DE102015216882A1 - Coil device with continuous current switch - Google Patents
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Abstract
Es wird eine Spuleneinrichtung mit wenigstens einer elektrischen Spulenwicklung mit supraleitendem Leitermaterial angegeben, wobei die Spulenwicklung Teil eines in sich geschlossenen Stromkreises zur Ausbildung eines Dauerstroms ist. Der geschlossene Stromkreis weist einen Dauerstromschalter mit einem schaltbaren Leiterabschnitt auf, der zwischen einem supraleitenden Zustand und einem normalleitenden Zustand umschaltbar ist. Der schaltbare Leiterabschnitt weist einen hochtemperatursupraleitenden Leiter auf und hat im normalleitenden Zustand des Leiters einen Widerstand von wenigstens 300 Ohm. Dem schaltbaren Leiterabschnitt ist ein Abklingwiderstand von wenigstens 50 Ohm und/oder ein Verbraucher mit einem effektiven Widerstand von wenigstens 50 Ohm parallelgeschaltet. Weiterhin wird ein Dauerstromschalter für eine solche Spuleneinrichtung sowie ein Verfahren zum Be- oder Entladen eines Dauerstroms angegeben. It is a coil device with at least one electric coil winding with superconducting conductor material specified, wherein the coil winding is part of a self-contained circuit for forming a continuous current. The closed circuit has a persistent current switch with a switchable conductor section which is switchable between a superconducting state and a normal conducting state. The switchable conductor section has a high-temperature superconducting conductor and has a resistance of at least 300 ohms in the normal conducting state of the conductor. The switchable conductor section is a Abklingwiderstand of at least 50 ohms and / or a load connected in parallel with an effective resistance of at least 50 ohms. Furthermore, a continuous current switch for such a coil device and a method for loading or unloading a continuous current is specified.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Spuleneinrichtung mit wenigstens einer elektrischen Spulenwicklung mit supraleitendem Leitermaterial, wobei die Spulenwicklung Teil eines in sich geschlossenen Stromkreises zur Ausbildung eines Dauerstroms ist, und wobei der geschlossene Stromkreis einen Dauerstromschalter mit einem schaltbaren Leiterabschnitt aufweist, der zwischen einem supraleitendem Zustand und einem normalleitendem Zustand umschaltbar ist. Weiterhin betrifft die Erfindung einen Dauerstromschalter für eine derartige Spuleneinrichtung sowie ein Verfahren zum Be- oder Entladen eines Dauerstroms in einer Spulenwicklung einer solchen Spuleneinrichtung. The present invention relates to a coil device having at least one electrical coil winding with superconducting conductor material, wherein the coil winding is part of a self-contained circuit for forming a continuous current, and wherein the closed circuit has a continuous current switch with a switchable conductor section which between a superconducting state and a normal conducting state is switchable. Furthermore, the invention relates to a continuous current switch for such a coil device and a method for loading or unloading a continuous current in a coil winding of such a coil device.
Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Anwendungen bekannt, bei denen supraleitende Spulen verwendet werden, um einen Dauerstrom in einem geschlossenen supraleitenden Stromkreis nahezu verlustfrei aufrechtzuerhalten. Dies kann beispielsweise zur Erzeugung von Magnetfeldern und/oder zur Speicherung von Energie genutzt werden. Bei der Magnetresonanzbildgebung und der Magnetresonanzspektroskopie werden solche supraleitenden Magnetspulen benutzt, um die hier benötigten starken und zeitlich möglichst konstanten statischen Magnetfelder zu erzeugen. In rotierenden elektrischen Maschinen können kurzgeschlossene supraleitende Spulen benutzt werden, um ein permanentes Erregermagnetfeld zur Verfügung zu stellen. Eine solche kurzgeschlossene Spule kann insbesondere auf dem Rotor einer solchen Maschine angeordnet sein. Eine weitere Anwendung von kurzgeschlossenen supraleitenden Magnetspulen liegt im Bereich der supraleitenden magnetischen Energiespeicher (SMES), bei denen das Beladen und Entladen einer solchen kurzgeschlossenen Spule genutzt wird, um elektromagnetische Energie in dem durch die Spule erzeugten Magnetfeld zwischenzuspeichern und anschließend wieder in einem äußeren Stromkreis zur Verfügung zu stellen. Den beschriebenen Anwendungen ist gemeinsam, dass typischerweise ein Gleichstrom dauerhaft durch eine kurzgeschlossene Spule fließt und dabei ein stationäres Magnetfeld erzeugt wird. Die vorliegende Erfindung befasst sich mit den spezifischen Problemen beim Be- und Entladen des in solchen Spulen fließenden Stroms. Various applications are known in the prior art, in which superconducting coils are used to maintain a continuous current in a closed superconducting circuit almost lossless. This can be used, for example, to generate magnetic fields and / or to store energy. In magnetic resonance imaging and magnetic resonance spectroscopy, such superconducting magnet coils are used to generate the strong and temporally constant static magnetic fields required here. In rotating electrical machines, shorted superconducting coils can be used to provide a permanent field magnetic field. Such a short-circuited coil can be arranged in particular on the rotor of such a machine. Another application of shorted superconducting magnetic coils is in the field of superconducting magnetic energy storage (SMES), in which the loading and unloading of such a short-circuited coil is used to temporarily store electromagnetic energy in the magnetic field generated by the coil and then back in an external circuit To make available. The described applications have in common that typically a direct current flows permanently through a short-circuited coil and thereby generates a stationary magnetic field. The present invention addresses the specific problems of loading and unloading the current flowing in such coils.
Um eine solche Spule mit einem Strom zu beladen, ist typischerweise in den geschlossenen Stromkreis ein supraleitender Dauerstromschalter integriert. Ein solcher Dauerstromschalter weist einen supraleitenden Leiterabschnitt auf, der beispielsweise durch Aufheizen in einen ohmsch leitenden Zustand versetzt werden kann. Wenn die Spule gleichzeitig mit einer Stromquelle in einem äußeren Stromkreis verbunden wird, kann sie bei geöffnetem Dauerstromschalter mit einem Strom beladen werden. In order to charge such a coil with a current, a superconducting permanent current switch is typically integrated in the closed circuit. Such a continuous current switch has a superconducting conductor section, which can be put into an ohmic conducting state, for example, by heating. If the coil is simultaneously connected to a power source in an external circuit, it can be charged with an open permanent-current switch.
Ein Entladen des in dem geschlossenen Stromkreis durch die Spulenwicklung fließenden Stroms kann gewollt oder ungewollt ausgelöst werden. Ein absichtliches Entladen kann durch ein Öffnen des Dauerstromschalters ausgelöst werden, und die Spule kann dazu mit einem äußeren Stromkreis verbunden sein, in den sich der vorher über den geschlossenen Stromkreis fließende Strom wenigstens zum Teil entladen kann. Dies kann beispielsweise zum Abrufen der in einem SMES gespeicherten Energie verwendet werden. Ist die Spule dagegen beim Entladen nicht mit einem äußeren Stromkreis verbunden, wird die in der Spule gespeicherte elektromagnetische Energie vollständig als Wärme im Bereich des Dauerstromschalters dissipiert. Diese Wärme könnte bei großen Magnetsystemen den Schalter zerstören. Ein solches Öffnen des Schalters ohne externen Stromkreis ist dort also zu vermeiden. Discharging the current flowing in the closed circuit through the coil winding current can be triggered intentionally or unintentionally. Intentional discharge may be triggered by opening the persistent current switch, and the coil may be connected to an external circuit in which the current previously flowing through the closed circuit may at least partially discharge. This can be used, for example, to retrieve the energy stored in an SMES. On the other hand, if the coil is not connected to an external circuit during discharge, the electromagnetic energy stored in the coil is completely dissipated as heat in the area of the continuous current switch. This heat could destroy the switch in large magnet systems. Such an opening of the switch without an external circuit is therefore to be avoided there.
