch in Motoren eingesetzt werden kann. Wenn auch in ihren Funktionen gänzlich verschieden, so sind Generatoren und Elektromotoren im wesentlichen dieselben, in zueinander umgekehrten Betriebsarten arbeitenden Maschinen,, Ein Generator setzt bekanntermaßen mechanische Energie in elektrische Energie um, und wenn dieser Vorgang umgekehrt wird, arbeitet der Generator als Motor.

Es ist festzustellen, daß das magnetische Feld in einem Generator keine Arbeit leisten soll. Das magnetische Feld des Läufers leistet insofern keine Arbeit, als es nur vernachlässigbar kleine zeitliche Änderungen dieses Feldes gibt« Bei einem Generator oder Motor dient ein magnetisches Feld nur als Mittel oder Vehikel zur Umwandlung zur Umwandlung mechanischer Energie in elektrische Energie oder umgekehrt. Die Aufgabe des magnetischen Feldes liegt in der Einkopplung der mechanischen Energie in die Elektronen in der Hauptwicklung oder umgekehrte

Die folgende Gleichung demonstriert, daß das (im zeitlichen Sinne) statische magnetische Feld keine Arbeit leistet,

s
weil die Verschiebung7der elektrischen Ladung £ stets um

90 phasenverschoben zur magnetischen ^eldkraft F ist: F«ds - J(qvxB). (v-dt) » 0. Zur Verminderung der allgemeinen Verwechslungsmöglichkeit

809848/0956

zwischen elektrischen Motoren und Generatoren rait den darin befindlichen Wicklungen soll der Ausdruck "Ständer", wie er hier gebraucht wird, eine beliebige feststehende Wicklung in einer Maschine betreffen, und der Begriff "Läufer" bezieht sich auf den rotierenden Teil der Maschine. Der Begriff "Hauptwicklung" (armature, armature coil) bezieht sich auf diejenige Wicklung einer elektrischen Wechselstrommaschine, die den Hauptanteil des Wechselstroms führt. Daher kann ein Feldspeicherzylinder zum Festhalten eines magnetischen Feldes entweder in den Ständer oder in den Läufer einer elektrischen Maschine einbezogen sein. Außerdem kann ein magnetisches ^'eldmuster durch eine im Läufer, wie nach Figo 2 beschriebene Wicklung zur Erzeugung des Feldmusters oder im Ständer, wie in Fig. 4- veranschaulicht, erzeugt werden. Es ist festzustellen, daß nach Fig, 4 sich die Hauptwicklung (armature winding) im Ständer befindet.

Wenn ferner der Supraleiter ein magnetisches Feld in dem Feldspeicherzylinder festhält, so bildet dieser Zylinder einen magnetischen Kreis mit der Hauptwicklung. Die Hauptwicklung kann in bezug auf den Feldspeicherzylinder rotie-

rend sein, und der Feldspeicherzylinder kann sich innerhalb oder um die Hauptwicklung herum angeordnet befinden. Außerdem kann der Feldspeicherzylinder in bezug auf die Hauptwicklung rotieren, und die Hauptwicklung kann sich innerhalb des Feldspeicherzylinders oder um diesen herum an der Außenseite desselben, befinden.

809848/0956

Es ist ebenfalls festzustellen, daß jedes der oben beschriebenen Verfahren zur Speicherung eines magnetischen Feldes entweder in einem elektrischen Generator oder in einem elektrischen Motor verwendet werden kann. Bei dem in Verbindung mit Fig„ 1 bis Fig„ 3 beschriebenen Verfahren kann die Stärke des in einem Supraleiter festgehaltenen magnetischen Feldes durch Einstellung der Stärke des erzeugenden Feldmusters vorbestimmt werden,, Jedoch das in Verbindung mit Figo 9 beschriebene Verfahren gestattet, daß ein magnetisches Feld in einem Supraleiter festgehalten wirdj ohne daß dieser bis zum Eintritt seiner normalen Leitfähigkeit aufgeheizt werden muß, sofern dieser Supraleiter bereits gekühlt worden war.

