WO1998052236A1 - Supraleitender hochstromschalter - Google Patents

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WO1998052236A1
WO1998052236A1 PCT/EP1998/002873 EP9802873W WO9852236A1 WO 1998052236 A1 WO1998052236 A1 WO 1998052236A1 EP 9802873 W EP9802873 W EP 9802873W WO 9852236 A1 WO9852236 A1 WO 9852236A1
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WO
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current
current switch
switch according
superconducting
winding
Prior art date
Application number
PCT/EP1998/002873
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Peter Ehrhart
Anton Müller
Hermann SCHÖLDERLE
Evi Sturm
Werner Weck
Original Assignee
Magnet-Motor Gesellschaft Für Magnetmotorische Technik Mbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Magnet-Motor Gesellschaft Für Magnetmotorische Technik Mbh filed Critical Magnet-Motor Gesellschaft Für Magnetmotorische Technik Mbh
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Priority to EP98928272A priority patent/EP0985236A1/de
Publication of WO1998052236A1 publication Critical patent/WO1998052236A1/de

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N60/00—Superconducting devices
    • H10N60/30—Devices switchable between superconducting and normal states
    • H10N60/35—Cryotrons
    • H10N60/355—Power cryotrons

Definitions

  • the invention relates to a superconducting high-current switch.
  • Switches that can be used to switch high powers generally have a complicated structure, since special measures must be taken to prevent arcs from occurring or to extinguish arcs that have arisen.
  • a useful parameter for evaluating a circuit breaker is the switching capacity (current * voltage / component volume) related to a volume unit. With the usual switches, this value is relatively low due to the structural effort.
  • Another disadvantage of the conventional high-current switches is the relatively long switching time, which is usually specified for a complete switching cycle, which consists of switching on and switching off one
  • Insulating carrier with high-temperature superconducting material vapor-deposited thereon Insulating carrier with high-temperature superconducting material vapor-deposited thereon.
  • High-temperature superconductors are especially those with a transition temperature of more than about 80 ° K.
  • the switching function in a superconducting high-current switch consists in the transition between superconducting and normal-conducting
  • the switch In the superconducting state, the switch is closed, i.e. the current flows through the switch unit without electrical resistance.
  • the switch is brought into the superconducting state by suitable cooling.
  • Various mechanisms are possible to open the switch, for example the
  • Other possibilities are the application of external magnetic fields and the introduction of an additional current pulse.
  • Dielectric strength is relatively low.
  • the dielectric strength of the arrangement in particular determines the achievable switching capacity. Accordingly, a low dielectric strength naturally means a relatively low upper limit for the switching power.
  • a switch for high powers is to be created which has switching powers of preferably more than 1 MVA, in particular more than 1 GVA.
  • the cable routing is such that the current to be switched in radial
  • a switching control device is provided with which a change between the states in the current conductor section
  • the switching control device actively brings the current conductor sections - at least partially - from the current state (superconducting / normal-conducting) to the other state (normal-conducting / superconducting), so as to "open” or close the switch "conclude”.
  • the current conductor section in the winding layer forms - electrically - a continuous current conductor between an input connection and an output connection of the switch.
  • a single continuous current conductor for example in the form of a pre-insulated wire, is provided in a special embodiment of the invention.
  • several layers, each with a winding are strung together in the direction of the winding axis.
  • the switching speed Another special feature of a circuit breaker is the switching speed.
  • the current direction runs within each layer in the individual current conductor sections such that the current direction is opposite in adjacent current conductors. Since each winding of a conductor naturally has a certain inductance, the switching process in a switch is impaired by the energy stored in the inductance. Due to the opposite current profile according to the invention, a low inductance structure is achieved, so that the switching speed is high.
  • the individual layers of the high-current switch according to the invention which are lined up in a row, have the same or at least a similar structure, in particular adjacent current conductor sections in the axial direction being practically the same radial distance from the winding axis.
  • adjacent current conductor sections in the axial direction being practically the same radial distance from the winding axis.
  • layers can have the current directions in the same direction, but the current directions are preferably also in opposite directions in the current conductor sections adjacent in the axial direction. If the flow directions are not only in radial, but also in axially adjacent
  • Invention relate to various embodiments, the configuration of the current conductor sections, the layer structure, the entire structure of the switch with its special electrical and mechanical features and the structure and operation of the switch taking into account the superconductivity of the
  • Superconductors are available on the market in various forms, e.g. as a pre-insulated wire. In a preferred one
  • all of the current conductor sections are formed from windable wire, preferably the entire switch structure consists of a continuous, windable wire, the winding in the individual layers and the relation of the windings in adjacent layers being selected such that the opposite current flow explained in neighboring layers Current conductor sections is reached.
  • the special winding geometry is discussed in more detail below.
  • the windable wire can consist of filament wire with a resistance matrix. With such a wire, numerous very thin filaments are embedded in the matrix of resistance material.
  • An alternative for the windable wire is a cable formed from, for example, braided filament wires. With such a windable wire, realize relatively narrow bending radii without the wire being damaged during the winding process. The intact, wound wire can carry the full rated current, so that the switch formed by the wire has no resistance when closed.
  • the current conductor sections can also consist directly of high-temperature superconductor material.
  • the desired dielectric strength is achieved by a correspondingly large number of layers or length of the switch, so that the pre-insulation is sufficient to prevent voltage breakdowns.
  • the dielectric strength is achieved by subsequent impregnation with insulating potting material, e.g. B. epoxy. This process can be done in layers or on the complete unit.
  • the individual coiled layers of pre-insulated wire can be provided in layers with an insulation layer, so that an increased insulation is obtained between the layers in order to correspond to the voltage between two axially adjacent conductor sections, which is slightly higher than the voltage between two in the radial direction Direction of adjacent conductor sections.
  • the entire structural unit of the high-current switch is preferably provided with an insulation layer, which in a special embodiment also serves as mechanical stabilization.
  • Embodiments of the invention relate to the use of a windable wire.
  • structural material which specifies the later shape of the winding by introducing the windings into the structural material.
  • the structural material can e.g. be an insulating body that
  • ceramic high-temperature superconductor material is filled as a preliminary product into the free spaces of the structural material, and then the superconductor material is suitably heat-treated, e.g. B. sintered or melt-textured.
  • the superconductor material can also be applied by vapor deposition in thin layers.
  • the structural material can not only be used in heat-treating
  • the structural material can serve as an insulating material and also as a material for mechanically stabilizing the component. While the above-mentioned features of the invention High-current switch specifically refer to the design of the current-carrying windings themselves, will be dealt with in more detail below on the device by means of which the windings are converted from the superconducting to the normal-conducting state - and vice versa.
  • An integrated heater which is arranged between the axially adjacent layers, is preferably used to convert the superconducting to the normal-conducting state. You can integrate a heater between each adjacent layer, but you can also integrate heaters between two or three or more layers combined as a block.
  • Conductor length has a very high electrical resistance, which corresponds to the open switch state.
