EP0348465A1 - Stromspeicher - Google Patents

Stromspeicher

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EP0348465A1
EP0348465A1 EP89900210A EP89900210A EP0348465A1 EP 0348465 A1 EP0348465 A1 EP 0348465A1 EP 89900210 A EP89900210 A EP 89900210A EP 89900210 A EP89900210 A EP 89900210A EP 0348465 A1 EP0348465 A1 EP 0348465A1
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EP
European Patent Office
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coil
storage
storage device
current
superconducting
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EP89900210A
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English (en)
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EP0348465B1 (de
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Peter Ehrhart
Andreas GRÜNDEL
Götz Heidelberg
Weck Werner
Dr. Gerhard Reiner
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Heidelberg Motor GmbH
Original Assignee
Heidelberg Motor GmbH
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Publication date
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Publication of EP0348465B1 publication Critical patent/EP0348465B1/de
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Revoked legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01F—MAGNETS; INDUCTANCES; TRANSFORMERS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR MAGNETIC PROPERTIES
    • H01F6/00—Superconducting magnets; Superconducting coils
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    • Y10S336/00—Inductor devices
    • Y10S336/01—Superconductive
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    • Y10S505/00—Superconductor technology: apparatus, material, process
    • Y10S505/70—High TC, above 30 k, superconducting device, article, or structured stock
    • Y10S505/701—Coated or thin film device, i.e. active or passive
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    • Y10S505/70—High TC, above 30 k, superconducting device, article, or structured stock
    • Y10S505/701—Coated or thin film device, i.e. active or passive
    • Y10S505/703—Microelectronic device with superconducting conduction line
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    • Y10S505/00—Superconductor technology: apparatus, material, process
    • Y10S505/825—Apparatus per se, device per se, or process of making or operating same
    • Y10S505/869—Power supply, regulation, or energy storage system
    • Y10S505/87—Power supply, regulation, or energy storage system including transformer or inductor

Definitions

  • the invention relates to a method for supplying electricity to a power consumer from a store for electrical energy and to a power store suitable for carrying out the method.
  • the invention is based on the object of making available a method for supplying a consumer from a power store and a power store which, with a high storage capacity based on volume or weight, enables extremely low-loss storage and also discontinuous power consumption.
  • the method is erfindungsge ⁇ Gurss characterized in that the current load of a superconducting accumulator coil, which is constructed with superconductors very small diameter or very small layer thickness •, electrical energy pulses are supplied each with a very short period of time.
  • the current storage device according to the invention is characterized in that it is designed as a superconducting storage coil with superconductors of very small diameter or very small layer thickness.
  • the invention thus teaches the use of a surpal-conducting storage coil with a structure such that energy extraction is possible in the form of very short energy pulses and with extremely low eddy current losses.
  • Particularly suitable, small diameters or small layer thicknesses of the Surpra conductors are less than 20 ⁇ .m, preferably less than 10 ⁇ m.
  • Particularly suitable, short durations of the respective energy pulses are less than 10 ms, preferably less than 5 ms, most preferably less than 1 ms.
  • a particularly preferred embodiment of the invention consists in constructing the storage coil with high-temperature superconductors.
  • High-temperature superconductors are understood to be those which are superconducting even at temperatures which are considerably higher than was previously considered possible until a while ago.
  • a jump temperature that is the temperature of the transition from the superconducting to the normally conducting state, 80 ° K can be given as the non-slip limit for these materials. It is typical that high-temperature superconductors are still superconducting at a temperature just below the boiling point of liquid nitrogen.
  • temperature is in the range of a few degrees Kelvin, for which more concrete examples do not have to be given because they are generally known.
  • the energy content per energy pulse and the large number of possible successive energy pulses mean that the energy content is high
  • Typical values are more than 10 W per energy pulse, preferably 10 8 to 10 11 W.
  • the small diameter or small layer thickness of the superconductor of the storage coil according to the invention means that the eddy current losses in the superconductors are kept as small as possible even when energy is drawn in the form of very short energy pulses.
  • Preferred possibilities according to the invention for the production of such superconductors are vapor deposition, local mechanical removal or etching away of areas from a larger area and winding of the storage coil from very thin wires, so-called filament wires.
  • the superconducting filament wires In the case of a winding structure of the storage coil, it is preferred to alternately wind the superconducting filament wires with very thin, normally conducting metal wires.
  • the normally conductive metal wires should advantageously be at least as thin as the superconducting filament wires, again in order to keep the eddy current losses as small as possible even in the normally conductive metal wires.
  • the term "alternating" is not only to be understood in the strict sense of the word. Rather, it should be stated that a matrix-like structure of partly superconducting and partly normal-conducting filament wires is sought, without a superconducting filament wire necessarily having to alternate exactly with a normally conducting filament wire in the axial direction and / or in the radial direction. The result of this structure is that even if the superconductivity breaks down in the superconducting filament wires, at least the normal line remains in the normally conductive metal wires.
  • the storage coil is constructed with a plurality of coil segments which follow one another in the longitudinal direction of the storage coil. You can even prefabricate the individual coil segments individually and then join them together to form the storage coil. Through these measures - S-
  • storage coils with smaller or larger storage capacities can be built in a particularly simple manner using the modular principle. It is also possible to manufacture the entire storage spool as a whole, for example to wind it with a continuous, superconducting filament wire on a spool core.
  • the coil segments are magnetically coupled to one another, for example have a common coil core.
  • electrical interconnection of the coil segments is also possible.
  • a construction of the storage coil from coil segments gives the preferred possibility of interconnecting a part or all of the coil segments for loading the storage coil and / or of having different connection of the coil segments when loading and unloading the storage coil, the coil segments active during loading being identical to those during unloading active coil segments do not have to be identical.
  • a particularly preferred possibility is to charge the storage coil with a connection of part or all of the coil segments in series and to discharge it in a connection of part or all of the coil segments. In this way, one has n times the discharge current of an individual coil segment when discharging with n coil segments.