Es ist auch festzustellen, daß die Leistungsdichte eines Generators oder Motors dem Quadrat der mittleren Flußdichte (B) an der Hauptwicklung proportional ist. Bei der Verwendung eines Supraleiters mit der Beta-Wolframstruktur, vom Typ A-15, kann ein viel stärkeres Feld als bislang bei vorbekannten supraleitenden Wicklungen möglich erzeugt werden. Die Werkstoffe zur Herstellung dieser vorbekannten Wicklungen weisen nicht eine so hohe kritische Feldstärke wie der Supraleiter vom Typ A-15 auf. Außerdem, wie durch die kritischen Temperaturen in der obigen Tabelle I belegt, gestatten die Supraleiter vom Typ A-15 den Betrieb einer supraleitenden elektrischen Maschine bei viel höheren Temperaturen,, Demzufolge bedeutet der Betrieb bei höheren Temperaturen, daß weniger Energie zur Kühlung des Supra-

809848/0958

leiters benötigt wird₀

Unter Bezugnahme auf Fig« 5 bis 8 wird ersichtlich, daß die in einem einzelnen Zylinder 70 aus supraleitendem Material induzierte Stromverteilung gleichbleibend dieselbe ist, ganz gleich, ob der Zylinder einstückig oder mit einer Anordnung von Spalten unterteilt ist. Figo 5 und 6 veranschaulichen die Verteilung des induzierten Stromes, wenn der Zylinder nicht durch eine Anordnung von Spalten unterteilt ist, und Fig. 7 und 8 veranschaulichen einen supraleitenden Zylinder, wenn dieser durch ein Netz von Spalten in vier Elemente 34' unterteilt ist. Wo der Zylinder an seiner Längsachse entlang, bei 72 in Fig« 7, unterteilt ist, verläuft die Erstreckungsbene des Spaltes senkrecht zum Feld, und die Verteilung des induzierten Stromes bleibt ganz genau dieselbe, mit oder ohne Spalte Dies ist damit begründet, daß im nicht geschlitzten Zylinder nach Fig. 5 keine Stromkoraponente die Erstreckungsebene des Spaltes bei 72 durchsetzt. Verlaufen die Erstreckungsebenen der Spalte 75» 74- nach Fig„ 8 parallel zum Feld, so beeinflußt das Vorhandensein der Spalte die Stromverteilung, wie Fig„ zeigt. Die Spalte 73> "74- teilen die Stromverteilung in vier Bereiche. Doch ist das Dipolmoment der beiden Ströme, auf jeder Seite eines jeden Spaltes viel kleiner als das Dipolmoment der Ströme an den Außenseiten des Zylinders, wie es in Fig. 6 gezeigt wird, und zwar ungefähr um das Verhältnis der Spaltbreite zum Durchmesser des Zylinders, Davon ausgehend ist für Abstände vom Spalt, die größer als die

809848/0956

Spaltbreite sind, das remanente Feld inner- oder außerhalb des Zylinders von den außenseitigen Strömen bestimmt und es ist daher in guter Annäherung ein Dipolfeld. Solange wie eine ausreichende kritische Stromdichte zur Erzeugung einer Flußspeicherung vorhanden ist, d.ho ein bedeutendes remanentes Feld, so kann eine Unterteilung des Zylinders ausgeführt werden, und es kann ein Dipolfeld aufrechterhalten werden unter der Voraussetzung, daß die Spaltbreite enger wird, wenn die Anzahl der Elemente 54·' erhöht wird.

Die Klemmenspannung V^ eines Wechselstromgenerators ist durch die folgende Gleichung gegeben:

V_T = (lRtan0-IX)sin£- IR/cosö+ [V²-(IX-IRtan0)² _cos²eJ

darin: θ Winkel des Leistungsfaktors

I der Strom in der ^auptwicklung (Ständer),

R der Ständerwicklungswiderstand, X die synchrone Reaktanz, V= -N d^/dt die erzeugte Spannung (EMK) φ magnetischer Fluß N die Ständerwindungszahl,

Das Ersatzschaltbild für den stationären Betriebszustand des Wechselstromgenerators ist in Figo 10 veranschaulicht, und das Spannungszeigerdiagramm nach der obigen Gleichung ist in Fig. 11 dargestellt.

