DE1764369A1

DE1764369A1 - Schutzschaltung fuer eine supraleitende Magnetspule

Info

Publication number: DE1764369A1
Application number: DE19681764369
Authority: DE
Inventors: Hart Jun Howard Roscoe
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1967-06-28
Filing date: 1968-05-25
Publication date: 1971-04-15
Also published as: FR1571116A; US3466504A; GB1226597A

Description

Patentanwalt

Dr.-Ing. Wilhelm ßoichel

Frankfurt / Main-1

Parksiraße 13 5558

GENEEaL ELECTRIC COMPANY, Scheuectady, N.Y. USA

Schutzschaltung für eine supraleitende Magnetspule

Die Erfindung betrifft eine Schutzschaltung für eine in mehrere Teile unterteilbare supraleitende Magnetspule.

Die Schutzschaltung soll verhindern, daß die supraleitende Magnetspule zerstört wird, wenn ein Teil dieser Magnetspule normal betrieben wird.

Eine supraleitende Magnetspule, wie sie zur Erzeugung sehr starker Magnetfelder verwendet wird, wird normalerweise aus einem herkömmlichen externen Stromversorgungsgerät oder einer Magnetfeldpumpe mit Strom versorgt. Die Magnetfeldpumpe liefert starke Ströme bei cryogenischen Temperaturwerten und hat den Vorteil, daß ihre starken Ausgangsströme in einer Umgebung mit niedriger Temperatur stets aufrecht erhalten bleiben. Da dieser Art von Magnetfeldpumpe ein Halteschalter parallel geschaltet ist, kann man den Strom ständig weiterfließen lassen, wenn man aufhört zu pumpen oder das Pumpen unterbrochen wird. Mithin kann die supraleitende erfindungsgemäße Magnetspule, die normalerweise aus einem herkömmlichen externen Stromversorgungsgerät gespeist wird und gewünschtenfalls einen ihr parallel geschalteten Dauer- oder Beharrungsstromschalter enthält, auch von einer Magnetfeldpumpe dieser Art gespeist werden.

Supraleitende Magnetspulen mit hochwertigen elektrischen und magnetischen Eigenschaften können aus einem nach einem Diffusionsverfahren hergestellten Niobium-Zinn-Band bestehen, das sich von Natur aus leicht in Modularform herstellen läßt. Beim Betrieb großer supraleitender Magnetspulen dieser Art hat

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es sich, jedoch als äußerst zweckmäßig erwiesen, die Spule mit einer Schutzvorrichtung zu versehen, um zu verhindern, caß die Spule zerstört wird, wenn ein Teil der Spule zufällig unbeabsichtigterweise normalleitend wird, während ein starker Strom durch die Spule fließt. Wenn ein Teil der Spule vom supraleitenden in den normalleitenden Zustand übergeht, steigt der Widerstand der Spule an, und die dabei entstehenden ohmschen Verluste können die Spule so stark erwärmen, daß sie zerstört wird. Wenn dagegen ein äußerer Widerstand mit der Spule in Reihe geschaltet ist, um die V/ärme außerhalb der cryogenischen Umgebung abzuführen, kann ein plötzlicher Stromabfall zur Folge haben, daß in der Spule eine so starke Spannung induziert wird, daß Durch- oder Überschläge auftreten.

Um diese Schwierigkeiten zu beseitigen, ist es bekannt, einen ohmschen Widerstand zur Spule parallel zu schalten. Der Wert (die Resistanz) dieses ohmschen Widerstandes überschreitet den Widerstandswert der Spule, wenn die Windungen der Spule supraleitend sind, ist aber kleiner als der Widerstandswert der Spule, wenn irgendein Teil der Windungen der Spule normalleitend oder nichtsupraleitend ist. Mit Hilfe dieses parallel geschalteten »Viderstandes kann die Spule zwar in zufriedenstellender Weise geschützt werden, doch hat dies den Nachteil, daß die elektrische Zeitkonstante der Spule infolge des parallel geschalteten Widerstandes stark vergrößert wird. Wegen dieser großen Zeitkonstante kann es bis zu mehreren Stunden dauern, bis ein so starker Strom durch die Spule fließt, wie er zur Erzeugung der magnetischen Feldstärke erforderlich ist, auf die die Spule ausgelegt ist.