  • the current conductor sections In order to convert the high-current switch from the normally conductive to the superconducting state, the current conductor sections have to be cooled down to such an extent that their temperature is below the transition temperature. This is normally done using the cryogenic cooling medium required to achieve superconductivity.
  • cooling devices are particularly preferably provided between individual layers of the switch.
  • electrical thermal force elements are arranged between the individual layers of the switch, for example special Peltier elements which are able to work at the low temperatures typical for superconductors. These thermal force elements can then be operated both as a heating device and as a cooling device, as is known in principle from the prior art.
  • an externally generated magnetic field and / or a short, high additional current pulse conducted through the winding serves to convert the superconducting to the normal-conducting state.
  • This additional current pulse has a duration of less than 10 ⁇ s. It can also be generated by short-circuiting the load. Triggering by an additional current pulse is particularly advantageous when the switch-off process is to be extremely fast and the voltage drop is to develop immediately over the entire length of the conductor.
  • a particular embodiment of the invention can be designed such that if a threshold value of the rising current is exceeded, this causes a spontaneous transition of the current conductor sections from the superconducting to the normal conductive condition. If sufficient cooling of the superconductor material is subsequently achieved again (for example by the cooling device being switched on continuously), the superconducting state is restored, so that overall a periodic switching on and off can be achieved by the high-current switch according to the invention.
  • a cryogenic cooling medium is normally used to achieve superconductivity.
  • the conductor is thus constantly cooled below the transition temperature.
  • FIG. 1 shows a perspective view of a specific exemplary embodiment of a superconducting high-current switch according to the invention
  • FIG. 2 shows a sectional view corresponding to the longitudinal center plane of a schematically illustrated high-current switch
  • FIG. 2a shows a cross section of a filament wire provided with a sheath
  • Figure 3a is a sectional view and a perspective view and 4a of a schematic, two-layer winding arrangement of a high-current switch according to the invention
  • Figure 3b is a sectional view and a perspective view and 4b of a schematic arrangement as an alternative to the winding arrangement shown in Figures 3a and 4a;
  • Figure 5 is a perspective, schematic representation of a two
  • FIG. 6 shows a schematic plan view of a double wire forming a winding layer of the high-current switch according to the invention
  • FIG. 7a shows a further embodiment of a winding of a layer and 7b or a winding which is obtained by folding the winding shown in FIG. 7a to the right
  • FIG. 8 shows a shaped body which has structural material for forming a
  • a cylinder coordinate system is indicated at the bottom left in FIG. 1.
  • Coordinate system contains the cylinder axis Z, which is referred to below as the winding axis and which is shown in FIG. 1 as the dash-dotted central axis of the carrier 2.
  • the winding axis Z In the individual layers 10a ... 10h, current conductor sections are wound in several turns, the turn position closest to the winding axis Z being referred to here as the first turn position. As the distance R from the winding axis Z increases, the numbering of the winding position increases.
  • the current direction corresponds to the cylinder coordinate phi, the current direction corresponding to the coordinate - -phi or -phi.
  • cooling / heating elements 8a, 8b, 8c and 8d designed as Peltier elements, which according to the drawing are arranged between individual winding layers 10a, 10b; 10c, 10d; lOe, lOf or 10g, 10h.
  • the heat emitted by the Peltier elements during cooling is transferred to a heat exchanger in the center of the cylindrical arrangement.
  • the cooling / heating elements 8a-8d are connected via a power line 14 to a switching control device 12 which closes or opens the high-current switch unit 1 by cooling / heating the layers 10a ... 10h by the current conductor sections in the individual layers 10a ... 10h in the superconducting state or in the normal-conducting state.
  • the current to be switched is supplied via an input connection 6 and derived via an output connection 4. Between the connections 4 and 6 there is a continuous, superconducting current conductor, which is formed by current conductor sections in the individual layers 10a ... 10h. In the normally conductive state, the current conductor between terminals 4 and 6 has a high electrical resistance due to its considerable length, which is the "open" switching state
  • High-current switch unit 1 corresponds.
  • This component insulation 28 made of plastic completely envelops the high-current switch unit 1 and serves both for electrical purposes
  • Fig. 2 six winding layers, each with four turns, are shown schematically.
  • the first turn layer has the Winding axis Z of the carrier 2 has a radial distance R
  • the second winding layer has a radial distance of R 2 etc.
  • the six winding layers shown schematically in Fig. 2 have a defined axial distance, which is due to the axial
  • FIG. 2 makes it clear how the current flows in individual current conductor sections 20 within the individual winding layers and within the individual winding layers.
  • An “x” means a current flowing into the drawing level, a ".” Means a current flowing out of the drawing level. It can thus be seen from FIG. 2 that within each individual layer radially adjacent current conductor sections 20 are flowed through in opposite directions by current. The same also applies to two current conductor sections lying on axially successive layers within a winding layer. As can be seen, the current directions in two adjacent current conductor sections 20 of the winding position on the radius R are in opposite directions. As stated at the beginning, a low-inductance switch unit is formed by this current routing, and due to the low energy storage in the switch unit, the switching operations are carried out quickly and with low efficiency. As mentioned above, there is a switchover between the superconducting state (closed switch) and the normally conducting state
  • pre-insulated wires made of superconducting material are prefabricated into layers and placed on the cylindrical carrier 2, the wires according to the Forming one layer each with an interlayer insulation. After the winding of all layers has been completed, the entire assembly is cast with epoxy resin for further insulation and mechanical stability.
  • FIG. 2a shows the cross section through a current conductor section 20.
  • An insulating material covering 22 encloses a resistance matrix material 24 in which wire filaments 26 are embedded.
  • 3a shows two winding layers, each with four winding layers, the current routing being chosen such that radially adjacent ones
  • Fig. 4a shows a schematic perspective view of a possible geometric arrangement for a current conductor (in Fig. 4a, the perspective view is shown pulled apart in the axial direction (Z)). There is no reversal of the winding direction from the upper to the lower winding layer.
  • 4a and 4b show the construction of the high-current switch from a continuous wire.
  • FIG. 5 shows an embodiment for winding layers with a rectangular plan, each designed as a double-conductor winding. Two winding layers adjacent in the axial direction each have a layer transition connection formed in one piece with both windings in the corner shown at the bottom left.
  • This component then only needs to be provided with external connections and encapsulated in a housing.
  • FIG. 6 schematically shows a winding 18 formed by a double wire, a double wire being wound from the inside to the outside. In principle, the transition to the adjacent layer then takes place as is indicated in FIG. 5.
  • FIG. 7a and 7b show a further embodiment of a winding 18 '. As can be seen from FIG. 7a, there is one from the outside inwards
  • this winding is turned in the region of the winding axis and then guided outwards in the spaces between the winding guided from the outside inwards. In this way, as in the case of the winding 18 according to FIG. 6, opposite currents are conducted in radially adjacent current conductor sections.