Ein Entladen der Spule kann auch auf andere Weise als durch ein kontrolliertes Öffnen des Dauerstromschalters ausgelöst werden: So kann ein lokaler Temperaturanstieg in der Spulenwicklung dazu führen, dass ausgehend von diesem Bereich die supraleitenden Eigenschaften der ganzen Spulenwicklung zusammenbrechen. Durch diese Wärmeentwicklung können die supraleitenden Eigenschaften der gesamten Spulenwicklung zusammenbrechen, was als „Quench“ bezeichnet wird. Ein solcher Quench kann sich durch die thermische Kopplung der verschiedenen Bereiche schnell ausbreiten. Bei einer Anordnung der supraleitenden Spulenwicklung in einem mit flüssigem Helium gekühlten Kryostaten verdampft bei einem solchen Quench typischerweise das gesamte Helium, was zu relativ hohen Kosten und einem Ausfall in der Nutzungsdauer des Systems führt. Um einen Schaden der supraleitenden Leiterelemente durch lokales Überhitzen der Leiter zu vermeiden, wird die schnelle Ausbreitung eines solchen Quenchs unter Umständen sogar gefördert. Ein lokales Überhitzen kann detektiert werden, und andere Bereiche der Spulenwicklung können dann ebenfalls absichtlich zum Quenchen gebracht werden, damit der Stromfluss möglichst schnell zusammenbricht und keine Schädigung des zuerst lokal erwärmten Leiterbereichs auftritt. Dieses Verfahren wird üblicherweise bei Magnetresonanzspulen angewandt, um die Leiter vor dauerhafter Überhitzung zu schützen. Discharging the coil may also be triggered in other ways than by controlled opening of the persistent current switch: Thus, a local temperature increase in the coil winding may cause the superconducting properties of the entire coil winding to collapse starting from this region. As a result of this heat development, the superconducting properties of the entire coil winding can collapse, which is referred to as "quenching". Such a quench can spread rapidly due to the thermal coupling of the different regions. With an arrangement of the superconducting coil winding in a liquid helium-cooled cryostat, such a quench typically vaporizes all of the helium, resulting in relatively high costs and failure in the useful life of the system. To avoid damage to the superconducting conductor elements by local overheating of the conductors, the rapid propagation of such a quench may even be promoted. Local overheating can be detected, and other areas of the coil winding can then also deliberately be quenched, so that the current flow collapses as quickly as possible and no damage to the first locally heated conductor area occurs. This procedure is commonly used with magnetic resonance coils to protect the conductors from permanent overheating.
Es kann auch zweckmäßig sein, einen solchen Quench über einen Notausschalter auszulösen, um bei einem Störfall der Spuleneinrichtung ein schnelles Abschalten des von der Spule erzeugten Magnetfeldes zu ermöglichen. Über einen derartigen Notausschalter kann beispielsweise eine der Spulen absichtlich beheizt werden, um in der Folge einen Zusammenbruch der Supraleitung in der gesamten Spulenwicklung auszulösen. It may also be expedient to trigger such a quench via an emergency stop switch in order to enable a rapid shutdown of the magnetic field generated by the coil in the event of a fault of the coil device. About such an emergency stop, for example, one of the coils can be intentionally heated to a subsequent in the episode Collapse of the superconductivity in the entire coil winding to trigger.
Nachteilig bei dem beschriebenen Stand der Technik ist, dass bei den Entlade- und Quenchvorgängen ein hoher Teil der in der Spulenwicklung gespeicherten Energie als Wärme im Bereich der Spulenwicklung dissipiert wird. Dies kann zu unnötigem Verlust von teurem Kühlmittel, zum Verlust von Energie und/oder zu einer thermischen Belastung der empfindlichen supraleitenden Leitermaterialien führen. Insbesondere bei Magnetresonanzspulen ist der Verlust des flüssigen Heliums bei solchen Quenchvorgängen ein hoher Kostenfaktor. Bei SMES-Speicherspulen ist vor allem der Verlust von gespeicherter Energie nachteilig, wenn ein Teil davon durch Quenches oder auch beim kontrollierten Entladen als Wärme in der Spulenwicklung verloren geht. Ein weiterer Nachteil der bekannten Dauerstromschalter ist, dass die Schaltzeit für die Öffnung des Schalters relativ langsam ist und somit ein Entladen der Energie in einen äußeren Stromkreis nur langsam erfolgen kann. Auch dies kann zu höheren Verlusten und einer höheren Wärmeentwicklung in der Spulenwicklung führen, als es bei einer schnelleren Entladung der Fall wäre. A disadvantage of the described prior art is that in the discharge and quenching processes, a high part of the energy stored in the coil winding is dissipated as heat in the region of the coil winding. This can lead to unnecessary loss of expensive coolant, loss of energy and / or thermal stress on the sensitive superconducting conductor materials. Particularly in the case of magnetic resonance coils, the loss of the liquid helium in such quenching processes is a high cost factor. In the case of SMES storage coils, the loss of stored energy is particularly disadvantageous if some of it is lost as a result of quenching or controlled discharge as heat in the coil winding. Another disadvantage of the known persistent current switch is that the switching time for the opening of the switch is relatively slow and thus discharging the energy into an external circuit can be done only slowly. This, too, can lead to higher losses and higher heat development in the coil winding than would be the case with a faster discharge.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Spuleneinrichtung anzugeben, welche die genannten Nachteile vermeidet. Insbesondere soll ein Dauerstromschalter angegeben werden, mit dem eine Verringerung der Dissipation von Wärme im Bereich der elektrischen Spulenwicklung erreicht werden kann. Eine weitere Aufgabe ist es, einen derartigen Dauerstromschalter für eine solche Spuleneinrichtung sowie ein Verfahren zum Be- oder Entladen eines Dauerstroms anzugeben. Object of the present invention is therefore to provide a coil device which avoids the disadvantages mentioned. In particular, a continuous current switch is to be specified with which a reduction in the dissipation of heat in the region of the electrical coil winding can be achieved. Another object is to provide such a continuous current switch for such a coil device and a method for loading or unloading a continuous current.
Diese Aufgaben werden durch die in Anspruch 1 beschriebene Spuleneinrichtung, den in Anspruch 14 beschriebenen Dauerstromschalter und das in Anspruch 15 beschriebene Verfahren gelöst. These objects are achieved by the coil device described in claim 1, the persistent current switch described in claim 14 and the method described in
Die erfindungsgemäße Spuleneinrichtung umfasst wenigstens eine elektrische Spulenwicklung mit supraleitendem Leitermaterial, wobei die Spulenwicklung Teil eines in sich geschlossenen Stromkreises zur Ausbildung eines Dauerstroms ist. Der geschlossene Stromkreis weist einen Dauerstromschalter mit einem schaltbaren Leiterabschnitt auf, der zwischen einem supraleitenden Zustand und einem normalleitenden Zustand umschaltbar ist. Der schaltbare Leiterabschnitt weist einen hochtemperatursupraleitenden Leiter auf und hat im normalleitenden Zustand des Leiters einen Widerstand von wenigstens 300 Ohm. Dem schaltbaren Leiterabschnitt ist ein Abklingwiderstand von wenigstens 50 Ohm und/oder ein Verbraucher mit einem effektiven Widerstand von wenigstens 50 Ohm parallelgeschaltet. The coil device according to the invention comprises at least one electrical coil winding with superconducting conductor material, wherein the coil winding is part of a self-contained circuit for forming a continuous current. The closed circuit has a persistent current switch with a switchable conductor section which is switchable between a superconducting state and a normal conducting state. The switchable conductor section has a high-temperature superconducting conductor and has a resistance of at least 300 ohms in the normal conducting state of the conductor. The switchable conductor section is a Abklingwiderstand of at least 50 ohms and / or a load connected in parallel with an effective resistance of at least 50 ohms.
Unter einem Hochtemperatursupraleiter oder auch Hoch-Tc-Supraleiter (HTS) soll hier allgemein ein supraleitendes Material mit einer Sprungtemperatur oberhalb von 25 K verstanden werden. Bei einigen Materialklassen, beispielsweise den Cuprat-Supraleitern, liegt die Sprungtemperatur dieser Supraleiter sogar oberhalb von 77 K, so dass die Betriebstemperatur durch Kühlung mit anderen kryogenen Materialien als flüssigem Helium erreicht werden kann. Ein Vorteil der Hochtemperatursupraleiter gegenüber vielen metallischen Tieftemperatursupraleitern für die Verwendung in dem genannten Dauerstromschalter liegt darin, dass sie im normalleitenden Zustand oft einen relativ hohen Widerstand aufweisen und dass somit der Dauerstromschalter im geöffneten Zustand auch relativ durchschlagfest ausgestaltet werden kann. Under a high-temperature superconductor or high-T c superconductor (HTS) should be understood here in general a superconducting material having a critical temperature above 25 K. In some classes of materials, such as the cuprate superconductors, the critical temperature of these superconductors is even above 77 K, so that the operating temperature can be achieved by cooling with other cryogenic materials than liquid helium. An advantage of high-temperature superconductors over many metallic low-temperature superconductors for use in said persistent current switch is that they often have a relatively high resistance in the normally conductive state and thus that the continuous current switch in the open state can also be made relatively impact resistant.
In der erfindungsgemäßen Spuleneinrichtung ist dem Dauerstromschalter ein Abklingwiderstand von wenigstens 50 Ohm oder ein entsprechender Verbraucher parallelgeschaltet. Ein wesentlicher Vorteil dieses parallelen Strompfades ist, dass bei einem Öffnen des Dauerstromschalters ein großer Teil der elektrischen Energie in diesen parallelen Strompfad umgeleitet wird und somit dieser Teil nicht in der Spulenwicklung oder im Dauerstromschalter als Wärme dissipiert wird. Der Abklingwiderstand beziehungsweise der effektive Widerstand des Verbrauchers ist dabei mit wenigstens 50 Ohm groß genug, um im geschlossenen Zustand des Dauerstromschalters ein Abfließen des Dauerstroms in diesen parallelgeschalteten Strompfad zu vermeiden, da dann der Strom in dem nahezu widerstandsfreien geschlossenen supraleitenden Strompfad der Spulenwicklung und des Dauerstromschalters fließt. In the coil device according to the invention, the continuous-current switch has a decay resistance of at least 50 ohms or a corresponding load connected in parallel with it. An essential advantage of this parallel current path is that, when the permanent current switch is opened, a large part of the electrical energy is diverted into this parallel current path and thus this part is not dissipated as heat in the coil winding or in the permanent current switch. The Abklingwiderstand or the effective resistance of the load is large enough with at least 50 ohms to avoid flowing out of the continuous current in this parallel-connected current path in the closed state of the persistent current switch, because then the current in the almost resistance-free closed superconducting current path of the coil winding and the persistent current switch flows.
Der Widerstand des Dauerstromschalters von wenigstens 300 Ohm im normalleitenden, also geöffneten, Zustand bewirkt, dass im geöffneten Zustand des Dauerstromschalters der Strom zum größeren Teil über den Abklingwiderstand beziehungsweise den Verbraucher abfließt und nur zu einem kleineren Teil über den normalleitenden Leiterabschnitt des Dauerstromschalters. The resistance of the constant current switch of at least 300 ohms in the normally conducting, ie open, state causes the current flows in the open state of the persistent current switch to a greater extent on the Abklingwiderstand or the consumer and only to a lesser extent on the normal conducting conductor portion of the persistent current switch.
Hiermit wird vorteilhaft erreicht, dass beim Entladen der Spulenwicklung ein geringerer Teil der vorher in der Spulenwicklung gespeicherten Energie als Wärme in der Spulenwicklung dissipiert wird und ein größerer Teil entweder über den Abklingwiderstand dissipiert wird oder im Verbraucher umgesetzt wird. Somit wird ein Energieverlust innerhalb des geschlossenen Stromkreises der Spulenwicklung und des Dauerstromschalters vorteilhaft reduziert. Ganz besonders vorteilhaft kann die Dissipation von Wärmeenergie in der Spulenwicklung so weit reduziert werden, dass die supraleitenden Eigenschaften im Bereich der Spulenwicklung aufrechterhalten werden können, die Spulenwicklung also nicht quencht. Bei einer Kühlung der supraleitenden Komponenten mit Helium wird dann gleichzeitig ein Verlust an flüssigem Helium vermieden oder zumindest reduziert, da das den Supraleiter umgebende Kühlmittel nicht vollständig verdampft wird. Hierdurch kann auch die Dauer bis zu einem möglichen erneuten Beladen der Spulenwicklung vorteilhaft reduziert werden. This advantageously achieves that when discharging the coil winding, a smaller part of the energy previously stored in the coil winding is dissipated as heat in the coil winding and a larger part is either dissipated via the Abklingwiderstand or implemented in the consumer. Thus, an energy loss within the closed circuit of the coil winding and the persistent current switch is advantageously reduced. Very particularly advantageous, the dissipation of heat energy in the coil winding can be reduced so far that the superconducting properties can be maintained in the coil winding, so the coil winding does not quench. at a cooling of the superconducting components with helium is then simultaneously avoided or at least reduced a loss of liquid helium, since the coolant surrounding the superconductor is not completely evaporated. In this way, the duration can be advantageously reduced to a possible re-loading of the coil winding.
Der erfindungsgemäße Dauerstromschalter ist für eine erfindungsgemäße Spuleneinrichtung ausgelegt. Er weist einen schaltbaren Leiterabschnitt auf, wobei dieser einen hochtemperatursupraleitenden Leiter umfasst und im normalleitenden Zustand des Leiters einen Widerstand von wenigstens 300 Ohm aufweist. Die Vorteile des erfindungsgemäßen Dauerstromschalters ergeben sich im Zusammenspiel mit den übrigen Elementen der Spuleneinrichtung und entsprechen den oben im Zusammenhang mit der Spuleneinrichtung beschriebenen Vorteilen. The persistent current switch according to the invention is designed for a coil device according to the invention. It has a switchable conductor section, wherein the latter comprises a high-temperature superconducting conductor and has a resistance of at least 300 ohms in the normal-conducting state of the conductor. The advantages of the continuous current switch according to the invention result in interaction with the other elements of the coil device and correspond to the advantages described above in connection with the coil device.
Das erfindungsgemäße Verfahren dient zum Be- oder Entladen eines Dauerstroms in einer erfindungsgemäßen Spuleneinrichtung. Dabei wird der schaltbare Leiterabschnitt des Dauerstromschalters von einem supraleitenden Zustand in einen normalleitenden Zustand umgeschaltet. Auch die Vorteile dieses Verfahrens ergeben sich analog zu den oben beschriebenen Vorteilen der Spuleneinrichtung. The inventive method is used for loading or unloading a continuous current in a coil device according to the invention. In this case, the switchable conductor portion of the persistent current switch is switched from a superconducting state to a normal conducting state. The advantages of this method are analogous to the advantages of the coil device described above.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den von Anspruch 1 abhängigen Ansprüchen sowie der folgenden Beschreibung hervor. Dabei können die beschriebenen Ausgestaltungen der Spuleneinrichtung, des Dauerstromschalters und des Verfahrens allgemein vorteilhaft miteinander kombiniert werden. Advantageous embodiments and further developments of the invention will become apparent from the dependent claims of claim 1 and the following description. In this case, the described embodiments of the coil device, the continuous current switch and the method can be generally combined with each other in an advantageous manner.
