DE2611266C2 - Supraleitende Magneteinrichtung mit verzögerter Magnetfeldabnahme beim Normalleitendwerden - Google Patents

Description

ring umschlossen ist. Dieser zusätzliche, normalleitende

Ring, der zu der supraleitenden Wicklung des Magneten eine Sekundärwicklung mit einer einzigen kurzgeschlos-

Die Erfindung bezieht sich auf eine supraleitende 55 senen Schleife darstellt, wird zusammen mit der Magneteinrichtung mit verzögerter Magnetfeldabnah- supraleitenden Wicklung des Magneten, die als Primärme beim Normalleitendwerden zur Schwebeführung wicklung angesehen werden kann, auf Tieftemperatur eines Fahrzeugs nach dem elektrodynamischen Absto- gehalten. Bei einem Quench kann der normalleitende ßungsprinzip, mit einer im Betriebszustand kurzge- Aluminiumring einen Teil des magnetischen Flusses des schlossenen Primärwicklung aus supraleitendem Mate- 60 Supraleitungsmagneten übernehmen. Dieser übertragrial und mindestens einer Schleife einer kurzgeschlosse- bare Anteil ist abhängig von der induktiven Kopplung nen Sekundärwicklung aus normalleitendem Material. ... ...

Eine derartige Magneteinrichtung ist

für die Primärwicklung (21) ein zweiter Kurzschlußschalter (26) aus supraleitendem Material vorgesehen ist, der in einem für die Magneteinrichtung (22) erforderlichen Kryostaten (3) mit angeordnet ist.

aus

»Proc. Fifth Int. Cryog. Eng. Conf.« (Proc. ICEC 5), Kyoto (Japan) 1974, Seiten 28 bis 34 bekannt.

Für eine berührungslose Führung von Fahrzeugen mit hoher Geschwindigkeit, beispielsweise über km/h, können magnetische Kräfte verwendet zwischen dem normalleitenden Ring und der supraleitenden Wicklung. Im Quench-Fall wird ein Strom in dem normalleitenden Ring induziert, und das Zusammenbrechen des magnetischen Feldes wird entsprechend verzögert, da der Widerstand des normalleitenden Materials der Sekundärwicklung sehr viel kleiner ist als der Widerstand der Supraleiter der Spule im normallei-

tenden Zustand.

Soll hingegen der bekannte Supraleitungsmagnet, der mit einem solchen Aluminiumring als Magneteinrichtung zur Verzögerung des Zusammenbrechens des Magnetfeldes umschlossen ist auferregi werden, so wird während des Auferregungsvorganges in dem Aluminium ständig ein Strom induziert Mit diesem Strom ist eine entsprechende Wärmeentwicklung verbunden. Beim Abkühlen der Supraleitungsmagnetspule auf ein Temperaturniveau unterhalb der Sprung- :o temperatur des Supraleitermaterials muß diese im Aluminiuinring zusätzlich erzeugte Wärme von einem Kühlmittel mit abgeführt werden. Die hierfür erforderliche Kühlleistung ist verhältnismäßig hoch. Darüber hinaus steigen die von dem Aluminiumring erzeugten Verluste quadratisch mit der Erregungsgeschwindigkeit des Supraleitungsmagneten an. Zur Begrenzung des Kühlmittelbedarfs ist deshalb eine verhältnismäßig lange Auferregungszeit erforderlich.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, eine Magneteinrichtung mit beim Normaileitendwerden verzögerter Magiietfeldabnahme eines im Betriebszustand kurzgeschlossenen Supraleitungsmagneten zu schaffen, der sich verhältnismäßig schnell auferregen läßt, ohne daß damit ein erheblicher zusätzlicher Aufwand an Kühlmittel erforderlich ist.

Diese Aufgabe wird für eine Magneteinrichtung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Sekundärwicklung im Betriebszustand durch einen Schalter kurzgeschlossen ist und daß das normalleitende Material der Sekundärwicklung mit dem supraleitenden Material der Primärwicklung mechanisch zu einem gemeinsamen Leiter verbunden ist, wobei der Querschnitt des normalleitenden Materials wesentlich größer als der des supraleitenden Materials ist.

Die Vorteile dieser Ausbildung eines magnetischen Notlaufs bestehen insbesondere darin, daß beim Auferregen des Supraleitungsmagneten praktisch kein Strom in der zugeordneten normalleitenden Sekundärwicklung hervorgerufen wird und somit eine entsprechende Erwärmung des normalleitenden Materials dieser Wicklung vermieden wird. Im Betriebszustand ist die Sekundärwicklung durch einen Schalter kurzgeschlossen, so daß bei einem Quench das Zusammenbrechen des Magnetfeldes über diesen geschlossenen Sekundärkreis verzögert werden kann.