Der supraleitende ^x'eldspeicherzylinder, der hier beschrieben wurde, hält im wesentlichen ein Feld von konstantem magnetischen Fluß aufrecht. Es folgt aus der obigen Gleichung,

809848/0956

daß bei konstantem magnetischem Fluß die Klemmenspannung Vm fällt, wenn der Ausgangsstrom I zunimmt_β Diese änderung der Klemmenspannung macht keinen Unterschied, wenn der das Feld speichernde Supraleiter in einem Generator verwendet wird, der elektrischen Strom erzeugt, der schließlich und endlich in Gleichstrom umgewandelt wird. In solchen Anwendungsfällen, wo eine konstante Spannung erforderlich ist, kann die Frequenz des Ausgangsstroms zur Kompensation von Laständerungseinflüssen variiert werden»

Beim Einsatz in Generatoren, wo eine konstante Klemmenspannung in Gegenwart von Laständerungen von kritischer Bedeutung ist, kann die Reaktanz der Hauptwicklung durch eine Änderung der Ständerpermeabilität und/oder der Wicklungsdichte verändert werden« Es gibt viele Anwendungen für elektrische Generatoren oder Motoren, wo die Last konstant bleibt, und keine Feldänderung notwendig ist, um eine konstante Ausgangsklemmenspannung aufrechtzuerhalten.

Wenn also mit den obigen Erläuterungen die als am besten geeignet angesehenen Aueführungsformen der Erfindung gezeigt und beschrieben worden sind, so ist es doch selbstverständlich, daß vom Fachmann Änderungen und Abwandlungen vorgenommen werden können, ohne sich dabei vom Erfindungsgegenstand zu entfernen_e

809848/0956

Claims

PATENTANWÄLTE

R. SPLANEMANN dr. B. REITZNER J. RICHTER F. WERDERMANN

DIPL.-ING. DIPL.-CHEM. DIPL.-INli. DIIM .-INU.

MÜNCHEN HAMUUMG

% 3, 5.73

ZOOO HAMBURG 36

Electric Power Research Institute neuer wall _to Hillview Avenue ^TEL1O4<"^^

Palo Alto, Kalif. ,V.StoA. TELEaRAMME:

INVENFIUS HAMBUH6

UNSEHEAKTE: E 78 229 DH

IHR ZEICHEN:

Patentanspruch e

/ 1. j Einrichtung zur Erzeugung eines magnetischen Feldes Ttn einer supraleitenden, rotierenden elektrischen Maschine, dadurch gekennzeichnet, daß sie

(a) einen Feldspeicherzylinder (27; 74; 88) aus supraleitendem Material für das Festhalten eines magnetischen ^eldes in demselben umfaßt, das mit einer Ständerwicklung (8) der elektrischen Maschine einen magnetischen Kreis bildet,

(b) sowie eine Wicklung (44; 85; 94) zur Erzeugung eines magnetischen Feldrausters in dem Feldspeicherzylinder (27; 74; 88), und

(c) eine Kühlvorrichtung (58-60,62-56) für den Feldspeicherzylinder, derart daß von dem erzeugenden Feldmuster ein magnetisches *ⁿeld in dem Feldspeicherzylinder (27; 74·; 88) festgehalten werden kann.

809848/09 5 8

Konltn: Deutsche Bank AG, Hamburg, Konto-Nr. 6/1OO55 (BLZ 20070000) ■ Postscheckamt Hamburg, Konto-Nr. 2620 80-201 (BLZ 20010020)

ORIGINAL INSPECTED

" ² '" 2 B 2 2 Λ 2 1
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Feldspeicherzylinder (27; 74·; 88) abwechselnd angeordnete Schichten (29; 76; 90) aus supraleitend era Material und Schichten (31» 78; 91) aus thermisch leitendem Material einschließt, und daß jede Schicht (29,51; 76, ?8; 90, 91) des ^eldspeicherzylinders (27; 74-; 88) zu den anderen konzentrisch angeordnet und von zylindrischer Form ist.
3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die supraleitenden zylinderförmigen Schichten (29; 76) für die Kühlung durch flüssiges Helium ausgelegt sind, das innerhalb der thermisch leitenden zylindrischen Schichten (51 j 78) fließt.
4-, Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zylinderförmigen Schichten aus thermisch leitendem Material (31) eine Vielzahl von Heizelementen (38) zum Aufheizen der supraleitenden Schichten (29) bis zum normalleitenden Zustand einschließen.
5. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zylinderförmigen Schichten (78) aus thermisch leitendem Material durch die zylinderförmigen Schichten (76) aus supraleitendem Material hindurch durch eine Vielzahl schmaler Stege (82) thermisch leitenden Materials miteinander verbunden sind.
6. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

809848/0956

daß die supraleitende, zylinderförmige Schicht (31, 7&) derart unterteilt ist, daß die vom Ständer (8) darin induzierten elektrischen Ströme vermindert werden.
7. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

(44)

daß sich die Wicklung'zur Urzeugung des Feldmusters innerhalb des Läufers (6) der elektrischen Waschine befindet und mit diesem umläuft, und daß ein Lauferfeld-Impulsgenerator (5^0 zur Erregung der Wicklung (44) für das Feldmuster innerhalb des Läufers (6) vorgesehen ist, zur Erzeugung eines magnetischen Feldmusters in dem Feldspeicherzylinder (27).
8. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,, daß sich die Wicklung für das Feldmuster innerhalb des Ständers (8) der elektrischen Maschine befindet und für die Erzeugung eines magnetischen Feldmusters in dem Feldspeicherzylinder (?4) ausgelegt ist.
9. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklung für das Feldmuster die Ständerwicklung (85) der elektrischen Maschine ist, und daß die Einrichtung einen Ständerwicklungs-Impulsgenerator (84) einschließt, derart, daß ein magnetisches Feldmuster in dem Feldspeicher zylinder (7^·) erzeugt wird,,
10. Verfahren zum Festhalten eines magnetischen Feldes

in einer elektrischen Maschine, dadurch gekennzeichnet, daß es die folgenden Schritte umfaßt:

809848/0956

(a) die Erzeugung eines vielpoligen magnetischen Feldmusters in einem supraleitenden Feldspeicherzylinder (27; 74-; 88) in einer elektrischen Maschine, wobei dieser sich in der elektrischen Maschine befindende Feldspeicherzylinder (27 i 74·i 88) eine Temperatur oberhalb seiner Übergangstemperatur aufweist,

(b) die anschließende Abkühlung des supraleitenden Feldspeicherzylinders (27 J 74-j 88) in dem Feldmuster auf eine Temperatur unterhalb seiner Übergangstemperatur,

(c) die darauffolgende Entfernung des vielpoligen Feldmusters von der elektrischen Maschine, wobei ein magnetisches Feld in dem supraleitenden Feldspeicherzylinder (27; 74-i 88) gespeichert bleibt, und

(d) die Versetzung des Feldspeicherzylinders (27; 7^; 88) mit seinem gespeicherten Feld in Drehung in bezug auf eine Ständerwicklung (8) der elektrischen Maschine, derart, daß elektrische Energie erzeugt wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10, zum Festhalten eines magnetischen Feldes in einer elektrischen Maschine, dadurch gekennzeichnet, daß es die folgenden Schritte umfaßt;

(a) die Abkühlung des supraleitenden Feldspeicherzylinders (88) auf eine Temperatur unterhalb seiner Übergangstemperatur,

809848/0956

(b) dio darauffolgende Urzeugung eines vielpoligen magnetischen Feldrausters in dem supraleitenden Feldspeicherzylinder (88) ,

(c) das Einprägen des magnetischen Feldes in den supraleitenden Feldspeicherzylinder (88) durch Überschreitung seiner kritischen Feldstärke (H ₂),

(d) die anschließende Entfernung des vielpoligeri Feldmusters, derart, daß ein magnetisches Feld in dem supraleitenden Feldspeicherzylinder (88) zurückbleibt, und

(e) eine relative Drehbewegung des Feldspeicherzylinders (88) mit dem festgehaltenen magnetischen Feld in bezug auf eine Ständerwicklung in der elektrischen Maschine, derart, daß dadurch elektrische Energie erzeugt wird₀

809848/0956