  • FIG. 7b shows the winding 18 ′ according to FIG. 7a in an arrangement folded over to the right by 180 °.
  • the two windings shown in FIGS. 7a and 7b are used in axially adjacent layers, the jump in height in the direction of the Z axis then taking place on the left outside and on the right outside of the two windings.
  • a switch unit with an axially upper and an axially lower connection on the left or the right side of the structural unit is achieved.
  • the currents are guided as shown schematically in Fig. 2 (checkerboard pattern).
  • FIGS. 6, 7a and 7b The configuration of the winding in the region of the center, as shown in FIGS. 6, 7a and 7b, prevents the use of a cylindrical carrier, as is used in the structure according to FIG. 1.
  • two semicircular supports (71a, 72a, 71b, 72b) are used, which enable the winding to be guided through the center.
  • FIG. 1 contains windings of windable wire.
  • FIG. 8 shows such a structural material in the form of a disk-shaped molded body 40 with a circular disk-shaped base 44 and walls 46 that run spirally in the direction of the radius and have an axial height corresponding to the layer thickness in the Z direction, through which free spaces 42 are formed.
  • Fig. 8 The arrangement shown in Fig. 8 is only schematic. Powdered superconductor material is filled into the free spaces 46 and then sintered, so that a finished winding layer is obtained.

Landscapes

  • Containers, Films, And Cooling For Superconductive Devices (AREA)

Abstract

Um einen spannungsfesten, kompakten supraleitenden Leistungsschalter für schnelle Schaltgeschwindigkeiten zu erhalten, sind mehrere Wicklungs-Schichten (10a, ..., 10h) mit jeweils mehreren Windungen in axialer Richtung aneinander gereiht. Zwischen einzelnen Schichten (10a, ..., 10h) befinden sich Kühl-/Heizelemente (8a-8d), um durch Kühlen/Heizen die Hochstromschaltereinheit (1) in den supraleitenden bzw. den normalleitenden Zustand überzuführen, d.h. zu schließen bzw. zu öffnen. Jeweils benachbarte Stromleiter werden von dem Schaltstrom gegensinnig durchflossen, so daß die Hochstromschaltereinheit (1) induktionsarm ist, was insbesondere bei Öffnung des Schalters durch einen Zusatzstromimpuls schnelle Schaltzeiten ermöglicht. Durch die zahlreichen Windungen der Stromleiterabschnitte in jeder Schicht und die mehreren Schichten in axialer Richtung ergibt sich zwischen den benachbarten Stromleitern jeweils nur eine geringe Spannungsdifferenz und man erhält insgesamt eine Baueinheit mit hoher Spannungsfestigkeit.

Description

SUPRALEITENDER HOCHSTROMSCHALTER
Die Erfindung betrifft einen supraleitenden Hochstromschalter.
Zum Schalten hoher Leistungen brauchbare Schalter weisen in der Regel einen komplizierten Aufbau auf, da spezielle Maßnahmen getroffen werden müssen, um der Entstehung von Lichtbögen vorzubeugen bzw. entstandene Lichtbögen zu löschen. Eine brauchbare Größe zur Bewertung eines Leistungsschalters ist die auf eine Volumeneinheit bezogene Schaltleistung (Strom * Spannung/Bauteilvolumen). Bei den üblichen Schaltern ist dieser Wert relativ gering, bedingt durch den baulichen Aufwand.
Nachteilig bei den konventionellen Hochstromschaltern ist zudem die relativ lange Schaltzeit, die man üblicherweise für einen kompletten Schaltzyklus angibt, der aus dem Einschalten und dem Ausschalten eines
Stromkreises besteht.
Zur Lösung der oben aufgezeigten Probleme wurde von der Anmelderin bereits ein supraleitender Hochstromschalter vorgeschlagen (WO 89/05044), bei dem in einem Gehäuse stapelartig plattenförmige
Isolierträger mit darauf aufgedampften hochtemperatur-supraleitendem Material angeordnet sind.
Hochtemperatur-Supraleiter sind insbesondere solche mit einer Sprungtemperatur von mehr als etwa 80°K. Typische Hochtemperatur- Supraleitmaterialien sind ABa3CuO7 (mit A = Y, La, Nd, Sm, Eu, Gd, Ho, Xr, Lu) sowie Y1 2Ba08CuO4.
Die Schaltfunktion bei einem supraleitenden Hochstromschalter besteht in dem Übergang zwischen supraleitendem und normal-leitendem
Zustand, und umgekehrt. Im supraleitenden Zustand ist der Schalter geschlossen, d.h. der Strom fließt ohne elektrischen Widerstand durch die Schaltereinheit. Durch geeignete Abkühlung des Schalters wird dieser in den supraleitenden Zustand gebracht. Zum Öffnen des Schalters sind verschiedene Mechanismen möglich, beispielsweise das
Heizen des supraleitfähigen Materials durch elektrische Heizung, durch Laserstrahl etc.. Weitere Möglichkeiten sind das Aufbringen externer Magnetfelder und das Einbringen eines Zusatzstromimpulses. Bezüglich weiterer Einzelheiten wird auf die oben angegebene WO-Druckschrift verwiesen.
Im normal-leitenden Zustand des supraleitenden Materials existiert zwischen Eingangsanschluß und Ausgangsanschluß des Schalters ein beträchtlicher elektrischer Widerstand. Bedingt durch die Bauweise des bekannten supraleitenden Hochstromschalters ist allerdings die
Spannungsfestigkeit relativ gering. Neben den Materialdaten des Supraleiters im normalleitenden und supraleitenden Zustand legt insbesondere die Spannungsfestigkeit der Anordnung die erzielbare Schaltleistung fest. Demnach bedeutet eine geringe Spannungsfestigkeit natürlich eine relativ niedrige Obergrenze für die Schaltleistung.
Es ist Aufgabe der Erfindung, einen supraleitenden Hochstromschalter anzugeben, der sich durch vergleichsweise hohe Spannungsfestigkeit bei hoher Schaltleistung pro Bauteil- Volumeneinheit auszeichnet. Insbesondere soll ein Schalter für hohe Leistungen geschaffen werden, der Schaltleistungen von vorzugsweise mehr als 1 MVA, insbesondere mehr als 1 GVA aufweist. Gelöst wird diese Aufgabe bei einem supraleitenden Hochstromschalter erfindungsgemäß durch folgende Merkmale:
a) Es ist mindestens eine Schicht mit einer Wicklung aus einem supraleitenden, insbesondere hochtemperatur-supraleitenden,
S tro m l e i te r ab s c hni tt v o rg e s e he n , u m e i ne Hochstromschaltereinheit zu bilden;
b) innerhalb jeder Wicklungs-Schicht ist die Leitungsführung derart beschaffen, daß der zu schaltende Strom in in radialer
Richtung benachbarten Stromleiterabschnitten gegensinnig fließt; und
c) es ist eine Schaltsteuereinrichtung vorgesehen, mit der in dem Stromleiterabschnitt eine Änderung zwischen den Zuständen
"supraleitend" und "nicht-supraleitend" auslösbar ist.
