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SUPRALEITENDES MAGNETISCHES SYSTEK
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Die Erfindung betrifft magnetische Systeme, insbesondere supraleitende
magnetische Systeme.
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Die Erfindung kann mit Erfolg in verschi@ @@@@@@ industriezweigen
und bei wissen@chaftlichen Experim@@@@@, beispielsweise im Verkehrswesen für magnetschwebende
Fahrzeuge , in der Energiewirtschaft für induktive Energiespeicher, in der Kernphysik
für Einrichtungen zur Plasmafesthaltung mittels eines Magnetfeldes und dergl. verwendet
werden.
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Die zur Zeit bekannten supraleiten@@@ mag@@@@@@@@@n Systeme umfassen
als Hauptbaugruppen im allgem@@@@@ @@@en Kryostat, ein Kühlsystem, eine Spule mit
unterteilter Wicklung und eine Einrichtung zur Energieherausführung, die zum Schutz
des magnetischen Systems bei @nt@tehung von normalleitenden Zonen im Supraleiter
der Spalenabschnitte dient. Die Konfiguration (geometrische Form), die Abmessungen
dieser Teilspulen und ihre gegenseitige
Anordnung hängen von der
Bestimmung des magnetischen Systems ab. Solche mit Supraleitern ausgestatteten Systeme
stellen teuere Anlagen dar, und deswegen ist deren Erhaltung ohne Gefahr der Zerstörung
bei einem Zusa enbruc-h der Supraleitung überaus wichtig. Unter Zusammenbruch der
Supraleitung wird hierbei die Entstehung einer normalleitenden Zene im Supraleiter
der Spulenabschnitte verstanden.
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In der fruhesten Periode der Entwicklung von Bauformen supraleitender
magnetischer Systeme, als die Grundlagen der Stabilisierung von Supraleitern, die
Technologie ihrer Herstellung, die Aufbauprinzipien von Kryostaten und Kühlsyste@en
noch ungenügend erkannt wurden, bemühten sich die En@wicklungsingenieure hauptsächlich
um die Vorbeugung gegen durch Fluktuationserscheinungen hervorgerufone Bildung von
@@@malleitenden Zonen, die sogenannten Degradjtion von Supraleitern.
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In einer Ausführung des supraleitenden magnetischen Systems (s. z.
B. US -PS Nr. 3363207) werden die Wicklungsl@g n der suproleitenden Spule in einer
Entfernung voneinander mit Hilfe von Abstandselementen gehalten, die aus einem elektrisch
leitenden Werkstoff mit niedrigem elektrischem Widerstand hergestellt sind und als
Schirme wirken. Diese ochirme bilden Kurzschlußwindungen, wobei die beiden Außenflächen
jedes Schirmes Schichten aus porösem Isolierstoff tragen und die Schirme mit Kanälen
zum Durchgang des Kälte trägers versehen sind.
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Bei dieser Ausführung des supraleitenden m@gnetischen Systems wird
eine Erhöhung seiner Betriebsstabilisat durch elektrodynamische Stabilisierung (Kurzschlußwindungen)
sowie durch verbesserte kryostatische Stabilisierung (Vergrö-Berung der Kühlfläch
durch Benutzung von Kanälen) erreicht.
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Eine Erhöhung der Betriebsstabilitat durch B@ @@igung von magnetflußsprüngen
ergibt sich in ein m@supraleitenden magnetischen System (s. z. B. FR-PS 2017395)
bei dem in d@n Abschnisten des zu einor Spule gewickelten Bandes, in denen die @agn
@flußkomponenten senkrecht zur supraleitenden Oberfläche dieses Bandes g@richtet
sind, Eiseneinsatze verwendet werden, die eine starke magnetisierung bewirken.
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In einem supraleisenden magnetischen System (vgl.
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z. B. FR-PS Nr. 2026570) , das inen Kryostat, ein Kühlungssystem und
eine supraleitende Spule enthält, wird diese Spule durch Zwangumlauf des K@lteträgers
gekühlt, wobei die kryostatische Stabilisier@ng der supraleitenden Spule infolge
einer Vergrößerung des w@rmeaustauschkoeffizient. n v@rbessert wird.
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Bekannt sind supraleitende magnetische Systeme, in denen verschiedene
Elemente zum Bandagieren benutzt @erden, um di Degradation der Supraleitungseigenschaften
zu verhindern und die Wahrscheinlichkeit der Entstehung von normalleitenden Zonen
kleiner zu halten.
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Mit der weiteren Entwicklung von Bauformen supraleitender
magnetischer
Systeme wurde deswegen die Entstehung einer normalleitenden Zone im Supraleiter
als eine irreversible Erscheinung angesehen, die notwendigerweise zur Einstellung
des Betriebs des betreffenden Systems führt.
