DE1280440B - Einrichtung zum Erzeugen magnetischer Impulse hoher Leistung - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND DEUTSCHES 4ΜΈ®& PATENTAMT Int. Ο.:

HOIv

AUSLEGESCHRIFT

Deutsche Kl.: 21 g - 35

Nummer: 1280440

Aktenzeichen: P 12 80 440.9-33 (S 88895)

Anmeldetag: 24. Dezember 1963

Auslegetag: 17. Oktober 1968

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Erzeugen magnetischer Impulse hoher Leistung unter Verwendung einer supraleitenden Erregerwicklung und einer mit dieser magnetisch gekoppelten Sekundärwicklung.

Auf einigen technischen Gebieten, beispielsweise bei der Wasserstoff-Fusion, der Plasmatechnik, bei Spiegelmaschinen usw., werden starke Magnetfelder benötigt. Oftmals ist die geforderte Feldstärke so groß, daß übliche Magnetspulen nicht mehr ausreichen. Kommt es in diesen Fällen nicht auf einen Dauerbetrieb an, so werden diese Magnetfelder durch Entladung von Speicherkondensatoren in einer Magnetwicklung erzeugt. Hierfür sind sehr große Speicherkondensatoren notwendig. Außerdem bereitet es Schwierigkeiten, die Kondensatorströme zum Anschluß an eine räumlich eng begrenzte Spule zusammenzufassen und die bei der Entladung des Kondensators auftretenden mechanischen Kräfte zu beherrschen. ao

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zum Erzeugen magnetischer Impulse hoher Leistung zu schaffen, die die erwähnten Nachteile nicht besitzt.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß der Induktionsstoß der vom Gleichstrom durchflossenen Erregerwicklung beim Übergang vom supraleitenden in den normalleitenden Zustand ausgenutzt wird, um über die Sekundärwicklung in einer an diese angeschaltete Verbraucherwicklung ein kurzzeitiges, starkes Magnetfeld aufzubauen.

Hier wird als Speicher eine supraleitende Erregerwicklung verwendet. Zur Übertragung dieser Energie auf eine Nutzspule dient eine Sekundärspule, die mit der Erregerwicklung magnetisch gekoppelt ist. Wird der Stromkreis der Erregerwicklung unterbrochen, dann wird etwa die Hälfte der magnetischen Energie der Erregerwicklung in den Sekundärkreis abgegeben. Zur Unterbrechung des Erregerstromkreises dient nicht ein Schalter, sondern es wird die Transition in den normalleitenden Zustand der supraleitenden Wicklung ausgenutzt. Auf diese Weise wirkt sich die große Induktionsspannung nicht schädlich am Schalter aus, sondern verzehrt sich in der hochohmigen Erregerwicklung, ohne nach außen in Erscheinung zu treten und entsprechende Isolation zu beanspruchen.

Um eine gute Ausnutzung der gespeicherten Energie zu bekommen, sind nach einer Weiterbildung der Erfindung Mittel vorgesehen, damit sich die Transition in den normalleitenden Zustand, die an einer Stelle der Erregerwicklung einsetzt, mög-Einrichtung zum Erzeugen magnetischer
Impulse hoher Leistung

Anmelder:

Siemens Aktiengesellschaft, Berlin und München, 8520 Erlangen, Werner-von-Siemens-Str. 50

Als Erfinder benannt:

Dipl.-Ing. Wilhelm Kafka, 8521 Tennenlohe - -

liehst schnell auf die gesamte Wicklung ausdehnt. Derartige Mittel können darin bestehen, die Erregerwicklung abschnittsweise durch Widerstände zu überbrücken, deren Widerstandswerte mindestens um eine Größenordnung kleiner sind als die Widerstandswerte des jeweiligen Spulenabschnittes im normalleitenden Zustand. Eine besonders schnelle Ausbreitung über die Spule läßt sich durch Widerstandsbrücken erreichen, die jede Windung an mehreren Stellen des Umfangs oder längs des ganzen Umfangs mit den beiden Nachbarwindungen verbinden. Bei Beginn der Transition in den normalleitenden Zustand an einer Stelle einer Windung werden dann die Nachbarwindungen sofort angesteckt. Es kann auch zu diesem Zweck jede oder jede zweite Lage der Erregerwicklung mit einem gut wärmeleitenden, axial geschlitzten Metallmantel umgeben werden. Der Metallmantel darf hierbei die Spulenachse nicht völlig umschließen, da er sonst im Fall der Transition in den normalleitenden Zustand als Kurzschlußwindung wirkt und einen Großteil der in den Sekundärkreis zu übertragenden Energie in Wärme umsetzt.

Die Erfindung wird durch Ausführungsbeispiele an Hand der Fig. 1 bis 4 näher erläutert. Hierbei stellt

F i g. 1 das Prinzip der Erfindung,

F i g. 2 eine technisch mögliche Ausführungsform und

F i g. 3 und 4 einen vergrößerten Ausschnitt aus Fig. 2 dar.

Fig. 1 zeigt eine supraleitende Erregerwicklung 1, eine Sekundärwicklung 2 und eine Nutzwicklung 3. Die Sekundärwicklung ist mit der Erregerwicklung durch den magnetischen Fluß 4 verkoppelt. Die Nutzwicklung ist an die Ausgangsklemmen 5 und 6 der Sekundärwicklung angeschlossen. An die Ein-

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gangsklemmen 7 und 8 der supraleitenden Erregerwicklung ist über einen Schalter 9 eine Spannungsquelle 10 anschaltbar. Die Erregerwicklung 1 ist abschnittsweise durch Widerstände 11 bis 14 überbrückt. Diese haben die Aufgabe, die Transition in den normalleitenden Zustand der Erregerwicklung zu beschleunigen.

Es sei angenommen, daß sich die supraleitende Erregerwicklung im-supraleitenden Zustand befindet und der Schalter 9 bereits seit geraumer Zeit geöffnet ist. Die Erregerwicklung ist dann energielos. Beim Anschalten der Gleichspannungsquelle 10 an die Erregerwicklung mittels des Schalters 9 beginnt sich ein Magnetfeld aufzubauen. Dieser Aufbau, welcher von der Ladezeitkonstante abhängt, soll genügend langsam vor sich gehen, um den supraleitenden Zustand der ErregerwicHungnücht zu gefährden: Man muß hierbei mit einer Zeit von etwa 1000 Sekunden.rechnen, wenn der Erregerwicklung ein Energieinhalt von etwa 14 · 10⁶ Ws zugeführt werden soll. Während der Aüfbäuzerf verändeffsTcn auch der Fluß durch die Sekundärwicklung 2. Die hier induzierte Spannung ist aber, auf Grund-der. wesentlich geringeren ■ Windungszahl so "klein,.7däß""bei dem ohmschen Widerstand im Sekundäfkreispraktisch kein Strom fließt. Ist - bei dem - Ladevorgang' der 'Erregerwicklung schließlich ein bestimmter Energiewert und damit ein bestimmter Strom erreicht, dann beginnt in der Erregerwicklung an einer Stelle die Transition in den normalleitenden Zustand.. Bei Anwesenheit der Widerstände 11 bis 14 breitet sich diese Transistion τη den normalleitenden Zustand sehr schnell über die gesamte Erregerwicklung aus. Dies rührt daher, daß jeweils der Spulenteil, der in den normalleitenden Zustand geht, durch den parallelgeschalteten Widerstand praktisch überbrückt wird, so daß der Anteil ίο der Durchflutung, der auf diesen Spulenteil entfallen ist, von den anderen Wicklungen mit übernommen werden muß, und diese dadurch beschleunigt in den normalleitenden Zustand gebracht werden. Ist die . gesamte Erregerwicklung normalleitend geworden₅ dann tritt an ihr ein hoher ohmscher Spannungsabfall auf, der durch eine Flußabnahme erzeugt werden muß, Diese Flußabnahme erzeugt .'an .der eng gekoppelten Sekundärwicklung .eine Spannung, die ürrela^ tiy kurzer-,?;eit in der Nützspule einen großen Strom ind ein starkes Magnetfeld erzeugt. Der Strom klingt , dann entsprechend der Entladezeitkonstante· des Sekundärkreises ab. Bei geeigneter Bemessung des Sekundärkreises 'lassen sich Merfür.:ohne weiteres Zeitkonstanten von der Größenordnung einer Sekunde erzielen, jtva: VeranschauHehung der Größenverhält .. nisse soll-die folgende, zu einem Beispiel gehörende Tabelle dienen: ■""".-.; ..

