DE102004043987B3

DE102004043987B3 - Supraleitfähige Magnetspulenanordnung

Info

Publication number: DE102004043987B3
Application number: DE102004043987A
Authority: DE
Inventors: Volker Dr. Niemann; Gerhard Dr. Roth; Klaus Dr. Schlenga
Original assignee: Bruker Biospin GmbH
Current assignee: Bruker Biospin GmbH
Priority date: 2004-09-11
Filing date: 2004-09-11
Publication date: 2006-05-11
Anticipated expiration: 2024-09-12
Also published as: GB2418068A; GB0518345D0; US20060055494A1; GB2418068B; US7330092B2

Abstract

Eine supraleitfähige Magnetspulenanordnung mit mindestens einer Sektion aus supraleitfähigem Bandleiter, die in einer zylindrischen Wickelkammer (1) zwischen zwei Endflanschen (2, 3) mehrlagig, solenoidartig durchgehend gewickelt ist, ist dadurch gekennzeichnet, dass die Sektion einen axialen Bereich reduzierter Stromdichte (= Notch-Bereich (12)) aufweist, dass die Wickelkammer (1) im Notch-Bereich (12) einen ersten Trennkörper (4) mit einer kegelstumpfförmigen Mantelfläche (5) enthält, der die Wickelkammer (1) axial in zwei Teilkammern (6, 7) trennt, dass der supraleitfähige Bandleiter von einer Teilkammer (6) in die anderen Teilkammer (7) über eine einlagige Überführungswicklung (9) über die kegelstumpfförmige Mantelfläche (5) des ersten Trennkörpers (4) geführt ist und dass ein zweiter Trennkörper (10) vorgesehen ist, der den ersten Trennkörper (4) im Notch-Bereich (12) radial nach außen hin zu einem Kreiszylinder ergänzt, wobei die einlagige Überführungswicklung (9) zwischen den Trennkörpern (4, 10) angeordnet ist. Die erfindungsgemäße Magnetspulenanordnung realisiert somit eine HTS-Spule mit einem Notch-Bereich zur Korrektur von Inhomogenitäten, bei der eine Biegung des Bandleiters mit einem kleinen Krümmungsradius vermieden wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine supraleitfähige Magnetspulenanordnung mit mindestens einer Sektion aus supraleitfähigem Bandleiter, die in einer zylindrischen Wickelkammer zwischen zwei Endflanschen mehrlagig, solenoidartig durchgehend gewickelt ist.
Derartige Magnetspulenanordnungen sind bereits aus dem Stand der Technik bekannt.

Aus DE 35 04 298 A1 ist ein Spulenkörper für eine Kraftfahrzeug-Zündspule mit in Umlaufsrichtung verlaufenden Wicklungskammern bekannt. Die Wicklungskammern sind durch Trennwände begrenzt. Für den Durchtritt des Wicklungsdrahtes von einer Wicklungskammer in die nächste ist ein Ausschnitt vorgesehen, dessen Tiefe kleiner als die Trennwandhöhe ist. Die Wicklungsrichtung des Drahtes muss beim Übergang von einer Wicklungskammer in die andere leicht geändert werden.

In Magnetspulenanordnungen mit Tieftemperatursupraleitern (LTS) werden zur Homogenisierung kompakter Hochfeldmagnete häufig Notches zur Feldkorrektur eingesetzt. Ein herkömmlicher Notch-Bereich wird ausgeführt, indem zunächst die erste Notch-Wicklung auf einer Seite des Notches vollständig gewickelt wird. Anschließend wird der Draht scharf umgebogen und axial durch den Notch geführt. Auf der anderen Seite wird schließlich die zweite Notch-Wicklung gewickelt.

Eine Spulenwicklung für eine HTS-Spule ist aus JP 07103421 bekannt. Dabei handelt es sich um eine Double-Pancake-Spule in der Größenordnung von etwa 10mm, die aus zwei voneinander beabstandeten Spulenabschnitten besteht. Der HTS-Drahte wird von dem ersten in den zweiten Spulenabschnitt durch einen schrägen Übergang mit einem Winkel kleiner als 30° überführt.

