DE29723747U1

DE29723747U1 - Magnetfelderzeugungseinrichtung zur Aufmagnetisierung von Supraleitern

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Publication number: DE29723747U1
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Authority: DE
Original assignee: Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Priority date: 1997-10-30
Filing date: 1997-10-30
Publication date: 1999-03-25
Anticipated expiration: 2007-10-31

Description

Forschungszentrum Karlsruhe, den 4. Feb. 1999

Karlsruhe GmbH PLA 9892 Mh/he

ANR 5661498

Magnetfelderzeugungseinrichtung zum Aufmagnetisierung von

Supraleitern .

Beschreibung

Die Neuerung betrifft eine Magnetfelderzeugungseinrichtung zum Aufmagnetisieren von Supraleitern durch ein äußerlich einwirkendes, gepulstes Magnetfeld.

Permanentmagnete können nur bis zur magnetischen Sättigung des verwendeten Materials aufmagnetisiert werden. In Supraleitern hingegen kann eine noch höhere Magnetisierung erreicht werden. Dafür ist die darin fließende Stromdichte verantwortlich. Um den entsprechenden Strom anzuregen und damit den Supraleiter zu magnetisieren, ist für den praktischen Einsatz als supraleitender Dauermagnet, wie z. B. in einem Elektromotor, nur die Pulsmagnetisierung praktikabel. Hierbei wird der Supraleiter ins Zentrum einer magnetfelderzeugenden Spule in Position gebracht.

Die zur Magnetisierung nötige Flußdichte erfordert sehr hohe Ströme, die im Fall der normalleitenden Spule nur kurz fließen dürfen, um in ihr nicht zu viel Joule'sehe Wärme zu erzeugen.

Erwähnt sei hier die EP 0 649 151 Al, in der verschiedene Aufmagnetisierungseinrichtungen vorgestellt werden. Yoshitaka Itoh et al. erläutern Verfahren, die in zwei Aufsätzen schwerpunktmäßig beschrieben und vorgeschlagen werden ("Pulsed Field Magnetization ..." in Jpn. Jour. Appl. Phys. Vol. 35 (1996) pp. 2214 - 2125, Part 1, No. 4A, April. 1996 und "Pulsed Field Magnetization ..." in Jpn. Jour. Appl. Phys. Vol. 35 (1996) pp. L1173 L1176, Part 2, No. 9B, Sep. 1996). Wesentlich ist die Beobachtung, daß der im Supraleiter eingefangene Fluß zwar zunächst mit der Zunahme des externen Feldes anwächst, jedoch ab einem gewissen Wert bei weiterer Steigerung abnimmt.

Bei der herkömmlichen Aufmagnetisierung wird ein von einer Zylinderspule erzeugtes Feld, das an der Stelle des positionierten Supraleiters in erster Nährung homogen ist, verwendet. Es nimmt zunächst in seiner Stärke zeitlich zu und fällt dann wieder auf Null ab. Der Supraleiter reagiert; er will eine Flußänderung

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verhindern. Dazu baut er ein Gegenfeld auf, das kreisförmig fließende Ströme im Supraleiter bewirkt. Das gelingt aber nur unvollständig, da die Stromdichte im Supraleiter durch die von der Temperatur abhängige, maximale kritische Stromdichte j_c begrenzt ist. Die Summe der von der Spule erzeugten magneti-schen Flußdichte p₀H und der Magnetisierung M des Supraleiters ergibt die magnetische Gesamtflußdichte B. Diese Flußdichte B dringt in Form von Flußschläuchen in den Supraleiter ein. Einerseits bedeutet die Verschiebung von Flußschläuchen im Supraleiter einen dissipativen Energieverlust, da sie durch Haftzentren (Pinning-Zentren) festgehalten werden.

Ein Maß für die Verlustenergie, die mit einer Erwärmung des Supraleiters einher geht, ist der zeitliche Verlauf des Flußintegrals. Eine Erwärmung des Supraleiters bedeutet andrerseits ein Absinken der kritischen Stromdichte j_c. Da die Wärme nicht schnell genug abgeführt werden kann, erniedrigt sich mit der Stroitidicht j_c auch die Magnetisierung M des Supraleiters und damit die Qualität beim späteren Einsatz in Elektromaschinen.