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Bekanntlich nuß bei Auberbetriebsetzung eines solchen Systems die
im magnetischen Feld des Systems gespeicherte Energie herausgeführt werden. Hierbei
besteht das Problem darin, das supraleitende magnetische System bei Energieherausführung
nicht zu beschädigen. In dieser Hinsicht gibt es auch verschiedene Ausführungsvarianten
von supraleitenden magnetischen Systemen. So ist z. B. ein supraleitendes magnetisches
System bekannt (s. z. B. FR-PS 2181218), in dem eine Schutzeinrichtung mit einer
aus supraleitendem Werkstoff hergestellten Spule vorgesehen ist, die mit der supraleitenden
Spule des magnetischen Systems induktiv gekoppelt ist. Bei der Bildung einer normolleitenden
Zone in der supraleitenden Spule des magnetischen Systems wird die Spuld der Schutzeinrichtung
einge@@@@ltet, wobei das von dieser Spule erzeugte Magnetfeld die sapraleitende
Spule des magnetischen Systems in den normalen (nicht supraleitenden) Zustand überführt.
Dadurch kinn das Durchbrennen des Supraleiters des magnetischen Systems an der Stelle
der anfänglich erschienenen Normalzone verhindert werden.
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Die meisten Varianten solcher Lösungen bezwecken aber die Herausführung
der im supraleitenden magnetischen
System gespeicherten Energie
in ein Außenmedium (T #300 K), wobei die horausgeführte Energie dem elektrischen
@ tz z. B. mit Hilfe eines Inverters zugeleitet w@rden kann oder als Wärmeenergie
in einem außen liegenden Notstromnebenschluß zerstreut wird, der z. B. als gekühlter
Widerstand ausgeführt werden kann.
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In einem bekannten supraleitenden m@gnetischen System (vgl. 45-14999)
sind die einzelnen Abschnitte einer sucra itenden Spule bei störungsfreiem Betrieb
des Systems mi@einander und mit einer Speisequelle in Reihe geschaltet, wahrend
beim Erscheinen einer normalleitenden Zone im Supraleiter eines beliebigen Spulenabschnitts
an diese Teilspulen ein außerhalb des Systems liegender Notstromnebenschluß angeschlossen
wird und die Speisequelle abgeschaltet wird.
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Viel einfacher ist ein supraleitendes magnetisches system (s. z.
B. DT-PS 1439487, aufgebaut, in dem die Spulenabschnitte der supraleitenden Spule
mit Nebenschlüssen aus normalleitendem Metall versehen sind, dessen spezifischer
Widerstand größer als der Widerstand der Stabilisierungsunterlage des Supraleiters
ist. Diese Anlage ist auch mit einer Einrichtung zur Energieherausführung ausgestattet,
die einen außen liegenden Notstromnebenschluß anschaltet und einen aus schalter
der Speisequelle dieses supraleitenden matanetischen
Systems betätigt.
Die Einrichtung zur Energieherausführung s@richt auf ein Signal an, das von einer
Sch@ltung zum Erk@nnen einer normalleitenden Zone gegeben wird. Bei diese@ Aufbau
des Systems werden gleichzeitig die Energieherausf@hrung und die überbrückung des
Supraleiters bei der @nergich@rausführung gewahrleistet, wobei die Erwärmung des
Supr@leiters h@rabgesetzt wird.
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Von den erwahnten Syste@en kann aber keine Ausführung den weiteren
Betrieb des supraleitenden magnetischen Systems nach der Entstchung einer normalleitenden
Zone gewahrl@iste@, obwokl der Bedarf an solchen supraleitenden magnetischen Systemen
zur Zeit groß ist.
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Die Fort@@ tzung des Betrie@s eines supraleitenden m@@@@t@@chen Systems
und die Aufrechterhaltun@ @@i@er Ausgangsparameter auf dem vorgegebenen Niveau sind
z. B. erf@rderlich, wenn das magnetische System selbst als ein Teil gr@@@rer Anlagen
z. B. solcher zur Plasmafesthaltung mittels eines Magnetfeldes benutzt wird.
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Bei einem supraleitenden magnetischen System mit einer in einzelne
Abschnitte unterteilten Spule weist jeder Spule@abschnitt einen mit ihm in Reihe
liegenden Ausschalter und einen mit ihm und mit dem Ausschalter parallelliegenden
gesteuerten Nebenschluß aus supraleitendem Werkstoff sowie eine Einrichtung zur
Normalzonenerkennung auf, wobei die supraleitende Spule mit einer Einrichtung zur
Energieherausführung
induktiv gekoppelt ist (vgl. den sowjeuischen
Urheberschein 570283) In diesem supraleitenden magnetischen system ist infolie der
Anwendung eines in jeder Teilspule in Reihe liegenden Ausschalters und eines Nebenschlusses
aus supraleitenden Werkstoff die Abschaltung des Spulenabschnitts möglich, in dem
eine normalleitende Zone entstanden ist, wobei die elektrische Verbindung zwischen
den übrigen Spulenabschnitten und der Speise quelle nicht unterbrochen wird und
die Möglichkeit gegeben ist, die Stelle des abgeschalteten Spulenabschnitts mit
größerer Wärmeentwicklung zu lokalisieren.
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Die in dem beschriebenen System angewandte Einrichtung zur Energieherausführung
weist einen Magnetleiter auf, der eine starke magnetische Kopplung dieser Einrichtung
mit Jedem beliebigen Spulenabschnitt sowie die gleichzeitige Steuerung des Zustands
der aus supraleitendem Werkstoff hergestellten und in den Spalten der Magnetleiterzweige
eingebauten Nebenschlüsse ermöglicht. Die Benutzung des Magnetleiters in der Einrichtung
zur Energieherausführung begrenzt aber das Anwendungsgebiet dieses supraleitenden
magnetischen Systems da bei Sättigung, die für die eisen herkömmlichen ferromagnetischen
Werkstoffe bei einer magnetischen Induktion von etwa 2T in diesen wierkstoffen eintritt
(zur Zeit gibt es ferromagnetische Werkstoffe, bei denen das Sättigungsgebiet bei
tiefen Temperaturen bei 4T
liegt, deren Herstellung aber kompliziert
ist, während die Induktion der von den supraleitenden magnetischen Systemen erzeugten
Felder meistens 6T und mehr erreicht), die magnetisch Kopplung der Spulenabschnitte
mit der Einrichtung zur Energieherausführung schlechter wird, die außer dem Magnetleiter
noch eine supraleitende Schutzspule, Stromeinführungen und einen äußeren Nebenschluß
mit Ausschalter besitzt. Die supraleitende Schutzspule ist ebenso wie die Abschnitte
der supraleitenden Spule des magnetischen Systems auf dem erwähnten Magnetleiter
anbreordnet und über Stromeinführungen und einen Ausschalter mit dem äußeren Notstromnebenschluß
in Serie geschaltet. Beim Betrieb des supraleitenden magnetischen Systems ist der
Stromkreis der Schutzspule offen.
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Bei Entstehung einer normalleitenden Zone in irgendeinem Abschnitt
der supraleitenden Spule wird der betreffendc Spulenabschnitt abgeschaltet und fällt
somit aus, w@ bei der Stromkreis der Schutzspule wiederhergestellt wird.
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Die auf den abgeschalteten Spulenabschrtitt entfallende Energie wird
mit Hilfe der Schutzspule in die Einrichtung zur Energieherausführung übertragen
und im Notstromnebenschluß, teilweise auch im Ausschalter des abgeschalteten Spulenabschnitts
verstreut. Die Energiezerstreuung im Ausschalter wird von einer intensiven Verdampfung
dc3 Eälteträgars im Kryostat des supraleitenden magnetischen Systems
begleitet.
Derselbe Kälteträger wird auch für den Normalbetrieb der in Abschnitte unterteilten
supraleitenden Spule benutzt Mit schwächer werdender magnetischer Kopplung erhöht
sich die Wärmeentwicklung im Ausschalter des abgeschalteten (ausgefallenen) Spulenabschnitts,
wobei dies zur unzulässigen Erhöhung des Kälteträgerdruckes, zum Ausbruch des Kälteträgers
und zur Betriebsunterbrechung im supraleitenden magnetischen System führen kann.
Die Sättagung des Magnetleiters ruft auch einen Abfall der Magnetfeldstärke in den
Spalten der Magnetleiterzweige und die vorzeitige Einstellung des offenen (supraleitenden)
Zustands der aus supraleitendes Werkstoff hergestellten Nebenschlüsse hervor, wobei
dies bei Schwankungen des Magnetfeldes die Ableitung einer Energiemenge in die Speisequelle
oder eine unvorhcrgesehene Stromsteigerung in der unterteilten supraleitenden Spule
zur Folge haben kann, wenn zur Uberbrückung der unterteilten supraleitendon Spule
ein supraleitendes Element benutzt wird.
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Das Vorhandensein von Stromeinführungen in der Einrichtung zur Energieherausführung
kann außerdem den Übergang der Schutzspule in den normalleitenden Zustand verursachen,
und dies führt bei Abschaltung des Spulenabschnitts wiederum zu einer bedeutenden
Wärmeentwicklung im Ausschaltfbr, zur Erhöhung des Kälteträgerdruckes und zum Kälteträgerausbruch.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein supraleitendes
magnetisches
System zu entwickeln, in dem die Ausführung der Einrichtung zur Energieherausführung,
die Werkstoffauswahl für die Bauelemente dieser Einrichtung und ihre gegenseitigo
Anordnung die Betriebssicherheit des sunralentenden magnetischen Systems und seinen
effektiveren Schutz unabhängig von der Stärke des in diesem System er zeigten Magnetfeldes
gewährleisten.
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Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß im supraleitendon magnetischen
System, das eine supraleitende in Ab"':hnitte unterteilte Spule enthält, bei der
Jeder Spulenabschnitt einen mit ihm in Reihe liegenden Ausschalter und einen zu
dem Spulenabschnitt und dem Ausschalter parallelgeschalteten 0-esteuerten Nebenschluß
aus supraleitendem Werkstoff sowie eine Einrichtung zum Erkennen normalleitender
Zone aufweist und mit einer Einrichtung zur Änergieherausfüh rung induktiv gekoppelt
ist, die Einrichtung zur Energieherausführung(erfindungsgemäß)mit einem wärmeisolierten
und bis zu tiefen Temperaturen gekühlten Hohlraum versehen @ mindestens eine in
diesem Hohlraum angtordnete Spule aus normalleitendem Metall mit einer Brücke aus
supraleitendem Werkstoff aufweist, die gemeinsam einen geschlossenen elektrischen
Kreis bilden, wobei die Ausschalter in diesem wärmeisolierten, bis zu den tiefen
Tempera~ turen gekühlten Hohlraum angeordnet sind und jeder gesteuerte Nebenschluß
sowie die Brücke mit Steuerwicklungen
ausgestattet in, die bei
Jedem Nebenschluß mit der entsprechenden Einrichtung zum Erkennen einer normalleitenden
Zone und bei der Brücke mit jeder Einrichtung zum Erkennen einer normalleitenden
Zone elektrisch verbunden sind.
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Der wärmeisolierte und bis zu tiefen Temperaturen gekühlte Hohlraum
ist zweckmäßigerweise so auszuführen, daß er die supraleitende Spule mit unterteilter
Wicklung umfaßt.
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Vorzugsweise ist der wärmeisolierte und bis zu tiefen Temperaturen
gekühlte Hohlraum im Innenraum der supraleitenden Spule mit untertilor Wicklung
anzuordnen, wobei als supraleitender Werkstoff für die Brücke ein Supraleiter zweiter
Art verwendet wird.
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Die elektrische Verbindung der Steuerwicklungen mit den Einrichtungen
zum Erkennen normalleitender Zone kann zweckmäßigerweise über eine Programmsteuereinrichtung
erfolgen.
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Die Anordnung aller Elemente des erfindungsgemäß ausgeführten supraleitenden
magnetischen Systems, in denen die Zerstreuung der in Wärme umgesetzten magnetischen
Energie erfolgt, in einem einheitlichen wärmeisolierten und bis zu tiefen Temperaturen
gekühlten Hohlraum gestattet es, eine Änderung der Kühlbedingungen für die supraleitende
in Abschnitte unterteilte Spule dieses Systems zu verhindern.
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Die Ausführung des geschlossenen elektrischen Kreises,
der
durch eine Spule aus normalleitendem Metall und eine Brücke aus supraleitendem Werkstoff
gebildet wird und keine Verbindung mit der Umgebung hat, vermindert die Ausfallwahrscheinlichkeit
für die Einrichtung zur Energieherausführung und folglich für das ganze erfindungsgemäß
aufgebaute supraleitende magnetische System.
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Das Vorhandensein der Steue.wicklungen an den aus supra leitendem
Werkstoff hergestellten Nebenschlüssen und an der Brücke sowie die elektrische Verbindung
dieser Wicklungen mit den Einrichtungen zum Erkennen normalleitenden Zone ermöglichen
eine breitere Auswahl von Werkstoffen für diese Nebenschlüsse und für die Brücke
und erweitern die siöglichkeit ihrer Steuerung (thermische oder magnetische Steuerung).
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Außerdem ergibt sich die Möglichkeit, einzelne Elemente des erfindungsgemäßen
supraleitenden magnetischen Systems der in erforderlichen zeitlicher Reihenfolge
einzuschalten, Durch verschiedene Anordnung des wärmeisolierten und bis zu tiefen
Temperaturen gekühlten Hohlraumes in Bezug auf die supraleitende Spule mit unterteilter
Wicklung wird die Wahl eines optimalen Temperaturniveaus für die Kühlung dieses
Hohlraumes möglich.
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Die Erfindung wird an Hand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme
auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Hierbei zeigen wig. 1 ein Prinzipschaltbild
des supraleitenden magnetischen Systems gemäß der Erfindung;
Fig.
2 ein Gesamtschema der gegenseitigen Anordnung der Einrichtung zur Energieherausführung
und der supraleitenden Spule mit unterteilter Wicklung im supraleitenden magnetischen
system nach Fig. 1; Fig. 3 ein Funktionschaltbild der Programmsteuereinrichtung
des supraleitenden magnetischen Systems nach Fig. 1; Fig. 4 ein Gesamtschema einer
anderen Variante der gegenseitigen Anordnung der Einrichtung zur Energieherausführung
und der supraleitenden Spule mit unterteilter Wicklung im supraleitenden magnetischen
System gemäß der Erfindung; Fig. 5 eine andere Prinzipschaltbildvariante des supraleitenden
magnetischen Systems gemäß der Erfindung.
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enthält Das supraleitende magnetische System eine supraleitende Spule
1 (Fig. 1) mit unterteilter Wicklung, bei der Jeder Spulenabschnitt 2 einen mit
itm in Reihe liegenden Ausschalter 3 und einen an den Spulenabschnitt 2 sowie an
den ,Ausschalter 3 parallel angeschlossenen gesteuerten Nebenschluß 4 aus supraleitendem
Werkeiner stoff und eine Einrichtung 5 zum Erkennen normalleitenden Zone aufweist
und mit einer Einrichtung 6 zur Energieheraus führung induktiv gekoppelt ist.
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Die Einrichtung 6 zur Energieherausführung umfaßt einen wärme isolierten
und bis zu tiefen Temperaturen
gekühlten Hohlraum 7, in dem eine
Spule 8 aus normalleitend. Metall xit einer Brücke 9 aus supraleitendem Werkstoff
angeordnet ist, wobei die Spule 8 und die Brücke 9 gemeinsam einen geschlossenen
elektrischen Kreis 10 bilden. Im Hohlraum 7 befinden sich auch die Ausschalter 3.
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Jeder gesteuerte Nebenschluß 4 und die Brücke 9 sind mit Steuerwicklungen
11 bzw. 12 ausgestattet, die bei jedem Nebenschluß 4 mit der entsprechenden Einrichtung
5 zum Erder keinen normalleitenden Zone und bei der Brücke 9 mit Jeder der Einrichtung
5 zum Erkennen normalleitenden Zone elektrisch verbunden sind.
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Die supraleitende Spule 1 mit unterteilter Wicklung ist in einem
gekühlten Hohlraum 13 angeordnet, der sich zusamen mit dem gekühlten Hohlraum 7
im Kryostat 14 befindet In dieser Ausführunusform des erfindungsgemäßen supraleitenden
magnetischen Systems ist der wärme isolierte und bis zu tiefen Temperaturen gekühlte
Hohlraum 7 (Fig. 2) so angeordnet, daß er dcn gekühlten Hohlraum 13 umfaßt, in de
sich die supraleitende Spule 1 mit unterteilter Wicklung befindet. Die elektrische
Verbindung der Steuerwicklungen 11 und 12 (Fig. 1) mit den Einrichtungen 5 zur Normalzonenerkennung
erfolgt über eine Programmsteuereinrichtung 15. Diese Einrichtung 15 enthält eine
Logikeinheit 16 (Fig. 3), bei der die Eingange an die Ausgänge der Einrichtungen
5 zur Normalzonenerken@ung und der ausgang an t) im folgenden Einrichtungen 5 zur
Normalzonenerkennung genannt
den Eingang eines Steuersignalgebers
17 angeschlossen sind, wobei der Ausgang des letzteren an einer Zeitverzögerungseinheit
18 liegt, deren Ausgänge mit den Steuerwicklungen 11 bzw. 12 und mit den Ausschaltern
3 verbunden sind.
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Die in Abschnitte unterteilte Spule 1 (Fig. 1) ist über Stromeinführungen
19 an eine Speise quelle 20 angeschlossen. Die Stromeinführungen 19 sind in den
Kryostat 14 und in den gekühlten Hohlraum 13 eingebaut.
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Die vorstehend beschriebene Ausführungsform des supraleitenden magnetischen
Systems weist nur eine Spule 8 aus norsalleitendem Metall mit einer Brücke 9 aus
supraleitendem Werkstoff auf, die gemeinsam einen geschlossenen elektrischen Kreis
10 bilden. Plöglich ist auch die Benutzung mehrerer Spulen mit Brücken, die eine
entsprechende Anzahl von geschlossenen elektrischen Kreisen bilden. Die Zahl der
Spulen 8 wird unter Berücksichtigung der gewünschten Zuverlässigkeit des supraleitenden
magnetischen Systems, der unzahl der abschnitte 2 in der Spule 1 und der zulassigen
Zahl von Ausfällen (Anzahl der abgeschalteten Spulenabschnitte) gewählt.
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Im Zusammenhang damit wird nachstehend eine Ausführung dts supraleitenden
magnetischen Systems beschrieben, bei dem im wärme isolierten und bis zu tiefen
Temperaturen gekühlten Hohlraum 21 (Fig. 4) der Einrichtung 6 zur Energieherausführung
zwei
Spulen 22 aus nolmalleitendem Metall mit Brücken 23 aus supraleitendem Werkstoff
angeordnet sind, die gemeinsam zwei geschlossene elektrische Kreise 10 bilden. Der
wärme isolierte und bis zu tiefen Temperaturen gekühlte Hohlraum 21 befindet sich
im Innenraum der in AL-schnitte unterteilten supraleitenden Spule 1, die in einem
im Kryostat 25 angeordneten gekühlten Hohlraum 24 liegt.
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In diesem Falle wird als supraleitender Werkstoff für jede Brücke
23 ein Supraleiter zweiter Art benutzt.
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In der in Fig. 5 darg stellten Ausführungsform des supraleitenden
magnetischen Systems ist ein Schalter 26 (ein supraleitendes Element zum Kurzschließen
der Spule 1) vorgesehen, der parallel zur Speise quelle 20 und zur supra leitenden
unterteilten Spule 1 liegt und mit dem Ausgang der Programmsteuereinrichtung 15
verbunden ist. Diese Maßnahme gestattet es beim Zusammenwirken der Einrichtung 6
zur 1.n'ergiehcrausführung, die Energierzerstreuung in der Speisequelle 20 beim
Abschalten eines Abschnitts 2 der Spule 1 zu verhindern.
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In den beschriebenen Ausführungsformen des supraleitenden magnetischen
Systems hängt die Wahl der Anzahl von Spulenabschnitten in der supraleitenden Spule
mit unterteilter Wicklung vom zulässigen Änderungsbereich seiner Ausgangsparameter
(der Induktion des erzeugten Magnetfeldes, einer der gespeicherten Energie) bei
Entstehung zulässigen Anzahl von Ausfällen im supraleitenden magnetischen System
ab.