Bei dem erfindungsgemäßen supraleitenden Hochstromschalter bringt die Schaltsteuereinrichtung die Stromleiterabschnitte - zumindest teilweise - aktiv von dem gerade existierenden Zustand (supraleitend/normal-leitend) in den anderen Zustand (normal-leitend/ supraleitend), um so den Schalter zu "öffnen" bzw. zu "schließen". Der Stromleiterabschnitt in der Wicklungs-Schicht bildet - elektrisch - einen durchgehenden Stromleiter zwischen einem Eingangsanschluß und einem Ausgangsanschluß des Schalters. Wie weiter unten noch näher ausgeführt werden wird, ist bei einer speziellen Ausführungsform der Erfindung ein einziger durchgehender Stromleiter, z.B. in Form eines vorisolierten Drahts, vorgesehen. In einer bevorzugten Ausführungsform sind mehrere Schichten mit je einer Wicklung in Richtung der Wicklungsachse aneinandergereiht. Wesentlich dabei ist, daß die zwischen Eingang und Ausgang des Schalters anstehende Spannung auf mehrere Schichten in axialer Richtung der Baueinheit verteilt wird. Hierdurch verteilt sich die zu schaltende Spannung auf mehrere Schichten, so daß man eine sehr hohe Spannungsfestigkeit erreicht. Im supraleitenden Zustand fließen erhebliche Ströme. Mit dem erfindungsgemäßen Schalter lassen sich also hohe Schaltleistungen erzielen. Sämtliche Ausführungsformen der Erfindung zeichnen sich durch einen relativ einfachen, auf jeden Fall aber äußerst kompakten Aufbau aus, so daß die auf eine Volumeneinheit des Schalters bezogene elektrische Schaltleistung beträchlich ist, was den erfindungsgemäßen Schalter gegenüber konventionellen Schaltern überlegen macht.
Ein weiteres besonderes Merkmal eines Leistungsschalters ist die Schaltgeschwindigkeit. Erfindungsgemäß verläuft innerhalb jeder Schicht in den einzelnen Stromleiterabschnitten die Stromrichtung so, daß in benachbarten Stromleitern die Stromrichtung gegensinnig ist. Da naturgemäß jede Wicklung eines Leiters eine gewisse Induktivität aufweist, wird bei einem Schalter der Schaltvorgang durch die in der Induktivität gespeicherte Energie beeinträchtigt. Durch den gegensinnigen Stromverlauf gemäß der Erfindung wird ein induktivitätsarmer Aufbau erreicht, so daß hierdurch die Schaltgeschwindigkeit hoch ist.
In einer speziellen Ausfuhrungsform der Erfindung haben die einzelnen, aneinandergereihten Schichten des erfindungsgemäßen Hochstromschalters gleichen oder zumindest ähnlichen Aufbau, wobei insbesondere in axialer Richtung benachbarte Stromleiterabschnitte praktisch gleichen radialen Abstand von der Wickelachse haben. In solchen in axialer Richtung benachbarten Stromleitern benachbarter
Schichten können in einer weniger günstigen Ausführungsform die Stromrichtungen gleichsinnig sein, vorzugsweise sind die Stromrichtungen jedoch auch in den in der axialen Richtung benachbarten Stromleiterabschnitten gegensinnig. Wenn die Stromrichtungen nicht nur in radial, sondern auch in axial benachbarten
Stromleiterabschnitten gegensinnig sind, werden die besonders günstigen Eigenschaften des erfindungsgemäßen Hochstromschalters, wie sie oben speziell für jeweils eine Wicklungs-Schicht erläutert wurden, noch verstärkt. Dies betrifft insbesondere die inneren mechanischen Kräfte zwischen den stromführenden Teilen, die trotz des kompakten Aufbaus sehr gering bleiben, und dadurch die Führung höherer Ströme ermöglichen.
Die im folgenden erläuterten Wirkungsweisen und Vorteile der
Erfindung beziehen sich auf verschiedene Ausführungsformen, die die Ausgestaltung der Stromleiterabschnitte, den Schichtaufbau, den gesamten Aufbau des Schalters mit seinen besonderen elektrischen und mechanischen Merkmalen und den Aufbau sowie die Betriebsweise des Schalters unter Berücksichtigung der Supraleitfähigkeit des
Stromleitermaterials betreffen.
Um die hohe Spannungsfestigkeit, die hohe Schaltleistung und die hohe Schaltgeschwindigkeit wirkungsvoll zu nutzen, sollte eine Mindestanzahl von Schichten vorgesehen sein, wobei aus Gründen der Symmetrie möglichst eine geradzahlige Anzahl von Schichten vorhanden sein sollte. Bevorzugt werden mindestens vier Schichten.
Supraleiter sind auf dem Markt in verschiedenen Ausführungsformen erhältlich, z.B. als vorisolierter Draht. Bei einer bevorzugten
Ausführungsform der Erfindung sind sämtliche Stromleiterabschnitte aus wickelbarem Draht gebildet, vorzugsweise besteht der gesamte Schalteraufbau aus einem durchgehenden, wickelbaren Draht, wobei die Wicklung in den einzelnen Schichten und die Relation der Wicklungen in benachbarten Schichten so gewählt ist, daß die oben erläuterte gegensinnige Stromführung in benachbarten Stromleiterabschnitten erreicht wird. Auf die spezielle Wicklungsgeometrie wird weiter unten noch näher eingegangen.
Der wickelbare Draht kann aus Filamentdraht mit Widerstandsmatrix bestehen. Bei einem solchen Draht sind zahlreiche sehr dünne Filamente in die Matrix aus Widerstandsmaterial eingebettet. Eine Alternative für den wickelbaren Draht ist ein aus Filamentdrähten gebildetes, z.B. geflochtenes, Kabel. Bei einem solchen wickelbaren Draht lassen sich relativ enge Biegeradien realisieren, ohne daß der Draht beim Wickel Vorgang beschädigt wird. Der intakte, gewickelte Draht kann den vollen Nenn-Strom führen, so daß der durch den Draht gebildete Schalter im geschlossenen Zustand keinen Widerstand besitzt.
Die Stromleiterabschnitte können auch direkt aus Hochtemperatur- Supraleitermaterial bestehen.
Es ist insbesondere bevorzugt, den gesamten Schalteraufbau aus einem durchgehenden Draht auszuführen. Es wird dann keine zusätzliche Länge zur Realisierung der Verlötung der Abschnitte benötigt.