Das Problem der örtlichen Überhitzung supraleitender Magnetspulen wird bislang teilweise dadurch verringert, daß man die Spulen in mehrere Teile unterteilt und zu jedem Teil einen ohmschen Widerstand parallel schaltet. Wegen der Gegeninduktivität zwischen den Teilen einer Spule wird bei einer

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Verringerung des Stroms in irgendeinem Teil, wenn dieser Teil in den normalleitenden Zustand übergeht, sofort ein Stromanstieg in allen anderen Teilen induziert. Da nun aber während des Kormalbetriebs durch die gesamte Spule ein Strom fließt, dessen Stromstärke in der Nähe des kritischen viertes liegt, über dem die Spule in den normalleitenden Zustand "kippt" oder "geschaltet" wird, hat eine Verringerung des Stroms in irgendeinem Teil zur Folge, daß auch in allen anderen Teilen der Strom sofort abnimmt. Wenn dagegen ein einziger ohmscher widerstand zur Spule parallel geschaltet ist, beginnt die Stromabnahme an einer Stelle der Spule und planzt sich mit einer so geringen Geschwindigkeit fort, daß es sein kann, daß sie nicht einmal das andere Ende der Spule erreicht, bevor der Strom praktisch vollständig abgenommen hat. Die begrenzte Fortpflanzungsgeschwindigkeit des normalleitenden Bereiches kann in diesem Falle so gering sein, daß sie nicht ausreicht, eine örtliche Überhitzung und damit Zerstörung der Spule zu vermeiden. Aber auch, wenn die Spule in mehrere Teile unterteilt und zu federn Teil ein Widerstand parallel geschaltet ist, ist die sich dadurch ergebende elektrische Zeitkonstante immer noch sehr viel größer als erwünscht. Durch die Erfindung wird die elektrische Zeitkonstante der Spule demgegenüber erheblich verringert.

Hinzu kommt, daß, wenn das Magnetfeld der in mehrere Teile unterteilten Spule verändert wird, verhältnismäßig starke induzierte Spannungen an den parallel geschalteten ohmschen widerstand gelegt werden, so daß starke ohmsche Verluste entstehen. Diese ohmschen Verluste v/erden jedoch durch die Erfindung vermieden.

Gemäß der Erfindung wird dies dadurch erreicht, daß die Schutzschaltung mehrere Spannungsbegrenzer-Dioden enthält, von denen jede Spannungsbegrenzer-Diode nur dann leitend wird, wenn die an ihr anliegende Spannung einen vorbestimmten Schwellwert überschreitet, daß mindestens eine der Spannungs-

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begrenzer-Dioden jeweils zu einem Teil der Magnetspule parallel geschaltet ist, so daß jede der Spannungsbegrenzer-Dioden in den leitenden Zustand steuerbar ist, wenn die an ihr anliegende Spannung den vorbestimmten Schwellwert überschreitet.

Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Die Erfindung wird nun anhand der beiliegenden Abbildungen von Ausführungsbeispielen näher beschrieben, wobei alle aus der Beschreibung und den Abbildungen hervorgehenden Einzelheiten zur Lösung der Aufgabe im Sinne der Erfindung beitragen können und mit dem Willen zur Patentierung in die Anmeldung aufgenommen wurden.

Fig. 1 zeigt eine bekannte Schutzschaltung, bei der einer supraleitenden Magnetspule ohmsche Widerstände zu einzelnen Spulenteilen parallel geschaltet sind.

Fig. 2 ist ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel einer Schutzschaltung für eine supraleitende Magnetspule und

Fig. 3 ißt ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Wenn eine Stelle in einer supraleitenden Spule in den normalleitenden Zustand übergeht, wandert bekanntlich die Grenzfläche zwischen den supraleitenden und den normalleitenden Zonen in Richtung auf die supraleitende Zone des die Spule umfassenden Leiters wegen der Wärmeleitungseigenschaften des Leiters mit annähernd konstanter Geschwindigkeit, zumindest in der Anfangsphase der Bewegung. Diese Fortpflanzung oder Ausbreitung der normalleitenden Zone ist eine Folge der Erwärmung der normalleitenden Zone beim Stromdurchgang, wenn die Wärme mit einer die tfarmeableitfähigkeit überschreitenden Geschwindigkeit erzeugt wird. Die Ausdehnung der normalleitenden Zone setzt sich solange fort, bis sie entweder das Ende des