Die Spuleneinrichtung kann einen Kryostaten zur Kühlung des supraleitenden Leitermaterials umfassen, wobei die supraleitende Spulenwicklung und der schaltbare Leiterabschnitt innerhalb des Kryostaten angeordnet sind. Der Abklingwiderstand und/oder der Verbraucher ist dann vorteilhaft außerhalb des Kryostaten angeordnet. Mit Hilfe des Kryostaten können die supraleitenden Leitermaterialien der Spulenwicklung und des schaltbaren Leiterabschnitts auf eine Temperatur unterhalb der Sprungtemperatur des jeweiligen Supraleiters gekühlt werden, sodass ein durchgehend supraleitender geschlossener Stromkreis erhalten werden kann. Bei dem Kryostaten kann es sich beispielsweise um einen offenen Badkryostaten handeln, aus dem das verwendete Kühlmittel gegebenenfalls verdampfen kann. Alternativ kann es sich auch um einen Kryostaten mit einem geschlossenen Kühlmittelkreislauf handeln, in dem ein Kühlmittel entweder verflüssigt vorliegt oder auch zwischen einem flüssigen und einem gasförmigen (oder auch überkritischen) Zustand wechseln kann. Die Anordnung des Abklingwiderstands oder Verbrauchers außerhalb des Kryostaten bewirkt vorteilhaft, dass die bei einem Entladen der Spulenwicklung in den Abklingwiderstand oder den Verbraucher übertragene Energie nicht zu einer Erwärmung des Innenraums des Kryostaten beiträgt. Eine Aufrechterhaltung der Kühlung und des supraleitenden Betriebszustands für die innerhalb des Kryostaten angeordneten Komponenten wird dadurch auch beim Entladen der Spule ermöglicht. The coil means may comprise a cryostat for cooling the superconducting conductor material, wherein the superconducting coil winding and the switchable conductor portion are arranged inside the cryostat. The Abklingwiderstand and / or the consumer is then advantageously arranged outside the cryostat. With the help of the cryostat, the superconducting conductor materials of the coil winding and the switchable conductor section can be cooled to a temperature below the transition temperature of the respective superconductor, so that a continuous superconducting closed circuit can be obtained. The cryostat can be, for example, an open bath cryostat from which the coolant used can optionally evaporate. Alternatively, it may also be a cryostat with a closed coolant circuit in which a coolant is either liquefied or can change between a liquid and a gaseous (or even supercritical) state. The arrangement of the Abklingwiderstands or consumer outside of the cryostat advantageously causes that at a discharge of the coil winding in the Abklingwiderstand or the consumer transmitted energy does not contribute to a heating of the interior of the cryostat. A maintenance of the cooling and the superconducting operating state for the components arranged within the cryostat is thereby also made possible during the unloading of the coil.
Der schaltbare Leiterabschnitt kann vorteilhaft im normalleitenden Zustand des Leiters einen Widerstand aufweisen, der größer ist der Abklingwiderstand und/oder der Verbraucher. Der wesentliche Vorteil dieser Ausführungsform ist, dass nach einem Öffnen des Dauerstromschalters ein größerer Teil der vorher in der Spulenwicklung gespeicherten Energie über den Abklingwiderstand und/oder den Verbraucher dissipiert wird und nur ein im Vergleich dazu kleinerer Teil im Bereich des Dauerstromschalters dissipiert wird. Besonders vorteilhaft wird sogar ein mehrheitlicher Teil der Energie im Bereich von Abklingwiderstand und/oder Verbraucher dissipiert. Dazu kann insbesondere der Widerstand des schaltbaren Leiterabschnitts in seinem normalleitenden Zustand größer sein als ein Gesamtwiderstand des den Abklingwiderstand und/oder den Verbraucher aufweisenden parallelen Strompfads. Der Widerstand des schaltbaren Leiterabschnitts kann im normalleitenden Zustand beispielsweise um mindestens einen Faktor 5, insbesondere um wenigstens einen Faktor 20 höher sein als der Gesamtwiderstand des parallelen Strompfads. The switchable conductor section can advantageously have a resistance in the normal conducting state of the conductor, which resistance is greater than the decay resistance and / or the consumer. The main advantage of this embodiment is that after opening the persistent current switch, a larger part of the energy previously stored in the coil winding is dissipated via the decay resistance and / or the load, and only a comparatively smaller part is dissipated in the area of the persistent current switch. Even a majority of the energy in the area of decay resistance and / or consumers is particularly advantageously dissipated. For this purpose, in particular the resistance of the switchable conductor section in its normally conducting state can be greater than a total resistance of the parallel current path having the decay resistance and / or the load. The resistance of the switchable conductor section may, for example, be higher by at least a factor of 5, in particular by at least a factor of 20, than the total resistance of the parallel current path in the normally conducting state.
Der schaltbare Leiterabschnitt kann im normalleitenden Zustand des Leiters einen Widerstand von wenigstens 1000 Ohm, insbesondere wenigstens 5000 Ohm aufweisen. Derart hohe Widerstände sind besonders vorteilhaft, um beim Entladen einen besonders hohen, insbesondere einen mehrheitlichen Teil der vorher in der Spulenwicklung gespeicherten Energie im Bereich des Abklingwiderstands und/oder des Verbrauchers umzusetzen und nur eine geringe Dissipation von Energie im Bereich der Spulenwicklung und/oder des Dauerstromschalters zu verursachen. Die höheren Widerstandswerte von wenigstens 5000 Ohm sind dabei insbesondere im Zusammenhang mit der Anwendung in SMES-Systemen vorteilhaft, da dort nur ein besonders geringer Anteil im Bereich der Spulenwicklung dissipiert werden soll. Der wesentliche Teil der in einem SMES-System gespeicherten Energie soll vielmehr beim Entladen zu einem dem Dauerstromschalter parallel geschalteten Verbraucher gelangen können. Aber auch für andere Systeme ist ein besonders hoher Widerstand des geöffneten Dauerstromschalters allgemein vorteilhaft: Bei einem Widerstand von wenigstens 1 MOhm im geöffneten Zustand kann beispielsweise, wenn während der Abklingzeit eine Spannung von etwa 20 kV anliegt, ein Leckstrom von nur etwa 0,02 A zustande kommen. Hierdurch wird während des Abklingens im Dauerstromschalter eine kurzzeitige Leistung von nur 400 W dissipiert, was der Dauerstromschalter während der Dauer des Schaltens vorteilhaft aushalten kann. The switchable conductor section may have a resistance of at least 1000 ohms, in particular at least 5000 ohms, in the normal conducting state of the conductor. Such high resistances are particularly advantageous for implementing during discharging a particularly high, in part a majority, of the energy previously stored in the coil winding in the region of the decay resistance and / or of the consumer and only a small dissipation of energy in the region of the coil winding and / or the coil Permanent contactor to cause. The higher resistance values of at least 5000 ohms are particularly advantageous in connection with the application in SMES systems, since there only a particularly small proportion is to be dissipated in the region of the coil winding. The essential part of the energy stored in an SMES system should rather be able to reach a load connected in parallel to the constant-current switch when discharging. But even for other systems, a particularly high resistance of the open circuit breaker is generally advantageous: With a resistance of at least 1 Mohm in the open state, for example, when applied during the decay time, a voltage of about 20 kV, a leakage current of only about 0.02 A. come about. This will be during of the decay in persistent current switch a short-term power of only 400 W dissipated, which can withstand the continuous current switch during the duration of the switching advantageous.