Zur Erzielung eines guten Verhältnisses von elektrischer Schaltleistung zu Volumeneinheit des Schalters ist es günstig, wenn man das insgesamt für die Isolierung und mechanische Stabilisierung des Schalters bereitzustellende Volumen sehr klein hält. Eine praktische Möglichkeit, dies zu erreichen, besteht in dem direkten Wickeln vorisolierter Stromleiter unter Verzicht auf jegliches Strukturmaterial. Bei dieser Ausführungsform werden die bloß vorisolierten Stromleiter zu der gewünschten Form gewickelt, ohne daß weitere spezielle
Isolationsmaßnahmen zwischen den einzelnen Windungen erforderlich wären. Die gewünschte Spannungsfestigkeit wird durch entsprechend große Anzahl der Schichten bzw. Länge des Schalters erreicht, so daß die Vorisolierung ausreicht, Spannungsdurchbrüche zu unterbinden. In einer speziellen Ausführungsform wird die Spannungsfestigkeit durch nachträgliches Tränken mit Isolationsvergußmaterial, z. B. Epoxidharz, erreicht. Dieser Vorgang kann schichtweise oder an der kompletten Einheit erfolgen. Man kann die einzelnen gewickelten Schichten aus vorisoliertem Draht schichtweise mit einer Isolationsschicht ausstatten, so daß man zwischen den Schichten eine erhöhte Isolierung erhält, um der Spannung zwischen zwei in axialer Richtung benachbarten Stromleiterabschnitten zu entsprechen, die etwas höher ist als die Spannung zwischen zwei in radialer Richtung benachbarten Stromleiterabschnitten. Vorzugsweise wird die gesamte Baueinheit des Hochstromschalters mit einer Isolationsschicht versehen, wobei diese in einer speziellen Ausführungsform auch als mechanische Stabilisierung dient.
Anstatt nur vorisolierte Leiter in radialer Richtung zu wickeln, um die einzelnen Schichten zu erhalten, kann man auch Stromleiterabschnitte mit Umhüllungsmaterial verwenden, wobei dieses Umhüllungsmaterial der Stromleiterabschnitte als Isolierung zwischen sowohl in radialer als auch in axialer Richtung benachbarten Stromleitern dient. Das Kriterium für die Auslegung der Spannungsfestigkeit des Umhüllungsmaterials ist dann die höchste zwischen je zwei Schichten auftretende Spannung. Es ist bevorzugt, den gesamten Hochstromschalter mit geeignetem Material auszugießen und mit Hilfe dieses Vergusses (28) eine mechanische Stabilisierung der Einheit zu erhalten. Die oben erläuterten speziellen
Ausführungsformen der Erfindung beziehen sich auf den Einsatz eines wickelbaren Drahts. Alternativ dazu kann man jedoch auch Strukturmaterial verwenden, welches die spätere Form der Wicklung vorgibt, indem man in das Strukturmaterial die Wicklungen einbringt. Das Strukturmaterial kann z.B. ein Isolierstoffkörper sein, der
Freiräume entsprechend den späteren Wicklungen aufweist. Bei Verwendung eines solchen Strukturmaterials wird gemäß einer speziellen Ausführungsform der Erfindung, keramisches Hochtemperatur- Supraleitermaterial als Vorprodukt in die Freiräume des Strukturmaterials eingefüllt, anschließend wird das Supraleitermaterial geeignet wärmebehandelt, z. B. gesintert oder schmelztexturiert. Das Supraleitermaterial kann auch durch Aufdampfen in dünnen Schichten aufgebracht werden.
Das Strukturmaterial kann man nicht nur bei wärmebezuhandelndem
Supraleitermaterial verwenden, sondern auch bei wickelbaren Drähten. In jedem Fall kann das Strukturmaterial als Isoliermaterial und auch als Material zur mechanischen Stabilisierung des Bauteils dienen. Während sich die oben angesprochenen Merkmale des erfindungsgemäßen Hochstromschalters speziell auf die Ausgestaltung der stromführenden Wicklungen selbst beziehen, soll im folgenden näher auf die Einrichtung eingangen werden, mit deren Hilfe die Wicklungen vom supraleitenden in den normal-leitenden Zustand - und umgekehrt - überführt werden.
Zur Überführung vom supraleitenden in den normal-leitenden Zustand wird vorzugsweise eine integrierte Heizung verwendet, die zwischen den axial benachbarten Schichten angeordnet ist. Man kann zwischen jeder benachbarten Schicht eine Heizung integrieren, man kann aber auch Heizungen zwischen jeweils zwei oder drei oder mehr als Block zusammengefaßten Schichten integrieren.
Wenn der erfindungsgemäße Hochstromschalter geschlossen ist, sich die Stromleiterabschnitte also im supraleitenden Zustand befinden, sind sämtliche Stromleiterabschnitte soweit abgekühlt, daß sie unterhalb der
Sprungtemperatur widerstandslos Strom leiten. Um den Schalter zu öffnen, kann man z. B. die oben angesprochene Heizvorrichtung aktivieren, so daß die Temperatur zumindest einzelner Teilbereiche der Stromleiterabschnitte über die Sprungtemperatur ansteigt. Damit bricht der Zustand der Supraleitfähigkeit in den Bereichen erhöhter Temperatur zusammen. Man kann die Heizung so auslegen, daß praktisch sämtliche Stromleiterabschnitte überall gleichzeitig in den normal-leitenden Zustand übergehen. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung reicht es jedoch aus, wenn nur partiell eine Temperaturerhöhung stattfindet. Nach dem Übergang in den normalleitenden Zustand erzeugen die betreffenden Stromleiterabschnitte genügend Verlustwärme, um auch die bis dahin noch nicht normalleitenden, benachbarten Stromleiterabschnitte soweit zu wärmen, daß deren Temperatur über die Sprungtemperatur ansteigt. Dieser Übergang geht relativ rasch vonstatten, so daß innerhalb kurzer Zeit die gesamte
Stromleiterlänge einen sehr hohen elektrischen Widerstand aufweist, was dem geöffneten Schalterzustand entspricht. Um den Hochstromschalter vom normal-leitenden in den supraleitenden Zustand zu überfuhren, müssen die Stromleiterabschnitte soweit abgekühlt werden, daß ihre Temperatur unterhalb der Sprungtemperatur liegt. Dies geschieht normalerweise durch das für die Erzielung der Supraleitfähigkeit erforderliche kryogene Kühlmedium. Besonders bevorzugt werden - ähnlich wie bei den oben erläuterten Heizeinrichtungen - Kühleinrichtungen zwischen einzelnen Schichten des Schalters vorgesehen. In einer besonderen Ausführungsform sind elektrische Thermokraftelemente zwischen den einzelnen Schichten des Schalters angeordnet, beispielsweise spezielle Peltierelemente, die bei den für Supraleiter typischen tiefen Temperaturen zu arbeiten in der Lage sind. Diese Thermokraftelemente können dann sowohl als Heizeinrichtung als auch als Kühleinrichtung betrieben werden, wie es im Prinzip aus dem Stand der Technik bekannt ist.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung dient zur Überführung vom supraleitenden in den normal-leitenden Zustand ein extern erzeugtes Magnetfeld und/oder ein durch die Wicklung geleiteter kurzer, hoher Zusatzstromimpuls. Dieser Zusatzstromimpuls hat eine Dauer von weniger als 10 μs. Er kann auch durch Kurzschließen der Last erzeugt werden. Die Auslösung durch einen Zusatzstromimpuls ist besonders dann vorteilhaft, wenn der Abschaltvorgang äußerst schnell sein soll und sich der Spannungsabfall sofort über die gesamte Leiterlänge ausbilden soll.
Auch hier kann der oben beschriebene Mechanismus der Ausnützung der Selbstheizung verwendet werden.
Je nach Anwendungsfall kann es erwünscht sein, daß der durch die zu schaltende Last fließende Strom in seiner Höhe begrenzt wird. In einem solchen speziellen Fall kann eine besondere Ausführungsform der Erfindung derart ausgelegt sein, daß bei Überschreitung eines Schwellenwerts des ansteigenden Stroms dieser einen spontanen Übergang der Stromleiterabschnitte vom supraleitenden in den normal- leitenden Zustand hervorruft. Wenn anschließend wieder eine ausreichende Abkühlung des Supraleitermaterials erreicht ist (z.B. durch ständig eingeschaltete Kühleinrichtung) wird wieder der supraleitende Zustand eingenommen, so daß sich insgesamt ein periodisches Ein- und Ausschalten durch den erfindungsgemäßen Hochstromschalter realisieren läßt.
Zur Erzielung der Supraleitfähigkeit wird normalerweise ein kryogenes Kühlmedium verwendet. Damit wird der Stromleiter ständig unter die Sprungtemperatur abgekühlt. Um eine Änderung in den normal-leitenden
Zustand auszulösen, erfolgt eine vorübergehende Erwärmung oder es wird ein anderer der oben beschriebenen Mechanismen angewendet. Nach Abschalten der Wärmequelle bzw. eines der anderen Überfuhrungsmechanismen geht der Stromleiter durch die ständige Kühlung "automatisch" wieder in den supraleitenden Zustand
("schließen") über.
Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 eine perspektivische Ansicht eines konkreten Ausführungs- beispiels eines supraleitenden Hochstromschalters gemäß der Erfindung;
Figur 2 eine Schnittansicht entsprechend der Längsmittelebene eines schematisch dargestellten Hochstromschalters,
Figur 2a einen Querschnitt eines mit einer Umhüllung versehenen Filamentdrahts;
Figur 3a eine Schnittansicht bzw. eine perspektivische Ansicht und 4a einer schematischen, zwei Schichten umfassenden Wicklungsanordnung eines erfindungsgemäßen Hochstromschalters ; Figur 3b eine Schnittansicht bzw. eine perspektivische Ansicht und 4b einer schematischen Anordnung als Alternative zu der in Fig. 3a und 4a dargestellten Wicklungsanordnung;
Figur 5 eine perspektivische, schematische Darstellung einer zwei
Schichten umfassenden Wicklungsanordnung mit im Grundriß rechteckigen Doppeldrahtwicklungen;
Figur 6 eine schematische Draufsicht eines eine Wicklungsschicht des erfindungsgemäßen Hochstromschalters bildenden Doppeldrahts;
Figur 7a eine weitere Ausführung einer Wicklung einer Schicht und 7b bzw. eine Wicklung, die durch Umklappen der in Fig. 7a gezeigten Wicklung nach rechts erhalten wird, und Figur 8 einen Formkörper, der Strukturmaterial zur Bildung einer
Wicklung einer Schicht darstellt.
Fig. 1 zeigt perspektivisch einen supraleitenden Hochstromschalter in
Form einer Hochstromschaltereinheit 1. Auf einen Isolierstoffträger 2 sind mehrere Wicklungs-Schichten 10a, 10b, ... 10h in axialer Richtung aneinandergereiht.
Links unten in Fig. 1 ist ein Zylinderkoordinatensystem angedeutet. Das
Koordinatensystem enthält die Zylinderachse Z, die im folgenden als Wickelachse bezeichnet wird, und die in Fig. 1 als strichpunktierte Mittelachse des Trägers 2 dargestellt ist. In den einzelnen Schichten 10a ... 10h sind Stromleiterabschnitte in mehreren Windungslagen gewickelt, wobei die der Wickelachse Z am nächsten liegende Windungslage hier als erste Windungslage bezeichnet wird. Mit zunehmenden Abstand R von der Wickelachse Z erhöht sich die Numerierung der Windungslage. Die Stromrichtung entspricht der Zylinderkoordinate phi, wobei die Stromrichtung der Koordinate - -phi oder -phi entspricht. Die in Fig. 1 dargestellte Hochstromschaltereinheit 1 enthält außerdem mehrere als Peltierelemente ausgeführte Kühl-/Heizelemente 8a, 8b, 8c und 8d, die gemäß Zeichnung zwischen einzelnen Wicklungs-Schichten 10a, 10b; 10c, lOd; lOe, lOf bzw. 10g, 10h liegen. Die beim Kühlen abgegebene Wärme der Peltierelemente wird auf einen Wärmetauscher im Zentrum der zylindrischen Anordnung transferiert. Die Kühl- /Heizelemente 8a-8d sind über eine Stromleitung 14 mit einer Schaltsteuereinrichtung 12 verbunden, die durch Kühlen/Heizen der Schichten 10a ... 10h die Hochstromschaltereinheit 1 schließt bzw. öffnet, indem die Stromleiterabschnitte in den einzelnen Schichten 10a ... 10h in den supraleitenden Zustand bzw. in den normal-leitenden Zustand gebracht werden. Der zu schaltende Strom wird über einen Eingangsanschluß 6 zugeführt und über einen Ausgangsanschluß 4 abgeleitet. Zwischen den Anschlüssen 4 und 6 befindet sich ein durchgehender, supraleitfähiger Stromleiter, der durch Stromleiterabschnitte in den einzelnen Schichten 10a ... 10h gebildet wird. Im normal-leitenden Zustand besitzt der Stromleiter zwischen den Anschlüssen 4 und 6 aufgrund seiner beträchtlichen Länge einen hohen elektrischen Widerstand, was dem Schaltzustand "offen" der
Hochstromschaltereinheit 1 entspricht.
In Fig. 1 ist ein Teil einer Bauteilisolierung 28 dargestellt. Diese aus Kunststoff gebildete Bauteilisolierung 28 umhüllt die Hochstromschaltereinheit 1 vollständig und dient sowohl zur elektrischen
Isolierung als auch zur mechanischen Stabilisierung. Zwischen den einzelnen Schichten 10a ... 10h befinden sich Isolierungen, und auch zwischen den benachbarten Windungen innerhalb jeder Schicht 10a ... 10h befindet sich eine elektrische Isolierung zwischen den benachbarten Stromleiterabschnitten.
In Fig. 2 sind sechs Wicklungsschichten mit jeweils vier Windungslagen schematisch dargestellt. Die erste Windungslage hat von der Wickelachse Z des Trägers 2 einen radialen Abstand R,, die zweite Windungslage hat einen radialen Abstand von R2 usw.