Höchste Feldstärken in Magnetspulenanordnungen werden durch den Einsatz von Bandleitern aus Hochtemperatursupraleiter (HTS)-Material in den innersten Magnetspulenwindungen erzielt. Wegen der hohen mechanischen Empfindlichkeit dieser Bandleiter ist jedoch die Ausführung eines Notches nach herkömmlicher Technik in diesem Bereich nicht möglich. Insbesondere die Überführung des Bandleiters von einer Seite des Notches auf die andere mittels der oben beschriebenen scharfen Biegung mit entsprechend kleinem Krümmungsradius ist mit einem HTS-Bandleiter nicht realisierbar. Die mechanische Empfindlichkeit von Bandleitern ist hinsichtlich der Ausbildung eines Notch-Bereichs besonders deshalb problematisch, weil eine Beschädigung des HTS-Leitermaterials einen Defekt der gesamten Magnetspulenanordnung nach sich ziehen würde und somit mit einem hohen Kostenaufwand verbunden wäre. Die Kompensation unerwünschter Inhomogenitäten bei HTS-Spulen muss daher mittels separater Korrekturspulen erfolgen.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Magnetspulenanordnung mit Bandleiter-Material vorzuschlagen die zur Korrektur von Inhomogenitäten einen Notch-Bereich aufweist und bei der die mechanische Belastung auf den HTS-Bandleiter möglichst gering gehalten wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Sektion einen axialen Bereich reduzierter Stromdichte (= Notch-Bereich) aufweist, dass die Wickelkammer im Notch-Bereich einen ersten Trennkörper mit einer kegelstumpfförmigen Mantelfläche enthält, der die Wickelkammer axial in zwei Teilkammern trennt, dass der supraleitfähige Bandleiter von einer Teilkammer in die andere Teilkammer über eine einlagige Überführungswicklung über die kegelstumpfförmige Mantelfläche des ersten Trennkörpers geführt ist, und dass ein zweiter Trennkörper vorgesehen ist, der den ersten Trennkörper im Notch-Bereich radial nach außen hin zu einem Kreiszylinder ergänzt, wobei die einlagige Überführungswicklung zwischen den Trennkörpern angeordnet ist.

Durch die erfindungsgemäße Magnetspulenanordnung ist es möglich, einen supraleitfähigen Bandleiter über eine kegelstumpfförmige Mantelfläche von der ersten in die zweite Wickelkammer zu überführen, so dass bei der Wicklung des Bandleiters keine Krümmung mit kleinem Krümmungsradius durchgeführt werden muss. Unnötige mechanische Belastungen werden demnach bei der Bildung des Notch-Bereichs vermieden. Somit kann eine Magnetspulenanordnung mit einer Sektion aus supraleitfähigem Bandleiter mit einem Notch-Bereich realisiert und auf separate Korrekturspulen verzichtet werden.

Eine bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass der supraleitfähige Bandleiter ein Hochtemperatursupraleiter (=HTS) ist, und vorzugsweise silberstabilisiertes Bi-Sr-Ca-Cu-Oxid oder YBCO enthält. Hierbei kommen die Vorteile der erfindungsgemäßen Magnetspulenanordnung besonders gut zur Geltung, da HTS-Leiter extrem spröde und daher besonders empfindlich gegenüber Verbiegungen mit kleinen Krümmungsradien sind, die mit der vorliegenden Erfindung vermieden werden.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Mantelfläche des ersten Trennkörpers zur Führung des supraleitfähigen Bandleiters spiralig gestuft ist, so dass sich eine gewindeähnliche Strukturierung der Manteloberfläche ergibt, die der Form des Bandleiters angepasst ist. Auf diese Weise wird der Bandleiter im Verlauf der Überführungswicklung optimal gestützt und der Radius der Wicklung kontinuierlich verkleinert. Der Bandleiter erfährt dementsprechend eine minimale Änderung des Krümmungsradius.

Ebenso ist es von Vorteil, wenn die dem ersten Trennkörper zugewandte Fläche des zweiten Trennkörpers spiralig gestuft ist. Der zweite Trennkörper kann dann optimal auf den ersten Trennkörper mit der Überführungswicklung aufgesetzt werden, ohne dass Zwischenräume entstehen, die aufgrund der im Magnetfeld herrschenden Kräfte Ursache für eine unerwünschte Bewegung des Bandleitermaterials innerhalb der HTS-Wicklung sein können.

