DE1283946B

DE1283946B - Generator zum Erzeugen von Stroemen in supraleitenden Spulen

Info

Publication number: DE1283946B
Application number: DES96154A
Authority: DE
Inventors: Dr-Ing Ernst; Massar
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1965-03-24
Filing date: 1965-03-24
Publication date: 1968-11-28
Also published as: BE677978A; CH439514A; GB1076907A; NL6603196A; US3427482A

Description

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Supraleitende Spulen, die in einem wärmeisolierten übertragen und es dort festzuhalten. Gegenüber dem Gefäß mit flüssigem Helium angeordnet sind, werden bekannten Polrad mit Permanentmagnet sind wesentin der Weise erregt, daß von einer außerhalb des lieh größere Feldstärken des Polrades zu erzielen. Gefäßes befindlichen Stromquelle über Zuleitungen Ferner werden Unwuchten vermieden. Im Gegensatz Gleichstrom eingespeist wird und nach dem Aufbau 5 zu der Ausführung, bei der ein Drehfeld von außen des gewünschten Feldes die' Zuleitungen innerhalb zur Einwirkung gebracht wird, ist lediglich ein kleides gekühlten Gefäßes durch supraleitende Schalter ner Energieaufwand zur erstmaligen Erregung des kurzgeschlossen werden. Durch die von außen in das Generators vor Inbetriebnahme erforderlich, gekühlte Gefäß geführten Zuleitungen werden Das Polrad kann vorteilhaft mit einer der Polzahl

Wärmebrücken gebildet, die wegen des verhältnis- io des Elektromagneten entsprechenden Zahl von Polmäßig großen Querschnittes der Leiterdurchführun- stellen aus nichtsupraleitendem Material versehen gen beträchtliche Kühlleistungen erforderlich sein.

machen. Man ist daher in neuerer Zeit dazu über- In der Zeichnung sind Ausführungsbeipsiele der

gegangen, zur Speisung der supraleitenden Spulen Erfindung dargestellt. Es zeigt einen eigenen Generator im Kühlmittel der Spule 15 Fig. 1 einen innerhalb eines gekühlten Gefäßes anzuordnen. Bei einer bekannten Ausführung durch- angeordneten Generator, der mit einer supraleitensetzt das Feld eines kreisförmig bewegten Dauer- den Spule verbunden ist,

magneten eine supraleitende Scheibe aus Blei, deren Fig. 2 eine Draufsicht auf den in Fig. 1 darge-

Mitte mit einem Ende der supraleitenden Spule ver- stellten Gegenstand, bunden ist. Das andere Ende der Spule ist an einen so F i g. 3 eine schematische Darstellung der Erreger-Randpunkt der supraleitenden Scheibe angeschlossen. anordnung für einen mehrpoligen Generator, wobei Die Feldstärke des Dauermagneten, der über eine die einzelnen Teile voneinander abgehoben sind, in das wärmeisolierte Gefäß eingeführte Welle ange- Fig. 4 ein Polrad,

trieben wird, ist so groß, daß die Bleiplatte an der Fig. 5 einen Teilschnitt durch eine Erregeranord-

Stelle, an der der Magnetfluß durch sie hindurch- 35 nung mit Polrad und

tritt, normalleitend wird. Läßt man die mit dem F i g. 6 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer

Dauermagneten rotierende flußdurchlässige Zone Erregeranordnung mit Polrad, durch den supraleitenden Kreis treten, der durch die Mit 1 ist in Fig. 1 ein wärmeisoliertes Gefäß besupraleitende Spule, die Zuleitungen zur Bleitplatte zeichnet, in dem eine supraleitende Spule 2 angeord- und durch diese selbst gebildet ist, so wird in diesem 30 net ist. Die beiden Enden 3,4 der supraleitenden Kreis ein Strom hervorgerufen, der den Fluß des Spule2 sind mit dem Rand6 und dem Mittelteil? Dauermagneten durch einen entsprechenden ent- einer supraleitenden Scheibe 5 elektrisch leitend vergegengesetzten Fluß an anderer Stelle des supralei- bunden. Senkrecht auf diese Scheibe 5 wirkt ein tenden Kreises wieder aufhebt. Bei jeder Umdrehung magnetisches Feld Φ eines Polrades ein, das über eine des Dauermagneten nimmt der Strom sprunghaft 35 Welle 9 von außen angetrieben werden kann. Bei dem weiter zu. Dadurch wird die supraleitende Spule erfindungsgemäßen Generator ist dieses magnetische immer stärker erregt. Um die Spannung und die in- Polrad durch eine Scheibe 8 oder einen Zylinder aus folge der Ankerrückwirkung begrenzte Drehzahl zu supraleitendem Material gebildet und in einem Spalt steigern, hat man auch schon mehrere supraleitende eines außerhalb des gekühlten Gefäßes 1 befind-Segmente auf dem Umfang einer Scheibe hinterein- 40 liehen Elektromagneten 10 angeordnet. Für das ander angeordnet und diese so miteinander verbun- scheiben- bzw. zylinderförmige Polrad 8 dient den, daß die in ihnen erzeugten Spannungen sich zweckmäßigerweise hartes Supraleitermaterial, summieren. Der Elektromagnet 10 hat vorzugsweise zwei

Zur Erzielung größerer Leistungen und Spannun- U-förmige Joche 11, die mit ihren Polschuhen an gen sind bekanntlich die Dauermagneten auch schon 45 Ringe 12,13 aus magnetisierbarem Material angedurch ein Drehfeld ersetzt worden, das durch setzt sind. An dem Ring 12 ist eine der Polpaarzahl ruhende, mit Wechselstrom gespeiste Wicklungen er- des Polrades 8 entsprechende Zahl von Polen 14 anzeugt wird. Diese Wicklungen sind außerhalb des geordnet. Die Ringe 12,13 dienen bei der Erstmagnetiefgekühlten Gefäßes angeordnet und werden nicht tisierung zur Flußverteilung und während des Besupraleitend ausgeführt. Wegen der großen, vom Fluß 50 triebes als magnetischer Rückschluß. Die Erregerzu überbrückenden unmagnetischen Bereiche ist da- wicklung 16 ist als Ringwicklung ausgebildet, bei ein erheblicher Aufwand für die Erregerleistung Zur Magnetisierung des Polrades 8 wird vor der

aufzubringen. Ferner erfordert die Drehfelderzeugung Tiefkühlung des durch das Gefäß 1 umschlossenen einen beträchtlichen baulichen Aufwand. Raumes die Erregerspule 16 mit ihren Klemmen 18

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Genera- 55 über einen Schalter 17 an eine Gleichstromquelle antor zur Erzeugung von Strömen in supraleitenden geschlossen. Es bildet sich dann ein Magnetfluß Φ Spulen, dessen induzierter Teil und dessen durch ein aus, der im wesentlichen von dem Pol 14 zum Ring von außen angetriebenes magnetisches Polrad gebil- 13 übertritt und sich über die Joche 11 schließt. Um deter induzierender Teil innerhalb eines auf Supra- zu vermeiden, daß das Feld beim Drehen des scheileitung ermöglichende Temperaturen kühlbares Ge- 60 benförmigen Polrades 8 wandert und um den Querfäßes angeordnet sind. Gemäß der Erfindung ist schnitt der Flußzone festzulegen, ist das Polrad 8 mit hierbei das magnetische Polrad durch eine Scheibe einer der Polpaarzahl des Polrades entsprechenden oder einen Zylinder aus supraleitendem Material ge- Zahl von Öffnungen 15 versehen, bildet und im Spalt eines außerhalb des kühlbaren Vor Beginn der Magnetisierung wird das Polrad 8

Gefäßes befindlichen feststehenden Elektromagneten 65 so gedreht, daß die Öffnung 15 über dem Pol 14 angeordnet. steht. Danach wird das Polrad 8 beispielsweise durch

Auf diese Weise ist es möglich, ein Magnetfeld Füllen des Gefäßes 1 mit flüssigem Helium supragewünschter Stärke von außen auf das Polrad zu leitend gemacht, worauf die Erregung der Spule 16

abgeschaltet werden kann, da nach Eintritt der Supraleitung das Magnetfeld vom Polrad 8 aufrechterhalten wird. Bei Drehung des Polrades 8 bewegt sich das an ihm haftende Magnetfeld relativ zur Scheibe 5 und erzeugt dort Strom.