Die schematisch in Fig. 2 dargestellten sechs Wicklungs-Schichten haben einen definierten axialen Abstand, was durch die axialen
Positionen Z,, Z2 ... Z6 angedeutet ist.
Die schematische Schnittdarstellung in Fig. 2 macht deutlich, wie der Strom in einzelnen Stromleiterabschnitten 20 innerhalb der einzelnen Wicklungs-Schichten und innerhalb der einzelnen Windungslagen fließt.
Ein "x" bedeutet einen in die Zeichnungsebene hineinfließenden Strom, ein " . " bedeutet einen aus der Zeichnungsebene herausfließenden Strom. Somit ist aus Fig. 2 ersichtlich, daß innerhalb jeder einzelnen Schicht radial benachbarte Stromleiterabschnitte 20 gegensinnig von Strom durchflössen werden. Das gleiche gilt auch für zwei auf axial aufeinanderfolgenden Schichten benachbart liegenden Stromleiterabschnitten innerhalb einer Windungslage. Wie ersichtlich ist, sind die Stromrichtungen in jeweils zwei benachbarten Stromleiterabschnitten 20 der Windungslage auf dem Radius R, gegensinnig. Wie eingangs ausgeführt, wird durch diese Stromführung eine induktivitätsarme Schaltereinheit gebildet, und aufgrund der damit geringen Energiespeicherung in der Schaltereinheit werden die Schaltvorgänge rasch und mit günstigem Wirkungsgrad ausgeführt. Wie oben angesprochen, erfolgt das Umschalten zwischen supraleitendem Zustand (geschlossener Schalter) und normal-leitendem Zustand
(geöffneter Schalter) durch Überführen des durch die Stromleiterabschnitte 20 gebildeten Stromleiters in den supraleitenden bzw. den normal-leitenden Zustand durch Kühlen/Heizen mit Hilfe von speziell für den Einsatz im tiefkalten Temperaturbereich geeigneten Peltierelementen 8.
Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel sind vorisolierte Drähte aus supraleitendem Material zu Schichten vorgefertigt und auf den zylinderförmigen Träger 2 aufgesteckt, wobei die Drähte nach der Bildung jeweils einer Schicht mit einer Zwischenschicht-Isolierung versehen werden. Nach Fertigstellung der Wicklungen sämtlicher Schichten wird die gesamte Baueinheit mit Epoxydharz zur weiteren Isolation und mechanischen Stabilität vergossen.
Fig. 2a zeigt den Querschnitt durch einen Stromleiterabschnitt 20. Eine Isolierstoff -Umhüllung 22 umschließt ein Widerstandsmatrix-Material 24, in dem Drahtfilamente 26 eingebettet sind.
Im folgenden werden mögliche geometrische Formen benachbarter
Wicklungs-Schichten erläutert, mit deren Hilfe die in Fig. 1 schematisch dargestelle Stromführung erreicht werden kann.
Fig. 3a zeigt zwei Wicklungsschichten mit jeweils vier Windungslagen, wobei die Stromführung derart gewählt ist, daß radial benachbarte
Stromleiterabschnitte innerhalb einer Wicklungs-Schicht den Strom gegensinnig führen, während hingegen zwei in Richtung der Wickelachse benachbarte Stromleiterabschnitte den Strom gleichsinnig führen.
Fig. 4a zeigt in schematischer perspektivischer Ansicht eine mögliche geometrische Anordnung für einen Stromleiter (in Fig. 4a ist die perspektivische Darstellung in axialer Richtung (Z) auseinandergezogen dargestellt). Von der oberen zu der unteren Wicklungs-Schicht erfolgt hier keine Umkehrung der Wicklungsrichtung.
Fig. 4a und 4b zeigen den Aufbau des Hochstromschalters aus einem durchgehenden Draht.
Gemäß Fig. 3b und 4b erfolgt zwischen benachbarten Wicklungs- Schichten eine Umkehrung der Wicklungsrichtung, so daß nicht nur in radialer Richtung benachbarte Stromleiterabschnitte den Strom gegensinnig führen, sondern auch in Richtung der Wicklungsachse benachbarte Stromleiterabschnitte den Strom gegensinnig führen. Fig. 5 zeigt eine Ausführungsform für Wicklungs-Schichten mit rechteckigem Grundriß jeweils als Doppelleiter-Wicklung ausgeführt. Zwei in axialer Richtung benachbarte Wicklungs-Schichten besitzen jeweils in der links unten dargestellten Ecke eine einstückig mit beiden Wicklungen ausgebildete Schichtübergangsverbindung. Die
Stromrichtungen sind in der üblichen Notation angedeutet. Auch hier sind die Ströme in radial benachbarten und in axial benachbarten Stromleiterabschnitten gegensinnig.
Die in Fig. 5 dargestellte Anordnung läßt sich erhalten durch
Verwendung von rechteckigen Isolierstoff-Formkörpern, in deren Hohlräume pulverförmiges keramisches supraleitendes Material eingefüllt wird, woraufhin die gefüllte Formkörperanordnung gesintert wird. Vor dem Sintern kann man mehrere Formkörper in axialer Richtung aneinanderreihen, um nach dem Sintern ein fertiges Bauteil zu erhalten.
Dieses Bauteil braucht dann nur noch mit externen Anschlüssen versehen und in ein Gehäuse eingekapselt zu werden.
Fig. 6 zeigt schematisch eine durch einen Doppeldraht gebildete Wicklung 18, wobei ein Doppeldraht von innen nach außen gewickelt ist. Der Übergang zu der benachbarten Schicht erfolgt dann prinzipiell so, wie dies in Fig. 5 angedeutet ist.
Fig. 7a und 7b zeigen eine weitere Ausführungsform einer Wicklung 18' . Wie aus Fig. 7a hervorgeht, ist von außen nach innen eine
Wicklung geführt, wobei diese Wicklung im Bereich der Wickelachse gewendet und dann in den Zwischenräumen der von außen nach innen geführten Wicklung nach außen geführt ist. Hierdurch werden ebenso wie bei der Wicklung 18 nach Fig. 6 in radial benachbarten Stromleiterabschnitten gegensinnige Ströme geführt.
Fig. 7b zeigt die Wicklung 18' nach Fig. 7a in um 180° nach rechts umgeklappter Anordnung. Die beiden in Fig. 7a und 7b dargestellten Wicklungen werden in axial benachbarten Schichten eingesetzt, wobei der Höhensprung in Richtung der Z- Achse dann jeweils links außen bzw. rechts außen an den beiden Wicklungen erfolgt. Wie man sieht, erreicht man durch Anordnen einer geraden Zahl von derartigen Wicklungs-Schichten eine Schaltereinheit mit einem axial oben liegenden und einem axial unten liegenden Anschluß auf der linken oder der rechten Seite der Baueinheit. Die Ströme werden dabei so geführt, wie dies schematisch in Fig. 2 dargestellt ist (Schachbrettmuster).