Bei der Magneteinrichtung nach der Erfindung ist das normalleitende Material der Sekundärwicklung mechanisch mit dem supraleitenden Material der Primärwicklung zu einem gemeinsamen Leiter verbunden, aus dem eine supraleitende Magnetspule gewickelt ist. Insbesondere können supraleitende Leiter vorgesehen sein, die von vornherein in dem normalleitenden Material eingebettet sind. Durch die gute Kopplung zwischen normalleitendem und supraleitendem Material und die Wahl eines großen Leiterquerschnittes für das normalleitende Material wird erreicht, daß der gesamte magnetische Fluß der supraleitenden Primärwicklung von der normalleitenden Sekundärwicklung übernommen wird und das Magnetfeld mit einer der Sekundärwicklung entsprechenden großen Abklingzeit abnimmt. Unter dieser Abklingzeit ist dabei die Zeit zu verstehen, die nach dem Eintreten eines Quenches vergeht, bis die magnetische Induktion auf einen vorbestimmten Wert abgesunken ist. Da ferner beim Auferregen der Primärwicklung der Kurzschluß der Sekundärwicklung aufhebbar ist, werden nur verhältnismäßig kurze Auferregungszeiten und damit ein entsprechend begrenzter Kühlmittelaufwand erforderlich.

Der FR-PS 2198 682 ist zwar ebenfalls eine Magneteinrichtung zu entnehmen, die eine im Betriebszustand kurzgeschlossene Primärwicklung aus supraleitendem Material und eine Sekundärwicklung aus normalleitendem Material enthälL Die magnetisch mit der Primärwicklung gekoppelte Sekundärwicklung soll aber dazu dienen, die in der Primärwicklung gespeicherte Energie zu einem vorbestimmten Zeitpunkt auf einen äußeren Verbraucher auszukoppeln. Dabei wird mit dem Schließen eines zwischen der Sekundärwicklung und dem Verbraucher angeordneten Schalters diese Energieauskopplung eingeleitet Eine solche Energieauskopplung ist jedoch nur möglich, wenn der Verbraucher einen wesentlich höheren Widerstand als die Sekundärwicklung aufweist, d. h. eine im Betriebszustand kurzgeschlossene Sekundärwicklung ist bei dieser bekannten Magneteinrichtung nicht vorgesehen. Damit können in dem Sekundärkreis dieser Magneteinrichtung auch keine ausreichend hohen Ströme erhalten werden, die gewährleisten, daß ein zur Schwebeführung eines Fahrzeugs ausreichend starkes Magnetfeld eine vorbestimmte Zeit lang aufrechterhalten bleibt.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung und deren in den Unteransprüchen gekennzeichneten Weiterbildungen wird auf die Zeichnung Bezug genommen, in deren F i g. 1 und 2 schematisch Ausführüngsbeispiele eines Supraleitungsmagneten mit einer Einrichtung zur Verzögerung der Abnahme seines Magnetfeldes gemäß der Erfindung angedeutet sind.

In F i g. 1 ist stark vereinfacht ein Blockschaltbild für eine solche Magneteinrichtung veranschaulicht. Diese Magneteinrichtung dient zur Hub- oder Seitenführung eines Fahrzeugs nach dem elektrodynamischen Abstoßungsprinzip und enthält eine supraleitende Magnetspule 22, die innerhalb eines durch eine strichpunktierte Linie angedeuteten Kryostaten 3 angeordnet ist und deren Leiter von einem Kühlmittel, z. B. flüssigem Helium, auf einem Temperaturniveau unterhalb der Sprungtemperatur ihres Supraleitermaterials gehalten werden. Die tiefstgekühlte Magnetspule, die an eine auf Raumtemperatur befindliche Stromversorgung 6 außerhalb des Kryostaten 3 anzuschließen ist, weist eine Sekundär- und eine Primärwicklung auf, wobei die Sekundärwicklung aus normalleitendem Material 20 und die Primärwicklung aus supraleitendem Material 21 gebildet sind. Normalleitendes und supraleitendes Material sind erfindungsgemäß mechanisch zu einem gemeinsamen Leiter verbunden. Die Magnetspule 22 ist somit aus einem einzigen stabilisierten Supraleiter gewickelt. Gegenüber einer rein thermischen und/oder elektrischen Vollstabilisierung eines Supraleiters ist jedoch erfindungsgemäß der Querschnitt des normalleitenden Materials wesentlich größer als der des supraleitenden Materials, um eine ausreichende Verzögerung des Zusammenbrechens des Feldes der Magnetspule 22 zu bewirken. Der Supraleiter 20, 21 ist somit überstabilisiert. Diese normalleitende Sekundärwicklung stellt so den magnetischen Notlauf für den supraleitenden Primärkreis dar. Da ein Kurzschluß sowohl der Primär- als auch der Sekundärwicklung des Supraleitungsmagneten 22 für den Auferregungsvorgang vorteilhaft aufgehoben wird, jedoch im Betriebszustand vorgesehen sein muß, können die überstabilisierten Supraleiter 20, 21 der Magnetspule 22 mittels eines einzigen Schalters 24 kurzgeschlossen werden, der einen normalleitenden, mit dem normalleitenden Mate-

rial 20 der Sekundärwicklung und einen supraleitenden, mit dem supraleitenden Material 21 der Primärwicklung verbundenen Strompfad aufweist. Dieser Schalter ist in dem für die Spule 22 vorgesehenen Kryostaten 3 mit angeordnet.

