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HINTERGRUND
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Die Erfindung betrifft allgemein supraleitende Magnete und insbesondere supraleitende Magnete mit verbesserten Tragstrukturen zur Halterung supraleitender Spulen.
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Supraleitende Magnete werden in vielen Anwendungen, wie beispielsweise Magnetresonanzbildgebungssystemen und Zyklotron-Magnetsystemen, verwendet. Supraleitende Magnete weisen im Allgemeinen mehrere supraleitende Spulen zur Erzeugung eines Magnetfeldes und ein oder mehrere Tragelemente zur Halterung supraleitender Spulen auf. Die „supraleitende Spule” wird hier nachfolgend der Einfachheit halber als „Spule” bezeichnet.
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Wenn die supraleitenden Magnete erregt werden, erzeugen die Spulen axiale elektromagnetische (EM-)Kräfte und radiale EM-Kräfte. Das eine oder die mehreren Tragelemente werden verwendet, um die Spulen gegen die axialen EM-Kräfte abzustützen. Die radialen EM-Kräfte sind im Allgemeinen durch die eigenen Umfangsspannungen der Spulen bedingt, was zu Umfangsspannungen und radialen Dehnungen in den Spulen führt. Derartige radiale Dehnungen der Spule können reibende Bewegungen an den Kontaktstellen zwischen den Spulen und dem einen oder den mehreren Tragelementen hervorrufen. Die reibenden Bewegungen erzeugen Wärme, die die Spulen quenchen und zur Magnetinstabilität der supraleitenden Magnete führen kann. Dies ist bei niedrigen Temperaturen, wie beispielsweise der Flüssigheliumtemperatur, besonders beachtlich, weil die Spulen eine sehr geringe Wärmekapazität aufweisen und eine kleine thermische Störung die Temperaturen der Spulen derart erhöhen kann, dass diese ihre Grenzen überschreiten, wodurch ein Quenchen der Spule bewirkt wird.
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Einige herkömmliche supraleitende Magnete lassen gewisse reibende Bewegungen an den Kontaktstellen zu, indem sie mehr supraleitendes oder normales Metallmaterial in den Spulen aufweisen, um die thermischen Störungen aufzunehmen. Jedoch sind supraleitende Materialien kostspielig, und die Hinzufügung weiteren Materials zu den Spulen ergibt höhere Produktionskosten. In einem anderen herkömmlichen supraleitenden Magneten sind die Spulen unmittelbar an der Tragstruktur angeklebt. Die Klebefestigkeit an den Verbindungsstellen bewirkt, dass sich das eine oder die mehreren Tragelemente gemeinsam mit den Spulen bewegen. Jedoch können uneinheitliche Bewegungen Risse an den Verbindungsstellen hervorrufen, was zu thermischen Störungen an den Spulen führt.
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Folglich besteht ein Bedarf, supraleitende Magnete mit einer verbesserten Tragstruktur zu schaffen, um eine bessere Magnetstabilität zu erreichen.
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KURZBESCHREIBUNG
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Gemäß einer Ausführungsform weist ein supraleitender Magnet wenigstens eine supraleitende Spule, wenigstens ein Tragelement und wenigstens eine nachgiebige Verbindungseinrichtung auf, die zwischen der supraleitenden Spule und dem Tragelement eingefügt ist. Die supraleitende Spule definiert eine Radialrichtung. Das Tragelement ist mit der supraleitenden Spule gekoppelt und hält die supraleitende Spule entlang einer Axialrichtung, die im Wesentlichen senkrecht zu der Radialrichtung verläuft. Die nachgiebige Verbindungseinrichtung ermöglicht eine Bewegung entlang der Radialrichtung, wenn der supraleitende Magnet erregt ist.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist ein supraleitender Magnet wenigstens eine supraleitende Spule, die eine Radialrichtung definiert, und wenigstens ein Tragelement, das die supraleitende Spule entlang einer Axialrichtung hält, die zu der Radialrichtung im Wesentlichen senkrecht ausgerichtet ist. Das Tragelement weist einen nachgiebigen Abschnitt auf, der an der supraleitenden Spule befestigt und eingerichtet ist, um eine radiale Bewegung entsprechend einer Bewegung mit der supraleitenden Spule zu ergeben, wenn der supraleitende Magnet erregt ist.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist ein supraleitender Magnet mehrere supraleitende Spulen, mehrere Tragringe und mehrere Tragstäbe auf. Die supraleitenden Spulen sind in einer Axialrichtung voneinander beabstandet angeordnet. Die Tragringe sind jeweils mit den Außendurchmesserflächen der supraleitenden Spulen gekoppelt. Jeder Tragstab ist an den Außendurchmesserflächen der Tragringe befestigt, um die Tragringe axial zu haltern.