Der Neuerung liegt die Aufgabe zugrunde, Supraleiter so verlustarm wie möglich auf einen vorgesehenen Wert aufzumagnetisieren, so daß für den vorgesehen Einsatz in Elekromaschinen optimale Bedingungen eingerichtet werden können.

Die Aufgabe wird durch eine Magnetisierungseinrichtung gemäß dem Oberbegriff und dem kennzeichnenden Merkmal des Anspruch 1 gelöst: Es ist wesentlich, daß der aufzumagnetisierende Supraleiter einem rotationssymmetrischen äußeren Feld ausgesetzt wird, das zumindest im Bereich des zu magnetisierenden Supraleiters radial nach außen linear abnimmt. Er muß mit seiner Achse auf der Magnetfeldachse positioniert sein. Das wird mit einer Einrichtung erzeugt, die in dem notwendigen Prozeßvolumen ein solches Magnetfeld erzeugt.

In Anspruch 2 ist eine Spulenanordnung gekennzeichnet, mit der ein solches Feld erzeugt werden kann. Es handelt sich um eine ebene, spiralig gewickelte Spule, deren Wicklungsanfang auf der Magnetfeldachse liegt und deren Wicklungsende sich am Rand oder außerhalb der äußersten Kontur des positionierten Supraleiters befindet. Damit wird gewissermaßen je nach Wickeldichte eine über den gesamten Spulenquerschnitt hinweg gesehene konstante Stromdichte j erreicht.

Anspruch 3 schließlich kennzeichnet eine Magnetisierungseinrichtung, die aus zwei solcher ebenen, spiraligen Spulen besteht, die in der Art einer Helmholtzspule angeordnet sind. Zwischen beiden Spulen wird dann der Supraleiter zum Aufmagnetisieren in Position gebracht.

Wesentlich ist, die zeitliche Änderung der Gesamtflußdichte B während eines Magnetfeldpulses zu minimieren. Bei der Betrachtung der durch die Magnetisierungseinrichtung erzeugten zweidimensionalen Feldverhältnisse ergibt sich schon eine Reduzierung der entstehenden Wärmemenge auf ein Viertel wie bei der herkömmlichen Aufmagnetisierung. Bei Betrachtung der dreidimensionalen Situation, tritt dieser Einspareffekt noch erheblich ausgeprägter zu Tage-

Die Neuerung wird im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert.

Es zeigen:

Figur 1 das optimierte Feldverhalten während eines p₀H- Pulses,

Figur 2 Feldverhalten während eines Pulses mit einer herkömmlichen homogenen Magnetfeldverteilung.

Die Skalen der jeweils viii Situationen in den Figuren 1 und 2 geben die Normierung B/B* wieder (B* ist Maximalwert) , um den Vergleich zwischen den entsprechenden Situationen hervor zu he

ben. Der radiale Ort r der Felder ist auf den Außenradius R₀ des Supraleiters normiert.

Die Magnetisierungseinrichtung für Figur 1 ist eine ebene, spiralig gewickelte Spule, in deren unmittelbarer Nähe auf ihrer Magnetfeldachse die Volumenprobe, ein magnetisierbarer, kreisscheibenförmiger Supraleiter positioniert ist. In Figur 1 ist die zeitliche Änderung des Magnetfelds p₀H der Magnetisierungsspule zu viii diskreten Zeitpunkten durch die durchgezogene Dreieckskurve dargestellt.

Der Supraleiter reagiert auf die Flußänderung mit kreisförmigen Abschirmströmen, die ein entgegengesetzte Magnetisierung M aufbauen (Situation i in Figur 1 gestrichelt). Auch in der ii. Situation, bei verdoppelter Feldstärke reagiert der Supraleiter noch gleich, das zeigt sich von außen dadurch, das mit einer Hallsonde noch keine Gesamtflußdichte B gemessen wird.

Die iii. Situation zeigt, daß die kritische Stromdichte j_c inzwischen erreicht wurde. Der Supraleiter kann nicht mehr dagegenhalten, er befindet sich in der "Sättigung". Das zeigt sich in der von Null verschiedenen Differenz der magnetischen Gesamtflußdichte (strichpunktierter Verlauf) B. Dieses Magnetfeld dringt in Form von Flußschläuchen in den Supraleiter ein. Das Eindringen bedeutet eine Verschiebung der Flußschläuche. Diese ist mit Arbeit verbunden, die nicht mehr wiedergewonnen werden kann. Sie ist ein dissipativer Energieverlust, weil die Flußschläuche durch Haftzentren festgehalten (pinning) werden.

Eine weitere Erhöhung des Spulenfeldes bringt nochmals eine Erhöhung des eingedrungenen Magnetfeldes (strichpunktierter Verlauf) , wie in Situation iv in Figur 1 dargestellt. Die weiteren Situationen vi bis viii zeigen das Zurückfallen der äußeren Flußdichte (I₀H (durchgezogen) auf Null und die damit einher gehende Änderung der Magnetisierung M (gestrichelt). Die Summe der äußeren Flußdichte p₀H und der Magnetisierung M des Su

praleiters bleibt jedoch konstant, d. h. die Gesamtflußdichte B ändert sich nicht mehr.

Ein Maß für die bei der Verschiebung der Flußschläuche notwendige, verlorengehende Energie , die mit der Erwärmung des Supraleiters einher geht, ist die zeitliche Änderung der Fläche (Integral) unter dem strichpunktierten Verlauf. Eine Erwärmung des Supraleiters geht mit dem Absinken der kritischen Stromdichte je einher. Da die Wärme nicht schnell genug abgeführt werden kann, erniedrigt sich die Magnetisierung des Supraleiters und damit die Qualität beim späteren technischen Einsatz.

Zum Vergleich sind in Figur 2 die zu Figur 1 vergleichbaren Situationen bei herkömmlicher Aufmagnetisierung dargestellt. Jedoch ist der Supraleiter dem homogenen inneren Pulsmagnetfeld eines Solenoiden ausgesetzt (siehe den Verlauf der durchgezogenen Linie).

Schon in der ersten Situation wird das Gesamtfeld B in den Supraleiter eingebracht und werden damit Flußschläuche im Supraleiter gebildet (strichpunktierte Linie). Das Gesamtfeld steigert sich bis zur Situation iv unter Beibehaltung der Abhängigkeit vom Radius. Die Magnetisierung M des Supraleiters (gestrichelt) bleibt von der ii. bis zur iv. Situation ebenfalls unverändert, da zusätzlich zu der schon fließenden kritischen Stromdichte j_c nicht mehr Strom induziert werden kann.

Beim Zurückgehen der Stärke des durch die Spule erzeugten Magnetpulses PoH auf Null (Situationen &ngr; bis viii) ändert sich insbesondere auch die Gesamtflußdichte B, wie das beim Hochfahren des Pulses mit einer Verschiebung von Flußschläuchen einher geht. Die aber war, wie in Figur 1 zu sehen ist, von Situation iv bis viii konstant, d. h. die dissipativen Energieverluste bei der Aufmagnetisierung gemäß Figur 2 sind erheblich höher als mit der optimierten Aufmagnetisierung.

Claims

Forschungszentrum Karlsruhe, den 4. Feb. 1999 Karlsruhe GmbH PLA 9892 Mh/he ANR 5661498 Schutzansprüche

1.Magnetfelderzeugungseinrichtung zum Aufmagnetisieren von Supraleitern mit einem äußerlich einwirkenden, gepulsten Magnetfeld, in dem der aufzumagnetisierende Supraleiter in vorgegebener Lage auf der Achse desselben und im Bereich vorgegebener Feldstärke positioniert ist,
dadurch gekennzeichnet, daß

mit dieser ein Magnetfeld erzeugbar ist, das im Bereich höchster Feldstärke rotationssymmetrisch zur Achse des Magnetfelds ist und zumindest innerhalb eines vorgegebenen Volumens radial zu dieser Achse linear nach außen hin abnimmt.

2.Magnetfelderzeugungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

diese aus einer Spulengeometrie besteht, die mindestens eine Spulenkomponente hat, deren Leiter spiralig eben gewickelt ist, deren Wickelanfang auf der Achse und ihr Wickelende an der radial äußersten Kontur des zu magnetisierenden Supraleiters oder darüber hinaus liegt.

3.Magnetfelderzeugungseinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß

die Magnetfelderzeugungseinrichtung aus zwei spiraligen, auf der Achse liegenden Spulenkomponenten besteht, zwischen denen der aufzumagnetisierende Supraleiter zur Durchführung des Verfahrens positioniert wird.