  • the number of coil segments directly involved in the discharge can be selected by switching modules, so that the size of the discharge current can be set in this simple manner. The The charging current is generally unchanged.
  • Magnetic flux quanta can be introduced into the storage coil in particular according to the flow pump principle, that is to say distributed over time in such small "portions" that the superconducting state of the superconductors does not collapse.
  • Preferred technical possibilities for this are a pulsating magnetic field, preferably generated by a rotatable magnetic ring with permanent magnets, or a pulsating field of a current conductor, which leads to the inductive introduction of magnetic flux quanta. It is possible to use the rotating mass of the magnetic ring additionally for energy storage.
  • the magnetic ring is preferably driven mechanically or by an electric motor n, in particular directly driven.
  • the storage coil can be loaded by a flywheel store, either in the form that the above-described magnetic ring is part of the flywheel of the flywheel store, which is preferably charged by an integrated electric motor while increasing the speed, or in the form that electric current which is generated with generator operation of the flywheel accumulator, which is fed to the storage coil.
  • the donut shape leads to a particularly compact power storage and also offers particularly favorable, g 'eometrisch functional relationships for charging after Flußpumpenzin.
  • the toroidal coil of the in-memory vor ⁇ 'text as used is understood to mean "in the longitudinal direction of the storage coil” so that this longitudinal direction is circular corresponding to the circular shape of the center axis of the coil.
  • the ratio between the radial thickness of the superconductor-occupied space and the storage coil diameter is small.
  • the diameter of the entire storage coil in the case of the torus shape measured on a cross section of the torus ring
  • the radial thickness of the actual coil or the actual coil segments is as small as possible.
  • the storage coil can be designed as a coreless coil or air coil.
  • the storage coil is preferably formed with a core constructed with superconducting material, in particular in the form of a layer-by-layer alternation between insulating material and very thin, superconducting layers.
  • the core forces the magnetic field of the coil or the coil segments to the outside and therefore leads to a magnetic field concentration.
  • a device for applying a sufficiently strong one is particularly preferred .
  • Magnetic field on the core which combines the superconducting state of the core. Further possibilities are introducing a sufficiently strong current pulse or an additional current pulse into the core, radiating a high-frequency field into the core, letting a laser beam act on the core and / or letting a maser beam act on the core. All in all, the field strengths and / or temperatures generated in the material of the core of the storage coil should not influence the desired superconducting state of the storage coil.
  • the storage coil preferably has one or more superconducting discharge coils which are (are) magnetically coupled to the superconductors. These can be coil segments of the storage coil itself. However, it is also possible to provide separate discharge coils between the actual windings or coil segments of the storage coils. You can take advantage of a transformer effect with different number of turns.
  • the technical design of the storage coil is such that at least its superconductors are arranged in a helium bath or - in the case of high-temperature superconductors - in a nitrogen ad.
  • the design is usually such that this bath can dissipate the heat-producing losses from the sources in question without the superconducting state in the storage coil and / or in its core collapsing.
  • Such heat sources are, in particular, the eddy currents in the superconductors which cannot be completely eliminated, the current heat losses in the metal filaments of the coil, the losses, in particular eddy current losses, in the core of the coil, the fine-flowing heat which arises in the area of the current supply and current discharge, etc. This also applies to the state that the core material has been converted into the normal conductive state.
  • the laser or maser device mentioned above can be arranged in the core material and suitably shielded from the superconductors of the actual coil, so that this device does not impair the superconducting state of the coil material during its operation.
  • the energy pulses extracted when the storage coil is discharged can be so short in time that the evasive movements of the flux tubes in the superconducting material of the actual coil and possibly of the core are reduced, and consequently the losses associated therewith are reduced.
  • the storage coil according to the invention is very particularly suitable for supplying power to consumers who require brief current pulses of high energy.
  • a typical example is high-energy workpiece processing machines.
  • the storage coil according to the invention is preferably discharged with the aid of one or more superconducting high-current switches.
  • This high-current switch can have superconductive material in the form of thin layers, thin wires or powder in a non-conductive matrix. It has a device with which the superconducting material can be converted from the superconducting state to the non-superconducting state and vice versa. Cooling passages are preferably present between the layers or wires or powder arrangements of the superconducting material.
  • FIG. 1 is a perspective view of part of a toroidal storage coil
  • FIG. 2 shows a cross section of a storage coil, for example a cross section along II-II in FIG. 1. with a superconducting coil core;
  • FIG. 5 shows a storage coil in cross-section, for example along II-II in FIG. 1, for the schematic illustration of the introduction of magnetic flux quanta into the storage coil.
  • the storage coil 2 shown in FIG. 1 is toroidal and has a circular toroidal cross section according to II-II.
  • the supporting structure of the storage coil 2 consists of an insulator material and can be illustrated geometrically as a hollow cylinder bent in a circular shape.
  • the support structure can be designed in such a way as is clearer from the embodiment according to FIG.
  • Coil segments 4 are arranged in succession on the support structure along the torus ring, each of which is considered circular in itself. These coil segments are wound, for example, from very thin filament wires or are constructed with a radially successive layer sequence of insulating material and conductive material, cf. also embodiment according to FIG. 2.
  • the coil segments 4 are connected to one another in an electrically conductive manner, the type of connection being explained in more detail below.
  • the current conductors of the coil segments 4 consist of superconducting material, preferably high-temperature superconducting material.
  • Either the entire storage coil 2 is arranged in a bath made of liquid helium or - in the case of high-temperature superconductors - made of liquid nitrogen.
  • the " superconductors are cooled with smaller cooling spaces through which liquid helium or liquid nitrogen flows, as is illustrated, for example, in the embodiment according to FIG. 2.
  • Connections to an outer, primary charging circuit and to an outer, secondary discharge circuit are not marked, but available.
  • FIG. 2 A preferred construction of a coil segment 4 is illustrated in more detail in FIG. 2.
  • the insulating support structure which has already been mentioned above, is designated by 6.