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Leiters erreicht hat oder die in der Spule gespeicherte Energie verbraucht ist. Sobald die gesamte Spule in den normalleitenden Zustand übergegangen ist, ist die Gefahr der Zerstörung irgendeines !Teils weitgehend beseitigt, weil dann der Spulenwiderstand groß genug ist, um die Stromstärke zu begrenzen. Bevor die gesamte Spule Jedoch in den normalleitenden Zustand übergegangen ist, bleibt der Spulenwiderstand so niedrig, daß ein starker Strom durch die kleine normalleitende Zone fließen kann und die Wärmeverluste in der normalleitenden Zone die Spulentemperatur so stark erhöhen können, daß die Spule zerstört wird. Wenn Jedoch ein ohmscher Widerstand zur Spule parallel geschaltet ist, kann die in der Spule gespeicherte Energie schnell verbraucht werden, weil ihr ein zweiter Stromzweig zur Verfügung steht. Durch diesen ohmschen Widerstand wird Jedoch nicht nur die elektrische Zeitkonstante der Spule verlängert, sondern auch die Fortpflanzungsgeschwindigkeit des normalleitenden Zustande längs der Spule nicht erhöht. Sie kann sogar verringert werden. Um den Schutz supraleitender Magnetspulen zu verbessern, wurde daher die Schaltung nach Fig. 1 entwickelt, bei der es sich um eine bekannte Schaltung handelt.

Bei der bekannten Schutzschaltung nach Fig. 1 ist die supraleitende Magnetspule in mehrere Wicklungen 11 - 15 unterteilt, von denen Jeder Jeweils ein ohmscher Widerstand 16 - 20 parallel geschaltet ist. Bei diesen Widerständen 16 - 20 kann es sich beispielsweise um Niekel-Chrom-Drähte handeln. Die Magnetspule 10 wird aus einem Stromversorgungsgerät 21 gespeist, bei dem es sich um ein herkömmliches externes Stromversorgungegerät oder um eine Magnetfeldpumpe handeln kann.

■Die Widerstände 16 - 20 haben den Zweck, die Spule 10 durch Aufnahme der in der Spule gespeicherten Energie zu schützen, wenn ein Teil der Spule in den normalleitenden Zustand übergehen sollte. Die Verwendung getrennter ohmscher Widerstände parallel zu den Wicklungen hat den Vorteil, daß dadurch die

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Fortpflanzungsgeschwindigkeit der normalleitenden Zone durch die gesamte supraleitende Spule erhöht und damit die Gefahr der Zerstörung der Spule wegen eines zu lang andauernden Starkstroms in einer normal^eitenden Zone der Spule verringert wird. Wenn also beispielsweise die Wicklung 13 in den normalleitenden Zustand übergeht, erscheint sofort eine Spannung an dieser Wicklung 13. Wegen der Gegeninduktivitäten zwischen den Wicklungen induziert diese Spannung sofort einen zusätzlichen Strom in allen anderen Wicklungen der Spule. i»a die ötromstärke des durch die Spule fließenden Stroms normalerweise in unmittelbarer Nähe des kritischen vVertes liegt, über dem das Magnetfeld und die Stromdichte zusammen die Spule in ihren normal le it end en Zustand schalten, wird zumindest ein größerer Teil der Spule durch den Stromanstieg schnell in den normalleitenden Zustand geschaltet, wodurch sich ein Schutz ergibt, der sich nicht erzielen läßt, wenn ein einziger Widerstand zur gesamten Spule parallel geschaltet ist. Wie schon erwähnt wurde, ist der durch die Spule fließende Strom, wenn die gesamte Spule in ihren normalleitenden Zustand geschaltet ist, nicht mehr so stark, daß die Spule überhitzt würde, so daß die Spule weitgehend vor Zerstörung und auch vor einem Temperaturanstieg, der eine Bückkehr in den supraleitenden Zustand übermäßig verzögern würde, geschützt ist. Die Schaltung nach Fig. 1 hat Jedoch den Nachteil, daß ihre Zeitkonstante sehr groß ist, und zwar aus dem gleichen Grunde, wie er für die Schaltung angegeben wurde, bei der nur ein einziger Widerstand zur gesamten supraleitenden Spule parallel geschaltet ist. Die Zeitkonstanten supraleitender Magnetspulen, denen ohmsehe Widerstände parallel geschaltet sind, wie es in Fig. 1 gezeigt ist, können in der Größenordnung von einer halben Stunde oder darüber liegen. Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß in den Widerständen jedesmal Wärme umgesetzt wird, wenn das Magnetfeld der Spule verändert wird, weil die dann induzierten Spannungen an den Widerständen liegen.