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Diese und weitere Vorteile und Merkmale werden anhand der folgenden detaillierten Beschreibung von Ausführungsformen der Erfindung, die in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen angegeben sind, besser verstanden.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 zeigt eine schematisierte Perspektivansicht eines supraleitenden Magneten gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
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2 zeigt eine perspektivische Teilansicht des supraleitenden Magneten, geschnitten entlang der Linie w-w in 1;
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3 zeigt eine perspektivische Teilansicht eines supraleitenden Magneten gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
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4 zeigt eine perspektivische Teilansicht eines supraleitenden Magneten gemäß einer noch weiteren Ausführungsform der Erfindung;
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5 zeigt eine perspektivische Teilansicht eines supraleitenden Magneten gemäß einer noch weiteren Ausführungsform der Erfindung;
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6 zeigt eine perspektivische Teilansicht eins supraleitenden Magneten gemäß einer noch weiteren Ausführungsform der Erfindung;
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7 zeigt eine Perspektivansicht eines supraleitenden Magneten gemäß einer noch weiteren Ausführungsform der Erfindung; und
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8 zeigt eine perspektivische Teilansicht des supraleitenden Magneten aus 7.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Ausführungsformen gemäß der vorliegenden Offenbarung sind hier nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. In der folgenden Beschreibung sind allgemein bekannte Funktionen oder Konstruktionen nicht im Einzelnen beschrieben um zu vermeiden, dass sich die Beschreibung in unnötigen Details verliert.
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1 veranschaulicht einen supraleitenden Magneten 10 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Der supraleitende Magnet 10 enthält zwei Spulen 12, die entlang einer Axialrichtung getrennt angeordnet sind, und ein Tragelement 14, das zwischen den beiden benachbarten Spulen 12 angeordnet ist, um einen axialen Halt zu bieten. In einer Ausführungsform sind die Spulen 12 und das Tragelement 14 zylindrisch und zueinander axial ausgerichtet sowie konzentrisch. In einer noch anderen Ausführungsform enthält der supraleitende Magnet 10 mehrere Abschnitte, von denen jeder eine ähnliche Konfiguration wie die in 1 veranschaulichte aufweist.
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In diesem Beispiel ist eine nachgiebige Verbindungseinrichtung 17 zwischen den Spulen 12 und dem Tragelement 14 eingefügt, wobei die nachgiebige Verbindungseinrichtung 17 konfiguriert ist, um die radiale Bewegung der Spulen 12 aufzunehmen, um reibende Bewegungen und thermische Störungen zu minimieren oder zu beseitigen, wenn der supraleitende Magnet 10 erregt ist. Außerdem ist das zur Herstellung der nachgiebigen Verbindungseinrichtung 17 verwendete Material kostengünstiger als Materialien, die unmittelbar an den Spulen angebracht werden, so dass der supraleitende Magnet 10 mit der nachgiebigen Verbindungseinrichtung 17 die Produktionskosten nicht steigert.
