DE1439375A1

DE1439375A1 - Magnetspule fuer grosse Feldstaerken

Info

Publication number: DE1439375A1
Application number: DE19641439375
Authority: DE
Inventors: Kafka Dipl-Ing Wilhelm
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1964-05-08
Filing date: 1964-05-08
Publication date: 1969-03-06
Also published as: NL6503267A; CH441505A; DE1439375B2; US3343111A; GB1088474A; AT246872B

Description

MagnetspulefürgroßeFeldstärken Oftmals werden in einem freien Volumen von mehreren KuoikzentimeternFeldstärken von 100bis00kGbenötigt.DieseFeldstärken werden bisher durch die sogenanntenBittermagnete ereut ; das sind Solenoide aus Kuper, die mit sehr großer Stromdichteund besonders starkerWasserkühlungbetrieben werden. Es ist für diese Magnete eine große Erregerleistung (z. B. bei einem inneren Spulendurchmesser von 5 cm eine Leistung von etwa 2, 5 hies) erforderlich, und außerdem werden entsprechende Kühlwassermengenbenötigt. Die Betriebskosten eines Bittermagneten sind infolgedessen sehr hoch.
Man hat bereits versuGht, die ufzuwendende Erregerleistung dadurch zu senken, daß statt der wassergekühlten Kupferwicklung eines Bittermagneten eine supraleitende Wicklung benutzt wird.
Hiermit ist es aber nicht gelungen, bei einem Innendurchmesser der Spule von mehreren Zentimetern einegrößereFeldstärkeals 'lO kG zu erzielen. Dieser Weg zur Erzeugung von Feldstärken von 100bis00 kG hat nicht zum Ziel geführt.
Durch die Erfindung wird unter Zugrandelegung einer Magnetspule mit wenigstens'einer normalleitenden und wenigstens einer supraleitenden Wicklung ein sehr starkes Magnetfeld dadurch * erzeugt, daß die normalleitendeWicklung innerhalb der supraleitenden Wicklung angeordnet wird una beide Wicklungen mit einem Erregerstrom solcher Riciltung beaufschlagt werden, daß die hierdurch erze. zgten Felder im Innern aer Wicklungen die gleiche Hichtung haben.
Magnetspulen mit einer normalleitenden und supraleitenden Wicklung sind bereits bekannt. Die Wicklungen sind hierbei magnetisch gekoppelt und die normalleitende Wicklung dient dazu, in der supraleitenden Wicklung, deren Stromkreis geschlossen ist, einen Dauerstromeinzuschalten.
Bei der Erfindung werden dagegen beide Spulen erregt und zwar in einem solchen Sinne, daü sich die hierdurch erzeugten Magnetfelderim Innern unterstützen. Auf diese Weise läßt sich ein sehr starkes Magnetfeld mit wesentlich geringeren Betriebskosten erzeugen als es bisher möglich war. Ein Beispiel soll dies veranschaulichen.
Es sei ein ausnutzbarer Innendurchmesser der Spule von 5 cm und eine Feldstärke von 100 kG vorausgesetzt. Bei einem Bittermagneten beträgt die Erreerieistungdann2,5MV.'.BeiderSpule nach derErfindungwerden70kGdurch die supraleitende 4teklung erzeugt und 30 kG durch die innere normalleitende Wicklung.
Ist diese beispielsweise alugekühlteAluminiumwicklungausgebildet mit einer Wicklungstemperatur von 1V°K, dann beträgtdie LeistungaieserWicklung,diedurcl.Kühlungweggeschafft werden muß, etwa ?u0.'..DieKhlJeistunistdanu etwa 50 kS, also nur etwa <derErregerleistu:desentsprechendenBittermagneteu.
Die Kühlleistungfür den Supraleiter ist gegenüber den 50 kW vernachlässif'barklein.
Die Eri'ind.jnjwirdeureneinAusführungsbeispielanhand einer Fit'urerläutert.DieFiursci'timQuerschnitteineMagnetsrule mit einer norralleiteiiden It und einer supraleitenden Wicklung 2.Djßnormalleitende Wicklung ist innerhalb der supraleitenden Wicklung angeordnet. Als Material ist fUr. die normalleitende Wicklung ein Metall mit einem verhältnismäßig großen Reinheitsgrad, beispielsweise Aluminium, Kupfer oder Natrium, und für die supraleitendeWicklung eine Niob-Titan-oder Niob-Zirkon-Legierung vorgesehen. Die supraleitende Wicklung ist außen von einem Mantel 3 mit flüssigem Helium umgeben und wird hierdurch auf etwa 4,2Kabgekühlt. Um die. beiden Wicklungen sind zur Wärmeisolation zwei Vakuummäntel 4 und 5 und ein dazwischenliegender, mit flüssigem Stickstoff gefUllter Mantel 6 angeordnet. Die normalleitende Wicklung 1 ist aus einem lIohlleiter aufgebaut, durch den ein KüSlmittel, beispielsweise kaltes ieliumgas, geleitet wird. Durch dieses Kühlmittel wird die normalleitendeWicklung auf einer Temperatur von 10 bis 20 K gehalten. Zwischen der normalleiteriden und supraleitenden Wicklung liegt eineWärmeisolation7aus druckfestem Material, z. B. aus Glasfasergewebe. Hierdurch ist es möglich, die in der inneren Wicklung auftretenden radialen Druckkräfte durch die supraleitende Wicklung aufzunehmen. Die Wicklungsenaen aer inneren und äußeren Wicklungen werden so an eine Erregerstromquelle angeschaltet, daß sich die im Innern aer beiden Spulen ausbildendenmagnetischenFelaer gegenseitig unterstützen.