Sol! zum Kurzschließen der supraleitenden Magnetspule 22 auf einen derartigen supraleitenden Schalter 24 mit überstabilisierten Kontakten verzichtet werden, so kann gemäß der Ausführungsform nach F i g. 2 in dem supraleitenden Primärkreis der Magnetspule 22 ein Kurzschlußschalter 26 angeordnet sein, dessen Kontakte nicht oder nur teilweise durch normalleitendes Material stabilisiert sind. Das normalleitende Material der Leiter kann im Bereich dieses Schalters beispielsweise durch Abätzen entfernt sein. Bei dieser Ausführungsform ist dann jedoch für den normalleitenden Sekundärkreis ein weiterer normalleitender Kurzschlußschalter 27 erforderlich, der außerhalb eines Kryostaten 3 auf Raumtemperatur angeordnet ist. Für diesen Schalter lassen sich dann entsprechend einfachere Ausführungsformen wählen, da für ihn gegenüber der Ausführungsform des Schalters 24 nach F i g. 1 keine Bedienungselemente mit einem Temperaturübergang von Raumtemperatur auf Tieftemperatur erforderlich sind. Der normalleitende Schalter 27 ist mit dem normalleitenden Stabilisierungsmaterial 20 der Magnetspule 22 verbunden. Es kann jedoch auch ein Schalter innerhalb des Kryostaten 3 vorgesehen werden.

Von entscheidendem Einfluß auf die Verzögerung des Zusammenbrechens des von den supraleitenden Magnetspulen 22 gemäß den vorstehenden F i g. 1 und 2 hervorgerufenen Magnetfeldes ist der magnetfeldabhängige Widerstand des Normalleitermaterials. Die Normalleiter der Sekundärwicklung befinden sich nämlich beim Auftreten eines Quenches in einem hohen magnetischen Feld. Materialien mit einem verhältnismäßig kleinen magnetfeldabhängigen Widerstand wie beispielsweise Aluminium können deshalb besonders vorteilhaft verwendet werden.

Darüber hinaus führt auch ein höheres Restwiderstandsverhältnis des Normalleitermaterials zu einer Verlängerung der Abklingzeit des Magnetfeldes. Auch aus diesem Grund ist beispielsweise Aluminium

ίο vorteilhafter als vergleichsweise Kupfer.

Auch die enge Kopplung zwischen dem supraleitenden Material der Primärwicklung und dem normalleitenden Material der Sekundärwicklung führt zu einer Verlängerung der Abklingzeiten des Magnetfeldes. Die günstigsten Kopplungswerte zwischen Supraleiter und Normalleiter können bei einer stabilisierten Ausführungsform des Leiters für die supraleitenden Magnetspulen erreicht werden.

Ferner muß in den Magnetspulen das Verhältnis von normalleitendem Querschnitt der Sekundärwicklung zu supraleitendem Querschnitt der Primärwicklung so groß sein, daß der magnetische Notlauf zu einer ausreichenden Abklingzeit des Magnetfeldes führt. Es muß deshalb im allgemeinen ein Querschnittsverhältnis zwischen 10 und 50 gewählt werden. Ein Querschnittsverhältnis zwischen 15 und 30 hat sich als besonders günstig erwiesen. Von zu hohen Werten des Querschnittsverhältnisses wird im allgemeinen abgesehen, weil mit ihnen entsprechend die Größe der Magnetspulen anwächst. Zu große Werte sind auch deshalb nicht sinnvoll, weil das Abklingverhalten des Magnetfeldes zunächst durch den Skin-Effekt bestimmt wird, d. h. der Strom dringt nur verhältnismäßig langsam in den gesamten Normalleitungsquerschnitt ein.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Supraleitende Magneteinrichtung mit verzögerter Magnetfeldabnahme beim Normalleitendwerden zur Schwebeführung eines Fahrzeugs nach dem elektrodynamischen Abstoßungsprinzip, mit einer im Betriebszustand kurzgeschlossenen Primärwicklung aus supraleitendem Material und mindestens einer Schleife einer kurzgeschlossenen Sekundärwerden. Nach dem sogenannten elektrodynamischen Verfahren entstehen diese magnetischen Führungskräfte dadurch, daß bei einer relativen Bewegung eines Magnetfeldes über einer Leiterplatte Strome erzeugt werden, die abstoßende Kräfte zwischen der Leiterplatte und der das Magnetfeld erzeugenden Spule hervorrufen. Eine derartige Führung nach dem elektrodynamischen Abstoßungsprinzip läßt sich praktisch nur dann verwirklichen, wenn die Erzeugung der magneti-