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Bezugnehmend auf die 1 und 2 enthält der supraleitende Magnet 10 in diesem Beispiel die nachgiebige Verbindungseinrichtung 17, die mit dem Tragelement 14 zusammenwirkt, um die gesamte Tragstruktur des supraleitenden Magneten 10 zu bilden. Die nachgiebige Verbindungseinrichtung enthält in diesem Beispiel mehrere nachgiebige Blöcke 16 (vgl. 1) und eine nachgiebige Schicht, die in einer Ausführungsform mehrere nachgiebige Zwischenlagen 18 enthält. Die nachgiebigen Blöcke 16 sind in diesem Beispiel an der Endfläche 20 des Tragelementes 14 im Winkel verteilt und gleichmäßig voneinander beabstandet angeordnet. In einer Ausführungsform sind die nachgiebigen Blöcke 16 aus Metall, wie beispielsweise Aluminium, Messing und rostfreiem Stahl, hergestellt. Die nachgiebigen Zwischenlagen 18 sind zwischen den entsprechenden nachgiebigen Blöcken 16 und der Endfläche 21 der Spule 12 aufgenommen.
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Jeder nachgiebige Block 16 in diesem Beispiel weist zwei Seitenplatten 22 und zwei nachgiebige Platten 24 auf. Eine Seitenplatte 22 ist an der Endfläche 20 des Tragelementes 14 befestigt oder mit dieser gekoppelt, während die andere Seitenplatte 22 an den nachgiebigen Zwischenlagen 18 und der Endfläche 21 der Spule 12 fixiert oder angekoppelt ist. In einer Ausführungsform werden die Seitenplatten 22 unter Verwendung von zwei Sperrteilen 26 positioniert und befestigt, wie in 2 veranschaulicht. In 2 erstrecken sich die beiden Sperrteile 26 von den oberen Flächen der Seitenplatten 22 aus und sind jeweils an den Außendurchmesser(AD)-Flächen der Spule 12 und des Tragelementes 14 fixiert. Es ist zu verstehen, dass, wie in 1 veranschaulicht, die Sperrteile 26 lediglich ein Mittel zur Sicherung der nachgiebigen Blöcke 16 und der nachgiebigen Zwischenlagen 18 darstellen. In anderen Ausführungsformen sind die Seitenplatten 22 mit den Spulen 12, den nachgiebigen Zwischenlagen 18 und dem Tragelement 14 durch Bolzen, Haftmittel oder andere geeignete Einrichtungen verbunden.
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Die beiden nachgiebigen Platten 24 erstrecken sich von einer Seitenplatte 22 aus und enden an der anderen Seitenplatte 22, so dass sie ungefähr parallel und im Abstand zueinander angeordnet sind. In einer Ausführungsform sind die beiden nachgiebigen Platten 24 mit einer Neigung zu der Spule 12 hin abgewinkelt. In einer anderen Ausführungsform sind mehr als zwei nachgiebige Platten 24 vorhanden. Bei einer derartigen Konfiguration können unter einer axialen EM-Kraft die Seitenplatten 22 sich parallel zueinander bewegen und die nachgiebigen Platten 24 sich zu der Radialrichtung hin biegen. Außerdem können die verschiedenen Parameter des nachgiebigen Blocks 16 angepasst werden um zu bewirken, dass die radiale Verlagerung des nachgiebigen Blocks 16 der radialen Dehnung der Spule 12 während eines Betriebs des supraleitenden Magneten 10 entspricht.
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Wenn der supraleitende Magnet 10 erregt ist, erzeugt die Spule 12 sowohl axiale als auch radiale EM-Kräfte Die radialen EM-Kräfte werden durch die Umfangsspannungen der Spule 12 aufgenommen, was zu einer radialen Dehnung führt. Die axialen EM-Kräfte drücken den nachgiebigen Block 16 zusammen, wodurch sie die nachgiebigen Platten 24 veranlassen, sich zu verbiegen und eine radiale Verlagerung der Seitenplatte 22 an dem Spulenende zu verursachen. Die radiale Verlagerung stimmt mit der radialen Dehnung der Spule überein, so dass an der Verbindungsstelle zwischen der Seitenplatte 22 und der Spule 12 keine reibende Bewegung erzeugt wird, so dass auf diese Weise die Magnetstabilität verbessert wird.