  • a superconducting ring 8 thereon, for example as a vapor-deposited thin layer or a ceramic layer applied in some other way or as a remaining ring residue of a coating of superconducting material which is initially applied continuously along the storage coil 4.
  • the described structure is repeated one or more times.
  • the outermost coolant chamber 10 is enclosed by a housing 12.
  • the superconducting rings 8 can be individually electrically connected. However, it is also possible, for example, to interrupt each superconducting ring 8 electrically at a circumferential point and, as it were, to emulate a coil with radially successive turns by corresponding electrical connection of the individual interrupted rings.
  • segment-shaped carrier insulators 14 Between the two carrier insulators 14 there is a core 13, and this is very similar to the structure of the actual coil segments 4, a layer sequence of insulator layers 16, superconducting, very thin Layers 18 and flat cold rooms 20 through which liquid helium or liquid nitrogen flows.
  • a coil segment 4 wound from very thin, superconducting filament wires can also be provided, possibly with more or less strictly alternatingly arranged, normally conducting, very thin metal filaments.
  • 3 and 4 illustrate how the individual coil segments 4, which together form the toroidal storage coil 2, are interconnected. When charging, a series connection of the coil segments is preferred (FIG. 3), while when the storage coil 2 is being discharged, a parallel connection of the individual coil segments 4 is preferred (FIG. 4). 3 and 4, the ends of the primary circuit 22 and the secondary circuit 24 can also be seen.
  • connection of the coil segments 4 it is expedient to design the connection of the coil segments 4 such that it is possible to switch from series connection to parallel connection and vice versa. It is understood that the interconnection can also be carried out in such a way that either all or only a smaller or larger part of the coil segments 4 is used directly during the discharge, for example only every second or every third coil segment 4, as a result of which the current load is longitudinal of the torus is evenly distributed.
  • the torus must be cut open at one point and thought of as being rectilinear.
  • FIG. 5 schematically illustrates a further preferred possibility for loading the storage coil 2.
  • a superconducting plate 26 which is very " thin " in accordance with the superconductor thickness and whose plane is perpendicular to the axis of the torus ring, projects radially outward beyond the relevant coil segment 4.
  • a magnetic ring 28 is concentrated rotatable to the torus ring axis 30.
  • the magnetic ring has a row of permanent magnet north poles spaced circumferentially in front of the drawing plane of FIG. 5 and a row of permanently magnetic south poles distributed in the same way circumferentially behind the drawing plane of FIG. 5.
  • a solenoid-shaped storage coil can be charged quite analogously, the magnet ring 28 rotating about the rectilinear solenoid axis.
  • the magnet ring 28 shown can be rotated along the torus, that is to say about an axis perpendicular to the plane of the drawing in FIG. 5 through the center of the torus ring.
  • the plate 26 in FIG. 5 would have to be tilted upwards by 90 °; the north poles were above and the south poles below the plateau 26.

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Abstract

Verfahren zur Stromversorgung eines Stromverbrauchers aus einem Speicher für elektrische Energie, bei dem dem Stromverbraucher aus einer supraleitenden Speicherspule (2), die mit Supraleitern (8) sehr kleinen Durchmessers oder sehr kleiner Schichtdicke aufgebaut ist, elektrische Energiepulse mit jeweils sehr kurzer Zeitdauer zugeführt werden. Die Supra­ leiter (8) sind vorzugsweise Hochtemperatur-Supraleiter.
Abstract
In a process for supplying a current consumer with current from an accumulator of electrical energy, electrical ener­ gy pulses of very short duration are supplied to energy consumer from a superconducting accumulator coil (2) composed of superconductors (8) of very small diameter or coating thickness. The superconductors (8) are preferably high-tempera­ ture superconductors.

Description

Stromspeicher
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Strom¬ versorgung eines Stromverbrauchers aus einem Speicher für elektrische Energie sowie auf einen zur Durchführung des Verfahrens geeigneten Stromspeicher.
Bisher stand bei Stromspeichern eine derartige Ausbildung und Verfahrensweise der Stromabgabe im Vordergrund, daß der Stromspeicher die benötigte Energie über einen längeren Zeitraum kontinuierlich oder quasi-kontinuier- lich abgegeben hat.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Versorgung eines Verbrauchers aus einem Stromspeicher sowie einen Stromspeicher verfügbar zu machen, das bzw. der bei hohem, auf das Volumen bzw. Gewicht bezogenem Speichervermögen eine extrem verlustarme Speicherung und auch eine diskontinuierliche Stromentnahme ermöglicht.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist das Verfahren erfindungsge¬ mäß dadurch gekennzeichnet, daß dem Stromverbraucher aus einer supraleitenden Speicherspule, die mit Supraleitern sehr kleinen Durchmessers oder sehr kleiner Schichtdicke •aufgebaut ist, elektrische Energiepulse mit jeweils sehr kurzer Zeitdauer zugeführt werden. Der erfindungsgemäße Stromspeicher ist dadurch gekennzeichnet, daß er als supraleitende Speicherspule mit Supraleitern sehr kleinen Durchmessers oder sehr kleiner Schichtdicke ausgebildet ist. Die Erfindung lehrt somit den Einsatz einer surpaleiten- den Speicherspule mit derartigem Aufbau, daß die Energie¬ entnahme in Form jeweils sehr kurzer Energiepulse und mit extrem geringen WirbelStromverlusten möglich ist.
Besonders geeignete, kleine Durchmesser oder kleine Schichtdicken der Surpraleiter sind weniger als 20 ^.m, vorzugsweise weniger als 10 ^m. Besonders geeignete, kurze Zeitdauern der jeweiligen Energiepulse sind weniger als 10 ms, vorzugsweise weniger als 5 ms, höchst vorzugs¬ weise weniger als 1 ms.