Erregerwicklung :.': Sekundärwicklung

Nutzwicklimg ' ^ή

Windungszahl -:■'.-/';*. Λ\--r.-.'.-.
Selbstinduktivität ·..t:.;,.:'. .V
WickKingswiderstand ~'..' .·

(normalleitend) ,"„,'.'..,.."..
Mittlerer Spulenduxehmesser.
Spulenlänge .:...... ä ... '„

Aufladezeit .....'.?.:.

Aufladespannung —· /. —

Entladezeitkonstante

Energieeinhalt ...-. ,-... .

Induktion ... .;':..:

Wl = 6,3-10⁵ '-'"- Ll = 2,8-10⁵H

Rl = 20·_:10^βΩ " dl = 100 em

Zl= 100 cm

T = 1000 s

υ = 800 ν

Tl= 14 ms ' El= 14,3-10⁶Ws Wl=~6l

Ll- 2,6-10-sH

Rl = 1,1-ΙΟ"³ Ω
dl= 100cm
Il = i00 cm

WS -— 880
L3= 26-10-3 H

R3= 90-3 Q
d3> = 20cm
13 = 100 cm

T (2 + 3) = 310 ms

El = 5,2 ■ 105

£3 = 5,2-10⁸Ws
200 kG im Volumen
von 81 (= 10 cm
Durchmesser, 100 cm Länge)

Bekanntlich kann .durch einen Schaltvorgang aus einem magnetischem Speicher theoretisch nur die Hälfte der Energie entnommen werden. Die andere Hälfte wird in dem. Schalter in Wärme umgesetzt. Der Schalter ist im vorliegenden Fall die in den normalleitenden Zustand gegangene Erregerwicklung. Hierdurch entsteht bei der - vorliegenden Erfindung auch das Problem, die jeweils bei der Transition in den normalleitenden.,Zustand in der Erregerwicklung auftretende Wärmeenergie abzufangen und abzuführen. Man muß deshalb dafür sorgen, daß um die Wicklung herum eine entsprechend große Wärmekapazität geschaffen wird und daß die Wärme auch schnell abgeleitet werden kann. Wie dieses Problem technisch gelöst werden kann, zeigt das Ausführungsbeispiel der F ig. 2. *

In Fig. 2 ist die Erregerwicklung 1 zwischen Metallmänteln 15 aus gut wärmeleitendem Material, wie Kupfer, eingebettet. Zur Erhöhung der Wärmekapazitat kann an dieser Stelle auch Blei verwendet werden. Die Metallmantel sind, um einen Kurzschluß zu verhindern, axial geschlitzt. Der Wickelraum der Erregerwicklung befindet sich in einem geschlossenen Hohlzylinder 16, der zur Verminderung von Verlusten aus dünnem Blech eines Materials mit großem Widerstandkoeffizienten, beispielsweise Nickel-Chrom, besteht. Der Hohlzylinder besitzt eine Zufuhr 17 und einen Auslaß 18 für das Kühlmedium, beispielsweise Helium. An den Außenwänden des Hohlzylinder 16 sind Stücke 19 aus gut leitendem Material aufgebracht, die die Aufgabe haben, die bei der Transition in den normalleitenden Zustand entstehende Wärme an ein weiteres Kühlmedium abzuführen. Sie dürfen ebenso wie die Metallmäntel 15 nicht völlig geschlossen sein. Der Hohlzylinder 16 wird von einem weiteren Hohlzylinder 20 umschlossen, der ebenfalls dünnwandig ist und aus einem Material mit großem spezifischem Widerstand

besteht. Der Raum zwischen den beiden Hohlzylindern kann über die Zufuhr 21 und Ableitung 22 mit einem weiteren Kühlmittel, beispielsweise Wasser, beschickt werden. Die bisher beschriebene Anordnung ist durch einen Wärmeschutzmantel 23 aus wärmeisolierendem Material völlig umschlossen. Auf diesen ist die Sekundärwicklung 2 aufgebracht. Die Nutzwicklung ist in F i g. 2 nicht dargestellt.
, F i g. 3 läßt einen vergrößerten Teilausschnitt aus F¹ i g. 2 erkennen. Es ist ein Teil eines Leiters 24 der ip Erregerwicklung 1 und zweier benachbarter Metallmäntel 15 zu erkennen. Die Axialschlitze 25, die einen Kurzschluß verhindern, dienen zugleich als Durchtritt für die Kühlflüssigkeit. Der Leiter 24 ist _; mit einer Drahtisolation 26 aus Asbest oder Glasfaser umgeben. Dies erscheint notwendig, damit die örtlich auftretenden Temperaturen in der Größenordnung von 500 bis 600 ⁰K die Isolation nicht beschädigen. An einer oder mehreren Stellen jeder Windung ist der Draht abisoliert und der sich hierdurch ergebende Hohlraum mit einem Widerstandsmaterial 27 ausgegossen. Zur Isolation dieser Stelle gegenüber dem benachbarten Kupfermantel dienen Glimmerscheiben 28.

Fig. 4 zeigt eine Schnittdarstellung der Fig. 3. Aus ihr ist ersichtlich, wie das Widerstandsmaterial benachbarte Windungen miteinander verbindet. Das Widerstandsmaterial erfüllt, wie bereits erwähnt, die Aufgabe, die Transition in den normalleitenden Zustand zu beschleunigen. Es kann beispielsweise aus aufgeschlämmter Kohle, eventuell vermischt mit Ton oder anderen isolierenden Pulvern oder Bindemitteln, bestehen.

Eine besonders schnelle Ausbreitung der Transition in den normalleitenden Zustand bei einfachem Aufbau der Wicklung erhält man unter Verwendung eines Widerstandsmaterials mit großem Widerstandkoeffizienten durch Einbetten der blanken Windungen der Erregerwicklung ganz in das Widerstandsmaterial, nachdem durch Abstandsmittel, beispielsweise eine lockere Umspinnung, dafür gesorgt ist, daß sich die benachbarten Windungen nicht berühren.

Bei dem Ausführungsbeispiel war angenommen worden, daß nur die Erregerspule supraleitend ist, die Sekundärspule und die Nutzspule dagegen aus normalem Draht bestehen. Man kann auch die Sekundärspule supraleitend machen, muß dann aber dafür sorgen, daß sie bei der Transition der Erregerspule in den normalleitenden Zustand im supraleitenden Zustand bleibt.

Eine Verlängerung der Entladezeitkonstante im Sekundärkreis und damit eine längere Ausnutzung der Induktion in der Nutzspule erzielt man, wenn man den Sekundärkreis jeweils kurz vor der Transition abkühlt. Eine Abkühlung auf etwa 100⁰K bringt bereits eine Widerstandsverminderung auf ein Zehntel des ursprünglichen Widerstandes und damit eine Vergrößerung der Entladezeitkonstante. Die Abkühlung läßt sich einfach dadurch erreichen, daß man den Draht der Nutz- und gegebenenfalls der Sekundärspule als Hohlleiter ausführt und kurz vor der Transition der Erregerspule in den normalleitenden Zustand unterkühltes Gas hindurchleitet.