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Der Kühltemperaturbereich für den Hohlraum der r Einrichtung zur
Energieherausführung kann ziemlich breit gewählt werden, und bei dieser Wahl richtet
man sich nur nach der Forderung, den supraleitenden Zustand der Brücke während der
Energieherausführung in den geschlossenen elestrischen Kreis zu erhalten. Die Funktion
der Ausschalter kann entweder darin bestehen, den elektrischen Strorn£ei,'3 vollstandie
zu unterbrechen, oder in diesen Kreis eine 1 ohmschen Wirkwiderstand einzuführen.
Die gesteuerten Nebenschlüsse sind im System bevorzugt im Bereich schwacher Magnetfelder
anzuordnen0Die steuernde Beeinflussung dieser Nebenschlüsse kann Je nach konkreten
Anwendungsbedingungen des Systems thermisch oder magnetisch erfolgen.
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Die Wirkungsweise des erfindungsgemaß ausgeführten supraleitenden
magnetischen Systems besteht in folgendem.
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Beim Normalbetrieb des supraleitenden magnetischen Systems, wenn
also keine normalleitende Zone entsteht, stellen sich in den einzelnen Elementen
des magnetischen Systems folgende Zustande ein: - in allen vorher abgeschalteten
Abschnitten 2 (lig. 1) der Spule 1 sind die Steuerwicklungen 11 der Nebenschlüsse
4 stromlos, wobei sich die Nebenschlüsse 4 im offenen (supraleitenden) Zustand befinden
und die Ausschalter 3 geöffnet sind oder einen Wirkwiderstand für den Strom erzeugen
(d. h. im nichtsupraleitendem Zustand sind). Zulässig ist
auch
der supraleitende Zustand des Ausschalters 3 in dem vorher abgeschalteten Spulenabschnitt
2; - in den im Betrieb gebliebenen AbschniSten 2 der Spule 1 führen die Steuerwicklungen
11 der Nebenschlüsse 4 Strom und dadurch befinden sich die bebenschlüsse 4 im gesperrten
(nichtsupraleitenden) Zustand, während die Ausschalter 3 dieser Spulenabschnitte
2 geschlossen, also supraleitend sind; - in der Einrichtung 6 zur Energieherausführung
ist die Steuciwicklung 12 der Brücke 9 stromführend und deswegen ergibt sich der
gesperrte (nichtsupraleitende) Zustand der Brücke 9, wobei der Wirkwiderstand des
tro:nkrcises 10 bedeutend vergrößert wird. Dadurch ergibt sich die Möglichkeit einer
Änderung der Ausgangsparameter des erfindungsgemäßen supraleitenden magnetischen
Systems, z. B. einer Vergrößerung der Induktion des Magnetfeldes.
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Zu bemerken ist, daß die unordnung der susschalter 3 im wärmeisolierten
Hohlraum 7 bei diesen eine gewisse- Resistenz im Normalbetrieb des supraleitenden
magnetischen Systems gemäß der Erfindung zuläßt, die aber kleiner als bei Ankunft
des von der Programmsteuereinrichtung 15 gelieferten Signals am Ausschalter 3 ist.
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Bei hatstehung einer normalleitenden Zone im Supraleiter eines beliebigen
im Betrieb befindlichen Spulenabschnitts 2 gelangt das Signal, das von der im Spulenabschnitt
2
mit der entstandenen normalleitenden Zone liegen den Einrichtung 5 zur Normalzonenerkennung
abgegeben wird, zur Programmsteuereinrichtung 15, welche die bteuersignale forciert
und sie in folgender Reihenfolge liefert - Signal zur Stromabschaltung von der Steuerwicklung
12 der Brücke 9; - Signal zur Stromabschaltung von der Steuerwicklung 11 des im
abzuschaltenden Spulenabschnitt 2 liegenden Nebenschlusses 4; - Steuersignal für
den Ausschalter 3 des abzuschaltenden Spulenabschnitts 2.
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- Die angegebene Reihenfolge der Signale ermöglicht die Vorbereitung
der Einrichtung 6 zur Energieherausführung und der supraleitenden unterteilten Spule
1 zum BeLinn des Vorganges der Energieherausführung aus der Spule 1, der praktiscb
mit der Abgabe des Steuersignals an don Ausschalter 3 beginnt.
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Die Anlegung des Steuersignals an den Ausschalter 3 bewirkt seine
Öffnung (oder Einführung eines ohmschen Wirkwiderstandes). wobei dies zur Ableitung
des elektrischen Stromes aus dem abgeschalteten Spulenabschnitt 2 in den zu diesen
Abschnitt 2 und dem Ausschalter 3 parallel geschah teten Nebenscbluß 4 führt. Diese
Stromübernahme wird von einer Änderung des für die Spule 1 und den geschlossenen
elektrischen Stromkreises 10 gemeinsamen Magnetflusses begleitet,
wobei
die Möglichkeit gegeben wird, eine bedeutende eflge der vorher durch Betrieb des
abgeschalteten Abschnitts 2 im Bestand der Spule 1 erzeugten Energie in den Stromkreis
10 zu übertragen. Der sich bei der Stromabschaltung von der Steuerwicklung 12 der
Brücke 9 ergebende geringe -:irkwiderstand des Stromkreises 10 ermöglicht es, die
in den Stromkreis 10 übertragene Energie mit einer an die KJii=ungsbedingungen des
Hohlraumes 7 angepaßten Geeines schwindigkeit, also im Laufe vorgegebenen Zeitabschnitts
zu zerstreuen, Während der Stromübernahme durch den Nebenschluß 4 aus dem Spulenabschnitt
2 wird die Energie zum Teil in dem Ausschalter 3 verstreut.
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Durch die Anordnung des Ausschalters 3 und des Strom kreises 10 im
wärmeisolierten Hohlraum 7 wird die Erhaltung von Kühlungsbedingungen für die Spule
1 sowohl beim Norma,lbetrieb des magnetischen Systems, als auch bei Entstehung einer
normalleitenden Zone möglich. Dank den vorhandenen Steuerwicklungen 11 und 12 ergibt
sich eine höhere Effektivitat der Schutznaßnahmen für das magnetische System unabhängig
von seinen Parametern (von der im System erzeugten Induktion des magnetischen Feldes)0
Die in Fig. 4 und 5 dargestellten Ausführungen des supraleitenden magnetischen Systems
funktionieren shnlich wie das System nach Fig. 1.
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Der Unterschied ia Betrieb des Systems nach Fig. 5
besteht
nur darin, daß von der Programmsteuereinrichtung ein Steuersignal für den Schalter
26 erzeugt wird. Als erstes wird hierbei das Signal zur Ansteuerung des Schalters
26 geliefert, und dann werden die Signale in der beschriebenen Reihenfolge abgegeben.
Die Anwendung ds Scholters 26 zum Kurzschließen der Spule 1 für die Zeit der Energiehera'usführung
Cd. h. bei Entstehung der normalleitenden Zone) verhindert die Energiezerstreuung
in der Speisequelle 20 bei der Energieherausführung.
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Die erwähnte Energiezerstreuung in der Speisequelle 20 erfolgt im
allgemeinen im Zeitpunkt der Energierherausführung beim Abschalten des Abschnitts
2 der Spule 1 infolge der induktiven Kopplung des abzuschaltenden Spulenabschnitts
2 mit den anderen Abschnitten 2 der Spule 1. Das Kurzschließen der Spule 1 mit dem
Schalter 26 führt aber nur zum Anstieg des in der Spule 1 fließenden Stromes.
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(In dicsem Falle wird die Speisequelle 20 nach den ersten Ausfall
nicht mehr an die Spule 1 angeschlossen, wobei der Schalter 26 "geschlossen" also
supraleitend ist).
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Nachstehend werden praktisch ausgeführte Varianten des erfindungsgemäßen
supraleitenden magnetischen Systems beschrieben, in den eine in neun Abschnitte
unterteilte supraleitende Spule und ein geschlossener elektrischer Kreis bzw. zwei
geschlossene elektrische Kreise verwendet werden. Bei der Beschreibung dieser Ausführungsbeispiele
werden die Bezugszeichen von den Figuren 1 2, 3,
5 und von Fig.
4 beibehalten0 Beispiel 1 Das supraleitende magnetische System enthält erfindungsgemäß
eine supraleitende in Abschnitte 2 unterteilte Spule 1 (Fig. 1), bei der Jeder der
neun Spulenabsehnitte 2 aus dem supraleitenden Werkstoff Niob - Titan ausgeführt
ist und einen Spulenabschnitt 2 und Ausschalter 3 parallel liegenden gesteuerten
Nebenschluß 4 aus dem supraleitenden Werkstoff Blei aufweist sowie eine Einrichtung
einer 5 zum Erkennen normalleitende nZone besitzt. Die Spule 1 ist mit der Einrichtung
6 zur Energieherausführung induktiv gekoppelt.
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Die zur EQergieherausführung bestimmte Einrichtung 6 weist einen
mittels eines beliebigen porösen Wärmedämmstoffes wärmeisolierten und mit flüssigem
Helium gekühlten Hohlraum 7 auf, in dem sich eine aus normalleitendem Metall (ufer)
hergestellte Spule 8 und eine aus supraleitendem Werkstoff (Blei) ausgeführte Brücke
9 befinden. Die Spule 8 b steht aus einer zylinderfo'rmigen Windung, die koaxial
zur Spule 1 (Fig. 2) liegt und diese umfabt. Die Spule 8 und dic Brücke 9 bilden
zusammen einer geschlossenen elektrischen Kreis 10. In demselben Hohlraum 7 befinden
sich auch die Ausschalter 3.
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Der Hohlraum 13, in dem die Spule 1 angeordnet ist, wird mit flüssigem
Helium gekühlt. Der poröse Wärmedämmstoff ist mit flüssigem Helium durchtränkt.
Zulässig ist das Überströmen
des flüssigen Heliums von einem Hohlraum
(7 bzw. 13) in einen anderen (13 bzw. 7). Die Hohlräume 7 und 13 liegen in Kryostat
14, der mit Vakuum wärmeisoliert und mit otickstoff abgeschirmt ist (in der Zeichnung
ist dies nicht gezeigt). In den Kryostat 14 und in den Hohlraum 13 ist eine galvanis
che Stromeinführung 19 eingebaut, durch die der Strom von der Speisequelle 20 der
Spule 1 zugeführt wird.
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Jeder gesteuerte Nebenschluß 4 und die Brücke 9 haben Steuerwicklungen
11 bzw. 12, die aus Kupferdraht ausgeführt sind und bei jedem Nebenschluß 4 mit
der entsprechenden einer Einrichtung 5 zum Erkennen normalleitenden Zone, bei der
0 flC Brücke 9 aber mit Jeder Einrichtung 5 zum erkennen normalleitenden Zone elektrisch
verbunden sind. Für die Steuerwicklungen 11 der Nebenschlüsse 4 kann der supraleitende
Werkstoff Niob - Zirkonium benutzt werden. Die elektrische Verbindung der Steuerwicklungen
einer 11 und 12 mit den Einricheiner tungen 5 zum Erkennen normalleitenden Zone
ist über die Programmsteuereinrichtung 15 hergestellt. Die letztere enthält eine
Logikeinheit 16 (Fig. 3), bei der die Eingänge an die Ausgänge der Einrichtungen
5 zum Erkennen einer normalleitenwährend dç Zone geschaltet sind der Ausgang an
den Eingang des Steuersignalgebers 17 angeschlossen ist, dessen Ausgang mit der
Zeitverzögerungseinheit 18 verbunden ist, wobei die Ausgänge der letzteren an den
Steuerwicklungen 11 bzw. 12 und an den Ausschaltern 3 liegen.
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In der beschriebenen praktisch ausgeführten Variante des Systems
ist der susschalter 3 (Fig. 1) ebenfalls mit einer in der Zeichnung nicht gezeigten
Steuerwicklung aus Kupferdraht versehen.
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Dieses gemäß der Erfindung praktisch ausgeführte supraleitende magnetische
System weist folgende Parameter auf: gespeicherte Energie 4,5 MJ Induktivität eines
Spulenabschnitts 2 0,2 R Induktivität der übrigen Spulenabschnitte 2 7,6 H Gegeninduktivität
des abzuschaltenden Spu-. lenabschnitts 2 mit den übrigen Spulenabschnitten 2 0,68
H Induktivität der Einrichtung 6 zur Energie herausführung 2.10-6 H Gegeninduktivität
der Einrichtung 6 zur Energieherausführung mit dem abzuschal.
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tenden Spulenabschnitt 2 0,4.10-3H Gegeninduktivität der Einrichtung
6 zur Energieherausführung mit den übrigen Spulenabschnitten 2 2.10 -3 H einer (Hierbei
ist die ungünstigste Variante der Entstehung normalleitendea Zone gewählt).
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Der durch den Ausschalter 3 eingeführte Widerstand beträgt 1 Ohm.
Die Einrichtung 6 zur Energieherausfüh
rung hat einen Wirkwiderstand
von O,5.1O Ohm. Im erwähnten Fall der Abschaltung eines Spulenabschnitts 2 betragen
die Verluste der gespeicherten Energie 10%.
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Falls in dem erfindungsgemäßen System der Schalter 26 (Ig. 5) benutzt
wird, verringern sich die Energieverluste bis auf 3%, während der elektrische Strom
in der Spule 1 um 8» ansteigt.
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Beispiel 2 Das in Fig. 4 dargestellte supraleitende magnetische System
unterscheidet sich von dem im Beispiel 1 beschriebenen System dadurch, daß der wärmeisolierte
und bis zu tiefen Temperaturen gekühlte Hohlraum 21 im Innenraum der supraleitenden
unterteilten Spule 1 angeordnet ist und mit Wasserstoffeisbrei gekühlt wird. Im
Hohlraum 21 befinden sich zwei aus normalleitendem Metall (Kupfer) hergestellte
Spulen 22, wobei jede dieser Spulen 22 als eine zylinderförmige Windung aus normalleitendem
Metall (Kupfer) ausgeführt ist und koaxial zur Spule 1 in ihrem Innenraum mit einer
entsprechenden Brücke 23 aus supraleitendem @erkstoff (Niob - Zinn) liegt. Die Spulen
22 und die Brücken 23 bilden zwei geschlossene elektrische Stromkreise 100 Für die
Wärmeisolierung der Hohlräume 21 und 13 voneinander sorgt ein Vakuumzwischenraum
(zwischen diesen Hohlräumen 21 und 13 erfolgt keine Überströmung des Kälteträgers).
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Das erfindungsge mäße supraleitende magnetische System weist gegenüber
den bekanns-en Systemen eine bedeutend
höhere Betriebszuverlässigkeit
auf und ermöglicht die Er-Zerstörung haltung des Systems ohne Gefahr der sowie die
Beibehaleines tung vorgegebenen Niveaus seiner Ausgangsparameter (z.
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B. der Induktion des Magnetfeldes).