DE1439375C - Magnetspule mit wenigstens einer supra leitenden Wicklung und wenigstens einer in nerhalb der supraleitenden Wicklung ange ordneten, gekühlten, normalleitenden Wick lung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Magnetspule mit we- _ felder im Innerender Wicklungen die gleiche Richnigstens einer supraleitenden Wicklung und wenig- 'i-'J'tung-'habeni.^e^rt^a^szugeäaltenj'-yäÖ-'-lSiiägnetfelder stens einer innerhalb der supraleitenden Wicklung von 100 kG und'-mehr^bei verringertem Energiebedarf angeordneten, gekühlten, normalleitendeh.i Wicklung, und gleichzeitig einfachem Spulenaufbau erzeugt werbei der beide Wicklungen mit einem Erregerstrom 5 den können.

solcher Richtung beaufschlagbar sind, daß die durch Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß

den Erregerstrom erzeugten Magnetfelder im Inneren die normalleitende Wicklung aus einer Metallegierung der Wicklungen die gleiche Richtung haben. besonders hoher Festigkeit besteht und daß die Be-

Oftmals werden in einem freien Volumen von triebstemperatur dieser Wicklung bei etwa —195° C mehreren Kubikzentimetern magnetische Feldstärken io liegt.

von 100 bis 200 kG benötigt.: Diese Feldstärken wer- Gegenüber ein&r wassergekühlten normalliatenden

den bisher durch die sogenannten Bitterrnagnete; er-]. ■ ■■■; Wicklurig^:istbe'ijder,_erfindungsgemäßen Magnetspule zeugt; das sind Solenoide aus Kupfer, die mit sehr die Betriebstemperatur der normalleitenden Wicklung großerf Stromdichte undL besonders starker■ Wasseiv erheblich herabgesetzt und dadurch der ofimsche kühlung betrieben werden. Es ist für diese Magnete 15 Widerstand der Wicklung verringert. Gleichzeitig eine große Erregerleistung' (z. B. bei einem inneren wird durch die Verwendung einer Metallegierung Spulendurchmesser von, 5 cm eine Leistung von etwa besonders hoher Festigkeit eine hohe mechanische 2,5 MW) erforderlich, und außerdem werden ent- Belastbarkeit der Wicklung erzielt, was in Anbetracht sprechende Kühlwassermengen· benötigt. Die Be- der starken im Magnetfeldbereich über 10OkG auftriebskosten eines Bittermagneten sind infolgedessen 20 tretenden Kräfte von besonderer Bedeutung ist. Wähsehr hoch. Das gleiche gilt für Magnetspulen, bei rend man zunächst annehmen sollte, daß es günstiger denen mehrere wassergekühlte Kupferwicklungen wäre, gerade für eine tiefgekühlte normalleitende konzentrisch ineinander angeordnet sind. In dem Wicklung möglichst! reine Materialien, wie reines φ ¹J) Buch »High Magnetic Fields«, 1962, S. 95 und 96, Kupfer, zu verwenden, um schon durch die Materialist beispielsweise für eine aus drei konzentrisch inein- 25 auswahl einen möglichst niedrigen ohmschen Widerander angeordneten, wassergekühlten Kupferwick- stand der normalleitenden Wicklung zu erhalten, hat lungen bestehende Magnetspule ein Energiebedarf es sich gezeigt, daß gerade bei Spulen für' magnevon 14,4 MW für die Erzeugung eines Magnetfeldes tische Feldstärken im Bereich über 100 kG durch die von 250 kG angegeben. erfindungsgemäße Verwendung von Metallegierungen

Man hat bereits versucht, die aufzuwendende Er- 30 besonders hoher Festigkeit für die normalleitende regerleistung dadurch zu senken, daß statt der wasser- Wicklung und eine Kühlung dieser Wicklung auf gekühlten Kupferwicklung eines Bittermagneten eine etwa —195° C--besonders-gute Ergebnisse zu ersupraleitende Wicklung benutzt wird. Hiermit ist es. reichen sind. Bei hoher Festigkeit der normalleitenaber nicht gelungen, bei einem Innendurchmesser der den Wicklung, die einen einfachen Wicklungsaufbau Spule von mehreren Zentimetern eine größere Feld- 35 erlaubt, wird gerade, in Verbindung mit der suprastärke als etwa 70 bis 8OkG zu erzielen.. Auch mit. .:. leitenden Wicklung eine erhebliche Energieersparnis Supraleitungsmagnetspulen mit mehreren konzen- gegenüber bekannten Magnetspulen erzielt,
trisch ineinander angeordneten, mit flüssigem Helium Die Erfindung wird durch ein Ausführungsbeispiel

gekühlten Wicklungen konnten keine höheren Ma- an Hand einer Figur erläutert. Die Figur zeigt im gnetfelder erzielt werden (»High Magnetic Fields«, 40 Querschnitt eine:Magnetspule mit einer normalleiten-S. 344 bis 347). den Wicklung 1 und einer supraleitenden Wicklung 2.

Ferner sind tiefgekühlte, normalleitende Magnet--'. Die normalleitende Wicklung ist innerhalb der supraspulen bekannt, deren Wicklungen aus hochreinem leitenden Wicklung angeordnet. Als Material ist für Aluminium oder aus reinem Kupfer bestehen und die supraleitende Wicklung eine Niob-Titan- oder die mit verflüssigten Gasen, wie flüssigem Helium, 45 Niob-Zirkon-Legierung vorgesehen. Die supraleitende flüssigem Wasserstoff oder flüssigem Stickstoff ge-' ' Wicklung ist außen von einem Mantel 3 mit flüssigem kühlt werden. Magnetfelder über 100 kG konnten Helium umgeben und wird hierdurch auf etwa 4,2° K mit derartigen Spulen jedoch trotz erheblichen Auf- abgekühlt. Um die beiden Wicklungen sind zur wandes nur für kurze Zeiten von etwa einer Sekunde... Wärmeisolatipn zwei Vakuummäntel 4 und 5 und und weniger erreicht werden (»High Magnetic 50 ein dazwischenliegender, mit flüssigem Stickstoff ge-Fields«, S. 101, 102 und 166 bis 169). füllter Mantel 6 angeordnet. Die normalleitende

Weiterhin ist durch das Buch »High Magnetic Wicklung 1 ist aus einem Hohlleiter aufgebaut, durch Fields«, S. 400, der Vorschlag bekannt, zur Verstär-.... den.ein .KühlmitteLgeleilet.wird. Durch dieses Kühlkung des von einem wassergekühlten normalleitenden mittel wird die normalleitende Wicklung auf einer Magneten erzeugten Magnetfeldes die normalleiteride 55 Temperatur von-etwa' ^195° C gehalten. Zwischen Wicklung dieses Magneten mit einem äußeren Mantel der normaHeitenden_r und supraleitenden Wicklung zu umgeben, der aus einer supraleitenden Wicklung „liegt eine Wärmeisplation 7 aus druckfestem Material, besteht. Ein ähnlicher Vorschlag zur Kombination z.B..aus Glasfasergewebe. Hierdurch ist es möglich, von supraleitenden und wassergekühlten, normal- die in der inneren 'Wicklung: auftretenden radialen leitenden Magnetspulen findet sich auch auf S. 99 60 (Druckkräfte. 'durchCdie supraleitende Wicklung aufdes gleichen Buches. zunehmen. Die Wi&klüiigse.iiden der inneren und der

Aufgabe der Erfindung ist es, eine derartige Ma- äußeren Wicklung sind so an eine Erregerstromquelle gnetspule mit wenigstens einer supraleitenden Wick- angeschaltet, daß sich die im Inneren der beiden lung und wenigstens einer innerhalb der supraleiter Spulen ausbildenden magnetischen Felder gegenseitig den Wicklung angeordneten, gekühlten, normalleiten- 65 unterstützen.

den Wicklung, bei der beide Wicklungen mit einem Bei der Inbetriebnahme empfiehlt es sich, zuerst

Erregerstrom solcher Richtung beaufschlagbar sind, das Feld der supraleitenden Wicklung langsam zum daß die durch den Erregerstrom erzeugten Magnet- Höchstwert zu steigern. Die innere Wicklung braucht

inan 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 (1)

1. 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