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In einer Ausführungsform werden die nachgiebigen Zwischenlagen 18 dazu verwendet, ferner jegliche verbleibenden Unterschiede zwischen der radialen Dehnung der Spule 12 und der radialen Verlagerung des nachgiebigen Blocks 16 auszugleichen. In einem Beispiel ist das Material der nachgiebigen Zwischenlagen 18 bei kryogenen Temperaturen nachgiebig, wie beispielsweise Leder, obwohl andere vergleichbare Materialien in dem Umfang der Erfindung liegen.
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3 veranschaulicht einen Abschnitt eines supraleitenden Magneten 28 gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. Der supraleitende Magnet 28 enthält wenigstens eine Spule 30 und wenigstens ein Tragelement 32 zur axialen Abstützung der Spule 30. In einer Ausführungsform ist die Spule 30 zylindrisch, was der in 1 veranschaulichten Spule 12 ähnlich ist.
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Das Tragelement 32 weist in diesem Beispiel ebenfalls ein zylindrisches Profil auf, was ähnlich wie bei dem in 1 veranschaulichten Tragelement 14 ist. Das Tragelement 32 weist einen Tragabschnitt 34 auf, und es ist ein als nachgiebiger Abschnitt 36 bezeichneter, integrierter Verbindungseinrichtungsabschnitt vorhanden, der mit dem Tragabschnitt 34 und einem Klemmabschnitt 38 verbunden ist. Der nachgiebige Abschnitt 36 weist eine kleinere Dicke als der Tragabschnitt 34 auf, so dass der nachgiebige Abschnitt 36 in der Radialrichtung nachgiebig ist. Der Klemmabschnitt 38 ist an der Spitze des nachgiebigen Abschnitts 36 geformt und an einem Randabschnitt der Spule 30 befestigt oder mit diesem gekoppelt, um dem nachgiebigen Abschnitt 36 zu ermöglichen, sich gemeinsam mit der Spule 30 zu bewegen.
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Wie in 3 veranschaulicht, bedeckt der Klemmabschnitt 38 nicht nur teilweise eine AD-Fläche 40 der Spule 30, sondern weist ferner eine ausgedehnte Lippe auf, die einen Abschnitt der Endfläche 42 der Spule 30 teilweise bedeckt. In einem Beispiel weist der nachgiebige Abschnitt 36 eine Kerbe auf, um das Zusammenpassen des nachgiebigen Abschnitts 36 mit der Spule 30 zu unterstützen. Wenn der supraleitende Magnet 28 erregt ist, biegt sich der nachgiebige Abschnitt 36 und verursacht eine radiale Verlagerung in der radialen Richtung unter axialen EM-Kräften.
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Durch Einstellung verschiedener Parameter des nachgiebigen Abschnitts 36, wie beispielsweise der Dicke, des Materials und der Länge, weist der nachgiebige Abschnitt 36 eine hinreichende Druckfestigkeit auf, um die axialen EM-Kräfte der Spule 30 aufzunehmen, und ist hinsichtlich der radialen Verbiegung nachgiebig, um eine radiale Verlagerung entsprechend der radialen Dehnung der Spule 30 während des Betriebs des supraleitenden Magneten 28 zuzulassen. Es liegt keine reibende Bewegung zwischen der Spule 30 und dem Tragelement 32 vor, wodurch die Magnetstabilität verbessert ist.
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In einer Ausführungsform ist der nachgiebige Abschnitt 36 mit dem Tragabschnitt 34 integriert, wie dies in 3 veranschaulicht ist. In einer anderen Ausführungsform ist der nachgiebige Abschnitt 36 als ein einzelnes Bauteil konfiguriert, das an dem Tragabschnitt 34 durch verschiedene Mittel befestigt ist. Der Aufbau und die Bemessung des einzelnen Bauteils sind dem nachgiebigen Abschnitt 36 ähnlich.
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4 veranschaulicht einen Abschnitt eines supraleitenden Magneten 44 gemäß einer noch weiteren Ausführungsform der Erfindung. Der supraleitende Magnet 44 enthält wenigstens eine Spule 46, wenigstens ein Tragelement 48 zur axialen Halterung der Spule 46, mit einer nachgiebigen Verbindungseinrichtung zwischen der Spule 46 und dem Tragelement 48. Die nachgiebige Verbindungseinrichtung ist mit der Spule 46 gekoppelt, so dass sie sich gemeinsam bewegen können.
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In einer Ausführungsform sind die Spule 46 und das Tragelement 48 zylindrisch und sind der Spule 12 und dem Tragelement 14 ähnlich, wie sie in 1 veranschaulicht sind. Die nachgiebige Verbindungseinrichtung weist in diesem Beispiel mehrere Klammern 50 auf, die im Winkel an einer Endfläche des Tragelementes 48 angeordnet und gleichmäßig voneinander beabstandet sind. In einem Beispiel sind für einen supraleitenden Magneten mit einem Radius von etwa 0,5 m sechzehn derartige Klammern 50 vorhanden. Die Anzahl der Klammern 50 kann entsprechend der Größe des supraleitenden Magneten 44 und der Größe der aufzunehmenden EM-Kräfte angepasst werden. In einer Ausführungsform sind die Klammern 50 aus Metall, wie beispielsweise Aluminium, Messing und rostfreiem Stahl, hergestellt. Die nachgiebige Verbindungseinrichtung weist in diesem Beispiel ebenfalls mehrere nachgiebige Zwischenlagen 52 auf, die jeweils zwischen den entsprechenden Klammern 50 und der Spule 46 aufgenommen sind. In einer Ausführungsform sind die nachgiebigen Zwischenlagen 52 aus Leder hergestellt.
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Bezugnehmend auf 4 sind die Klammern 50 in einer Ausführungsform näherungsweise T-förmig gestaltet, und jede enthält einen Radialabschnitt 54, der zwischen der nachgiebigen Zwischenlage 52 und dem Tragelement 48 aufgenommen ist, und eine Axialabschnitt 56, der sich von einem oberen Ende des Radialabschnitts 54 aus erstreckt, um sowohl die AD-Fläche 58 der Spule als auch die AD-Fläche 60 des Tragelementes zu bedecken. In der in 4 veranschaulichten Ausführungsform bewegen sich die Klammern 50 gemeinsam mit der Spule 46, indem der Axialabschnitt 56 über verschiedene Befestigungsmittel, wie beispielsweise ein Haftmittel, an der AD-Fläche 58 der Spule fixiert ist.
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In einer anderen Ausführungsform ist der Axialabschnitt 56 konfiguriert, um keinen Teil der AD-Oberfläche 60 des Tragelementes zu bedecken. In einer noch weiteren Ausführungsform wird der Axialabschnitt 56 nicht verwendet. Die Klammern 50 bewegen sich gemeinsam mit der Spule 46, indem der Radialabschnitt 54 an den nachgiebigen Zwischenlagen 52 und einer Endfläche der Spule 46 über ein Haftmittel oder ein anderes geeignetes Befestigungsmittel fixiert ist.
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Die Klammer 50 kann an dem Tragelement 48 gleiten, und wenigstens eine der (nicht bezeichneten) Gleitflächen zwischen diesen ist konfiguriert, um glatt zu sein. Der Ausdruck „glatt” bedeutet, dass Reibungskoeffizienten der Gleitflächen kleiner als oder gleich etwa 0,1 sind. Wenn der supraleitende Magnet 44 erregt ist, kann die Spule 46 eine radiale Bewegung aufweisen, die eine Gleitbewegung zwischen der Klammer 50 und dem Tragelement 48 hervorruft. Da die Gleitflächen glatt sind, wird während der Gleitbewegung eine kleine Wärmemenge erzeugt. Um die Spule 46 vor der thermischen Störung zu schützen, kann ein Kryogen, wie es beispielsweise flüssiges Helium ist, verwendet werden, um die Verbindungseinrichtung zu kühlen, bevor die Wärme auf die Spule 46 übergeht. In einer Ausführungsform weist der radiale Abschnitt 54 mehrere Löcher 53 auf, und die thermische Störung ist durch das Kryogen, wie beispielsweise flüssiges Helium, innerhalb der Löcher 53 vermindert.