Mit dem in den F i g. 1 und 2 dargestellten Generator können lediglich Spulen mit sehr kleiner Induktivität gespeist werden. Um höhere Spannungen zu erzielen, die zur Speisung größerer Spulen nötig sind, kann in bekannter Weise die Scheibe 5 aus mehreren Segmenten 19 zusammengesetzt sein, die in Serie geschaltet sind (F i g. 3). Dabei ist der Ring 12 bzw. 13 mit einer entsprechenden Zahl von Polen 14 und das Polrad 8 mit einer gleichen Anzahl von Öffnungen 15 versehen.

Es ist vorteilhaft, auch das Polrad 8 aus einzelnen supraleitenden Segmenten 20 aufzubauen, die gegenseitig isoliert sind (F i g. 4). Dadurch wird die Ausbildung eines mehrere Pole umfassenden Ringstromes im Supraleitermaterial verhindert, und es werden störende Polungleichheiten vermieden. Die Segmente können auf eine normalleitende Trägerplatte 21 aufgebracht sein. Als Material für die Trägerplatte 21 kann auch elektrisch isolierendes Material, z.B. Kunststoff, dienen.

Es ist auch möglich, die einzelnen Segmente 20 durch elektrisch schlecht leitende Zwischenlagen zu einem Ring zusammenzufassen, ohne daß eine Trägerplatte verwendet wird.

Bei der Drehung des Polrades 8 können Störungen und zusätzliche Verluste durch den veränderlichen magnetischen Widerstand der magnetischen Pfade auftreten. Um dies zu vermeiden, ist es zweckmäßig, zumindest einen der Ringe 12,13 an der Seite, die dem mit Öffnungen 15 versehenen Polrad 8 gegenüberliegt, mit einem ringförmigen Ansatz 22 zu versehen und die Erregung der Spule 16 so zu bemessen, daß in einem dem ringförmigen Ansatz 22 gegenüberliegenden Teil α des Polrades 8 die kritische Feldstärke überschritten wird (F i g. 5). Die Wicklung 16 zum Erzeugen des Magnetflusses wird in diesem Fall erst dann erregt, wenn die Scheibe 5 und das Polrad 8 in den supraleitenden Zustand gebracht sind. Mit der Steigerung des Stromes in der Wicklung 16 steigt die Feldstärke an, bis sie schließlich in den dem ringförmigen Ansatz 22 gegenüberliegenden Teil α der Polplatte 8 überkritische Werte erreicht und dort Normalleitung eintritt. Der Fluß kann dann durch die öffnungen 15 des Polrades 8 hindurchtreten, wobei er so lange ansteigt, bis die durch seinen Anstieg induzierten Ringströme abgeklungen sind. Bei leichtem Zurückgehen mit der Erregung durch Senkung des Stromes in der Spule 16 wird der Teil α des Polrades 8 wieder supraleitend, so daß der zu diesem Zeitpunkt vorhandene Fluß Φ_τ in der Öffnungl5 festgehalten wird. Mit dieser Anordnung wird gegenüber der in den F i g. 1 und 2 dargestellten Ausbildung der Vorteil erreicht, daß die Temperatur des Kühlmittels nicht geändert werden muß, wenn das Magnetfeld auf das Polrad übertragen wird.

Wie in F i g. 6 dargestellt ist, können das Polrad 8 bzw. die einzelnen Segmente des Polrades 8 in radialer Richtung auch aus zwei verschiedenen supraleitenden Materialien zusammengesetzt sein. Vorzugsweise ist das Polrad 8 aus einem supraleitenden Zahnkranz 23 gebildet, über dessen Zähnen 24 ein Ring 25 aus einem supraleitenden Material aufgebracht ist, das eine niedrigere kritische Feldstärke hat als der Zahnkranz 23. Auf diese Weise können am Ring 12 ein ringförmiger Ansatz oder besondere Pole entfallen, so daß das Magnetsystem einfacher ausgebildet werden kann. Die Übertragung des Magnetfeldes auf das Polrad 8 kann in ähnlicher Weise erfolgen, wie dies zu der in F i g. 5 dargestellten Anordnung beschrieben worden ist. An Stelle eines Ringes 25 mit einer niedrigeren kritischen Feldstärke als der Zahnkranz kann auch ein Ring mit einer niedrigeren kritsichen Temperatur verwendet werden.

Der aktive Teil des Polrades 8 kann mit der Welle 9 durch normalleitende Stoffe 26 verbunden werden. Ferner können die öffnungen 15 des Polrades 8 durch normalleitendes oder elektrisch nicht leitendes Material, z.B. durch Kunststoff27, ausgefüllt sein. Auf diese Weise werden die Reibungsverluste bei der Rotation im flüssigen Helium erheblich herabgesetzt.

Um den Aufwand für die Kühlflüssigkeit klein zu halten, ist es vorteilhaft, die Antriebswelle 9 aus Kunststoff oder einem Kunststoffverbundmaterial herzustellen.

Claims

Patentansprüche:

1. Generator zur Erzeugung von Strömen in supraleitenden Spulen, dessen induzierter Teil und dessen durch ein von außen angetriebenes magnetisches Polrad gebildeter induzierender Teil innerhalb eines auf Supraleitung ermöglichende Temperaturen kühlbaren Gefäßes angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß das magnetische Polrad durch eine Scheibe (8) oder einen Zylinder aus supraleitendem Material gebildet und im Spalt eines außerhalb des kühlbaren Gefäßes befindlichen feststehenden Elektromagneten (10) angeordnet ist.

2. Generator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Polrad mit einer der Polzahl des Elektromagneten entsprechenden Zahl von Polstellen aus nichtsupraleitendem Material versehen ist.

3. Generator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Polrad (8) aus hartem Supraleitermaterial besteht.

4. Generator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektromagnet (10) zwei U-förmige Joche (11) hat, die mit ihren Polschuhen an Ringe (12,13) aus magnetisierbarem Material angesetzt sind.

5. Generator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Ring (12 bzw. 13) eine der Polpaarzahl des Polrades entsprechende Zahl von Polen (14) angeordnet ist.

6. Generator nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Polrad (8) mit einer der Polpaarzahl entsprechenden Zahl von Öffnungen (15) versehen ist.

7. Generator nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Polrad (8) aus einzelnen supraleitenden Segmenten (20) aufgebaut ist, die gegenseitig isoliert sind.

8. Generator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Segmente (20) auf eine normalleitende Trägerplatte (21) aufgebracht sind.

9. Generator nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerplatte (21) aus einem elektrisch isolierenden Material besteht.

10. Generator nach den Ansprüchen 4 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß einer der Ringe (12, 13) an der Seite, die dem mit Öffnungen (15) versehenen Polrad gegenüberliegt, mit einem ringförmigen Ansatz (22) versehen ist und die Erregung der Spule (16) so bemessen ist, daß in einem dem ringförmigen Ansatz (22) gegenüberliegenden Teil des Polrades (8) die kritische Feldstärke überschritten wird.

11. Generator nach einem der Ansprüche 1,2 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Polrad (8) in radialer Richtung aus zwei verschiedenen supraleitenden Materialien zusammengesetzt ist.

12. Generator nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Polrad (8) aus einem supraleitenden Zahnkranz (23) gebildet ist, über

dessen Zähnen (24) ein Ring (25) aus einem supraleitenden Material aufgebracht ist, das eine niedrigere kritische Feldstärke hat als der Zahnkranz (23).

13. Generator nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden supraleitenden Materialien voneinander verschiedene kritische Temperaturen haben.

14. Generator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen (15) des Polrades (8) durch normalleitendes oder elektrisch nichtleitendes Material ausgefüllt sind.

15. Generator nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebswelle (9) für das Polrad aus Kunststoff oder einem Kunststoff-Verbundmaterial hergestellt ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen