DE1439375B2

DE1439375B2 - Magnetspule mit wenigstens einer supraleitenden wicklung und wenigstens einer innerhalb der supraleitenden wicklung angeordneten gekuehlten normalleitenden wicklung

Info

Publication number: DE1439375B2
Application number: DE19641439375
Authority: DE
Inventors: Wilhelm Dipl Ing 8521 Tennenlohe Kafka
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1964-05-08
Filing date: 1964-05-08
Publication date: 1971-03-11
Also published as: GB1088474A; NL6503267A; CH441505A; US3343111A; AT246872B; DE1439375A1

Description

I 439

Die Erfindung betrifft eine Magnetspule mit wenigstens einer supraleitenden Wicklung und wenig- 'J-* stens einer innerhalb der supraleitenden Wicklung angeordneten, gekühlten, normalleitendeh :■ Wicklung, bei der beide Wicklungen mit einem Erregerstrom solcher Richtung beaufschlagbar sind, daß die durch den Erregerstrom erzeugten Magnetfelder im Inneren der Wicklungen die gleiche Richtung haben.

Oftmals werden in einem freien Volumen von mehreren Kubikzentimetern magnetische Feldstärken von 100 bis 200 kG benötigt. Diese Feldstärken werden bisher durch die sogenannten Bittermagnete er- > ■-zeugt; das sind Solenoide aus Kupfer, die mit sehr großeri Stromdichte und. besonders starker Wasseiv kühlung betrieben werden. Es ist für diese Magnete eine große Erregerleistung (z.B. bei einem inneren Spulendurchmesser von/5 cm eine Leistung von etwa 2,5 MW) erforderlich, und außerdem werden entsprechende Kühlwassermengen· benötigt. Die Be¹ triebskosten eines Bittermagneten sind infolgedessen sehr hoch. Das gleiche gilt für Magnetspulen, bei denen mehrere wassergekühlte Kupferwicklungen konzentrisch ineinander angeordnet sind. In dem Buch »High Magnetic Fields«, 1962, S. 95 und 96, ist beispielsweise für eine aus drei konzentrisch ineinander angeordneten, wassergekühlten Kupferwicklungen bestehende Magnetspule ein Energiebedarf von 14,4 MW für die Erzeugung eines Magnetfeldes von 250 kG angegeben.

Man hat bereits versucht, die aufzuwendende 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 eine größere Feldstärke als etwa 70 bis 8OkG zu erzielen.. Auch mit. ,:. Supraleitungsmagnetspulen mit mehreren konzentrisch ineinander angeordneten, mit flüssigem Helium gekühlten Wicklungen konnten keine höheren Magnetfelder erzielt werden (»High Magnetic Fields«, S. 344 bis 347).

Ferner sind tiefgekühlte, normalleitende Magnet-·', spulen bekannt, deren Wicklungen aus hochreinem Aluminium oder aus reinem Kupfer bestehen und die mit verflüssigten Gasen, wie flüssigem Helium, flüssigem Wasserstoff oder flüssigem Stickstoff ge-' kühlt werden. Magnetfelder über 100 kG konnten mit derartigen Spulen jedoch trotz erheblichen Aufwandes nur für kurze Zeiten von etwa einer Sekunde... und weniger erreicht werden (»High Magnetic Fields«, S. 101, 102 und 166 bis 169).

Weiterhin ist durch das Buch »High Magnetic Fields«, S. 400, der Vorschlag bekannt, zur Verstär-. kung des von einem wassergekühlten normalleitenden Magneten erzeugten Magnetfeldes die normalleitendeh Wicklung dieses Magneten mit einem äußeren Mantel zu umgeben, der aus einer supraleitenden Wicklung besteht. Ein ähnlicher Vorschlag zur Kombination von supraleitenden und wassergekühlten, normalleitenden Magnetspulen findet sich auch auf S. 99 des gleichen Buches.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine derartige Magnetspule mit wenigstens einer supraleitenden Wicklung und wenigstens einer innerhalb der supraleitenden Wicklung angeordneten, gekühlten, normalleitenden Wicklung, bei der beide Wicklungen mit einem Erregerstrom solcher Richtung beaufschlagbar sind, daß die durch den Erregerstrom erzeugten Magnetfelder im Inneren der Wicklungen die gleiche Rich-Jtühgh'ab'eh';.^rdefärt auszugestalten-, daß^Magnetfelder von 100 kG undinoehrbei verringertem Energiebedarf und gleichzeitig einfachem Spulenaufbau erzefugt werden können.

Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß die normalleitende Wicklung aus einer Metallegierung besonders hoher Festigkeit besteht und daß die Betriebstemperatur dieser Wicklung bei etwa —195° C liegt.

Gegenüber einer wassergekühlten normallfeitenden ; Wicklung, ist bei jger^erfindungsgemäßen Magnetspule die Betriebstemperatur der normalleitenden Wicklung erheblich herabgesetzt und dadurch der oBtmsche Widerstand der Wicklung verringert. Gleichzeitig wird durch die Verwendung einer Metallegierung besonders hoher Festigkeit eine hohe mechanische Belastbarkeit der Wicklung erzielt, was in Anbetracht der starken im Magnetfeldbereich über lOO'kG auftretenden Kräfte von besonderer Bedeutung ist. Während man zunächst annehmen sollte, daß es günstiger wäre, gerade für eine tiefgekühlte normalleitende Wicklung möglichst- reine Materialien, wie reines Kupfer, zu verwenden, um schon durch die Materialauswahl einen möglichst niedrigen ohmschen Widerstand der normallejtenden Wicklung zu erhalten, hat es sich gezeigt, däß gerade bei Spulen für'magnetische Feldstärken im Bereich über 100 kG durch die erfindungsgemäße Verwendung von Metallegierungen besonders hoher Festigkeit für die normalleitende Wicklung und eine Kühlung dieser Wicklung auf etwa —195°-C--besonders-gute Ergebnisse zu erreichen sind. Bei hoher Festigkeit der normalleitenden Wicklung, die einen einfachen Wicklungsaufbau erlaubt, wird gerade, in Verbindung mit der supraleitenden Wicklung eine erhebliche Energieersparnis gegenüber bekannten Magnetspulen erzielt.

Die Erfindung wird durch ein Ausführungsbeispiel an Hand einer Figur erläutert. Die Figur zeigt im Querschnitt eine-.Magnetspule mit einer norrrialleitenden Wicklung 1 und einer supraleitenden Wicklung 2. Die normalleitende Wicklung ist innerhalb der supraleitenden Wicklung angeordnet. Als Material ist für die supraleitende Wicklung 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 4,2° K abgekühlt. Um die beiden Wicklungen sind zur Wärmeisolatipn zwei Vakuummäntel 4 und 5 und ein dazwischenliegender, mit flüssigem Stickistoff gefüllter Mantel 6 angeordnet. Die normalleitende Wicklung 1 ist aus einem Hohlleiter aufgebaut, durch den.ein KühlmitteLgeleiletwird. Durch dieses Kühlmittel wird die normalleitende Wicklung auf einer Temperatur von etwa- ^-195° C gehalten. Zwischen der normalleitenden, und supraleitenden Wicklung .liegt eine Wärmeisplation 7 aus druckfestem Material, z. B.. aus "Glasfasergewebe. Hierdurch ist es möglich, die in der inneren'Wicklung auftretenden radialen (Druckkräfte.'durchCdie supraleitende Wicklung aufzunehmen. Die Wicklungsenden der inneren und der äußeren Wicklung sind so an eine Erregerstromquelle angeschaltet, daß sich die im Inneren der beiden Spulen ausbildenden magnetischen Felder gegenseitig unterstützen.

Bei der Inbetriebnahme empfiehlt es sich, zuerst das Feld der supraleitenden Wicklung langsam zum Höchstwert zu steigern. Die innere Wicklung braucht

man dann nur mit Strom zu beschicken, solange man ein größeres Feld als 70 kG, das durch die supraleitende Wicklung gerade noch erzeugt werden kann, benötigt.