Eine besonders bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, die Speicherspule mit Hochtemperatur— Supraleitern aufzubauen. Unter Hochtemperatur-Supralei¬ tern versteht man solche, die noch bei erheblich höheren Temperaturen, als man es bis vor einiger Zeit für grund¬ sätzlich möglich gehalten hat, supraleitend sind. Als griffige Grenze kann man für diese Materialien eine Sprungtemperatur, also Temperatur des Übergangs vom supraleitenden in den normalleitenden Zustand, 80 °K an¬ geben. Typisch ist, daß Hochtemperatur-Supraleiter bei einer Temperatur knapp unterhalb des Siedepunktes von flüssigem Stickstoff noch supraleitend sind. Typische Materialien für Hochtemperatur- Supraleiter sind ÄBa.Cu 0_ (mit A = YLa, Nd, Sm, Eu, Gd, Ho, Er, Lu sowie Y1-,,„2Ba0-,,8_CuO4,. Als weiteres Beisp ciel sei la-. g[.Sr CuO erwähnt, das eine Sprungtemperatur von ca. 40 °K aufweist und in obiger Definition kein Hochtemperatur-Supraleiter ist. Diese Materialien sind in der Regel sogenannte Schichtleiter oder zweidimensionale Supraleiter. Hochtemperatur-Supraleiter sind an sich be¬ kannt, wie auch herkömmliche Supraleiter, deren Sprung- -2>-
temperatur im Bereich von einigen Grad Kelvin liegt, wofür konkretere Beispiele, weil allgemein bekannt, nicht angegeben werden müssen.
Trotz der sehr kurzen Energiepulsdauer, mit der beim Entladen der erfindungsgemäßen Speicherspule vorzugsweise gearbeitet wird, ist wegen des beträchtlichen Energiein¬ halts pro Energiepuls und wegen der großen Anzahl von möglichen, aufeinanderfolgenden Energiepulsen eine hohe
Energieentnahme bzw. Leistungsentnahme möglich. Typische Werte sind mehr als 10 W pro Energiepuls, vorzugs¬ weise 108 bis 1011 W.
Der erfindungsgemäße, kleine Durchmesser bzw. kleine Schichtdicke der Supraleiter der Speicherspule führt dazu, daß auch bei Energieentnahme in Form zeitlich sehr kurzer Energiepulse die Wirbelstromverluste in den Supraleitern möglichst klein gehalten werden. Erfindungs¬ gemäß bevorzugte Möglichkeiten der Herstellung derartiger Supraleiter sind das Aufdampfen, das lokale mechanische Abtragen oder Wegätzen von Bereichen aus einer gro߬ flächigeren Schicht und das Wickeln der Speicherspule aus sehr dünnen Drähten, sogenannten Filamentdrähten. Nicht nur das Wickeln sondern auch das Aufdampfen und das lokale Schichtentfernen gibt die Möglichkeit, bei einem betrachteten Speicherspulenquerschnitt in Radialrichtung mehrere Supraleiter bzw. Supraleiterringe aufeinander zu haben, um das Speichervermögen pro Längeineinheit der Speicherspule zu erhöhen, beispielsweise durch wieder¬ holtes Aufdampfen oder wiederholte Schichtaufbringung und lokale Materialentfernung. Zwischen den einzelnen Supraleiterlagen befinden sich in der Regel isolierende Zwischenlagen, die beispielsweise aufgedampft werden können und die beispielsweise aus Aluminiumoxid bestehen können. Man kann derartige Herstellungstechniken so führen, daß sich bei den radial aufeinanderfolgenden Schichten bzw. Lagen elektrisch ein wicklungsförmiger Aufbau ergibt. Herstellungsgünstiger ist es jedoch häufig, ringartige Schichten oder Lagen auszubilden und diese jeweils elektrisch zu kontaktieren bzw. anzu¬ schließen. Im Fall eines Wicklungsaufbaus der Speicher¬ spule ist es bevorzugt, die supraleitenden Filamentdrahte im Wechsel mit sehr dünnen, normalleitenden Metalldrähten zu wickeln. Die normalleitenden Metalldrähte sollten günstigerweise mindestens so dünn wie die supraleitenden Filamentdrahte sein, wiederum um auch in den normallei¬ tenden Metalldrähten die Wirbelstromverluste möglichst klein zu halten. Die Bezeichnung "im Wechsel" ist nicht nur im strengen Wortsinn zu verstehen. Es soll vielmehr ausgesagt werden, daß ein matrixartiger Aufbau von teils supraleitenden teils normalleitenden Filamentdrähten an¬ gestrebt wird, ohne daß in Axialrichtung und/oder in Radialrichtung unbedingt jeweils ein supraleitender Fila- mentdraht exakt mit einem normalleitenden Filamentdraht abwecheln muß. Dieser Aufbau hat zur Folge, daß selbst bei einem Zusammenbruch der Supraleitung in den supra¬ leitenden Filamentdrähten wenigstens noch die Normallei¬ tung in den normalleitenden Metalldrähten vorhanden bleibt.
Es ist in Weiterbildung der Erfindung besonders bevor¬ zugt, wenn die Speicherspule mit mehreren, in Längsrich¬ tung der Speicherspule aufeinanderfolgenden Spulenseg¬ menten aufgebaut ist. Man kann sogar die einzelnen Spulensegmente einzeln vorfertigen und dann zu der Speicherspule zusammenfügen. Durch diese Maßnahmen ver- - S-
einfacht sich der Aufbau und die Fertigung der Speicher¬ spule. Außerdem lassen sich auf besonders einfache Weise nach dem Baukastenprinzip wahlweise Speicherspulen mit kleinerem oder größerem Speichervermögen bauen. Es ist iber auch, möglich, die gesamte Speicherspule gesamtheit¬ lich zu fertigen, beispielsweise mit durchgehendem, supraleitendem Filamentdraht auf einen Spulenkern zu wickeln.
Wenn man mit einem Aufbau aus Spulensegmenten arbeitet, ist es aus Vereinfachungsgründen bevorzugt, daß die Spulensegmente magnetisch miteinander gekoppelt sind, beispielsweise einen gemeinsamen Spulenkern haben. Aber auch eine elektrische Zusammenschaltung der Spulenseg¬ mente ist möglich.
Ein Aufbau der Speicherspule aus Spulensegmenten gibt die bevorzugte Möglichkeit, für das Laden der Speicherspule einen Teil oder alle Spulensegmente zusammenzuschalten und/oder die Verschaltung der Spulensegmente beim Laden und beim Entladen der Speicherspule unterschiedlich zu haben, wobei die beim Laden aktiven Spulensegmente mit den beim Entladen aktiven Spulensegmenten nicht identisch sein müssen. Eine besonders bevorzugte Möglichkeit be¬ steht darin, die Speicherspule mit Serienschaltung eines Teils oder aller Spulensegmente zu laden und in Parallel¬ schaltung eines Teils oder aller Spulensegmente zu ent¬ laden. Auf diese Weise hat man beim Entladen bei n Spulensegmenten den n-fachen Entladestrom eines einzelnen Spulensegments. Außerdem kann man durch Schaltbausteine die Anzahl der beim Entladen direkt mitwirkenden Spulen¬ segmente wählbar machen, so daß auf diese einfache Art die Größe des Entladestroms eingestellt werden kann. Der Ladestrom ist in der Regel im wesentlichen unverändert.
Es ist möglich, mehrere, magnetisch gekoppelte Speicher- spulen zusammenzuschalten, insbesondere zum Entladen.
Die einfachste Möglichkeit zum Laden der Speicherspule besteht darin, daß diese an einen"PrimärStromkreis an¬ geschlossen ist. Alternativ oder zusätzlich ist es mög¬ lich und bei vielen Einsatzzwecken sogar bevorzugt, die Speicherspule mittels einer Ladeeinrichtung magnetisch oder induktiv zu laden. Magnetische Flußquanten können insbesondere nach dem Flußpumpenprinzip in die Speicher¬ spule eingebracht werden, also zeitlich verteilt in so kleinen "Portionen", daß der supraleitende Zustand der Supraleiter nicht zusammenbricht. Bevorzugte technische Möglichkeiten hierzu sind ein pulsierendes Magnetfeld, erzeugt vorzugsweise durch einen rotierbaren Magnetring mit Dauermagneten, oder ein pulsierendes Feld eines Stromleiters, was zur induktiven Einbringung von mag¬ netischen Flußquanten führt. Es ist möglich, die rotie¬ rende Masse des Magnetrings zusätzlich zur Energiespei- cherung zu nutzen. Der Magnetring wird vorzugsweise mechanisch oder elektromotorisch angetrieben, insbeson¬ dere direkt angetrieben. Das Laden der Speicherspule kann durch einen Schwungradspeicher erfolgen, entweder in der Form, daß der vorstehend geschilderte Magnetring Be¬ standteil des Schwungrads des Schwungradspeichers ist, der vorzugsweise durch einen integrierten Elektromotor unter Drehzahlerhöhung geladen wird, oder in der Form, daß elektrischer Strom, der mit Generatorbetrieb des Schwungradspeichers erzeugt wird, der Speicherspule zu¬ geleitet wird. Bevorzugte geometrische Konfigurationen der Speicherspule sind die Torusform (= ringförmig gekrümmter Hohlzylinder) und Solenoidfor (= Hohlzylinder) . Die Torusform führt zu einem besonders kompakten Stromspeicher und bietet außerdem besonders günstige, g'eometrisch-funktionelle Verhältnisse für das Laden nach dem Flußpumpenprinzip. Im Fall der Torusform der Speicherspule ist der im vor¬ liegenden'Text verwendete Begriff "in Längsrichtung der Speicherspule" so zu verstehen, daß diese Längsrichtung entsprechend der Kreisgestalt der Mittelachse der Spule kreisförmig verläuft.
Besonders günstige Bedingungen unter dem Aspekt der Minimierung der Randeffekte der Spule erhält man, wenn - wie bevorzugt - das Verhältnis zwischen der radialen Dicke des supraleiterbesetzten Raums und dem Speicher- spulendurchmesser klein ist. Man macht also, abhängig vom gewünschten Speichervermögen der Speicherspule, den Durchmesser der gesamten Speicherspule (im Fall der Torusform gemessen an einem Querschnitt des Torusrings) möglichst groß und die radiale Dicke der eigentlichen Spule bzw. der eigentlichen Spulensegmente möglichst klein.
Die Speicherspule kann als kernlose Spule bzw. Luftspule ausgebildet sein. Vorzugsweise ist die Speicherspule mit einem mit supraleitendem Material aufgebauten Kern aus¬ gebildet, insbesondere in Form eines schichtweisen Wech¬ sels zwischen Isoliermaterial und sehr dünnen, supralei¬ tenden Schichten. Der Kern drängt das Magnetfeld der Spule bzw. der Spulensegmente nach außen und führt daher zu einer Magnetfeldkonzentration. -s-
Es ist möglich, die Stromhöhe in der Speicherspule durch Übergang des Materials des Kerns vom supraleitenden Zu¬ stand in den normalleitenden Zustand und umgekehrt zu ändern bzw. einzustellen. Dies geht im Prinzip durch Tem¬ peraturänderung des Kerns, insbesondere durch Wärmeenergieei-nstrah- lung. Besonders bevorzugt ist eine Einrichtung zum Auf¬ bringen eines genügend starken .Magnetfelds auf den Kern, das den supraleitenden Zustand des Kerns zusammenläßt. Weitere Möglichkeiten sind Einleiten eines genügend ge¬ nügend starken Stromimpulses oder eines Zusatzstromimpul- ses in den Kern, Einstrahlen eines Hochfrequenzfeldes in den Kern, Einwirkenlassen eines Laserstrahls auf den Kern und/oder Einwirkenlassen eines Maserstrahls auf den Kern. Insgesamt gilt, daß die im Material des Kerns der Spei¬ cherspule erzeugten Feldstärken und/oder Temperaturen den gewünschten, supraleitenden Zustand der Speicherspule nicht beeinflussen sollen.