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5 veranschaulicht einen Abschnitt eines supraleitenden Magneten 62 gemäß einer noch weiteren Ausführungsform. Der supraleitende Magnet 62 ist dem supraleitenden Magneten 44 ähnlich, weist jedoch eine andere Konfiguration bei der nachgiebigen Verbindungseinrichtung auf. In der Ausführungsform nach 5 weist die Verbindungseinrichtung mehrere Gleitblöcke 64 mit einer Winkelverteilung an der Endfläche der Spule 46 auf. In einer Ausführungsform sind die Gleitblöcke 64 aus Metall, wie beispielsweise Aluminium, Messing und rostfreiem Stahl, hergestellt.
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Jeder Gleitblock 64 weist ein erstes Teil 66 und ein zweites Teil 68 auf. Das erste Teil 66 und das zweite Teil 68 gleiten aneinander und enthalten Gleitflächen zwischeneinander. In einer Ausführungsform ist eine der Gleitflächen glatt. In einer anderen Ausführungsform sind alle Gleitflächen glatt. Gemäß diesem Beispiel ist das erste Teil 66 an dem Tragelement 48 befestigt, während das zweite Teil 68 an den nachgiebigen Zwischenlagen 52 und der Spule 46 befestigt ist.
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Das erste Teil 66 weist eine Keilnut 70 und einen Auslegerbalken 74 auf. Die Keilnut 70 wird zur Aufnahme eines Keilabschnitts 72 des zweiten Teils 68 verwendet. Wenn der supraleitende Magnet 62 erregt ist, wird das zweite Teil 68 bei axialen EM-Kräften gedrückt, um eine gleitende Bewegung in der Keilnut 70 zu bewirken. Gleichzeitig werden Reaktionskräfte erzeugt, um die axiale EM-Kraft auszugleichen und den Auslegerbalken 74 zum Verbiegen zu veranlassen, um eine radiale Verlagerung zu erhalten. Die radiale Verlagerung stimmt durch Einstellung verschiedener Parameter des Auslegerbalkens 74, wie beispielsweise der Dicke, des Materials und der Länge, mit der radialen Dehnung der Spule 46 unter den radialen EM-Kräften überein. In diesem Beispiel liegt keine reibende Bewegung zwischen der Spule 46 und dem zweiten Teil 68 vor.
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Da die Gleitflächen zwischen dem ersten Teil 66 und dem zweiten Teil 68 glatt sind, wird während der gleitenden Bewegung eine kleine Menge an Wärme erzeugt. Außerdem kann die kleine Wärmemenge durch ein Kryogen, wie beispielsweise flüssiges Helium, gekühlt werden, bevor sie die Spule 46 erreicht. In einer Ausführungsform weist das zweite Teil 68 mehrere Löcher 76 auf, um das Kryogen, wie beispielsweise flüssiges Helium, zur Kühlung aufzunehmen.
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6 veranschaulicht einen Abschnitt eines supraleitenden Magneten 78 gemäß einer noch weiteren Ausführungsform. Der supraleitende Magnet 78 enthält wenigstens eine Spule 80, wenigstens ein Tragelement 82, das die Spule 80 axial hält, einen Keilring 84 zwischen dem Tragelement 82 und der Spule 80 und einen nachgiebigen Ring 86 zwischen dem Keilring 84 und der Spule 80. In einer Ausführungsform ist der Keilring 84 aus Metall, wie beispielsweise Aluminium, Messing und rostfreiem Stahl, hergestellt. In einer anderen Ausführungsform ist der Keilring 84 aus einem Verbundwerkstoff hergestellt.