Die Ausgestaltung der Wicklung im Bereich des Zentrums, wie sie in Fig. 6, 7a und 7b dargestellt ist, verhindert die Verwendung eines zylindrischen Trägers, wie er im Aufbau nach Fig. 1 verwendet wird. Hier werden zwei halbkreisförmige Träger (71a, 72a, 71b, 72b), die die dargestellte Führung der Wicklung durch das Zentrum ermöglichen, eingesetzt.
Das in Fig. 1 dargestellte Ausführungsbeispiel enthält Wicklungen aus wickelbarem Draht. Als eine alternative Möglichkeit zur Herstellung der Wicklungsschichten kann man mit sogenanntem Strukturmaterial arbeiten. Fig. 8 zeigt eine solches Strukturmaterial in der Gestalt eines scheibenförmigen Formkörpers 40 mit einem kreisscheibenförmigen Boden 44 und in Richtung des Radius spiralförmig verlaufenden Wänden 46 mit einer axialen Höhe entsprechend der Schichtdicke in Z-Richtung, durch die Freiräume 42 gebildet werden.
Die in Fig. 8 dargestellte Anordnung ist lediglich schematisch. In die Freiräume 46 wird pulverförmiges Supraleitermaterial eingefüllt und dann gesintert, so daß eine fertige Wicklungs-Schicht erhalten wird.

Claims

A N S P R U C H E
1. Supraleitender Hochstromschalter, mit folgenden Merkmalen: a) es ist mindestens eine Schicht (10a ... 10h) mit einer Wicklung (18, 18') aus einem supraleitenden Stromleiterabschnitt (20) vorgesehen, um eine Hochstromschaltereinheit (1) zu bilden; b) innerhalb der Wicklungsschicht (10a ... 10h) ist die Leitungsführung derart beschaffen, daß der zu schaltende Strom in in radialer Richtung benachbarten Stromleiterabschnitten (20) gegensinnig fließt; c) es ist eine Schaltsteuereinrichtung (12) vorgesehen, mit der in dem Stromleiterabschnitt (20) eine Änderung zwischen den Zuständen "nicht-supraleitend" und "supraleitend" auslösbar ist.
2. Hochstromschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Schichten (10a ...10h) mit je einer Wicklung in Richtung der Wicklungsachse (Z) aneinandergereiht sind, und daß in verschiedenen Schichten (10a ... 10h) benachbart angeordnete, auf gleichem Radius (R) bezüglich der
Wicklungsachse (Z) befindliche Stromleiterabschnitte (20) gegensinnigen Stromverlauf aufweisen.
3. Hochstromschalter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens vier Schichten (10a ... 10h) vorgesehen sind.
4. Hochstromschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromleiterabschnitte (20) aus wickelbarem Draht bestehen.
5. Hochstromschalter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der wickelbare Draht aus Filamentdraht (26) mit Widerstandsmatrix (24) besteht.
6. Hochstromschalter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der wickelbare Draht aus einem Kabel aus Filamentdrähten besteht.
7. Hochstromschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromleiterabschnitte aus Hochtemperatur-Supraleitmaterial bestehen.
8. Hochstromschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß für den gesamten Schalteraufbau ein durchgehender Draht verwendet wird.
9. Hochstromschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromleiterabschnitte (20) vorisoliert sind und unter Verzicht auf Strukturmaterial direkt gewickelt sind.
10. Hochstromschalter nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die vorisolierten Stromleiterabschnitte nachträglich mit Isolations verguß getränkt werden.
11. Hochstromschalter nach Anspruch 9 und 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Wicklung (18, 18') jeweils einer Schicht (10a ... 10h) nachträglich mit einer Isolationsschicht versehen ist.
12. Hochstromschalter nach Anspruch 9, 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die gesamte Hochstromschaltereinheit (1) mit einer Isolationsschicht (28) versehen ist.
13. Hochstromschalter nach Anspruch 12, bei dem die Isolationsschicht als mechanische Stabilisierungsschicht (28) ausgebildet ist.
14. Hochstromschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 13, bei dem die Stromleiterabschnitte Umhüllungsmaterial (22) aufweisen, das gleichzeitig zur Isolation zwischen den Schichten (10) dient.
15. Hochstromschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Hochstromschaltereinheit (1) eine aus Vergußmaterial (28) gebildete Stabilisierung aufweist.
16. Hochstromschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichten aus vorgeformten
Strukturmaterial (40) bestehen, welches Freiräume (42) aufweist, in die die Wicklungen eingebracht sind.
17. Hochstromschalter nach Anspruch 16, bei dem sich in den Freiräumen (42) wärmebehandeltes oder aufgedampftes keramisches Hochtemperatur-Supraleitermaterial befindet.
18. Hochstromschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß das Strukturmaterial (40) als Isolations- und Stabilisiermaterial ausgebildet ist.
19. Hochstromschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Überführung vom supraleitenden Zustand in den normal-leitenden Zustand durch eine integrierte Heizung (8a-8d) herbeigeführt wird.
20. Hochstromschalter nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die integrierte Heizung (8a ... 8d) axial zwischen den
Schichten (10a ... 10h) angeordnet ist.
21. Hochstromschalter nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, daß die an die Schaltsteuereinrichtung (12) angeschlossene integrierte Heizung (8a-8d) die
Hochstromschaltereinheit (1) nur teilweise vom supraleitenden in den normal-leitenden Zustand überführt, und die komplette Überführung durch Selbstheizung erfolgt.
22. Hochstromschalter nach einem der Ansprüche 19 bis 21 , bei dem zwischen den einzelnen Schichten (10a ... 10h) zusätzliche Kühleinrichtungen vorgesehen sind.
23. Hochstromschalter nach einem der Ansprüche 19 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß zur Heizung und zur Kühlung elektrische Thermokraftelemente (8) , insbesondere Peltierelemente, angeordnet sind.
24. Hochstromschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 18, bei dem die Überführung vom supraleitenden in den normalleitenden Zustand durch ein extern erzeugtes Magnetfeld herbeigeführt wird.
25. Hochstromschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 18, bei dem die Überführung vom supraleitenden in den normalleitenden Zustand durch einen Zusatzstromimpuls herbeigeführt wird.
26. Hochstromschalter nach Anspruch 25, bei dem der
Zusatzstromimpuls eine Zeitspanne von weniger als 10 μs aufweist.
27. Hochstromschalter nach Anspruch 25 oder 26, bei dem der
Zusatzstromimpuls durch den Stromstoß beim Kurzschluß der Last hervorgerufen wird.
28. Hochstromschalter nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß zur vorzugsweise periodischen Abschaltung eines ansteigenden Stroms die Hochstromschaltereinheit (1) derart ausgebildet ist, daß sie bei Überschreiten eines Schwellenwerts des ansteigenden Stroms selbsttätig vom supraleitenden in den normal-leitenden Zustand übergeführt wird.
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