Vorzugsweise weist die Speicherspule eine oder ehere, supraleitende Entladespulen auf, die magnetisch an die Supraleiter angekoppelt ist (sind) . Dabei kann es sich um Spulensegmente der Speicherspule selbst handeln. Es ist aber auch möglich, zwischen den eigentlichen Wick¬ lungen oder Spulensegmenten der Speicherspulen gesonder¬ te Entladespulen vorzusehen. Dabei kann man sich bei unterschiedlicher Windungszahl einen Transformatoreffekt zunutze machen.
In den meisten Fällen ist die technische Ausführung der Speicherspule so, daß zumindest deren Supraleiter in einem Heliumbad oder - im Fall von Hochtemperatur-Supra¬ leitern - in einem Stickstoff ad angeordnet sind. Man kann die gesamte Speicherspule in einem derartigen Bad anordnen. Die Auslegung ist dabei üblicherweise so, daß dieses Bad die sich in Wärmeerzeugung äußernden Verluste aus den in Frage kommenden Quellen abführen kann, ohne daß der supraleitende Zustand in der Speicher¬ spule und/oder in deren Kern zusammenbricht. Solche Wärmequellen sind insbesondere die nicht vollständig eliminierbaren Wirbelströme in den Supraleitern, die Stromwärmeverluste in den Metallfilamenten der Spule, die Verluste, insbesondere WirbelStromverluste, im Kern der Spule, die im Bereich der Stromzuführung und der Strom¬ abführung entstehende und feinfließende Wärme, etc. Dies gilt auch für den Zustand, daß das Kernmaterial in den normalleitenden Zustand überführt worden ist.
Die weiter vorn angesprochene Laser- oder Maser-Einrich¬ tung kann im Kernmaterial angeordnet und geeignet von den Supraleitern der eigentlichen Spule abgeschirmt sein, so daß diese Einrichtung bei ihrem Betrieb nicht den supraleitenden Zustand des Spulenmaterials beeinträch¬ tigt.
Die beim Entladen der Speicherspule entnommenen Energie¬ pulse können zeitlich so kurz sein, daß die Ausweichbe¬ wegungen der Flußschläuche im supraleitenden Material der eigentlichen Spule und ggf. des Kerns reduziert und dadurch hiermit einhergehende Verluste erniedrigt werden.
Die erfindungsgemäße Speicherspule eignet sich ganz be¬ sonders zur Stromversorgung von Verbrauchern, die kurz¬ zeitige Strompulse hoher Energie benötigen. Als ein typisches Beispiel seien Hochenergie-Werkstückbearbei- tungsmaschinen genannt. Vorzugsweise wird die .erfindungsgemäße Speicherspule mit Hilfe eines oder mehrerer supraleitender Hochstromschal- ter entladen. Dieser Hochstromschalter kann Supraleit- aterial in Form von Dünnschichten, dünnen Drähten oder Pulver in nichtleitender Matrix aufweisen. Er weist eine Einrichtung auf, mit der das Supraleitmaterial vom supra¬ leitenden Zustand in den nicht-supraleitenden Zustand und umgekehrt überführbar ist. Vorzugsweise sind Kühlpassagen zwischen den Lagen bzw. Drähten bzw. Pulveranordnungen des Supraleitmaterials vorhanden.
- t l -
Die Erfindung und Weiterbildungen der Erfindung werden im folgenden anhand von schematisiert zeichnerisch dar¬ gestellten Ausführungsbeispielen noch näher erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 in perspektivis.cher Darstellung einen Teil einer torusförmigen Speicherspule;
Fig. 2 einen Querschnitt einer Speicherspule, beispiels¬ weise einen Querschnitt längs II-II in Fig. 1, . mit einem supraleitenden Spulenkern;
Fig. 3 die elektrische Verschaltung von Spulensegmenten beim Laden der Speicherspule;
Fig. 4 die elektrische Verschaltung von Spulensegmenten der Speicherspule beim Entladen;
Fig. 5 eine Speicherspule im Querschnitt, beispielsweise längs II-II in Fig. 1, zur schematischen Veran¬ schaulichung der Einbringung von magnetischen Flußquanten in die Speicherspule.
Die in Fig. 1 dargestellte Speicherspule 2 ist torus- förmig und hat einen kreisrunden Torusquerschnitt gemäß II-II. Die Tragstruktur der Speicherspule 2 besteht aus einem Isolatormaterial und kann geometrisch als in Kreisform gebogener Hohlzylinder veranschaulicht werden. Die Tragstruktur kann so ausgebildet sein, wie es anhand der Ausführungsform gemäß Fig. 2 deutlicher wird. Auf der Tragstruktur sind entlang des Torusrings auf¬ einanderfolgend Spulensegmente 4 angeordnet, die jeweils für sich betrachtet kreisförmig sind. Diese Spulenseg¬ mente sind beispielsweise aus sehr dünnen Filamentdrähten gewickelt oder mit einer radial aufeinanderfolgenden Schichtenfolge von isolierendem Material und leitendem Material aufgebaut, vgl. auch Ausführungsform gemäß Fig. 2. Die Spulensegmente 4 sind elektrisch leitend mit¬ einander verbunden, wobei die Art der Verschaltung nach¬ folgend noch genauer erläutert wird.
Die Stromleiter der Spulensegmente 4 bestehen aus supra¬ leitendem Material, vorzugsweise hochtemperatur-supra- leitendem Material. Entweder die gesamte Speicherspule 2 ist in einem Bad aus flüssigem Helium oder - im Fall von Hochtemperatur-Supraleitern - aus flüssigem Stickstoff angeordnet. Oder die"Kühlung der Supraleiter erfolgt mit kleineren, mit flüssigem Helium oder flüssigem Stickstoff durchströmten Kühlräumen, wie es beispielsweise bei der Ausführungsform gemäß Fig. 2 veranschaulicht ist. An¬ schlüsse an einen äußeren, primären Ladestromkreis und an einen äußeren, sekundären Entladestromkreis sind nicht eingezeichnet, aber vorhanden.