Die erfindungsgemäße Ausführung nach Fig. 2 schützt die supra-

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leitende Magnetspule ebenso wie die Schaltung nach Fig. 1, ohne daß sich jedoch eine so große elektrische Zeitkonstante wie bei der Schaltung nach Fig. 1 ergibt. Nach Fig. 2 sind iialbleiterdioden-bpannungsbegrenzer 25 - 29, die aus Germanium bestehen können, jeweils den Wicklungen 11 - 15 eier supraleitenden Magnetspule 10 parallel geschaltet, die wieder aus einem Stromversorgungsgerät 21 gespeist wird. Die Kennlinien dieser Dioden-Spannungsbegrenzer, die zusammen mit der supraleitenden Magnetspule bei Flüssighelium-Temperaturwerten betrieben werden können, verlaufen derart, daß solange wie die Spannung am Begrenzer unter einem vorbestimmten Schwellwert bleibt, der Begrenzer einen verhältnismäßig hohen ohmschen Widerstand hat. Dieser Widerstand, der etwa 25 Ohm oder etwas mehr betragen kann, ist so groß, daß alle Wicklungen praktisch als ungeshunted angesehen werden können, wenn sie supraleitend sind. Die Zeitkonstante der supraleitenden Spule wird also durch die Spannungsbegrenzer 25 - 29 praktisch nicht beeinflußt, und die ohmschen Verluste in den Spannungsbegrenzern sind praktisch unbedeutend. Wenn die Spannung dagegen unabhängig von ihrer Polarität den erwähnten vorbestimmten Schwellwert überschreitet, a«r im Bereich von 0,02 - 1,0 Volt liegen kann, werden Verunreinigungen im Begrenzer stoßionisiert, so daß der Begrenzer sofort in einen Zustand sehr niedriger Impedanz umschaltet, die im Bereich von 10 ^ bis 10 0hm liegen kann, und eine Stromstärke in der Größenordnung von 1000 oder mehr Ampere zulässig ist. Wenn also beispielsweise die wicklung 13» wie es bei Fig. 1 beschrieben wurde, in den normalleitenden Zustand übergeht, übernimmt der Spannungsbegrenzer, hier der Begrenzer 2?, den Strom, und durch Gegeninduktivitäten induzierte Spannungen bewirken eine Erhöhung in allen übrigen Wicklungen der Spule, so daß die Spule schnell in ihren normalleitenden Zustand geschaltet wird, ohne daß die Spule in irgendeiner Weise infolge der anfänglich nur in der »Vicklung 13 vorhandenen normalleitenden Zone beschädigt wird, wenn die Spannung an der Wicklung 13 unter den erwähnten Schwellwert absinkt, nimmt der Begrenzer 27 wieder seinen

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Zustand hoher Impedanz ein. Wenn die Impedanzen der übrigen Spannungsbegrenzer in ähnlicher Weise ebenfalls wieder ansteigen, kann die supraleitende Magnetspule 10 erneut mit Strom aus dem Stromversorgungsgerät 21 gespeist werden. Es sei darauf hingewiesen, daß die Wicklungen 11 - 15 leicht als Moduln aus einem nach einem Diffusionsverfahren hergestellten Niobium-Zinn-Band hergestellt werden können, an die die Spannungsbegrenzer leicht parallel angelötet werden können.

Fig. 3 zeigt eine zweite Ausführung der Erfindung, bei der alle Spannungsbegrenzer, die an die supraleitende Magnetspule 10 angeschlossen sind, mit einem gemeinsamen Verbindungspunkt in Form einer Wärmesenke (z.B. ein Kühlblech) 37 verbunden werden können. Bei dieser Ausführung liegen zu jeder der »Vicklungen 11-15 der Spule 10 zwei Spannungsbegrenzer 31 und 32, 32 und 33, 33 und 34-, 34- und 35, und 35 und 36 parallel.