So kann der schaltbare Leiterabschnitt im normalleitenden Zustand des Leiters allgemein vorteilhaft eine Durchschlagfestigkeit für Spannungen von wenigstens 20 kV aufweisen. Hierdurch kann erreicht werden, dass es auch während des Schaltens, also insbesondere während des Übergangs vom supraleitenden in den normalleitenden Zustand des schaltbaren Leiterabschnitts nicht zu einem Spannungsüberschlag kommt und der kurzgeschlossene Dauerstrom kontrolliert ausgeschaltet werden kann. Eine Spannungsfestigkeit von wenigstens 20 kV ist insbesondere für Magnetspulen für die Magnetresonanzbildgebung zweckmäßig, da hier durch die sehr hohen Magnetfelder und sehr hohen Dauerströme beim Schalten auch sehr hohe lokale Spannungen am Dauerstromschalter zustande kommen können. Um ein Durchbrennen des Schalters zu vermeiden, können beispielsweise der Widerstand des schaltbaren Leiterabschnitts im normalleitenden Zustand und seine thermische Ankopplung an die übrigen Komponenten so gewählt werden, dass der verbleibende Leckstrom den Dauerstromschalter bei der maximal auftretenden Spannung auf eine Temperatur im Bereich unterhalb von 320 K heizt. Die Strecke des schaltbaren Leiterabschnitts soll dabei allgemein lang genug sein, um den erforderlichen Widerstand im normalleitenden Zustand zu erreichen. Andererseits sollte der Querschnitt des Leiterabschnitts groß genug sein, um die für den jeweiligen Dauerstrom erforderliche Stromtragfähigkeit zu erreichen. Thus, the switchable conductor section in the normal conducting state of the conductor can generally advantageously have a dielectric strength for voltages of at least 20 kV. This makes it possible to ensure that there is no voltage flashover even during the switching, that is to say in particular during the transition from the superconducting to the normal conducting state of the switchable conductor section, and that the short-circuited continuous current can be switched off in a controlled manner. A dielectric strength of at least 20 kV is particularly useful for magnetic coils for magnetic resonance imaging, as can be caused by the very high magnetic fields and very high continuous currents when switching very high local voltages on the persistent current switch. To avoid burnout of the switch, for example, the resistance of the switchable conductor portion in the normal conducting state and its thermal coupling to the other components can be chosen so that the remaining leakage current, the continuous current switch at the maximum voltage occurring at a temperature in the range below 320 K. heated. The distance of the switchable conductor section should generally be long enough to achieve the required resistance in the normal conducting state. On the other hand, the cross section of the conductor section should be large enough to reach the current carrying capacity required for the respective continuous current.
Der schaltbare Leiterabschnitt kann einen keramischen Hochtemperatursupraleiter aufweisen. Mit einem keramischen Material kann besonders gut eine hohe Spannungsfestigkeit erreicht werden. Insbesondere kann im Vergleich zu metallischen Tieftemperatursupraleitern mit einem solchen keramischen Material auch leicht ein hoher Widerstand im geöffneten Zustand des Schalters erreicht werden. Um im normalleitenden Zustand einen hohen Widerstand und/oder eine hohe Spannungsfestigkeit des gesamten schaltbaren Leiterabschnitts zu erzielen, ist es besonders vorteilhaft, wenn dieser Leiterabschnitt gar keine durchgehenden metallisch leitfähigen Elemente aufweist. Bei Ausführungsformen, bei denen das keramische supraleitende Material als Schicht auf einem Träger abgeschieden ist, ist es daher vorteilhaft, wenn dieser Träger nicht metallisch ist, sondern aus schlecht leitenden oder nichtleitenden Materialien wie beispielsweise Glas, Keramik und/oder Verbundwerkstoffen gebildet ist. Alternativ kann der Leiterabschnitt aber auch ein im Bulk, also in massiver Form vorliegendes keramisches supraleitendes Leiterelement aufweisen. Hat die supraleitende Keramik einen zu hohen oder einen zu undefinierten Widerstand für die Anforderungen des Dauerstromschalters, so kann ein relativ schlecht leitender Parallelwiderstand parallelgeschaltet werden. Ein solcher Widerstand kann beispielsweise Werte im Bereich zwischen 0.3 kOhm und 1000 kOhm aufweisen. The switchable conductor section may comprise a ceramic high-temperature superconductor. With a ceramic material can be achieved particularly well a high dielectric strength. In particular, in comparison to metallic low-temperature superconductors with such a ceramic material also a high resistance in the open state of the switch can be easily achieved. In order to achieve a high resistance and / or a high dielectric strength of the entire switchable conductor section in the normally conducting state, it is particularly advantageous if this conductor section does not have any continuous metallically conductive elements. In embodiments in which the ceramic superconducting material is deposited as a layer on a support, it is therefore advantageous if this support is not metallic, but is formed from poorly conductive or non-conductive materials such as glass, ceramic and / or composite materials. Alternatively, however, the conductor section can also have a ceramic superconducting conductor element present in bulk, that is to say in a solid form. If the superconducting ceramic has a resistance that is too high or too undefined for the requirements of the continuous current switch, then a relatively poorly conducting parallel resistor can be connected in parallel. Such a resistance may, for example, have values in the range between 0.3 kOhm and 1000 kOhm.
Besonders vorteilhaft kann der schaltbare Leiterabschnitt ein Material des Typs BaKBiO aufweisen. Unter diesem Typ soll ein Material verstanden werden, das als Verbindung der genannten vier Elemente vorliegt, insbesondere als Verbindung der Zusammensetzung BaxKyBiO3, wobei beispielsweise x etwa 0,6 und y etwa 0,4 sein kann. Hierbei handelt es sich um ein keramisches supraleitendes Material, welches durch eine für ein HTS-Material vergleichsweise niedrige Sprungtemperatur im Bereich von etwa 30 K und durch ein vergleichsweise niedriges oberes kritisches Magnetfeld von etwa 60 mT gekennzeichnet ist. Particularly advantageously, the switchable conductor section may comprise a material of the BaKBiO type. By this type is meant a material which is present as a compound of the said four elements, in particular as a compound of the composition Ba x K y BiO 3 , where, for example, x may be about 0.6 and y about 0.4. This is a ceramic superconducting material, which is characterized by a for a HTS material comparatively low transition temperature in the range of about 30 K and by a comparatively low upper critical magnetic field of about 60 mT.
Allgemein kann die obere kritische Magnetfeldstärke Bc2 für das supraleitende Material des schaltbaren Leiterabschnitts unterhalb oder bei 100 mT liegen. Eine derart niedrige kritische Magnetfeldstärke Bc2 bewirkt, dass der schaltbare Leiterabschnitt leicht durch eine Veränderung eines lokal wirkenden Magnetfeldes geschaltet werden kann. Beispielsweise kann die obere kritische Magnetfeldstärke Bc2 im Bereich zwischen 40 mT und 80 mT liegen. Generally, the upper critical magnetic field strength B c2 for the superconducting material of the switchable conductor section may be below or at 100 mT. Such a low critical magnetic field strength B c2 causes the switchable conductor section can be easily switched by a change of a locally acting magnetic field. For example, the upper critical magnetic field strength B c2 may be in the range between 40 mT and 80 mT.