In Fig. 2 wird ein bevorzugter Aufbau eines Spulenseg¬ ments 4 detaillierter veranschaulicht. Mit 6 ist die bereits weiter vorn grundsätzlich angesprochene, isolie¬ rende Tragstruktur bezeichnet. Hierauf befindet sich ein supraleitender Ring 8, beispielsweise als aufgedampfte Dunnschicht oder auf andere Weise aufgebrachte keramische Schicht oder als stehengebliebener Ringrest eines längs der Speicherspule 4 zunächst durchgehend aufgebrachten Belags aus supraleitendem Material. Radial außerhalb des Rings 8 befindet sich ein ringförmiger bzw. zylindrischer Kühlmittelräum 10, der von flüssigem Helium oder Stick¬ stoff durchströmt wird.
Padial weiter nach außen fortschreitend wiederholt sich der geschilderte Aufbau ein weiteres Mal oder mehrere weitere Male. Ganz außen ist -der äußerste Kühlmittelraum 10 durch ein Gehäuse 12 umschlossen.
Die supraleitenden Ringe 8 können einzeln elektrisch angeschlossen sein. Man kann aber beispielsweise auch jeden supraleitenden Ring 8 an einer Umfangsstelle elek¬ trisch unterbrechen und durch entsprechende elektrische Verbindung der einzelnen unterbrochenen Ringe sozusagen eine Spule mit radial aufeinanderfolgenden Windungen nachbilden.
Im Inneren der Tragstruktur 6 befinden sich im darge¬ stellten Querschnitt segmentförmige Trägerisolatoren 14. Zwischen den beiden Trägerisolatoren 14 befindet sich ein Kern 13, und zwar ganz ähnlich wie beim Aufbau der eigentlichen Spulensegmente-4, eine Schichtfolge von Isolatorschichten 16, supraleitenden, sehr dünnen Schich¬ ten 18 und von flüssigem Helium oder flüssigem Stickstoff durchströmten, flachen Kühlräumen 20.
Bei den Spulensegmenten 4 kann statt des beschriebenen Schichtaufbaus aus Isolatormaterial 6 und supraleitendem Material 8 auch ein aus sehr dünnen, supraleitenden Filamentdrähten gewickeltes Spulensegment 4 vorgesehen sein, ggf. mit mehr oder weniger streng im Wechsel damit angeordneten, normalleitenden, sehr dünnen Metallfilamen¬ ten. Die Fig. 3 und 4 veranschaulichen, wie die einzelnen Spulensegmente 4, die zusammen die torusförmige Speicher¬ spule 2 bilden, miteinander verschaltet sind. Beim Laden ist eine Serienschaltung der Spulensegmente bevorzugt (Fig. 3) , während beim Entladen der Speicherspule 2 eine Parallelschaltung der einzelnen Spulensegmente 4 bevor¬ zugt ist (Fig. 4) . In den Fig. 3 und 4 erkennt man auch die Enden des Primärstromkreises 22 und des Sekundär- stromkreises 24.
Wenn man nicht zum Laden und zum Entladen der Speicher¬ spule 2 gesonderte Spulensegmente 4 vorsieht, ist eine Ausbildung der Verschaltung der Spulensegmente 4 derart, daß von Serienschaltung auf Parallelschaltung und umge¬ kehrt übergegangen werden kann, günstig. Es ver¬ steht sich, daß man die Verschaltung auch so vornehmen kann, daß wahlweise beim Entladen alle oder nur ein kleinerer oder größerer Teil der Spulensegmente 4 un¬ mittelbar herangezogen wird, beispielsweise nur jedes zweite oder jedes dritte Spulensegment 4, wodurch die Strombelastung längs des Torus gleichmäßig verteilt wird.
Wenn die Speicherspule nicht, wie dargestellt, torus- förmig sondern solenoidformig ist, muß man sich den Torus an einer Stelle aufgeschnitten und in geradlinige Form gebracht denken.
Fig. 5 veranschaulicht schematisch eine weiter bevorzugte Möglichkeit zum Laden der Speicherspule 2. Ein entspre¬ chend der Supraleiterdicke sehr" dünnes, supraleitendes Plättchen 26, dessen Ebene senkrecht zur Torusringachse verläuft, ragt radial nach außen über das betreffende Spulensegment 4 hinaus. Ein Magnetring 28 ist konzen- trisch zur Torusringachse 30 rotierbar. Der Magnetring weist vor der Zeichenebene der Fig. 5 umfangsmäßig beab- standet eine Reihe von Dauermagnet-Nordpolen und hinter der Zeichenebene der Fig. 5 in gleicher Weise umfangs¬ mäßig verteilt eine Reihe dauermagnetischer Südpole auf. Jedesmal wenn ein derartiges Paar von Nordpol und Südpol das Plättchen 26 mit geringem Luftspalt passiert, werden Magnetquanten auf dem PLattchen 26 deponiert und wandern in das elektrisch mit dem Plättchen 26 verbundene Spulen¬ segment 4. Auf diese Weise läßt sich zeitlich verteilt das betreffende Spulensegment 4 laden.
Ganz analog läßt sich eine solenoidförmige Speicherspule laden, wobei der Magnetring 28 um die geradlinige Sole- noidachse rotiert.
Alternativ kann man bei der dargestellten torusförmigen Speicherspule 2 den dargestellten Magnetring 28 längs des Torus rotieren lassen, also um eine in Fig. 5 senkrecht auf der Zeichenebene stehende Achse durch das Zentrum des Torusrings. In diesem Fall wäre das Plättchen 26 in Fig. 5 um 90° nach oben gekippt vorzustellen; die Nordpole lägen oberhalb und die Südpole unterhalb des Plättchesns 26.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
1. Verfahren zur Stromversorgung eines Stromver¬ verbrauchers aus einem Speicher für elektrische Energie, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß dem Stromverbraucher aus einer supraleitenden Speicherspule (2) , die mit Supraleitern (8) sehr kleinen Durchmessers oder sehr kleiner Schichtdicke aufgebaut ist, elektrische Energiepulse mit jeweils sehr kurzer Zeitdauer zugeführt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Pulsdauer kleiner als 10 ms ist.