Bei einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Magnetspulenanordnung ist die Steigung der Wicklung des supraleitfähigen Bandleiters im Notch-Bereich gegenüber der Steigung der Wicklungen in den Teilkammern erhöht.

Alternativ dazu ist eine Ausführungsform vorgesehen, bei der die Steigung der Wicklungen des supraleitfähigen Bandleiters im Notch-Bereich beibehalten wird. Auf diese Weise wird eine kompakte Wicklung der Magnetspulenanordnung realisiert.

Um eine möglichst symmetrische Feldverteilung zu erreichen, ist bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Magnetspulenanordnung der Notch-Bereich gegenüber einer symmetrischen Anordnung derart axial verschoben, dass durch die Überführungswicklung erzeugte Feldeffekte in erster Ordnung ausgeglichen werden.

Bei einer weiteren Ausführungsform ist der erste Trennkörper einstückig mit der Wickelkammer ausgeführt. Hierdurch entfällt das Fixieren des ersten Trennkörpers an der Wickelkammer.

Eine besonders bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass radial außerhalb und/oder radial innerhalb des Notch-Bereichs Wicklungslagen zwischen den Endflanschen durchgewickelt sind. Das Gesamtmagnetfeld kann somit auf die gewünschte Stärke eingestellt werden. Bei radial innerhalb des Notch-Bereichs durchgewickelten Wicklungslagen kann der erste Trennkörper jedoch nicht einstückig mit der Wickelkammer ausgeführt sein.

Der für die Wicklungen verwendete supraleitfähige Bandleiter ist vorteilhafterweise aus elektrisch parallel geschalteten, gestapelten Leiterbändern aufgebaut, da ein einzelnes Leiterband für die gewünschten Anwendungen nicht genügend Strom tragen kann. Die Stromtragfähigkeit der Bandleiterwicklung wird durch diese Maßnahme erhöht.

Vorzugsweise ist die erfindungsgemäße Magnetspulenanordnung supraleitend kurzgeschlossen, so dass ein magnetischer Fluss eingefroren werden kann.

Bei der erfindungsgemäßen Magnetspulenanordnung handelt es sich bevorzugt um einen NMR-Hochfeldmagneten, in dessen Zentrum ein extrem homogenes Magnetfeld erzeugt wird.

Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den Zeichnungen. Ebenso können die vorstehend genannten und die weiter aufgeführten Merkmale je für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.

Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Querschnitts einer Magnetspulenanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung;
2a eine schematische Darstellung des Verlaufs der HTS-Wicklungen einer Magnetspulenanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung; und
2b eine schematische Darstellung des Verlaufs der LTS-Wicklungen einer Magnetspulenanordnung gemäß dem Stand der Technik.
1 zeigt eine Magnetspulenanordnung mit einer Wickelkammer 1, die durch zwei Endflansche 2, 3 begrenzt wird. Die Wickelkammer 1 wird durch einen ersten Trennkörper 4 mit einer kegelstumpfförmigen Mantelfläche 5 in zwei Teilkammern 6, 7 getrennt. Der Trennkörper 4 bildet eine Wand der ersten Teilkammer 6 und kann einstückig mit der Wickelkammer 1 ausgeführt, beispielsweise ausgefräst, kann aber auch auf die Wickelkammer 1 aufgeschraubt oder anderweitig befestigt sein.
Ein einstückiger supraleitfähiger Bandleiter ist in der Wickelkammer 1 solenoidartig durchgehend gewickelt. Für die Wicklungen werden daher keine Joints benötigt. Die so geformten Wicklungen 8, 9 sind in 1 zwecks einer besseren Übersichtlichkeit lediglich an einzelnen ausgewählten Stellen gezeigt. Die mit Pfeilen versehene Schlangenlinie deutet den weiteren Verlauf der Wicklungen 8, 9 des Bandleiters an und zeigen dabei in eine Richtung, die sich nahezu senkrecht zur Längsachse des Bandleiters erstreckt. Die Wicklung 8 verläuft zuerst in der ersten Teilkammer 6 bis zur Höhe des ersten Trennkörpers 4 und geht dann über in die Überführungswicklung 9, welche weiter über die kegelstumpfförmige Mantelfläche 5 des ersten Trennkörpers 4 verläuft. Die Mantelfläche 5 ist zur besseren Aufnahme des Bandleiters, der im Allgemeinen einen rechteckigen Querschnitt aufweist, spiralig gestuft und bildet eine Art Gewinde, so dass der Bandleiter im Bereich der Überführungswicklung 9 durchgehend mit dem ersten Trennkörper 4 Kontakt hat. Dies verhindert eine unnötige Beanspruchung des Bandleiters durch die auf den Bandleiter herrschenden magnetischen Kräfte. Die Stufen der Mantelfläche 5 sind in 1 waagrecht einzeichnet, können aber auch gegen die Waagrechte verkippt ausgeführt sein. Die Überführungswicklung 9 erstreckt sich von der obersten Wickellage der ersten Teilkammer 6 durchgängig bis zur untersten Lage der zweiten Teilkammer 7. Von da an wird der Bandleiter in der zweiten Teilkammer 7 analog zur ersten Teilkammer 6 solenoidartig aufgewickelt. Der Bandleiter wird auf diese Weise ohne große mechanische Belastungen von der ersten Teilkammer 6 in die zweite Teilkammer 7 überführt. Die Überführungswicklung 9 ist von einem zweiten Trennkörper 10 umschlossen, der den ersten Trennkörper 4 zu einem Hohlzylinder ergänzt. Damit der zweite Trennkörper 10 optimal mit der Überführungswicklung 9 kontaktiert ist, kann die dem ersten Trennkörper 4 zugewandte Fläche 11 des zweiten Trennkörpers 10 ebenfalls spiralig gestuft sein. Der Bandleiter ist somit im Bereich der Überführungswicklung 9 durchgehend in Kontakt mit den Trennkörpern 4, 10 und wird von diesen fixiert. Der durch die Trennkörper 4, 10 gebildet Bereich wird Notch-Bereich 12 (siehe 2a) genannt.
Die Überführungswicklung 9, welche über die kegelmantelförmige Mantelfläche 5 des ersten Trennkörpers 4 verläuft, erzeugt im magnetischen Zentrum der Magnetspulenanordnung einen linearen axialen Magnetfeldgradienten. Dies wird durch die unterschiedlich großen Wickelradien der Überführungswicklung 9 hervorgerufen, wodurch die Feldstärke auf der Seite des Notch-Bereichs 12 mit den größeren Wickelradien geringfügig kleiner ist, als die Feldstärke auf der Seite mit den kleineren Wickelradien. Dieser lineare Gradient kann dadurch kompensiert werden, dass der Notch-Bereich 12 leicht in Richtung der Seite mit der höheren Feldstärke verschoben angeordnet wird, so dass sich die Längen der Teilkammern 6, 7 leicht unterscheiden.
2a zeigt eine Draufsicht eines Ausschnitts einer Magnetspulenanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung ohne den zweiten Trennkörper 10. Der Bereich, in dem sich der erste Trennkörper 4, und im Betriebzustand natürlich auch der zweite Trennkörper 10, befindet, definiert den Notch-Bereich 12 und ist hier gestrichelt eingezeichnet. Aus 2a wird deutlich, dass die Überführungswicklung 9 über den gesamten Notch-Bereich 12 stetig durchgewickelt ist, ohne dass der Bandleiter scharfen Biegungen unterzogen ist. Die Wicklungen 8, 9 verlaufen in der ganzen Wickelkammer 1 parallel. Die Windungen der Überführungswicklung 9 sind aufgrund der kegelstumpfförmigen Mantelfläche des ersten Trennkörpers 4 höhenmäßig versetzt, so dass der Bandleiter von der obersten Wickellage der ersten Teilkammer 6 zur untersten Lage der zweiten Teilkammer 7 überführt wird.
Zum Vergleich dazu, zeigt 2b eine Draufsicht eines Ausschnitts einer Magnetspulenanordnung gemäß dem Stand der Technik, bei der ein Leiter nach dem Aufwickeln einer ersten Teilkammer 6 um 90° gebogen wird und auf direktem Weg zur untersten Wicklung der zweiten Teilkammer 7 geführt wird, wo eine erneute Verbiegung des Leiters um 90° notwendig ist. Die Führung 13 des Leiters innerhalb des Notch-Bereichs 12 erfolgt hier also im Wesentlichen senkrecht zu den Wicklungen 8. Dies würde jedoch bei HTS-Leitern zu erheblichen Problemen füh ren, da diese zum einen sehr spröde sind und zum anderen als Bandleiter vorliegen und die benötigte Biegung über die schmale Kante des Bandleiters erfolgen müsste.
Die erfindungsgemäße Wicklung des Bandleiters über einen kegelstumpfförmigen ersten Trennkörper 4 hingegen ermöglicht die Konstruktion eines Notch-Bereichs 12 innerhalb einer HTS-Materialien enthaltenden supraleitenden Magnetspulenanordnung, und somit die Homogenisierung eines kompakten Hochfeldmagneten.