Bei der Inbetriebnahmeempfiehlt es s-ch, zuerst dasFeld der supraleitenden Wicklung langsam zum Höchstwert zu steigern.
Die innere Wicklung braucht man dann nur mit Strom zu beschicken, solange maneingrößeresFeldals70kG,das durch die supraleitende Wicklung gerade noch erzeugt werden kann, benötigt.
Die supraleitende Wicklung muß durch bekannte Mittel gegen Überspannung una lokale ÜDerhitzung bei einer spontanen Transition geschUtzt werden ; desgleichen die innere Wicklung gegen die Überspannungen, die in ihr bei der Transition der äußeren t. icklung induziert werden.
Bei Spulen fUr magnetischeFeldstärkenüber100 kG empfiehlt es sich, wegen der bei diesen Feldstärkenauftretendengroßen Kräften als Material für die normalleitende Wicklung nicht ein reines Metall, sondern eine Metallegierung mit besonders hoher Festigkeit zu nehmen. Bei einer Metallegierung, beispielsweise einer Kupferlegierung, ist zwar der Gewinn an Leitfähigkeit bei Abkühlung nicht so grob wie beieinemreinenMetall. Die Gesamtspule hat aber infolge des erfindungsgemäßen Aufbaus dennoch einen wesentlich kleineren Leistungsbedarf als ein Bittermagnet der gleichen Feldstärke. Spulen mit einer normalleitenden Wicklung aus einer Metallegierung wird man wegen des kleineren Gewinns beim Unterkühlen nicht bei ganz tiefen Temperaturen, sondern beispielsweise bei aer Kühltemperatur von flüssigem StickstoffDetreiben. Im folgenden soll noch durch einen Vere, leich der Be. trieoskosten einer solchen Spule mit den Kosten fUr einen Bittermagneten die Wirtschaftlichkeit auch bei Feldstrrken über 1Uu kG herausgestellt werden.
Es sei angenommen, daß eine Feldstärke von 200 kG benötigt wird. Der hierfürnotwendigeBittermagnet erfordert eine Erregerleistung von etwa 8MW, d. h. bei einem Bereitstellungstarif von 10U DM/(kW. Jahr) einen Betrag von 800 000 DM als Jahrkosten für die Erregerleistung. Betreibt man die erfindungsgemäße Spule so, daß die supraleitendeWicklung70 kG und die normalleitende Wicklung 130 kG, beide zusammen also 200 kG erzeugen, dann beträgt die Verlustleistung der normalleitenden Wicklung 100 kWunddieerforderlicheMomentankühlleistung etwa'1000kW.Hierbei ist eine Kühlung mit flüssigem Stickstoff, also eine Betriebstemperaturder normalleitenden Wicklung von etwa 77°E vorausgesetzt. Die Ersparnis gegenüber dem Bittermagneten beträgt etwa 8b. Weitaus großer wird die Ersparnis dann, wenn die Spitzenleistung nicht dauernd, sondern beispielsweise nur während 1/10 der Tageszeit benötigt wird.
Da Kühlenergie im Gegensatz zur Erregerleistun gespeichert werden kann,kannoieBereitstellungs*.Leistungdurcheine Verteilung über den ganzen Tag hinweg entsprechend reduziert i*. werden. Die bereitzustellende Momentankühlleistung beträgt bei dem gewählten Beispiel nur 1/lu der sonstigen Kühllelstung, also nur 100 kW. Berücksichtigt man noch 1OOkW Erregerleistung, so werden insgesamt 200 kW benötigt, das ergibt eine Ersparnis der Bereitstellungskosten gegenüber dem Bittermagneten von etwa 97%. 4 Patentansprüche 1 Figur

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e Magnetspule mit wenigstens einer normalleitenuen und wenigstens einer supraleitenden Wicklung, dadurch gekennzeichnet, daß die normalleitende Wicklung (1) innerhalb der supraleitenden Wicklung (2)angeordnet ist und beide |'icklun*en mit einem Erregerstrom solcher Richtung beaufschlagtwercten,daß die hierdurch erzeugtenFelder im Innern derWicklungenaiegleicheRichtung haben.
2.MagnetspulenachAnspruch1,aaourchgekennzeichnet,daß aie normalleitendeWicklung etwa bei 1C bis 'J°K betrieben wird.
3. Manetspule nach Anspruch 1 ooer,dauurchgekennzeichnet, daß zwischen den beiden Wicklungen eine Wärmeisolation ('I) aus druckfestemMaterialangeordnetist.
4.i.'anetsue nach Anspruch 1, dadurchgekennzeichnet,daß alsI..ateria- !füruieuurmaJ]eitendeWicklung eine Metailj.~<'ierungmitüesonuershonerFestigkeit'verwenaetwiru und dieHetrieostemperaturdieserWicklung bei etwa 77°K iiegt.