. Verfahren nach Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Pulsdauer kleiner als 5 ms ist.
4. Verfahren nach Anspruch 3 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Pulsdauer kleiner als 1 ms ist.
5. Stromspeicher, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß er als supraleitende Speicherspule (2) mit Supra¬ leitern (8) sehr kleinen Durchmessers oder sehr kleiner Schichtdicke ausgebildet ist.
6. Stromspeicher nach Anspruch 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Supraleiter (8) Hochtemperatur-Supraleiter, vor¬ zugsweise mit einer Sprungtemperatur von mehr als 80 °K, sind.
7. Stromspeicher nach Anspruch 5 oder 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e -t , daß die Supraleiter (8) einen Durchmesser oder eine Schichtdicke von weniger als 20 vorzugsweise weniger als 10 .τ haben.
8. Stromspeicher nach einem der Ansprüche 5 bis 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß Supraleiter (8) in Form von aufgebrachten Schichten vorgesehen sind.
9. Stromspeicher nach einem der Ansprüche 5 bis 8 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e. t , daß Supraleiter (8) vorgesehen sind, die aus einer groß-' flächig aufgebrachten Schicht durch lokales mechanisches Abtragen oder durch lokales Wegätzen erzeugt sind.
10. Stromspeicher nach einem der Ansprüche 5 bis 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß bei einem betrachteten Speicherspulenquerschnitt in Radialrichtung mehrere Supraleiter-Schichten (8) auf¬ einander folgen.
11. Stromspeicher nach Anspruch IQ, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Supraleiter-Schichten (8) , jeweils unter Vorsehen einer isolierenden Zwischenschicht (6) , nacheinander er¬ zeugt sind und jeweils elektrisch angeschlossen sind.
12. Stromspeicher nach einem der Ansprüche 5 bis 7, d a d u r c h g e k e n n -z~e i c h. n e t , daß die Speicherspule (2) mit gewickelten, dünnen, supra¬ leitenden Filamentdrähten aufgebaut ist.
13. Stromspeicher nach Anspruch 12 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die supraleitenden Filamentdrahte im wesentlichen im Wechsel mit sehr dünnen, normalleitenden Metalldrähten vorgesehen sind.
14. Stromspeicher nach einem der Ansprüche 5 bis 13, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Speicherspule (2) mit mehreren, in ihrer Längs¬ richtung aufeinanderfolgenden Spulensegmenten (4) aufge¬ baut ist.
•
15. Stromspeicher nach Anspruch 14, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Spulensegmente (4) einzeln vorgefertigt und dann zu der Speicherspule (2) zusammengefügt sind.
16. Stromspeicher nach Anspruch 14 oder 15, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Spulensegmente (4) magnetisch gekoppelt sind.
17. Stromspeicher nach einem der Ansprüche 14 bis 16, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Spulensegmente (4) derart verschaltet sind, daß die Speicherspule in Serienschaltung der Spulensegmente (4) ladbar und in Parallelschaltung aller oder einer Teilanzahl der Spulensegmente (4) entladbar ist.
18. Stromspeicher nach einem der Ansprüche 5 bis 17, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Speicherspule (2) torusformig oder solenoidformig ist.
19. Stromspeicher nach einem der Ansprüche 5 bis 18 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Speicherspule (2) zum Laden an einen Primärstrom¬ kreis angeschlossen ist. - .O-
20. Stromspeicher nach einem der Ansprüche 5 bis 18, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß zum Laden der Speicherspule (2) eine Ladeinrichtung (28) vorgesehen ist, mit der magnetische Flußquanten räch dem Flußpumpenprinzip einbringbar sind.
21. Stromspeicher nach Anspruch 20, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß zum Laden der Speicherspule (2) ein pulsierendes mag¬ netisches Gleichfeld vorgesehen ist.
22. Stromspeicher Anspruch 21, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß bei torusförmiger Speicherspule (2) das pulsierende magnetische Gleichfeld durch einen rotierbaren Magnet¬ ring (28) mit Dauermagneten vorgesehen ist.
23. Stromspeicher Anspruch 20, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß zum Laden der Speicherspule (2) mittels Induktion ein pulsierendes Feld eines Stromleiters vorgesehen ist.
24. Stromspeicher nach einem der Ansprüche 5 bis 23, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das Verhältnis zwischen der radialen Dicke des supraleiterbesetzten Raums und dem Speicherspulendurch- messer klein ist.
25. Stromspeicher nach einem der Ansprüche 5 bis 24, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Speicherspule (2) einen mit supraleitendem Mate¬ rial (18) aufgebauten Kern (13) aufweist. - \-
26. Stromspeicher nach Anspruch 25, d a d u r ch g e k e n n z e i c h n e t , daß die Stromhöhe in der Speicherspule (2) durch Übergang des supraleitenden Materials (18) des Kerns (13) vom supraleitenden Zustand in den normalleitenden Zustand und umgekehrt veränderbar ist.
27. Stromspeicher nach Anspruch 26, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß zur Erzeugung des Übergangs eine Einrichtung zum Aufbringen eines Magnetfelds auf den Kern, zum Einleiten eines Stromimpulses in den Kern, zum Einstrahlen eines Hochfrequenzfeldes in den Kern, zum Einstrahlen von Wärme.strahlen in den Kern, zum Einwirken eines Laserstrahls auf den Kern oder zum Einwirken eines Maserstrahl auf den Kern vorgesehen ist.
28. Stromspeicher nach einem der Ansprüche 5 bis 27, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Speicherspule eine oder mehrere, supraleitende Entladespulen aufweist, die magnetisch an die Supralei¬ ter angekoppelt ist (sind) .
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