Vorteilhaft liegt die Sprungtemperatur für das supraleitende Material des schaltbaren Leiterabschnitts bei höchstens 50 K, beispielsweise zwischen 25 K und 35 K. Eine solche für einen Hochtemperatursupraleiter vergleichsweise niedrige Sprungtemperatur bewirkt, dass der schaltbare Leiterabschnitt leicht durch eine lokale Erwärmung geschaltet werden kann. Alternativ zu einem echten Hochtemperatursupraleiter kann prinzipiell auch analog ein supraleitendes Material mit einer Sprungtemperatur unterhalb von 25 K für den schaltbaren Leiterbereich verwendet werden, sofern es sich bei diesem Material um ein keramisches Material handelt, welches somit nicht metallisch leitend ist. Advantageously, the transition temperature for the superconducting material of the switchable conductor section is at most 50 K, for example between 25 K and 35 K. Such a relatively low transition temperature for a high-temperature superconductor causes the switchable conductor section to be easily switched by local heating. As an alternative to a real high-temperature superconductor, a superconducting material with a transition temperature below 25 K can in principle also be used analogously for the switchable conductor region, provided that this material is a ceramic material which is thus not metallically conductive.
Eine Betriebstemperatur für den supraleitenden Zustand des schaltbaren Leiterabschnitts kann vorteilhaft zwischen 4 K und 40 K liegen. Mit einer derartigen Betriebstemperatur kann erreicht werden, dass der Leiterabschnitt durch eine relativ geringe Temperaturerhöhung und/oder eine relativ geringe Erhöhung eines dort lokal wirkenden Magnetfeldes in den normalleitenden Zustand gebracht werden kann. Besonders vorteilhaft liegt die Betriebstemperatur für den supraleitenden Zustand des schaltbaren Leiterabschnitts zwischen 10 K und 25 K. An operating temperature for the superconducting state of the switchable conductor section can advantageously be between 4 K and 40 K. With such an operating temperature can be achieved that the conductor section can be brought by a relatively small increase in temperature and / or a relatively small increase in a locally acting magnetic field in the normal conducting state. Particularly advantageous is the operating temperature for the superconducting state of the switchable conductor section between 10 K and 25 K.
Die Schaltzeit für das Umschalten des schaltbaren Leiterabschnitts vom supraleitenden in den normalleitenden Zustand kann vorteilhaft bei höchstens 0,5 s, insbesondere bei höchstens 0,1 s liegen. Eine derart kurze Öffnungszeit hat den Vorteil, dass bei einer Entladung der supraleitenden Spulenwicklung ein hoher Anteil der in der Spule gespeicherten elektrischen Energie auf den Abklingwiderstand oder den Verbraucher übertragen wird und somit nicht im Dauerstromschalter oder der Spulenwicklung dissipiert wird. Dies gilt insbesondere auch für einen Störfall, bei dem das Entladen der Spulenwicklung möglichst schnell durchgeführt werden soll. Durch ein derart schnelles Entladen kann insbesondere erreicht werden, dass es nicht zwangsläufig zu einem vollständigen Quenchen kommt. Mit anderen Worten kann die elektrische Spulenwicklung entladen werden und trotzdem im Wesentlichen im supraleitenden Zustand verbleiben, wenn beispielsweise nach einem lokalen Erwärmen das Öffnen des Dauerstromschalters schnell genug stattfindet, dass nur ein geringer Anteil der gespeicherten Energie in der Spulenwicklung dissipiert wird und somit die übrigen Bereiche der Spulenwicklung supraleitend bleiben. Auch der lokal erwärmte Bereich kann nach einem derart schnellen Entladen schnell wieder seine Betriebstemperatur erreichen. Beispielsweise kann eine Magnetspule eines Magnetresonanzgerätes nach einem solchen lokalen Erwärmen und einer nachfolgenden Entladung der Spule sehr schnell wieder zu ihrem ursprünglichen Betriebszustand zurückkehren, wenn kein Quenchen der Magnetspule und somit auch kein vollständiges Verdampfen des umgebenden flüssigen Heliums erfolgt. Somit werden Ausfallzeiten und Kühlmittelverbrauch reduziert. Insbesondere kann nach einem solchen Zwischenfall das System ferngesteuert wieder hochgefahren werden, und der nach einem vollständigen Quench üblicherweise benötigte Besuch eines Service-Technikers zum Nachfüllen des Heliums kann entfallen. The switching time for the switching of the switchable conductor section from the superconducting to the normal conducting state can be advantageous in at most 0.5 s, in particular at most 0.1 s. Such a short opening time has the advantage that during a discharge of the superconducting coil winding, a high proportion of the electrical energy stored in the coil is transmitted to the Abklingwiderstand or the consumer and thus is not dissipated in the persistent current switch or the coil winding. This is especially true for an accident in which the unloading of the coil winding should be performed as quickly as possible. By such a rapid unloading can be achieved in particular that it does not necessarily come to a complete quench. In other words, the electrical coil winding can be discharged and still remain substantially in the superconducting state, for example, after a local heating the opening of the persistent current switch takes place fast enough that only a small proportion of the stored energy is dissipated in the coil winding and thus the remaining areas the coil winding remain superconducting. Also, the locally heated area can quickly reach its operating temperature after such a rapid unloading. For example, after such a local heating and a subsequent discharge of the coil, a magnetic coil of a magnetic resonance apparatus can very quickly return to its original operating state if there is no quenching of the magnetic coil and thus no complete evaporation of the surrounding liquid helium. This reduces downtime and coolant consumption. In particular, after such an incident, the system can be remotely restarted, and after a complete quench usually required visit of a service technician to refill the helium can be omitted.
Durch ein derart schnelles Schalten kann weiterhin die Gefahr der lokalen Überhitzung des Leitermaterials der Spule bei einem (vollständigen oder lokalen) Quench reduziert werden: Gerade bei Spulenwicklungen mit keramischen Hochtemperatursupraleitern oder Magnesiumdiborid ist die Gefahr des lokalen Überhitzens besonders groß, da diese Materialen eine geringe Wärmeleitfähigkeit aufweisen und sich solche überhitzten Zonen entsprechend langsam ausbreiten. Ein schnelles Öffnen des Dauerstromschalters bei der Detektion eines lokalen Quenchs kann daher eine Materialschädigung dieser schlecht wärmeleitenden Supraleiter wirksam verhindern. By such a rapid switching the risk of local overheating of the conductor material of the coil can be further reduced at a (full or local) quench: Especially with coil windings with ceramic high temperature superconductors or magnesium diboride, the risk of local overheating is particularly high, since these materials have a low thermal conductivity and such overheated zones spread accordingly slowly. Rapid opening of the persistent current switch in the detection of a local quench can therefore effectively prevent material damage to these poorly thermally conductive superconductors.
Bei Ausführungsformen, bei denen der Dauerstromschalter dagegen nicht zum plötzlichen Entladen bei einer lokalen Erwärmung der Spulenwicklung ausgelegt sein muss, ist es im Übrigen ausreichend, wenn der Schalter schnell genug öffnet, um ein kontrolliertes Entladen des Stroms hin zum Abklingwiderstand und/oder zum Verbraucher zu bewirken. Wenn also in einer Magnetresonanz-Spule kein plötzlicher Quench verhindert werden muss, sondern nur ein kontrolliertes Entladen beziehungsweise Herunterfahren des Systems ermöglicht werden soll, kann eine Schalter-Öffnungszeit von bis zu 10 s ausreichend sein. Dies gilt beispielsweise auch bei SMES-Systemen oder bei Erregerspulen elektrischer Maschinen, bei denen typischerweise nicht mit derart plötzlichen Quench-Vorgängen gerechnet werden muss und auch beim Entladen nicht so hohe Energiemengen dissipiert werden müssen wie bei Magnetresonanzsystemen. By contrast, in embodiments in which the persistent current switch need not be designed for sudden discharge upon local heating of the coil winding, it is sufficient if the switch opens quickly enough to permit controlled discharge of the current to the decay resistance and / or to the load cause. So if in a magnetic resonance coil no sudden quench must be prevented, but only a controlled discharge or shutdown of the system is to be made possible, a switch opening time of up to 10 s may be sufficient. This also applies, for example, to SMES systems or to exciter coils of electrical machines, which typically do not have to expect such sudden quenching processes and do not have to dissipate as much energy when discharging as in magnetic resonance systems.
Die Spuleneinrichtung kann eine weitere Magnetspule zur Erzeugung eines lokalen Magnetfeldes Bext zum Schalten des schaltbaren Leiterabschnitts aufweisen. Beispielsweise kann durch ein Einschalten einer solchen Magnetspule ein Öffnen des Dauerstromschalters bewirkt werden, indem durch das Magnetfeld Bext ein Überschreiten der oberen kritischen Magnetfeldstärke Bc2 des supraleitenden Materials des Dauerstromschalters bewirkt wird. Das Öffnen des Dauerstromschalters kann dabei prinzipiell allein durch eine Veränderung des lokalen Magnetfeldes oder durch eine Kombination zwischen magnetischem und thermischem Schalten erfolgen. Das Magnetfeld der weiteren Magnetspule kann dabei auch einem bereits vorhandenen Magnetfeld überlagert sein, um ein Magnetfeld Bext zu erzeugen, mit dem die Magnetfeldstärke Bc2 überschritten werden kann. The coil device may have a further magnetic coil for generating a local magnetic field B ext for switching the switchable conductor section. For example, opening of the persistent current switch can be effected by switching on such a magnetic coil by causing the magnetic field B ext to exceed the upper critical magnetic field strength B c2 of the superconducting material of the persistent current switch. The opening of the persistent current switch can in principle be done solely by a change in the local magnetic field or by a combination of magnetic and thermal switching. The magnetic field of the further magnetic coil can also be superimposed on an existing magnetic field in order to generate a magnetic field B ext , with which the magnetic field strength B c2 can be exceeded.
Die Spuleneinrichtung kann eine um den schaltbaren Leiterabschnitt angeordnete Abschirmspule mit einem in sich kurzgeschlossenen Strompfad aufweisen, wobei der kurzgeschlossene Strompfad durch einen schaltbaren Leiterabschnitt der Abschirmspule geöffnet werden kann. Mit anderen Worten kann über diesen weiteren schaltbaren Leiterabschnitt der geschlossene Strompfad der Abschirmspule geöffnet werden, was die magnetisch abschirmende Wirkung erheblich reduziert. Auf diese Weise kann ein magnetisches Hintergrundfeld, was vorher durch die Abschirmspule weitgehend abgeschirmt wurde, auf den schaltbaren Leiterbereich des Dauerstromschalters einwirken und diesen durch ein Überschreiten dessen oberer kritischer Magnetfeldstärke Bc2 in seinen normalleitenden Zustand bringen, also den Dauerstromschalter öffnen. The coil device can have a shielding coil arranged around the switchable conductor section and having a short-circuited current path, wherein the short-circuited current path can be opened by a switchable conductor section of the shielding coil. In other words, the closed current path of the shielding coil can be opened via this further switchable conductor section, which considerably reduces the magnetically shielding effect. In this way, a magnetic background field, which was previously largely shielded by the shielding coil, act on the switchable conductor region of the persistent current switch and bring this by exceeding its upper critical magnetic field strength B c2 in its normal conducting state, so open the persistent current switch.
Wie im einleitenden Teil bereits beschrieben, kann es sich bei der Spuleneinrichtung beispielsweise um eine Magnetspuleneinrichtung zur Erzeugung eines Magnetfeldes in einem Gerät zur Magnetresonanzbildgebung oder Magnetresonanzspektroskopie handeln. Alternativ kann es sich um eine Erregerspuleneinrichtung zur Erzeugung eines elektromagnetischen Erregerfeldes in einer rotierenden elektrischen Maschine handeln. Oder es kann sich beispielsweise um eine Magnetspuleneinrichtung zur Speicherung von Energie in einem supraleitenden magnetischen Energiespeicher (SMES) handeln. Prinzipiell ist die Grundidee der vorliegenden Erfindung für alle Systeme geeignet, bei denen ein Dauerstrom in einem kurzgeschlossenen supraleitenden Spulensystem fließt. As already described in the introductory part, the coil device can be, for example, a magnetic coil device for generating a magnetic field in a device for magnetic resonance imaging or magnetic resonance spectroscopy. Alternatively, it can be an excitation coil device for generating an electromagnetic exciter field in a rotating electrical machine. Or it can, for example, a magnetic coil device for storing energy in a superconducting magnetic energy storage (SMES) act. In principle, the basic idea of the present invention is suitable for all systems in which a continuous current flows in a short-circuited superconducting coil system.
Das supraleitende Leitermaterial der Spulenwicklung kann prinzipiell ein anderes Material sein als das supraleitende Material des schaltbaren Leiterabschnitts. Insbesondere kann das Material der Spulenwicklung auch Magnesiumdiborid aufweisen oder es kann sich um einen metallischen Supraleiter handeln, also beispielsweise ein auf NbTi oder Nb3Sn basierendes Material. Alternativ können das supraleitende Material der Spulenwicklung und des Dauerstromschalters auch identisch sein oder zumindest gleiche Bestandteile aufweisen. Die Spulenwicklung kann auch ein anderes keramisches HTS-Material aufweisen als der Dauerstromschalter, beispielsweise ein Material des Typs REBa2Cu3Ox (kurz REBCO), wobei RE für ein Element der seltenen Erden oder eine Mischung solcher Elemente steht. The superconducting conductor material of the coil winding may in principle be a different material than the superconducting material of the switchable conductor section. In particular, the material of the coil winding can also have magnesium diboride or it can be a metallic superconductor, that is, for example, a material based on NbTi or Nb3Sn. Alternatively, the superconducting material of the coil winding and the persistent current switch may also be identical or at least have the same components. The coil winding can also comprise a ceramic HTS material other than the continuous current switch, for example a REBa 2 Cu 3 O x (REBCO) material for short, where RE stands for a rare earth element or a mixture of such elements.
In den Fällen, in denen unterschiedliche supraleitende Materialen für Spulenwicklung und Dauerstromschalter zum Einsatz kommen, müssen diese Materialien für den geschlossenen Stromkreis supraleitend beziehungsweise mit einem möglichst geringen Verbindungswiderstand miteinander verbunden werden. Supraleitende Verbindungen zwischen einem keramischen Supraleiter und einem auf NbTi basierenden Leiter sind bereits aus dem Stand der Technik bekannt. Aufgrund der großen Kohärenzlänge von NbTi sind solche supraleitenden Verbindungen relativ leicht herstellbar. Beispielsweise kann ein massiver keramischer Supraleiter mit Bohrungen versehen werden, die zur Kontaktierung mit NbTi-Filamenten und supraleitendem Lot gefüllt werden. Alternativ kann eine Kontaktierung über eine Pressversinterung geschaffen werden. In cases where different superconducting materials for coil winding and persistent current switch are used, these materials for the closed circuit superconducting or must be connected to each other with the lowest possible connection resistance. Superconducting connections between a ceramic superconductor and an NbTi-based conductor are already known from the prior art. Due to the large coherence length of NbTi, such superconducting compounds are relatively easy to produce. For example, a solid ceramic superconductor can be provided with holes that are filled for contacting with NbTi filaments and superconducting solder. Alternatively, a contact can be created via a press sintering.