Die zur Beschleunigung der Transition in den normalleitenden Zustand in der Erregerwicklung verwendeten Widerstände dienen zugleich der Sicherung der Erregerspule gegen örtliche Erwärmung und Zerstörung. Es können zusätzlich weitere Sicherungsmaßnahmen, beispielsweise Funkenstrecken, vorgesehen werden. Auch erscheinen in vielen Fällen Sicherheitsventile zum Abfangen des Überdrucks, der beispielsweise durch Verdampfen des Heliums entstehen kann, angebracht.

In vielen Fällen mag es erwünscht sein, daß der Zeitpunkt der Transition in den normalleitenden Zustand willkürlich ist.·Dies wird dadurch erreicht, daß eine Durchflutung von einer solchen Größe gewählt wird, daß hierbei die Transition in den norinalleitenden Zustand noch nicht eintreten kann. Durch zusätzliche Einrichtungen läßt sich mit einer plötzlichen Feld- oder Stromänderung oder mittels eines Temperaturstoßes ein plötzlicher Übergang in den normalleitenden Zustand erzwingen.

Claims (10)

Patentansprüche:

1. Einrichtung zum Erzeugen magnetischer Impulse hoher Leistung unter Verwendung einer supraleitenden Erregerwicklung und einer mit dieser magnetisch gekoppelten Sekundärwicklung, dadurch gekennzeichnet, daß der Induktionsstoß der vom Gleichstrom durchflossenen Erregerwicklung (1) beim Übergang vom supraleitenden in den normalleitenden Zustand ausgenutzt wird, um über die Sekundärwicklung (2) in einer an diese angeschaltete Verbraucherwicklung (3) ein kurzzeitiges, starkes Magnetfeld aufzubauen.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel vorgesehen sind, um die Transition in den normalleitenden Zustand, die an einer Stelle der Erregerwicklung einsetzt, möglichts schnell auf die gesamte Wicklung auszudehnen.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregerwicklung abschnittsweise durch Widerstände (11 bis 14) überbrückt ist, deren Widerstandswerte mindestens eine Größenordnung kleiner als die Widerstandswerte des jeweiligen Spulenabschnitts im normalleitenden Zustand sind.

4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandsbrücken jede Windung an mehreren Stellen des Umfangs oder längs des ganzen Umfangs mit den beiden Nachbarwindungen verbinden.

5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß jede oder jede zweite Lage der Erregerwicklung mit einem gut wärmeleitenden axial geschlitzten Metallmantel (15), vorzugsweise aus Silber oder Kupfer, umgeben ist.

6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregerwicklung mit so viel Wärme aufnehmendem Material gut wärmeleitend verbunden ist, daß die Umwandlung von mehr als der Hälfte der von der Transition in den normalleitenden Zustand gespeicherten magnetischen Energie die Isolation der Wicklung nicht gefährdet.

7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Nutzwicklung und gegebenenfalls die Sekundärwicklung jeweils kurz vor der Transition in den normalleitenden Zustand der Erregerwicklung tiefgekühlt werden.

8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Sekundärwicklung supraleitend und so bemessen ist, daß sie auch bei der Transition in den normalleitenden Zustand der Erregerwicklung supra- leitend bleibt.

9. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die galvanische Verbindung zwischen Nutz- und Sekundärwicklung jeweils kurz vor der Transition in den normalleitenden Zustand der Erregerwicklung hergestellt wird.

10. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Induktivität der Sekundärwicklung nur etwa ein Zehntel der Induktivität der Nutzwicklung beträgt.

In Betracht gezogene Druckschriften:

Britische Patentschrift Nr. 909 918; »G.E. C. Journal«, Vol. 30, 1963, Nr. 3, S. 114 bis 121;

»Cryogenics«, Bd. 2, September 1961, S. 11.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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