Die Wirkungsweise der Schaltung nach Fig. 3 ist im wesentlichen gleich der nach Fig. 2, mit der Ausnahme, daß, wenn irgendeine der Wicklungen in den normalleitenden Zustand übergeht, die beiden an dieser Wicklung liegenden Spannungsbegrenzer in den leitenden Zustand geschaltet werden. Obwohl, wenn zwei der in Iteihe geschalteten Spannungsbegrenzer leitend sind, die Spannung an der dazu parallel geschalteten Wicklung doppelt so groß ist wie die bei der Schaltung nach Fig. 2 im selben Zustand, vorausgesetzt, daß die Diodenspannungsbegrenzer weitgehend gleiche Kennlinien haben, können die Begrenzer 31 - 36 so ausgelegt sein, daß sie im leitenden Zustand einen geringeren Widerstand haben und der Spannungsabfall an ihnen im leitenden Zustand etwa die Hälfte des Spannungsabfalls an den Spannungsbegrenzern 25 - 29 nach Fig. 2 beträgt. Dadurch läßt sich das Betriebsverhalten der Schaltungen nach den Fig. 2 und 3 weitgehend gleichmachen. Die Schaltung nach Fig. 3 erfordert nur einen Dioden-Spannungsbegrenzer mehr als die Schaltung nach Fig. 2.

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Durch die Erfindung ergibt sich also eine supraleitende Magnetspule mit einer parallel geschalteten Schutzschaltung gegen Durchbrennen und Überhitzen, mit einer geringeren elektrischen Zeitkonstante als es bislang möglich schien. Die Schutzschaltung liegt dabei parallel zu Teilen der Magnetspule, ohne daß dadurch die Wärmeverluste beim Speisen der Magnetspule oder Ändern des Feldes der Magnetspule vergrößert werden. Die in der Magnetspule gespeicherte Energie kann auf diese Weise entfernt werden, falls es erforderlich ist oder gewünscht wird, ohne daß die Magnetspule selbst Schaden nimmt oder ihre Zeitkonstante verschlechtert wird.

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Claims

Ρ_§_ΐ=β_η_!_§_η_§_£_Γ_ΰ_ο_1ι=β

1. Schutzschaltung für eine in mehrere Teile unterteilbare Magnetspule, dadurch gekennzeichnet , daß die Schutzschaltung mehrere Spannungsbegrenzer-Dioden (25 - 29; 31 - 36) enthält, von denen jede Spannungsbegrenzer-Diode nur dann leitend wird, wenn die an ihr anliegende Spannung einen vorbestimmten Schwellwert überschreitet, daß mindestens eine der Spannungsbegrenzer-Dioden jeweils zu einem Teil (11 - 15) der Magnetspule (10) parallel geschaltet ist, so daß Jede der Spannungsbegrenzer-Dioden in den leitenden Zustand steuerbar ist, wenn die an ihr anliegende Spannung den vorbestimmten Schwellwert überschreitet.

2. Schutzschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß jede Spannungsbegrenzer-Diode ein Halbleiter ist und zusammen mit der supraleitenden Magnetspule (10) und einer Stromversorgungsvorrichtung (12) in einer cryogenischen Umgebung angeordnet ist und die Spannungsbegrenzer-Diode durch Stoßionisation darin befindlicher Verunreinigung in den leitenden Zustand steuerbar ist.

3. Schutzschaltung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß alle Spannungsbegrenzer-Dioden Halbleiter sind und jeweils zwei Spannungsbegrenzer-Dioden (31» 32; 32, 33; ···; 35» 36) in Reihe geschaltet an je einem Teil (11 - 15) der Magnetspule (10) liegen.

4. Schutzschaltung nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet , daß eine Seite jeder Spannungsbegrenzer-Diode mit einem gemeinsamen elektrischen Verbindungspunkt verbunden ist.

5* Schutzschaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß dieser Verbindungspunkt eine

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Wärmesenke für alle Spannungsbegrenzer-Dioden umfaßt.

6. Schutzschaltung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß mindestens eine der Spannungsbegrenzer-Dioden an jedem der Teile der Magnetspule auch jeweils eine der Spannungsbegrenzer-Dioden an einem benachbarten Teil der Magnetspule umfaßt.

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