wicklung aus normalleitendem Material, dadurch io sehen Felder mit Hilfe supraleitender Magnetspulen gekennzeichnet, daß die Sekundärwicklung erfolgt Diese Spulen können zweckmäßig im Kurz-

(20) im Betriebszustand durch einen Schalter (24; 27) ' ' "

kurzgeschlossen ist und daß das ncrmalleitende Material (20)

supraleitenden

der Sekundärwicklung mit dem Material (21) der Primärwicklung mechanisch zu einem gemeinsamen Leiter verbunden ist, wobei der Querschnitt des normaüeitenden Materials (20) wesentlich größer als der des supraleitenden Materials (21) ist

2. Magneteinrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein Querschnittsverhältnis zwischen dem normalleitenden Material (20) der Sekundärwicklung und dem supraleitenden Material (21) der Primärwicklung zwischen 10 und 50.

3. Magneteinrichtung nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch ein Querschnittsverhältnis zwischen 15 und 30.

4. Magneteinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als normalleitenschlußbetrieb arbeiten, da der einmal in sie eingespeiste Erregerstrom ohne Zufuhr elektrischer Energie von außen mit einer geringen Abfallrate, beispielsweise von nur einigen Promille pro Tag, praktisch konstant gehalten werden kann, falls der Einfluß von oszillierenden Magnetfeldern auf die Stromtragfähigkeit der Supraleiter nicht zu hoch ist (vgl. »Cryogenics«, Januar 1976, Seiten 33 bis 38). Das die Stütz- und Führungskräfte des elektrodynamischen Systems erzeugende Magnetfeld wird somit von einer Energiequelle an Bord eines Fahrzeugs unabhängig.

Um den supraleitenden Zustand in den Magnetspulen aufrechtzuerhalten, müssen deren supraleitende Leiter mittels eines kryogenen Mediums, im allgemeinen mittels flüssigem Helium, auf ein Temperaturniveau unterhalb der sogenannten Sprungtemperatur des Supraleitermaterials gekühlt werden. In einem Störungsfallt, beispielsweise aufgrund einer Störung in dem

des Material (20) der Sekundärwicklung Aluminium 30 für die Spule erforderlichen Kältesystem, kann es hoher Reinheit vorgesehen ist jedoch zu einem sogenannten Quench kommen, bei dem

die Spule normalleitend wird. In diesem Fall muß

5. Magneteinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Sekundärwicklung (20) und die Primärwicklung (21) mittels wird. In diesem

verhindert werden, daß das Magnetfeld der Spule - . . schlagartig zusammenbricht; denn bei abnehmendem

eines einzigen Schalters (24) kurzzuschließen sind, 35 Strom in der Magnetspule nimmt bei konstanter der einen normalleitenden, mit dem normalleitenden Schwebehöhe die Hubkraft des Magneten mit dem Material (20) der Sekundärwicklung verbundenen - - - und einen supraleitenden, mit dem supraleitenden

Material (21) der Primärwicklung verbundenen Quadrat der Stromstärke ab. Da die Hubkraft mit dem Fahrzeuggewicht übereinstimmt, nimmt somit die Schwebehöhe mit dem Quadrat der Stromstärke ab. Um

Strompfad aufweist und der in einem für die 40 zu verhindern, daß die Schwebehöhe eines Fahrzeugs Magneteinrichtung (22) vorgesehenen Kryostaten entsprechend schnell absinkt, müssen also zusätzliche (3) mit angeordnet ist. Maßnahmen vorgesehen sein, die ein verhältnismäßig

6. Magneteinrichtung nach einem der Ansprüche 1 langsames Zusammenbrechen des Magnetfeldes bewirbis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Sekundär- ken, damit ein geregeltes Anhalten des Fahrzeugs wicklung (20) mittels eines ersten Schalters (27) aus 45 ermöglicht wird.

normalleitendem Material kurzzuschließen ist und Die entsprechende, aus dem eingangs genannten

Bericht der ICEC 5 bekannte Magneteinrichtung, die in der magnetischen Schwebetechnik nach dem elektrodynamischen Abstoßungsprinzip auch als Notlaufsystem bezeichnet wird, weist einen Supraleitungsmagneten auf, der von einem topfartig ausgebildeten Aluminium-