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Der Keilring 84 ist an dem nachgiebigen Ring 86 und der Spule 80 befestigt, während der Keilring 84 und das Tragelement 82 aneinander gleiten können. Unter axialen EM-Kräften weist der Keilring 84 eine Gleitbewegung entlang einer geneigten Fläche des Tragelementes 82 auf, die eine radiale Verlagerung ergibt. Der Keilring 84 ist konfiguriert um zu ermöglichen, dass die radiale Verlagerung mit der radialen Dehnung der Spule 80 während eines Betriebs des supraleitenden Magneten 78 übereinstimmt, so dass keine reibende Bewegung zwischen dem Keilring 84 und der Spule 80 verursacht wird. Der nachgiebige Ring 86 wird verwendet, um jegliche kleine Unterschiede zwischen der radialen Verlagerung des Keilrings 84 und der radialen Dehnung der Spule 80 auszugleichen. Folglich würden keine Risse zwischen dem Keilring 84 und dem nachgiebigen Ring 86 sowie zwischen dem nachgiebigen Ring 86 und der Spule 80 während eines Betriebs des supraleitenden Magneten 78 auftreten.
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Der Keilring 84 weist in diesem Beispiel eine Gleitfläche auf, wobei wenigstens eine von der Gleitfläche und der geneigten Fläche des Tragelementes 82 derart konfiguriert ist, dass sie glatt ist, so dass auf diese Weise eine kleine Wärmemenge während der gleitenden Bewegung erzeugt werden kann. Ein Kryogen, wie beispielsweise flüssiges Helium, kann verwendet werden, um den supraleitenden Magneten 78 zu kühlen und die Wärme abzuführen, bevor diese die Spule 80 erreicht, wodurch die Magnetstabilität verbessert wird. In einer Ausführungsform weist der Keilring 84 mehrere Löcher 90 zur Aufnahme des Kryogens zur Verstärkung der Kühlung auf. In diesem Beispiel erstrecken sich der Keilring 84 und der nachgiebige Ring 86 in Umfangsrichtung um den gesamten supraleitenden Magnet 78 herum. In einer Ausführungsform ist der Keilring 84 durch getrennte Keilabschnitte ersetzt, die wie bei der Verteilung der Gleitblöcke 64 (vgl. 5) an der Endfläche der Spule 80 im Winkel verteilt angeordnet sind. Der nachgiebige Ring 86 ist entsprechend durch mehrere nachgiebige Zwischenlagen ersetzt.
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7 veranschaulicht einen supraleitenden Magneten 92 gemäß einer noch weiteren Ausführungsform der Erfindung. Der supraleitende Magnet 92 enthält mehrere Spulen 94 an getrennten Stellen entlang einer Axialrichtung, und ein Tragelement 96, um die Spulen 94 in Stellung zu haltern. Das Tragelement 96 weist mehrere Tragringe 98 und mehrere Tragstäbe 100 auf. In einer Ausführungsform sind die Spulen 94 und die Tragringe 98 zylindrisch.
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Die Tragringe 98 sind in einem Beispiel an den (nicht bezeichneten) AD-Flächen der entsprechenden Spulen 94 gebunden oder in sonstiger Weise gesichert. In einer Ausführungsform sind die Tragringe 98 aus Fiberglas oder einem Kohlefaserverbundwerkstoff hergestellt. In einer anderen Ausführungsform sind die Tragringe 98 Metalldrähte, die um die AD-Flächen der Spulen 94 herum gewickelt und an diesen mittels eines Klebstoffs, wie beispielsweise eines Epoxydharzes, gesichert sind. In einer noch weiteren Ausführungsform sind die Metalldrähte aus Aluminium, Messing oder rostfreiem Stahl.
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Bezugnehmend auf 7 und 8 sind die Tragstäbe 100 in einem Beispiel räumlich parallel zueinander und entlang der (nicht bezeichneten) AD-Flächen der Tragringe 98 im Winkel verteilt angeordnet. Jeder Tragstab 100 weist mehrere Nuten 102 zur teilweisen Aufnahme und Positionierung der Tragringe 98 in der Axialrichtung auf. In einer Ausführungsform sind die Tragringe 98 mittels eines Epoxydharzes oder eines anderen geeigneten Sicherungsmittels in den Nuten 102 gehalten. Die Tiefen der Nuten 102 sind in einem weiteren Beispiel geringfügig kleiner als die Dicke der Tragringe 98 konfiguriert, so dass die Seiten der Spulen 94 frei von den Tragstäben 100 sind. In einer Ausführungsform sind die Tragstäbe 100 aus einem Verbundwerkstoff oder Metall, wie beispielsweise rostfreiem Stahl, Messing und Aluminium, hergestellt.
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Wenn der supraleitende Magnet 92 erregt ist, nehmen sowohl die Tragringe 98 als auch die Spulen 94 die auf die Spulen 94 eingeleiteten radialen EM-Kräfte auf, während die in die Spulen 94 eingeleiteten axialen EM-Kräfte auf die Tragringe 98 und anschließend auf die Tragstäbe 100 übertragen werden. Die radiale Verbiegung der Tragstäbe 100 gleicht die Unterschiede bei den radialen Dehnungen zwischen den Spulen 94 aus. Folglich kommt es durch Verwendung der Tragringe 98 zwischen den Tragstäben 100 und den Spulen 94 zu keinem Auftreten einer reibenden Bewegung während des Betriebs, was eine verbesserte Magnetstabilität des supraleitenden Magneten 92 ergibt.
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Obwohl weitere Teile und Komponenten der supraleitenden Magnete in den Beschreibungen der Ausführungsformen der Einfachheit wegen nicht offenbart sind, ist es zu verstehen, dass eine derartige Beschreibung die supraleitenden Magnete nicht auf lediglich die angegebenen Teile beschränkt. In einem weiteren Beispiel kann der supraleitende Magnet eine Kühlleitung oder einen sonstigen ähnlichen Kühlmechanismus entsprechend praktischen Anwendungen enthalten.
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Während lediglich bestimmte Merkmale der Erfindung hierin veranschaulicht und beschrieben sind, werden Fachleuten auf dem Gebiet viele Modifikationen und Veränderungen einfallen. Es ist deshalb zu verstehen, dass die beigefügten Ansprüche all derartige Modifikationen und Veränderungen, wie sie in den wahren Rahmen der Erfindung fallen, umfassen sollen.
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Ein supraleitender Magnet ist beschrieben und enthält wenigstens eine supraleitende Spule, wenigstens ein Tragelement, das mit der supraleitenden Spule gekoppelt ist, und wenigstens eine nachgiebige Verbindungseinrichtung zwischen der supraleitenden Spule und dem Tragelement. Die supraleitende Spule definiert eine Radialrichtung. Das Tragelement hält die supraleitende Spule entlang einer Axialrichtung, die im Wesentlichen senkrecht zu der Radialrichtung verläuft. Die nachgiebige Verbindungseinrichtung ist konfiguriert, um sich entlang der Radialrichtung zu bewegen, wenn der supraleitende Magnet erregt ist.
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Bezugszeichenliste
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- 10, 28, 44, 62, 78, 92
- supraleitender Magnet
- 12, 30, 46, 80, 94
- Spule
- 14, 32, 48, 82, 96
- Tragelement
- 17
- nachgiebige Verbindungseinrichtung
- 16
- nachgiebiger Block
- 18, 52
- nachgiebige Zwischenlage
- 20, 21, 42
- Endfläche
- 22
- Seitenplatte
- 24
- nachgiebige Platte
- 26
- Sperrteil
- 34
- Tragabschnitt
- 36
- nachgiebiger Abschnitt
- 38
- Klemmabschnitt
- 40, 46
- AD-Fläche
- 50
- Klammer
- 53, 76, 90
- Loch
- 54
- Radialabschnitt
- 56
- Axialabschnitt
- 64
- Gleitblock
- 66
- erstes Teil
- 68
- zweites Teil
- 70
- Keilnut
- 72
- Keilabschnitt
- 74
- Auslegerbalken
- 84
- Keilring
- 86
- nachgiebiger Ring
- 98
- Tragring
- 100
- Tragstab
- 102
- Nut