Bei dem Verfahren zum Be- oder Entladen eines Dauerstroms kann zum Umschalten ein am Ort des schaltbaren Leiterabschnitts wirkendes Magnetfeld Bext verändert werden. Diese Veränderung kann beispielsweise durch Ein- oder Ausschalten einer Magnetspule oder durch Unterbrechen oder Zusammenschließen einer magnetischen Abschirmspule bewirkt werden. Dabei bewirkt ein höheres lokales Magnetfeld Bext ein Öffnen des Schalters und ein niedrigeres lokales Magnetfeld ein Schließen des Schalters, sofern dabei das für die jeweilige Temperatur maßgebliche obere kritische Magnetfeld Bc2 über- oder unterschritten wird. Alternativ oder zusätzlich kann durch ein Heizen des schaltbaren Bereichs ein Öffnen des Schalters bewirkt werden beziehungsweise durch ein Entfernen der Heizung ein Schließen des Schalters bewirkt werden. Mit anderen Worten kann der Dauerstromschalter entweder magnetisch geschaltet werden oder thermisch oder durch eine Kombination beider Methoden. Dabei wird generell der Dauerstromschalter zum Be- oder Entladen der Spulenwicklung geöffnet und für einen Betrieb der Spulenwicklung im Dauerstrommodus geschlossen. In the method for loading or unloading a continuous current, a magnetic field B ext acting at the location of the switchable conductor section can be changed for switching over. This change can be effected, for example, by switching a magnetic coil on or off or by breaking or joining a magnetic shielding coil. In this case causes a higher local magnetic field B ext opening of the switch and a lower local magnetic field closing the switch, provided that the relevant for the respective temperature upper critical magnetic field B c2 is exceeded or fallen below. Alternatively or additionally, opening of the switch can be effected by heating the switchable region, or closure of the switch can be effected by removal of the heating. In other words, the persistent current switch can be switched either magnetically or thermally or by a combination of both methods. In this case, the continuous current switch is generally opened for loading or unloading the coil winding and closed for operation of the coil winding in the continuous current mode.
Das Entladen des Dauerstroms kann beispielsweise gezielt ausgelöst werden, wenn in der Spulenwicklung eine lokale Erwärmung detektiert wird. Ein schnelles und insbesondere automatisches Entladen bei einem solchen Ereignis kann die Spulenwicklung vor einem kompletten Zusammenbruch der supraleitenden Eigenschaften und das System vor einem Verlust des Kühlmittels bewahren. The discharging of the continuous current can for example be triggered in a targeted manner if a local heating is detected in the coil winding. Rapid and, in particular, automatic discharge in such an event can save the coil winding from complete breakdown of the superconducting properties and the system from loss of the coolant.
Alternativ kann das Entladen auch manuell oder anderweitig durch eine Kontrolleinheit gesteuert ausgelöst werden, beispielsweise bei einem kontrollierten Herunterfahren des Systems, bei der Entnahme der in einem SMES-System gespeicherten Energie oder auch bei der Betätigung eines Notaus-Schalters. Alternatively, the unloading may also be initiated manually or otherwise controlled by a control unit, for example, a controlled shutdown of the system, removal of the energy stored in an SMES system, or even the actuation of an emergency stop switch.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand einiger bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die angehängten Zeichnungen beschrieben, in denen: In the following, the invention will be described by means of some preferred embodiments with reference to the appended drawings, in which:
In
Um den Dauerstrom I1 in der Spulenwicklung
Ein Entladen der in
Bei einem Entladen des in der Spulenwicklung
Ein kontrollierter Entladevorgang kann durch ein Umschalten des Dauerstromschalters
Ein unkontrollierter, also spontan ausgelöster Entladevorgang, kann wie beschrieben durch ein lokales Erwärmen eines Leiterbereichs der Spulenwicklung
Wie in
Um ein möglichst schnelles Schalten zu ermöglichen, ist es günstig, wenn der Betriebspunkt P wie in der
Vorteilhaft liegt ein Abstand des Betriebspunktes P von der Kurve Bc2(T) in Bezug auf die Magnetfeld-Koordinate bei höchstens ΔB = 100 mT, insbesondere zwischen 10 und 50 mT. Der Abstand in Bezug auf die Temperatur-Koordinate kann vorteilhaft bei wenigstens 3 K, insbesondere zwischen 10 K und 40 K liegen. Advantageously, a distance of the operating point P from the curve B c2 (T) with respect to the magnetic field coordinate is at most ΔB = 100 mT, in particular between 10 and 50 mT. The distance with respect to the temperature coordinate can advantageously be at least 3 K, in particular between 10 K and 40 K.
Beispielsweise kann der schaltbare Leiterabschnitt im Dauerstromschalter des dritten Ausführungsbeispiels auf einem Material des Typs BaKBiO basieren. Dieser schaltbare Leiterabschnitt kann dann vorteilhaft bei einem Betriebspunkt zwischen 10 und 25 K und zwischen 0 und 50 mT betrieben werden. Hierdurch wird ein schnelles Schalten, welches zumindest zum Teil magnetisch ausgelöst wird, erleichtert. Bei Verwendung eines tieftemperatursupraleitenden Materials oder von Magnesiumdiborid für die Spulenwicklung
Beispielsweise kann die Abschirmspule
Das in
Ein wesentlicher Grund hierfür ist, dass die Abschirmspule als zweiter Schalter für wesentlich geringere Spannungsfestigkeiten und/oder Stromtragfähigkeiten dimensioniert werden muss als der Dauerstromschalte
Der Leiter der Abschirmspule
Um eine noch kürzere Öffnungszeit des Dauerstromschalters zu erreichen, kann alternativ auch die Spulenwicklung
Bei allen Varianten, bei denen zum Schalten eine magnetische Abschirmung aufgehoben wird, ist es vorteilhaft, wenn das abgeschirmte Volumen vergleichsweise klein ist. Insbesondere bei Magnetresonanz-Anwendungen sollte die Abschirmung klein gewählt werden, um Magnetfeldverzerrungen im abgebildeten beziehungsweise vermessenen Volumen zu vermeiden. Auch bei den anderen Varianten des magnetischen, thermischen oder thermisch-magnetischen Schaltens ist es vorteilhaft, ein möglichst kleines Volumen für den Dauerstromschalter zu wählen, da dann die Schaltzeiten besonders klein gehalten werden können. Vorteilhaft liegt das Volumen des Dauerstromschalters allgemein bei nicht mehr als 100 cm3. In all variants in which a magnetic shielding is canceled for switching, it is advantageous if the shielded volume is comparatively small. In particular, in magnetic resonance applications, the shielding should be chosen small in order to avoid magnetic field distortions in the imaged or measured volume. Also in the other variants of the magnetic, thermal or thermal-magnetic switching, it is advantageous to choose the smallest possible volume for the persistent current switch, since then the switching times can be kept very small. Advantageously, the volume of the continuous current switch is generally not more than 100 cm 3 .
Bei den Ausführungsformen, bei denen zum Schalten eine magnetische Abschirmung aufgehoben wird, ist es vorteilhaft, wenn in Serie zum schaltbaren Leiterabschnitt
Gezeigt ist wiederum ein schaltbarer Leiterabschnitt
Im Beispiel der
Vorteilhaft ist der Dauerstromschalter
Besonders vorteilhaft kann bei der Ausführungsform der
Bei einer weiteren vorteilhaften Variante des sechsten Ausführungsbeispiels kann die für das magnetische Schalten benötigte Magnetfeldstärke reduziert werden, indem für den schaltbaren Leiterbereich
Die beschriebenen Ausführungsformen mit einem magnetischen Schalten gemäß Pfeil
Alternativ zu der in
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