1: Wickelkammer
2: Endflansch
3: Endflansch
4: ersten Trennkörper
5: Mantelfläche
6: erste Teilkammer
7: zweite Teilkammer
8: Wicklungen außerhalb des Notch-Bereichs
9: Überführungswicklung
10: zweiter Trennkörper
11: die dem ersten Trennkörper zugewandte Fläche des zweiten Trennkörpers
12: Notch-Bereich
13: Führung

Claims

Supraleitfähige Magnetspulenanordnung mit mindestens einer Sektion aus supraleitfähigem Bandleiter, die in einer zylindrischen Wickelkammer (1) zwischen zwei Endflanschen (2, 3) mehrlagig, solenoidartig durchgehend gewickelt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Sektion einen axialen Bereich reduzierter Stromdichte bzw. Notch-Bereich (12) aufweist, dass die Wickelkammer (1) im Notch-Bereich (12) einen ersten Trennkörper (4) mit einer kegelstumpfförmigen Mantelfläche (5) enthält, der die Wickelkammer (1) axial in zwei Teilkammern (6, 7) trennt, dass der supraleitfähige Bandleiter von einer Teilkammer (6) in die andere Teilkammer (7) über eine einlagige Überführungswicklung (9) über die kegelstumpfförmige Mantelfläche (5) des ersten Trennkörpers (4) geführt ist, und dass ein zweiter Trennkörper (10) vorgesehen ist, der den ersten Trennkörper (4) im Notch-Bereich (12) radial nach außen hin zu einem Kreiszylinder ergänzt, wobei die einlagige Überführungswicklung (9) zwischen den Trennkörpern (4, 10) angeordnet ist.
Magnetspulenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der supraleitfähige Bandleiter ein Hochtemperatursupraleiter ist, und silberstabilisiertes Bi-Sr-Ca-Cu-Oxid oder YBCO enthält.
Magnetspulenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mantelfläche (5) des ersten Trennkörpers (4) zur Führung des supraleitfähigen Bandleiters spiralig gestuft ist.
Magnetspulenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die dem ersten Trennkörper (4) zugewandte Fläche (11) des zweiten Trennkörpers (10) spiralig gestuft ist.
Magnetspulenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steigung der Wicklung des supraleitfähigen Bandleiters im Notch-Bereich (12) gegenüber der Steigung der Wicklungen (8) in den Teilkammern (6, 7) erhöht ist.
Magnetspulenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Steigung der Wicklungen (8) des supraleitfähigen Bandleiters im Notch-Bereich (12) beibehalten wird.
Magnetspulenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Notch-Bereich (12) gegenüber einer symmetrischen Anordnung derart axial verschoben ist, so dass durch die Überführungswicklung (9) erzeugte Feldeffekte in erster Ordnung ausgeglichen werden.
Magnetspulenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Trennkörper (4) einstückig mit der Wickelkammer (1) ausgeführt ist.
Magnetspulenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass radial außerhalb und/oder radial innerhalb des Notch-Bereichs (12) Wicklungslagen zwischen den Endflanschen (2, 3) durchgewickelt sind.
Magnetspulenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der supraleitfähige Bandleiter aus elektrisch parallel geschalteten, gestapelten Leiterbändern aufgebaut ist.
Magnetspulenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetspulenanordnung supraleitend kurzgeschlossen ist.
Magnetspulenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetspulenanordnung ein NMR-Hochfeldmagnet ist, in dessen Zentrum ein extrem homogenes Magnetfeld erzeugt wird.