Die supraleitende Wicklung muß durch bekannte Mittel gegen Überspannung und lokale Überhitzung bei einer spontanen Transition geschützt werden; desgleichen die innere Wicklung gegen die Überspannungen, die in ihr bei der Transition der äußeren Wicklung induziert werden.

Wegen der bei den angestrebten Feldstärken von über 100 kG auftretenden großen Kräfte ist als Material für die normalleitende Wicklung eine Metalllegierung mit besonders hoher Festigkeit vorgesehen. Bei einer Metallegierung, beispielsweise eine Kupferlegierung, ist zwar der Gewinn an Leitfähigkeit bei Abkühlung nicht so groß wie bei einem reinen Metall. Die Gesamtspule hat aber infolge des erfindungsgemäßen Aufbaus dennoch einen wesentlich kleineren Leistungsbedarf als etwa ein Bittermagnet der gleichen Feldstärke. Wegen des kleineren Gewinns beim Unterkühlen ist es günstiger, die normalleitende Wicklung bei etwa —195° C, der Temperatur von flüssigem Stickstoff, zu betreiben und nicht bei noch tieferen Temperaturen.

Im folgenden soll noch durch einen Vergleich der Betriebskosten einer solchen Spule mit den Kosten für einen Bittermagneten die Wirtschaftlichkeit bei Feldstärken über 100 kG herausgestellt werden. Es sei angenommen, daß bei einem ausnutzbaren Innendurchmesser der Spule von 5 cm eine Feldstärke von 200 kG benötigt wird. Der hierfür notwendige Bittermagnet erfordert eine Erregerleistung von etwa 8 MW, d. h. bei einem Bereitstellungstarif von 100 DM/(kW · Jahr) einen Betrag von 800 000 DM als Jahreskosten für die Erregerleistung. Betreibt man die erfindungsgemäße Spule so, daß die supraleitende Wicklung 70 kG und die normalleitende Wicklung 130 kG, beide zusammen also 200 kG erzeugen, dann beträgt die Verlustleistung der normalleitenden Wicklung 100 kW und die erforderliche Momentankühlleistung etwa 1000 kW. Hierbei ist eine Kühlung mit flüssigem Stickstoff, also eine Betriebstemperatur der normalleitenden Wicklung von etwa —195° C vorausgesetzt. Die Ersparnis gegenüber dem Bittermagneten beträgt etwa 85%. Weitaus größer wird die Ersparnis dann, wenn die Spitzenleistung nicht dauernd, sondern beispielsweise nur während einem Zehntel der Tageszeit benötigt wird. Da Kühlenergie im Gegensatz zur Erregerleistung gespeichert werden kann, kann die Bereitstellungsleistung durch eine Verteilung über den ganzen Tag hinweg entsprechend reduziert werden. Die bereitzustellende Momentankühlleistung beträgt bei dem gewählten Beispiel nur ein Zehntel der sonstigen Kühlleistung, also nur 100 kW. Berücksichtigt man noch 100 kW Erregerleistung, so werden insgesamt 200 kW benötigt, das ergibt eine Ersparnis der Bereitstellungskosten gegenüber dem Bittermagneten von etwa 97%.

Claims

Patentanspruch:

Magnetspule mit wenigstens einer supraleitenden Wicklung und wenigstens einer innerhalb der supraleitenden Wicklung angeordneten, gekühlten, normalleitenden Wicklung, bei der beide Wicklungen mit einem Erregerstrom solcher Richtung beaufschlagbar sind, daß die durch den Erregerstrom erzeugten Magnetfelder im Inneren der Wicklungen die gleiche Richtung haben, dadurch gekennzeichnet, daß die normalleitende Wicklung aus einer Metallegierung besonders hoher Festigkeit besteht und daß die Betriebstemperatur dieser Wicklung bei etwa -195° C liegt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen